JP2007235524A

JP2007235524A - 可変利得増幅回路

Info

Publication number: JP2007235524A
Application number: JP2006054557A
Authority: JP
Inventors: Masanori Nakamura; 政則中村; Takahito Miyazaki; 崇仁宮崎; Hiroshi Komori; 浩小森
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】本発明は、利得変動時に生じる入出力インピーダンス変動の補正が可能な可変利得増幅回路を提供することを目的とするものである。
【解決手段】可変利得増幅回路において、信号増幅用トランジスタ１０１の入力端子に可変容量機能を有する機能回路を接続し、前記可変容量機能を有する機能回路を制御することにより利得変動時の信号増幅用トランジスタのベース−エミッタ間容量の容量値変動を補正し、入出力インピーダンスの変動を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明はトランジスタを用いた半導体集積回路で構成された利得制御を必要とする増幅回路およびそれを用いた無線システムに関するものである。特に本発明の可変利得増幅回路は各種無線通信機器において高周波信号の増幅に用いられるものであって、周波数特性の向上を図ったものである。

図６は、従来の可変利得増幅回路の構成を示す回路図である（未公開自社出願の特願２００５−３４６２８２号参照）。

従来の可変利得増幅回路は図６に示すように、信号増幅用トランジスタ１０１のベース端子にバイアス印加用抵抗１０３を介して利得制御端子１１０が接続され、また、入力結合用コンデンサ１０４を介して可変利得増幅回路の入力端子１１２が接続されている。同エミッタ端子はＧＮＤに接地され、同コレクタ端子はチョークコイルもしくは抵抗で構成される負荷素子１０９を介して電源電圧印加端子１１３に接続され、また、出力結合用コンデンサ１０５を介して可変利得増幅回路の出力端子１１１に接続されている。また、出力インピーダンス補正用トランジスタ４０１及び出力インピーダンス補正用抵抗４０２及びバイパスコンデンサ４０３で構成される出力インピーダンス補正回路４０４が、信号増幅用トランジスタ１０１のコレクタ端子およびエミッタ端子に接続され、出力インピーダンス補正用トランジスタ４０１のベースが制御回路１０８に接続されてインピーダンスが制御される。また制御回路１０８には利得制御端子１１０からの利得制御信号が入力され、インピーダンス補正回路４０４の制御信号が作成される。

この可変利得増幅回路において、入力端子１１２から入力された高周波信号は信号増幅用トランジスタ１０１により増幅されて出力端子１１１から出力されるが、この際、利得制御端子１１０から入力される利得制御信号によって信号増幅用トランジスタ１０１の利得を制御できる。このとき、出力インピーダンス補正回路４０４を信号増幅用トランジスタ１０１の利得の変化に伴い動作させることにより、可変利得増幅回路の出力インピーダンスを一定に保つ。

上述した従来の可変利得増幅回路では、信号増幅用トランジスタの出力端子側から見た出力インピーダンスの変動を、出力端子に接続した出力インピーダンス補正回路により補正することは可能であるが、入力端子側から見た入力インピーダンスの変動は補正することができないという欠点がある。上述の可変利得増幅回路の入出力インピーダンスの変動は主に次のメカニズムで発生する。

信号増幅用トランジスタの入出力インピーダンスは、高周波で動作させる場合、容量の影響が大きくなる。近年、ＳｉＧｅプロセスなどによる高周波特性の向上により、無線通信システムにおいて従来は外付けであったドライバアンプ等の内蔵化が進んでいるが、ドライバアンプやパワーアンプのような大出力アンプでは、システムから要求される特性を満たすために電流を多く流す必要があり、またトランジスタサイズも大きくする必要がある。トランジスタサイズが大きくなると寄生容量が大きくなってしまう。したがって信号増幅用トランジスタのベースから見たインピーダンスの場合、ベース−エミッタ間容量に大きく依存することになり、また、コレクタから見たインピーダンスはベース−コレクタ間容量及び、コレクタ−サブストレート間容量に大きく依存することになる。図６の可変利得増幅回路は、信号増幅用トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いており、利得制御信号としてベース電圧を変化させることにより前記バイポーラトランジスタに流れる電流値を変化させている。その結果、バイポーラトランジスタのｒｅが変化することにより利得が変化する。この際、ベース電圧の変化（コレクタ電流の変化）により、ベース−エミッタ間容量Ｃπが変化する。ベース−エミッタ間容量Ｃπは次式で表される。

ここで、Ｃｊｅはエミッタ−ベース間接合容量であり、Ｃｂはベース拡散容量である。ベース−エミッタ間接合容量Ｃｊｅは一般に次式で表される関係で変化する。

またベース−コレクタ間の接合容量Ｃｊｃ、コレクタ−サブストレート間の接合容量Ｃｊｓについても同様のことがいえる。

次に拡散容量Ｃｂは一般に次式で表される関係で変化する。

数１に数２と数３を代入し、グラフとしたものを図４に図示する。可変利得増幅回路において、信号増幅用トランジスタの電流を変化させるためベースには０Ｖ〜閾値電圧(０．７〜０．８５Ｖ)付近の電圧を印加することになる。コレクタには電源電圧が印加されているためＶＢＣは−数Ｖ付近での変化となり、Ｃｊｃ、Ｃｊｓの値はほとんど変化せずほぼ一定となる。一方ＶＢＥはベース電圧と同じ変化となるため大きく変化し、結果としてＣｊｅも大きく変化することになる。また、電流値も変化するため、Ｃｂも大きく変化する。信号増幅用トランジスタのベースからみたインピーダンスは、トランジスタのｒｅや寄生抵抗、寄生容量などにより決まるが、図６の場合においても、ベース−エミッタ間容量１０７に大きく依存する。ベース−エミッタ間容量ＣπはＣｊｅ＋Ｃｂで決まるため、先述のベース電圧の変動によるＣｊｅ及びＣｂの変動によって入力インピーダンスが大きく変化する。また、信号増幅用トランジスタのコレクタから見た出力インピーダンスについては、ベース−コレクタ間接合容量Ｃｊｃ及びコレクタ−サブストレート間接合容量Ｃｊｓで決まるが、Ｃｊｃ及びＣｊｓはほぼ一定であり、コレクタがコレクタ−ベース間拡散容量Ｃｊｃを介してベースと接続されているため、ベースから見たインピーダンス変動に依存する。先述のようにベース−エミッタ間容量は大きく変動しているため、コレクタから見たインピーダンスも変動することになる。以上のメカニズムにより、可変利得増幅回路の入出力インピーダンスが変動することになる。

入出力インピーダンスが変動すると様々な特性の劣化が生じる。可変利得増幅回路を無線回路装置のドライバアンプとして用いた場合を例にすると、まず出力インピーダンスの場合、通常、ドライバアンプとその後段のブロック（ＳＡＷフィルタ等）間ではインピーダンス整合をとるが、ドライバアンプの出力インピーダンスが変動すると、インピーダンス整合がずれてしまう。ＳＡＷフィルタが通過帯域特性等の特性を満たすためにはＳＡＷフィルタの入出力インピーダンス整合がとれていることが必要であり、インピーダンス整合がずれると、帯域内リップル等の特性劣化が生じることになる。一方、入力インピーダンスの場合においても、ドライバアンプの入力とその前段のブロックとで整合をとる必要があるが、先述の入力インピーダンスの変動により、インピーダンス整合がずれてしまい、周波数偏差の発生等の特性劣化が生じることになる。

この入出力インピーダンス変動に対して、従来の可変利得増幅回路では、信号増幅用トランジスタのコレクタにインピーダンス補正回路を接続し、コレクタから見たインピーダンスの変動に伴い、補正回路を動作させることにより、出力インピーダンスの変動を抑えているが、入力インピーダンスの変動については補正することができない。また、出力にインピーダンス補正回路として抵抗を接続しているため、出力レベルの低下等の特性劣化が生じることになる。

したがって、本発明の目的は、入出力インピーダンスの変化を抑制することにより、利得の変化にかかわらず入出力インピーダンスをほぼ一定に保つことができ、さらに出力レベル低下等の特性劣化の少ない可変利得増幅回路を提供することである。

本発明は、入出力インピーダンスを変化させることなく利得の制御（電流の変化）を行うことを意図してなされたものである。このためこの発明の可変利得増幅回路は以下のように構成している。

請求項１に係る発明の可変利得増幅回路は、利得制御端子を有する信号増幅用トランジスタの入力端子に可変容量機能を有する能動回路を接続し、前記利得制御端子に入力される利得制御電圧が前記信号増幅用トランジスタの利得を変化させた際に生じる入出力のインピーダンス変化を前記能動回路により補正することを特徴とする。

請求項２に係る発明の可変利得増幅回路は、請求項１に係る発明の差動増幅回路において、前記可変容量機能を有する能動回路が可変容量ダイオードであることを特徴とする。

請求項３に係る発明の可変利得増幅回路は、請求項１に係る発明の可変利得増幅回路において、前記可変容量機能を有する能動回路がトランジスタと容量とで構成されることを特徴とする。

請求項４に係る発明の可変利得増幅回路は、請求項１〜３に係る発明の可変利得増幅回路において、前記可変容量機能を有する能動回路は、前記利得制御電圧が前記信号増幅用トランジスタの利得を大きくする方向に変化したときに容量値が小さくなるように制御され、前記利得制御信号が前記信号増幅用素子の利得を小さくする方向に変化したときに容量値が大きくなるように制御されることを特徴とする。

請求項５に係る発明の可変利得増幅回路は、請求項１〜４に係る発明の可変利得増幅回路において、前記信号増幅用トランジスタの接地端子及び前記可変容量機能を有する能動回路の接地端子が共通に接続される接地用パッドを備えたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、無線通信装置において、送信又は受信回路を備え、前記送信又は受信回路に請求項１〜５のいずれかに記載の可変利得増幅器が用いられているものである。

本発明によれば、上記可変利得増幅回路とすることにより、入出力インピーダンスの変化を抑制し、利得の変化にかかわらず入出力インピーダンスをほぼ一定に保つことができ、さらに出力レベル低下等の特性劣化の少ない可変利得増幅回路を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の構成図である。第１の実施形態の可変利得増幅回路は図１に示すように、信号増幅用トランジスタ１０１のベース端子にバイアス印加用抵抗１０３を介して利得制御端子１１０が接続され、また、入力結合用コンデンサ１０４を介して可変利得増幅回路の入力端子１１２が接続されている。同エミッタ端子はＧＮＤに接地され、同コレクタ端子はチョークコイルもしくは抵抗で構成される負荷素子１０９を介して電源電圧印加端子１１３に接続され、また、出力結合用コンデンサ１０５を介して可変利得増幅回路の出力端子１１１に接続されている。また、可変容量機能を有する能動回路として、可変容量ダイオード１０２が信号増幅用トランジスタ１０１のベース端子に接続され、その一方端が制御回路１０８に接続されて容量値が制御される。また制御回路１０８には利得制御端子１１０からの利得制御信号が入力され、可変容量ダイオード１０２の制御信号が作成される。また可変容量ダイオード１０２の制御信号が入力される一方端はＡＣ接地用容量１１４で接地される。

可変利得増幅回路の前段及び後段には、アンプやフィルタ等の他の回路素子が接続されることが多い。その際、高周波においては、信号の反射や損失を小さくするために回路ブロックと回路ブロックとの間でインピーダンス整合をとるのが一般的である。その際、可変利得増幅回路の入出力インピーダンスが利得によらず一定であることが望まれる。そのため、第１の実施例では、利得制御端子１１０からの利得制御信号により、可変容量ダイオード１０２を制御することで、入出力インピーダンス変動を補正し、結果として入出力インピーダンス変動の少ない可変利得増幅回路を実現する。その動作原理について説明する。

入力端子１１２から入力された高周波信号は、入力結合用コンデンサ１０４でＤＣカットされた後、信号増幅用トランジスタ１０１で増幅され、出力端子１１１から出力される。このときの利得は、利得制御端子１１０から入力される利得制御信号が、バイアス抵抗１０３を介して信号増幅用トランジスタ１０１に与える制御電圧によって決まる。例えば、制御電圧が高くなると信号増幅用トランジスタ１０１の利得は増大するが、ベース−エミッタ間容量１０７の容量値も大きくなり、制御電圧が小さくなると信号増幅用トランジスタ１０１の利得は減少するが、ベース−エミッタ間容量１０７の容量値も小さくなる。このとき、ベース−エミッタ間の容量１０７の容量値の変動と連動して可変容量ダイオード１０２の容量値を変化させる。すなわち、制御電圧が高くなる際のベース−エミッタ間容量１０７の容量値の増大に伴い、可変容量ダイオード１０２の容量値が小さくなるよう制御回路１０８により制御を行い、制御電圧が低くなる際のベース−エミッタ間容量１０７の容量値の減少に伴い、可変容量ダイオード１０２の容量値が大きくなるよう制御回路１０８により制御を行う。このように可変容量ダイオード１０２を動作させ、制御電圧が変化してもベースからみた対ＧＮＤ容量値を変化させず常にほぼ一定に保つ。可変利得増幅回路の入力インピーダンスは、信号増幅用トランジスタ１０１のベースから見たインピーダンスで決まるので、結果として可変利得増幅回路の入力インピーダンス変動を抑えることができる。また、可変利得増幅回路の出力インピーダンスは、信号増幅用トランジスタ１０１のコレクタから見たインピーダンスで決まる。コレクタから見たインピーダンスは、ベース−コレクタ間がベース−コレクタ間容量１０６を介して接続されているため、入力インピーダンスと同様に信号増幅用トランジスタ１０１のベースから見たインピーダンスに依存し、先述のようにベースから見たインピーダンスの変動を抑えているため、コレクタから見たインピーダンスの変動も抑えることが可能である。結果として可変利得増幅回路の出力インピーダンスの変動を抑えることができる。また、インピーダンス補正に抵抗を用いていないため、出力レベルの低下やノイズ特性の劣化等の特性劣化を抑えることもできる。

（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態の構成図である。第２の実施形態の可変利得増幅回路は図２に示すように、信号増幅用トランジスタ１０１のベース端子にバイアス印加用抵抗１０３を介して利得制御端子１１０が接続され、また、入力結合用コンデンサ１０４を介して可変利得増幅回路の入力端子１１２が接続されている。同エミッタ端子はＧＮＤに接地され、同コレクタ端子はチョークコイルもしくは抵抗で構成される負荷素子１０９を介して電源電圧印加端子１１３に接続され、また、出力結合用コンデンサ１０５を介して可変利得増幅回路の出力端子１１１に接続されている。また、可変容量機能を有する能動回路として、信号増幅用トランジスタ１０１のベースにコンデンサ２０１を介して容量値補正用トランジスタ２０２のドレインが接続され、容量値補正用トランジスタ２０２のソースが接地され、ゲートが制御回路１０８に接続されて容量値が制御される。また制御回路１０８には利得制御端子１１０からの利得制御信号が入力され、容量値補正用トランジスタ２０２の制御信号が作成される。

図２の可変利得増幅回路と図１の可変利得増幅回路の相違点は、可変容量機能を有する能動回路が、可変容量ダイオード１０２からコンデンサ２０１と容量値補正用トランジスタ２０２で構成される容量値補正回路２０３に変更されたことである。

ここで、容量値の調整について説明する。信号増幅用トランジスタ１０１の利得が高いときすなわちベース−エミッタ間容量値が大きいとき、容量値補正用トランジスタ２０２をＯＦＦとし、利得が低いときすなわちベース−エミッタ間容量値が小さいとき、容量値補正用トランジスタ２０２をＯＮとしてベースに接続される対ＧＮＤ容量値を一定に保つようにする。

なお上述した構成において、容量値補正用トランジスタ２０２は電界効果トランジスタであったが、バイポーラトランジスタを用いてもよい。またコンデンサ２０１及び容量値補正用トランジスタ２０２で構成される容量値補正回路は１個の構成であったが、数個を並列に接続し、容量値補正用トランジスタのＯＮのタイミングを順次変化させた構成としてもよい。

（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態の構成図である。第３の実施形態の可変利得増幅回路は図３に示すように、信号増幅用トランジスタ１０１のベース端子にバイアス印加用抵抗１０３を介して利得制御端子１１０が接続され、また、入力結合用コンデンサ１０４を介して可変利得増幅回路の入力端子１１２が接続されている。同エミッタ端子はＧＮＤに接地され、同コレクタ端子はチョークコイルもしくは抵抗で構成される負荷素子１０９を介して電源電圧印加端子１１３に接続され、また、出力結合用コンデンサ１０５を介して可変利得増幅回路の出力端子１１１に接続されている。また、可変容量機能を有する能動回路として、可変容量ダイオード１０２が信号増幅用トランジスタ１０１のベース端子に接続され、その一方端がエミッタに接続され、共通に接続される接地用パッド３０１を介して接地される。

図３の可変利得増幅回路と図１の可変利得増幅回路の相違点は、図１では可変容量ダイオード１０２のアノード側の電圧を制御して容量値を変化させていたが、図３では可変容量ダイオード１０２のカソード側の電圧を制御して容量値を変化させ、さらにアノードを信号増幅用トランジスタのエミッタに接続し共通に接続される接地用パッド３０１を介して接地されていることである。このような構成とすることにより、制御回路が必要でなくなるため、チップサイズの削減や、制御回路から回り込んでくるノイズやスプリアスの影響を無くすことが可能である。また、可変容量ダイオード１０２のアノードを他のＧＮＤ端子に接続して接地した場合、そのＧＮＤ端子から干渉波や妨害波が混入して、特性を劣化させる可能性がある。本発明では、信号増幅用トランジスタ１０１のエミッタと可変容量ダイオード１０２のアノードを共通の単独ＧＮＤパッドに接続しているため、他のＧＮＤ端子からの妨害波や干渉波の影響を受けることがなく、干渉特性に強い可変利得増幅回路を実現できる。

（第４の実施形態）
図５は本発明の第４の実施形態にかかる無線回路装置の回路構成図である。図５に示す無線回路装置はアンテナ５０１と、デュプレクサ５０２と、パワーアンプ５０３と、フィルタ５０４及び５１３、ドライバアンプ５０５と、変調器５０６と、発振器５０８及び５１０と、ローカルアンプ５０９及び５１１と、低雑音増幅器５１２と、復調器５０７から構成される。上記構成において、第１〜３の実施形態は、送信ドライバアンプ５０５及び低雑音増幅器５１２及びパワーアンプ５０３に適用される。

図５の無線回路装置において、送信時は、ベースバンド（ＢＢ）からの信号が変調器５０６に入力され、発振器５０８で発生しローカルアンプ５０９で増幅されたローカル信号により変調される。変調された信号は送信ドライバアンプ５０５で増幅されフィルタ５０４で不要周波数成分をフィルタリングし、パワーアンプ５０３でさらに増幅された後、デュプレクサ５０２を介してアンテナ５０１から送信される。受信時は、アンテナ５０１で受信された信号はデュプレクサ５０２を介して低雑音増幅器５１２で増幅される。増幅された信号はフィルタ５１３によりフィルタリングされた後、復調器５０７に入力され、発振器５１０で発生しローカルアンプ５１１で増幅されたローカル信号により復調され、ベースバンド信号としてベースバンドＬＳＩ（図示せず）に入力される。

上記動作において、高周波信号が通過するブロックの段間ではインピーダンス整合をとっているが、ドライバアンプ５０５や低雑音増幅器５１２、パワーアンプ５０３等の増幅器の利得を可変するとインピーダンス整合にずれが生じることになり、通話品質が劣化する。しかし、本発明の可変利得増幅回路を用いることにより、インピーダンス整合のずれを抑えることができる。

この第４の実施形態のように、図６の無線回路装置に第１〜３の実施形態にかかる可変利得増幅回路を適用させることで無線特性の良好な（周波数特性の良好な）無線回路装置を実現できる。

本発明の差動増幅回路は、通信用半導体集積回路内の送信ドライバアンプや低雑音増幅器として有用である。特に高周波回路として使用した場合、本発明の効果が大きい。

本発明の第１の実施形態にかかる可変利得増幅回路の一回路構成を示す回路図本発明の第２の実施形態にかかる可変利得増幅回路の一回路構成を示す回路図本発明の第３の実施形態にかかる可変利得増幅回路の一回路構成を示す回路図ＶＢＥの変化に対する容量変化を示す特性図本発明の第３の実施形態にかかる無線回路装置の回路構成図従来の可変利得増幅回路を示す回路図

符号の説明

１０１信号増幅用トランジスタ
１０２可変容量ダイオード
１０３バイアス印加用抵抗
１０４入力結合用コンデンサ
１０５出力結合用コンデンサ
１０６ベース−コレクタ間容量
１０７ベース−エミッタ間容量
１０８制御回路
１０９負荷素子（チョークコイルもしくは抵抗）
１１０利得制御端子
１１１可変利得増幅回路の出力端子
１１２可変利得増幅回路の入力端子
１１３電源電圧印加端子
１１４接地用容量
２０１コンデンサ
２０２容量値補正用トランジスタ
２０３容量値補正回路
３０１接地用パッド
４０１出力インピーダンス補正用トランジスタ
４０２出力インピーダンス補正用抵抗
４０３バイパスコンデンサ
４０４インピーダンス補正回路
５０１アンテナ
５０２デュプレクサ
５０３パワーアンプ
５０４、５１３フィルタ
５０５ドライバアンプ
５０６変調器
５０７復調器
５０８、５１０発振器
５０９、５１１ローカルアンプ
５１２低雑音増幅器

Claims

利得制御端子を有する信号増幅用トランジスタの入力端子に可変容量機能を有する能動回路を接続し、前記利得制御端子に入力される利得制御電圧が前記信号増幅用トランジスタの利得を変化させた際に生じる入出力のインピーダンス変化を前記能動回路により補正することを特徴とする可変利得増幅回路。
前記可変容量機能を有する能動回路が可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の可変利得増幅回路。
前記可変容量機能を有する能動回路がトランジスタとコンデンサとで構成されることを特徴とする請求項１記載の可変利得増幅回路。
前記可変容量機能を有する能動回路は、前記利得制御電圧が前記信号増幅用トランジスタの利得を大きくする方向に変化したときに容量値が小さくなるように制御され、前記利得制御信号が前記信号増幅用素子の利得を小さくする方向に変化したときに容量値が大きくなるように制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変利得増幅回路。
前記信号増幅用トランジスタの接地端子及び前記可変容量機能を有する能動回路の接地端子が共通に接続される接地用パッドを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変利得増幅回路。
送信又は受信回路を備え、前記送信又は受信回路に請求項１〜５のいずれかに記載の可変利得増幅回路が用いられている無線通信装置。