JP2009100337A - 可変利得増幅器を内蔵する半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】可変利得増幅器は、バイアス回路(BC) 1、整合回路(MC)2、可変利得抵抗帰還増幅器(FA)3、出力フォロワ(EA)4を含む。負荷抵抗Rcと帰還抵抗Rfの抵抗値とは協調的に変更される。低雑音増幅器を高ゲインとするため、負荷抵抗Rcの高抵抗とされる際には帰還抵抗Rfも高抵抗とされ、抵抗負帰還増幅器3のクローズドループのフィードバック時定数τfb(cl)≒2π・RfCbe/(1+gmRc)は略一定となり、広帯域で周波数依存性の小さなゲインを持つようになる。低雑音増幅器を低ゲインとするため、負荷抵抗Rcの低抵抗とされる際には帰還抵抗Rfも低抵抗とされる。低抵抗の帰還抵抗Rfによって負帰還量が増大して、低ゲインとされる。負荷抵抗Rcも低抵抗とされフィードバック時定数τfb(cl)は略一定となり、高周波領域でそれ以上ゲインは低下しない。
【選択図】図4
Description
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
次に、実施の形態について更に詳述する。
図4は、本発明の1つの実施の形態による半導体集積回路(IC)10に構成された低雑音増幅器を示す図である。図4の低雑音増幅器は、図1の低雑音増幅器と同様にベース接地入力段からなる整合回路(MC) 2、可変利得抵抗帰還増幅器(FA)3、出力エミッタフォロワ(EA)4を含むと伴に、バイアス回路(BC) 1を含んでいる。
《低雑音増幅器のゲインの周波数特性》
図5は、図4の半導体集積回路10に構成された低雑音増幅器のゲインの値が利得制御信号Gv_Cntによって大きな状態と小さな状態との間で変化される際の周波数特性を示す図である。この結果も、ワークステーションによるシュミュレーションによるものである。
《ゲインの周波数依存性のメカニズム》
良く知られているように、伝達関数H(s)のフィードフォワードと伝達関数G(s)のフィードバックとからなる負帰還システムのクローズドループ伝達関数は、H(s)/(1+H(s) G(s))のように、フィードフォワード伝達関数H(s)を(1+H(s) G(s))で割算したものとなる。
図5の特性Low_Rc & High_Rfに示すように、コレクタ負荷抵抗Rcを低抵抗とし帰還抵抗Rfを高抵抗とすることよって、上記(1)式の分子と分母とがそれぞれ大と小となり、上記(1)式で与えられるクローズドループのフィードバック時定数τfb(cl)は大きくなる。その結果、抵抗負帰還増幅器3のクローズドループによる周波数帯域が小さくなり、高周波数領域でのゲインが低下する。しかし、帰還抵抗Rfが高抵抗とされることによって、低周波数領域での負帰還量が低下して、低周波数領域でのゲインが増大する。
RcL 2=αL・RfL …(3)式
実際に、数値を代入すると、αH=90000/1200=75となり、αL=48400/700=69.14となるので、
αH≒αL …(4)式
の関係が成立している。この関係式は、フィードバック時定数τfb(cl)の近似式である(1)式より導出したものではなく、図4の回路の寄生素子を含めた複雑な伝達関数式についてシュミュレーションを行い、より高精度に算出したものである。近似式(1)に従ってRcとRfとの比を一定とするより、式(2)、式(3)、および式(4)に従って高ゲイン時と低現時のそれぞれの抵抗値を設計する方が、高ゲイン時と低ゲイン時のそれぞれの状態で略フラットなゲインとなる周波数範囲を拡大することができる。
図7は、本発明の他の1つの実施の形態による半導体集積回路(IC)10に構成された低雑音増幅器を示す図である。図7の低雑音増幅器の図4の低雑音増幅器と相違するのは、図4の可変利得抵抗帰還増幅器3の帰還エミッタフォロワトランジスタQ3が図7では差動対トランジスタQ3A、Q3B、負荷抵抗R7、バッファトランジスタQ3Cで構成された帰還ボルテージフォロワに置換されていることである。
《他の構成の低雑音増幅器のゲインの周波数特性》
図8は、図7の半導体集積回路10に構成された低雑音増幅器のゲインの周波数特性を示す図である。この結果も、パーソナルコンピュータによるシュミュレーションによるものである。図7の低雑音増幅器は帰還回路が高性能帰還ボルテージフォロワ(Q3A、Q3B、R7、Q3C)で構成されているので、図8のゲインの周波数依存性は図6のゲインの周波数依存性よりも小さくなっているが、傾向は全く同一である。
図9は、本発明の他の1つの実施の形態による半導体集積回路(IC)10に構成された低雑音増幅器を示す図である。図9の低雑音増幅器が図4の低雑音増幅器と相違するのは、図4の可変利得抵抗帰還増幅器3の帰還エミッタフォロワトランジスタQ3を省略し、トランジスタQ2の出力電極と帰還抵抗Rfとを接続していることである。本構成では、トランジスタQ3の消費する電流を削減できるため消費電力を低減することができる。一方、Q2の出力電極の寄生容量と帰還抵抗Rfとの間でボルテージフォロワによる分離ができないため、フィードバック時定数τfb(cl)はQ2の出力電極の寄生容量による時定数の追加により増大する。そのため図4の回路構成と比較して図6に示した略フラットな周波数範囲がより低い周波数の範囲へと狭くなるが、抵抗制御による効果はやはり図6の傾向と同一となる。
図12は、本発明の更に他の1つの実施の形態によるマルチバンド(MB)の直交周波数分割多重(OFDM)対応のUWB通信システムの構成を示す図である。
1 バイアス回路
2 整合回路
3 可変利得抵抗帰還増幅器
4 出力エミッタフォロワ
R1、R2 バイアス抵抗
Q1 ベース接地トランジスタ
C1 結合容量
L1 エミッタバイアスインダクタ
C2、R3 CR並列回路
L2 ベース終端インダクタ
Q2 エミッタ接地トランジスタ
Rc コレクタ負荷抵抗
Q3 帰還エミッタフォロワ
Rf 帰還抵抗
Q4 エミッタフォロワトランジスタ
IN 入力端子
OUT 出力端子
High_Rc 高いコレクタ負荷抵抗によるゲインの周波数特性
Low_Rc 低いコレクタ負荷抵抗によるゲインの周波数特性
High_Rf 高い帰還抵抗によるゲインの周波数特性
Low_Rf 低い帰還抵抗によるゲインの周波数特性
Gv_Cnt 利得制御信号
High_Rc & High_Rf 高いコレクタ負荷抵抗と高い帰還抵抗とによるゲインの周波数特性
Low_Rc & Low_Rf 低いコレクタ負荷抵抗と低い帰還抵抗とによるゲインの周波数特性
Low_Rc & High_Rf 低いコレクタ負荷抵抗と高い帰還抵抗とによるゲインの周波数特性
High_Rc & Low_Rf 高いコレクタ負荷抵抗と低い帰還抵抗とによるゲインの周波数特性
Q3A、Q3B 差動対トランジスタ
R7 負荷抵抗
Q3C バッファトランジスタ
T1 一方の端子
T2 他方の端子
R11 第1抵抗
R11 第2抵抗
Qn1、Qp1 CMOSアナログスイッチ
Qn2、Qp2 CMOSインバータ
41 アンテナ
42 スイッチ
43 可変利得広帯域低雑音増幅器
52 半導体集積回路
RXin 受信信号入力端子
RXout 受信信号出力端子
TXin 送信信号入力端子
TXout 送信信号出力端子
44 送信RF電力増幅器
45 ダウンコンバートミキサ
46 局部発振器
47 アップコンバートミキサ
48 受信信号強度インディケータ
49 受信アナログベースバンド回路
50 送信アナログベースバンド回路
51 ディジタルベースバンド信号処理ユニット
Claims (22)
- 増幅トランジスタと、負荷抵抗と、帰還ボルテージフォロワと、帰還抵抗とを含む可変利得抵抗帰還増幅器を具備して、
前記増幅トランジスタのエミッタまたはソースの共通電極は、所定の基準電位に接続され、
前記増幅トランジスタのベースまたはゲートの入力電極に、入力信号が供給され、
前記増幅トランジスタのコレクタまたはドレインの出力電極と電源電圧との間には、前記負荷抵抗が接続され、
前記増幅トランジスタの前記出力電極には、前記帰還ボルテージフォロワの入力が接続され、
前記帰還ボルテージフォロワの出力と前記増幅トランジスタの前記入力電極との間に前記帰還抵抗が接続され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器では、前記負荷抵抗の抵抗値と前記帰還抵抗の抵抗値とは利得制御信号に応答して協調的に変更され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器を高ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が高負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も高帰還抵抗に制御され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器を低ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が前記高負荷抵抗よりも低い低負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も前記高帰還抵抗よりも低い低帰還抵抗に制御されることを特徴とする半導体集積回路。 - 増幅トランジスタと、負荷抵抗と、帰還抵抗とを含む可変利得抵抗帰還増幅器を具備して、
前記増幅トランジスタのエミッタまたはソースの共通電極は、所定の基準電位に接続され、
前記増幅トランジスタのベースまたはゲートの入力電極に、入力信号が供給され、
前記増幅トランジスタのコレクタまたはドレインの出力電極と電源電圧との間には、前記負荷抵抗が接続され、
前記増幅トランジスタの前記出力電極と前記増幅トランジスタの前記入力電極との間に前記帰還抵抗が接続され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器では、前記負荷抵抗の抵抗値と前記帰還抵抗の抵抗値とは利得制御信号に応答して協調的に変更され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器を高ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が高負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も高帰還抵抗に制御され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器を低ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が前記高負荷抵抗よりも低い低負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も前記高帰還抵抗よりも低い低帰還抵抗に制御されることを特徴とする半導体集積回路。 - 前記増幅トランジスタの前記入力電極に供給される前記入力信号は略3GHzから略10GHzの周波数帯域を少なくとも含むことを特徴とする請求項1と請求項2とのいずれかに記載の半導体集積回路。
- 前記増幅トランジスタはエミッタ接地バイポーラトランジスタであり、
前記帰還ボルテージフォロワはエミッタフォロワバイポーラトランジスタを含むことを特徴とする請求項1と請求項3とのいずれかに記載の半導体集積回路。 - 前記エミッタ接地バイポーラトランジスタと前記エミッタフォロワバイポーラトランジスタとはそれぞれシリコン・ゲルマニウム・ヘテロバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路。
- 前記増幅トランジスタはソース接地電界効果トランジスタであり、
前記帰還ボルテージフォロワはソースフォロワ電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項1と請求項3とのいずれかにに記載の半導体集積回路。 - 前記ソース接地電界効果トランジスタと前記ソースフォロワ電界効果トランジスタとはそれぞれMOSトランジスタであることを特徴とする請求項6に記載の半導体集積回路。
- 前記高負荷抵抗の自乗の抵抗値と前記高帰還抵抗の抵抗値とは略比例するものであり、
前記低負荷抵抗の自乗の抵抗値と前記低帰還抵抗の抵抗値とは略比例することを特徴とする請求項5と請求項7とのいずれかに記載の半導体集積回路。 - 整合回路と、増幅トランジスタと負荷抵抗と帰還ボルテージフォロワと帰還抵抗とを含む可変利得抵抗帰還増幅器とを具備して、
前記整合回路には、無線システムの受信機のアンテナで受信されたRF入力信号が供給され、
前記増幅トランジスタのエミッタまたはソースの共通電極は、所定の基準電位に接続され、
前記増幅トランジスタのベースまたはゲートの入力電極に、前記整合回路からの出力信号が供給され、
前記増幅トランジスタのコレクタまたはドレインの出力電極と電源電圧との間には、前記負荷抵抗が接続され、
前記増幅トランジスタの前記出力電極には、前記帰還ボルテージフォロワの入力が接続され、
前記帰還ボルテージフォロワの出力と前記増幅トランジスタの前記入力電極との間に前記帰還抵抗が接続され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器では、前記負荷抵抗の抵抗値と前記帰還抵抗の抵抗値とは利得制御信号に応答して協調的に変更され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器を高ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が高負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も高帰還抵抗に制御され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器低ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が前記高負荷抵抗よりも低い低負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も前記高帰還抵抗よりも低い低帰還抵抗に制御されることを特徴とする半導体集積回路。 - 整合回路と、増幅トランジスタと負荷抵抗と帰還抵抗とを含む可変利得抵抗帰還増幅器とを具備して、
前記整合回路には、無線システムの受信機のアンテナで受信されたRF入力信号が供給され、
前記増幅トランジスタのエミッタまたはソースの共通電極は、所定の基準電位に接続され、
前記増幅トランジスタのベースまたはゲートの入力電極に、前記整合回路からの出力信号が供給され、
前記増幅トランジスタのコレクタまたはドレインの出力電極と電源電圧との間には、前記負荷抵抗が接続され、
前記増幅トランジスタの前記出力電極と前記増幅トランジスタの前記入力電極との間に前記帰還抵抗が接続され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器では、前記負荷抵抗の抵抗値と前記帰還抵抗の抵抗値とは利得制御信号に応答して協調的に変更され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器を高ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が高負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も高帰還抵抗に制御され、
前記可変利得抵抗帰還増幅器低ゲインとするための前記利得制御信号に応答して、前記負荷抵抗が前記高負荷抵抗よりも低い低負荷抵抗に制御される際には、前記帰還抵抗も前記高帰還抵抗よりも低い低帰還抵抗に制御されることを特徴とする半導体集積回路。 - 前記整合回路は、ベースにベースバイアス電圧が印加されエミッタに前記アンテナで受信された前記RF入力信号が供給され、コレクタが前記増幅トランジスタと接続されるベース接地バイポーラトランジスタを含み、前記アンテナと入力インピーダンスの整合を行うことを特徴とする請求項9と請求項10とのいずれかに記載の半導体集積回路。
- 前記整合回路の前記ベース接地バイポーラトランジスタの前記エミッタに供給される前記RF入力信号は、略3GHzから略10GHzの周波数帯域を少なくとも含むウルトラワイドバンドRF入力信号であることを特徴とする請求項11に記載の半導体集積回路。
- 前記増幅トランジスタはエミッタ接地バイポーラトランジスタであり、
前記帰還ボルテージフォロワはエミッタフォロワバイポーラトランジスタを含むことを特徴とする請求項9と請求項11とのいずれかに記載の半導体集積回路。 - 前記ベース接地バイポーラトランジスタと前記エミッタ接地バイポーラトランジスタと前記エミッタフォロワバイポーラトランジスタとはそれぞれシリコン・ゲルマニウム・ヘテロバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項13に記載の半導体集積回路。
- 前記増幅トランジスタはソース接地電界効果トランジスタであり、
前記帰還ボルテージフォロワはソースフォロワ電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項9と請求項11とのいずれかに記載の半導体集積回路。 - 前記ソース接地電界効果トランジスタと前記ソースフォロワ電界効果トランジスタとはそれぞれMOSトランジスタであることを特徴とする請求項15に記載の半導体集積回路。
- 前記高負荷抵抗の自乗の抵抗値と前記高帰還抵抗の抵抗値とは略比例するものであり、
前記低負荷抵抗の自乗の抵抗値と前記低帰還抵抗の抵抗値とは略比例するものであることを特徴とする請求項14と請求項16とのいずれかに記載の半導体集積回路。 - 出力ボルテージフォロワと、受信ミキサと、ベースバンド信号処理ニユットと、受信信号強度インディケータとを更に具備してなり、
前記出力ボルテージフォロワには、前記可変利得抵抗帰還増幅器の出力信号が供給され、
前記受信ミキサには、出力ボルテージフォロワの出力信号が供給され、
前記ベースバンド信号処理ニユットには、前記受信ミキサからの受信ベースバンド信号が供給され、
前記受信信号強度インディケータに前記受信ミキサからの前記受信ベースバンド信号が供給されることにより、前記受信信号強度インディケータから前記可変利得抵抗帰還増幅器に供給される前記利得制御信号が生成されることを特徴とする請求項9と請求項10とのいずれかに記載の半導体集積回路。 - 前記出力ボルテージフォロワは出力エミッタフォロワバイポーラトランジスタを含むことを特徴とする請求項18に記載の半導体集積回路。
- 前記出力エミッタフォロワバイポーラトランジスタもシリコン・ゲルマニウム・ヘテロバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項19に記載の半導体集積回路。
- 前記出力ボルテージフォロワは出力ソースフォロワ電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項18に記載の半導体集積回路。
- 前記出力ソースフォロワ電界効果トランジスタもMOSトランジスタであることを特徴とする請求項21に記載の半導体集積回路。
Priority Applications (3)
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