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JP2021035016A - 増幅回路 - Google Patents

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謙 若木
Ken Wakaki
謙 若木
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

【課題】非線形歪が小さくかつ挿入損失の抑制に優れた増幅回路を提供すること。【解決手段】増幅回路1は、増幅器10を含む増幅経路3と、少なくとも増幅器10をバイパスするバイパス経路2と、を備え、バイパス経路2は、バイパス経路2上に直列に接続されたスイッチ12と、バイパス経路2とグランドとの間に直列に接続されたスイッチ13と、を含み、増幅経路3は、増幅器10の出力側に接続されたインダクタ32と、インダクタ32と増幅器10との間において、インダクタ10とグランドとの間に接続されたスイッチ17と、をさらに含む。【選択図】図1

Description

本発明は増幅回路に関し、特には増幅経路とバイパス経路とを備える増幅回路に関する。
従来、増幅器を含む増幅経路と、少なくとも前記増幅器をバイパスするバイパス経路と、を備える増幅回路が知られている(例えば、特許文献1の図5D)。当該増幅回路において、バイパス経路には、バイパス信号を導通させるか否かを切り替えるバイパススイッチと、バイパス経路とグランドとの間に接続されたシャントスイッチと、が設けられている。当該増幅回路では、シャントスイッチを設けることにより、バイパス経路のアイソレーション特性を向上している。
米国特許出願公開第2018/0248526号明細書
上記増幅回路では、増幅器の非線形性に起因する高調波歪や相互変調歪を含む非線形歪が出力されやすい構成となっている。
また、バイパス経路を介して信号をバイパスさせるバイパスモードにおいて、バイパススイッチをオン状態として、シャントスイッチをオフ状態とする。このとき、シャントスイッチにオフ容量が生じ、当該オフ容量がバイパス経路に対してシャントに接続される結果、増幅回路の出力ノードにおけるインピーダンス整合が悪化してしまうことがある。
さらに、増幅経路を介して信号を増幅する増幅モードにおいて、バイパス経路では、バイパススイッチはオフ状態とし、シャントスイッチはオン状態とする。このとき、バイパススイッチにオフ容量が生じ、当該オフ容量がバイパス経路に対してシャントに接続される結果、増幅回路の出力ノードにおけるインピーダンス整合が悪化してしまうことがある。
このように、バイパスモードおよび増幅モードの双方において増幅回路の出力ノードにおけるインピーダンス整合が悪化すると、増幅回路の利得や歪み特性が劣化する恐れがある。
そこで、本発明は、増幅器を含む増幅経路と少なくとも前記増幅器をバイパスするバイパス経路とを備えた増幅回路において、バイパスモード時の出力インピーダンスの整合と増幅器モード時の出力インピーダンス整合とをともに改善し、かつ、非線形歪みを小さくできる増幅回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る増幅回路は、増幅器を含む増幅経路と、少なくとも前記増幅器をバイパスするバイパス経路と、を備え、前記バイパス経路は、前記バイパス経路上に直列に接続された第1シリーズスイッチと、前記バイパス経路とグランドとの間に直列に接続された第1シャントスイッチと、を含み、前記増幅経路は、前記増幅器の出力側に接続されたインダクタと、前記インダクタと前記増幅器との間において、前記インダクタとグランドとの間に接続された第2シャントスイッチと、をさらに含む。
上述の構成によれば、増幅器の出力側において、インダクタと、インダクタとグランドとの間に直列に接続された第2シャントスイッチを設けている。増幅器の出力側にインダクタを設けたことにより、増幅器から出力される高周波信号成分が抑制されるので、増幅器の非線形性に起因する歪が抑制される。
また、バイパスモード時の出力インピーダンスの整合と増幅器モード時の出力インピーダンス整合とをともに改善できる。
実施の形態に係る増幅回路の構成の一例を示す回路図 実施の形態に係る増幅回路のバイパスモードにおける動作を説明する回路図 実施の形態に係る増幅回路のバイパスモードにおける出力整合を説明する図 実施の形態に係る増幅回路の増幅モードにおける動作を説明する回路図 実施の形態に係る増幅回路の増幅モードにおける出力整合を説明する図 実施の形態に係る増幅回路の構成の他の一例を示す回路図 実施の形態に係る増幅回路の構成の他の一例を示す回路図 実施の形態に係る増幅モジュールの構造の一例を示す斜視図
本発明の実施の形態に係る増幅回路ついて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。
以下では、主として、増幅回路の特徴である高周波の動作および整合にかかわる事項についてのみ、図示および説明する。例えば、バイアス回路や制御回路については原則として図示および説明を省略する。
また、「接続される」という記述は、2個以上の対象物または対象物の部分が、互いに、直接、もしくは1個以上の部品、回路要素、またははんだなどの接続材を介して接続されることを意味する。
また、「シャント」という記述は、回路の入出力間を結ぶ信号経路とグランドとの間に接続される対象物の接続形態を意味する。
また、「インダクタ」という記述は、期待される周波数において、インダクタンス分すなわち正のリアクタンス成分が主たる働きをする電気的素子を意味する。
インダクタとしては、線状の導体を1回以上巻き回して環状としたコイルインダクタ、および、直線や曲線や折れ曲がり線状の導体によるインダクタがある。インダクタとしては、線路状であり、線路の電気長が1/4波長以下の導体でもよい。増幅回路をIC(Integrated Circuit)で形成する場合は、スパイラルインダクタを用いてもよい。
また、「キャパシタ」という記述は、期待される周波数において、キャパシタンス分すなわち負のリアクタンス成分が主たる働きをする電気的素子を意味する。
キャパシタとしては、空気を含む誘電体面上や誘電体を挟んで対向した複数の電極間に形成されるキャパシタがある。また、シャントキャパシタとしては、線路状で線路電気長が1/4波長以下のオープンスタブでもよい。増幅回路をICで形成する場合は、MOM(Metal Oxide Metal)キャパシタまたはMIM(Metal Insulator Metal)キャパシタを用いてもよい。
(実施の形態)
実施の形態に係る増幅回路について、増幅器を含む増幅経路と、少なくとも前記増幅器をバイパスするバイパス経路と、を備える増幅回路の例を挙げて説明する。
図1は、実施の形態に係る増幅回路の構成の一例を示す回路図である。図1に示されるように、増幅回路1において、バイパス経路2と、増幅器10を含む増幅経路3と、がノード6、7の間で互いに並列に接続されている。ノード6、7は、入力端4および出力端5にそれぞれ接続されている。増幅器10は、例えば、トランジスタを含んで構成されている。特に、トランジスタに電界効果トランジスタを用いることにより、後述するトランジスタのオフ容量を効果的に利用することができる。
バイパス経路2は、スイッチ11、12、および13を含む。スイッチ12は、バイパス経路2上に直列に接続されている。スイッチ13は、バイパス経路2とグランドとの間に直列に接続されている。スイッチ11は、バイパス経路2のスイッチ13を挟んでスイッチ12とは反対側に位置する部分に直列に接続されている。
ここで、スイッチ11および12の一方が第1シリーズスイッチの一例であり、スイッチ13が第1シャントスイッチの一例であり、スイッチ11および12の他方が第3シリーズスイッチの一例である。なお、スイッチ11および12には、必要に応じて、図には示されていないキャパシタを設けてもよい。また、スイッチ11および12のうちいずれか一方のスイッチは省略されてもよい。
増幅経路3は、前述した増幅器10を含み、インダクタ32、スイッチ17および15を、さらに含む。インダクタ32は、増幅器10の出力側に接続され、一端が増幅器10、スイッチ15および17に接続され、他端が出力端5に接続されている。スイッチ17は、インダクタ32と増幅器10との間において、インダクタ32とグランドとの間に接続されている。スイッチ15は、増幅器10とスイッチ17との間に接続されている。具体的には、スイッチ15の一端は増幅素子10の出力側に接続され、スイッチ15の他端は、スイッチ17とインダクタ32とに接続されている。
ここで、スイッチ17は第2シャントスイッチの一例であり、スイッチ15は第2シリーズスイッチの一例である。ここで、スイッチ17と並列に、必要に応じて、図には示されていないキャパシタを設けてもよい。なお、スイッチ15は、省略されてもよい。
増幅経路3は、増幅器10の入力側において、インダクタ31、キャパシタ20、スイッチ14および16を、さらに含む。インダクタ31の一端は、増幅器10の入力端に接続される。インダクタ31の他端は、キャパシタ20の一端、スイッチ16の一端、および、スイッチ14の一端に接続されている。スイッチ14の他端は、入力端4に接続され、キャパシタ20の他端とスイッチ16の他端とは、グランドに接続されている。言い換えれば、キャパシタ20およびスイッチ16は、インダクタ31とスイッチ14との間において、インダクタ31とグランドとの間に接続されている。なお、スイッチ14、16、キャパシタ20、およびインダクタ31は省略されてもよい。
スイッチ11〜17は、単極単投タイプのスイッチであり、一例として、単一のトランジスタまたは複数のトランジスタが直列に接続されたトランジスタスタックにより構成される。特に、トランジスタに電界効果トランジスタを用いることにより、後述するトランジスタのオフ容量を効果的に利用することができる。
増幅回路1においては、増幅器10の出力側にインダクタ32を設けている。これにより、増幅器10から出力される高周波信号成分が抑制されるので、増幅器10の非線形性に起因する歪が抑制される。
次に、増幅回路1におけるバイパスモード時の出力整合および増幅モード時の出力整合の改善効果について説明する。
図2は、増幅回路1のバイパスモードでの動作を説明する回路図である。バイパスモードとは、増幅回路1において、バイパス経路2が導通状態になるとともに、増幅素子10のバイアス電源が切られ、増幅経路3が増幅動作をしない動作モードを意味する。
バイパスモードにおいて、バイパス経路2に設けられたスイッチのうち、スイッチ11および12はオン状態となり、スイッチ13はオフ状態となる。一方、増幅経路3に設けられたスイッチのうち、スイッチ14および15はオフ状態となり、スイッチ16および17はオン状態となる。スイッチ16および17がオン状態となることにより、バイパスモード時におけるバイパス経路2と増幅経路3との間のアイソレーション特性が向上する。
スイッチ14は、バイパスモードにおいてオフ状態となり、等価的にオフ容量24として機能する。オフ容量24の一端は入力端4に接続され、他端はオン状態にあるスイッチ16を介して接地される。その結果、オフ容量24は、入力端4に接続されたシャントキャパシタとなる。スイッチ13も同様に、等価的にオフ容量23として機能し、入力端4および出力端5に接続されたシャントキャパシタとなる。
他方、一端が出力端5に接続されたインダクタ32は、他端がオン状態にあるスイッチ17を介して接地される。その結果、インダクタ32は出力端5に接続されたシャントインダクタとなる。
図3は、増幅回路1のバイパスモードでの出力整合を説明する図である。図3では、出力端5から見た増幅回路1のインピーダンスの整合、つまり増幅回路1の出力整合、の取り方が、スミスチャートを用いて説明される。
スイッチ13のオフ容量23とスイッチ14のオフ容量24との並列容量によるシャントキャパシタ、すなわち負のリアクタンスが、バイパス経路2に接続される。これにより、負のリアクタンス方向に整合ずれが生じる(図3の(1))。同時に、スイッチ17がオン状態になることで、正のリアクタンスを持つインダクタ32が、バイパス経路2にシャントに接続される。正負の各リアクタンス値を適切に設計することでリアクタンス成分が打ち消し合い、整合状態、つまり出力端5から見た増幅回路1のリアクタンス成分が0Ωである状態、または、リアクタンス成分が0Ωに近い状態が実現される(図3の(2))。
このとき、インダクタ32は後述する増幅モードでの出力整合に用いるものを共用しており、スイッチ17以外には追加の部品は不要であるため、増幅回路1の小型化の点で有利である。さらには、増幅モードにおいてスイッチ17のオフ容量27の分だけ、出力整合用のキャパシタンス値を減じるか、または出力整合用キャパシタを省略することができるため、増幅回路1の小型化の点で有利である。
このように、増幅回路1は、バイパスモードにおいて良好な出力整合を実現できるため、バイパスモードでの挿入損失を小さくすることができる。
また、スイッチ15を設けることにより、バイパスモードにおいてスイッチ15をオフ状態として増幅器10を見えなくすることで、バイパス経路2への増幅器10による影響を低減できる。
スイッチ17のオン抵抗が大きい場合、スイッチ17がオン状態であっても、増幅素子10の出力容量とインダクタ32との共振や、リジェネレーションインダクタなどの増幅素子10の付属素子とインダクタ32との干渉など、望ましくない動作が生じる場合がある。そこで、スイッチ15を設けてオフ状態として増幅器10を見えなくすることで、悪影響および干渉を除去し、バイパスモードで期待される動作をより理想的に実現することができる。
なお、スイッチ15が、スイッチ17とインダクタ32との間や、インダクタ32と出力端5との間に接続されていた場合には、インダクタ32とスイッチ17とによりシャントインダクタを形成することが難しくなる。従って、スイッチ15は図1および図2に示すように、増幅器10の出力側において増幅器10とスイッチ17との間に設けることが好ましい。
なお、バイパス経路2の電気長が十分短いとき、例えば、増幅回路1を伝搬する高周波信号の波長の1/10以下などのとき、上述した整合状態の改善を、特に単純かつ良好に実現することができる。そのような場合として、増幅回路1をIC(Integrated Circuit)として半導体チップ上に実現する場合が挙げられる。
図4は、増幅回路1の増幅モードでの動作を説明する回路図である。増幅モードとは、増幅回路1において、バイパス経路2が非導通状態になるともに、増幅素子10にバイアス電源が供給され、増幅経路3が増幅動作をする動作モードを意味する。
増幅モードにおいて、バイパス経路2に設けられたスイッチのうち、スイッチ11および12はオフ状態となり、スイッチ13はオン状態となる。一方、増幅経路3に設けられたスイッチのうち、スイッチ14および15はオン状態となり、スイッチ16および17はオフ状態となる。スイッチ13がオン状態となることにより、増幅モード時におけるバイパス経路2と増幅経路3との間のアイソレーション特性が向上する。
スイッチ16は増幅モードではオフ状態となる。オフ状態のスイッチ16は等価的にオフ容量26として機能する。
スイッチ14は増幅モードではオン状態となる。
スイッチ17は、増幅モードではオフ状態となる。オフ状態のスイッチ17は、等価的にオフ容量27として機能する。
図5は、増幅回路1の増幅モードでの出力整合を説明する図である。図5では、出力端5から見た増幅回路1のインピーダンスの整合、つまり増幅回路1の出力整合、の取り方が、スミスチャートを用いて説明される。
増幅器10がMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成される場合、増幅器10の出力端におけるインピーダンスは、増幅器10に含まれるMOSFETの特性に応じて決まり、例えば、負のリアクタンス領域にある(図5の(1))。
スイッチ17のオフ容量27と、必要に応じてスイッチ17と並列接続される整合調整用のキャパシタとで、増幅器10の出力端におけるインピーダンスを負のリアクタンス方向に右回しさせ、負のリアクタンス領域にシフトさせる(図5の(2))。
次に、インダクタ32で、オフ容量27と増幅器10の出力端との接合ノードにおけるインピーダンスを正のリアクタンス方向に右回しさせ、正のリアクタンス領域にシフトさせる(図5の(3))。
次に、スイッチ12のオフ容量22と、必要に応じてスイッチ12と並列接続される整合調整用のキャパシタとで、ノード7から増幅経路3を見たインピーダンスを負のリアクタンス方向に右回しさせ、例えば50Ωを表すスミスチャートのセンターに位置付ける(図5の(4))ことが可能となる。
上記のインピーダンス整合では、インダクタ32は、バイパス経路2に接続された負のリアクタンスを打ち消す機能を有する。つまり、スイッチ11のオフ容量21とスイッチ12のオフ容量22とがスイッチ13を介してバイパス経路2に接続されることにより、バイパス経路2にシャントキャパシタ、すなわち負のリアクタンスが接続されることとなる。これにより、ノード7から増幅経路3を見たインピーダンスは、図5の(4)に示すように、負のリアクタンス方向に移動するが、図5の(3)に示すように、インダクタ32により上記インピーダンスを予め正のリアクタンス領域に位置させていたことで、バイパス経路2に接続された負のリアクタンスをキャンセルできる。
このように、増幅経路3に設けたスイッチ17のオフ容量27を、シャントのキャパシタンス成分として利用できる。その分、スイッチ17と並列接続される整合調整用のキャパシタを省略、または、そのキャパシタンス値を減らすことができ、増幅回路1を小型化できる。具体的には、スイッチ17の適切な設計によりスイッチ17のオフ容量27が整合調整に必要なキャパシタンス値とおよそ等しくなる場合は、スイッチ17と並列接続される整合調整用のキャパシタを省略することが可能である。スイッチ17のオフ容量27が整合調整に必要なキャパシタンス値より小さいときは、スイッチ17のオフ容量27と並列に適切なキャパシタンス値のシャントキャパシタを接続する(図示せず)。
以上、増幅回路1の構成および効果の例を説明したが、上述の効果が得られる構成は、増幅回路1として挙げた例には限られない。
図6Aは、実施の形態に係る増幅回路の構成の他の一例を示す回路図である。
図6Aに示される増幅回路1aでは、図1の増幅回路1と比べて、増幅経路3aにおける増幅器10の入力側の構成が異なる。具体的に、増幅経路3aでは、スイッチ16aは、インダクタ31と増幅器10との間においてインダクタ31とグランドとの間に接続される。また、スイッチ14が省略される。
増幅回路1aでは、スイッチ14が省略されることで、増幅経路3aはバイパスモードにおいても入力端4に接続されるが、増幅素子10のバイアス電源が切られることで増幅経路3aが増幅動作をしないため、回路の動作には大きな影響がない。
増幅回路1aにおいて、バイパス経路2の構成および増幅経路3の増幅器10の出力側の構成は、増幅回路1と同一である。これにより、増幅回路1aにおいても、増幅回路1について上述した効果と同様の効果が得られる。
図6Bは、実施の形態に係る増幅回路のさらに他の一例を示す回路図である。同図に示される増幅回路1bでは、図1の増幅回路1と比べて、増幅経路3bにおける増幅器10の出力側の構成が異なる。具体的に、増幅経路3bでは、インダクタ32が増幅器10と出力端子5とを結ぶ経路上に直列に挿入される代わりに、増幅器10と出力端子5とを結ぶ経路上のノードとスイッチ17との間に直列に挿入されている。
このような増幅回路1bにおいても、インダクタ32が増幅器10の出力側に接続され、かつ、インダクタ32と増幅器10との間において、インダクタ32とグランドとの間に接続されたスイッチ17が設けられているため、増幅回路1について上述した効果と同様の効果が得られる。また、増幅回路1bにおいては、インダクタ32が増幅器10と出力端子5とを結ぶ経路上のノードとスイッチ17との間に直列に挿入されているため、インダクタ32が増幅器10と出力端子5とを結ぶ経路上に直列に挿入されている場合に比べて、より局所的に高周波信号を減衰させることができる。
増幅回路1、1a、1bは、増幅モジュールとして構成することができる。以下では、増幅モジュールとして構成された増幅回路1、1a、1bについて説明する。
図7は、実施の形態に係る増幅モジュールの構造の一例を示す斜視図である。増幅モジュール100は、ICチップ101とモジュール端子基板102とを備える。
増幅回路1、1a、1bは、ICチップ101内に形成されている。増幅回路1、1a、1bのインダクタには、例えば、スパイラルインダクタが用いられ、キャパシタには、例えば、MOMキャパシタまたはMIMキャパシタが用いられる。
モジュール端子基板102は、誘電体材料で構成される。誘電体材料には、例えば、ビスマレイミドトリアジン、エポキシ、ポリイミド、テフロン(登録商標)などの樹脂材、ガラスクロス、セラミクス、またはこれら複合した材料が用いられる。
モジュール端子基板102の裏面には、主基板(図示せず)への実装および信号伝達用の端子106が設けられる。端子106には、入力端子、出力端子、制御端子、電源端子、および接地端子が含まれてもよい。
ICチップ101は、例えば、はんだバンプでモジュール端子基板102の一方主面に実装される。モジュール端子基板102のICチップ101が実装された主面は、ICチップ101の保護のため、エポキシ系の樹脂104でトランスファーモールドされる。
樹脂104の表面は金属薄膜105で覆われている。金属薄膜105は、金属材料のスパッタ、めっき、またはこれらの複合的方法で形成され、モジュール端子基板102の端面で接地電極に接続される(図示せず)。
図7では、増幅モジュール100として構成された増幅回路1、1a、1bを例示したが、増幅回路1、1a、1bはICとして構成されてもよい。つまり、増幅回路1、1aが形成されたICチップ101は、モジュール端子基板102に実装されず、単体でバイパス経路付き増幅ICとして機能してもよい。
以上、本発明の増幅回路について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、個々の実施の形態には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本発明は、非線形歪が小さくかつ挿入損失の抑制に優れた増幅回路として、携帯端末装置などの無線機器において広く利用できる。
1、1a、1b 増幅回路
2 バイパス経路
3、3a、3b 増幅経路
4 入力端
5 出力端
6、7 ノード
10 増幅器
11、12、13、14、15、16、17 スイッチ
20 キャパシタ
21、22、23、24、25、26、27 (スイッチの)オフ容量
31、32 インダクタ
100 増幅モジュール
101 ICチップ
102 モジュール端子基板
104 樹脂
105 金属薄膜
106 端子

Claims (6)

  1. 増幅器を含む増幅経路と、
    少なくとも前記増幅器をバイパスするバイパス経路と、
    を備え、
    前記バイパス経路は、
    前記バイパス経路上に直列に接続された第1シリーズスイッチと、
    前記バイパス経路とグランドとの間に直列に接続された第1シャントスイッチと、を含み、
    前記増幅経路は、
    前記増幅器の出力側に接続されたインダクタと、
    前記インダクタと前記増幅器との間において、前記インダクタとグランドとの間に接続された第2シャントスイッチと、をさらに含む、
    増幅回路。
  2. 前記第1シリーズスイッチがオン状態となり、前記第1シャントスイッチがオフ状態となり、かつ前記第2シャントスイッチがオン状態となるバイパスモードと、
    前記第1シリーズスイッチがオフ状態となり、前記第1シャントスイッチがオン状態となり、かつ前記第2シャントスイッチがオフ状態となる増幅モードと、を有する
    請求項1に記載の増幅回路。
  3. 前記増幅経路は、前記増幅器と前記第2シャントスイッチとの間に直列に接続された第2シリーズスイッチを、さらに含み、
    前記第2シリーズスイッチは、前記バイパスモードでオフ状態となり、前記増幅モードでオン状態となる、
    請求項1または2に記載の増幅回路。
  4. 前記バイパス経路は、前記第1シャントスイッチを挟んで、前記第1シリーズスイッチとは反対側に位置する部分に直列に接続された第3シリーズスイッチを、さらに含み、
    前記第3シリーズスイッチは、前記バイパスモードでオン状態となり、前記増幅モードでオフ状態となる、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の増幅回路。
  5. 前記増幅器は、電界効果トランジスタを含む、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の増幅回路。
  6. 前記第1シャントスイッチは、電界効果トランジスタを含む、
    請求項1から5のいずれか1項に記載の増幅回路。
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