JP7286031B2 - differential amplifier - Google Patents

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Description

本開示は、差動増幅装置に関するものである。 The present disclosure relates to a differential amplifier device.

第1のトランジスタと第2のトランジスタとを備える差動増幅装置が特許文献1に開示されている。第1のトランジスタは、第1の端子及び第2の端子を有し、第1の端子に与えられた第1の信号を増幅し、増幅後の第1の信号を第2の端子に出力する。第2のトランジスタは、第3の端子及び第4の端子を有し、第1の信号と差動の信号である第2の信号が第3の端子に与えられたとき、第2の信号を増幅し、増幅後の第2の信号を第4の端子に出力する。
当該差動増幅装置は、第1のインピーダンス回路と第2のインピーダンス回路とを備えている。第1のインピーダンス回路は、第2の端子に出力された第1の信号に含まれている基本波を第3の端子に与えるために、第2の端子と第3の端子とを結ぶ帰還路に挿入されている。第2のインピーダンス回路は、第4の端子に出力された第2の信号に含まれている基本波を第1の端子に与えるために、第4の端子と第1の端子とを結ぶ帰還路に挿入されている。第1のインピーダンス回路及び第2のインピーダンス回路のそれぞれは、キャパシタと抵抗とが直列に接続されている回路である。
Patent Document 1 discloses a differential amplifier device that includes a first transistor and a second transistor. The first transistor has a first terminal and a second terminal, amplifies a first signal applied to the first terminal, and outputs the amplified first signal to the second terminal. . The second transistor has a third terminal and a fourth terminal, and outputs a second signal when a second signal that is a differential signal from the first signal is applied to the third terminal. It amplifies the signal, and outputs the amplified second signal to the fourth terminal.
The differential amplifier device includes a first impedance circuit and a second impedance circuit. The first impedance circuit is a feedback path connecting the second terminal and the third terminal to give the fundamental wave included in the first signal output to the second terminal to the third terminal. is inserted in The second impedance circuit is a feedback path connecting the fourth terminal and the first terminal in order to apply to the first terminal the fundamental wave contained in the second signal output to the fourth terminal. is inserted in Each of the first impedance circuit and the second impedance circuit is a circuit in which a capacitor and a resistor are connected in series.

特開2018-160882号公報JP 2018-160882 A

特許文献1に開示されている差動増幅装置では、第1のインピーダンス回路が、第2の端子に出力された第1の信号に含まれている基本波を第3の端子に与えても、第3の端子に与えられた第2の信号に含まれている高調波が打ち消されることがない。第2のインピーダンス回路が、第4の端子に出力された第2の信号に含まれている基本波を第1の端子に与えても、第1の端子に与えられた第1の信号に含まれている高調波が打ち消されることがない。したがって、当該差動増幅装置では、第1の信号に含まれている高調波によって、第1のトランジスタの増幅効率が劣化し、第2の信号に含まれている高調波によって、第2のトランジスタの増幅効率が劣化してしまうことがあるという課題があった。 In the differential amplifier disclosed in Patent Document 1, even if the first impedance circuit supplies the fundamental wave included in the first signal output to the second terminal to the third terminal, Harmonics contained in the second signal applied to the third terminal are not cancelled. Even if the second impedance circuit provides the first terminal with the fundamental wave included in the second signal output to the fourth terminal, the fundamental wave included in the first signal provided to the first terminal harmonics are not canceled. Therefore, in the differential amplifier device, the harmonics contained in the first signal degrade the amplification efficiency of the first transistor, and the harmonics contained in the second signal degrade the amplification efficiency of the second transistor. However, there is a problem that the amplification efficiency of the signal may be degraded.

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第1の信号及び第2の信号のそれぞれに含まれている高調波を打ち消すことができる差動増幅装置を得ることを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to obtain a differential amplifier device capable of canceling out harmonics contained in each of a first signal and a second signal. aim.

本開示に係る差動増幅装置は、第1の端子及び第2の端子を有し、第1の端子に与えられた第1の信号を増幅し、増幅後の第1の信号を第2の端子に出力する第1のトランジスタと、第3の端子及び第4の端子を有し、第1の信号と差動の信号である第2の信号が第3の端子に与えられたとき、第2の信号を増幅し、増幅後の第2の信号を第4の端子に出力する第2のトランジスタと、第2の端子に出力された第1の信号から、第3の端子に与えられた第2の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出し、逆相の高調波を第3の端子に出力する第1の共振器と、第4の端子に出力された第2の信号から、第1の端子に与えられた第1の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出し、逆相の高調波を第1の端子に出力する第2の共振器とを備え、第1の共振器及び第2の共振器におけるそれぞれの共振周波数は、第1の端子に与えられた第1の信号及び第3の端子に与えられた第2の信号のそれぞれに含まれている2次高調波の周波数よりも高く、第1の共振器及び第2の共振器におけるそれぞれのインピーダンスは、2次高調波の周波数で、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタにおけるそれぞれの等価帰還容量であるA differential amplifier according to the present disclosure has a first terminal and a second terminal, amplifies a first signal applied to the first terminal, and transmits the amplified first signal to a second A first transistor outputting to a terminal, a third terminal, and a fourth terminal are provided. a second transistor that amplifies the signal of No. 2 and outputs the amplified second signal to a fourth terminal; A first resonator that extracts a harmonic contained in the second signal and a reverse-phase harmonic and outputs the reverse-phase harmonic to a third terminal; 2 extracting the harmonic contained in the first signal applied to the first terminal and the opposite-phase harmonic, and outputting the opposite-phase harmonic to the first terminal; and a resonator, wherein the respective resonant frequencies of the first and second resonators are the frequencies of the first signal applied to the first terminal and the second signal applied to the third terminal. higher than the frequency of the second harmonic contained in each, the respective impedances in the first resonator and the second resonator are at the frequency of the second harmonic, the first transistor and the second transistor are the respective equivalent feedback capacitances in

本開示によれば、第1の信号及び第2の信号のそれぞれに含まれている高調波を打ち消すことができる。 According to the present disclosure, harmonics contained in each of the first signal and the second signal can be canceled.

実施の形態1に係る差動増幅装置を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing a differential amplifier device according to Embodiment 1; FIG. 第1のトランジスタ1-1の等価回路及び第2のトランジスタ1-2の出力側の等価回路を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a first transistor 1-1 and an equivalent circuit of an output side of a second transistor 1-2; FIG. 図2に示す回路図を、インピーダンスZ,Zを用いて表した回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing the circuit diagram shown in FIG. 2 using impedances Z 1 and Z 2 ; 第2のインダクタ3-2及び第2のキャパシタ4-2によって実現されている第2の共振器2-2を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a second resonator 2-2 implemented by a second inductor 3-2 and a second capacitor 4-2; 周波数が10[GHz]であるときのキャパシタ13及び第2の共振器2-2におけるそれぞれのインピーダンスと、周波数が20[GHz]であるときのキャパシタ13及び第2の共振器2-2におけるそれぞれのインピーダンスとを示すスミスチャートである。The respective impedances of the capacitor 13 and the second resonator 2-2 when the frequency is 10 [GHz] and the respective impedances of the capacitor 13 and the second resonator 2-2 when the frequency is 20 [GHz] is a Smith chart showing the impedance of 高調波信号2foと高調波信号2foとを互いに打ち消すことが可能な、第2のインダクタ3-2及び第2のキャパシタ4-2が実装されている差動増幅装置を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing a differential amplifier device mounted with a second inductor 3-2 and a second capacitor 4-2 capable of mutually canceling a harmonic signal 2fo 1 and a harmonic signal 2fo 2 ; . 基本波に対して2次高調波が重畳されているときの第1の端子1-1aの電圧スイングを示す波形図である。FIG. 10 is a waveform diagram showing voltage swings at the first terminal 1-1a when a secondary harmonic is superimposed on the fundamental wave; アナログ信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の振幅よりも大きな電圧振幅がゲート端子に印加されたときの第1の端子1-1aの電圧スイングを示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing the voltage swing at the first terminal 1-1a when a voltage amplitude greater than the amplitude of the gate voltage that can be used to amplify the analog signal is applied to the gate terminal; 基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比を変動させたときに、基本波信号の振幅の減衰比をFFT計算した結果を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing the result of FFT calculation of the attenuation ratio of the amplitude of the fundamental wave signal when the voltage ratio between the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic wave is varied;

以下、本開示をより詳細に説明するために、本開示を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。 Hereinafter, in order to describe the present disclosure in more detail, embodiments for carrying out the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る差動増幅装置を示す構成図である。
図1に示す差動増幅装置は、第1のトランジスタ1-1、第2のトランジスタ1-2、第1の共振器2-1及び第2の共振器2-2を備えている。
第1のトランジスタ1-1は、第1の端子1-1a及び第2の端子1-1bを有している。
第1の端子1-1aは、例えば、第1のトランジスタ1-1のゲート端子であり、第1の信号が与えられる。
第2の端子1-1bは、例えば、第1のトランジスタ1-1のドレイン端子であり、第1のトランジスタ1-1による増幅後の第1の信号が出力される。例えば、第1のトランジスタ1-1のソース端子は、接地されている。
第1のトランジスタ1-1は、第1の端子1-1aに与えられた第1の信号を増幅し、増幅後の第1の信号を第2の端子1-1bに出力する。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a differential amplifier device according to Embodiment 1. FIG.
The differential amplifier shown in FIG. 1 comprises a first transistor 1-1, a second transistor 1-2, a first resonator 2-1 and a second resonator 2-2.
The first transistor 1-1 has a first terminal 1-1a and a second terminal 1-1b.
The first terminal 1-1a is, for example, the gate terminal of the first transistor 1-1 and is supplied with the first signal.
The second terminal 1-1b is, for example, the drain terminal of the first transistor 1-1, and outputs the first signal amplified by the first transistor 1-1. For example, the source terminal of the first transistor 1-1 is grounded.
The first transistor 1-1 amplifies the first signal applied to the first terminal 1-1a and outputs the amplified first signal to the second terminal 1-1b.

第2のトランジスタ1-2は、第3の端子1-2a及び第4の端子1-2bを有している。
第3の端子1-2aは、例えば、第2のトランジスタ1-2のゲート端子であり、第1の信号と差動の信号である第2の信号が与えられる。
第4の端子1-2bは、例えば、第2のトランジスタ1-2のドレイン端子であり、第2のトランジスタ1-2による増幅後の第2の信号が出力される。例えば、第2のトランジスタ1-2のソース端子は、接地されている。
第2のトランジスタ1-2は、第3の端子1-2aに与えられた第2の信号を増幅し、増幅後の第2の信号を第4の端子1-2bに出力する。
The second transistor 1-2 has a third terminal 1-2a and a fourth terminal 1-2b.
The third terminal 1-2a is, for example, the gate terminal of the second transistor 1-2, and receives a second signal that is a differential signal from the first signal.
The fourth terminal 1-2b is, for example, the drain terminal of the second transistor 1-2, and outputs the second signal amplified by the second transistor 1-2. For example, the source terminal of the second transistor 1-2 is grounded.
The second transistor 1-2 amplifies the second signal applied to the third terminal 1-2a and outputs the amplified second signal to the fourth terminal 1-2b.

図1に示す差動増幅装置では、第1のトランジスタ1-1及び第2のトランジスタ1-2のそれぞれが、ソース接地のトランジスタである。しかし、これは一例に過ぎず、第1のトランジスタ1-1及び第2のトランジスタ1-2のそれぞれが、例えば、ドレイン接地のトランジスタであってもよい。 In the differential amplifier device shown in FIG. 1, each of the first transistor 1-1 and the second transistor 1-2 is a source-grounded transistor. However, this is only an example, and each of the first transistor 1-1 and the second transistor 1-2 may be, for example, a drain-grounded transistor.

第1の共振器2-1の一端は、第3の端子1-2aと接続され、第1の共振器2-1の他端は、第2の端子1-1bと接続されている。
第1の共振器2-1は、第1のインダクタ3-1及び第1のキャパシタ4-1を備えている。
第1の共振器2-1は、第2の端子1-1bに出力された第1の信号から、第3の端子1-2aに与えられた第2の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出する。
第1の共振器2-1は、抽出した逆相の高調波を第3の端子1-2aに出力する。
One end of the first resonator 2-1 is connected to the third terminal 1-2a, and the other end of the first resonator 2-1 is connected to the second terminal 1-1b.
The first resonator 2-1 comprises a first inductor 3-1 and a first capacitor 4-1.
The first resonator 2-1 converts the first signal output to the second terminal 1-1b to the harmonic contained in the second signal applied to the third terminal 1-2a. Extract the out-of-phase harmonics.
The first resonator 2-1 outputs the extracted reverse-phase harmonics to the third terminal 1-2a.

第2の共振器2-2の一端は、第1の端子1-1aと接続され、第2の共振器2-2の他端は、第4の端子1-2bと接続されている。
第2の共振器2-2は、第2のインダクタ3-2及び第2のキャパシタ4-2を備えている。
第2の共振器2-2は、第4の端子1-2bに出力された第2の信号から、第1の端子1-1aに与えられた第1の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出する。
第2の共振器2-2は、抽出した逆相の高調波を第1の端子1-1aに出力する。
One end of the second resonator 2-2 is connected to the first terminal 1-1a, and the other end of the second resonator 2-2 is connected to the fourth terminal 1-2b.
The second resonator 2-2 comprises a second inductor 3-2 and a second capacitor 4-2.
The second resonator 2-2 extracts harmonics contained in the first signal applied to the first terminal 1-1a from the second signal output to the fourth terminal 1-2b. Extract the out-of-phase harmonics.
The second resonator 2-2 outputs the extracted reversed-phase harmonics to the first terminal 1-1a.

第1の共振器2-1及び第2の共振器2-2におけるそれぞれの共振周波数は、第1の端子1-1aに与えられた第1の信号及び第3の端子1-2aに与えられた第2の信号のそれぞれに含まれている2次高調波の周波数よりも高い。
第1の共振器2-1及び第2の共振器2-2におけるそれぞれのインピーダンスは、2次高調波の周波数で、第1のトランジスタ1-1及び第2のトランジスタ1-2におけるそれぞれの等価帰還容量と一致している。しかし、ここでの一致は、インピーダンスと等価帰還容量とが厳密に一致しているものに限るものではなく、実用上問題のない範囲で、インピーダンスと等価帰還容量とが異なっているものも含む概念である。
Respective resonance frequencies of the first resonator 2-1 and the second resonator 2-2 are obtained by a first signal applied to the first terminal 1-1a and a signal applied to the third terminal 1-2a. higher than the frequency of the second harmonic contained in each of the second signals.
The respective impedances of the first resonator 2-1 and the second resonator 2-2 are equivalent to those of the first transistor 1-1 and the second transistor 1-2 at the frequency of the second harmonic. Matches the feedback capacitance. However, matching here is not limited to cases in which the impedance and the equivalent feedback capacitance are exactly the same, but a concept that includes cases in which the impedance and the equivalent feedback capacitance are different within a range that poses no practical problems. is.

図2は、第1のトランジスタ1-1の等価回路及び第2のトランジスタ1-2の出力側の等価回路を示す回路図である。
第1のトランジスタ1-1は、キャパシタ11、寄生抵抗12、キャパシタ13、電流源14-1及びキャパシタ15-1によって表されている。
キャパシタ11は、第1のトランジスタ1-1の入力容量Cgsを有している。
キャパシタ11の一端は、第1の端子1-1aと接続され、キャパシタ11の他端は、寄生抵抗12の一端と接続されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the first transistor 1-1 and an equivalent circuit of the output side of the second transistor 1-2.
The first transistor 1-1 is represented by capacitor 11, parasitic resistance 12, capacitor 13, current source 14-1 and capacitor 15-1.
A capacitor 11 has the input capacitance Cgs of the first transistor 1-1.
One end of the capacitor 11 is connected to the first terminal 1-1a, and the other end of the capacitor 11 is connected to one end of the parasitic resistor 12. As shown in FIG.

寄生抵抗12は、第1のトランジスタ1-1の入力寄生抵抗値Riを有している。
寄生抵抗12の一端は、キャパシタ11の他端と接続され、寄生抵抗12の他端は、グランドと接続されている。
キャパシタ13は、第1のトランジスタ1-1の帰還容量Cgdを有している。
キャパシタ13の一端は、第1の端子1-1aと接続され、キャパシタ13の他端は、第2の端子1-1bと接続されている。
The parasitic resistance 12 has the input parasitic resistance value Ri of the first transistor 1-1.
One end of the parasitic resistance 12 is connected to the other end of the capacitor 11, and the other end of the parasitic resistance 12 is connected to the ground.
A capacitor 13 has a feedback capacitance Cgd of the first transistor 1-1.
One end of the capacitor 13 is connected to the first terminal 1-1a, and the other end of the capacitor 13 is connected to the second terminal 1-1b.

電流源14-1の一端は、第2の端子1-1bと接続され、電流源14-1の他端は、グランドと接続されている。
キャパシタ15-1は、第1のトランジスタ1-1の出力容量Cdsを有している。
キャパシタ15-1の一端は、第2の端子1-1bと接続され、キャパシタ15-1の他端は、グランドと接続されている。
One end of the current source 14-1 is connected to the second terminal 1-1b, and the other end of the current source 14-1 is connected to the ground.
A capacitor 15-1 has the output capacitance Cds 1 of the first transistor 1-1.
One end of the capacitor 15-1 is connected to the second terminal 1-1b, and the other end of the capacitor 15-1 is connected to the ground.

電流源14-2の一端は、第4の端子1-2bと接続され、電流源14-2の他端は、グランドと接続されている。
キャパシタ15-2は、第2のトランジスタ1-2の出力容量Cdsを有している。第2のトランジスタ1-2の出力容量Cdsは、第1のトランジスタ1-1の出力容量Cdsと同じである。
キャパシタ15-2の一端は、第4の端子1-2bと接続され、キャパシタ15-2の他端は、グランドと接続されている。
One end of the current source 14-2 is connected to the fourth terminal 1-2b, and the other end of the current source 14-2 is connected to the ground.
A capacitor 15-2 has the output capacitance Cds 2 of the second transistor 1-2. The output capacitance Cds2 of the second transistor 1-2 is the same as the output capacitance Cds1 of the first transistor 1-1.
One end of the capacitor 15-2 is connected to the fourth terminal 1-2b, and the other end of the capacitor 15-2 is connected to the ground.

第2の共振器2-2は、インピーダンスZmatrix2を有している。
第2の共振器2-2のインピーダンスZmatrix2は、第1の共振器2-1のインピーダンスZmatrix1と同じである。
入力回路21は、負荷インピーダンスZimnを有している。
入力回路21の一端は、第1のトランジスタ1-1の第1の端子1-1aと接続され、入力回路21の他端は、グランドと接続されている。
The second resonator 2-2 has an impedance Z matrix2 .
The impedance Z matrix2 of the second resonator 2-2 is the same as the impedance Z matrix1 of the first resonator 2-1.
The input circuit 21 has a load impedance Zimn .
One end of the input circuit 21 is connected to the first terminal 1-1a of the first transistor 1-1, and the other end of the input circuit 21 is connected to the ground.

出力回路22-1は、負荷インピーダンスZomn1を有している。
出力回路22-1の一端は、第1のトランジスタ1-1の第2の端子1-1bと接続され、出力回路22-1の他端は、グランドと接続されている。
出力回路22-2は、負荷インピーダンスZomn2を有している。出力回路22-2の負荷インピーダンスZomn2は、出力回路22-1の負荷インピーダンスZomn1と同じである。
出力回路22-2の一端は、第2のトランジスタ1-2の第4の端子1-2bと接続され、出力回路22-2の他端は、グランドと接続されている。
The output circuit 22-1 has a load impedance Zomn1 .
One end of the output circuit 22-1 is connected to the second terminal 1-1b of the first transistor 1-1, and the other end of the output circuit 22-1 is connected to the ground.
The output circuit 22-2 has a load impedance Zomn2 . The load impedance Z omn2 of the output circuit 22-2 is the same as the load impedance Z omn1 of the output circuit 22-1.
One end of the output circuit 22-2 is connected to the fourth terminal 1-2b of the second transistor 1-2, and the other end of the output circuit 22-2 is connected to the ground.

次に、図1に示す差動増幅装置の動作について説明する。
第1のトランジスタ1-1と第2のトランジスタ1-2とが同じ特性のトランジスタであり、出力回路22-1の負荷インピーダンスZomn1と出力回路22-2の負荷インピーダンスZomn2とが同じ負荷インピーダンスである。このため、第1のトランジスタ1-1の第2の端子1-1bから出力側を見込んだインピーダンスZと、第2のトランジスタ1-2の第4の端子1-2bから出力側を見込んだインピーダンスZとが等しくなる。
Next, the operation of the differential amplifier shown in FIG. 1 will be described.
The first transistor 1-1 and the second transistor 1-2 have the same characteristics, and the load impedance Z omn1 of the output circuit 22-1 and the load impedance Z omn2 of the output circuit 22-2 have the same load impedance. is. For this reason, the impedance Z1 looking into the output side from the second terminal 1-1b of the first transistor 1-1 and the impedance Z1 looking into the output side from the fourth terminal 1-2b of the second transistor 1-2 are becomes equal to the impedance Z2 .

図3は、図2に示す回路図を、インピーダンスZ,Zを用いて表した回路図である。
図3において、30-1は、第1のトランジスタ1-1の第2の端子1-1bから出力側を見込んだ負荷インピーダンスZを示している。
30-2は、第2のトランジスタ1-2の第4の端子1-2bから出力側を見込んだ負荷インピーダンスZを示している。
FIG. 3 is a circuit diagram showing the circuit diagram shown in FIG. 2 using impedances Z 1 and Z 2 .
In FIG. 3, 30-1 indicates a load impedance Z1 looking into the output side from the second terminal 1-1b of the first transistor 1-1.
30-2 denotes a load impedance Z2 looking into the output side from the fourth terminal 1-2b of the second transistor 1-2.

第1のトランジスタ1-1の電流源14-1によって生成された高調波信号2foは、帰還容量Cgdを有するキャパシタ13を介して、第1の端子1-1aに注入される。
第2のトランジスタ1-2の電流源14-2によって生成された高調波信号2foは、第2の共振器2-2を介して、第1の端子1-1aに注入される。
第1のトランジスタ1-1と第2のトランジスタ1-2とは、逆位相で動作するため、高調波信号2foと高調波信号2foとは、逆位相の関係になる。
このとき、インピーダンスZとインピーダンスZとが等しく、かつ、キャパシタ13が有する帰還容量Cgdによる位相回転量及び振幅減衰量のそれぞれと、第2の共振器2-2による位相回転量及び振幅減衰量のそれぞれとが等しければ、高調波信号2foと高調波信号2foとが互いに打ち消される。
A harmonic signal 2fo1 generated by the current source 14-1 of the first transistor 1-1 is injected into the first terminal 1-1a through the capacitor 13 having the feedback capacitance Cgd.
A harmonic signal 2fo2 generated by the current source 14-2 of the second transistor 1-2 is injected into the first terminal 1-1a through the second resonator 2-2.
Since the first transistor 1-1 and the second transistor 1-2 operate in opposite phases, the harmonic signal 2fo1 and the harmonic signal 2fo2 have an opposite phase relationship.
At this time, the impedance Z1 and the impedance Z2 are equal, and the amount of phase rotation and the amount of amplitude attenuation due to the feedback capacitance Cgd of the capacitor 13 and the amount of phase rotation and the amount of amplitude attenuation due to the second resonator 2-2 are If each of the quantities are equal, the harmonic signal 2fo 1 and the harmonic signal 2fo 2 cancel each other.

帰還容量Cgdによる位相回転量及び振幅減衰量のそれぞれと、第2の共振器2-2による位相回転量及び振幅減衰量のそれぞれとを等しくするには、高調波信号2fo,2foの周波数において、キャパシタ13と第2の共振器2-2とが等しいインピーダンスを有している必要がある。In order to make the amount of phase rotation and the amount of amplitude attenuation by the feedback capacitance Cgd equal to the amount of phase rotation and the amount of amplitude attenuation by the second resonator 2-2, the frequencies of the harmonic signals 2fo 1 and 2fo 2 are set to , the capacitor 13 and the second resonator 2-2 must have the same impedance.

第2の共振器2-2が、図4に示すように、第2のインダクタ3-2及び第2のキャパシタ4-2によって実現される場合、第2のインダクタ3-2と第2のキャパシタ4-2とによる合成のインピーダンスは、以下の式(1)のように表される。
1/jωCgd ≒ 1/jωCFB+jωLFB (1)
式(1)において、ωは、高調波角周波数であり、高調波信号2fo,2foの周波数に2πを乗算したものである。LFBは、第2のインダクタ3-2が有しているインダクタンスであり、CFBは、第2のキャパシタ4-2が有している容量である。
図4は、第2のインダクタ3-2及び第2のキャパシタ4-2によって実現されている第2の共振器2-2を示す説明図である。
When the second resonator 2-2 is realized by a second inductor 3-2 and a second capacitor 4-2, as shown in FIG. 4, the second inductor 3-2 and the second capacitor The combined impedance with 4-2 is represented by the following equation (1).
1/jωCgd ≈ 1/jωC FB +jωL FB (1)
In equation (1), ω is the harmonic angular frequency, which is the frequency of the harmonic signals 2fo 1 and 2fo 2 multiplied by 2π. L FB is the inductance of the second inductor 3-2, and C FB is the capacitance of the second capacitor 4-2.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the second resonator 2-2 implemented by the second inductor 3-2 and the second capacitor 4-2.

例えば、基本波周波数が10[GHz]、高調波信号2fo,2foの周波数が20[GHz]、帰還容量Cgdが0.1[pF]であるとすれば、CFB,LFBのそれぞれは、式(1)より、CFB=0.05[pF]、LFB=0.634[nH]のようになる。
図5は、周波数が10[GHz]であるときのキャパシタ13及び第2の共振器2-2におけるそれぞれのインピーダンスと、周波数が20[GHz]であるときのキャパシタ13及び第2の共振器2-2におけるそれぞれのインピーダンスとを示すスミスチャートである。
周波数が20[GHz]であるときは、図5に示すように、キャパシタ13のインピーダンスと第2の共振器2-2のインピーダンスZmatrix2とが等しくなり、第1の端子1-1aにおいて、高調波信号2foと高調波信号2foとが互いに打ち消される。
For example, if the fundamental frequency is 10 [GHz], the frequencies of the harmonic signals 2fo 1 and 2fo 2 are 20 [GHz], and the feedback capacitance Cgd is 0.1 [pF], then C FB and L FB are are C FB =0.05 [pF] and L FB =0.634 [nH] from equation (1).
FIG. 5 shows the respective impedances of the capacitor 13 and the second resonator 2-2 when the frequency is 10 [GHz], and the impedances of the capacitor 13 and the second resonator 2 when the frequency is 20 [GHz]. 2 is a Smith chart showing the respective impedances at -2;
When the frequency is 20 [GHz], as shown in FIG. 5, the impedance of the capacitor 13 and the impedance Z matrix 2 of the second resonator 2-2 are equal, and the high harmonic The wave signal 2fo 1 and the harmonic signal 2fo 2 cancel each other.

図6は、高調波信号2foと高調波信号2foとを互いに打ち消すことが可能な差動増幅装置を示す構成図である。
図6において、第1の共振器2-1は、第1のインダクタ3-1と第1のキャパシタ4-1とが直列に接続されている第1の直列回路を備えている。第1の直列回路の一端は、第3の端子1-2aと接続され、第1の直列回路の他端は、第2の端子1-1bと接続されている。
第2の共振器2-2は、第2のインダクタ3-2と第2のキャパシタ4-2とが直列に接続されている第2の直列回路を備えている。第2の直列回路の一端は、第1の端子1-1aと接続され、第2の直列回路の他端は、第4の端子1-2bと接続されている。
ここまでは、第1のトランジスタ1-1の第1の端子1-1aにおいて、高調波信号2foと高調波信号2foとが互いに打ち消されるものについて説明している。第2のトランジスタ1-2の第3の端子1-2aにおいても同様に、2つの高調波信号が互いに打ち消される。
即ち、第1の共振器2-1に含まれている、第1のインダクタ3-1と第1のキャパシタ4-1とによる合成のインピーダンスが、第2のトランジスタ1-2の帰還容量を有するキャパシタのインピーダンスと等しければ、第3の端子1-2aにおいて、2つの高調波信号が互いに打ち消される。
FIG. 6 is a configuration diagram showing a differential amplifier capable of mutually canceling the harmonic signal 2fo1 and the harmonic signal 2fo2 .
In FIG. 6, the first resonator 2-1 comprises a first series circuit in which a first inductor 3-1 and a first capacitor 4-1 are connected in series. One end of the first series circuit is connected to the third terminal 1-2a, and the other end of the first series circuit is connected to the second terminal 1-1b.
The second resonator 2-2 comprises a second series circuit in which a second inductor 3-2 and a second capacitor 4-2 are connected in series. One end of the second series circuit is connected to the first terminal 1-1a, and the other end of the second series circuit is connected to the fourth terminal 1-2b.
So far, the description has been made on the case where the harmonic signal 2fo1 and the harmonic signal 2fo2 cancel each other at the first terminal 1-1a of the first transistor 1-1. Similarly, at the third terminal 1-2a of the second transistor 1-2, the two harmonic signals cancel each other out.
That is, the combined impedance of the first inductor 3-1 and the first capacitor 4-1 included in the first resonator 2-1 has the feedback capacitance of the second transistor 1-2. If the impedance of the capacitor is equal, the two harmonic signals cancel each other at the third terminal 1-2a.

図6に示す差動増幅装置では、第1の共振器2-1が、第1のインダクタ3-1と第1のキャパシタ4-1とが直列に接続されている第1の直列回路を備えている。第1の共振器2-1は、第3の端子1-2aに与えられた第2の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を第3の端子1-2aに出力できればよく、例えば、第1のインダクタ3-1と第1のキャパシタ4-1とが並列に接続されているものであってもよい。
図6に示す差動増幅装置では、第2の共振器2-2が、第2のインダクタ3-2と第2のキャパシタ4-2とが直列に接続されている第2の直列回路を備えている。第2の共振器2-2は、第1の端子1-1aに与えられた第1の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を第1の端子1-1aに出力できればよく、例えば、第2のインダクタ3-2と第2のキャパシタ4-2とが並列に接続されているものであってもよい。
In the differential amplifier shown in FIG. 6, the first resonator 2-1 includes a first series circuit in which a first inductor 3-1 and a first capacitor 4-1 are connected in series. ing. The first resonator 2-1 only needs to be able to output to the third terminal 1-2a a harmonic that is in phase opposite to the harmonic contained in the second signal applied to the third terminal 1-2a. For example, the first inductor 3-1 and the first capacitor 4-1 may be connected in parallel.
In the differential amplifier shown in FIG. 6, the second resonator 2-2 has a second series circuit in which the second inductor 3-2 and the second capacitor 4-2 are connected in series. ing. The second resonator 2-2 only needs to be able to output to the first terminal 1-1a the harmonics in phase opposite to the harmonics contained in the first signal applied to the first terminal 1-1a. For example, the second inductor 3-2 and the second capacitor 4-2 may be connected in parallel.

以下、高調波信号2foと高調波信号2foとが互いに打ち消されることによる効果について説明する。
第1のトランジスタ1-1及び第2のトランジスタ1-2のそれぞれが、電界効果トランジスタであると仮定する。
第1のトランジスタ1-1における第1の端子1-1aの電圧スイングのうち、入力容量Cgsを有しているキャパシタ11での電圧スイングが、電流源14-1の電流スイングに変換される。
The effect of canceling out the harmonic signal 2fo- 1 and the harmonic signal 2fo- 2 will be described below.
Assume that each of the first transistor 1-1 and the second transistor 1-2 is a field effect transistor.
Of the voltage swing at the first terminal 1-1a of the first transistor 1-1, the voltage swing across the capacitor 11 having the input capacitance Cgs is converted into the current swing of the current source 14-1.

図7は、基本波に対して2次高調波が重畳されているときの第1の端子1-1aの電圧スイングを示す波形図である。
図7において、横軸は時刻、縦軸は第1の端子1-1aの電圧である。
は、基本波に対して2次高調波が重畳されていない理想条件下での電圧波形を示している。理想条件下では、基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比が、1:0である。
は、基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比が、1:1.1であるときの電圧波形を示している。
は、基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比が、1:1.2であるときの電圧波形を示している。
第1の端子1-1aの電圧スイングは、図7に示すように、基本波に重畳されている2次高調波の電圧が大きいほど大きくなる。
FIG. 7 is a waveform diagram showing the voltage swing of the first terminal 1-1a when the second harmonic is superimposed on the fundamental wave.
In FIG. 7, the horizontal axis is the time, and the vertical axis is the voltage of the first terminal 1-1a.
V1 shows a voltage waveform under ideal conditions in which the second harmonic is not superimposed on the fundamental wave. Under ideal conditions, the voltage ratio between the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic is 1:0.
V2 indicates a voltage waveform when the voltage ratio of the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic wave is 1:1.1.
V3 shows the voltage waveform when the voltage ratio of the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic wave is 1:1.2.
As shown in FIG. 7, the voltage swing of the first terminal 1-1a increases as the voltage of the second harmonic superimposed on the fundamental wave increases.

電界効果トランジスタの動作に注目する。
電界効果トランジスタのゲート端子に印加されている電圧が正方向に上昇していくと、ゲート端子に印加されている電圧が或る電圧に到達したとき、電界効果トランジスタを流れる電流が最大電流に到達する。電界効果トランジスタを流れる電流が最大電流に到達すると、ゲート端子に印加されている電圧が更に上昇しても、電界効果トランジスタを流れる電流は、最大電流よりも増加しない。したがって、電界効果トランジスタのドレイン端子から出力される電流の振幅が増加しなくなる。
電界効果トランジスタが化合物半導体によって実現されていれば、ゲート端子は、ショットキー接合によって形成されているため、順方向のダイオードを内包している。したがって、約1[V]よりも高い電圧がゲート端子に印加されても、ドレイン電流は、ほとんど増えない。
一方、電界効果トランジスタのゲート端子に印加されている電圧が負方向に低下していくと、ゲート端子に印加されている電圧が或る電圧になると、ドレイン電流が0になり、電界効果トランジスタのドレイン端子から出力される電流の振幅が増加しなくなる。
Focus on the operation of field effect transistors.
As the voltage applied to the gate terminal of the field effect transistor increases in the positive direction, the current flowing through the field effect transistor reaches the maximum current when the voltage applied to the gate terminal reaches a certain voltage. do. Once the current through the field effect transistor reaches the maximum current, any further increase in the voltage applied to the gate terminal does not increase the current through the field effect transistor above the maximum current. Therefore, the amplitude of the current output from the drain terminal of the field effect transistor does not increase.
If the field effect transistor is realized by a compound semiconductor, the gate terminal is formed by a Schottky junction, and thus includes a forward diode. Therefore, even if a voltage higher than about 1 [V] is applied to the gate terminal, the drain current hardly increases.
On the other hand, when the voltage applied to the gate terminal of the field effect transistor decreases in the negative direction, the drain current becomes 0 when the voltage applied to the gate terminal reaches a certain voltage, and the field effect transistor The amplitude of the current output from the drain terminal stops increasing.

以上より、アナログ信号である第1の信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の振幅が制限されることが分かる。このため、基本波に対して2次高調波が重畳されることによって、キャパシタ11に対して、大きな電圧が印加された場合、第1のトランジスタ1-1における基本波の利得及び出力電力のそれぞれが抑制される。 From the above, it can be seen that the amplitude of the gate voltage that can be used to amplify the first signal, which is an analog signal, is limited. Therefore, when a large voltage is applied to the capacitor 11 by superimposing the second harmonic on the fundamental wave, the gain and the output power of the fundamental wave in the first transistor 1-1 are reduced to is suppressed.

図8は、アナログ信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の振幅よりも大きな電圧振幅がゲート端子に印加されたときの第1の端子1-1aの電圧スイングを示す波形図で 図8において、横軸は時刻、縦軸は第1の端子1-1aの電圧である。
ある。
は、図7に示すVと同じ電圧波形であって、理想条件下での電圧波形である。理想条件下での電圧波形の最大振幅は、アナログ信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の最大振幅と同じである。
は、基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比が、1:1.1であるときの電圧波形である。当該電圧波形では、アナログ信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の最大振幅よりも大きな電圧振幅が、当該最大振幅にクリッピングされている。
は、基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比が、1:1.2であるときの電圧波形である。当該電圧波形では、アナログ信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の最大振幅よりも大きな電圧振幅が、当該最大振幅にクリッピングされている。
FIG. 8 is a waveform diagram showing the voltage swing at the first terminal 1-1a when a voltage amplitude larger than the amplitude of the gate voltage that can be used to amplify the analog signal is applied to the gate terminal. , the horizontal axis is the time, and the vertical axis is the voltage of the first terminal 1-1a.
be.
V1 is the same voltage waveform as V1 shown in FIG. 7 under ideal conditions. The maximum amplitude of the voltage waveform under ideal conditions is the same as the maximum amplitude of the gate voltage that can be used to amplify analog signals.
V2 is a voltage waveform when the voltage ratio of the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic wave is 1:1.1. In the voltage waveform, a voltage amplitude larger than the maximum amplitude of the gate voltage that can be used to amplify the analog signal is clipped to the maximum amplitude.
V3 is a voltage waveform when the voltage ratio of the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic wave is 1:1.2. In the voltage waveform, a voltage amplitude larger than the maximum amplitude of the gate voltage that can be used to amplify the analog signal is clipped to the maximum amplitude.

図8に示す電圧波形V,Vのように、基本波に対して2次高調波が重畳されることによって、アナログ信号の増幅に用いることが可能なゲート電圧の最大振幅よりも大きな電圧振幅がゲート端子に印加されると、電圧振幅が最大振幅にクリッピングされて小さくなる。電圧振幅がクリッピングされて小さくなると、第1のトランジスタ1-1のドレイン電流が減少し、第1のトランジスタ1-1における基本波の利得及び出力電力のそれぞれが低下する。また、第1のトランジスタ1-1の効率は、出力電力が消費電力によって除算されたものであるため、出力電力の低下に伴って低下する。As in the voltage waveforms V 2 and V 3 shown in FIG. 8, the secondary harmonic is superimposed on the fundamental wave, resulting in a voltage larger than the maximum amplitude of the gate voltage that can be used to amplify the analog signal. When an amplitude is applied to the gate terminal, the voltage amplitude is clipped to the maximum amplitude and reduced. When the voltage amplitude is clipped and reduced, the drain current of the first transistor 1-1 decreases, and the gain and output power of the fundamental wave in the first transistor 1-1 decrease. Also, the efficiency of the first transistor 1-1 is obtained by dividing the output power by the power consumption, and therefore decreases as the output power decreases.

図9は、基本波の電圧と2次高調波の電圧との電圧比を変動させたときに、基本波信号の振幅の減衰比をFFT(Fast Fourier Transform)計算した結果を示す説明図である。
図9より、元の基本波信号の電圧振幅が一定であっても、2次高調波の電圧振幅が大きくなるほど、電圧振幅のクリッピングによって、基本波信号の電圧振幅が減少することが分かる。
図1に示す差動増幅装置では、第1の端子1-1a及び第3の端子1-2aにおいて、高調波信号2foと高調波信号2foとが互いに打ち消されているため、基本波信号の電圧振幅が減少する現象が抑制される。したがって、基本波の利得、出力電力及び効率におけるそれぞれの低下が抑制される。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the result of FFT (Fast Fourier Transform) calculation of the attenuation ratio of the amplitude of the fundamental wave signal when the voltage ratio between the voltage of the fundamental wave and the voltage of the second harmonic is varied. .
It can be seen from FIG. 9 that even if the voltage amplitude of the original fundamental wave signal is constant, the voltage amplitude of the fundamental wave signal decreases due to clipping of the voltage amplitude as the voltage amplitude of the second harmonic increases.
In the differential amplifier shown in FIG. 1, the harmonic signal 2fo1 and the harmonic signal 2fo2 cancel each other at the first terminal 1-1a and the third terminal 1-2a. is suppressed. Therefore, respective reductions in the gain of the fundamental wave, the output power and the efficiency are suppressed.

以上の実施の形態1では、第1の端子1-1a及び第2の端子1-1bを有し、第1の端子1-aに与えられた第1の信号を増幅し、増幅後の第1の信号を第2の端子1-1bに出力する第1のトランジスタ1-1と、第3の端子1-2a及び第4の端子1-2bを有し、第1の信号と差動の信号である第2の信号が第3の端子1-2aに与えられたとき、第2の信号を増幅し、増幅後の第2の信号を第4の端子1-2bに出力する第2のトランジスタ1-2とを備えるように、差動増幅装置を構成した。また、差動増幅装置は、第2の端子1-1bに出力された第1の信号から、第3の端子1-2aに与えられた第2の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出し、当該逆相の高調波を第3の端子1-2aに出力する第1の共振器2-1と、第4の端子1-2bに出力された第2の信号から、第1の端子1-1aに与えられた第1の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出し、逆相の高調波を第1の端子1-1aに出力する第2の共振器2-2とを備えている。したがって、差動増幅装置は、第1の信号及び第2の信号のそれぞれに含まれている高調波を打ち消すことができる。 In the first embodiment described above, the first terminal 1-1a and the second terminal 1-1b are provided, and the first signal applied to the first terminal 1-a is amplified. 1 signal to the second terminal 1-1b, the third terminal 1-2a and the fourth terminal 1-2b, and the first signal and the differential When a second signal, which is a signal, is given to the third terminal 1-2a, the second signal is amplified and the amplified second signal is output to the fourth terminal 1-2b. A differential amplifier is configured to include transistors 1-2. Further, the differential amplifier device converts the first signal output to the second terminal 1-1b into the second signal supplied to the third terminal 1-2a, which is in phase with the harmonic contained in the second signal. from the first resonator 2-1 that extracts the harmonics of and outputs the opposite-phase harmonics to the third terminal 1-2a and the second signal that is output to the fourth terminal 1-2b , extracts the harmonics of the opposite phase from the harmonics contained in the first signal applied to the first terminal 1-1a, and outputs the opposite-phase harmonics to the first terminal 1-1a. 2 resonators 2-2. Therefore, the differential amplifier can cancel harmonics contained in each of the first signal and the second signal.

なお、本開示は、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present disclosure, any component of the embodiment can be modified, or any component of the embodiment can be omitted.

本開示は、差動増幅装置に適している。 The present disclosure is suitable for differential amplifiers.

1-1 第1のトランジスタ、1-1a 第1の端子、1-1b 第2の端子、1-2 第2のトランジスタ、1-2a 第3の端子、1-2b 第4の端子、2-1 第1の共振器、2-2 第2の共振器、3-1 第1のインダクタ、4-1 第1のキャパシタ、3-2 第2のインダクタ、4-2 第2のキャパシタ、11 キャパシタ、12 寄生抵抗、13 キャパシタ、14-1,14-2 電流源、15-1,15-2 キャパシタ、21 入力回路、22-1,22-2 出力回路、30-1 負荷インピーダンス、30-2 負荷インピーダンス。 1-1 first transistor, 1-1a first terminal, 1-1b second terminal, 1-2 second transistor, 1-2a third terminal, 1-2b fourth terminal, 2- 1 first resonator, 2-2 second resonator, 3-1 first inductor, 4-1 first capacitor, 3-2 second inductor, 4-2 second capacitor, 11 capacitor , 12 parasitic resistance, 13 capacitor, 14-1, 14-2 current source, 15-1, 15-2 capacitor, 21 input circuit, 22-1, 22-2 output circuit, 30-1 load impedance, 30-2 load impedance.

Claims (2)

第1の端子及び第2の端子を有し、前記第1の端子に与えられた第1の信号を増幅し、増幅後の第1の信号を前記第2の端子に出力する第1のトランジスタと、
第3の端子及び第4の端子を有し、前記第1の信号と差動の信号である第2の信号が前記第3の端子に与えられたとき、前記第2の信号を増幅し、増幅後の第2の信号を前記第4の端子に出力する第2のトランジスタと、
前記第2の端子に出力された第1の信号から、前記第3の端子に与えられた第2の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出し、当該逆相の高調波を前記第3の端子に出力する第1の共振器と、
前記第4の端子に出力された第2の信号から、前記第1の端子に与えられた第1の信号に含まれている高調波と逆相の高調波を抽出し、当該逆相の高調波を前記第1の端子に出力する第2の共振器と
を備え
前記第1の共振器及び前記第2の共振器におけるそれぞれの共振周波数は、前記第1の端子に与えられた第1の信号及び前記第3の端子に与えられた第2の信号のそれぞれに含まれている2次高調波の周波数よりも高く、
前記第1の共振器及び前記第2の共振器におけるそれぞれのインピーダンスは、前記2次高調波の周波数で、前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタにおけるそれぞれの等価帰還容量である差動増幅装置。
A first transistor that has a first terminal and a second terminal, amplifies a first signal applied to the first terminal, and outputs the amplified first signal to the second terminal. and,
having a third terminal and a fourth terminal, and amplifying the second signal when a second signal that is a differential signal with respect to the first signal is applied to the third terminal; a second transistor that outputs an amplified second signal to the fourth terminal;
extracting, from the first signal output to the second terminal, a harmonic of the opposite phase to the harmonic contained in the second signal applied to the third terminal, and extracting the harmonic of the opposite phase; a first resonator that outputs a wave to the third terminal;
extracting, from the second signal output to the fourth terminal, a harmonic of the opposite phase to the harmonic contained in the first signal applied to the first terminal, and extracting the harmonic of the opposite phase; a second resonator that outputs a wave to the first terminal ;
Respective resonance frequencies of the first resonator and the second resonator correspond to the first signal applied to the first terminal and the second signal applied to the third terminal, respectively. higher than the frequency of the contained second harmonic,
Differential amplification wherein the impedance of each of the first resonator and the second resonator is the equivalent feedback capacitance of each of the first transistor and the second transistor at the frequency of the second harmonic. Device.
前記第1の共振器は、
第1のインダクタと第1のキャパシタとが直列に接続されている第1の直列回路であり、
前記第1の直列回路の一端は、前記第3の端子と接続され、前記第1の直列回路の他端は、前記第2の端子と接続されており、
前記第2の共振器は、
第2のインダクタと第2のキャパシタとが直列に接続されている第2の直列回路であり、
前記第2の直列回路の一端は、前記第1の端子と接続され、前記第2の直列回路の他端は、前記第4の端子と接続されていることを特徴とする請求項1記載の差動増幅装置。
The first resonator is
A first series circuit in which a first inductor and a first capacitor are connected in series;
one end of the first series circuit is connected to the third terminal, the other end of the first series circuit is connected to the second terminal,
The second resonator is
A second series circuit in which a second inductor and a second capacitor are connected in series,
2. The device according to claim 1, wherein one end of said second series circuit is connected to said first terminal, and the other end of said second series circuit is connected to said fourth terminal. Differential amplifier.
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