JP2001516525A - 無線アーキテクチャ - Google Patents

無線アーキテクチャ

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JP2001516525A JP53370698A JP53370698A JP2001516525A JP 2001516525 A JP2001516525 A JP 2001516525A JP 53370698 A JP53370698 A JP 53370698A JP 53370698 A JP53370698 A JP 53370698A JP 2001516525 A JP2001516525 A JP 2001516525A
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Abstract

(57)【要約】 ディジタル無線トランシーバ集積回路はそのディジタル回路において通常しきい値電圧を持つMOSトランジスタを含み、及びそのアナログ無線構成要素の少なくともいくつかにおいて低減しきい値電圧を持つMOSトランジスタを含む。これにより、性能を妥協させることを要せずに、トランシーバの寸法及び重さを減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 無線アーキテクチャ 発明の技術分野 本発明は、無線アーキテクチャ、特にディジタル無線トランシーバ用CMOS アーキテクチャに関する。 関連技術の説明 ディジタル移動電話の分野では、ディジタル信号を搬送する無線信号を送信及 び受信することが必要である。しかしながら、移動トラシーバは、低電力要件に 伴って、可能な限り小形かつ軽量であることが好ましい。CMOS製造技術を使 用して、ディジタル信号プロセッサ、A/D変換器、及びD/A変換器のような 、トランシーバのディジタル構成要素を実現することが有利である。これは、同 じCMOS製造技術を使用して、増幅器、混合器等のような、トランシーバのア ナログ構成要素を実現することが、製造観点から、また有利であることを意味す る。この型式のアーキテクチャは、「スペクトル拡散通信用低電力CMOSチッ プセット」、S・シェン他、ISSCC、1996年(“A Low−Powe r CMOS Chipset for Spread−Spectrum C ommunications”,S.Sheng,et al,Interna tional Solid−State Circuits Conferen ce,1996)に開示されている。 しかしながら、CMOSトランジスタは、低漏れ電流のスイッチとして、通常 、機能する。この結果は、このようなトランジスタがアナログ無線(RF)回路 内に使用されるには余り適当でないと云うことである。例えば、これらのトラン ジスタは、特に低バイアス電圧で典型的に低相互コンダクタンスを有し、低利得 及び高(位相)雑音を生じる。 米国特許第5,407,849号はCMOS回路を製造する方法を開示してい るが、この回路ではそれらのトランジスタ(FET)の或るいくつかのしきい値 電圧が、例えば、零ボルトに接近するように低減される。 発明の要約 それゆえ、先行技術無線アーキテクチャは、もしそれらの回路の全体を実現す るためにCMOSプロセスを使用するように決定されるならば、そのデバイスの 性能を妥協させることを伴う。他方、米国特許第5,407,849号は、CM OS回路内のFETの或るいくつかのしきい値電圧を低減させることを開示して いるが、しかしいかにこれが無線アーキテクチャになにか応用されるかは開示し ていない。 本発明は、ディジタル無線用集積回路の異なる部分内に異なるしきい値電圧を 持つトランジスタを使用する。 本発明は、ディジタル信号を扱う回路内に高しきい値電圧又は通常しきい値電 圧を持つトランジスタを使用する点、及びアナログ信号を処理する回路内に低減 しきい値電圧を持つトランジスタを使用する点で有利である。 加えて、本発明は、無線トランシーバの前置回路(front−end ci rcuit)内に高しきい値電圧又は通常しきい値電圧を持つ或るいくつかのト ランジスタをさらに使用すること及び低減しきい値電圧を持つ或るいくつかのト ランジスタを使用することをさらに使用することがある。このようなトランシー バは、CMOS構成とすることができるし、或はNMOS又はPMOSデバイス だけを使用してもよい。 図面の簡単な説明 図1は、本発明に従う無線トランシーバの概略ブロック図である。 図2は、本発明に従う前置回路の概略回路図である。 図3は、本発明の利点を説明するために第1在来回路を示す。 図4は、本発明の利点を説明するために第2在来回路を示す。 実施例の詳細な説明 図1に示したように、移動電話機内に使用される無線トランシーバ2は、無線 信号を受信する受信アンテナ4、及び受信された信号を使用に便利なレベルに回 復する低雑音増幅器6を有する。増幅された信号は混合器8に渡され、ここでこ れらの信号が無線周波数から比較的低い中間周波数に変換され、次いで、フィル タ10内でフィルタされる。フィルタされた信号はアナログ−ディジタル(A/ D)変換器12に渡され、この変換器はこれらの信号をディジタル形式に変換し 、この形式でこれらの信号を信号プロセッサ14が扱うことができ、続いてこれ らの信号は線路16上へ出力される。 伝送用信号は、ディジタル形式で線路18を通じて信号プロセッサ14に供給 され、次いで、処理された後、ディジタル−アナログ(D/A)変換器20に供 給される。アナログ形式に変換された後、信号は変調器22へ送られて無線周波 数に変換され、次いで、電力増幅器24及び送信アンテナ26(これは受信アン テナ4と組み合わされることがある)へ送られて、無線信号として伝送される。 上に概説したトランシーバの全般構造は、当業者によく知られており、かつ種 種の変更及び修正が可能であることは明らかである。 更にまた、それらの回路を単一チップに集積することが有利であると云う提案 がなされている。 本発明者が認識したことは、図1に示されたトランシーバが異なる要件を示す 2つの明確に区別される型式の回路を含むこと、及びそれらの矛盾する要件を回 路の異なる型式内に異なるしきい値電圧を持つトランジスタを使用することによ って満たすことできることである。これが、トランシーバの性能を最適化できる ようにする一方、なお、それらの無線回路を単一モノリシック集積回路に形成で きるようにし、このように形成することは電話機の寸法及び重さの観点から利点 を有する。 特に、その回路のディジタル部分、例えば、A/D変換器及びD/A変換器が 、例えば、NMOSデバイスに対しては+1Vの領域又はPMOSデバイスに対 しては−1Vの領域内の通常しきい値電圧(或るときには高しきい値電圧と本明 細書中で称される)を使用して有利に形成される。それゆえ、各場合におけるし きい値電圧の大きさは、0.5Vより大きい。対照的に、その回路のアナログ無 線部分、例えば、増幅器は、0.5Vより小さい大きさをの低減しきい値電圧を 持つCMOSトランジスタを使用して有利に形成される。この結果、低電力消費 、低雑音、及び広帯域幅を生じることができる。しきい値電圧は、好適には、零 に接近するように、又は零を超えてさえも低減される。それゆえ、NMOSトラ ンジスタは小さい負しきい値電圧を有することがあるのに対して、PMOSトラ ン ジスタは小さい正しきい値電圧を有することがある。 図1内の破線28は、その回路の1つの現在好適とされる区分(divisi on)を示す。線28の右の回路は高しきい値電圧を持つトランジスタを有する ことがあるのに対して、線28の左の回路は低しきい値電圧を持つトランジスタ を有することがある。しかしながら、他の区分も可能であり、事実、同じ回路の 異なる部分内に異なるしきい値電圧を持つトランジスタを使用することが可能で ある。 米国特許第5,407,849号に開示されているように、現存するマスクを 使用することによって又はエキストラ・マスクを追加することによってのどちら かで、半導体デバイスの選択された部分内へのしきい値のための打込み濃度(t hreshold implantation dose)を変化させることに よって異なるトランジスタ内に異なるしきい値電圧を達成することが可能である 。 こうして、性能を犠牲にすることなく、単一チップ上に集積することができる 無線アーキテクチャが開示される。 図2は、本発明による無線受信機前置回路の概略回路図である。上に略述した ように、この回路は、互いに異なるしきい値電圧を持つトランジスタを含む。こ の図には、明確のために、これらのトランジスタだけが示されている。図2で、 低減しきい値電圧を持つトランジスタが太いドレイン−ソース・チャネルで以て 示されている。上述のように、これらのデバイスのしきい値電圧を、零に近く、 又は零の下へさえ、大きく低減させることができることは有利である。零より低 いしきい値を持つデバイスは、デプレーション・デバイスと呼ばれる。その回路 の残りの部分は在来的であり、かつその全般回路図は当業者に周知である。それ らのトランジスタは、CMOSデバイスであることもあり、或はPMOS又はN MOSデバイスであることもある。 広義には、図2の受信機回路は入力増幅段52、局部発振器ドライバ(loc al oscillator driver)54、56、及び一対の混合器5 8、60を含む。この回路は、単一平衡前置回路を形成する。この回路は、二重 平衡低雑音増幅器及び混合器を形成するために、他の同等の回路と組み 合わされることがある。 増幅段52は一対の入力トランジスタM1、M4を含み、これらのトランジス タは、それぞれ、接地接続され及び電源電圧Vddに接続される。入力無線周波 数信号RFinは、第1入力トランジスタM1のゲートに供給され、かつ第2入 力トランジスタM4に反転供給される。増幅段52はまた、一対の共通ゲート・ トランジスタM2、M3を含み、これらのトランジスタはそれらのゲートに分割 電源電圧Vdd/2を(M3の場合は反転されて)供給され、かつそれらのドレ イン−ソース・チャネルを入力トランジスタM1、M4のドレイン−ソース・チ ャネルに接続される。 カスコード共通ゲート・トランジスタM2、M3は低しきい値電圧デバイスで あることが判る。 増幅段52からの出力がトランジスタM5、M6で作られた同相混合器(in −phase mixer)58に供給され及びトランジスタM7、M8で作ら れた直角混合器60に供給される。 同相局部発振器信号LOiがトランジスタM9のゲートに供給されかつトラン ジスタM10のゲートに反転供給され、トランジスタM9及びM10が局部発振 器ドライバ54を形成するように、トランジスタM9及びM10は電源電圧Vd dと接地との間に接続される。トランジスタM9及びM10からの出力信号がト ランジスタM8のゲートに供給され、かつトランジスタM5のゲートに反転供給 される。 直角局部発振器信号LOqがトランジスタM11のゲートに供給されかつトラ ンジスタM12のゲートに反転供給され、トランジスタM11及びM12が局部 発振器ドライバ56を形成するように、トランジスタM11及びM12は電源電 圧Vddと接地との間に接続される。トランジスタM11及びM12からの出力 信号がトランジスタM6のゲートに供給され、かつトランジスタM7のゲートに 反転供給される。 同相混合器58からの出力は同相中間周波数信号IFiであり、及び直角混合 器60からの出力は直角中間周波数信号IFqである。 トランジスタM5、M6、M7、及びM8は低しきい値デバイスであるのに対 して、局部発振器ドライバトランジスタM9、M10、M11、及びM12は正 規しきい値型式(regular threshold type)のものである ことが判る。局部発信励振器トランジスタの場合、オフ状態における漏れ電流が 最小限であることが有利であり、かつそれであるから正規しきい値トランジスタ の使用が好適である。更にまた、VCO内に高しきい値電圧又は正規しきい値電 圧を持つトランジスタを使用することの利点は、この結果、共振器上に大きな「 信号揺れ(signal swing)」を生じ、それゆえに低(位相)雑音で あることである。 増幅器52におけるように、低しきい値デバイスをカスコードにして使用する ことの利点は、図3を参照して説明する。図3は、2つのカスコード・トランジ スタQ1及びQ2を示し、これらのトランジスタは、それぞれ、ゲート−ソース 電圧Vgs1及びVgs2を有する。入力信号がQ1のゲートに印加され、かつ 出力信号がQ2のドレインに得られる。接地されたソース・デバイスQ1のゲー ト−ソース電圧Vgs1は、しきい値電圧Vthに比較してVgs1−Vth= 1Vであるように、少なくとも充分に高くなければならない。そうでなければ、 そのデバイスは高周波数で動作しないことになる。類似の考察はQ2に適用され 、これはQ2のゲート電圧を少なくとも約2.8Vにセットしなければならない ことを意味する。これは、3Vプロセスでは達成不可能ということであり、また 低電源電圧を用いるいかなるプロセスにおいても達成可能でないことはほとんど 確かであろう。しかしながら、もししきい値電圧が、例えば、零へ低減されたと したならば、2Vのゲート電圧はQ2に対して充分であろう。 図2の回路に戻ると、したがって、カスコード共通ゲート・トランジスタM2 、M3に対して低しきい値デバイスを使用することにより、その回路のダイナミ ック・レンジが改善され、又低電源電圧を使用できるようになることもある。 低しきい値デバイスの使用に関する1つの潜在的問題は、それらのデバイスが それらのゲート−ソース電圧が零であるときでも(サブスレッショルド伝導(s ub−threshold conduction)に因り)伝導することであ る。この問題は、入力トランジスタM1、M4が低漏れ電流の正規しきい値型式 のものであると云う理由で、図2の増幅回路52内で克服される。入力トラ ンジスタM1、M4が低減しきい値をもつものとしてもよく、その場合、その増 幅器をスイッチ・オフするために電源電流をスイッチ・オフすることが必要であ ることになる。この場合、トランジスタM1、M4を入力に交流結合すること、 及びこれらを個別にバイアスすることが必要となる。 混合器58、60におけるように、伝送ゲート内に低しきい値デバイスを使用 することの利点を図4を参照して説明する。特に、図4は2つのトランジスタで 作られた伝送ゲートを示し、これらのトランジスタの1つQ3はそのゲートを電 源電圧Vddに接続され、及び他の1つQ4はそのゲートを接地接続される。各 トランジスタに対して、ゲート−ソース電圧はVdd/2である。しきい値電圧 を考慮に入れ、かつバック・バイアス効果を無視すると、実効ゲート電圧はVd d/2−Vthである。しきい値電圧が0.8Vである3Vプロセスに対して、 これは、約0.7Vの実効ゲート電圧を与える。実効ゲート電圧が低くなればな るほど、雑音に因り持ち上がる問題が大きくなる。更にまた、もし電源電圧を低 減しようとしたとするならば、実効ゲート電圧がゲートをオンにスイッチするの に充分に高くなることはほとんどないであろう。もししきい値電圧を零に低減す るならば、実効ゲート電圧はVdd/2、すなわち、約1.5V、通常しきい値 デバイスが使用されるときの値の約2倍に、ほぼ等しくなる。 図2の回路に戻ると、したがって、トランジスタM5、M6、M7、及びM8 に対して低しきい値デバイス使用することが雑音を低減させ、かつまたオン状態 におけるデバイスの抵抗を低減させることが判る。低電源電圧の使用もまた可能 になる。 低しきい値デバイスの使用に関する1つの潜在的問題は、それらのゲート−ソ ース電圧が零であるときでも(サブシュレッショルド伝導に因り)それらが伝導 することである。この問題は、それらのトランジスタを、その動作電圧Vdd/ 2に等しいかつ反対の、負のゲート−ソース電圧を印加することによって、各々 、適正にスイッチすることができると云う理由で、図2の混合器58、60内で 克服される。 高漏れ電流に因る問題を引き起こすことなく、低電源電圧を用いて有効に動作 することができる受信機回路が開示された。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,LS,M W,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY ,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM ,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,E S,FI,GB,GE,GH,HU,ID,IL,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZW

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. ディジタル無線トランシーバ内に使用される集積回路であって、高しきい 値電圧を持つ第1MOSトランジスタと、低減しきい値電圧を持つ第2MOSト ランジスタとを含む集積回路。 2. 請求項1記載のディジタル無線トランシーバ内に使用される集積回路にお いて、前記第2MOSトランジスタのうちのNMOSトランジスタが負のしきい 値電圧を有し、前記第2MOSトランジスタのうちのPMOSトランジスタが正 のしきい値電圧を有する集積回路。 3. 請求項1又は2記載の集積回路を含む移動電話機。 4. ディジタル無線トランシーバ内に使用される集積回路であって、少なくと も或るいくつかが高しきい値電圧を有する複数個のMOSトランジスタを含むア ナログ・デバイスと、少なくとも或るいくつかが低減しきい値電圧を有する複数 個のMOSトランジスタを含むディジタル・デバイスとを備える集積回路。 5. MOSトランジスタを含むアナログ無線受信機および送信機構成要素と、 MOSトランジスタを含むアナログ−ディジタル変換器と、MOSトランジスタ を含むディジタル−アナログ変換器とを有し、前記アナログ無線受信機および送 信機構成要素と、前記アナログ−ディジタル変換器と、前記ディジタル−アナロ グ変換器とが同一の集積回路の部分を形成し、及び前記アナログ−ディジタル変 換器内および前記ディジタル−アナログ変換器内の前記MOSトランジスタが高 しきい値電圧を有しかつ前記アナログ構成要素内の前記MOSトランジスタの少 なくとも或るいくつかが低しきい値電圧を有するディジタル無線トランシーバ。 6. 請求項5記載のトランシーバを含む移動電話機。 7. それぞれMOSトランジスタを含むアナログ・デバイスとディジタル・デ バイスとを有し、前記ディジタル・デバイス内のMOSトランジスタが高しきい 値電圧を有し、かつ前記アナログ・デバイス内の前記MOSトランジスタの少な くとも或るいくつかが低しきい値電圧を有するディジタル無線トランシーバ。 8. 請求項7記載のディジタル無線トランシーバにおいて、前記アナログ・デ バイスと前記ディジタル・デバイスとが同一の集積回路の部分として形成される ディジタル無線トランシーバ。 9. それぞれMOSトランジスタを含むアナログ構成要素とディジタル構成要 素とを有し、前記ディジタル構成要素内の前記MOSトランジスタが前記アナロ グ構成要素内の前記MOSトランジスタの少なくとも或るいくつかよりも高いし きい値電圧を有するディジタル無線トランシーバ。 10.請求項9記載のディジタル無線トランシーバにおいて、前記アナログ構成 要素内のNMOSトランジスタが負のしきい値電圧を有しかつ前記アナログ構成 要素内のPMOSトランジスタが正のしきい値電圧を有するディジタル無線トラ ンシーバ。 11.MOSトランジスタを含むアナログ無線受信機および送信機構成要素と、 MOSトランジスタを含むアナログ−ディジタル変換器と、MOSトランジスタ を含むディジタル−アナログ変換器とを有し、前記アナログ−ディジタル変換器 内と前記ディジタル−アナログ変換器内の前記MOSトランジスタが高しきい値 電圧を有しかつ前記アナログ構成要素内の前記MOSトランジスタが低しきい値 電圧を有するディジタル無線トランシーバ。 12.請求項11記載のディジタル無線トランシーバにおいて、前記アナログ無 線受信機および送信機構成要素と、前記アナログ−ディジタル変換器と、前記デ ィジタル−アナログ変換器とが同一の集積回路の部分として形成されるディジタ ル無線トランシーバ。 13.請求項11又は12記載のディジタル無線トランシーバにおいて、前記ア ナログ受信機および送信機構成要素内のNMOSトランジスタが負のしきい値電 圧を有しかつ前記アナログ受信機および送信機構成要素内のPMOSトランジス タが正のしきい値電圧を有するディジタル無線トランシーバ。 14.それぞれMOSトランジスタを含むアナログ構成要素およびディジタル構 成要素とを有するディジタル無線トランシーバ集積回路を製造する方法であって 、前記ディジタル構成要素内の前記MOSトランジスタが高しきい値電圧を有し かつ前記アナログ構成要素内の前記MOSトランジスタの少なくとも或るいくつ かが低しきい値電圧を有するようにしきい値打込み濃度を変更することを含む方 法。 15.一対の共通ゲートMOSFETトランジスタと、入力信号が印加される一 対の入力MOSFETトランジスタとを有し、前記入力トランジスタが電源電圧 と接地とに接続され、かつ前記共通ゲート・トランジスタが前記入力トランジス タ間でカスコードされ、前記共通ゲート・トランジスタが低減しきい値電圧を有 する無線受信機増幅回路。 16.請求項15記載の無線受信機増幅回路において、前記入力トランジスタが 正規しきい値を有する無線受信機増幅回路。 17.それぞれが一対のMOSトランジスタを含む一対の伝送ゲートを有し、各 局部発振器信号が前記トランジスタのゲートに供給され、かつ入力信号が前記伝 送ゲートの入力に供給され、前記伝送ゲートの前記トランジスタが低減しきい値 を有する無線周波混合回路。 18.請求項17記載の無線周波混合回路において、前記伝送ゲートへの前記局 部発振器信号がそれぞれ一対のトランジスタで構成される一対の局部発振器ドラ イバを通して供給され、前記局部発振器ドライバの前記トランジスタが通常しき い値を有する無線周波混合回路。 19.請求項15又は16記載の増幅器と請求項17又は18記載の混合回路と を含む無線受信機。
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