JP2005229507A - 可変利得増幅回路、それを搭載したic、無線通信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 温度変動に対する利得特性の変化を抑制できる可変利得増幅回路、それを搭載したIC、無線通信システムを実現する。
【解決手段】 外部からの入力制御電圧によって利得を変化させて、入力信号を上記利得により増幅した増幅信号を出力するアンプ回路1を設ける。温度変動による前記利得の変動を相殺するように前記入力制御電圧を調節した調整制御電圧を入力制御電圧として前記アンプ回路1に出力する制御電圧調整回路2を設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、集積回路で用いられる利得の制御が可能な、特に無線送受信用高周波集積回路に用いられ、温度変動に対して安定性を向上させた可変利得増幅回路、それを搭載したIC、無線通信システムに関するものである。
従来、携帯電話等の移動体通信といった無線通信システムでは、受信する受信信号の信号強度が種々であり、かつ移動に伴い変化するので、上記受信信号の強度を最適なレベルに調整するために、可変利得増幅回路が用いられている。そのような可変利得増幅回路が、特許文献1に開示されている。
上記可変利得増幅回路の要部は、図3に示すように、入力信号端子IN1がベースに接続された第1のトランジスタQ1と、反転入力信号端子IN2がベースに接続された第2のトランジスタQ2と、前記第1のトランジスタQ1のエミッタに接続された第1の電流源と、前記第2のトランジスタQ2のエミッタに接続された第2の電流源と、前記第1のトランジスタのエミッタと、前記第2のトランジスタのエミッタ間に接続されたエミッタ抵抗REとを有している。
また、上記可変利得増幅回路は、前記第1のトランジスタQ1のコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが出力信号端子OUT1に接続された、第3のトランジスタQ3と、前記第1のトランジスタQ1のコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが電源と接続された、第4のトランジスタQ4と、前記第3のトランジスタQ3のコレクタと電源間に接続された第1の負荷抵抗とを備えている。
さらに、上記可変利得増幅回路は、前記第2のトランジスタQ2のコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが電源と接続された、第5のトランジスタQ5と、前記第2のトランジスタQ2のコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが反転出力信号端子OUT2と接続された、第6のトランジスタQ6と、前記第6のトランジスタQ6のコレクタと電源間に接続された第2の負荷抵抗とを有している。
ここで、第1の電流源の電流値と第2の電流源の電流値は等しく共通でI0と表し、第1の負荷抵抗の抵抗値と第2の負荷抵抗の抵抗値は等しく共通でRL1と表す。
トランジスタQ3及びトランジスタQ6のベースに基準電圧VB1を印加して、トランジスタQ4及びトランジスタQ5のベースに制御電圧VC1を印加する。VC1がVB1より低い条件では、トランジスタQ4とトランジスタQ5には電流が流れない一方、トランジスタQ3とトランジスタQ6に電流が流れる為、負荷抵抗RL1を通してOUT1、OUT2に増幅信号が出力される。
C1をVB1より大きくしていくとトランジスタQ4とトランジスタQ5に電流が流れだし、トランジスタQ3とトランジスタQ6に流れる電流が減る為に利得が減少してくる。制御電圧VC1に対する利得AVは以下の式(1)の様になる。
Figure 2005229507
T=kT/q:熱電圧
k:ボルツマン定数
q:電子の単位電荷
T:絶対温度
特開昭58−114614号公報(公開日:1983年7月8日)
しかしながら、上記従来の構成では、上記利得の式(1)に絶対温度Tに比例する熱電圧VTが存在する。そのため、従来例の可変利得増幅回路の利得は温度によって変化する。
携帯電話等の無線通信システムのように、送受信を切り替えるシステムでは、受信してから受信信号を最適なレベルに調整するまでの時間が限られている。そのため、可変利得増幅回路の利得制御システムとして、以下の方法をとることがある。
(I) 入力された信号のレベルを検知する
(II)最適なレベルにするためにはレベルをいくら変化させればよいか計算する。
(III)(II)で求めた可変レベルとΔ利得/Δ制御電圧の値から最適な制御電圧値を計算す
る。
(IV)制御電圧値を(III)で求めた値にする。
この方法をとる際には、Δ利得/Δ制御電圧が常に一定である必要があり、従来例の様
に温度によってΔ利得/Δ制御電圧が変化する場合、短時間に信号を最適なレベルに調整
できないことがあるという問題を生じる。
本発明者らは、制御電圧を、温度の二乗に比例する電流を電流源とした差動増幅回路に入力し、その差動増幅回路の出力を可変利得増幅回路の制御信号(制御電圧)として使用することにより、Δ利得/Δ制御電圧の温度依存性を防止して上記問題を解決した。
本発明に係る可変利得増幅回路は、上記課題を解決するために、外部からの入力制御電圧によって利得を変化させて、入力信号を上記利得により増幅した増幅信号を出力するアンプ回路と、温度変動による前記利得の変動を相殺するように前記入力制御電圧を調節した調整制御電圧を入力制御電圧として前記アンプ回路に出力する制御電圧調整回路と、を有していることを特徴としている。
上記構成によれば、前記制御電圧調整回路を、温度変動による前記利得の変動を相殺するように前記入力制御電圧を調節した調整制御電圧を入力制御電圧として前記アンプ回路に出力するように設定することで、アンプ回路からの増幅信号の温度依存性を相殺できて、温度変動への依存性を軽減した利得電圧の増幅信号を出力できる。
上記可変利得増幅回路では、前記制御電圧調整回路は、第一電流源を備えた第一差動増幅回路を有し、上記第一電流源は、それに流れる電流が絶対温度の変動に応じて変化するように設定されていることが好ましい。
上記構成によれば、第一電流源に流れる電流を絶対温度の変動に応じて変化するように設定することにより、アンプ回路からの増幅信号の温度依存性を相殺できて、温度変動への依存性を抑制した利得電圧の増幅信号を出力できる。
上記可変利得増幅回路においては、前記制御電圧調整回路は、第一電流源を備えた第一差動増幅回路を有し、上記第一電流源は、それに流れる電流が絶対温度の二乗に比例して変化するように設定されていることが望ましい。
上記構成によれば、第一電流源に流れる電流を絶対温度の二乗に比例して変化するように設定することによって、アンプ回路からの増幅信号の温度依存性を相殺できて、温度変動への依存性を回避した利得電圧の増幅信号を出力できる。
上記可変利得増幅回路では、前記アンプ回路は、第二電流源を備えた第二差動増幅回路を有し、上記第二電流源は、それに流れる電流が絶対温度に比例するように設定されていてもよい。
上記構成によれば、第二電流源に流れる電流が絶対温度に比例するように設定することで、アンプ回路からの増幅信号の温度依存性を相殺できて、温度変動への依存性を回避した利得電圧の増幅信号を出力できる。
上記可変利得増幅回路においては、前記アンプ回路が、入力信号端子がベースに接続された第1のトランジスタと、反転入力信号端子がベースに接続された第2のトランジスタと、前記第1のトランジスタのエミッタに接続された第1の電流源と、前記第2のトランジスタのエミッタに接続された第2の電流源と、前記第1のトランジスタのエミッタと、前記第2のトランジスタのエミッタ間に接続されたエミッタ抵抗と、前記第1のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが出力信号端子に接続された、第3のトランジスタと、前記第1のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが電源と接続された、第4のトランジスタと、前記第3のトランジスタのコレクタと電源間に接続された第1の負荷抵抗と、前記第2のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが電源と接続された、第5のトランジスタと、前記第2のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが反転出力信号端子と接続された、第6のトランジスタと、前記第6のトランジスタのコレクタと電源間に接続された第2の負荷抵抗と、によって構成されており、前記制御電圧調整回路が、制御電圧端子がベースに接続され、コレクタが共通に前記第3のトランジスタのベースと前記第6のトランジスタのベースとに接続された、第7のトランジスタと、基準電圧端子がベースに接続され、コレクタが共通に前記第4のトランジスタのベースと前記第5のトランジスタのベースとに接続された、第8のトランジスタと、前記第7のトランジスタのエミッタと前記第8のトランジスタのエミッタとに接続された第3の電流源と、前記第7のトランジスタのコレクタとVCC間に接続された第3の負荷抵抗と、前記第8のトランジスタのコレクタとVCC間に接続された第4の負荷抵抗とによって構成されていて、前記第1の電流源の電流、及び前記第2の電流源の電流が絶対温度に比例する特性をもたせ、前記第3の電流源の電流が絶対温度の二乗に比例する特性をもたせることにより、温度に依存しない利得特性を有するものでもよい。
本発明のICは、前記課題を解決するために、上記の何れかに記載の可変利得増幅回路を搭載したことを特徴としている。上記構成によれば、出力される増幅信号の温度依存性が軽減された可変利得増幅回路を搭載したことにより、上記構成を、例えば携帯電話等の移動体通信に用いることで、温度変動に起因する通信不良を防止できる。
本発明の無線通信システムは、前記課題を解決するために、上記記載のICを搭載したことを特徴としている。上記構成によれば、出力される増幅信号の温度依存性が軽減された可変利得増幅回路を有するICを搭載したことにより、上記構成を、例えば携帯電話等の移動体通信に用いることで、温度変動に起因する通信不良を防止できる。
本発明に係る可変利得増幅回路は、以上のように、外部からの入力制御電圧によって利得を変化させて、入力信号を上記利得により増幅した増幅信号を出力するアンプ回路と、温度変動による前記利得の変動を相殺するように前記入力制御電圧を調節した調整制御電圧を入力制御電圧として前記アンプ回路に出力する制御電圧調整回路とを有している構成である。
それゆえ、上記構成は、調節した調整制御電圧によって、アンプ回路からの増幅信号の温度依存性を相殺できて、温度変動に依存しない利得電圧の増幅信号を出力できる。それゆえ、上記構成は、温度変動に依存しない増幅信号を出力できるから、携帯電話などの移動体通信機といった通信分野の可変利得増幅回路に用いると、通信を安定化できるという効果を奏する。
本発明の一実施形態について図1及び図2に基づいて説明すると以下の通りである。すなわち、本発明に係る可変利得増幅回路の実施形態は、図1に示すように、従来例と同様のアンプ回路1と、制御電圧調整回路2とによって構成されている。なお、背景技術の欄に記載した従来例の可変利得増幅回路と同様な機能を有する部材については、同一の符号を付与してそれらの詳細な説明を省いた。
上記アンプ回路1は、各入力信号端子IN1、IN2、各トランジスタQ1〜Q6と、各定電流源(第二電流源)I0と、エミッタ抵抗REと、各負荷抵抗RL1と、各出力信号端子OUT1、OUT2によって構成されている。
各定電流源I0とエミッタ抵抗REとは、差動増幅回路を構成する各トランジスタQ1〜Q2用のエミッタ抵抗、つまり差動増幅回路用負荷抵抗となっており、各定電流源I0とを高抵抗に設定できることで、各トランジスタQ1〜Q2による差動増幅回路の利得幅を大きくできるものとなっている。本実施の形態では、各定電流源I0は、従来と相違しており、その詳細については後述する。
各トランジスタQ3〜Q6は、双差動増幅回路を構成している。各負荷抵抗RL1は、各出力信号端子OUT1、OUT2にコレクタがそれぞれ接続された各トランジスタQ3〜Q6のコレクタと電源線であるVCCとの間に挿入された出力用負荷抵抗である。
このようなアンプ回路1では、各入力信号端子IN1、IN2にそれぞれ入力された入力信号の差が、各トランジスタQ3、Q6の各ベースに入力された各制御電圧VC2、VB2により調整された利得により増幅された増幅信号となって、各出力信号端子OUT1、OUT2から出力される。なお、上記各入力信号は、通常、一方が基準入力信号で、他方が利得の調整が必要な入力信号である。また、各出力信号端子OUT1、OUT2からの各増幅信号は互いに逆相となっており、一方の増幅信号のみが必要な場合は、不要な増幅信号側の負荷抵抗RL1を省くことができる。
前記制御電圧調整回路2は、定電流源(第一電流源)I1と、各トランジスタQ7、Q8と、各負荷抵抗RL2とによって構成されている。定電流源I1については後述する。各トランジスタQ7、Q8のエミッタには、定電流源I1が共通に接続されている。各負荷抵抗RL2は、各トランジスタQ7、Q8のコレクタに対しそれぞれ接続された出力負荷抵抗である。
また、制御電圧調整回路2では、トランジスタQ7のベースに入力制御電圧VC1が入力され、トランジスタQ8のベースに入力制御電圧VB1が入力されている。トランジスタQ7のコレクタにおいて一方の負荷抵抗RL2により発生する調整制御電圧VC2は、アンプ回路1のトランジスタQ4及びQ5のベースに接続されていると共に、トランジスタQ8のコレクタにおいて他方の負荷抵抗RL2により発生する調整制御電圧VB2は、アンプ回路1のトランジスタQ3及びQ6のベースに接続されている。このような各調整制御電圧VC2、VB2によって、アンプ回路1の利得が制御されている。
そして、本実施形態においては、定電流源I0は、定電流源I0の出力電流が絶対温度Tに比例し、定電流源I1は、定電流源I1の出力電流が絶対温度Tの二乗に比例するように、それぞれ設定されている。
次に、本発明に係る可変利得増幅回路の動作について説明する。まず、トランジスタQ8のベースに基準電圧VB1を、トランジスタQ7のベースには比較電圧VC1をそれぞれ入力制御電圧として印加する。
トランジスタQ4及びトランジスタQ5のベース電圧がVC2、トランジスタQ3及びトランジスタQ6のベース電圧がVB2であるので、
C1、VB1、VC2、VB2の関係は以下の式(2)の様になる。
Figure 2005229507
上記VC2−VB2がトランジスタQ4、Q5及びQ3、Q6のベースに印加されるので、前記従来例の利得の式(1)より、図1の可変利得増幅回路の利得AVは以下の式(3)になる。
Figure 2005229507
ここで、I0は絶対温度Tに比例し、I1は絶対温度Tの二乗に比例するので
0=αT、I1=βT2 (α、β:任意の定数) …(4)
と表すことができ、利得AVは、下式(5)にて、
Figure 2005229507
と表せる。
上記式(5)より明らかなように、電流値を絶対温度Tの変動に比例させた定電流源I0、及び、電流値を絶対温度Tの二乗に比例させた定電流源I1の少なくとも一方を用いることで、絶対温度Tに比例する熱電圧の利得AVへの影響は相殺されて図1に示す本発明に係る可変利得増幅回路の利得AVの温度依存性は軽減される。より好ましくは、電流値を絶対温度Tの変動に比例させた定電流源I0、及び、電流値を絶対温度Tの二乗に比例させた定電流源I1の双方を用いることで、絶対温度Tに比例する熱電圧の利得AVへの影響は、より確実に相殺されて、図1に示す本発明に係る可変利得増幅回路の利得AVの温度依存性は回避される。
よって、上記可変利得増幅回路は、強度が種々に変化する受信信号の利得を迅速に調整する必要がある、携帯電話等の移動体通信といった通信分野に好適に使用できて、通信を安定化できる。
次に、図2に絶対温度の二乗に比例する定電流源I1を作り出す一実施例を表す。まず、定電流源I1では、各定電流源IA、IBと、各トランジスタQA〜QDとを有している。定電流源IAは、その出力電流が絶対温度Tに比例する一方、定電流源IBは、その出力電流が温度に依存しない定電流源である。
定電流源IAは、電源線VCCとトランジスタQAのコレクタとの間に接続されている。トランジスタQAのベースは、そのコレクタに接続されている。トランジスタQAのエミッタは、トランジスタQBのコレクタに接続されている。トランジスタQBのベースは、そのコレクタに接続されている。トランジスタQBのエミッタはアースに接続されている。トランジスタQCのコレクタは電源線VCCに接続されている。トランジスタQCのベースは、トランジスタQAのコレクタおよびベースに接続されている。トランジスタQCのエミッタは、定電流源IBの一方の端子に接続されている。定電流源IBの他方の端子はアースに接続されている。トランジスタQDのコレクタは、前述の各トランジスタQ7、Q8の各エミッタに接続されている。トランジスタQDのベースは、トランジスタQCのエミッタに接続されている。トランジスタQCのエミッタはアース接地されている。
このような定電流源I1において、トランジスタQAのベースエミッタ電圧をVBE(QA)、コレクタ電流をIC(QA)、トランジスタQBのベースエミッタ電圧をVBE(QB)、コレクタ電流をIC(QB)、トランジスタQCのベースエミッタ電圧をVBE(QC)、コレクタ電流をIC(QC)、トランジスタQDのベースエミッタ電圧をVBE(QD)、コレクタ電流をIC(QC)とすると、
BE(QA)+VBE(QB)=VBE(QC)+VBE(QD)
より
C(QA)C(QB)=IC(QC)C(QD)
となり、
A=IC(QA)=IC(QB)、IB=IC(QC)、Iout=IC(QD)
なので、
out=IA 2/IB= …(6)
となる。
ここで、IAは絶対温度に比例し、IBは温度に依存しないので、定電流源I1において、定電流源IAに対し、二段に互いに直列に接続した各トランジスタQA、QBが直列に接続されることで、定電流源I1のIoutは絶対温度Tの二乗に比例するものとなる。
よって、図2のIoutを図1のI1として使用すれば、温度依存性のない可変利得増幅回路を実現することができる。なお、図1の定電流源I0や、図2の定電流源IAのような絶対温度に比例する定電流源は、既知の技術であるバンドギャップ電流源を利用することにより実現できる。
このような本発明に係る可変利得増幅回路は、主にトランジスタといった半導体から構成できるため、IC化が容易であり、そのようにIC化されて小型化されたものは、携帯電話などの無線通信システムに容易に搭載してもちいることができる。
なお、上記実施の形態では、各トランジスタQ1〜Q8に、npn型トランジスタを用いた例を挙げたが、pnp型トランジスタや、FETで構成することもでき、また、それらを組み合わせて構成してもよい。
本発明の可変利得増幅回路、それを搭載したIC、それを搭載した無線通信システムは、温度変動への依存性が軽減された利得特性の増幅信号を出力することが可能となるので、温度変動が大きく、温度変動による通信不良が発生し易い、室外等にてよく使用される携帯電話などの移動体通信といった通信分野の用途に適用できる。
本発明の可変利得増幅回路に係る一実施形態を示す回路図である。 図1の定電流源I1の一実施例の回路図である。 従来技術を示すものであり、可変利得増幅回路の回路図である。
符号の説明
1 アンプ回路
2 制御電圧調整回路
0、I1 定電流源
Q1〜Q8 トランジスタ
L1、RL2 負荷抵抗
E エミッタ抵抗

Claims (7)

  1. 外部からの入力制御電圧によって利得を変化させて、入力信号を上記利得により増幅した増幅信号を出力するアンプ回路と、
    温度変動による前記利得の変動を相殺するように前記入力制御電圧を調節した調整制御電圧を入力制御電圧として前記アンプ回路に出力する制御電圧調整回路と、を有していることを特徴とする可変利得増幅回路。
  2. 請求項1記載の可変利得増幅回路において、
    前記制御電圧調整回路は、第一電流源を備えた第一差動増幅回路を有し、
    上記第一電流源は、それに流れる電流が絶対温度の変動に応じて変化するように設定されていることを特徴とする可変利得増幅回路。
  3. 請求項1記載の可変利得増幅回路において、
    前記制御電圧調整回路は、第一電流源を備えた第一差動増幅回路を有し、
    上記第一電流源は、それに流れる電流が絶対温度の二乗に比例して変化するように設定されていることを特徴とする可変利得増幅回路。
  4. 請求項1ないし3の何れか1項に記載の可変利得増幅回路において、
    前記アンプ回路は、第二電流源を備えた第二差動増幅回路を有し、
    上記第二電流源は、それに流れる電流が絶対温度に比例するように設定されていることを特徴とする可変利得増幅回路。
  5. 請求項1記載の可変利得増幅回路において、
    前記アンプ回路が、
    入力信号端子がベースに接続された第1のトランジスタと、
    反転入力信号端子がベースに接続された第2のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタのエミッタに接続された第1の電流源と、
    前記第2のトランジスタのエミッタに接続された第2の電流源と、
    前記第1のトランジスタのエミッタと、前記第2のトランジスタのエミッタ間に接続されたエミッタ抵抗と、
    前記第1のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが出力信号端子に接続された、第3のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが電源と接続された、第4のトランジスタと、
    前記第3のトランジスタのコレクタと電源間に接続された第1の負荷抵抗と、
    前記第2のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが電源と接続された、第5のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタのコレクタに、エミッタが接続され、コレクタが反転出力信号端子と接続された、第6のトランジスタと、
    前記第6のトランジスタのコレクタと電源間に接続された第2の負荷抵抗と、によって構成されており、
    前記制御電圧調整回路が、
    制御電圧端子がベースに接続され、コレクタが共通に前記第3のトランジスタのベースと前記第6のトランジスタのベースとに接続された、第7のトランジスタと、
    基準電圧端子がベースに接続され、コレクタが共通に前記第4のトランジスタのベースと前記第5のトランジスタのベースとに接続された、第8のトランジスタと、
    前記第7のトランジスタのエミッタと前記第8のトランジスタのエミッタとに接続された第3の電流源と、
    前記第7のトランジスタのコレクタとVCC間に接続された第3の負荷抵抗と、
    前記第8のトランジスタのコレクタとVCC間に接続された第4の負荷抵抗とによって構成されていて、
    前記第1の電流源の電流、及び前記第2の電流源の電流が絶対温度に比例する特性をもたせ、前記第3の電流源の電流が絶対温度の二乗に比例する特性をもたせることにより、温度に依存しない利得特性を有する可変利得増幅回路。
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の可変利得増幅回路を搭載したことを特徴とするIC。
  7. 請求項6に記載のICを搭載したことを特徴とする無線通信システム。

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