JP2006279745A - Low noise amplifier with variable gain - Google Patents
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Description
本発明は、可変利得低雑音増幅器に係り、特に高周波可変利得低雑音増幅器に関するものである。 The present invention relates to a variable gain low noise amplifier, and more particularly to a high frequency variable gain low noise amplifier.
携帯電話に代表される無線システムの受信機において、アンテナで受信した信号は初段増幅回路によって増幅される。この初段増幅回路は、微弱信号を受信するときには低雑音かつ高利得の特性を有し、大信号を受信するときには低歪みかつ低利得の特性を有することが必要とされる。特に近年の移動体通信では、基地局と移動局との間の距離に応じて、受信電界の特性が大きく変化する。このため受信系には、従来よりも広いダイナミックレンジが必要とされている。また、受信フロントエンド部の増幅回路には、従来よりも厳しい低雑音性が要求されている。 In a receiver of a wireless system typified by a cellular phone, a signal received by an antenna is amplified by a first stage amplifier circuit. The first-stage amplifier circuit is required to have low noise and high gain characteristics when receiving weak signals, and to have low distortion and low gain characteristics when receiving large signals. In particular, in recent mobile communications, the characteristics of the received electric field greatly change according to the distance between the base station and the mobile station. For this reason, the receiving system is required to have a wider dynamic range than before. In addition, the amplifier circuit in the reception front end portion is required to have lower noise characteristics than those in the past.
このような利得可変機能を有する低雑音増幅器の一例として、特許文献1に記載されている可変利得増幅器がある。 As an example of a low noise amplifier having such a variable gain function, there is a variable gain amplifier described in Patent Document 1.
図6は特許文献1に開示された高周波可変利得増幅器の構成図であって、図6では複数段の増幅回路のうちの1段分の増幅回路を示している。 FIG. 6 is a block diagram of the high-frequency variable gain amplifier disclosed in Patent Document 1. FIG. 6 shows an amplifier circuit for one stage among a plurality of stages of amplifier circuits.
図6に示すように、高周波可変利得増幅器は、増幅素子50と、該増幅素子50の信号バイパス回路の開閉を行う電界効果トランジスタ(FET)からなる高周波スイッチ素子56とにより構成されている。
As shown in FIG. 6, the high-frequency variable gain amplifier includes an
増幅素子50と入力ノードP5および出力ノードP6との間には、直流遮断用のコンデンサ57および58がそれぞれ直列に接続されている。
Between the amplifying
増幅素子50は、エミッタ接地接続のバイポーラトランジスタからなり、そのベースには、入力整合回路51を介して入力ノードP5からの高周波信号が供給されると共に、抵抗器52を通して所定のベースバイアス電圧Vbbが供給される。増幅素子50のコレクタは、出力整合回路53を介して出力ノードP6に増幅信号を出力すると共に、インダクタ素子59と容量素子60からなるドレインバイアス供給回路を介して切換スイッチ回路61に接続される。
The amplifying
切換スイッチ回路61は、電源電圧Vccの供給線と接続される第1の入力ノードaと、接地される第2の入力ノードbとを有しており、これらノードa,bの切り換えは、送信電力制御情報または受信信号の信号レベルに応じて動作する外部制御回路20によって行われる。
The
高周波スイッチ素子56には、ディプレション型のFETが用いられており、そのドレインは直流遮断用のコンデンサ54を介して入力ノードP5に接続され、そのソースは増幅素子50のコレクタに接続され、そのゲートは抵抗器55を介してグランドに接続される。
A depletion type FET is used for the high-
このように構成された従来の高周波可変利得増幅器は、外部制御回路20からの制御により、切換スイッチ回路61が第1の入力ノードaと接続されている間は、該切換スイッチ回路61を通して増幅素子50に電源電圧Vccが供給されて、該増幅素子50が動作状態となる。このとき、切換スイッチ回路61を通して印加される電源電圧Vccが、制御信号として高周波スイッチ素子56に供給されて該高周波スイッチ素子56のゲートソース間電圧が小さくなり、該高周波スイッチ素子56がオフ状態となるため、信号バイパス回路の接続が開放状態となる。
The conventional high-frequency variable gain amplifier configured as described above has an amplifying element through the
前記開放状態では、出力ノードP6における出力高周波信号の信号レベルが、増幅素子50の利得分だけ、入力ノードP5における入力高周波信号の信号レベルよりも高い高利得動作モードとなる。逆に、切換スイッチ回路61が第2の入力ノードbに切り換えられた場合には、増幅素子50に電源電圧Vccの供給が断たれるため該増幅素子50の動作が停止すると共に、切換スイッチ回路61を通して接地電位が制御信号として供給されるため、高周波スイッチ素子56がオン状態となり、信号バイパス回路が接続状態となる。
In the open state, the signal level of the output high-frequency signal at the output node P6 is a high gain operation mode that is higher than the signal level of the input high-frequency signal at the input node P5 by the gain of the
前記接続状態では、出力ノードP6における出力高周波信号の信号レベルが、高周波スイッチ素子56の挿入による損失と入力ノードP5におけるインピーダンスの不整合による損失との和の損失分だけ入力ノードP5における入力高周波信号の信号レベルよりも低い、低利得動作モードとなる。
In the connected state, the signal level of the output high-frequency signal at the output node P6 is equal to the sum of the loss due to insertion of the high-
したがって、入力ノードP5に入力される高周波信号の信号レベルが所定のレベルよりも低い場合には高利得動作モードに切り換え、入力ノードP5に入力される高周波信号の信号レベルが所定のレベルよりも高い場合には低利得動作モードに切り換えることにより、ダイナミックレンジが大きい高周波信号に対応できる高周波増幅器を実現することができる。
しかしながら、前記構成からなる従来の可変利得低雑音増幅器は、図6に示すように利得切り換え用手段と外部制御回路とが直接接続されている。そのため、外部制御回路で発生するノイズが直接増幅器に漏洩するという問題がある。 However, in the conventional variable gain low noise amplifier having the above configuration, the gain switching means and the external control circuit are directly connected as shown in FIG. Therefore, there is a problem that noise generated in the external control circuit leaks directly to the amplifier.
本発明は、前記従来の問題を解決し、外部制御回路から漏洩するノイズを抑制し、回路全体の雑音特性を劣化させないようにした可変利得低雑音増幅器を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a variable gain low noise amplifier that solves the above-described conventional problems, suppresses noise leaking from an external control circuit, and does not deteriorate the noise characteristics of the entire circuit.
前記の目的を達成するため、本発明に係る可変利得低雑音増幅器は、増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部制御回路間を接続する配線とを備え、前記配線を、抵抗素子と直列に接続し、かつ容量素子を介して接地して構成したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a variable gain low noise amplifier according to the present invention includes an amplifier circuit, a switch connected in parallel to the amplifier circuit, and a wiring connecting between a control terminal of the switch and an external control circuit. The wiring is configured to be connected in series with a resistance element and grounded through a capacitive element.
また、本発明に係る可変利得低雑音増幅器は、増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部接続回路間を接続するストリップ線路とを備え、前記ストリップ線路を容量素子を介して接地したことを特徴とする。 The variable gain low noise amplifier according to the present invention includes an amplifier circuit, a switch connected in parallel with the amplifier circuit, and a strip line connecting a control terminal of the switch and an external connection circuit, and the strip. The line is grounded through a capacitive element.
また、本発明に係る可変利得低雑音増幅器は、増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部接続回路間に直列に接続されたインダクタ素子とを備え、前記インダクタ素子を容量素子を介して接地したことを特徴とする。 The variable gain low noise amplifier according to the present invention includes an amplifier circuit, a switch connected in parallel with the amplifier circuit, and an inductor element connected in series between the control terminal of the switch and an external connection circuit. The inductor element is grounded through a capacitive element.
本発明に係る可変利得低雑音増幅器によれば、外部制御回路から漏洩するノイズを抑制し、回路全体における雑音特性の劣化を防ぐことができる。 According to the variable gain low noise amplifier according to the present invention, it is possible to suppress noise leaking from the external control circuit and prevent deterioration of noise characteristics in the entire circuit.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態1の高周波可変利得増低雑音増幅器の回路構成図であって、実施形態1に係る高周波可変利得低雑音増幅器は、直流遮断用の入力側コンデンサ11を介して入力端子P1と接続され、かつ直流遮断用の出力側コンデンサ12を介して出力端子P2と接続された増幅回路10と、入力側コンデンサ11と出力側コンデンサ12との間に増幅回路10と並列に接続された信号バイパス回路13と、一端が約3Vの電源電圧Vccを供給する電源端子に接続され、他端が増幅器10の出力端子と出力コンデンサ12との間に接続されたインダクタ素子14とを有している。また前記電源端子には接地されたバイパスコンデンサ15が接続されている。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a high frequency variable gain low noise amplifier according to a first embodiment of the present invention. The high frequency variable gain low noise amplifier according to the first embodiment is input via a DC cut-
前記信号バイパス回路13は、ドレインが入力側コンデンサ11と増幅回路10の入力端子との間に接続され、ソースが直流遮断用のバイパスコンデンサ16を介して増幅器10の出力端子と出力用コンデンサ12との間に接続されたNチャネルFETからなる第1の高周波スイッチ(DCスイッチ)17により構成されている。この高周波スイッチ17は、ゲートが直列の抵抗素子19を介して外部制御回路20に接続され、容量素子18を介して接地されている。
The
図2は実施形態1における増幅回路10の回路構成図である。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the
図2に示すように、エミッタが接地され、ベースが前記入力側コンデンサ11からの入力信号を受ける入力端子P3に接続され、コレクタが前記出力コンデンサ12に出力信号を送る出力端子P4に接続され、高周波可変利得増幅器に入力される高周波信号増幅用の第1のバイポーラトランジスタ21を有する。
As shown in FIG. 2, the emitter is grounded, the base is connected to an input terminal P3 that receives an input signal from the
第1のバイポーラトランジスタ21のベースは、互いに直列に接続された第1の抵抗器22Aおよび第2の抵抗器22Bを介して、第2のバイポーラトランジスタ23のベースに接続されている。
The base of the first bipolar transistor 21 is connected to the base of the second
第2のバイポーラトランジスタ23のエミッタは接地されており、そのコレクタとエミッタの間には、バイパスコンデンサ24が接続されている。また、第2のバイポーラトランジスタ23のコレクタは、第3のバイポーラトランジスタ25のベースに接続されていると共に、互いに直列に接続された第3の抵抗器26、および、例えばPチャネルFETからなる第2の高周波スイッチ(DCスイッチ)27を介して電源端子P6に接続されている。
The emitter of the second
第3のバイポーラトランジスタ25のコレクタは電源端子P6に接続され、そのエミッタは第1の抵抗器22Aおよび第2の抵抗器22Bの共通接続部に接続され、ベースは第2のバイポーラトランジスタ23のコレクタに接続されている。
The collector of the third
以下、前記のように構成された実施形態1の高周波可変利得低雑音増幅器の動作について、図1および図2を参照にしながら説明する。 The operation of the high frequency variable gain low noise amplifier of the first embodiment configured as described above will be described below with reference to FIGS.
まず、入力される高周波信号の受信レベルが所定の値よりも低い場合には、高利得動作モードとなる。すなわち、図1に示す外部利得制御回路の電圧値がほぼ0Vになる。さらに、図2に示す増幅回路10において、第2のDCスイッチ27がオフ状態になるため、第1のバイポーラトランジスタ21のベースバイアス電圧は約0.7Vになる。したがって、増幅回路10はオン状態になり、一方、第1のDCスイッチ17はゲートとバックゲートとの電圧がほぼ0Vとなってオフ状態となる。
First, when the reception level of the input high frequency signal is lower than a predetermined value, the high gain operation mode is set. That is, the voltage value of the external gain control circuit shown in FIG. Further, in the
次に、入力される高周波信号の受信レベルが所定の値よりも高い場合には、例えば増幅回路10が飽和状態となることを抑えるために、低利得動作モードとなる。すなわち、図1に示す外部制御回路の電圧値が電源電圧Vccとなる。さらに図2に示す増幅回路10において、第1のDCスイッチ17がオン状態で且つ第2のDCスイッチ27がオフ状態となるため、第1のバイポーラトランジスタ21のベースバイアス電圧はほぼ0Vとなる。したがって、増幅回路10はオフ状態になり、一方、第1のDCスイッチ17は、そのゲートとバックゲートとの間の電圧が約Vccとなってオン状態となる。
Next, when the reception level of the input high-frequency signal is higher than a predetermined value, for example, in order to prevent the
前記のように外部制御回路20とDCスイッチ17,27間に抵抗素子19,29を直列に接続し、容量素子18,28を介して接地することにより、外部制御回路20から漏洩するノイズがカットされ、高周波信号線への漏洩を低減させることができる。その結果、外部制御回路20と接続されたDCスイッチ17,27による回路全体の雑音抵抗の劣化を低減することができる。
As described above, by connecting the
図3は実施形態1に係る高周波可変利得増幅器に用いられる増幅回路の変形例の回路構成図である。図3において、図2に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a modification of the amplifier circuit used in the high-frequency variable gain amplifier according to the first embodiment. In FIG. 3, the same components as those shown in FIG.
本変形例に係る増幅回路は、入力される高周波信号の増幅素子が、カスコード接続されていることを特徴とする。すなわち、エミッタが接地された第1のバイポーラトランジスタ21と、エミッタが第1のバイポーラトランジスタ21のコレクタと接続され、ベースが高周波的に接地され、コレクタが出力端子P4と接続された第4のバイポーラトランジスタ30が接続されている。
The amplifying circuit according to this modification is characterized in that an amplifying element for an input high-frequency signal is cascode-connected. That is, a first bipolar transistor 21 whose emitter is grounded, a fourth bipolar transistor whose emitter is connected to the collector of the first bipolar transistor 21, whose base is grounded in terms of high frequency, and whose collector is connected to the output terminal P4.
第4のバイポーラトランジスタ30のベースは、第5のバイポーラトランジスタ31のエミッタと接続され、かつ第2のバイパスコンデンサ32を介して接地されている。
The base of the fourth
第5のバイポーラトランジスタ31は、コレクタが電源端子i接続され、ベースが互いに直列に接続された第4の抵抗器33および第5の抵抗器34の間に接続されている。
The fifth
第4の抵抗器33で第5の抵抗器34との共通接続部の反対側の端子は第3のDCスイッチ35を介して電源端子に接続されている。
A terminal of the
第5の抵抗器34における第4の抵抗器33との共通接続部との反対側の端子は、第6のバイポーラトランジスタ37のコレクタと接続されている。
A terminal of the
第6のバイポーラトランジスタ37は、コレクタとベースが互いに接続され、かつ該ベースが第7のバイポーラトランジスタ38のベースと接続されエミッタが第6の抵抗器36を介して接地されている。
In the sixth
また、第6のバイポーラトランジスタ37のコレクタは、互いに並列に接続された第3のバイパスコンデンサ40により接地されている。また図中の41は容量素子、42は抵抗素子である。
The collector of the sixth
以下、前記のように構成された図3に示す増幅回路の動作について説明する。 The operation of the amplifier circuit configured as described above and shown in FIG. 3 will be described below.
図1に示す外部制御回路の制御信号の電位がほぼ0Vとなり、図3に示す増幅回路において、第2のDCスイッチ27および第3のDCスイッチ35がオン状態となる。
The potential of the control signal of the external control circuit shown in FIG. 1 becomes almost 0 V, and the
第4のバイポーラトランジスタ30のベースバイアス電圧Vbは、第4の抵抗器33,第5の抵抗器34,第6の抵抗器36の各抵抗値を、それぞれR4,R5,R6とすると、以下の式(1)で与えられる。
Vb=(Vcc―0.7)(R5+R6)/(R4+R5+R6)・・・(1)
これにより、実施形態1と同様に、図1に示す増幅回路10はオン状態となり、信号バイパス回路13の第1のDCスイッチ17はオフ状態となる。
The base bias voltage Vb of the fourth
Vb = (Vcc−0.7) (R5 + R6) / (R4 + R5 + R6) (1)
As a result, as in the first embodiment, the
次に、低利得動作モードでは、図1に示す外部制御回路の制御端子の電圧値がVccとなる。さらに、図3に示す増幅回路において、第2のDCスイッチ27および第3のDCスイッチ35がオフ状態となる。このため、第4のバイポーラトランジスタ30のベースバイアス電圧Vbは、ほぼ0Vとなる。
Next, in the low gain operation mode, the voltage value of the control terminal of the external control circuit shown in FIG. 1 becomes Vcc. Further, in the amplifier circuit shown in FIG. 3, the
また、実施形態1と同様に、DCスイッチ27が閉じたことにより第1のバイポーラトランジスタ21のベース電圧がほぼ0Vとなるため、増幅回路はオフ状態となる。一方、高周波スイッチ素子17は、そのゲートとバックゲートとの間の電圧が約Vccとなってオン状態となる。
Similarly to the first embodiment, since the base voltage of the first bipolar transistor 21 becomes almost 0 V when the
前述した実施の形態1においては、低利得動作モードの場合にも、第1のバイポーラトランジスタ21のコレクタに対して、図1に示す電源端子から電源電圧Vccが供給されている。このため、入力端子P1に電界信号が入力された場合に、第1のバイポーラトランジスタ21のベースからエミッタにDC電流が流れると、該第1のバイポーラトランジスタ21のコレクタからエミッタにも電流が流れてしまう。その結果、第1のバイポーラトランジスタ21により歪んだ信号が出力端子P2に出力されてしまう。 In the first embodiment described above, the power supply voltage Vcc is supplied from the power supply terminal shown in FIG. 1 to the collector of the first bipolar transistor 21 even in the low gain operation mode. Therefore, when an electric field signal is input to the input terminal P1, if a DC current flows from the base of the first bipolar transistor 21 to the emitter, a current also flows from the collector to the emitter of the first bipolar transistor 21. End up. As a result, a signal distorted by the first bipolar transistor 21 is output to the output terminal P2.
しかしながら、前記変形例に係る増幅回路は、第1のバイポーラトランジスタ21および第4のバイポーラトランジスタ30とからなるカスコードアンプ構成とし、さらに低利得動作モード時に、第4のバイポーラトランジスタ30のベースバイアス電圧Vbをほぼ0Vとすることにより、入力端子P1に強電界信号が入力された場合における第1のバイポーラトランジスタ21および第4のバイポーラトランジスタ30に流れる電流を低減し、出力端子P2に出力される歪み信号の出力レベルを低減することができる。
However, the amplifier circuit according to the modified example has a cascode amplifier configuration including the first bipolar transistor 21 and the fourth
図4は本発明の実施形態2である高周波可変利得低雑音増幅器の回路構成図であって、図1に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a high-frequency variable gain low noise amplifier according to the second embodiment of the present invention. The same components as those shown in FIG.
図4に示すように、実施形態2の高周波可変利得低雑音増幅器は、信号バイパス回路13におけるDCスイッチ17のゲートと、外部制御回路20とがストリップ線路43を介して直列に接続され、容量素子18を介して接地されていることを特徴とする。なお、増幅回路10には、図2に示す増幅回路または図3に示す増幅回路を用いる。
As shown in FIG. 4, in the high frequency variable gain low noise amplifier of the second embodiment, the gate of the
実施形態2のように、外部制御回路20とDCスイッチ17間にストリップ線路43を直列に接続し、かつ容量素子18を介して接地することにより、外部制御回路20から漏洩するノイズがカットされ、高周波信号線への漏洩を低減することができる。その結果、外部制御回路20と接続された高周波スイッチ17による回路全体の雑音抵抗の劣化を低減することができる。
As in the second embodiment, by connecting the strip line 43 in series between the
また、ストリップ線路43に代えてコプレーナ線路を用いてもよい。 Further, a coplanar line may be used in place of the strip line 43.
図5は本発明の実施形態3である高周波可変利得低雑音増幅器の回路構成図であって、図1に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 5 is a circuit configuration diagram of the high-frequency variable gain low noise amplifier according to the third embodiment of the present invention. The same components as those shown in FIG.
図5に示すように、実施形態3の高周波可変利得増幅器は、図1の信号バイパス回路13におけるDCスイッチ17のゲートと外部制御回路20とがインダクタ素子44を介して直列に接続され、容量素子18を介して接地されている。なお、増幅回路10には、図2に示す増幅回路または図3に示す増幅回路を用いる。
As shown in FIG. 5, the high-frequency variable gain amplifier according to the third embodiment is configured such that the gate of the
前記のように外部制御回路20と高周波スイッチ17間にインダクタ素子44を直列に接続し、容量素子18を介して接地することにより、外部制御回路20から漏洩するノイズがカットされ、高周波信号線への漏洩を低減することができる。その結果、外部制御回路20と接続された高周波スイッチ17による回路全体の雑音抵抗の劣化を低減することができる。なお、増幅回路10には、図2に示す増幅回路または図3に示す増幅回路を用いる。
As described above, the
本発明は、携帯電話などの無線回路などに用いられる高周波可変利得低雑音増幅器に適用され、特に外部ロジック回路信号による利得切り換え機能を備えた可変利得低雑音増幅器に有効である。 The present invention is applied to a high-frequency variable gain low noise amplifier used in a radio circuit such as a mobile phone, and is particularly effective for a variable gain low noise amplifier having a gain switching function by an external logic circuit signal.
10 増幅回路
11 入力側コンデンサ
12 出力側コンデンサ
13 信号バイパス回路
14 インダクタ素子
15 バイパスコンデンサ
16 直流遮断用コンデンサ
17 高周波スイッチ
18 容量素子
19 抵抗素子
20 外部制御回路
21 第1のバイポーラトランジスタ
22A 第1の抵抗器
22B 第2の抵抗器
23 第2のバイポーラトランジスタ
24 バイパスコンデンサ
25 第3のバイポーラトランジスタ
26 第3の抵抗素子
27 高周波スイッチ
28 容量素子
29 抵抗素子
30 第4のバイポーラトランジスタ
31 第5のバイポーラトランジスタ
32 第2のバイパスコンデンサ
33 第4の抵抗器
34 第5の抵抗器
35 高周波スイッチ
36 第6の抵抗器
37 第6のバイポーラトランジスタ
38 第7のバイポーラトランジスタ
39 第7の抵抗素子
40 第3のバイパスコンデンサ
41 容量素子
42 抵抗素子
43 ストリップ線路
44 インダクタ素子
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