JP2013074460A - Variable gain amplifier - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable gain amplifier that maintains an offset cancellation capability and has a variable voltage gain.SOLUTION: The variable gain amplifier includes: a differential amplification circuit 11 for differentially amplifying input signals; an offset cancellation circuit 12 for feeding back only predetermined low range components of an output signal of the differential amplification circuit 11 to the differential amplification circuit 11 to remove a DC component of the output signal; and a common mode feedback circuit 103 for adjusting a gate voltage of third and fourth transistors 3, 4 of the differential amplification circuit 11 such that a common output level at output terminals 21, 22 is a predetermined voltage set by a reference voltage Vref. The offset cancellation circuit 12 is configured to change only a zero point frequency without changing a cutoff frequency for the predetermined low range components.

Description

本発明は、可変利得増幅器に係り、特に、無線通信における信号受信装置等で使用される直流オフセットキャンセル機能を備えた可変利得増幅器における直流オフセットキャンセル機能の向上等を図ったものに関する。   The present invention relates to a variable gain amplifier, and more particularly, to an improvement in a DC offset cancel function in a variable gain amplifier having a DC offset cancel function used in a signal receiving apparatus or the like in wireless communication.

無線通信において、受信方式の一つであるダイレクト・コンバージョン方式やLow−IF方式などを用いた回路にあっては、周波数を下げた後の信号には、直流オフセットが生じているため、信号増幅を行うために、この直流オフセットを除去する必要があり、従来から様々な対策が提案、実用化されている(例えば、非特許文献1等参照)。
例えば、図4には、そのような従来の可変利得増幅器の一構成例が示されており、以下、同図を参照しつつ、この従来回路について説明する。
この可変利得増幅器は、差動増幅回路101Aと、オフセットキャンセル回路102Aと、コモンモードフィードバック(CMFB)回路103Aとに大別されて構成されたものとなっている。
In wireless communication, in a circuit using a direct conversion method or a low-IF method, which is one of the reception methods, a signal offset is generated in the signal after the frequency is lowered. Therefore, it is necessary to remove this DC offset, and various countermeasures have been proposed and put into practical use (for example, see Non-Patent Document 1).
For example, FIG. 4 shows an example of the configuration of such a conventional variable gain amplifier. Hereinafter, the conventional circuit will be described with reference to FIG.
This variable gain amplifier is roughly divided into a differential amplifier circuit 101A, an offset cancel circuit 102A, and a common mode feedback (CMFB) circuit 103A.

差動増幅回路101Aは、差動入力部を構成するトランジスタM1,M2と、負荷抵抗として動作するトランジスタM3,M4と、定電流源として動作するトランジスタM5,M6と、利得可変用の可変抵抗素子VR1とを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
かかる構成において、トランジスタM1のドレインは、出力端子OUT+に、トランジスタM2のドレインは、出力端子OUT−に、それぞれ接続されており、差動増幅信号が出力されるようになっている。
そして、入力信号IN+、IN−に対する電圧利得Avは、トランジスタM1,M2のトランスコンダクタンスをgm、トランジスタM3,M4のソース・ドレイン間の抵抗をro、可変抵抗素子VR1の抵抗値をVRとすると、下記する式1により表される。
The differential amplifier circuit 101A includes transistors M1 and M2 constituting a differential input unit, transistors M3 and M4 operating as load resistors, transistors M5 and M6 operating as constant current sources, and variable resistance elements for variable gain. VR1 is the main component.
In such a configuration, the drain of the transistor M1 is connected to the output terminal OUT +, and the drain of the transistor M2 is connected to the output terminal OUT−, so that a differential amplified signal is output.
The voltage gain Av with respect to the input signals IN + and IN− is as follows. The transconductance of the transistors M1 and M2 is gm, the resistance between the source and drain of the transistors M3 and M4 is ro, and the resistance value of the variable resistance element VR1 is VR. It is represented by the following formula 1.

Av=gm×ro/(1+gm×VR)・・・式1   Av = gm × ro / (1 + gm × VR) Equation 1

すなわち、差動増幅回路の電圧利得Avは、可変抵抗素子VR1の抵抗値VRを変化させることにより可変可能であるということができる。   That is, it can be said that the voltage gain Av of the differential amplifier circuit can be varied by changing the resistance value VR of the variable resistance element VR1.

オフセットキャンセル回路102Aは、差動入力部を構成するトランジスタM9,M10と、抵抗として動作するトランジスタM7,M8と、固定容量素子C1,C2を主たる構成要素として構成されたものとなっている。
抵抗として作用するトランジスタM7,M8は、固定容量素子C1,C2と直列接続されることで、ローパスフィルタとして動作するようになっており、例えば、図5に示されたような特性を示すものとなっている。
そして、出力端子OUT+,OUT−に生じた出力信号の内、ローパスフィルタされたDC(直流)成分が、トランジスタM9と固定容量素子C1及びトランジスタM7との相互の接続点A2、トランジスタM10と固定容量素子C2及びトランジスタM8との相互の接続点B2に生じ、トランジスタM9,M10からなる差動入力部に入力されるようになっている。
The offset cancel circuit 102A is configured mainly by transistors M9 and M10 that constitute a differential input section, transistors M7 and M8 that operate as resistors, and fixed capacitance elements C1 and C2.
The transistors M7 and M8 acting as resistors are connected in series with the fixed capacitance elements C1 and C2 so as to operate as a low-pass filter. For example, the transistors M7 and M8 exhibit characteristics as shown in FIG. It has become.
Of the output signals generated at the output terminals OUT + and OUT−, the low-pass filtered DC (direct current) component is the connection point A2 between the transistor M9 and the fixed capacitance element C1 and the transistor M7, the transistor M10 and the fixed capacitance. It occurs at the connection point B2 between the element C2 and the transistor M8, and is input to the differential input section composed of the transistors M9 and M10.

かかる入力が生ずると、接続点A2,B2における電圧に応じた電流を、トランジスタM9,M10のドレインが差動増幅回路101Aの差動入力部のトランジスタM1,M2のソースから引き出すため、結果としてオフセットキャンセル回路102Aは、ハイパスフィルタの特性を有し、DC成分がカットされるようになっている。   When such an input occurs, the drains of the transistors M9 and M10 draw a current corresponding to the voltage at the connection points A2 and B2 from the sources of the transistors M1 and M2 in the differential input section of the differential amplifier circuit 101A, resulting in an offset. The cancel circuit 102A has the characteristics of a high-pass filter, and the DC component is cut.

ここで、トランジスタM7,M8と容量素子C1,C2で構成されるローパスフィルタの伝達関数は、下記する式2のように表される。   Here, the transfer function of the low-pass filter composed of the transistors M7 and M8 and the capacitive elements C1 and C2 is expressed as Equation 2 below.

T(s)=1/(1+s・Rt・C)・・・式2   T (s) = 1 / (1 + s · Rt · C) Equation 2

式2において、RtはトランジスタM7,M8の抵抗値、Cは容量素子C1,C2の容量値である。
カットオフ周波数以下のDC付近の周波数帯においては、オフセットキャンセル回路102Aが機能し、オフセットキャンセル回路102Aの直流利得をAvocとすると、オフセットキャンセル能力、すなわち、DC付近の電圧利得Avdcは、下記する式3のようになる。
In Equation 2, Rt is the resistance value of the transistors M7 and M8, and C is the capacitance value of the capacitive elements C1 and C2.
In the frequency band near DC below the cut-off frequency, the offset cancel circuit 102A functions. When the DC gain of the offset cancel circuit 102A is Avoc, the offset cancel capability, that is, the voltage gain Avdc near DC is expressed by the following equation. It becomes like 3.

Avdc=Av/(1+Avoc・Av)・・・式3   Avdc = Av / (1 + Avoc · Av) Equation 3

ここで、Avは、差動増幅回路101Aの電圧利得である。
この式3より、Avの変化によりAvdcも変化することが理解できる。なお、オフセットキャンセル回路102Aの直流利得Avocは、トランジスタM9,M10のトランスコンダクタンス値と定電流源20Aの電流値によって一意に決定される。そして、カットオフ周波数より十分大きい周波数帯においては、先のローパスフィルタの影響を受けないため、差動増幅回路101Aの電圧利得Avが支配的となる。
Here, Av is the voltage gain of the differential amplifier circuit 101A.
From Equation 3, it can be understood that Avdc also changes with changes in Av. The DC gain Avoc of the offset cancel circuit 102A is uniquely determined by the transconductance values of the transistors M9 and M10 and the current value of the constant current source 20A. In the frequency band sufficiently higher than the cut-off frequency, the voltage gain Av of the differential amplifier circuit 101A becomes dominant because it is not affected by the previous low-pass filter.

コモンモードフィードバック回路103Aは、例えば、非特許文献2等において開示され、良く知られている構成のものである。
かかるコモンモードフィードバック回路103Aは、出力端子OUT+,OUT−におけるコモン出力レベルを、参照電圧Vrefで設定される所定電圧になるように、差動増幅回路101AのトランジスタM3,M4のゲート電圧を調整するように構成されたものとなっている。
The common mode feedback circuit 103A has a configuration well known and disclosed in Non-Patent Document 2, for example.
The common mode feedback circuit 103A adjusts the gate voltages of the transistors M3 and M4 of the differential amplifier circuit 101A so that the common output level at the output terminals OUT + and OUT− becomes a predetermined voltage set by the reference voltage Vref. It is configured as follows.

図6には、図4に示された従来回路において、可変抵抗素子VR1の抵抗値VRを変化させた場合における電圧利得の周波数特性に関するシミュレーション結果が示されている。
同図において、横軸は対数表示による入力信号の周波数を示し、縦軸は出力OUT+における無効電力のレベルを示すものとなっている。
同図によれば、電圧利得の周波数特性は、ハイパスフィルタの特性となっており、VRが小さいほど無効電力が小さくなる、すなわち、換言すれば、電圧利得は大きくなることが理解できる。
FIG. 6 shows a simulation result regarding the frequency characteristics of the voltage gain when the resistance value VR of the variable resistance element VR1 is changed in the conventional circuit shown in FIG.
In the figure, the horizontal axis indicates the frequency of the input signal in logarithmic display, and the vertical axis indicates the reactive power level at the output OUT +.
According to the figure, it can be understood that the frequency characteristic of the voltage gain is that of a high-pass filter, and that the reactive power decreases as VR decreases, that is, the voltage gain increases.

Y. Zheng他著,「A Low Power Noncoherent CMOS UWB Transceiver ICs」,IEEE RFIC Symposium,2005年,p. 347-350Y. Zheng et al., “A Low Power Noncoherent CMOS UWB Transceiver ICs”, IEEE RFIC Symposium, 2005, p. 347-350 松澤昭著,「CMOS演算増幅器」,電子情報通信学会論文誌C Vol. J84-C No.5,2001年,p. 357-373Akira Matsuzawa, “CMOS Operational Amplifier”, IEICE Transactions Vol. J84-C No.5, 2001, p. 357-373

しかしながら、上記従来回路においては、DC付近の電圧利得Avdcも変化しており、可変抵抗素子VR1の抵抗値VRが小さいほど電圧利得は大きくなるが、同時にDC付近の電圧利得Avdcも上昇し、オフセットキャンセル能力が低下するという問題がある。   However, in the above conventional circuit, the voltage gain Avdc in the vicinity of DC also changes, and the voltage gain increases as the resistance value VR of the variable resistance element VR1 decreases. At the same time, the voltage gain Avdc in the vicinity of DC also increases, and the offset There is a problem that the canceling ability decreases.

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、オフセットキャンセル能力を維持し、かつ、電圧利得を可変可能とする可変利得増幅器を提供するものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a variable gain amplifier that can maintain an offset canceling capability and can vary a voltage gain.

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る可変利得増幅器は、
入力信号を差動増幅する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号の所定の低域成分のみを前記差動増幅回路へフィードバックし、前記出力信号の直流成分を除去をするオフセットキャンセル回路とを具備し、
前記オフセットキャンセル回路は、前記所定の低域成分に対するカットオフ周波数を変化させることなく零点の周波数のみを可変可能に構成されてなるものである。
In order to achieve the above object of the present invention, a variable gain amplifier according to the present invention comprises:
A differential amplifier circuit that differentially amplifies an input signal, and an offset cancel that feeds back only a predetermined low-frequency component of the output signal of the differential amplifier circuit to the differential amplifier circuit and removes a DC component of the output signal A circuit,
The offset cancel circuit is configured to be able to vary only the zero point frequency without changing the cutoff frequency for the predetermined low frequency component.

本発明によれば、オフセットキャンセル回路のカットオフ周波数は固定のままで、零点の周波数のみを可変することで、差動増幅回路の利得は一定でありながらオフセットキャンセル回路の零点の周波数変化による電圧利得の制限がなされるため、DC付近の電圧利得は一定のままでカットオフ周波数より十分高い周波数帯においては電圧利得の変更が可能な可変利得増幅器を提供することができるという効果を奏するものである。   According to the present invention, the cutoff frequency of the offset cancellation circuit remains fixed, and only the zero point frequency is varied, so that the voltage due to the frequency change of the zero point of the offset cancellation circuit is constant while the gain of the differential amplifier circuit is constant. Since the gain is limited, it is possible to provide a variable gain amplifier that can change the voltage gain in a frequency band sufficiently higher than the cutoff frequency while the voltage gain near DC remains constant. is there.

本発明の実施の形態における可変利得増幅器の回路構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structural example of the variable gain amplifier in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の可変利得増幅器におけるローパスフィルタの周波数特性を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the frequency characteristic of the low pass filter in the variable gain amplifier of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の可変利得増幅器における電圧利得特性のシミュレーション結果を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the simulation result of the voltage gain characteristic in the variable gain amplifier of embodiment of this invention. 従来の可変利得増幅器の回路構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structural example of the conventional variable gain amplifier. 従来の可変利得増幅器におけるローパスフィルタの周波数特性を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the frequency characteristic of the low pass filter in the conventional variable gain amplifier. 従来の可変利得増幅器における電圧利得特性のシミュレーション結果を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the simulation result of the voltage gain characteristic in the conventional variable gain amplifier.

以下、本発明の実施の形態について、図1乃至図3を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における利得可変増幅器の回路構成について、図1を参照しつつ説明する。
この利得可変増幅回路は、差動増幅回路11と、オフセットキャンセル回路12と、コモンモードフィードバック回路(図1においては「CMFB」と表記)103とに大別されて構成されたものとなっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
The members and arrangements described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
First, the circuit configuration of the variable gain amplifier according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This variable gain amplifier circuit is roughly divided into a differential amplifier circuit 11, an offset cancel circuit 12, and a common mode feedback circuit (indicated as “CMFB” in FIG. 1) 103. .

差動増幅回路11は、第1乃至第6のトランジスタ(図1においては、それぞれ「M1」、「M2」、「M3」、「M4」、「M5」、「M6」と表示)1〜6を主たる構成要素として構成されたものとなっている。なお、本発明の実施の形態においては、第1及び第2のトランジスタ1,2と、第5及び第6のトランジスタ5,6は、nチャネルMOSトランジスタが用いられており、第3及び第4のトランジスタ3,4は、pチャネルMOSトランジスタが用いられている。   The differential amplifier circuit 11 includes first to sixth transistors (indicated as “M1”, “M2”, “M3”, “M4”, “M5”, and “M6” in FIG. 1) 1 to 6, respectively. Is the main component. In the embodiment of the present invention, the first and second transistors 1 and 2 and the fifth and sixth transistors 5 and 6 are n-channel MOS transistors. The third and fourth transistors The transistors 3 and 4 are p-channel MOS transistors.

第1及び第2トランジスタ1,2は、差動入力部を構成するものとなっており、第1のトランジスタ1のゲートには、入力信号IN+が、第2のトランジスタ2のゲートには、入力信号IN−が、それぞれ印加されるようになっている。
また、第1のトランジスタ1のドレインには、第3のトランジスタ3のドレインが接続されると共に、その接続点には出力端子22が接続される一方、第2のトランジスタ2のドレインには、第4のトランジスタ4のドレインが接続されると共に、その接続点には出力端子21が接続されている。
The first and second transistors 1 and 2 constitute a differential input section. The input signal IN + is input to the gate of the first transistor 1 and the input signal IN is input to the gate of the second transistor 2. A signal IN− is applied to each.
The drain of the first transistor 1 is connected to the drain of the third transistor 3, and the output terminal 22 is connected to the connection point, while the drain of the second transistor 2 is connected to the drain of the first transistor 1. The drains of the four transistors 4 are connected, and an output terminal 21 is connected to the connection point.

さらに、第1のトランジスタ1のソースは、第5のトランジスタ5のドレイン及び後述するオフセットキャンセル回路12の第9のトランジスタ9のドレインに接続されている一方、第2のトランジスタ2のソースは、第6のトランジスタ6のドレイン及び後述するオフセットキャンセル回路12の第10のトランジスタ9のドレインに接続されている。
そして、第1のトランジスタ1と第5のトランジスタ5の接続点と、第2のトランジスタ2と第6のトランジスタ6の接続点の間には、固定抵抗器(図1においては「R1」と表記)15が接続されている。
Further, the source of the first transistor 1 is connected to the drain of the fifth transistor 5 and the drain of the ninth transistor 9 of the offset cancel circuit 12 described later, while the source of the second transistor 2 is 6 and the drain of the tenth transistor 9 of the offset cancel circuit 12 to be described later.
A fixed resistor (indicated as “R1” in FIG. 1) is provided between the connection point of the first transistor 1 and the fifth transistor 5 and the connection point of the second transistor 2 and the sixth transistor 6. ) 15 is connected.

第3及び第4のトランジスタ3,4は、ゲートが相互に接続されると共に、後述するコモンモードフィードバック回路103の出力段に接続されている。
また、第3及び第4のトランジスタ3,4はのソースには、電源電圧VDDが印加されるようになっている。
かかる第3及び第4のトランジスタ3,4は、差動入力部を構成する第1及び第2のトランジスタ1,2に対して負荷抵抗として動作するものとなっている。
The gates of the third and fourth transistors 3 and 4 are connected to each other and to the output stage of a common mode feedback circuit 103 described later.
Further, the power supply voltage VDD is applied to the sources of the third and fourth transistors 3 and 4.
The third and fourth transistors 3 and 4 operate as load resistors with respect to the first and second transistors 1 and 2 constituting the differential input unit.

一方、第5及び第6のトランジスタ5,6は、ゲートが相互に接続されて、バイアス電圧VB1が印加されるようになっている。
また、第5及び第6のトランジスタ5,6のソースは、共にグランドに接続されている。
かかる構成の差動増幅回路11において、入力信号IN+,IN−に対する電圧利得Avは、第1及び第2のトランジスタ1,2のトランスコンダクタンスをgm、第3及び第4のトランジスタ3,4のソース・ドレイン間の抵抗をro、固定抵抗器15の抵抗値をRとすると、下記する式4により表すことができる。
On the other hand, the gates of the fifth and sixth transistors 5 and 6 are connected to each other so that the bias voltage VB1 is applied.
The sources of the fifth and sixth transistors 5 and 6 are both connected to the ground.
In the differential amplifier circuit 11 having such a configuration, the voltage gain Av with respect to the input signals IN + and IN− is such that the transconductance of the first and second transistors 1 and 2 is gm, and the sources of the third and fourth transistors 3 and 4 are. When the resistance between the drains is ro and the resistance value of the fixed resistor 15 is R, it can be expressed by the following equation 4.

Av=gm・ro/(1+gm・R)・・・式4   Av = gm · ro / (1 + gm · R) Equation 4

式4より、差動増幅回路11の電圧利得は固定であることが理解できる。
なお、固定抵抗器15は必ずしも必要ではなく、設けない構成としても良い。
From Equation 4, it can be understood that the voltage gain of the differential amplifier circuit 11 is fixed.
Note that the fixed resistor 15 is not necessarily required and may be omitted.

次に、オフセットキャンセル回路12は、差動入力部を構成する第9及び第10トランジスタ(図1においては、それぞれ「M9」、「M10」と表記)9,10と、抵抗素子として機能する第7及び第8のトランジスタ(図1においては、それぞれ「M7」、「M8」と表記)7,8と、2つの可変容量素子(図1においては、それぞれ「VC1」、「VC2」と表記)18,19とを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
なお、本発明の実施の形態においては、第7乃至第10のトランジスタ7〜10は、nチャネルMOSトランジスタが用いられている。
Next, the offset cancel circuit 12 includes ninth and tenth transistors (represented as “M9” and “M10” in FIG. 1) 9 and 10 constituting a differential input section, and a first that functions as a resistance element. 7 and 8 transistors (represented in FIG. 1 as “M7” and “M8”, respectively) 7 and 8 and two variable capacitance elements (represented in FIG. 1 as “VC1” and “VC2”, respectively) 18 and 19 are the main components.
In the embodiment of the present invention, the seventh to tenth transistors 7 to 10 are n-channel MOS transistors.

まず、第9及び第10のトランジスタ9,10は、ソースが相互に接続され、その接続点とグランドとの間には、定電流源20が接続されている。
また、第9のトランジスタ9のゲートとグランドとの間には、第1の固定容量素子(図1においては「C1」と表記)16が、第10のトランジスタ10のゲートとグランドとの間には、第2の固定容量素子(図1においては「C2」と表記)17が、それぞれ接続されている。
First, the sources of the ninth and tenth transistors 9 and 10 are connected to each other, and a constant current source 20 is connected between the connection point and the ground.
In addition, a first fixed capacitance element (indicated as “C1” in FIG. 1) 16 is interposed between the gate of the tenth transistor 10 and the ground. Are connected to second fixed capacitance elements 17 (indicated as “C2” in FIG. 1), respectively.

さらに、第9のトランジスタ9のゲートと出力端子22との間には、第7のトランジスタ7が直列接続されて設けられている。すなわち、第7のトランジスタ7のドレインが出力端子22に、ソースが第9のトランジスタ9のゲートに、それぞれ接続されている。
同様に、第10のトランジスタ10のゲートと出力端子21との間には、第8のトランジスタ8が直列接続されて設けられている。すなわち、第8のトランジスタ8のドレインが出力端子21に、ソースが第10のトランジスタ10のゲートに、それぞれ接続されている。
Further, a seventh transistor 7 is connected in series between the gate of the ninth transistor 9 and the output terminal 22. That is, the drain of the seventh transistor 7 is connected to the output terminal 22, and the source is connected to the gate of the ninth transistor 9.
Similarly, an eighth transistor 8 is connected in series between the gate of the tenth transistor 10 and the output terminal 21. That is, the drain of the eighth transistor 8 is connected to the output terminal 21, and the source is connected to the gate of the tenth transistor 10.

そして、第7及び第8のトランジスタ7,8のゲートは相互に接続されて、バイアス電圧VB2が印加されるようになっている。
さらに、第7のトランジスタ7のドレインと第9のトランジスタ9のゲートの間には、第1の可変容量素子(図1においては「VC1」と表記)18が、第8のトランジスタ8のドレインと第10のトランジスタ10のゲートの間には、第2の可変容量素子(図1においては「VC2」と表記)19が、それぞれ接続されている。
The gates of the seventh and eighth transistors 7 and 8 are connected to each other so that the bias voltage VB2 is applied.
Further, between the drain of the seventh transistor 7 and the gate of the ninth transistor 9, a first variable capacitance element 18 (denoted as “VC1” in FIG. 1) is connected to the drain of the eighth transistor 8. Between the gates of the tenth transistors 10, second variable capacitance elements (indicated as “VC2” in FIG. 1) 19 are respectively connected.

かかる構成において、第7及び第8のトランジスタ7,8は、抵抗素子として作用し、第7のトランジスタ7と第1の固定容量素子16とが直列接続されてローパスフィルタとして動作する一方、第8のトランジスタ8と第2の固定容量素子17とが直列接続されてローパスフィルタとして動作するようになっている。
第7及び第8のトランジスタ7,8の抵抗素子としての抵抗値は、1/{μn・Cox・(W/L)・(Vgs・Vth)}となる。
ここで、μnは電子の移動度、Coxは単位面積当たりのゲート容量、Wはゲート幅、Lはゲート長、Vgsはゲート・ソース間電圧、Vthはしきい値電圧である。
In this configuration, the seventh and eighth transistors 7 and 8 act as resistance elements, and the seventh transistor 7 and the first fixed capacitance element 16 are connected in series to operate as a low-pass filter, while the eighth transistor The transistor 8 and the second fixed capacitance element 17 are connected in series to operate as a low-pass filter.
The resistance values of the seventh and eighth transistors 7 and 8 as resistance elements are 1 / {μn · Cox · (W / L) · (Vgs · Vth)}.
Here, μn is the electron mobility, Cox is the gate capacitance per unit area, W is the gate width, L is the gate length, Vgs is the gate-source voltage, and Vth is the threshold voltage.

このオフセットキャンセル回路12においては、出力端子21,22に得られる出力信号OUT+,OUT−の信号成分の内、ローパスフィルタされたDC成分が、接続点A1、B1(図1参照)に生じ、第9及び第10のトランジスタ9,10からなる差動入力部に入力される。そして、接続点A1、B1の電圧に応じた電流を、第9及び第10のトランジスタ9,10のドレインが、差動増幅回路11の差動入力部を構成する第1及び第2のトランジスタ1,2のソースから引き出すため、結果としてハイパスフィルタの特性を有するものとなり、DC成分をカットするオフセットキャンセルの機能を果たすものとなっている。
なお、第1の可変容量素子18の最大容量値は、第1の固定容量素子16の容量値より小さい値に設定されており、同様に、第2の可変容量素子19の最大容量値は、第2の固定容量素子17の容量値より小さい値に設定されたものとなっている。
In the offset cancel circuit 12, a low-pass filtered DC component among the signal components of the output signals OUT + and OUT− obtained at the output terminals 21 and 22 is generated at the connection points A1 and B1 (see FIG. 1). 9 and the tenth transistors 9 and 10 are input to a differential input section. The drains of the ninth and tenth transistors 9 and 10 are supplied with currents corresponding to the voltages at the connection points A1 and B1, and the first and second transistors 1 constituting the differential input section of the differential amplifier circuit 11 are used. , 2 are extracted from the source, resulting in high-pass filter characteristics and an offset canceling function for cutting DC components.
Note that the maximum capacitance value of the first variable capacitance element 18 is set to a value smaller than the capacitance value of the first fixed capacitance element 16, and similarly, the maximum capacitance value of the second variable capacitance element 19 is It is set to a value smaller than the capacitance value of the second fixed capacitance element 17.

次に、コモンモードフィードバック回路103は、従来同様の構成を有してなるものである。
すなわち、コモンモードフィードバック回路103は、出力端子21,22におけるコモン出力レベルを、参照電圧Vrefで設定される所定電圧になるように、差動増幅回路11の第3及び第4のトランジスタ3,4のゲート電圧を調整するように構成されたものとなっている。
Next, the common mode feedback circuit 103 has the same configuration as the conventional one.
That is, the common mode feedback circuit 103 includes the third and fourth transistors 3 and 4 of the differential amplifier circuit 11 so that the common output level at the output terminals 21 and 22 becomes a predetermined voltage set by the reference voltage Vref. The gate voltage is configured to be adjusted.

次に、上述した本発明の実施の形態における利得可変増幅器の動作について、主に、オフセットキャンセル動作を中心に説明することとする。
まず、オフセットキャンセル回路12におけるローパスフィルタの伝達関数は、下記する式5の如くとなる。
Next, the operation of the variable gain amplifier in the above-described embodiment of the present invention will be described mainly focusing on the offset cancel operation.
First, the transfer function of the low-pass filter in the offset cancel circuit 12 is as shown in Equation 5 below.

T(s)=(1+s・Rt・VC)/{1+s・Rt・(VC+C)}・・・式5   T (s) = (1 + s · Rt · VC) / {1 + s · Rt · (VC + C)} Equation 5

ここで、Rtは第7及び第8のトランジスタ7,8の抵抗値、VCは可変容量素子18,19の容量値、Cは固定容量素子16,17の容量値である。
かかる式5において、C≫VCの際、式5は下記する式6のように表される。
Here, Rt is the resistance value of the seventh and eighth transistors 7 and 8, VC is the capacitance value of the variable capacitance elements 18 and 19, and C is the capacitance value of the fixed capacitance elements 16 and 17.
In Formula 5, when C >> VC, Formula 5 is expressed as Formula 6 below.

T(s)=(1+s・Rt・VC)/{1+s・Rt・C)}・・・式6   T (s) = (1 + s · Rt · VC) / {1 + s · Rt · C)} Equation 6

かかる場合、カットオフ周波数は、1/(2・π・Rt・C)となり、RtもCも固定であるため、当然の事ながらこのカットオフ周波数は固定となる。
そして、零点の周波数は、1/(2・π・Rt・VC)となり、VCを変化させることにより零点の周波数が可変できることとなる。
図2には、第1及び第2の可変容量素子18,19の容量VCを変化させた際の出力電圧の変化特性、すなわち、第7のトランジスタ7と第1の固定容量素子16、及び、第8のトランジスタ8と第2の固定容量素子17のそれぞれで構成されるローパスフィルタの周波数特性を表した特性線図が示されており、以下、同図について説明する。
In this case, the cut-off frequency is 1 / (2 · π · Rt · C), and both Rt and C are fixed, so that the cut-off frequency is naturally fixed.
The zero point frequency becomes 1 / (2 · π · Rt · VC), and the zero point frequency can be varied by changing VC.
FIG. 2 shows output voltage change characteristics when the capacitance VC of the first and second variable capacitors 18 and 19 is changed, that is, the seventh transistor 7 and the first fixed capacitor 16, and A characteristic diagram showing the frequency characteristics of the low-pass filter formed by each of the eighth transistor 8 and the second fixed capacitance element 17 is shown, which will be described below.

同図において、横軸は対数表示による周波数を、縦軸は出力端子21,22における電圧レベルを、それぞれ表している。
図2に示された特性から、次述する事が言える。
まず、一般的に差動増幅回路11における電圧利得は十分大きく、その出力信号OUT+,OUT−が、オフセットキャンセル回路12に構成されたローパスフィルタに入力されているため、カットオフ周波数より十分大きい周波数帯においては、先に述べたローパスフィルタの零点の周波数で電圧利得が制限されることとなる。
In the figure, the horizontal axis represents the logarithmic display frequency, and the vertical axis represents the voltage level at the output terminals 21 and 22, respectively.
The following can be said from the characteristics shown in FIG.
First, in general, the voltage gain in the differential amplifier circuit 11 is sufficiently large, and the output signals OUT + and OUT− are input to the low-pass filter configured in the offset cancel circuit 12, so that the frequency is sufficiently higher than the cutoff frequency. In the band, the voltage gain is limited at the zero point frequency of the low-pass filter described above.

一方、カットオフ周波数以下の周波数帯においては、先に説明したように差動増幅回路11の電圧利得Avは固定で、カットオフ周波数も固定である。また、オフセットキャンセル回路12の直流利得は、第9及び第10のトランジスタ9,10のトランスコンダクタンス値、及び、定電流源20の電流値I1によって決定され固定であるため、DC付近の電圧利得Avdcは固定である。
そのため、可変容量素子18,19の容量値VCを変えることにより、オフセットキャンセル能力を低下させることなく電圧利得を変えることができる。
さらに、カットオフ周波数を固定にすることにより、電圧利得を変化させても低域での余分な周波数成分(例えば、低周波のノイズ成分など)の電圧利得を抑えることができる。
なお、可変容量素子18,19は、例えば、バラクタ・ダイオードを用いても良いし、固定容量素子を複数並列に並べて、スイッチで切り替えるような構成としても良い。また、第7及び第8のトランジスタ7,8は、pチャネルのMOSトランジスタを用いても良い。
On the other hand, in the frequency band equal to or lower than the cutoff frequency, the voltage gain Av of the differential amplifier circuit 11 is fixed and the cutoff frequency is also fixed as described above. Further, since the DC gain of the offset cancel circuit 12 is determined and fixed by the transconductance values of the ninth and tenth transistors 9 and 10 and the current value I1 of the constant current source 20, the voltage gain Avdc around DC is fixed. Is fixed.
Therefore, by changing the capacitance value VC of the variable capacitance elements 18 and 19, the voltage gain can be changed without reducing the offset cancellation capability.
Further, by fixing the cut-off frequency, it is possible to suppress the voltage gain of an extra frequency component (for example, a low-frequency noise component) in the low frequency range even if the voltage gain is changed.
For example, varactor diodes may be used as the variable capacitance elements 18 and 19, or a plurality of fixed capacitance elements may be arranged in parallel and switched by a switch. The seventh and eighth transistors 7 and 8 may be p-channel MOS transistors.

次に、図3に示された本発明の実施の形態における可変利得増幅器の電圧利得特性のシミュレーション結果が示されており、以下、同図について説明する。
同図は、可変容量素子18,19の容量値VCを変化させた場合における電圧利得の周波数特性に関するシミュレーション結果を示すものであり、同図において、横軸は対数表示による入力信号の周波数を、縦軸は出力信号OUT+の無効電力のレベルを示すものとなっている。
Next, the simulation result of the voltage gain characteristic of the variable gain amplifier in the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is shown, and this figure will be described below.
The figure shows the simulation result regarding the frequency characteristics of the voltage gain when the capacitance value VC of the variable capacitance elements 18 and 19 is changed. In the figure, the horizontal axis shows the frequency of the input signal by logarithmic display. The vertical axis indicates the reactive power level of the output signal OUT +.

同図によれば、可変容量素子18,19の容量値VCを変えることにより、DC付近の電圧利得は変わることなく、カットオフ周波数よりも十分大きい周波数帯においては、電圧利得が可変可能であることが理解できる。
すなわち、図3によれば、容量値VCが小さいほど、オフセットキャンセル回路12のローパスフィルタにより制限される値が小さくなるため、結果として無効電力が小、換言すれば、電圧利得が大となる一方、逆に容量値VCが大きいほど、オフセットキャンセル回路12のローパスフィルタにより制限される値が大きくなるため、結果として無効電力が大、換言すれば、電圧利得が小となることが理解できる。
According to the figure, by changing the capacitance value VC of the variable capacitance elements 18 and 19, the voltage gain in the vicinity of DC is not changed, and the voltage gain can be varied in a frequency band sufficiently higher than the cutoff frequency. I understand that.
That is, according to FIG. 3, the smaller the capacitance value VC, the smaller the value limited by the low-pass filter of the offset cancellation circuit 12, resulting in a smaller reactive power, in other words, a larger voltage gain. On the contrary, it can be understood that the larger the capacitance value VC, the larger the value limited by the low-pass filter of the offset cancel circuit 12, resulting in a larger reactive power, in other words, a smaller voltage gain.

オフセットキャンセル機能の安定した動作が所望される可変利得増幅器に適用できる。   The present invention can be applied to a variable gain amplifier in which stable operation of the offset cancel function is desired.

11…差動増幅回路
12…オフセットキャンセル回路
18…第1の可変容量素子
19…第2の可変容量素子
103…コモンモードフィードバック回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Differential amplifier circuit 12 ... Offset cancellation circuit 18 ... 1st variable capacitance element 19 ... 2nd variable capacitance element 103 ... Common mode feedback circuit

Claims (2)

入力信号を差動増幅する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号の所定の低域成分のみを前記差動増幅回路へフィードバックし、前記出力信号の直流成分を除去をするオフセットキャンセル回路とを具備し、
前記オフセットキャンセル回路は、前記所定の低域成分に対するカットオフ周波数を変化させることなく零点の周波数のみを可変可能に構成されてなることを特徴とする可変利得増幅器。
A differential amplifier circuit that differentially amplifies an input signal, and an offset cancel that feeds back only a predetermined low-frequency component of the output signal of the differential amplifier circuit to the differential amplifier circuit and removes a DC component of the output signal A circuit,
The variable offset amplifier, wherein the offset cancel circuit is configured to be able to vary only a zero point frequency without changing a cutoff frequency for the predetermined low frequency component.
前記オフセットキャンセル回路は、差動増幅を行うよう接続された2つのトランジスタからなる差動入力部と、前記差動入力部の反転入力端子と前記差動増幅回路の一方の出力端子の間に接続された第1の抵抗素子と、前記差動入力部の非反転入力端子と前記差動増幅回路の他方の出力端子の間に接続された第2の抵抗素子と、前記第1の抵抗素子とグランドとの間に接続された第1の固定容量素子と、前記第1の抵抗素子に並列に接続された第1の可変容量素子と、前記第2の抵抗素子とグランドとの間に接続された第2の固定容量素子と、前記第2の抵抗素子に並列に接続された第2の可変容量素子とを具備してなり、前記第1の可変容量素子の容量値は、前記第1の固定容量素子の容量値より小さく、かつ、前記第2の可変容量素子の容量値は、前記第2の固定容量素子の容量値より小さく、それぞれ設定されてなることを特徴とする請求項1記載の可変利得増幅器。   The offset cancel circuit is connected between a differential input unit composed of two transistors connected to perform differential amplification, and an inverting input terminal of the differential input unit and one output terminal of the differential amplifier circuit. A first resistance element, a second resistance element connected between a non-inverting input terminal of the differential input section and the other output terminal of the differential amplifier circuit; and the first resistance element; A first fixed capacitive element connected between the ground, a first variable capacitive element connected in parallel to the first resistive element, and connected between the second resistive element and the ground; A second variable capacitance element connected in parallel to the second resistance element, and the capacitance value of the first variable capacitance element is the first variable capacitance element. A capacitance value smaller than that of the fixed capacitance element and the second variable capacitance element; Ryochi, the smaller than the capacitance value of the second fixed capacitance element, a variable gain amplifier according to claim 1, characterized by being configured respectively.
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