JP2009296236A - バイアス回路とこれを用いた増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な回路構成で、かつ回路の誤差に起因する雑音が発生せず、しかも温度変動に対して良好な特性のバイアス用の電流を得る。
【解決手段】このバイアス回路は、電流Ｉ_１を生成する電流源１と、温度の変化に伴い出力電流の特性が電流Ｉ_１と交るように増加または減少するような温度対出力電流特性の電流Ｉ_２を生成する電流源２と、電流源１から入力される電流Ｉ_１を電圧Ｖ_１に変換する電流電圧変換回路３と、電流源２から入力される電流Ｉ_２を電圧Ｖ_２に変換する電流電圧変換回路４と、電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２を比較し、比較結果に応じた電流Ｉ_３を生成する比較回路５と、電流Ｉ_３と電流Ｉ_２を加算して電流電圧変換回路４へ入力する電流加算部６と、電圧Ｖ_２をバイアス用の電流Ｉ_Ｄに変換する電圧電流変換回路７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばバイアス回路とこれを用いた増幅器に関する。

従来、増幅回路に使用するバイアス電流を生成する手段として、正の温度特性を持つバイアス回路と、負の温度特性を持つバイアス回路と、増幅回路の温度を検出し、検出した温度に応じて２つのバイアス回路を切り替えるスイッチとを用いる技術が公開されている。

この技術の場合、増幅回路の温度を検出し、検出した温度に応じて２つのバイアス回路をスイッチで切り替えることで、低温時の歪みを抑え、かつ高温時に増幅回路の利得低下を抑えることができる。
特開２００７−３３６２２４号公報

しかしながら、上述した従来技術の場合、回路の温度を検出し、スイッチによって２つのバイアス回路の電流のいずれかを選択して増幅回路に流すため、温度を検出するための何らかの手段を設ける必要があり、回路規模が大きくなるという問題がある。

また、スイッチで２つのバイアス回路を切り替えるため、回路間に誤差があった場合に切替点での電流が不連続に変化してしまうため、スイッチングに伴う雑音が発生するという問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、単純な回路構成で、かつ回路の誤差に起因する雑音が発生せず、しかも温度変動に対して良好な特性のバイアス用の電流を得ることができるバイアス回路とこれを用いた増幅器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のバイアス回路は、第１電流を生成する第１電流源と、温度の変化に伴い出力電流の特性が前記第１電流と交るように増加または減少するような温度対出力電流特性の第２電流を生成する第２電流源と、前記第１電流源により生成された第１電流を第１電圧に変換する第１電流電圧変換回路と、入力端子を有し、前記入力端子に入力される電流を第２電圧に変換する第２電流電圧変換回路と、前記第１電圧と前記第２電圧とを比較し、比較結果に応じた第３電流を生成する比較回路と、前記第３電流と前記第２電流とを合流させて前記第２電流電圧変換回路の前記入力端子へ入力する加算部と、前記第２電流電圧変換回路により変換された前記第２電圧を、バイアス用の第４電流に変換する電圧電流変換回路とを具備することを特徴とする。

本発明のバイアス回路は、第１電流を生成し、出力する第１電流源と、温度の変化に伴い出力電流の値が前記第１電流の値よりも増加または減少するような温度対出力電流特性の第２電流を生成し、出力する第２電流源と、前記第１電流源からドレイン端子に入力された第１電流を第１電圧に変換し、差動増幅器の−入力端子へ出力する第１電界効果トランジスタと、前記第２電流源からドレイン端子に入力される第２電流を第２電圧に変換し、出力する第２電界効果トランジスタと、＋入力端子と−入力端子を有し、前記第１電界効果トランジスタから前記−入力端子に入力された第１電圧と、前記第２電界効果トランジスタから前記＋入力端子に入力された第２電圧とを比較し、比較結果に応じた差分の第３電圧を出力する差動増幅器と、ゲート端子に入力される第３電圧の値に応じて直流電源から第３電流を流す第３電界効果トランジスタと、前記第２電界効果トランジスタからゲート端子に入力される第２電圧を、バイアス用の電流に変換する第４電界効果トランジスタと、前記第２電流源の出力端子と前記第２電界効果トランジスタのドレイン端子とを接続し、前記第２電流と前記第３電流とを合流させて前記第２電界効果トランジスタのドレイン端子へ入力する電流合流部とを具備すること特徴とする。

本発明の増幅器は、信号増幅用のトランジスタと、このトランジスタをバイアス用の電流によってバイアスする上記バイアス回路とを備える。

本発明によれば、単純な回路構成で、かつ回路の誤差に起因する雑音が発生せず、しかも温度変動に対して良好な特性のバイアス用の電流を得ることができる。

以下、図面を参照しながら一つの実施の形態について詳細に説明する。図１はバイアス回路の一つの実施形態を示すブロック図である。

図１に示すように、このバイアス回路は、第１電流源としての電流源１と、温度対出力電流の特性が電流源１とは異なる第２電流源としての電流源２と、第１電流電圧変換回路としての電流電圧変換回路３（図では「I/Vconv.３」と記載）と、第２電流電圧変換回路としての電流電圧変換回路４（図では「I/Vconv.４」と記載）と、比較回路５（図では「comp.５」と記載）と、加算部としての電流加算部６と、電圧電流変換回路７（図では「V/Iconv.７」と記載）とを有している。

電流源１は、温度変化により、電流の値が第１の温度依存性を持って変化する第１電流としての電流Ｉ_１を生成し、電流電圧変換回路３へ出力する。

すなわち、電流源１は、温度の変化に対して第１の出力電流特性を有しており、電流Ｉ_１を生成する。出力電流特性とは、温度の変化に応じて出力電流が変化する特性である。

第１の温度依存性には、温度の変動によって出力電流が変化しない温度依存特性も含まれる。
この場合、電流源１は、温度の変動によって出力電流が変化しない、つまり温度依存特性を持たない電流Ｉ_１（Ｉconst）を生成する。ここで、温度依存性を持たないとは、温度の変動で出力特性が全く変化しないというだけでなく、温度による特性の変化が極めて少ないという意味も含む。つまり温度変化に対して出力電流の変動量がほぼ一定という意味である。

電流源２は、温度変化により、電流の値が第２の温度依存性を持って変化する第２電流としての電流Ｉ_２を生成し、電流加算部６へ出力する。

電流源２は、温度の変化に対して電流Ｉ_１とは異なる第２の出力電流特性（温度対出力電流特性）を有しており、電流Ｉ_２を生成する。

例えば電流源２は、温度の変化によって出力電流が変化する割合が電流源１よりも大きいものであり、電流源１に比べて温度依存性を持つ電流Ｉ_２（Ｉgm,const）を生成するものとする。つまり、温度依存性を持つ電流Ｉ_２（Ｉgm,const）は、温度の変動による出力電流の特性の変化が電流Ｉ_１よりも大きいことを指す。

すなわち、電流源２は、温度の変化に伴い出力電流の特性が電流Ｉ_１と交るように増加または減少するような温度対出力電流特性の電流Ｉ_２を生成する。

電流電圧変換回路３は、電流源１により生成された電流Ｉ_１（Ｉconst）を第１電圧としての電圧Ｖ_１に変換し出力する。

言い換えると、電流電圧変換回路３は、電流Ｉ_１（Ｉconst）の電流値に応じた電圧値の電圧Ｖ_１を生成し、比較回路５へ出力する。

電流電圧変換回路４は、入力端子４１を有している。電流電圧変換回路４は、電流加算部６から入力端子４１に入力される電流を第２電圧としての電圧Ｖ_２に変換し、比較回路５と電圧電流変換回路７へ出力する。

言い換えると、電流電圧変換回路４は、入力端子４１に入力された電流の電流値に応じた電圧値の電圧Ｖ_２を生成し、生成した電圧Ｖ_２を２つに分岐させて比較回路５と電圧電流変換回路７へそれぞれ出力する。

比較回路５は、入力端子５１、入力端子５２、出力端子５３を有している。入力端子５１には、電流電圧変換回路３からの電圧Ｖ_１が入力される。入力端子５２には、電流電圧変換回路４からの電圧Ｖ_２が入力される。出力端子５３からは、電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２との比較結果に応じた電流Ｉ_３が出力される。

比較回路５は、電流電圧変換回路３から入力端子５１に入力された電圧Ｖ_１と、電流電圧変換回路４から入力端子５２に入力された電圧Ｖ_２とを比較し、互いの比較結果に応じた第３の電流である電流Ｉ_３を生成し、出力端子５３から電流加算部６へ出力する。

比較回路５は、電流電圧変換回路３により変換された電圧Ｖ_１よりも電流電圧変換回路４により変換された電圧Ｖ_２の方が大きい場合、電流を出力しない。また、比較回路５は、電圧Ｖ_１の値が電圧Ｖ_２以上の場合に電圧Ｖ_１から電圧Ｖ_２を引いた電圧値に比例した電流Ｉ_３を出力する。

電流加算部６は、比較回路５からの第３の電流Ｉ_３と、電流源２からの電流Ｉ_２とを加算（合流）して電流電圧変換回路４の入力端子４１へ出力する。

電圧電流変換回路７は、電流電圧変換回路４から入力された電圧Ｖ_２を出力用（供給用）の電流に変換し出力する。電圧電流変換回路７は、電流電圧変換回路４に流れる電流のｎ倍の電流を出力する。電圧電流変換回路７は、電流電圧変換回路３，４の逆特性の電流を出力する。

言い換えると、電圧電流変換回路７は、電圧Ｖ_２の電圧値に応じた電流値の電流を生成し、それをバイアス電流として供給対象の回路へ供給する。供給対象の回路とは、例えば無線受信機などの通信装置に実装される増幅器などである。

図２に示すように、電流電圧変換回路３および電流電圧変換回路４の少なくとも一つは、例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（以下、「nMOSFET」と称す）などの電界効果トランジスタＭ１，Ｍ２を用いて実現される。

電界効果トランジスタＭ１，Ｍ２のソース端子は接地されている。各電界効果トランジスタＭ１，Ｍ２のゲート端子とドレイン端子は短絡接続されている。このようにＦＥＴのゲート端子とドレイン端子を短絡接続した接続形態をダイオード接続という。

この回路構成の場合、入力電流に対して平方根倍で効いてくるような電流／電圧変換がかかり、変換された電圧が出力される。

図３に示すように、比較回路５は、差動増幅器５４と、この差動増幅器５４の出力端子に接続された電界効果トランジスタＭ３と直流電源ＶＤＤ５５とで構成される。

電界効果トランジスタＭ３は、例えばＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（以下、「pMOSFET」と称す）などである。電界効果トランジスタＭ３は、差動増幅器５４から出力された差分の電圧値に応じた第３電流としての電流Ｉ_３を生成する電流生成回路として機能する。

電界効果トランジスタＭ３のソース端子には、安定した直流電源ＶＤＤ５５が接続されている。電界効果トランジスタＭ３は、差動増幅器５４からゲート端子に入力される電圧（ゲート電圧）の値に応じて直流電源ＶＤＤ５５から電流Ｉ_３を電流加算部６へ流す。

差動増幅器５４には、２つの入力端子５１，５２と１つの出力端子５６が設けられている。差動増幅器５４は、２つの入力端子５１，５２に入力された電圧どうしを比較して、互いの差分に応じた電圧を出力端子５６から電界効果トランジスタＭ３のゲート端子へ入力する。

差動増幅器５４では、入力された電圧Ｖ_１、Ｖ_２どうしを比較したときに、互いの関係が、例えば電圧Ｖ_１よりも電圧Ｖ_２の電圧値が高くなった場合（電圧Ｖ_１＜電圧Ｖ_２）、差動増幅器５４は、直流電源ＶＤＤ５５の電圧に近い電圧を電界効果トランジスタＭ３のゲート端子に出力するため、電界効果トランジスタＭ３はカットオフとなる。

このため、電圧Ｖ_１よりも電圧Ｖ_２の電圧値が高い場合は電界効果トランジスタＭ３からは電流Ｉ_３が出力されない。

一方、例えば電圧Ｖ_２の電圧値が低下して電圧Ｖ_１の電圧値以下になった場合（電圧Ｖ_１≧電圧Ｖ_２）、差動増幅器５４からゲート端子に入力される電圧は、直流電源ＶＤＤ５５の電圧値に比べて低くなるため、電界効果トランジスタＭ３はオンとなり、電界効果トランジスタＭ３のソース端子から電流Ｉ_３が出力される。

図４に示すように、電圧電流変換回路７は、例えばnMOSFETなどの電界効果トランジスタＭ４を用いて実現される。この電界効果トランジスタＭ４は、ゲート端子に入力された電圧Ｖ_２の値に応じてドレイン端子に引き込む電流の量（または出力する電流の量）を制御する。すなわち、電界効果トランジスタＭ４は、入力された電圧Ｖ_２を、バイアス用の第４電流としての電流Ｉ_Ｄに変換する。

電圧電流変換回路７では、電界効果トランジスタＭ４のチャネル幅とチャネル長の比を、電流電圧変換回路４の電界効果トランジスタＭ２のチャネル幅とチャネル長の比のｎ倍とすることで、電流電圧変換回路４に流れる電流のｎ倍の電流Ｉ_Ｄを、電圧電流変換回路７から取り出すことができる。

図５に示すように、電流源１は、エミッタ面積の異なるバイポーラ型のトランジスタＱ１，Ｑ２（以下「バイポーラ・トランジスタＱ１，Ｑ２」と称す）、抵抗Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３，Ｒ４、差動増幅器１１、電界効果トランジスタＭ５，Ｍ６、直流電源１４などを用いて実現される。電界効果トランジスタＭ５，Ｍ６は、例えばpMOSFETなどである。

バイポーラ・トランジスタＱ１のエミッタ端子には、抵抗Ｒ１の一端と差動増幅器１１の＋入力端子が接続されている。バイポーラ・トランジスタＱ１のコレクタ端子とベース端子は接地されている。

バイポーラ・トランジスタＱ２のエミッタ端子には、抵抗Ｒ３を介して差動増幅器１１の−入力端子と抵抗Ｒ２の片端が接続されている。バイポーラ・トランジスタＱ２のコレクタ端子とベース端子は接地されている。

抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の他端は、電界効果トランジスタＭ５のドレイン端子に接続されている。差動増幅器１１の出力端子は、電界効果トランジスタＭ５のゲート端子と電界効果トランジスタＭ６のゲート端子に接続されている。

電界効果トランジスタＭ５のドレイン端子は抵抗Ｒ４を介して接地されている。電界効果トランジスタＭ５，Ｍ６の各ソース端子は、直流電源ＶＤＤ１４に接続されている。電界効果トランジスタＭ６のドレイン端子は出力端子となっている。この出力端子から温度依存性を持たない電流Ｉ_１（Ｉconst）が出力される。

この電流源１の場合、２つのバイポーラ・トランジスタＱ１，Ｑ２を使うことによって、一定の電圧を差動増幅器１１の出力段に作り出し、抵抗Ｒ４の一端に一定の電圧を印加する。これにより、直流電源１４から電界効果トランジスタＭ５を通じて抵抗Ｒ４に一定の電流が流れるため、電界効果トランジスタＭ５のゲート端子と同じ電圧がゲート端子に印加される電界効果トランジスタＭ６にも電界効果トランジスタＭ５と同じ一定の電流Ｉ_１（Ｉconst）が流れる。

つまり、この電流源１は、半導体のバンドギャップ電圧を取り出し、バンドギャップ電圧に比例した電流を生成し出力するものである。

図６に示すように、電流源２は、電界効果トランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９，Ｍ１０，Ｍ１１などを用いて実現される。電界効果トランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９は、例えばpMOSFETなどである。電界効果トランジスタＭ１０，Ｍ１１は、例えばnMOSFETなどである。

電界効果トランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９の各ソース端子は直流電源ＶＤＤ２１に接続されている。電界効果トランジスタＭ７のゲート端子とドレイン端子は短絡されている。電界効果トランジスタＭ７のゲート端子は、電界効果トランジスタＭ８および電界効果トランジスタＭ９のゲート端子に接続されている。

電界効果トランジスタＭ７のドレイン端子は電界効果トランジスタＭ１０のドレイン端子に接続されている。電界効果トランジスタＭ１０のソース端子は抵抗Ｒ５の一端に接続され、抵抗Ｒ５の他端は接地されている。

電界効果トランジスタＭ１０のゲート端子は、電界効果トランジスタＭ１１のゲート端子に接続されている。

電界効果トランジスタＭ１１のゲート端子とドレイン端子は短絡接続されている。電界効果トランジスタＭ１１のソース端子は接地されている。電界効果トランジスタＭ１１のドレイン端子は電界効果トランジスタＭ８のドレイン端子に接続されている。電界効果トランジスタＭ９のドレイン端子は出力端子となっている。この出力端子から温度依存性を持つ電流Ｉ_２（Ｉgm,const）が出力される。

電界効果トランジスタＭ１０のチャネル長とチャネル幅の比を電界効果トランジスタＭ１１の４倍とした場合に、電界効果トランジスタＭ１１のトランスコンダクタンスgmが抵抗Ｒ_５の値の逆数（１／Ｒ_５）になるようにフィードバックがかかる構成になっている。

温度によって電界効果トランジスタＭ１１のトランスコンダクタンスgmの値が変わろうとしても、その分、電流が増減し、結局は電界効果トランジスタＭ１１のトランスコンダクタンスgmの値が、抵抗Ｒ_５の値の逆数の値に一定になる。

つまり、電流源２は、温度変動に対して電界効果トランジスタＭ１１のトランスコンダクタンスgmを一定に保つ電流を出力する。温度によって電流の値は変わるものの、増幅器の利得に効いてくるトランスコンダクタンスgmの値は一定になる。

温度によらず電界効果トランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９からは、トランスコンダクタンスgmを一定に保つ電流が流れ、電界効果トランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９のトランスコンダクタンスgmが一定になるような電流が出力される。

温度変化に対しては、電界効果トランジスタの特性も同様に変化するため、温度依存性のある電流Ｉ_２（Ｉgm,const）が出力される。これにより、このバイアス回路を使用する増幅器などの利得と帯域幅を、温度によらずある一定以上の値に保つことができる。

図１に示したバイアス回路は機能ブロックであったが、これを具体的な回路と素子に置き換えたものを図７に示す。

同図に示すように、この場合のバイアス回路は、電流源１と、電界効果トランジスタＭ１と、差動増幅器５４と、直流電源ＶＤＤ５５と、電流合流部６１、電界効果トランジスタＭ３と、電流源２と、電界効果トランジスタＭ２と、電界効果トランジスタＭ４とにより構成される。電流源１および電流源２は、それぞれ図５，図６に示したものである。

電流源１は、温度変化により、電流の値が第１の温度依存性を持って変化する電流Ｉ_１を生成し、出力端子より電界効果トランジスタＭ１のドレイン端子に出力する。電流源１を図５に示したように構成することで、温度依存性のない電流Ｉ_１（Ｉconst）が生成される。

電界効果トランジスタＭ１は、例えばnMOSFETなどであり、ドレイン端子に入力された電流Ｉ_１（Ｉconst）を電圧Ｖ_１に変換し、差動増幅器５４の−入力端子へ出力する。

差動増幅器５４は、＋入力端子と−入力端子と出力端子を有する。差動増幅器５４は、−入力端子に入力された電圧Ｖ_１と＋入力端子に入力された電圧Ｖ_２とを比較し、比較結果に応じた差分の電圧Ｖ_３を出力端子から電界効果トランジスタＭ３のゲート端子へ出力する。直流電源ＶＤＤ５５は、安定した直流の電源である。

電界効果トランジスタＭ３は、例えばpMOSFETなどであり、ゲート端子に入力される電圧Ｖ_３（ゲート電圧）の値に応じて直流電源ＶＤＤ５５から電流Ｉ_３を流す。つまり電界効果トランジスタＭ３は、電圧Ｖ_３をその値に応じた電流Ｉ_３に変換し出力する。

電流源２は、温度の変化に伴い電流の出力特性が電流Ｉ_１と交るように増加または減少するような温度対出力電流特性の電流Ｉ_２を生成し、出力端子より電界効果トランジスタＭ２のドレイン端子に出力する。電流源２を図６に示したように構成することで、温度依存性のある電流Ｉ_２（Ｉgm,const）が生成される。

電界効果トランジスタＭ２は、例えばnMOSFETなどであり、ドレイン端子に入力される電流（電流Ｉ_３＋電流Ｉ_２）を電圧Ｖ_２に変換し、差動増幅器５４の＋入力端子へ出力する。

電界効果トランジスタＭ４は、例えばnMOSFETなどであり、ゲート端子に入力される電圧Ｖ_２を出力電流に変換する。電界効果トランジスタＭ４は、ゲート端子に入力される電圧Ｖ_２に応じて、接続対象のデバイス、例えば増幅器から電流Ｉ_Ｄを引き込む。

つまり電界効果トランジスタＭ４は、電界効果トランジスタＭ２からゲート端子に入力された電圧Ｖ_２に応じて、増幅器から電流を引き込むように動作する。なお、回路に作り方によっては増幅器へ電流Ｉ_Ｄを出力するように構成することもできる。

電流合流部６１は、電流源２の出力端子と電界効果トランジスタＭ３のドレイン端子との接続点、つまり回路どうしが接続された合流部であり、電流Ｉ_３と電流Ｉ_２とを合流させて電界効果トランジスタＭ２のドレイン端子へ入力する。

以下、図１に示したバイアス回路の動作を説明する。このバイアス回路では、温度依存性のない電流Ｉ_１（Ｉconst）は、電流電圧変換回路３により電圧Ｖ_１に変換され、比較回路５の入力端子５１に入力される。

また、温度依存性のある電流Ｉ_２（Ｉgm,const）は、電流電圧変換回路４により電圧Ｖ_２に変換され、比較回路５の入力端子５２に入力される。

電流電圧変換回路３は、入力電流に対して単調に増加もしくは減少する電圧を出力する回路であれば良い。ここでは説明を解りやすくするために、電流電圧変換回路３は、入力電流に対して単調に増加する電圧を出力するものとして説明する。

比較回路５は、以下に示す式（１）で示される電流Ｉ_３を生成し出力する。

但し、この電流Ｉ_３は、比較回路５から外側に向かう方向が正であり、トランスコンダクタンスＧm,compは正である。

ここで、比較回路５に入力される２つの電圧（電圧Ｖ_１、電圧Ｖ_２）の大小関係による動作を違いについて説明する。電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２との関係が、例えば電圧Ｖ_１＜電圧Ｖ_２の場合と電圧Ｖ_１≧電圧Ｖ_２の場合の２つの場合があるが、それぞれの場合について動作を説明する。

まず、電圧Ｖ_１＜電圧Ｖ_２の場合について説明する。
この場合、比較回路５は、電流を出力しないため、電流電圧変換回路３および電流電圧変換回路４には、それぞれ温度依存性のない第１の電流Ｉ_１もしくは温度依存性のある電流Ｉ_２が流れる。このとき、電圧電流変換回路７から出力される電流Ｉ_Ｄは、温度依存性のある電流Ｉ_２（Ｉgm,const）のｎ倍となる。

次に、電圧Ｖ_１≧電圧Ｖ_２の場合について説明する。
この場合、比較回路５は、式（１）で示されるように、Ｇｍ,comp×（Ｖ_１−Ｖ_２）の電流を出力する。

ここで、比較回路５、電流加算部６、電流電圧変換回路４は、負帰還増幅器を構成する。負帰還増幅器により電流電圧変換回路４に流れる電流Ｉ_２（gm,const）が電流電圧変換回路３に流れる電流、すなわち温度依存性のない電流Ｉ_１（Ｉconst）と等しくなることを説明する。

電流電圧変換回路３および電流電圧変換回路４は等しい特性を持つものとし、これらの回路の入出力特性を、

と表す。ただし、Ｒは抵抗値であり正の数である。すると、比較回路５への入力電圧はそれぞれ、

と表される。電圧Ｖ_１≧電圧Ｖ_２であることに注目し、式（３）と式（４）を式（１）に代入すると、

となる。つまり、Ｇm,comp Ｒ≫１となるように設計すれば、電圧Ｖ_１≧電圧Ｖ_２の条件で、比較回路５は、２つの電流の差を出力する。

すなわち、電流電圧変換回路４には温度依存性のない第１の電流Ｉ_１（Ｉconst）が流れる。結果として電圧電流変換回路７には温度依存性のない第１の電流Ｉ_１（Ｉconst）のｎ倍が流れる。

以上の動作により、スイッチで回路を切り替えることなく２つの電流値を不連続点なく切り替えることができる。

なお、このバイアス回路を例えば増幅回路などのデバイスに使用する場合は、高温時の利得および帯域低下を抑えるために温度依存性のあるＩ_２（Ｉgm,const）を生成する電流源２として、増幅回路に用いられる信号増幅用のトランジスタのトランスコンダクタンスgmを一定にするような電流源を使うものとする。

このような電流源２を使った場合のバイアス回路の出力電流Ｉ_Ｄの値と温度の関係（温度対出力電流特性）、およびトランジスタのトランスコンダクタンスgmと温度との関係（温度対トランスコンダクタンスgm特性）を図８に示す。

同図において、点線で示すＩ_Ｄ（spec）は、バイアスすべき対象の増幅回路の定格を満足するために必要なバイアス電流の最低電流値（定格値）であり、この値を下回ってしまうと、歪み値が増し増幅器の定格を満たさなくなる。

同様に点線で示すgm（spec）は、増幅器のトランスコンダクタンスgmの定格値であり、この値以下では増幅器の性能が低下してしまうことを示している。

出力電流Ｉ_Ｄは、低温時には、Ｉ_Ｄ（spec）と同じ一定の値を示しており、温度がある値まで上昇した後は、増加する特性となっている。

一方、トランスコンダクタンスgmは、高温時には、gm（spec）と同じ一定の値を示しており、温度が出力電流Ｉ_Ｄの変化点まで低下すると、それ以降、増加してゆく特性を示している。

本実施形態のバイアス回路では、出力電流Ｉ_Ｄとトランスコンダクタンスgmとはこのような関係となり、最低のバイアス電流で増幅器を動作させて、しかも出力電流Ｉ_Ｄとトランスコンダクタンスgmの両スペックを満足することができる。

すなわち、このバイアス回路では、２つの電流源１，２からの電流のうち大きい方の電流を、電流電圧変換回路４へ入力することが可能となる。これにより、低温時には歪み特性の劣化を抑制するように、温度依存性のない電流Ｉ_１（Ｉconst）を使う一方、高温時には周波数特性の劣化を抑えるようにトランスコンダクタンスgmを一定にする電流Ｉ_２（Ｉgm,const）を使うことで、回路で使用する電流を削減することができる。

比較回路５に入力される電圧どうしの関係が電圧Ｖ_１＜電圧Ｖ_２となる場合、差動増幅器５４が、電源電圧ＶＤＤ５５に近い電圧を出力するため、電界効果トランジスタＭ３はカットオフとなる。このため、電圧Ｖ_１＜電圧Ｖ_２のときには電界効果トランジスタＭ３は電流Ｉ_３を出力しない。

また、比較回路５に入力される電圧どうしの関係が電圧Ｖ_１≧電圧Ｖ_２となる場合には、差動増幅器５４の出力電圧は、直流電源ＶＤＤ５５の電圧値に比べて低くなるため、電界効果トランジスタＭ３はオンとなり、電流Ｉ_３が出力される。このような動作により、式（１）に示す入出力特性が実現できる。

このようにこの第１実施形態によれば、温度依存性を持たない電流Ｉ_１（Ｉconst）と、温度依存性を持つ電流Ｉ_２（Ｉgm,const）とを電圧に変換し、互いを比較して比較結果に応じた電流Ｉ_３を電流加算部６へ出力し、電流加算部６で電流Ｉ_３と電流Ｉ_２（Ｉgm,const）とを加算することにより、温度の変化に対して２つの電流源１，２からの電流Ｉ_１、Ｉ_２を滑らかに切り替えることができる。

温度の変動に対して電界効果トランジスタＭ７，Ｍ８，Ｍ９のトランスコンダクタンスgmを一定に保つ電流Ｉ_２（Ｉgm,const）を出力するように電流源２を構成することで、バイアス回路を使用する増幅器の利得と帯域幅を温度によらずある一定以上の値に保つことができ、増幅器のバイアス電流定格Ｉ_Ｄ（spec）を満足することができる。

電流電圧変換回路３，４を、ドレイン端子とゲート端子が短絡接続（ダイオード接続）された電界効果トランジスタＭ１，Ｍ２を用いることで、電流の値を比較判定しやすい電圧の値に変換することができる。

電流電圧変換回路３から出力される電圧Ｖ_１と電流電圧変換回路４から出力される電圧Ｖ_２との関係がＶ_１＜Ｖ_２であるときに電流Ｉ_３を出力せず、Ｖ_１≧Ｖ_２であるときにＶ_１−Ｖ_２に比例した電流を出力するように比較回路５を構成することで、バイアス回路の出力電流が、温度依存性を持たない電流Ｉ_１（Ｉconst）と、温度依存性を持つ電流Ｉ_２（gm,const）のうち、大きい方の電流を、電流量の増減で（スイッチングせずに）取り出すことができる。

（第２実施形態）
図９を参照して第２実施形態を説明する。
この第２実施形態は、上記第１実施形態に示した電流源１と電流源２とを入れ替えた例であり、第１実施形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

すなわち、この第２実施形態は、図９に示すように、温度依存性のない電流Ｉ_１（Ｉconst）を生成する電流源１を電流加算部６に接続する一方、温度依存性のある電流Ｉ_２（gm,const）を生成する電流源２を電流電圧変換回路３に接続した例である。

このようにこの第２実施形態のバイアス回路によれば、温度依存性のない電流Ｉ_１（Ｉconst）を生成する電流源１を電流加算部６に接続する一方、温度依存性のある電流Ｉ_２（gm,const）を生成する電流源２を電流電圧変換回路３に接続した場合であっても、互いを比較して比較結果に応じた電流Ｉ_３を電流加算部６へ出力し、電流加算部６で電流Ｉ_３と電流Ｉ_１（Ｉconst）とを加算することにより、温度の変化に対して２つの電流源１，２からの電流Ｉ_１、Ｉ_２を滑らかに切り替えることができる。

（第３実施形態）
図１０を参照して第３実施形態を説明する。この第３実施形態は、上述したバイアス回路を増幅器に適用した例である。
図１０に示すように、増幅器９０は、トランジスタ９１とバイアス回路９２を有している。

トランジスタ９１は、信号増幅用のものであり、バイアス回路９２からのバイアス電流Ｉ_Ｄによりバイアスされる。

バイアス回路９２には、上記第１及び第２の実施形態で示したバイアス回路が用いられる。

このようにこの第３実施形態によれば、上記第１及び第２の実施形態で示したバイアス回路を増幅器９０に適用することにより、低温時の歪み特性悪化を抑えることができ、高温時の周波数特性の劣化も抑制しつつ増幅器９０を省力化することができる。

各実施形態で示したバイアス回路は、集積回路上に形成される増幅回路に適用可能であり、低温時の歪み特性劣化と高温時の周波数特性の劣化を抑えつつ増幅回路の省力化が可能となる。

（第４実施形態）
図１１を参照して第４実施形態を説明する。この第４実施形態は、上述した第３実施形態の増幅器およびバイアス回路を、受信機などの通信装置に適用した例である。

図１１に示すように、この受信機９４は、アンテナ９５、低雑音増幅器９６、アンテナ９５、周波数変換器９７、増幅器９０、バイアス回路９２を有している。

アンテナ９５は電波を受信する。低雑音増幅器９６は、アンテナ９５で受信された受信信号を除去した低ノイズのＲＦ信号（高周波信号）を生成する。

周波数変換器９７は、低雑音増幅器９６により生成されたＲＦ信号を、低い周波数の信号へ変換する。

上記アンテナ９５、低雑音増幅器９６、周波数変換器９７は、電波を受信して受信信号を増幅器９０へ出力する受信部として機能する。

増幅器９０は、周波数変換器９７により周波数変換された信号を増幅する。つまり増幅器９０は、受信部により受信された受信信号を増幅する。バイアス回路９２は、増幅器９０に対してバイアス電流を供給する。

バイアス回路９２がバイアス電流を増幅器９０に供給する形態としては、増幅器９０から電流を引き込むカレントシンクの形態と、バイアス回路９２から増幅器９０へ電流を出力するカレントソースの形態とがあり、本願発明はいずれの場合も適用可能である。

このようにこの第４実施形態によれば、受信機に実装される増幅器９０に、上記第３実施形態で示した増幅器９０を用いることで、低温時の歪み特性悪化を抑えることができ、高温時の周波数特性の劣化も抑制しつつ受信機を省力化することができる。

本発明は無線通信や有線通信を含むアナログ集積回路に応用可能であり、特に演算増幅器を用いたフィルタ回路や増幅回路を含む集積回路の省力化に有効である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。

例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態のバイアス回路の構成を示す図である。 電流電圧変換回路の回路構成の一例を示す図である。 比較回路の回路構成の一例を示す図である。 電圧電流変換回路の回路構成の一例を示す図である。 第１電流源の回路構成の一例を示す図である。 第２電流源の回路構成の一例を示す図である。 図１のバイアス回路を回路素子で構成した場合の一例を示す図である。 バイアス回路の温度対出力電流特性、およびバイアスされる増幅器の温度対トランスコンダクタンス特性を示す図である。 第２実施形態の構成を示す図である。 第３実施形態の構成を示す図である。 第４実施形態の構成を示す図である。

符号の説明

１，２…電流源、３，４…電流電圧変換回路、５…比較回路、６…電流加算部、７…電圧電流変換回路、１１…差動増幅器、４１…入力端子、５１，５２…入力端子、５３…出力端子、５４…差動増幅器、６１…電流合流部、９０…増幅器、９１…トランジスタ、９４…受信機、９５…アンテナ、９２…バイアス回路、９６…低雑音増幅器、９７…周波数変換器、Ｍ１〜Ｍ９…電界効果トランジスタ、Ｑ１，Ｑ２…バイポーラ・トランジスタ、ＶＤＤ１４，２１，５５…直流電源。

Claims (13)

1. 第１電流を生成する第１電流源と、
   温度の変化に伴い出力電流の特性が前記第１電流と交るように増加または減少するような温度対出力電流特性の第２電流を生成する第２電流源と、
   前記第１電流源により生成された第１電流を第１電圧に変換する第１電流電圧変換回路と、
   入力端子を有し、前記入力端子に入力される電流を第２電圧に変換する第２電流電圧変換回路と、
   前記第１電圧と前記第２電圧とを比較し、比較結果に応じた第３電流を生成する比較回路と、
   前記第３電流と前記第２電流とを合流させて前記第２電流電圧変換回路の前記入力端子へ入力する加算部と、
   前記第２電流電圧変換回路により変換された前記第２電圧を、バイアス用の第４電流に変換する電圧電流変換回路と
   を具備することを特徴とするバイアス回路。
2. 請求項１記載のバイアス回路において、
   前記第１電流は、温度の変化に対して出力される電流がほぼ変動しない電流であることを特徴とするバイアス回路。
3. 請求項１記載のバイアス回路において、
   前記第２電流は、温度の変化に対して出力される電流値が増加または減少する変動量が前記第１電流よりも多い電流であることを特徴とするバイアス回路。
4. 請求項１記載のバイアス回路において、
   前記第２電流源は、
   温度の変化に対して、バイアスをかけるデバイスのトランスコンダクタンスを一定に保つような前記第２電流を出力することを特徴とするバイアス回路。
5. 請求項１記載のバイアス回路において、
   前記第１の電流電圧変換回路および前記第２電流電圧変換回路の少なくとも一つは、前記電界効果トランジスタであること特徴とするバイアス回路。
6. 請求項５記載のバイアス回路において、
   前記電界効果トランジスタが、
   ドレイン端子とゲート端子を短絡接続したＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであることを特徴とするバイアス回路。
7. 請求項１記載のバイアス回路において、
   前記比較回路は、
   前記第１電流電圧変換回路により変換された前記第１電圧よりも前記第２電流電圧変換回路により変換された前記第２電圧が大きい場合、前記第３電流を出力しない一方、前記第１電圧が前記第２電圧以上の場合に前記第１電圧から前記第２電圧を引いた値に比例した前記第３電流を出力すること特徴とするバイアス回路。
8. 請求項１記載のバイアス回路において、
   前記比較回路は、
   前記第１電流電圧変換回路により変換された前記第１電圧と前記第２電流電圧変換回路により変換された前記第２電圧とを比較し、互いの電圧値を差し引いた差分の電圧を出する差動増幅器と、
   前記差動増幅器から出力された差分の電圧値に応じた第３電流を生成する電流生成回路と
   を具備することを特徴とするバイアス回路。
9. 請求項８記載のバイアス回路において、
   前記電流生成回路が、
   ソース端子が直流電源に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン端子に第３電流を出力すること特徴とするバイアス回路。
10. 請求項１記載のバイアス回路において、
    前記電圧電流変換回路が、
    前記第４電圧に応じて、ドレイン端子から電流を引き込むように動作するトランジスタであること特徴とするバイアス回路。
11. 請求項１０記載のバイアス回路において、
    前記トランジスタが、
    ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであること特徴とするバイアス回路。
12. 第１電流を生成し、出力する第１電流源と、
    温度の変化に伴い出力電流の特性が第１電流と交るように増加または減少するような温度対出力電流特性の第２電流を生成し、出力する第２電流源と、
    前記第１電流源からドレイン端子に入力された第１電流を第１電圧に変換し、差動増幅器の−入力端子へ出力する第１電界効果トランジスタと、
    前記第２電流源からドレイン端子に入力される第２電流を第２電圧に変換し、出力する第２電界効果トランジスタと、
    ＋入力端子と−入力端子を有し、前記第１電界効果トランジスタから前記−入力端子に入力された第１電圧と、前記第２電界効果トランジスタから前記＋入力端子に入力された第２電圧とを比較し、比較結果に応じた差分の第３電圧を出力する差動増幅器と、
    ゲート端子に入力される第３電圧の値に応じて直流電源から第３電流を流す第３電界効果トランジスタと、
    前記第２電界効果トランジスタからゲート端子に入力される第２電圧を、バイアス用の電流に変換する第４電界効果トランジスタと、
    前記第２電流源の出力端子と前記第２電界効果トランジスタのドレイン端子とを接続し、前記第２電流と前記第３電流とを合流させて前記第２電界効果トランジスタのドレイン端子へ入力する電流合流部と
    を具備すること特徴とするバイアス回路。
13. 信号増幅用のトランジスタと、
    前記第４電流により前記トランジスタをバイアスする請求項１記載のバイアス回路と
    を具備することを特徴とする増幅器。

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