JP2008295063A - 電子デバイスを線形化するための回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】DC消費電力を増大させることなく、低レベルの歪みを低減する。
【解決手段】増幅器には、第1のトランジスタが含まれ、第1のトランジスタは第1、第2、および第3の端子を備え、第1の端子は入力端子であり、第2の端子は出力端子であり、第3の端子は共通端子である。増幅器には、第1および第2の端子を備えた線形化回路が構成されている。線形化回路の第1の端子は、トランジスタの共通端子に接続され、第2の端子は、トランジスタの入力端子に接続される。特定の実施形態では、線形化回路は、単位利得バッファであって、その入力端子がトランジスタの共通端子に接続され、その出力端子がトランジスタの入力端子に接続されたものとして構成される。
【選択図】図3

Description

発明の分野
本出願は、2000年11月3日に出願された米国特許仮出願第60/245,707号(“CIRCUIT FOR LINEARZING ELECTRONIC DEVICES”)から優先権を主張しており、本明細書では、第60/245,707号の内容を全体的に参考文献として取り入れている。
本発明は、電子回路に関する。とくに、本発明は、電子デバイス、電子回路、および電子システムを線形化するためのシステムおよび方法に関する。
発明の背景
無線周波数(radio frequency, RF)通信システムのフロントエンドには、一般に、増幅器とミキサとが含まれている。受信機のフロントエンドの増幅器は、受信したRF信号を強めるように働き、ミキサは、信号を高周波数のRFから、より低い周波数へ処理により適した形にダウンコンバートして、出力するように働く。都合の悪いことには、強力な干渉源(interferer)があるときに、RF増幅器およびミキサが目的の受信信号を処理する場合は、多くの場合に、強力な干渉源により、歪みが生じ、目的の信号の品質が劣化する。歪み生成物(distortion product)が、受信信号のバンド内に入っているときは、最も危険である。歪み生成物は、一般に、第三度非線形性(third degree nonlinearlity)、いわゆる三次相互変調(third-order intermodulation, IM3)の歪みによって生成される。2つの強力な干渉源があり、例えば、f=1000メガヘルツおよびf=1001メガヘルツであるときは、相互変調の歪み生成物は、(2f−f)および(2f−f)において生成されることになる。したがって、例えば、1000メガヘルツおよび1001メガヘルツに中心を置く信号に対して、歪み信号の中心は、999メガヘルツおよび1002メガヘルツになる。これらの歪み信号の一方が、目的の信号のバンド内に入っているときは、この歪み信号により、受信機の感度は劣化する。
従来、回路の第三度非線形性は、増幅する能動素子の本質的な特性であるので、低レベルの歪みを実現するのは困難であった。一般に、歪みは、DCの消費量を増加するという犠牲を払って小さくしている。DCの消費量を増加するといったやり方は、無線通信システムには、とくに望ましくない。その理由は、無線通信システムは、バッテリにより電力を供給されており、電流の消費量が増加すると、バッテリの寿命がより短くなり、したがって(例えば、セルラ電話の通話時間にみられるように)システムの動作時間がより短くなるからである。
したがって、DCの消費量を著しく増加させることなく、RF受信機および他のシステムにおいて使用されている増幅器およびミキサの線形性を向上するためのシステムまたは方法が、この技術において必要とされ続けている。
発明の概要
本発明のシステムおよび方法は、この技術における必要に対処している。本発明は、例示的な応用において、無線周波数増幅器として実現される。本発明の増幅器には、第1、第2、および第3の端子を備えた第1のトランジスタが含まれる。例示的な実施形態では、第1のトランジスタはバイポーラであって、第1の端子は入力端子であり、第2の端子は出力端子であり、第3の端子は共通端子である。(トランジスタには)第1および第2の端子を備えた線形化回路が構成されている。(線形化回路の)第1の端子は、トランジスタの共通端子に接続され、第2の端子は、トランジスタの入力端子に接続される。線形化回路は、トランジスタによる入力RF信号の増幅を干渉しない。しかしながら、2つの入力信号か、または1つの入力被変調搬送波があるときは、線形化回路は、トランジスタの入力端子と共通端子との間の制御電圧を、2つの入力信号の差周波数において、または入力被変調搬送波の変調周波数においてゼロにする。
特定の実施形態では、線形化回路は、非反転単位利得バッファであって、その入力端子はトランジスタの共通端子に接続され、その出力端子はトランジスタの入力端子に接続されたものとして構成される。バッファは、その利得が1(unity)であり、2つの入力信号の差周波数か、または入力被変調搬送波の変調周波数において、その出力インピーダンスが低くなるように設計される。バッファは、これらの低周波数において、トランジスタの入力電圧を、共通端子の電圧にしたがわせる。増幅器の動作周波数バンドにおいて、バッファの利得は十分に低く、その出力インピーダンスは高いので、トランジスタは、動作周波数バンドにおいて入力信号を増幅する。
別の特定の実施形態では、線形化回路には、非反転単位利得バッファであって、入力端子、出力端子、および無線周波数チョークコイルを備えたものが含まれる。バッファの入力端子はトランジスタの共通端子に接続され、出力端子は、チョークコイルの第1の端子に接続される。チョークコイルの第2の端子は、トランジスタの入力端子に接続される。本発明の教示にしたがうと、チョークコイルは、増幅器の動作周波数バンドにおいてインピーダンスが高く、したがって、動作周波数バンドでは、バッファの出力を増幅器の入力から切り離す。チョークコイルは、2つの入力信号の差周波数か、または1つの入力被変調搬送波の変調周波数において、インピーダンスが低い。したがって、チョークは、これらの周波数において、バッファがトランジスタの入力電圧を共通端子の電圧にしたがわせるのを妨害しない。
代わりの実施形態では、DCをずらす回路がトランジスタの入力に構成されている。別の代わりの実施形態では、線形化回路は、直列のインダクタ(L)およびコンデンサ(C)を、トランジスタの共通端子と入力端子との間に接続したもので構成される。この直列のLC回路は、増幅器の動作周波数バンドにおいては開路として、2つの入力信号の差周波数か、または1つの入力被変調搬送波の変調周波数においてはACショートとして働く。
さらに別の実施形態では、線形化回路は、第1および第2の直列のインダクタとコンデンサとの回路で構成される。第1の直列LC回路は、トランジスタの共通端子と接地との間に接続され、第2の直列LC回路は、トランジスタの入力端子と接地との間に接続される。
本発明の方法は、線形性を高め、かつ高周波数の回路およびシステムにおいて使用される増幅器、ミキサ、他の回路の三次歪みを最小化する。
詳細な説明
ここで、添付の図面を参照して、例証の実施形態および例示的な応用を記載し、本発明の特長的な教示を開示する。
三次相互変調(third-order intermodulation, IM3)の歪み生成物は、非線形回路によって入力電力レベルが低いときに生成されるものであり、IM3のレベルは、一般に、2つのトーンの入力信号を使用して測定される三次交点(third-order intercept point, TOIP)から推定される。これは、図1aおよび1cに示されている。
図1aは、一般的なRF増幅器の出力電力対入力電力のグラフであって、基本トーンと関係付けられている補外出力電力と、基本トーンの補外出力電力から求められる相互変調歪みと関係付けられている補外出力電力との三次交点が示されている。2つの基本トーン(fおよびf)は2つの干渉源を表わし、fおよびfをトランジスタに供給するとき、その非線形性により、出力電圧にスプリアス応答が生じる。これは、図1cに示されている。
図1cは、図1aの一般的なRF増幅器の出力電圧対周波数のグラフであって、fおよびfにおける基本トーンと、これらの基本トーンから求められる二次歪みおよび三次歪みとが示されている。その入力インピーダンスが非線形であるために、増幅器の入力電圧において、同様の歪み生成物が生成される。基本トーンを一般的なRF増幅器へ同時に供給するとき、入力電圧においてf−fで二次混合項(second order mixing term)が発生して、増幅器のバイアスを変調し、出力電圧において2f−fおよび2f−fでIM3の歪み生成物が加わる。
入力電圧において、差周波数の混合項が生成されるのを防ぐために、入力バイアス回路は、一般的に、差周波数(f−f)において非常に低いインピーダンスを与えるように設計される。このようなバイアス回路の例は、図2に示されている。
図2は、従来の教示にしたがって構成された相互変調生成物を軽減するための構成についての模式図である。図2では、トランジスタQ1はエミッタを有し、エミッタは、エミッタデジェネレイション回路(emitter degeneration circuit)12を介して、接地へ接続されている。エミッタデジェネレイション回路12は、必ずしも必要なわけではなく、図2には一般的な形として示されている。バイアス回路14は、入力DCバイアス電圧を生成し、入力DCバイアス電圧はトランジスタQ1のベースへ印加される。
バイアス回路14の出力インピーダンスを調べると、バイアス回路14は、低周波数、とくに、差周波数(f−f)において出力インピーダンスが非常に低くなるように設計される。したがって、この周波数においてベース電圧の歪み生成物は、相当に減衰される。動作周波数バンドでは、バイアス回路14の出力インピーダンスは、トランジスタの入力インピーダンスよりも、相当に大きくなるように設計され、入力RF信号がバイアス回路の出力によってショートされるのを防いでいる。
図2で採用したアプローチは、歪みの小さいRF増幅器を設計するための一般的な方法であり、増幅器は入力干渉源により変調されない。都合の悪いことには、このアプローチを使用すると、回路の入力(トランジスタQ1のベース端子)において、(f−f)による変調は抑制されるが、エミッタデジェネレーション回路のインピーダンスが、変調周波数においてゼロ以外であるときは、エミッタは自由に変調される。
Q1のコレクタ電流はVbeに対して非線形に変化する。コレクタ電流の成分は、ベース−エミッタ電圧の二乗(Vbe )のみに依存し、第二度非線形性(second degree nonlinearity)と呼ばれる。したがって、入力電圧の基本トーンが一緒に混合され、二次歪み生成物が生成される。とりわけ、f−fの差周波数における歪み生成物は、とくに問題である。エミッタデジェネレーション回路のインピーダンスが、(f−f)においてほぼゼロオームであるときは、(f−f)における歪み電流により、この回路全体において電圧降下が生じることはなく、Q1のベース−エミッタ接合は変調されず、IM3の歪みレベルが低くなる。エミッタデジェネレーション回路が、(f−f)においてゼロオームでないときは、コレクタ電流の差周波数の生成物により、エミッタ電圧Vにおいてf−fのスプリアス応答が生じる。f−fにおいてベース電圧がほぼゼロであっても(V≒0)、f−fにおいてVがゼロ以外であると、Vbeが変調し、三次歪みが加わる。
本発明では、差周波数(f−f)においてバイポーラ接合トランジスタの定数であるベース−エミッタ電圧Vbeを保持し、かつIM3の歪みを低減するためのシステムおよび方法を提供する。
図3は、線形化されたRF回路10’の簡潔化された模式図であり、線形化されたRF回路10’は、本発明の教示にしたがって相互変調歪みを軽減するように構成されている。図3の回路10’は、図2の回路10に類似しているが、バイアス回路14に代わって、線形化回路14’が構成され、線形化回路14’は2つの端子を備えていて、一方の端子がQ1のエミッタに接続され、他方の端子はQ1のベースに接続されているところが異なる。線形化回路14’の目的は、ベース−エミッタ電圧Vbeを差周波数(f−f)においてゼロにすることである。線形化回路は、Q1による入力RF信号の増幅を干渉しないように設計されている。
図4は、本発明の線形化回路10’’を示しており、線形化回路14’’は非反転単位利得バッファ15’’として構成されている。バッファの入力はQ1のエミッタに接続され、バッファの出力はQ1のベースに接続されている。バッファは、差周波数(f−f)において、その利得が1(unity)であり、その出力インピーダンスが低くなるように設計されている。この設計により、この周波数(f−f)において、Q1のベース電圧はQ1のエミッタ電圧にしたがい、Vbeはゼロになる。入力信号の周波数がfおよびfであるときは、バッファの利得は十分に低く、その出力インピーダンスは高く、Q1による増幅を可能にする。
出力インピーダンスが誘導性であるように設計されている場合は、バッファ出力のインピーダンスは、低周波数のときは低く、高周波数のときは高いといった要件を満たすことができる。この設計の目標を実現するには、幾つかのアプローチがある。最も簡単なアプローチでは、図5に示されているように、誘導性のチョークコイルをバッファ出力に直列に付加し、幅広い周波数範囲においてインピーダンスが低くなるように設計する。別の可能なやり方では、単位利得バッファを‘能動インダクタ’として構成する。
図5は、図4に類似しているが、チョークコイルLが、単位利得バッファ15’’’の出力とQ1のベースとの間に挿入されているところが異なる。インダクタLは、RF周波数では開路として考えられ、単位利得バッファの出力をQ1のベースから切り離しているので、バッファ出力のインピーダンスは、最早、RF周波数において高い必要はない。インダクタLのインピーダンスは差周波数(f−f)において非常に低く、バッファがQ1のベース電圧をそのエミッタ電圧にしたがわせるのを妨げない。それでもなお、バッファは、差周波数においてインピーダンスが低く、Q1のベースにおいて歪み生成物をショートさせることが求められている。
トランジスタの望みのバイアス点を設定するために、線形化回路14’’’は、その端子間でDCをずらす。とくに、Q1のベースに接続されている端子は、Q1のエミッタに接続されている端子よりも、電位がより高い。図6、7、および8は、本発明を望みのVbeのバイアス回路と組合せて、どのように使用できるかを示している。
図6は、本発明の線形化された回路20を示しており、線形化回路24の端子間でDCをずらすように構成されている。単位利得バッファ25により、基準電流Irefによって設定されるQ2のDCベース電圧は、Q1のベースに現れる。その結果、Q1のVbeは、DCまたはDCに近い状態でQ2のVbeに等しい。Q1およびQ2が等しいエミッタ領域を有するときは、Q1およびQ2の両者は同じ量のDC電流、すなわちIrefを引き込む。しかしながら、通常は、Q2(しばしば、基準素子と呼ばれる)のエミッタ領域は、Q1のエミッタ領域のn分の1である。この場合に、Q1は、nIrefのDC電流を引き込む。例えば、固定ゲートのソース電圧を有するP−MOSトランジスタのように、電流Irefは電流ソース26によって供給される。
動作において、Q2は、レベルシフティングダイオードとして働く。Q1へ2つのトーンを加えると、Q1のエミッタ電圧に(f−f)の混合生成物が存在することになる。この生成物は、Q2によってDCレベルをずらされ、単位利得バッファ25によってその出力へ押し進められる。インダクタLは、(f−f)においてショートとして働き、バッファ出力をQ1のべースへ直接に移す。したがって、(f−f)において、Q1のベース電圧はQ1のエミッタ電圧にしたがい、一定のVbeが生成される。RF周波数では、インダクタLは開路であると考えられ、Q1のエミッタ電圧はQ1のベースから切り離され、Q1はトランスコンダクタとして働き、すなわちベース−エミッタ接合部を横切る入力RF電圧を出力RF電流へ変換する。
図6のDCバイアスのアプローチの欠点の1つは、Q2のコレクタを通るのが、基準電流Irefの全てではなく、Q2のベース電流Ib,Q2を供給した後に残った基準電流Irefのその部分のみであるということである。したがって、Q1によって引き込まれるコレクタ電流は、n(Iref−Ib,Q2)である。Q2の順方向DC電流の利得をβとすると、Ib,Q2=Iref/βであるので、Q1のDCコレクタ電流は、nIref(1−1/β)、すなわち、Q2のベータの関数である。Q2のベータの関数は、処理中に相当に(50%以上)変化し、温度により、Q1のDC電流を変化させる。
図7の回路は、図6の回路と類似しているが、Q2のベースが、単位利得バッファ25’の出力に接続されているところが異なる。バッファの入力インピーダンスが非常に高いと仮定すると、Irefの全てがQ2のコレクタを通る。したがって、Q1のDCコレクタ電流は、正確にnIrefになる。図7の線形化回路の他の特長は、単位利得バッファ25’およびトランジスタQ2が、負のフィードバックループを形成し、バッファの出力インピーダンスを(1+AOL)分、低減することである。AOLは、Q2のベースからQ2のコレクタへの電圧利得として計算される開ループ利得である。
図8の回路は、図7の回路に類似しているが、単位利得バッファ25’’がQ3のエミッタフォロアとして構成されているところが異なる。図8では、Q2およびQ3は、電流ミラー構成で接続されていて、Q2は電流ミラー基準素子であり、Q3は‘ベータヘルパー’である。Q2、Q3、およびIrefの電流ソースは、図5の単位利得バッファ15’’’として働き、入力DCはずらされている。Q2のエミッタ端子は入力であり、Q3のエミッタはバッファの低インピーダンス出力である。Q3がQ2と共に閉じたDCフィードバックループを作ることにより、Q2のベースとエミッタとの間に電圧差が生じ、この差はDCのずれとして働き、Q2がゼロ以外の電流であるIrefを通すのに必要とされる。同じDCの電圧をQ1のベース−エミッタ接合部へ印加し、そのDCのコレクタ電流をnIrefに設定する。
図9および10は、本発明の線形化された回路についての代わりの実施形態を示している。図9の回路では、線形化回路34は、コンデンサCとRFチョークインダクタLとを直列に接続したものとして、Q1のベースとエミッタとの間に構成されている。コンデンサCは、低周波数においてQ1のベースとエミッタとの間に低インピーダンスの経路を生成するのに十分な大きさである。Q1のバイアスは、他の回路によって生成されるが、他の回路は、一般化のために図9には示されていない。図9の回路における線形化の原理は、コンデンサCおよびインダクタLが、低周波数、とくに差周波数(f−f)において、Q1のベースとエミッタとの間でACショートとして働くことに基づいている。RFでは、インダクタLのインピーダンスが高いと、コンデンサCが、Q1のベースおよびエミッタをACショートするのを防ぎ、Q1はトランスコンダクタとして働く。
図10では、線形化回路34’は、Q1のエミッタと接地との間に接続されている第1の直列のLCネットワークL1/C1と、Q1のベース接地との間に接続されている第2の直列のLCネットワークL2/C2とで構成されている。コンデンサC1およびC2はDCブロッキングコンデンサ(DC blocking capacitor)であり、そのキャパシタンスは、差周波数(f−f)において低インピーダンスを確実に接地するのに十分な大きさである。インダクタL1およびL2は、f−fにおいてほぼDCショートであるので、f−fにおいて、Q1のエミッタはコンデンサC1によって、ベースはコンデンサC2によってそれぞれ一定に維持される。したがって、Vbeも一定である。Q1の出力は、そのコレクタである。図10のアプローチが他と異なる点は、線形化回路34’においてQ1のエミッタとベースとが接続されていないことである。したがって、本明細書では、特定の応用についての特定の実施形態を参照して、本発明を開示している。この技術において普通の技能を有し、かつ本発明の教示を利用する者は、本発明の技術的範囲内における追加の変更、応用、および実施形態が分かるであろう。例えば、トランジスタQ1はカスコードトランジスタであってもよく;エミッタデジェネレーション回路はトランスコンダクタであってもよく;本発明をRFミキサまたは他の回路と共に動作させてもよく;および/またはトランジスタQ1は増幅器の入力トランジスタまたは能動ミキサであってもよい。さらに加えて、本発明はバイポーラ接合トランジスタ構成に制限されない。この教示の技術的範囲から逸脱することなく、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(Heterojunction bipolar transistor, HBT)か、または電界効果トランジスタ、例えばMOSFET、PN−接合FET、MESFET、PHEMTを使用してもよい。
したがって、本発明の特許請求項は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、このような応用、変更、実施形態の一部または全てをカバーすることが意図されている。
一般的な増幅器の出力電力対入力電力のグラフであって、基本信号と関係付けられている線形に補外された出力電力と、基本信号の線形に補外された出力電力から求められる三次相互変調歪みと関係付けられている線形に補外された出力電力との三次の交点を示すグラフ。 一般的なRF増幅器を示す図。 図1aの一般的なRF増幅器についての出力電圧対周波数のグラフであって、fおよびfにおける基本トーンと、これらの基本トーンから求められる二次歪みおよび三次歪みとを示すグラフ。 従来の教示にしたがって構成された三次相互変調生成物を軽減するための構成についての模式図。 本発明の教示にしたがって、三次相互変調歪みを軽減するための線形化回路が構成されている線形化された回路についての簡略化された模式図。 非反転単位利得バッファとして構成されている線形化回路を有する線形化された回路を示す図。 図4に類似しているが、チョークコイルが単位利得バッファの出力とQ1のベースとの間に挿入されているところが異なる図。 図5に類似しているが、線形化回路の端子間においてDCをずらすように構成されているところが異なる図。 図6に類似しているが、Q2のベースが単位利得バッファの出力に接続されているところが異なる図。 図7に類似しているが、本発明の教示にしたがって、Q3のエミッタフォロアが単位利得バッファに置き換わっているところが異なる図。 本発明の線形化された回路についての第1の代わりの実施形態を示す図。 本発明の線形化された回路についての第2の代わりの実施形態を示す図。

Claims (18)

  1. 干渉源の影響を受け、適応可能に接続されるトランジスタに対する歪みを軽減するための線形化回路であって、干渉があるときに、トランジスタの入力端子と共通端子とを横切る制御電圧により、(i)トランジスタへの2つの入力信号の差周波数と(ii)トランジスタへの入力搬送波の変調周波数との少なくとも一方を実質的にゼロにするように動作する線形化回路。
  2. 単位利得バッファがさらに構成されていて、単位利得バッファが、トランジスタの入力端子と共通端子との間に接続されている請求項1記載の線形化回路。
  3. インダクタがさらに構成されていて、インダクタが、トランジスタの入力端子と単位利得バッファの出力端子との間に置かれている請求項2記載の線形化回路。
  4. インダクタが、トランジスタの動作周波数バンドにおいて高インピーダンスであることによって特徴付けられ、動作周波数バンドにおいてトランジスタから単位利得バッファを切り離す請求項3記載の線形化回路。
  5. インダクタが、(i)トランジスタへの2つの入力信号の差周波数と(ii)トランジスタへの入力搬送波の変調周波数との少なくとも一方において低インピーダンスであることによって特徴付けられる請求項4記載の線形化回路。
  6. インダクタが、(i)トランジスタへの2つの入力信号の差周波数と(ii)トランジスタへの入力搬送波の変調周波数との少なくとも一方において低インピーダンスであることによって特徴付けられる請求項3記載の線形化回路。
  7. 基準電流ソースがさらに構成されている請求項1記載の線形化回路。
  8. 基準電流ソースがさらに構成されている請求項2記載の線形化回路。
  9. 線形化回路が、単位利得バッファを有するバイアス回路で構成されていて、
    単位利得バッファの入力端子へ接続される基準電流ソースと、
    単位利得バッファの出力端子と、トランジスタの入力端子との間に置かれているインダクタと、
    基準素子であって、その共通端子がトランジスタの共通端子に接続され、その出力端子が単位利得バッファの入力端子に接続される基準素子とがさらに構成されている請求項1記載の線形化回路。
  10. 基準素子の入力端子が、単位利得バッファの入力端子に接続されている請求項9記載の線形化回路。
  11. 基準素子の入力端子が、単位利得バッファの出力端子とインダクタとに接続されている請求項10記載の線形化回路。
  12. 線形化回路が、エミッタフォロアを有する線形化回路で構成されていて、
    エミッタフォロアの入力端子に接続されている基準電流と、
    エミッタフォロアの出力端子とトランジスタの入力端子との間に置かれているインダクタと、
    エミッタフォロアの入力端子とトランジスタの共通端子との間に置かれている基準素子とが構成されている請求項1記載の線形化回路。
  13. 基準素子とエミッタフォロアとが、電流ミラー構成で接続されている請求項12記載の線形化回路。
  14. 電流ミラー構成および基準電流ソースが共同して構成され、入力DCをずらす単位利得バッファとして働く請求項13記載の線形化回路。
  15. トランジスタの入力端子と共通端子とを接続するために、コンデンサと直列接続されたインダクタがさらに構成されている請求項1記載の線形化回路。
  16. トランジスタの共通端子と接地との間に接続されている第1の直列LCネットワークと、トランジスタの入力端子と接地との間に接続されている第2の直列LCネットワークとがさらに構成されている請求項1記載の線形化回路。
  17. 軽減される歪みが、相互変調歪み、混変調歪み、およびスペクトル再成長の中の少なくとも1つである請求項1記載の線形化回路。
  18. 単位利得バッファが、100%負のフィードバックを行う演算増幅器である請求項3記載の線形化回路。
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