JP2004040799A - 帯域幅拡張のための広帯域増幅装置 - Google Patents

帯域幅拡張のための広帯域増幅装置 Download PDF

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朴 相▲ひゅん▼
Dong Yun Jung
鄭 東潤
Sang-Hyun Park
朴 ▲すん▼淳
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Abstract

【課題】本発明によれば、利得変化は殆どない、帯域幅を増加させる装置が提供される。
【解決手段】帯域幅を拡張するための広帯域増幅装置は、入力信号を増幅するための第1及び第2増幅素子、バッファリング素子及び第1インダクティブバッファを含む。バッファリング素子は第1増幅素子と前記第2増幅素子との間に設けられ、出力信号の帯域幅を保持し、利得を増加し、バッファリングされた信号の一部を前記第1増幅素子に戻すことにより、前記第1増幅素子の出力信号をバッファリングする。第1インダクティブバッファは、バッファリング素子に接続されており、帯域幅を拡張すると共に、利得変化を殆ど示さないように、周波数が所定範囲内で増加するにつれて、入力インピーダンスを増加させる。
【選択図】  図3

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は広帯域増幅装置に関し、更に詳しくは、インダクティブバッファを用いて帯域幅を拡張するための広帯域増幅装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、超高速データ通信技術、例えば、光ファイバを用いる光通信技術が急速に成長しており、これにより、データの伝送量に対する要求も高まっている。多くの量のデータを転送するためには、より広い帯域幅で作動する広帯域増幅器を実現することが必須である。このために、超高周波帯域で安定して作動することができる能動素子が開発される必要がある。しかし、このような新しい能動素子を開発するのに長い時間や高コストがかかるので、新しく開発された素子やそれ以外のものをどのように広帯域増幅器回路に設けるか、すなわち、新しく開発された素子が効率的に作動するように広帯域増幅器回路を設計する方法を改善することも重要である。
【0003】
通常、シャントインダクタ方式が広帯域増幅器回路を設計するのに用いられている。
【0004】
図1は、シャントインダクタ方式を採用する従来の広帯域増幅器100の概略的な回路図で、従来の広帯域増幅器100は、トランジスタTR101乃至TR104、多数個の抵抗及びインダクタL100を備える。3つのトランジスタTR101乃至TR103は、それぞれ、第1増幅段、バッファ段、及び第2増幅段を形成する。バッファ段TR102をバイアスするために設計されるトランジスタTR104は、特定の抵抗値を有する抵抗に代えることができる。また、それぞれの抵抗は、バイアス設計のための特定の抵抗値を有する。インダクタL100は、TR101のコレクタに接続されて、広帯域増幅器100の帯域幅が拡張できるようにする。
【0005】
上述のシャントインダクタ方式によると、インダクタL100とパッド(図示せず)の寄生コンデンサとの間に共振現象が発生する。共振現象は、帯域周波数が増加するにつれて従来の広帯域増幅器100の負荷端のインピーダンスを増加させ、高周波数帯域における利得を増加し、ついに帯域幅を増加する。
【0006】
しかし、シャントインダクタ方式は、利得増加及び帯域幅拡張と共に、増幅器の性能を劣化し得る相当な利得ピーキングを伴う。このような利得特性が図2に示されている。
【0007】
図2は、通常の増幅器及びシャントインダクタ方式を採用する従来の広帯域増幅器100の利得特性グラフを示し、グラフGaは通常の増幅器の利得特性を示し、グラフGbは従来の広帯域増幅器100の利得特性を示す。x軸は周波数Hzを示し、y軸は伝送インピーダンス利得dBΩを示す。
【0008】
約50dBΩの伝送インピーダンスにおいて、従来の広帯域増幅器は、8.4GHzの帯域幅を有する通常の増幅器に比較して、より大きい10.5GHzの有効帯域幅を有する。しかし、グラフからわかるように、これは2dBΩ以上の相当な利得ピーキングを有する。データが処理される有効帯域幅内におけるこのような相当な利得変化は、後に接続される制限増幅器の最大許容入力電圧を超過して、作動エラーを起すことがある。
【0009】
その故に、利得変化が殆どない、十分な帯域幅拡張を得るための帯域幅拡張方式が求められる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、利得変化が殆どない、帯域幅を拡張することができる増幅装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の実施の形態は、帯域幅を拡張するための広帯域増幅装置であって、入力信号を増幅するための第1及び第2増幅素子と、前記第1増幅素子と前記第2増幅素子との間に設けられ、出力信号の帯域幅を保持し、利得を増加し、バッファリングされた信号の一部を前記第1増幅素子に戻すことにより、前記第1増幅素子の出力信号をバッファリングするためのバッファリング素子と前記バッファリング素子に接続されており、帯域幅を拡張すると共に、利得変化を殆ど示さないように、周波数が所定範囲内で増加するにつれて入力インピーダンスを増加させるための第1インダクティブバッファとを含む広帯域増幅装置を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【0013】
図3は、本発明の好適な一実施の形態によるインダクティブバッファ方式を採用する広帯域増幅器300の概略的な回路図で、広帯域増幅器300は、四つのトランジスタTR301〜TR304、多数個の抵抗、及びインダクタL300を備える。
【0014】
トランジスタTR301は、入力信号を増幅するための第1増幅段として共通エミッタ構造で構成される。第1増幅段TR301が十分な利得を提供することができない場合、他の増幅段、例えば、第2増幅段TR303が更に接続され得る。
【0015】
トランジスタTR302は、第1増幅段TR301と第2増幅段TR303との間に設けられる。この場合、トランジスタTR302は、入力信号をバッファリングするためのバッファ段としての機能を行なう。すなわち、トランジスタTR302は、前段、すなわち、第1増幅段TR301から出力される信号の帯域幅を保持すると共に、該当帯域幅内における利得を増加させる。更に、バッファ段T302は、バッファリングされた信号の一部を、抵抗R301を介して第1増幅段TR301の入力端に戻し、残りのバッファリングされた信号を第2増幅段TR303に転送する。
【0016】
トランジスタTR304は、バッファ段TR302に接続され、このバッファ段TR302をバイアスするためのバイアス段として作用する。バイアス段TR304は、特定の抵抗値を有する抵抗に代えることができる。
多数個の抵抗も、バイアス設計のために用いられており、それぞれの抵抗は特定の抵抗値を有する。
【0017】
一方、インダクタL300は、バイアス段TR304と抵抗R300を介して、バッファ段TR302に接続される。インダクタL300は、インダクティブバッファとして機能を行い、広帯域増幅器300の帯域幅を拡張させる。
【0018】
インダクティブバッファとしての機能を行なうインダクタL300は、広帯域増幅器300の顕著な利得増加及び効果的な帯域幅拡張を提供する。このために、インダクタの最適のインダクタンスは、インダクタのインダクタンスによって変わる利得増加及び帯域幅拡張をシミュレーションすることにより決定される。一方、一般的に、インダクタは半導体チップ上にかなり大きい面積を占め、これにより、インダクタを小さく実現することが好ましい。その故に、利得増加とインダクタの大きさとの間のトレードオフは、インダクタのインダクタンスを決定するとき考慮される必要がある。
【0019】
インダクティブバッファとしての機能を行なうインダクタL300は、半導体チップ上、またはチップの外部のモジュールに接続されているストリップ線路インダクタ上に直接形成され得る。
【0020】
インダクタL300が増幅器300の帯域幅を拡張させる本発明のインダクティブバッファ方式によると、広帯域増幅器300の入力インピーダンスは、周波数が増加するにつれて増加する。インピーダンス増加により、第1増幅段TR301の出力信号が、キルヒホッフの電圧法則によって、他の素子に比較してバッファ段TR302に、より多くの量が印加される。このような現象は、高周波帯域においてより著しくなり、高周波帯域における利得を増加させて帯域幅が拡張できるようにする。
【0021】
図4は、本発明の好適な実施の形態による広帯域増幅器の上述した特性を示すシミュレーションの結果を示す。
【0022】
図4において、グラフIaは通常の増幅器の入力インピーダンスを示し、グラフIcは図3に示す広帯域増幅器のインピーダンスを示す。x軸は周波数Hzを示し、y軸は入力インピーダンスΩを示す。このシミュレーションで用いられたインダクティブバッファとしての機能を行なうインダクタは、3nHのインダクタンスを有する。
【0023】
シミュレーションの結果からわかるように、10GHzの周波数帯域幅において、本発明の広帯域増幅器300の入力インピーダンスは、通常の増幅器に比べて63Ωだけ増加する。このようなインピーダンス増加は、高周波数帯域における利得を増加させて、上述したように帯域幅を拡張させる。
【0024】
更に、本発明のインダクティブバッファ方式を採用する広帯域増幅器300は利得変化が殆どない。
【0025】
図5は、図1に示す従来の広帯域増幅器100及び図3に示す広帯域増幅器300の利得特性グラフを示し、グラフGbは従来の広帯域増幅器100の利得特性グラフ、グラフGcは広帯域増幅器300の利得特性グラフである。x軸は周波数Hzを示し、y軸は伝送インピーダンス利得dBΩを示す。
【0026】
約50dBΩの伝送インピーダンス利得において、従来の広帯域増幅器100は、10.5GHzの帯域幅内で2.1dBΩのオーバーシュートを生成する。しかし、広帯域増幅器300は、同一の10.5GHzの帯域幅内で比較的に均一の利得を表す。すなわち、本発明のインダクティブバッファ方式を採用する広帯域増幅器300は、帯域幅を拡張すると共に、利得変化を殆ど発生しない。
本発明のインダクタL300をバイアス段TR304に提供しさえすれば、従来の技術の増幅器100のインダクタL100の存在はあまり重要ではない。言いかえれば、インダクタL100は、本発明の広帯域増幅器300の動作に実質的に影響を及ぼさず、第1増幅段TR301に実現され得る。
【0027】
さらに、本発明は超高速光通信システムの送受信機のみならず、様々な超高周波回路、すなわち、無線LAN(Local Area Network)、広帯域無線通信網などのような通信サービスに用いられる送受信機の増幅器にも効果的に応用できる。
【0028】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【0029】
【発明の効果】
超高周波用素子の開発には多くの時間や費用がかかる。しかし、本発明によれば、急激な利得変化なしに回路の帯域幅を増加することができ、特に、高周波帯域で利得を改善し、ついに帯域幅を増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シャントインダクタ方式を採用する従来の広帯域増幅器の概略的な回路図である。
【図2】通常の増幅器及び図1に示す従来の広帯域増幅器の利得特性グラフである。
【図3】本発明の好適な実施の形態による広帯域増幅器の概略的な回路図である。
【図4】通常の増幅器及び図3に示す本発明の広帯域増幅器の入力インピーダンスを示す。
【図5】図1に示す従来の広帯域増幅器及び図3に示す本発明の広帯域増幅器の伝送インピーダンスを示す特性グラフを示す。
【符号の説明】
TR101、TR103、TR301、TR303…増幅用トランジスタ、TR102、TR302、TR304…バッファ用トランジスタ、TR104…バイアス用トランジスタ、L100…インダクタ、L300…インダクティブバッファ。

Claims (8)

  1. 帯域幅を拡張するための広帯域増幅装置であって、
    入力信号を増幅するための第1及び第2増幅素子と、
    前記第1増幅素子と前記第2増幅素子との間に設けられ、出力信号の帯域幅を保持し、利得を増加し、バッファリングされた信号の一部を前記第1増幅素子に戻すことにより、前記第1増幅素子の出力信号をバッファリングするためのバッファリング素子と、
    前記バッファリング素子に接続されており、帯域幅を拡張すると共に、利得変化を殆ど示さないように、周波数が所定範囲内で増加するにつれて、入力インピーダンスを増加させるための第1インダクティブバッファとを具備する広帯域増幅装置。
  2. 前記第1インダクティブバッファがインダクタである請求項1記載の広帯域増幅装置。
  3. 前記第1インダクティブバッファが半導体チップ上に直接形成されるインダクタである請求項2記載の広帯域増幅装置。
  4. 前記第1インダクティブバッファが半導体の外部のモジュールに接続されるストリップ線路インダクタである請求項3記載の広帯域増幅装置。
  5. 前記バッファリング素子と第1インダクティブバッファとの間に接続されている、バイアス設計のためのバイアス素子を更に含む請求項4記載の広帯域増幅器。
  6. 前記バイアス素子がトランジスタから形成される請求項5記載の広帯域増幅器。
  7. 前記バイアス素子が抵抗から形成される請求項6記載の広帯域増幅器。
  8. 前記第1増幅素子に接続されており、帯域幅を拡張させるための第2インダクティブバッファを更に含む請求項1記載の広帯域増幅器。
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