JP2005523632A - 電子増幅回路 - Google Patents

Abstract

増幅回路は、各分岐が入力トランジスタ及びカスコードトランジスタを有する第１及び第２電流分岐を含む。前記増幅器の入力部は、前記電流分岐の各々の中の前記入力トランジスタの制御電極に結合される。前記カスコードトランジスタの制御電極は互いに結合される。前記入力トランジスタの主電流チャネルの端子の同相電圧変化を前記カスコードトランジスタの前記制御電極における電圧変化に実質的にコピーするために、共通電流源のノードと前記カスコードトランジスタの前記制御電極との間に高周波結合が設けられる。このようにして、各入力トランジスタの別々の前記端子の電圧の間の電圧差の変化が実質的に取り除かれ、このことは、前記増幅器の同相除去比を低減させ、それによって、線形性を低減させるであろう、前記入力トランジスタの前記制御電極から前記カスコードトランジスタの主電流チャネルまでの寄生電流を防止する。

Description

本発明は、電子増幅回路に関する。

国際特許出願公開公報第WO01/26216号は、差動増幅回路を開示している。この増幅回路は差動入力接続部と差動出力接続部とを持つ。増幅回路は、各々が差動出力接続部の関連する１つと共通回路との間に結合されるカスコードトランジスタ及び入力トランジスタの主電流チャネルの直列接続を備える２つの分岐を含む。差動入力接続部は、２つの分岐の中の入力トランジスタの制御電極に結合される。

このような増幅器が、ケーブルTV信号中のテレビチャネルなどの多くの同等の強度の信号を含む帯域からの信号を増幅するための広帯域増幅器として用いられる場合に、このような増幅器の線形性に高い要求がかけられる。国際特許出願公開公報第WO01/26216号は、高周波において各分岐中のカスコードトランジスタ及び入力トランジスタを並列に配置する結合を介して、高周波における増幅器の高いトランスコンダクタンス(transconductance)を確実にすることによって、この線形性がどのように改善され得るかを記載している。

広帯域増幅器の同相除去(common mode rejection)が非線形性の決定における重要な要素であることが分かった。これは、トランジスタによって生成される差動信号の偶数次の相互変調の結果物(even order intermodulation product)が同相信号(common mode signal)であるからである。これらの偶数次の相互変調の結果物は、ことによると最も強い相互変調の結果物であり、とりわけ広帯域増幅器における歪みに関連する二次の相互変調の結果物を含む。差動増幅器の同相除去を最大化することによって、出力に対するこれらの偶数次の相互変調の結果物の寄与は最小化される。

本発明の目的は、とりわけ、差動増幅器の線形性を改善することにある。

本発明の目的は、とりわけ、差動増幅器の同相除去を増大させることにある。

本発明による増幅器は請求項１に記載されている。分岐の共通接点(common point)と該分岐のカスコードトランジスタの制御電極との間に高周波結合を設けることによって、各入力トランジスタの主電流チャネルの端子とその制御電極との間の同相電圧差がない又はほとんどないことが確実にされる。この結果として、前記回路は、分岐中の前記入力トランジスタの前記制御電極と、その分岐中の前記カスコードトランジスタ及び前記入力トランジスタの主電流チャネルを接続するノードとの間のキャパシタンス（バイポーラ入力トランジスタの場合には主としてミラーキャパシタンス）によって利得に及ぼされる影響を取り除く。これは、同相除去を増大させ、それによって、線形性を増大させる。

前記分岐の前記共通接点は、共通電流源回路によって給電される。この回路は、共通に前記分岐に電流を供給する。理想的には、この共通電流源回路は、少なくとも増幅周波数帯域における電圧変化に応じて、該電流源回路の両端子間の電圧とは無関係である電流を生成する完璧な電流源であるべきである。しかし、前記電流源回路がこのような完璧な電流源の動作とは大きく異なる動作を持つ場合でも前記増幅器は良好な線形性を持つことが分かった。

本発明による増幅器の実施例は、前記分岐の前記カスコードトランジスタの前記制御電極に結合されるDCバイアス供給回路を有し、前記DCバイアス供給回路は高周波阻止回路(high frequency blocking circuit)を有する。斯くして、前記カスコードトランジスタへの高周波電流が、これらのトランジスタの前記制御電極へ流れざるを得ず、前記カスコードトランジスタに前記入力トランジスタの前記同相電圧差を最小化させることが確実にされる。

以下の図を用いて本発明による増幅器のこれら及び他の目的及び有利な特徴をより詳細に記載する。

図１は、差動増幅器を示している。この増幅器は、２つの分岐１０、１１を含む。各分岐は、共通回路１２０、１２２、１２４と出力トランス１６０との間に接続されるカスコードトランジスタ１０４、１１４及び入力トランジスタ１００、１１０の主電流チャネルの直列接続を含む。入力トランジスタ１００、１１０の制御電極は、入力トランジスタ１４０に結合される。対称形の入力部及び出力部が示されているが、通常、非対称の入力部及び出力部を作成するために、入力トランス及び出力トランスの各々の１つの端子はグランドに接続されることは了解されるであろう。好ましくは、両分岐の入力トランジスタ１００、１１０は、実質的に互いに等しいパラメータを持つ。好ましくは、カスコードトランジスタ１０４、１１４もまた、実質的に互いに等しいパラメータを持つ。

一例として、バイポーラトランジスタ１００、１０４、１１０、１１４が示されている。共通回路は、各々のエミッタ抵抗器１２２、１２４を介して入力トランジスタ１００、１１０のエミッタに接続され、グランドインピーダンス１２０を介してグランドに接続される共通ノード１２６を含む。電源接続部Vは、カスコードトランジスタ１０４、１１４のコレクタに結合される。入力トランジスタ１００、１１０の制御電極には、入力トランス１４０を介してベース電圧Vbによるバイアスがかけられる。帰還インピーダンス１０６、１１６は、入力トランジスタ１００、１１０の制御電極と分岐１０、１１の出力部をつなぐ。

カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極は互いに結合される。コンデンサ１８は、カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極と共通ノード１２６をつなぐ。カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極には、バイアスネットワーク１９２、１９４、１９０を介してバイアスがかけられる。

動作中、入力トランス１４０から入力トランジスタ１００の制御電極と入力トランジスタ１１０の制御電極との間に入力電圧差がかけられる。これは、入力トランジスタ１００の主電流チャネルを通って流れる電流と、入力トランジスタ１１０の主電流チャネルを通って流れる電流との間の電流差をもたらす。共通回路１２０、１２２、１２４は、少なくとも増幅器が用いられる周波数範囲においては電流源として働く。この目的のため、グランドインピーダンス１２０は、少なくとも高周波では相対的に高い値を持つ。これは、グランドインピーダンス１２０においてインダクタンスを用いることによって、又はグランドインピーダンス中の電流源回路によって達成され得る。

共通回路１２０、１２２、１２４からの電流は、主として、入力トランジスタ１００、１１０の主電流チャネルから、カスコードトランジスタ１０４、１１４の主電流チャネルを通って、出力トランス１６０へ流れる。カスコードトランジスタ１０４、１１４は、分岐１０、１１中の、カスコードトランジスタ１０４、１１４の主電流チャネルと、入力トランジスタ１００、１１０の主電流チャネルとの間のノード１０２、１１２において低インピーダンスを供給するのに役立つ。この低インピーダンスは、入力トランジスタ１００、１１０の不所望な帰還作用を低減させる。増幅器の入力部において整合入力インピーダンスを供給するために、入力トランジスタ１００、１１０の制御電極における入力インピーダンス及び増幅器利得の周波数依存性を調節するのに、随意に、帰還インピーダンス１０６、１１６が用いられる。前記電流の間の差は、出力トランス１６０の出力部における出力電圧をもたらす。

共通回路１２０、１２２、１２４の電流源動作のため、共通回路１２０、１２２、１２４から両分岐１０、１１中の主電流チャネルへの電流の合計は、少なくとも対象周波数帯域においては、入力信号と無関係な定数である。分岐１０、１１の外部からの他の電流の投入はないので、分岐１０、１１を通る全電流は、共通回路１２０、１２２、１２４からのこれらの電流に比例し、それ故、分岐１０、１１からの対応する電流の如何なる組の合計も、入力信号と無関係な定数である。

共通回路１２０、１２２、１２４からの電流は、主として、入力トランジスタ１００、１１０の主電流チャネルから、カスコードトランジスタ１０４、１１４の主電流チャネルを通って、出力トランス１６０へ流れる。前記電流の間の差は、出力トランス１６０の出力部における出力電圧をもたらす。理想的には、出力トランス１６０が理想的に対称形である場合には、電流の同相成分（合計）は出力電圧に寄与し得ない。これは、無限大の同相除去比に対応する。しかし、実際には、不可避の非対称性のために、同相成分が出力信号をもたらし得る。

非線形性、とりわけ、二次相互変調作用が、同相成分の生成を介して出力信号に寄与する。この成分は、高インピーダンスの共通回路１２０、１２２、１２４以外の供給源からの入力依存同相電流が分岐１０、１１に流れ込む程度までのみ、零と著しく異なる。このタイプの関連する電流は、入力トランジスタ１００、１１０のベース・コレクタキャパシタンスを通る共通の電流(common current)である。

コンデンサ１８は、共通回路１２２、１２４、１２０の共通ノード１２６と、カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極との間に高周波結合を設けるのに役立つ。コンデンサ１８の値は、少なくとも、増幅器が用いられる周波数帯域において、入力トランジスタ１００、１１０のエミッタの同相電圧の変化が、カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極に実質的にコピーされるほど大きく選択される。カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極におけるインピーダンスが相対的に高いことから、この目的のためには驚くほど低いキャパシタンス値で十分である。これは、集積回路においてキャパシタンス値を集積することを可能にする。

カスコードトランジスタ１０４、１１４の作用及びコンデンサ１８の結果として、同相電圧の変化もまた、入力トランジスタ１００、１１０の主電流チャネルと、カスコードトランジスタ１０４、１１４の主電流チャネルとの間のノード１０２、１１２にコピーされる。斯くして、関連する周波数における共通グランドインピーダンス１２０の高インピーダンスのために、入力トランジスタ１００、１１０のコレクタにおける電圧の同相部分は、入力トランジスタ１００、１１０のエミッタにおける電圧の同相部分と実質的に等しく、それは、入力トランジスタ１００、１１０の制御電極における電圧の同相部分と実質的に等しい。

等しい同相電圧の結果として、同相電流は、実質的に、入力トランジスタ１００、１１０のベース・コレクタキャパシタンス（例えば、ミラーキャパシタンス(Miller capacitance)）を流れない。効果的には、この回路は、入力トランジスタの制御電極における同相電圧に対して非常に高インピーダンスの回路を作成する。結果として、増幅器は、同相電圧の非常に高い除去を実現し、相互変調の結果物は抑制される。（コンデンサ１８の結果として、共通回路１２０、１２２、１４４の電流源動作が完璧とは程遠くても、同相除去比は非常に高いことに注意されたい）。

図２は、周波数の関数として二次歪みの強度のグラフを示している。強度は、異なる状況下の強度の比較を可能にするために、縦に対数目盛でプロットされる。一番上の曲線はコンデンサ１８のない増幅器の歪みを示している。上から二番目の曲線は、コンデンサ１８が付加された状態での歪みを示している。

コンデンサ１８の作用は、共通ノード１２６からの実質的に全ての電流がカスコードトランジスタの制御電極を通って流れるようにすることによって改善され得る。この目的のため、バイアス回路１９０、１９２、１９４は、好ましくは、関連する周波数の信号に対して、カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極より実質的に高いインピーダンスを与えるインダクタンス１９０を含む。図２において上から３番目の曲線は、インダクタンス１９０がバイアス回路に付加されている場合にそのインダクタンスが理想的に全ての関連する信号電流を阻止する場合の歪みの強度を示している。

図１の回路を用いて本発明の原理を説明しているが、本発明から外れることなしに、この回路に多くの変更が加えられ得ることは分かるであろう。例えば、バイポーラトランジスタ１００、１０４、１１０、１１４の一部又は全てが電界効果トランジスタに置き換えられ得る。各トランジスタは、複数のトランジスタの並列配置によって実現され得る。このような並列配置は、単一のトランジスタと同じ効果を持ち、本明細書で用いられているように、「トランジスタ」という単語によってカバーされるとみなされる。トランス１６０、１４０の代わりに、差動入力信号及び差動出力信号を供給する及び／又は取り出す他の回路が用いられ得る。付加的な構成要素が、分岐１０、１１、バイアス回路１９０、１９２、１９４、又は共通回路１２２、１２４、１２０に付加され得る。あるいは、構成要素、例えば、エミッタ抵抗器１２２、１２４が回路から削除され得る。

コンデンサ１８は、共通回路１２０、１２２、１２４における同相電圧がカスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極に結合されるように、入力トランジスタ１００、１１０のエミッタ電圧の変動を実質的に伝える、共通回路１２２、１２４、１２０中のノードとカスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極との間の他のコンデンサに置き換えられ得る、又は該他のコンデンサによって補われ得る。例えば、カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極から、エミッタ抵抗器１２２、１２４と入力トランジスタ１００、１１０との間のノードまで一対のコンデンサ（図示せず）が結合され得る。別の例においては、T形共通回路１２０、１２２、１２４が、エミッタからグランドまでのインピーダンスとエミッタ間のインピーダンスとを備えるπ形回路に置き換えられ得る。この場合には、入力トランジスタ１００、１１０のエミッタとカスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極との間のコンデンサが用いられ得る。

また、単純な容量結合が好ましいが、対象周波数帯域において共通回路１２０、１２２、１２４からの同相電圧がカスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極にコピーされることを可能にする如何なる結合も歪みを低減させる望ましい効果を達成するであろうことは分かるであろう。１つの別の例においては、入力部が、入力トランジスタ１００、１１０のエミッタに結合された共通接点に結合されており、出力部が、カスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極に結合されている状態で、略々１という利得を持つ緩衝増幅器が用いられ得る。

エミッタ抵抗器１２２、１２４は、コンデンサ１８の作用に必須ではないが、線形性を改善するのに役立つだけでなく、入力トランスに結合されるインピーダンスを整合させるために入力トランジスタ１００、１１０のベースによって与えられる入力インピーダンスに適合させるのにも役立つ。或るこれに限定されない例において、エミッタ抵抗器は、４オームという値を持つ。帰還インピーダンスも、コンデンサ１８の作用に必須ではないが、増幅器の利得（とりわけその周波数依存性）を調節するのに役立ち、インピーダンス整合を改善するのに役立つ。或るこれに限定されない例において、帰還インピーダンス１０６、１１６は、各々、１００乃至１００００pFの範囲内のキャパシタンスと、１乃至５０nHの範囲内のインダクタンスと、４００乃至１５００オームの範囲内の抵抗器との直列配置を含む。キャパシタンスは、DC減結合（DC-decoupling）として役立つ。インダクタンスは、高周波で利得を増大させるのに役立つ。同様に、抵抗器は、利得の周波数依存変動を低減させるのに役立つ。

このようにして、一方の共通接点とカスコードトランジスタ１０４、１１４の制御電極との間に結合を付加することによって、差動増幅器の同相除去及び線形性は改善される。

差動増幅器を示す。 周波数の関数として非線形性を示す。

Claims (5)

1. −入力接続部と、
   −各々が入力トランジスタ及びカスコードトランジスタを有する第１及び第２電流分岐であって、前記入力接続部が、前記電流分岐の各々の中の前記入力トランジスタの制御電極に結合され、前記カスコードトランジスタの制御電極が、互いに結合される第１及び第２電流分岐と、
   −共通電流源回路と、
   −各々が、前記電流分岐の関連する１つの前記カスコードトランジスタ及び前記入力トランジスタの主電流チャネルの順次の直列接続を介して前記共通電流源回路に結合される出力接続部と、
   −前記入力トランジスタの前記主電流チャネルの端子の同相電圧変化を前記カスコードトランジスタの前記制御電極における電圧変化に実質的にコピーするよう構成される、前記共通電流源のノード及び前記カスコードトランジスタの前記制御電極の間の高周波結合とを有する増幅回路。
2. 前記カスコードトランジスタの前記制御電極にバイアスをかけるために該カスコードトランジスタの該制御電極に結合されるバイアス回路を有し、前記バイアス回路が、前記高周波結合から該バイアス回路を通る電流の流れを阻止するために高周波電流阻止回路を有することを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
3. 前記高周波結合が、前記入力トランジスタの前記主電流チャネルの前記端子の同相電圧変化が前記カスコードトランジスタの前記制御電極における電圧変化に実質的に結合されるようなキャパシタンス値を持つ、前記共通電流源の前記ノードと、前記カスコードトランジスタの前記制御電極との間に結合されるキャパシタンスを有することを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
4. 請求項１に記載の増幅回路を含む広帯域高周波信号配信システム。
5. 広帯域信号を増幅する方法であって、
   −第１及び第２電流分岐中の入力トランジスタの制御電極に前記広帯域信号を入力するステップであって、各電流分岐が、前記入力トランジスタのうちの１つとカスコードトランジスタとを有し、入力接続部が、前記電流分岐の各々の中の前記入力トランジスタの制御電極に結合され、前記カスコードトランジスタの制御電極が、互いに結合されるステップと、
   −前記電流分岐の関連する１つの前記カスコードトランジスタ及び前記入力トランジスタの主電流チャネルの順次の直列接続を介して共通電流源回路に結合される出力接続部から増幅信号を出力するステップと、
   −少なくとも前記広帯域信号の周波数帯域において、前記入力トランジスタの前記主電流チャネルの端子の同相電圧変化を前記カスコードトランジスタの前記制御電極における電圧変化に実質的にコピーするステップとを有する方法。
   

Images