JP7275624B2 - 周波数帯域可変高周波増幅器 - Google Patents
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Description
本発明は上記点に鑑みて、同一チップの高周波増幅器を異なる周波数帯域のアプリケーションに適用できるようにし、高周波増幅器の低消費電力化を可能にすることを目的とする。また、集積回路の製造工程に起因する周波数ピークのばらつきに対する補正に適用でき、歩留まりの改善が図られるようにすることをもう一つの目的とする。
図1~図6Aおよび図6Bを参照して、第1実施形態にかかる増幅器10について説明する。図1に示すように、増幅器10は、入力整合回路20、増幅部コア30及び出力整合回路40を備え、シリコンを用いて形成したMMICに備えられている。この増幅器10は、特性インピーダンスZ0の伝送線路に接続された差動の高周波増幅器を想定している。また、ここで増幅器10は差動動作なので、特性インピーダンスZ0は逆相のOddモードで定義される。増幅部コア30は、電圧電流変換を行うMOSFETから構成され、入力整合回路20から入力される電圧を電流変換する。なお、ここでは、増幅部コア30をMOSFETで構成した例を示すが、増幅部コア30については、バイポーラトランジスタなどを含む各種トランジスタ素子により構成することができる。
第2実施形態について説明する。第1実施形態では、周波数帯域fL~fHにおいて、入力アドミタンスYin、出力アドミタンスYoutのコンダクタンス成分Gin、Goutが特性インピーダンスZ0の逆数となる特性アドミタンス値Y0に一致する場合を想定した。しかしながら、実際の高周波回路の設計では寄生成分により、これらが一致しない場合が想定される。このような場合でも、周波数帯域fL~fHにおいて、入力アドミタンスYin、出力アドミタンスYoutが一定の範囲内であれば、可変容量22a~22d、42a~42dの容量値の調整により、第1実施形態で示した調整手法を、有意な効果の範囲で適用することができる。
第3実施形態について説明する。本実施形態では、入出力整合回路におけるトランスの一次側と二次側の比を変える場合について説明する。以下、図9を参照して、本実施形態にかかる増幅器10について説明する。
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第3実施形態に対して、入出力整合回路におけるトランスの巻数の多い側、つまりインダクタンスLが大きい側のみに可変容量を付け、巻数の少ない側では容量を固定値とするものである。
第5実施形態について説明する。本実施形態では、第4実施形態において、可変容量の容量値に制限がある場合について説明する。
第6実施形態について説明する。本実施形態は、第1~第5実施形態に対して増幅部コア30の構成を指定したものである。なお、ここでは特に有効な構成として、第4、第5実施形態のように、入出力整合回路に備えられるトランスの増幅部コア側の巻線比を高くする構成とした場合を例に挙げて説明するが、第1~第3実施形態の構成であってもよい。
第7実施形態について説明する。本実施形態は、第6実施形態に対して増幅部コアの構成を変更したものである。増幅部コア以外の部分については、第7実施形態と同様であるため、増幅部コアについてのみ図示して説明する。
第8実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して入出力整合回路の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様である。ここでは、第5実施形態のように増幅部コアをソース接地したMOSFETを用いて構成しつつ、第1実施形態に対して入出力整合回路の構成を変更する場合を例に挙げて説明するが、増幅部コアの構成については他の回路構成であっても良い。
第9実施形態について説明する。本実施形態では、第1~第8実施形態で説明した第1トランス21、第2トランス41のレイアウト構成例について説明する。
第10実施形態について説明する。ここでは、第1トランス21、第2トランス42のシールド構造について説明する。なお、第1トランス21と第2トランス42のシールド構成については同様の構成とされることから、ここでは第1トランス21を例に挙げて説明する。また、第1トランス21や第2トランス41の巻線比についても1:1に限らない。
第11実施形態について説明する。本実施形態では、可変容量のうちの高周波スイッチの役割を担うMOSFETを複数段縦積みにする場合について説明する。
第12実施形態について説明する。上記各実施形態では差動信号を前提とした増幅器の周波数可変の構成について説明したが、本実施形態では、単相信号の場合での増幅器の周波数可変の構成とする。以下、本実施形態の増幅器について、図21~図24を参照して説明する。
第13実施形態について説明する。本実施形態では、可変容量22a~22d、42a~42dの容量値の変更方法の一例について、図2A、図2Bの構成を用いて説明する。ただし、これに限らず、図2A、図2B以外の回路構成とされた各実施形態についても、同様の容量値の変更方法を適用できる。
本開示は、前述した実施形態に準拠して記述したが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範畴や思想範囲に入るものである。
20、80 入力整合回路
30、90 増幅部コア
40、100 出力整合回路
21、41 第1、第2トランス
22a~22d、42a~43d 可変容量
24a、24b、44a、44d 固定容量
Claims (14)
- 集積回路に構成された周波数帯域可変高周波増幅器であって、
第1トランス(21)又は第1インダクタ(82)を用いて構成される入力整合回路(20、80)と、
前記入力整合回路から入力される信号を増幅する増幅部コア(30、90)と、
前記増幅部コアの出力側に接続されると共に第2トランス(41)又は第2インダクタ(82)を用いて構成される出力整合回路(40、100)と、を備え、
前記入力整合回路と前記出力整合回路には、可変容量(22a~22d、42a~42d、83)が備えられており、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量は入力アドミタンスの虚部を制御するためのものであり、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量は出力アドミタンスの虚部を制御するためのものであって、
前記入力整合回路に備えられる前記可変容量の容量値を調整し、該入力整合回路の周波数ピークを高周波数(fH)側もしくは低周波数(fL)側に可変させることで前記入力アドミタンスの虚部が制御されると共に、
前記出力整合回路に備えられる前記可変容量の容量値を調整し、該出力整合回路の周波数ピークを高周波数(fH)側もしくは低周波数(fL)側に可変させることで前記出力アドミタンスの虚部が制御され、
前記入力整合回路の周波数ピークを可変させる方向と前記出力整合回路の周波数ピークを可変させる方向が一致させられ、共に前記高周波数側とされているか、もしくは、共に前記低周波数側とされていることで正の相関を持ち、
前記入力整合回路は一次巻線(21a)及び二次巻線(21b)を有する前記第1トランス(21)を用いて構成されると共に、前記出力整合回路は一次巻線(41a)及び二次巻線(41b)を有する前記第2トランス(42)を用いて構成され、
n1を1より大きな実数としたとき前記第1トランスの一次対二次の巻数比が1:n1により構成され、
n2を1より大きな実数としたとき前記第2トランスの一次対二次の巻数比がn2:1により構成されており、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量(22c、22d)は前記第1トランスの二次側に備えられ、
前記第1トランスの一次側には固定容量(24a、24b)が備えられ、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量(42a、42b)は前記第2トランスの一次側に備えられ、
前記第2トランスの二次側には固定容量(44a、44b)が備えられており、
さらに、前記増幅部コアが、
ソース接地された一対のMOSFET(31a、31b)を備え、
前記可変容量の容量値をC TUNE とし、前記MOSFETのゲートソース間容量をCgsとして、
前記容量値C TUNE の最大値と前記ゲートソース間容量Cgsとが、
容量値C TUNE の最大値≦2・Cgs
の関係とされている周波数帯域可変高周波増幅器。 - 集積回路に構成された周波数帯域可変高周波増幅器であって、
第1トランス(21)又は第1インダクタ(82)を用いて構成される入力整合回路(20、80)と、
前記入力整合回路から入力される信号を増幅する増幅部コア(30、90)と、
前記増幅部コアの出力側に接続されると共に第2トランス(41)又は第2インダクタ(82)を用いて構成される出力整合回路(40、100)と、を備え、
前記入力整合回路と前記出力整合回路には、可変容量(22a~22d、42a~42d、83)が備えられており、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量は入力アドミタンスの虚部を制御するためのものであり、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量は出力アドミタンスの虚部を制御するためのものであって、
前記入力整合回路に備えられる前記可変容量の容量値を調整し、該入力整合回路の周波数ピークを高周波数(fH)側もしくは低周波数(fL)側に可変させることで前記入力アドミタンスの虚部が制御されると共に、
前記出力整合回路に備えられる前記可変容量の容量値を調整し、該出力整合回路の周波数ピークを高周波数(fH)側もしくは低周波数(fL)側に可変させることで前記出力アドミタンスの虚部が制御され、
前記入力整合回路の周波数ピークを可変させる方向と前記出力整合回路の周波数ピークを可変させるが逆とされ、一方が前記高周波数側とされ、他方が前記低周波数側とされていることで負の相関を持ち、
前記入力整合回路は一次巻線(21a)及び二次巻線(21b)を有する前記第1トランス(21)を用いて構成されると共に、前記出力整合回路は一次巻線(41a)及び二次巻線(41b)を有する前記第2トランス(42)を用いて構成され、
n1を1より大きな実数としたとき前記第1トランスの一次対二次の巻数比が1:n1により構成され、
n2を1より大きな実数としたとき前記第2トランスの一次対二次の巻数比がn2:1により構成されており、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量(22c、22d)は前記第1トランスの二次側に備えられ、
前記第1トランスの一次側には固定容量(24a、24b)が備えられ、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量(42a、42b)は前記第2トランスの一次側に備えられ、
前記第2トランスの二次側には固定容量(44a、44b)が備えられており、
さらに、前記増幅部コアが、
ソース接地された一対のMOSFET(31a、31b)を備え、
前記可変容量の容量値をC TUNE とし、前記MOSFETのゲートソース間容量をCgsとして、
前記容量値C TUNE の最大値と前記ゲートソース間容量Cgsとが、
容量値C TUNE の最大値≦2・Cgs
の関係とされている周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記入力整合回路に備えられた前記可変容量は、所定のアプリケーションの周波数帯域幅において、前記入力アドミタンスの虚部を制御するためのものであり、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量は、前記所定のアプリケーションの周波数帯域幅において、前記出力アドミタンスの虚部を制御するためのものである請求項1または2に記載の周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記入力アドミタンスの実部および前記出力アドミタンスの実部が、系の特性アドミタンスの実部と電圧定在波比が6以下の範囲で一致する請求項1から3のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。
- 前記入力アドミタンスおよび前記出力アドミタンスが、電圧定在波比が6以下の範囲に含まれている請求項1から3のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。
- 集積回路に構成された周波数帯域可変高周波増幅器であって、
第1トランス(21)又は第1インダクタ(82)を用いて構成される入力整合回路(20、80)と、
前記入力整合回路から入力される信号を増幅する増幅部コア(30、90)と、
前記増幅部コアの出力側に接続されると共に第2トランス(41)又は第2インダクタ(82)を用いて構成される出力整合回路(40、100)と、を備え、
前記入力整合回路と前記出力整合回路には、可変容量(22a~22d、42a~42d、83)が備えられており、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量は入力アドミタンスの虚部を制御するためのものであり、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量は出力アドミタンスの虚部を制御するためのものであって、
前記入力整合回路は一次巻線(21a)及び二次巻線(21b)を有する前記第1トランス(21)を用いて構成されると共に、前記出力整合回路は一次巻線(41a)及び二次巻線(41b)を有する前記第2トランス(42)を用いて構成され、
n1を1より大きな実数としたとき前記第1トランスの一次対二次の巻数比が1:n1により構成され、
n2を1より大きな実数としたとき前記第2トランスの一次対二次の巻数比がn2:1により構成されており、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量(22c、22d)は前記第1トランスの二次側に備えられ、
前記第1トランスの一次側には固定容量(24a、24b)が備えられ、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量(42a、42b)は前記第2トランスの一次側に備えられ、
前記第2トランスの二次側には固定容量(44a、44b)が備えられていて、
前記増幅部コアが、
ソース接地された一対のMOSFET(31a、31b)を備え、
前記可変容量の容量値をCTUNEとし、前記MOSFETのゲートソース間容量をCgsとして、
前記容量値CTUNEの最大値と前記ゲートソース間容量Cgsとが、
容量値CTUNEの最大値≦2・Cgs
の関係とされている周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記増幅部コアは、前記入力整合回路と前記出力整合回路との間において、カスコード接続した複数のMOSFET(31a、31b、32a、32b)を有する回路構成とされている請求項1から6のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。
- 前記増幅部コアは、
ソース接地された一対のMOSFET(31a、31b)を備え、
一方のMOSFET(31a)のドレインと他方のMOSFET(31b)のゲートとの間、及び、前記他方のMOSFETのドレインと前記一方のMOSFETのゲートとの間、にそれぞれコンデンサ(33a、33b)を接続したクロスカップル接続とされている請求項1から7のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記入力整合回路は、一次巻線(21a)及び二次巻線(21b)を備えた前記第1トランス(21)を用いて構成されると共に、前記出力整合回路は、一次巻線(41a)及び二次巻線(41b)を備えた前記第2トランス(41)を用いて構成され、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量は、前記第1トランスの前記一次巻線の差動信号線を構成するネット(23a、23b)とグランドとの間と、前記第1トランスの前記二次巻線の差動信号線を構成するネット(23c、23d)と前記グランドとの間の少なくとも一方に接続され、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量は、前記第2トランスの前記一次巻線の差動信号線を構成するネット(43a、43b)とグランドとの間と、前記第2トランスの前記二次巻線の差動信号線を構成するネット(43c、43d)と前記グランドとの間の少なくとも一方に接続されている請求項1から8のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記入力整合回路は、一次巻線(21a)及び二次巻線(21b)を備えた前記第1トランス(21)を用いて構成されると共に、前記出力整合回路は、一次巻線(41a)及び二次巻線(41b)を備えた前記第2トランス(41)を用いて構成され、
前記入力整合回路に備えられた前記可変容量は、前記第1トランスの前記一次巻線の差動信号線を構成するそれぞれのネット(23a、23b)の間と、前記第1トランスの前記二次巻線の差動信号線を構成するそれぞれのネット(23c、23d)の間との少なくとも一方に接続され、
前記出力整合回路に備えられた前記可変容量は、前記第2トランスの前記一次巻線の両端の差動信号線を構成するそれぞれのネット(43a、43b)の間と、前記第2トランスの前記二次巻線の差動信号線を構成するそれぞれのネット(43c、43d)との少なくとも一方に接続されている請求項1から8のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記第1トランスと前記第2トランスの前記一次巻線および前記二次巻線は、共に、スパイラル部(21aa、21ba)と引出部(21ab、21bb)とを有した構成とされ、前記一次巻線の前記スパイラル部と前記二次巻線の前記スパイラル部は、重なりが無く、互いに異なる領域に配置されたレイアウト構成とされている請求項9または10に記載の周波数帯域可変高周波増幅器。
- 前記第1トランスと前記第2トランスの前記一次巻線および前記二次巻線は、それぞれ所定のレイヤの配線層(L1、L2)を用いて構成され、
前記所定のレイヤの配線層と異なるレイヤの配線層(L3)にはグランド電位となるシールド層(S)を備え、
前記シールド層は、少なくとも前記第1トランス及び前記第2トランスの形成領域を含む所定領域には設けられていない請求項9から11のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。 - 前記可変容量は、固定容量(51~53、61~63)と、該固定容量との接続の切替えを行う高周波スイッチを構成するトランジスタ(54、54a、54b、55、55a、55b、56、56a、56b、64a、64b、65a、65b、66a、66b)と、が直列接続された直列接続回路を複数並列接続したものである請求項1から12のいずれか1つに記載の周波数帯域可変高周波増幅器。
- 前記可変容量は、固定容量(51~53)と、該固定容量の接続の切替を行う高周波スイッチを構成するトランジスタ(54a、54b、55a、55b、56a、56b)と、が直列接続された直列接続回路を前記ネットと前記グランドとの間に複数並列接続したものであり、
複数並列接続されたそれぞれの前記直列接続回路は、前記固定容量と前記グランドとの間に前記トランジスタが複数直列接続されることで複数段縦積みされた回路構成とされている請求項9に記載の周波数帯域可変高周波増幅器。
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