JP2012195837A

JP2012195837A - バッファ回路、伝送回路および無線通信装置

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Publication number: JP2012195837A
Application number: JP2011059405A
Authority: JP
Inventors: Jun Deguchi; 口淳出
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102684725B; CN102684725A; US20140287700A1; US9059781B2; US8781410B2; JP5356444B2; US20120238221A1

Abstract

【課題】異なる周波数帯の信号を減衰を抑えて伝送可能なバッファ回路および伝送回路を提供する。
【解決手段】伝送回路７は、縦続接続される複数のバッファ回路ＬＢ１、ＬＢ２を有し、前記複数のバッファ回路ＬＢ１、ＬＢ２のそれぞれは、入力信号が第１の端子に入力されるコンデンサＣｉｎと、前記コンデンサＣｉｎの第２の端子の信号を反転増幅する第１の反転増幅回路Ａ３と、前記第１の反転増幅回路Ａ３の出力信号を反転増幅する第２の反転増幅回路Ａ４と、一端が前記コンデンサＣｉｎの第２の端子に接続され、他端が前記第１および第２の反転増幅回路の接続ノードに接続され、ゲートに前記入力信号の反転信号が入力されるＭＯＳトランジスタＭ１と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、バッファ回路、伝送回路および無線通信装置に関する。

携帯電話に代表される無線通信装置では、局発（Local Oscillator：以下、ＬＯ）信号を、変調および復調の基準信号として用いる。近年では、複数本のアンテナと複数の変調回路および復調回路（Multiple Input Multiple Output）を設けて通信速度の向上を図ることも行われるようになってきている。そのため、送受信用のチップ面積が大型化し、ＬＯ信号を生成する電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator：以下、ＶＣＯ）から変調回路および復調回路まで、長い距離に渡ってＬＯ信号を伝送する必要がある。

また、１つの無線通信装置では、複数の無線規格に対応することが求められており、複数の無線規格に対応するためには、異なる周波数帯の信号を送受信しなければならない。

特開平６−６９７２７号公報

異なる周波数帯の信号を減衰を抑えて伝送可能なバッファ回路および伝送回路と、これを用いた無線通信装置を提供する。

実施形態によれば、無線通信装置は、発振信号生成回路と、信号送信回路と、伝送回路とを備える。発振信号生成回路は、発振信号を生成する。信号送信回路は、前記発振信号に基づいて外部から入力された入力電波信号を変調し、変調された前記入力電波信号をアンテナから送信する。伝送回路は、前記発振信号を前記信号送信回路に伝送する。前記伝送回路は、縦続接続される複数のバッファ回路を有し、前記複数のバッファ回路のそれぞれは、入力信号が第１の端子に入力されるコンデンサと、前記コンデンサの第２の端子の信号を反転増幅する第１の反転増幅回路と、前記第１の反転増幅回路の出力信号を反転増幅する第２の反転増幅回路と、一端が前記コンデンサの第２の端子に接続され、他端が前記第１および第２の反転増幅回路の接続ノードに接続され、ゲートに前記入力信号の反転信号が入力されるＭＯＳトランジスタと、を有する。

一実施形態に係る無線通信装置１００の概略ブロック図。伝送回路７の回路図。図２の各信号の電圧波形図の一例。図２の伝送回路７の特性を示すシミュレーション結果。図２の各信号の電圧波形図の別の一例。トランジスタＭ１の時間平均抵抗値のシミュレーション結果を示すグラフ。無線通信装置１００’の概略ブロック図。

以下、バッファ回路、伝送回路および無線通信装置の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、一実施形態に係る無線通信装置１００の概略ブロック図である。図１の無線通信装置１００は、例えば携帯電話に搭載される。無線通信装置１００は、アンテナ１と、切替器（ＳＷ）２と、信号送信部３と、信号受信部４とを備えている。なお、無線通信装置１００は信号送信部３および信号受信部４のうちの１つのみを備えていてもよい。

アンテナ１は電波信号を送信または受信する。切替器２はアンテナ１が電波信号を送信するか受信するかをそれぞれ切り替える。

信号送信部３は図示しないベースバンドＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）等から入力された入力信号を処理した電波信号をアンテナ１に出力する。より具体的には、信号送信部３は、入力信号処理回路５と、ＰＬＬ回路（発振信号生成回路）６と、伝送回路７と、変調回路８と、ＰＡ（Power Amplifier）９とを有する。入力信号処理回路５は外部から入力された信号を処理する。ＰＬＬ回路６はＶＣＯ６ａを有し、ＬＯ信号を生成する。伝送回路７はＬＯ信号を変調回路８へそれぞれ伝送する。変調回路８は、伝送されたＬＯ信号に基づいて、入力信号処理回路５の出力信号を変調する。ＰＡ９は変調回路８の出力信号を増幅してアンテナ１へ出力する。入力信号処理回路５、変調回路８およびＰＡ９は信号送信回路を構成する。

信号受信部４はアンテナ１が受信した電波信号を処理して外部に出力する。より具体的には、信号受信部４は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１０と、ＰＬＬ回路（発振信号生成回路）１１と、伝送回路１２と、復調回路１３と、出力信号処理回路１４とを有する。ＬＮＡ１０はアンテナ１が受信した電波信号を増幅する。ＰＬＬ回路１１はＶＣＯ１１ａを有し、ＬＯ信号を生成する。伝送回路１２はＬＯ信号を復調回路１３へ伝送する。伝送されたＬＯ信号に基づいて、復調回路１３は、ＬＮＡ１０により増幅された電波信号を復調する。出力信号処理回路１４は復調された信号を処理して外部に出力する。ＬＮＡ１０、復調回路１３および出力信号処理回路１４は信号受信回路を構成する。

図１では、信号送信部３が変調回路８を１つ備える無線通信装置１００を示しているが、複数の変調回路８を備えて、複数の無線規格に対応できるようにしてもよい。同様に、信号受信部４が複数の復調回路１３を備えていてもよい。

ＰＬＬ回路６，１１が生成するＬＯ信号の周波数は電波信号の無線規格に応じて異なり、例えば５００ＭＨｚ〜５ＧＨｚである。より具体的な例として、無線ＬＡＮ（Local Area Network）機器では２．５ＧＨｚや５ＧＨｚであり、携帯電話では９００ＭＨｚである。

したがって、伝送回路７，１２は、ＬＯ信号の周波数がこれらの周波数のいずれであっても、できる限り信号が減衰することなく、ＰＬＬ回路６，１１から復調回路８および変調回路１３へＬＯ信号をそれぞれ伝送しなければならない。以下、伝送回路７，１２の構成はいずれも同様なので、代表して伝送回路７について詳しく説明する。

図２は、伝送回路７の回路図である。伝送回路７は、ＶＣＯバッファＶＢと、縦続接続される複数のＬＯバッファ（バッファ回路）ＬＢ１，ＬＢ２等とを有する。

ＶＣＯバッファＶＢはＶＣＯ６ａが生成するＬＯ信号を反転増幅する反転増幅回路Ａ１と、反転増幅回路Ａ１の出力信号を反転増幅する反転増幅回路Ａ２とを有する。以下では、反転増幅回路Ａ１，Ａ２の出力信号をそれぞれ信号ＬＯ１，ＬＯ２と呼ぶ。

ＬＯバッファＬＢ１は、コンデンサＣｉｎと、反転増幅回路Ａ３，Ａ４と、ＮＭＯＳ（N-type Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＭ１とを有する。コンデンサＣｉｎおよび反転増幅回路Ａ３，Ａ４は、ＬＯバッファＬＢ１の入力端子と出力端子との間に縦続接続される。トランジスタＭ１のドレインおよびソースは反転増幅回路Ａ３の入力端子および出力端子にそれぞれ接続される。ゲートは、反転増幅回路Ａ１，Ａ２の接続ノードと接続される。また各配線には寄生容量Ｃｐ１１，Ｃｐ２１等が形成される。ＬＯバッファＬＢ２等の構成はＬＯバッファＬＯ１とほぼ同じであるため、説明を省略する。

コンデンサＣｉｎの一端には、ＶＣＯバッファＶＢから出力される信号ＬＯ２が入力信号として入力される。コンデンサＣｉｎは信号ＬＯ２のＤＣ成分を除去する。コンデンサＣｉｎが大きいと、コンデンサＣｉｎを充放電するために大きな電流を流す必要があり、消費電力が大きくなってしまうため、コンデンサＣｉｎを小さく形成するのが望ましい。

反転増幅器Ａ３は、ＤＣ成分が除去された、コンデンサＣｉｎの他端の電圧を反転増幅する。反転増幅器Ａ４は反転増幅回路Ａ３の出力信号をさらに反転増幅する。以下、反転増幅回路Ａ３の入力信号および出力信号、反転増幅回路Ａ４の出力信号をそれぞれ信号ＬＯ３，ＬＯ４，ＬＯ５と呼ぶ。

トランジスタＭ１は反転増幅回路Ａ３の動作点を設定するために設けられる。より具体的には、トランジスタＭ１はゲートに入力される信号ＬＯ１がハイであるときにオンし、ソース・ドレイン間が短絡する。これにより、反転増幅回路Ａ３の入力電圧と出力電圧が等しい電圧に動作点が定まる。なお、トランジスタＭ１のゲートに入力される信号ＬＯ１の位相と、コンデンサＣｉｎの一端に入力される信号ＬＯ２の位相は互いに反転している。

反転増幅回路Ａ１〜Ａ４は、例えばＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタとを縦続接続したＣＭＯＳインバータである。

続いて、伝送回路７の動作を説明する。

図３は、図２の各信号の電圧波形図の一例である。上述のように、ＬＯ信号の周波数は電波信号の無線規格に応じて異なるが、同図は周波数が高い場合（例えば周期Ｔ０ａ＝０．２ｎｓ、すなわち周波数ｆａ＝５ＧＨｚ）の動作を示している。

時刻ｔ０で信号ＬＯ１はロウであり、時刻ｔ１ａで信号ＬＯ１がロウからハイに遷移したとする。これによりトランジスタＭ１がオンし、ソースとドレインが導通する。したがって、反転増幅回路Ａ３の入出力が導通し、信号ＬＯ３の電圧が低下し始めるとともに、信号ＬＯ４の電圧が上昇し始める。そして、信号ＬＯ３と信号ＬＯ４とが等しい電圧になる時刻ｔ２ａで信号ＬＯ３，ＬＯ４は安定する。この時の電圧が反転増幅回路Ａ３の動作点となる。

反転増幅器Ａ３の論理閾値電圧がＶＤＤ／２である場合、時刻ｔ２ａでの信号ＬＯ３，ＬＯ４の電圧はＶＤＤ／２となる。仮に反転増幅回路Ａ３の入出力特性がばらついて、論理閾値電圧がＶＤＤ／２から多少ずれたとしても、トランジスタＭ１によるフィードバックのため、動作点をほぼＶＤＤ／２にすることができる。以下では、動作点をＶＤＤ／２とする。

続いて、信号Ｌ３，ＬＯ４の電圧がＶＤＤ／２になった時刻ｔ２ａで、信号ＬＯ１がハイからロウに遷移したとする。これにより、トランジスタＭ１のゲートがロウになってオフするため、反転増幅回路Ａ３の入出力は遮断する。一方、反転増幅回路Ａ２は信号ＬＯ２をロウからハイに反転させる。これに伴い、コンデンサＣｉｎの容量結合により、反転増幅回路Ａ３の入力信号である信号ＬＯ３はＶＤＤ／２からハイに遷移する。これにより、反転増幅回路Ａ４は信号ＬＯ４をＶＤＤ／２からロウに反転させる。そして、反転増幅器Ａ５は信号ＬＯ５をロウからハイに反転させる。

その後、時刻ｔ１ａから１周期Ｔ０ａが経過した時刻ｔ３ａで、再び信号ＬＯ１はロウからハイに遷移する。以下同様にして、伝送回路７は信号を反転増幅しながら、ＰＬＬ回路６から変調回路８へＬＯ信号を伝送する。

上記の動作において、時刻ｔ１ａ〜ｔ２ａの期間（以下、期間Ｔｃ）では、トランジスタＭ１がオンしてソース・ドレイン間に電流が流れている。そのため、トランジスタＭ１はオン抵抗Ｒｏｎとみなすことができる。この期間Ｔｃは主に、反転増幅回路Ａ３が、その出力端子に形成される寄生容量Ｃｐ２２を充電するのに要する時間である。したがって、期間ＴｃはＬＯ信号の周波数に依存せず、ほぼ一定である。

一方、時刻ｔ２ａ〜ｔ３ａでは、トランジスタＭ１がオフしており、オフ抵抗Ｒｏｆｆとみなすことができる。

図３では、時刻ｔ２ａで信号ＬＯ３，ＬＯ４が電圧ＶＤＤ／２に達するとともに、信号ＬＯ１がハイからロウに遷移する例を示しており、この場合、周期Ｔ０ａのうちの５０％（周期Ｔ０ａのうちの期間Ｔｃ）でトランジスタＭ１はオンし、残りの５０％（時刻ｔ２ａ〜ｔ３ａ）はオフする。つまり、トランジスタＭ１のデューティ比は５０％となる。そのため、トランジスタＭ１はオン抵抗Ｒｏｎとオフ抵抗Ｒｏｆｆが並列接続された抵抗Ｒ＝（Ｒｏｎ＊Ｒｏｆｆ）／（Ｒｏｎ＋Ｒｏｆｆ）とみなせる。通常、オフ抵抗Ｒｏｆｆはオン抵抗Ｒｏｎより十分大きいので、トランジスタＭ１は抵抗Ｒ＝Ｒｏｎとみなせる。

トランジスタＭ１の代わりに、抵抗値がＲｏｎのポリシリコン抵抗を用いることも考えられる。しかしながら、一般に、単位面積あたりのポリシリコン抵抗の抵抗値は、チャネル長が長いＭＯＳトランジスタのオン抵抗より小さいため、ポリシリコン抵抗を大きく形成せざるを得ない。そうすると、回路面積が大きくなるばかりか、寄生容量も大きくなり伝送されるＬＯ信号が減衰するおそれがある。

これに対し、図４に、図２の伝送回路７の特性を示すシミュレーション結果を示す。同図の横軸は時間であり、縦軸は電圧である。同図では、縦続接続されるＬＯバッファのうち、２段目のＬＯバッファＬＢ２の出力電圧を破線で、９段目のＬＯバッファＬＢ９の出力電圧を実線で示している。また、ＬＯ信号の周波数を５ＧＨｚとし、電源電圧ＶＤＤを１．２Ｖとしている。図示のように、本実施形態ではポリシリコン抵抗ではなくトランジスタＭ１を用いるため、回路面積を小さくでき、かつ、寄生容量を小さくしてＬＯ信号の減衰を抑制できる。

ところで、ＬＯバッファＬＢ１内のコンデンサＣｉｎと、抵抗ＲとみなせるトランジスタＭ１により、ハイパスフィルタが形成される。Ｃｉｎ＊Ｒが大きいほどハイパスフィルタの遮断周波数は低くなる。したがって、周波数が高い（例えば５ＧＨｚ）ＬＯ信号を伝送するためには、Ｃｉｎ＊Ｒを小さくする必要がある。一方、周波数が低い（例えば５００ＭＨｚ）ＬＯ信号を伝送するためには、Ｃｉｎ＊Ｒを大きくする必要がある。

上述のようにＬＯ信号の周波数が高い場合、抵抗Ｒはオン抵抗Ｒｏｎとみなせる。そこで、本実施形態では、高い周波数のＬＯ信号を伝送できるようにオン抵抗Ｒｏｎが最適化されたトランジスタＭ１を形成する。このようにトランジスタＭ１を形成しても、低い周波数のＬＯ信号もハイパスフィルタを通過できることを以下に説明する。

図５は、図２の各信号の電圧波形図の別の一例である。同図は周波数が低い場合（例えば周期Ｔ０ｂ＝２ｎｓ、すなわち周波数ｆｂ＝５００ＭＨｚ）の動作を示している。周波数が高い場合の図３との相違点を主に説明する。

時刻ｔ１ｂで信号ＬＯ１がロウからハイに遷移すると、反転増幅回路Ａ３の入出力が導通し、信号ＬＯ３の電圧が低下し始めるとともに、信号ＬＯ４の電圧が上昇し始める。そして、信号ＬＯ３と信号ＬＯ４とが等しい電圧（ＶＤＤ／２）になる時刻ｔ２ｂで信号ＬＯ３，ＬＯ４は安定する。上述のように、信号ＬＯ３，ＬＯ４が安定するまでの期間Ｔｃ（時刻ｔ１ｂ〜ｔ２ｂ）はＬＯ信号の周波数には依存しないため、図３の期間Ｔｃとほぼ同じである。

そして、時刻ｔ２ｂ〜ｔ３ｂでは、トランジスタＭ１のゲートはハイに設定されるが、ソース・ドレイン間の電圧が等しくＶＤＤ／２になるため、ソース・ドレイン間に電流は流れず、実効的にはトランジスタＭ１はオフとみなせる。当然、トランジスタＭ１のゲートがロウに設定される時刻ｔ３ｂ〜ｔ４ｂも、トランジスタＭ１はオフである。

よって、トランジスタＭ１のデューティ比は、図５のＴｃ／Ｔ０ｂであり、５０％よりもかなり小さい。したがって、周波数が低いときもトランジスタＭ１は抵抗とみなせるが、その抵抗値Ｒは周波数が高い場合に比べてオフ抵抗Ｒｏｆｆに近くなる。オフ抵抗Ｒｏｆｆはオン抵抗Ｒｏｎより大きいため、図２のＬＯバッファＬＢ１内のＣｉｎ＊Ｒが大きくなる。その結果、ハイパスフィルタの遮断周波数が低くなり、低い周波数のＬＯ信号もハイパスフィルタを通過できる。

図６は、トランジスタＭ１の時間平均抵抗値のシミュレーション結果を示すグラフである。同図の横軸はＬＯ信号の周波数をｄＢＨｚ表示したものであり、縦軸は抵抗をｄＢΩ表示したものである。同図に示すように、周波数が低くなるに連れて、トランジスタＭ１の抵抗値はほぼ線形に増加する。したがって、高い周波数のＬＯ信号に合わせて容量ＣｉｎおよびトランジスタＭ１（抵抗Ｒ）を形成しても、低い周波数のＬＯ信号が容量Ｃ１およびトランジスタＭ１からなるハイパスフィルタを通過できる。

このように、本実施形態では、ＭＯＳトランジスタを用いてＬＯバッファを構成する。そのため、寄生容量が小さくなり、ＬＯ信号の減衰を抑制できる。さらに、ＬＯ信号の周波数が低くなるほどＭＯＳトランジスタの実効的な抵抗は大きく見えるため、異なる周波数帯の信号を伝送できる。

なお、図２ではＮＭＯＳトランジスタＭ１を形成しているが、ＰＭＯＳトランジスタでもよい。この場合でも基本的な動作原理は同様である。

また、図１では、信号送信部３および信号受信部４のそれぞれがＰＬＬ回路６，１１を有する例を示しているが、時分割で送信および受信を切り替える通信規格の場合等では、図７に示すように無線通信装置１００’にＶＣＯ１５ａを有する１つのＰＬＬ回路１５を設けて、それぞれ伝送回路７，１２を介して信号送信部３および信号受信部４の両方に供給してもよい。これにより、回路規模を削減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１アンテナ
３信号送信部
４信号受信部
６，１１ＰＬＬ回路
７，１２伝送回路
ＶＢＶＣＯバッファ
ＬＢ１，ＬＢ２ＬＯバッファ
Ａ１〜Ａ４反転増幅回路
Ｃｉｎコンデンサ
Ｍ１ＮＭＯＳトランジスタ
１００無線通信装置

Claims

発振信号を生成する発振信号生成回路と、
前記発振信号に基づいて外部から入力された入力電波信号を変調し、変調された前記入力電波信号をアンテナから送信する信号送信回路と、
前記発振信号を前記信号送信回路に伝送する伝送回路と、を備え、
前記伝送回路は、縦続接続される複数のバッファ回路を有し、
前記複数のバッファ回路のそれぞれは、
入力信号が第１の端子に入力されるコンデンサと、
前記コンデンサの第２の端子の信号を反転増幅する第１の反転増幅回路と、
前記第１の反転増幅回路の出力信号を反転増幅する第２の反転増幅回路と、
一端が前記コンデンサの第２の端子に接続され、他端が前記第１および第２の反転増幅回路の接続ノードに接続され、ゲートに前記入力信号の反転信号が入力されるＭＯＳトランジスタと、を有することを特徴とする無線通信装置。
発振信号を生成する発振信号生成回路と、
前記発振信号に基づいて前記アンテナで受信した受信信号を復調し、復調された前記受信信号を外部へ出力する信号受信回路と、
前記発振信号を前記信号受信回路に伝送する伝送回路と、を備え、
前記伝送回路は、縦続接続される複数のバッファ回路を有し、
前記複数のバッファ回路のそれぞれは、
入力信号が第１の端子に入力されるコンデンサと、
前記コンデンサの第２の端子の信号を反転増幅する第１の反転増幅回路と、
前記第１の反転増幅回路の出力信号を反転増幅する第２の反転増幅回路と、
一端が前記コンデンサの第２の端子に接続され、他端が前記第１および第２の反転増幅回路の接続ノードに接続され、ゲートに前記入力信号の反転信号が入力されるＭＯＳトランジスタと、を有することを特徴とする無線通信装置。
前記第１および第２の伝送回路のそれぞれは、
前記第１または第２の発振信号を反転増幅する第３の反転増幅回路と、
前記第３の反転増幅回路の出力信号を反転増幅する第４の反転増幅回路と、を有し、
前記第３の反転増幅回路の出力信号が、前記入力信号の反転信号として初段の前記バッファ回路のＭＯＳトランジスタの前記ゲートに入力されることを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
前記複数のバッファ回路のうちの少なくとも１つの第１の反転増幅回路の出力信号が、前記反転信号として、次段の前記バッファ回路のＭＯＳトランジスタのゲートに入力されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の無線通信装置。
縦続接続される複数のバッファ回路を備え、
前記複数のバッファ回路のそれぞれは、
入力信号が第１の端子に入力されるコンデンサと、
前記コンデンサの第２の端子の信号を反転増幅する第１の反転増幅回路と、
前記第１の反転増幅回路の出力信号を反転増幅する第２の反転増幅回路と、
一端が前記コンデンサの第２の端子に接続され、他端が前記第１および第２の反転増幅回路の接続ノードに接続され、ゲートに前記入力信号の反転信号が入力されるＭＯＳトランジスタと、を有することを特徴とする伝送回路。
前記複数のバッファ回路のうちの少なくとも１つの第１の反転増幅回路の出力信号が、前記反転信号として、次段の前記バッファ回路のＭＯＳトランジスタのゲートに入力されることを特徴とする請求項５に記載の伝送回路。
入力信号が第１の端子に入力されるコンデンサと、
前記コンデンサの第２の端子の信号を反転増幅する第１の反転増幅回路と、
前記第１の反転増幅回路の出力信号を反転増幅する第２の反転増幅回路と、
一端が前記コンデンサの第２の端子に接続され、他端が前記第１および第２の反転増幅回路の接続ノードに接続され、ゲートに前記入力信号の反転信号が入力されるＭＯＳトランジスタと、を備えることを特徴とするバッファ回路。