JP2006254157A - Variable gain amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体集積回路や高周波集積回路への利用に適した利得可変増幅器に関する。さらに詳しくは、高集積化に適したMOSトランジスタを用いて、利得制御信号に対してデシベル表示の利得が線形に変化しながら、大きな入力信号に対してもゲインの歪みが生じない利得可変増幅器に関する。 The present invention relates to a variable gain amplifier suitable for use in a semiconductor integrated circuit or a high frequency integrated circuit. More specifically, the present invention relates to a variable gain amplifier that uses a MOS transistor suitable for high integration and does not cause gain distortion even for a large input signal while linearly changing a decibel display gain with respect to a gain control signal. .
近年、携帯電話機や携帯情報端末のような無線端末の小型化および低価格化に向けて、システムオンチップLSIの開発が進められている。無線端末の小型化と低価格化の双方の要求を実現する一つの方法として、無線アナログ回路をモノリシックICによって構成することが挙げられる。この場合、小型化と低価格化を考慮すれば、ICを構成する素子にはバイポーラトランジスタでなく、高集積化に、より適したCMOSトランジスタを用いることが一般に好ましい。 In recent years, development of system-on-chip LSIs has been promoted for downsizing and cost reduction of wireless terminals such as mobile phones and portable information terminals. One method for realizing both the miniaturization and cost reduction of wireless terminals is to configure the wireless analog circuit with a monolithic IC. In this case, in consideration of miniaturization and cost reduction, it is generally preferable to use a CMOS transistor more suitable for high integration rather than a bipolar transistor as an element constituting the IC.
無線端末の無線アナログ回路に用いられる機能回路の一つに、利得可変増幅器がある。利得可変増幅器は主に受信機内アナログ回路の最終段でADコンバータの入力レベルが一定になるように信号レベルを調節する。また、利得制御信号に対してデシベル表示の利得が線形に変化する、いわゆるリニア・イン・デシベル(linear-in-dB)の利得制御が可能であることが制御の容易さなどの観点から望ましい。 One of functional circuits used in a wireless analog circuit of a wireless terminal is a variable gain amplifier. The variable gain amplifier mainly adjusts the signal level so that the input level of the AD converter becomes constant at the final stage of the analog circuit in the receiver. In addition, it is desirable from the viewpoint of ease of control and the like that it is possible to perform so-called linear-in-dB gain control in which the decibel display gain changes linearly with respect to the gain control signal.
しかし、linear-in-dB の特性をもつ指数増幅器をバイポーラで実現することは簡単であるが、CMOSで実現するためには工夫が必要になる。たとえば、MOSトランジスタの2乗則を利用して、linear-in-dBの特性を実現する手法が知られている。 However, although it is easy to realize an exponential amplifier having a linear-in-dB characteristic with a bipolar, it is necessary to devise in order to realize it with a CMOS. For example, a technique for realizing linear-in-dB characteristics using the square law of a MOS transistor is known.
図4は、電流を制御することができるMOSトランジスタに出力負荷用のMOSダイオード構造のトランジスタを接続し、差動回路を用いた一般的な利得可変増幅器の構成である。差動対を構成するトランジスタM1、M2と、MOSダイオード構造を構成するトランジスタM3、M4と、電流供給用トランジスタM5、M6と、2つの可変電流源11、12で構成され、差動対トランジスタM1、M2のそれぞれのゲート端子には入力端子Vi+、Vi-が、ドレイン端子には出力端子Vo-、Vo+がそれぞれ設けられている。差動対トランジスタM1、M2およびトランジスタM3、M4は、それぞれがソースカップルされており、トランジスタM3、M4のドレイン端子はそれぞれ差動対トランジスタM1、M2のドレイン端子に接続されている。また、前述のソースカップル接続された差動対トランジスタM1、M2のソース端子には第1の可変電流源11が接続され、同様にソースカップル接続されたトランジスタM3、M4のソース端子には第2の可変電流源12が接続されている。そして、電源端子Vddと差動対トランジスタM1、M2のドレイン端子との間にトランジスタM5、M6が接続されている。トランジスタM5、M6は、ゲート端子同士が接続され、適当な電圧Vbが与えられる端子が設けられており、理想的には無限大のインピーダンスである。このときの回路の出力インピーダンスはトランジスタM3およびM4のインピーダンスで決定される。
ところで、上述した従来の構造の増幅器においては、入力信号を大きくしていくと、トランジスタM3、M4が入力信号の周期のある一部分でゲート・ソース間電圧Vgsがスレッショルド電圧Vthより小さくなって、Vgs<Vthとなり、オフ状態となってしまうところがある。このため、回路の出力インピーダンスが著しく大きくなってしまい、図5に入力に対するゲインの関係例が示されるように、ゲインの著しい歪みが生じてしまう。これは、可変範囲内で最大ゲイン付近に設定したときに起こりやすい傾向がある。このような理由から、大信号入力時においても、一定のゲイン特性が得られる利得可変増幅器が望まれる。 By the way, in the amplifier having the conventional structure described above, when the input signal is increased, the gate-source voltage Vgs becomes smaller than the threshold voltage Vth in a part of the period of the input signal of the transistors M3 and M4. <Vth, and there is a place where it is turned off. For this reason, the output impedance of the circuit is remarkably increased, and significant gain distortion occurs as shown in FIG. This tends to occur when the vicinity of the maximum gain is set within the variable range. For this reason, a variable gain amplifier that can obtain a constant gain characteristic even when a large signal is input is desired.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、大信号入力に対しても、一定のゲイン特性を得ることができる利得可変増幅器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a variable gain amplifier capable of obtaining a constant gain characteristic even for a large signal input.
本発明による利得可変増幅器は、ゲートを入力端子とするソース接地された第1のトランジスタと、ゲートとドレインが接続され、前記第1のトランジスタの出力負荷として動作する第2のトランジスタとを有し、前記第1のトランジスタおよび第2のトランジスタのドレイン電流を制御することによって、利得を変化させる利得可変増幅器において、前記第2のトランジスタに並列にインピーダンス素子が接続されていることを特徴とする。 A variable gain amplifier according to the present invention includes a first source-grounded transistor having a gate as an input terminal, and a second transistor having a gate and a drain connected and operating as an output load of the first transistor. In the variable gain amplifier that changes the gain by controlling the drain currents of the first transistor and the second transistor, an impedance element is connected in parallel to the second transistor.
ここにインピーダンス素子とは、直流電圧に対してインピーダンスを発生させる素子を意味し、たとえば抵抗素子で構成することもできるし、容量素子で構成することもできる。 Here, the impedance element means an element that generates an impedance with respect to a DC voltage, and can be constituted by, for example, a resistance element or a capacitance element.
本発明の利得可変増幅器によれば、出力負荷とする第2のトランジスタと並列に抵抗素子や容量素子のようなインピーダンス素子が並列に接続されているため、第2のトランジスタが入力信号の周期のある一部分でオフ状態となっても、出力インピーダンスはある一定の値以上にはならない。その結果、出力特性に大きなゲインの歪みが発生することがなく、大きな入力信号に対しても、安定したゲインが得られる。 According to the variable gain amplifier of the present invention, since the impedance element such as the resistance element or the capacitance element is connected in parallel with the second transistor serving as the output load, the second transistor has the period of the input signal. Even if it is turned off in a certain part, the output impedance does not exceed a certain value. As a result, a large gain distortion does not occur in the output characteristics, and a stable gain can be obtained even for a large input signal.
つぎに、図面を参照しながら本発明の利得可変増幅器について説明をする。本発明による利得可変増幅器は、図1にその一実施形態の回路例が示されるように、ゲートを入力端子Vi+とするソース接地されたトランジスタM1(第1のトランジスタに相当)と、ゲートとドレインが接続され、トランジスタM1の出力負荷として動作するトランジスタM3(第2のトランジスタに相当)とを有し、トランジスタM1およびトランジスタM3のドレイン電流Ii、Ijを制御することによって、利得を変化させる利得可変増幅器において、トランジスタM3に並列にインピーダンス素子、たとえば抵抗素子RL1が接続されている。すなわち、本発明では、電流制御することができるトランジスタM1に電流制御することができるトランジスタM3が接続され、そのトランジスタM3と並列にインピーダンス素子が接続されていることに特徴がある。 Next, the variable gain amplifier of the present invention will be described with reference to the drawings. A variable gain amplifier according to the present invention includes a source-grounded transistor M1 (corresponding to a first transistor) having a gate as an input terminal Vi +, a gate and a drain, as shown in FIG. And a transistor M3 (corresponding to a second transistor) operating as an output load of the transistor M1, and controlling the drain currents I i and I j of the transistor M1 and the transistor M3 to change the gain In the variable gain amplifier, an impedance element, for example, a resistance element RL1 is connected in parallel with the transistor M3. That is, the present invention is characterized in that a transistor M3 capable of current control is connected to a transistor M1 capable of current control, and an impedance element is connected in parallel with the transistor M3.
図1に示される例は、前述の図4で示した回路と同様の差動増幅器の例が示されており、第1のトランジスタは差動対のトランジスタM1、M2で構成され、ゲートとドレインとが接続された第2のトランジスタはトランジスタM3、M4で構成されている。差動対を構成するトランジスタM1、M2のそれぞれのゲート端子には入力端子Vi+、Vi-が、ドレイン端子には出力端子Vo-、Vo+がそれぞれ設けられると共に、電源端子Vddとの間にトランジスタM5、M6が接続されている。そして、トランジスタM1、M2のソースは結合されて、第1の可変電流源11を介してアースGNDに接続され、トランジスタM1、M2のドレイン電流を制御することができるようになっている。トランジスタM5、M6は、ゲート端子同士が接続され、適当な電圧Vbが与えられる端子が設けられており、理想的には無限大のインピーダンスである。
The example shown in FIG. 1 shows an example of a differential amplifier similar to the circuit shown in FIG. 4, and the first transistor is composed of a differential pair of transistors M1 and M2, and has a gate and a drain. The second transistor connected to is composed of transistors M3 and M4. Input terminals Vi + and Vi- are provided at the gate terminals of the transistors M1 and M2 constituting the differential pair, output terminals Vo- and Vo + are provided at the drain terminals, respectively, and the transistor M5 is provided between the power terminals Vdd and Vdd. , M6 are connected. The sources of the transistors M1 and M2 are combined and connected to the ground GND via the first variable
第2のトランジスタであるトランジスタM3、M4は、それぞれゲートとドレインが接続されてMOSダイオード構造にされ、その接続部がトランジスタM1、M2のドレインにそれぞれ接続されている。このトランジスタM3、M4のソースは結合されて第2の可変電流源12を介してアースGNDに接続され、トランジスタM3、M4の電流を制御することができるようになっている。本発明では、このトランジスタM3、M4のそれぞれと並列にインピーダンス素子、図1に示される例では、抵抗素子RL1、RL2が接続されている。
Transistors M3 and M4, which are the second transistors, are connected to the drains of the transistors M1 and M2, respectively, with the gate and drain connected to form a MOS diode structure. The sources of the transistors M3 and M4 are combined and connected to the ground GND via the second variable
この回路の出力インピーダンスは、トランジスタM5、M6のインピーダンスが理想的な無限大である場合には、トランジスタM3、M4と、抵抗素子RL1、RL2とで決定され、第1および第2の可変電流源11、12の電流をコントロールすることにより、ゲインを変化させることができる。
When the impedances of the transistors M5 and M6 are ideally infinite, the output impedance of this circuit is determined by the transistors M3 and M4 and the resistance elements RL1 and RL2, and the first and second variable current sources. By controlling the
すなわち、このとき、ゲインgainは次式(1)によって表される。 That is, at this time, the gain gain is expressed by the following equation (1).
ここで、gminputは差動対のトランジスタM1、M2のトランスコンダクタンスであり、gmloadは、トランジスタM3、M4のトランスコンダクタンス、μCoxはプロセスに依存する値、W/Lはゲート長とゲート幅の比である。また、Iiは第1の可変電流源11に流れる電流であり、Ijは第2の可変電流源12に流れる電流であり、Ii+Ij=2Ibias=一定にする。Ibiasは直流バイアス電流である。このとき、
Ii=Ibias+Icontrol
Ij=Ibias−Icontrol
の関係式が成り立ち、ゲインは制御電流Icontrolを変化させることにより制御される。また、x=Icontrol/Ibiasとおくと、式(1)は次式(2)となり、linear-in-dBの特性をもつ指数増幅器を実現することができる。
Here, gm input The is a transconductance of the transistors M1, M2 of the differential pair, gm load is the transconductance of the transistors M3, M4, μCox the value depending on the process, W / L is the gate length and gate width Is the ratio. I i is a current flowing through the first variable
I i = I bias + I control
I j = I bias −I control
The gain is controlled by changing the control current I control . Further, when x = I control / I bias is established, Equation (1) becomes Equation (2) below, and an exponential amplifier having a linear-in-dB characteristic can be realized.
ここで、Kは式(3)である。 Here, K is Equation (3).
図3にK=1のときのゲイン可変範囲を示す。理想的な特性に対して、±1dBエラーのときに、−2dB(最小ゲイン;Min Gain)から+7dB(最大ゲイン;Max Gain)の線形なゲイン変化が得られており、可変範囲xは、−0.2≦x≦0.6となっている。 FIG. 3 shows the variable gain range when K = 1. With respect to the ideal characteristics, a linear gain change of −7 dB (minimum gain; Min Gain) to +7 dB (maximum gain; Max Gain) is obtained at the time of ± 1 dB error, and the variable range x is − 0.2 ≦ x ≦ 0.6.
この回路で、抵抗素子RL1およびRL2は、RL1=RL2=一定であるため、大信号が入力したときに、トランジスタM3、M4が入力信号の周期のある一部でオフ状態となっても、出力インピーダンスはある一定値以上にはならない。そのため、図1に示される回路で、入力に対するゲインの出力特性が図2に示されるように、入力が大きくなってもゲインの変動は殆どなく、ゲインの歪みが大幅に改善されている。 In this circuit, since the resistance elements RL1 and RL2 are constant RL1 = RL2 = constant, even if the transistors M3 and M4 are turned off in a part of the cycle of the input signal when a large signal is inputted, The impedance does not exceed a certain value. Therefore, in the circuit shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2 in which the output characteristics of the gain with respect to the input, even when the input is increased, there is almost no gain fluctuation, and the gain distortion is greatly improved.
以上のように、本発明によれば、利得可変増幅器において、大信号が入力した場合でも、出力負荷となるMOSダイオード構造をとるトランジスタの著しい出力インピーダンスの増加を防止することができるため、広い範囲の入力信号に対して、歪みのない安定したゲインの増幅器とすることができ、携帯電話機や携帯情報端末のような無線端末の小型化および低価格を図りながら高性能化することができる。 As described above, according to the present invention, in a variable gain amplifier, even when a large signal is input, a significant increase in output impedance of a transistor having a MOS diode structure serving as an output load can be prevented. Therefore, an amplifier having a stable gain without distortion can be obtained, and high performance can be achieved while reducing the size and cost of a wireless terminal such as a mobile phone or a portable information terminal.
前述の例では、インピーダンス素子として、抵抗素子を用いたが、入力信号により第2のトランジスタのインピーダンスが無限大になるような場合でも、ある一定値のインピーダンスとして動作するものであればよく、容量素子などを用いることもできる。この場合、前述の抵抗素子RL1およびRL2に代えて、キャパシタ(容量素子)を接続すればよい。また、前述の例では、差動増幅器の例であったが、電流制御することができる第1のトランジスタに電流制御することができるMOSダイオード構造としたトランジスタが接続される利得可変増幅器に適用することができ、たとえばシングルエンド構造や第2のトランジスタが第1のトランジスタと直列に接続される構造の増幅器などにも適用することができる。 In the above example, the resistance element is used as the impedance element. However, even if the impedance of the second transistor becomes infinite by the input signal, it may be any element that operates as an impedance of a certain value. An element or the like can also be used. In this case, a capacitor (capacitance element) may be connected instead of the above-described resistance elements RL1 and RL2. In the above example, the differential amplifier is an example. However, the present invention is applied to a variable gain amplifier in which a transistor having a MOS diode structure capable of current control is connected to the first transistor capable of current control. For example, the present invention can also be applied to an amplifier having a single-end structure or a structure in which the second transistor is connected in series with the first transistor.
11 第1の可変電流源
12 第2の可変電流源
11 First variable
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