JP2005536106A - 改善された線形制御特性を有する可変利得増幅器 - Google Patents

Abstract

可変インピーダンス装置は、可変増幅器の入力に並列に配置され、電源に対して実質的に一定の負荷インピーダンスを提供するように制御される。好ましくは、可変インピーダンス装置は、可変バイアス電流を有するダイオードを含んでいる。このダイオードバイアス電流は、増幅器バイアス電流とは反対に調整されるので、２つの入力経路インピーダンスの並列合計は、ゲインの広い範囲にわたって殆ど一定のままを維持する。この可変利得増幅器システムは、無線送信機またはセルラー電話機への使用に特に良好に適する。

Description

この発明は、電子分野に関し、特に、ゲインの広い範囲にわたり一貫した線形制御特性を有する可変利得増幅器に関する。

可変利得増幅器は、特にセルラー電話機の受話器の送信機に慣用されている。共通エミッタゲイン段は電力消費を小さくするために具体的に用いられており、ここではゲインがバイアス電流を調整することにより調整される。残念なことに、共通エミッタ増幅器の入力インピーダンスは、バイアス電流と一緒に変換して、可変利得増幅器が一定の電源により駆動されるときに、ゲインおよび／または効率性の損失を導いている。バイアス電流が高レベルのとき、一定のインピーダンス源へのローディング（負荷）は充分であり、予測でき／信頼できる性能は達成が困難である。

この可変入力インピーダンス問題の良く用いられる解決手法は、可変利得増幅器の入力に並列の低インピーダンス装置を用いることを含んでいる。この解決手法は実質的に、一定のインピーダンス源により予想される効果的な入力インピーダンスの変化の範囲を低減させるが、これはまた、バイアス電流の高レベルでのインピーダンス源のなお一層大きなローディングとなる結果となり、これによりシステム内での有用なゲインの損失となる。ステップ化された利得制御増幅器がまた用いられても良いが、このようなアプローチはゲインを制御するための制御ループの付加的複雑性を必要とする。

発明の概要

この発明の目的は、ゲインの広い範囲にわたる一貫性のある予測可能な性能を有する可変利得増幅器を提供することにある。この発明の更なる目的は、ゲインの広い範囲にわたり実質的に一定の入力インピーダンスを有する可変利得増幅器を提供することにある。

これらの目的およびその他のものは、可変利得増幅器への入力に並列に可変インピーダンス装置を提供して、この可変インピーダンス装置を制御することにより実現され、これにより実質的に一定の負荷インピーダンスを電流源に提供できる。好ましくは、可変インピーダンス装置は、可変バイアス電流を伴うダイオードを備えている。このダイオードバイアス電流は、増幅器バイアス電流に対して反対に調整されるので、２つの入力経路インピーダンスの並列の合計は、ゲインの広い範囲にわたって略々一定を維持する。

この可変利得増幅器システムは、無線送信機またはセルラー電話機への使用が特に良く適している。

図面を通して、同一の参照符号は、同一の構成要素、または、実質的に同一の機能を実行する構成要素を参照している。

図１は、この発明による可変利得増幅器システム１００を例示的に示すブロック図である。増幅器システム１００は、従来の可変利得増幅器１１０および可変インピーダンス装置１２０を含んでいる。この発明によれば、可変インピーダンス装置１２０は、ゲインが変化させられるのにつれて、可変利得増幅器１１０の入力インピーダンスの変化に対して反対に変化するインピーダンスを供給するために構成されている。好適な実施形態において、可変入力インピーダンス装置１２０は、ゲインが変化させられたとしても、可変利得増幅器１１０と可変インピーダンス装置１２０とのインピーダンスの並列の結合である、入力ノードＶｉｎでの効果的な入力インピーダンスが、実質的に一定を維持するように制御される。

図２は、この発明による可変利得増幅器システムの例示的な回路図を示しており、図において、可変利得増幅器１１０および可変入力装置１２０は、入力Ｖｉｎに対してそれぞれ容量結合されている。可変利得増幅器１１０は、従来の共通エミッタ増幅器として示されており、この増幅器では、トランジスタ２１５および２１６がカレントミラーとして構成され、コレクタバイアス電流Ｉｃは特性曲線上のどこでトランジスタ２１６が動作するのかを決定する。負荷２１８を流れる電流は、バイアス電流、および、入力Ｖｉｎに供給される増幅器１１０のゲインに基づいたこの電流に関する変化により決定される。バイアス電流Ｉｃの低いレベルでは、特性曲線の傾斜は、緩やかであり；バイアス電流のより高いレベルでは、傾斜はより急勾配となり、これにより、より大きなゲインを提供できる。可変電流源２１０は、バイアス電流Ｉｃを制御し、このようにしてゲイン制御としての機能を果たしている。

可変インピーダンス装置１２０は、ダイオードバイアス電流Ｉｄを決定する可変電流源２２０を備えるダイオード構成されたトランジスタ２２５として、図２に示されている。この発明によれば、ダイオードバイアス電流Ｉｄは、ゲインが変化させられるにつれて、可変増幅器１１０の入力インピーダンスにつれて反対に変化する装置１２０のインピーダンスを提供するように調整される。図２の例において、ダイオード電流Ｉｄは、増幅器電流Ｉｃが増加させられるにつれて減少させられて、これにより、増幅器１１０の入力インピーダンスが減少するのにつれて増加するインピーダンスを提供でき、また、増幅器１１０の入力インピーダンスが増加するにつれて減少されるインピーダンスを提供できる。好ましくは、増幅器１１０の入力に並列に動作する装置１２０は増幅器１１０のゲインと共に変化するインピーダンスを提供するので、ノードＶｉｎでの並列入力インピーダンスが実質的に一定のままであるように構成されている。

図２の例において、所望のダイオードバイアス電流Ｉｄは以下のように決定される。

上で述べたように、最も高い入力コンダクタンス（最も低い入力インピーダンス）は、最大のゲイン、最大の増幅器バイアス電流Ｉｃ_ｍａｘで生じている。共通エミッタ増幅器用の従来の小さな信号モデルを用いることにより、増幅器１１０の効果的な入力コンダクタンスＧ_ａｍｐは以下の式（１）で得られる：

増幅器１１０および装置１２０の並列結合の効果的な入力コンダクタンスＧｉｎは、好ましくは増幅器１１０のこの最も高い入力コンダクタンスよりもたったの僅かだけ大きくなっている。このようにして、先のステージでのローディングの全体は、ただ従来の増幅器１１０だけよりもほんの僅かだけ大きくなる。代数的に表現すれば：

となり、ここで、Ｍは１．１またはそのような普通の因数である。

ダイオード構成されたトランジスタ用の従来の小さな信号モデルを用いて、全体的な入力コンダクタンスが以下の式（３）のように表現可能である：

さらに、この式をダイオードバイアス電流Ｉｄ用に解くと：

図３は、この発明によるゲインの広い範囲にわたるダイオードバイアス電流Ｉｄと増幅器バイアス電流Ｉｃとの間の関係の例示的なグラフを示している。曲線３１０は、増幅器バイアス電流Ｉｃと図２の増幅器１１０の合成したゲインとの間の従来の関係を示している。曲線３２０は、上述の式（４）にしたがって、増幅器バイアス電流Ｉｃが変化させられるのに伴う所望のダイオードバイアス電流Ｉｄを示しており、ここで、βは、ＩｄおよびＩｃ用の垂直軸で釣り合いをとった差を説明している。

図４は、ゲインの広い範囲にわたる、合成したダイオード入力インピーダンスＲｄ、増幅器入力インピーダンスＲｃおよび全体の入力インピーダンスＲｉｎの例示的なグラフである。理解できるように、この発明によれば、全体の入力インピーダンスＲｉｎは、従来の可変利得増幅器だけの入力インピーダンスＲｃに比較して、ゲインの範囲にわたり実質的に一定である。

特に上記の例については、Ｒｉｎは、式（２）（３）のコンダクタンスＧｉｎの逆数に対応しており、図示の目的のために僅かに曲線にされて示されている。もしもこの装置が上述のような従来の小さな信号モデルにまさに対応しており、さらにダイオード電流Ｉｄが式（４）に定義されたようにまさに制御されているのならば、合成されたＲｉｎは小さな信号モデルが保持するためのゲインの全体の範囲にわたって平坦となるであろう。

図５は、この発明による可変利得増幅器５４０，５６０を備える送信機５００の例を示している。ベースバンド処理装置５１０の出力は、所望の無線周波数（ＲＦ）で変調信号を提供する変調器５２０に結合されている。このＲＦ信号は、５３０、典型的にはＬ−Ｃタンク回路で濾波され、引き続いて可変利得増幅器５４０により増幅される。この技術分野で周知のように、フィルタとりわけＬ−Ｃタンク回路の性能は、ローディングに特に敏感であり、変化する負荷が現れたときに、変化する性能を示すであろう。この発明によれば、可変利得増幅器５４０は、その入力で増幅段に並列の可変インピーダンス装置を備えており、この増幅段は、所望のゲインに拘わらず、フィルタ５３０に対して実質的に一定のインピーダンス負荷を提供するように構成される。

可変利得増幅器５４０の出力は、フィルタ装置５５０、典型的にはＬ−Ｃタンク回路により再び濾波され、引き続いて可変ゲイン増幅器５６０により増幅される。上述したように、フィルタ５５０の変化する性能を避けるために、可変利得増幅器５６０は、所望のゲインに拘わらず、フィルタ５５０に対して実質的に一定のインピーダンス負荷を提供するするように構成された可変インピーダンス装置を備えている。

コントローラ５９０は、一定の入力インピーダンスを維持している間に、所望のゲインを実現するために増幅器およびダイオードバイアス電流ＩｃおよびＩｄを調節するために上記で提示された例えば式を用いて、増幅器５４０，５６０のそれぞれの増幅段のゲインと、可変インピーダンス装置のインピーダンスとを制御する。セルラー電話機の実施形態において、例えば、コントローラ５９０は現在のセルラーセルの大きさ、および／または現在の干渉またはその他の雑音指数に基づいて、増幅器５４０，５６０のゲインを調節している。第２の可変利得増幅器５６０の出力は、可変利得増幅器５４０，５６０のゲインにより決定される、所望の電力レベルで、無線周波数波としての送信のためのＲＦ電力増幅器５７０に結合される。

この技術分野の通常の技術を有する者にとっては明らかであるように、ゲインおよびインピーダンス制御機能は、コントローラ５９０と、増幅器５４０，５６０との間で分散されていても良い。コントローラ５９０は、増幅器５４０、５６０に対してゲイン制御信号を単に提供するためだけに構成されていても良く、増幅器５４０，５６０は増幅器およびダイオードに対して適切なバイアス電流を提供するために構成されていても良く、全く別の手段では、コントローラ５９０は増幅器５４０，５６０のそれぞれに直接、増幅器およびダイオードバイアス電流ＩｃおよびＩｄを供給するように構成されていても良い。

上述した内容は、単にこの発明の原理を示すだけである。したがって、この明細書に明らかに説明または示されていなくても、この技術分野の熟練者達がこの発明の原理を実施化させ、この発明の精神および範囲の中にある種々の構成を考え出すことができるであろうことは、正しく評価されるであろう。例えば、他の技術や構成は、一般に、ゲインを伴う入力インピーダンス内の異なる変化を示すかも知れない、可変利得増幅器１１０を提供するために利用可能である。この技術分野の通常の技術を有する者は、可変インピーダンス装置１２０を提供するための他の技術や構成が変化するゲインを伴う相対的に一定の並列入力インピーダンスを達成するために、これら他の増幅器１１０の反転するインピーダンス特性を提供するために用いられるかも知れないということを認識するであろう。

これらまたは他の構成や最適化の特徴は、この明細書による開示の観点よりこの技術分野の熟練者にとって明らかであろうし、この明細書に添付された特許請求の範囲の内に含まれる。

この発明による可変利得増幅器システムの一実施例を示す回路図である。 この発明による可変利得増幅器システムの一実施例を示す回路図である。 この発明によるゲインの広い範囲にわたるダイオードバイアス電流と増幅器バイアス電流との間の関係の例示的なプロットを示す特性図である。 この発明によるゲインの広い範囲にわたるダイオード入力インピーダンス、増幅器入力インピーダンス、および全体の入力インピーダンスの結果として生じた例示的なプロットを示す特性図である。 この発明の可変利得増幅器を備える送信機の例を示すブロック図である。

Claims (19)

1. ゲインを提供し、このゲインと共に変化する入力インピーダンスを有する可変利得増幅器と、前記可変利得増幅器の前記入力インピーダンスと並列に動作可能に結合された可変インピーダンス装置とを備える増幅器システムであって、前記可変インピーダンス装置は前記ゲインが変化させられるのにつれて、前記可変利得増幅器の前記入力インピーダンスに対して反対に変化するインピーダンスを提供するように構成された、可変ゲインを有する増幅器システム。
2. 前記可変インピーダンス装置は、ダイオードとして構成された第１のトランジスタを備える請求項１に記載の増幅器システム。
3. 前記可変利得増幅器は共通エミッタ増幅器を含み、前記ゲインは前記共通エミッタ増幅器のバイアス電流を変化させることにより変化させられる請求項２に記載の増幅器システム。
4. 前記可変利得増幅器は、カレントミラーとして構成される第２および第３のトランジスタと、前記カレントミラーに前記バイアス電流を供給するように構成される可変電流源とを備える請求項３に記載の増幅器システム。
5. 前記可変インピーダンス装置は、前記第１のトランジスタをバイアスさせるためのダイオードバイアス電流を供給するように構成される他の可変電流源を備えると共に、前記可変インピーダンス装置の前記インピーダンスは、前記ダイオードバイアス電流に基づいている請求項４に記載の増幅器システム。
6. 前記ダイオードバイアス電流、Ｉｄは、下式
   

   

   に実質的に従い、ここで、Ｍは１．０と２．０との間の定数であり、Ｉｃ_ｍａｘはゲインのピーク値での可変利得増幅器のバイアス電流Ｉｃの最大値である、請求項５に記載の増幅器システム。
7. 前記可変利得増幅器は、共通エミッタ増幅器を含み、前記ゲインは前記共通エミッタ増幅器のバイアス電流を変化させることにより変化させられる請求項１に記載の増幅器システム。
8. 前記可変利得増幅器は、カレントミラーとして構成される複数のトランジスタと、前記カレントミラーに前記バイアス電流を供給するように構成される可変電流源とを備える請求項１に記載の増幅器システム。
9. 前記可変インピーダンス装置は、この可変インピーダンス装置のインピーダンスを制御するバイアス電流を供給するように構成される可変電流源を備える請求項１に記載の増幅器システム。
10. 可変の電源出力を有する送信機であって、前記可変電源出力を供給するために入力信号の可変ゲインを供給する１つまたはそれ以上の可変利得増幅器を備え、前記可変利得増幅器のそれぞれは、可変の電流を供給し、前記ゲインと共に変化する入力インピーダンスを有する増幅段と、前記増幅段の前記入力インピーダンスと共に並列に動作可能に結合された可変インピーダンス装置とを備える送信機において、前記可変インピーダンス装置は、前記ゲインが変化させられるのにつれて、前記増幅段の前記入力インピーダンスに対して反対に変化するインピーダンスを提供するように構成された送信機。
11. 前記可変インピーダンス装置は、ダイオードとして構成された第１のトランジスタを備える請求項１０に記載の送信機。
12. 前記増幅段の少なくとも１つは共通エミッタ増幅器を含み、前記ゲインは前記共通エミッタ増幅器のバイアス電流を変化させることにより変化させられる請求項１１に記載の送信機。
13. 少なくとも１つの前記増幅段は、カレントミラーとして構成される第２および第３のトランジスタと、前記カレントミラーに前記バイアス電流を供給するように構成される可変電流源とを備える請求項１２に記載の送信機。
14. 前記可変インピーダンス装置の少なくとも１つは、前記第１のトランジスタをバイアスさせるためのダイオードバイアス電流を供給するように構成される他の可変電流源を備えると共に、前記可変インピーダンス装置の少なくとも１つの前記インピーダンスは、前記ダイオードバイアス電流に基づいている請求項１３に記載の送信機。
15. 前記ダイオードバイアス電流、Ｉｄは、下式
    

    

    に実質的に従い、ここで、Ｍは１．０と２．０との間の定数であり、Ｉｃ_ｍａｘはゲインのピーク値での可変利得増幅器のバイアス電流Ｉｃの最大値である、請求項１４に記載の送信機。
16. 前記増幅段の少なくとも１つは、共通エミッタ増幅器を含み、前記ゲインは前記共通エミッタ増幅器のバイアス電流を変化させることにより変化させられる請求項１０に記載の送信機。
17. 前記増幅段の少なくとも１つは、カレントミラーとして構成される複数のトランジスタと、前記カレントミラーにバイアス電流を供給すると共に前記ゲインは前記バイアス電流に依存するように構成される可変電流源とを備える請求項１０に記載の送信機。
18. 前記可変インピーダンス装置の少なくとも１つは、この可変インピーダンス装置のインピーダンスを制御するバイアス電流を供給するために構成される可変電流源を備える請求項１０に記載の送信機。
19. 前記可変増幅器の少なくとも１つは、Ｌ−Ｃ調節回路により駆動される請求項１０に記載の送信機。

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