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JP2021078103A - Active balun circuit, power amplifier circuit, and power amplifier module - Google Patents

Active balun circuit, power amplifier circuit, and power amplifier module Download PDF

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JP2021078103A JP2020115846A JP2020115846A JP2021078103A JP 2021078103 A JP2021078103 A JP 2021078103A JP 2020115846 A JP2020115846 A JP 2020115846A JP 2020115846 A JP2020115846 A JP 2020115846A JP 2021078103 A JP2021078103 A JP 2021078103A
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JP2020115846A
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孝幸 筒井
Takayuki Tsutsui
孝幸 筒井
田中 聡
Satoshi Tanaka
聡 田中
幹一郎 竹中
Kanichiro Takenaka
幹一郎 竹中
昌俊 長谷
Masatoshi Hase
昌俊 長谷
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

To suppress the increase in area of a semiconductor chip.SOLUTION: An active balun circuit 10 includes transistors Q1 and Q2 whose emitters are electrically connected to each other and which output differential signals, and a circuit element 30 connected between a reference potential and a connection point between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2. In the circuit element 30, the impedance at a particular frequency of an input signal seems sufficiently higher than the impedance at another frequency. To a base of the transistor Q1, the input signal of an input terminal Pin is applied. To a base of the transistor Q2, the reference potential is applied. To a collector of the transistor Q1 and a collector of the transistor Q2, power source voltage Vcc is applied. The signal of the collector of the transistor Q1 and the signal of the collector of the transistor Q2 are output as the differential signals.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、能動バラン回路、電力増幅回路および電力増幅モジュールに関する。 The present invention relates to an active balun circuit, a power amplifier circuit and a power amplification module.

従来、電力増幅回路の増幅器の入力段または出力段に、差動トランス回路によるバランを設けることがある。非特許文献1の図18(a)には、増幅器の出力段にバランを設けた構成が開示されている。 Conventionally, a balun by a differential transformer circuit may be provided at the input stage or the output stage of the amplifier of the power amplifier circuit. FIG. 18A of Non-Patent Document 1 discloses a configuration in which a balun is provided in the output stage of the amplifier.

Kyu Hwan An、外11名、「Power-Combining Transformer Techniques for Fully-Integrated CMOS Power Amplifiers」、(米国)、 IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS、Institute of Electrical and Electronics Engineers、2008年5月、第43巻、第5号、p.1064−1075Kyu Hwan An, 11 outsiders, "Power-Combining Transformer Techniques for Fully-Integrated CMOS Power Amplifiers", (USA), IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Institute of Electrical and Electronics Engineers, May 2008, Volume 43 , No. 5, p. 1064-1075

ここで、半導体チップに、電力増幅回路とともに受動素子で構成されるトランス回路を用いたバランを設ける場合を考える。その場合、バランに必要とされるインダクタを半導体チップに形成すると、半導体チップの面積が大きくなる。 Here, consider a case where a semiconductor chip is provided with a balun using a transformer circuit composed of a passive element together with a power amplifier circuit. In that case, if the inductor required for the balun is formed on the semiconductor chip, the area of the semiconductor chip becomes large.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体チップの面積が大きくなることを抑えることのできる、能動バラン回路、電力増幅回路および電力増幅モジュールを実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to realize an active balun circuit, a power amplifier circuit, and a power amplifier module capable of suppressing an increase in the area of a semiconductor chip.

本発明の一側面の能動バラン回路は、第1トランジスタおよび第2トランジスタと、入力信号の特定の周波数におけるインピーダンスが、他の周波数におけるインピーダンスより十分大きくみえる回路要素とを含み、前記入力信号に対応する一対の差動信号を前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタから出力する、能動バラン回路である。 The active balun circuit of one aspect of the present invention includes a first transistor and a second transistor, and a circuit element in which the impedance of the input signal at a specific frequency seems to be sufficiently larger than the impedance at another frequency, and corresponds to the input signal. This is an active balun circuit that outputs a pair of differential signals to be output from the first transistor and the second transistor.

本発明の他の側面の能動バラン回路は、回路要素を介して基準電位に接続された第1端子と、入力端子に接続された第2端子と、電源電圧端子に接続された第3端子とを備えた第1トランジスタと、前記回路要素を介して基準電位に接続された第1端子と、前記基準電位に接続された第2端子と、前記電源電圧端子に接続された第3端子とを備えた第2トランジスタと、を備え、前記第1トランジスタの第1端子はソースまたはドレインであり、前記第1トランジスタの第2端子はゲートであり、前記第1トランジスタの第3端子はドレインまたはソースであり、前記第2トランジスタの第1端子はソースまたはドレインであり、前記第2トランジスタの第2端子はゲートであり、前記第2トランジスタの第3端子はドレインまたはソースであり、前記第1トランジスタの第3端子と前記第2トランジスタの第3端子とから、一対の差動信号を出力する、能動バラン回路である。 The active balun circuit on the other side of the present invention includes a first terminal connected to a reference potential via a circuit element, a second terminal connected to an input terminal, and a third terminal connected to a power supply voltage terminal. A first transistor provided with, a first terminal connected to a reference potential via the circuit element, a second terminal connected to the reference potential, and a third terminal connected to the power supply voltage terminal. The first terminal of the first transistor is a source or drain, the second terminal of the first transistor is a gate, and the third terminal of the first transistor is a drain or source. The first terminal of the second transistor is a source or drain, the second terminal of the second transistor is a gate, the third terminal of the second transistor is a drain or source, and the first transistor. This is an active balun circuit that outputs a pair of differential signals from the third terminal of the second transistor and the third terminal of the second transistor.

本発明によれば、半導体チップの面積が大きくなることを抑えることのできる能動バラン回路、それを備えた電力増幅回路および電力増幅モジュールを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an active balun circuit capable of suppressing an increase in the area of a semiconductor chip, a power amplifier circuit provided with the active balun circuit, and a power amplification module.

図1は、バランを含む電力増幅回路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a power amplifier circuit including a balun. 図2は、能動バラン回路を含む電力増幅回路の例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a power amplifier circuit including an active balun circuit. 図3は、図2中の回路要素が抵抗である場合のインピーダンスの例を示すスミスチャートである。FIG. 3 is a Smith chart showing an example of impedance when the circuit element in FIG. 2 is a resistor. 図4は、能動バラン回路の参考例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a reference example of an active balun circuit. 図5は、図4に示す参考例の能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of a power amplifier circuit using the active balun circuit of the reference example shown in FIG. 図6は、図4に示す参考例の能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of a power amplifier circuit using the active balun circuit of the reference example shown in FIG. 図7は、図4に示す参考例の能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of a power amplifier circuit using the active balun circuit of the reference example shown in FIG. 図8は、図4に示す参考例の能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the characteristics of a power amplifier circuit using the active balun circuit of the reference example shown in FIG. 図9は、他の能動バラン回路の例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of another active balun circuit. 図10は、図9中の回路要素がインダクタである場合のインピーダンスの例を示すスミスチャートである。FIG. 10 is a Smith chart showing an example of impedance when the circuit element in FIG. 9 is an inductor. 図11は、図9に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図12は、図9に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図13は、図9に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図14は、図9に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図15は、他の能動バラン回路の例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an example of another active balun circuit. 図16は、図15に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図17は、図15に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図18は、図15に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図19は、図15に示す能動バラン回路を用いた電力増幅回路の特性を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit shown in FIG. 図20は、図2に示す電力増幅回路の変形例を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing a modified example of the power amplifier circuit shown in FIG. 図21は、本開示の能動バラン回路を有する半導体チップを含む電力増幅モジュールの例を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing an example of a power amplification module including a semiconductor chip having the active balun circuit of the present disclosure. 図22は、本開示の能動バラン回路を有する半導体チップを含む他の電力増幅モジュールの例を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing an example of another power amplification module including a semiconductor chip having the active balun circuit of the present disclosure. 図23は、分布定数回路を用いた能動バラン回路の等価回路の例を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of an active balun circuit using a distributed constant circuit.

以下に、本開示の能動バラン回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。第2実施形態以降では第1実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。 Hereinafter, embodiments of the active balun circuit of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment. In addition, the components of each embodiment include those that can be easily replaced by those skilled in the art, or those that are substantially the same. Each embodiment is exemplary and the configurations shown in different embodiments can be partially replaced or combined. In the second and subsequent embodiments, the description of matters common to those of the first embodiment will be omitted, and only the differences will be described. In particular, the same action and effect due to the same configuration will not be mentioned sequentially for each embodiment.

以下、本開示の能動バラン回路について説明する。本開示の能動バラン回路は、差動トランス回路によるバランとは異なり、巻線の配線インダクタを用いない。各実施形態の理解を容易にするため、差動トランス回路によるバランを含む電力増幅回路を比較例として先に説明する。 Hereinafter, the active balun circuit of the present disclosure will be described. The active balun circuit of the present disclosure does not use the wiring inductor of the winding, unlike the balun by the differential transformer circuit. In order to facilitate understanding of each embodiment, a power amplifier circuit including a balun by a differential transformer circuit will be described first as a comparative example.

(比較例)
[回路構成]
図1は、バランを含む電力増幅回路を示す図である。図1に示す電力増幅回路は、巻線の配線インダクタを用いたトランス回路によるバランBを含む。バランBは、最終段の一対の増幅器11および12の入力側のノードN1、N2と、その前段の増幅器13との間に設けられている。一対の増幅器11および12の出力側には、トランスTと、インダクタLおよびキャパシタCによるフィルタと、が設けられている。トランスTの1次巻線の中点は、電源電圧Vccに接続されている。トランスTの1次巻線の中点と基準電位との間に電気的にそれぞれ接続されたキャパシタCP1およびCP2は、バイパスコンデンサとして機能する。基準電位は、接地電位が例示されるが、本開示はこれに限定されない。
(Comparison example)
[Circuit configuration]
FIG. 1 is a diagram showing a power amplifier circuit including a balun. The power amplifier circuit shown in FIG. 1 includes a balun B by a transformer circuit using a winding wiring inductor. The balun B is provided between the input-side nodes N1 and N2 of the pair of amplifiers 11 and 12 in the final stage and the amplifier 13 in the preceding stage. A transformer T and a filter by an inductor L and a capacitor C are provided on the output side of the pair of amplifiers 11 and 12. The midpoint of the primary winding of the transformer T is connected to the power supply voltage Vcc. Capacitors CP1 and CP2, which are electrically connected between the midpoint of the primary winding of the transformer T and the reference potential, respectively, function as bypass capacitors. The reference potential is exemplified by the ground potential, but the present disclosure is not limited to this.

[動作]
入力端子Pinに入力される信号、例えばRF(Radio Frequency)信号は、増幅器13によって増幅され、バランBに入力される。バランBによって、ノードN1、N2に差動出力が得られる。ノードN1、N2の差動出力は、増幅器11および12によって増幅される。増幅器11および12の出力は、トランスTと、インダクタLおよびキャパシタCによるフィルタとを介して出力端子Poutに出力される。本比較例では、バランBが段間に設けられていることにより、増幅器11および12による最終段と増幅器13による前段とを分離し、かつ、差動出力を得ることができる。
[motion]
A signal input to the input terminal Pin, for example, an RF (Radio Frequency) signal is amplified by the amplifier 13 and input to the balun B. The balun B provides differential outputs to nodes N1 and N2. The differential outputs of the nodes N1 and N2 are amplified by the amplifiers 11 and 12. The outputs of the amplifiers 11 and 12 are output to the output terminal Pout via the transformer T and the filter by the inductor L and the capacitor C. In this comparative example, since the balun B is provided between the stages, the final stage by the amplifiers 11 and 12 and the front stage by the amplifier 13 can be separated, and a differential output can be obtained.

図1を参照して説明した比較例の電力増幅回路を半導体チップとして実現する場合、バランBのために半導体チップの面積が大きくなる。このため、比較例の電力増幅回路において、半導体チップ全体の面積を小さくすることが難しい。 When the power amplifier circuit of the comparative example described with reference to FIG. 1 is realized as a semiconductor chip, the area of the semiconductor chip becomes large due to the balun B. Therefore, in the power amplifier circuit of the comparative example, it is difficult to reduce the area of the entire semiconductor chip.

(第1実施形態)
[回路構成]
図2は、能動バラン回路を含む電力増幅回路の例を示す図である。図2に示すように、入力端子Pinと、一対の増幅器11および12の入力側のノードN1、N2との間に、能動バラン回路10が設けられている。
(First Embodiment)
[Circuit configuration]
FIG. 2 is a diagram showing an example of a power amplifier circuit including an active balun circuit. As shown in FIG. 2, an active balun circuit 10 is provided between the input terminal Pin and the nodes N1 and N2 on the input side of the pair of amplifiers 11 and 12.

能動バラン回路10は、第1のトランジスタであるトランジスタQ1と、第2のトランジスタであるトランジスタQ2と、回路要素30とを含んでいる。トランジスタQ1およびQ2は、第1端子であるエミッタと、第2端子であるベースと、第3端子であるコレクタとを有する。能動バラン回路10は、巻線インダクタを含むバランではなく、トランジスタQ1、Q2および回路要素30によって実現されるバランである。 The active balun circuit 10 includes a transistor Q1 which is a first transistor, a transistor Q2 which is a second transistor, and a circuit element 30. The transistors Q1 and Q2 have an emitter as a first terminal, a base as a second terminal, and a collector as a third terminal. The active balun circuit 10 is not a balun including a winding inductor, but a balun realized by transistors Q1 and Q2 and a circuit element 30.

トランジスタQ1のベースには、入力端子Pinが接続されている。トランジスタQ2のベースは、基準電位に接続されている。基準電位は、接地電位が例示されるが、本開示はこれに限定されない。トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとが接続され、それらの接続点は回路要素30の一端に接続されている。回路要素30の他端は、基準電位に接続されている。トランジスタQ1のコレクタおよびトランジスタQ2のコレクタは、電源電圧Vccに接続されている。 An input terminal Pin is connected to the base of the transistor Q1. The base of transistor Q2 is connected to the reference potential. The reference potential is exemplified by the ground potential, but the present disclosure is not limited to this. The emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 are connected, and their connection points are connected to one end of the circuit element 30. The other end of the circuit element 30 is connected to a reference potential. The collector of the transistor Q1 and the collector of the transistor Q2 are connected to the power supply voltage Vcc.

トランジスタQ1のコレクタの信号Piと、トランジスタQ2のコレクタの信号Phと、は一対の差動信号となる。トランジスタQ1のコレクタの信号Piは、インダクタL1およびキャパシタC1によるフィルタを介して増幅器11に入力される。配線41およびキャパシタC41は、整合回路として機能する。トランジスタQ2のコレクタの信号Phは、インダクタL2およびキャパシタC2によるフィルタを介して増幅器12に入力される。配線42およびキャパシタC42は、整合回路として機能する。 The signal Pi of the collector of the transistor Q1 and the signal Ph of the collector of the transistor Q2 form a pair of differential signals. The signal Pi of the collector of the transistor Q1 is input to the amplifier 11 through the filter by the inductor L1 and the capacitor C1. The wiring 41 and the capacitor C41 function as a matching circuit. The signal Ph of the collector of the transistor Q2 is input to the amplifier 12 through the filter by the inductor L2 and the capacitor C2. The wiring 42 and the capacitor C42 function as a matching circuit.

トランジスタQ1およびQ2は、NPN型のトランジスタが例示されるが、本開示はこれに限定されない。トランジスタQ1およびQ2は、PNP型のトランジスタであってもよい。 Examples of transistors Q1 and Q2 are NPN-type transistors, but the present disclosure is not limited thereto. The transistors Q1 and Q2 may be PNP type transistors.

また、本開示では、各トランジスタは、バイポーラトランジスタとするが、本開示はこれに限定されない。バイポーラトランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(Heterojunction Bipolar Transistor:HBT)が例示されるが、本開示はこれに限定されない。各トランジスタは、例えば、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)であっても良い。その場合は、コレクタをドレインと置き換え、ベースをゲートと置き換え、エミッタをソースと置き換えれば良い。したがって、上記の第1端子はエミッタまたはソース、上記の第2端子はベースまたはゲート、上記の第3端子はコレクタまたはドレイン、ということもできる。 Further, in the present disclosure, each transistor is a bipolar transistor, but the present disclosure is not limited to this. Bipolar transistors are exemplified by Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs), but the present disclosure is not limited thereto. Each transistor may be, for example, a field effect transistor (FET). In that case, replace the collector with the drain, replace the base with the gate, and replace the emitter with the source. Therefore, it can be said that the first terminal is an emitter or a source, the second terminal is a base or a gate, and the third terminal is a collector or a drain.

各トランジスタは、複数の単位トランジスタ(フィンガーとも言う)を電気的に並列接続した、マルチフィンガートランジスタであっても良い。単位トランジスタとは、トランジスタが構成される最小限の構成を言う。 Each transistor may be a multi-finger transistor in which a plurality of unit transistors (also referred to as fingers) are electrically connected in parallel. The unit transistor refers to the minimum configuration in which a transistor is composed.

回路要素30は、例えば、特定の長さの配線、インダクタ、キャパシタ、および、抵抗のうち、少なくとも1つを含む。回路要素30は、インピーダンス素子ということもできる。回路要素30は、入力信号の基本周波数において、高インピーダンスとなることが好ましい。回路要素30は、基本周波数において、インピーダンスが大きくみえることが好ましい。つまり、回路要素30の、入力信号の特定の周波数におけるインピーダンスが、他の周波数におけるインピーダンスより十分大きくみえることが好ましい。ただし、回路要素30のインピーダンスが大きくみえるのは、電力増幅回路が発振しない場合に限る。 The circuit element 30 includes, for example, at least one of a particular length of wiring, inductor, capacitor, and resistor. The circuit element 30 can also be said to be an impedance element. The circuit element 30 preferably has a high impedance at the fundamental frequency of the input signal. It is preferable that the circuit element 30 has a large impedance at the fundamental frequency. That is, it is preferable that the impedance of the circuit element 30 at a specific frequency of the input signal looks sufficiently larger than the impedance at other frequencies. However, the impedance of the circuit element 30 looks large only when the power amplifier circuit does not oscillate.

図3は、回路要素30が抵抗である場合のインピーダンスの例を示すスミスチャートである。周波数を1.930GHzから1.950GHzまで変化させた場合、特性インピーダンス50Ωで正規化したインピーダンス値(図3中の丸印)は、図3中の矢印Y1のように変化する。周波数が1.950GHzである点m1は、インピーダンスが540Ωであり、50Ωの約10倍の値となる。このため、インピーダンスが十分大きくみえるといえる。 FIG. 3 is a Smith chart showing an example of impedance when the circuit element 30 is a resistor. When the frequency is changed from 1.930 GHz to 1.950 GHz, the impedance value normalized by the characteristic impedance of 50 Ω (circle in FIG. 3) changes as shown by the arrow Y1 in FIG. At the point m1 where the frequency is 1.950 GHz, the impedance is 540 Ω, which is about 10 times the value of 50 Ω. Therefore, it can be said that the impedance looks sufficiently large.

ここで、回路要素30が配線である場合について説明する。図4は、参考例である能動バラン回路10aを示す図である。図4に示す能動バラン回路10aは、配線30hを回路要素30として含んでいる。このため、トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとの接続点は、配線30hを介して、基準電位に電気的に接続されている。図4に示す能動バラン回路10aは、巻線の配線インダクタを用いたトランス回路を含まない。このため、能動バラン回路10aを電力増幅回路に採用することにより、半導体チップの面積を小さくすることができる。 Here, the case where the circuit element 30 is wiring will be described. FIG. 4 is a diagram showing an active balun circuit 10a as a reference example. The active balun circuit 10a shown in FIG. 4 includes the wiring 30h as a circuit element 30. Therefore, the connection point between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 is electrically connected to the reference potential via the wiring 30h. The active balun circuit 10a shown in FIG. 4 does not include a transformer circuit using a winding wiring inductor. Therefore, by adopting the active balun circuit 10a in the power amplifier circuit, the area of the semiconductor chip can be reduced.

[動作]
図5から図8は、図4に示す参考例の能動バラン回路10aを用いた電力増幅回路の特性を示す図である。図5は、図4に示す参考例の能動バラン回路10aを図2の電力増幅回路に用いた場合に、図2中のノードN1、N2において得られる特性を示す図である。
[motion]
5 to 8 are diagrams showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit 10a of the reference example shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing the characteristics obtained at the nodes N1 and N2 in FIG. 2 when the active balun circuit 10a of the reference example shown in FIG. 4 is used for the power amplifier circuit of FIG.

図5は、入力端子Pinの入力信号のレベルに対する、ノードN1における信号Piのレベルと、ノードN2における信号Phのレベルとの関係を示す。レベルと、ノードN2における信号Phのレベルとの関係を示す。図5において、入力端子Pinの入力信号のレベルが変化すると、信号Piのレベルと信号Phのレベルとは同じように変化する。図5に示すように、信号Piのレベルと信号Phのレベルとに差が生じており、信号Piと信号Phとは振幅がアンバランスな差動信号になっている。なお、本開示におけるアンバランスとは、位相差が入力信号のレベルによらず、一定でなく、もしくは、振幅が、入力信号のレベルに比例して出力されていないことと定義する。一方、バランスとは、位相差が入力信号のレベルによらず一定であり、振幅は、入力信号のレベルに比例して出力されていることと定義する。 FIG. 5 shows the relationship between the level of the signal Pi at the node N1 and the level of the signal Ph at the node N2 with respect to the level of the input signal of the input terminal Pin. The relationship between the level and the level of the signal Ph at the node N2 is shown. In FIG. 5, when the level of the input signal of the input terminal Pin changes, the level of the signal Pi and the level of the signal Ph change in the same manner. As shown in FIG. 5, there is a difference between the level of the signal Pi and the level of the signal Ph, and the signal Pi and the signal Ph are differential signals having unbalanced amplitudes. The imbalance in the present disclosure is defined as the phase difference is not constant regardless of the level of the input signal, or the amplitude is not output in proportion to the level of the input signal. On the other hand, balance is defined as the phase difference being constant regardless of the level of the input signal, and the amplitude being output in proportion to the level of the input signal.

図6は、入力端子Pinの入力信号のレベルと、信号Piと信号Phとの位相変化の関係を示す。図7は、入力端子Pinの入力信号のレベルと、信号Piと信号Phとの位相差との関係を示す。差動信号である信号Piと信号Phとは、位相差が180°であることが好ましい。図6および図7から理解できるように、信号Piと信号Phとの位相差は130°程度であり、信号Piと信号Phとの位相差は180°からずれている。 FIG. 6 shows the relationship between the level of the input signal of the input terminal Pin and the phase change between the signal Pi and the signal Ph. FIG. 7 shows the relationship between the level of the input signal of the input terminal Pin and the phase difference between the signal Pi and the signal Ph. The phase difference between the signal Pi and the signal Ph, which are differential signals, is preferably 180 °. As can be understood from FIGS. 6 and 7, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is about 130 °, and the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is deviated from 180 °.

図8は、出力端子Poutの信号のレベルと、電力増幅回路の利得との関係を示す。信号Piと信号Phとは出力整合側の位相差180°から同相への位相合成を行う差動トランス回路に対して180°からの位相ズレを有し、かつその出力がアンバランスな差動信号になっている。このため、2つに分かれた出力段トランジスタを各々最適負荷条件でドライブすることができず、差動アンプの出力段としては所望の飽和出力が出せない負荷動作状態となる。よって、図8に示すように、出力端子Poutの信号が25[dBm]を超えると利得が下降し始め、その後、利得が急激に下降する。したがって、図4に示す参考例の能動バラン回路10aは、2つに分かれた出力段トランジスタQ1、Q2を各々最適負荷条件でドライブすることはできない。しかしながら、図4に示す参考例の能動バラン回路10aを用いることにより、電力増幅回路としては、正常に動作する。 FIG. 8 shows the relationship between the signal level of the output terminal Pout and the gain of the power amplifier circuit. The signal Pi and the signal Ph have a phase shift from 180 ° with respect to the differential transformer circuit that performs phase synthesis from the phase difference of 180 ° on the output matching side to the same phase, and the output is an unbalanced differential signal. It has become. Therefore, the two output stage transistors cannot be driven under the optimum load conditions, and the output stage of the differential amplifier cannot output a desired saturated output, resulting in a load operation state. Therefore, as shown in FIG. 8, when the signal of the output terminal Pout exceeds 25 [dBm], the gain starts to decrease, and then the gain sharply decreases. Therefore, the active balun circuit 10a of the reference example shown in FIG. 4 cannot drive the two output stage transistors Q1 and Q2 under the optimum load conditions, respectively. However, by using the active balun circuit 10a of the reference example shown in FIG. 4, the power amplifier circuit operates normally.

[効果]
図2を参照して説明した能動バラン回路10aは、図1に示すバランBとは異なり、巻線の配線インダクタを用いたトランス回路を含まない。このため、能動バラン回路10aを電力増幅回路に採用することにより、半導体チップの面積が大きくなることを抑えることができる。
[effect]
The active balun circuit 10a described with reference to FIG. 2 does not include a transformer circuit using a winding wiring inductor, unlike the balun B shown in FIG. Therefore, by adopting the active balun circuit 10a in the power amplifier circuit, it is possible to suppress an increase in the area of the semiconductor chip.

(第2実施形態)
[回路構成]
図8は、他の能動バラン回路10bの例を示す図である。図8に示す能動バラン回路10bは、図4に示した能動バラン回路10aと比較して、回路要素30aを含んでいる。能動バラン回路10bは、巻線インダクタを含むバランではなく、トランジスタQ1、Q2および回路要素30aによって実現されるバランである。トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとの接続点は、回路要素30aの一端に接続されている。図4の回路構成とは異なり、回路要素30aは、インダクタL3によって構成されている。このため、トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとの接続点は、インダクタL3を介して基準電位に接続されている。
(Second Embodiment)
[Circuit configuration]
FIG. 8 is a diagram showing an example of another active balun circuit 10b. The active balun circuit 10b shown in FIG. 8 includes a circuit element 30a as compared with the active balun circuit 10a shown in FIG. The active balun circuit 10b is not a balun including a winding inductor, but a balun realized by transistors Q1 and Q2 and a circuit element 30a. The connection point between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 is connected to one end of the circuit element 30a. Unlike the circuit configuration of FIG. 4, the circuit element 30a is composed of the inductor L3. Therefore, the connection point between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 is connected to the reference potential via the inductor L3.

基本周波数において回路要素30aの基本波のインピーダンスが発振しない範囲において十分に大きくなるように、インダクタL3のインダクタンス値が選定される。半導体チップ内において回路要素30aを形成する場合、配線の長さなどを例えばマイクロメートル単位で調整できる。このため、基本波での必要なインピーダンスを容易に実現できる。例えば、基本周波数2GHzにおいて、インダクタL3のインダクタンス値は約5.13nHである。 The inductance value of the inductor L3 is selected so that the impedance of the fundamental wave of the circuit element 30a does not oscillate at the fundamental frequency. When the circuit element 30a is formed in the semiconductor chip, the length of the wiring and the like can be adjusted in units of micrometers, for example. Therefore, the required impedance in the fundamental wave can be easily realized. For example, at a fundamental frequency of 2 GHz, the inductance value of the inductor L3 is about 5.13 nH.

図10は、図9中の回路要素30aがインダクタL3である場合のインピーダンスの例を示すスミスチャートである。周波数を1.930GHzから1.950GHzまで変化させた場合、特性インピーダンス50Ωで正規化した規格化インピーダンス値(図10中の短い線)は、図10中の矢印Y2のように変化する。周波数が1.950GHzである点m2は、インピーダンスが516Ωであり、50Ωの約10倍の値となる。このため、インピーダンスが十分大きくみえるといえる。 FIG. 10 is a Smith chart showing an example of impedance when the circuit element 30a in FIG. 9 is an inductor L3. When the frequency is changed from 1.930 GHz to 1.950 GHz, the normalized impedance value (short line in FIG. 10) normalized by the characteristic impedance of 50 Ω changes as shown by the arrow Y2 in FIG. At the point m2 where the frequency is 1.950 GHz, the impedance is 516 Ω, which is about 10 times the value of 50 Ω. Therefore, it can be said that the impedance looks sufficiently large.

[動作]
図11から図14は、図9に示す能動バラン回路10bを用いた電力増幅回路の特性を示す図である。図11は、図9に示す能動バラン回路10bを図2の電力増幅回路に用いた場合に、図2中のノードN1、N2において得られる特性を示す図である。
[motion]
11 to 14 are diagrams showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit 10b shown in FIG. FIG. 11 is a diagram showing the characteristics obtained at the nodes N1 and N2 in FIG. 2 when the active balun circuit 10b shown in FIG. 9 is used in the power amplifier circuit of FIG.

図11は、入力端子Pinの入力信号のレベルに対する、ノードN1における信号Piのレベルと、ノードN2における信号Phのレベルとの関係を示す。図11において、入力端子Pinの入力信号のレベルが変化すると、信号Piのレベルと信号Phのレベルとは同じように変化する。信号Piと信号Phとは差動信号であるため、同じレベルであることが好ましい。図11を図5と比較すると、信号Piのレベルと信号Phのレベルとの差が少なく、信号Piと信号Phとの振幅がアンバランスな状態は改善している。これにより、差動信号の対称性を満足させることができる。 FIG. 11 shows the relationship between the level of the signal Pi at the node N1 and the level of the signal Ph at the node N2 with respect to the level of the input signal of the input terminal Pin. In FIG. 11, when the level of the input signal of the input terminal Pin changes, the level of the signal Pi and the level of the signal Ph change in the same manner. Since the signal Pi and the signal Ph are differential signals, they are preferably at the same level. Comparing FIG. 11 with FIG. 5, the difference between the signal Pi level and the signal Ph level is small, and the state in which the amplitudes of the signal Pi and the signal Ph are unbalanced is improved. Thereby, the symmetry of the differential signal can be satisfied.

図12は、入力端子Pinの入力信号のレベルと、信号Piと信号Phとの位相変化の関係を示す。図13は、入力端子Pinの入力信号のレベルと、信号Piと信号Phとの位相差との関係を示す。図12および図13から理解できるように、信号Piと信号Phとの位相差は180°に近い。このため、図6および図7の場合に比べて、信号Piと信号Phとの位相差は改善している。加えて、図4の構成の能動バランに比べて、図9の構成の能動バランは、入力信号の入力レベルが変化しても信号PiおよびPhの位相が同じように変化している。このため、位相差としては、入力信号が変化しても常に一定の位相差を実現することができ、その値も180°に近い位相差が保たれている。 FIG. 12 shows the relationship between the level of the input signal of the input terminal Pin and the phase change between the signal Pi and the signal Ph. FIG. 13 shows the relationship between the level of the input signal of the input terminal Pin and the phase difference between the signal Pi and the signal Ph. As can be understood from FIGS. 12 and 13, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is close to 180 °. Therefore, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is improved as compared with the cases of FIGS. 6 and 7. In addition, as compared with the active balun of the configuration of FIG. 4, the active balun of the configuration of FIG. 9 changes the phases of the signals Pi and Ph in the same manner even if the input level of the input signal changes. Therefore, as the phase difference, a constant phase difference can always be realized even if the input signal changes, and the value of the phase difference is also maintained at a phase difference close to 180 °.

図14は、出力端子Poutの信号のレベルと、電力増幅回路の利得との関係を示す。図14に示すように、出力端子Poutの信号が20[dBm]を超えると利得が下降し始め、その後、利得が急激に下降する。後述する第3実施形態によれば、この利得の急激な下降を改善できる。 FIG. 14 shows the relationship between the signal level of the output terminal Pout and the gain of the power amplifier circuit. As shown in FIG. 14, when the signal of the output terminal Pout exceeds 20 [dBm], the gain starts to decrease, and then the gain sharply decreases. According to the third embodiment described later, this sharp drop in gain can be improved.

図11を参照して説明したように信号Piと信号Phとの振幅がアンバランスな状態は改善し、かつ、図12および図13を参照して説明したように信号Piと信号Phとの位相差は改善している。 The state in which the amplitudes of the signal Pi and the signal Ph are unbalanced as described with reference to FIG. 11 is improved, and the position of the signal Pi and the signal Ph is improved as described with reference to FIGS. 12 and 13. The phase difference is improving.

[効果]
能動バラン回路10bは、図1に示すバランBとは異なり、巻線の配線インダクタを用いたトランス回路を含まない。また、能動バラン回路10bに用いる配線インダクタの面積は、複雑な配線トランス回路の組み合わせで構成されるバランBの面積と比較しても、遥かに小型に形成できる。このため、能動バラン回路10bを電力増幅回路に採用することにより、半導体チップの面積が大きくなることを抑えることができる。
[effect]
Unlike the balun B shown in FIG. 1, the active balun circuit 10b does not include a transformer circuit using a winding wiring inductor. Further, the area of the wiring inductor used in the active balun circuit 10b can be formed to be much smaller than the area of the balun B composed of a combination of complicated wiring transformer circuits. Therefore, by adopting the active balun circuit 10b in the power amplifier circuit, it is possible to suppress an increase in the area of the semiconductor chip.

また、半導体チップにバランを形成する場合、バランを形成するための配線層数、誘電体膜厚等にはプロセス上の一定の制約があり、高性能なバランを形成するためには、マスク枚数等の増加に伴うプロセスコスト上昇を招く可能性がある。この点に関して、能動バラン回路10bによれば、コスト上昇を防止できる。さらに、能動バラン回路10bは、能動バラン回路10aの場合と比較して、出力する差動信号のレベル差を少なくし、かつ、差動信号の位相差を改善できる。 Further, when forming a balun on a semiconductor chip, there are certain process restrictions on the number of wiring layers for forming the balun, the dielectric film thickness, etc., and the number of masks is required to form a high-performance balun. There is a possibility that the process cost will increase due to the increase in such factors. In this regard, according to the active balun circuit 10b, it is possible to prevent an increase in cost. Further, the active balun circuit 10b can reduce the level difference of the output differential signal and improve the phase difference of the differential signal as compared with the case of the active balun circuit 10a.

(第3実施形態)
[回路構成]
図15は、能動バラン回路10cの例を示す図である。図15に示す能動バラン回路10cは、回路要素30bを含んでいる。能動バラン回路10cは、巻線インダクタを含むバランではなく、トランジスタQ1、Q2および回路要素30bによって実現されるバランである。トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとの接続点は、回路要素30bの一端に接続されている。第1実施形態、第2実施形態とは異なり、回路要素30bは、インダクタL3とキャパシタC3とから構成されている。インダクタL3とキャパシタC3とは、トランジスタQ1のエミッタおよびトランジスタQ2のエミッタと基準電位との間に並列に接続されている。インダクタL3とキャパシタC3とで並列共振回路(タンク回路)を形成している。この並列共振回路の共振周波数を特定の周波数に設定し、トランジスタのエミッタインピーダンスを所望の大きさに設定するようにインダクタンス値、キャパシタンス値を適宜決めることができる。
(Third Embodiment)
[Circuit configuration]
FIG. 15 is a diagram showing an example of the active balun circuit 10c. The active balun circuit 10c shown in FIG. 15 includes a circuit element 30b. The active balun circuit 10c is not a balun including a winding inductor, but a balun realized by transistors Q1 and Q2 and circuit elements 30b. The connection point between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 is connected to one end of the circuit element 30b. Unlike the first embodiment and the second embodiment, the circuit element 30b is composed of the inductor L3 and the capacitor C3. The inductor L3 and the capacitor C3 are connected in parallel between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 and the reference potential. A parallel resonance circuit (tank circuit) is formed by the inductor L3 and the capacitor C3. The resonance frequency of this parallel resonant circuit can be set to a specific frequency, and the inductance value and the capacitance value can be appropriately determined so as to set the emitter impedance of the transistor to a desired size.

インダクタL3とキャパシタC3との並列回路の共振により、回路要素30bの特性インピーダンスは基本周波数において無限大になる。半導体チップ内において回路要素30bを形成する場合、配線の長さなどを例えばナノメートル単位で調整できる。このため、必要な特性インピーダンスを容易に実現できる。例えば、基本周波数2GHzにおいて、インダクタL3のインダクタンス値は約0.98nH、キャパシタC3の容量値は約6pFである。上記の値を設定することで、共振周波数は2GHzとなり、理想的な2GHzにおいて、十分大きいインピーダンスとして見える。ここで述べる十分大きいインピーダンスとは、規格化インピーダンスで考えた場合、規格化インピーダンスの10倍以上のインピーダンスと定義する。つまり、回路要素30bがインダクタL3とキャパシタC3とから構成される場合においても、図10を参照して説明したインピーダンスの例と同様に、インピーダンスが十分大きくみえるといえる。 Due to the resonance of the parallel circuit of the inductor L3 and the capacitor C3, the characteristic impedance of the circuit element 30b becomes infinite at the fundamental frequency. When the circuit element 30b is formed in the semiconductor chip, the length of the wiring and the like can be adjusted in units of nanometers, for example. Therefore, the required characteristic impedance can be easily realized. For example, at a fundamental frequency of 2 GHz, the inductance value of the inductor L3 is about 0.98 nH, and the capacitance value of the capacitor C3 is about 6 pF. By setting the above value, the resonance frequency becomes 2 GHz, and it appears as a sufficiently large impedance at the ideal 2 GHz. The sufficiently large impedance described here is defined as an impedance that is 10 times or more the standardized impedance when considered as a standardized impedance. That is, even when the circuit element 30b is composed of the inductor L3 and the capacitor C3, it can be said that the impedance looks sufficiently large as in the example of the impedance described with reference to FIG.

[動作]
図16から図19は、図15に示す能動バラン回路10cを用いた電力増幅回路の特性を示す図である。図16は、図15に示す能動バラン回路10cを図2の電力増幅回路に用いた場合に、図2中のノードN1、N2において得られる特性を示す図である。
[motion]
16 to 19 are diagrams showing the characteristics of the power amplifier circuit using the active balun circuit 10c shown in FIG. FIG. 16 is a diagram showing characteristics obtained at nodes N1 and N2 in FIG. 2 when the active balun circuit 10c shown in FIG. 15 is used in the power amplifier circuit of FIG.

図16は、入力端子Pinの入力信号のレベルに対する、ノードN1における信号Piのレベルと、ノードN2における信号Phのレベルとの関係を示す。図16において、入力端子Pinの入力信号のレベルが変化すると、信号Piのレベルと信号Phのレベルとは同じように変化する。信号Piのレベルと信号Phのレベルとの差が非常に少ないため、信号Piと信号Phとの振幅がアンバランスな状態は改善している。これにより、差動信号の対称性を満足させることができる。 FIG. 16 shows the relationship between the level of the signal Pi at the node N1 and the level of the signal Ph at the node N2 with respect to the level of the input signal of the input terminal Pin. In FIG. 16, when the level of the input signal of the input terminal Pin changes, the level of the signal Pi and the level of the signal Ph change in the same manner. Since the difference between the signal Pi level and the signal Ph level is very small, the state in which the amplitudes of the signal Pi and the signal Ph are unbalanced is improved. Thereby, the symmetry of the differential signal can be satisfied.

図17は、入力端子Pinの入力信号のレベルと、信号Piと信号Phとの位相変化の関係を示す。図18は、入力端子Pinの入力信号のレベルと、信号Piと信号Phとの位相差との関係を示す。図17および図18から理解できるように、入力信号の信号レベルの変化に対して、信号Piと信号Phとが同じように変化していることから、信号Piと信号Phとの位相差は180°に非常に近い。このため、信号Piと信号Phとの位相差はさらに改善している。 FIG. 17 shows the relationship between the level of the input signal of the input terminal Pin and the phase change between the signal Pi and the signal Ph. FIG. 18 shows the relationship between the level of the input signal of the input terminal Pin and the phase difference between the signal Pi and the signal Ph. As can be understood from FIGS. 17 and 18, since the signal Pi and the signal Ph change in the same manner with respect to the change in the signal level of the input signal, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is 180. Very close to °. Therefore, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is further improved.

図19は、出力端子Poutの信号のレベルと、電力増幅回路の利得との関係を示す。図19に示すように、出力端子Poutの信号のレベルが30(dBm)であっても利得はほとんど下降せず、良好な特性が得られている。図17および図18を参照して説明したように、信号Piと信号Phとの位相差は180°に近い状態が保たれ、かつ両者の信号レベルもほぼ同等である。このため、後続の2つに分かれた出力段トランジスタを各々最適な負荷条件でドライブすることができる。結果として2段構成の全体の差動アンプとしては、図19に示すように、理想的な負荷条件での動作となっている。 FIG. 19 shows the relationship between the signal level of the output terminal Pout and the gain of the power amplifier circuit. As shown in FIG. 19, even when the signal level of the output terminal Pout is 30 (dBm), the gain hardly decreases, and good characteristics are obtained. As described with reference to FIGS. 17 and 18, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is maintained at a state close to 180 °, and the signal levels of both are almost the same. Therefore, the subsequent two output stage transistors can be driven under optimum load conditions. As a result, as shown in FIG. 19, the entire differential amplifier having a two-stage configuration operates under ideal load conditions.

この点に関して、第2実施形態の場合と比較して説明する。第2実施形態においては、図14に示すように、回路要素30aのインダクタL3の抵抗成分により、利得が急激に下降する。すなわち、第2実施形態においては、図12および図13を参照して説明したように信号Piと信号Phとの位相差は改善している。しかしながら、インダクタL3は所望のインダクタ値が大きいため、配線の長さの増加に伴う抵抗成分も非常に大きく、ドライブ段トランジスタのエミッタ抵抗増加を招き、図5と図11の入出力特性の比較からもわかるように、ドライブ段自体の利得が大きく低下してしまう弊害を有する。よって、出力段のトランジスタを十分ドライブすることができず、アンプ全体としての利得は、図14に示すように、回路要素30aのインダクタL3の抵抗成分により、利得が急激に下降する。これに対し、第3実施形態においては、図19に示すように、出力端子Poutの信号のレベルが30(dBm)であっても利得はほとんど下降せず、良好な特性が得られる。 This point will be described in comparison with the case of the second embodiment. In the second embodiment, as shown in FIG. 14, the gain drops sharply due to the resistance component of the inductor L3 of the circuit element 30a. That is, in the second embodiment, the phase difference between the signal Pi and the signal Ph is improved as described with reference to FIGS. 12 and 13. However, since the inductor L3 has a large desired inductor value, the resistance component also becomes very large as the wiring length increases, which causes an increase in the emitter resistance of the drive stage transistor, and from the comparison of the input / output characteristics of FIGS. 5 and 11. As can be seen, there is an adverse effect that the gain of the drive stage itself is greatly reduced. Therefore, the transistor in the output stage cannot be sufficiently driven, and the gain of the amplifier as a whole drops sharply due to the resistance component of the inductor L3 of the circuit element 30a, as shown in FIG. On the other hand, in the third embodiment, as shown in FIG. 19, even if the signal level of the output terminal Pout is 30 (dBm), the gain hardly decreases and good characteristics can be obtained.

[効果]
能動バラン回路10cは、図1に示すバランBとは異なり、巻線の配線インダクタを用いたトランス回路を含まない。このため、能動バラン回路10cを電力増幅回路に採用することにより、半導体チップの面積が大きくなることを抑えることができる。さらに、能動バラン回路10bに比較して出力する差動信号のレベル差を少なくし、かつ、差動信号の位相差を改善でき、良好な利得特性を得ることができる。配線インダクタのみの構成に比較して、LCタンク回路は、インダクタとキャパシタとの組み合わせによって、面積を小さくすることができる。このため、能動バラン回路10cを用いることにより、回路を小型化できる。
[effect]
Unlike the balun B shown in FIG. 1, the active balun circuit 10c does not include a transformer circuit using a winding wiring inductor. Therefore, by adopting the active balun circuit 10c in the power amplifier circuit, it is possible to suppress an increase in the area of the semiconductor chip. Further, the level difference of the output differential signal can be reduced as compared with the active balun circuit 10b, the phase difference of the differential signal can be improved, and good gain characteristics can be obtained. The area of the LC tank circuit can be reduced by the combination of the inductor and the capacitor as compared with the configuration of only the wiring inductor. Therefore, the circuit can be miniaturized by using the active balun circuit 10c.

以上説明した能動バラン回路についての変形例を以下に説明する。 A modified example of the active balun circuit described above will be described below.

(変形例1)
図20は、図2に示す電力増幅回路の変形例を示す図である。図20において、能動バラン回路10dの回路要素30bは、図15に示した能動バラン回路10cと同様に、インダクタL3とキャパシタC3とから構成されている。インダクタL3とキャパシタC3とは、トランジスタQ1のエミッタおよびトランジスタQ2のエミッタと基準電位との間に並列に接続されている。インダクタL3とキャパシタC3との並列回路の共振により、回路要素30bのインピーダンスは基本周波数において大きく設定可能になる。
(Modification example 1)
FIG. 20 is a diagram showing a modified example of the power amplifier circuit shown in FIG. In FIG. 20, the circuit element 30b of the active balun circuit 10d is composed of an inductor L3 and a capacitor C3, similarly to the active balun circuit 10c shown in FIG. The inductor L3 and the capacitor C3 are connected in parallel between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 and the reference potential. Due to the resonance of the parallel circuit of the inductor L3 and the capacitor C3, the impedance of the circuit element 30b can be greatly set at the fundamental frequency.

また、本例の電力増幅回路の能動バラン回路10dは、伝送線路トランス(Transmission Line Transformer)T1およびT2を備えている。伝送線路トランスT1およびT2は、一対の増幅器11および12による最終段とその前段との間、すなわち段間の伝送路110、120に設けられている。すなわち、伝送線路トランスT1、T2は、一対の差動信号の伝送路110、120に設けられている。伝送線路トランスT1およびT2は、伝送線路で発生する磁界をトランスとして働かせ、インピーダンス変換機能を持つ整合回路としての役割を有する。図1に示した、巻線を含むバランBを採用しないことによって半導体チップのレイアウトに余裕が生じるため、伝送線路トランスT1およびT2を半導体チップに設けることができる。 Further, the active balun circuit 10d of the power amplifier circuit of this example includes transmission line transformers T1 and T2. The transmission line transformers T1 and T2 are provided between the final stage and the previous stage of the pair of amplifiers 11 and 12, that is, in the transmission lines 110 and 120 between the stages. That is, the transmission line transformers T1 and T2 are provided in the transmission lines 110 and 120 of the pair of differential signals. The transmission line transformers T1 and T2 act as a transformer by using a magnetic field generated in the transmission line, and have a role as a matching circuit having an impedance conversion function. Since the layout of the semiconductor chip has a margin by not adopting the balun B including the winding shown in FIG. 1, the transmission line transformers T1 and T2 can be provided on the semiconductor chip.

伝送線路トランスT1は、配線511および512によって構成されている。配線511は、トランジスタQ1のコレクタと増幅器11との間に、直列に接続されている。配線512と配線511とは、互いに隣接して配置されている。配線512の一端は配線511の一端に接続され、配線512の他端は電源電圧Vccに接続されている。なお、キャパシタC41は、バイパスコンデンサとして機能する。 The transmission line transformer T1 is composed of wirings 511 and 512. The wiring 511 is connected in series between the collector of the transistor Q1 and the amplifier 11. Wiring 512 and wiring 511 are arranged adjacent to each other. One end of the wiring 512 is connected to one end of the wiring 511, and the other end of the wiring 512 is connected to the power supply voltage Vcc. The capacitor C41 functions as a bypass capacitor.

伝送線路トランスT2は、配線521および522によって構成されている。配線521は、トランジスタQ2のコレクタと増幅器12との間に、直列に接続されている。配線522と配線521とは、互いに隣接して配置されている。配線522の一端は配線521の一端に接続され、配線522の他端は電源電圧Vccに接続されている。なお、キャパシタC42は、バイパスコンデンサとして機能する。 The transmission line transformer T2 is composed of wirings 521 and 522. The wiring 521 is connected in series between the collector of the transistor Q2 and the amplifier 12. The wiring 522 and the wiring 521 are arranged adjacent to each other. One end of the wiring 522 is connected to one end of the wiring 521, and the other end of the wiring 522 is connected to the power supply voltage Vcc. The capacitor C42 functions as a bypass capacitor.

一般に、電力増幅回路に伝送線路トランスT1およびT2を組合せることにより、トランジスタQ1およびQ2と増幅器11および12との周波数の広帯域かつ低損失なインピーダンス整合を容易に実現できる。これにより、より広い周波数帯域を有し、かつ、高い利得特性を有する高性能な電力増幅回路を実現できる。なお、上記は段間の伝送路110、120に伝送線路トランスT1、T2を設けた構成としたが、出力段トランジスタの後の出力整合側に伝送線路トランスとバランとを設けた構成としてもよい。 In general, by combining the transmission line transformers T1 and T2 with the power amplifier circuit, wideband and low loss impedance matching of the frequencies of the transistors Q1 and Q2 and the amplifiers 11 and 12 can be easily realized. This makes it possible to realize a high-performance power amplifier circuit having a wider frequency band and high gain characteristics. In the above, the transmission line transformers T1 and T2 are provided on the transmission lines 110 and 120 between the stages, but a transmission line transformer and a balun may be provided on the output matching side after the output stage transistor. ..

(変形例2)
図21は、本開示の能動バラン回路を有する半導体チップを含む電力増幅モジュールの例を示す図である。図21に示す電力増幅モジュールにおいて、半導体チップ100は、本開示の能動バラン回路を有する。ただし、能動バラン回路の構成要素のうち、回路要素30は、下記に説明するように、多層基板200に形成される。図21は、各層の構成を模式的に示す。
(Modification 2)
FIG. 21 is a diagram showing an example of a power amplification module including a semiconductor chip having the active balun circuit of the present disclosure. In the power amplification module shown in FIG. 21, the semiconductor chip 100 has the active balun circuit of the present disclosure. However, among the components of the active balun circuit, the circuit element 30 is formed on the multilayer board 200 as described below. FIG. 21 schematically shows the configuration of each layer.

図21に示すように、半導体チップ100は、能動バラン回路が形成された能動バラン領域ABと、増幅回路が形成された増幅回路領域PSとを有する。また、半導体チップ100は、バンプ101a、101bを有する。バンプ101a、101bは、例えば、CPB(Copper Pillar Bump)であるが、これに限定されない。 As shown in FIG. 21, the semiconductor chip 100 has an active balun region AB in which an active balun circuit is formed and an amplifier circuit region PS in which an amplifier circuit is formed. Further, the semiconductor chip 100 has bumps 101a and 101b. Bumps 101a and 101b are, for example, CPB (Copper Pillar Bump), but are not limited thereto.

また、多層基板200は、誘電体層201、202、203を有する。誘電体層201は、バンプ101a、101bに対応する位置に設けられた電極211、212を有する。半導体チップ100は、バンプ101a、101bによって、対応する電極211、212に電気的に接続されている。電極212には、誘電体層201、202、203を貫通するビア215a、215bおよび215cが接続されている。 Further, the multilayer substrate 200 has dielectric layers 201, 202 and 203. The dielectric layer 201 has electrodes 211 and 212 provided at positions corresponding to the bumps 101a and 101b. The semiconductor chip 100 is electrically connected to the corresponding electrodes 211 and 212 by bumps 101a and 101b. Vias 215a, 215b and 215c penetrating the dielectric layers 201, 202 and 203 are connected to the electrode 212.

誘電体層202は、電極211の一部分と対向する位置に電極213を有する。電極211と電極213とは誘電体層201を介して対向しており、これらはキャパシタC3として機能する。電極213には、誘電体層202および203を貫通するビア214aが接続されている。また、電極211には、誘電体層201、202および203を貫通するビア214bが接続されている。ビア214bは、高周波帯域においてインダクタL3として機能する。インダクタL3は、ビア214bに限られず、ビア214bに接続される導電性の配線で形成してもよい。 The dielectric layer 202 has an electrode 213 at a position facing a part of the electrode 211. The electrode 211 and the electrode 213 face each other via the dielectric layer 201, and these function as a capacitor C3. Via 214a penetrating the dielectric layers 202 and 203 is connected to the electrode 213. Further, vias 214b penetrating the dielectric layers 201, 202 and 203 are connected to the electrode 211. The via 214b functions as the inductor L3 in the high frequency band. The inductor L3 is not limited to the via 214b, and may be formed by conductive wiring connected to the via 214b.

以上の構成により、半導体チップ100が多層基板200に電気的に接続される。そして、能動バラン回路に回路要素30を設ける代わりに、多層基板200によって回路要素30が構成される。このとき、半導体チップ100は、能動バラン回路のうち、回路要素30を除く部分を含んでおり、多層基板200は、インダクタL3およびキャパシタC3を含む回路要素30を構成している。すなわち、多層基板200は能動バラン回路の構成要素の1つである回路要素30を有しており、能動バラン回路において必要な回路要素30を能動バラン回路の外部に設けることができる。これにより、半導体チップ100を小さくすることができる。なお、本例においても、例えば図10と同様に、回路要素30のインピーダンスは、基本周波数において十分大きくみえる。 With the above configuration, the semiconductor chip 100 is electrically connected to the multilayer substrate 200. Then, instead of providing the circuit element 30 in the active balun circuit, the circuit element 30 is configured by the multilayer board 200. At this time, the semiconductor chip 100 includes a portion of the active balun circuit excluding the circuit element 30, and the multilayer substrate 200 constitutes the circuit element 30 including the inductor L3 and the capacitor C3. That is, the multilayer board 200 has a circuit element 30 which is one of the constituent elements of the active balun circuit, and the circuit element 30 necessary for the active balun circuit can be provided outside the active balun circuit. As a result, the semiconductor chip 100 can be made smaller. In this example as well, for example, as in FIG. 10, the impedance of the circuit element 30 seems to be sufficiently large at the fundamental frequency.

(変形例3)
図22は、本開示の能動バラン回路を有する半導体チップを含む他の電力増幅モジュールの例を示す図である。図22に示す電力増幅モジュールにおいて、半導体チップ300は、本開示の能動バラン回路を有する。ただし、能動バラン回路の構成要素のうち、回路要素30は、下記に説明するように、多層基板200に形成される。図22は、各層の構成を模式的に示す。
(Modification example 3)
FIG. 22 is a diagram showing an example of another power amplification module including a semiconductor chip having the active balun circuit of the present disclosure. In the power amplification module shown in FIG. 22, the semiconductor chip 300 has the active balun circuit of the present disclosure. However, among the components of the active balun circuit, the circuit element 30 is formed on the multilayer board 200 as described below. FIG. 22 schematically shows the configuration of each layer.

図22に示すように、半導体チップ300は、能動バラン回路が形成された能動バラン領域ABと、出力段の増幅回路が形成された増幅回路領域PSとを有する。また、半導体チップ300は、電極216、217、218を有する。電極218は、半導体チップ300を貫通するビア219aおよび219bによって、半導体チップ300の裏面に形成された電極216に電気的に接続されている。電極216は、ビア215a、215bおよび215cに電気的に接続されている。出力段のトランジスタは一般に大きな電力を扱うため、ビア215a、215bおよび215cは排熱効果を有するサーマルビアとしての役割も果たす。電極217は、ボンディングワイヤW1によって、誘電体層201の表面上に形成された電極211に電気的に接続されている。電極218は、ボンディングワイヤW2によって、誘電体層201の表面上に形成された電極212aに電気的に接続されている。 As shown in FIG. 22, the semiconductor chip 300 has an active balun region AB in which an active balun circuit is formed and an amplifier circuit region PS in which an amplifier circuit of an output stage is formed. Further, the semiconductor chip 300 has electrodes 216, 217, and 218. The electrode 218 is electrically connected to the electrode 216 formed on the back surface of the semiconductor chip 300 by vias 219a and 219b penetrating the semiconductor chip 300. Electrodes 216 are electrically connected to vias 215a, 215b and 215c. Since the transistor in the output stage generally handles a large amount of electric power, the vias 215a, 215b, and 215c also serve as thermal vias having a heat exhausting effect. The electrode 217 is electrically connected to the electrode 211 formed on the surface of the dielectric layer 201 by the bonding wire W1. The electrode 218 is electrically connected to the electrode 212a formed on the surface of the dielectric layer 201 by the bonding wire W2.

図21の場合と同様に、電極211は、誘電体層201を介して電極213と対向しており、これらはキャパシタC3として機能する。また、図21の場合と同様に、電極211には、ビア214bが接続されている。ビア214bは、高周波帯域においてインダクタL3として機能する。 Similar to the case of FIG. 21, the electrode 211 faces the electrode 213 via the dielectric layer 201, and these function as the capacitor C3. Further, as in the case of FIG. 21, the via 214b is connected to the electrode 211. The via 214b functions as the inductor L3 in the high frequency band.

以上の構成により、半導体チップ300が多層基板200に電気的に接続される。そして、能動バラン回路に回路要素30を設ける代わりに、多層基板200によって構成される。このとき、半導体チップ300は、能動バラン回路のうち、回路要素30を除く部分を含んでおり、多層基板200は、インダクタL3およびキャパシタC3を含む回路要素30を構成している。すなわち、多層基板200は能動バラン回路の構成要素の1つである回路要素30を有しており、能動バラン回路において必要な回路要素30を能動バラン回路の外部に設けることができる。これにより、半導体チップ300を小さくすることができる。また、半導体チップ300に比較して多層基板200の作成工数は短いので、設計期間を短縮できる。また、ボンディングワイヤの併用や搭載位置の調整等によって特性を微調整できる。なお、本例においても、例えば図10と同様に、回路要素30のインピーダンスは、基本周波数において十分大きくみえる。 With the above configuration, the semiconductor chip 300 is electrically connected to the multilayer substrate 200. Then, instead of providing the circuit element 30 in the active balun circuit, it is composed of the multilayer board 200. At this time, the semiconductor chip 300 includes a portion of the active balun circuit excluding the circuit element 30, and the multilayer board 200 constitutes the circuit element 30 including the inductor L3 and the capacitor C3. That is, the multilayer board 200 has a circuit element 30 which is one of the constituent elements of the active balun circuit, and the circuit element 30 necessary for the active balun circuit can be provided outside the active balun circuit. As a result, the semiconductor chip 300 can be made smaller. Further, since the man-hours for producing the multilayer substrate 200 are shorter than those of the semiconductor chip 300, the design period can be shortened. In addition, the characteristics can be finely adjusted by using bonding wires together or adjusting the mounting position. In this example as well, for example, as in FIG. 10, the impedance of the circuit element 30 seems to be sufficiently large at the fundamental frequency.

(変形例4)
上述した第2実施形態、第3実施形態においては、集中定数回路としての回路要素30a、30bを用いている。本開示は、集中定数回路に限定されず、分布定数回路としての回路要素を用いてもよい。例えば、図4中のトランジスタQ1およびトランジスタQ2のエミッタ同士の接続点から基準電位までの間に所定距離の配線30hが存在する。寄生配線容量および寄生配線インダクタンスを考慮すると、配線30hによって分布定数回路が形成されていると考えることができる。したがって、配線30hは所定の特性インピーダンスを有する分布定数回路と考えることができる。このため、集中定数回路としての回路要素30a、30bを用いる代わりに、基本周波数によっては、エミッタ同士の接続点から基準電位までの間の配線によって高いインピーダンスを実現することができる。基本周波数の波長をλとすると、配線30hはλ/4の長さであることが好ましい。つまり、基本周波数において、1/4波長の長さの配線30hを回路要素として設けておく。なお、半導体基板の比誘電率による波長短縮効果があるため、自由空間での1/4波長ではなく、電気長としての1/4波長である。例えば、基本周波数が30GHzから650MHzである場合に、λ/4は約0.7[mm]から約58[mm]である。なお、配線30hの長さは、1/4波長に限らず、n/4波長(nは、3以上の奇数)であってもよい。
(Modification example 4)
In the second and third embodiments described above, circuit elements 30a and 30b as lumped constant circuits are used. The present disclosure is not limited to a lumped constant circuit, and circuit elements as a distributed constant circuit may be used. For example, there is a wiring 30h of a predetermined distance between the connection point between the emitters of the transistor Q1 and the transistor Q2 in FIG. 4 and the reference potential. Considering the parasitic wiring capacitance and the parasitic wiring inductance, it can be considered that the distributed constant circuit is formed by the wiring 30h. Therefore, the wiring 30h can be considered as a distributed constant circuit having a predetermined characteristic impedance. Therefore, instead of using the circuit elements 30a and 30b as the lumped constant circuit, high impedance can be realized by wiring between the connection points of the emitters and the reference potential depending on the fundamental frequency. Assuming that the wavelength of the fundamental frequency is λ, the wiring 30h preferably has a length of λ / 4. That is, at the fundamental frequency, a wiring 30h having a length of 1/4 wavelength is provided as a circuit element. Since there is a wavelength shortening effect due to the relative permittivity of the semiconductor substrate, the wavelength is not 1/4 wavelength in free space but 1/4 wavelength as the electric length. For example, when the fundamental frequency is from 30 GHz to 650 MHz, λ / 4 is from about 0.7 [mm] to about 58 [mm]. The length of the wiring 30h is not limited to 1/4 wavelength, and may be n / 4 wavelength (n is an odd number of 3 or more).

図23は、分布定数回路を用いた能動バラン回路の等価回路の例を示す図である。図23において、トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のエミッタとの接続点と基準電位との間に、分布定数回路としての配線による回路要素30cが存在する。回路要素30cのインピーダンスは、基本周波数において十分大きくみえる。図23に示す能動バラン回路10eは、巻線インダクタを含むバランではなく、トランジスタQ1、Q2および回路要素30cによって実現されるバランである。 FIG. 23 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of an active balun circuit using a distributed constant circuit. In FIG. 23, a circuit element 30c by wiring as a distributed constant circuit exists between the connection point between the emitter of the transistor Q1 and the emitter of the transistor Q2 and the reference potential. The impedance of the circuit element 30c appears large enough at the fundamental frequency. The active balun circuit 10e shown in FIG. 23 is not a balun including a winding inductor, but a balun realized by transistors Q1 and Q2 and a circuit element 30c.

以上のように、本開示の能動バラン回路を用いることにより、半導体チップを小さくすることができ、かつ、差動信号の対称性を満足させることができる。 As described above, by using the active balun circuit of the present disclosure, the semiconductor chip can be made smaller and the symmetry of the differential signal can be satisfied.

10、10a、10b、10c、10d、10e 能動バラン回路
11、12、13 増幅器
30、30a、30b、30c 回路要素
41、42 配線
100 半導体チップ
Pin 入力端子
Pout 出力端子
Q1 トランジスタ
Q2 トランジスタ
T1、T2 伝送線路トランス
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e Active balun circuit 11, 12, 13 Amplifier 30, 30a, 30b, 30c Circuit element 41, 42 Wiring 100 Semiconductor chip Pin Input terminal Pout Output terminal Q1 Transistor Q2 Transistor T1, T2 Transmission Line transformer

Claims (10)

第1トランジスタおよび第2トランジスタと、入力信号の特定の周波数におけるインピーダンスが、他の周波数におけるインピーダンスより十分大きくみえる回路要素とを含み、前記入力信号に対応する一対の差動信号を前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタから出力する、能動バラン回路。 The first transistor includes a first transistor and a second transistor, and a circuit element in which the impedance of the input signal at a specific frequency appears to be sufficiently larger than the impedance at another frequency, and a pair of differential signals corresponding to the input signal is the first transistor. And an active balun circuit that outputs from the second transistor. 前記回路要素を介して基準電位に接続された第1端子と、入力端子に接続された第2端子と、電源電圧端子に接続された第3端子とを備えた前記第1トランジスタと、
前記回路要素を介して基準電位に接続された第1端子と、基準電位に接続された第2端子と、前記電源電圧端子に接続された第3端子とを備えた前記第2トランジスタと、
を備え、
前記第1トランジスタの第3端子と前記第2トランジスタの第3端子とから、前記一対の差動信号を出力する、請求項1に記載の能動バラン回路。
The first transistor including a first terminal connected to a reference potential via the circuit element, a second terminal connected to an input terminal, and a third terminal connected to a power supply voltage terminal.
The second transistor including a first terminal connected to a reference potential via the circuit element, a second terminal connected to the reference potential, and a third terminal connected to the power supply voltage terminal.
With
The active balun circuit according to claim 1, wherein the pair of differential signals are output from the third terminal of the first transistor and the third terminal of the second transistor.
前記第1トランジスタの第1端子はエミッタであり、
前記第1トランジスタの第2端子はベースであり、
前記第1トランジスタの第3端子はコレクタであり、
前記第2トランジスタの第1端子はエミッタであり、
前記第2トランジスタの第2端子はベースであり、
前記第2トランジスタの第3端子はコレクタである、
請求項2に記載の能動バラン回路。
The first terminal of the first transistor is an emitter and
The second terminal of the first transistor is a base and
The third terminal of the first transistor is a collector.
The first terminal of the second transistor is an emitter and
The second terminal of the second transistor is a base and
The third terminal of the second transistor is a collector.
The active balun circuit according to claim 2.
前記回路要素は、一端が前記第1トランジスタの第1端子と前記第2トランジスタの第1端子との接続点に接続され、他端が前記基準電位に接続されたインダクタを含む請求項2または請求項3に記載の能動バラン回路。 Claim 2 or claim that the circuit element includes an inductor in which one end is connected to a connection point between the first terminal of the first transistor and the first terminal of the second transistor and the other end is connected to the reference potential. Item 3. The active balun circuit according to item 3. 前記回路要素は、一端が前記第1トランジスタの第1端子と前記第2トランジスタの第1端子との接続点に接続され、他端が前記基準電位に接続されたインダクタと、前記インダクタに対して並列に接続されたキャパシタとを含む請求項2または請求項3に記載の能動バラン回路。 One end of the circuit element is connected to a connection point between the first terminal of the first transistor and the first terminal of the second transistor, and the other end is connected to the reference potential with respect to the inductor and the inductor. The active balun circuit according to claim 2 or 3, which includes a capacitor connected in parallel. 前記回路要素は、前記入力端子への入力信号の基本周波数の1/4波長の配線を有する請求項2または請求項3に記載の能動バラン回路。 The active balun circuit according to claim 2 or 3, wherein the circuit element has wiring having a wavelength of 1/4 of the fundamental frequency of the input signal to the input terminal. 回路要素を介して基準電位に接続された第1端子と、入力端子に接続された第2端子と、電源電圧端子に接続された第3端子とを備えた第1トランジスタと、
前記回路要素を介して基準電位に接続された第1端子と、前記基準電位に接続された第2端子と、前記電源電圧端子に接続された第3端子とを備えた第2トランジスタと、
を備え、
前記第1トランジスタの第1端子はソースまたはドレインであり、
前記第1トランジスタの第2端子はゲートであり、
前記第1トランジスタの第3端子はドレインまたはソースであり、
前記第2トランジスタの第1端子はソースまたはドレインであり、
前記第2トランジスタの第2端子はゲートであり、
前記第2トランジスタの第3端子はドレインまたはソースであり、
前記第1トランジスタの第3端子と前記第2トランジスタの第3端子とから、一対の差動信号を出力する、
能動バラン回路。
A first transistor having a first terminal connected to a reference potential via a circuit element, a second terminal connected to an input terminal, and a third terminal connected to a power supply voltage terminal.
A second transistor including a first terminal connected to a reference potential via the circuit element, a second terminal connected to the reference potential, and a third terminal connected to the power supply voltage terminal.
With
The first terminal of the first transistor is a source or a drain.
The second terminal of the first transistor is a gate and
The third terminal of the first transistor is a drain or a source.
The first terminal of the second transistor is a source or drain,
The second terminal of the second transistor is a gate and
The third terminal of the second transistor is a drain or a source.
A pair of differential signals are output from the third terminal of the first transistor and the third terminal of the second transistor.
Active balun circuit.
請求項1から請求項7のいずれか1つに記載の能動バラン回路と、
前記一対の差動信号を入力とする一対の増幅器と、
を含む
電力増幅回路。
The active balun circuit according to any one of claims 1 to 7.
A pair of amplifiers that input the pair of differential signals and
Power amplifier circuit including.
前記能動バラン回路は、前記一対の差動信号の伝送路にそれぞれに接続された伝送線路トランスを含み、
前記伝送線路トランスは、前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタと前記一対の増幅器とのインピーダンス整合を行う請求項8に記載の電力増幅回路。
The active balun circuit includes a transmission line transformer connected to each of the pair of differential signal transmission lines.
The power amplification circuit according to claim 8, wherein the transmission line transformer performs impedance matching between the first transistor and the second transistor and the pair of amplifiers.
請求項2から請求項7のいずれか1つに記載の能動バラン回路のうち、前記回路要素を除く部分を含む半導体チップと、前記半導体チップと電気的に接続される基板と、前記差動信号を入力とする一対の増幅器とを含み、
前記基板は、前記能動バラン回路の前記回路要素を有する電力増幅モジュール。
Of the active balun circuit according to any one of claims 2 to 7, a semiconductor chip including a portion excluding the circuit element, a substrate electrically connected to the semiconductor chip, and the differential signal. Including a pair of amplifiers with
The substrate is a power amplification module having the circuit elements of the active balun circuit.
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CN116094470A (en) * 2021-11-05 2023-05-09 株式会社村田制作所 Power amplifying circuit

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CN116094470A (en) * 2021-11-05 2023-05-09 株式会社村田制作所 Power amplifying circuit

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