JP4765036B2

JP4765036B2 - 改善された線形性を有する可変利得増幅器

Info

Publication number: JP4765036B2
Application number: JP2001510981A
Authority: JP
Inventors: ケン、エル．フォン
Original assignee: エスティー‐エリクソン、ソシエテ、アノニム
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: WO2001006644A1; DE60027128D1; EP1127408A1; EP1127408B1; DE60027128T2; JP2003505904A; US6211737B1

Description

【０００１】
産業上の利用分野
本発明は一般的に利得制御増幅器の回路、より詳細には、高利得モードから１段階もしくはそれ以上低い利得モードに切換える際の線形性を改善するフィードバック技術に関するものである。
【０００２】
従来の技術
可変利得増幅器（以下、ＶＧＡとも云う）は、グローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）による受信機、ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、およびコードレスならびにセルラー電話機といった携帯型通信機のような数多くの電子製品に使用されている。特にＶＧＡは、例えば、無線周波（ＲＦ）の入力段、中間周波数（ＩＦ）および低周波数またはベースバンド回路のようなさまざまな部品にも使用されている。
【０００３】
回路の線形性は各種のパラメータによって規定することができる。例えば、入力第３次のインターセプト点が、回路の伝達関数における第３次の非線形性を示すようにである。この第３次の非線形性に起因する理由によって、近接チャネルにおける望ましからざる２個の信号が、出力部において望ましい信号を損なうことがある出力第３次の相互変調積（ＩＭ３）を生む。線形回路の出力部における望ましい信号電力は、この回路の入力電力とともに直線的に増大する。しかしながら、出力ＩＭ３の電力は、入力電力の３乗に比例して増加する。入力第３次のインターセプト点は入力電力のレベルであり、その水準で回路の出力部における望ましい信号電力は出力ＩＭ３の電力と等しくなる。
【０００４】
図１は、セルラー電話のごときワイヤレス・システムの受信回路を介して伝送する無線周波信号のような入力信号を増幅する典型的な低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１０を示す。同調器または前段の増幅器のようなソースから送られる入力信号を受信するための信号入力部ＲＦ_ｉｎが備えられている。入力信号は、ＮＰＮ接合トランジスタＱ_１のベースに供与される。縮退インピーダンスＺ_ｅは、トランジスタＱ_１のエミッタと接地端子間に結合される。トランジスタＱ_１とインピーダンスＺ_ｅは、共通エミッタの相互コンダクタンス・ステージとして機能する。
【０００５】
ＮＰＮ接合トランジスタＱ_２は、カスコード構成をなしてトランジスタＱ_１に接続される。トランジスタＱ_２のエミッタは、トランジスタＱ_１のコレクタに接続される。トランジスタＱ_２のベースには、オン・チップまたはオフ・チップのいずれかになり得るバイアス回路からのバイアス電圧が供与される。抵抗器Ｒ_１とインダクタＬ_１は、トランジスタＱ_２のコレクタとコレクタ電圧源Ｖｃｃとの間に結合される。コンデンサＣ_１は、トランジスタＱ_２のコレクタと低ノイズ増幅器１０の出力部ＲＦ_ｏｕｔとの間に配置される。
【０００６】
抵抗器Ｒ_１は、低ノイズ増幅器１０の出力インピーダンスと、出力部ＲＦ_ｏｕｔに結合される負荷インピーダンスに対して整合機能を発揮する出力整合抵抗器である。インダクタＬ_１とコンデンサＣ_１は、負荷インピーダンスと整合させるために抵抗器Ｒ１によって規定される出力インピーダンスを変換するインピーダンス変換ネットワークを形成する。同様にインダクタＬ_１もトランジスタＱ_２のコレクタの位置で、許容電圧を上げるプルアップインダクタとして機能する。
【０００７】
図１に示す増幅器の利得は、既知の電流分配もしくは電流分割技術を用いて離散ステップにおいて制御される。相互コンダクタンス・デバイスＱ_１のコレクタと結合するエミッタと電源Ｖｃｃに結合するコレクタとを有してＮＰＮトランジスタＱ_３の形態をとるスイッチは、このスイッチに導電性もしくは不導電性に切換えさせるためにベースＢの位置で制御信号が与えられる。スイッチＱ_３が不導電性状態にある場合、増幅器は高利得モードになって相互コンダクタンス・ステージからの電流の全てが出力部ＲＦ_ｏｕｔに伝えられる。スイッチＱ_３が導電性状態にある場合、増幅器は低利得モードになって出力部からの電流が転換されると同時にスイッチＱ_３によって電源にダンプ送り出されることにより、入力部ＲＦ_ｉｎに関して出力部ＲＦ_ｏｕｔにおける利得を減少させる。言い換えれば、トランジスタＱ_２からの電流は、２径路に分割され、トランジスタＱ_３を介して転換された電流の一部と、出力部に送られる残りの電流とになる。この電流分割技術では、２個の利得モード間の利得ステップは、トランジスタＱ_２とＱ_３のデバイスサイズの比に依存する（エミッタの全てが同じノードと結びつくことによって）。この利得制御機構は、トランジスタＱ_２およびＱ_３と並列に複数の負荷トランジスタを接続することによって拡張させることができる（エミッタの全てが同じノードと結びつくことによって）。
【０００８】
図１に示す利得制御機構の不利益点は、ＶＧＡが高低両利得モードにおいて同じ線形性を示す点である。多くのアプリケーションにおいて、ＶＧＡが高利得モードから低利得モードに切換えられる場合、ＶＧＡにはより高い線形性が必要とされる。ＶＧＡが低利得モードに切換えられる場合に入力信号電力が概して高いので、高い線形性が望まれている。
【０００９】
高利得モードから低利得モードに切換える場合にＶＧＡの線形性を改善する新技術を生み出すことが望まれる。
【００１０】
発明の概要
本発明による様々な利点は、少なくとも増幅器のような電子回路を提案することによって達成されるものであり、それには以下のものが含まれる。すなわち、（ｉ）入力信号電力を信号電流に変換し、その電流を回路の出力部に供与する相互コンダクタンス・ステージ、（ii）出力部から送られる電流を選択的に転換するために相互コンダクタンス・ステージに結合した電流転換分岐回路、（iii）相互コンダクタンス・ステージの入力部に対し出力部からの転換された電流の一部をフィードバックさせるフィードバック・ネットワークである。可変利得増幅器として使用される場合、電流転換分岐回路は、回路の利得を高レベルから一つ以上の低レベルに変更するように機能する。
【００１１】
本発明は、図１を参照して説明したように、既知のＶＧＡに見られるようなＶＧＡの線形性は、相互コンダクタンス・ステージの線形性によって支配されるという認識に部分的に基づいている。転換電流の一部を入力部にフィードバックすることによって、単数または複数の低利得モードにおける回路の線形性を改善する。さらに、フィードバック・ネットワークが入力部と出力部を結合しない以上、入力部に関して出力部の分離は弱められない。
【００１２】
提案する発明による一局面に関して、相互コンダクタンス・ステージには、バイポーラ・トランジスタのベース、または入力信号の受信用に結合されているＭＯＳトランジスタのゲートのような制御端子を有する第１トランジスタが含まれる。縮退インピーダンスは、第１トランジスタのエミッタまたはソースのような主電流電極と接地端子との間に設けても良い。
【００１３】
本発明による今一つの局面によれば、電流転換分岐回路には、バイアス電圧を受けて切換えのコンダクタンスを制御し、これによって前記電流転換分岐回路を介して転換された電流を制御する切換トランジスタが含まれる。この回路には幾つかの利得モードを有する増幅器を実現するために複数の電流転換分岐回路を含めてもよい。この回路には、改善された線形性を望む目的で利得モードの数に依存する２個以上のフィードバック・ネットワークを設置してもよい。
【００１４】
本発明によるさらなる別の局面によれば、フィードバック・ネットワークには、電流転換分岐回路のスイッチングトランジスタの出力端子と相互コンダクタンス・ステージの入力部との間を結ぶインピーダンス・ネットワークが含まれる。本発明は、同様に１個または２個以上の利得モードの線形性を改善するために、可変利得増幅器の出力部から転換される電流の一部をフィードバックする方法に関するものである。
【００１５】
本発明による特徴と利点を示すかかるがごとき目的は、以下に示す詳細な説明と図を参照することによって明らかになろう。
【００１６】
本発明は電子回路の分野では一般的に適用可能であるにしても、本発明を実現するための最善のモードは、部分電流フィードバックを用いた可変利得増幅器に関する実現に部分的に基づくものである。図２を参照することによって、本発明による低ノイズ増幅器１００は、信号、例えば受信回路の前段としてのソースから、ワイヤレス・システムの受信回路を介して伝達する無線周波信号を供給するための信号入力部ＲＦ_ｉｎ、を備えている。例えば、増幅器１００は０．９ＧＨｚで動作することができるようにである。
【００１７】
入力信号はＮＰＮ接合トランジスタＱ_１のベースに供与される。縮退インピーダンスＺ_ｅは、トランジスタＱ_１のエミッタと接地端子との間に結合される。例えば、１ｎＨから３ｎＨまでの範囲内で選択されるインダクタンスを有するインダクタは、縮退Ｚ_ｅとして使用することができる。トランジスタＱ_１とインピーダンスＺ_ｅは、入力信号の電力をトランジスタＱ_１のコレクタ上に生ずる電流に変換させる、共通エミッタ相互コンダクタンス・ステージ１１０として機能する。インピーダンスＺ_ｅは好ましいが、トランジスタＱ_１のエミッタを直接接地しても差し支えない。
【００１８】
ＮＰＮ接合トランジスタＱ_２は、相互コンダクタンス・ステージから増幅器１００の出力部ＲＦ_ｏｕｔを分離するためにカスコード構成としてトランジスタＱ_１に結合する。例えば、トランジスタＱ_２のベースには、バイアス入力Ｂｉａｓから約２Ｖのバイアス電圧が供給される。このバイアス電圧は、オン・チップ回路またはオフ・チップ回路のいずれかによって供給されてもよい。抵抗器Ｒ_１とインダクタＬ_１は、トランジスタＱ_２のコレクタとコレクタの電圧ソースＶｃｃとの間に結合される。例えば、コレクタ電圧を約３Ｖにすることができる。
【００１９】
コンデンサＣ_１は、トランジスタＱ_２のコレクタと低ノイズ増幅器１００の出力部ＲＦ_ｏｕｔとの間に配置される。例えば、動作周波数０．９ＧＨｚについては、コンデンサＣ_１の静電容量が１ｐＦとなるように選択することができ、抵抗器Ｒ_１の抵抗値は２００オームとすることができ、かつインダクタＬ_１のインダクタンスは５ｎＨとなるように選択することができる。
【００２０】
抵抗器Ｒ_１は、出力部ＲＦ_ｏｕｔに結合された負荷のインピーダンスと低ノイズ増幅器１００の出力インピーダンスを整合させる出力整合抵抗器として機能する。インダクタＬ_１とコンデンサＣ_１は、負荷のインピーダンスと増幅器１００の出力インピーダンスを整合させる出力インピーダンス変換ネットワークを形成する。インダクタＬ_１も同様に、トランジスタＱ_２のコレクタにおける許容電圧を上げるプルアップインダクタとして機能する。本発明はバイポーラ・トランジスタを例にとって開示されているが、電界効果トランジスタをトランジスタＱ_１およびＱ_２として使用しても良いことは、当業者には明らかであろう。
【００２１】
電流転換分岐回路１２０には、相互コンダクタンス・デバイスＱ_１のコレクタと結合するエミッタおよび電力供給部Ｖｃｃに結合するコレクタを有するＮＰＮ型トランジスタＱ_３が含まれる。トランジスタＱ_３は、導電状態と不導電状態を切換えるためにベースＢ_１に制御信号が供給される。スイッチＱ_３が不導電状態にある場合、増幅器は高利得モードとなって相互コンダクタンス・ステージから送られる電流は全て出力部ＲＦ_ｏｕｔに伝えられる。スイッチＱ_３が導電状態にある場合、電流はスイッチＱ_３によってトランジスタＱ_１から電源に転換され、これによって出力部ＲＦ_ｏｕｔに供与される電流が減少し、入力部ＲＦ_ｉｎに対して出力部ＲＦ_ｏｕｔで利得が下がるので、増幅器は低利得モードとなる。
【００２２】
低利得モードに切換えられる場合、低ノイズ増幅器１００の線形性を改善するために、出力部ＲＦ_ｏｕｔから転換された電流が少なくとも部分的に相互コンダクタンス・ステージの入力部、この例では入力部ＲＦ_ｉｎに、フィードバックされるようにフィードバック・ネットワーク１３０が配置される。フィードバック・ネットワークには、スイッチＱ_３のコレクタと電力供給部Ｖｃｃとの間に結合される抵抗器Ｒ_２、およびトランジスタＱ_３のコレクタとトランジスタＱ_１のベースとの間に結合されるフィードバック・コンデンサＣ_２が含まれる。フィードバック・コンデンサＣ_２は、トランジスタＱ_１の内部静電容量であっても良い。
【００２３】
出力部からの電流を転換するためにトランジスタＱ_３にバイアスされると、トランジスタＱ_３を通過する転換電流の一部は、分流フィードバック・ネットワーク１３０を介してトランジスタＱ_１のベースで相互コンダクタンス・ステージの入力部にフィードバックされる。この例では、ネットワークには切換トランジスタＱ_３の出力端子（この例ではコレクタ）と電力供給部Ｖｃｃとの間に結合される抵抗器Ｒ_２、およびトランジスタＱ_３の出力端子とトランジスタＱ_１の制御端子またはベースとの間に結合されるコンデンサＣ_２が含まれる。これ以外のインピーダンス要素を使用しても構わない。フィードバック電流は、低利得モードにおけるＬＮＡの線形性を改善する。
【００２４】
以下に示す表は、本発明による分流フィードバック・ネットワークに帰すべき理由によって入力第３次のインターセプト点（ＩＩＰ３）における改善効果を示すものである。測定は０．９ＧＨｚの入力信号で行われた。
【００２５】
【表１】

抵抗器Ｒ_２とコンデンサＣ_２の値は、ＬＮＡの入力リターンロス（ソースに戻される入力電力量）と妥協することなく、低利得モードにおける線形性の改善のために選択される。線形性はＲ_２およびＣ_２の値を上げることによって改善されるが入力リターンロスはそれに応じて減衰する。
【００２６】
回路の反転分離は、前記回路の出力部における信号による回路の入力に対する分離である。
【００２７】
増幅器に対する従来のフィードバック・ループは、増幅器の入力部と出力部間の結合を定着させ、それによって増幅器の反転分離を減らしている。これに対して、分流フィードバック・ネットワーク１３０は出力部ＲＦ_ｏｕｔと入力部ＲＦ_ｉｎを接続しないので、トランジスタＱ_２によってＶＧＡの反転分離を減衰させることはない。
【００２８】
トランジスタＱ_２のコレクタとトランジスタＱ_２およびＱ_３のエミッタ間にそれぞれ結合された抵抗器Ｒ_３およびＲ_４は、出力部ＲＦ_ｏｕｔと電流転換分岐回路１２０との間で電流の分割を制御している。２個の利得モード間の利得ステップは、抵抗器Ｒ_３およびＲ_４の抵抗比に依存する。例えば、抵抗器Ｒ_３およびＲ_４の抵抗値が同じならばこの利得ステップは６ｄＢとなる。電流分割の制御がトランジスタＱ_２およびＱ_３を欠く状態で達成され得るにしても、抵抗器Ｒ_３およびＲ_４の利用は制御能力を改善させる。一般的に、集積回路では、トランジスタに比べて抵抗器の方がはるかに厳しい公差で製作することができるので、抵抗器の利用は電流分割の制御をより厳密にさせる。抵抗器は典型的には充分な抵抗値があるので、電流分割はトランジスタのサイジングから独立的になる。同様に、抵抗器Ｒ_３およびＲ_４はまた低利得モードにおけるトランジスタＱ_２およびＱ_３から生ずるノイズ寄与を減少させる。
【００２９】
従って、増幅器１００は、縮退インピーダンスＺ_ｅによって与えられる直列帰還回路を有し、低利得モードにおける線形性を改善するために転換分岐回路１２０によって転換された電流のいかなる部分をフィードバックさせるのに有効なフィードバック・ネットワーク１３０によって与えられる付加的な分流帰還回路を備える。
【００３０】
図３は、本発明によって、さらなる利得モードを含むように拡張された回路を示すものである。図２の構成部分と一致する構成部分は同じ符号が与えられている。２個の付加された電流転換分岐回路１４０および１６０は、相互コンダクタンス・デバイスＱ_１のコレクタを介して相互コンダクタンス・ステージに結合され、抵抗器Ｒ_５とＮＰＮトランジスタＱ_４、および抵抗器Ｒ_６とさらなるＮＰＮトランジスタＱ_５をそれぞれ含む。分流フィードバック・ネットワーク１５０および１７０には、抵抗器Ｒ_７とコンデンサＣ_３、および抵抗器Ｒ_８とコンデンサＣ_４がそれぞれ含まれる。トランジスタＱ_４およびＱ_５に対応するベースＢ_２およびＢ_３は、トランジスタＱ_３のベースＢ_１に印加されたと同じように、第２、第３以上の利得モードを達成するために、出力部ＲＦ_ｏｕｔから送られる電流を転換したり転換されなかったりするのに必要な適切なバイアス電圧を受ける。抵抗器Ｒ_５およびＲ_６は、フィードバック・ネットワーク１５０および１７０と同様に、抵抗器Ｒ_４ならびにフィードバック・ネットワーク１３０に対してもそれぞれ対応する方法で機能する。デバイスＱ_４およびＱ_５のサイズ、ベースＢ_２およびＢ_３に印加されるバイアス電圧のレベル、ならびに抵抗器Ｒ_５およびＲ_６の抵抗値がさまざまな利得モードにおいて利得ステップを制御するために調整しても良いことを通常技術は知っている。
【００３１】
本明細書においては、本発明による好適な実施形態が開示・記述されているが、本発明はここに説明したような本発明の範囲内において変更および修正することができるものと認識すべきである。例えば、ＭＯＳデバイスは、すでに明らかにされたバイポーラ・デバイスの代わりに使用することができるといったようにである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＶＧＡに関する従来の電流分割回路図。
【図２】低利得モードにおいて線形性を改善する部分電流のフィードバックを有する本発明による回路図。
【図３】図２に類似する回路であるが、付加された利得モードを実行させる付加的電流転換分岐回路を示す図。
【符号の説明】
１００増幅器
１１０相互コンダクタンス・ステージ
１２０電流転換分岐回路
１３０フィードバック・ネットワーク
１４０電流転換分岐回路
１５０分流フィードバック・ネットワーク
１６０電流転換分岐回路
１７０分流フィードバック・ネットワーク

Claims

入力信号を受信する入力部と、
入力信号の電力を電流に変換する相互コンダクタンス・ステージと、
前記相互コンダクタンス・ステージに結合された分離ステージであって、前記入力信号と分離されて、前記相互コンダクタンス・ステージによって電流が供給される出力部を提供する、分離ステージと、
前記相互コンダクタンス・ステージに結合され、前記出力部から送られる電流を選択的に転換する第１転換分岐回路と、
前記第１転換分岐回路と前記入力部との間に結合され、前記第１転換分岐回路を介して前記出力部からの転換された電流の一部を前記入力部にフィードバックさせるフィードバック・ネットワークと、
を備えたことを特徴とする電子回路。
前記相互コンダクタンス・ステージは、前記入力部に結合されるベースと、前記出力部ならびに前記第１転換分岐回路に結合されるコレクタと、エミッタとを有するバイポーラ・トランジスタを含むことを特徴とする請求項１記載の電子回路。
前記相互コンダクタンス・ステージは、さらに前記バイポーラ・トランジスタの前記エミッタに結合されるエミッタ縮退インピーダンスを含むことを特徴とする請求項２記載の電子回路。
前記フィードバック・ネットワークは、第１静電容量および第１抵抗を備えるＲＣ対を含む分流フィードバック・ネットワークを備えたことを特徴とする請求項２記載の電子回路。
前記第１転換分岐回路は、（ａ）前記出力部から送られる電流を転換する導電状態、および（ｂ）前記出力部からの電流が転換されない不導電状態との間で制御可能なスイッチを含み、かつ、前記電子回路はさらに、前記バイポーラ・トランジスタの前記コレクタと前記出力部との間に結合されるカスコード・トランジスタを含むことを特徴とする請求項４記載の電子回路。
さらに前記バイポーラ・トランジスタの前記コレクタと前記カスコード・トランジスタとの間に結合される第２抵抗、および前記第１転換分岐回路の前記スイッチと前記バイポーラ・トランジスタの前記コレクタとの間に結合される第３抵抗、を備え、前記第１転換分岐回路を介して転換される電流の割合は、前記第２および第３抵抗に依存することを特徴とする請求項５記載の電子回路。
前記フィードバック・ネットワークはインピーダンスを含むことを特徴とする請求項１記の電子回路。
前記第１転換分岐回路は、前記出力部から送られる電流を転換する導電状態と、前記出力部から送られる電流が転換されない不導電状態との間で制御可能なスイッチを含み、かつ、前記電子回路は、さらに前記バイポーラ・トランジスタの前記コレクタと前記出力部との間で結合されるカスコード・トランジスタを含むことを特徴とする請求項１記載の電子回路。
さらに前記相互コンダクタンス・ステージと前記出力部との間に結合される第２抵抗、及び前記第１転換分岐回路に結合される第３抵抗を備え、前記第１転換分岐回路を介して転換される電流割合は、前記第２および第３抵抗に依存することを特徴とする請求項１記載の電子回路。
さらに前記相互コンダクタンス・ステージに結合されて前記出力部から送られる電流を選択的に転換する転換分岐回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の電子回路。
集積回路によって実現された請求項１記載の電子回路。
前記回路がＶＧＡである請求項１記載の電子回路。
入力信号の電力を出力部に供給する電流に変換する相互コンダクタンス・ステージを有する可変利得増幅器の線形性を改善する方法において、
前記相互コンダクタンス・ステージに入力信号を与えるステップと、
前記入力信号を、前記出力部から分離するステップと、
前記出力部からの電流を、前記出力部から分離されているように、転換するステップと、
前記出力部から転換された電流の一部を前記入力部にフィードバックさせるステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
入力信号を受信する入力部を有し、前記入力信号の電力を電流に変換してその電流を出力部に供給する相互コンダクタンス手段と、
前記入力信号を前記出力部から分離する分離手段と、
前記相互コンダクタンス手段に結合され、可変利得増幅器の利得を１つの利得レベルから、より低い低利得レベルに変更するために、前記出力部から前記相互コンダクタンス・ステージの電流を選択的に転換する電流転換手段と、
低利得レベルにおける可変利得増幅器の線形性を改善するために、前記出力部からの前記入力信号の分離を維持しながら、前記相互コンダクタンス手段の前記入力部に、前記電流転換手段によって転換される電流の一部をフィードバックさせるフィードバック手段と、
を備えたことを特徴とする可変利得増幅器。