JP2001203544A - 増幅器装置及び増幅方法 - Google Patents

増幅器装置及び増幅方法

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JP2001203544A
JP2001203544A JP2000373017A JP2000373017A JP2001203544A JP 2001203544 A JP2001203544 A JP 2001203544A JP 2000373017 A JP2000373017 A JP 2000373017A JP 2000373017 A JP2000373017 A JP 2000373017A JP 2001203544 A JP2001203544 A JP 2001203544A
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JP2000373017A
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Arshad Madni
マドニ アーシャッド
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Mitel Semiconductor Ltd
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03GCONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G1/00Details of arrangements for controlling amplification
    • H03G1/0005Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal
    • H03G1/0017Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal the device being at least one of the amplifying solid state elements of the amplifier
    • H03G1/0023Circuits characterised by the type of controlling devices operated by a controlling current or voltage signal the device being at least one of the amplifying solid state elements of the amplifier in emitter-coupled or cascode amplifiers

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した入力インピーダンスをもつ増幅器シ
ステムおよびパワー効率のよい低ノイズ増幅器を実現す
る。 【解決手段】 入力と、直列分路帰還方式で接続した増
幅器3と、出力とを有する入力ステージ1、および入力
ステージ1の出力に結合した入力と、出力とを有する可
変利得増幅ステージ2からなるAC電圧増幅器システム
である。入力ステージ1および可変利得増幅ステージ2
の増幅器3、5を電流方式で作動するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は増幅器装置及び増幅
方法、特に分路帰還を利用した増幅器装置及び増幅方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】図1に示す、従来の直列分路帰還構造
は、明確に規定された入力インピーダンスを必要とする
低ノイズ増幅器(LNA)の好ましい構造として広く受
けいられている。ところが、自動利得制御(AGC)機
能を得るために、直列分路帰還をギルバートの電流ステ
アリング技術と併用すると、ある種の問題が発生する。
【0003】以下の方程式は、従来の直列分路帰還増幅
器の入力インピーダンスRinを負帰還増幅器によって
どのように設定するかを記述するものである。 Rf=Rs(1+A) Rin=Rf/(1+A) 式中、Rfは有効帰還インピーダンス、Rsはソースイ
ンピーダンス、そして|A|は増幅器の利得の大きさで
る。なお、Rfが一定である限り、入力インピーダンス
Rinも一定である。ところが、増幅器の利得が変わる
と、入力インピーダンスRinも変化する。
【0004】この問題の考えられる一つの解決策は、図
2に示す構造によって得られる。この構造では、増幅器
装置の入力インピーダンスを一定の利得をもつ増幅器を
有する入力ステージによって設定する。この入力ステー
ジの出力が可変利得増幅器ステージに送られる。しか
し、この策は最適な解決策にはならない。入力ステージ
が一定の利得をもつため、全体として、可変利得増幅器
への入力信号が増幅器装置への入力信号よりも高くなる
からである。この結果、信号取り扱いに問題が生じる。
換言すれば、この策はパワー効率の悪い策である。
【0005】上記の問題により、既存の増幅器装置は、
ミクサー振動回路からAGCやループスルー回路をもつ
LNAにいたる範囲の高性能RF素子が必要な双方向C
ATVなどの現在の電子システムに要求されている厳し
い必要条件を満足できない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、安定
した入力インピーダンスをもつ増幅器装置及び増幅方法
を提供することである。本発明の別な目的は、パワー効
率のよい低ノイズ増幅器装置及び増幅方法を提供するこ
とである。これら目的およびその他の目的は、少なくと
も部分的には、増幅器ステージを電流方式で作動する増
幅器装置及び増幅方法によって実現できる。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、その第1態様
によれば、入力と、直列分路帰還方式で接続した増幅器
と、出力とを有する入力ステージ、および上記入力ステ
ージの出力に結合した入力と、出力とを有する第2ステ
ージからなるAC電圧増幅器システムにおいて、上記入
力ステージおよび上記第2ステージを電流方式で作動す
るように構成したAC電圧増幅器装置を提供するもので
ある。
【0008】第2ステージとして、可変利得増幅ステー
ジを使用するのが好ましい。
【0009】電圧増幅器システムによりRF電圧信号を
増幅できるように構成するのが好ましい。
【0010】入力ステージの増幅器としては相互コンダ
クタンス増幅器を使用するのが好ましい。より好ましく
は、共通エミッターステージとして構成したバイポーラ
接合トランジスターか、あるいは共通エミッターステー
ジとして構成した差動対のバイポーラ接合トランジスタ
ーを有する相互コンダクタンス増幅器を使用する。
【0011】この増幅器装置の場合、入力ステージの直
列分路帰還ループに単位利得バッファー増幅器を結合す
るのが好ましい。
【0012】また、第2ステージを電流ステアリング装
置として構成し、使用時に、第2ステージの入力に供給
される電流の一部を出力負荷に向けることによって、出
力電圧をこの負荷の両端に発生し、第2ステージの上記
出力で利用できるように構成するのが好ましい。電流ス
テアリング装置としては、ギルバートステアリングステ
ージが使用できる。より好ましくは、エミッター同志を
結合するとともに、エミッターを入力ステージの出力に
結合した一対のバイポーラ接合トランジスターでこの電
流ステアリング装置を構成する。あるいは、差動関係で
それぞれ入力ステージの差動出力に結合した2対のバイ
ポーラ接合トランジスターで構成することも可能であ
る。
【0013】第2ステージを自動利得制御(AGC)信
号によって制御し、このステージの出力を所望のレベル
に維持することができる。より好ましくは、第2ステー
ジを一対の(または複数対の)バイポーラ接合トランジ
スターで構成する場合、これらトランジスターのベース
にAGC信号を印加する。
【0014】また、第2ステージはミクサーまたはバッ
ファーを有していてもよい。
【0015】本発明は、その第2態様によれば、AC電
圧信号を電流信号に変換し、この電流信号を所望のレベ
ルまで増幅し、そしてこの増幅された電流信号を増幅さ
れた電圧信号に変換することからなるAC電圧信号の増
幅方法を提供するものである。
【0016】ここでは、電流信号の増幅率が1未満であ
ることが好ましい。
【0017】電流信号を増幅するさい、電流信号を少な
くとも2つの部分に分割し、これら部分の一つを増幅さ
れた電圧信号に変換するのが好ましい。
【0018】以下、本発明の理解を容易にし、かつ本発
明の実施方法を明らかにするために、添付図面について
説明する。
【0019】公知の電圧増幅器装置については、既に図
1および図2に関連して説明した。図3に、低ノイズR
F用として好適で、自動利得制御(AGC)が適用で
き、しかも消費電力の低い、本発明による改良電圧増幅
器装置を示す。
【0020】図3の装置は入力ステージ1と、可変利得
ステージ2とを有する。この入力ステージは、−gmの
相互コンダクタンスをもつ相互コンダクタンス増幅器3
を有する。相互コンダクタンス増幅器3は負荷R1を駆
動する。この結果、入力ステージ1の電圧利得は−gm
R1になる。相互コンダクタンス3の出力を帰還ループ
に接続した単位利得バッファー増幅器4の入力に印加す
る。バッファー増幅器4の出力が帰還抵抗Rfだけでな
く、可変利得ステージ2のAGC増幅器5への入力をも
駆動する。可変利得ステージ2の入力インピーダンスが
(下記のように)きわめて低いため、入力ステージ1に
よって与えられる電圧利得は次式で表されることにな
る。 Gain=−gmRlλ なお、gmは増幅器3の相互コンダクタンス、そしてG
ainはagc利得(0と1との間で可変)である。
【0021】図4は、図3の増幅器装置を駆動する回路
の詳細図である。共通エミッターステージとして構成し
たトランジスターQ0は相互コンダクタンスをもつ。 gm=−vin/(Re+re)
【0022】抵抗R1の両端でQ0のコレクター電流を
電圧に変換する。この電圧は次式で表される。 Vout=−vinR1/(Re+re) なお、電圧利得は次式で表される。 −R1/(Re+re)
【0023】抵抗R1の両端に発生した電圧Voutを
エミッター・フォロワートランジスターQ1によって緩
衝し、抵抗Rfを介して帰還させ、入力インピーダンス
Rinを求める。入力インピーダンスRinは次の通り
である。 Rin=Rf/(1+(R1/(Re+re))
【0024】Q0のコレクターに接続した抵抗器R1を
さらにトランジスターQ2およびQ3のエミッターに接
続する。トランジスターQ2およびQ3はそれぞれのベ
ースで+veおよび−veAGS信号を受信する。最大
のAGC下では、トランジスターQ3は有効にオフにな
る。抵抗R1がQ0のコレクターとQ2のエミッターと
を接続しているため、Q2が有効に共通ベースモードで
作動する。従って、抵抗R1の値が大きくなった場合に
は、トランジスターQ2のコレクターからの信号電流は
以下の式で近似することができる。 Isq2=vin/(Re+re)
【0025】なお、この電流はトランジスターQ0のコ
レクターから得られる信号電流と同じである。トランジ
スターQ2およびQ3に印加されるAGC信号を変える
と、Q3をより強くオンした場合には、信号電流の一部
がvccに向けられるため、増幅器装置の電圧利得が小
さくなる。また、入力ステージによって負電圧分路帰還
が与えられると、増幅器装置の入力インピーダンスも設
定されることになる。従って、分路帰還と共通ベース負
荷出力と組合せると、不必要な電力を消費することな
く、AGCを備えた低ノイズ増幅器を実現できることに
なる。
【0026】図4に示す増幅器装置は、図5に示すよう
なフル差動バージョンに展開できる。トランジスターQ
t1およびQt2と、抵抗Rt1およびRt2と、そし
て電流源I3とが主長後尾対相互コンダクタンス増幅器
を構成する。入力は、in+およびin−入力ポート介
して入力する。長後尾対増幅器の出力を負荷抵抗Rt3
およびRt4に送り、電流出力を電圧出力に変換する。
次に、負帰還方式でこの電圧出力をそれぞれトランジス
ターQe1、Qe2および抵抗Rf1、Rf2を介して
帰還させる。この構成では、長後尾対LNAに制御され
た入力インピーダンスを与える。負荷抵抗Rt3および
Rt4をそれぞれ電流ステアリング対Qt3、Qt4お
よびQt5、Qt6に接続することにより、LNAの出
力を得ることができる。このため、この時点でLNAの
出力が電流に逆変換される。この電流はすべて最終負荷
抵抗器Rt5およびRt6に向けることができる。ある
いは、逆にagc+およびagc−入力の適当な調整に
よってvccに向けることも可能である。
【0027】当業者ならば、本発明の範囲から逸脱せず
に、上記実施態様に各種の変更を加えることができるは
ずである。例えば、図4および5に示した回路には、バ
イポーラ接合トランジスター、特にnpnバイポーラ接
合トランジスターを利用しているが、本発明はpnpバ
イポーラ接合トランジスターを使用しても実施可能であ
り、あるいはnpnバイポーラ接合トランジスターとp
npバイポーラ接合トランジスターを組合せて使用して
も実施可能である。あるいは、制限するものではない
が、NMOS、FET、GaAsMESFETなどのト
ランジスター構造も使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の直列分路帰還電圧増幅器を示す概略図で
ある。
【図2】一定の利得入力ステージと可変利得出力ステー
ジとを有する電圧増幅器を示す概略図である。
【図3】本発明の一実施態様による電圧増幅器を示す概
略図である。
【図4】図3の増幅器を駆動する回路の詳細図である。
【図5】図3の増幅器の差動バージョンを駆動する回路
の詳細図である。
【符号の説明】
1 入力ステージ 2 可変利得ステージ 3 相互コンダクタンス増幅器 4 単位利得バッファー増幅器 5 AGC増幅器 I3 電流源 R1 負荷 Rf 帰還抵抗 Q0 トランジスター Q1 エミッター・フォロワートランジスター Q2 トランジスター Q3 トランジスター Qt1 トランジスター Qt2 トランジスター Rt1 抵抗 Rt2 抵抗 Rt3 負荷抵抗器 Rt4 負荷抵抗器 Rt5 負荷抵抗器 Rt6 負荷抵抗器 Rf1 抵抗 Rf2 抵抗 Qe1 トランジスター Qe2 トランジスター Qt3、Qt4 電流ステアリング対 Qt5、Qt6 電流ステアリング対

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力と、直列分路帰還方式で接続した増
    幅器と、出力とを有する入力ステージ、および上記入力
    ステージの出力に結合した入力と、出力とを有する第2
    ステージからなるAC電圧増幅器システムにおいて、 上記入力ステージおよび上記第2ステージを電流方式で
    作動するように構成したAC電圧増幅器装置。
  2. 【請求項2】 上記第2ステージが可変利得増幅ステー
    ジである請求項1の装置。
  3. 【請求項3】 上記増幅器装置によりRF電圧信号を増
    幅する請求項1または2の装置。
  4. 【請求項4】 上記入力ステージの上記増幅器が相互コ
    ンダクタンス増幅器である請求項1〜3のいずれか1項
    の装置。
  5. 【請求項5】 上記相互コンダクタンス増幅器が共通エ
    ミッターステージとして構成したバイポーラ接合トラン
    ジスターか、あるいは共通エミッターステージとして構
    成した差動対のバイポーラ接合トランジスターを有する
    請求項4の装置。
  6. 【請求項6】 入力ステージの直列分路帰還ループに単
    位利得バッファー増幅器を結合した請求項1〜5のいず
    れか1項の装置。
  7. 【請求項7】 第2ステージを電流ステアリング装置と
    して構成し、使用時に、第2ステージの入力に供給され
    る電流の一部を出力負荷に向けることによって、出力電
    圧をこの負荷の両端に発生し、第2ステージの上記出力
    で利用できるように構成した請求項1〜6のいずれか1
    項の装置。
  8. 【請求項8】 上記電流ステアリング装置が、エミッタ
    ー同志を結合するとともに、エミッターを入力ステージ
    の出力に結合した一対のバイポーラ接合トランジスター
    を有する請求項7の装置。
  9. 【請求項9】 上記ステアリング装置が、差動関係でそ
    れぞれ入力ステージの差動出力に結合した2対のバイポ
    ーラ接合トランジスターを有する請求項7の装置。
  10. 【請求項10】 第2ステージを自動利得制御(AG
    C)信号によって制御し、このステージの出力を所望の
    レベルに維持する請求項1〜9のいずれか1項の装置。
  11. 【請求項11】 上記2対のバイポーラ接合トランジス
    ターのベースにAGC信号を印加する、請求項9に従属
    する請求項10の装置。
  12. 【請求項12】 上記第2ステージがバッファーステー
    ジまたはミクサーステージを有する請求項1〜11のい
    ずれか1項の装置。
  13. 【請求項13】 AC電圧信号を電流信号に変換し、 この電流信号を所望のレベルまで増幅し、そしてこの増
    幅された電流信号を増幅された電圧信号に変換すること
    からなるAC電圧信号の増幅方法。
  14. 【請求項14】 電流信号の増幅率が1未満である請求
    項13の方法。
  15. 【請求項15】 電流信号を増幅するさい、電流信号を
    少なくとも2つの部分に分割し、これら部分の一つを増
    幅された電圧信号に変換する請求項13または14の方
    法。
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