JP2005176229A - 増幅回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】連続時間で使用し、使用周波数と利得が決定される回路に使用するとき、必要なだけの周波数と利得を持つ増幅回路を提供する。
【解決手段】一対の入力端子に夫々接続する第1の正入力端と互いに接続する第2の正入力端を有する第1、第2の非反転増幅回路(A11,A12)と、第1,第2の非反転増幅回路の正出力端に夫々接続する正入力端と一対の出力端子に夫々接続する第1の負出力端と第1,第2の非反転増幅回路の第2の正入力端のノードに接続する第2の負出力端を夫々有する第1、第2の反転増幅回路(A21,A22)と、第1,第2の非反転増幅回路の第1の正入力端に夫々接続する第1の正入力端と出力端子に夫々接続する第1の負出力端と第1,第2非反転増幅回路の第2の正極入力端のノードに接続する第2の正入力端と第2の負出力端を有する第3、第4の反転増幅回路(A23,A24)とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、増幅回路、特に、連続時間系フィルタに用いる低電圧駆動の増幅回路に関する。
増幅回路では回路動作の安定性を保障するために位相補償手段を設けることが必要である。この安定動作を補償する位相補償方法として、回路構成の反転増幅回路の入力と出力の間にキャパシタを接続し、キャパシタをミラー容量として動作させて位相補償を行う手段が用いられている(特許文献1参照)。しかしながら、このような方法では、フィルタのように連続時間で使用し、使用する周波数と利得が決定されるような回路に増幅回路を使用する場合には、所望の周波数と利得を増幅回路に与えるために余分なマージンを取る必要がある。そのような余分なマージンを設けると消費電流が増加してしまうことになる。
特開平11−17466号
上記従来の増幅回路においては、ミラー容量により位相補償をおこなっているため、所望の周波数と利得を増幅回路に与えるために余分なマージンを取る必要があるという問題点があった。
本発明は、フィルタのように連続時間で使用し、使用する周波数と利得が決定されているような回路に増幅回路を使用する場合には、必要なだけの周波数と利得を持つ増幅回路を提供することを目的とする。
本発明の一局面は、第1及び第2の正極入力端と正極出力端とを夫々有し、この第2の正極入力端が互いに接続された2入力1出力の第1及び第2の非反転増幅回路と、第1及び第2の負極出力端と正極入力端とを夫々有し、この第2の負極出力端が互いに接続され且つ前記第1及び第2の非反転増幅回路の第2の正極入力端に接続された1入力2出力の第1及び第2の反転増幅回路とを備え、前記第1の非反転増幅回路の正極出力端と前記第1の反転増幅回路の正極入力端とが接続され、前記第2の非反転増幅回路の正極出力端と前記第2の反転増幅回路の正極入力端とが接続された2段増幅回路と;第1及び第2の正極入力端と第1及び第2の負極出力端を夫々有し、この第2の正極入力端及び第2の負極出力端が互いに接続され且つ前記第1及び第2の反転増幅回路の第2の負極出力端に接続された2入力2出力の第3及び第4の反転増幅回路から構成される1段増幅回路と;を備え、前記第3の反転増幅回路の第1の正極入力端と接続された前記第1の非反転増幅回路の第1の正極入力端及び、前記第4の反転増幅回路の第1の正極入力端と接続された前記第2の非反転増幅回路の第1の正極入力端とで一対の入力端を構成し、前記第3の反転増幅回路の第2の負極出力端と接続された前記第1の反転増幅回路の第1の負極出力端及び、前記第4の反転増幅回路の第2の負極出力端と接続された前記第2の反転増幅回路の第1の負極出力端とで一対の出力端を構成することを特徴とする増幅回路を提供する。
低周波では非反転増幅回路と反転増幅回路によって構成される利得の高い2段増幅回路が主として動作し、ユニティゲイン周波数付近となる高周波ではもう一つの反転増幅回路によって構成される1段増幅回路が主として動作するように構成することにより、2段増幅回路に要求される帯域はミラー容量を用いた場合の2段増幅回路よりも非常に狭帯域でよいため、必要とされる消費電流を低消費にすることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1に本発明の第1の実施形態に係る増幅回路を示す。図1に示す増幅回路は、信号入力端子Vin+、Vin一からそれぞれ信号が入力される2入力1出力の非反転増幅回路All、A12と2入力2出力の反転増幅回路A23、A24と、非反転増幅回路All、A12の出力をそれぞれ入力とする1入力2出力の反転増幅回路A21、A22とによって構成される。
2入力1出力の非反転増幅回路A11,A12は一対の入力端子Vin+,Vin−に夫々接続される第1の正極入力端および互いに接続される第2の正極入力端を有する。1入力2出力の反転増幅回路A21,A22は、非反転増幅回路A11,A12の正極出力端に夫々接続される正極入力端および一対の出力端子Vout−,Vout+に夫々接続される第1の負極出力端並びに非反転増幅回路(A11,A12)の第2の正極入力端のノードに接続される第2の負極出力端を夫々有する。
2入力2出力の反転増幅回路A23,A24は非反転増幅回路A11,A12の第1の正極入力端に夫々接続される第1の正極入力端および出力端子Vout−,Vout+に夫々接続される第1の負極出力端並びに非反転増幅回路A11,A12の第2の正極入力端のノードに接続される第2の正極入力端および第2の負極出力端を有する。
非反転増幅回路A11,A12と反転増幅回路A21,A22は2段増幅回路11を構成し、反転増幅回路A23,A24は1段増幅回路12を構成する。反転増幅回路A21、A22、A23、A24の出力端は非反転増幅回路All、A12および反転増幅回路A23、A24のもう一方の入力に接続される。
本発明の実施形態を適用した増幅回路の周波数特性の例が図2に示されている。図1のように構成された増幅回路によると、低周波(<fl)では非反転増幅回路All、A12と反転増幅回路A21、A22によって構成される利得(gain)の高い2段増幅回路11が支配的に動作し、2段増幅回路11の周波数特性と反転増幅回路A23、A24によって構成される1段増幅回路12の周波数特性が交わる周波数:flより高周波(>f1)では1段増幅回路12が支配的に動作する。
増幅回路全体のユニティゲイン周波数付近では1段増幅回路12が支配的に動作しているため周波数特性上の極は1つとなり、位相補償がなされ、回路動作は安定する。また、2段増幅回路11の同相の動作点を決定するフィードバック、即ち増幅回路A21、A22の出力から増幅回路All、A12の入力へのフィードバックと1段増幅回路12の同相の動作点を決定するフィードバック、即ち増幅回路A23、A24の出力からその入力へのフィードバックとが共有される。これにより、2段増幅回路11と1段増幅回路12のどちらが主として動作した場合でも同相の動作点が変化しない。
図3は、ミラー容量を用いた従来の増幅回路の周波数特性を示す。ここでは45°の位相余裕を仮定したミラー容量を用いる位相補償(Miller compensation)の場合が示されている。この場合においては、最大で得られる帯域は位相補償を行っていない状態の2段増幅回路の帯域と等しい帯域までが限界である。同様の帯域を2段増幅回路と1段増幅回路とを並列に構成した増幅回路で実現した場合、1段増幅回路がミラー容量を用いた場合の増幅回路と同様の帯域を持つように設計され、2段増幅回路は2番目の極のあとに1段増幅回路の周波数特性と交わる周波数を持つように設計される。この場合、2段増幅回路に要求される帯域はミラー容量を用いた場合の2段増幅回路の帯域よりも非常に狭くてよい。2段増幅回路が狭帯域でよいため、必要とされる消費電流を低くすることが可能となる。
このことをより詳細に説明する。図4は本発明による位相補償手段を行った場合の周波数特性の一例を示し、従来のミラー容量による位相補償手段の周波数特性と比較をして示している。
図4では、2段増幅回路(2-stage amplifier circuit)11と1段増幅回路(1-stage amplifier circuit)12の周波数特性の交わる点を10dBで交わるように設計がされているものとしている。この場合、本実施形態の2段増幅回路11と1段増幅回路12が交わる点の周波数(frequency)をf1とし、ミラー容量を用いる場合の2段増幅回路11の10dBの周波数をf2とし、ミラー容量を用いた位相補償を行った場合の帯域(ミラー容量を用いる場合の2段増幅回路単体の帯域)をf3とすると、fl=f3/3.2、f2=f3/1.8という関係が成り立つ。この時、周波数flとf2の関係から本実施形態を用いた場合の2段増幅回路11に要求される帯域とミラー容量を用いた場合の2段増幅回路に要求される帯域とを比較すると、本実施形態の増幅回路は、ミラー容量を用いた場合2段増幅回路の帯域よりも1.8分の1の帯域の2段増幅回路を用いればよいことになる。
増幅回路にMOSトランジスタを使用する場合、帯域fと消費電流1との間にはf∝√Iという関係式が成り立つ。このため、本実施形態の2段増幅回路11はミラー容量を用いた従来の増幅回路の2段増幅回路11よりも3.2分の1の消費電流となる。
本実施形態の場合は、2段増幅回路11に並列に1段増幅回路12が設けられているが、この1段増幅回路12が単純に2段増幅回路11の半分の電流で構成されるとすると、本発明の増幅回路全体での消費電流は従来のミラー容量を用いた場合の消費電流のおよそ半分とすることができる。
図4に示す周波数特性には、2極1ゼロ補償(2-pole 1-zero compensation)、2段増幅回路(2-stage amplifier circuit)、1段増幅回路(1-stage amplifier circuit)の特性が示されている。2段増幅回路11のユニティゲイン周波数:f2と1段増幅回路12のユニティゲイン周波数:f3はf3>f2の関係となる。本実施形態の増幅回路がこのよう関係に構成されることによって、2段増幅回路11と1段増幅回路12の周波数特性の交わる周波数:f1が増幅回路全体の周波数特性のユニティゲイン周波数よりも低い周波数になるので、位相補償がなされ、増幅回路が安定に動作することが可能となる。
図5は、本実施形態による位相補償を行った増幅回路の周波数特性の一例を示す。これによると、2段増幅回路11の2番目に周波数の低い極の周波数:f4が1段増幅回路12の1番周波数の低い極の周波数:f5よりも高い周波数に設定されている。
図6は、本実施形態による位相補償を行った増幅回路の周波数特性の他の例を示す。この例では、周波数f4が周波数f5よりも低い周波数に設定されている。図6のような周波数f5の方が周波数f4よりも高い周波数にした周波数特性であっても、位相補償を行うことは可能ではある。しかしながら、図6のような周波数特性を持つ増幅回路で周波数f6にカットオフがあるような低域通過フィルタを構成した場合には、通常カットオフ付近で増幅回路の利得は40dB以上が必要となる。図6で示すように、2段増幅回路11により周波数f6で40dBが取れているとすると、それ以上の高い周波数では増幅回路全体として利得が40dB以上である必要はなく、1段増幅回路12についても位相補償を行うために必要なだけの帯域、利得があればよい。この場合、図6に斜線で示す帯域が1段増幅回路12において余分な帯域となる。従って、低消費電力を考えた場合、図5のような周波数特性とすることが望ましい。
図7は、図1に示す増幅回路で使用される非反転増幅回路と反転増幅回路を全て1入力1出力の反転増幅器で構成した回路例を示している。図7(a)は2入力1出力の非反転増幅回路A11,A12の構成を示している。これによると、非反転増幅回路A11,A12の各々は、一対の入力端子Vin+,Vin−の一方に接続される正極入力端を有する1入力1出力の第1の反転増幅器A31と、非反転増幅回路A11,A12の第2の正極入力端のノードに接続される第2の反転増幅器A32と、反転増幅器A31,A32の負極出力端に接続される正極入力端およびこの正極入力端に接続される負極出力端を有する反転増幅器A33と、反転増幅器A33の負極出力端に接続される正極入力端および反転増幅回路A21,A22の対応する一方の正極入力端に接続される負極出力端を有する反転増幅器A34により構成される。
図7(b)は1入力2出力の反転増幅回路A21,A22の構成を示している。これによると、反転増幅回路A21,A22の各々は、非反転増幅回路A11,A12の対応する一方の正極出力端に接続される正極入力端並びに出力端子Vout−,Vout+の対応する一方に接続される負極出力端および非反転増幅回路A11,A12の第2の正極入力端のノードに接続される負極出力端を夫々有する一対の非反転増幅器A35,A36により構成される。
図7(c)は2入力2出力の反転増幅回路A21,A22の構成を示している。これによると、反転増幅回路A23,A24の各々は、非反転増幅回路A11,A12の対応する一方の第1の正極入力端に接続される正極入力端を夫々有する一対の非反転増幅器A37,A38および非反転増幅回路A11,A12の第2の正極入力端のノードに接続される正極入力端を夫々有する一対の非反転増幅器A39,A40とにより構成される。非反転増幅器A37,A38の負極出力端は非反転増幅器A39,A40の負極出力端に夫々接続され、出力端子の対応する一方および非反転増幅回路A11,A12の第2の正極入力端のノードに夫々接続される。
上記のように構成することによって、1入力1出力の複数の反転増幅回路を使用した単純な回路構成で、第1の実施形態に係る増幅回路を構成することが可能となる。
図8は、図7に示す1入力1出力の反転増幅器をMOSトランジスタによって構成した回路を示している。この回路によると、電圧VDDとVSSとの間にNMOSトランジスタとPMOSトランジスタが直列に接続され、PMOSトランジスタのゲートにバイアスVbias1が供給される。NMOSトランジスタのゲートが入力INとなり、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとのドレインのノードが出力OUTとなる。
図7に示す反転増幅器A35〜A40の各々を図8に示すトランジスタ回路により構成し、図1に示すような増幅回路を構成した場合、増幅回路の出力を構成する反転増幅回路が広い動作範囲を持つため、増幅回路は低電源電圧の条件下でも広いダイナミックレンジを持つことが可能となる。
図9は、図7に示す1入力1出力の反転増幅器をMOSトランジスタにより構成した他の例を示している。これによると、2個のNMOSトランジスタおよび2個のPMOSトランジスタが電圧VDDとVSSとの間に直列に接続される。2個のPMOSトランジスタにはバイアスVbias1,Vbias2が夫々供給され、一方のNMOSトランジスタにバイアスVbias3が供給される。他方のNMOSトランジスタのゲートが入力INとなり、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとのドレインのノードが出力OUTとなる。
図9の反転増幅器を図7に示す反転増幅器A34に適用して、図1に示す増幅回路を構成した場合、MOSトランジスタがカスコード構成となっているため増幅回路の利得を大きくすることができる。この場合、非反転増幅回路は2段増幅回路11の初段であるため、非反転増幅回路に要求されるダイナミックレンジは増幅回路のダイナミックレンジから2段目の反転増幅回路の利得で割った狭い範囲となる。したがって図9のカスコード構成とした反転増幅回路でも必要なダイナミックレンジを満たすことが可能となる。
図10は、上述した実施形態の増幅回路を用いた受信機の回路構成を示している。この受信機によると、アンテナANTが受信信号を増幅する低雑音増幅器LNAの入力端に接続され、低雑音増幅器LNAの出力端は増幅信号を表面弾性波フィルタ処理する表面弾性波フィルタRF−SAWを介して一対の直交復調器QDEMの入力端に接続される。直交復調器QDEMは電圧制御発振器VCOからのローカル信号を用いて受信信号を復調する。直交復調器QDEMからの復調信号は各々が図1に示す増幅回路によって構成される一対の低域フィルタLPFに入力される。これら低域フィルタLPFの出力信号が一対の可変利得増幅器VGAによって増幅され、受信出力信号が出力される。
上記構成の受信機によると、本発明に従った増幅回路が低域フィルタに使用されることにより受信機は低消費電力化が実現できる。
本発明の一実施形態に従った増幅回路の回路図を示す。 本発明による位相補償によって得られる増幅回路の周波数特性の一例を示す。 ミラー容量による位相補償によって得られる従来の増幅回路の周波数特性を示す。 本発明による位相補償によって得られる増幅回路の周波数特性の他の例を示す。 本発明による位相補償によって得られる増幅回路の周波数特性の他の例を示す。 本発明による位相補償によって得られる増幅回路の周波数特性の他の例を示す。 第1の実施形態に使用される非反転増幅回路と反転増幅回路の具体的構成例を示す。 1入力1出力の反転増幅器を構成するMOSトランジスタ回路の一例を示す。 1入力1出力の反転増幅器を構成するMOSトランジスタ回路の他の例を示す。 本発明の実施形態の増幅回路を用いた受信機の回路構成を示す。
符号の説明
Vin+…正極の電圧入力端子、Vin−…負極の電圧入力端子、Vout+…正極の電圧出力端子、Vout−…負極の電圧出力端子、All,A12…2入力1出力の非反転増幅回路、A21,A22…1入力2出力の反転増幅回路、A23,A24…2入力2出力の反転増幅回路A31〜A40…1入力1出力の反転増幅回路、Vbias1〜3…バイアス電圧、LNA…低雑音増幅器、RF−SAW…表面弾性波フィルタ、QDEM…直交復調器、VCO…電圧制御発振器、LPF…低域フィルタ、VGA…可変利得増幅器

Claims (9)

  1. 第1及び第2の正極入力端と正極出力端とを夫々有し、この第2の正極入力端が互いに接続された2入力1出力の第1及び第2の非反転増幅回路と;第1及び第2の負極出力端と正極入力端とを夫々有し、この第2の負極出力端が互いに接続され且つ前記第1及び第2の非反転増幅回路の第2の正極入力端に接続された1入力2出力の第1及び第2の反転増幅回路と;を備え、前記第1の非反転増幅回路の正極出力端と前記第1の反転増幅回路の正極入力端とが接続され、前記第2の非反転増幅回路の正極出力端と前記第2の反転増幅回路の正極入力端とが接続された2段増幅回路と:
    第1及び第2の正極入力端と第1及び第2の負極出力端を夫々有し、この第2の正極入力端及び第2の負極出力端が互いに接続され且つ前記第1及び第2の反転増幅回路の第2の負極出力端に接続された2入力2出力の第3及び第4の反転増幅回路から構成される1段増幅回路と:を備え、
    前記第3の反転増幅回路の第1の正極入力端と接続された前記第1の非反転増幅回路の第1の正極入力端及び、前記第4の反転増幅回路の第1の正極入力端と接続された前記第2の非反転増幅回路の第1の正極入力端とで一対の入力端を構成し、
    前記第3の反転増幅回路の第2の負極出力端と接続された前記第1の反転増幅回路の第1の負極出力端及び、前記第4の反転増幅回路の第2の負極出力端と接続された前記第2の反転増幅回路の第1の負極出力端とで一対の出力端を構成することを特徴とする増幅回路。
  2. 前記2段増幅回路のユニティゲイン周波数は前記1段増幅回路のユニティゲイン周波数よりも低く、前記1段増幅回路の利得はl00よりも低いことを特徴とする請求項1記載の増幅回路。
  3. 前記第2段増幅回路の周波数特性は前記第1、第2の非反転増幅回路における1番目の極の周波数とこの1番目の極の周波数より低い前記第1、第2の反転増幅回路の2番目の極の周波数とを有し、前記第2段増幅回路の前記2番目の極の周波数は前記1段増幅回路の周波数特性の1番周波数の低い極の周波数よりも高いことを特徴とする請求項1または2記載の増幅回路。
  4. 前記第1、第2の非反転増幅回路の各々は、前記一対の入力端子の一方に接続される正極入力端を有する1入力1出力の第1の反転増幅器と、前記第1,第2の非反転増幅回路の前記第2の正極入力端のノードに接続される第2の反転増幅器と、前記第1、第2の反転増幅器の負極出力端に接続される正極入力端およびこの正極入力端に接続される負極出力端を有する第3の反転増幅器と、前記第3の反転増幅器の前記負極出力端に接続される正極入力端および前記第1、第2の反転増幅回路の対応する一方の正極入力端に接続される負極出力端を有する第4反転増幅器により構成される請求項1ないし3のいずれか1記載の増幅回路。
  5. 前記第1、第2の非反転増幅回路の各々の前記第4反転増幅器は、カスコード接続された第2、第3のNMOSトランジスタとカスコード接続された第2、第3のPMOSトランジスタによって構成されることを特徴とする請求項4記載の増幅回路。
  6. 前記第1、第2の反転増幅回路の各々は、前記第1,第2の非反転増幅回路の対応する一方の前記正極出力端に接続される正極入力端並びに前記出力端子の対応する一方に接続される負極出力端および前記第1,第2の非反転増幅回路の前記第2の正極入力端のノードに接続される負極出力端を夫々有する一対の非反転増幅器により構成される請求項1ないし5のいずれか1記載の増幅回路。
  7. 前記第3、第4の反転増幅回路の各々は、前記第1,第2の非反転増幅回路の対応する一方の前記第1の正極入力端に接続される正極入力端を夫々有する一対の第1の非反転増幅器および前記第1,第2非反転増幅回路の前記第2の正極入力端の前記ノードに接続される正極入力端を夫々有する一対の第2の非反転増幅器とにより構成され、前記一対の第1の非反転増幅器の負極出力端は前記一対の第2の非反転増幅器の負極出力端に夫々接続され、前記出力端子の対応する一方および前記第1,第2非反転増幅回路の前記第2の正極入力端の前記ノードに夫々接続されることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1記載の増幅回路。
  8. 前記第1、第2の反転増幅回路を構成する前記一対の非反転増幅器および前記第3、第4の反転増幅回路を構成する前記一対の第2の非反転増幅器並びに前記一対の第2の非反転増幅器の各々は第1のNMOSトランジスタと第1のPMOSトランジスタによって構成されることを特徴とする請求項7記載の増幅回路。
  9. 受信信号を増幅する低雑音増幅器と、低雑音増幅器の出力信号を表面弾性波フィルタ処理を行う表面弾性波フィルタと、表面弾性波フィルタの出力信号を直交復調する直交復調器と、請求項1ないし8のいずれか1に記載の増幅回路により構成され、前記直交復調器の出力信号をフィルタ処理する低域フィルタと、前記低域フィルタの出力信号を増幅する可変利得増幅器とにより構成される受信機。
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