JP2009100025A - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、無線通信システムなどの通信装置に用いられる増幅器の利得を切り替える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that switches a gain of an amplifier used in a communication device such as a wireless communication system.
携帯端末や無線LANのような無線通信システムにおいて高精度な通信を実現するには、受送信する信号を正確に増幅し且つ変復調する必要がある為、無線通信システムを構成する各回路ブロックが良好なNF特性や歪み特性を満たすことが重要となる。 In order to realize highly accurate communication in a wireless communication system such as a portable terminal or a wireless LAN, it is necessary to accurately amplify and modulate / demodulate a signal to be transmitted / received. Therefore, each circuit block constituting the wireless communication system is good. It is important to satisfy proper NF characteristics and distortion characteristics.
一般的には、大きな信号が入力する時の信号精度は、主に各回路ブロックの線形性に左右される為、大きな信号によって後段の回路ブロックが歪むことのないように出力信号レベルを調整する必要がある。例えば、低雑音増幅器(以下「LNA」という)においては、良好なNF特性を満たすように利得を切り替える必要がある。 In general, the signal accuracy when a large signal is input depends mainly on the linearity of each circuit block. Therefore, the output signal level is adjusted so that the subsequent circuit block is not distorted by the large signal. There is a need. For example, in a low noise amplifier (hereinafter referred to as “LNA”), it is necessary to switch the gain so as to satisfy good NF characteristics.
従来の高周波回路の利得切り替え手法には、カスコード構成の増幅器においてカスコード段を流れる出力電流比を切り替える手法1、縮退インダクタの大きさを可変させる手法2及び利得モードに応じて回路構成を変える手法3などがある。 Conventional high-frequency circuit gain switching methods include a method 1 for switching an output current ratio flowing through a cascode stage in a cascode amplifier, a method 2 for changing the size of a degenerate inductor, and a method 3 for changing a circuit configuration according to a gain mode. and so on.
手法1は、カスコード構成の増幅器に適用される。しかし、手法1では、その線形性は主に入力段のソース接地回路のトランスコンダクタンス(Gm)の非線形性に依存する為、線形性自体は高利得時/低利得時で変わらず、良好なNF特性が得られるが、大きな信号が入力する時の線形性が損なわれるという課題がある。 Method 1 is applied to an amplifier having a cascode configuration. However, in Method 1, since the linearity mainly depends on the non-linearity of the transconductance (Gm) of the source grounded circuit of the input stage, the linearity itself does not change at high gain / low gain, and good NF Although characteristics can be obtained, there is a problem that the linearity when a large signal is input is impaired.
手法2は、線形性の改善効果が得られる。しかし、手法2では、利得切り替えに伴う入力インピーダンスの変動を補償する入力インピーダンス補償を行う必要がある為、補償用回路の追加により損失等が増え、NF特性が劣化するという課題がある。 Method 2 can improve the linearity. However, in Method 2, since it is necessary to perform input impedance compensation that compensates for fluctuations in input impedance caused by gain switching, there is a problem in that loss and the like increase due to the addition of a compensation circuit and NF characteristics deteriorate.
手法3は、幾つかの回路構成が考えられる。例えば、高利得時にはソース接地回路を使用し、低利得時にはゲート接地回路を使用する構成が考えられる。しかし、手法3では、各利得モードに対して独立したバイアスを確保する事及び高利得モード時に低利得モード用のブロック側で発生する雑音の影響が見えないようにする事を目的として、大きな容量とスイッチを使用して信号経路を切る必要がある為、面積が増大し、入力インピーダンス補償を必要とし且つスイッチの非線形性の影響を受けやすくなり低利得モード側の歪み特性が劣化するという課題がある。 In Method 3, several circuit configurations can be considered. For example, a configuration in which a common source circuit is used at high gain and a common gate circuit is used at low gain is conceivable. However, Method 3 has a large capacity for the purpose of ensuring an independent bias for each gain mode and making the effects of noise generated on the block side for the low gain mode invisible in the high gain mode. Since it is necessary to cut the signal path using a switch, the area increases, input impedance compensation is required, and it is easy to be affected by the nonlinearity of the switch, resulting in degradation of distortion characteristics on the low gain mode side. is there.
例えば、特許文献1は、利得モードに応じて回路構成を変える手法3を開示している。しかし、特許文献1は、入力インピーダンス補償を実現し且つスイッチ事態の非線形性を抑制するものではない。
本発明の目的は、面積の増加及びLNAの歪み特性の劣化を抑制し且つ入力インピーダンス補償を実現する半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that suppresses an increase in area and deterioration of distortion characteristics of an LNA and realizes input impedance compensation.
本発明の第1態様によれば、高利得モード及び低利得モードを選択するモード選択部と、前記モード選択部によって高利得モードが選択された場合に動作する第1増幅器と、前記モード選択部によって低利得モードが選択された場合に動作する第2増幅器と、前記第1増幅器の入力容量を補償する補償素子、前記モード選択部によって低利得モードが選択された場合に前記補償素子をONにするスイッチ及び前記補償素子の歪特性を緩和する線形素子を有するインピーダンス調整部と、を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。 According to the first aspect of the present invention, a mode selection unit that selects a high gain mode and a low gain mode, a first amplifier that operates when a high gain mode is selected by the mode selection unit, and the mode selection unit A second amplifier that operates when the low gain mode is selected by the first amplifier, a compensation element that compensates for the input capacitance of the first amplifier, and the compensation element is turned on when the low gain mode is selected by the mode selection unit. And a impedance adjustment unit having a linear element that relaxes the distortion characteristics of the compensation element.
本発明によれば、面積の増加及びLNAの歪み特性の劣化を抑制し且つ入力インピーダンス補償を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress an increase in area and deterioration of distortion characteristics of an LNA and realize input impedance compensation.
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、以下の実施例は、本発明の実施の一形態であって、本発明の範囲を限定するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The following examples are one embodiment of the present invention and do not limit the scope of the present invention.
はじめに、本発明の実施例1について説明する。 First, Example 1 of the present invention will be described.
図1は、本発明の実施例1に係る半導体装置10の回路構成を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a
本発明の実施例1に係る半導体装置10は、第1増幅器(以下「LNA」という)11、第2LNA12、インピーダンス調整部13及びモード選択部14を備えている。
The
第1LNA11は、モード選択部14によって高利得モードが選択された場合に動作する増幅器である。第1LNA11は、キャパシタC111、MOSトランジスタM112、インダクタL113及びスイッチSW114を備えている。MOSトランジスタM112は、ソース接地回路である。
The first LNA 11 is an amplifier that operates when the high gain mode is selected by the
第2LNA12は、モード選択部14によって低利得モードが選択された場合に動作する増幅器である。第2LNA12は、キャパシタC121、MOSトランジスタM122、共振回路123及びスイッチSW124を備えている。MOSトランジスタM122は、ゲート接地回路である。
The second LNA 12 is an amplifier that operates when the low gain mode is selected by the
共振回路123は、所望の周波数帯において十分に高いインピーダンスとなるように、インダクタ及びキャパシタからなるLC並列共振回路、インダクタ並びにトランジスタを有する。
The
図1の半導体装置10において、第1LNA11がMOSトランジスタM112からなるソース接地回路で構成され、第2LNA12がMOSトランジスタM122からなるゲート接地回路で構成されているので、高利得モード時には第1LNA11がソース接地回路として動作し、低利得モード時には第2LNA12がゲート接地回路として動作する。
In the
インピーダンス調整部13は、補償素子C131、スイッチSW132及び線形素子C133を備えている。
The
補償素子C131は、第1LNA11の入力容量(以下「入力インピーダンス」という)を補償するための素子である。補償素子C131の入力インピーダンス補償用の容量の素子値は、第1LNA11のMOSトランジスタM112の入力インピーダンスであるキャパシタC111の素子値と等しくなるように設定されている。
The compensation element C131 is an element for compensating the input capacitance (hereinafter referred to as “input impedance”) of the
スイッチSW132は、モード選択部14によって低利得モードが選択された場合に補償素子C131をONにする。
The switch SW132 turns on the compensation element C131 when the
モード選択部14は、高利得モード及び低利得モードを選択する。モード選択部14は、スイッチSW141,142を備えている。モード選択部14は、高利得モードを選択する場合には、スイッチSW141をオンにし且つスイッチSW142をオフにする。モード選択部14は、低利得モードを選択する場合には、第1LNA11の入力インピーダンスが0になるようにスイッチSW141をオフにし且つスイッチSW142をオンにする。モード選択部14は、高利得モード又は低利得モードを切り替える際に、第1LNA11のトランジスタM112又は第2LNA12のトランジスタM122のゲート・ソース間電位が十分低くなるようにする。
The
図2A〜Cは、本発明の実施例1に係る半導体装置10の動作を説明する概略図である。
2A to 2C are schematic diagrams illustrating the operation of the
図2Aは、図1の半導体装置10の第1LNA11、第2LNA12及びインピーダンス調整部13を部分的に示している。なお、ブロックAは、第2LNA12のキャパシタC121、MOSトランジスタM122及び共振回路123である。
2A partially shows the
図2Bは、図2Aの半導体装置10の高利得モード時の状態を示している。図2Bに示されるように、本発明の実施例1に係る半導体装置10は、高利得モード時には第1LNA11のスイッチSW114をオンにし且つ第2LNA12のスイッチSW124及びインピーダンス調整部13のスイッチSW132をオフにしてソース接地回路のみが動作するようにする。
FIG. 2B shows a state of the
図2Cは、図2Aの半導体装置10の低利得モード時の状態を示している。図2Cに示されるように、本発明の実施例1に係る半導体装置10は、低利得モード時には第2LNA12のスイッチSW124及びインピーダンス調整部13のスイッチSW132をオンにし且つ第1LNA11のスイッチSW114をオフにしてゲート接地回路のみが動作するようにする。
FIG. 2C shows a state of the
次に、本発明の実施例1に係る半導体装置10の入力インピーダンスについて説明する。
Next, the input impedance of the
図2Aの第1LNA11の入力インピーダンスZinは、式1に示される。式1に示されるように、入力インピーダンスZinの実部はGmLs/Cgsで表される。
本発明の実施例1に係る半導体装置10は、高利得モードの時に所望の特性インピーダンスZ0に対して入力整合をとった場合には、利得を切り替える時の入力インピーダンス変動を補償する為に、第2LNA12の入力インピーダンスの実部もZ0になるように第2LNA12のMOSトランジスタM122を動作させる。
The
本発明の実施例1によれば、第1LNA11のゲート・ソース間に接続される線形素子C133に対して、第1LNA11のキャパシタC111と同じ素子値を持つ補償素子C131とスイッチSW132とが直列に接続された構成からなるブロックが並列に接続された構成を有するインピーダンス調整部13により、従来と比べて、損失の低減及びスイッチSW132の非線形性の緩和が実現でき、ひいては、面積の増加及びLNAの歪み特性の劣化を抑制し且つ入力インピーダンス補償を達成することができる。
According to the first embodiment of the present invention, the compensation element C131 having the same element value as the capacitor C111 of the
次に、本発明の実施例2について説明する。本発明の実施例1は、キャパシタ、MOSトランジスタ及び共振回路からなるブロックを含む第2増幅器(以下「LNA」という)を備える半導体装置の例であるが、本発明の実施例2は、アッテネータを含む第2LNAを備える半導体装置の例である。なお、本発明の実施例1と同様の内容についての説明は省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. The first embodiment of the present invention is an example of a semiconductor device including a second amplifier (hereinafter referred to as “LNA”) including a block including a capacitor, a MOS transistor, and a resonance circuit, but the second embodiment of the present invention includes an attenuator. It is an example of a semiconductor device provided with the 2nd LNA containing. In addition, the description about the content similar to Example 1 of this invention is abbreviate | omitted.
図3は、本発明の実施例2に係る半導体装置20の回路構成を示す回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the
本発明の実施例2に係る半導体装置20は、第1LNA21、第2LNA22、インピーダンス調整部23及びモード選択部24を備えている。
The
第1LNA21は、モード選択部24によって高利得モードが選択された場合に動作する増幅器である。第1LNA21は、キャパシタC211、MOSトランジスタM212、インダクタL213及びスイッチSW214を備えている。MOSトランジスタMは、ソース接地回路である。
The
第2LNA22は、モード選択部24によって低利得モードが選択された場合に動作する増幅器である。第2LNA22は、アッテネータATT221及びスイッチSW224を備えている。第2LNA22は、高利得モード時にはソース接地回路として動作し、低利得モード時にはアッテネータATT221により利得を減衰させるように動作する。
The
インピーダンス調整部23は、補償素子C231、スイッチSW232及び線形素子C233を備えている。
The
補償素子C231は、第1LNA21の入力容量(以下「入力インピーダンス」という)を補償するための素子である。補償素子C231の入力インピーダンス補償用の容量の素子値は、第1LNA21のMOSトランジスタM212の入力インピーダンスであるキャパシタC211の素子値と等しくなるように設定されている。
The compensation element C231 is an element for compensating the input capacitance (hereinafter referred to as “input impedance”) of the
スイッチSW232は、モード選択部24によって低利得モードが選択された場合に補償素子C231をONにする。
The switch SW232 turns on the compensation element C231 when the low gain mode is selected by the
モード選択部24は、高利得モード及び低利得モードを選択する。モード選択部24は、高利得モードを選択する場合には、図示されないスイッチをオンにする。モード選択部24は、低利得モードを選択する場合には、第1LNA21の入力インピーダンスが0になるように図示されないスイッチをオフにする。
The
本発明の実施例2に係る半導体装置20は、高利得モード時には第1LNA21のスイッチ214をオンにし且つ第2LNA22のスイッチSW224及びインピーダンス調整部23のスイッチSW232をオフにしてソース接地回路のみが動作するようにする。
In the
本発明の実施例2に係る半導体装置20は、低利得モード時には第1LNA21のスイッチSW214をオフにして第2LNA22のアッテネータATT221のみが動作するようにする。
In the
図4は、図3のアッテネータATT221の構成例を示す回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of the
図3のアッテネータATT221は、例えば図4に示すような素子221A〜Cからなるπ型アッテネータである。アッテネータATT221は、スイッチSWを介してグラウンドGNDに接続され、低利得モード時にオンとなるように制御する。アッテネータATT221は、モード選択部24によって低利得モードが選択された時に、高利得モードが選択された時の実数部(抵抗成分)と同じ入力インピーダンスとなるように制御する。
The
なお、素子221A〜Cは、キャパシタであっても良いし、抵抗であっても良い。
Note that the
本発明の実施例2に係る半導体装置20は、高利得モードの時に所望の特性インピーダンスZ0に対して入力整合をとった場合には、利得を切り替える時の入力インピーダンス変動を補償する為に、第2LNA22の入力インピーダンスの実部もZ0になるように第2LNA22のアッテネータATT221の入力インピーダンスを調整する。
The
また、アッテネータATT221のみを信号経路に挿入して動作させる場合には、減衰量と同等のアイソレーション量しか確保できない。その為、回路動作に影響のないアイソレーション量を確保できる程度の減衰量に設定される。
Further, when only the
本発明の実施例2によれば、アッテネータATT221によって第2LNA22が構成された場合であっても、本発明の実施例1と同様の効果を得ることができる。
According to the second embodiment of the present invention, even when the
次に、本発明の実施例3について説明する。本発明の実施例1は、キャパシタ、MOSトランジスタ及び共振回路からなるブロックを含む第2増幅器(以下「LNA」という)を備える半導体装置の例であるが、本発明の実施例3は、フィルタを含む第2LNAを備える半導体装置の例である。なお、本発明の実施例1,2と同様の内容についての説明は省略する。 Next, Embodiment 3 of the present invention will be described. The first embodiment of the present invention is an example of a semiconductor device including a second amplifier (hereinafter referred to as “LNA”) including a block including a capacitor, a MOS transistor, and a resonance circuit, but the third embodiment of the present invention includes a filter. It is an example of a semiconductor device provided with the 2nd LNA containing. In addition, the description about the content similar to Example 1, 2 of this invention is abbreviate | omitted.
図5は、本発明の実施例3に係る半導体装置30の回路構成を示す回路図である。 FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the semiconductor device 30 according to the third embodiment of the present invention.
本発明の実施例3に係る半導体装置30は、第1LNA31、第2LNA32、インピーダンス調整部33及びモード選択部34を備えている。
The semiconductor device 30 according to the third embodiment of the present invention includes a
第1LNA31は、モード選択部34によって高利得モードが選択された場合に動作する増幅器である。第1LNA31は、キャパシタC311、MOSトランジスタM312、インダクタL313及びスイッチSW314を備えている。MOSトランジスタM312は、ソース接地回路である。
The
第2LNA32は、モード選択部34によって低利得モードが選択された場合に動作する増幅器である。第2LNA32は、キャパシタC321、MOSトランジスタM322、スイッチSW324、インダクタL325及びタンク326を備えている。MOSトランジスタM322は、ゲート接地回路である。
The
インダクタL325及びタンク236から構成されるフィルタは、モード選択部34によって低利得モードが選択された時に、高利得モードが選択された時の実数部(抵抗成分)と同じ入力インピーダンスとなるように制御する。
The filter composed of the inductor L325 and the tank 236 is controlled so that when the low gain mode is selected by the
図5の半導体回路30において、第1LNA31がMOSトランジスタM312からなるソース接地回路で構成され、第2LNA32がMOSトランジスタM322からなるゲート接地回路で構成されているので、高利得モード時には第1LNA31がソース接地回路として動作し、低利得モード時には第2LNA32がゲート接地回路として動作する。
In the semiconductor circuit 30 of FIG. 5, since the
インピーダンス調整部33は、補償素子C331、スイッチSW332及び線形素子C333を備えている。
The
補償素子C331は、第1LNA31の入力容量(以下「入力インピーダンス」という)を補償するための素子である。補償素子C331の入力インピーダンス補償用の容量の素子値は、第1LNA31のMOSトランジスタM312の入力インピーダンスであるキャパシタC311の素子値と等しくなるように設定されている。
The compensation element C331 is an element for compensating the input capacitance (hereinafter referred to as “input impedance”) of the
スイッチSW332は、モード選択部34によって低利得モードが選択された場合に補償素子C331をONにする。
The switch SW332 turns on the compensation element C331 when the low gain mode is selected by the
モード選択部34は、高利得モード及び低利得モードを選択する。モード選択部34は、スイッチSW341,342を備えている。モード選択部34は、高利得モードを選択する場合には、スイッチSW341をオンにし且つスイッチSW342をオフにする。モード選択部34は、低利得モードを選択する場合には、第1LNA31の入力インピーダンスが0になるようにスイッチSW341をオフにし且つスイッチSW342をオンにする。モード選択部34は、高利得モード又は低利得モードを切り替える際に、第1LNA31のトランジスタM312又は第2LNA32のトランジスタM322のゲート・ソース間電位が十分低くなるようにする。
The
本発明の実施例3に係る半導体装置30は、高利得モードの時に所望の特性インピーダンスZ0に対して入力整合をとった場合には、利得を切り替える時の入力インピーダンス変動を補償する為に、第2LNA32の入力インピーダンスの実部もZ0になるように第2LNA32のMOSトランジスタM322を動作させる。また、第2LNA32には、第1LNA31のスイッチSW314をオフにした事により見えなくなるインダクタL313と同じ素子値のインダクタL325が端子Y´〜Z´間に挿入される。
The semiconductor device 30 according to the third embodiment of the present invention, when taking input matching for the desired characteristic impedance Z 0 at the time of the high gain mode, in order to compensate for the input impedance change when switching the gain, the real part of the input impedance of the 2LNA32 also operate the MOS transistor M322 of the 2LNA32 such that Z 0. Further, in the
なお、本発明の実施例3に係る半導体装置30の動作は本発明の実施例1に係る半導体装置10の動作と同様であるので、説明を省略する。
The operation of the semiconductor device 30 according to the third embodiment of the present invention is the same as the operation of the
本発明の実施例3によれば、インダクタL325及びタンク326を含むフィルタによって第2LNA32が構成された場合であっても、本発明の実施例1と同様の効果を得ることができる。
According to the third embodiment of the present invention, even when the
10,20,30 半導体装置
11,21,31 第1LNA
12,22,32 第2LNA
13,23,33 インピーダンス調整部
14,24,34 モード選択部
10, 20, 30
12, 22, 32 2nd LNA
13, 23, 33
Claims (5)
前記モード選択部によって高利得モードが選択された場合に動作する第1低雑音増幅器と、
前記モード選択部によって低利得モードが選択された場合に動作する第2増幅器と、
前記第1増幅器の入力容量を補償する補償素子、前記モード選択部によって低利得モードが選択された場合に前記補償素子をONにするスイッチ及び前記補償素子の歪特性を緩和する線形素子を有するインピーダンス調整部と、を備えることを特徴とする半導体装置。 A mode selector for selecting a high gain mode and a low gain mode;
A first low noise amplifier that operates when a high gain mode is selected by the mode selection unit;
A second amplifier that operates when a low gain mode is selected by the mode selection unit;
An impedance having a compensation element for compensating the input capacitance of the first amplifier, a switch for turning on the compensation element when a low gain mode is selected by the mode selection unit, and a linear element for relaxing distortion characteristics of the compensation element A semiconductor device, comprising: an adjustment unit;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110104 |