JP2006254158A - 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、電源端子と接地端子との間の電流を減少させて消費電力を削減し得る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, using a MOS transistor suitable for high integration, the current between the power supply terminal and the ground terminal is reduced by reducing the current between the power supply terminal and the ground terminal while the gain of the decibel display changes linearly with respect to the gain control signal. The present invention relates to a variable gain amplifier that can be reduced.
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、CMOSトランジスタを用いた一般的な利得可変増幅器の構成である。ゲートが入力端子Viを構成しているトランジスタM1のソース端子が第1の可変電流源1と接地用コンデンサ2に接続されている。一方、ゲート端子とドレイン端子がMOSダイオード構造となるように接続されたトランジスタM2のソース端子が、第2の可変電流源3と接地用コンデンサ4に接続されている。また、トランジスタM1のドレイン端子とトランジスタM2のドレイン端子とが接続され、その接続点が出力端子Voとなっている。また、電源端子Vddと出力端子Voとの間には、トランジスタM5が接続され、ゲート端子には適当な定電圧Vbが与えられる。このとき出力端子VoからトランジスタM5をみたインピーダンスは、理想的には無限大である。この種の利得可変増幅器は、たとえば非特許文献1に記載されている。
前述のような構造の利得可変増幅器は、トランジスタM1とトランジスタM2とが並列に接続されているため、電源端子と接地端子との間に多くの電流が流れ、消費電力が大きくなるという問題がある。 The variable gain amplifier having the above-described structure has a problem that a large amount of current flows between the power supply terminal and the ground terminal because the transistor M1 and the transistor M2 are connected in parallel, resulting in an increase in power consumption. .
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、第1のトランジスタと第2のトランジスタのドレイン電流の少なくとも一部を共通化することにより、電源端子と接地端子との間に流れる電流を減少させ、消費電力を削減させた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 to solve such a problem. By sharing at least a part of the drain currents of the first transistor and the second transistor, the power supply terminal and the ground terminal are provided. An object of the present invention is to provide a variable gain amplifier in which a flowing current is reduced and power consumption is reduced.
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1のトランジスタのドレイン電流の一部あるいは全部と、前記第2のトランジスタのドレイン電流の一部あるいは全部が共有されるように前記第1および第2のトランジスタ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 and second transistors, a part or all of the drain current of the first transistor and the drain current of the second transistor The first and second transistors are connected such that part or all of the first and second transistors are shared.
本発明の利得可変増幅器によれば、第1のトランジスタのドレイン電流と第2のトランジスタのドレイン電流の少なくとも一部が共有されているため、電源端子と接地端子間に流れる電流は、共有している電流分減らすことができる。一方、電源端子と接地間の電圧は、電源電圧が同じであるため変らない。その結果、全体の電流が減った分だけ、消費電力を減らすことができる。この電力消費の削減は、携帯電話機などの携帯機器では、とくにその効果が大きい。 According to the variable gain amplifier of the present invention, since at least part of the drain current of the first transistor and the drain current of the second transistor are shared, the current flowing between the power supply terminal and the ground terminal is shared. The current can be reduced. On the other hand, the voltage between the power supply terminal and the ground does not change because the power supply voltage is the same. As a result, power consumption can be reduced by the amount that the total current is reduced. This reduction in power consumption is particularly effective in portable devices such as mobile phones.
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第1のトランジスタM1と、ゲートとドレインが接続され、第1のトランジスタM1の出力負荷として動作する第2のトランジスタM2とを有し、第1のトランジスタM1および第2のトランジスタM2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、第1のトランジスタM1のドレイン電流の一部あるいは全部と、第2のトランジスタM2のドレイン電流の一部あるいは全部が共有されるように第1および第2のトランジスタM1、M2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. The variable gain amplifier according to the present invention includes a first transistor M1 whose source is grounded and having a gate as an input terminal Vi, a gate and a drain connected to each other, as shown in FIG. Gain that changes the gain by controlling the drain currents I i and I j of the first transistor M1 and the second transistor M2. In the variable amplifier, the first and second transistors M1 and M2 are connected so that part or all of the drain current of the first transistor M1 and part or all of the drain current of the second transistor M2 are shared. It is characterized by being.
図1に示される例は、前述の図4で示した回路と同様に、1個の電圧-電流変換用の第1のトランジスタM1とその第1のトランジスタM1の出力負荷用の第2のトランジスタM2とで構成されるシングルエンド増幅器の例が示されている。しかし、図4に示される例では、第1のトランジスタM1と第2のトランジスタM2は共にNMOSで構成され、両トランジスタM1、M2が並列に成るように接続されていたが、本発明では、第1のトランジスタM1がNMOS、第2のトランジスタM2がPMOSで構成され、両者が直列に接続されている。 In the example shown in FIG. 1, like the circuit shown in FIG. 4, the first transistor M1 for voltage-current conversion and the second transistor for output load of the first transistor M1 are used. An example of a single-ended amplifier composed of M2 is shown. However, in the example shown in FIG. 4, the first transistor M1 and the second transistor M2 are both composed of NMOS, and both the transistors M1 and M2 are connected in parallel. The first transistor M1 is composed of NMOS and the second transistor M2 is composed of PMOS, and both are connected in series.
第1のトランジスタM1のゲート端子には入力端子Viが設けられ、ソース端子が第1の可変電流源1と接地用コンデンサ2に接続されている。一方、ゲート端子とドレイン端子とがMOSダイオード構造となるように接続された第2のトランジスタM2のソース端子が、第2の可変電流源3と接地用コンデンサ4に接続され、そのドレイン端子が第1のトランジスタM1のドレイン端子と接続されて、この接続部が出力端子Voになっている。さらに、電源端子Vddと接地端子GNDとの間に、ドレイン端子を共有した第3のトランジスタM3(NMOS)と第4のトランジスタM4(PMOS)が直列に挿入され、そのドレイン共有端子と出力端子Voとが接続されている。
The input terminal Vi is provided at the gate terminal of the first transistor M1, and the source terminal is connected to the first variable
この第3および第4のトランジスタM3、M4のゲートには、それぞれ所定の電圧Vbd、Vbuが印加されるようになっている。この第3および第4のトランジスタM3、M4は、第1のトランジスタM1に流れる電流(第1の可変電流源1に流れる電流)Iiと第2のトランジスタM2に流れる電流(第2の可変電流源3に流れる電流)Ijとの差電流を流すためのもので、たとえばIi>Ijのとき、Vbd端子の電位を下げて第3のトランジスタM3をオフ状態にし、Vbuに適当な電位を与えると第4のトランジスタM4には、Ii−Ijの電流が流れる。また、ii<jのときは逆の操作をする。IiとIjの大きさが逆転することがないときは、第3および第4のトランジスタM3、M4はいずれか片方のみでよい。なお、接地用コンデンサ2、4は、それぞれ第1および第2のトランジスタM1、M2のソースを高周波的に接地している。
Predetermined voltages Vbd and Vbu are applied to the gates of the third and fourth transistors M3 and M4, respectively. The third and fourth transistors M3 and M4 include a current flowing through the first transistor M1 (current flowing through the first variable current source 1) I i and a current flowing through the second transistor M2 (second variable current). intended for flowing differential current between the current) I j flowing through the
この回路で、第1の可変電流源1に流れる電流Iiと第2の可変電流源3に流れる電流Ijを、Ii+Ij=一定に保ちながら変化させることにより、linear-in-dBの特性をもつ指数増幅器を得ることができる。すなわち、このとき、ゲインgainは次式(1)によって表される。
In this circuit, by changing the current I i flowing through the first variable
ここで、gminputは第1のトランジスタM1のトランスコンダクタンスであり、gmloadは、第2のトランジスタM2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1に流れる電流であり、Ijは第2の可変電流源3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 is the transconductance of the first transistor M1, gm load is the transconductance of the second transistor M2, μCox is a process-dependent value, and W / L is the ratio of the gate length to the gate width. is there. 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, Expression (1) becomes Expression (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).
このときの回路の消費電力は、電源電圧をVddとすると、Ii>IjのときはVdd・Iiであり、Ii<IjのときはVdd・Ijとなり、いずれの場合でも、従来のVdd(Ii+Ij)より小さくなる。すなわち、消費電力が大幅に削減されている。 When the power supply voltage is Vdd, the power consumption of the circuit at this time is Vdd · I i when I i > I j , and Vdd · I j when I i <I j . It becomes smaller than the conventional Vdd (I i + I j ). That is, power consumption is greatly reduced.
以上のように、本発明によれば、利得可変増幅器において、第1のトランジスタと第2のトランジスタとを並列ではなく、直列に接続されているため、両トランジスタのコレクタ電流の少なくとも一部は共有され、電源端子と接地端子との間の電流は大幅に削減される。その結果、消費電力を大幅に削減することができ、携帯電話機などの携帯機器に使用する無線端末に用いても、電池の消耗を小さくすることができ、非常に使用勝手がよくなる。 As described above, according to the present invention, in the variable gain amplifier, since the first transistor and the second transistor are connected in series instead of in parallel, at least a part of the collector current of both transistors is shared. Thus, the current between the power supply terminal and the ground terminal is greatly reduced. As a result, power consumption can be greatly reduced, and even when used in a wireless terminal used in a mobile device such as a mobile phone, battery consumption can be reduced, and the usability is very good.
前述の例では、シングルエンドの増幅器の例であったが、差動増幅器でも同様に消費電力を削減することができる。その例が図2に示されている。図2において、差動回路で構成されているため、前述の第1〜第4のトランジスタM1〜M4が全て差動対で示されており、第1のトランジスタが第1の差動対トランジスタM1、M1’で構成され、第2のトランジスタは第2の差動対トランジスタM2、M2’で構成されている。そして、第1の差動対トランジスタM1、M1’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。そして、第1および第2の可変電流源1、3の差電流を流す第3および第4のトランジスタM3、M4に対応するトランジスタM3’、M4’も同様に、電源端子Vddと接地端子GNDとの間に同様の接続で設けられている。なお、第1および第2の可変電流源1、3は、差動対のトランジスタM1、M1’とM2、M2’の接続されたソースにそれぞれ接続され、それぞれのソース端が仮想接地となっているため、接地用コンデンサは不要となっている。動作および動作電流に関しては、前述の図1に示される例と同じであり、その説明を省略する。
In the above example, the example is a single-ended amplifier, but the power consumption can be similarly reduced by using a differential amplifier. An example is shown in FIG. In FIG. 2, since it is configured by a differential circuit, the first to fourth transistors M1 to M4 described above are all shown as differential pairs, and the first transistor is the first differential pair transistor M1. , M1 ′, and the second transistor is composed of a second differential pair transistor M2, M2 ′. The gate terminals of the first differential transistor M1 and M1 'are provided with input terminals Vi + and Vi-, respectively, and the drain terminals are provided with output terminals Vo + and Vo-, respectively. Similarly, the transistors M3 ′ and M4 ′ corresponding to the third and fourth transistors M3 and M4 through which the difference current between the first and second variable
さらに、前述の各例では、第1および第2の可変電流源1、3を共に第1および第2のトランジスタのソース端に設けたが、必ずしもそうする必要はなく、要は第1および第2のトランジスタM1、M2のドレイン電流を所望の値に調整できればよく、配置場所には制約を受けない。たとえば図3に示されるように、第2のトランジスタM2のドレイン側から引き出すように第3の可変電流源5が設けられる配置にしてもよい。この場合、第3の可変電流源5に流れる電流は、第2のトランジスタM2に流れる電流Ijが第1のトランジスタM1に流れる電流Iiより大きい(Ii<Ij)ときは、Ij−Iiになるように調節される。なお、この場合は、第1および第2のトランジスタM1、M2の差電流をこの第3の可変電流源5で引き出せるため、第3および第4のトランジスタは不要となり、また、第2のトランジスタM2のソースは電源で接地されるため、第2のトランジスタM2側の接地用コンデンサ4も不要となる。それ以外は図1に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
Furthermore, in each of the above-described examples, the first and second variable
1 第1の可変電流源
2 接地用コンデンサ
3 第2の可変電流源
4 接地用コンデンサ
5 第3の可変電流源
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Citations (2)
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JPH0685585A (en) * | 1992-08-31 | 1994-03-25 | Sony Corp | Gain control type amplifier circuit |
JP2004104491A (en) * | 2002-09-10 | 2004-04-02 | Renesas Technology Corp | Variable gain amplifier |
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2005
- 2005-03-11 JP JP2005068789A patent/JP2006254158A/en active Pending
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JPH0685585A (en) * | 1992-08-31 | 1994-03-25 | Sony Corp | Gain control type amplifier circuit |
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