JP2008306360A

JP2008306360A - 低雑音増幅器

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Publication number: JP2008306360A
Application number: JP2007150363A
Authority: JP
Inventors: Masahito Ishii; 井雅人石
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】雑音および消費電流を低減しつつ、所定の周波数を有する信号を増幅することが可能な低雑音増幅器を提供する。
【解決手段】本発明に係る低雑音増幅器１００は、信号波が入力される第１の端子１と、電源電位に一端が接続された可変電流源４と、可変電流源４と接地電位との間に接続された第１のトランジスタ２と、電源電位と接地電位との間に接続され、第１の端子にゲートが接続され、第１のトランジスタ２に流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れる第２のトランジスタ３と、電源電位と第２のトランジスタ３との間に接続され、増幅した信号を出力するための第２の端子１３と、可変電流源を制御するための制御回路１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信に用いられる低雑音増幅器および無線通信端末に関する。

従来の低雑音増幅器（ＬＮＡ：ＬｏｗＮｏｉｓｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）には、例えば、信号波が入力される入力端子と、電源電位に一端が接続された電流源と、電流源と接地電位との間に接続された第１のＭＯＳトランジスタと、電源電位と接地電位との間に接続され、入力端子にゲートが接続され、第１のＭＯＳトランジスタに流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れる第２のＭＯＳトランジスタと、電源電位と第２のＭＯＳトランジスタとの間に接続され、増幅した信号を出力するための出力端子と、第２のＭＯＳトランジスタと該接地電位との間に接続された第１のインダクタと、を備えるものがある。

上記低雑音増幅器において、通常、利得はインダクタの大きさ及び第２のＭＯＳトランジスタのドレインに流れる電流に依存する。

上記低雑音増幅器の入力端子には、所定の周波数を有する所望波が入力される。さらに、該入力端子には、該低雑音増幅器が設置された無線通信機器が出力した送信波が妨害波として入力され得る。

この場合、該送信波の強度が高くなると、第２のＭＯＳトランジスタの非線形性により利得の抑圧が起こる。

また、低域の雑音及び高域の雑音が、周波数変換により、所定の帯域において変換される雑音に重畳される。これにより、低雑音増幅器のノイズ特性が劣化する問題が生じ得る。

そこで、例えば、第２のＭＯＳトランジスタのゲートに接続された抵抗と接地電位との間に第１の容量を接続する。これにより、該抵抗の熱雑音や第２のＭＯＳトランジスタのゲート抵抗の雑音等を低減し、周波数変換による高域の雑音の重畳を低減する。

また、上記低雑音増幅器は、入力端子に一端が接続され、第２のトランジスタの信号入力端子に他端が接続された第２の容量と、入力端子に一端が接続され、他端が接地電位に接続された第２のインダクタと、を有するマッチング回路をさらに備える。

例えば、第２の容量を大きくし、第２のインダクタを小さくする。これにより、低域の熱雑音やフリッカノイズにより生じた雑音を逃がすパスが形成される。これにより、低域の雑音劣化が低減される。

しかし、第２の容量が低雑音増幅器にＩＣとして内蔵される場合、第２の容量を大きくするとレイアウト面積が増大してしまう。

したがって、上記低雑音増幅器においては、第２の容量をある一定以上の容量値にはできないため、低域の雑音によるノイズ特性の劣化が生じ得る。

また、上記低雑音増幅器では、ある一定以上の強度を有する送信波が入力されると、第２のＭＯＳトランジスタの非線形性により利得の劣化が起こる。例えば、この利得の劣化を回避するために、電流源の出力電流を増加させ、第１のインダクタを大きくする。これにより、第２のＭＯＳトランジスタの線形性を高めることができるが、消費電力の増大を招く問題がある。

ここで、他の低雑音増幅器には、強電界の妨害波信号が入力されるときに利得抑圧を低減するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、上記低雑音増幅器は、入力される信号の強度が小さければ、所定の周波数と異なる周波数を有する信号が入力されても同様に増幅動作し、増幅された信号に雑音が含まれることになる。すなわち、所望の信号増幅ができないという問題がある。
特開２００３−２１８６５３号公報

本発明は、雑音および消費電流を低減しつつ、所定の周波数を有する信号を増幅することが可能な低雑音増幅器を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る低雑音増幅器は、入力された所定の周波数を有する第１の信号波を増幅して出力するための低雑音増幅器であって、前記第１の信号波を含む信号波が入力される第１の端子と、電源電位に一端が接続された可変電流源と、前記可変電流源と接地電位との間に接続された第１のトランジスタと、前記電源電位と前記接地電位との間に接続され、前記第１の端子に信号入力端子が接続され、前記第１のトランジスタに流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れる第２のトランジスタと、前記電源電位と前記第２のトランジスタとの間に接続され、増幅した信号を出力するための第２の端子と、前記可変電流源を制御するための制御回路と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る無線通信端末は、アンテナを介して信号波を送受信する無線通信端末であって、入力された所定の周波数を有する第１の信号波を増幅して出力するための低雑音増幅器であって、前記第１の信号波を含む信号波が前記アンテナを介して入力される第１の端子と、電源電位に一端が接続された可変電流源と、前記可変電流源と接地電位との間に接続された第１のトランジスタと、前記電源電位と前記接地電位との間に接続され、前記第１の端子に信号入力端子が接続され、前記第１のトランジスタに流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れる第２のトランジスタと、前記電源電位と前記第２のトランジスタとの間に接続され、増幅した信号を出力するための第２の端子と、前記可変電流源を制御するための制御回路と、を有する低雑音増幅器と、前記第１の信号波と異なる周波数の第２の信号波を、前記アンテナを介して出力する送信波生成回路と、前記第２の信号波に関する情報を含む制御信号を前記送信波生成回路に出力して、前記送信波生成回路の第２の信号波の出力を制御する送信波制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第２の信号波に関する情報に基づいて、前記第２の信号波の出力を認識した場合には、前記可変電流源の出力電流を増加させるように制御することを特徴とする。

本発明の一態様に係る低雑音増幅器によれば、雑音および消費電流を低減しつつ、所定の周波数を有する信号を増幅することができる。

以下、本発明に係る実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一態様である実施例１に係る低雑音増幅器の要部構成を示す回路図である。

図１においては、トランジスタとして、ｎ型ＭＯＳトランジスタを用いているが、ｐ型ＭＯＳトランジスタを用いてもよい。また、ＭＯＳトランジスタに代えて、バイポーラトランジスタを選択してもよい。

図１に示すように、低雑音増幅器１００は、第１の信号波（所望波）を含む信号波が入力される入力端子である第１の端子１と、ｎ型ＭＯＳトランジスタである第１のトランジスタ２と、ｎ型ＭＯＳトランジスタである第２のトランジスタ３と、可変電流源４と、第１の抵抗５、第２の抵抗６、容量７、第１のインダクタ８、第２のインダクタ９、第３のトランジスタ１０、定電圧源１１、容量１２、増幅した信号を出力するための出力端子である第２の端子１３と、を備える。

さらに、低雑音増幅器１００は、マッチング回路１４と、可変電流源４を制御するための制御回路１５と、を備える。

可変電流源４は、電源電位ＶＤＤに一端が接続されている。

第１のトランジスタ２は、可変電流源４と接地電位ＶＳＳとの間に接続されている。この第１のトランジスタ２のゲートは、第１の抵抗５を介してドレインに接続されている。すなわち、第１のトランジスタ２は、ダイオード接続されている。

第２のトランジスタ３は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＶＳＳとの間に接続されている。この第２のトランジスタ３のゲートは、第１のトランジスタのゲートに、第１、第２の抵抗５、６を介して、接続されている。これにより、第１のトランジスタ２と第２のトランジスタ３とは、カレントミラー回路を構成する。すなわち、第２のトランジスタ３には、第１のトランジスタ２に流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れるようになっている。

また、第２のトランジスタ３のゲートは、マッチング回路１４を介して第１の端子１３に接続されている。

第１のインダクタ８は、第２のトランジスタ３と接地電位ＶＳＳとの間に接続されている。

第２のインダクタ９は、電源電位ＶＤＤと第２のトランジスタ３と間に接続されている。この第２のインダクタ９と第２のトランジスタ８との間には、第３のトランジスタ１０が接続されている。この第３のトランジスタ１０のゲートは、定電圧源１１によりバイアスされている。

第１の抵抗５は、図１に示すように、第１のトランジスタ５のゲートに一端が接続されている。

第２の抵抗６は、図１に示すように、第１の抵抗５の他端に一端が接続され、第２のトランジスタ３のゲートに他端が接続されている。

容量７は、第１の抵抗５と第２の抵抗６との接続点１６と、接地電位ＶＳＳと、の間に接続されている。この容量７により、第１、第２の抵抗５、６の熱雑音や第２のＭＯＳトランジスタ３のゲート抵抗の雑音等を低減し、周波数変換による高域の雑音の重畳を低減するようになっている。

マッチング回路１４は、第１の端子１と第２のトランジスタ３のゲートとの間に直列に接続された、容量１４ａと、容量１４ｃとを有し、さらに、第１の端子１に容量１４ｃを介して一端が接続され、他端が接地電位ＶＳＳに接続された第３のインダクタ１４ｂを有する。

例えば、容量１４ａを大きくし、第３のインダクタ１４ｂを小さくする。これにより、低域の熱雑音やフリッカノイズにより生じた雑音を逃がすパスが形成される。これにより、低域の雑音劣化が低減されるようになっている。

第２の端子１３は、電源電位ＶＤＤと第２のトランジスタ３との間、すなわち、第２のインダクタ９と第３のトランジスタ１０との間に、容量１２を介して、接続されている。

制御回路１５は、制御信号Ｓ１に応じて、可変電流源４の出力電流を増加させるようになっている。この制御信号Ｓ１には、第１の信号波（所望波）と異なる周波数の第２の信号波（送信波）を出力する回路（図示せず）を制御するための第２の信号波に関する情報が含まれている。この第２の信号波に関する情報には、例えば、第２の信号波のシリアルデータやゲインコントロールデータ等が含まれる。

すなわち、制御回路１５は、制御信号Ｓ１が入力されると、この制御信号Ｓ１に含まれる上記情報に基づいて、第２の信号波の出力の有無を認識する。そして、制御回路１５は、この第２の信号波の該回路からの出力を認識した場合には、可変電流源４の出力電流を増加させるように制御するようになっている。

以上の構成により、低雑音増幅器１００は、第１の端子１から入力された所定の周波数を有する第１の信号波（所望波）を増幅して、第２の端子１３から出力するようになっている。

次に、以上の構成を有する低雑音増幅器１００の特性について説明する。図２は、所望波と送信波が入力された場合における、従来の低雑音増幅器の増幅した信号の出力特性を示す図である。また、図３は、所望波と送信波が入力された場合における、本実施例１に係る低雑音増幅器１００の増幅した信号の出力特性を示す図である。

図１に示すように、まず、第１の端子１に信号波が入力されると、マッチング回路１４を介して、第２のトランジスタ３のゲートに信号波に応じた電圧がバイアスされ、第２のトランジスタ３に流れる電流が変化する。この電流に応じて、第２の端子１３から出力される電圧が変化する。

すなわち、第１の端子１に入力された信号波に応じた電圧が増幅されて第２の端子１３に出力される。

ここで、第２のトランジスタ３のソース接地回路のダイナミックレンジＤは、ｇｍ＊Ｚｓ＞＞1の時、式（１）で表される。なお、ｇｍは第２のトランジスタ３の相互インダクタンス、Ｚｓは、第２のインダクタ８のインピーダンスである。
Ｄ＝ｇｍ＊Ｚｓ・・・（１）

信号波の強度が、式（１）で表されるダイナミックレンジの臨界近辺に達すると、第２のトランジスタ３の歪みが劣化し、利得抑圧の原因となる。

第２のトランジスタ３の歪みが劣化すると、低域の雑音や高域の雑音と送信波の周波数変換利得が増し、雑音劣化してしまう。

図２に示すように、従来の低雑音増幅器においては、第２のトランジスタ３のゲートに送信波が入力されると利得の抑圧と雑音特性の劣化が起こる。

そこで、実施例１に係る低雑音増幅器１００においては、制御信号Ｓ１の入力に基づいて送信波が入力されることを認識すると、制御回路１４により可変電流源１５の出力電流を増加させて、第１、第２のトランジスタ２、３に流れる電流を増加させる。

ここで、第２のトランジスタ３のｇｍは、電流の２乗根に比例する。したがって、第２のトランジスタ３に流れる電流が増えるとソース接地回路のダイナミックレンジも増える。これにより、第２のトランジスタ３の歪みが抑圧され、既述の利得抑圧の原因も低減される。

また、同時に第２のトランジスタ３の歪みが抑圧されることにより、低域の雑音、高域の雑音、送信波の周波数変換利得が低くなる。したがって、雑音特性の劣化を低減させることができる（図３）。

また、制御回路１５は、第２の信号波（送信波）が入力された場合に可変電流源４の出力電流を増加させ、第２の信号波（送信波）が入力されていない場合は、可変電流源４の出力電流を減少させる。したがって、従来技術と比較して、低雑音増幅器１００の消費電流を低減することができる。

ここで、上記構成を有する低雑音増幅器１００を、携帯電話、無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）端末、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）等の無線通信端末に適用した例について説明する。

図４は、図１に示す低雑音増幅器１００が適用される無線通信端末２００の一例を示す図である。

図４に示すように、無線通信端末２００は、例えば、アンテナ２０１と、このアンテナ２０１を送受信に用いるためのデュアルプレクサ２０２と、このデュアルプレクサ２０２を介して入力された信号波をフィルタリングするための第１のフィルタ２０３と、フィルタリングされた信号波を増幅するための本実施例に係る低雑音増幅器１００と、を備える。

上記構成により、所望波を含む信号波はアンテナ２０１を介して、低雑音増幅器１００の第１の端子（入力端子）１に入力されるようになっている。

さらに、無線通信端末２００は、低雑音増幅器１００の出力をフィルタリングする第２のフィルタ２０４と、フィルタリングされた低雑音増幅器１００の出力を復調するための直交復調器２０５と、局部発振器２０６と、を備える。

直交復調器２０５は、第１のミキサ２０５ａと、第２のミキサ２０５ｂと、局部発振器２０６の発振信号を受けて所定の位相差の信号を第１、第２のミキサ２０５ａ、２０５ｂに出力する位相器２０５ｃと、を有する。低雑音増幅器１００の第２の端子（出力端子）１３が第１、第２のミキサ２０５ａ、２０５ｂに接続される。

さらに、無線通信端末２００は、第１のミキサ２０５ａの出力をフィルタリングする第３のフィルタ２０７と、第２のミキサ２０５ｂの出力をフィルタリングする第４のフィルタ２０８と、フィルタリングされた第１のミキサ２０５ａの出力を増幅する第１の増幅器２０９と、フィルタリングされた第２のミキサ２０５ｂの出力を増幅する第２の増幅器２１０と、を備える。

さらに、無線通信端末２００は、第１、第２の増幅器２０９、２１０の出力を処理する受信処理回路２１１を備える。この受信処理回路２１１は、例えば、第１、第２の増幅器２０９、２１０の出力をデジタル処理し、所望波に含まれた情報を他の内部回路（図示せず）に伝達するようになっている。

さらに、無線通信端末２００は、送信波制御回路２１２と、送信波生成回路２１３と、電力増幅回路（ＰＡ：ＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）２１４と、を備える。

送信波生成回路２１３は、所望波と異なる周波数の送信波を生成し、電力増幅回路２１４、デュアルプレクサ２０２、およびアンテナ２０１を介して出力するようになっている。

送信波制御回路２１２は、送信波に関する情報を含む制御信号Ｓ１を送信波生成回路２１３に出力して、送信波生成回路２１３の送信波の出力を制御するようになっている。送信波に関する情報には、例えば、シリアルデータやゲインコントロールデータが含まれる。

ここで、低雑音増幅器１００の制御回路１５は、制御信号Ｓ１が入力され、送信波に関する情報に基づいて、送信波生成回路２１３による送信波の出力の有無を認識する。そして、制御回路１５は、送信波の出力を認識した場合には、可変電流源４の出力電流を増加させるように制御する。

以上の構成により、無線通信端末２００において、低雑音増幅器１００の第２のトランジスタ３の歪みが抑圧され、既述の利得抑圧の原因も低減される。また、同時に第２のトランジスタ３の歪みが抑圧されることにより、低域の雑音、高域の雑音、送信波の周波数変換利得が低くなる。したがって、雑音特性の劣化を低減させることができる。

以上のように、本実施例に係る低雑音増幅器によれば、雑音および消費電流を低減しつつ、所定の周波数を有する信号を増幅することができる。

本発明の一態様である実施例１に係る低雑音増幅器の要部構成を示す回路図である。所望波と送信波が入力された場合における、従来の低雑音増幅器の増幅した信号の出力特性を示す図である。所望波と送信波が入力された場合における、本実施例１に係る低雑音増幅器１００の増幅した信号の出力特性を示す図である。図１に示す低雑音増幅器が適用される無線通信端末の一例を示す図である。

符号の説明

１第１の端子（入力端子）
２第１のトランジスタ
３第２のトランジスタ
４可変電流源
５第１の抵抗
６第２の抵抗
７容量
８第１のインダクタ
９第２のインダクタ
１０第３のトランジスタ
１１定電圧源
１２容量
１３第２の端子（出力端子）
１４マッチング回路
１４ａ容量
１４ｂ第３のインダクタ
１４ｃ容量
１５制御回路
１６接続点
１００低雑音増幅器
２００無線通信端末
２０１アンテナ
２０２デュアルプレクサ
２０３第１のフィルタ
２０４第２のフィルタ
２０５直交復調器
２０５ａ第１のミキサ
２０５ｂ第２のミキサ
２０６局部発振器
２０７第３のフィルタ
２０８第４のフィルタ
２０９第１の増幅器
２１０第２の増幅器
２１１受信処理回路
２１２送信波制御回路
２１３送信波生成回路
２１４電力増幅回路（ＰＡ）

Claims

入力された所定の周波数を有する第１の信号波を増幅して出力するための低雑音増幅器であって、
前記第１の信号波を含む信号波が入力される第１の端子と、
電源電位に一端が接続された可変電流源と、
前記可変電流源と接地電位との間に接続された第１のトランジスタと、
前記電源電位と前記接地電位との間に接続され、前記第１の端子に信号入力端子が接続され、前記第１のトランジスタに流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れる第２のトランジスタと、
前記電源電位と前記第２のトランジスタとの間に接続され、増幅した信号を出力するための第２の端子と、
前記可変電流源を制御するための制御回路と、を備える
ことを特徴とする低雑音増幅器。
前記制御回路は、
前記第１の信号波と異なる周波数の第２の信号波を出力する回路を制御するための前記第２の信号波に関する情報に基づいて、前記第２の信号波の出力を認識した場合には、前記可変電流源の出力電流を増加させるように制御し、前記第２の信号波の出力を認識しない場合には、前記可変電流源の出力電流を減少させるように制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の低雑音増幅器。
前記第１のトランジスタの信号入力端子に一端が接続された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端に一端が接続され、前記第２のトランジスタの信号入力端子に他端が接続された第２の抵抗と、
前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との間の接続点と、前記接地電位と、の間に接続された第１の容量と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の低雑音増幅器。
前記第１の端子と前記第２のトランジスタの信号入力端子との間に接続された第２の容量と、前記第１の端子に一端が接続され、他端が前記接地電位に接続されたインダクタと、を有するマッチング回路をさらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の低雑音増幅器。
アンテナを介して信号波を送受信する無線通信端末であって、
入力された所定の周波数を有する第１の信号波を増幅して出力するための低雑音増幅器であって、前記第１の信号波を含む信号波が前記アンテナを介して入力される第１の端子と、電源電位に一端が接続された可変電流源と、前記可変電流源と接地電位との間に接続された第１のトランジスタと、前記電源電位と前記接地電位との間に接続され、前記第１の端子に信号入力端子が接続され、前記第１のトランジスタに流れる電流をカレントミラーしたミラー電流が流れる第２のトランジスタと、前記電源電位と前記第２のトランジスタとの間に接続され、増幅した信号を出力するための第２の端子と、前記可変電流源を制御するための制御回路と、を有する低雑音増幅器と、
前記第１の信号波と異なる周波数の第２の信号波を、前記アンテナを介して出力する送信波生成回路と、
前記第２の信号波に関する情報を含む制御信号を前記送信波生成回路に出力して、前記送信波生成回路の第２の信号波の出力を制御する送信波制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第２の信号波に関する情報に基づいて、前記第２の信号波の出力を認識した場合には、前記可変電流源の出力電流を増加させるように制御する
ことを特徴とする無線通信端末。