JP2008271112A - 増幅装置 - Google Patents

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西 昌 平 香
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Abstract

【課題】1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることが可能な増幅装置を提供する。
【解決手段】増幅装置100は、第1、第2の入力信号が入力され、これらの信号を増幅した第1、第2の増幅信号を出力する増幅器1と、第1の増幅信号が出力される増幅器の第1の出力部と第2の増幅信号が出力される増幅器1の第2の出力部との間に接続された容量2と、容量2の一端に一端が接続された第1のインダクタ3と、容量2の他端に一端が接続された第2のインダクタ4と、第1のインダクタ3の他端に接続された第1の出力端子5と、第2のインダクタ4の他端に接続された第2の出力端子6と、第1の出力端子5と第2の出力端子6との間に接続された第1の可変抵抗7と、増幅器1の出力インピーダンスおよび第1の可変抵抗7の抵抗値を制御する制御装置9と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、入力信号を増幅し増幅信号を出力するための増幅装置に関するものである。
近年、用途に応じて様々な無線規格が登場している。近距離で高速な通信を行うためにUWB(Ultra Wide Band)のような広帯域であるが出力パワ−の小さい規格から、帯域は狭く比較的低速であるが出力パワ−が大きく遠くまで届くようなWLAN(Wireless Local Area Network)などの規格がある。
そして、これらの無線規格をひとつのLSI(Large−Scale Integrated Circuit)に集積して使い分けたいという要望が大きい。しかし、これらの無線規格に用いられる増幅器はそれぞれ特徴が異なるため、以下のような問題がある。
UWBのような広帯域に使う増幅器は、広帯域化のために増幅器の負荷を小さくすることが一般的である。特に、MOSトランジスタの場合、次段の増幅器が大きな容量負荷として見える。
ここで、例えば、UWBに用いられる従来の増幅器には、一端が接地に接続されゲートに入力信号が入力される入力MOSトランジスタと、この入力MOSトランジスタの他端と電源との間に並列に接続された抵抗および容量を含む負荷と、を備えるものがある(例えば、非特許文献1参照)。なお、該容量には、増幅器の寄生容量、次段の増幅器の寄生容量、配線の寄生容量等が含まれる。また、該抵抗には、増幅器のインピーダンス、デバイスとしての抵抗が含まれる。
この従来の増幅器の帯域Bは、該抵抗の抵抗値をR、該容量の容量値をCとすると、下記の式(1)で表される。
B=1/(RC)・・・(1)
したがって、増幅器の広帯域化のために、抵抗値Rを小さくするのが一般的である。
一方、WLANなどの限られた帯域でのみ増幅が要求される場合は、インダクタンスを負荷にするのが一般的である。
ここで、例えば、WLANに用いられる従来の増幅器には、一端が接地に接続されゲートに入力信号が入力される入力MOSトランジスタと、この入力MOSトランジスタの他端と電源との間に並列に接続された抵抗、容量およびインダクタンスを含む負荷と、を備えるものがある(例えば、非特許文献2参照。)。なお、該容量には、増幅器の寄生容量、インダクタンスの寄生容量、次段の増幅器の寄生容量、配線の寄生容量等が含まれる。インダクタンスには、デバイスとしてのインダクタンスが含まれる。また、該抵抗には、増幅器のインピーダンス、デバイスとしての抵抗が含まれる。
この従来の増幅器の帯域Bは、該抵抗の抵抗値をR、該容量の容量値をC、該インダクタンスをLとすると、下記の式(2)で表される。
Figure 2008271112
式(2)に示すように、抵抗Rを大きくすると、帯域幅Bは狭くなる。しかし、電圧ゲインがRに比例するためゲインを大きく取れる。
このように、広帯域かつ低出力なUWBでは負荷を小さく、狭帯域かつ高出力なWLANでは特定の帯域でのみゲインを取れるように負荷を大きくするのが望ましい。
しかし、インダクタンスは切り替えるのが難しい。例えば、トランジスタによるスイッチでその値の異なるインダクタンスに切り替えるとすると、オン時には該トランジスタの寄生抵抗により、増幅器の特性が劣化し得る。さらに、該トランジスタのオフ時には、寄生容量によってやはり帯域が狭くなり得る。
T. LEE著、「THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS」、CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS、p.154 D. K. Shaeffer and T.H. Lee、 “A 1.5V, 1.5GHz CMOS Low Noise Amplifier”、IEEE journal of Solid-state Circuits、May 1997、Vol.32、No.5、p.745−759
本発明は、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることが可能な増幅装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る実施例に従った増幅装置は、
入力信号を増幅し増幅信号を出力するための増幅装置であって、
第1の入力信号およびこの第1の入力信号を反転した相補的な第2の入力信号が入力され、これらの信号を増幅した第1の増幅信号およびこの第1の増幅信号を反転した相補的な第2の増幅信号を出力する増幅器と、
前記第1の増幅信号が出力される前記増幅器の第1の出力部と前記第2の増幅信号が出力される前記増幅器の第2の出力部との間に接続された容量と、
前記容量の一端に一端が接続された第1のインダクタと、
前記容量の他端に一端が接続された第2のインダクタと、
前記第1のインダクタの他端に接続された第1の出力端子と、
前記第2のインダクタの他端に接続された第2の出力端子と、
前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第1の可変抵抗と、
前記増幅器の出力インピーダンスおよび前記第1の可変抵抗の抵抗値を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記第1、第2の出力端子を介して出力される前記第1、第2の増幅信号のゲインに対する周波数特性を制御するために、前記第1の可変抵抗の抵抗値および前記出力インピーダンスを減少させ、または、前記第1可変抵抗の抵抗値および前記出力インピーダンスを増加させることを特徴とする。
本発明に係る増幅装置によれば、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることができる。
本発明の一態様においては、例えば、増幅器の出力インピーダンスと次段の増幅器の終端抵抗とを連動させて制御する。これにより、該増幅器により増幅された信号の周波数特性、ゲイン特性を変化させ、狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換える。
以下、本発明に係る実施例について図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一態様である実施例1に係る増幅装置100の要部の構成を示す図である。
図1に示すように、入力信号(入力電圧)を増幅し増幅信号(出力電圧)を出力するための増幅装置100は、増幅器1と、容量2と、第1のインダクタ3と、第2のインダクタ4と、第1の出力端子5と、第2の出力端子6と、第1の可変抵抗7と、次段の増幅器8と、制御装置9と、を備える。
増幅器1は、第1の入力信号VIN およびこの第1の入力信号VIN を反転した相補的な第2の入力信号VIN が入力され、これらの信号を増幅するようになっている。そして、この増幅器1は、増幅した、第1の増幅信号VOUT およびこの第1の増幅信号VOUT を反転した相補的な第2の増幅信号VOUT を、第1、第2の出力部1a、1bを介して出力するようになっている。
また、容量2は、第1の増幅信号VOUT が出力される増幅器1の第1の出力部1aと第2の増幅信号VOUT が出力される増幅器1の第2の出力部1bとの間に接続されている。なお、ここでは、この容量2は、その値をC/2とする。
第1のインダクタ3は、容量2の一端に一端が接続されている。なお、ここでは、この第1のインダクタ3は、その値をLとする。
第2のインダクタ4は、容量2の他端に一端が接続されている。なお、この第2のインダクタ4の値は、第1のインダクタ3の値Lと等しく設定される。
第1の出力端子5は、第1のインダクタ3の他端に接続されている。さらに、この第1の出力端子5は、次段の増幅器8の入力に接続されている。増幅器1の第1の出力部1bから出力された第1の増幅信号VOUT に応じて、この第1の出力端子5から第3の増幅信号VOUT2 が出力される。
第2の出力端子6は、第2のインダクタ4の他端に接続されている。さらに、この第2の出力端子6は、次段の増幅器8の入力に接続されている。増幅器1の第2の出力部1bから出力された第2の増幅信号VOUT に応じて、この第2の出力端子6から第4の増幅信号VOUT2 が出力される。
第1の可変抵抗7は、第1の出力端子5と第2の出力端子6との間に接続されている。この第1の可変抵抗7は、ここでは、次段の増幅器8の終端抵抗に相当する。なお、ここでは、この第1の可変抵抗7は、その値を2Rsとする。
次段の増幅器8は、第1、第2の出力端子5、6を介して入力された第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 を増幅し、その増幅した信号を出力するようになっている。
制御装置9は、増幅器1の出力インピーダンスおよび第1の可変抵抗7の抵抗値を制御するようになっている。
図2は、図1に示す増幅器1の回路構成の一例を示す回路図である。なお、図1では、第1の電位を電源電位、第2の電位を接地電位とし、n型MOSトランジスタを用いて回路を構成している。しかし、回路の極性を逆にしてp型MOSトランジスタを用いて構成してもよい。
図2に示すように、増幅器1は、電源(第1の電位)VDDに一端が接続された第1の電流源1cと、この第1の電流源1cの他端に一端(ドレイン)が接続され、接地(第2の電位)に他端(ソース)が接続され、ゲートに第1の入力信号VIN が入力されるn型MOSトランジスタである第1のMOSトランジスタ1dと、を有する。
また、増幅器1は、電源VDDに一端(ドレイン)が接続され、第1の電流源1cの他端および第2の出力部1bに他端(ソース)が接続され、ゲートに第2の入力信号VIN が入力されるn型MOSトランジスタである第2のMOSトランジスタ1eと、この第2のMOSトランジスタ1eの他端(ソース)と接地との間に接続された第1の可変電流源1fと、を有する。
また、増幅器1は、電源VDDに一端が接続された第2の電流源1gと、この第2の電流源1gの他端に一端(ドレイン)が接続され、接地に他端(ソース)が接続され、ゲートに第2の入力信号VIN が入力されるn型MOSトランジスタである第3のMOSトランジスタ1hと、を有する。
また、増幅器1は、電源VDDに一端が接続され、第2の電流源1gの他端および第1の出力部1aに他端(ソース)が接続され、ゲートに第1の入力信号VIN が入力されるn型MOSトランジスタである第4のMOSトランジスタ1iと、この第4のMOSトランジスタ1iの他端(ソース)と接地との間に接続された第2の可変電流源1jと、を有する。
以上のように、増幅器1は、差動の構成でゲインを出すためのソース接地増幅段と、出力インピーダンスの実部を可変にするための電流可変のソースフォロワ段とにより構成される。
この増幅器1の回路構成は、ソースフォロワの電流を変えることにより、単層あたりの出力の容量COUTを一定に保ったまま、単層あたりの出力インピーダンスrOUTを可変にすることができる。
一方、増幅器1のトランスコンダクタンスは、ソース接地増幅段によって決めることができ、単層あたりのトランスコンダクタンスをgmとする。ソース接地増幅段とソースフォロワ段では信号の極性が異なるため、既述のように、逆相の信号が入力されている。
なお、制御装置9は、第1、第2の可変電流源1f、1jの出力電流Isを制御することにより、それぞれの出力インピーダンスrOUTを制御する。
ここで、図3は、図2に示す増幅器1の回路構成の等化回路を示す回路図である。
図3に示すように、増幅器1の等化回路は、iout(=(2*gm*(VIN −VIN ))を出力する電流源1kと、この電流源1kに並列に接続され、その値2rOUTが可変である出力インピーダンス1lと、電流源1kに並列に接続され、その値がCOUT/2である出力容量1mにより表される。なお、出力インピーダンス1lの値2rOUTは、既述のように、制御装置9により制御可能である。
ここで、図4は、図1に示す増幅装置100の回路構成の等化回路100aを示す回路図である。なお、図4において、VIN=VIN −VIN である。また、図4において、次段の増幅器8は、ほぼ容量性(CIN(単層あたり))に見えるため、第1、第2の出力端子5、6の間に接続された入力容量8aに等化され表記されている。また、容量2と出力容量1mとは、合成容量2aとして、表記している。
図4に示すように、等価回路100aは、3次のLPFを構成している。
以上のような構成を有する増幅装置100の各素子値は以下のようにして決定される。
まず、次段の増幅器8の出力に必要なトランジスタの大きさに応じて、次段の増幅器の大きさ、すなわち入力容量の値CINが決まる。
次に、必要な帯域をとるためには、RsとrOUTを小さくするか、Lを小さくする必要がある。一方、ゲインを出すためにはRsとrOUTを大きくする必要がある。例えば、Lを小さくしたいが、あまりLを小さくすると帯域内のリップルが大きくなり得るため、調整できる範囲が限られる。
次に、UWBは広帯域が必要であるため、カットオフ周波数の高く、比較的、伝達特性がフラットなLPFとする必要がある。そのためには、RsとrOUTを小さくすればよい。これにより、ゲインは小さくなるが、UWBには大きな出力は求められないので問題ない。
一方、WLANではゲインが必要であるため、RsとrOUTを大きくする。このときリップルは大きくなるが、必要な帯域が小さいので問題にならない。
すなわち、制御装置9は、第1、第2の出力端子5、6を介して出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインに対する周波数特性を制御するために、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを減少させ、または、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを増加させる。
また、増幅装置100を実用上、バランスよく、増幅器間の整合をとることが可能なフィルタとして構成するために、Rs*CIN=rOUT*(COUT+C)となるように素子の値を選ぶ。なお、本実施例において、容量2は必須の構成要素ではなく、この容量2を省略する場合は上記式でCが省略される。
すなわち、制御装置9は、第1、第2の出力端子5、6に接続される次段の増幅器8の入力容量の容量値CIN/2に対する第1の可変抵抗の抵抗値2Rsの積が、容量2の容量値C/2と増幅器1の出力容量1mの容量値COUT/2との合成容量に対する出力インピーダンスの値2rOUTの積に等しくなるように、第1の可変抵抗の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンスの値2rOUTを制御する。
これにより、整合がとれると、増幅器の安定性が増加するという利点がある。そして、例えば、インバーターなど、安定性には劣るがgmの大きい増幅器を使うことが可能となる。
さらに、Rs=rOUT=R、COUT+C=CIN=Cとなるように選ぶと、該フィルタは整合がとれる。
ここで、上記の場合の出力電圧vOUT2(=VOUT2 −VOUT2 )は、以下の式(3)のように表される。
Figure 2008271112
なお、式(3)において、
Figure 2008271112
である。また、ω1は、ゲインの周波数特性のピ−ク周波数に相当する。
次に、以上のようにして得られる出力電圧vOUT2(第3、第4の増幅信号)ゲインの周波数特性について検討した結果について説明する。
図5は、第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。なお、図5において、gm=20mS、C=1pF、L=1.5nHであり、Rが可変となっている。この場合、ピ−ク周波数は、およそ5.8GHzである。
図5に示すように、Rs=rOUT=Rが大きい(例えば、200Ω)と、リップルが大きいがゲインが大きくなる。WLANで必要な帯域(5GHz−6GHz)では大きなゲインを出すことができる。Rs=rOUT=Rが小さい(例えば、50Ω)とリップルは小さくなり、広帯域(3GHz−5GHz)に増幅が可能である。
このように、例えば、UWB(帯域幅:3GHz−5GHz)とWLAN(帯域幅:5GHz−6GHz)に対する増幅を同じ増幅器で行うことが可能である。
また、図5に示すように、ここでは、増幅装置100は、上記構成により、LPFとして機能する。
次に、以上のような構成・機能を有する増幅装置100が適用される無線通信システムの一例について説明する。
図6は、本実施例1に係る増幅装置が適用される無線通信システムの構成を示す図である。
図6に示すように、無線通信システム101は、増幅装置100を含む無線通信LSI102を備える。この無線通信システム101は、例えば、PDC(Personal Digital Cellular)やW−CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)などの携帯電話や、UWB、Bluetooth、WLAN等の無線規格の通信端末であり得る。
また、増幅装置100の出力には、アンテナ103が接続されている。このアンテナ103から無線通信によりデータが送信される。
既述のように、増幅装置100は、異なる無線規格に対する増幅を同じ増幅器で行うことが可能である。すなわち、無線通信システム101は、PDCやW−CDMAなどの携帯電話や、UWB、Bluetooth、WLAN等の異なる無線規格に対応して、一つのLSIに集積して使い分けることも可能である。
以上のように、本実施例に係る増幅装置によれば、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることができる。
なお、実施例1では、増幅装置が差動構成を有する場合について説明したが、増幅装置が単層の構成を有していてもよい。
実施例1では、増幅器のゲイン周波数特性を切り換えるための構成の一例について説明した。
本実施例では、特に、実施例1の構成に構成要素付加して、BPFを構成する一例について述べる。
図7は、本発明の一態様である実施例2に係る増幅装置200の要部の構成を示す図である。なお、図7において図1の符号と同じ符号は実施例1と同様の構成を示す。
図7に示すように、増幅装置200は、増幅器1と、容量2と、第1のインダクタ3と、第2のインダクタ4と、第1の出力端子5と、第2の出力端子6と、第1の可変抵抗7と、次段の増幅器8と、制御装置9と、を備える。なお、これらの構成は、実施例1の増幅装置100と同様である。
さらに、増幅装置200は、第2の可変抵抗10と、第3のインダクタ11と、容量12と、容量13と、第4のインダクタ14と、を備える。これにより、増幅装置200は、BPFとして機能する。
第2の可変抵抗10は、第1の出力部1aと第2の出力部1bとの間に接続されている。この第2の可変抵抗10は、ここでは、増幅器1の終端抵抗に相当する。なお、ここでは、この第2の可変抵抗10は、その値を2Rとする。
第3のインダクタ11は、第1の出力部1aと第2の出力部1bとの間に接続されている。なお、ここでは、この第3のインダクタ11は、その値を2Lとする。
容量12は、第1の出力部1aと第1のインダクタ3との間に接続されている。なお、ここでは、この容量12は、その値をCとする。
容量13は、第2の出力部1bと第2のインダクタ4との間に接続されている。なお、ここでは、この容量13は、その値を容量12と同じCとする。
第4のインダクタ14は、第1の出力端子5と第2の出力端子6との間に接続されている。なお、ここでは、この第4のインダクタ14は、その値を2Lsとする。
以上のような構成を有する増幅装置200の各素子値は以下のようにして決定される。
伝達特性がフラットなBPFとする場合には、実施例1と同様に、RsとrOUTを小さくする。
一方、実施例1と同様に、ゲインが必要であるBPFとする場合には、RsとrOUTを大きくする。
すなわち、制御装置9は、第1、第2の出力端子5、6を介して出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインに対する周波数特性を制御するために、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rs、第2の可変抵抗10の抵抗値2R、および出力インピーダンス2rOUTを減少させ、または、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rs、第2の可変抵抗10の抵抗値2R、および出力インピーダンス2rOUTを増加させる。
また、増幅装置200を実用上、バランスよく、増幅器間の整合をとることが可能なフィルタとして構成するために、Rs*CIN=rOUT*R1/(rOUT+R)*(COUT+C)となるように素子の値を選ぶ。
すなわち、制御装置9は、入力容量の容量値CIN/2に対する第1の可変抵抗の抵抗値2Rsの積が、容量値C/2と容量値COUT/2との合成容量に対する2Rと2rOUTの合成抵抗の積に等しくなるように、抵抗値2Rsおよび出力インピーダンスの値2rOUTを制御する。
これにより、実施例1と同様に、整合がとれると、増幅器の安定性が増加するという利点がある。
さらに、rOUT*R1/(rOUT+R1)=Rs=R、C+COUT=CIN=C、 L=Ls=Lとなるように選ぶと、該フィルタは整合がとれる。
次に、以上のようにして得られる増幅信号のゲインの周波数特性について検討した結果について説明する。
図8は、第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。なお、図8において、gm=20mS、 C=1pF、 L=1.5nH、 C2=10pF、 L=10nHであり、Rが可変となっている。
図8に示すように、Rが大きい(例えば、200Ω)と、リップルが大きいがゲインが大きくなる。一方、Rが小さい(例えば、50Ω)とリップルは小さくなり、広帯域に増幅が可能である。
なお、本実施例2にかかる増幅装置200は、実施例1と同様に、図6に示す無線通信システム101に適用可能である。
以上のように、本実施例に係る増幅装置によれば、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることができる。
既述のように、実施例1では、増幅器のゲイン周波数特性を切り換えるための構成の一例について説明した。
本実施例では、実施例1の構成に容量を付加して、特にゲイン周波数特性に零点を入れるための構成の一例について述べる。
図9は、本発明の一態様である実施例3に係る増幅装置300の要部の構成を示す図である。なお、図9において図1の符号と同じ符号は実施例1と同様の構成を示す。
図9に示すように、増幅装置300は、増幅器1と、容量2と、第1のインダクタ3と、第2のインダクタ4と、第1の出力端子5と、第2の出力端子6と、第1の可変抵抗7と、次段の増幅器8と、制御装置9と、を備える。なお、これらの構成は、実施例1の増幅装置100と同様である。
さらに、増幅装置300は、容量15と、容量16と、を備える。
容量15は、第1の出力部1aと第1の出力端子5との間に第1のインダクタ3と並列に接続されている。なお、ここでは、この容量15は、その値をCとする。
容量16は、第2の出力部1bと第2の出力端子6との間に第2のインダクタ4と並列に接続されている。なお、ここでは、この容量16は、その値を容量15と同じCとする。
以上のような構成を有する増幅装置300の各素子値は以下のようにして決定される。
実施例1と同様に、伝達特性がフラットなLPFとする場合には、RsとrOUTを小さくする。
一方、実施例1と同様に、ゲインが必要であるLPFとする場合には、RsとrOUTを大きくする。
すなわち、実施例1と同様に、制御装置9は、第1、第2の出力端子5、6を介して出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインに対する周波数特性を制御するために、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを減少させ、または、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを増加させる。
また、実施例1と同様に、増幅装置300を実用上、バランスよく、増幅器間の整合をとることが可能なフィルタとして構成するために、Rs*CIN=rOUT*(COUT+C)となるように素子の値を選ぶ。
すなわち、制御装置9は、容量値CIN/2に対する抵抗値2Rsの積が、容量値C/2と容量値COUT/2との合成容量に対する2rOUTの積に等しくなるように、抵抗値2Rsおよび出力インピーダンスの値2rOUTを制御する。
これにより、実施例1と同様に、整合がとれると、増幅器の安定性が増加するという利点がある。
さらに、実施例1と同様に、rOUT=Rs=R、C+COUT=CIN=Cとなるように選ぶと、該フィルタは整合がとれる。
ここで、既述のように、増幅装置300は、容量15、16を備えている。これにより、特定の帯域を増幅しないようにすることができる。すなわち、フィルタに零点を入れることでノッチを入れることも可能である。
なお、フィルタの次数は4次、5次といった高次のフィルタでもよい。
次に、以上のようにして得られる増幅信号のゲインの周波数特性について検討した結果について説明する。
図10は、第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。なお、図10において、rOUT=Rs=R、C1+COUT=CIN=C、として、gm=20mS、C=1pF、L=1.5nH、R=50Ωとなっている。
図10に示すように、容量15、16の容量値Cを変化させることにより、フィルタの零点の周波数を調整することが可能である。
なお、本実施例3にかかる増幅装置300は、実施例1と同様に、図6に示す無線通信システム101に適用可能である。
以上のように、本実施例に係る増幅装置によれば、実施例1と同様に、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることができる。
既述のように、実施例1では、増幅器のゲイン周波数特性を切り換えるための構成の一例について説明した。
本実施例では、実施例1の容量を可変容量にするとともに、さらに可変容量を付加して、特に、ゲイン周波数特性のピーク周波数をシフトさせるための構成の一例について述べる。
図11は、本発明の一態様である実施例4に係る増幅装置400の要部の構成を示す図である。なお、図11において図1の符号と同じ符号は実施例1と同様の構成を示す。
図11に示すように、増幅装置400は、増幅器1と、第1のインダクタ3と、第2のインダクタ4と、第1の出力端子5と、第2の出力端子6と、第1の可変抵抗7と、次段の増幅器8と、制御装置9と、を備える。なお、これらの構成は、実施例1の増幅装置100と同様である。
ここで、増幅装置400は、その容量値が制御装置9により制御される第1の可変容量402を備える。すなわち、本実施例では、実施例1の増幅装置100の容量2が、この第1の可変容量402に置き換えられている。
さらに、増幅装置400は、その容量値が制御装置9により制御される第2の可変容量403を備える。
第1の可変容量402は、第1の出力部1aと第2の出力部1bとの間に接続されている。なお、ここでは、この第1の可変容量402は、その値をC/2とする。
第2の可変容量403は、第1の出力端子5と第2の出力端子6との間に接続されている。なお、ここでは、この第2の可変容量403は、その値をC/2とする。
ここで、制御装置9は、第1の可変抵抗7の抵抗値1Rs、出力インピーダンス1lの値2rOUT、第1、第2の可変容量402、403の容量値C/2、C/2を制御するようになっている。
ここで、図12は、図11に示す増幅装置400の回路構成の等化回路400aを示す回路図である。なお、図12において、VIN=VIN −VIN である。また、図12において、実施例1と同様に、次段の増幅器8は、ほぼ容量性(CIN(単層あたり))に見えるため、第1、第2の出力端子5、6の間に接続された入力容量に等化されている。そして、この入力容量と第2の可変容量403の合成容量が可変容量408aとして表記されている。また、第1の可変容量402と出力容量1mとの合成容量を可変容量402aとして、表記している。
以上のような構成を有する増幅装置400の各素子値は以下のようにして決定される。
実施例1と同様に、伝達特性がフラットなLPFとする場合には、RsとrOUTを小さくする。
一方、実施例1と同様に、ゲインが必要であるLPFとする場合には、RsとrOUTを大きくする。
すなわち、実施例1と同様に、制御装置9は、第1、第2の出力端子5、6を介して出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインに対する周波数特性を制御するために、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを減少させ、または、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを増加させる。
また、実施例1と同様に、増幅装置400を実用上、バランスよく、増幅器間の整合をとることが可能なフィルタとして構成するために、Rs*CIN+C=rOUT*(COUT+C)となるように素子の値を選ぶ。
すなわち、制御装置9は、次段の増幅器8の入力容量と第2の可変容量403との合成容量408aの容量値(CIN+C)/2に対する第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsの積が、第1の可変容量402と増幅器1の出力容量1mとの合成容量402aの容量値(COUT+C) /2に対する出力インピーダンスの値2rOUTの積に等しくなるように、第1の可変抵抗7の抵抗値1Rs、出力インピーダンス1lの値2rOUT、第1、第2の可変容量402、403の容量値C/2、C/2を制御する。
これにより、実施例1と同様に、整合がとれると、増幅器の安定性が増加するという利点がある。
さらに、rOUT=Rs=R、C+COUT=Cin+C=Cとなるように選ぶと、該フィルタは整合がとれる。
ここで、制御回路9は、ゲイン周波数特性のピーク周波数を調整する場合は、既述のように、第1、第2の可変抵抗402、403の容量値を調整する。
なお、フィルタの次数は4次、5次といった高次のフィルタでもよい。
次に、以上のようにして得られる増幅信号のゲインの周波数特性について検討した結果について説明する。
図13は、第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。なお、図13において、rOUT=Rs=R、C1+COUT=CIN+C=C、として、gm=20mS、L=1.5nH、R=200Ωとなっている。
図13に示すように、第1、第2の可変容量402、403の容量値C/2、C/2を変化させることにより、帯域やピ−ク周波数を変えることができる。特に、狭い帯域の増幅時に、増幅する帯域を切り替えるのに有効である。
なお、本実施例4にかかる増幅装置400は、実施例1と同様に、図6に示す無線通信システム101に適用可能である。
以上のように、本実施例に係る増幅装置によれば、実施例1と同様に、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることができる。
既述のように、実施例1では、増幅器のゲイン周波数特性を切り換えるための構成の一例について説明した。
本実施例では、実施例1のインダクタを可変インダクタにすることにより、特に、ゲイン周波数特性のピーク周波数をシフトさせるための構成の一例について述べる。
図14は、本発明の一態様である実施例5に係る増幅装置500の要部の構成を示す図である。なお、図14において図1の符号と同じ符号は実施例1と同様の構成を示す。
図14に示すように、増幅装置500は、増幅器1と、容量2と、第1の出力端子5と、第2の出力端子6と、第1の可変抵抗7と、次段の増幅器8と、制御装置9と、を備える。なお、これらの構成は、実施例1の増幅装置100と同様である。
ここで、増幅装置500は、その値が制御装置9により制御される第1のインダクタ503を備える。すなわち、本実施例では、実施例1の増幅装置100のインダクタ3が、この第1の可変インダクタ503に置き換えられている。なお、ここでは、この第1の可変インダクタ503は、その値をLとする。
さらに、増幅装置500は、その値が制御装置9により制御される第2の可変インダクタ504を備える。すなわち、本実施例では、実施例1の増幅装置100のインダクタ4が、この第2の可変インダクタ504に置き換えられている。なお、ここでは、この第2の可変インダクタ504は、その値を第1の可変インダクタ503と同じLとする。すなわち、制御装置9により、第1、第2の可変インダクタ503、504の値Lは同じ値を維持するように変更される。
ここで、制御装置9は、第1の可変抵抗7の抵抗値1Rs、出力インピーダンス1lの値2rOUT、第1、第2の可変インダクタ503、504の容量値Lを制御するようになっている。
以上のような構成を有する増幅装置500の各素子値は以下のようにして決定される。
実施例1と同様に、伝達特性がフラットなLPFとする場合には、RsとrOUTを小さくする。
一方、実施例1と同様に、ゲインが必要であるLPFとする場合には、RsとrOUTを大きくする。
すなわち、実施例1と同様に、制御装置9は、第1、第2の出力端子5、6を介して出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインに対する周波数特性を制御するために、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを減少させ、または、第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsおよび出力インピーダンス2rOUTを増加させる。
また、実施例1と同様に、増幅装置500を実用上、バランスよく、増幅器間の整合をとることが可能なフィルタとして構成するために、Rs*CIN=rOUT*(COUT+C)となるように素子の値を選ぶ。
すなわち、制御装置9は、次段の増幅器8の入力容量の容量値CIN/2に対する第1の可変抵抗7の抵抗値2Rsの積が、容量2と増幅器1の出力容量1mとの合成容量2aの容量値(COUT+C) /2に対する出力インピーダンスの値2rOUTの積に等しくなるように、第1の可変抵抗7の抵抗値1Rs、出力インピーダンス1lの値2rOUTを制御する。
これにより、実施例1と同様に、整合がとれると、増幅器の安定性が増加するという利点がある。
さらに、rOUT=Rs=R、C+COUT=CIN=Cとなるように選ぶと、該フィルタは整合がとれる。
ここで、制御回路9は、ゲイン周波数特性のピーク周波数を調整する場合は、既述のように、第1、第2の可変インダクタ503、504の値Lを調整する。
なお、フィルタの次数は4次、5次といった高次のフィルタでもよい。
次に、以上のようにして得られる増幅信号のゲインの周波数特性について検討した結果について説明する。
図15は、第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。なお、図15において、rOUT=Rs=R、C1+COUT=CIN=C、として、gm=20mS、C=1pF、R=200Ωとなっている。
図15に示すように、第1、第2の可変インダクタ503、504の値Lを変化させることにより、帯域やピ−ク周波数を変えることができる。特に、狭い帯域の増幅時に、増幅する帯域を切り替えるのに有効である。
なお、本実施例5にかかる増幅装置500は、実施例1と同様に、図6に示す無線通信システム101に適用可能である。
以上のように、本実施例に係る増幅装置によれば、実施例1と同様に、1つの増幅器を用いて狭帯域で高出力な特性と広帯域で低出力な特性とを切り換えることができる。
本発明の一態様である実施例1に係る増幅装置100の要部の構成を示す図である。 図1に示す増幅器1の回路構成の一例を示す回路図である。 図2に示す増幅器1の回路構成の等化回路を示す回路図である。 図1に示す増幅装置100の回路構成の等化回路100aを示す回路図である。 第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。 本実施例1に係る増幅装置が適用される無線通信システムの構成を示す図である。 本発明の一態様である実施例2に係る増幅装置200の要部の構成を示す図である。 第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。 本発明の一態様である実施例3に係る増幅装置300の要部の構成を示す図である。 第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。 本発明の一態様である実施例4に係る増幅装置400の要部の構成を示す図である。 図11に示す増幅装置400の回路構成の等化回路400aを示す回路図である。 第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。 本発明の一態様である実施例5に係る増幅装置500の要部の構成を示す図である。 第1、第2の入力信号VIN 、VIN に対する、第1、第2の出力端子5、6から出力される第3、第4の増幅信号VOUT2 、VOUT2 のゲインの周波数特性を示す図である。
符号の説明
1 増幅器
1a 第1の出力部
1b 第2の出力部
1c 第1の電流源
1d 第1のMOSトランジスタ
1e 第2のMOSトランジスタ
1f 第1の可変電流源
1g 第2の電流源
1h 第3のMOSトランジスタ
1i 第4のMOSトランジスタ
1j 第2の可変電流源
1k 電流源
1l 出力インピーダンス
1m 出力容量
2 容量
3 第1のインダクタ
4 第2のインダクタ
5 第1の出力端子
6 第2の出力端子
7 第1の可変抵抗
8 次段の増幅器
9 制御装置
10 第2の可変抵抗
11 第3のインダクタ
12、13 容量
14 第4のインダクタ
15、16 容量
100、200、300、400、500 増幅装置
100a、400a 増幅装置の等化回路
101 無線通信システム
102 無線通信LSI
103 アンテナ
402 第1の可変容量
402a 可変容量
403 第2の可変容量
408a 可変容量
503 第1の可変インダクタ
504 第2の可変インダクタ

Claims (5)

  1. 入力信号を増幅し増幅信号を出力するための増幅装置であって、
    第1の入力信号およびこの第1の入力信号を反転した相補的な第2の入力信号が入力され、これらの信号を増幅した第1の増幅信号およびこの第1の増幅信号を反転した相補的な第2の増幅信号を出力する増幅器と、
    前記第1の増幅信号が出力される前記増幅器の第1の出力部と前記第2の増幅信号が出力される前記増幅器の第2の出力部との間に接続された容量と、
    前記容量の一端に一端が接続された第1のインダクタと、
    前記容量の他端に一端が接続された第2のインダクタと、
    前記第1のインダクタの他端に接続された第1の出力端子と、
    前記第2のインダクタの他端に接続された第2の出力端子と、
    前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第1の可変抵抗と、
    前記増幅器の出力インピーダンスおよび前記第1の可変抵抗の抵抗値を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記第1、第2の出力端子を介して出力される前記第1、第2の増幅信号のゲインに対する周波数特性を制御するために、前記第1の可変抵抗の抵抗値および前記出力インピーダンスを減少させ、または、前記第1可変抵抗の抵抗値および前記出力インピーダンスを増加させる
    ことを特徴とする増幅装置。
  2. 前記増幅器は、
    第1の電位に一端が接続された第1の電流源と、
    前記第1の電流源の他端に一端が接続され、第2の電位に他端が接続され、ゲートに前記第1の入力信号が入力される第1のMOSトランジスタと、
    前記第1の電位に一端が接続され、前記第1の電流源の他端および前記第2の出力部に他端が接続され、ゲートに前記第2の入力信号が入力される第2のMOSトランジスタと、
    前記第2のMOSトランジスタの他端と前記第2の電位との間に接続された第1の可変電流源と、
    前記第1の電位に一端が接続された第2の電流源と、
    前記第2の電流源の他端に一端が接続され、前記第2の電位に他端が接続され、ゲートに前記第2の入力信号が入力される第3のMOSトランジスタと、
    前記第1の電位に一端が接続され、前記第2の電流源の他端および前記第1の出力部に他端が接続され、ゲートに前記第1の入力信号が入力される第4のMOSトランジスタと、
    前記第4のMOSトランジスタの他端と前記第2の電位との間に接続された第2の可変電流源と、を有し、
    前記制御装置は、
    前記第1、第2の可変電流源の出力電流を制御することにより、前記出力インピーダンスを制御する
    ことを特徴とする請求項1に記載の増幅装置。
  3. 前記制御装置は、
    前記第1、第2の出力端子に接続される次段の増幅器の入力容量の容量値に対する前記第1の可変抵抗の抵抗値の積が、前記容量と前記増幅器の出力容量との合成容量の容量値に対する前記出力インピーダンスの値の積に等しくなるように、前記第1の可変抵抗の抵抗値および出力インピーダンスの値を制御する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の増幅装置。
  4. 前記容量は、その容量値が前記制御装置により制御される第1の可変容量であり、
    前記増幅装置は、前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第2の可変容量をさらに備え、
    前記制御装置は、
    前記第1、第2の出力端子に接続される次段の増幅器の入力容量と前記第2の可変容量との合成容量の容量値に対する前記第1の可変抵抗の抵抗値の積が、前記第1の可変容量と前記増幅器の出力容量との合成容量の容量値に対する前記出力インピーダンスの値の積に等しくなるように、前記第1の可変抵抗の抵抗値、出力インピーダンスの値、第1、第2の可変容量の容量値を制御する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の増幅装置。
  5. 前記第1のインダクタは、その値が前記制御装置により制御される第1の可変インダクタであり、
    前記第2のインダクタは、その値が前記制御装置により制御される第2の可変インダクタである
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の増幅装置。
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