JP4567831B2

JP4567831B2 - 電圧電流変換器

Info

Publication number: JP4567831B2
Application number: JP36993499A
Authority: JP
Inventors: アーシャッドマドニ; ニコラスポールカウリ
Original assignee: インテルコーポレイション
Priority date: 1999-01-09
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2000209044A; GB9900344D0; US6278299B1; GB2345600B; GB2345600A; DE10000484A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧を電流に変換する変換器に関する。このような変換器は多くの用途に使用でき、例えば低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）、ミクサーや自動利得制御器などとして使用できる。
【０００２】
【従来の技術】
添付図面のうち図１に、第１ｎｐｎトランジスターＴ１及び第２ｎｐｎトランジスターＴ２として知られているロングテイルペア（long tail pair）のアクティブ装置に基づく公知形式の電圧電流変換器、即ち“トランスコンダクター増幅器”を示す。トランジスターＴ１及びＴ２のエミッターをそれぞれ抵抗器Ｒ１及びＲ２を介して定電流源ＣＣ１としてのテール（tail）電流源の一方の端子に接続する。なお、ＣＣ１の他方の端子は接地ｇｎｄする。トランジスターＴ１及びＴ２のコレクターはそれぞれ変換器の差動電流出力ＯＵＴ１及びＯＵＴ２になる。トランジスターＴ１及びＴ２のベースについては、それぞれ差動入力端子ＩＮ１及びＩＮ２に接続するとともに、抵抗器Ｒ５及びＲ６を介してバイアス電圧源ＢＳに接続する。
【０００３】
図１に示す変換器に対する差動入力電圧が比較的低い場合、トランスコンダクタンスは実質的に線形であるため、差動出力電流は差動入力電圧に対して実質的に比例する。ところが、トランスコンダクタンスは実際には線形ではなく、歪みをもたらす非線形項をもつ。トランスコンダクタンスにおける原理的な非線形性は三次形、即ち立方形なので、このトランスコンダクタンスは次式で表すことができる。
ｇｍ＝ｇｍｌ．ｖ＋α．ｖ³ （１）式中、ｇｍｌは小さい信号トランスコンダクタンス、ｖは差動入力電圧、そしてαは定数である。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
電力散逸やノイズ特性などの性能を実質的に劣化することなく、即ちこれら性能を許容できない程劣化することなく、線形性を実質的に改善した電圧電流変換器を提供することが目的である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１伝導形の第１アクティブ装置（Ｔ１）及び第２アクティブ装置（Ｔ２）と第１テール（tail）電流源（ＣＣ１）とを有する第１ロングテイルペア（long tail pair）であって、前記第１アクティブ装置（Ｔ１）は変換器の第１出力（OUT １）を形成する出力端子、変換器の第１入力（ＩＮ１）を形成する制御端子及び共通端子を有し、前記第２アクティブ装置（Ｔ２）は変換器の第２出力（OUT ２）を形成する出力端子、変換器の第２入力（ＩＮ２）を形成する制御端子及び共通端子を有してなる第１ロングテイルペアと、前記第１伝導形とは逆の第２伝導形の第３アクティブ装置（Ｔ３）及び第４アクティブ装置（Ｔ４）と第２テール電流源（ＣＣ２）とからなる第２ロングテイルペアであって、前記第３アクティブ装置（Ｔ３）は、前記第１アクティブ装置（Ｔ１）の前記制御端子に接続した制御端子と前記第２アクティブ装置（Ｔ２）の前記共通端子に接続した出力端子とを有し、前記第４アクティブ装置（Ｔ４）は、前記第２アクティブ装置（Ｔ２）の前記制御端子に接続した制御端子と前記第１アクティブ装置（Ｔ１）の前記共通端子に接続した出力端子とを有してなる第２ロングテイルペアとからなり、前記第１アクティブ装置（Ｔ１）及び前記第２アクティブ装置（Ｔ２）の前記共通端子は、前記第１テール電流源（ＣＣ１）に実質的に等しい第１抵抗値をもつ第１抵抗器（Ｒ１）及び第２抵抗器（Ｒ２）を介してそれぞれ接続されることを特徴とする電圧電流変換器を提供するものである。
【０００６】
本発明の場合、それぞれ、実質的に等しい第１抵抗値をもつ第１抵抗器（Ｒ１）及び第２抵抗器（Ｒ２）を介して第１テール電流源（ＣＣ１）に第１アクティブ装置（Ｔ１）及び第２アクティブ装置（Ｔ２）を接続することが好ましい。
【０００７】
本発明の場合、第１テール電流源（ＣＣ１）を第１定電流源で構成することが好ましい。
【０００８】
本発明の場合、それぞれ、実質的に等しい第２抵抗値をもつ第３抵抗器（Ｒ３）及び第４抵抗器（Ｒ４）を介して第２テール電流源（ＣＣ２）に第３アクティブ装置（Ｔ３）及び第４アクティブ装置（Ｔ４）の共通端子を接続し、第２抵抗値を第１抵抗値より大きくし、さらに第２抵抗値を第１抵抗値の実質的に４〜５倍にすることが好ましい。
【０００９】
本発明の場合、第２テール電流源（ＣＣ２）を第２定電流源で構成するのが好ましい。
【００１０】
本発明の場合、第１ロングテイルペアのテール電流を第２ロングテイルペアのテール電流よりも大きくし、さらに第１ロングテイルペアのテール電流を第２ロングテイルペアのテール電流の実質的に１０倍にすることが好ましい。
【００１１】
本発明の場合、第１〜第４アクティブ装置（Ｔ１〜Ｔ４）のそれぞれをバイポーラ・トランジスターで構成し、このトランジスターの出力端子、制御端子及び共通端子をそれぞれコレクター電極、ベース電極及びエミッター電極で構成することが好ましい。
【００１２】
本発明の場合、第１〜第４アクティブ装置（Ｔ１〜Ｔ４）のそれぞれを電界効果形トランジスターで構成し、このトランジスターの出力端子、制御端子及び共通端子をそれぞれドレイン電極、ゲート電極及びソース電極で構成するのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、例示のみを目的として、本発明を添付図面について説明する。
図１は、公知電圧電流変換器の回路図である。
図２は、本発明の一つの実施態様による電圧電流変換器の回路図である。
図３は、スーパーヘテロダイン受信機のミクサー段に図２の変換器を適用した例を示す回路図である。
なお、図中同符号は同部分を示す。
【００１４】
図２に示す変換器は、トランジスターＴ１及びＴ２、抵抗値が同じエミッター抵抗器Ｒ１及びＲ２、定電流源ＣＣ１及びトランジスターＴ１及びＴ２をバイアス電圧源ＢＳによりバイアスする抵抗器Ｒ５及びＲ６からなるロングテイルペアとしての主トランスコンダクタンス段で構成した点で、図１に示す公知形式の変換器と同じである。この主トランスコンダクタンス段は図１に示した変換器と実質的に同じで、同様に作動する。特に、このトランスコンダクタンスは同じ非線形性をもち、少なくとも二次近似として上記式（１）で表すことができる。
【００１５】
図２に示す変換器は、ロングテイルペア式であるが、第１段に逆相接続した従属的なトランスコンダクタンス段、即ちコレクタートランスコンダクタンス段を備えている。このコレクター段は第３ｐｎｐトランジスターＴ３及び第４ｐｎｐトランジスターＴ４からなり、これらのエミッターをそれぞれ抵抗器Ｒ３及びＲ４を介して第２定電流源ＣＣ２の一方の端子に接続する。なお、他方の端子は給電線ｖｃｃに接続する。トランジスターＲ３のベースについてはトランジスターＴ１のベースに接続し、トランジスターＴ４のベースについてはトランジスターＴ２のベースに接続する。また、トランジスターＴ３のコレクターについてはトランジスターＴ２のエミッターに接続し、トランジスターＴ４のコレクターについてはトランジスターＴ１のエミッターに接続する。従って、コレクター段は主トランスコンダクタンス段と同じ差動入力信号を受信するが、差動出力電流は抵抗器Ｒ１及びＲ２を介して逆相で供給されることになる。
【００１６】
抵抗器Ｒ３及びＲ４の抵抗値は同じであり、そしてコレクター段のトランスコンダクタンスが主トランスコンダクタンス段の線形項より実質的に小さい線形項と、主トランスコンダクタンス段のトランスコンダクタンスにおける一つ以上の歪み項と実質的に等しい三次歪み項、即ち立方形歪み項などの歪み項とを有するように、定電流源が供給する電流と組み合わせる。例えば、抵抗器Ｒ３及びＲ４それぞれの抵抗値は抵抗器Ｒ１及びＲ２の抵抗値よりも４〜５倍高い。同様に、第１定電流源ＣＣ１が供給する電流は、第２定電流源ＣＣ２が供給する電流よりも実質的に１０倍高い。なお、当業者ならば、非線形歪みを最小に抑えるために、例えばシミュレーション技術を使用してこれら抵抗値を容易に選定または調節できるはずである。
【００１７】
図２の実施態様はバイポーラ・トランジスターに基づいているが、電界効果形ＣＭＯＳ装置やガリウム砒素装置などの他のアクティブ装置も使用可能である。電界効果形トランジスターや他の“二乗”伝達関数装置の場合には、三次項、即ち立方形項は既に比較的小さいが、この方法を使用すると線形性を大幅に改善でき、電力消費量やノイズ特性についてほとんど悪影響を与えることはない。
【００１８】
図２に示した変換器は多数の用途に使用できる。一例のみを参考として図３に示す。図２に示すように、この変換器はシングル・エンド入力用として接続する。ＡＣ信号についてはコンデンサーＣ２によって入力ＩＮ２を接地し、ＤＣをブロックするために、他方の入力ＩＮ１に結合コンデンサーＣ１を設ける。図３に示すように、出力ＯＵＴ１及びＯＵＴ２をギルバート型周波数変換機または周波数ミクサーに接続し、局部発振器の差動出力信号ｌｏ、ｌｏ＋とのスーパーヘテロダインによって入力信号ｒｆの周波数を変換する。
【００１９】
上記ミクサーの場合、トランジスターＴ５及びＴ６をロングテイルペアとして接続し、テール電流を変換器１の出力ＯＵＴ１によって供給する。トランジスターＴ７及びＴ８からなる別なロングテイルペアについても同様に、そのテール電流を変換器１の出力ＯＵＴ２によって供給する。トランジスターＴ６及びＴ７のベースについては入力ＩＮ３に接続し、そしてトランジスターＴ５及びＴ８のベースについては入力ＩＮ４に接続する。また、トランジスターＴ５及びＴ７のコレクターについては負荷抵抗器Ｒ７を介して給電線ｖｃｃに接続し、そしてトランジスターＴ６及びＴ８のコレクターについては負荷抵抗器Ｒ８を介して給電線ｖｃｃに接続する。ミクサーの出力は負荷抵抗器Ｒ７及びＲ８の両端に現われる。従って、バランスの取れた出力信号、即ち差動出力信号が必要な場合には、これは両抵抗器Ｒ７及びＲ８の両端から取り出すことができる。あるいは、シングル・エンド出力、即ちバランスの取れていない出力が必要な場合には、これは抵抗器Ｒ７、Ｒ８のいずれかの両端から取り出すことができる。
【００２０】
図３に示すミクサーの場合、線形性が改善されるため、ミクサーからより純粋な出力信号が得られる。例えば、三次歪み項が減少すると、あるいはこれがなくなると、ミクサー出力における三次高調波歪み成分が減少するか、実質的になくなる。
【００２１】
図３に示すのと実質的に同じ回路構成を使用すると、例えば無線受信機における利得制御を得ることができる。例えば、図３に示す形として中間周波数（ＩＦ）増幅器を構成することができる。この場合、トランジスターＴ５〜Ｔ８は増幅段として作用し、変換器１が自動利得制御電圧を受信し、増幅器の利得を制御する。
【００２２】
【発明の効果】
以上の本発明によれば、第１の主トランスコンダクタンス段に第２トランスコンダクタンス段を逆相接続することによって、立方形項などのトランスコンダクタンスの非線形項を実質的に相殺できるか、あるいは大幅に減らすことができる。主トランスコンダクタンス段よりも電力の散逸量を実質的に少なくした第２トランスコンダクタンス段、即ち“コレクター”トランスコンダクタンス段を、ノイズを少なくするために、主トランスコンダクタンス段に並列接続する。主トランスコンダクタンス段のトランスコンダクタンスがコレクター段よりも実質的に大きいため、主トランスコンダクタンス段がそのまま支配的なノイズ源になり、従ってノイズ特性が劣化することは実質的にない。
【００２３】
このように、電力散逸やノイズ特性などの性能を実質的に劣化することなく、即ちこれら性能を許容できない程劣化することなく、線形性を実質的に改善した電圧電流変換器を提供することができる。このためには、比較的ごくわずかな数の成分を変換器に付加するだけでよく、コスト高を招くこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知電圧電流変換器の回路図である。
【図２】本発明の一つの実施態様を構成する電圧電流変換器の回路図である。
【図３】スーパーヘテロダイン受信機のミクサー段に図２の変換器を適用した例を示す回路図である。
【符号の説明】
１：変換器
Ｔ１〜Ｔ８：トランジスター
Ｒ１〜Ｒ４：抵抗器
ＣＣ１〜ＣＣ２：定電流源
ＯＵＴ１〜ＯＵＴ２：出力
ＩＮ１〜ＩＮ４：入力
Ｃ１〜Ｃ２：コンデンサー

Claims

第１伝導形の第１アクティブ装置（Ｔ１）及び第２アクティブ装置（Ｔ２）と第１テール（tail）電流源（ＣＣ１）とを有する第１ロングテイルペア（long tail pair）であって、前記第１アクティブ装置（Ｔ１）は変換器の第１出力（OUT １）を形成する出力端子、変換器の第１入力（ＩＮ１）を形成する制御端子及び共通端子を有し、前記第２アクティブ装置（Ｔ２）は変換器の第２出力（OUT ２）を形成する出力端子、変換器の第２入力（ＩＮ２）を形成する制御端子及び共通端子を有してなる第１ロングテイルペアと、
前記第１伝導形とは逆の第２伝導形の第３アクティブ装置（Ｔ３）及び第４アクティブ装置（Ｔ４）と第２テール電流源（ＣＣ２）とからなる第２ロングテイルペアであって、前記第３アクティブ装置（Ｔ３）は、前記第１アクティブ装置（Ｔ１）の前記制御端子に接続した制御端子と前記第２アクティブ装置（Ｔ２）の前記共通端子に接続した出力端子とを有し、前記第４アクティブ装置（Ｔ４）は、前記第２アクティブ装置（Ｔ２）の前記制御端子に接続した制御端子と前記第１アクティブ装置（Ｔ１）の前記共通端子に接続した出力端子とを有してなる第２ロングテイルペアとからなり、
前記第１アクティブ装置（Ｔ１）及び前記第２アクティブ装置（Ｔ２）の前記共通端子は、前記第１テール電流源（ＣＣ１）に実質的に等しい第１抵抗値をもつ第１抵抗器（Ｒ１）及び第２抵抗器（Ｒ２）を介してそれぞれ接続されることを特徴とする電圧電流変換器。
前記第１テール電流源（ＣＣ１）は、第１定電流源を含む請求項１記載の変換器。
前記第３抵抗器（Ｒ３）及び第４抵抗器（Ｒ４）は、前記第２テール電流源（ＣＣ２）に実質的に等しい第２抵抗値をもつ第３抵抗器（Ｒ３）及び第４抵抗器（Ｒ４）を介してそれぞれ接続される共通端子を有する請求項１又は２記載の変換器。
前記第２抵抗値は、前記第１抵抗値より大きい請求項３記載の変換器。
前記第２抵抗値は、前記第１抵抗値の実質的に４〜５倍である請求項４記載の変換器。
前記第２テール電流源（ＣＣ２）は、第２定電流源を含む請求項１〜５のいずれかに記載の変換器。
前記第１ロングテイルペアのテール電流は、前記第２ロングテイルペアのテール電流よりも大きい請求項１〜６のいずれかに記載の変換器。
前記第１ロングテイルペアのテール電流は、前記第２ロングテイルペアのテール電流の実質的に１０倍である請求項７記載の変換器。
前記第１〜第４アクティブ装置（Ｔ１〜Ｔ４）のそれぞれはバイポーラ・トランジスターを含み、このトランジスターの出力端子、制御端子及び共通端子は、それぞれコレクター電極、ベース電極及びエミッター電極を含む請求項１〜８のいずれかに記載の変換器。
前記第１〜第４アクティブ装置（Ｔ１〜Ｔ４）のそれぞれは電界効果トランジスターを含み、このトランジスターの出力端子、制御端子及び共通端子は、それぞれドレイン電極、ゲート電極及びソース電極を含む請求項１〜８のいずれかに記載の変換器。