JP4073152B2 - 利得可変増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話機等の通信機器に使用される利得可変増幅器に関するものであり、特に、電力利得変化の直線性の向上に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の携帯電話機においては、より高い通話品質を実現するため、受信の電波強度に応じて送信の電波強度を正確に制御する機能が要求されている。このためには、送受信部に使用される利得可変増幅器において、広い電波強度範囲で電力利得変化の直線性が必要とされる。
【0003】
従来の利得可変増幅器においては、増幅器1段での電力利得変化の直線性が限定されているため、図1に示すように、増幅器を多段(図1では2段Amp1、Amp2)に接続することにより、各段の利得を加算することにより全体として広範囲な電力利得変化の直線性を確保している。
【0004】
また、他の従来技術として、1段増幅器における電力利得変化の直線性を広げる試みとして図2の動作原理図に示すように、利得可変増幅器500において、差動増幅回路10での利得を制御するため、利得制御回路50の制御入力信号VCNTに対する利得制御信号VAGCの応答を、線形座標系で線形(Linear)に制御するか、あるいは、下に凸の単調増加特性に制御することが行われている。この具体的回路例を図3に示す。図3の回路では利得制御回路50も差動入力回路構成となっており、レベル変換回路51により制御入力信号VCNTを線形にレベル変換した入力電圧VCLSを利得制御回路50の差動対に入力している。具体的動作は図4に示す通りであり、レベル変換回路51によりレベル変換した入力電圧VCLSを、利得制御回路50の入出力特性において下に凸か、あるいは線形な入出力特性の領域にレベル変換することにより制御入力信号VCNTに対して固有の応答特性を持った利得制御信号VAGCを出力し、この特性と差動増幅回路10の特性とを整合させることにより、直線的な利得変化特性を実現している。
【0005】
具体的には、制御入力信号VCNTに対して入力電圧VCLSがVAからVBに遷移すれば、利得制御回路50の出力電流ICNTの特性は下に凸な単調増加特性となる。負荷抵抗により電圧に変換されて利得制御信号VAGCを出力する際、差動増幅回路10の線形特性に合致するように調整してやれば、差動増幅回路10の出力特性として下に凸な単調増加特性が得られることとなり、電力利得としてデシベル表示した際、制御入力信号VCNTに対して直線的な利得変化特性が得られることとなる。
【0006】
また、制御入力信号VCNTに対して入力電圧VCLSがVBからVCに遷移すれば、利得制御回路50の出力電流ICNT特性は線形な特性となる。この特性に対して、差動増幅回路10の下に凸な単調増加特性に合致するように調整すれば、差動増幅回路10の出力特性として下に凸な単調増加特性が得られることとなり、同様に直線的な利得変化特性が得られることとなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術のうち増幅器を多段接続するものは、構成回路数が多いため、多数の構成素子を必要とし回路配置上の制約が大きく問題であると共に、電流消費も大きなものとなり携帯電話機等の携帯機器の連続使用時間が制約され、電流消費に基づく発熱により高密度実装上も問題である。
【0008】
また、他の従来技術である利得制御を、線形制御、あるいは、下に凸な単調増加特性にするものは、差動増幅回路10の入出力特性上の限られた領域しか使用しないため、この領域を越えて使用すると利得変化の直線性が崩れてしまい使用することができない。従って、直線性を実現できる差動増幅回路10の入出力特性上の領域が限定され広範囲に渡る直線性を確保することができないと共に、狭い利得制御信号VAGCの動作範囲内での使用のため十分な動作精度を確保することが難しいという問題がある。
【0009】
本発明は前記従来技術の問題点を解消するためになされたものであり、制御入力信号VCNTに対する利得制御特性を適宜変化させることにより、1段構成の利得可変増幅器500において、電力利得変化の直線性を広範囲に渡り可能とする利得可変増幅器を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1に係る利得可変増幅器は、制御入力信号に応じて所定の利得制御信号を出力する利得制御特性を有する利得制御回路と、利得制御信号により差動対に流れる差動出力電流を切り換えて利得を可変する入出力特性を有する差動増幅回路とを備える利得可変増幅器において、入出力特性に応じて、利得制御回路は、利得制御信号が差動増幅回路に入力された際、入出力特性が線形特性を示す領域(第1領域)にある場合に、利得制御特性を線形座標系において下に凸の第1単調増加制御特性に可変制御し、利得制御信号が差動増幅回路に入力された際、入出力特性が線形座標系において上に凸の単調増加特性を示す領域(第2領域)にある場合に、利得制御特性を第1単調増加制御特性より急峻な第2単調増加制御特性に可変制御し、利得制御信号が差動増幅回路に入力された際、入出力特性が線形座標系において下に凸の単調増加特性を示す領域(第3領域)にある場合に、利得制御特性を線形制御特性に可変制御することを特徴とする。
【0011】
これにより、利得制御回路は、差動増幅回路の入出力特性に応じて、制御入力信号に対する利得制御信号の利得制御特性を適宜可変することができるので、制御入力信号に対して所定の利得変化特性を持たせることができ、差動増幅回路の広い入出力範囲に渡り直線的な利得変化を実現することができる。
【0012】
【0013】
すなわち、利得制御回路は、差動増幅回路の入出力特性が線形特性である第1領域では、利得制御特性を線形座標系において下に凸の第1単調増加制御特性に可変制御し、差動増幅回路の入出力特性が線形座標系において上に凸の単調増加特性である第2領域では、利得制御特性を第1単調増加制御特性より急峻な第2単調増加制御特性に可変制御し、差動増幅回路の入出力特性が線形座標系において下に凸の単調増加特性を示す第3領域では、利得制御特性を線形制御特性に可変制御することができ、差動増幅回路の入出力特性における全領域に渡り最適な利得制御特性に設定することができるので、全領域で利得変化の直線性を保つことができ、広範囲に渡る直線性を確保することができる。
【0014】
また、請求項2に係る利得可変増幅器は、請求項1に記載の利得可変増幅器において、利得制御回路は、トランスコンダクタンスアンプ構成を有し、トランスコンダクタンスアンプ構成のコンダクタンス特性を可変することにより、利得制御特性を可変制御することを特徴とする。
【0015】
これにより、コンダクタンス特性を可変すれば、制御入力信号に対してトランスコンダクタンスアンプ構成の電流出力を自由に設定することができ、この電流を電圧変換して利得制御信号とすることができるので、簡易かつ確実に差動増幅回路の入出力特性における広い範囲に渡って最適な利得制御特性を得ることができ、広範囲に渡る利得変化の直線性を確保することができる。
【0016】
また、請求項3に係る利得可変増幅器は、請求項2に記載の利得可変増幅器において、トランスコンダクタンスアンプ構成は、多入力の複合差動入力回路を備え、複合差動入力回路の各入力信号毎に所定の傾きと所定のオフセット値を有する個別制御入力信号を入力することを特徴とする。
【0017】
これにより、所定の傾きと所定のオフセット値を有して線形に変化する個別制御入力信号を多入力の複合差動入力回路の各入力に入力すれば、個別制御入力信号の所定の傾きに応じた複合差動入力回路の出力電流応答と、所定のオフセット値に応じた複合差動入力回路の動作切り替えが、複合差動入力回路の個々の差動対の出力電流の総和として得られるので、個別制御入力信号の簡単な線形変化応答により、複合差動入力回路の個々の差動対の入出力特性を自由に組み合わせることができ、容易に差動増幅回路の入出力特性における広い範囲に渡って最適な利得制御特性を得て広範囲に渡る利得変化の直線性を確保することができる。
【0018】
また、請求項4に係る利得可変増幅器は、請求項2又は請求項3に記載の利得可変増幅器において、利得制御回路は、差動対を構成する第1トランジスタ及び第2トランジスタと、第1トランジスタのエミッタにアノードを接続した第1ダイオードと、第2トランジスタのエミッタにアノードを接続した第2ダイオードと、第3トランジスタとを備え、第1ダイオードのカソードと第2ダイオードのカソードとを相互に接続すると共に、第1トランジスタのベースに参照電圧を印加し、第2トランジスタのベースに第1個別制御入力信号を入力して第1差動入力回路を構成し、また第3トランジスタのエミッタを相互に接続された第1及び第2ダイオードのカソードに接続すると共に、第3トランジスタのベースに第2個別制御入力信号を入力して第1トランジスタとの間で第2差動入力回路を構成することにより、複合差動入力回路とし、更に、第4トランジスタと、第4トランジスタのエミッタに接続する抵抗とを備え、抵抗の他端を基準電位に接続すると共に、第4トランジスタのベースに第3個別制御入力信号を入力して所定コンダクタンスの電流源回路を構成し、第1差動入力回路の出力電流と、第2差動入力回路の出力電流と、電流源回路の出力電流との電流総和を利得制御信号に電圧変換して出力することを特徴とする。
【0019】
これにより、第2トランジスタのベースに第1個別制御入力信号を入力することにより、第1差動入力回路の出力電流を線形座標系において下に凸の第1単調増加制御特性とし、第3トランジスタのベースに第2個別制御入力信号を入力することにより、第2差動入力回路の出力電流を第1単調増加制御特性より急峻な第2単調増加制御特性とし、第4トランジスタのベースに第3個別制御入力信号を入力することにより、第4トランジスタとエミッタに接続された抵抗とにより構成された電流源回路の出力電流を線形制御特性とするように設定すれば、各個別制御入力信号の傾きとオフセット値との調整により各々の制御特性を有する出力電流の総和として、利得制御特性が、線形制御特性から第1単調増加制御特性を介して第2単調増加制御特性に至る特性とすることができ、差動増幅回路の入出力特性との組み合わせで全領域に渡り利得変化の直線性を保つことができ、広範囲な直線性を確保することができる。
また、第1差動入力回路は、差動対を構成する第1及び第2トランジスタの各エミッタに各々第1及び第2ダイオードが順方向に接続されているため、ダイオードの順方向電圧分だけ差動対の動作点を高く設定することができ、第2トランジスタのベースに入力する第1個別制御入力信号の電圧レベルを高く設定することができるので、第1個別制御入力信号の動作範囲を信号発生回路にとって精度の高い電圧範囲とすることができ、利得変化特性の直線性をさらに精度良く実現することができる。
そして、これらの回路構成は、バイポーラトランジスタにより容易に構成できるものである。
【0020】
また、請求項5に係る利得可変増幅器は、請求項2又は請求項3に記載の利得可変増幅器において、利得制御回路は、差動対を構成する第1トランジスタ及び第2トランジスタと、第1トランジスタのソースにアノードを接続した第1ダイオードと、第2トランジスタのソースにアノードを接続した第2ダイオードと、第3トランジスタとを備え、第1ダイオードのカソードと第2ダイオードのカソードとを相互に接続すると共に、第1トランジスタのゲートに参照電圧を印加し、第2トランジスタのゲートに第1個別制御入力信号を入力して第1差動入力回路を構成し、また第3トランジスタのソースを相互に接続された第1及び第2ダイオードのカソードに接続すると共に、第3トランジスタのゲートに第2個別制御入力信号を入力して第1トランジスタとの間で第2差動入力回路を構成することにより、複合差動入力回路とし、第1差動入力回路の出力電流と、第2差動入力回路の出力電流との電流総和を利得制御信号に電圧変換して出力することを特徴とする。
【0021】
これにより、第2トランジスタのゲートに第1個別制御入力信号を入力することにより、第1差動入力回路の出力電流を線形座標系において下に凸の第1単調増加制御特性とし、第3トランジスタのゲートに第2個別制御入力信号を入力することにより、第2差動入力回路の出力電流を第1単調増加制御特性より急峻な第2単調増加制御特性とし、更に第1差動入力回路、あるいは第2差動入力回路の線形領域を線形制御特性として利用するように設定すれば、各個別制御入力信号の傾きとオフセット値との調整により各々の制御特性を有する出力電流の総和として、利得制御特性が、線形制御特性から第1単調増加制御特性を介して第2単調増加制御特性に至る特性とすることができ、差動増幅回路の入出力特性との組み合わせで全領域に渡り利得変化の直線性を保つことができ、広範囲な直線性を確保することができる。
また、第1差動入力回路は、差動対を構成する第1及び第2トランジスタの各ソースに各々第1及び第2ダイオードが順方向に接続されているため、ダイオードの順方向電圧分だけ差動対の動作点を高く設定することができ、第2トランジスタのゲートに入力する第1個別制御入力信号の電圧レベルを高く設定することができるので、第1個別制御入力信号の動作範囲を信号発生回路にとって精度の高い電圧範囲とすることができ、利得変化特性の直線性を精度良く実現することができる。
そして、これらの回路構成は、MOSトランジスタにより容易に構成できるものである。
【0022】
また、請求項6に係る利得可変増幅器は、請求項3乃至請求項5に記載の利得可変増幅器において、レベル変換回路を備え、個別制御入力信号は、制御入力信号をレベル変換することにより、所定の傾きと所定のオフセット値を有して生成されることを特徴とする。
【0023】
これにより、利得可変増幅器にレベル変換回路を備えているので、制御入力信号を所定の傾きと所定のオフセット値を持った個々の個別制御入力信号にレベル変換することができるので、1つの制御入力信号により広範囲な直線性を確保することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の利得可変増幅器について具体化した実施形態を図5乃至図8に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。図5は、本発明の動作原理図である。図6は、本発明に係る実施形態の利得可変増幅器を示す回路図である。図7は、実施形態における利得制御回路の各回路特性である。図8は、利得制御回路の利得制御方法を示す動作説明図である。
【0025】
図5に示す利得可変増幅器100は、電力を増幅する差動増幅回路10と、差動増幅回路10での利得係数の制御入力信号VCNTに対する特性を可変制御する利得制御回路20から構成されている。差動増幅回路10は、差動対に入力される差動入力電圧によりエミッタバイアス電流の電流パスを差動対間で切り替えて差動電流を変化させることにより電力利得を得るものである。また利得制御回路20は、制御入力信号VCNTに対して、差動増幅回路10の差動入力電圧として入力される利得制御信号VAGCを出力して利得を制御する回路であり、差動増幅回路10において利得係数を設定する差動対の入出力特性に応じて、利得制御特性が線形制御から下に凸な単調増加制御を介して急峻な下に凸な単調増加制御に順次切り替わる制御特性を有する回路である。差動増幅回路10における利得係数を設定する差動対の入出力特性に応じて利得制御特性を可変制御することにより差動対の広い動作範囲にわたり直線的な電力利得変化特性を得るものである。尚、下に凸な単調増加とは、線形スケールの座標系において1次導関数が正であり、且つ2次導関数が正となる応答特性を、上に凸な単調増加とは、線形スケールの座標系において1次導関数が正であり、且つ2次導関数が負となる応答特性を示す。
【0026】
具体的な回路例を図6に示す。差動増幅回路10は2段の差動対を有する構成である。1段目の差動対Tr15、Tr16は各エミッタにエミッタ電流源IE11、IE12が接続されており、差動増幅回路10におけるバイアス電流である。そして、両エミッタ間はエミッタ抵抗RE11でブリッジされ、差動対Tr15、Tr16のベース間には入力Pinが入力される。入力Pinの差電圧は抵抗RE11の両端に印加されるため、差電圧に比例する電流がエミッタ電流IE11、IE12からバイパスして抵抗RE11を流れ、差動対Tr15、Tr16のコレクタには抵抗RE11に流れる電流の2倍の電流が差動電流として出力される。即ち、1段目の差動対Tr15、Tr16により基準電力利得として抵抗RE11に比例する電力利得が設定される。
【0027】
次に、基準電力利得として出力された1段目の差動対Tr15、Tr16からの差動電流対は、2組の2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14のバイアス電流として入力される。2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14のベースには、利得制御回路20からの利得制御信号VAGCが入力されており、各差動対において1段目の差動対Tr15、Tr16からの差動電流対が、利得制御信号VAGCの差電圧に応じて更に分流されてトランジスタTr11、Tr14から出力される。各差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14は同一構成を有し、周辺回路との接続関係も同一であるので、Tr11、及びTr14から出力された電流は負荷抵抗R11、R12にて電圧変換されて、利得制御信号VAGCの差電圧と2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14の入出力特性に応じた利得として出力される。後述するように、2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14の入出力特性は、差動入力回路の特性を示すので、利得制御信号VAGCの差電圧がゼロを中心とした線形特性領域と、その外側である差電圧が正の領域にある上に凸な単調増加領域と、更に差電圧が負の領域にある下に凸な単調増加領域との3つの領域に対して、利得制御信号VAGCの応答特性を変化することにより電力利得変化の直線性を実現している。
【0028】
利得制御回路20は、差動入力回路の入出力特性に応じて利得制御信号VAGCの応答特性を変化させるための回路である。差動対を構成するトランジスタTr1、Tr3、エミッタ電流源IEE1、IEE2、エミッタ抵抗REE、電圧変換用負荷抵抗R1、R2により差動増幅回路を構成しており、加えて差動対Tr1、Tr3とエミッタ電流源IEE1、IEE2との間に、レベルシフト用としてダイオード接続したトランジスタTr2、Tr4が挿入されて第1差動入力回路を構成している。トランジスタTr3が差動対の基準側であり参照電圧Vrefが入力され、トランジスタTr1側には、レベル変換回路21により制御入力信号VCNTをレベル変換した第1個別制御入力信号VCLS1が入力されている。差動出力電流I1が負荷抵抗R1、R2にて電圧変換されて利得制御信号VAGC用として出力されるが、第1差動入力回路では第1個別制御入力信号VCLS1により下に凸な単調増加特性が出力されるように調整される。
【0029】
ここで、第1差動入力回路は、差動対Tr1、Tr3にダイオード接続トランジスタTr2、Tr4が順方向に接続されて、ダイオードの順電圧分だけ差動対Tr1、Tr3の動作点を高く設定することができ、第1個別制御入力信号VCLS1の電圧レベルを高く設定することができるので、第1個別制御入力信号VCLS1の動作範囲をレベル変換回路21にとって精度の高い電圧範囲に調整することができ、利得制御回路20における第1差動入力回路の動作精度の向上を図ることができる。
【0030】
またトランジスタTr5は、エミッタが直接エミッタ電流源IEE1に接続されており、トランジスタTr3との間で第2差動入力回路を構成している。第2差動入力回路は、トランジスタTr3側の参照電圧Vrefに対してダイオード接続されたトランジスタTr4の順方向電圧Vbe4分だけ降下した電圧をクロスポイントとした入出力特性を示すが、トランジスタTr5に入力する第2個別制御入力信号VCLS2は、レベル変換回路21により制御入力信号VCNTをクロスポイント電圧を含んで急峻に遷移させた信号であり、差動出力電流I2が差動出力電流I1が有する特性より更に急峻な下に凸の単調増加特性として出力されるように調整される。
【0031】
更にトランジスタTr6は、エミッタがエミッタ抵抗R3を介して接地されてベース電圧に比例する電流が出力される電流源回路として構成されている。この電流源回路では、トランジスタTr6のベースに入力される第3個別制御入力信号電圧VCLS3に対してトランジスタTr6のベース・エミッタ順方向電圧Vbe6分だけ降下した電圧が抵抗R3に印加されることにより出力電流I3が決定される。即ち、出力電流I3は、ベース・エミッタ順方向電圧Vbe6のオフセットを有して第3個別制御入力信号VCLS3に比例する。第3個別制御入力信号VCLS3は、制御入力信号VCNTをレベル変換回路21にてレベル変換したものであり、出力電流I3が、線形特性を有して出力される。
【0032】
第1乃至第3個別制御入力信号VCLS1乃至3は、外部から入力された制御入力信号VCNTに対して、レベル変換回路21にて、所定の傾きと所定のオフセット値を持たせて生成される信号である。制御入力信号VCNTに対して線形にレベル変換すればよく、レベル変換回路21の回路構成としては、抵抗分圧回路を基本とする単純な構成で実現することができる。また、このレベル変換回路21は、可変利得増幅器100に内蔵する必要はなく、外部にて生成した上で可変利得増幅器100の利得制御回路20に直接入力する構成とすることもできる。
【0033】
以下、具体的な動作の説明を図7、図8に基づいて説明する。図7において、(1)乃至(3)は、図6における第1差動入力回路、第2差動入力回路、電流源回路の入出力特性を示す特性図である。各図(1)乃至(3)において、上段の図はは、第1乃至第3個別制御入力信号VCLS1乃至3に対する出力電流を表す入出力特性を示し、下段の図は、制御入力信号VCNTに対する第1乃至第3個別制御入力信号VCLS1乃至3の応答を表すレベル変換回路21の入出力特性を示している。尚、図7においては、便宜上下段のレベル変換回路21の入出力特性図を90度回転させて、上段の第1乃至第3個別制御入力信号VCLS1乃至3の軸と一致させている。
【0034】
第1差動入力回路は通常の差動入力回路であり、その入出力特性は図7の(1)上段に示すように、差電圧VCLS1が第1差動入力回路の参照電圧Vrefと等しくなるポイントで差動電流がバランスし(図中、ポイントX1)、その前後で5つの領域に分割される。即ち、ポイントX1を中心として第1差動入力回路が線形動作をする線形領域1Cでは入出力特性は線形特性を示す。差電圧VCLS1が線形領域1Cを越えて大きくなると差動対Tr1、Tr3のうち差電圧VCLS1が入力されているトランジスタTr1の駆動能力が相対的に大きくなるので、入出力特性は上に凸の単調増加特性を示す領域1Dに移る。逆に、差電圧VCLS1が線形領域1Cを下回り逆方向に大きくなると差動対Tr1、Tr3のうち差電圧VCLS1が入力されているトランジスタTr1の駆動能力が相対的に小さくなるので、入出力特性は下に凸の単調増加特性を示す領域1Bに移る。更に差電圧VCLS1が正あるいは逆の方向に大きくなると差動対Tr1、Tr3のうちの何れか一方は完全にオフ状態となる(正方向に大きくなればトランジスタTr3がオフ状態となり領域1E、逆方向に大きくなればトランジスタTr1がオフ状態となり領域1A)。
【0035】
この特性を有する第1差動入力回路に対しては、レベル変換回路21でレベル変換することにより、制御入力信号VCNTの0VからVCCレベルに対して第1個別制御入力信号VCLS1をV1からV2レベルに変換する。この電圧領域では、第1差動入力回路の入出力特性は差動出力電流I1が下に凸の単調増加領域1Bに該当するので、制御入力信号VCNTを0VからVCCレベルまでスイープする間に差動出力電流I1は下に凸の単調増加特性を有することとなる。
【0036】
また、第2差動入力回路においても同様な動作を示し、その入出力特性は図7の(2)上段に示すように、差電圧VCLS2が第2差動入力回路の参照電圧Vrefからダイオード接続トランジスタTr4の順方向電圧Vbe4分だけ降下したポイントで差動電流がバランスし(図中、ポイントX2)、その前後で5つの領域に分割される。即ち、ポイントX2を中心として第2差動入力回路が線形動作をする線形領域2Cでは入出力特性は線形特性を示す。差電圧VCLS2が線形領域2Cを越えて大きくなると差動対Tr5、Tr3のうち差電圧VCLS2が入力されているトランジスタTr5の駆動能力が相対的に大きくなるので、入出力特性は上に凸の単調増加特性を示す領域2Dに移る。逆に、差電圧VCLS2が線形領域2Cを下回り逆方向に大きくなると差動対Tr5、Tr3のうち差電圧VCLS2が入力されているトランジスタTr5の駆動能力が相対的に小さくなるので、入出力特性は下に凸の単調増加特性を示す領域2Bに移る。更に差電圧VCLS2が正あるいは逆の方向に大きくなると差動対Tr5、Tr3のうちの何れか一方は完全にオフ状態となる(正方向に大きくなればトランジスタTr3がオフ状態となり領域2E、逆方向に大きくなればトランジスタTr5がオフ状態となり領域2A)。
【0037】
この特性を有する第2差動入力回路に対しては、レベル変換回路21でレベル変換することにより、制御入力信号VCNTの0VからVCCレベルに対してオフセット電圧VOSを持たせて、第2個別制御入力信号VCLS2を0VからV4レベルに急峻に立ち上げるように変換する。この電圧領域では、第2差動入力回路の入出力特性は差動出力電流I2がオフ状態2Aから下に凸の単調増加領域2Bを経て線形領域2Cに推移していくが、制御入力信号VCNTがオフセット電圧VOSからVCCレベルまで急峻に推移する間に差動出力電流I2が立ち上がるので、その特性は差動出力電流I1の特性に比して急峻な下に凸の単調増加特性を有することとなる。
【0038】
更に、電流源回路においては、その入出力特性は図7の(3)上段に示すようにエミッタ抵抗R3により規定される傾きを有する線形な特性を有しており、差電圧VCLS3が電流源回路におけるトランジスタTr6のベース・エミッタ間順方向電圧Vbe6を越えたポイントから流れ始める。
【0039】
この特性を有する電流源回路に対しては、レベル変換回路21でレベル変換することにより、制御入力信号VCNTの0VからVCCレベルに対して第3個別制御入力信号VCLS3をVbe6からV5レベルに変換する。電流源回路の入出力特性は線形な特性を示し印加電圧(VCLS3−Vbe6)に対してエミッタ抵抗R3で決まる線形な出力電流I3特性を有することとなる。
【0040】
図8の(4)に、以上3つの出力電流I1、I2、I3の制御入力信号VCNT特性を重ねて表示する。これらの電流I1、I2、I3の総和が利得制御回路20の出力電流となり、負荷抵抗R1、R2にて電圧変換されて利得制御信号VAGCとして差動増幅回路10に入力される。利得制御回路20を構成する各回路の出力電流I1、I2、I3は、制御入力信号VCNTから所定の傾きと所定のオフセット値を有する信号としてレベル変換回路21にて変換された第1乃至第3個別制御入力信号VCLS1乃至3の応答として適宜調整して得られたものであり、各出力電流I1、I2、I3の総和として、制御入力信号VCNTの低い電圧レベル領域1(図8において丸囲み数字の1)では線形特性を、中間電圧レベル領域2(図8において丸囲み数字の2)では下に凸の単調増加特性を、高い電圧レベル領域3(図8において丸囲み数字の3)では領域2(図8において丸囲み数字の2)より急峻な下に凸の単調増加特性となるように調整され、負荷抵抗R1、R2で電圧変換されて利得制御信号VAGCとして差動増幅回路10に入力される。
【0041】
これらの3つの領域1〜3(図8において丸囲み数字の1〜3)における利得制御信号VAGCは、図8の(5)に示すように、差動増幅回路10の2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14の入出力特性における、下に凸な単調増加領域1(図8において丸囲み数字の1)、線形領域2(図8において丸囲み数字の2)、及び上に凸な単調増加領域3(図8において丸囲み数字の3)にそれぞれ一致する。
【0042】
即ち、図8の(4)、(5)より、制御入力信号VCNTに対する利得制御信号VAGCが線形特性を示す領域1(図8において丸囲み数字の1)は、差動増幅回路10の入出力特性では下に凸な単調増加領域1(図8において丸囲み数字の1)に一致するので、制御入力信号VCNTに対する電力利得応答は両者の組み合わせにより下に凸な単調増加特性を示し、デシベル表示に換算した場合に線形特性として表されるので利得変化の直線性を確保することができる。また、制御入力信号VCNTに対する利得制御信号VAGCが下に凸な単調増加特性を示す領域2(図8において丸囲み数字の2)は、差動増幅回路10の入出力特性では線形領域2(図8において丸囲み数字の2)に一致するので、制御入力信号VCNTに対する電力利得応答は両者の組み合わせにより下に凸な単調増加特性を示し、デシベル表示に換算した場合に線形特性として表されるので利得変化の直線性を確保することができる。更に、制御入力信号VCNTに対する利得制御信号VAGCが領域2(図8において丸囲み数字の2)より急峻な下に凸な単調増加特性を示す領域2(図8において丸囲み数字の2)は、差動増幅回路10の入出力特性では上に凸な単調増加領域3(図8において丸囲み数字の3)に一致するので、制御入力信号VCNTに対する電力利得応答は両者の組み合わせにより下に凸な単調増加特性を示し、デシベル表示に換算した場合に線形特性として表されるので利得変化の直線性を確保することができる。
【0043】
従って、差動増幅回路10の入出力特性における各入出力特性領域1〜3(図8において丸囲み数字の1〜3)に合わせて制御入力信号VCNTを線形にレベル変換するだけで、制御入力信号VCNTに対する電力利得変化特性を直線的に変化することができ、しかも、制御入力信号VCNTの全入力領域に対して、差動増幅回路10の全入出力特性領域を使用することができ、差動増幅回路10の入出力特性の広範囲にわたり、電力利得変化の直線性を確保することができる。
【0044】
以上詳細に説明したとおり、本実施形態に係る利得可変増幅器100では、差動増幅回路10の2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14に利得を制御する利得制御信号VAGCを入力するために、利得制御回路20は、レベルシフト用ダイオード接続トランジスタTr2、Tr4を挿入した差動対Tr1、Tr3から構成される第1差動入力回路と、トランジスタTr4でレベルシフトしたトランジスタTr3とレベルシフト用ダイオード接続トランジスタを挿入しないトランジスタTr5とを対とした第2差動入力回路と、トランジスタTr6とエミッタ抵抗R3とで構成された電流源回路とで構成される。そして、それぞれの入力には、制御入力信号VCNTからレベル変換回路21にて所定の傾きとオフセット値を有して変換された第1個別制御入力信号VCLS1、第2個別制御入力信号VCLS2、及び第3個別制御入力信号VCLS3を入力し、差動増幅回路10の2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14の入出力特性における、下に凸な単調増加領域1(図8において丸囲み数字の1)、線形領域2(図8において丸囲み数字の2)、及び上に凸な単調増加領域3(図8において丸囲み数字の3)に対して、利得制御回路20における利得制御信号VAGCの入出力特性として、制御入力信号VCNTの低いレベル領域1(図8において丸囲み数字の1)では線形特性、中間レベル領域2(図8において丸囲み数字の2)では下に凸の単調増加特性、及び高いレベル領域3(図8において丸囲み数字の3)では領域2(図8において丸囲み数字の2)より急峻な下に凸の単調増加特性となるように調整することができるので、差動増幅回路10の2段目の差動対Tr11、Tr12、及びTr13、Tr14の全入出力領域を使用して広範囲に渡り電力利得変化の直線性を確保することができる。
【0045】
また、利得制御回路20における第1差動入力回路は、差動対Tr1、Tr3にダイオード接続されたトランジスタTr2、Tr4が順方向に接続されているため、ダイオードの順方向電圧分のレベルシフトにより動作点を高く設定することができ、第1個別制御入力信号VCLS1の電圧レベルを高く設定することができる。従って、第1個別制御入力信号VCLS1の動作範囲をレベル変換回路21にとって精度の高い電圧範囲に調整することができ、利得制御回路20における第1差動入力回路の動作精度の向上を図ることができる。
【0046】
更に、第1乃至第3個別制御入力信号VCLS1乃至3は、制御入力信号VCNTを所定の傾きと所定のオフセット値を持たせた信号であり、制御入力信号VCNTに対して線形にレベル変換すればよく、レベル変換回路21は、抵抗分圧回路を基本とする単純な回路構成で実現することができる。また、このレベル変換回路21は、可変利得増幅器100に内蔵する必要はなく、外部にて生成した上で可変利得増幅器100の利得制御回路20に直接入力する構成とすることもできる。
【0047】
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、本実施形態においては、利得制御回路20の構成として第1差動入力回路、第2差動入力回路、電流源回路の3つの回路ブロックにより構成したが、これに限定されるものではなく、電流源回路を省いた構成とすることもでき、また差動入力回路も3組以上の構成としてもよく、更にダイオードによる動作点のレベルシフト回路をダイオードの多段接続により更に大きく設定することも可能であり、逆に、レベルシフトをしない構成とすることもできる。そして、これらの回路の適宜な組み合わせと、個別制御入力信号毎の傾きやオフセット値の調整により、差動増幅回路10における利得係数を設定する差動対の入出力特性に応じて、広い入出力範囲に渡る利得変化特性の直線性を得るために最適な利得制御信号を簡易かつ確実に生成することができる。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、差動増幅回路における利得係数を設定する差動対回路の入出力特性に合わせて、利得制御回路の入出力特性を適宜切り替えることにより、差動増幅回路における差動対回路の入出力特性の広い範囲に渡り、電力利得変化特性の直線性を確保することができる。下に凸な単調増加特性には線形特性の利得制御信号を、線形特性には下に凸な利得制御信号を、上に凸な単調増加特性には急峻な下に凸な利得制御信号を組み合わせることにより、広範囲で直線な電力利得変化特性を有する利得可変増幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術における利得変化の直線性確保の方法を示す概念図である。
【図2】 他の従来技術における利得変化の直線性確保の原理図である。
【図3】 他の従来技術の回路例である。
【図4】 他の従来技術の回路例についての動作説明図である。
【図5】 本発明の動作原理図である。
【図6】 本発明に係る実施形態の利得可変増幅器を示す回路図である。
【図7】 実施形態における利得制御回路の各回路特性である。
【図8】 利得制御回路の利得制御方法を示す動作説明図である。
【符号の説明】
10 差動増幅回路
20 利得制御回路
21 レベル変換回路
100 利得可変増幅器
VCNT 制御入力信号
VCLS1、VCLS2、VCLS3 個別制御入力信号
VAGC 利得制御信号
Claims (6)
- 制御入力信号に応じて所定の利得制御信号を出力する利得制御特性を有する利得制御回路と、前記利得制御信号により差動対に流れる差動出力電流を切り換えて利得を可変する入出力特性を有する差動増幅回路とを備える利得可変増幅器において、
前記入出力特性に応じて、前記利得制御回路は、
前記利得制御信号が前記差動増幅回路に入力された際、前記入出力特性が線形特性を示す領域(第1領域)にある場合に、前記利得制御特性を線形座標系において下に凸の第1単調増加制御特性に可変制御し、
前記利得制御信号が前記差動増幅回路に入力された際、前記入出力特性が線形座標系において上に凸の単調増加特性を示す領域(第2領域)にある場合に、前記利得制御特性を前記第1単調増加制御特性より急峻な第2単調増加制御特性に可変制御し、
前記利得制御信号が前記差動増幅回路に入力された際、前記入出力特性が線形座標系において下に凸の単調増加特性を示す領域(第3領域)にある場合に、前記利得制御特性を線形制御特性に可変制御することを特徴とする利得可変増幅器。 - 前記利得制御回路は、
トランスコンダクタンスアンプ構成を有し、
前記トランスコンダクタンスアンプ構成のコンダクタンス特性を可変することにより、前記利得制御特性を可変制御することを特徴とする請求項1に記載の利得可変増幅器。 - 前記トランスコンダクタンスアンプ構成は、
多入力の複合差動入力回路を備え、
前記複合差動入力回路の各入力信号毎に所定の傾きと所定のオフセット値を有する個別制御入力信号を入力することを特徴とする請求項2に記載の利得可変増幅器。 - 前記利得制御回路は、
差動対を構成する第1トランジスタ及び第2トランジスタと、
前記第1トランジスタのエミッタにアノードを接続した第1ダイオードと、
前記第2トランジスタのエミッタにアノードを接続した第2ダイオードと、
第3トランジスタとを備え、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードとを相互に接続すると共に、前記第1トランジスタのベースに参照電圧を印加し、前記第2トランジスタのベースに第1個別制御入力信号を入力して第1差動入力回路を構成し、
また前記第3トランジスタのエミッタを前記相互に接続された前記第1及び前記第2ダイオードのカソードに接続すると共に、前記第3トランジスタのベースに第2個別制御入力信号を入力して第1トランジスタとの間で第2差動入力回路を構成することにより、前記複合差動入力回路とし、
更に、第4トランジスタと、
前記第4トランジスタのエミッタに接続する抵抗とを備え、
前記抵抗の他端を基準電位に接続すると共に、前記第4トランジスタのベースに第3個別制御入力信号を入力して所定コンダクタンスの電流源回路を構成し、
前記第1差動入力回路の出力電流と、前記第2差動入力回路の出力電流と、前記電流源回路の出力電流との電流総和を前記利得制御信号に電圧変換して出力することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の利得可変増幅器。 - 前記利得制御回路は、
差動対を構成する第1トランジスタ及び第2トランジスタと、
前記第1トランジスタのソースにアノードを接続した第1ダイオードと、
前記第2トランジスタのソースにアノードを接続した第2ダイオードと、
第3トランジスタとを備え、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードとを相互に接続すると共に、前記第1トランジスタのゲートに参照電圧を印加し、前記第2トランジスタのゲートに第1個別制御入力信号を入力して第1差動入力回路を構成し、
また前記第3トランジスタのソースを前記相互に接続された前記第1及び前記第2ダイオードのカソードに接続すると共に、前記第3トランジスタのゲートに第2個別制御入力信号を入力して第1トランジスタとの間で第2差動入力回路を構成することにより、前記複合差動入力回路とし、
前記第1差動入力回路の出力電流と、前記第2差動入力回路の出力電流との電流総和を前記利得制御信号に電圧変換して出力することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の利得可変増幅器。 - レベル変換回路を備え、
前記個別制御入力信号は、前記制御入力信号をレベル変換することにより、所定の傾きと所定のオフセット値を有して生成されることを特徴とする請求項3乃至請求項5に記載の利得可変増幅器。
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