本发明涉及功率放大电路。
背景技术：
近年来，随着以通信和雷达为代表的无线技术的利用增加，可分配的频带日益紧张。为了缓和频率紧张，例如，利用以毫米波波段、太赫频段为代表的高频频段。例如，在60ghz频段为毫米波频带中的通信中，79ghz频段被用于毫米波雷达。预计今后在毫米波波段、太赫频段工作的无线ic(integratedcircuit)会广泛普及，所以在研究低价地制造无线ic。
普通的无线ic，以半导体为材料，通过cmos(complementarymetal-oxide-semiconductor；互补金属氧化物半导体)工艺来制造。cmos工艺能够低价制造集成度高的小型的无线ic。另一方面，由cmos工艺制造的无线ic，与其他工艺比较，高频性能低，例如，难以在高频中得到功率增益。为了使无线ic稳定地动作，在开展功率放大电路的工作的稳定、高增益技术的研发。
例如，在非专利文献1中，公开了通过消除晶体管的栅极和漏极之间的寄生电容的影响的交叉耦合电容器，能够实现功率放大电路的工作的稳定、高增益的功率放大电路。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：“a60ghzcmospoweramplifierusingcapacitivecross-couplingneutralizationwith16％pae”europeanmicrowaveconference.(eumc),2011
技术实现要素：
可是，非专利文献1中公开的电路为输入输出差动信号的结构，所以功耗增加。
本发明的非限定的实施例，有助于提供可以抑制功耗的增加，能够以高增益进行稳定的工作的功率放大电路。
本发明的一方式的功率放大电路包括：其源极连接到第1电源，以栅极接受输入信号的第1晶体管；具有第1端子和第2端子，所述第1端子连接到所述第1晶体管的漏极的电容器；以及连接在所述第2端子和所述第1晶体管的栅极之间，转换从所述第2端子输入的第1信号，将具有与所述第1信号不同的相位的第2信号输出到所述第1晶体管的栅极的变压器，从所述第1晶体管的漏极输出输出信号。
再者，这些概括性的并且具体的方式，可以通过系统、方法、集成电路、计算机程序或记录介质方式实现，也可以通过系统、装置、方法、集成电路、计算机程序和记录介质的任意的组合来实现。
发明的效果
根据本发明的一方式，有助于可以抑制功耗的增加，以高增益进行稳定的工作。
从说明书和附图中将清楚本发明的一方式中的更多的优点和效果。这些优点和/或效果可以由几个实施方式和说明书及附图所记载的特征来分别提供，不需要为了获得一个或一个以上的同一特征而提供全部特征。
附图说明
图1是表示使用了交叉耦合电容器的差动放大电路的结构的图。
图2是表示本发明的实施方式1的功率放大电路的结构例子的图。
图3a是表示本发明的实施方式1的功率放大电路的mag的特性的图。
图3b是表示本发明的实施方式1的功率放大电路的kf的特性的图。
图4a是表示具备耦合系数不同的变压器的功率放大电路的mag的特性的图。
图4b是表示具备耦合系数不同的变压器的功率放大电路的kf的特性的图。
图5是表示本发明的实施方式2的功率放大电路的结构例子的图。
图6a是表示本发明的实施方式2的功率放大电路的mag的特性的图。
图6b是表示本发明的实施方式2的功率放大电路的kf的特性的图。
图7是表示本发明的实施方式3的功率放大电路的结构例子的图。
图8a是表示实施方式3的功率放大电路的mag的特性的图。
图8b是表示实施方式3的功率放大电路的kf的特性的图。
具体实施方式
作为评价功率放大电路的高频带中的性能(例如，高增益)的指标，有最大有效增益(mag：maximumavailablegain)和稳定系数(kf：kfactor)。
mag表示功率放大电路的结构中的理论上的最大放大率。kf定量地表示功率放大电路是否振荡。mag和kf使用功率放大电路的y参数(y11、y12、y21、y22)，以式(1)、式(2)表现。
mag＝|y21/y12|*(kf-(kf^2-1)^(1/2))…(1)
kf＝(2re[y11]re[y22]-re[y12y21])/|y12y21|…(2)
mag的值越大，意味着功率放大电路的理论上的功率损耗越少，能够以高效率放大信号。此外，kf的值越大，越抑制功率放大电路发生振荡，意味着可以稳定放大信号。根据式(1)，要提高mag，降低y12的值、增加y21的值即可。此外，根据式(2)，要抑制mag的下降并增加kf，降低y12即可。
作为以高效率放大毫米波波段的信号的结构，有使用了交叉耦合电容器的差动放大电路。图1是表示使用了交叉耦合电容器的差动放大电路100的结构的图。
差动放大电路100具有：输入电路101；晶体管102；晶体管103；电容器104；电容器105；和输出电路106。
对输入电路101供给面向晶体管102和晶体管103的栅极电位vb1。输入信号vinp和输入信号vinn被输入到输入电路101。输入信号vinp的相位和输入信号vinn的相位相差180°。为了调整核心部分107和生成输入信号vinp及输入信号vinn的电路的端子(省略图示)的匹配，输入电路101进行阻抗转换。
晶体管102的源极端子被接地。晶体管102的栅极端子连接到输入电路101。输入信号vinp通过输入电路101被输入到晶体管102的栅极端子。
在晶体管102的栅极端子和漏极端子之间(以下，记载为栅极－漏极间)，存在寄生电容110。寄生电容110具有电容值cgd。再者，寄生电容110不是将实际的电路元件连接在栅极－漏极间的电容，而是将存在于晶体管102内部(寄生的)电容图示的电容。
晶体管103的源极端子被接地。晶体管103的栅极端子连接到输入电路101。通过输入电路101，输入信号vinn输入到晶体管103的栅极端子。
在晶体管103的栅极－漏极间，存在寄生电容111。寄生电容111具有电容值cgd。再者，寄生电容111不是连接实际的电路元件的电容，而是将存在于晶体管103内部的电容图示的电容。
电容器104具有电容值cx，连接在晶体管102的漏极端子和晶体管103的栅极端子之间。电容器105具有电容值cx，连接在晶体管103的漏极端子和晶体管102的栅极端子之间。
输出电路106连接到晶体管102的漏极端子和晶体管103的漏极端子。面向晶体管102和晶体管103的漏极电位vdd供给到输出电路106。输出电路106将输出信号voutp和输出信号voutn输出。输出信号voutp的相位和输出信号voutn的相位相差180°。此外，为了调整核心部分107与接受输出信号voutp及输出信号voutn的电路的端子(省略图示)的匹配，输出电路106进行阻抗转换。
根据该结构，差动放大电路100消除晶体管102的栅极－漏极间的寄生电容110和晶体管103的栅极－漏极间的寄生电容111的影响。
差动放大电路100的核心部分107的y参数y12、y21分别通过式(3)、(4)表示。
y12＝-jω(cgd-cx)(3)
y21＝gm-jω(cgd-cx)(4)
其中，gm表示晶体管102、晶体管103的跨导值。
在式(3)、(4)中，寄生电容值cgd通过电容值cx被消除，可以减小y12、y21。特别地，通过y12减小，式(1)所示的mag的值变大，差动放大电路100的理论上的最大放大率增加。此外，通过y12减小，式(2)所示的kf的值变大，所以差动放大电路100的稳定性提高。即，通过y12减小，差动放大电路100的放大率和稳定性提高。
可是，图1所示的差动放大电路100是输入输出差动信号的结构(差动结构)，所以功耗增加。
鉴于这样的情况，在输入输出单相信号的功率放大电路中，着眼于通过抑制晶体管的寄生电容的影响，可以抑制功耗的增加，以高增益进行稳定的工作，完成了本发明。
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。再者，以下说明的实施方式是一例子，本发明不被以下的实施方式限定。
(实施方式1)
图2是表示本发明的实施方式1的功率放大电路200的结构例子的图。
图2所示的功率放大电路200具有：晶体管201；电容器202；变压器203；输入电路204；以及输出电路205。
为了调整包含晶体管201、电容器202和变压器203的核心部分208与生成输入信号vin的电路的端子(省略图示)的匹配，输入电路204进行阻抗转换。
通过输入电路204的输入信号vin被输入到晶体管201的栅极端子。晶体管201的源极端子连接到地(gnd)，被供给0[v]的电压。再者，晶体管201的源极端子也可以与供给0[v]以外的电压的dc电源连接。晶体管201的漏极端子连接到输出电路205。
电容器202具有端子t1和端子t2。电容器202具有电容值cfb。端子t1连接到晶体管201的漏极端子。
变压器203连接在电容器202的端子t2和晶体管201的栅极端子之间。变压器203转换从端子t2输入的信号，将具有与输入的信号反相位的信号输出到晶体管201的漏极端子。
变压器203具有电感器206和电感器207。
电感器206具有端子t3和端子t5。电感器206具有电感值l1。端子t3连接到电容器202的端子t2。端子t5连接到地(gnd)，被供给0[v]的电压。再者，端子t5也可以与供给0[v]以外的电压的dc电源连接。
电感器207具有端子t4和端子t6。电感器206具有电感值l2。端子t4连接到晶体管201的栅极端子。端子t6连接到dc电源(未图示)，被供给vb1[v]的电压。vb1设定为与后述的漏极电位vdd独立的值。在对晶体管201的源极端子供给的电压为0[v]的情况下，vb1例如为0.4[v]～0.75[v]。
通过电感器206和电感器207进行磁场耦合，构成变压器203。电感器206和电感器207的耦合系数是k12。
对输出电路205供给被输入到晶体管201的漏极电位vdd。在对晶体管201的源极端子供给的电压为0[v]的情况下，漏极电位vdd例如为0.9[v]。输出电路205将从晶体管201的漏极输出的信号作为输出信号vout输出。此外，为了调整核心部分208和接受输出信号vout的电路的端子(省略图示)的匹配，输出电路205进行阻抗转换。
再者，vb1及vdd的值根据对晶体管201的源极端子供给的电压而变更。
根据该结构，可以实现与图1所示的差动放大电路100具有同等的mag、kf的功率放大电路。以下，说明功率放大电路200的mag、kf。
功率放大电路200的核心部分208的y参数用式(5)、式(6)表示。
y12＝-jω[cgd-(mcfb)/{l2-(ω^2)cfb(l1l2-m^2)}](5)
y21＝gm-jω[cgd-(mcfb)/{l2-(ω^2)cfb(l1l2-m^2)}](6)
式(5)、式(6)中的cgd是晶体管201的栅极－漏极间的寄生电容的电容值。l1是电感器206的电感值。l2是电感器207的电感值。gm是晶体管201的跨导值。m是变压器203的互感值。使用变压器203的耦合系数k12和l1、l2，以式(7)表示m。
m＝k12(l1l2)^(1/2)(7)
由式(5)、式(6)，通过确定功率放大电路200的各参数、例如变压器203的耦合系数k12、电感器206的电感值l1、电感器207的电感值l2、电容器202的电容值cfb，以满足式(8)，可以消除晶体管201的栅极－漏极间的寄生电容的影响。
cgd＝(mcfb)/{l2-(ω^2)cfb(l1l2-m^2)}(8)
例如，在l1＝l2、k12＝1的情况下，式(8)表示为式(9)。
cgd＝cfb(9)
即，在l1＝l2、k12＝1的情况下，通过将功率放大电路200的各参数确定为cfb＝cgd，可以消除晶体管201的栅极－漏极间的寄生电容的影响。
作为例子，为了简化而设为l1＝l2、k12＝1，在本条件下cfb＝cgd为最佳解，但最佳解随条件而改变。再者，表示了l1＝l2、k12＝1的例子，但在为可以近似的程度的情况下也可以不完全一致。
例如，在l1＝l2、k12＝1的情况下，式(5)、式(6)所示的y参数分别表示为式(10)、式(11)。
y12＝-jω(cgd-cfb)(10)
y21＝gm-jω(cgd-cfb)(11)
在式(10)、式(11)中，通过将功率放大电路200的各参数确定为l1＝l2、k12＝1、cfb＝cgd，晶体管201的栅极－漏极间的寄生电容的影响被消除，y12为最小，y21为最大。
接着，用图3a、图3b说明功率放大电路200的mag的特性和kf的特性。
图3a是表示本实施方式1的功率放大电路200的mag的特性的图。图3b是表示本实施方式1的功率放大电路200的kf的特性的图。图3a、图3b的“建议1(proposed1)”表示功率放大电路200的特性，图3a、图3b的“通常(conventional)”表示图1的差动放大电路100的特性。图3a、图3b的横轴表示输入输出到功率放大电路的信号的频率。图3a的纵轴表示用功率放大电路200的mag的最大值归一化的mag的值。图3b的纵轴表示用功率放大电路200的kf的最大值归一化的kf的值。
此外，图3a、图3b中的功率放大电路200的参数设定为l1＝l2＝200ph、k12＝1、cfb＝cgd。
在图3a、图3b中，功率放大电路200具有与差动放大电路100同等的特性。单相结构即功率放大电路200的功耗是差动结构即差动放大电路100的功耗的1/2左右。即，功率放大电路200以差动放大电路100的功耗的1/2左右的功耗，得到与差动放大电路100同等的放大率和稳定性。
再者，上述中，说明了变压器203的耦合系数k12为1(k12＝1)的例子。k12＝1的情况下，由于m＝l1l2＾(1/2)，所以l1l2－m＾2＝0成立。这种情况下，由于(ω^2)cfb(l1l2－m＾2)＝0，所以式(8)的右边不依赖于频率的变化。
在变压器203的耦合系数k12不是“1”(即，k12≠1)的情况下，式(8)的右边依赖于频率的变化而变化。即，在k12≠1的情况下，由于(ω^2)cfb(l1l2－m＾2)≠0，所以式(8)的右边具有频率特性。但是，即使是k12≠1的情况，通过将l1、l2设定得小，频率的变化造成的特性的变动也被抑制。
例如，在为l1＝l2＝l的设定中，y12为最小、y21为最大的cfb的条件为式(12)。
cfb＝cgd/{k12+(ω^2)cgdl(1-k12^2)}(12)
基于式(12)，通过确定l以满足式(13)的条件，电容器202的电容值cfb设定为式(14)所示的值。
l<<k12/{(ω^2)cgd(1-k12^2)}(13)
cfb＝cgd/k12(14)
其中，由于0＜k12≦1，所以在cfb≧cgd的条件中，y12取接近最小值的值，y21取接近最大值的值。
接着，用图4a、图4b说明k12＝1的情况和k12≠1的情况的特性的差异。
图4a是表示具备耦合系数不同的变压器的功率放大电路200的mag的特性的图。图4b是表示具备耦合系数不同的变压器的功率放大电路200的kf的特性的图。图4a、图4b的“建议1＠条件1”表示具有l1＝l2＝200ph、k12＝1、cfb＝cgd这样的参数设定的功率放大电路200的特性，“建议1＠条件2”表示具有l1＝l2＝50ph、k12＝0.7、cfb＝cgd/0.7这样的参数设定的功率放大电路的特性。图4a、图4b的横轴表示输入输出到功率放大电路的信号的频率。图4a的纵轴表示用条件1的功率放大电路200的mag的最大值归一化的mag的值。图4b的纵轴表示用条件1的功率放大电路200的kf的最大值归一化的kf的值。
在图4a、图4b中，“建议1＠条件2(condition2)”与“建议1＠条件1”的特性同等。即，即使变压器203的耦合系数是与“1”不同的值，但通过适当地设定参数，功率放大电路200也可得到与变压器203的耦合系数为“1”情况同等的放大率和稳定性。作为结果，即使耦合系数不是“1”，也可以在整个宽带上实现高增益及高稳定性。
如以上说明的，本实施方式1的功率放大电路200包括：源极连接到第1电源(例如，gnd)，用栅极接受输入信号的晶体管201(第1晶体管)；具有端子t1(第1端子)和端子t2(第2端子)，端子t1连接到晶体管201的漏极的电容器202；以及连接在端子t2和晶体管201的栅极之间，转换从端子t2输入的信号(第1信号)，将具有输入的信号的反相位的信号(第2信号)输出到晶体管201的栅极的变压器203，将输出信号从晶体管201的漏极输出。
根据该结构，在单相构成的功率放大电路200中，可以将与从晶体管201的漏极端子输出的信号具有不同的相位信号固定量反馈给晶体管201的栅极端子，所以可以抑制晶体管201的栅极－漏极间的寄生电容的影响。因此，单相构成的功率放大电路200可以抑制功耗的增加，能够以高增益进行稳定的动作。
再者，说明了上述变压器203向晶体管201的栅极端子输出具有反相位的信号的例子，但本发明不限定于此。变压器203也可以向晶体管201的栅极端子输出具有与输入的信号不同的相位的信号。即使是这种情况，也可以抑制寄生电容的影响。
此外，说明了上述变压器203由进行磁场耦合的2个电感器构成的例子，但本发明不限定于此。只要变压器203具有与进行磁场耦合的2个电感器相同的等效电路，能够将与从晶体管201的漏极端子通过端子t2输入的信号具有不同的相位的信号输出到晶体管201的栅极端子的结构就可以。
(实施方式2)
图5是表示本实施方式2的功率放大电路300的结构例子的图。再者，在图5中，对与图2同样的结构，附加相同的编号，并省略说明。
在功率放大电路300的核心部分308中，图2的功率放大电路200的变压器203置换为变压器303。
变压器303具有电感器206、电感器207和电阻301。
电阻301与电感器206串联连接。电阻301具有电阻值rfb。电阻301可以是金属电阻，也可以是利用一部分布线图案的布线电阻。电阻值rfb例如为几[ω]～几十[ω]左右。
再者，在图5中，表示电阻301连接到电容器202的端子t2和电感器206的端子t3之间的例子，但电阻301也可以连接到电感器206的端子t5和gnd之间。或者，电阻301也可以在电容器202和gnd两者，例如，置换连接具有电阻值rfb/2的2个电阻。或者，电阻301也可以连接到电容器202和晶体管201的漏极端子之间。
接着，用图6a、图6b说明功率放大电路300的mag的特性和kf的特性。
图6a是表示本实施方式2的功率放大电路300的mag的特性的图。图6b是表示本实施方式2的功率放大电路300的kf的特性的图。图6a、图6b的“建议1”表示功率放大电路200的特性，图6a、图6b的“建议2”表示功率放大电路300的特性。图6a、图6b的横轴表示输入输出到功率放大电路的信号的频率。图6a的纵轴表示用功率放大电路200的mag的最大值归一化的mag的值。图6b的纵轴表示用功率放大电路200的kf的最大值归一化的kf的值。
此外，图6a、图6b中的、功率放大电路200的参数被设定为l1＝l2＝200ph、k12＝1、cfb＝cgd，功率放大电路300的参数被设定为l1＝l2＝200ph、k12＝1、cfb＝cgd、rfb＝34.4ω。
在图6a、图6b中，功率放大电路300的mag的特性和kf的特性，在特定的频率中，比功率放大电路200进一步改善。
如以上说明的，本实施方式2的功率放大电路300有串联连接到电感器206的电阻301。根据该结构，可以抑制晶体管201的寄生电容以外的寄生元件的影响，所以在特定的频率中，mag的特性和kf的特性可以进一步改善。
(实施方式3)
图7是表示本实施方式3的功率放大电路400的结构例子的图。再者，在图7中，对与图2同样的结构，附加相同的编号，并省略说明。
在功率放大电路400的核心部分408中，对于图2的功率放大电路200，追加晶体管401。
晶体管401是对晶体管201级联连接(共源共栅连接)的共源共栅晶体管。晶体管401的栅极端子连接到dc电源，被供给vb2[v]的电压。vb2与vdd独立地设定，但例如为同一值，例如为0.9[v]～1.8[v]。此外，vb2设定为与vb1独立的值。vb2例如是大于vb1的值。晶体管401的源极端子连接到晶体管201的漏极端子。
晶体管401的漏极端子连接到输出电路205。输出电路205将从晶体管401的漏极端子输出的信号作为输出信号vout输出。
再者，说明了vb2大于vb1的例子，但vb2也可以与vb1相等。此外，说明了vb2及vdd为同一值的例子，但vb2及vdd也可以是不同的值。此外，vb1、vb2及vdd的值也可以根据对晶体管201的源极端子供给的电压而变更。
接着，用图8a、图8b说明功率放大电路400的mag的特性和kf的特性。
图8a是表示本实施方式3的功率放大电路400的mag的特性的图。图8b是表示本实施方式3的功率放大电路400的kf的特性的图。图8a、图8b的“建议1”表示功率放大电路200的特性，图8a、图8b的“建议3”表示功率放大电路400的特性。图8a、图8b的横轴表示输入输出到功率放大电路的信号的频率。图8a的纵轴表示用功率放大电路200的mag的最大值归一化的mag的值。图8b的横轴表示用功率放大电路200的kf的最大值归一化的kf的值。
此外，图8a、图8b中的功率放大电路200、功率放大电路400的参数被设定为l1＝l2＝200ph、k12＝1、cfb＝cgd。
在图8a、图8b中，在特定的频率中，功率放大电路400的mag的特性和kf的特性比功率放大电路200进一步改善。此外，在一部分的频率中，功率放大电路400的kf的特性比功率放大电路200下降，但在该一部分的频率中，功率放大电路400的mag的特性比功率放大电路200改善。
如以上说明的，本实施方式3的功率放大电路400具有：其源极连接到晶体管201(第1晶体管)的漏极，栅极连接到dc电源(第4电源)，从漏极输出输出信号的晶体管401(第2晶体管)。根据该结构，可以减小y参数的y12，所以在特定的频率中，可以进一步改善mag的特性和kf的特性。
再者，在本实施方式3中，说明了共源共栅(cascode)连接到晶体管201的晶体管为1个的例子，但本发明不限定于此。共源共栅连接晶体管201的晶体管也可以为2个以上。
再者，也可以将本实施方式3和上述实施方式2组合。例如，在功率放大电路400中，也可以具有串联连接到电感器206的电阻。
以上，一边参照附图一边说明了各种实施方式，但不言而喻，本发明不限定于这样的例子。只要是本领域技术人员，在权利要求书所记载的范畴内，显然可设想各种变更例或修正例，并认可它们当然属于本发明的技术范围。此外，在不脱离发明的宗旨的范围中，也可以将上述实施方式中的各构成要素任意地组合。
＜本发明的总结＞
本发明的功率放大电路包括：其源极连接到第1电源，以栅极接受输入信号的第1晶体管；具有第1端子和第2端子，所述第1端子连接到所述第1晶体管的漏极的电容器；以及连接在所述第2端子和所述第1晶体管的栅极之间，转换从所述第2端子输入的第1信号，将具有与所述第1信号不同的相位的第2信号输出到所述第1晶体管的栅极的变压器，从所述第1晶体管的漏极输出输出信号。
在本发明的功率放大电路中，所述变压器包括：第1电感器，具有连接到所述第2端子的第3端子和连接到第2电源的第5端子；以及第2电感器，具有连接到所述第1晶体管的栅极的第4端子和连接到第3电源的第6端子，与所述第1电感器进行磁场耦合。
在本发明的功率放大电路中，所述第1电感器的电感值与所述第2电感器的电感值为相同程度。
在本发明的功率放大电路中，所述电容器具有根据所述第1电感器的电感值、所述第2电感器的电感值、所述变压器的耦合系数、以及所述第1晶体管的栅极和漏极之间的寄生电容的电容值确定的电容值。
在本发明的功率放大电路中，具有设置在所述第2端子和所述第2电源之间、与所述第1电感器串联连接的电阻。
在本发明的功率放大电路中，具有其源极连接到所述第1晶体管的漏极、栅极连接到第4电源，从漏极输出输出信号的第2晶体管。
工业实用性
本发明的功率放大电路对高分辨率雷达和高速通信是有用的。
标号说明
100差动放大电路
101、204输入电路
102、103、201、401晶体管
104、105、202电容器
106、205输出电路
107、208、308、408核心部分
110、111寄生电容
200、300、400功率放大电路
203、303变压器
206、207电感器
301电阻