(57)【要約】【課題】消費電力の増加を抑えつつ、高調波による出力信号の歪みが低減された差動増幅回路を提供する。【解決手段】ＲＦ信号が差動で入力される１組のバイポーラトランジスタ対と、バイポーラトランジスタ対のエミッタ間に直列に介設された一対のインダクタと、バイポーラトランジスタ対のコレクタ間に介設されたインダクタとキャパシタからなる共振手段を有している。これにより、ＲＦ信号に含まれる奇数次の高調波信号が共振手段を通して相殺されるので、出力信号の奇数次の歪みを低減することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦ信号が入力される制御部と、上記ＲＦ信号の増幅信号を出力するための第１拡散層と、第２拡散層とを有する第１のトランジスタと、
ＲＦ信号の逆相信号が入力される制御部と、上記ＲＦ信号の逆相信号の増幅信号を出力するための第１拡散層と、第２拡散層とを有し、上記第１のトランジスタと電気的特性が等しい第２のトランジスタと、
上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの第２拡散層間に直列に介設された一対のインピーダンス部材とを備えた差動増幅回路であって、
上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層との間に介設され、上記ＲＦ信号の奇数次の高調波に対しては上記ＲＦ信号に対するよりもローインピーダンスになる共振手段をさらに備えている差動増幅回路。
【請求項２】
請求項１に記載の差動増幅回路において、
上記共振手段を含み、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層とを接続する回路の共振周波数が、上記ＲＦ信号の３次高調波の周波数であることを特徴とする差動増幅回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の差動増幅回路において、
上記共振手段は、互いに接続された第１のインダクタとキャパシタとを含むことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項４】
請求項３に記載の差動増幅回路において、
上記第１のインダクタと上記キャパシタとは、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層との間に互いに直列に介設されていることを特徴とする差動増幅回路。
【請求項５】
請求項１または２に記載の差動増幅回路において、
上記共振手段は、互いに接続された抵抗素子とキャパシタとを含むことを特徴とする差動増幅回路。
【請求項６】
請求項５に記載の差動増幅回路において、
上記抵抗素子と上記キャパシタとは、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層との間に互いに直列に介設されていることを特徴とする差動増幅回路。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の差動増幅回路において、
上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタは共に制御部をベースとするバイポーラトランジスタであることを特徴とする差動増幅回路。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の差動増幅回路において、
上記一対のインピーダンス部材は、インダクタであることを特徴とする差動増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、差動入力信号を増幅するための差動増幅回路に関し、特に移動体通信機などの低雑音増幅器や周波数変換器の差動変換増幅回路として使用できる差動増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報通信では、２ＧＨｚ帯の高周波を用いたワイドバンドＣＤＭＡや、２．４ＧＨｚ帯の高周波を用いたブルートゥース、あるいはさらなる高周波を用いた無線ＬＡＮなど、より周波数の高い高周波を扱う技術の開発が進んでいる。
このような通信技術で用いられる移動体通信機は、低雑音増幅器や周波数変換器など、差動増幅回路を用いたアナログ回路を備えている。これらのアナログ回路において、単相の入力信号から同相と逆相の２つの平衡出力信号を得る平衡構造の差動増幅回路を用いて、歪特性の向上を図っている。なお、以後の本明細書中では、周波数及び振幅が互いに等しく位相差が１８０度の一組の平衡信号の一方を「同相」の信号、他方を「逆相」の信号と称する。
【０００３】
図３は、平衡信号を出力する従来の差動増幅回路を示す回路図である。
【０００４】
従来の差動増幅回路では、高周波信号（以後ＲＦ信号と称す）及び該ＲＦ信号の逆相信号を入力すると、ＲＦ信号と周波数が等しく、電力が増幅された出力信号とその逆相信号が得られる。
【０００５】
図３に示すように、従来の差動増幅回路は、ベースにＲＦ信号が入力され、コレクタからＲＦ増幅信号を出力するための第１のトランジスタ１０１と、第１のトランジスタ１０１と同導電型で、ベースにＲＦ信号の逆相信号が入力され、コレクタから出力信号の逆相信号を出力するための第２のトランジスタ１０２と、第１のトランジスタ１０１のエミッタに接続された抵抗２０２と、一端が第２のトランジスタ１０２のエミッタに接続され、他端が抵抗２０２に接続された抵抗２０３と、一端が第１の抵抗２０２と第２の抵抗２０３との間に接続され、他端が接地された第３の抵抗２０１とを備えている。第１のトランジスタ１０１と第２のトランジスタ１０２とは、この例では共にバイポーラトランジスタであり、互いの電気的特性は等しくなっている。第１の抵抗２０２と第２の抵抗２０３の電気的特性も揃えられている。また、この差動増幅回路の信号入力部ＲＦ  ＩＮでは、抵抗を介して直流電流を結合し、差動増幅器として動作するようにしている。
【０００６】
従来の差動増幅回路によれば、出力信号と逆相の出力信号とが完全に平衡状態、つまり互いの振幅が等しく、且つ位相差が１８０度ずれた状態とすることで出力の非線形性を低減することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２３２６５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
差動増幅回路に入力される信号には、ＲＦ信号の整数倍の周波数を有する高調波信号が含まれている。従来の差動増幅回路では、ＲＦ信号とＲＦ信号の逆相信号とが入力されているので、ＲＦ信号の偶数倍の周波数を有する偶数次の高調波が相殺され、出力信号中に偶数次の高調波が漏れることは理論上ない。
【０００９】
しかしながら、従来の構成では、奇数次の高調波は回路中で相殺されないので、出力信号中に奇数次の高調波成分が漏れ出し、歪みが生じてしまう。特に、３次や５次の高調波は振幅が大きく、歪みの原因となっている。このため、図３に示す従来の差動増幅回路では、第１のトランジスタ１０１のエミッタと第２のトランジスタ１０２のエミッタとの間に第１の抵抗２０２及び第２の抵抗２０３を挿入して電流出力によるフイードバックを与え、歪みの低減を図っている。
【００１０】
しかし、この方法では、第１のトランジスタ１０１及び第２のトランジスタ１０２に流れる電流に比例してフィードバック量が大きくなるので、奇数次の歪みを低減しようとすると消費電流が大きくなる。そのため、従来の差動増幅回路は、低電流化を目標とする設計を行なう場合、歪みの低減効果に限界があった。特に、携帯用の通信機器などでは消費電流の低減が重要となるため、消費電力の増加を抑えつつ出力歪みの低減を図ることができる差動増幅回路が強く求められていた。
【００１１】
本発明の目的は、消費電力の増加を抑えつつ、出力信号の歪みが低減された差動増幅回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の差動増幅回路は、ＲＦ信号が入力される制御部と、上記ＲＦ信号の増幅信号を出力するための第１拡散層と、第２拡散層とを有する第１のトランジスタと、ＲＦ信号の逆相信号が入力される制御部と、上記ＲＦ信号の逆相信号の増幅信号を出力するための第１拡散層と、第２拡散層とを有し、上記第１のトランジスタと電気的特性が等しい第２のトランジスタと、上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタの第２拡散層間に直列に介設された一対のインピーダンス部材とを備えた差動増幅回路であって、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層との間に介設され、上記ＲＦ信号の奇数次の高調波に対しては上記ＲＦ信号に対するよりもローインピーダンスになる共振手段をさらに備えている。
【００１３】
この構成により、第１のトランジスタからの出力信号と及び第２のトランジスタからの出力信号のうち、ＲＦ信号の高調波由来の成分は共振手段を通過しやすくなっているため、互いに相殺される。これに対してＲＦ信号の増幅信号は共振回路を通過しにくいので、相殺されずに出力される。このため、出力信号中の高調波成分が低減されることとなり、歪みが低減される。
【００１４】
上記共振手段を含み、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層とを接続する回路の共振周波数が、上記ＲＦ信号の３次高調波の周波数であることにより、高調波のうち最も電力の大きい３次高調波が出力信号から除かれるので、出力の歪みを効果的に抑制することができる。
【００１５】
上記共振手段は、互いに接続された第１のインダクタとキャパシタとを含むことにより、いわゆるＬＣ共振を利用して、歪みの原因となる奇数次の高調波を選択的に低減することができる。さらに、Ｑ値を調節することで、低減する信号の周波数の範囲を調節することもできる。また、比較的少ない素子数で奇数次の高調波を低減することが可能になるので、回路面積の増加を抑えられる。
【００１６】
上記第１のインダクタと上記キャパシタとは、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層との間に互いに直列に介設されていてもよい。
【００１７】
上記共振手段は、互いに接続された抵抗素子とキャパシタとを含むことにより、いわゆるＲＣ共振を利用して、歪みの原因となる奇数次の高調波を低減することができる。この場合、共振回路は、共振周波数以上の周波数を有する信号を容易に通過させるので、共振周波数以上の周波数を有する高調波も同時に出力信号から低減することができる。
【００１８】
上記抵抗素子と上記キャパシタとは、上記第１のトランジスタの第１拡散層と上記第２のトランジスタの第１拡散層との間に互いに直列に介設されていてもよい。
【００１９】
上記第１のトランジスタ及び上記第２のトランジスタは共に制御部をベースとするバイポーラトランジスタであることにより、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いる場合に比べ動作速度を向上させることができる
上記一対のインピーダンス部材は、インダクタであることにより、抵抗を用いる場合に比べて消費電力を低減することができる上、出力中のノイズを低減することもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態として、３次の高調波の低減が図られた差動増幅回路について説明する。この差動増幅回路は、例えば携帯用通信機器の低雑音増幅器や周波数変換器などに用いられる。
【００２１】
図１は、第１の実施形態に係る差動増幅回路の構成を示す回路図である。本実施形態の差動増幅回路では、例えば０．８ＧＨｚ以上の高周波であるＲＦ信号が第１の入力部１に、ＲＦ信号の逆相信号が第２の入力部３にそれぞれ入力され、第１の出力部５から電力振幅が増幅された出力信号が、第２の出力部７から出力信号の逆相信号が、それぞれ出力される。すなわち、本実施形態の差動増幅回路は、バランス信号として入力されたＲＦ信号を増幅してバランス信号として出力する。なお、ＲＦ信号の逆相信号は、ＲＦ信号からバランを介することによって生成される。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の差動増幅回路は、ベース（制御部）が第１の入力部１に接続され、コレクタ（第１拡散層）が第１の出力部５に接続された第１のトランジスタ１１と、ベースが第２の入力部３に接続され、コレクタが第２の出力部７に接続された第２のトランジスタ１２と、第１のトランジスタ１１−第１の出力部５間に位置する第１の節点５１と第２のトランジスタ１２−第２の出力部７間に位置する第２の節点５２とを結ぶ配線上に設けられた共振手段３０と、第１のトランジスタ１１のエミッタ（第２拡散層）に接続された第１のインダクタ３１と、一端が第２のトランジスタ１２のエミッタに接続され、他端が第１のインダクタ３１に接続された第２のインダクタ３２と、一端が第１のインダクタ３１と第２のインダクタ３２の間に接続され、他端が接地に接続された抵抗２１とを備えている。ここで、第１のトランジスタ１１と第２のトランジスタ１２とは互いに電気的特性の等しいｎｐｎ型バイポーラトランジスタであるが、代わりにｐｎｐ型バイポーラトランジスタやＦＥＴを用いることもできる。なお、トランジスタの「電気的特性が等しい」とは、サイズ、導電型、電流駆動能力などが等しいことを意味する。また、接地された抵抗２１は電流源として機能する。
【００２３】
本実施形態の差動増幅回路の最大の特徴は、共振手段３０を設けたことである。
【００２４】
共振手段３０は、第１のトランジスタ１１のコレクタ及び第２のトランジスタ１２のコレクタに対して互いに直列に接続された第３のインダクタ３３及びキャパシタ４１とから構成されている。なお、図１では第３のインダクタ３３が第１のトランジスタ１１のコレクタに接続され、キャパシタ４１が第２のトランジスタ１２のコレクタに接続される例を示しているが、第３のインダクタ３３とキャパシタ４１の位置を入れ替えてもよい。また、第１のトランジスタ１１のコレクタと第２のトランジスタ１２のコレクタとを接続し、共振手段３０を含む回路は、ＲＦ信号の周波数をｆ１とする場合、３次の高調波の周波数３ｆ１を共振周波数とするＬＣ共振回路となっている。従って、第３のインダクタ３３のインダクタンスをＬとし、キャパシタ４１の容量をＣとすると、
３ｆ１＝１／｛２π√（ＬＣ）｝                        （１）
の関係が成り立つ。本実施形態において、例えば、ＲＦ信号の周波数が２．１Ｈｚの場合、第３のインダクタ３３のインダクタンスは０．８５Ｈ、キャパシタ４１の容量値は０．７５ｐＦである。
【００２５】
ＬＣ共振回路は共振周波数の信号を選択的に通す性質がある。そのため、本実施形態の差動増幅回路では、第１のトランジスタ１１からの出力と第２のトランジスタ１２からの出力のそれぞれに含まれる３次の高調波が共振手段３０を通って相殺される。従って、出力信号及びその逆相信号中にＲＦ信号の３次の高調波は含まれない。３次の高調波はＲＦ信号及びその逆相信号に含まれる奇数次の高調波のうちで最も大きい電力を有しているので、これが打ち消されることで出力信号とその逆相信号の歪みは大きく低減されている。しかも、３次の高調波による出力の歪みを、１個のキャパシタと１個のインダクタとを用いて低減できるので、従来に比べて面積の増加も小さく抑えられている。
【００２６】
なお、ＬＣ共振回路は、ＲＦ信号に対してはＲＦ信号の３次の高調波に対するよりもはるかにハイインピーダンスになっているので、出力信号が相殺されることはない。
【００２７】
また、本実施形態の差動増幅回路では、出力信号に含まれる高調波成分が低減されているので、第１のトランジスタ１１のエミッタと第２のトランジスタ１２のエミッタの間に配置されるインピーダンス部材として、抵抗の代わりに第１のインダクタ３１及び第２のインダクタ３２を設けることが可能になっている。このため、消費電力の低減と出力の歪みの低減との両立が可能となっている。また、従来の差動増幅回路では、抵抗を用いることによりノイズが発生していたが、本実施形態の差動増幅回路ではインダクタを用いているので、ノイズの発生が抑えられている。従って、本実施形態の差動増幅回路を用いれば、消費電力が低減でき、且つ高性能の送受信性能を有する通信機器を提供することができるようになる。
【００２８】
また、消費電力の低減よりも回路面積の縮小を重視する場合などでは、第１のトランジスタ１１及び第２のトランジスタ１２のエミッタ間に配置されるのは抵抗のままであってもよい。その場合でも、出力信号中の３次の高調波が低減されているため、従来に比べて抵抗の抵抗値を小さく抑えることができ、消費電力の増大は防がれている。
【００２９】
なお、本実施形態の差動増幅回路は、ＲＦ信号の周波数が０．８ＧＨｚ未満の場合でも上述のような機能を発揮する。ＲＦ信号の周波数は、少なくとも０．２ＧＨｚ程度〜５ＧＨｚの範囲であれば好ましい。
【００３０】
なお、本実施形態の差動増幅回路では、共振手段３０を含む回路の共振周波数を入力信号の３次の高調波に合わせたが、それ以外の奇数次の高調波に合わせても従来より出力信号の歪みを小さくすることはできる。しかし、３次の高調波の周波数に合わせて共振手段３０を設計することが最も効果的であり、好ましい。
【００３１】
また、上述の共振手段３０は、３次の高調波を選択的に通過させるように設計されていたが、共振回路のＱ値を小さくすることによって通過させる周波数の範囲を広げることができる。ここで、共振回路のＱ値は、
Ｑ＝（１／Ｒ１）・√（Ｌ／Ｃ）                                      （２）
で求められる値であり、Ｒ１は第３のインダクタ３３の寄生抵抗などを含む回路の抵抗を示す。式（２）から分かるように、Ｒ１を大きくするとＱ値が下がり、共振手段３０が通過させる信号の周波数の範囲を、３ｆ１を挟んでより広い範囲とすることができる。
【００３２】
また、本実施形態の共振手段３０において、第３のインダクタ３３とキャパシタ４１とは第１の節点５１及び第２の節点５２に対して互いに直列に接続されていたが、互いに並列に接続されていてもよい。この場合には、第３のインダクタ３３のインダクタンスＬとキャパシタ４１の容量Ｃと３次の高調波の周波数３ｆ１との関係はｆ１＝１／｛２π√（ＬＣ）｝となる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る差動増幅回路の構成を示す回路図である。
【００３４】
本発明の第２の実施形態に係る差動増幅回路は、第１の実施形態で用いられた差動増幅回路の第３のインダクタ３３を第２の抵抗２３で置き換えたものである。
【００３５】
すなわち、本実施形態の差動増幅回路は、ベースが第１の入力部１に接続され、コレクタが第１の出力部５に接続された第１のトランジスタ１１と、ベースが第２の入力部３に接続され、コレクタが第２の出力部７に接続された第２のトランジスタ１２と、第１のトランジスタ１１−第１の出力部５間に位置する第１の節点５１と第２のトランジスタ１２−第２の出力部７間に位置する第２の節点５２とを結ぶ配線上に設けられた共振手段４０と、第１のトランジスタ１１のエミッタに接続された第１のインダクタ３１と、一端が第２のトランジスタ１２のエミッタに接続され、他端が第１のインダクタ３１に接続された第２のインダクタ３２と、一端が第１のインダクタ３１と第２のインダクタ３２の間に接続され、他端が接地に接続された第１の抵抗２２とを備えている。ここで、第１のトランジスタ１１と第２のトランジスタ１２とは互いに電気的特性の等しいｎｐｎ型バイポーラトランジスタであるが、代わりにｐｎｐ型バイポーラトランジスタやＭＩＳトランジスタを用いることもできる。ＭＩＳトランジスタを用いる場合には、それぞれのゲート電極に第１の入力部１または第２の入力部３を接続させる。
ただし、ＲＦ信号の周波数が同じ場合、バイポーラトランジスタを用いる方が消費電力を低減することが可能である。
【００３６】
共振手段４０は、第１のトランジスタ１１のコレクタ及び第２のトランジスタ１２のコレクタに対して互いに直列に接続された第２の抵抗２３及びキャパシタ４１とから構成されている。例えば、本実施形態において、ＲＦ信号の周波数が２．１ＧＨｚとすると、第２の抵抗２３の抵抗値が４００Ωでキャパシタ４１の容量値が１０ｐＦである。なお、図２では第２の抵抗２３が第１のトランジスタ１１のコレクタに接続され、キャパシタ４１が第２のトランジスタ１２のコレクタに接続される例を示しているが、第２の抵抗２３とキャパシタ４１の位置を入れ替えてもよい。また、第１のトランジスタ１１のコレクタと第２のトランジスタ１２のコレクタとを接続し、共振手段４０を含む回路は、ＲＦ信号の周波数をｆ１とすると、３次の高調波の周波数３ｆ１を共振周波数とするＲＣ共振回路となっている。
【００３７】
ＲＣ共振回路は、ＬＣ共振回路に比べて通過させる信号の周波数の範囲が広く、共振周波数より周波数の高い信号をよく通過させる。一方で、ＲＣ共振回路は共振周波数未満の周波数を有する信号の通過を阻害する。このため、第１のトランジスタ１１のエミッタから出力された出力信号と第２のトランジスタ１２のエミッタから出力された出力信号の逆相信号のそれぞれに含まれる３次以上の高調波が共振手段４０を通過して相殺される。これに対し、ＲＦ信号を増幅した周波数ｆ１の出力信号は共振手段４０を通過しないため、第１の出力部及び第２の出力部からはそれぞれ歪みの低減された出力信号及びその逆相信号が出力される。
特に、本実施形態の差動増幅回路においては、第１の実施形態に比べて５次や７次の高調波も抑制されている。そのため、出力の歪みはさらに低減される。
【００３８】
また、第１の実施形態と同様に、本実施形態の差動増幅回路では、出力信号中の高調波信号が低減されているので、第１のトランジスタ１１のエミッタと第２のトランジスタ１２のエミッタの間に、抵抗の代わりに第１のインダクタ３１及び第２のインダクタ３２を設けることが可能になっている。このため、消費電力の低減と出力の歪みの低減との両立が可能となっている。また、従来に比べてノイズの発生が抑えられている。このように、本実施形態の差動増幅回路を用いれば、消費電力が低減でき、且つ高性能の送受信性能を有する通信機器を提供することができるようになる。
【００３９】
本実施形態の差動増幅回路において、ＲＣ共振回路の共振周波数をＲＦ信号の３次の高調波の周波数としたが、例えば２次の高調波の周波数を共振周波数としてもそれ以上の周波数を有する高調波を通過させることができる。この場合にも、上述の効果を発揮することができる。
【００４０】
なお、本実施形態の差動増幅回路は、ＲＦ信号の周波数が０．８ＧＨｚ未満の場合でも上述のような機能を発揮する。ＲＦ信号の周波数は、少なくとも０．２ＧＨｚ程度〜５ＧＨｚの範囲であれば好ましい。
【００４１】
また、本実施形態の差動増幅回路は、第３のインダクタ３３（図１参照）の代わりに第２の抵抗２３を用いているので、第１の実施形態に比べて面積を縮小することができる。
【００４２】
また、本実施形態の共振手段４０においても、第２の抵抗２３とキャパシタ４１とが、第１の節点５１と第２の節点５２に対して互いに並列に接続する構成であってよい。この場合でも高調波を低減することはできるが、第２の抵抗２３とキャパシタ４１とを直列に接続する場合に比べて高調波の低減効果は小さくなる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の差動増幅回路は、周波数ｆ１のＲＦ信号が差動で入力される１組のバイポーラトランジスタ対と、バイポーラトランジスタ対のエミッタ間に直列に介設された一対のインダクタと、バイポーラトランジスタ対のコレクタ間に介設されたインダクタとキャパシタからなる共振手段を有している。これにより、ＲＦ信号に含まれる奇数次の高調波信号が共振手段を通して相殺されるので、出力信号の奇数次の歪みを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る差動増幅回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る差動増幅回路の構成を示す回路図である。
【図３】従来の差動増幅回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１        第１の入力部
３        第２の入力部
５        第１の出力部
７        第２の出力部
１１      第１のトランジスタ
１２      第２のトランジスタ
２１      抵抗
２２      第１の抵抗
２３      第２の抵抗
３０，４０      共振手段
３１      第１のインダクタ
３２      第２のインダクタ
３３      第３のインダクタ
４１      キャパシタ
５１      第１の節点
５２      第２の節点
【図１】
2004282499.tif 000003
【図２】
2004282499.tif 000004
【図３】
2004282499.tif 000005