JP2007174029A - 利得可変回路及びそれを用いた自動利得制御増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】縦積みのトランジスタ数を削減し、電源電圧を低減する。
【解決手段】利得可変回路は、電源端子VDと出力端子OUTBとの間に接続された負荷抵抗21と、電源端子VDと出力端子OUTとの間に接続された負荷抵抗22と、出力端子OUTB,OUTと第1のノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の利得可変電圧の差に応じて出力端子OUTB,OUTの出力電圧の利得を変えるFET31,32からなる第1の差動回路と、出力端子OUTB,OUTの出力電圧と第2のノードとの間に接続され、第1及び第2の利得可変電圧の差に応じて出力端子OUTB,OUTの出力電圧の利得を変えるFET33,34からなる第2の差動回路と、第1及び第2のノードとグランドGNDとの間に接続され、相補的な第1及び第2の入力電圧の差に応じて出力端子OUTB,OUTの出力電圧を増幅するFET35,36からなる増幅用ソース接地回路とにより構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、差動信号に対して低電圧で動作可能な利得可変回路と、それを用いた自動利得制御増幅器(以下「AGCアンプ」という。)に関するものである。
従来、利得可変回路に関する技術としては、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。
M. Moller, H.-M. Rein and H. Wernz, "13 Gb/s Si-Bipolar AGC Amplifier IC with High Gain and Wide Dynamic Range for Optical-Fiber Receivers", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL 29, No. 7, JULY 1994, p815-p822 特開平9−18329号公報
非特許文献1の第817頁の図2(a)には、バイポーラトランジスタで構成された利得可変回路の回路図が記載され、この利得可変回路を用いたAGCアンプの回路図が、同文献1の第816頁の図1に記載されている。
又、特許文献1の図3には、非特許文献1の利得可変回路と同一の回路構成の電界効果トランジスタ(以下「FET」という。)を用いたギルバート型マルチプライヤ(2重平衡型差動増幅回路)の回路構成図が記載されている。このマルチプライヤは、2つのアナログ信号を取り入れてこれらの積に比例する出力信号を出力回路であり、利得可変回路とは用途が異なる。
図4は、従来の利得可変回路を示す回路図である。
この利得可変回路は、非特許文献1に記載されたバイポーラトランジスタで構成される利得可変回路を、説明の簡略化のためにFETで置き換えた回路である。
図4の利得可変回路は、正相信号入力端子IN、逆相信号入力端子INB、正相信号出力端子OUT、逆相信号出力端子OUTB、利得可変端子VGC1,VGC2、及び電源端子VDを有し、これらの端子間に、2つの負荷抵抗1,2と7つのFET11〜17が接続されている。
負荷抵抗1,2の一方の端子は、電源端子VDに接続されている。負荷抵抗1の他方の端子とFET11,13のドレインは、出力端子OUTBに接続され、負荷抵抗2の他方の端子とFET12,14のドレインが、出力端子OUTに接続されている。FET11,14のゲートは、利得可変端子VGC1に接続され、FET12,13のゲートが利得可変端子VGC2に接続されている。FET11,12のソースは、FET15のドレインに接続され、FET13,14のソースがFET16のドレインに接続されている。FET15のゲートは、入力端子INに接続され、FET16のゲートが入力端子INBに接続されている。FET15,16のソースは、FET17のドレインに接続され、このFET17のゲート及びソースがグランドGNDに接続されている。
この利得可変回路は、FET17により定電流源が構成され、FET15及び16により信号増幅用差動回路が構成され、FET11〜14により利得可変用差動回路が構成されている。
このような回路構成において、FET15及び16は同じ特性を持ち、各FET11,12,13,14も同じ特性を持つものとする。ここで、正相信号入力端子INに印加される入力信号電圧をvinとし、逆相信号入力端子INBに印加される入力信号電圧を-vinとし、利得可変端子VGC1及びVGC2に印加される利得可変電圧の差をvgcとする。FET17のドレインに流れる定電流をiとし、負荷抵抗1及び2の抵抗値をrとし、FET15及び16の相互コンダクタンスのドレイン電流依存性をA1とし、各FET11,12,13,14の相互コンダクタンスのドレイン電流依存性をA2とする。
FET15のドレイン電流I15は、
I15 = i・[1 + A1・{vin - (-vin)}/2)/2
= i・(1 + A1・vin)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
となり、FET16のドレイン電流I16は、
I16 = i・[1 + A1・{(-vin) - vin}/2)/2
= i・(1 - A1・vin)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
となる。FET11のドレイン電流I11は、
I11 = I15・(1 + A2・vgc/2)/2
= i・(1 + A1・vin)・(1 + A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・・(3)
となり、FET12のドレイン電流I12は、
I12 = I15・(1 - A2・vgc/2)/2
= i・(1 + A1・vin)・(1 - A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・・(4)
となる。FET13のドレイン電流I13は、
I13 = I16・(1 - A2・vgc/2)/2
= i・(1 - A1・vin)・(1 - A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・・(5)
となり、FET14のドレイン電流I14は、
I14 = I16・(1 + A2・vgc/2)/2
= i・(1 - A1・vin)・(1 + A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・・(6)
となる。又、負荷抵抗1に流れる電流I1は、FET11のドレイン電流I11とFET13のドレイン電流I13の和であり、その値は(3)式と(5)式より、
I1 = I11 + I13
= i・(1 + A1・A2・vin・vgc/2)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)
となる。負荷抵抗2に流れる電流I2は、FET12のドレイン電流I12とFET14のドレイン電流I14の和であり、その値は(4)式と(6)式より、
I2 = I12 + I14
= i・(1 - A1・A2・vin・vgc/2)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)
となる。従って、正相信号出力端子OUTから出力される出力信号電圧voutのvgc=0の時からの変化分を△voutとすると、△voutは、
△vout = r・A1・A2・vin・vgc/4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)
となる。逆相信号出力端子OUTBから出力される出力信号電圧voutbのvgc=0の時からの変化分を△voutbとすると、△voutbは、
△voutb = - r・A1・A2・vin・vgc/4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(10)
となる。
このように、上記構成の回路は、利得可変端子VGC1及びVGC2に印加される電圧の差vgcにより利得が可変される利得可変回路として動作する。又、定電流源用のFET17が設けられているので、例えば、逆相信号入力端子INBに印加される入力信号電圧-vinを固定電圧にし、正相信号入力端子INに印加される入力信号電圧vinを可変電圧にしても、FET15,16からなる信号増幅用差動回路のシングルバランス変換機能が働いて安定した線形出力電圧が得られるという利点がある。
しかしながら、従来の利得可変回路は、定電流源用のFET17、信号増幅用差動回路のFET15,16及び利得可変用差動回路のFET11〜14の縦積み3段と、負荷抵抗1,2とで構成されているため、素子数が多く、又、FETが動作するために必要なドレイン−ソース間電圧をVdsとし、負荷抵抗1,2に掛かる電圧をVrとすると、必要とされる最小電源電圧Vminは、
Vmin = 3・Vds + Vr
となり、これよりも電源電圧を下げることが難しいという問題があった。
特に、利得可変回路は、AGCアンプ等の種々の集積回路を構成する際に使用されるが、前記の問題のため、集積回路に対する電源電圧の低減や構成素子数の削減を図る上で大きな障害になっており、これを解決することが困難であった。
本発明の利得可変回路では、第1の電源電圧ノードと第1の出力信号を出力する第1の出力端子との間に接続された第1の負荷手段と、前記第1の電源電圧ノードと前記第1の出力信号とは逆相の第2の出力信号を出力する第2の出力端子との間に接続された第2の負荷手段と、前記第1及び第2の出力端子と第1のノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の利得可変信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号の利得を変える第1の差動回路と、前記第1及び第2の出力端子と第2のノードとの間に接続され、前記第1及び第2の利得可変信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号の利得を変える第2の差動回路と、前記第1及び第2のノードと第2の電源電圧ノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の入力信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号を増幅する増幅回路とを有している。
本発明のAGCアンプでは、前記利得可変回路と、前記利得可変回路の前記第1及び第2の出力信号を差動増幅して相補的な第3及び第4の出力信号を出力する1段又は複数段の差動増幅回路と、前記第3及び第4の出力信号の変動量を前記第1及び第2の利得可変信号として前記利得可変回路に帰還入力する帰還回路とを有している。
本発明の利得可変回路によれば、第1、第2の差動回路と増幅回路との縦積みの素子数を削減でき、これによって電源電圧を低減できる。
本発明のAGCアンプによれば、前記利得可変回路を設けているので、AGCアンプ全体の電源電圧を低減できる。そのため、AGCアンプ全体の低電圧動作による低消費電力化が可能で、素子数の削減による回路の小型化が可能になる。
可変利得回路は、第1の電源電圧ノードと第1の出力信号を出力する第1の出力端子との間に接続された第1の負荷抵抗と、前記第1の電源電圧ノードと前記第1の出力信号とは逆相の第2の出力信号を出力する第2の出力端子との間に接続された第2の負荷抵抗と、前記第1及び第2の出力端子と第1のノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の利得可変信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号の利得を変える第1の差動回路と、前記第1及び第2の出力端子と第2のノードとの間に接続され、前記第1及び第2の利得可変信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号の利得を変える第2の差動回路と、前記第1及び第2のノードと第2の電源電圧ノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の入力信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号を増幅する増幅回路とを有している。
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1を示す利得可変回路の回路図である。
この利得可変回路は、正相信号入力端子IN、逆相信号入力端子INB、第2の出力端子(例えば、正相信号出力端子)OUT、第1の出力端子(例えば、逆相信号出力端子)OUTB、利得可変端子VGC1,VGC2、及び第1の電源電圧ノード(例えば、電源端子)VDを有し、これらの端子間に、第1、第2の負荷手段(例えば、負荷抵抗)21,22と、第1、第2のトランジスタ(例えば、FET)31,32からなる利得可変用の第1の差動回路と、第3、第4のトランジスタ(例えば、FET)35,36からなる利得可変用の第2の差動回路と、第5、第6のトランジスタ(例えば、FET)35,36からなる増幅回路(例えば、信号増幅用ソース接地回路)とが接続されている。本実施例1では、従来の信号増幅用差動回路に代えて、信号増幅用ソース接地回路を設けることにより、FETの縦積み段数を2段にして素子数の削減と電源電圧の低減を実現している。
負荷抵抗21,22の一方の端子は電源端子VDに接続され、負荷抵抗21の他方の端子が、FET31,33のドレイン及び出力端子OUTBに接続されている。負荷抵抗22の他方の端子は、FET32,34のドレイン及び出力端子OUTに接続されている。FET31,34のゲートは、可変利得端子VGC1に接続され、FET32,33のゲートが、可変利得端子VGC2に接続されている。FET31,32のソース側の第1のノードは、FET35のドレインに接続され、FET33,34のソース側の第2のノードが、FET36のドレインに接続されている。FET35のゲートは入力端子INに接続され、FET36のゲートが入力端子INBに接続されている。FET35,36のソースは、第2の電源電圧ノード(グランドGND)に接続されている。
(実施例1の動作)
図1の回路構成において、FET35及び36は同じ特性を持ち、各FET31,32,33,34も同じ特性を持つものとする。ここで、正相信号入力端子INに印加される第1の入力信号(例えば、入力信号電圧)をvinとし、逆相信号入力端子INBに印加される第2の入力信号(例えば、入力信号電圧)を-vinとし、利得可変端子VGC1及びVGC2に印加される第1、第2の利得可変信号(例えば、利得可変電圧)vgc1,vgc2の差をvgcとする。vin=-vin=0の時のFET35及びT36のドレイン電流をi/2とし、各負荷抵抗21,22の抵抗値をrとし、FET35及び36の相互コンダクタンスのドレイン電流依存性をA1とし、各FET31,32,33,34の相互コンダクタンスのドレイン電流依存性をA2とする。
FET35のドレイン電流I35は、
I35 = i・(1 + A1・vin)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(11)
となり、FET36のドレイン電流I36は、
I35 = i・{1 + A1・(-vin)}/2
= i・(1 - A1・vin)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(12)
となる。FET31のドレイン電流I31は、
I31 = I35・(1 + A2・vgc/2)/2
= i・(1 + A1・vin)・(1 + A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・(13)
となり、FET32のドレイン電流I32は、
I32 = I35・(1 - A2・vgc/2)/2
= i・(1 + A1・vin)・(1 - A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・(14)
となる。FET33のドレイン電流I33は、
I33 = I36・(1 - A2・vgc/2)/2
= i・(1 - A1・vin)・(1 - A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・(15)
となり、FET34のドレイン電流I34は、
I34 = I36・(1 + A2・vgc/2)/2
= i・(1 - A1・vin)・(1 + A2・vgc/2)/4 ・・・・・・・・・・・・・・(16)
となる。又、負荷抵抗21に流れる電流I21は、FET31のドレイン電流I31とFET33のドレイン電流I33の和であり、その値は(13)式と(15)式より、
I21 = I31 + I33
= i・(1 + A1・A2・vin・vgc/2)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・(17)
となる。負荷抵抗21に流れる電流I21は、FET32のドレイン電流I32とFET34のドレイン電流I34の和であり、その値は(14)式と(16)式より、
I22 = I32 + I34
= i・(1 - A1・A2・vin・vgc/2)/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・(18)
となる。従って、正相信号出力端子OUTから出力される第2の出力信号(例えば、出力信号電圧)voutのvgc=0の時からの変化分を△voutとすると、△voutは、
△vout = r・A1・A2・vin・vgc/4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(19)
となり、逆相信号出力端子OUTBから出力される第1の出力信号(例えば、出力信号電圧)voutbのvgc=0の時からの変化分を△voutbとすると、△voutbは、
△voutb = - r・A1・A2・vin・vgc/4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(20)
となる。
このように上記構成の回路は、利得可変端子VGC1及びVGC2に印加される電圧vgc1,vgc2の差vgcにより利得が可変される利得可変回路として動作する。
(実施例1の効果)
本実施例1によれば、信号増幅用ソース接地回路のFET35,36及び利得可変用差動回路のFET31〜34からなる縦積み2段と、負荷抵抗21,22とで構成されているため、従来に比べ素子数を1つ削減できるという効果がある。又、FETが動作するために必要なドレイン−ソース間電圧をVdsとし、負荷抵抗21,22にかかる電圧をVrとすると、必要とされる最小電源電圧Vminは、
Vmin = 2・Vds + Vr
となり、従来の利得可変回路と比べ、FETの1段分だけ電源電圧を下げることできるという効果がある。
なお、本実施例1では、信号増幅用にFET35,36からなるソース接地回路を用いているので、例えば、逆相信号入力端子INBに印加される入力信号電圧-vinが固定電圧で、正相信号入力端子INに印加される入力信号電圧vinが可変電圧の場合は、信号増幅用ソース接地回路では、シングルバランス変換されないため、2入力信号が差動入力に制限される。しかし、通常、この種の利得可変回路には複数段のアンプが接続されるので、その差動入力の制限が問題となることは少なく、このような不利な点に比べて上記の効果の方が大きい。
図2は、本発明の実施例2を示す利得可変回路の回路図であり、実施例1を示す図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
実施例1の図1では正電源で動作する利得可変回路について説明したが、本実施例2では、負電源で使用するときの回路構成を示す。本実施例2の利得可変回路では、負荷抵抗21,22の一方の端子をグランドGNDに接続し、FET35,36のソースを負電源端子VSSに接続している。又、利得可変端子のVGC1とVGC2を相互に入れ替えている。このような回路構成にしても、実施例1とほぼ同様の作用効果が得られる。
(実施例3の構成)
図3は、本発明の実施例3を示すAGCアンプの回路図である。
本実施例3は、実施例1又は2の可変利得回路の応用例としてAGCアンプを示すものである。このAGCアンプ100は、差動入力信号がブロッキングキャパシタ98,99を介して入力される正相信号入力端子IN及び逆相信号入力端子INBを有し、この入力端子IN,INBに、初段の実施例1又は2の可変利得回路101が接続され、この後段側に、複数段(例えば、4段)の固定利得の差動増幅回路111〜114が接続されている。最終段の差動増幅回路114内には、出力の振幅を検出するピーク検出回路が設けられ、このピーク検出回路の検出信号が抵抗115,116を介して端子PD1,PD2から出力される。ここで、差動増幅回路114の出力端子に接続された正相信号出力端子OUT及び逆相信号出力端子OUTBからブロッキングキャパシタ117,118を介して出力される第3及び第4の出力信号の差(例えば、差動出力振幅)と、端子PD1及びPD2から出力される検出信号の差分(PD1とPD2の差分)とは、比例関係にあるものとする。
端子PD1,PD2からは、抵抗115,116と積分容量119,120により積分値が出力される。この積分値は、帰還回路である例えば2段の演算増幅回路(以下「オペアンプ」という。)130,140により増幅される。オペアンプ130の入出力端子間には、帰還抵抗131が接続され、このオペアンプ130の出力信号と基準電圧Vthとが、入力抵抗132,133を介してオペアンプ140に与えられる。オペアンプ140の入出力端子間には、帰還容量141が接続され、このオペアンプ140の出力信号が、出力抵抗142を介して利得可変回路101の利得可変端子VGC1に帰還入力される。利得可変回路101の利得可変端子VGC2には、固定の一定電圧が印加されているものとする。
(実施例3の動作)
差動入力信号がブロックキングキャパシタ98,99を介して入力端子IN,INBに入力されると、この差動入力信号が回路利得(利得可変回路101の利得とこの後段の差動増幅回路111〜114の利得)分だけ増幅されて、差動出力信号が出力端子OUT,OUTBからブロックキングキャパシタ117,118を介して出力される。ここで、回路利得が一定値の場合には、差動入力信号の振幅が変化すると、差動出力信号の振幅も変化する。
AGCアンプ100の場合には、差動入力信号が大きくなり、端子PD1とPD2から出力される差動出力振幅の検出値の差分が大きくなると、利得可変端子VGC1の電圧が増加され、利得可変回路101の利得を下げることにより、回路利得を減少させる。逆に差動出力振幅が小さい時には、利得可変端子VGC1の電圧が減少し、回路利得を上げるように動作する。このように差動入力振幅の変化に対し、差動出力振幅が一定となるように利得が変化する。
(実施例3の効果)
本実施例3のAGCアンプ100によれば、初段に実施例1又2の利得可変回路101を設けているので、電源端子VDに印加するAGCアンプ全体の電源電圧を低減できる。そのため、AGCアンプ100を集積回路等で形成した場合に、低電圧動作による低消費電力化が可能で、素子数の削減による回路の小型化が可能になる。
なお、本発明は、上記実施例1〜3に限定されず、種々の変形や利用形態が可能である。この変形や利用形態としては、例えば、次の(1)〜(3)のようなものがある。
(1) 図1、図2では、FETを用いて利得可変回路を構成しているが、バイポーラトランジスタ等の他のトランジスタを用いて構成しても、上記実施例とほぼ同様の作用効果が得られる。例えば、図1、図2の利得可変回路をバイポーラトランジスタで構成する場合は、FET35,36からなる信号増幅用ソース接地回路に代えて、エミッタ接地回路等を設ければ良い。
(2) 図1、図2の利得可変回路において、負荷抵抗21,22に代えて、負荷トランジスタ等を設けても良い。
(3) 図1、図2の利得可変回路は、図3のAGCアンプ以外にも、種々の適用例(応用例)が可能である。
本発明の実施例1を示す利得可変回路の回路図である。 本発明の実施例2を示す利得可変回路の回路図である。 本発明の実施例3を示すAGCアンプの回路図である。 従来の利得可変回路を示す回路図である。
符号の説明
21,22 負荷抵抗
31〜36 第1〜第6のFET
100 AGCアンプ
101 利得可変回路
111〜114 差動増幅回路
130,140 オペアンプ

Claims (5)

  1. 第1の電源電圧ノードと第1の出力信号を出力する第1の出力端子との間に接続された第1の負荷手段と、
    前記第1の電源電圧ノードと前記第1の出力信号とは逆相の第2の出力信号を出力する第2の出力端子との間に接続された第2の負荷手段と、
    前記第1及び第2の出力端子と第1のノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の利得可変信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号の利得を変える第1の差動回路と、
    前記第1及び第2の出力端子と第2のノードとの間に接続され、前記第1及び第2の利得可変信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号の利得を変える第2の差動回路と、
    前記第1及び第2のノードと第2の電源電圧ノードとの間に接続され、相補的な第1及び第2の入力信号の差に応じて前記第1及び第2の出力信号を増幅する増幅回路と、
    を有することを特徴とする利得可変回路。
  2. 前記第1の差動回路は、
    前記第1の出力端子と前記第1のノードとの間に接続され、前記第1の利得可変信号により導通状態が制御される第1のトランジスタと、
    前記第2の出力端子と前記第1のノードとの間に接続され、前記第2の利得可変信号により導通状態が制御される第2のトランジスタとにより構成され、
    前記第2の差動回路は、
    前記第1の出力端子と前記第2のノードとの間に接続され、前記第2の利得可変信号により導通状態が制御される第3のトランジスタと、
    前記第2の出力端子と前記第2のノードとの間に接続され、前記第1の利得可変信号により導通状態が制御される第4のトランジスタとにより構成されていることを特徴とする請求項1記載の利得可変回路。
  3. 前記増幅回路は、
    前記第1のノードと前記第2の電源電圧ノードとの間に接続され、前記第1の入力信号により導通状態が制御される第5のトランジスタと、
    前記第2のノードと前記第2の電源電圧ノードとの間に接続され、前記第2の入力信号により導通状態が制御される第6のトランジスタとにより構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の利得可変回路。
  4. 前記第1及び第2の負荷手段は、同一の抵抗値を有し、
    前記第1、第2、第3及び第4のトランジスタは、同一のトランジスタ特性を有し、
    前記第5及び第6のトランジスタは、同一のトランジスタ特性を有することを特徴とする請求項3記載の利得可変回路。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の利得可変回路と、
    前記利得可変回路の前記第1及び第2の出力信号を差動増幅して相補的な第3及び第4の出力信号を出力する1段又は複数段の差動増幅回路と、
    前記第3及び第4の出力信号の変動量を前記第1及び第2の利得可変信号として前記利得可変回路に帰還入力する帰還回路と、
    を有することを特徴とする自動利得制御増幅器。
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