JP3000698B2 - 周波数逓倍・ミキサ回路 - Google Patents

周波数逓倍・ミキサ回路

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JP3000698B2
JP3000698B2 JP3057916A JP5791691A JP3000698B2 JP 3000698 B2 JP3000698 B2 JP 3000698B2 JP 3057916 A JP3057916 A JP 3057916A JP 5791691 A JP5791691 A JP 5791691A JP 3000698 B2 JP3000698 B2 JP 3000698B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、周波数逓倍動作とミキ
シング動作とを1つの回路で行える周波数逓倍・ミキサ
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】周知のように、周波数逓倍動作とミキシ
ング動作とを同時に必要とする回路を構成する場合、従
来では、例えば図4に示すように、互いに独立した周波
数逓倍回路41とミキサ回路42を用い、両者間をフィ
ルタ43で接続するようにしている。
【0003】そのため、従来では、広帯域化が困難であ
る。また、両回路を半導体集積回路内に集積する場合、
フィルタを外付けするための端子が必要となるので、半
導体集積回路の端子数が増えるという問題がある。
【0004】そこで、本出願人は、図3に示す如き回路
を開発し先に出願した(未公開)。この回路は、周波数
逓倍動作とミキシング動作とを1つの回路で行える周波
数逓倍・ミキサ回路であって、フィルタを不要にして広
帯域化を可能とし、半導体集積回路化に好適な構成にし
たものである。
【0005】図3において、1と2は被逓倍信号たるロ
ーカル信号(電圧VLO)が印加される(第1の)入力端
子対である。3と4はミキシング信号(電圧VIN)が印
加される(第2の)入力端子対である。トランジスタ
(Q1、Q2)、同(Q3、Q4)はそれぞれエミッタ
同士が共通接続される差動対トランジスタであり、第1
の差動増幅器を構成する。即ち、トランジスタQ2と同
Q4のエミッタサイズを1とすると、対応するトランジ
スタQ1と同Q3のエミッタサイズはk(k>1)倍と
なっている。
【0006】そして、この2組の差動対トランジスタの
相互間において、エミッタサイズの等しいトランジスタ
(Q1とQ3、Q2とQ4)のコレクタ同士が共通接続
され、エミッタサイズの等しくないトランジスタ(Q1
とQ4)のベース同士が入力端子対(1、2)の一方の
入力端子1に共通接続され、エミッタサイズの等しくな
いトランジスタ(Q2とQ3)のベース同士が入力端子
対(1、2)の他方の入力端子2に共通接続され、各差
動対トランジスタのエミッタはそれぞれ定電流源I0
接続される。
【0007】次に、トランジスタ(Q11とQ12)は
第2の差動増幅器を構成する差動対トランジスタであ
り、トランジスタQ11のベースは入力端子対(3、
4)の一方の入力端子3に接続され、トランジスタQ1
2のベースが入力端子対(3、4)の他方の入力端子4
に接続される。そして、トランジスタ(Q5とQ6)、
同(Q7とQ8)及び同(Q9とQ10)はそれぞれカ
レントミラー回路を構成し両差動増幅器を直結する。V
CCは電源電圧、RL は負荷抵抗である。5は出力端子で
あり、ここからミキサ出力(電圧V0 )が取り出され
る。
【0008】以下、この回路の動作原理を説明する。第
1の差動増幅器では、エミッタサイズがkであるトラン
ジスタの電流増幅率をαF とする。また、VT =kT/
q(k:ボルツマン定数、T:絶対温度、q:単位電子
電荷)とすると、各トランジスタのコレクタ電流
(IC1,IC2,IC3,IC4)は、次の数式1〜同4のよ
うになる。
【0009】
【数1】
【0010】
【数2】
【0011】
【数3】
【0012】
【数4】
【0013】そして、IC1とIC3の和をIp ,IC2とI
C4の和をIq とすると、これらは次の数式5、同6のよ
うに表せる。
【0014】
【数5】
【0015】
【数6】
【0016】従って、Ip とIq の差ΔI(即ち、第1
の差動増幅器の出力電流)は、次の数式7のようにな
る。
【0017】
【数7】
【0018】ここで、数式7において、kは定数である
から、差ΔIはVLOに対して偶関数となっている。ま
た、exp(±x)は、次の数式8で表せる。
【0019】
【数8】
【0020】この数式8を数式7に適用すると、差ΔI
は、次の数式9のようになる。
【0021】
【数9】
【0022】そして、k>1であるから、VLO《VT
あれば次の数式10が成り立つ。
【0023】
【数10】
【0024】従って、差ΔIは、次の数式11のように
近似できる。
【0025】
【数11】
【0026】即ち、差ΔIは入力信号の電圧VLOの2乗
のみの式で1次近似できる。従って、入力信号周波数f
LOに対して差ΔIに含まれる周波数成分は、直流成分を
除くと、2fLOの周波数成分が殆どであることが分か
る。つまり、この第1の差動増幅器は周波数逓倍回路に
なっているのである。
【0027】そして、無信号時(VLO=0)の差ΔIは
直流となり数式7から次の数式12として求まる。
【0028】
【数12】
【0029】この値は数式11の近似式でVLO=0とお
いた値である。即ち、差ΔIには、直流成分(数式1
2)に交流成分(2fLOの周波数成分)が畳重されてい
るのである。なお、数式10によって直流成分は交流成
分の振幅値よりも大きいことが分かる。
【0030】この差ΔIは、2つのカレントミラー回路
(トランジスタ(Q5,Q6)と同(Q7,Q8)の回
路)で形成され、この差ΔIにほぼ等しい電流がトラン
ジスタQ8のコレクタ電流となり、3つ目のカレントミ
ラー回路(トランジスタ(Q9,Q10)の回路)の制
御電流となる。この3つ目のカレントミラー回路は第2
の差動増幅器の駆動電流源となっているので、トランジ
スタQ11,同Q12のコレクタ電流をIC11 ,IC12
とすると、両者の差、即ちこの第2の差動増幅器の出力
電流IOUT は次の数式13のようになる。
【0031】
【数13】
【0032】ここで、tanhxは、│x│《1のときに
は、次の数式14のように級数展開できる。
【0033】
【数14】
【0034】従って、│VIN│《2VT のときには、出
力電流IOUT は、次の数式15のように近似できる。
【0035】
【数15】
【0036】即ち、数式15から(VLO2 とVINの積
(VLO2 ・VINが得られる。これにより、出力電流I
OUT に含まれる周波数成分は、2fLO+fIN又はfIN
2fLOであることが分かる。出力端子5には、入力信号
(VLO)の2逓倍周波と入力信号(VIN)がミキシング
されて出力される。この第2の差動増幅器はミキサ回路
となっているのである。
【0037】以上のように、図3に示す回路は、入力信
号(VLO)の周波数逓倍動作とその周波数逓倍した信号
に入力信号(VIN)をミキシングする動作とを1つの回
路でなし得る。そして、周波数逓倍回路とミキサ回路と
をカレントミラー回路で直結したので、外付けのフィル
タは不要で、しかも、ミキサ回路のバイアス回路を省略
でき、広帯域化が可能であるだけでなく、半導体集積回
路化に好適な構成となっている。
【0038】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図3に示す回
路には、次のような問題がある。即ち、数式15から理
解できるように、周波数逓倍回路の出力電流(ΔI)に
は直流成分が多いので、ミキサ回路の出力電流(I
OUT )にはfINの周波数成分の割合が多くなってしまっ
ている。従って、ミキサ回路の変換利得は高くならず、
しかも、周波数逓倍回路の駆動電流(I0 )を増やし周
波数逓倍回路とミキサ回路の回路電流を同時に増加して
も、ミキサ回路の変換利得は変わらないという問題があ
る。
【0039】本発明は、本出願人に係る周波数逓倍・ミ
キサ回路において、ミキサ回路の変換利得を高くできる
周波数逓倍・ミキサ回路を提供することにある。
【0040】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の周波数逓倍・ミキサ回路は次の如き構成を
有する。即ち、本発明の周波数逓倍・ミキサ回路は、被
逓倍信号が印加される第1の入力端子対と; ミキシン
グ信号が印加される第2の入力端子対と; 共通接続さ
れるエミッタ同士のエミッタサイズ比がk:1(k>
1)である差動対トランジスタの2組で構成される増幅
器であって、その2組の差動対トランジスタの相互間に
おいて、エミッタサイズが等しいトランジスタのコレク
タ同士が共通接続され、エミッタサイズが等しくないト
ランジスタのベース同士の一方のベース同士が前記第1
の入力端子対の一方の入力端子に共通接続され、その他
方のベース同士が前記第1の入力端子対の他方の入力端
子に共通接続され、且つ、それぞれの差動対トランジス
タのエミッタ同士が定電流源に接続される第1の差動増
幅器と; 一方のベースが前記第2の入力端子対の一方
の入力端子に接続され、その他方のベースが前記第2の
入力端子対の他方の入力端子に接続される差動対トラン
ジスタを備える第2の差動増幅器と; 前記第1の差動
増幅器の各出力電流から差電流を形成しその差電流に基
づき前記第2の差動増幅器を駆動するカレントミラー回
路と; で構成される周波数逓倍・ミキサ回路におい
て; 前記カレントミラー回路が形成した差電流から一
定値直流電流を減じた電流で前記第2の差動増幅器が動
作するようにカレントミラー回路を制御する制御回路;
又は、前記カレントミラー回路が形成する差電流が予
め一定値直流電流を減じた電流となるように前記第1の
差動増幅器の一方の出力電流に対して操作を行う制御回
路;のいずれかを設けたことを特徴とし、さらに、前記
第1の差動増幅器を構成する2組の差動対トランジスタ
それぞれに、抵抗比がエミッタサイズに反比例するエミ
ッタ抵抗を挿入してある; ことを特徴とするものであ
る。
【0041】
【作用】次に、前記の如く構成される本発明の周波数逓
倍・ミキサ回路の作用を説明する。本発明では、カレン
トミラー回路が形成した差電流から一定値直流電流を減
じた電流で第2の差動増幅器が動作するようにカレント
ミラー回路を制御する、あるいは、カレントミラー回路
が形成する差電流が予め一定値直流電流を減じた電流と
なるように第1の差動増幅器の一方の出力電流に対して
操作を行う。要するに、周波数逓倍回路たる第1の差動
増幅器の各出力電流の差電流から一定値直流電流を減じ
これによりミキサ回路たる第2の差動増幅器を動作させ
るのである。
【0042】その結果、第2の差動増幅器の駆動電流に
は、歪率の非常に良好な2逓倍の周波数成分が支配的と
なり、ミキサ回路の変換利得を高くすることができる。
【0043】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明の一実施例に係る周波数逓倍・ミ
キサ回路を示す。この第1実施例回路では、第2の差動
増幅器の駆動源である3つ目のカレントミラー回路(ト
ランジスタQ9と同Q10からなる回路)のトランジス
タQ9に、トランジスタQ0を並列接続し、そのベース
に一定電圧源E0 を接続してある。
【0044】図1において、トランジスタQ0のコレク
タ電流ICOを、0<l<1である任意の定数lを定めて
次の数式16のように選ぶ。
【0045】
【数16】
【0046】すると、ミキサ回路たる第2の差動増幅器
の駆動電流ΔI′は前記差電流ΔI(数式11)からコ
レクタ電流ICOを差し引いたものであり、次の数式17
となる。
【0047】
【数17】
【0048】そして、駆動電流ΔI′の直流成分は、V
LO=0とおいて、次の数式18となる。
【0049】
【数18】
【0050】今、コレクタ電流ICOを次の数式19のよ
うに選ぶ。
【0051】
【数19】
【0052】このとき、ミキサ回路の出力電流IOUT
は、前記数式13、同15から求まり、次の数式20と
なる。
【0053】
【数20】
【0054】従って、ミキサ回路の変換利得が最大とな
るのは、数式19において等号が成り立つときであるの
で、本回路での変換利得の増加分は、次の数式21のよ
うにして求まる。
【0055】
【数21】
【0056】例えばVLO=VT 、k=3、l=0.5と
すれば、1/(IOUT /IOUT ′)=2.6となり、変
換利得は8.3dB高くできる。
【0057】次に、図2は、本発明の他の実施例に係る
周波数逓倍・ミキサ回路を示す。本第2実施例回路で
は、周波数逓倍回路たる第1の差動増幅器の一方の出力
電流(前記Iq )に一定値直流電流を加算するようにト
ランジスタQ0′を設け、カレントミラー回路が形成す
る差電流が予め一定値直流電流を減じたものとなるよう
にし、第1実施例回路で説明した駆動電流ΔI′を同様
に形成するようにしてある。従って、第1実施例回路と
同様に動作する。
【0058】なお、図2に示すようにトランジスタQ1
とQ3のエミッタに値(RE /k)のエミッタ抵抗を挿
入し、トランジスタQ2とQ4のエミッタに値Rのエミ
ッタ抵抗を挿入すれば、入力信号(VLO)の振幅レベル
を上げることができるので、エミッタ抵抗を適宜選定す
ることで、任意の振幅レベルで使用できる。
【0059】上記2つの実施例回路では、3つのカレン
トミラー回路で両差動増幅器を直接接続したが、例えば
1つのカレントミラー回路で同様のことが行える。ま
た、トランジスタの形式は任意である。
【0060】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の周波数逓
倍・ミキサ回路によれば、本出願人に係る周波数逓倍・
ミキサ回路において、周波数逓倍回路(第1の差動増幅
器)の出力電流の差電流から一定値直流電流を減ずるよ
うにしたので、ミキサ回路(第2の差動増幅器)の駆動
電流では歪率の非常に良好な2逓倍の周波数成分を支配
的にすることができ、ミキサ回路の変換利得を高くする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る周波数逓倍・ミキサ回
路の回路図である。
【図2】本発明の他の実施例に係る周波数逓倍・ミキサ
回路の回路図である。
【図3】本出願人の開発に係る周波数逓倍・ミキサ回路
の回路図である。
【図4】周波数逓倍動作とミキシング動作とを同時に必
要とする場合の従来の構成例である。
【符号の説明】
1 入力端子 2 入力端子 3 入力端子 4 入力端子 5 出力端子 Q0 トランジスタ Q0′ トランジスタ Q1〜Q15 トランジスタ I0 定電流源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03B 19/00 - 19/14 H03D 7/14

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被逓倍信号が印加される第1の入力端子
    対と; ミキシング信号が印加される第2の入力端子対
    と; 共通接続されるエミッタ同士のエミッタサイズ比
    がk:1(k>1)である差動対トランジスタの2組で
    構成される増幅器であって、その2組の差動対トランジ
    スタの相互間において、エミッタサイズが等しいトラン
    ジスタのコレクタ同士が共通接続され、エミッタサイズ
    が等しくないトランジスタのベース同士の一方のベース
    同士が前記第1の入力端子対の一方の入力端子に共通接
    続され、その他方のベース同士が前記第1の入力端子対
    の他方の入力端子に共通接続され、且つ、それぞれの差
    動対トランジスタのエミッタ同士が定電流源に接続され
    る第1の差動増幅器と; 一方のベースが前記第2の入
    力端子対の一方の入力端子に接続され、その他方のベー
    スが前記第2の入力端子対の他方の入力端子に接続され
    る差動対トランジスタを備える第2の差動増幅器と;
    前記第1の差動増幅器の各出力電流から差電流を形成し
    その差電流に基づき前記第2の差動増幅器を駆動するカ
    レントミラー回路と; で構成される周波数逓倍・ミキ
    サ回路において; 前記カレントミラー回路が形成した
    差電流から一定値直流電流を減じた電流で前記第2の差
    動増幅器が動作するようにカレントミラー回路を制御す
    る制御回路; を設けたことを特徴とする周波数逓倍・
    ミキサ回路。
  2. 【請求項2】 被逓倍信号が印加される第1の入力端子
    対と; ミキシング信号が印加される第2の入力端子対
    と; 共通接続されるエミッタ同士のエミッタサイズ比
    がk:1(k>1)である差動対トランジスタの2組で
    構成される増幅器であって、その2組の差動対トランジ
    スタの相互間において、エミッタサイズが等しいトラン
    ジスタのコレクタ同士が共通接続され、エミッタサイズ
    が等しくないトランジスタのベース同士の一方のベース
    同士が前記第1の入力端子対の一方の入力端子に共通接
    続され、その他方のベース同士が前記第1の入力端子対
    の他方の入力端子に共通接続され、且つ、それぞれの差
    動対トランジスタのエミッタ同士が定電流源に接続され
    る第1の差動増幅器と; 一方のベースが前記第2の入
    力端子対の一方の入力端子に接続され、その他方のベー
    スが前記第2の入力端子対の他方の入力端子に接続され
    る差動対トランジスタを備える第2の差動増幅器と;
    前記第1の差動増幅器の各出力電流から差電流を形成し
    その差電流に基づき前記第2の差動増幅器を駆動するカ
    レントミラー回路と; で構成される周波数逓倍・ミキ
    サ回路において; 前記カレントミラー回路が形成する
    差電流が予め一定値直流電流を減じた電流となるように
    前記第1の差動増幅器の一方の出力電流に対して操作を
    行う制御回路; を設けたことを特徴とする周波数逓倍
    ・ミキサ回路。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の周波数逓
    倍・ミキサ回路において; 前記第1の差動増幅器を構
    成する2組の差動対トランジスタそれぞれに、抵抗比が
    エミッタサイズに反比例するエミッタ抵抗を挿入してあ
    る; ことを特徴とする周波数逓倍・ミキサ回路。
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