JP3167075U - 受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信感度を悪化させること無くフロントエンド回路のダイナミックレンジを大きくし、アンテナ入力信号レベルを把握し適切なＡＧＣを行いＩＣ設計段階で選択度を改善する。【解決手段】 ＬＣ同調回路の次段にＩＣに内蔵された初段増幅器を配置する。これによりＩＣ設計段階でＬＣ同調回路を初段増幅器の前置増幅器とみなし初段増幅器の利得を低く設定する。また、ＬＣ同調回路の入力段、初段増幅器に減衰器を設定しアンテナ入力信号レベルに応じ適切なＡＧＣをＤＳＰ等で行う。【選択図】図１

Description

本考案は受信機のフロントエンドに関し、特に、当該受信機の選択度を改善する技術に関するものである。

受信機用ＩＣ（集積回路）を設計する際に重要な特性として選択度がある。選択度は、希望周波数帯域に生じる妨害波を排除する能力である。その特性は希望信号と妨害波を入力した時、復調出力信号のＳ／（Ｎ＋Ｄ）が３０ｄＢ得られる時の希望信号レベルで評価される手法がある。ここでＳは復調信号レベル、Ｎは雑音信号レベル、Ｄは信号歪レベルである。

選択度を良くするにはいかに希望周波数帯域に生じる妨害波レベルを小さくするかにある。妨害特性のうち特に相互変調が高周波回路で問題になる。つまり、強力な２つの妨害波が入力した時、フロントエンド回路（能動素子で構成された回路）の比直線性による歪成分により希望信号周波数成分が生じ、スプリアス信号として希望周波数帯域に落ちてくる現象である。これを改善するにはフロントエンド回路のダイナミックレンジを大きくし、適切なＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）により出来るだけ歪を小さく抑えることである。一般的にＡＧＣはフロントエンド回路での受信信号歪を改善するため受信信号レベルに応じて利得を減少させる技術である。ＡＧＣについては特許文献１に記載されている。
ＷＯ２００５／０５３１７１号公報

そこで所望の選択度を得るためのフロントエンド回路の特性は
▲１▼ ダイナミックレンジを大きくする。
▲２▼ 適切なＡＧＣで利得を調整する。
となる。

フロントエンド回路のダイナミックレンジを大きくする一つの手法は利得を小さく設定すれば良い。しかし、利得を小さく設定した場合、受信機用ＩＣを設計する際の重要なもう一つの特性である受信感度が悪化してしまうという問題が生じる。

フロントエンド回路に適切なＡＧＣをかけるにはアンテナ入力レベルを把握する必要がある。アナログ信号処理で行うＡＧＣではアンテナ入力レベルを把握することは困難である。なぜならフロントエンド回路から受信信号レベルを検出しＡＧＣをかけるが、アナログ量で制御するためＡＧＣ量に相当するフロントエンド回路の利得減衰量を把握することは難しい。これから、アンテナ入力レベルを検出された受信信号レベルから推定することは困難となる。

課題を解決しようとする手段

上記の課題を解決するために、本考案ではＬＣ同調回路の次段にＩＣに内蔵された初段増幅器を配置する。そこでＩＣの受信性能を設計する際にＬＣ同調回路を初段増幅器の前置増幅器とみなす。つまり後述するレベルダイアグラムを用いて設計を行い、ＬＣ同調回路の利得分を考慮し初段増幅器の利得を低く設定することで受信感度を悪化させること無く所望の選択度を得るようにする。

またアンテナ入力信号は信号レベルに応じてアンテナ回路と第一減衰回路のインピーダンスにより減衰させられた後、結合容量を介し同調回路へ入力する。

同調回路出力信号は第二減衰回路を持つ初段増幅回路へ入力される。

上記第一減衰回路、第二減衰回路はアンテナ入力信号レベルに応じてＤＳＰ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）等でディジタル的に制御される。

考案の効果

非線形な能動素子で構成される初段増幅回路の利得を下げているため妨害特性に対しての特性が改善されることにより選択度が良くなる。

第一減衰回路と第二減衰回路を配置し、アンテナ入力信号レベルに応じ前記減衰回路をＤＳＰによりディジタル制御で適切に制御することにより妨害特性に対しての特性が改善され選択度が良くなる。

（第一の実施形態）

以下、本考案の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態によるフロントエンドの構成例を示す図である。破線で示される内部は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセス等によりＩＣ化される。図１に示すように、本実施形態によるフロントエンドはコイルＬと可変容量ＶＣで構成されるＬＣ同調回路、初段増幅器ＬＮＡ２、ミキサＭＩＸ３、第一減衰回路ＳＡＧＣ４、結合容量Ｃｃから構成される。ＤＳＰ５は受信信号をＡ／Ｄ変換（図示せず）した後の信号処理とＡＧＣ制御等のため配置される。

受信性能の設計はレベルダイアグラムを用いることで、選択度を最適化する設計が出来る。レベルダイアグラムは
▲１▼ 妨害信号が有る時にフロントエンド、ＩＦ ＢＰＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）、ＩＦＡ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）等の利得、ＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ：雑音指数）、ダイナミックレンジ及びＡＧＣによる信号の減衰量から、復調出力のＳ／（Ｎ＋Ｄ）を計算する手法である。
このレベルダイアグラムを用いることにより所望のＳ／（Ｎ＋Ｄ）を得るための利得配分を決定できる。

アンテナ１で受信した信号は結合容量Ｃｃを通じてＬＣ同調回路に入力される。ＬＣ同調回路の出力信号は初段増幅器ＬＮＡ２に入力される。ＬＮＡ２の出力信号はミキサＭＩＸ３に入力される。ＭＩＸ３の出力信号はＩＦＢＰＦ（図示せず）へ入力される。一方アンテナ１で受信した信号は第一減衰回路ＳＡＧＣ４に入力される。ＤＳＰ５からＬＮＡ２とＳＡＧＣ４への矢印はＡＧＣ制御を行う信号経路を意味する。

所定のアンテナ信号レベル以下であればＳＡＧＣ４はＯＦＦであり、アンテナで受信された信号は、ほぼ減衰なくＬＣ同調回路に入力される。

フロントエンドを構成する回路の利得はＤＳＰ等で制御されるためＤＳＰは前記回路の利得配分を把握できる。このためＤＳＰはフロントエンド回路から検出される信号レベルとフロントエンドを構成する回路の利得からアンテナ入力信号レベルを計算できる。

これからＤＳＰはアンテナ入力信号レベルを監視でき、所定のアンテナ入力信号レベル以上になるとＳＡＧＣ４をＯＮにする。そこでアンテナで受信された信号はＡＧＣ量に応じて減衰し結合容量Ｃｃを介しＬＣ同調回路に入力される。

ＳＡＧＣ４の一例を図３に示す。例えばトランジスタＮＳ１がＯＮになれば受信信号の減衰度ＡＴＴは

で与えられる。ここでＲｇはアンテナ回路のインピーダンス、Ｒｓ１は回路図上のＲＳ１、ＲｓａｔはトランジスタＮＳ１のオン抵抗である。更に減衰度ＡＴＴを大きくするにはＮＳ２、ＮＳ３等の複数のトランジスタをＯＮにする事によりＳＡＧＣ４のインピーダンスを低くする事により実現できる。

ところでＳＡＧＣ４をＯＮにしたときＬＣ同調回路は結合容量Ｃｃを介してＳＡＧＣ４の回路インピーダンスでダンピングされる。しかし、同調周波数において結合容量ＣｃのインピーダンスはＳＡＧＣ４のインピーダンスに比べ十分大きいためＬＣ同調回路のＱは大きく変動する問題は起きない。

アンテナ入力段のインピーダンスＲｇはＦＭ系では７５Ωである。大きな減衰度を必要とする場合、ＳＡＧＣ４の減衰回路だけでは困難な場合がある。この場合、ＬＮＡ２に第二減衰回路を設け、第一減衰回路ＳＡＧＣ４と第二減衰回路で所望の減衰度を得る手法をとる。

ＬＮＡ２の第二減衰回路の減衰量は相互コンダクタンスｇｍを調整することにより実現できる。

ＬＮＡ２の構成形の一例を図５、図６に示す。図５はカスコード増幅器である。図６は差動増幅器である。これらの回路は良く知られているため回路動作の説明は省略する。例えば図５のカスコード増幅器で相互コンダクタンスｇｍを調整するにはバイアス電圧ＶＢ１あるいはＶＢ２を低くすれば相互コンダクタンスｇｍは小さくなり利得が減少する。また、図６の差動増幅器では電流源ＩＣＣの電流を小さくすればば相互コンダクタンスｇｍは小さくなり利得が減少する。前記バイアス電圧、電流源ＩＣＣの電流は設計段階でアンテナ入力レベルに対応して設定されＤＳＰでディジタル的に制御される。

ＡＧＣ制御量は希望信号と妨害信号を入力した時に所望のＳ／（Ｎ＋Ｄ）が得られるようレベルダイアグラムにより決定される。前記レベルダイアグラムにより求められたＡＧＣの制御量を受信信号レベルに応じＤＳＰ等で制御する。

（第二の実施形態）
図２は本実施形態によるフロントエンドの別の構成例を示す図である。この図２において、図１に示した符号と同一の符号を付したものは同一の機能を有するものであるので、ここでは重複する説明は省略する。第二の実施形態では同一回路構成の初段増幅器ＬＮＡを２つ設け、そのうちの一つのＬＮＡの入力段に減衰回路を設けることにより実現する。

ＬＮＡ１＿２ａとＬＮＡ２＿２ｂは同一の回路構成もつＬＮＡである。ＡＧＣ制御信号によりどちらかのＬＮＡがＯＮになる。つまり、所定のアンテナ信号レベル以下であればＬＮＡ１＿２ａがＯＮになり、所定のアンテナ信号レベル以上であればＬＮＡ２＿２ｂがＯＮになる。ＤＳＰからの矢印はＬＮＡをＯＮ／ＯＦＦするための制御信号である。ＬＮＡ２＿２ｂの入力には第二減衰回路に相当するＲＡＧＣ６が接続される。

図４はＲＡＧＣ６の一例である。例えばＡＧＣ制御信号によりＮＲ１がＯＮした時の受信信号の減衰度ＡＴＴは

で与えられる。ここでＲｄ、Ｒ１は回路図上のＲｄ、Ｒ１で、ＲｓａｔはトランジスタＮＳ１のオン抵抗である。更に減衰度ＡＴＴを大きくするにはＮＲ２、ＮＲ３等の複数のトランジスタをＯＮにすることで実現できる。

所定のアンテナ信号レベル以下であればＳＡＧＣ４、ＲＡＧＣ６のＡＧＣ回路はＯＦＦであり、アンテナで受信された信号はほぼ減衰なくＬＣ同調回路に入力される。ＬＣ同調回路の出力信号はＬＮＡ１＿２ａに入力される。この時は既に述べたように、ＬＮＡ２＿２ｂはＯＦＦである。

所定のアンテナ信号レベル以上となるとＳＡＧＣ４がＯＮしＡＧＣ制御はＳＡＧＣ４の最大減衰値まで受信信号レベルに応じ制御される。

更に受信信号レベルが大きくなるとＲＡＧＣ６はＯＮとなり、アンテナで受信された信号はＳＡＧＣ４で減衰した後ＲＡＧＣ６をへてＬＮＡ２＿２ｂに入力される。この時は既に述べたように、ＬＮＡ１＿２ａはＯＦＦである。

ＡＧＣ制御のシーケンスはＲＡＧＣ６を先に制御し、その後ＳＡＧＣ４を制御しても良い。

ところでＩＣの入力ピンには静電気等の過電圧から内部の素子を保護する目的で入力対ＧＮＤ、入力対ＶＤＤ間にダイオード等の保護回路を接続する場合がある。

ＤＳＰ等でＡＧＣをディジタル的に制御する場合、受信信号レベルに応じ減衰度を或る値αｄＢステップで可変し、所望の減衰度を得る手法がとられる。しかし、ＳＡＧＣ４の場合、下記の▲１▼及び▲２▼に示すように入力レベルをＩＣ設計段階で設定すればＳＡＧＣ４の所望の最大減衰量はＡ２−Ａ１［ｄＢ］となる。そこでアンテナ信号レベルがＡ１［ｄＢｕ］に達した時にＳＡＧＣ４の減衰量をＡ２−Ａ１［ｄＢ］に制御しても良い。
▲１▼ ＩＣの入力ピンに接続されたダイオード等の保護回路がオンしない最大アンテナ信号レベル＝Ａ１［ｄＢμ］
▲２▼ 最大アンテナ信号レベル＝Ａ２［ｄＢμ］

ところでＳＡＧＣ４の減衰量をΔｖｉｎ＝Ａ２−Ａ１［ｄＢ］に制御した場合、ＡＧＣ特性の単調性を確保するため次段のＬＮＡ等のＡＧＣ制御量をＡ２−Ａ１［ｄＢ］あるいはＡ２−Ａ１−α［ｄＢ］小さい値に戻す必要がある。この例を図７に示す。
図７は受信信号レベルをＶｉｎとし図２に示すＳＡＧＣ４とＬＮＡ２の前段に設けられたＲＡＧＣ６の制御例を示している。ＤＳＰは受信信号レベルＶｉｎを２ｄＢの分解能で監視し、α＝２ｄＢ、Ａ１＝１０８ｄＢμ、Ａ２＝１３２ｄＢμとした例である。Ｖｉｎが８２ｄＢμ以下ではＲＡＧＣ６、ＳＡＧＣ４ともにＯＦＦ状態である。Ｖｉｎが８４ｄＢμ〜１０６ｄＢμではＲＡＧＣ６がＯＮになり２ｄＢステップで初段増幅器ＬＮＡ２＿２ｂにＡＧＣをかける。

ＶｉｎがＡ１＝１０８ｄＢμに達するとＳＡＧＣ４がＯＮになり減衰量をΔｖｉｎ＝Ａ２−Ａ１＝２４ｄＢに設定する。同時にＲＡＧＣ６の減衰量を２４ｄＢから２ｄＢへ戻す。

この様にＳＡＧＣ４とＲＡＧＣ６を制御することによりＲＡＧＣ６からＳＡＧＣ４とＲＡＧＣ６のＡＧＣ制御において単調性を失うことは無くなる。単調性とは利得減衰度の傾きがほぼ一定していて逆転しないことを意味する。

図７のＡＧＣ制御のシーケンスはまずＬＮＡ２＿２ｂの入力段に設けられたＲＡＧＣ６を制御した後にＳＡＧＣ４及びＲＡＧＣ６を制御し受信信号を減衰させた例である。

なお、上記実施形態ではＳＡＧＣ４は抵抗減衰器で構成されているが、これに限定されない。例えば、ピンダイオードを用いて構成しても良い。この場合ピンダイオードを制御する電流は設計段階でアンテナ入力レベルに対応して設定されＤＳＰでディジタル的に制御される。

その他、上記実施形態は、何れも本考案の一例を示したもので、これを元に様々な回路に展開できる。例えばアンテナから直接ＩＣのピンに入力されているが直流的にアンテナ段とＩＣを分離したい時は直流阻止用の容量を介しても良い。

本考案は受信機のフロントエンドに関し、特に、当該受信機の選択度を改善する技術であるため、ラジオ受信機、携帯電話等の無線受信機に使用することが有用である。

第一の実施形態によるフロントエンドの構成例を示す図である。 第二の実施形態によるフロントエンドの構成例を示す図である。 本実施形態による第一減衰回路の構成例を示す図である。 本実施形態による第二減衰回路の構成例を示す図である。 本実施形態による初段増幅器の構成例を示す図である。 本実施形態による初段増幅器の別の構成例を示す図である。 本実施形態によるＡＧＣの利得制御の構成例を示す図である。

１ アンテナ
２ 初段増幅器
３ ミキサ
４ 第一減衰回路
５ ＤＳＰ
６ 第二減衰回路
Ｌ コイル
ＶＣ 可変容量
Ｃｃ 結合容量
ＲＳ１・・ＲＳｎ 抵抗器
Ｒｄ 抵抗器
Ｒ１・・Ｒｎ 抵抗器
ＲＬ 抵抗器
ＲＢ 抵抗器
Ｃｉｎ 容量
ＮＳ１・・ＮＳｎ ＮＭＯＳトランジスタ
ＮＲ１・・ＮＲｎ ＮＭＯＳトランジスタ
ＮＬ１・・ＮＬ６ ＮＭＯＳトランジスタ
ＶＢ１、ＶＢ２ バイアス電圧
ＩＣＣ 電流源

Claims (6)

1. アンテナで受信した広帯域の高周波信号から希望周波数信号を取り出す同調回路と、
   アンテナ入力信号を上記同調回路へ入力する結合容量と、
   を備え、
   上記同調回路の次段に接続された初段増幅器と、アンテナ入力部と上記結合容量の接続部にディジタル的に制御される第一減衰回路を配置したことを特徴とする受信機。
2. 上記初段増幅器に設定された第二減衰回路を備え、
   上記第一減衰回路あるいは第二減衰回路の減衰量はアンテナ入力信号レベルに応じてＤＳＰ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）等で制御されることを特徴とする請求項１に記載の受信機。
3. アンテナ入力レベルに対応して設定された直流電圧あるいは直流電流により前記第一減衰回路あるいは第二減衰回路の減衰量を制御することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の受信機。
4. 前記第一減衰回路の制御開始アンテナ入力レベルＡ１は静電気等の過電圧から素子を保護する目的で入力に設けられた保護回路が動作しないレベルで決められ、
   前記第一減衰回路の最大減衰量は最大アンテナ入力レベルＡ２と前記アンテナ入力レベルＡ１の差Δｖｉｎ＝Ａ２−Ａ１で決められたことを特徴とする請求項１に記載の受信機。
5. 前記第一減衰回路はアンテナ入力レベルがＡ１に達した時、減衰量を前記Δｖｉｎ制御すると同時に前記第二減衰回路の減衰量を約Δｖｉｎだけ減少させＡＧＣの単調性を保つことを特徴とする請求項２に記載の受信機。
6. 前記減衰回路の制御シーケンスはまず第二減衰回路を制御し、次に第一減衰回路および第二減衰回路を制御することを特徴とする請求項４に記載の受信機。

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