JP2005006031A - 増幅器および受信回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランジスタ11のゲート端子が接続されたパッドPD11と、パッドPD11を中心に対称位置に配置され、トランジスタ11のソース端子が接続されたパッドPD12,PD13と、信号用リードフレームLD11と、リードフレームLD11を中心に対称位置に配置されたグランド用リードフレームLD12,LD13と、パッドPD11とリードLD11の一端側を接続するワイヤBW11と、パッドPD12とリードLD12の一端側を接続するワイヤBW12と、パッドPD13とリードLD13の一端側を接続するワイヤBW13とを有し、リードLD11の他端側が信号入力端子TINに接続され、リードLD12,LD13の他端側が基板グランドGNDに接続されている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば無線システムの受信機に適用される低雑音増幅器(LNA:Low Noise Amplifier )等の増幅器およびそれを用いた受信回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
無線受信機に適用される、一般的に高周波信号の低雑音増幅器(以下、LNAという)においては、増幅素子としてたとえば絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MOSトランジスタ)が用いられる。
【0003】
図5は、増幅素子としてMOSトランジスタを適用した低雑音増幅器の概略構成を示す等価回路図である。
この低雑音増幅器1は、増幅素子としてMOSトランジスタ2、インダクタ3、入力整合回路(MTC)4、負荷・バイアス回路(LBC)5、高周波信号RFの信号入力端子TIN、電源電圧VDDの供給端子TVDD 、および信号出力端子TOUT を有している。
【0004】
図5に示すように、一般的に高周波信号の低雑音増幅器では、入力整合を容易にするため、および低雑音整合を実現するために、MOSトランジスタ2のソース端子とグランドGND間にインダクタ3を実装する。
このことを「ディジェネレーション」と呼び、ディジェネレーション用のインダクタとしては、チップインダクタ、集積回路(IC)上に実現したスパイラルインダクタ、もしくはICパッケージのボンドワイヤやリードフレームなどが利用される。
【0005】
ICパッケージのボンドワイヤやリードフレームを利用したインダクタはQ値(クオリティファクタ)が高く、高いQ値により低雑音な増幅器が得られるためしばしば使用される。
【0006】
図6は、ボンドワイヤとリードフレームを使用した低雑音増幅器の従来のフロントエンド部の構成例を示す図である。
このフロントエンド部においては、MOSトランジスタ2、負荷・バイアス回路5、信号出力端子TOUT 、MOSトランジスタ2のゲート端子に接続されたボンドパッドPD1、およびMOSトランジスタ2のソース端子が接続されたボンドパッドPD2が一つのICチップ6に集積化されている。
ICチップ6の信号入力側には、ICの信号用リードフレームLD1と、グランド用リードフレームLD2とが形成されている。信号用リードフレームLD1の一端側とICチップ6のボンドパッドPD1とがボンドワイヤBW1により接続され、グランド用リードフレームLD2の一端側とICチップ6のボンドパッドPD2とがボンドワイヤBW2により接続されている。
そして、リードフレームLD1の他端側が入力整合回路4の入力側に接続され、入力整合回路4の入力側が信号入力端子TINに接続されている。また、リードフレームLD2の他端側が基板上のグランドGNDに接続されている。
【0007】
このような構成において、たとえば1.5GHz帯の高周波信号RFが信号入力端子TINから入力され、入力整合回路4で整合処理を施された後、リードフレームLD1、ボンドワイヤBW1、ボンドパッドPD1を通しソース接地型のMOSトランジスタ2のゲート端子に供給される。
ソース接地型のMOSトランジスタ2ソース接地型の増幅器(MOSトランジスタ2)により増幅された信号は、ドレイン側から負荷・バイアス回路5に入力され、次段へと送出される。MODトランジスタ2のソース端子はボンドワイヤとリードフレームを介してパッケージが実装されている基板のグランドへと接続されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の低雑音増幅器1は、以下のような不利益がある。
図6に示すように、今、図6の紙面に対して上側から下側への垂直方向にノイズ磁束が存在すると仮定する。ノイズの発生源としては外来雑音やデジタル回路などである。
そのノイズ磁束が、入力端子TIN〜入力ラインのリードフレームLD1およびボンドワイヤBW1〜MOSトランジスタ2のゲート〜MOSトランジスタ2のソース〜ボンドワイヤBW2およびリードフレームLD2〜基板グランドGNDで構成されるループの中を通過すると、ノイズ電流が発生する。
そのノイズ電流は、増幅素子であるMOSトランジスタ2で増幅され、次段へと出力される。結果として低雑音増幅器1の雑音指数が劣化する。
【0009】
また、外来磁束ノイズの中に、低雑音増幅器1の後段に実装されている周波数混合器で使用されるローカル信号成分が含まれていることがある。その成分がループ内でノイズ電流となり、低雑音増幅器1で増幅されて再び周波数混合器に入力されると、周波数混合器の出力でDCオフセットを生じてしまう。この現象を一般的にはセルフミキシングと呼ぶ。
【0010】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズ電流による雑音指数の劣化を防止することができる低雑音増幅器およびそれを適用した受信回路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、本発明の第1の観点は、第1の端子とグランドとの間にインダクタが実装され、制御端子に入力される入力信号を増幅して第2の端子から出力するトランジスタを有し、当該トランジスタがチップに集積化されている増幅器であって、上記チップ内に、上記トランジスタの制御端子が接続された信号用パッドと、上記信号用パッドを中心に略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド用パッドと、を有し、上記チップ外に、信号入力経路と、上記信号入力経路を中心として略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド経路と、を有し、上記トランジスタの第1の端子が上記グランド用パッドに接続され、上記信号用パッドと上記信号入力経路がワイヤにより接続され、上記グランド用パッドと同じ側に位置するグランド経路とがそれぞれワイヤにより接続されている。
【0012】
好適には、上記トランジスタは、信号入力経路に対して略対称となるように2つに分割され、上記2つの分割トランジスタの制御端子が上記信号用パッドに共通に接続され、2つの分割トランジスタの第2の端子同士が接続され、一方の分割トランジスタの第1の端子が信号用パッドを中心として一方側に配置されたグランド用パッドに接続され、他方の分割トランジスタの第1の端子が信号用パッドを中心として他方側に配置されたグランド用パッドに接続されている。
【0013】
好適には、上記トランジスタは絶縁ゲート型電界効果トランジスタであり、上記第1の端子がソース端子であり、上記第2の端子がドレイン端子であり、上記制御端子がゲート端子である。
【0014】
本発明の第2の観点は、受信信号を所定の利得をもって増幅する増幅器と、上記増幅器の後段に配置された周波数混合器を有する受信回路であって、上記増幅器は、第1の端子とグランドとの間にインダクタが実装され、制御端子に入力される入力信号を増幅して第2の端子から出力するトランジスタを有し、当該トランジスタがチップに集積化され、上記チップ内に、上記トランジスタの制御端子が接続された信号用パッドと、上記信号用パッドを中心に略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド用パッドと、を有し、上記チップ外に、信号入力経路と、上記信号入力経路を中心として略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド経路と、を有し、上記トランジスタの第1の端子が上記グランド用パッドに接続され、上記信号用パッドと上記信号入力経路がワイヤにより接続され、上記グランド用パッドと同じ側に位置するグランド経路とがそれぞれワイヤにより接続されている。
【0015】
本発明によれば、ノイズ磁束が、信号入力経路〜ワイヤおよび信号用パッド〜トランジスタのゲート〜トランジスタの第1端子〜一方側のパッド、ワイヤおよびグランド経路〜基板グランドで構成されるループの中を通過することにより発生するノイズ電流と、信号入力経路〜ワイヤおよび信号用パッド〜トランジスタのゲート〜トランジスタの第1端子〜他方側のパッド、ワイヤおよびグランド経路〜基板グランドで構成されるループの中を通過することにより発生するノイズ電流との向きが逆になることから、互いに相殺される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に関連付けて説明する。
【0017】
第1実施形態
図1は、本発明に係る低雑音増幅器の第1の実施形態を示す回路図である。
【0018】
本低雑音増幅器10は、図1に示すように、増幅素子としてMOSトランジスタ11、入力整合回路(MTC)12、負荷・バイアス回路(LBC)13、MOSトランジスタ11のゲート端子用(信号用)ボンドパッドPD11、MOSトランジスタ11のソース端子用ボンドパッドPD12,PD13、ICの信号用リードフレームLD11と、グランド用リードフレームLD12,LD13、高周波信号RFの信号入力端子TIN、および信号出力端子TOUT を有する。
【0019】
これらの構成要素のうち、増幅素子としてMOSトランジスタ11、負荷・バイアス回路13、MOSトランジスタ11のゲート端子用ボンドパッドPD11、MOSトランジスタ11のソース端子用ボンドパッドPD12,PD13、および信号出力端子TOUT が一つのICチップ14に集積化されている。
また、信号入力端子TINから信号用リードフレームLD11に至る経路により本発明の信号入力経路が構成され、グランド用リードフレームLD12により一方側のグランド経路が構成され、グランド用リードフレームLD13により他方側のグランド経路が構成される。
【0020】
ICチップ14の信号入力側には、ICの信号用リードフレームLD11と、グランド用リードフレームLD12,13とが、信号用リードフレームLD11を挟んで(中心に)対称となるように形成されている。信号用リードフレームLD11の一端側とICチップ14のボンドパッドPD11とがボンドワイヤBW11により接続され、グランド用リードフレームLD12の一端側とICチップ14のボンドパッドPD12とがボンドワイヤBW12により接続され、グランド用リードフレームLD13の一端側とICチップ14のボンドパッドPD13とがボンドワイヤBW13により接続されている。
そして、リードフレームLD11の他端側が入力整合回路12の入力側に接続され、入力整合回路12の入力側が信号入力端子TINに接続されている。また、リードフレームLD12の他端側が基板上のグランドGNDに接続され、同様に、リードフレームLD13の他端側が基板上のグランドGNDに接続され、リードフレームLD12とリードフレームLD13の他端側同士が接続されている。
【0021】
図1の低雑音増幅器10の等価回路は図5に示す回路のようになる。すなわち、低雑音増幅器10は、MOSトランジスタ11のソース端子とグランドGND間にディジェネレーション用のインダクタを実装しており、このディジェネレーション用のインダクタをICパッケージのボンドワイヤやリードフレームなどを利用した回路として構成されている。
すなわち、増幅素子としてのMOSトランジスタ11のソース端子からの経路を、信号入力用ボンドパッドPD11を囲むようにしてICチップ14上の2つに分割し、信号入力経路に対してほぼ対称になるようにボンドパッドPD12,PD13、ボンドワイヤBW12,BW13、およびリードフレームLD12,LD13を配置し、ディジェネレーションの経路を2つにしている。
【0022】
このような構成において、図1の紙面に対して上側から下側への垂直方向にノイズ磁束が存在すると仮定する。ノイズの発生源としては外来雑音やデジタル回路などである。
そのノイズ磁束が、入力端子TIN〜入力ラインのリードフレームLD11およびボンドワイヤBW11〜MOSトランジスタ11のゲート〜MOSトランジスタ11のソース〜ボンドワイヤBW12およびリードフレームLD12〜基板グランドGNDで構成されるループの中を通過することにより発生するノイズ電流NI11と、入力端子TIN〜入力ラインのリードフレームLD11およびボンドワイヤBW11〜MOSトランジスタ11のゲート〜MOSトランジスタ11のソース〜ボンドワイヤBW13およびリードフレームLD13〜基板グランドGNDで構成されるループの中を通過することにより発生するノイズ電流NI12とのループが、図1に示すように、略対称となり、ノイズ電流NI11とノイズ電流NI12との向きが逆になることから、互いに相殺される。
【0023】
以上説明したように、本第1の実施形態によれば、MOSトランジスタ11と、MOSトランジスタ11のゲート端子に接続されたボンドパッドPD11と、ボンドパッドPD11を挟んで(中心に)対称位置に配置され、MOSトランジスタ11のソース端子が接続されたボンドパッドPD12,PD13と、信号入力用リードフレームLD11と、信号入力用リードフレームLD11を挟んで(中心に)対称位置に配置されたグランド用リードフレームLD12,LD13と、ボンドパッドPD11と信号入力用リードフレームLD11の一端側を接続するボンドワイヤBW11と、ボンドパッドPD12とグランド用リードフレームLD12の一端側を接続するボンドワイヤBW12と、ボンドパッドPD13とグランド用リードフレームLD13の一端側を接続するボンドワイヤBW13とを有し、信号用リードフレームLD11の他端側が信号入力端子TINに接続され、グランド用リードフレームLD12,LD13の他端側が基板グランドGNDに接続され電気的に接続されていることから、以下の効果を得ることができる。
【0024】
ノイズ磁束は、2つのループに対してほぼ同様に通過するため、それぞれのループで発生したノイズ電流は信号の入力経路で相殺される。
MOSトランジスタ11による増幅部にはノイズ電流が入力されないためノイズ指数が劣化しない。
また、ローカル成分を含んだノイズ磁束が存在していた場合でも、次段の周波数混合器でのDCオフセット発生を低減することができる。
結果として外来雑音に強い低雑音増幅器が得られるという利点がある。
【0025】
なお、本実施形態においては、ディジェネレーションの経路を2つとしたが、2つでなくとも信号入力経路に対して対称となっていれば同様の効果が得られる。
また、増幅素子としてMOSトランジスタを使用した場合を例に説明したが、バイポーラトランジスタを増幅素子として使用した場合においても、ゲートをベース、ドレインをコレクタ、及びソースをエミッタと置き換えれば同様の効果を得ることができる。
【0026】
なお、入力整合回路12は、図1のように信号入力端子の後段(基板上)に実装する他に、ICチップ14上のMOSトランジスタ11のゲート前段に実装することも可能である。
【0027】
第2実施形態
図2は、本発明に係る低雑音増幅器の第2の実施形態を示す回路図である。
【0028】
本第2の実施形態の低雑音増幅器10Aが上述した第1の実施形態の低雑音増幅器10と異なる点は、増幅素子としてMOSトランジスタを11aと11bとに2分割し、入力部のゲート端子と出力部につながるドレイン端子を中心として略完全に線対称になるようにソース端子およびボンドパッドへの経路を配置したことにある。
【0029】
具体的には、分割MOSトランジスタ11aのソース端子をボンドパッドPD12に接続し、分割MOSトランジスタ11bのソース端子をボンドパッドPD13に接続し、2つの分割MOSトランジスタ11a,11bのゲート端子をボンドパッドPD11に共通に接続し、MOSトランジスタ11a,11bのドレイン同士の接続点を負荷・バイアス回路13の入力側に接続している。
その他の構成は、第1の実施形態に係る図1の低雑音増幅器と同様である。
【0030】
本第2の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
【0031】
図3は、上述した実施形態に係る低雑音増幅器と従来の低雑音増幅器の周波数に対する雑音指数(NF:Noise Figure)特性を示す図である。
図3において、横軸は周波数(中心周波数、(たとえば1.58GHz)からのオフセット)を示し、縦軸が雑音指数NFを示している。
また、図3中、Aで示す曲線が実施形態に係る低雑音増幅器の特性を、Bで示す曲線が従来の低雑音増幅器の特性を示している。
【0032】
ディジタル回路と低雑音増幅器が同一チップ上に実装されている場合など、強いディジタルノイズが存在する環境下においては、そのディジタルノイズによる影響で低雑音増幅器の雑音指数NFが劣化している。
図3に示すように、従来例ではディジタルノイズに起因するノイズ磁束によりNFが大きく劣化しているが、本実施形態に係る低雑音増幅器ではノイズ起電流発生ループのキャンセルにより劣化を減少させている。
【0033】
第3実施形態
図4は、本発明に係る低雑音増幅器が適用される無線システムの受信系フロントエンド部の構成例を示す回路図である。
【0034】
この受信系フロントエンド部100は、図3に示すように、アンテナ101、SAWフィルタ102、整合回路(MTC)103、低雑音増幅器(LNA)104、第1の局部発振器としての第1のVCO105、第1のPLL106、第1のループフィルタ107、第2の局部発振器としての第2のVCO108、第2のPLL109、第2のループフィルタ110、ミキサ111〜114、バンドパスフィルタ(BPF)115〜117、合成器118、および比較器119を有する。
そして、図1の低雑音増幅器10または図2の低雑音増幅器10Aが低雑音増幅器(LNA)104として適用される。
【0035】
受信系フロントエンド部100は、低雑音増幅器(LNA)104、第1のVCO105、第1のPLL106、第2のVCO108、第2のPLL109、ミキサ111〜114、バンドパスフィルタ(BPF)115〜117、合成器118、および比較器119が1チップに集積化されている。
そして、全段の高周波側のRF部と後段の中間周波(IF)部とが縦続された構成を有する。
RF部は、低雑音増幅器104、第1のVCO105、第1のPLL106、第1のループフィルタ107、ミキサ111,112、バンドパスフィルタ115,116を含む。
また、IF部は、第2のVCO108、第2のPLL109、第2のループフィルタ110、ミキサ113,114、合成器118、バンドパスフィルタ11117、および比較器119を含む。
【0036】
第1のVCO105は、水晶発振器による基準クロックCLKに位相同期した第1のPLL106の出力を第1のループフィルタ107の出力信号に応じて、周波数1573MHzの第1の発振信号をミキサ111および112に供給する。
【0037】
第2のVCO108は、水晶発振器による基準クロックCLKに位相同期した第2のPLL109の出力を第2のループフィルタ110の出力信号に応じて、周波数3MHzの第2の発振信号をミキサ113および114に供給する。
【0038】
この受信系フロントエンド部100においては、たとえば周波数1575MHzの無線信号RFがアンテナ101で受信され、SAWフィルタ102、整合回路103、さらに低雑音増幅器104を介してミキサ111,112に入力される。
そして、ミキサ111,112において、第1のVCO105による第1の発振信号とミキシングされ、バンドパスフィルタ115,116を通して2MHzの第1中間周波が抽出され、ミキサ113,114に入力される。
ミキサ113,114において、第2のVCO108による第2の発振信号とミキシングされた後、合成器118で合成され、バンドパスフィルタ117を通して1MHzの第2中間周波が得られる。
そして、バンドパスフィルタ117の出力に基づいて比較器119のデータが、図示しないベースバンド処理部に出力される。
【0039】
このように、受信系フロントエンド部100は、ローカル成分を含んだノイズ磁束が存在していた場合でも、次段の周波数混合器でのDCオフセット発生を低減することができ、高精度の受信処理を実現できる利点がある。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノイズ磁束は、略対称の複数のループに対してほぼ同様に通過するため、それぞれのループで発生したノイズ電流は信号の入力経路で相殺される。
トランジスタによる増幅部にはノイズ電流が入力されないためノイズ指数が劣化しない。
また、ローカル成分を含んだノイズ磁束が存在していた場合でも、次段の周波数混合器でのDCオフセット発生を低減することができる。
その結果、外来雑音に強い低雑音増幅器が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る低雑音増幅器の第1の実施形態を示す回路図である。
【図2】本発明に係る低雑音増幅器の第2の実施形態を示す回路図である。
【図3】本実施形態に係る低雑音増幅器と従来の低雑音増幅器の周波数に対する雑音指数(NF)特性を示す図である。
【図4】本発明に係る駆動回路が適用される無線システムの受信系フロントエンド部の構成例を示す回路図である。
【図5】一般的な低雑音増幅器の構成例を示す等価回路図である。
【図6】ボンドワイヤとリードフレームを使用した低雑音増幅器の従来のフロントエンド部の構成例を示す図である。
【符号の説明】
10,10A…低雑音増幅器、11…MOSトランジスタ、12…入力整合回路(MTC)、13…負荷・バイアス回路(LBC)、14,14A…ICチップ、PD11…ゲート端子用ボンドパッド、PD12,PD13…ソース端子用ボンドパッド、LD11…信号用リードフレーム、LD12,LD13…グランド用リードフレーム、TIN…高周波信号RFの信号入力端子、TOUT …信号出力端子、100…受信系フロントエンド部、101…アンテナ、102…SAWフィルタ、103…整合回路(MTC)、104…低雑音増幅器(LNA)、105…第1のVCO、106…第1のPLL、107…第1のループフィルタ、108…第2のVCO、109…第2のPLL、110…第2のロープフィルタ、111〜114…ミキサ、115〜117…バンドパスフィルタ(BPF)、118…合成器、119…比較器。
Claims (6)
- 第1の端子とグランドとの間にインダクタが実装され、制御端子に入力される入力信号を増幅して第2の端子から出力するトランジスタを有し、当該トランジスタがチップに集積化されている増幅器であって、
上記チップ内に、
上記トランジスタの制御端子が接続された信号用パッドと、
上記信号用パッドを中心に略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド用パッドと、を有し、
上記チップ外に、
信号入力経路と、
上記信号入力経路を中心として略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド経路と、を有し、
上記トランジスタの第1の端子が上記グランド用パッドに接続され、
上記信号用パッドと上記信号入力経路がワイヤにより接続され、
上記グランド用パッドと同じ側に位置するグランド経路とがそれぞれワイヤにより接続されている
増幅器。 - 上記トランジスタは、信号入力経路に対して略対称となるように2つに分割され、
上記2つの分割トランジスタの制御端子が上記信号用パッドに共通に接続され、2つの分割トランジスタの第2の端子同士が接続され、
一方の分割トランジスタの第1の端子が信号用パッドを中心として一方側に配置されたグランド用パッドに接続され、
他方の分割トランジスタの第1の端子が信号用パッドを中心として他方側に配置されたグランド用パッドに接続されている
請求項1記載の増幅器。 - 上記トランジスタは絶縁ゲート型電界効果トランジスタであり、上記第1の端子がソース端子であり、上記第2の端子がドレイン端子であり、上記制御端子がゲート端子である
請求項1記載の増幅器。 - 上記トランジスタは絶縁ゲート型電界効果トランジスタであり、上記第1の端子がソース端子であり、上記第2の端子がドレイン端子であり、上記制御端子がゲート端子である
請求項2記載の増幅器。 - 受信信号を所定の利得をもって増幅する増幅器と、上記増幅器の後段に配置された周波数混合器を有する受信回路であって、
上記増幅器は、
第1の端子とグランドとの間にインダクタが実装され、制御端子に入力される入力信号を増幅して第2の端子から出力するトランジスタを有し、当該トランジスタがチップに集積化され、
上記チップ内に、
上記トランジスタの制御端子が接続された信号用パッドと、
上記信号用パッドを中心に略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド用パッドと、を有し、
上記チップ外に、
信号入力経路と、
上記信号入力経路を中心として略対称な位置に配置された少なくとも一組のグランド経路と、を有し、
上記トランジスタの第1の端子が上記グランド用パッドに接続され、
上記信号用パッドと上記信号入力経路がワイヤにより接続され、
上記グランド用パッドと同じ側に位置するグランド経路とがそれぞれワイヤにより接続されている
受信回路。 - 上記トランジスタは、信号入力経路に対して略対称となるように2つに分割され、
上記2つの分割トランジスタの制御端子が上記信号用パッドに共通に接続され、2つの分割トランジスタの第2の端子同士が接続され、
一方の分割トランジスタの第1の端子が信号用パッドを中心として一方側に配置されたグランド用パッドに接続され、
他方の分割トランジスタの第1の端子が信号用パッドを中心として他方側に配置されたグランド用パッドに接続されている
請求項5記載の受信回路。
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