JP2002135057A - ミキサ回路とその回路を使用する移動体通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低歪みと低雑音を同時に満たした半導体集積
回路に適したミキサ回路を提供すること。 【解決手段】 ギルバードセル型ミキサ回路３におい
て、二重平衡接続した回路１と差動増幅回路２との動作
電流の差の電流値を、電源よりエミッタへ供給する回路
内に、第１・第２の抵抗素子23、24を、挿入接続したこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はディジタル変調方式
及びアナログ変調方式などに用いられるミキサ回路と、
それを使用した移動体無線通信端末装置及び基地局装置
を含む移動体通信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、移動体通信装置において、送信
時にはベースバンド信号に第１の局部発振信号（ＬＯ）
を混合して中間周波数信号を作り出し、さらに第２の局
部発振信号を混合してＲＦ信号を作り出す変調回路とし
て、ギルバートセル型ミキサ回路を用いている。また受
信時にはＲＦ信号に第２の局部発振信号を混合してベー
スバンド信号を混合して中間信号を作りだし、さらに第
１の局部発振信号を混合してベースバンド信号を作り出
す復調回路として、同様なギルバートセル型ミキサ回路
を用いている。

【０００３】図１２は、ギルバートセル型ミキサ回路の
構成を示す図である。ギルバートセル型ミキサ回路は、
４つのトランジスタ11、12、13、14が二重平衡接続され
たギルバートセル対１と、前記ギルバートセル対１の２
組の共通エミッタに差動増幅回路２のコレクタがそれぞ
れ接続されて構成したミキサ回路である。前記ギルバー
トセル対１の２組の共通コレクタと電源Ｖｃｃとの間
に、負荷抵抗素子17、18が接続され、出力端子35、36か
ら出力が取り出される。

【０００４】前記ギルバートセル対１の２組の共通ベー
スには局部発振信号入力端子33、34を介して局部発振信
号が入力される。前記差動増幅回路２はトランジスタ1
5、16、エミッタ抵抗素子19、定電流源21、22とで構成
され、前記トランジスタ15、16のそれぞれのベースに入
力端子31、32を介して入力信号が印加される。

【０００５】前記差動増幅回路２に印加された入力信号
は前記トランジスタ15、16のそれぞれのコレクタを介し
て前記ギルバートセル対１の共通エミッタに印加され
る。一方、前記ギルバートセル対１の２組の共通ベース
に、局部発振信号が印加されて、その入力信号が適度に
大きい場合には、前記ギルバートセル対１はスイッチン
グ動作を行う。そのため、前記ギルバートセル対１の共
通コレクタから入力信号と局部発振信号との積の成分を
含む電流が得られ、前記負荷抵抗素子17、18を介して前
記出力端子35、36より出力信号を得る。

【０００６】このミキサ回路において、相互変調歪みを
低減する手段として、下記の２つの方法が知られてい
る。その一つは、前記差動増幅回路の２の前記エミッタ
抵抗素子19を大きくして帰還量を多くすることである。
他の方法は、前記差動増幅回路２の前記トランジスタ1
5、16のバイアス電流である前記電流源21、22の電流値
Ｉを増加することである。前者では前記差動増幅回路２
の利得が低下し、雑音指数の劣化を招くため、ミキサ回
路として好ましくない。後者の方法では差動増幅回路２
において発生する歪みと雑音を小さくすることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記差動増幅回路２の
前記トランジスタ15、16のバイアス電流を増やすことで
差動増幅回路２で発生する歪みと雑音を小さくすること
は可能である。しかしながら、前記ギルバートセル対１
で発生する主な雑音はショット雑音であり、下記の式
（１）に示すように、前記ギルバートセル対１の動作電
流が大きくなるとショット雑音（自乗平均雑音電流）も
大きくなる。

【０００８】

【数１】 但し、ｑは電子の電荷、Ｉはトランジスタのバイアス電
流、Δｆは周波数帯域幅 である。

【０００９】そのため、前記差動増幅回路２の前記電流
源21、22の電流値Ｉｉを増やすと、相互変調歪みは低減
するが、前記ギルバートセル対１で発生する雑音は大き
くなり、ミキサ回路全体として雑音指数が劣化する。

【００１０】また電源電圧を低下した回路構成では、前
記差動増幅回路２の前記電流源21、22の電流値Ｉを増や
すこととなり、その場合は前記負荷抵抗素子17、18で発
生する電圧降下が増加し、電源電圧を高くする必要が生
じる。

【００１１】そのため、本発明は、上記従来の課題を解
決するため、低歪みと低雑音を同時に満たすことであ
り、また歪みと雑音の改善に伴う電源電圧を高くするこ
とを不要とする半導体集積回路に適したミキサ回路を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発明は、４個のトランジスタを二重平衡接続した回路
と、前記二重平衡接続した回路の２組の共通エミッタと
接続した差動増幅回路と、を有するギルバートセル型ミ
キサ回路において、前記二重平衡接続した回路と前記差
動増幅回路との動作電流の差の電流値を電源より前記共
通エミッタへ供給する回路内に、第１・第２の抵抗素子
を挿入接続したことを特徴とする。

【００１３】この構成により、ギルバートセル対と差動
増幅回路の動作電流を個別に設定することができる。そ
して歪みと雑音の改善に伴う電源電圧を増大こせること
が無く、低歪みと低雑音を同時に満たすことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を使用して説明する。

【００１５】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１実施の形態のミキサ回路の構成を示す図である。抵抗
素子23と抵抗素子24は、請求項１に記載の「二重平衡接
続した回路と差動増幅回路との動作電流の差の電流値を
電源より供給する回路内に挿入接続した第１抵抗素子23
と第２抵抗素子24」である。その他、図１２と同一符号
を付した要素・素子は図１２と同様のものを示してい
る。

【００１６】図１に示す回路の動作について説明する。
入力信号は前記入力端子31、32より前記差動増幅回路２
の前記トランジスタ15、16の各ベースに印加され、前記
トランジスタ15、16の各コレクタを介して前記ギルバー
トセル対１を構成するトランジスタ11、12の共通エミッ
タ、及びトランジスタ13、14の共通エミッタに印加され
る。

【００１７】前記ギルバートセル対１のトランジスタの
うち前記トランジスタ11と12、または13と14の動作電流
は、前記定電流源21、22の電流値Ｉｉと、抵抗素子23ま
たは24に流れる電流との差電流であり、その動作電流値
は、前記抵抗素子23または24の値を変えることで、所望
の値に設定することができる。

【００１８】トランジスタ15または16のコレクタから見
た前記ギルバートセル対１のトランジスタ11と12、また
は13と14の共通エミッタの入力インピーダンスは低いた
め、ギルバートセル対１のトランジスタ11と12または13
と14で発生する歪みは少ない動作電流でも小さい。また
前記抵抗素子23、24の各インピーダンスは、ギルバート
セル対１のトランジスタ11と12、または13と14の入力イ
ンピーダンスに比べて十分に大きいため、抵抗素子23ま
たは24を無いものと見做すことができる。

【００１９】さらにミキサ回路３の全体の歪みは、差動
増幅回路２で発生する歪みが支配的であるため、差動増
幅回路２の動作電流を設定している定電流源21、22の電
流値Ｉｉを大きく設定することにより、差動増幅回路２
で発生する歪みと雑音を低減させることができる。一
方、ギルバートセル対１の動作電流は小さいため、ギル
バートセル対１で発生する主な雑音であるショット雑音
を小さくすることができる。

【００２０】また、差動増幅回路２で発生する歪みと雑
音を減らすために、動作電流を設定している定電流源2
1、22の電流値Ｉｉを大きく設定しても、抵抗素子23、2
4の値を小さくして、それに流れる電流を大きくするこ
とで、負荷抵抗17、18の電圧降下の増加を抑えることが
可能であり、電源電圧を大きくすることは不要である。

【００２１】このようにして、図１に示すミキサ回路に
よれば、低歪みと低雑音のミキサ回路を実現することが
できる。

【００２２】なお、図２に示す回路もショット雑音を小
さくすることに有効である。図２において、第１の抵抗
素子23は、第１インダクタンス素子25と共に直列回路７
を形成し、ギルバートセル対１の共通エミッタと電源Ｖ
ｃｃとの間に挿入されている。また第２抵抗素子24と第
２インダクタンス素子26は直列回路８を形成し、直列回
路７と同様にギルバートセル対１の共通エミッタと電源
との間に挿入されている。

【００２３】ギルバートセル対１の動作電流は、図１の
場合と同様に、定電流源21、22の電流値Ｉｉと、直列回
路７または直列回路８に流れる電流との差であって、動
作電流の値は、直列回路７または８内の抵抗素子23また
は24の値を変えることで所望の値に決定することができ
る。

【００２４】そして前記第１インダクタンス素子25及び
第２インダクタンス素子26の値を大きくすることで、直
列回路７または８のインピーダンスは、前記ギルバート
セル対１のトランジスタ11と12または13と14の動作電流
とは独立して大きく設定することができる。それは、抵
抗素子23、24の各インピーダンスは、ギルバートセル対
１のトランジスタ11と12、または13と14の入力インピー
ダンスに比べて十分に大きいため、抵抗素子23または24
を無いものと見做すことができるからである。そのた
め、前記のショット雑音を小さくする効果はより大きく
なる。

【００２５】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図３において、第３抵抗素子26
と、第４抵抗素子27とが差動増幅回路２の各エミッタ間
に直列的に接続され、その接続点に定電流源21が接続さ
れている。

【００２６】このように構成された差動増幅回路２を、
本発明のミキサ回路に使用することにより、ミキサ回路
２としての動作は、図１・図２の場合と同様である。そ
して、差動増幅回路２として、その定電流源を単一で構
成されることが可能となる。また、ミキサ回路を半導体
集積回路で構成するとき、そのチップ面積を削減するこ
とができるという効果を有する。

【００２７】（第３の実施の形態）図４は、本発明の第
３の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図４において、定電流源21は単
独で差動増幅回路の各エミッタと直接に接続されてい
る。そのため、差動増幅回路における帰還量が減少して
増幅度が増大する。この構成とすることにより、半導体
集積回路として実現する場合にチップ面積を削減するこ
とができると共に、ミキサ回路は高い利得が得られると
いう効果を有する。

【００２８】（第４の実施の形態）図５は、本発明の第
４の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図５において、差動増幅回路２
のエミッタ間は第５抵抗素子19を介して直接接続され、
さらに各エミッタは第６抵抗素子29と、第７抵抗素子30
とを介して接地接続されている。

【００２９】ここで、第６抵抗素子29、第７抵抗素子30
の抵抗値を小さくすることにより、差動増幅回路２の動
作電流Ｉｉ’を大きくすることが可能であり、差動増幅
回路２で発生する歪みと雑音を低減することができる。

【００３０】従って、この構成の差動増幅回路を本発明
のミキサ回路に適用するとき、差動増幅回路の利得のば
らつきを軽減することができる。また、定電流源が不要
となり、半導体集積回路として実現するとき、半導体チ
ップの面積が削減できる効果を有する。

【００３１】（第５の実施の形態）図６は、本発明の第
５の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図６においては、第５抵抗素子
19に対し、誘電体素子（コンデンサ）30を並列接続して
いる。そのため、差動増幅回路２の動作としてより高周
波帯域においては帰還量が減少し、中間周波数以下では
帰還量が維持される。従って高周波帯域における利得が
増加するという効果が得られる。

【００３２】（第６の実施の形態）図７は、本発明の第
６の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図７においては、第５抵抗素子
19に対し、誘電体素子31を並列接続している。第５抵抗
素子19・第６抵抗素子29・第７抵抗素子30の各接続は、
図５に示す第５の実施の形態と同様である。

【００３３】即ち、第６抵抗素子29、第７抵抗素子30の
抵抗値を小さくすることにより、差動増幅回路２の動作
電流Ｉｉ’を大きくすることが可能であり、差動増幅回
路２で発生する歪みと雑音を低減することができる。

【００３４】そのため、差動増幅回路の定電流源が不要
になること、差動増幅回路２の利得のばらつきを軽減で
きること、高周波帯域における利得が増加できること、
という効果を有する。また半導体集積回路として構成す
るとき、半導体チップの面積が削減できる。

【００３５】（第７の実施の形態）図８は、本発明の第
７の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図８においては、第３インダク
タンス素子32が第５抵抗素子19と直列接続され、差動増
幅回路の各エミッタ間を接続している。また各エミッタ
は各々定電流源と接続されている。この回路によると、
高周波帯域において差動増幅回路の利得は、他の実施の
形態における場合と比較して減少する。それは帰還量が
減少するからである。

【００３６】（第８の実施の形態）図９は、本発明の第
８の実施の形態としてミキサ回路の内、差動増幅回路２
の構成を示す図である。図９においては、第３インダク
タンス素子32が、上記第８の実施の形態と同様な接続を
され、また、第６抵抗素子29、第７抵抗素子30が上記の
定電流源に代わって接続されている。

【００３７】第６抵抗素子29、第７抵抗素子30の抵抗値
を小さくすることにより、差動増幅回路２の動作電流Ｉ
ｉ’を大きくすることが可能であり、差動増幅回路２で
発生する歪みと雑音を低減することができる。

【００３８】そのため、上記の接続の効果を合わせて有
することとなる。即ち、定電流源が不要となること、差
動増幅回路の利得のばらつきが軽減され、高周波帯域に
おける利得が増大すること、半導体集積回路を構成する
とき半導体チップ面積の削減ができること、などであ
る。

【００３９】（第９の実施の形態）図１０は、本発明の
第９の実施の形態として、上記のミキサ回路を使用した
変調回路を示している。図１０において、移相回路４は
搬送波信号が端子41と42から印加される。移相回路４の
２組の出力端子33と34は、上下の端子間で互いの位相差
が９０度となっている。またベースバンド入力端子37、
38は、上下の端子間で、同様に９０度の位相差を有して
いる。

【００４０】ミキサ回路３は上記請求項１乃至請求項９
記載のミキサ回路の何れであっても良い。ミキサ回路３
の各入力端子37、38と33、34に各々ベースバンド信号
と、搬送波信号とが印加される。その結果、ミキサ回路
３の出力端子35、36には、前記両信号に対して積の演算
を行った信号が得られる。それら信号は加算回路５にお
いて加算の処理をされ、出力端子51、52から変調信号が
得られる。従って、出力された変調信号は、低歪みで且
つ低雑音の特性を有している。

【００４１】（第１０の実施の形態）図１１は、本発明
の第１０の実施の形態として、上記のミキサ回路を使用
した復調回路を示している。図１１において、移相回路
４は搬送波信号が端子41と42から印加される。移相回路
４の２組の出力端子33と34は、上下の端子間で互いの位
相差が９０度となっている。分配回路６は、入力端子6
1、62に入力された変調波信号を２つの信号に分配す
る。

【００４２】ミキサ回路３は上記請求項１乃至請求項９
記載のミキサ回路の何れであっても良い。各ミキサ回路
３の一方の入力端子37、38には前記分配回路６の出力
が、ミキサ回路３の他方の入力端子33、34には前記９０
度の位相差を有する搬送波信号が印加される。その結
果、ミキサ回路３において各別に信号を復調する処理が
行われ、出力端子35、36に各別に復調信号が得られる。
従って、出力された復調信号は、低歪みで且つ低雑音の
特性を有している。

【００４３】移動体無線通信端末装置として上記のよう
な変調回路と、復調回路とを組み合わせ、アンテナ、通
信制御部とで構成したとき、その信号特性は歪み・雑音
において低い値を有していることは明らかである。

【００４４】移動体無線通信基地局装置として、上記の
端末装置と同様に構成すれば、同様に良好な特性の信号
を送受することができる。

【００４５】従って、移動体通信システムとして、上記
の端末装置と基地局装置とを組み合わせて構成すれば良
いことは当然である。

【００４６】以上の説明におけるミキサ回路に使用する
トランジスタとしては、バイポーラトランジスタでも、
接合型ＦＥＴ、或いはＭＯＳＦＥＴであっても、同様な
機能を有するデバイスであれば、使用することができ
る。

【００４７】

【発明の効果】このようにして、本発明によれば、低歪
みと低雑音を同時に満足させ、歪みと雑音特性を改善さ
せたことに伴う電源電圧の増大化が不要となる半導体集
積回路に適したミキサ回路が得られた。またこのような
ミキサ回路を移動体通信装置に適用すれば、良好な信号
特性が得られることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のミキサ回路の構成
を示す図、

【図２】第１の実施の形態のミキサ回路の他の構成を示
す図、

【図３】本発明の第２の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図４】本発明の第３の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図５】本発明の第４の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図６】本発明の第５の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図７】本発明の第６の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図８】本発明の第７の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図９】本発明の第８の実施の形態としてミキサ回路の
内、差動増幅回路の構成を示す図、

【図１０】本発明の第９の実施の形態として上記のミキ
サ回路を使用した変調回路を示す図、

【図１１】本発明の第１０の実施の形態として上記のミ
キサ回路を使用した復調回路を示す図、

【図１２】従来のミキサ回路の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ ギルバートセル対 ２ 差動増幅回路 ３ ミキサ回路 ４ 移相回路 ５ 加算回路 ６ 分配回路 ７、８ 直列回路 11、12、13、14、15、16 トランジスタ 17、18 負荷抵抗素子 19 エミッタ抵抗素子・第５抵抗素子 21、22 定電流源 23 第１抵抗素子 24 第２抵抗素子 25 第１インダクタンス素子 26 第２インダクタンス素子 27 第３抵抗素子 28 第４抵抗素子 29 第６抵抗素子 30 第７抵抗素子 31 誘電体素子 32 第３インダクタンス素子 33、34 ミキサ回路の搬送波入力端子 35、36 ミキサ回路の出力端子 37、38 ミキサ回路の入力端子 41、42 移相回路の入力端子 51、52 加算回路の出力端子 61、62 分配回路の出力端子

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１０月２４日（２０００．１０．
２４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】４個のトランジスタを二重平衡接続した回
   路と、前記二重平衡接続した回路の２組の共通エミッタ
   と接続した差動増幅回路と、を有するギルバートセル型
   ミキサ回路において、 前記二重平衡接続した回路と前記差動増幅回路との動作
   電流の差の電流値を電源より前記共通エミッタへ供給す
   る回路内に、第１・第２の抵抗素子を挿入接続したこと
   を特徴とするミキサ回路。
2. 【請求項２】 前記電源より共通ミエッタへ供給する回
   路内に前記第１抵抗素子・第１インダクタンス素子及び
   第２抵抗素子・第２インダクタンス素子の各直列接続回
   路を挿入接続したことを特徴とする請求項１記載のミキ
   サ回路。
3. 【請求項３】 前記差動増幅回路を形成する２個のトラ
   ンジスタのエミッタと定電流源との間に、第３抵抗素子
   ・第４抵抗素子を各別に接続したことを特徴とする請求
   項１または請求項２記載のミキサ回路。
4. 【請求項４】 前記差動増幅回路を形成する２個のトラ
   ンジスタのエミッタは互いに直結されて、前記定電流源
   と接続されたことを特徴とする請求項１または請求項２
   記載のミキサ回路。
5. 【請求項５】 前記差動増幅回路を形成する２個のトラ
   ンジスタのエミッタは第５抵抗素子を介して互いに接続
   され、且つ各エミッタは第６抵抗素子と第７抵抗素子を
   介して各々接地されていることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載のミキサ回路。
6. 【請求項６】 前記第５抵抗素子には第１の誘電体素子
   を並列接続したことを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載のミキサ回路。
7. 【請求項７】 前記第５抵抗素子には第１の誘電体素子
   を並列接続したことを特徴とする請求項５記載のミキサ
   回路。
8. 【請求項８】 前記差動増幅回路を形成する２個のトラ
   ンジスタのエミッタは第５抵抗素子と第３インダクタン
   ス素子との直列接続回路を介して互いに接続され、且つ
   各エミッタは第６抵抗素子と第７抵抗素子を介して各々
   定電流源に接続されていることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載のミキサ回路。
9. 【請求項９】 前記差動増幅回路を形成する２個のトラ
   ンジスタの各エミッタは第６抵抗素子と第７抵抗素子を
   介して各々接地と接続されていることを特徴とする請求
   項８記載のミキサ回路。
10. 【請求項１０】 移相回路により互いに９０度の位相差
    を有する搬送波信号と、互いに９０度の位相差を有する
    ２つのベースバンド信号と、が印加される前記請求項１
    乃至請求項９記載のミキサ回路２個と、前記ミキサ回路
    の各出力信号を加算する加算回路とで構成することを特
    徴とする信号変調回路。
11. 【請求項１１】 被変調信号を２つに分配する分配回路
    と、互いに９０度の位相差を有する２つの搬送波信号
    と、が印加される前記請求項１乃至請求項９記載のミキ
    サ回路２個とで構成することを特徴とする信号復調回
    路。
12. 【請求項１２】 アンテナ、送信部、受信部、通信制御
    部を有する移動体無線通信端末装置において、前記移動
    体無線通信端末装置を構成する前記請求項１０記載の信
    号変調回路と、前記移動体無線通信端末装置を構成する
    前記請求項１１記載の信号復調回路と、で構成すること
    を特徴とする移動体無線通信端末装置。
13. 【請求項１３】 アンテナ、送信部、受信部、通信制御
    部を有する移動体無線通信基地局装置において、前記移
    動体無線通信基地局装置を構成する前記請求項１０記載
    の信号変調回路と、前記移動体無線通信基地局装置を構
    成する前記請求項１１記載の信号復調回路と、で構成す
    ることを特徴とする移動体無線通信基地局装置。
14. 【請求項１４】 請求項１２記載の移動体無線通信端末
    装置と、請求項１３記載の移動体無線通信基地局装置と
    で構成することを特徴とする移動体通信システム。