JP6246482B2 - バイアス回路、増幅器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、バイアス回路および増幅器に関する。

増幅器、特に高周波増幅器におけるバイアス回路として、増幅トランジスタとは別に電流生成トランジスタを備えて、両トランジスタに流れる電流差に基づいて増幅トランジスタのバイアス電流を決定する方法が知られている。この方法では、電流生成トランジスタに流れる電流を予め設定することで、増幅トランジスタに流れる電流を決定することができる。

かかる方法では、周囲の環境変化（例えば周辺温度の上昇）によって電流生成トランジスタの電流が減少した場合に、増幅トランジスタの電流も減少してしまう。すなわち、周辺環境の変化による電流生成トランジスタの電流減少に伴い、増幅器の利得が減少する問題があった。

特開２００６−８１００９号公報

本発明は、周辺環境の変化によって生じる利得の減少を抑制することのできるバイアス回路とこれを用いた増幅器を提供することを目的とする。

実施形態に係るバイアス回路は、増幅素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路である。実施形態のバイアス回路は、周囲の温度変化に応じて出力電流が変化する特性をもつ第１の電流源と、前記第１の電流源とは異なる出力特性を有し出力電流を制御可能な第２の電流源とを有する。さらに、実施形態のバイアス回路は、前記第１の電流源の出力電流および前記第２の電流源の出力電流を比較する比較部と、前記比較部の比較結果に基づいて前記第２の電流源の出力電流を制御するとともに、前記比較結果に応じたバイアス電圧を前記増幅素子に供給するバイアス供給部とを有する。

第１の実施形態に係る増幅器の構成を示すブロック図である。 図１に示す第１の電流源１０の電圧−電流特性を示す図である。 図１に示す第２の電流源１２の電圧−電流特性を示す図である。 図１に示す第２の電流源１２の出力端における電圧と電流の関係を示す図である。 図１に示す増幅素子Ｑ_１のドレイン電圧−ドレイン電流特性を示す図である。 第２の実施形態に係る増幅器の構成例を示す回路図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。図１に示すように、第１の実施形態の増幅器１は、第１の電流源１０と、第２の電流源１２と、増幅素子Ｑ_１と、比較部１８とを有している。

第１の電流源１０は、温度依存性をもち所定の電流を出力する電流源である。図２に示すように、第１の電流源１０は、出力端の電圧に対して出力電流が依存しない特性を有しており、無限もしくは非常に大きい（例えば１ｋΩ以上）出力抵抗をもっている。

第２の電流源１２は、第１の電流源１０よりも温度依存性が小さく制御端子Ctrlに与えられる制御信号（制御電圧）により出力を制御可能な電流源である。図３に示すように、第２の電流源１２は、出力端の電圧に対して出力電流が依存する特性を有しており、有限の（例えば数百Ω程度）の出力抵抗をもっている。

図１に示すように、第１の電流源１０は、流れる電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換部１４を介して電源ＶＤＤおよび基準電位ＶＳＳに接続されている。同様に、第２の電流源１２は、流れる電流を電圧に変換するＩ／Ｖ変換部１６を介して電流ＶＤＤおよび基準電位ＶＳＳに接続されている。Ｉ／Ｖ変換部１４および１６は、例えば抵抗器などにより実現することができる。第２の電流源１２の制御端子Ctrlは、増幅素子Ｑ_１のゲートと接続されている。

増幅素子Ｑ_１のドレインは電源ＶＤＤおよび出力端子ＯＵＴに接続されており、同じくソースは基準電位ＶＳＳに接続されている。増幅素子Ｑ_１は、例えばＣ−ＭＯＳタイプの温度依存性をもっており、周囲の温度が上昇すると利得が維持または減少する特性をもつ。電源ＶＤＤおよび基準電位ＶＳＳの温度依存特性は、無視できる程度に十分小さい。また、増幅素子Ｑ_１のゲートは、第２の電流源１２の制御端子Ctrlおよび入力端子ＩＮに接続されている。すなわち、増幅器１は、ソース接地回路と二つの電流源を組み合わせたバイアス回路とを有している。

比較部１８は、第１の電流源１０およびＩ／Ｖ変換部１４の接続点と、第２の電流源１２およびＩ／Ｖ変換部１６の接続点との間（図１中、Ａ−Ｂ間）の電位差を検出し、該検出結果に基づいて第２電流源１２の制御端子Ctrlに与える制御信号を生成する。比較部１８は、図１中のＡ−Ｂ間の電位差が小さくなるように（あるいはゼロになるように）制御信号を制御する。

以下、増幅器１のバイアス供給動作について説明する。第１の電流源１０を流れる電流をＩ_１、第２の電流源１２を流れる電流をＩ_２、Ｉ／Ｖ変換部１４において電流を電圧に変換する変換係数をＲ_１、同じくＩ／Ｖ変換部１６において電流を電圧に変換する変換係数をＲ_２とすると、電流Ｉ_２は、数式１および数式２のように表すことができる。

すなわち、変換係数Ｒ_１、Ｒ_２を適切に選ぶことで、温度依存性をもつ電流Ｉ_１の値を電流Ｉ_２にコピーすることができる。電流Ｉ_１の値が電流Ｉ_２にコピーされる状態に収束すると、比較部１８は制御電圧を安定したバイアスとして増幅素子Ｑ_１に供給することが可能になる。具体的には、制御電圧は増幅素子Ｑ_１のゲートに供給され、増幅素子Ｑ_１は、入力端子ＩＮに入力された信号を増幅して出力端子ＯＵＴに出力する。

このように、この実施形態の増幅装置１では、温度依存性や出力特性（出力抵抗）の異なる二つの電流源を、それぞれ電流−電圧変換器を介して電源ＶＤＤと基準電位ＶＳＳの間に接続している。そして、第２の電流源１２の制御電圧（またはそれに応じた電圧）がバイアスとして増幅素子Ｑ_１のゲートに供給される構成を有している。

ここで、図４および図５を参照して、実施形態の増幅器１において、温度に対して利得が過補償となる原理を詳細に説明する。なお、図５において増幅素子Ｑ_１は有限の出力抵抗を持つように描かれているが、「非常に大きな出力抵抗をもつ」ものとみなして構わない。

まず、常温において第２の電流素子１２の動作点が図４中ａ点、増幅素子Ｑ_１の動作点が図５中ｅ点であるものとする。増幅器１の周囲の温度が上昇すると、その温度依存性により、第１の電流源１０の出力電流Ｉ_１も上昇する。電流Ｉ_１が上昇すると、Ｉ／Ｖ変換部１４において変換される電圧値も上昇してＩ／Ｖ変換部１４における電圧降下が大きくなる。従って、図１中Ａ点の電圧（基準電位ＶＳＳに対する電位。以下同様。）が低下する。

前述したとおり、比較部１８は、図１中Ａ点とＢ点の電位差が小さくなるように（Ｉ／Ｖ変換部１４における電圧降下（Ｉ_１×Ｒ_１）とＩ／Ｖ変換部１６における電圧降下（Ｉ_２×Ｒ_２）とが等しくなるように）制御電圧を増加する。その結果、第２の電流源１２の出力電流Ｉ_２が増加するため、第２の電流源１２の動作点が図４中ａ点からｂ点に移動し、増幅素子Ｑ_１の動作点が図５中ｅ点からｆ点へ移動する（図４中（１）、図５中（ｉ））。

第２の電流源１２の出力電流Ｉ_２が増加すると、Ｉ／Ｖ変換部１６における電圧降下が大きくなるから、図１中Ｂ点の電圧は低下する。すると、図３に示すように第２の電流源１２は出力端の電圧（Ｂ点の電圧）に対して電流依存性を有する（有限の出力抵抗をもつ）ので、第２の電流源１２の出力電流が低下して動作点が図４中ｂ点からｃ点に移動する（図４中（２））。

一方、増幅素子Ｑ_１のドレイン電圧は電源ＶＤＤにより固定されているので、増幅素子Ｑ_１の動作点は図５中ｆ点のまま移動しない。

動作点がｂ点からｃ点に移動して出力電流Ｉ_２が低下することにより、電流Ｉ_２の値が電流Ｉ_１よりも低くなる。すると、比較部１８は、数式１が成立するように制御電圧をさらに上昇させて電流Ｉ_２を増加させる。その結果、第２の電流源１２の動作点は、図４中ｃ点からｄ点に移動する（図４中（３））。一方、増幅素子Ｑ_１の動作点は、制御電圧の上昇に伴いバイアスたるゲート電圧が増加し、図５中ｆ点からｇ点に移動する（図５中（ｉｉ））。すなわち、増幅素子Ｑ_１のドレイン電流が増加する。

このように、この実施形態の増幅器１では、温度依存性や出力特性の異なる二つの電流源を組み合わせてバイアス回路を構成したので、電流源の出力電流の上昇につながる温度上昇などが生じた場合でも、供給するバイアス電圧を上昇させることができる。すなわち、温度の上昇に応じて増幅利得を上昇傾向とすることができ、温度に対して過補償特性を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、図６を参照して、第２の実施形態の増幅器について詳細に説明する。図６に示すように、実施形態の増幅器２は、温度依存性を持つ電源Ｖ_ｃｔｒｌによりゲート電圧が制御されるトランジスタＱ_２０と、トランジスタＱ_２２と、トランジスタＱ_２と、オペアンプ２８とを有している。ここで、トランジスタＱ_２０は第１の実施形態における第１の電流源１０と対応し、トランジスタＱ_２２は同じく第２の電流源１２と対応し、トランジスタＱ_２は同じく増幅素子Ｑ_１と対応し、オペアンプ２８は同じく比較部１８と対応している。

トランジスタＱ_２０のドレインは、抵抗器Ｒ_２４の一端と接続されており、抵抗器Ｒ_２４の他端は、電源ＶＤＤと接続されている。トランジスタＱ_２０のソースは、基準電位ＶＳＳと接続されている。同様に、トランジスタＱ_２２のドレインは、抵抗器Ｒ_２６の一端と接続されており、抵抗器Ｒ_２６の他端は、電源ＶＤＤと接続されている。トランジスタＱ_２２のソースは、基準電位ＶＳＳと接続されている。なお、トランジスタＱ_２０のゲートは、負極が基準電位ＶＳＳに接続され温度依存性をもつ電源Ｖ_ｃｔｒｌの正極が接続されており、トランジスタＱ_２２のゲート端子およびトランジスタＱ_２のゲート端子は、高周波成分をカットするインダクタＬ_３０を介して互いに接続されている。なお、トランジスタＱ_２０は、出力抵抗を高めるためカスコード形式をとってもよい。また、トランジスタＱ_２０の出力抵抗は、トランジスタＱ_２２の出力抵抗よりも高いので、トランジスタＱ_２０およびＱ_２２のチャネル長をそれぞれＬ_２０，Ｌ_２２とすると、Ｌ_２０＞Ｌ_２２の関係を満たすことになる。

トランジスタＱ_２２の出力抵抗（ドレイン−ソース間抵抗）は、トランジスタＱ_２０の出力抵抗（同）よりも低くなるように構成される。例えば、トランジスタＱ_２０の出力抵抗が１ｋΩ程度以上であるのに対して、トランジスタＱ_２２の出力抵抗は数百Ω程度以下のオーダーとされている。すなわち、トランジスタＱ_２０のチャネル長は、トランジスタＱ_２２のチャネル長よりも長く構成されている。

抵抗器Ｒ_２４および抵抗器Ｒ_２６は、それぞれトランジスタＱ_２０およびトランジスタＱ_２２の出力電流を電圧に変換する作用をする。

オペアンプ２８の反転入力は、トランジスタＱ_２０のドレイン（図６中Ｃ点）に接続され、同じく非反転入力は、トランジスタＱ_２２のドレイン（同Ｄ点）に接続されている。また、オペアンプ２８の出力は、トランジスタＱ_２２のゲートに接続されている。オペアンプ２８は、図６中Ｃ点およびＤ点の電圧差がゼロになるように、トランジスタＱ_２２のゲート端子に印加される電圧を制御する。

トランジスタＱ_２のドレインは、整合回路３４を介して、電源ＶＤＤに接続されている。また、トランジスタＱ_２のゲートは、整合回路３２を介して入力端子ＩＮと接続されている。

整合回路３４は、電源ＶＤＤとトランジスタＱ_２のドレインの間の直流抵抗が非常に小さくなるように構成されている。そのため、トランジスタＱ_２のドレイン電位の直流成分は、電源ＶＤＤの電圧値とほぼ等しくなる。

この実施形態の増幅器２のバイアス供給動作は、第１の実施形態に係る増幅器１の動作と同様である。トランジスタＱ_２０の出力電流をＩ_２０、トランジスタＱ_２２を流れる電流をＩ_２２とすると、オペアンプ２８の制御の結果、図６中Ｃ点の電位と同Ｄ点の電位とが等しくなるから、トランジスタの出力抵抗が十分に大きければ抵抗器Ｒ２４での電圧降下と抵抗器Ｒ_２６での電圧降下とがほぼ等しくなる。従って、電流Ｉ_２２は数式３のように表すことができる。

すなわち、抵抗器Ｒ_２４、Ｒ_２６の値を適切に選ぶことで、温度依存性をもつ電流Ｉ_２０の値を電流Ｉ_２２にコピーすることができる。電流Ｉ_２０の値が電流Ｉ_２２にコピーされる状態に収束すると、比較部１８は制御電圧を安定したバイアスとして増幅素子Ｑ_２に供給することが可能になる。具体的には、制御電圧はトランジスタＱ_２のゲートに供給され、トランジスタＱ_２は、入力端子ＩＮに入力された信号を増幅して出力端子ＯＵＴに出力する。

（第２の電流源を飽和領域で動作させる条件）
図６に示すような構成の増幅器２において、第１の実施形態と同様に、周囲の温度環境が高温となった場合にも、第２の電流源たるトランジスタＱ_２２が飽和領域で動作するための条件について考察する。

トランジスタＱ_２２が飽和領域で動作するためには、トランジスタＱ_２２のドレイン−ソース間電圧がトランジスタＱ_２２のオーバードライブ電圧よりも高ければよい。温度環境が高い場合におけるトランジスタＱ_２２のドレイン−ソース間電圧をＶ_{２２ｄｓＨ}、同じくゲートソース電圧をＶ_{２２ｇｓＨ}、同じく閾値電圧をＶ_２２ｔ、オーバードライブ電圧をＶ_{２２ＯＶＨ}とすると、数式４のように表すことができる。

トランジスタＱ_２２のドレイン−ソース間電圧は、電源ＶＤＤの電圧から抵抗器Ｒ_２６の電圧降下を減じたものとなる。トランジスタＱ_２２の出力電流をＩ_２２Ｈとすると、数式４は数式５のように変形できる。

ここで、オペアンプ２８が動作して収束すると、トランジスタＱ_２０のドレイン−ソース間電圧Ｖ_{２０ｄｓＨ}とトランジスタＱ_２２のドレイン−ソース間電圧Ｖ_{２２ｄｓＨ}とが等しくなるから、トランジスタＱ_２０の出力電流をＩ_２０Ｈ、トランジスタＱ_２２の出力電流をＩ_２２Ｈとすると、数式６が成立する。

一方、トランジスタＱ_２０の常温時のドレイン電圧をＶ_{２０ｄｓＬ}とすると、数式７が成り立つ。

トランジスタＱ_２０の常温時の出力電流Ｉ_２０Ｌから高温時の出力電流Ｉ_２０Ｈの変化量をΔＩ_２０（＝Ｉ_２０Ｈ−Ｉ_２０Ｌ）とし、数式６および数式７を数式５に当てはめると、数式８が得られる。

すなわち、高温環境時におけるトランジスタＱ_２２のオーバードライブ電圧が、常温環境時におけるトランジスタＱ_２２のドレイン電圧（ドレイン−ソース間電圧）から、常温から高温へ環境が変化した場合におけるトランジスタＱ_２０の出力電流の変化ΔＩ_２０と抵抗器Ｒ_２４の抵抗値の積を減じた値よりも小さければ、高温環境下においてもトランジスタＱ_２２を飽和状態で動作させることができる。

このように、数式８を満たすような回路構成をとることにより、第１の実施形態と同様に、高温環境時において出力電流を過補償とする特性のバイアス回路、増幅器を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…増幅器、１０…第１の電流源、１２…第２の電流源、１４，１６…Ｉ／Ｖ変換部、１８…比較部、Ｑ_１…トランジスタ。

Claims (7)

1. 増幅素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路であって、
   周囲の温度変化に応じて出力電流が変化する特性をもつ第１の電流源と、
   前記第１の電流源とは異なる出力特性を有し出力電流を制御可能な第２の電流源と、
   前記第１の電流源の出力電流および前記第２の電流源の出力電流を比較する比較部と、
   前記比較部の比較結果に基づいて前記第２の電流源の出力電流を制御するとともに、前記比較結果に応じたバイアス電圧を前記増幅素子に供給するバイアス供給部と、
   を具備するバイアス回路。
2. 前記第２の電流源は、前記第１の電流源の出力抵抗よりも低い出力抵抗を有することを特徴とする請求項１記載のバイアス回路。
3. 前記第１の電流源および電源に接続され前記第１の電流源の出力電流に応じた第１の電圧を発生する第１の変換部と、
   前記第２の電流源および前記電源に接続され前記第２の電流源の出力電流に応じた第２の電圧を発生する第２の変換部とをさらに備え、
   前記比較部は、前記第１の電流源と前記第１の変換部との接続点と、前記第２の電流源と前記第２の変換部との接続点の電位差を比較することで、前記第１の電流源の出力電流および前記第２の電流源の出力電流それぞれを比較することを特徴とする請求項１記載のバイアス回路。
4. 増幅トランジスタにバイアス電圧を供給するバイアス回路であって、
   周囲の温度変化に応じて変化するバイアス電圧がゲートに供給されソースが接地された第１のトランジスタと、
   一端が前記第１のトランジスタのドレインと接続され、他端が電源に接続された第１の抵抗器と、
   ソースが接地された第２のトランジスタと、
   一端が前記第２のトランジスタのドレインと接続され、他端が前記電源に接続された第２の抵抗器と、
   前記第１のトランジスタのドレイン電圧および前記第２のトランジスタのドレイン電圧を比較し、それらの差に応じた値の制御電圧を前記第２のトランジスタのゲートに供給するとともに、バイアス電圧として前記増幅トランジスタのゲートに供給するオペアンプと、
   を具備し、
   前記第２のトランジスタは、前記第１のトランジスタとは異なる出力抵抗を有すること
   を特徴とするバイアス回路。
5. 前記第１のトランジスタのチャネル長は、前記第２のトランジスタのチャネル長よりも長いことを特徴とする請求項４記載のバイアス回路。
6. 前記第２のトランジスタの常温時のドレイン電圧をＶ_ｄｓ、前記常温時よりも温度の高い高温時における前記第２のトランジスタのオーバードライブ電圧をＶ_ｏｖ、前記第１の抵抗器の抵抗値をＲ_１、前記常温時から前記高温時に周囲の環境が変化した場合における前記第１のトランジスタの出力電流の変化をΔＩとしたとき、
   Ｖ_ｏｖ＜Ｖ_ｄｓ−ΔＩＲ_１
   を満足することを特徴とする請求項４記載のバイアス回路。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のバイアス回路を具備した増幅器。

Images