JP2006173882A - Wideband offset circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、広帯域の電気信号に対し、所望の直流オフセットをかけるための広帯域オフセット回路に関する。 The present invention relates to a wide band offset circuit for applying a desired DC offset to a wide band electric signal.
例えば、高速デジタルデータ伝送システムやその試験においては、低周波から数十GHzに及ぶ広帯域の電気信号について、信号のレベルシフトすなわち直流バイアスが必要となる。このような場合、通常バイアスTと呼ばれる回路を用いて、高周波の電気信号に対し所望の直流オフセットをかけるようにしている。 For example, in a high-speed digital data transmission system and its test, a signal level shift, that is, a DC bias is required for a wide-band electrical signal ranging from a low frequency to several tens of GHz. In such a case, a circuit called a normal bias T is used to apply a desired DC offset to a high-frequency electric signal.
バイアスTは、図5に示すように、信号経路である入力端子と出力端子間に、コンデンサCが挿入され、直流電圧印加用端子と出力端子間にインダクタンスLが挿入されている。バイアスTを介在させることにより、コンデンサCにより信号の直流電圧は阻止され、出力端子側の直流電圧は直流電圧印加用端子から印加される直流電圧によって決定される。バイアスTは、信号経路が抵抗、コンデンサ、伝送路といった受動素子のみで構成されているので、良好な高周波特性を有する。すなわち、C及びLによって決まるカットオフ周波数より十分高い周波数においては、高周波の信号はほとんど減衰せず出力端子に伝達される。したがって、バイアスTは、半導体素子の動作周波数により高周波信号に制限を受ける半導体素子を用いたバイアス回路より、高周波信号に対して有効であり、帯域が40GHzを超えるものも実用化されている。 As shown in FIG. 5, in the bias T, a capacitor C is inserted between an input terminal and an output terminal which are signal paths, and an inductance L is inserted between a DC voltage application terminal and the output terminal. By interposing the bias T, the DC voltage of the signal is blocked by the capacitor C, and the DC voltage on the output terminal side is determined by the DC voltage applied from the DC voltage application terminal. The bias T has a good high-frequency characteristic because the signal path is composed of only passive elements such as resistors, capacitors, and transmission lines. That is, at a frequency sufficiently higher than the cut-off frequency determined by C and L, a high frequency signal is hardly attenuated and transmitted to the output terminal. Therefore, the bias T is more effective for high-frequency signals than a bias circuit using a semiconductor element that is restricted by a high-frequency signal depending on the operating frequency of the semiconductor element, and a circuit having a band exceeding 40 GHz has been put into practical use.
しかしながら、バイアスTには、次のような問題点がある。
第一は、コンデンサCにより低域がカットされることある。すなわち、カットオフ周波数より低い周波数成分は忠実に伝送できない。したがって、低周期の方形波信号などではサグを生じる。また、高速のデジタルデータ伝送システムにおいては、伝送データが低周期のバースト状信号やランダム信号の場合、バイアスTの通過後の平均レベルがデータ配列(例えば0及び1の数の相違)によって変動し、電圧余裕度の低下やジッタの増加などを招く。
However, the bias T has the following problems.
The first is that the low band is cut by the capacitor C. That is, a frequency component lower than the cutoff frequency cannot be faithfully transmitted. Therefore, a sag occurs in a low-frequency square wave signal or the like. In a high-speed digital data transmission system, when the transmission data is a low-cycle burst signal or a random signal, the average level after passing through the bias T varies depending on the data arrangement (for example, the difference between 0 and 1). This causes a decrease in voltage margin and an increase in jitter.
第二は、低周波における反射特性の悪化である。高周波信号の伝送には通常50Ω系の伝送路が用いられる。ここにバイアスTを挿入した場合、カットオフ周波数より十分高い周波数ではインピーダンスは整合していて反射はほとんどない。しかし入力端子側では、挿入されたコンデンサCによってカットオフ周波数より低い周波数では反射が増大し、直流においては全反射となる。このことは入力端子に接続される回路あるいはデバイスに大きな影響を与える。 The second is deterioration of reflection characteristics at low frequencies. For transmission of high frequency signals, a 50Ω transmission line is usually used. When the bias T is inserted here, the impedance is matched and there is almost no reflection at a frequency sufficiently higher than the cutoff frequency. However, on the input terminal side, reflection increases at a frequency lower than the cut-off frequency by the inserted capacitor C, and total reflection occurs at DC. This greatly affects the circuit or device connected to the input terminal.
例えば50Ωのソースインピーダンスをもち、50Ωで終端して使用することを前提としたデバイスや信号源の場合、カットオフ周波数より十分低い周波数では、反射の増大により高周波の振幅のほぼ2倍の振幅が出る。高速のデジタルデータ伝送システムにおいて低周期の信号やデータの一時停止によって信号振幅が大きく変動するとデバイスの動作点や消費電力が変動し、熱歪み等によってデバイスから出力される信号品質の低下につながる。また多くの高速半導体デバイスは耐圧が低いため全反射によって2倍の振幅が出ることが許容されない場合もある。 For example, in the case of a device or signal source that has a source impedance of 50Ω and is assumed to be terminated and used at 50Ω, at a frequency sufficiently lower than the cut-off frequency, the amplitude of the high frequency is almost twice due to an increase in reflection. Get out. In a high-speed digital data transmission system, if the signal amplitude largely fluctuates due to a low-cycle signal or data pause, the operating point and power consumption of the device fluctuate, leading to deterioration in the signal quality output from the device due to thermal distortion or the like. In addition, since many high-speed semiconductor devices have a low withstand voltage, it may not be allowed to produce a double amplitude due to total reflection.
なお、オフセットを与えることができる広帯域信号結合回路であって、高周波経路と低周波経路とを備えて、直流から高周波まで平坦な伝達特性を得る回路が提案されている(特許文献1参照)が、反射特性の改善によるインピーダンスの整合については、まったく考慮されていない。 A wideband signal coupling circuit capable of providing an offset, which has a high-frequency path and a low-frequency path and has a flat transfer characteristic from direct current to high frequency has been proposed (see Patent Document 1). The impedance matching by improving the reflection characteristics is not considered at all.
本発明の課題は、前記の問題点に鑑み、直流から高周波領域まで、インピーダンス整合を維持しつつ平坦な伝達特性を得ることができる広帯域オフセット回路を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a wide band offset circuit capable of obtaining flat transfer characteristics while maintaining impedance matching from a direct current to a high frequency region.
本発明によれば、信号入力端及び信号出力端間に接続されたコンデンサを含む高周波信号経路と、前記信号入力端に接続された第1のインピーダンス整合回路と、前記信号入力端に入力が接続され所望のオフセットを与える増幅器と該増幅器の出力と前記信号出力端間に接続された第2のインピーダンス整合回路とを含む低周波信号経路とを備えた広帯域オフセット回路が提供される。 According to the present invention, a high-frequency signal path including a capacitor connected between a signal input terminal and a signal output terminal, a first impedance matching circuit connected to the signal input terminal, and an input connected to the signal input terminal There is provided a wide band offset circuit comprising an amplifier for providing a desired offset and a low frequency signal path including an output of the amplifier and a second impedance matching circuit connected between the signal output terminals.
第1及び第2のインピーダンス整合回路は、抵抗とインダクタンスの直列回路から構成されることができ、また、第1のインピーダンス整合回路は、インピーダンス整合回路の他端が終端電圧を決める電圧源に接続されていてもよい。 The first and second impedance matching circuits can be composed of a series circuit of a resistor and an inductance, and the other end of the impedance matching circuit is connected to a voltage source that determines a termination voltage. May be.
さらに、前記所望のオフセットを与える増幅器は、オフセット制御電圧源を有するようにすることもできる。 Furthermore, the amplifier that provides the desired offset may have an offset control voltage source.
したがって、本発明の広帯域オフセット回路によれば、直流から高周波まで、インピーダンス整合を維持しかつ平坦な特性を実現して、任意の直流オフセットを与えることができる。 Therefore, according to the wide-band offset circuit of the present invention, it is possible to provide an arbitrary DC offset while maintaining impedance matching and achieving a flat characteristic from DC to high frequency.
すなわち、直流から高周波まで平坦な伝達特性が得られるため、低周波成分を含む信号でも歪むことなく伝達し、直流のオフセットのみを制御することができる。また、入力端子、出力端子どちらの側から見ても直流から高周波までインピーダンス整合をとることができるので、直流領域から信号振幅が変動することなくデバイスの動作点や消費電力変動に起因する歪みを抑えることができる。さらに、電圧レベルマージンが少なく終端することが必須の条件であるデバイスにも適用できる。 That is, since a flat transfer characteristic from DC to high frequency is obtained, a signal including a low frequency component can be transmitted without being distorted, and only the DC offset can be controlled. In addition, impedance matching can be achieved from DC to high frequency when viewed from either the input terminal or output terminal side, so that distortion due to device operating points and power consumption fluctuations does not change from the DC region. Can be suppressed. Furthermore, the present invention can be applied to a device that requires a termination with a small voltage level margin.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1に、本発明の一実施形態である広帯域オフセット回路1を示す。本実施形態の広帯域オフセット回路1は、その動作説明のために、入力端子50には、外部の信号源31が接続されている。抵抗30は、信号源31のインピーダンスを表わす。また、出力端子60には終端抵抗32が接続されている。本実施形態では、システムの特性インピーダンスを50Ωとし、抵抗30と抵抗32も50Ωとする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a wide
次に、広帯域オフセット回路1の内部構成を説明する。
入力端子50と出力端子60とは特性インピーダンス50Ωの伝送路で接続され、途中にコンデンサ12が挿入されている。コンデンサ12を含む経路は、高周波信号経路となる。
Next, the internal configuration of the wide
The
入力端子50には演算増幅器13の+入力が接続され、演算増幅器13の出力は、インダクタンス15、抵抗14を介して出力端子60に接続されている。演算増幅器13を含む経路は、低周波信号経路となる。
The + input of the
また、演算増幅器13の出力は、抵抗16を介して演算増幅器13の−入力に接続されている。演算増幅器13の−入力には、抵抗17を介してオフセット制御電圧源19が接続されている。オフセット制御電圧源19により回路1に入力された信号に所望の直流オフセットを与えることができる。ここで、オフセット制御電源19は、広帯域オフセット回路1中に配置したが、外部の電源を用いてオフセット電圧を供給制御するように構成してもよい。
The output of the
入力端子50には、さらに抵抗10とインダクタンス11を介して入力終端電圧源20が接続されている。入力終端電圧源20は、各種信号源電圧に対応するように設けられているが、入力終端電圧源20を除いてインダクタンス11が直接GNDに接続することも可能である。入力端子50側からみたときのインピーダンスは、コンデンサ12及び演算増幅器13への入力はハイインピーダンスであるので、直流としての終端抵抗はほぼ抵抗10で決まる。また、出力端子60側からみたときも、演算増幅器13が動作していない状態では、直流としての終端抵抗はほぼ抵抗14で決まる。したがって、本実施形態では、抵抗10、14は50Ωが選択される。抵抗10に接続するインダクタンス11と、抵抗14に接続するインダクタンス15とは、低周波経路の特性を決める要素であり、低周波信号と高周波信号との合成の後に平坦な特性を得るために同じ値にしてある。抵抗10とインダクタンス11は、入力側のインピーダンス整合回路となり、抵抗14とインダクタンス15は、出力側のインピーダンス整合回路となる。
An input
抵抗16と抵抗17は、演算増幅器13の利得を決めるもので、直流における総合利得が1になるように増幅器13の利得を2倍にする値を選択する。抵抗器18は、演算増幅器13の入力容量が高周波信号経路に影響を与えないようにするアイソレーション用の抵抗である。
The
以上のように、本実施形態の広帯域オフセット回路1は、コンデンサ12を含む高周波信号経路と、演算増幅器13を含む低周波信号経路とを備え、演算増幅器13は、−入力に接続されたオフセット制御電圧源19により直流オフセットを与えることができる。したがって、出力端子60から、所望の直流オフセットをもつ、高周波信号と低周波信号との合成信号が出力される。また、抵抗10とインダクタンス11とからなる入力側のインピーダンス整合回路と、抵抗14とインダクタンス15とからなる出力側の整合回路を備えて、入力側及び出力側でインピーダンス整合をとることができる。
As described above, the wide-
次に、本実施形態の広帯域オフセット回路の特性を説明する。
入力端子50の電圧をV1、出力端子60の電圧をV2、演算増幅器13の出力電圧をVop、コンデンサ12の容量をC、インダクタンス15の値をLとする。抵抗14と抵抗32は50Ωであるから、Z1=1/jωC、Z2=50+jωLとおいて、出力端子60にキルヒホッフの電流則を適用すると、
Next, the characteristics of the wide band offset circuit of this embodiment will be described.
The voltage at the
となる。 It becomes.
演算増幅器13の利得は2倍であるので、Vop=2Viとして、式(1)を用いて、伝達特性G=V2/V1を求めると、
Since the gain of the
となる。 It becomes.
次に、信号源31の電圧をVsとすると、インダクタンス11の値はインダクタンス15の値と同じLであるから、Z4=50+jωLとおくと、入力端子50における電流則から、
Next, assuming that the voltage of the
となる。なお、抵抗18を通る枝電流はインピーダンスが高いことから無視している。
It becomes. The branch current passing through the
式(3)のV2に式(2)のV2を代入して、V1について解くと、 Substituting V2 in equation (2) into V2 in equation (3) and solving for V1,
となる。 It becomes.
一般に高周波回路では、回路特性を規定するためにSパラメータが使用される。すなわち、図2(1)に示す2ポート回路で各ポートにおける入射波a1,a2と反射波b1,b2を考えると、その関係が、SパラメータSijを用いて、図2(2)に示す式で表現される。例えば、S11は、ポート2を無反射終端(a2=0)して、ポート1からの入射波が入力したときの反射してくる割合(b1/a1)を表わし、S21は、ポート2を無反射終端(a2=0)して、ポート1からの入射波がポート2に伝達される割合(b2/a1)を表わす。
In general, in a high frequency circuit, an S parameter is used to define circuit characteristics. That is, when the incident waves a1 and a2 and the reflected waves b1 and b2 at each port are considered in the 2-port circuit shown in FIG. 2A, the relationship is expressed by the equation shown in FIG. 2B using the S parameter Sij. It is expressed by For example, S11 represents the ratio (b1 / a1) of reflection when the incident wave from
本実施形態の広帯域バイアス回路1で、Vs=2とすれば、Sパラメータのうち、反射特性を表わすS11と順方向の伝達特性を表わすS21は、次のようにして計算できる。
In the wide-
S11=V1−1 ・・・(5)
S21=V1・G ・・・(6)
信号源31を入力端子50ではなく、出力端子60に接続すれば、同様の手法でS22(ポート2の反射特性)も求めることができる。
S11 = V1-1 (5)
S21 = V1 · G (6)
If the
本実施形態によれば、コンデンサ12によって形成される高周波の信号経路に加えて、低周波信号が通る演算増幅器13を設けた低周波信号経路を設けているので、二つの信号を合成することによって、伝達特性を直流から高周波まで平坦に、つまりSパラメータのS21をほぼ1とすることができる。また、入力端子50、出力端子60にそれぞれ低周波領域でのインピーダンス整合回路を設けているので、入力端子、出力端子どちらの側においてもインピーダンス整合を可能にし、つまり直流から高周波までS11とS22をともにほぼ0とすることができる。
According to this embodiment, in addition to the high-frequency signal path formed by the
以下、伝達特性S21と反射特性S11、S22の具体的な数値を算出して説明する。図3は、コンデンサ13の値を1μファラッド、インダクタンス11、15の値を1μHとして計算したS21の計算結果であり、図4は、図3と同じ数値例で計算した反射特性S11、S22の計算結果である。
Hereinafter, specific numerical values of the transfer characteristic S21 and the reflection characteristics S11 and S22 are calculated and described. FIG. 3 shows the calculation result of S21 calculated with the value of the
図3のグラフは、縦軸に、伝達特性であるS21の絶対値をとり、横軸に周波数10kHzの指数kをとったものである。例えば、k=4では、周波数は10kHzであり、k=7では、周波数は10MHzであり、k=10では、周波数は10GHzである。図から明らかなように、直流から1MHz程度まで、及び100MHz以上の高周波数の領域では、ほぼ|S21(k)|=1を満足し、理想的な伝達特性を示している。10MHz付近で、わずかに1に達していないが、この変動は0.0001=0.01%程度である。
In the graph of FIG. 3, the vertical axis represents the absolute value of S21, which is the transfer characteristic, and the horizontal axis represents the index k of the
図4は、縦軸に、反射特性を表わすS11(k)とS22(k)の絶対値をとり、横軸に、周波数10kHzの指数kをとったものである。|S11(k)|と|S22(k)|は、ほぼ同一の結果となったので、図では1本の曲線で示してある。S22とS11は、直流から100Hz程度まで、及び100MHz以上の高周波では、それぞれの値はほぼ零であり、理想的な反射特性を示している。反射特性は、100Hz〜100MHzに亘ってわずかに大きくなっているが、この変動は、0.05%以下に収まっている。このように、本実施形態の広帯域バイアス回路では、伝達特性及び反射特性において変動があっても0.05%以内に収まっており、実用的にはほぼ満足できるものとなっている。 4, the vertical axis, S11 represents the reflection characteristic (k) and takes the absolute value of the S22 (k), the horizontal axis is obtained by taking the exponent k of the frequency 10 k Hz. Since | S11 (k) | and | S22 (k) | have almost the same results, they are indicated by a single curve in the figure. In S22 and S11, the values are almost zero at a high frequency from DC to about 100 Hz and higher than 100 MHz, indicating ideal reflection characteristics. The reflection characteristic is slightly increased over 100 Hz to 100 MHz, but this variation is within 0.05%. As described above, in the wide-band bias circuit of this embodiment, even if there are fluctuations in the transfer characteristics and the reflection characteristics, they are within 0.05%, which is practically satisfactory.
なお、伝達特性や反射特性に変動があるのは、高周波経路の信号と低周波経路の信号とが合成される周波数領域であるので、高周波経路と低周波経路の周波数のオーバラップを大きくすると、さらにその変動を小さくできる。すなわち、コンデンサ12の容量Cを大きくして高周波経路のカットオフ周波数を低くするか、あるいはインダクタンス15のインダクタンスLを小さくして低周波経路のカットオフ周波数を高くすることにより、伝達特性又は反射特性の誤差を少なくすることが可能である。ただし、低周波経路の特性は演算増幅器の周波数特性によっても支配されるので、低周波経路のカットオフ周波数をあまり高くすると、演算増幅器に入力する高周波信号を正しく処理できないことになりかねない。高価な演算増幅器を使用すると、カットオフ周波数の上昇により入力する高周波信号を処理することが可能な場合もあるが、コストアップとなる。したがって、オーバラップする周波数は、演算増幅器の利得に変化が現れないような領域を選択するのが望ましい。
In addition, since the transfer characteristic and the reflection characteristic vary in the frequency region where the signal of the high frequency path and the signal of the low frequency path are combined, if the overlap of the frequency of the high frequency path and the low frequency path is increased, Furthermore, the fluctuation can be reduced. That is, by increasing the capacitance C of the
以上のとおり、本発明によると、直流から高周波までインピーダンス整合を維持したまま、信号に任意の直流オフセットを与えることができ、さらに直流から高周波まで平坦な伝達特性が得られる。したがって、例えば高速デジタルデータ伝送システムにおけるロジック信号のレベル変換などの回路に適用して顕著な効果を奏する。また、伝送データが低周期のバースト状信号やランダム信号であっても、平均レベルがデータ配列によって変動することや、ジッタの増加を招くことはない。 As described above, according to the present invention, an arbitrary DC offset can be given to a signal while maintaining impedance matching from DC to high frequency, and a flat transfer characteristic from DC to high frequency can be obtained. Therefore, for example, when applied to a circuit such as logic signal level conversion in a high-speed digital data transmission system, a remarkable effect can be obtained. Further, even if the transmission data is a burst signal or a random signal with a low cycle, the average level does not fluctuate depending on the data arrangement or increase in jitter is not caused.
1 広帯域オフセット回路
12 コンデンサ
13 演算増幅器
19 オフセット制御電圧源
20 入力終端電源
10、14 抵抗
11、15 インダクタンス
31 信号源
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記信号入力端に接続された第1のインピーダンス整合回路と、
前記信号入力端に入力が接続され所望のオフセットを与える増幅器と該増幅器の出力と前記信号出力端間に接続された第2のインピーダンス整合回路とを含む低周波信号経路と、
を備えた広帯域オフセット回路。 A high-frequency signal path including a capacitor connected between the signal input terminal and the signal output terminal;
A first impedance matching circuit connected to the signal input end;
A low-frequency signal path including an amplifier having an input connected to the signal input terminal and providing a desired offset, and an output of the amplifier and a second impedance matching circuit connected between the signal output terminals;
Broadband offset circuit with
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