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JPH0572132B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0572132B2
JPH0572132B2 JP12319688A JP12319688A JPH0572132B2 JP H0572132 B2 JPH0572132 B2 JP H0572132B2 JP 12319688 A JP12319688 A JP 12319688A JP 12319688 A JP12319688 A JP 12319688A JP H0572132 B2 JPH0572132 B2 JP H0572132B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fet
parallel
signal
source
attenuation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP12319688A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS63301610A (en
Inventor
Esu Baata Geerii
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tektronix Japan Ltd
Original Assignee
Sony Tektronix Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Tektronix Corp filed Critical Sony Tektronix Corp
Publication of JPS63301610A publication Critical patent/JPS63301610A/en
Publication of JPH0572132B2 publication Critical patent/JPH0572132B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Control Of Amplification And Gain Control (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は可変減衰器、特に電界効果トランジス
タ(FET)を使用する広帯域の可変減衰器に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to variable attenuators, particularly broadband variable attenuators using field effect transistors (FETs).

[従来技術とその問題点] カスケード型増幅器の利得制御には可変減衰器
を用いるのが一般的である。増幅器の利得平坦性
(即ち異なる周波数に対する利得の一様性)及び
安定性を得るために、この減衰器は減衰値に関係
なく信号源及び負荷のVSWRが低いことが好ま
しい。また、伝送線回路のインピーダンスを一定
に維持することが不可欠である。これは反射型減
衰器の使用を不可能にする。
[Prior art and its problems] A variable attenuator is generally used to control the gain of a cascade amplifier. To obtain gain flatness (ie, uniformity of gain over different frequencies) and stability of the amplifier, the attenuator preferably has a low VSWR of the source and load, regardless of the attenuation value. It is also essential to maintain the impedance of the transmission line circuit constant. This precludes the use of reflective attenuators.

古典的なブリツジT型減衰器は1968年に
ITT/ハワード・W・サムズアンドカンパニよ
り発行された無線技術者用参照データの第5版に
解説され、また第7A図に示す。この回路は直列
抵抗R1と並列抵抗R2とを下記(1)式を満足する
ように変化すると、連続可変の吸収性減衰器が得
られる。
The classic Bridge T-type attenuator was introduced in 1968.
It is described in the 5th edition of Reference Data for Radio Engineers, published by ITT/Howard W. Sams & Company, and is shown in Figure 7A. In this circuit, a continuously variable absorbing attenuator can be obtained by changing the series resistance R1 and the parallel resistance R2 so as to satisfy the following equation (1).

R1R2=Z02 (1) ここで、Z0は希望する特性インピーダンスで
ある。マツチングするときの減衰度は(2)式で与え
られる。
R1R2=Z0 2 (1) where Z0 is the desired characteristic impedance. The degree of attenuation during matching is given by equation (2).

減衰度(dB)=20log((R1/R2)1/2+1) =20log((R1/Z0)+1) (2) ブリツジT型減衰器を連続可変型にするには、
第7A図の直並列抵抗R1及びR2を第7B図に
示す如く線形領域で動作するFETにすれば良い。
Attenuation (dB) = 20log ((R1/R2) 1/2 + 1) = 20log ((R1/Z0) + 1) (2) To make the Bridge T-type attenuator a continuously variable type,
The series-parallel resistors R1 and R2 in FIG. 7A may be replaced with FETs operating in a linear region as shown in FIG. 7B.

しかし、実際には従来の可変FET減衰器は減
衰度及び動作温度が変化するにつれて好ましくな
いインピーダンス変化を生じる。
However, in practice, conventional variable FET attenuators experience undesirable impedance changes as the degree of attenuation and operating temperature changes.

可変減衰器の他の例はR・チヤトパデイア等に
よる1986年1月発行のプロシーデイングRFテク
ノロジEXPO86の第573〜574頁に開示されてい
る。この減衰器は可変抵抗器として個別のPINダ
イオードを用いて1MHz〜500MHz帯域の減衰器と
している。R1R2の積は次式のような指数関数で
ある。
Other examples of variable attenuators are disclosed in R. Chattopadhyay et al., Proceedings RF Technology EXPO 86, January 1986, pages 573-574. This attenuator uses individual PIN diodes as variable resistors to provide an attenuator for the 1MHz to 500MHz band. The product of R1R2 is an exponential function as shown in the following equation.

R1R2=K1e(KT/V1+V2) ここで、K1は定数であり、Tは温度であり、
kはボルツマン定数である。この回路は温度に敏
感であり、実際にはK1の如き定数も使用するデ
バイスによつて変化する。更に、ダイオードを流
れる電流の制御及びバイアスに複雑な能動及び誘
導性DC制御回路が必要である。最後に、この回
路は広いマイクロ波周波数レンジで動作するとは
思えない。
R1R2=K1e(KT/V 1 +V 2 ) where K1 is a constant, T is temperature,
k is Boltzmann's constant. This circuit is temperature sensitive and in practice constants such as K1 will vary depending on the device used. Additionally, complex active and inductive DC control circuits are required to control and bias the current through the diode. Finally, this circuit is unlikely to work over a wide microwave frequency range.

ガリウムひ素(GaAs)モノリシツクマイクロ
波集積回路(MMICs)が最近開発段階から市場
に出始めた。現在市販されているMMICsの大半
は一部の例外を除きゲインブロツクである。
MMICsの例はL・ラーソン等のProc.1985 IEEE
GaAs IC Symp.第19〜22頁の「GaAs差動増幅
器」、J.ボウハウス等のProc.1981 IEEE GaAsIC
Symp.ペーパー35の「モノリシツク・デユアルゲ
ートGaAsFETデジタル位相フイルタ」、D.パブ
リデイス等の1983 IEEEマイクロ波及びミリ波モ
ノリシツク回路シンポジユウム第54〜58頁の「マ
イクロ波電力増幅器への新規特にモノリシツクア
プローチ」、Y.アヤスリ等の1984年3月IEEE
Trans.Microwave Theory Tech.Vol.MTT−
32第290〜295頁の「2−20GHz GaAs進行波電
力増幅器」、及びK.ジヨーンズ等のProc.1985
IEEE GaAsIC Symp.第137〜140頁の「ハーメチ
ツク表面実装パツケージにおける1−10GHzテー
パ分布増幅器」に開示している。付加的なマイク
ロ波「ビルデイング・ブロツク」は未だ市販され
ていないが、その主な理由はマイクロ波設計が特
定用途専用であつて、汎用でないためである。
GaAs MMICsは広範囲の応用と帯域があるの
で、標準機能のMMICsは慎重に選択しなければ
ならない。さもなければ、MMICsの数量は回路
をモノリシツク化する主要目的の1つである1個
当たりの低価格化が実現できない。
Gallium arsenide (GaAs) monolithic microwave integrated circuits (MMICs) have recently entered the market from the development stage. Most MMICs currently on the market are gain blocks, with some exceptions.
An example of MMICs is L. Larson et al.'s Proc.1985 IEEE
"GaAs Differential Amplifier" in GaAs IC Symp. pp. 19-22, Proc. 1981 IEEE GaAsIC by J. Bouhaus et al.
"Monolithic Dual-Gate GaAsFET Digital Phase Filters" in Symp. Paper 35, "A New Particularly Monolithic Approach to Microwave Power Amplifiers" in D. Publicis et al., 1983 IEEE Microwave and Millimeter Wave Monolithic Circuits Symposium, pp. 54-58. , Y. Ayasri et al., March 1984 IEEE
Trans.Microwave Theory Tech.Vol.MTT−
32, pp. 290-295, “2-20 GHz GaAs Traveling Wave Power Amplifier” and K. Johns et al., Proc. 1985.
IEEE GaAsIC Symp., pp. 137-140, ``1-10 GHz Tapered Distributed Amplifier in Hermetic Surface Mount Package''. Additional microwave "building blocks" are not yet commercially available, primarily because microwave designs are application specific and not general purpose.
GaAs MMICs have a wide range of applications and bands, so MMICs with standard features must be carefully selected. Otherwise, the quantity of MMICs cannot be reduced to achieve low cost per unit, which is one of the main objectives of monolithic circuits.

それ故に、改良された可変減衰器、特に広いマ
イクロ波周波数レンジに渡り、略一定のインピー
ダンス及び低いリターンロスを有する無線周波数
可変減衰器の必要性がある。
Therefore, there is a need for improved variable attenuators, particularly radio frequency variable attenuators that have substantially constant impedance and low return loss over a wide microwave frequency range.

[発明の目的] 従つて、本発明の一つの目的は可変FET減衰
器の動作、特にマイクロ波周波数レンジにおける
動作を改善することである。
OBJECTS OF THE INVENTION Accordingly, one object of the present invention is to improve the operation of variable FET attenuators, particularly in the microwave frequency range.

本発明の他の目的は可変RF減衰器の温度依存
性を最小にすることである。
Another object of the invention is to minimize the temperature dependence of variable RF attenuators.

本発明の更に他の目的はRF可変減衰器の使用
部品のバラツキ依存性を低減することである。
Still another object of the present invention is to reduce the dependence of the RF variable attenuator on variations in the parts used.

本発明の別の目的は広い応用範囲の可変減衰器
を経済的に提供することである。
Another object of the invention is to provide an economical variable attenuator with a wide range of applications.

[発明の概要] 本発明の可変減衰器は、制御ループ内にフイー
ドバツク(帰還)を用いて、制御信号入力により
減衰器を変化するとき入力/出力リターンロスを
自動的に補正する。入力を希望する減衰値と正し
くマツチさせるため、直列及び並列可変FETを
正しいコンダクタンスにセツトしなければならな
い。本発明によると、第2、即ち基準減衰回路が
演算増幅器を介して主減衰回路の帰還制御を行
う。この基準回路は特にインピーダンスに関し、
主減衰回路と電気的に等価となるように設計され
ている。制御ノード、減衰制御入力及び演算増幅
器の出力は同じであるので、基準及び主減衰回路
が同様に動作するようにしている。この構成によ
り、減衰回路から帰還ループのRFデカツプリン
グを行う必要性を排除する。もしRFカツプリン
グがあれば、減衰器のSパラメータを変化させ
て、好ましくない結果をもたらす事となる。
SUMMARY OF THE INVENTION The variable attenuator of the present invention uses feedback within the control loop to automatically compensate for input/output return loss as the attenuator is varied by a control signal input. To properly match the input to the desired attenuation value, the series and parallel variable FETs must be set to the correct conductance. According to the invention, the second or reference attenuation circuit provides feedback control of the main attenuation circuit via an operational amplifier. This reference circuit is particularly relevant to impedance.
It is designed to be electrically equivalent to the main attenuation circuit. The control nodes, attenuation control inputs and operational amplifier outputs are the same, ensuring that the reference and main attenuation circuits operate similarly. This configuration eliminates the need for RF decoupling of the feedback loop from the attenuation circuit. If there is RF coupling, it will change the S-parameters of the attenuator, leading to undesirable results.

主減衰回路と同じ回路を基準回路に使用するの
が好ましい。それら両回路は演算増幅器と共に同
じモノリシツク集積回路(IC)基板に製造する
と高い精度のマツチングが得られる。本発明はブ
リツジT型可変減衰器を用いる減衰器に適する
が、対称T型又は対称π型可変FET減衰回路に
しても良い。このように構成した可変減衰器は基
準及び主減衰回路に関して、温度補償及び並列
FETのゲート電圧の自動バイアスを行う。
Preferably, the same circuit as the main attenuation circuit is used for the reference circuit. High precision matching is achieved when both circuits are fabricated on the same monolithic integrated circuit (IC) board along with the operational amplifier. Although the present invention is suitable for an attenuator using a bridge T-type variable attenuator, it may also be a symmetrical T-type or symmetrical π-type variable FET attenuation circuit. The variable attenuator configured in this way has temperature compensation and parallel
Performs automatic biasing of the FET gate voltage.

好適実施例では、広帯域モノリシツクGaAsブ
リツジT型可変減衰器を同様な基準回路と組み合
わせて、特性インピーダンスで終端し、しかも約
100MHzの安定帯域を有するオンチツプGaAsを
用いて上述の如く構成し、1−10GHzの帯域に渡
つて内部入/出力リターンロスを最適化すること
ができる。
In a preferred embodiment, a wideband monolithic GaAs bridge-T variable attenuator is combined with a similar reference circuit to terminate at a characteristic impedance, yet approximately
By using on-chip GaAs with a stable band of 100 MHz and constructing it as described above, the internal input/output return loss can be optimized over the band of 1-10 GHz.

[実施例] (FET可変減衰器の説明) 本発明の説明に先立つて、一般的なFET可変
減衰器について簡単に説明する。線形動作してい
るFETのチヤンネル抵抗はゲート・ソース間電
圧vgsに依存して略1/Gmsatで決まる。ここ
で、Gmsat飽和領域における相互コンダクタン
スである。ドレイン電流Idsとドレイン電圧Vds
間の関係は次式で与えられる。
[Example] (Description of FET variable attenuator) Prior to explaining the present invention, a general FET variable attenuator will be briefly explained. The channel resistance of a linearly operating FET is determined by approximately 1/Gmsat depending on the gate-source voltage vgs. Here, Gmsat is the mutual conductance in the saturation region. Drain current Ids and drain voltage Vds
The relationship between is given by the following equation.

Ids=2β0(Vgs−vp)VdsW/L ≒GmsatVds ……(3) ここで、WとLとは夫々FETのゲート幅と長
さであり、Vpはピンチオフ電圧である。
GaAsFETでは、相互コンダクタンスパラメータ
β0は略μes/2aで与えられ、ここでμはチヤンネ
ル電子の移動度であり、esはGaAsの誘電率であ
り、aはチヤンネル厚データである。(3)式からチ
ヤンネル抵抗Vds/IdsはGaAsのプロセスに関す
るβ0及びVpに依存することが判る。
Ids=2β0(Vgs−vp)VdsW/L≈GmsatVds (3) Here, W and L are the gate width and length of the FET, respectively, and Vp is the pinch-off voltage.
For GaAsFETs, the transconductance parameter β 0 is given approximately by μ es /2a, where μ is the channel electron mobility, es is the dielectric constant of GaAs, and a is the channel thickness data. It can be seen from equation (3) that the channel resistance Vds/Ids depends on β0 and Vp related to the GaAs process.

次の作業は直列及び並列チヤンネル抵抗の積を
制御して正しい減衰動作をさせることである。
The next task is to control the product of the series and parallel channel resistances to achieve the correct attenuation behavior.

等しい特性のFETの場合に、あらゆる減衰度
において正しいリターンロスを維持するには、第
7A図のGaAsFETに印加する電圧、即ち直列及
び並列ゲート電圧Vgs1及びVgs2間に次の関係が
要求される。
For FETs of equal characteristics, maintaining the correct return loss at all degrees of attenuation requires the following relationship between the voltages applied to the GaAs FET of FIG. 7A, ie, the series and parallel gate voltages Vgs1 and Vgs2.

(Vgs2−Vp)=L2/4W2β0 2Z0 2(Vgs1−Vp) (4) 低周波では、(4)式を満足する等しい特性の直列
及び並列FETの減衰度は次式で与えられる。
(Vgs2−Vp)=L 2 /4W 2 β 0 2 Z 0 2 (Vgs1−Vp) (4) At low frequencies, the attenuation of series and parallel FETs with equal characteristics that satisfy equation (4) is given by the following equation. Given.

減衰度(dB)=20LOG{(Vgs2−Vp/Vgs1−Vp)1/2
1}=20log(L/2Wβ0Z0(Vgs1−Vp)+1)(5) 幸運にもFETの製造工程その他による特性の
バラツキに関係なく、減衰を変化したときの入/
出力リターンロスの制御に帰還が使用できる。
Attenuation degree (dB) = 20LOG {(Vgs2−Vp/Vgs1−Vp) 1/2 +
1} = 20log (L/2Wβ 0 Z 0 (Vgs1-Vp) + 1) (5) Fortunately, regardless of the variations in characteristics due to the FET manufacturing process and other factors, the input /
Feedback can be used to control output return loss.

次に、第1図に示す本発明の好適実施例に基づ
き説明する。同図はブリツジT型減衰器セル1
0、基準減衰セル12及び演算増幅器14の組合
わせである。(制御入力用の入力保護及びレベル
シフト回路は図示していない。)この回路のRF入
力及び出力信号に対するインピーダンスは例えば
50Ωになるように、減衰セルの並列FETのゲート
電圧を直列FETのゲートデータ電圧変化に応じ
て調整する。
Next, a description will be given based on a preferred embodiment of the present invention shown in FIG. The figure shows Bridge T-type attenuator cell 1.
0, a combination of a reference attenuation cell 12 and an operational amplifier 14. (Input protection and level shifting circuits for the control inputs are not shown.) The impedance of this circuit to the RF input and output signals is e.g.
Adjust the gate voltage of the parallel FET of the attenuation cell according to the change in the gate data voltage of the series FET so that the voltage becomes 50Ω.

この回路は減衰信号入力端16を有する。この
入力端16は減衰セル10の抵抗18を介して直
列FET20のゲートに結合している。直列FET
20のソース及びドレインは直列コンデンサ26
及び28を介してRF入/出力端子22−24に
対称に接続される。これらのコンデンサはDC阻
止用であり、この回路は図示せずも適当なレベル
シフトを行つて単一電源で動作することが出来る
ようにする。周波数帯域を低周波数まで拡張する
には、これらコンデンサを除いても良い。直列
FET20のソース及びドレインから夫々並列
FET34のドレインに1対の50Ωの抵抗30−3
2を接続する。並列FET34のソースは接地又
は適当な基準電圧源(以下接地と言う)に接続す
る。この実施例の減衰セル10は50Ωの同じ入
力/出力特性インピーダンスを有する。並列
FET34のゲートは抵抗36を介して制御信号
線38に接続している。後述する如く、制御信号
は信号線38を介して並列FET34のゲートに
印加して、そのコンダクタンスを減衰器制御信号
の変化に応じて制御する。抵抗18及び36は
FET20及び34のRF減衰用であり、この減衰
回路の動作にそれ以外の顕著な作用はない。
This circuit has an attenuated signal input 16. This input 16 is coupled via a resistor 18 of the damping cell 10 to the gate of a series FET 20. Series FET
The source and drain of 20 are series capacitors 26
and 28 are symmetrically connected to the RF input/output terminals 22-24. These capacitors are for DC blocking, and the circuit performs appropriate level shifting (not shown) to allow operation from a single power supply. To extend the frequency band to low frequencies, these capacitors may be removed. series
Parallel from the source and drain of FET20 respectively
A pair of 50Ω resistors 30-3 at the drain of FET34
Connect 2. The source of the parallel FET 34 is connected to ground or a suitable reference voltage source (hereinafter referred to as ground). The attenuation cell 10 in this example has the same input/output characteristic impedance of 50Ω. parallel
The gate of FET 34 is connected to control signal line 38 via resistor 36. As discussed below, a control signal is applied via signal line 38 to the gate of parallel FET 34 to control its conductance in response to changes in the attenuator control signal. Resistors 18 and 36 are
It is for RF attenuation of FETs 20 and 34 and has no other significant effect on the operation of this attenuation circuit.

基準(減衰)セル12は、可変減衰セル10と
好ましくは同じ入力/出力特性インピーダンスを
有し、電気的に等価であるように構成されてい
る。理想的にはこの基準減衰回路12は主減衰器
と同じ構成であり、使用部品のパラメータも同じ
である。その直列FET40のゲートは制御信号
入力端16に接続され、ソース及びドレインは
夫々ノード42及び44に接続している。1対の
50Ω抵抗50−52を夫々直列FET40のソース
ノード42とドレインノード44及び並列FET
54間に接続している。FET54のソースは接
地するか適当な基準電圧源に接続し、そのゲート
は制御線38に接続する。直列FET40のソー
スはノード42と接地間に接続した50Ωの抵抗5
6により終端する。
Reference (attenuation) cell 12 preferably has the same input/output characteristic impedance as variable attenuation cell 10 and is configured to be electrically equivalent. Ideally, this reference attenuation circuit 12 has the same configuration as the main attenuator, and the parameters of the parts used are also the same. The gate of series FET 40 is connected to control signal input 16, and the source and drain are connected to nodes 42 and 44, respectively. a pair of
50Ω resistors 50-52 are connected to the source node 42 and drain node 44 of the series FET 40 and the parallel FET, respectively.
It is connected between 54 and 54. The source of FET 54 is connected to ground or a suitable reference voltage source, and its gate is connected to control line 38. The source of the series FET 40 is a 50Ω resistor 5 connected between node 42 and ground.
6 terminates.

演算増幅器14は差動−シングルエンド変換型
の増幅器であり、その正電圧入力はノード44に
接続し、負電圧入力はノード46に接続される。
電圧源VDD62が同じ抵抗64−66を介して
各ノード44−46に接続される。更に、ノード
46は50Ωの抵抗68を介して接地してノード4
6の基準電圧を定める。これは又増幅器60を介
してブリツジT減衰器基準セル12を終端する作
用もある。増幅器60は電圧源VDDへの導線7
0及び負電源−Vssへの導線72から動作電力を
受ける。
Operational amplifier 14 is a differential-to-single-ended conversion type amplifier, and its positive voltage input is connected to node 44 and its negative voltage input is connected to node 46.
A voltage source VDD 62 is connected to each node 44-46 through the same resistor 64-66. Additionally, node 46 is connected to ground through a 50Ω resistor 68 to node 4.
6. Determine the reference voltage. It also serves to terminate the bridge T attenuator reference cell 12 via amplifier 60. Amplifier 60 connects conductor 7 to voltage source VDD
It receives operating power from conductor 72 to 0 and negative supply -Vss.

第2図は第1図の減衰器設計に使用するGaAs
演算増幅器60の回路図を示す。この増幅器60
は米国特許第4616189号に開示する如く、コモン
モードバイアス回路76を有する入力差動増幅対
74、1対の差動レベルシフト段78、差動−シ
ングルエンド変換段(DSE)80及び出力段8
2を有し、約50dBのオープンループ利得を有す
る。DSE段80は一般にNMOS設計に使用し、
最近GaAsデイプレーシヨンモード技術が確立さ
れた。高周波数特性がこの増幅器の目標ではない
ので、充分なポール補償により帯域を100MHz以
下に制限して安定度を高めている。
Figure 2 shows the GaAs used in the attenuator design shown in Figure 1.
A circuit diagram of an operational amplifier 60 is shown. This amplifier 60
includes an input differential amplifier pair 74 with a common mode bias circuit 76, a pair of differential level shift stages 78, a differential-to-single-ended conversion stage (DSE) 80, and an output stage 8, as disclosed in U.S. Pat. No. 4,616,189.
2 and has an open loop gain of approximately 50 dB. DSE stage 80 is commonly used in NMOS designs,
GaAs daypresion mode technology has recently been established. Since high frequency performance is not the goal of this amplifier, sufficient pole compensation is used to limit the bandwidth to below 100MHz to improve stability.

この増幅器60は出力導線38に制御信号を出
力する。その制御信号は、制御端子16に印加し
た減衰制御信号により変化するノード44の基準
出力信号により変化する。出力線38の制御信号
は並列FET54のゲートに帰還されて基準回路
動作を制御し、更に抵抗36を介して並列FET
34のゲートにも印加する。この演算増幅器60
は基準セル12の並列FET54のコンダクタン
スがノード44及び46の電圧を等しくするよう
に動作する。その結果、ノード44のインピーダ
ンスをノード46のそれと等しくする。同じ制御
信号がFET34にも印加されるので、減衰セル
10を基準セル12と同様に動作させる。即ち、
制御信号は、FET34のコンダクタンスを制御
して、FET34を介して接地されるFET20の
ソース及びドレインの電圧を、ノード44の電圧
と等しくする。これにより、主減衰器セルの入
力/出力インピーダンスは、基準セル12のノー
ド44のインピーダンスと等しくなり、ひいて
は、ノード46の一定インピーダンスと等しくな
る。したがつて、減衰器セル10において、減衰
制御信号により減衰度が変化しても、減衰器セル
10の入力/出力インピーダンスは一定である。
This amplifier 60 outputs a control signal on output lead 38. The control signal is varied by the reference output signal at node 44 which is varied by an attenuated control signal applied to control terminal 16. The control signal on the output line 38 is fed back to the gate of the parallel FET 54 to control the reference circuit operation, and is further fed back to the gate of the parallel FET 54 via the resistor 36.
It is also applied to the gate of No. 34. This operational amplifier 60
operates such that the conductance of parallel FET 54 of reference cell 12 equalizes the voltages at nodes 44 and 46. As a result, the impedance of node 44 is made equal to that of node 46. The same control signal is also applied to FET 34, causing attenuation cell 10 to operate similarly to reference cell 12. That is,
The control signal controls the conductance of FET 34 so that the voltage at the source and drain of FET 20, which is connected to ground through FET 34, is equal to the voltage at node 44. This causes the input/output impedance of the main attenuator cell to be equal to the impedance of node 44 of reference cell 12, which in turn is equal to the constant impedance of node 46. Therefore, even if the degree of attenuation in the attenuator cell 10 changes due to the attenuation control signal, the input/output impedance of the attenuator cell 10 remains constant.

基準セルのDCパラメータ帰還を用いてRF減衰
セル10を制御する概念は、最初に2個の
GaAsFETブリツジT減衰器と741型演算増幅器
を用いて確認した。次に、この概念は減衰セル1
0、基準セル12及び演算増幅器14を単一の
GaAsチツプ上に形成してモノリシツクレベルで
実施した。このGaAs集積回路は高歩留まりの
1μmイオン注入技法を用い、安定な終端には
NiCr抵抗を用い、バイパス及びデカツプリング
用コンデンサにはMIMコンデンサを用いた。次
に、この回路を米国特許第4668920号に開示の如
く、気密の表面取り付けパツケージに取り付け
る。DCパラメータを使用するには基準減衰セル
に充分な電圧を印加し、演算増幅器が検出可能な
信号レベルを得る事を要するが、FETが線形動
作領域を逸脱しない値でなければならない。この
設計では、FETのソース及びドレイン電圧は
200mV未満にして、適当なレベルシフト回路を
用いて単一の9−15V電源で動作するのが好まし
い。
The concept of controlling the RF attenuation cell 10 using DC parameter feedback of the reference cell was initially developed using two
This was confirmed using a GaAsFET bridge T attenuator and a 741 type operational amplifier. Next, this concept is applied to the damping cell 1
0, reference cell 12 and operational amplifier 14 are integrated into a single
It was fabricated on a GaAs chip and implemented at the monolithic level. This GaAs integrated circuit is a high-yield
Using 1μm ion implantation technique, stable termination
NiCr resistors were used, and MIM capacitors were used for bypass and decoupling capacitors. The circuit is then mounted in an airtight surface mount package as disclosed in US Pat. No. 4,668,920. Using the DC parameter requires applying a sufficient voltage to the reference attenuation cell to obtain a signal level that the operational amplifier can detect, but at a value that does not cause the FET to deviate from its linear operating region. In this design, the FET source and drain voltages are
Preferably it is less than 200 mV and operates from a single 9-15V power supply with appropriate level shifting circuitry.

直列及び並列素子としてFETを使用する際に
考慮すべき点が幾つかある。FETのゲート幅を
充分大きく選択して、最低減衰状態で挿入損失が
小さく、しかし並列のドレインソース間容量Cds
が制限できる大きさに選択し、その結果、最大減
衰状態における高周波におけるアイソレーシヨン
が充分になるようにする。そこで、直列及び並列
ゲート幅300μmに選択した。最大減衰は直列
FETのCdsに最も依存するので、櫛歯型素子構造
における相互接続寄生により生じる付加的なソー
スドレイン間容量を低減するため、素子のゲート
櫛歯数を最少にした。広いゲート櫛歯の金属抵抗
による損失は減衰器のRF動作を左右しない。
There are several considerations when using FETs as series and parallel devices. Select the gate width of the FET to be sufficiently large so that the insertion loss is small in the lowest attenuation state, but the parallel drain-source capacitance Cds
is selected such that it is possible to limit the amount of noise, so that isolation at high frequencies in the maximum attenuation state is sufficient. Therefore, we selected a series and parallel gate width of 300 μm. Maximum attenuation is in series
Since it depends most on the Cds of the FET, the number of gate comb teeth in the device was minimized to reduce the additional source-drain capacitance caused by interconnect parasitics in the comb-shaped device structure. Losses due to the metal resistance of the wide gate comb teeth do not affect the RF operation of the attenuator.

第3図はパツケージ済みの減衰器の伝送特性を
示す。ここに示す5本の特性曲線は夫々異なる5
つの信号レベルに対応する。ここに示す電圧は単
一電源で減衰器を動作させるためにレベルシフト
した。最低減衰の利得傾斜はパツケージによる表
皮効果損とダイ端部からRF減衰セルまでの
GaAs上のマイクロストリツプ構造の損を合成し
たものにより生じる。最低減衰は1GHzで3.5dBで
あり、10GHzでは5dBに増加する。この設計にあ
つて、両FETのゲートソース間電圧Vgsは決して
正になつてはならない。もしVgsが順導通点近く
の正にされると、最低減衰は約1dB改善される。
直列FETのCdsの最大減衰に及ぼす効果は、高周
波数で目に見えて増加する。減衰範囲は1GHzで
17dBであり、10GHzでは10dBに減少する。
FIG. 3 shows the transmission characteristics of the packaged attenuator. The five characteristic curves shown here are each different5.
corresponds to two signal levels. The voltages shown here were level shifted to operate the attenuator from a single supply. The gain slope for the lowest attenuation is due to the skin effect loss due to the package and from the die edge to the RF attenuation cell.
This is caused by the synthesis of losses in the microstrip structure on GaAs. The minimum attenuation is 3.5dB at 1GHz and increases to 5dB at 10GHz. In this design, the gate-source voltage Vgs of both FETs must never become positive. If Vgs is made positive near the forward conduction point, the minimum attenuation is improved by about 1 dB.
The effect of the series FET on the maximum attenuation of Cds increases visibly at high frequencies. Attenuation range is 1GHz
17dB, which decreases to 10dB at 10GHz.

第4図はオンチツプ補正回路を用いる場合の、
パツケージした減衰器のリターンロスを周波数の
関数で示す。リターンロスは1〜10GHzの帯域内
で12dBを超す。このことは、減衰を変化すると
き第1図の回路は入/出力リターンロスを最適化
することを示している。パツケージした減衰器の
入/出力電圧定在波比(VSWR)は1〜10GHzの
範囲に渡り、1.7:1よりも優れている。
Figure 4 shows the case where an on-chip correction circuit is used.
The return loss of a packaged attenuator is shown as a function of frequency. Return loss exceeds 12dB in the 1-10GHz band. This shows that the circuit of FIG. 1 optimizes input/output return loss when varying the attenuation. The input/output voltage standing wave ratio (VSWR) of the packaged attenuator is better than 1.7:1 over the 1-10 GHz range.

[変形変更] 上述のとおり、本発明の好適実施例ではブリツ
ジT型減衰回路及び基準回路を使用している。し
かし、本発明はかかる実施例に限定すべきではな
く、本発明の要旨を逸脱する事なく種々の変形変
更が可能である。
Variations As mentioned above, the preferred embodiment of the present invention uses a bridge-T damping circuit and a reference circuit. However, the present invention should not be limited to such embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明は第5図に示す如く対称T型回路を用い
て実施することも可能である。一般的な回路構成
は第1図の減衰器と同様であり、減衰セル10
A、基準セル12A及び演算増幅器14Aを含ん
でいる。直列FETとして2個の直列属したFET
20Aを用い、ソース・ドレインをRF I/O2
2A〜24A間に接続する。各FETのゲートは
RFアイソレーシヨン抵抗18Aを介して減衰制
御入力端16に接続する。並列FET34Aは2
個の直列FET20Aの接続点と接地間に夫々接
続されたドレイン及びソースを有する。基準セル
12Aについても同様であり、2個の直列FET
40Aと並列FET54Aを有する。演算増幅器
60の出力38は抵抗36Aを介してFET34
Aのゲートに接続すると共にFET54Aのゲー
トにも接続している。更に他の実施例として対称
π型可変減衰器の例を第6図に示す。この回路で
は、減衰セル10B及び基準セル12B共に1個
の直列FET20B及び40Bと2個の並列FET
34B及び54Bを用いて対称π型回路構成にし
ている。演算増幅器60の出力38は抵抗36B
を介して両FET34Bのゲートに接続すると共
に並列FET54Bのゲートにも接続する。
The invention can also be implemented using a symmetrical T-shaped circuit as shown in FIG. The general circuit configuration is similar to that of the attenuator shown in FIG.
A, a reference cell 12A and an operational amplifier 14A. Two FETs connected in series as series FETs
Using 20A, connect the source and drain to RF I/O2
Connect between 2A and 24A. The gate of each FET is
It is connected to the attenuation control input terminal 16 via an RF isolation resistor 18A. Parallel FET34A is 2
It has a drain and a source connected between the connection point of the series FETs 20A and ground, respectively. The same goes for the reference cell 12A, which has two series FETs.
It has 40A and parallel FET54A. The output 38 of the operational amplifier 60 is connected to the FET 34 via a resistor 36A.
It is connected to the gate of FET 54A as well as to the gate of FET 54A. As yet another embodiment, an example of a symmetrical π-type variable attenuator is shown in FIG. In this circuit, both the attenuation cell 10B and the reference cell 12B have one series FET 20B and 40B and two parallel FETs.
34B and 54B are used to form a symmetrical π-type circuit configuration. The output 38 of the operational amplifier 60 is connected to the resistor 36B.
It is connected to the gates of both FETs 34B and also to the gate of the parallel FET 54B.

これら他の各実施例も減衰器のRF I/Oと接
地間の特定インピーダンスを基準減衰セル12B
のノード46と接地間のインピーダンスZ0で決
まる一定値に維持する。
In each of these other embodiments, the specific impedance between the RF I/O of the attenuator and the ground is used as the reference attenuation cell 12B.
It is maintained at a constant value determined by the impedance Z0 between node 46 and ground.

第1図に示した回路パラメータは第3及び第4
図に示した試験結果を得る特定の例である。この
パラメータは用途に応じて自由に変更可能である
こと勿論である。上述のとおり、減衰セルと基準
セル間の電気的等化性は、同じ特性インピーダン
スを得ると共に各セルの回路を等しくすのに好ま
しい。両セル間のFET幅と特性インピーダンス
を適当にスケーリングすることによつても等化性
が得られる。例えば、第1図において50Ωの抵抗
は100Ωの抵抗であり、基準セル12のFETの幅
を150μmとしても良い。
The circuit parameters shown in Figure 1 are the third and fourth
This is a specific example of obtaining the test results shown in the figure. Of course, this parameter can be freely changed depending on the application. As mentioned above, electrical equalization between the attenuation cell and the reference cell is preferred to obtain the same characteristic impedance and equalize the circuitry of each cell. Equalization can also be achieved by appropriately scaling the FET width and characteristic impedance between both cells. For example, the 50Ω resistor in FIG. 1 may be a 100Ω resistor, and the width of the FET of the reference cell 12 may be 150 μm.

減衰セル10の制御に基準セル12のDCパラ
メータ帰還を使用する概念は演算増幅器60の出
力を並列FETのゲートへの制御に使用する場合
に何ら限定されない。もし減衰器制御信号が並列
FETのゲートに印加される場合には、同じ原理
を直列FETのゲート制御に使用し得ること当業
者には容易に理解できよう。
The concept of using DC parameter feedback of reference cell 12 to control attenuation cell 10 is in no way limited to the use of the output of operational amplifier 60 to control the gates of parallel FETs. If the attenuator control signals are parallel
Those skilled in the art will readily understand that the same principles can be used to control the gates of series FETs if applied to the gates of the FETs.

[発明の効果] 上述の説明から明らかなとおり、本発明の可変
減衰器によると、少なくとも2個のFETを夫々
直列及び並列信号路に挿入し、ゲート電圧を制御
して減衰量を連続又は階段状に変化するに際し、
同じ制御信号が印加される同様の基準セルを用
い、演算増幅器の非反転入力端子に基準セルの出
力を供給し、反転入力端子に所定インピーダンス
の抵抗器の両端の一定電圧を供給し、その出力を
減衰器セル及び基準セルの並列FETのゲートに
供給する。これにより、減衰器セルの減衰器量の
変化に拘らず、特性インピーダンスを常に抵抗器
のインピーダンスに等しく維持できるので、1〜
10GHz以上の広いレンジに渡り特性の安定した減
衰器が得られると言う顕著な効果がある。
[Effects of the Invention] As is clear from the above description, according to the variable attenuator of the present invention, at least two FETs are inserted into the series and parallel signal paths, respectively, and the attenuation amount is made continuous or stepwise by controlling the gate voltage. When changing to
Using a similar reference cell to which the same control signal is applied, supplying the output of the reference cell to the non-inverting input terminal of an operational amplifier and the constant voltage across a resistor of a given impedance to the inverting input terminal, its output is applied to the gates of the parallel FETs of the attenuator cell and the reference cell. As a result, the characteristic impedance can always be maintained equal to the impedance of the resistor regardless of changes in the amount of attenuator in the attenuator cell.
This has the remarkable effect of providing an attenuator with stable characteristics over a wide range of 10 GHz or more.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による可変減衰器の好適一実施
例の回路図、第2図は第1図に使用する演算増幅
器の回路例、第3及び第4図は第1図の可変減衰
器の電気的特性の測定結果、第5及び第6図は本
発明の可変減衰器の他の実施例の回路図、第7A
及び第7B図は従来の固定及び可変減衰器の原理
図を示す。 図中、10は減衰器セル、12は基準セル、2
0は第1直列FET、30,32は第1信号路、
34は第1並列FET、40は第2直列FET、5
0,52は第2信号路、54は第2並列FET、
60は演算増幅器、68は抵抗器である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a preferred embodiment of a variable attenuator according to the present invention, FIG. 2 is an example of a circuit of an operational amplifier used in FIG. 1, and FIGS. Measurement results of electrical characteristics, Figures 5 and 6 are circuit diagrams of other embodiments of the variable attenuator of the present invention, Figure 7A
and FIG. 7B show principle diagrams of conventional fixed and variable attenuators. In the figure, 10 is an attenuator cell, 12 is a reference cell, and 2
0 is the first series FET, 30 and 32 are the first signal paths,
34 is the first parallel FET, 40 is the second series FET, 5
0, 52 is the second signal path, 54 is the second parallel FET,
60 is an operational amplifier, and 68 is a resistor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ソース及びドレインが夫々信号入力及び出力
端子となり、ゲートに減衰制御信号が供給された
第1直列FET、ソースが基準電位源に接続され
た第1並列FET、並びに上記第1直列FETのソ
ース及びドレインから上記第1並列FETを介し
て上記基準電位源に対して特性インピーダンスを
形成する第1信号路を含み、上記減衰制御信号に
応じた減衰量だけ入力信号を減衰させる減衰器セ
ルと、 ゲートに上記減衰制御信号が供給された第1直
列FET、ソースが上記基準電位源に接続された
第2並列FET、並びに上記第2直列FETのソー
ス及びドレインから上記第2並列FETを介して
基準電位源に対して特性インピーダンスを形成す
る第2信号路とを含み、上記減衰制御信号に応じ
た基準信号を上記第2直列FETから出力する基
準セルと、 該基準セルからの上記基準信号が非反転入力端
子に供給され、所定インピーダンスの抵抗器に発
生する一定電圧が反転入力端子に供給され、出力
信号を上記第1及び第2並列FETのゲートに供
給する演算増幅器とを具え、 該演算増幅器の上記出力信号は、上記基準信号
の電圧レベルを上記抵抗器の上記一定電圧に等し
くするように上記第1並列FETを制御し、且つ
上記減衰器のセルの出力端子の電圧を上記基準信
号の電圧レベルに等しくするように第2並列
FETを制御することを特徴とする可変減衰器。
[Claims] 1. A first series FET whose source and drain serve as signal input and output terminals, respectively, and whose gate is supplied with an attenuation control signal, a first parallel FET whose source is connected to a reference potential source, and the first parallel FET whose source is connected to a reference potential source. a first signal path forming a characteristic impedance with respect to the reference potential source from the source and drain of one series FET through the first parallel FET, and attenuating the input signal by an attenuation amount according to the attenuation control signal; an attenuator cell, a first series FET whose gate is supplied with the attenuation control signal, a second parallel FET whose source is connected to the reference potential source, and a source and drain of the second series FET connected to the second parallel FET; a second signal path forming a characteristic impedance with respect to the reference potential source via the FET, and outputting a reference signal from the second series FET in accordance with the attenuation control signal; an operational amplifier in which the reference signal is supplied to a non-inverting input terminal, a constant voltage generated in a resistor of a predetermined impedance is supplied to an inverting input terminal, and an output signal is supplied to the gates of the first and second parallel FETs; The output signal of the operational amplifier controls the first parallel FET to make the voltage level of the reference signal equal to the constant voltage of the resistor, and the voltage level of the output terminal of the attenuator cell. The second parallel connection is made equal to the voltage level of the reference signal.
A variable attenuator characterized by controlling a FET.
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