JP2019516308A - 増幅器 - Google Patents

Abstract

受信機回路（１５）のための増幅器（３０）が開示されている。増幅器は、入力ノード（Ｖｉｎ）と出力ノード（Ｖｏｕｔ）とを有する。出力ノード（Ｖｏｕｔ）に接続されたチューニング可能なタンク回路（１００）と、出力ノード（Ｖｏｕｔ）と入力ノード（Ｖｉｎ）との間に接続されたフィードバック回路パス（２００）と、フィードバック回路パス（２００）の内部ノードと基準電圧ノードとの間に接続されたチューニング可能なコンデンサ（２１０）とを有する。受信機回路および通信装置も開示されている。

Description

本発明は増幅回路に関連する。

無線受信機回路はセルラー通信などの様々な用途で利用されている。無線受信機回路によって受信される信号は比較的に弱く、増幅が必要である。ゆえに、増幅器が無線受信機回路に含まれていることが典型的である。このような増幅器が受信信号に対して付加する雑音が多すぎてはならない。したがって、いわゆる低雑音増幅器（ＬＮＡ）がしばしばこの目的のために使用される。

第四世代（４Ｇ）および第五世代（５Ｇ）セルラー通信システムのようないくつかの既存の無線通信システムでは、使用される信号帯域幅が、数十または数百ＭＨｚのように、しばしば比較的に広い。さらに、比較的に広い周波数範囲に対して受信機の中心周波数をチューニング（調整）できるべきである。ＬＮＡなど、受信機の増幅器の設計において一つのチャレンジし甲斐のあるタスクは、十分な周波数帯域幅にわたって入力インピーダンスマッチングを達成することである。そのような比較的にワイドバンドな入力インピーダンスマッチングは、好ましくは、ゲインや周波数選択性など、ＬＮＡの他のパラメータの観点から十分に高い性能を同時に達成しつつ、達成されるべきである。

本発明の実施形態は、受信機回路のためのＬＮＡなどの増幅器に関連し、増幅器の出力ノード（節点）に接続された、ＬＣ回路などの、チューニング可能なタンク回路を有する。このようなタンク回路は望ましい程度の周波数選択性を提供できる。増幅器の実施形態は、さらに、出力ノードと入力ノードとの間にフィードバックネットワークを有する。このようなフィードバックネットワークは、入力インピーダンスマッチングを提供することを容易にする。本願の発明者は、タンク回路で発生する出力電圧の位相がタンク回路の共振周波数の周囲で比較的に急激に変化することに気付いた。比較的に急激に変化する位相はフィードバックに影響を与え、入力インピーダンスマッチングの要件を困難とする。たとえば、増幅器の最大ゲインと最良の入力インピーダンスマッチングは異なる周波数で達成されうるが、これは望ましいことではない。ゆえに、何からのタイプのチューニングが必要となる。本願の発明者は、出力ノードと入力ノードとの間にフィードバックネットワークのフィードバック回路パスを接続し、かつ、フィードバック回路パスの内部ノードと、グランドもしくは信号グランドのような基準電圧ノードとの間にチューニング可能なコンデンサを接続することによって、比較的に効率のよいチューニングが達成可能であることに気付いた。このアプローチの有利な点は、比較的に低いＱ値を有する、チューニング可能なコンデンサのような部品を用いてチューナビリティ（可変調整性）を達成できることである。そのような部品は一般により高いＱ値を有する部品と比較して製造することが容易でかつ安価である。

第一の観点によれば、受信機回路用の増幅器が提供される。増幅器は、入力ノードと出力ノードとを有する。増幅器は、出力ノードに接続されたチューニング可能なタンク回路を有する。さらに、増幅器は、出力ノードと入力ノードとの間に接続されたフィードバック回路パスを有する。さらに、増幅器は、フィードバック回路パスの内部ノードと、基準電圧ノードとの間に接続されたチューニング可能なコンデンサを有する。

いくつかの実施形態では、フィードバック回路パスは、パッシブ回路である。

フィードバック回路パスは、少なくとも一つの抵抗と少なくとも一つのコンデンサとの直列接続を有してもよい。

いくつかの実施形態では、少なくとも一つの抵抗は可変（チューニング可能）である。これにより、入力インピーダンスの、ある程度のファインチューニングが容易となる。

いくつかの実施形態によれば、少なくとも一つのコンデンサは、第一コンデンサを有し、少なくとも一つの抵抗は出力ノードと第一コンデンサとの間に接続された第一抵抗と、第一コンデンサと入力ノードとの間に接続された第二抵抗とを有する。内部ノードは第一コンデンサと第二抵抗との間のノードであってもよい。

増幅器はコモンソース構成の第一トランジスタを有してもよい。さらに、増幅器は、第一トランジスタと出力ノードとの間にカスコード構成で接続された第二トランジスタを有してもよい。

第二観点によれば、受信機回路用の差動増幅回路が提供され、これはいずれかの先行するクレームに記載された第一及び第二の増幅器を有する。第一および第二の増幅器は、タンク回路などいくつかの部品を共有してもよい。

第三の観点によれば、第一観点にしたがった増幅器、または第二観点にしたがった差動増幅器を有する受信機回路が提供される。

第四の観点によれば、第三の観点にしたがって受信機回路を有する通信装置が提供される。

通信装置は、セルラー通信ネットワークのための無線通信デバイスであってもよい。通信装置は、セルラー通信ネットワークのための無線基地局であってもよい。

従属項においてさらなる実施形態が記載されている。用語としての「有する／有している」は、本明細書において使用されるときは、特徴、整数、ステップ、または、コンポーネントの存在を特定するために使用されており、他の一つ以上の特徴、整数、ステップ、または、コンポーネントの存在や追加を排除するものではない。

本発明の実施形態のさらなる目的、特徴および有利な点は以下の詳細な説明と図面の参照から明らかとなろう。
通信環境を示す図である。 トランシーバ回路を示す図である。 増幅器回路の回路図である。 増幅器回路の回路図である。 増幅器回路の回路図である。 増幅器回路の回路図である。 増幅器回路の回路図である。 可変抵抗の実装を示す図である。 可変コンデンサの実装を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。

図１は本発明の実施形態を採用可能な環境を示している。図１において、無線通信デバイス１はセルラー通信システムの基地局２と無線通信を実行している。図１において、無線通信デバイス１は、移動電話機として図示されている。しかしながらこれは一例に過ぎない。無線通信デバイスは、テーブルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、セルラーモデム、または、マシンタイプ通信（ＭＴＣ）デバイスなど、セルラー通信能力を有したいずれのデバイスであってもよい。無線通信デバイス１と基地局２は、この開示において通信装置と何であるかを示すための例示である。なお、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）のための端末およびアクセスポイントなど、セルラー通信装置とは異なる他の通信装置も本開示の範囲に含まれる。

本開示の実施形態によれば、上述のような通信装置は、受信機回路を有する。受信機回路は、たとえば、トランシーバ回路の一部分であってもよい。図２はそのようなトランシーバ回路１０の一例を示している。図２によれば、トランシーバ回路１０は、アンテナ２０と接続されるように構成された受信機回路１５を有している。図２によれば、受信機回路１５は、アンテナ２０と接続されるように構成された無線周波数（ＲＦ）フィルタ２５を有している。いくつかの実施形態によれば、ＲＦフィルタ２５はバンドパスフィルタである。さらに、図２によれば、受信機回路は、増幅器３０を有する。増幅器３０の実施形態は以下でより詳細に説明される。増幅器３０は、たとえば、一般にＬＮＡと呼ばれるものであってもよい。図２によれば、受信機回路は、局部発振器（ＬＯ）信号によって駆動され、増幅器３０の出力ノードに接続されたダウンコンバージョンミキサ３５を有する。ダウンコンバージョンミキサ３５は、増幅器３０から出力されるＲＦ信号をベースバンド周波数または中間周波数へダウンコンバートするように構成されている。さらに、図２によれば、受信機回路１５は、ミキサ３５から出力される、ダウンコンバートされた信号から不要信号成分を低減するように構成されたフィルタ４０を有する。いくつかの実施形態によれば、フィルタ４０はローパスフィルタである。さらに、図２によれば、受信機回路１５は、フィルタ４０から出力される、ダウンコンバートされ、フィルタ処理された信号をデジタル領域に変換するアナログデジタル変換回路（ＡＤＣ）を有する。

図２に示されたように、トランシーバ回路１０は、たとえば、受信データを回復するために、ＡＤＣ４５からのデジタル出力信号を処理するように構成された、ベースバンドプロセッサなどのデジタル信号処理回路（ＤＳＰ）５０を有してもよい。

また図２によれば、トランシーバ回路１０は、ＲＦ信号を送信するために、アンテナ６０と接続されるように構成された送信機回路５５を有してもよい。ＤＳＰ５０は送信機回路５５への入力データを生成するように構成されてもよい。

受信機回路１５の回路図は、増幅器３０の実施形態を説明として入れるために使用された例示に過ぎない。増幅器３０の実施形態は他の受信機アーキテクチャにおいて使用可能である。なお、増幅器３０の実施形態は、たとえば、受信機回路１５の他の構成要素のいくつかまたはすべてとともに、集積回路に集積化されてもよい。

図３は増幅器３０の実施形態を示す。図３において増幅器３０は、入力ノードＶｉｎと出力ノードＶｏｕｔとを有する。さらに、出力ノードＶｏｕｔに接続されたチューニング可能なタンク回路１００を有する。さらに、出力ノードＶｏｕｔと入力ノードＶｉｎとの間にフィードバックネットワーク１１０を有する。増幅を提供するために、トランジスタのようなアクティブ素子が一般には増幅器内で使用される。図３に示された増幅器３０の実施形態は、コモンソース構成のＭＯＳ（金属酸化膜半導体）トランジスタ１２０を有する。図３によれば、トランジスタ１２０のゲート端子は入力ノードＶｉｎに接続されている。バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などの他のタイプのトランジスタが採用されてもよい。さらに、図３によれば、増幅器３０は、トランジスタ１２０と出力ノードＶｏｕｔとの間にカスコード構成で接続されたＭＯＳトランジスタ１３０を有してもよい。トランジスタ１３０のゲート端子はバイアス電圧ノードＶｂ２に接続されている。いくつかの実施形態によれば、カスコードトランジスタ１２０は省略されてもよい。他の実施形態は、二つ以上のカスコードトランジスタを有してもよい。

図３に示されているように、増幅器３０は、トランジスタ１２０のソース間に接続されたソースディジェネレーションインダクタ１４０を有する。入力ノードＶｉｎとバイアス電圧ノードＶｂ１との間に接続されたバイアス抵抗１５０がさらに設けられてもよい。図３はさらに入力ノードＶｉｎとフィルタ２５（図２）などの前段の素子との間に接続されたインダクタ１６０と、インダクタ１６０に直列に接続されたコンデンサ１７０とのようないくつかのリアクティブ素子を示している。このようなリアクティブ素子１６０、１７０は増幅器３０のための入力インピーダンスマッチングを容易にする。

本願の発明者は、タンク回路で発生する出力電圧の位相がタンク回路の共振周波数の周囲で比較的に急激に変化することに気付いた。比較的に急激に変化する位相はフィードバックに影響を与え、入力インピーダンスマッチングの要件を困難とする。ＧＨｚの範囲など、比較的に高い帯域と、たとえば将来の５Ｇシステムで使用されそうな数十ＧＨｚなど、比較的に高い搬送波周波数とを有する用途においては、これは非常にチャレンジし甲斐がある。たとえば、増幅器の最大ゲインと最良の入力インピーダンスマッチングは異なる周波数で達成されうるが、これは望ましいことではない。ゆえに、何からのタイプのチューニングが必要となる。図４は本願発明者によって提供されたフィードバックネットワーク１１０の有利な実装を示している。出力ノードＶｏｕｔと入力ノードＶｉｎとの間に接続されたフィードバック回路パス２００を有する。さらに、フィードバック回路パス２００の内部ノードと、グランドまたは信号グランドなどの基準電圧ノードとの間に接続されたチューニング可能（可変）コンデンサ２１０を有する。

チューニング可能なコンデンサ２１０は、タンク回路１００の共振周波数の周囲で比較的に急激に出力電圧の位相が変化することを補償することを容易にする。たとえば、増幅器３０の最大ゲインと、増幅器３０の最良な入力インピーダンスマッチングとが、実質的に同一の周波数で発生するように、周波数上でチューニング可能となるよう、増幅器３０のチューニングが可能となる。さらに、この望ましいチューナビリティを提供したまま、比較的に低いＱ値のコンデンサ２１０を実装可能となることを、シミュレーションが示している。比較的に低コストでかつ比較的に小さな部品によってチューナビリティが達成されるためこれは有利である。

本願の発明者は、さらに、フィードバック回路パス２００がパッシブ回路として実装可能であることに気づいた。パッシブフィードバック回路パスを使用することで、比較的に高いゲインと安定性との両立を達成することが比較的に容易となるが、これはアクティブフィードバック回路パスを使用した場合には非常にチャレンジし甲斐のある設計目標であろう。さらに、パッシブフィードバック回路は、典型的には、複雑なバイアス回路を必要としない。一方、フィードバック回路パスにアクティブ部品を有する実施形態においても、望ましい入力インピーダンスマッチングが達成可能である。

たとえば、フィードバック回路パスは、少なくとも一つの抵抗と少なくとも一つのコンデンサとの直列接続を使用して実装されてもよい。これは図５において実施形態とともに示されており、この実施形態によれば、少なくとも一つのコンデンサは、第一コンデンサ２４０を有し、少なくとも一つの抵抗は出力ノードＶｏｕｔと第一コンデンサ２４０との間に接続された第一抵抗２２０と、第一コンデンサ２４０と入力ノードＶｉｎとの間に接続された第二抵抗２３０とを有する。さらに、図５によれば、コンデンサ２１０が接続される内部ノードは、第一コンデンサ２４０と第二抵抗２３０との間にあるノードである。

図５によれば、少なくとも一つの抵抗（例：２２０、２３０）はチューニング可能（可変）であってもよい。これは、比較的に安価でかつ小さな部品によって実装される入力インピーダンスのチューニングを容易にするといったさらなるチューナビリティを提供する。

図６はチューニング可能なタンク回路１００の実施形態を示す。図６からわかるように、チューニング可能なタンク回路１００は、インダクタ２６０に対して並列に接続されたコンデンサ２５０を有する並列ＬＣ回路を有してもよい。さらに図６が示すように、タンク回路１００のチューナビリティは、コンデンサ２５０をチューニング可能とすることによって提供可能であり、これにより、タンク回路１００の共振周波数がチューニング可能となる。好ましくは、タンク回路の共振周波数が、望ましい信号周波数帯の中心周波数の周囲にチューニングされる。

図６がさらに示すように、タンク回路１００は、相互インダクタンスＭでインダクタ２６０と磁気的に結合した他のインダクタ２７０を有してもよい。そのような解決手段は、追加のインダクタ２７０がなく、インダクタ２６０が単独で使用される実施形態と比較して、より小さなインダクタコイルでもってタンク回路の全体での望ましいインダクタンスを達成可能とする。インダクタ２６０、２７０はそれぞれトランスの一次および二次巻き線を形成している。例示的な実施形態によれば、インダクタ２７０のノードＳ１およびＳ２は、受信機回路１５における後段を駆動するために使用され、ノードＳ０はバイアス電圧ノードに接続される。

いくつかの実施形態によれば、二つの増幅器３０が組み合わされて差動増幅器が形成されてもよい。そのような差動増幅器は、もちろん、たとえば、差動ＬＮＡとして、受信機回路内で使用可能である。そのような実施形態の例示が図７に示されている。図７に示されている差動増幅器の実施形態は、図６に示された増幅器３０の実施形態の差動バージョンとして理解可能である。部品１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ、１４０ａ、１５０ａ、１６０ａ、１７０ａ、２００ａおよび２１０ａは、差動増幅器を形成する二つの増幅器のうち第一の増幅器の部品１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、２００および２１０（図６）に対応している。同様に、部品１１０ｂ、１２０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂ、１６０ｂ、１７０ｂ、２００ｂおよび２１０ｂは、差動増幅器を形成する二つの増幅器のうち第二の増幅器の部品１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、２００および２１０（図６）に対応している。図７によれば、差動増幅器は共有されるタンク回路１００を有している。しかし、他の実施形態では、差動増幅器を形成する二つの増幅器のために個別のタンク回路が提供されてもよい。ノードＶｉｎａとＶｉｎｂは差動入力ポートを形成している。同様に、出力ノードＶｏｕｔａとＶｏｕｔｂは差動出力ポートを形成している。

図８はチューニング可能な抵抗４００のありそうな実装を示す。チューニング可能な抵抗４００は、いくつかの並列接続されたスイッチ可能な抵抗によって実装可能であり、これらはそれぞれスイッチ４２０−ｉと直列な抵抗４１０−ｉを有する。電気回路設計の当業者であれば容易に理解できるように、スイッチ４２０−ｉのクローズとオープンとを選択することによって、チューニング可能な抵抗４００のトータルでの抵抗値を望ましい値にチューニングすることが可能となる。スイッチ４２０−ｉは、たとえば、デジタル制御ワードによって制御可能とであり、この制御ワードの各ビットはスイッチ４２０−ｉのうちの各一つを制御する。本開示において説明されたいずれかのチューニング可能な抵抗はこのようにして設計可能である。

同様に、図９はチューニング可能なコンデンサのありそうな実装を示す。チューニング可能なコンデンサ５００は、いくつかの並列接続されたスイッチ可能なコンデンサによって実装可能であり、これらはそれぞれスイッチ５２０−ｉと直列なコンデンサ５１０−ｉを有する。電気回路設計の当業者であれば容易に理解できるように、スイッチ５２０−ｉのクローズとオープンとを選択することによって、チューニング可能なコンデンサ５００のトータルでの容量を望ましい値にチューニングすることが可能となる。スイッチ５２０−ｉは、たとえば、デジタル制御ワードによって制御可能とであり、この制御ワードの各ビットはスイッチ５２０−ｉはのうちの各一つを制御する。本開示において説明されたいずれかのチューニング可能なコンデンサは、このようにして設計可能である。

図１０はフィードバックネットワーク１１０から入力ノードＶｉｎへのフィードバック電流の位相が、シミュレーション例にしたがって、周波数およびコンデンサ２１０の容量Ｃに依存して、どうのように変化するかを示している。このシミュレーション例によれば、図５の回路トポロジーが使用されており、コンデンサ１７０の左ノードに給電するために、ＲＦのＡＣ電圧源が５０オームの出力抵抗とともに使用されている。カーブの量的な振る舞いは回路部品のための部品パラメータ値に依存している。たとえば、回路シミュレーションに基づいて、所与の要件仕様を満たすそのような部品パラメータ値の選択は、アナログＲＦ回路設計の分野における当業者にとってはルーチンタスクと考えられ、ここではこれ以上詳細には説明されない。本開示の説明において、興味ある観測結果が図１０から得られ、これはカーブの質的な振る舞いである。カーブの一つにはＣ＝０とラベルが付与されている。このケースは、コンデンサ２１０の容量Ｃが０であるケースであり、コンデンサ２１０が設けられていないケースに対応している。タンク回路１００の共振周波数付近、このシミュレーションでは３０ＧＨｚ付近で、比較的に急激な位相の変動が発生していることが観測された。この比較的に急激な位相の変動は、比較的に狭い周波数範囲を超えるような範囲にわたって良好な入力インピーダンスマッチングを達成することを困難にする。さらに、受信機回路１５が異なる周波数バンドにチューニング可能であるべきな特定の用途におけるタンク回路１００の共振周波数とは異なる他の周波数において最良な入力インピーダンスマッチングが生じており、したがって、タンク回路１００は異なる共振周波数にチューニング可能である。Ｃの値を増加するにしたがって、位相変化が小さくなり、入力インピーダンスマッチングがより広い周波数範囲で実現可能となることがわかる。さらに、最良または少なくとも適切に良好な入力インピーダンスマッチングが、タンク回路１００の中心周波数において提供されるようにＣの値をチューニングすることが可能となる。上述されたように、このようなチューニングは比較的に低いＱ値を有するチューニング可能な部品を使用して達成可能である。

本発明は特定の実施形態に関連して説明されてきた。しかし、本開示の範囲を逸脱することなく、上述したものとは異なる実施形態も可能である。いくつかの実施形態の異なる特徴が上述したものとは異なる組み合わせによって組み合わされてもよい。

Claims (13)

1. 受信機回路（１５）のための増幅器（３０）であって、前記増幅器は、入力ノード（Ｖｉｎ）と出力ノード（Ｖｏｕｔ）とを有し、
   前記出力ノード（Ｖｏｕｔ）に接続されたチューニング可能なタンク回路（１００）と、
   前記出力ノード（Ｖｏｕｔ）と前記入力ノード（Ｖｉｎ）との間に接続されたフィードバック回路パス（２００）と、
   前記フィードバック回路パス（２００）の内部ノードと、基準電圧ノードとの間に接続されたチューニング可能なコンデンサ（２１０）と、を有する増幅器。
2. 請求項１に記載の増幅器（３０）であって、前記フィードバック回路パス（２００）は、パッシブ回路である、増幅器。
3. 請求項１または２に記載の増幅器（３０）であって、前記フィードバック回路パス（２００）は、少なくとも一つの抵抗（２２０、２３０）と、少なくとも一つのコンデンサ（２４０）との直列接続を有する、増幅器。
4. 請求項３に記載の増幅器（３０）であって、前記少なくとも一つの抵抗（２２０、２３０）は、チューニング可能である、増幅器。
5. 請求項３または４に記載の増幅器（３０）であって、前記少なくとも一つのコンデンサ（２４０）は、第一コンデンサ２４０を有し、前記少なくとも一つの抵抗は、前記出力ノード（Ｖｏｕｔ）と前記第一コンデンサ（２４０）との間に接続された第一抵抗（２２０）と、前記第一コンデンサ（２４０）と前記入力ノード（Ｖｉｎ）との間に接続された第二抵抗（２３０）とを有する、増幅器。
6. 請求項５に記載の増幅器（３０）であって、前記内部ノードは前記第一コンデンサ（２４０）と前記第二抵抗（２３０）との間にあるノードである、増幅器。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の増幅器（３０）であって、コモンソース構成の第一トランジスタ（１２０）を有する、増幅器。
8. 請求項７に記載の増幅器（３０）であって、前記第一トランジスタ（１２０）と前記出力ノード（Ｖｏｕｔ）との間にカスコード構成で接続された第二トランジスタ（１３０）を有する、増幅器。
9. 受信機回路（１５）のための差動増幅器であって、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の第一および第二の増幅器（３０）を有する、差動増幅器。
10. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の増幅器（３０）または請求項９に記載の差動増幅器を有する受信機回路（１５）。
11. 請求項１０に記載の受信機回路（１５）を有する通信装置（１、２）。
12. 請求項１１に記載の通信装置（１）であって、前記通信装置（１）は、セルラー通信ネットワークにおける無線通信デバイス（１）である、通信装置。
13. 請求項１１に記載の通信装置（２）であって、前記通信装置（２）は、セルラー通信ネットワークにおける無線基地局（２）である、通信装置。

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