JP3917571B2

JP3917571B2 - 差動回路とそれを用いたトランスコンダクタ

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Publication number: JP3917571B2
Application number: JP2003313845A
Authority: JP
Inventors: 類伊藤; 正新井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP2005086316A

Description

本発明は、差動回路およびこの差動回路を用いたトランスコンダクタに関し、特に差動信号と同相信号を扱う回路において、同相信号の位相補償を差動信号と独立に行う差動回路およびトランスコンダクタに関する。

差動成分と同相成分を含んだ入力信号が入力されるような差動回路では、差動成分においても同相成分においても安定性を確保しておくための位相補償器を設けることが必要であり、その位相補償器により差動回路の安定動作を補償している。

この安定動作を補償する位相補償方法として、差動信号と同相信号の信号経路が重なっている経路において位相補償を行うことにより、１つの位相補償器により差動信号と同相信号の安定性を確保しつつ、回路構成を簡略化する方法がある（非特許文献１の図２参照）。

しかしながら、このような方法では、同相信号での安定性を確保するために差動信号の帯域を狭帯域にしてしまうことがある。そのような場合、差動で必要な帯域を確保するために余分な電流を消費してしまうことがあった。
A. N. Karanicolas, "A High-Frequency Fully Differential BiCMOS Operational Amplifier," IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.26, NO.3, MARCH 1991。

上記従来の差動回路においては、差動信号と同相信号の安定性を確保するために、差動信号を必要以上に狭帯域にして安定性を確保しており、また、そのような場合、差動と同相の両方で必要な安定性と帯域を確保するために余分な電流を消費しているという問題点があった。

従って、本発明は、差動では差動に必要なだけの帯域と安定性を、同相では同相に必要なだけの帯域と安定性を、差動と同相のそれぞれにおいて独立して設定することにより低消費電力化のできる差動回路を提供することを目的とする。

本発明は、入力信号を増幅する第１、第２の増幅器と、前記第１、第２の増幅器の出力を入力とする第１の電圧電流変換器と、前記第１の電圧電流変換器の出力間に直列に接続される第１、第２のインピーダンス素子と、前記第１、第２の増幅器の出力から同相信号成分を検出する同相信号検出器と、前記同相信号検出器の出力を入力として受け、前記第１、第２のインピーダンス素子に接続される出力端を有する第２、第３の電圧電流変換器と、前記第１の電圧電流変換器の出力と前記第１、第２の増幅器の出力との間に接続される第１、第２の位相補償器と、前記同相信号検出器の出力と前記第１、第２のインピーダンス素子との間に接続される第３の位相補償器を有する差動回路を提供する。

また、本発明は、上記差動回路を用いたトランスコーダを提供し、このトランスコーダを低域フィルタまたは可変利得増幅器などに用いた受信機を提供する。

本発明の差動回路によると、差動における帯域、安定性、消費電流を差動経路に入れた位相補償器により決定し、同相における帯域、安定性、消費電流を同相経路に入れた位相補償器により決定することによって、差動と同相でそれぞれ独立に帯域、安定性、消費電流を決定することができる。そのため、差動に必要な帯域と安定性、同相に必要な帯域と安定性を低消費電力で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１に本発明の第１の実施形態に係る差動回路を示す。この差動回路によると、入力端子Ｖｉｎ＋，Ｖｉｎ−は増幅器Ａ１，Ａ２の第１入力端に夫々接続される。増幅器Ａ１，Ａ２の出力端は第１電圧電流変換器Ｇｍ１の一対の入力端に夫々接続される。第１電圧電流変換器Ｇｍ１の一対の入力端と一対の出力端との間に差動信号に対する第１，第２位相補償器ＰＣ１，ＰＣ２がそれぞれ接続される。第１電圧電流変換器Ｇｍ１の一対の出力端間に第１電圧電流変換器Ｇｍ１の負荷としてのインピーダンス素子、例えば抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続される。また、第１電圧電流変換器Ｇｍ１の一対の出力端は増幅器Ａ１，Ａ２の第２入力端に夫々接続される。

増幅器Ａ１，Ａ２の出力端は増幅器Ａ１、Ａ２の出力信号から同相信号のみを検出する同相信号検出器ＣＭの一対の入力端にそれぞれ接続される。同相信号検出器ＣＭの出力端は同相信号検出器ＣＭの出力を入力として抵抗Ｒ１、Ｒ２に電流を出力する第２，第３電圧電流変換器Ｇｍ２，Ｇｍ３並びに同相信号に対する第３位相補償器ＰＣ３の入力端に接続される。第２，第３電圧電流変換器Ｇｍ２，Ｇｍ３の出力端は増幅器Ａ１，Ａ２の第２入力端に夫々接続され、第３位相補償器ＰＣ３の出力端は抵抗Ｒ１，Ｒ２の間のノードに接続される。

上記構成の差動回路において、信号入力端子Ｖｉｎ＋、Ｖｉｎ−に信号が入力されると、入力信号のうち差動信号は増幅器Ａ１、Ａ２と電圧電流変換器Ｇｍ１と抵抗Ｒ１、Ｒ２により増幅され、出力される。同相信号は、増幅器Ａ１、Ａ２により増幅され、その増幅された信号のうち同相信号検出器ＣＭにより検出された同相信号が電圧電流変換器Ｇｍ２、Ｇｍ３により電圧電流変換され、抵抗Ｒ１、Ｒ２に流れる。これにより増幅された同相信号が出力される。

更に、同相信号については、増幅器Ａ１、Ａ２によって増幅された信号は電圧電流変換器Ｇｍ１に入力されるが、例えば、図２で示すように、電圧電流変換器Ｇｍ１を電流源Ｉ１とバイポーラトランジスタの差動対Ｍ１、Ｍ２により構成することによって、同相信号に対する電圧電流変換係数を差動信号に対する電圧電流変換係数より１桁以上小さくすることが可能である。この差動と同相の出力信号は増幅器Ａ１、Ａ２に帰還されるようになっている。

この時、差動信号でも同相信号でも２段増幅の構成となっているため、周波数特性には２つの極が存在し、位相補償の必要性がある。差動回路を使用する場合に差動信号は十分な帯域を持って動作する必要があり、同相信号については安定動作させることが要求される。

本実施形態では、図１に示すように差動経路には差動信号用の位相補償器ＰＣ１，ＰＣ２が、同相経路には同相信号用の位相補償器ＰＣ３が独立して設けられている。従って、差動信号には安定性が取れる最低限の位相補償が行われ、広帯域を実現し、同相信号には十分な位相補償が行われることにより、確実な安定性を確保することができる。故に、同相信号に対する位相補償のために、差動信号に対しては過剰な位相補償器を入れる必要はなくなる。従って、差動信号の帯域を確保するために必要となる余分な電流を削減することができる。

図３は、本発明の第３の実施形態に係るトランスコンダクタを示す。図３に示すトランスコンダクタは図１、図２に示す差動回路を、入力信号を対数圧縮するための回路として使用し、もう一つの電圧電流変換器Ｇｍ４を対数圧縮された信号を伸長するための回路として使用する線形化トランスコンダクタの一例である。このように構成されたトランスコンダクタでは、その回路の電圧電流変換利得を電圧電流変換器Ｇｍ１、Ｇｍ４の比と電圧電流変換器Ｇｍ１の負荷であるＲ１、Ｒ２により決定することが可能である。

図４は、本発明の第４の実施形態に係るトランスコンダクタを示す。図４に示すトランスコンダクタは電圧電流変換器Ｇｍ１、Ｇｍ４がｎｐｎトランジスタＭ１，Ｍ２；Ｍ３，Ｍ４を用いて構成されている。しかしながら、電圧電流変換器Ｇｍ１、Ｇｍ４にｐｎｐトランジスタを用いて構成した場合でもトランスコンダクタとして動作する。更に、電圧電流変換器Ｇｍ１にｎｐｎトランジスタ、電圧電流変換器Ｇｍ４にｐｎｐトランジスタを、電圧電流変換器Ｇｍ１にｐｎｐトランジスタ、電圧電流変換器Ｇｍ４にｎｐｎトランジスタを用いて構成した場合でも動作可能である。

図５は、本発明の第５の実施形態に係るトランスコンダクタを示す。図５に示すトランスコンダクタは電圧電流変換器Ｇｍ１、Ｇｍ４をｎｐｎトランジスタＭ１，Ｍ２；Ｍ３，Ｍ４で、電圧電流変換器Ｇｍ２、Ｇｍ３をｐｎｐトランジスタＭ５，Ｍ６により構成している。このように構成することによって、電圧電流変換器Ｇｍ１と電圧電流変換器Ｇｍ２、Ｇｍ３で消費される電流経路を縦積みに重ねることによって低消費電力化を実現している。同様にして、電圧電流変換器Ｇｍ１、Ｇｍ４をｐｎｐトランジスタで、電圧電流変換器Ｇｍ２、Ｇｍ３をｎｐｎトランジスタで構成することでも、同様の効果を挙げることができる。

図６は、本発明の第６の実施形態に係るトランスコンダクタを示す。図６に示すトランスコンダクタは位相補償器ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３にキャパシタを用いている。このような構成では位相補償器ＰＣ１，ＰＣ２のキャパシタはミラー容量として見えるため、より少ない容量で位相補償を行うことが可能となる。これにより、回路の省面積化が可能である。更に、位相補償器ＰＣ３のキャパシタに直列に抵抗Ｒ１，Ｒ２を入れることにより、周波数特性において任意の場所に零点を入れることも可能となる。

図７は、本発明の第７の実施形態に係るトランスコンダクタを示す。図７に示すトランスコンダクタは同相信号検出器ＣＭとして二つの抵抗Ｒ３，Ｒ４を使用し、位相補償器ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３にキャパシタを使用している。二つの抵抗Ｒ３，Ｒ４の両端に増幅器Ａ１、Ａ２からの差動と同相を含んだ信号が与えられるので、二つの抵抗Ｒ３，Ｒ４の中点から同相信号はそのままに出力され、差動信号については抵抗Ｒ３，Ｒ４の両端でプラスマイナス逆に信号が振幅しているため打ち消されて出力される。したがって、二つの抵抗Ｒ３，Ｒ４で同相信号を検出することができるため、同相信号検出用の余分な回路や電流、面積を使用する必要はない。

図８は、本発明において使用している増幅器Ａ１，Ａ２の具体的構成の一例を示す。図８の増幅器は差動対Ｍ７，Ｍ８；Ｍ９，Ｍ１０とアクティブロードを使用した単純な差動増幅回路である。本発明で使用する増幅器はこのような単純な差動増幅回路でも良い。

図９は、図７に示す回路構成の周波数特性を示している。図７に示す回路構成において、位相補償器ＰＣ３を除いた回路構成では、差動信号と同相信号の位相補償器を兼ねた場合の回路構成となる。図９は位相補償器ＰＣ３を入れている場合と除いた場合の周波数特性を示す。位相補償器ＰＣ３を除いた場合には同相信号の位相マージンが不足してしまい、安定性を確保できていない。位相補償器ＰＣ３を入れることで同相信号の位相マージンが十分に確保できていることが分かる。また、差動信号については位相補償器ＰＣ３を入れた場合でも、除いた場合と等しい帯域、安定性が確保できていることが分かる。

図１０は、位相補償器ＰＣ３を除いた場合の図７に示す回路構成の周波数特性を示す。この図では、同相での安定性を確保しつつ、差動信号で得られる帯域を図９に示す差動信号の帯域と等しくなるくらいまで電流を増加させた場合の周波数特性が示されている。この時、電流の増加はおよそ２．５倍となり、本発明を使用することで低消費電力化が可能であることが分かる。

図１１は、本発明の上記実施形態のトランスコンダクタを適用した受信機を示している。この受信機は、アンテナから受信信号を受け、それを増幅する低雑音増幅器ＬＮＡと、この低雑音増幅器ＬＮＡの出力端に接続される表面弾性波フィルタＲＦ−ＳＡＷと、この表面弾性波フィルタＲＦ−ＳＡＷの出力端に接続され、受信信号を直交復調する一対の直交復調器ＱＤＥＭと、直交復調器ＱＤＥＭの出力端にそれぞれ接続される一対の低域フィルタＬＰＦと、低域フィルタＬＰＦの出力端にそれぞれ接続される一対の可変利得増幅器ＶＧＡとにより構成される。直交復調器ＱＤＥＭのノードには電圧制御発振器ＶＣＯが接続される。電圧制御発振器ＶＣＯは位相ロックループＰＬＬによって同期制御される。

上記構成の受信機において、低域フィルタＬＰＦおよび可変利得増幅器ＶＧＡが図３〜図７のいずれかに示されるトランスコンダクタによって構成される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態に従った差動回路の回路図本発明の第２の実施形態であり、図１の第１電圧電流変換器を電流源と差動対により構成した差動回路の回路図本発明の第３の実施形態であり、図１の差動回路を用いたトランスコンダクタの回路図本発明の第４の実施形態であり、図３の差動回路および電圧電流変換器Ｇｍ１、Ｇｍ４を電流源と差動対により構成したトランスコンダクタの回路図本発明の第５の実施形態であり、図３の電圧電流変換器Ｇｍ１〜Ｇｍ４を差動対で構成したトランスコンダクタの回路図本発明の第６の実施形態であり、図５の位相補償器をキャパシタにより構成したトランスコンダクタの回路図本発明の第７の実施形態であり、図６の同相信号検出器を抵抗により構成したトランスコンダクタの回路図図１〜図７に示す増幅器の回路図図７のトランスコンダクタと従来の技術との周波数特性を示す図図７のトランスコンダクタと従来の技術との周波数特性を示す図本発明のトランスコンダクタを用いた受信機の概略回路図

符号の説明

Ｖｉｎ＋：正の入力端子、Ｖｉｎ−：負の入力端子、Ａ１，Ａ２：増幅器、ＰＣ１〜ＰＣ３：位相補償器、Ｇｍ１〜Ｇｍ４：電圧電流変換器、ＣＭ：同相信号検出器、Ｒ１〜Ｒ４：抵抗、Ｉｏｕｔ＋：正の電流出力端子、Ｉｏｕｔ−：負の電流出力端子、Ｍ１〜Ｍ６：バイポーラトランジスタ、Ｉ１〜Ｉ３：バイアス電流、Ｖｏｕｔ：電圧出力端子、ＬＰＦ：低域フィルタ、ＶＧＡ：可変利得増幅器

Claims

入力信号を増幅する第１、第２の増幅器と、
前記第１、第２の増幅器の出力を入力とする第１の電圧電流変換手段と、
前記第１の電圧電流変換手段の出力端間に直列に接続される第１、第２のインピーダンス素子と、
前記第１、第２の増幅器の出力から同相信号を検出する同相信号検出手段と、
前記同相信号検出器の出力を入力として受け、前記第１、第２のインピーダンス素子に夫々電流を出力する第２、第３の電圧電流変換手段と、
前記第１の電圧電流変換器の出力端と前記第１、第２の増幅器の出力端との間に接続される第１、第２の位相補償手段と、
前記同相信号検出器の出力端と前記第１、第２のインピーダンス素子のノードとの間に接続される第３の位相補償手段と、
を具備することを特徴とする差動回路。
前記第１の電圧電流変換手段が差動対により構成されることを特徴とする請求項１記載の差動回路。
前記第１、第２、第３の位相補償手段は少なくとも容量性素子を含むことを特徴とする請求項１記載の差動回路。
前記同相信号検出手段が少なくとも二つの抵抗により構成されるインピーダンス素子を含むことを特徴とする請求項１記載の差動回路。
請求項１記載の差動回路と前記第１、第２の増幅器の出力を入力とする第４の電圧電流変換手段を備えたことを特徴とするトランスコンダクタ。
前記第１、第４の電圧電流変換手段は同じ導電型のトランジスタによって構成されることを特徴とする請求項５記載のトランスコンダクタ。
前記第１、第４の電圧電流変換手段と前記第２、第３の電圧電流変換手段が異なる導電型のトランジスタによって構成されることを特徴とする請求項５記載のトランスコンダクタ。
受信信号を入力とする低雑音増幅器と、この低雑音増幅器の出力端に接続される表面弾性波フィルタと、この表面弾性波フィルタに接続される直交復調器と、前記直交復調器の出力端に接続される低域フィルタと、前記低域フィルタの出力端に接続される可変利得増幅器とによって構成され受信機において、前記低域フィルタおよび前記可変利得増幅器が請求項５，６および７のいずれか１つに記載のトランスコンダクタによって構成されることを特徴とする受信機。