JPH0734528B2 - Differential amplifier - Google Patents

Differential amplifier

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JPH0734528B2
JPH0734528B2 JP61162031A JP16203186A JPH0734528B2 JP H0734528 B2 JPH0734528 B2 JP H0734528B2 JP 61162031 A JP61162031 A JP 61162031A JP 16203186 A JP16203186 A JP 16203186A JP H0734528 B2 JPH0734528 B2 JP H0734528B2
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JP
Japan
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electrode
transistor
circuit
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differential amplifier
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JP61162031A
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恒雄 徳満
治彦 加藤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

(産業上の利用分野) 本発明は、利得平担な帯域が広く、高い周波数帯におい
ても増幅器、合成回路等として使用可能な差動増幅器の
回路構成に関するものである。 (従来の技術) 第4図は従来のシングルエンド形差動増幅器の構成を示
す。ここで、1,2は入力端子、3は接続点、4は出力端
子、5はRFバイパス用キヤパシタ、Q1〜Q5はFETであ
る。この差動増幅器はFET(Q3,Q4)を負荷としているた
め比較的低電圧で動作し、かつ高利得が得られることか
ら、ICなどに広く用いられている。 以下、第5図に示す第4図のRF等価回路を用いてこの差
動増幅器の動作を説明する。ここで、gm1,gm2,gm4はそ
れぞれQ1,Q2,Q4の相互コンダクタンス、Zd1,Zd2,Zd3,Z
d4はそれぞれQ1,Q2,Q3,Q4のドレイン・ソース間寄生イ
ンピーダンス、G,S,DはそれぞれFETのゲートソース、ド
レイン、vi1,vi2はそれぞれ端子1,端子2の入力電圧、v
0は端子4の出力電圧、v1,v2はそれぞれQ1,Q2のゲート
・〜ソース間電圧、v5はQ5のドレイン・ソース(接地)
間電圧、v34はQ4のゲート・ソース間電圧である。Q3,Q5
は定電流源で非常に高いインピーダンスを有する。端子
1,端子2に接続される回路の出力インピーダンスがQ1,Q
2のゲート・ソース間インピーダンスに比べて十分に小
さいとすれば、v1,v2,v5は第(1)式となる。 v1=(vi1−vi2)/2 v2=(vi2−vi1)/2 ……(1) v5=(vi1+vi2)/2 ここで、vi1=vi2とするとv1=v2となりv0=0となる。
vi1=−vi2の場合にはv5=0となり、Q1,Q2のゲート・
ソース間にそれぞれv1=(vi1−vi2),v2=(vi2
vi1)が加わる。まず、v1により3に出力される電圧v3
は、Q1がZd1,Zd3を負荷とするソース接地FETであるか
ら、第(2)式となる。 v3=−gm1・(1/Zd1+1/Zd3-1・(vi1−vi2)/2 ……
(2) v3は、Q4のソースにZd2を負荷したソースホロワ回路に
入力され端子4に電圧v01を出力する。 v01
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit configuration of a differential amplifier that has a wide gain-sharing band and can be used as an amplifier, a combining circuit, and the like even in a high frequency band. (Prior Art) FIG. 4 shows a configuration of a conventional single-ended differential amplifier. Here, 1 and 2 are input terminals, 3 is a connection point, 4 is an output terminal, 5 is an RF bypass capacitor, and Q1 to Q5 are FETs. Since this differential amplifier uses FETs (Q3, Q4) as a load, it operates at a relatively low voltage and can obtain high gain, and is therefore widely used in ICs and the like. The operation of this differential amplifier will be described below using the RF equivalent circuit of FIG. 4 shown in FIG. Here, g m1, g m2, g m4 are respectively Q1, Q2, Q4 transconductance, Z d1, Z d2, Z d3, Z
d4 is the drain-source parasitic impedance of Q1, Q2, Q3 and Q4 respectively, G, S and D are the gate source and drain of the FET respectively, v i1 and v i2 are the input voltage of terminal 1 and terminal 2, respectively
0 is the output voltage of terminal 4, v 1 and v 2 are the gate-source voltage of Q 1 and Q 2 , respectively, and v 5 is the drain-source (ground) of Q 5.
Voltage, v 34 is the gate-source voltage of Q4. Q3, Q5
Is a constant current source and has a very high impedance. Terminal
The output impedance of the circuit connected to 1, terminal 2 is Q1, Q
Assuming that the impedance is sufficiently smaller than the gate-source impedance of 2 , v 1 , v 2 , and v 5 are given by equation (1). v 1 = (v i1 −v i2 ) / 2 v 2 = (v i2 −v i1 ) / 2 …… (1) v 5 = (v i1 + v i2 ) / 2 where v i1 = v i2 v 1 = v 2 and v 0 = 0.
When v i1 = −v i2 , v 5 = 0, and the gates of Q1 and Q2
V 1 = (v i1 −v i2 ) and v 2 = (v i2
v i1 ) is added. First, the voltage v 3 output to 3 by v 1
Since Q1 is a source-grounded FET that loads Z d1 and Z d3 , it becomes the formula (2). v 3 = −g m1・ (1 / Z d1 + 1 / Z d3 ) -1・ (v i1 −v i2 ) / 2 ……
(2) v 3 is input to the source follower circuit in which the source of Q 4 is loaded with Z d2 , and the voltage v 01 is output to terminal 4. v 01 =

【gm4/(gm4+1/Zd2+1/Zd4)】・v3
(3) 一方、v2は、Q4のドレインを接地したドレイン接地FET
を負荷とするソース接地FET Q2のゲート・ソース間に
印加される。Q2よりQ4を見るインピーダンスは1/(gm4
+1/Zd4)であり、4に電圧v02が出力される。 v02=−gm2
[G m4 / (g m4 + 1 / Z d2 + 1 / Z d4 )] ・ v 3
(3) On the other hand, v 2 is a drain-grounded FET in which the drain of Q4 is grounded
It is applied between the gate and source of the source-grounded FET Q2 whose load is. See Q4 from Q2 Impedance is 1 / (g m4
+ 1 / Z d4 ), and the voltage v 02 is output to 4. v 02 = -g m2

【Zd2 1/(gm4+1/Zd4)】・v2
(4) ここで、一般に数GHz以下の周波数帯では gmZd>>1であるから、gm1=gm2=gm4とすれば、 v01=−gm1(1/Zd1+1/Zd2)・v1 v02=−v2=v1 となり、v01>>v02である。したがつて、v0はQ1のゲー
ト・ソース間に印加されるv1=(vi1−vi2)/2のみによ
つて決まる。ここで、Q1およびQ3のドレイン・ソース間
容量、コンダクタンスをそれぞれCds,Gds、ωを角周波
数とすれば 1/Zd1+1/Zd2=2(Gds+jωCds) …(6) となるから、利得Gaの絶対値は第(7)式で与えられ
る。 第7式に示すように、従来の差動増幅器では利得式の分
母にωCdsという周波数依存生を持つ項を含むため、周
波数が高くなると利得が低下する。 (発明が解決しようとする問題点) 第6図に一般的なマイクロ波帯FETのパラメータを用い
て計算した特性例を示す。図のように、500MHzを越える
周波数付近から利得が低下し、1GHz以上の周波数におい
ては利得傾斜が大きくなる。このため、従来1GHz帯の差
動増幅器としてこの種のものが使用できなかつた。 本発明の目的は上記欠点を解消し、1GHz以上の高周波に
おいても利得の傾斜が少ないシングルエンド形増幅器を
提供することにある。 (問題点を解決するための手段) 本発明の特徴は、従来のシングルエンド形差動増幅器の
動作周波数限界の原因である、FETのドレイン・ソース
間容量Cdsの影響を抑圧するための回路を付加し、増幅
器の利得傾斜特性を改善した点にあり、その特徴は、第
1のトランジスタの第1電極に第2のトランジスタの第
2電極を接続するとともに、第2のトランジスタの第1
電極を交流的に接地した構成の、2つの単位回路(A,
B)を具備し、各単位回路の第1のトランジスタの第2
電極を共通とするとともに電流源を介して交流的に接地
し、各単位回路(A,B)の第2トランジスタの第3電極
を一方の単位回路(A)の第1トランジスタの第1電極
に接続し、各単位回路(A,B)の第1トランジスタの第
3電極を入力端子とし、単位回路(B)の第2トランジ
スタの第2電極を出力端子とするシングルエンド形差動
増幅器において、単位回路(A)の第2トランジスタの
第1電極と第3電極の間にキヤパシタと抵抗との直列回
路が設けられる差動増幅器にある。 上記トランジスタとしては、通常のバイポーラトランジ
スタ又はFETが可能である。上記第1電極はドレイン又
はコレクタ、第2電極はソース又はエミツタ、第3電極
はベース又はゲートに対応する。 (実施例) 第1図は本発明の実施例を説明する図であつて、6は抵
抗(ZL)、7はキヤパシタ(CL)であり、他は第4図と
同じである。ここで、7はZLに直流電流を流さないため
のキヤパシタで、CLは使用周波数ではインピーダンスが
無視できる程度に十分に大きな値にすることが望まし
い。このCLによつて本回路の直流バイアス条件は従来の
回路と同じになる。 第(2)式で示したように、ZLがない場合(ZL=∞)の
利得Gaで与えられる。ここで、Gds,CdsはQ1およびQ3のドレイ
ン・ソース間コンダクタンス、容量である。利得の平た
んな帯域をより高い周波数まで維持するため、本発明で
は、RF的にQ1,Q3のドレイン・ソース間に抵抗ZLを付加
した。これにより、利得Ga′は(8)式となる。 ZLを小さくしていくに従つてCdsの影響が現れる周波数
が高くなり、1GHz以上の高周波においても利得傾斜の少
ない良好な増幅特性が実現できる。以上述べたZLの効果
を検証するため、第1図に示す回路の特性計算例を第2
図に示す。ここで、使用したFETは第6図のものと同じ
であり、また、ZL<<1/ωCdsとしている。図に示すよ
うに3GHz帯でも平たんで良好な特性が得られている。 以上はトランジスタとしてFETの場合について説明した
が、バイポーラトランジスタでも同様に動作する。NPN
トランジスタを用いた場合の例を第3図に示す。動作原
理は第1図の場合とまつたく同様である。 (発明の効果) 以上説明したように、本発明はシングルエンド形差動増
幅器におけるFETの寄生容量の影響を除去し、1GHz以上
の高周波帯で動作可能な構成としているから、マイクロ
波帯での広い応用が可能となる利点がある。例えば、マ
イクロ波ミキサのIF出力の増幅、マイクロ波ダブルバラ
ンス形ミキサにおける二つのIF出力の合成などが考えら
れる。
[Z d2 1 / (g m4 + 1 / Z d4 )] ・ v 2
(4) In general, g m Z d >> 1 in the frequency band of several GHz or less, so if g m1 = g m2 = g m4 , then v 01 = −g m1 (1 / Z d1 + 1/1 / Z d2 ) · v 1 v 02 = −v 2 = v 1 and v 01 >> v 02 . Therefore, v 0 is determined only by v 1 = (v i1 −v i2 ) / 2 applied between the gate and source of Q1. Here, if the drain-source capacitances and conductances of Q1 and Q3 are C ds , G ds , and ω is the angular frequency, respectively, 1 / Z d1 + 1 / Z d2 = 2 (G ds + jωC ds ) ... (6) Therefore, the absolute value of the gain G a is given by the equation (7). As shown in Expression 7, in the conventional differential amplifier, the denominator of the gain expression includes the term ωC ds , which has a frequency dependence, so that the gain decreases as the frequency increases. (Problems to be Solved by the Invention) FIG. 6 shows an example of characteristics calculated using parameters of a general microwave band FET. As shown in the figure, the gain decreases near the frequency over 500 MHz, and the gain slope increases at frequencies above 1 GHz. For this reason, this kind of conventional differential amplifier could not be used in the 1 GHz band. An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks and to provide a single-ended amplifier having a small gain slope even at a high frequency of 1 GHz or higher. (Means for Solving Problems) A feature of the present invention is a circuit for suppressing the influence of the drain-source capacitance C ds of the FET, which is the cause of the operating frequency limit of the conventional single-ended differential amplifier. Is added to improve the gain slope characteristic of the amplifier, which is characterized in that the second electrode of the second transistor is connected to the first electrode of the first transistor and the first electrode of the second transistor is connected.
Two unit circuits (A,
B), and the second of the first transistor of each unit circuit
The electrodes are commonly used and are grounded in an alternating current manner through a current source, and the third electrode of the second transistor of each unit circuit (A, B) is used as the first electrode of the first transistor of one unit circuit (A). In a single-ended differential amplifier in which the third electrode of the first transistor of each unit circuit (A, B) is used as an input terminal and the second electrode of the second transistor of the unit circuit (B) is used as an output terminal, This is a differential amplifier in which a series circuit of a capacitor and a resistor is provided between the first electrode and the third electrode of the second transistor of the unit circuit (A). As the transistor, a normal bipolar transistor or FET can be used. The first electrode corresponds to the drain or collector, the second electrode corresponds to the source or emitter, and the third electrode corresponds to the base or gate. (Example) shall apply in FIGS Figure 1 is for explaining an embodiment of the present invention, 6 resistance (Z L), 7 is Kiyapashita (C L), the others are the same as in Figure 4. Here, 7 is a capacitor for preventing direct current from flowing through Z L , and it is desirable that C L has a sufficiently large value so that the impedance can be ignored at the operating frequency. This C L makes the DC bias condition of this circuit the same as the conventional circuit. As shown in the first (2), the gain G a in the absence of Z L (Z L = ∞) is Given in. Here, G ds and C ds are the drain-source conductance and capacitance of Q1 and Q3. In order to maintain a flat gain band up to a higher frequency, in the present invention, a resistor Z L is added between the drain and source of Q1 and Q3 in terms of RF. As a result, the gain G a ′ is given by equation (8). As Z L becomes smaller, the frequency at which the effect of C ds appears becomes higher, and good amplification characteristics with a small gain slope can be realized even at high frequencies of 1 GHz or higher. In order to verify the effect of Z L described above, the second example of characteristic calculation of the circuit shown in FIG.
Shown in the figure. The FET used here is the same as that in FIG. 6, and Z L << 1 / ω C ds . As shown in the figure, flat and good characteristics are obtained even in the 3 GHz band. Although the case where the transistor is a FET has been described above, a bipolar transistor operates similarly. NPN
An example of using a transistor is shown in FIG. The principle of operation is the same as in the case of FIG. (Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, the influence of the parasitic capacitance of the FET in the single-ended differential amplifier is removed, and the configuration is such that it can operate in the high frequency band of 1 GHz or higher. There is an advantage that it can be applied in a wide range. For example, amplification of the IF output of the microwave mixer, combination of two IF outputs of the microwave double-balanced mixer, and the like can be considered.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例、第2図は第1図の回路の利得
周波数特性の計算値を示す図、第3図は本発明の別の実
施例、第4図は従来のシングルエンド形差動増幅器の構
成、第5図は第4図の回路のRF等価回路、第6図は第4
図の回路の利得周波数特性の計算値を示す図である。 1,2…入力端子、3…接続点、4…出力端子、5…バイ
パス用キヤパシタ、6…抵抗(ZL)、7…キヤパシタ
(CL)、Q1〜Q5…FET、G,D,S…FETのゲート,ドレイ
ン,ソース、gm1,gm2,gm4…Q1,Q2,Q4の相互コンダクタ
ンス、Zd1,Zd2,Zd3,Zd4…Q1,Q2,Q3,Q4のドレイン・ソー
ス間寄生インピーダンス、vi1,vi2…入力端子、v0…出
力端子、v1,v2…Q1,Q2のゲート・〜ソース間電圧、v5
Q5のドレイン・ソース間電圧、v34…Q4のゲート・〜ソ
ース間電圧。
1 is an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing calculated values of gain frequency characteristics of the circuit of FIG. 1, FIG. 3 is another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a conventional single end. Configuration of a differential amplifier, FIG. 5 is an RF equivalent circuit of the circuit of FIG. 4, and FIG.
It is a figure which shows the calculated value of the gain frequency characteristic of the circuit of the figure. 1,2 ... input terminal, 3 ... connection point, 4 ... output terminal, 5 ... bypass Kiyapashita, 6 ... resistance (Z L), 7 ... Kiyapashita (C L), Q1~Q5 ... FET , G, D, S … FET gate, drain, source, g m1 , g m2 , g m4 … Q1, Q2, Q4 transconductance, Z d1 , Z d2 , Z d3 , Z d4 … Q1, Q2, Q3, Q4 drain source Parasitic impedance, v i1 , v i2 ... input terminal, v 0 ... output terminal, v 1 , v 2 ... Q1, Q2 gate-source voltage, v 5 ...
Q5 drain-source voltage, v 34 … Q4 gate-source voltage.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1のトランジスタの第1電極に第2のト
ランジスタの第2電極を接続するとともに、第2のトラ
ンジスタの第1電極を交流的に接地した構成の、2つの
単位回路(A,B)を具備し、各単位回路(A,B)の第1の
トランジスタの第2電極を共通とするとともに電流源を
介して交流的に接地し、各単位回路(A,B)の第2トラ
ンジスタの第3電極を一方の単位回路(A)の第1トラ
ンジスタの第1電極に接続し、各単位回路(A,B)の第
1トランジスタの第3電極を入力端子とし、他方の単位
回路(B)の第2トランジスタの第2電極を出力端子と
するシングルエンド形差動増幅器において、 上記一方の単位回路(A)の第2トランジスタの第1電
極と第3電極の間にキヤパシタと抵抗との直列回路が設
けられることを特徴とする差動増幅器。
1. Two unit circuits (A) in which the first electrode of the first transistor is connected to the second electrode of the second transistor and the first electrode of the second transistor is AC grounded. , B), the second electrode of the first transistor of each unit circuit (A, B) is common, and is grounded in an alternating current manner through a current source. The third electrode of the two transistors is connected to the first electrode of the first transistor of one unit circuit (A), the third electrode of the first transistor of each unit circuit (A, B) is used as an input terminal, and the other unit is connected. In a single-ended differential amplifier using the second electrode of the second transistor of the circuit (B) as an output terminal, a capacitor is provided between the first electrode and the third electrode of the second transistor of the one unit circuit (A). Differential amplification characterized in that a series circuit with a resistor is provided vessel.
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