JP2007150433A

JP2007150433A - 可変利得増幅器およびそれを用いた送受信装置

Info

Publication number: JP2007150433A
Application number: JP2005338805A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Fujiwara; 孝信藤原
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】出力ＤＣオフセット電圧を小さく抑えつつ、ＣＭＦＢの目標値との追従性をあげることの可能な可変利得増幅器を提供することを主要な目的とする。
【解決手段】差動トランジスタ対１０１に供給するバイアス電流をテール電流源ではなく、負荷側の電流源１０２，１０３で制御する。ＣＭＦＢ用トランジスタ１０４をテール電流源にて実施し、ＣＭＦＢ用トランジスタ１０４のトランスコンダクタンスを大きく設計してＣＭＦＢの位相補償を容易にする。その場合でも、負荷インピーダンス、出力オフセット電圧、出力ノイズに悪影響がない。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にアナログベースバンド信号を処理する可変利得増幅器に関するものであり、より特定的には無線通信の周波数変換後のベースバンド回路ブロックに適用されるベースバンドＶＧＡ（Variable Gain Amplifier:可変利得増幅器）に関する。この発明はまたそのような可変利得増幅器を用いた送受信装置に関する。

無線通信において、ＲＦ信号をベースバンド信号帯域に周波数変換した後で、後段のＡＤコンバータ用に信号振幅を調整するために可変利得増幅器（ＶＧＡ）が用いられている。この可変利得増幅器は低周波で用いられ、ブロック間の結合はＤＣ結合となり、コモンモード電圧の安定化が重要な要素技術の１つとなる。

図６に従来の可変利得増幅器の回路図を示す。これは例えば特許文献１にて用いられている、コモンモードフィードバックを有する増幅器の回路図であり、信号電圧を電流に変換する回路である。ソース結合した差動トランジスタ対６０１に可変電流源６０２を接続し、可変電流源６０２の電流を利得制御端子（以下ＡＧＣ端子という）６０９で調整することで、差動トランジスタ対６０１のトランスコンダクタンスを可変としている。差動トランジスタ対６０１のドレイン側には負荷用電流源６０５，６０６がついており、ＣＭＦＢ（コモンモードフィードバック）端子６０７によって出力端子６０３，６０４のコモンモード電圧を一定にしている。差動入力端子６０８から信号電圧が差動で入力される。

特開平０２−２２４５１０号公報

しかしながら、上記従来技術は下記のような問題点を有する。

すなわち、図６を参照して、出力ＤＣオフセット電圧を小さくするためには、負荷用電流源６０５，６０６のマッチングが必要であり、ゲート長を大きく設計する必要がある。しかし、ゲート長を大きくすると負荷用電流源６０５，６０６に用いるトランジスタのトランスコンダクタンスが下がることとなる。すると、ＣＭＦＢ端子６０７から見た利得が小さくなり、コモンモード電圧の目標値との追従性が下がる。

また、ＣＭＦＢ回路は負帰還ループを組んで実現するが、ループ安定化のためにミラー容量による位相補償がよく用いられる。例えば、図６中のＣＭＦＢ端子６０７と負荷用電流源６０５，６０６の間にそれぞれ容量を挿入し、ＣＭＦＢ端子６０７から出力端子６０３，６０４へのゲイン分だけ見かけの容量値を大きくして、ＣＭＦＢループが高周波で発振することを防ぐ。しかし、前述したように負荷用電流源６０５，６０６のトランスコンダクタンスが小さいと、ミラー補償用容量の見かけの増加率が減り、位相補償の効きが劣化する。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、出力ＤＣオフセット電圧を小さく抑えつつ、ＣＭＦＢの目標値との追従性をあげることの可能な可変利得増幅器を提供することにある。

この発明の他の目的は、ＣＭＦＢループの安定性を簡単に実現可能な可変利得増幅器を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、そのような可変利得増幅器を備えた送受信装置を提供することにある。

本発明にかかる可変利得増幅器は、差動電圧入力端子と差動電流出力端子と上記差動電流出力端子のコモンモード電位を調整するためのコモンモードフィードバック（ＣＭＦＢ）端子とを有するトランスコンダクタと、上記差動電流出力端子の二つの端子と電源との間に接続され、ＡＧＣ端子を有し、上記ＡＧＣ端子への制御電圧でバイアス電流を増減することで上記トランスコンダクタの利得を可変とする第１の可変電流源対とを備える。

上述した構成により、上記第１の可変電流源対の上記ＡＧＣ端子から上記差動電流出力端子へのトランスコンダクタンスを小さく設計して出力ＤＣオフセット電圧を小さく抑えることが可能となり、上記ＣＭＦＢ端子から上記差動電流出力端子へのトランスコンダクタンスを大きく設計してＣＭＦＢの目標値への追従性を高め、ＣＭＦＢループを安定にすることが可能となる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記第１の可変電流源対は、第１の可変電流源構成部と第１の定電流源構成部の並列接続にて実現され、上記第１の可変電流源構成部は上記ＡＧＣ端子により上記トランスコンダクタのバイアス電流を増加するように実現される。

上述した構成により、上記可変電流源構成部の電流値をゼロにした場合のバイアス電流が上記定電流源構成部によってのみ決定され、つまり最大利得の限界値を任意に設計可能となる。

上記第１の可変電流源対は、第１の可変電流源構成部と第１の定電流源構成部の並列接続にて実現され、上記第１の可変電流源構成部は上記ＡＧＣ端子により上記トランスコンダクタのバイアス電流を減少するように実現されてもよい。

上述した構成により、上記可変電流源構成部の電流値をゼロにした場合のバイアス電流が上記定電流源構成部によってのみ決定され、つまり最小利得の限界値を任意に設計可能となる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記トランスコンダクタは、上記差動入力端子がゲート端子に接続されて第１のドレイン端子とソース端子を有する第１の差動トランジスタ対を含み、当該可変利得増幅器は、フォールデッドカスコード構成となるように上記第１のドレイン端子に接続され第２のドレイン端子を有する第１のカスコード段と、上記第１のドレイン端子と電源間に接続される定電流源と、上記ソース端子と接地間に接続されて上記第１の可変電流源対により決定されたバイアス電流と等しい電流を流すようにコモンモードフィードバック（ＣＭＦＢ）端子に与えられる電圧で電流量を制御されるテール電流源とをさらに備える。

上述した構成により、上記第１の可変電流源対の電流量と上記トランスコンダクタのトランスコンダクタンスとの関係が単調減少とすることも可能となり、設計の自由度をあげることができる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記第１の可変電流源対として、ソース接地アンプ構成のＭＯＳトランジスタを用いる。

上述した構成により、例えば上記第１の可変電流源対の電流量を増やした場合を考えると、上記トランスコンダクタのトランスコンダクタンスは減少し、更に負荷用のＭＯＳトランジスタのドレイン抵抗も減少することで、利得可変範囲がトランスコンダクタンスと負荷の両方によって制御されることとなり、利得可変範囲が大きくなる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記トランスコンダクタの上記差動電流出力端子に接続された第２のカスコード段と、上記第２のカスコード段の電流出力端子と電源間に接続された第２の定電流源とをさらに備える。

上述した構成では、第２のカスコード段を挿入したことにより、上記第１の可変電流源対と上記トランスコンダクタの接続ノードにおける電圧変動が小さくなり、回路動作中でも上記第１の可変電流源対からの利得制御電流が安定して得ることができる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記差動電流出力端子からコモンモード電圧検出手段と、上記コモンモード検出手段のコモンモード出力電圧と参照電圧を比較して上記電流出力端子のコモンモードが参照電圧と同電位で安定するように上記ＣＭＦＢ端子に信号を与えるＣＭＦＢブロックと、上記差動電流出力端子とＣＭＦＢ端子間に挿入された位相補償手段とをさらに備える。

上述した構成により、上記第１の可変電流源対の上記ＡＧＣ端子からみたトランスコンダクタンスを小さく設計することで、オフセット出力電圧を減らし、負荷インピーダンスを大きくし、負荷によるノイズを減らしながらも、上記ＣＭＦＢ端子から見た上記トランスコンダクタのトランスコンダクタンスは大きく設計することで、上記の位相補償手段を効果的にすることができる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記位相補償手段は、容量と抵抗の直列接続によって構成される。

上述した構成により、上記第１の可変電流源対の上記ＡＧＣ端子からみたトランスコンダクタンスを小さく設計することで、オフセット出力電圧を減らし、負荷インピーダンスを大きくし、負荷によるノイズを減らしながらも、上記ＣＭＦＢ端子から見た第１の電圧電流変換部のトランスコンダクタンスは大きく設計することで、上記の位相補償手段を効果的にすることができる。

この発明の他の局面に従う送受信装置においては、上述の可変利得増幅器が、受信もしくは送信回路に含まれている。

本発明により、可変利得増幅器として負荷インピーダンスを大きくし、負荷電流源のマッチング精度をあげ、ノイズ特性を上げながらも、ＣＭＦＢ用電流源のトランスコンダクタンスを大きくしてＣＭＦＢを安定に実施することができる。

負荷インピーダンスを上げ、出力オフセット電圧を減らし、ノイズ特性を上げながらも、ＣＭＦＢを安定に実施する可変利得増幅器を提供するという目的を、可変電流源を負荷側に用いることで実現した。以下、この発明の実施例を図を用いて説明するが、この発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例にかかる可変利得増幅器の代表的な回路図である。実施例にかかる可変利得増幅器は、信号電圧が差動で入力される差動電圧入力端子１０９と、差動電流出力端子１０６，１０７と、差動電流出力端子１０６，１０７のコモンモード電位を調整するためのコモンモードフィードバック（ＣＭＦＢ）端子１０５とを有するトランスコンダクタ１０１を備え、さらに差動電流出力端子１０６，１０７の二つの端子と電源１１０との間に接続され、ＡＧＣ端子１０８を有し、ＡＧＣ端子１０８への制御電圧でバイアス電流を増減することでトランスコンダクタ１０１の利得を可変とする第１の可変電流源対１０２，１０３とを備える。

この回路図では、ソース結合した差動トランジスタ対１０１のドレイン側に可変電流源１０２，１０３を接続し、ＡＧＣ端子１０８で可変電流源１０２，１０３の電流を調整することで、差動トランジスタ対１０１のトランスコンダクタンスを可変としている。差動トランジスタ対１０１のソース側にはテール電流源１０４がついており、ＣＭＦＢ端子１０５によって出力端子１０６，１０７のコモンモード電圧を一定にしている。

図１と図６を比較参照して、本実施例によれば、ＣＭＦＢを安定に実施する際に有利になる点を説明する。図６記載の従来例ではＣＭＦＢ端子６０７は、負荷側のトランジスタ６０５、６０６のゲートへと入力される。ここで、負荷トランジスタのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）、ドレイン抵抗（Ｒｄ）、出力電流熱雑音（Ｉｄ）、ゲート長（Ｌ）、ゲート幅（Ｗ）、デバイスマッチング精度は下記の関係にあることが一般に知られている。
Ｇｍ ∝ √（Ｗ／Ｌ）
Ｒｄ ∝ １／Ｌ
Ｉｄ＾２ ∝ Ｇｍ

また、マッチング精度はＧｍを下げるほど良くなる。

つまり、負荷インピーダンスを上げ、出力オフセット電圧を減らし、ノイズ特性を上げるためには、Ｌを大きくして、Ｗ／Ｌを小さくするように設計すればよいことが分かる。しかし、図６の回路で上記のＬ，Ｗの設定をするということは、Ｇｍを小さくすることにつながりＣＭＦＢ端子６０７からみたときのＣＭＦＢループの利得が小さくなってしまう。ＣＭＦＢループ利得が小さくなると、ＣＭＦＢの追従精度の劣化と、位相補償の効果が効きづらくなる、という二つの欠点が顕在化してしまう。

一方で、本発明の実施例である図１では、可変電流源１０２，１０３に用いられるトランジスタのＬを大きくしてＷ／Ｌを小さく設定しても、Ｌ，Ｗの設定をしても、ＣＭＦＢ端子１０５はテール電流源１０４に入力されるため、ＣＭＦＢに全く影響を与えない。さらにテール電流源１０４のトランスコンダクタンスを十分に大きくして位相補償を安定に実施しながらも、負荷インピーダンス、出力オフセット電圧、ノイズ特性になんら悪影響を及ぼさない回路構成が可能となる。

図２は、本発明の可変利得増幅器をフォールデッドカスコード構成にした場合の回路図であり、差動入力端子２１２と差動出力端子２１３を有する。この回路図では、ソース結合した差動トランジスタ対２０１のドレイン側にバイアス用電流源２０２，２０３を接続し、更にドレイン端子はカスコード段２０４を介して負荷用の可変電流源対２０５へと接続される。可変電流源対２０５は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ２０６，２０７にて構成されており、ＡＧＣ端子２０８からトランジスタ２０６，２０７の電流を制御して、差動トランジスタ対２０１の電流量を制御し、可変利得を実現している。また出力のコモンモード電圧はＣＭＦＢ端子２０９からテール電流源２１０を制御することで実現する。カスコード段のゲート端子２１１には適切な一定電圧が供給されているとする。

この第２の実施例では、可変利得増幅器としての利得（Ｇ）は、差動トランジスタ対２０１のトランスコンダクタンス（Ｇｍ）、負荷電流源対２０５のドレイン抵抗（Ｒｄ）、負荷電流源対２０５の電流（Ｉｄ）、バイアス電流源２０２，２０３の電流（Ｉｂ）を用いて以下の関係にある。
Ｇｍ ∝ ＳＱＲＴ（Ｉｂ−Ｉｄ）
Ｒｄ ∝ １／Ｉｄ
Ｇ＝Ｇｍ＊Ｒｄ ∝ ＳＱＲＴ（Ｉｂ−Ｉｄ）／Ｉｄ

つまりＩｄと、利得（Ｇ）が、単調減少の関係にある可変利得増幅器を作れることとなる。また、通常であればトランスコンダクタンス（Ｇｍ）分の可変幅しか得られないところが、ＭＯＳトランジスタの負荷を用いたことで、負荷インピーダンスも可変とすることができ、結果として可変幅を更に大きくすることが可能となっている。

図３は、本発明の可変利得増幅器において出力端子と利得可変電流用の電流注入端子をカスコード段で分離した場合の実施例である。この回路図では、上述の構成を有するトランスコンダクタ３０１の出力端子にカスコード段３０２を接続し、カスコード段３０２の出力に負荷用の定電流源対３０３を配置する。トランスコンダクタ３０１とカスコード段３０２の接続ノードには、可変電流源対３０４が接続される。可変電流源対３０４はＡＧＣ端子３０７からの制御電圧にて制御され、トランスコンダクタ３０１のバイアス電流を変化させて可変利得とする。３０５は差動入力端子であり、３０６は差動出力端子である。

通常、可変電流源として用いられるＭＯＳトランジスタでは、ドレイン電流がドレイン−ソース間電位に多少なりは依存してしまうのは避けられないため、回路の動作状態でドレイン電位がふれるとトランスコンダクタのバイアス電流も変動してしまい、可変利得増幅器としての特性に悪影響を及ぼす。しかしながら、この実施例の構成では、カスコード段が挿入されていることで可変電流源対３０３の電流注入ノードの電位が安定して前述した問題を避けることが可能となる。

図４は、本発明の可変利得増幅器にコモンモードフィードバック用の周辺回路を組み合わせた場合の実施例である。この回路図では、図１に記載の可変利得増幅器のコア部４０１と、抵抗分圧によりコモンモードを検出するブロック４０２と、参照電圧端子４０３と検出されたコンモード電位を元にテール電流源４０４のゲート端子を制御するアンプ部４０５から構成される。また、出力端子４０６，４０７とＣＭＦＢ端子４０８の間には位相補償用の容量４０９，４１０と直列接続された抵抗４１１，４１２が挿入されている。

ここでテール電流源４０４の（Ｗ／Ｌ）は可能な限り大きくとり、テール電流源４０４のトランスコンダクタンスを大きく設定していることで、ＣＭＦＢループにおける、ＣＭＦＢ端子４０８から出力端子４０６，４０７への電圧利得が大きくなり、位相補償用の容量４０９，４１０が効果的になり、ＣＭＦＢループを安定させることができる。４１３は差動入力端子であり、４１４はＡＧＣ端子である。

図５に、本特許が提案する増幅器を内蔵した送受信システムのブロック図を示す。無線電波５０７を発振する送信機５０１は、少なくとも送信アンテナ５０３と本発明の増幅器５０５を有し、受信機５０２は、少なくとも受信アンテナ５０４と本発明の増幅器５０６を有する。本構成により、安定したＣＭＦＢと少ない出力ＤＣオフセット電圧をもったベースバンド部を内蔵した送受信システムが実現可能となる。

本発明により、安定したＣＭＦＢと少ない出力ＤＣオフセット電圧をもったベースバンド部を内蔵した送受信システムが実現可能となる。

実施例１にかかる可変利得増幅器の回路図である。実施例２にかかる可変利得増幅器の回路図である。実施例３にかかる可変利得増幅器の回路図である。実施例４にかかる可変利得増幅器の回路図である。実施例５にかかる送受信装置のブロック図である。従来例にかかる可変利得増幅器の回路図である。

符号の説明

１０９、２１２、３０５、４１３、６０８差動入力端子
１０６、２１３、３０６、４０６、４０７、６０３、６０４差動出力端子
４０９、４１０容量
４１１、４１２抵抗
１０２、１０３、６０５、６０６ＰＭＯＳトランジスタ
１０４、２０６、２０７、４０４ＮＭＯＳトランジスタ
１０１、２０１、６０１差動トランジスタ対
２０４、３０２カスコード段
１０５、２０９、４０８、６０７ＣＭＦＢ端子
１０８、２０８、３０７、４１４、６０９ＡＧＣ端子
５０１、５０２送受信装置
５０３、５０４送受信アンテナ
５０５，５０６オフセット除去機能付可変利得増幅器
５０７無線電波

Claims

差動電圧入力端子と差動電流出力端子と前記差動電流出力端子のコモンモード電位を調整するためのコモンモードフィードバック（ＣＭＦＢ）端子とを有するトランスコンダクタと、
前記差動電流出力端子の二つの端子と電源との間に接続され、利得制御（ＡＧＣ）端子を有し、前記ＡＧＣ端子への制御電圧でバイアス電流を増減することで前記トランスコンダクタの利得を可変とする第１の可変電流源対とを備えたことを特徴とする可変利得増幅器。
前記第１の可変電流源対は、第１の可変電流源構成部と第１の定電流源構成部の並列接続にて実現され、
前記第１の可変電流源構成部は前記ＡＧＣ端子により前記トランスコンダクタのバイアス電流を増加するように実現されたことを特徴とする、請求項１に記載の可変利得増幅器。
前記第１の可変電流源対は、第１の可変電流源構成部と第１の定電流源構成部の並列接続にて実現され、
前記第１の可変電流源構成部は前記ＡＧＣ端子により前記トランスコンダクタのバイアス電流を減少するように実現されたことを特徴とする、請求項１に記載の可変利得増幅器。
前記トランスコンダクタは、前記差動入力端子がゲート端子に接続されて第１のドレイン端子とソース端子を有する第１の差動トランジスタ対を含み、
当該可変利得増幅器は、
フォールデッドカスコード構成となるように前記第１のドレイン端子に接続され第２のドレイン端子を有する第１のカスコード段と、
前記第１のドレイン端子と電源間に接続される定電流源と、
前記ソース端子と接地間に接続されて前記第１の可変電流源対により決定されたバイアス電流と等しい電流を流すようにコモンモードフィードバック（ＣＭＦＢ）端子に与えられる電圧で電流量を制御されるテール電流源とをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３に記載の可変利得増幅器。
前記第１の可変電流源対は、ソース接地アンプ構成のＭＯＳトランジスタを用いたことを特徴とする、請求項４に記載の可変利得増幅器。
前記トランスコンダクタの前記差動電流出力端子に接続された第２のカスコード段と、前記第２のカスコード段の電流出力端子と電源間に接続された第２の定電流源とをさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜５に記載の可変利得増幅器。
前記差動電流出力端子からコモンモード出力電圧を検出するコモンモード電圧検出手段と、
前記コモンモード検出手段のコモンモード出力電圧と参照電圧を比較して前記電流出力端子のコモンモードが参照電圧と同電位で安定するように前記ＣＭＦＢ端子に信号を与えるＣＭＦＢブロックと、
前記差動電流出力端子とＣＭＦＢ端子間に挿入された位相補償手段とをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜６に記載の可変利得増幅器。
前記位相補償手段は、容量と抵抗の直列接続によって構成されることを特徴とする、請求項７に記載の可変利得増幅器。
前記請求項１〜８に記載の可変利得増幅器が、受信もしくは送信回路に含まれていることを特徴とする、送受信装置。