JP4095398B2 - Amplifier and radio communication apparatus using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得切り替え機能を有する増幅器及びこれを用いた無線通信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話機は高機能化が著しく、音声通話信号の送受信だけでなく、画像情報を含めた各種デジタルデータを送受信する携帯情報端末としての役割を果たすようになってきている。一般にシステムの高機能化は、それを構成する電子回路に対する要求を高める。
【0003】
例えば、携帯電話機のような無線通信装置において、受信側に通常備えられる低雑音増幅器(Low Noise Amplifier:LNA)を例にとると、周囲環境の変化に伴う受信信号強度の変化によらず、一定水準の信号品質を維持した上で、受信信号を増幅できることが要求される。この要求に応えるため、LNAに利得切替機能を持たせることが行われている。現在の無線通信装置のシステム環境では、受信信号強度の変動は大きく、利得切替機能を有するLNAに求められる利得の制御幅は約30dBもの大きさとなる。
【0004】
従来の利得切替機能を持つLNAでは、入力段トランジスタに対してカスコード接続した複数のトランジスタ(カスコードトランジスタ)を用いて入力段トランジスタに流れる電流の値を切り替えることで、利得を切り替える方式が用いられている(例えば、非特許文献1参照)。
【0005】
より詳細には、入力段トランジスタのコレクタに接続された複数のカスコードトランジスタのオン/オフを制御し、入力段トランジスタのコレクタ電流を分配するカスコードトランジスタの数を変えることによって利得切り替えを行う。その際、入力段トランジスタのコレクタ電流は、バイアス回路から与えられるベース電圧によって一定値に保持される。このように入力段トランジスタのバイアス条件を一定に保つことによって、LNAの利得切り替えに伴う入力インピーダンスの変動が抑えられる。
【0006】
【非特許文献1】
Danilo Manstretta, Rinaldo Castello, Francesco Gatta, Paolo Rossi and Francesco Svelto,“A 0.18μm CMOS Direct-Conversion Receiver Front-End for UMTS,” 2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp.240-241, 2002
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献1に記載された方法では、利得変化に対する入力インピーダンスの変動を避けるために、低利得時においても入力段トランジスタに一定のコレクタ電流を流して入力段トランジスタのバイアス条件を一定に保つ必要がある。従って、平均的な消費電流が大きくなってしまう。
【0008】
携帯電話機を始めとする携帯端末機器のような無線通信装置には、連続使用時間を確保するために、低消費電力化が強く要請される。従って、このような無線通信装置内の電子回路には、良好な回路特性を維持しつつ消費電流を低減する技術が要求されている。従来の技術では、特にLNAに関しては上述のように当該要求に十分応えられていない。
【0009】
本発明の目的は、利得変化に伴う入力インピーダンスの変動を回避しつつ、消費電流を効果的に低減できる、特に低雑音増幅器として好適な増幅器を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る増幅器は信号入力端子からの入力信号を受ける入力段トランジスタと、該入力段トランジスタに対してカスコード接続された複数のカスコードトランジスタと、第1の制御信号に従って入力段トランジスタを流れる電流の信号出力端子側への分配比を少なくとも二段階に切り替えるように複数のカスコードトランジスタの少なくとも一つをオン/オフ制御する第1の制御回路と、入力段トランジスタの動作点を決定すると共に、第2の制御信号に従って該入力段トランジスタのバイアス電流を制御する第2の制御回路とを具備する。
【0011】
本発明によると、第1の制御回路による入力段トランジスタのコレクタ電流の振り分けによる利得の切り替えと、入力段トランジスタのバイアス電流制御の組み合わせにより、十分な利得制御幅を確保しつつ、利得変化に伴う入力インピーダンスの変動を回避し、かつ消費電流を効果的に低減することが可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
(第1の実施形態)
図1に、本発明の第1の実施形態に係る低雑音増幅器(LNA)として好適な増幅器の構成を示す。
信号入力端子11からの入力信号は、インダクタL11とキャパシタC11の直列回路からなる入力整合回路を介して入力段トランジスタQ11のベースに入力される。入力整合回路は、増幅器の入力インピーダンスを増幅器の前段のインピーダンスに整合させるための回路である。入力段トランジスタQ11のエミッタは、歪特性改善のためのディジェネレーションインダクタL13の一端に接続され、インダクタL13の他端はグラウンドGNDに接続される。
【0013】
入力段トランジスタQ11のベースには、バイアス制御回路12(第2の制御回路)が接続される。バイアス制御回路12は、入力段トランジスタQ11の動作点を適切な値に決定すると共に、バイアス電流を制御する。
【0014】
入力段トランジスタQ11のコレクタは、複数(この例では3個)のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のエミッタに共通に接続される。カスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうちQ12,Q13のコレクタは、出力整合回路を構成するキャパシタC12とインダクタL12の各々の一端に接続される。出力整合回路は、増幅器の出力インピーダンスを後段の入力インピーダンスと整合させるための回路である。キャパシタC12の他端は、信号出力端子15に接続される。インダクタL12の他端は、電源Vccに接続される。もう一つのカスコードトランジスタQ14のコレクタは、電源Vccに直接接続される。
【0015】
カスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のベースには、利得切替回路14(第1の制御回路)が接続される。利得切替回路14は、外部から制御入力端子13に入力される利得制御信号(第1の制御信号)に従って、カスコードトランジスタQ13,14のオン/オフを制御する。これにより入力段トランジスタQ11のコレクタ電流の信号出力端子15側への分配比が切り替えられ、結果として増幅器の利得が2段階に切り替えられる。
【0016】
利得切替回路14からは、バイアス制御回路12にバイアス制御信号(第2の制御信号)が送られる。このバイアス制御信号に従い、バイアス制御回路12は本実施形態では利得切替回路14によるカスコードトランジスタQ13,Q14のオン/オフ制御に関連して、入力段トランジスタQ11のベース電圧を制御することで、トランジスタQ11のバイアス電流の制御を行う。
【0017】
このように本実施形態では、利得切替回路14によるカスコードトランジスタQ13,Q14のオン/オフ制御と、これに伴うバイアス制御回路12による入力段トランジスタQ11のバイアス電流の制御との組み合わせによって増幅器の利得切り替えが行われる。
【0018】
次に、本実施形態による増幅器の動作について説明する。
本実施形態における利得切り替えは、上述したように(a)入力段トランジスタQ11のコレクタ電流をカスコードトランジスタQ13,Q14のオン/オフ制御により振り分けることと、(b)バイアス制御回路12による入力段トランジスタQ11のバイアス電流を制御することの組み合わせからなる。
【0019】
まず、(a)入力段トランジスタQ11のコレクタ電流の振り分けによる利得の切り替え動作について説明する。
本実施形態では、3個のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14によるコレクタ電流の振り分けによって、基本的に増幅器の利得を2段階に切り替える。このために3個のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうち、Q13とQ14は利得制御回路14からの制御信号により一方がオン状態、他方がオフ状態となるように利得切替回路14によって制御される。トランジスタQ12は、オン状態に維持される。トランジスタQ13,Q14のエミッタ面積は好ましくは等しく設定され、かつトランジスタQ12のエミッタ面積に対して、所望の利得制御幅に応じて例えば30倍のように十分に大きく選ばれる。
【0020】
信号入力端子11からの入力信号は、入力段トランジスタQ11により増幅され、トランジスタQ11のコレクタ電流として現れる。トランジスタQ11のコレクタ電流は、カスコードトランジスタQ12,Q13,Q14を経てQ11のコレクタに流れ込む。このときカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうち、Q12とQ13がオン状態で、Q14がオフ状態であれば、入力段トランジスタQ11のコレクタ電流は全て増幅器の信号出力端子15側を通るために、高い利得が得られる。
【0021】
一方、逆にカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうち、Q12とQ14がオン状態で、Q13がオフ状態であるとすると、入力段トランジスタQ11のコレクタ電流は、信号出力端子15側を流れる成分とトランジスタQ14側を流れる成分とに分かれ、後者は電源Vccから直接流れ込む成分であり、出力信号に寄与しないために利得は低くなる。
【0022】
このとき前述のようにトランジスタQ13,Q14のエミッタ面積をトランジスタQ12のエミッタ面積に対して十分に大きく選ぶことにより、高利得時と低利得時の利得差、すなわち利得制御幅を大きくとることができる。また、トランジスタQ13,Q14のエミッタ面積を等しくすることにより、製造ばらつきによる回路特性の変動を抑えることができる。
【0023】
次に、(b)入力段トランジスタQ11のバイアス電流の制御による利得制御について説明する。
一般に、LNAにおいて入力段トランジスタのバイアス電流(コレクタ電流)を変えるのみで利得を切り替えることも、原理的には可能である。ただし、バイアス電流の制御のみで例えば30dBというような所望の大きな利得制御幅を作り出すためには、広い範囲にわたって入力段トランジスタのベース電圧を変えなければならない。入力段トランジスタのベース電圧が大きく変わると、増幅器の入力インピーダンスが大幅に変動してしまうために入力の反射特性が劣化し、最悪の場合は回路が発振してしまう。従って、携帯電話機におけるLNAのようなGHz帯の高周波信号を扱う回路では、入力段トランジスタのバイアス電流を制御する方法のみで利得を広範囲に切り替えることは困難である。
【0024】
本実施形態では、(a)の入力段トランジスタQ11のコレクタ電流の振り分けによる利得の切り替えと、(b)入力段トランジスタQ11のバイアス電流の制御を組み合わせることによって、このような課題を解決する。具体的には、例えばカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうち、Q12とQ13をオン状態、Q14をオフ状態とする高利得時にはバイアス電流を大きくし、またQ12とQ14をオン状態、Q13がオフ状態とする低利得時にはバイアス電流を小さくすることによって、広い利得制御幅を確保する。その際、バイアス電流の制御幅は後述するように50%以内であることが望ましい。例えば、低利得時のバイアス電流を「1」とすれば、高利得時のバイアス電流を「1.5」以下とする。
【0025】
次に、図1中の各部の構成について詳細に説明する。
図2に、利得切替回路14の具体的な構成例を示す。この回路は、電源VssとグラウンドGND間に接続されたトランジスタM21,M22及びトランジスタM23,M24による2段のCMOSインバータ20,21によって構成される。制御入力端子13からの利得制御信号は、1段目のCMOSインバータ20に入力される。1段目のCMOSインバータ20の出力は、端子24を介して図1中のカスコードトランジスタQ14のベースに供給される。2段目のCMOSインバータ21の出力は、端子23を介して図1中のカスコードトランジスタQ13のベースに供給される。
【0026】
カスコードトランジスタQ13,Q14は、ベース電位が高レベルのときオン状態となる。図2の構成によると、CMOSインバータ20,21の出力は一方が高レベルのとき他方が低レベルとなり、常に互いに反転した関係となる。このため、カスコードトランジスタQ13,Q14は一方がオン状態になるとき、他方がオフ状態となる。一方、カスコードトランジスタQ12のベースには、端子22を介して電源Vssの電位が与えられるので、トランジスタQ12は常時オン状態を維持する。
【0027】
図3に、利得切替回路14の別の具体的な構成例を示す。CMOSインバータを使って反転信号を生成していることは図2の回路と同様であるが、出力する電圧の振幅を制限している点が図2の回路と異なる。図3においては、トランジスタM31,M32とトランジスタM35,M36がそれぞれ1段目及び2段目のCMOSインバータを構成している。
【0028】
1段目のCMOSインバータの出力側には、トランジスタM33,M34と抵抗R31からなる振幅制限回路が配置され、2段目のCMOSインバータの出力側にも、同様にトランジスタM37,M38と抵抗R32からなる振幅制限回路が配置されている。トランジスタM34,M38は電流源として機能し、ダイオード接続されたトランジスタM39と共にカレントミラーを形成している。端子22,23,24は、図1中のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のベースに接続される。
【0029】
この図3の回路では、トランジスタM39と直列に接続された抵抗R33の値により電流源トランジスタM34,M38,M39を流れる電流値を調整することができる。この電流値と抵抗R31,R32の値を適切に選ぶことにより、端子23,24から出力される電圧、すなわち図1中のカスコードトランジスタQ13,Q14のベースに与えられる電位を必要以上に下がらないようにする。これにより、ベース電位がエミッタ電位に比べて下がりすぎるとバイポーラトランジスタの安定動作を劣化させてしまうという問題を避けることができ、カスコードトランジスタQ13,Q14の動作安定化を図ることが可能となる。
【0030】
図2及び図3においては、利得切替回路14からバイアス制御回路12に供給するバイアス制御信号を発生する部分は省略しているが、利得切替回路14は本実施形態では制御入力端子13からの利得制御信号に従って、例えば高利得時には入力段トランジスタQ11のバイアス電流を大きくし、低利得時にはバイアス電流を小さくするようなバイアス制御信号をバイアス制御回路12に供給するように構成される。
【0031】
図4に、バイアス制御回路12の具体的な構成例を示す。本実施形態では、バイアス制御回路12が利得制御回路14からのバイアス制御信号を受けて複数のバイアス条件を作り出す機能を有する。図1の増幅器では、ここでいうバイアス条件とは入力段トランジスタQ11のベース電圧の設定である。図4のバイアス制御回路12は、例えば Paul R. Gray and Robert G. Meyer, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Third Edition”, John Wiley & Sons, P.329, 1993に記載されているようなVT レファレンス回路として一般的に知られている回路を基本としている。
【0032】
図4において、バイポーラトランジスタQ41〜Q47と抵抗R41〜R47及びMOSトランジスタM40で構成される回路によって熱電圧(サーマルボルテージ)VTを基準とした電圧を発生する。この基準電圧は、トランジスタQ51,Q52のベースに与えられる。トランジスタQ51,Q52のエミッタと電源Vssとの間にスイッチとして機能するMOSトランジスタM51,52が接続されており、M51,M52のゲートに利得切替回路14からのバイアス制御信号が入力される。
【0033】
次に、バイアス制御回路12によるバイアス電流の制御方法について詳しく説明する。一般に、バイポーラトランジスタのベース−エミッタ電圧VBEとコレクタ電流ICとの関係は、次の式で示される。
【0034】
【数1】

Figure 0004095398
【0035】
ここで、IS はプロセス条件によって決まる定数である。熱電圧VT は素電荷q、ボルツマン定数k及び絶対温度Tから、kT/qで決まる値であり、半導体デバイスの特性を決める重要な変数の一つである。常温(摂氏27℃)の場合、熱電圧VT の値は約26mVである。
【0036】
ここで、図4に示した構成のバイアス制御回路12では、利得切替回路14から端子41,42にそれぞれ与えられるバイアス制御信号により、MOSトランジスタM51,M52がオン/オフを行い、これによってトランジスタQ51とQ52の動作が決まる。この結果、図1においてバイアス制御回路12から入力段トランジスタQ11にベース電圧として与えられるバイアス制御信号の電圧が決定される。
【0037】
本実施形態では、このバイアス制御回路14による入力段トランジスタQ11のバイアス電流の制御範囲を以下のように設定する。例えば、LNAにおいて一般的に要求されている30dB以上という利得制御幅を実現する場合について考える。この場合、出力信号電流には約32倍の電流変化幅が必要となる。この電流変化幅を(a)の電流振り分けのみで実現する場合、カスコードトランジスタQ12とQ13,Q14に、この電流変化幅に見合ったエミッタ面積比のトランジスタを用いることになる。(a)の方法のみで利得切り替えを行う従来の技術では、入力インピーダンスの変動を抑制するために入力段トランジスタQ11のバイアス電流を一定にする必要から消費電流は一定であり、これによって消費電力が大きくなるという問題点があることは前述の通りである。
【0038】
一方、低消費電力化のために上記の出力信号電流の電流変化幅をバイアス電流の制御で実現しようとした場合、次のような問題がある。前述の式()から、30dB以上という利得制御幅を実現するために、入力段トランジスタQ11のベース電圧の変化でコレクタ電流に30倍以上の変化を与えるためには、常温で約90mVの電圧変動幅が必要となる。ここで簡単のためにエミッタ端の電位は一定と仮定している。
【0039】
携帯電話機のような民生機器は、ほぼ−40℃〜85℃の温度範囲での動作を保証している。この動作保証温度範囲は、常温に対して絶対温度で約30%の変動幅ということになり、熱電圧VT の変動としてみると、約11mVである。これに比べてベース電圧の変動が約90mVというのは、非常に大きな値であることが分かる。これだけの電圧変動があると、入力段トランジスタQ11が同じ条件で動作しているとみなせなくなり、入力インピーダンスの変動が無視できなくなる。
【0040】
携帯通信端末のような2GHz帯以上の信号を扱う高周波回路では、入力インピーダンスの整合条件が利得などの回路特性に大いに影響する。入力インピーダンスが変化して整合条件が悪化すると、反射により定在波が立つおそれがあり、回路の発振を引き起こすこともある。従って、バイアス制御回路12によるバイアス電流の制御幅は、入力インピーダンスの変動が許容範囲に収まるように厳しく制限される必要がある。入力段トランジスタQ11のベース電圧の変動幅を前述の動作保証温度範囲(絶対温度で約30%)相当の10mVと制限すると、コレクタ電流の変動幅は最大で50%になる。これは入力段トランジスタQ11のバイアス電流の変動幅が50%以内であれば、入力インピーダンスの変動が許容範囲に収まることを意味する。
【0041】
そこで、本実施形態では図4に示したバイアス制御回路12の抵抗R51,R52の抵抗値及びトランジスタQ51,Q52のエミッタ面積を入力段トランジスタQ11のコレクタ電流の変動幅が50%以内に収まるように制限する。すなわち、バイアス制御回路12による入力段トランジスタQ11のバイアス電流の制御範囲を50%以内に抑える。
【0042】
このように本実施形態では、入力段トランジスタQ11のバイアス電流の制御による利得制御を行い、カスコードトランジスタによる電流の振り分けによる利得切り替えと合わせて、例えば30dBというような所望の利得制御幅を実現する。従って、バイアス電流の制御幅に対して例えば50%以内という制限を与えることにより、入力インピーダンスの変動を許容できる範囲に収めつつ、消費電流の低減を可能とした利得切り替えを実現できる。
【0043】
このとき電流振り分けとバイアス電流の制御を必ずしも同時に、つまり両者を関連付けて行う必要はなく、必要に応じて互いに独立に行うことも有効である。すなわち、前記の説明では利得切替回路14が利得制御信号に従ってカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14に対して電流振り分けの制御を行って利得切り替えを行う際、高利得時には入力段トランジスタQ11のバイアス電流を大きくし、低利得時にはバイアス電流を小さくするようなバイアス制御信号をバイアス制御回路12に供給している。
【0044】
これに対して、バイアス制御回路12へのバイアス制御信号の供給を利得切替回路14への利得制御信号とは関係なく行ってもよい。その場合、低利得時及び高利得時の各々の場合に入力段トランジスタQ11のバイアス電流を個別に制御することにより、利得をさらに細かく制御することもできる。
【0045】
(第2の実施形態)
図5に、本発明の第2の実施形態に係る増幅器を示す。第1の実施形態では、利得を高利得と低利得の2段階に切り替え可能な増幅器について説明したが、本実施形態では5個のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14,Q15,Q16を用いることにより、利得を3段階に切り替え可能としている。同様に、本発明はカスコードトランジスタの数をさらに増やして、さらに多段階の利得切り替えを可能としてもよい。
【0046】
このように多段階にわたる利得切り替えを行う構成においても、入力段トランジスタQ11のバイアス電流を第1の実施形態と同様に制御することができる。例えば、最高利得時にバイアス電流を最も大きくし、最低利得時にバイアス電流を最も小さくするか、あるいは、多段階の各利得においてバイアス電流を制御する。この場合においても、バイアス電流の制御幅は50%以内に抑えることが望ましい。
【0047】
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態に係る増幅器であり、図1に示した第1の実施形態に係る増幅器を差動化した例である。本実施形態に係る増幅器は、差動信号を扱う以外は基本的に第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と同様にして利得切り替えが行われる。
【0048】
図6においては、二つの信号入力端子11A,11Bに差動入力信号がそれぞれ与えられる。差動入力信号に対応して、入力整合回路もインダクタL11AとキャパシタC11Aの直列回路及びインダクタL11BとキャパシタC11Bの直列回路が備えられる。
【0049】
入力段トランジスタQ11A,Q11Bは差動対を構成しており、各々のエミッタはディジェネレーションインダクタL13A,L13Bの一端にそれぞれ接続され、インダクタL13A,L13Bの他端は共通の抵抗Rを介してグラウンドGNDに接続される。バイアス制御回路12は、二つの入力段トランジスタQ11A,Q11Bのベースに接続される。
【0050】
差動対の入力段トランジスタQ11A,Q11Bに対応して、図1中のQ12,Q13,Q14に相当するカスコードトランジスタもQ12AとQ12B,Q13AとQ13B,Q14AとQ14Bのように対で設けられており、これらのカスコードトランジスタ対はそれぞれ利得制御回路14からの差動信号によって相補的にオン/オフするように制御される。出力整合回路は、二つのインダクタL12A,L12Bと二つのキャパシタC12A,C12Bからなっており、この出力整合回路を介して信号出力端子15A,15Bから差動出力信号が取り出される。
【0051】
このように差動化した構成においても、カスコードトランジスタ対の数を増やすことにより、3段階さらにはそれ以上の多段階に利得切り替えを行うことが可能な増幅器を実現できることは明らかである。
【0052】
次に、図7を用いて本実施形態の効果について具体的に述べる。図7は、図6に示した増幅器におけるバイアス制御回路12を図4のように構成し、バイアス制御回路12により入力段トランジスタQ11A,Q11Bのバイアス電流を切り替えたときの入力反射特性を示している。
【0053】
図4に示した構成のバイアス制御回路12において、トランジスタQ51とQ52のエミッタ面積比及び抵抗R51とR52の値の比を種々変化させ、スイッチとして機能するトランジスタM51,M52をオン/オフさせることにより、バイアス電流を制御する。この場合、トランジスタM51は常にオン状態となっており、トランジスタQ51にはVTリファレンス回路により発生される基準電圧で定まる一定の電流が常に流れている。トランジスタM52をオン/オフさせることによって、トランジスタQ52に電流が流れるか否かを制御している。トランジスタQ51,Q52に流れる電流の合計によって、バイアス電流の値が決まる。
【0054】
図7の横軸は周波数、縦軸は入力反射特性を示すためのVSWR(電圧定在波比)を表している。各曲線の上に付された[A/B]は、トランジスタQ52の電流IQ52 とトランジスタQ51,Q52の合計の電流IQ51+IQ52 との電流比を示している。例えば、[0/12]はトランジスタQ51のみに常に一定の電流が流れていることを示しており、[4/8]は合計で12単位となる電流のうち、4単位分の電流を制御できるようにしたことを示している。入力VSWRの値は、入力インピーダンスの整合がとれていれば1.0となり、整合がずれてくると1よりも大きな値となる。LNAでは通常、回路の安定性確保のために、所望の周波数帯(例えば2.1〜2.2GHz)において入力VSWRの値が2.0以下に収まるように設計がなされる。
【0055】
図7によると、例えば上記の電流比IQ52/IQ51+IQ52 が[5/7]、すなわちバイアス電流の制御幅が71%のときは、入力VSWRの値は所望の周波数帯の高域側で2.0を越えている。これに対して、電流比がバイアス電流の制御幅50%に相当する[4/8]までであれば、入力VSWRの値は2.0以下に収まっている。従って、この結果からもバイアス電流の制御幅は50%以下であることが好ましいことが分かる。
【0056】
以上の実施形態で説明した増幅器においては、バイアス制御信号として2値化信号を用いたが、連続値の信号を用いてバイアス電流を連続的に制御することも可能である。これにより利得の切り替えを連続的にあるいは、滑らかに行うことができる。さらに、これまでの実施形態では入力段トランジスタ及びカスコードトランジスタにバイポーラトランジスタを用いた例について説明したが、MOSトランジスタのような電界効果トランジスタを用いた回路でも同様に実施できることはいうまでもない。カスコードトランジスタに電界効果トランジスタを用いた場合、前述したバイポーラトランジスタのエミッタ面積の関係をゲート幅(W)とゲート長(L)の比W/Lに置き換えて考えればよいこと明らかである。
【0057】
(第4の実施形態)
図8は、本発明の第4の実施形態として、上述した本発明の実施形態に基づく増幅器を受信系の低雑音増幅器に用いた携帯無線端末などの無線通信装置の概略的な構成を示している。
【0058】
図8において、アンテナ81は例えば基地局から送信される高周波信号を受信する。アンテナ81から出力される受信信号は、送受切替器82を介してLNA83に入力される。LNA83によって増幅された受信信号は、例えば周波数変換、復調及びフィルタ処理などを行う図示しない受信処理回路系を経て受信ベースバンド信号となり、ベースバンド処理部84に入力される。これにより受信信号のデータ再生が行われる。
【0059】
一方、送信すべきデータに応じてベースバンド処理部84によって生成される送信ベースバンド信号は、周波数変換、フィルタ処理及び変調などの処理を行う図示しない送信処理回路系を経て、電力増幅器85から送受切替器82を介してアンテナ81に供給され、基地局に向けて送信される。
【0060】
LNA83には、上述の第1〜第3の実施形態で説明したようなカスコードトランジスタによる入力段トランジスタの電流の振り分けと入力段トランジスタのバイアス電流制御との組み合わせによる利得切り替え機能を備えた増幅器が用いられる。LNA83への利得制御信号は、従来の無線通信端末と同様に、ベースバンド処理部84から出力される。利得制御信号は実際にはLNA83に対してのみならず、可変利得増幅器その他の回路ブロックへも適宜供給されるが、簡単のため図8ではベースバンド処理部84からLNA83への利得制御信号経路のみを示してある。
【0061】
ここで、本実施形態の無線通信装置では、ベースバンド処理部84により例えば図9に示すような手順に従って、LNA83の利得制御を行う。まず、LNA83の通常動作モードを低利得モードと定める。ベースバンド処理部84によって、受信ベースバンド信号から受信信号レベルVrを観測して測定し(ステップS1)、Vrが予め設定された第1の閾値Vth1以上か否かを調べる(ステップS2)。VrがVth1以上であれば、さらにVrが第2の閾値Vth2(ただし、Vth2>Vth1)以上かどうかを調べる(ステップS3)。
【0062】
ここで、Vr≧Vth2であれば低利得モードを維持する(ステップS5)。この低利得モードは、例えば第1の実施形態において図1中のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうちQ12とQ14をオン、Q13をオフにした状態に相当する。また、このときは入力段トランジスタQ11のバイアス電流を前述した50%のバイアス電流制御範囲の最小値に設定する。
【0063】
一方、ステップS2においてVrが第1の閾値Vth1に満たない受信信号が一定期間入力された場合、言い換えればVrがVth1以上の受信信号が一定期間入力されなかった場合(ステップS4でYES)、LNA83を低利得モードから高利得モードに変更する(ステップS6)。この高利得モードは、例えば第1の実施形態において図1中のカスコードトランジスタQ12,Q13,Q14のうちQ12とQ13をオン、Q14をオフにした状態に相当する。また、このときは入力段トランジスタQ11のバイアス電流を前述した50%のバイアス電流制御範囲の最大値に設定する。
【0064】
このような利得制御をLNA83に対して行うと、無線通信装置が消費電流の少ない低利得モードで動作する期間の割合が増す。従って、無線通信装置が特に電池を電源とする携帯無線端末の場合、電池寿命が延びることになり、一回の充電で端末を使用できる時間を長くとることができる。
【0065】
上記説明では、LNA83の利得切り替えを低利得と高利得の2段階に行うと説明したが、さらに多段階に利得切り替えを行ってもよいことは言うまでもない。その場合、受信信号レベルの判定のための閾値を3つ以上用意しておけばよい。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、入力インピーダンスの変動による回路特性の劣化を抑えつつ、消費電流の低減を可能とした広範囲の利得切り替え機能を持つ増幅器を実現できる。さらに、この増幅器を低雑音増幅器に用いて消費電流の低減を可能とした無線通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る増幅器の構成を示す回路図
【図2】同実施形態における利得切替回路の具体的な構成例を示す回路図
【図3】同実施形態における利得切替回路の他の具体的な構成例を示す回路図
【図4】同実施形態におけるバイアス制御回路の具体的な構成例を示す回路図
【図5】本発明の第2の実施形態に係る増幅器の構成を示す回路図
【図6】本発明の第3の実施形態に係る増幅器の構成を示す回路図
【図7】同実施形態におけるバイアス電流の最適制御範囲を説明するための入力VSWRの周波数特性を示す図
【図8】本発明の第4の実施形態に係る無線通信装置の概略的な構成を示すブロック図
【図9】同実施形態における低雑音増幅器に対する利得制御の手順を示すフローチャート
【符号の説明】
11,11A,11B…信号入力端子
12…バイアス制御回路
13…制御入力端子
14…利得切替回路
15,15A,15B…信号出力端子
81…アンテナ
82…送受切替器
83…低雑音増幅器
84…ベースバンド処理部
85…電力増幅器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an amplifier having a gain switching function and a radio communication apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, mobile phones have been remarkably enhanced in functionality and have played a role as portable information terminals that transmit and receive various digital data including image information as well as transmission and reception of voice call signals. In general, higher functionality of a system raises the demand for electronic circuits constituting the system.
[0003]
For example, in a wireless communication device such as a cellular phone, a low noise amplifier (LNA) that is usually provided on the receiving side is taken as an example, and it is constant regardless of changes in received signal strength due to changes in the surrounding environment. It is required that the received signal can be amplified while maintaining a standard signal quality. In order to meet this requirement, the LNA is provided with a gain switching function. In the current system environment of the wireless communication apparatus, the fluctuation of the received signal strength is large, and the gain control width required for the LNA having the gain switching function is as large as about 30 dB.
[0004]
In a conventional LNA having a gain switching function, a gain switching method is used by switching the value of a current flowing through an input stage transistor using a plurality of transistors (cascode transistors) cascode-connected to the input stage transistor. (For example, refer nonpatent literature 1).
[0005]
More specifically, gain switching is performed by controlling on / off of a plurality of cascode transistors connected to the collector of the input stage transistor and changing the number of cascode transistors that distribute the collector current of the input stage transistor. At that time, the collector current of the input stage transistor is held at a constant value by the base voltage supplied from the bias circuit. By keeping the bias condition of the input stage transistor constant in this way, fluctuations in input impedance due to LNA gain switching can be suppressed.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Danilo Manstretta, Rinaldo Castello, Francesco Gatta, Paolo Rossi and Francesco Svelto, “A 0.18μm CMOS Direct-Conversion Receiver Front-End for UMTS,” 2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp.240-241, 2002
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the method described in Non-Patent Document 1, in order to avoid fluctuation of input impedance with respect to gain change, it is necessary to keep a bias condition of the input stage transistor constant by flowing a constant collector current through the input stage transistor even at low gain. There is. Accordingly, the average current consumption increases.
[0008]
Wireless communication devices such as mobile terminal devices such as mobile phones are strongly required to reduce power consumption in order to ensure continuous use time. Therefore, a technology for reducing current consumption while maintaining good circuit characteristics is required for the electronic circuit in such a wireless communication apparatus. In the prior art, particularly with respect to the LNA, as described above, the request is not sufficiently satisfied.
[0009]
An object of the present invention is to provide an amplifier particularly suitable as a low noise amplifier capable of effectively reducing current consumption while avoiding fluctuations in input impedance due to gain change.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an amplifier according to the present invention includes an input stage transistor that receives an input signal from a signal input terminal, a plurality of cascode transistors that are cascode-connected to the input stage transistor, and a first control signal. A first control circuit for controlling on / off of at least one of the plurality of cascode transistors so that the distribution ratio of the current flowing through the input stage transistor to the signal output terminal side is switched to at least two stages, and the operation of the input stage transistor And a second control circuit that determines a point and controls a bias current of the input stage transistor according to a second control signal.
[0011]
According to the present invention, a combination of gain switching by the collector current distribution of the input stage transistor by the first control circuit and bias current control of the input stage transistor and a sufficient gain control width are ensured, and the gain change is accompanied. It becomes possible to avoid fluctuations in input impedance and to effectively reduce current consumption.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of an amplifier suitable as a low noise amplifier (LNA) according to the first embodiment of the present invention.
An input signal from the signal input terminal 11 is input to the base of the input stage transistor Q11 via an input matching circuit composed of a series circuit of an inductor L11 and a capacitor C11. The input matching circuit is a circuit for matching the input impedance of the amplifier with the impedance of the previous stage of the amplifier. The emitter of the input stage transistor Q11 is connected to one end of a degeneration inductor L13 for improving distortion characteristics, and the other end of the inductor L13 is connected to the ground GND.
[0013]
A bias control circuit 12 (second control circuit) is connected to the base of the input stage transistor Q11. The bias control circuit 12 determines the operating point of the input stage transistor Q11 to an appropriate value and controls the bias current.
[0014]
The collector of the input stage transistor Q11 is connected in common to the emitters of a plurality (three in this example) of cascode transistors Q12, Q13, Q14. Of the cascode transistors Q12, Q13, and Q14, the collectors of Q12 and Q13 are connected to one end of each of a capacitor C12 and an inductor L12 that form an output matching circuit. The output matching circuit is a circuit for matching the output impedance of the amplifier with the input impedance of the subsequent stage. The other end of the capacitor C12 is connected to the signal output terminal 15. The other end of the inductor L12 is connected to the power supply Vcc. The collector of another cascode transistor Q14 is directly connected to the power supply Vcc.
[0015]
A gain switching circuit 14 (first control circuit) is connected to the bases of the cascode transistors Q12, Q13, and Q14. The gain switching circuit 14 controls on / off of the cascode transistors Q13 and Q14 according to a gain control signal (first control signal) input from the outside to the control input terminal 13. As a result, the distribution ratio of the collector current of the input stage transistor Q11 to the signal output terminal 15 side is switched, and as a result, the gain of the amplifier is switched in two stages.
[0016]
A bias control signal (second control signal) is sent from the gain switching circuit 14 to the bias control circuit 12. In accordance with this bias control signal, the bias control circuit 12 controls the base voltage of the input stage transistor Q11 in connection with the on / off control of the cascode transistors Q13 and Q14 by the gain switching circuit 14 in this embodiment, whereby the transistor Q11 The bias current is controlled.
[0017]
As described above, in this embodiment, the gain switching of the amplifier is performed by a combination of the on / off control of the cascode transistors Q13 and Q14 by the gain switching circuit 14 and the control of the bias current of the input stage transistor Q11 by the bias control circuit 12 associated therewith. Is done.
[0018]
Next, the operation of the amplifier according to the present embodiment will be described.
As described above, the gain switching in this embodiment is performed by (a) distributing the collector current of the input stage transistor Q11 by on / off control of the cascode transistors Q13 and Q14, and (b) input stage transistor Q11 by the bias control circuit 12. This is a combination of controlling the bias current.
[0019]
First, (a) a gain switching operation by distributing the collector current of the input stage transistor Q11 will be described.
In this embodiment, the gain of the amplifier is basically switched to two stages by distributing the collector current by the three cascode transistors Q12, Q13, and Q14. For this purpose, among the three cascode transistors Q12, Q13, and Q14, Q13 and Q14 are controlled by the gain switching circuit 14 so that one is turned on and the other is turned off by the control signal from the gain control circuit 14. . Transistor Q12 is kept on. The emitter areas of the transistors Q13 and Q14 are preferably set equal to each other, and are selected to be sufficiently larger than the emitter area of the transistor Q12, for example, 30 times according to a desired gain control width.
[0020]
An input signal from the signal input terminal 11 is amplified by the input stage transistor Q11 and appears as a collector current of the transistor Q11. The collector current of the transistor Q11 flows into the collector of Q11 through the cascode transistors Q12, Q13, and Q14. At this time, if Q12 and Q13 are in the on state and Q14 is in the off state among the cascode transistors Q12, Q13, and Q14, the collector current of the input stage transistor Q11 passes through the signal output terminal 15 side of the amplifier. Gain is obtained.
[0021]
On the other hand, out of the cascode transistors Q12, Q13, and Q14, assuming that Q12 and Q14 are in an on state and Q13 is in an off state, the collector current of the input stage transistor Q11 is a component and a transistor that flow through the signal output terminal 15 side. It is divided into components that flow on the Q14 side, and the latter is a component that flows directly from the power source Vcc, and does not contribute to the output signal, so the gain is low.
[0022]
At this time, by selecting the emitter areas of the transistors Q13 and Q14 to be sufficiently larger than the emitter area of the transistor Q12 as described above, the gain difference between the high gain and the low gain, that is, the gain control width can be increased. . Further, by making the emitter areas of the transistors Q13 and Q14 equal, fluctuations in circuit characteristics due to manufacturing variations can be suppressed.
[0023]
Next, (b) gain control by controlling the bias current of the input stage transistor Q11 will be described.
In general, it is also possible in principle to switch the gain in the LNA simply by changing the bias current (collector current) of the input stage transistor. However, in order to produce a desired large gain control width of, for example, 30 dB only by controlling the bias current, the base voltage of the input stage transistor must be changed over a wide range. If the base voltage of the input stage transistor changes greatly, the input impedance of the amplifier will fluctuate significantly, so that the reflection characteristics of the input deteriorate, and in the worst case, the circuit oscillates. Therefore, in a circuit that handles a high frequency signal in the GHz band such as LNA in a mobile phone, it is difficult to switch the gain over a wide range only by the method of controlling the bias current of the input stage transistor.
[0024]
In the present embodiment, such a problem is solved by combining (a) gain switching by distributing the collector current of the input stage transistor Q11 and (b) controlling the bias current of the input stage transistor Q11. Specifically, for example, among the cascode transistors Q12, Q13, and Q14, the bias current is increased at the time of high gain when Q12 and Q13 are on and Q14 is off, Q12 and Q14 are on, and Q13 is off. When the gain is low, a wide gain control width is secured by reducing the bias current. At that time, the control range of the bias current is preferably within 50% as will be described later. For example, if the bias current at low gain is “1”, the bias current at high gain is set to “1.5” or less.
[0025]
Next, the configuration of each unit in FIG. 1 will be described in detail.
FIG. 2 shows a specific configuration example of the gain switching circuit 14. This circuit includes transistors M21 and M22 connected between the power supply Vss and the ground GND, and two-stage CMOS inverters 20 and 21 including transistors M23 and M24. The gain control signal from the control input terminal 13 is input to the first-stage CMOS inverter 20. The output of the first-stage CMOS inverter 20 is supplied to the base of the cascode transistor Q14 in FIG. The output of the second-stage CMOS inverter 21 is supplied to the base of the cascode transistor Q13 in FIG.
[0026]
The cascode transistors Q13 and Q14 are turned on when the base potential is high. According to the configuration of FIG. 2, the outputs of the CMOS inverters 20 and 21 are in a state where one is at a high level and the other is at a low level, and are always inverted. Therefore, when one of the cascode transistors Q13 and Q14 is turned on, the other is turned off. On the other hand, since the potential of the power supply Vss is applied to the base of the cascode transistor Q12 via the terminal 22, the transistor Q12 always maintains an on state.
[0027]
FIG. 3 shows another specific configuration example of the gain switching circuit 14. The generation of the inversion signal using the CMOS inverter is the same as that of the circuit of FIG. 2 except that the amplitude of the output voltage is limited. In FIG. 3, transistors M31 and M32 and transistors M35 and M36 constitute the first and second stage CMOS inverters, respectively.
[0028]
An amplitude limiting circuit including transistors M33 and M34 and a resistor R31 is arranged on the output side of the first-stage CMOS inverter. Similarly, transistors M37 and M38 and a resistor R32 are also provided on the output side of the second-stage CMOS inverter. An amplitude limiting circuit is arranged. The transistors M34 and M38 function as a current source, and form a current mirror together with the diode-connected transistor M39. Terminals 22, 23, and 24 are connected to the bases of cascode transistors Q12, Q13, and Q14 in FIG.
[0029]
In the circuit of FIG. 3, the value of the current flowing through the current source transistors M34, M38, and M39 can be adjusted by the value of the resistor R33 connected in series with the transistor M39. By appropriately selecting the current value and the values of the resistors R31 and R32, the voltage output from the terminals 23 and 24, that is, the potential applied to the bases of the cascode transistors Q13 and Q14 in FIG. To. As a result, it is possible to avoid the problem of degrading the stable operation of the bipolar transistor if the base potential is too low compared to the emitter potential, and to stabilize the operation of the cascode transistors Q13 and Q14.
[0030]
In FIG. 2 and FIG. 3, a portion that generates a bias control signal to be supplied from the gain switching circuit 14 to the bias control circuit 12 is omitted, but the gain switching circuit 14 has a gain from the control input terminal 13 in this embodiment. In accordance with the control signal, for example, a bias control signal that increases the bias current of the input stage transistor Q11 at high gain and decreases the bias current at low gain is configured to be supplied to the bias control circuit 12.
[0031]
FIG. 4 shows a specific configuration example of the bias control circuit 12. In the present embodiment, the bias control circuit 12 has a function of receiving a bias control signal from the gain control circuit 14 and creating a plurality of bias conditions. In the amplifier of FIG. 1, the bias condition here is the setting of the base voltage of the input stage transistor Q11. The bias control circuit 12 of FIG. 4 is described in, for example, Paul R. Gray and Robert G. Meyer, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Third Edition”, John Wiley & Sons, P.329, 1993. VT It is based on a circuit generally known as a reference circuit.
[0032]
In FIG. 4, a thermal voltage V is generated by a circuit composed of bipolar transistors Q41 to Q47, resistors R41 to R47, and a MOS transistor M40.TA voltage with reference to is generated. This reference voltage is applied to the bases of the transistors Q51 and Q52. MOS transistors M51 and 52 functioning as switches are connected between the emitters of the transistors Q51 and Q52 and the power supply Vss, and a bias control signal from the gain switching circuit 14 is input to the gates of M51 and M52.
[0033]
Next, a method for controlling the bias current by the bias control circuit 12 will be described in detail. In general, the base-emitter voltage V of a bipolar transistorBEAnd collector current ICThe relationship is expressed by the following equation.
[0034]
[Expression 1]
Figure 0004095398
[0035]
Where ISIs a constant determined by process conditions. Thermal voltage VT ,Is a value determined by kT / q from the elementary charge q, the Boltzmann constant k, and the absolute temperature T, and is one of the important variables that determine the characteristics of the semiconductor device. Thermal voltage V at room temperature (27 degrees Celsius)TThe value of is about 26 mV.
[0036]
Here, in the bias control circuit 12 having the configuration shown in FIG. 4, the MOS transistors M51 and M52 are turned on / off by the bias control signals supplied from the gain switching circuit 14 to the terminals 41 and 42, respectively, thereby the transistor Q51. And the operation of Q52 is determined. As a result, the voltage of the bias control signal given as the base voltage from the bias control circuit 12 to the input stage transistor Q11 in FIG. 1 is determined.
[0037]
In the present embodiment, the control range of the bias current of the input stage transistor Q11 by the bias control circuit 14 is set as follows. For example, consider a case where a gain control width of 30 dB or more, which is generally required in an LNA, is realized. In this case, the output signal current requires a current change width of about 32 times. When this current change width is realized only by the current distribution of (a), transistors having an emitter area ratio corresponding to the current change width are used for the cascode transistors Q12, Q13, and Q14. In the conventional technique in which the gain is switched only by the method (a), the current consumption is constant because it is necessary to make the bias current of the input stage transistor Q11 constant in order to suppress the fluctuation of the input impedance. As described above, there is a problem that it becomes larger.
[0038]
  On the other hand, when the current change width of the output signal current is to be realized by controlling the bias current in order to reduce power consumption, there are the following problems. The above formula (2Therefore, in order to realize a gain control width of 30 dB or more, a change in base voltage of the input stage transistor Q11 requires a voltage fluctuation width of about 90 mV at room temperature in order to give a change of 30 times or more to the collector current. Become. Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the potential at the emitter end is constant.
[0039]
Consumer devices such as mobile phones guarantee operation in the temperature range of approximately −40 ° C. to 85 ° C. This guaranteed operating temperature range is a fluctuation range of about 30% in absolute temperature with respect to normal temperature.T The fluctuation is about 11 mV. Compared to this, it is understood that the fluctuation of the base voltage of about 90 mV is a very large value. If there is such a voltage fluctuation, it cannot be considered that the input stage transistor Q11 is operating under the same conditions, and the fluctuation of the input impedance cannot be ignored.
[0040]
In a high-frequency circuit that handles signals of 2 GHz band or higher, such as a portable communication terminal, input impedance matching conditions greatly affect circuit characteristics such as gain. If the input impedance changes and the matching condition deteriorates, a standing wave may be generated due to reflection, which may cause circuit oscillation. Therefore, the control range of the bias current by the bias control circuit 12 needs to be strictly limited so that the fluctuation of the input impedance falls within the allowable range. When the fluctuation range of the base voltage of the input stage transistor Q11 is limited to 10 mV, which corresponds to the above-described guaranteed operating temperature range (about 30% in absolute temperature), the fluctuation range of the collector current is 50% at the maximum. This means that if the fluctuation range of the bias current of the input stage transistor Q11 is within 50%, the fluctuation of the input impedance falls within the allowable range.
[0041]
Therefore, in the present embodiment, the resistance values of the resistors R51 and R52 of the bias control circuit 12 and the emitter areas of the transistors Q51 and Q52 shown in FIG. 4 are set so that the fluctuation range of the collector current of the input stage transistor Q11 is within 50%. Restrict. That is, the control range of the bias current of the input stage transistor Q11 by the bias control circuit 12 is suppressed to 50% or less.
[0042]
Thus, in the present embodiment, gain control is performed by controlling the bias current of the input stage transistor Q11, and a desired gain control width of, for example, 30 dB is realized together with gain switching by current distribution by the cascode transistor. Therefore, by providing a limit of, for example, 50% or less to the control range of the bias current, it is possible to realize gain switching that can reduce the consumption current while keeping the fluctuation of the input impedance within an allowable range.
[0043]
At this time, current distribution and bias current control are not necessarily performed simultaneously, that is, in association with each other, and it is also effective to perform them independently of each other as necessary. That is, in the above description, when the gain switching circuit 14 controls the current distribution to the cascode transistors Q12, Q13, and Q14 according to the gain control signal and performs gain switching, the bias current of the input stage transistor Q11 is increased at high gain. At the time of low gain, a bias control signal for reducing the bias current is supplied to the bias control circuit 12.
[0044]
On the other hand, the supply of the bias control signal to the bias control circuit 12 may be performed regardless of the gain control signal to the gain switching circuit 14. In that case, the gain can be further finely controlled by individually controlling the bias current of the input stage transistor Q11 in each of the low gain and high gain cases.
[0045]
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows an amplifier according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the amplifier capable of switching the gain between two stages of high gain and low gain has been described. In the present embodiment, by using five cascode transistors Q12, Q13, Q14, Q15, and Q16, The gain can be switched in three stages. Similarly, the present invention may further increase the number of cascode transistors to enable multistage gain switching.
[0046]
Even in such a configuration in which gain switching is performed in multiple stages, the bias current of the input stage transistor Q11 can be controlled in the same manner as in the first embodiment. For example, the bias current is maximized at the highest gain and the bias current is minimized at the lowest gain, or the bias current is controlled at each of the multistage gains. Even in this case, it is desirable to keep the control range of the bias current within 50%.
[0047]
(Third embodiment)
FIG. 6 shows an amplifier according to the third embodiment of the present invention, which is an example in which the amplifier according to the first embodiment shown in FIG. 1 is differentiated. The amplifier according to the present embodiment is basically the same as that of the first embodiment except that differential signals are handled, and gain switching is performed in the same manner as in the first embodiment.
[0048]
In FIG. 6, differential input signals are applied to the two signal input terminals 11A and 11B, respectively. Corresponding to the differential input signal, the input matching circuit is also provided with a series circuit of an inductor L11A and a capacitor C11A and a series circuit of an inductor L11B and a capacitor C11B.
[0049]
The input stage transistors Q11A and Q11B form a differential pair, each emitter is connected to one end of the degeneration inductors L13A and L13B, and the other ends of the inductors L13A and L13B are connected to the ground GND through a common resistor R. Connected to. The bias control circuit 12 is connected to the bases of the two input stage transistors Q11A and Q11B.
[0050]
  Corresponding to the input stage transistors Q11A and Q11B of the differential pair, the cascode transistors corresponding to Q12, Q13 and Q14 in FIG. 1 are also Q12A and Q12B,Q13AQ13B, Q14A, and Q14B are provided in pairs, and these cascode transistor pairs are controlled to be turned on / off in a complementary manner by differential signals from the gain control circuit 14, respectively. The output matching circuit includes two inductors L12A and L12B and two capacitors C12A and C12B, and differential output signals are taken out from the signal output terminals 15A and 15B via the output matching circuit.
[0051]
Even in such a differential configuration, it is apparent that an amplifier capable of performing gain switching in three or more stages can be realized by increasing the number of cascode transistor pairs.
[0052]
Next, the effect of the present embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 7 shows the input reflection characteristics when the bias control circuit 12 in the amplifier shown in FIG. 6 is configured as shown in FIG. 4 and the bias current of the input stage transistors Q11A and Q11B is switched by the bias control circuit 12. .
[0053]
In the bias control circuit 12 having the configuration shown in FIG. 4, the emitter area ratio of the transistors Q51 and Q52 and the ratio of the values of the resistors R51 and R52 are variously changed to turn on and off the transistors M51 and M52 functioning as switches. Control the bias current. In this case, the transistor M51 is always on, and the transistor Q51 has VTA constant current determined by the reference voltage generated by the reference circuit always flows. By turning on / off the transistor M52, it is controlled whether or not a current flows through the transistor Q52. The value of the bias current is determined by the sum of the currents flowing through the transistors Q51 and Q52.
[0054]
In FIG. 7, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents VSWR (voltage standing wave ratio) for indicating input reflection characteristics. [A / B] given above each curve is the current I of the transistor Q52.Q52 And the total current I of the transistors Q51 and Q52Q51+ IQ52 And the current ratio. For example, [0/12] indicates that a constant current always flows only through the transistor Q51, and [4/8] can control a current corresponding to 4 units out of a total of 12 units. It shows that it did. The value of the input VSWR becomes 1.0 when the input impedance is matched, and becomes a value larger than 1 when the matching is shifted. The LNA is usually designed so that the value of the input VSWR falls within 2.0 in a desired frequency band (for example, 2.1 to 2.2 GHz) in order to ensure the stability of the circuit.
[0055]
According to FIG. 7, for example, the above current ratio IQ52/ IQ51+ IQ52 [5/7], that is, when the control width of the bias current is 71%, the value of the input VSWR exceeds 2.0 on the high frequency side of the desired frequency band. On the other hand, if the current ratio is up to [4/8] corresponding to a control width of 50% of the bias current, the value of the input VSWR is 2.0 or less. Therefore, it can be seen from this result that the control range of the bias current is preferably 50% or less.
[0056]
  In the amplifiers described in the above embodiments, the binarized signal is used as the bias control signal. However, it is also possible to continuously control the bias current using a continuous value signal. Thereby, the gain can be switched continuously or smoothly. Further, in the embodiments described so far, the example in which the bipolar transistor is used for the input stage transistor and the cascode transistor has been described, but the same applies to a circuit using a field effect transistor such as a MOS transistor.ImplementationNeedless to say, it can be done. When a field effect transistor is used as the cascode transistor, the relationship between the emitter area of the bipolar transistor described above may be replaced with the ratio W / L of the gate width (W) and the gate length (L).Butit is obvious.
[0057]
(Fourth embodiment)
FIG. 8 shows, as a fourth embodiment of the present invention, a schematic configuration of a radio communication apparatus such as a portable radio terminal using the amplifier according to the above-described embodiment of the present invention as a low noise amplifier for a reception system. Yes.
[0058]
In FIG. 8, an antenna 81 receives a high frequency signal transmitted from, for example, a base station. The reception signal output from the antenna 81 is input to the LNA 83 via the transmission / reception switch 82. The reception signal amplified by the LNA 83 becomes a reception baseband signal through a reception processing circuit system (not shown) that performs, for example, frequency conversion, demodulation, and filter processing, and is input to the baseband processing unit 84. As a result, data reproduction of the received signal is performed.
[0059]
On the other hand, a transmission baseband signal generated by the baseband processing unit 84 according to data to be transmitted is transmitted and received from the power amplifier 85 via a transmission processing circuit system (not shown) that performs processing such as frequency conversion, filter processing, and modulation. The signal is supplied to the antenna 81 via the switch 82 and transmitted to the base station.
[0060]
As the LNA 83, an amplifier having a gain switching function by combining the current distribution of the input stage transistor by the cascode transistor and the bias current control of the input stage transistor as described in the first to third embodiments is used. It is done. The gain control signal to the LNA 83 is output from the baseband processing unit 84 as in the conventional wireless communication terminal. Although the gain control signal is actually supplied not only to the LNA 83 but also to the variable gain amplifier and other circuit blocks as appropriate, only the gain control signal path from the baseband processing unit 84 to the LNA 83 is shown in FIG. Is shown.
[0061]
Here, in the wireless communication apparatus of the present embodiment, the baseband processing unit 84 performs gain control of the LNA 83 in accordance with a procedure as shown in FIG. First, the normal operation mode of the LNA 83 is defined as the low gain mode. The baseband processing unit 84 observes and measures the received signal level Vr from the received baseband signal (step S1), and checks whether Vr is equal to or higher than a preset first threshold value Vth1 (step S2). If Vr is equal to or greater than Vth1, it is further checked whether Vr is equal to or greater than a second threshold value Vth2 (where Vth2> Vth1) (step S3).
[0062]
Here, if Vr ≧ Vth2, the low gain mode is maintained (step S5). This low gain mode corresponds to, for example, a state in which Q12 and Q14 are turned on and Q13 is turned off among the cascode transistors Q12, Q13, and Q14 in FIG. 1 in the first embodiment. At this time, the bias current of the input stage transistor Q11 is set to the minimum value of the above-described 50% bias current control range.
[0063]
On the other hand, when a received signal whose Vr is less than the first threshold value Vth1 is input for a certain period in step S2, in other words, when a received signal whose Vr is Vth1 or more is not input for a certain period (YES in step S4), the LNA 83 Is changed from the low gain mode to the high gain mode (step S6). This high gain mode corresponds to, for example, a state in which Q12 and Q13 are turned on and Q14 is turned off among the cascode transistors Q12, Q13, and Q14 in FIG. 1 in the first embodiment. At this time, the bias current of the input stage transistor Q11 is set to the maximum value of the 50% bias current control range described above.
[0064]
When such gain control is performed on the LNA 83, the ratio of the period during which the wireless communication apparatus operates in the low gain mode with low current consumption increases. Therefore, in the case where the wireless communication device is a portable wireless terminal that uses a battery as a power source, the battery life is extended, and the time that the terminal can be used with a single charge can be increased.
[0065]
  In the above description, the gain switching of the LNA83 is performed in two stages, low gain and high gain.DoHowever, it goes without saying that gain switching may be performed in more stages. In that case, three or more thresholds for determining the received signal level may be prepared.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize an amplifier having a wide range of gain switching functions capable of reducing current consumption while suppressing deterioration in circuit characteristics due to fluctuations in input impedance. Furthermore, it is possible to provide a wireless communication apparatus that can reduce current consumption by using this amplifier as a low noise amplifier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an amplifier according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration example of a gain switching circuit in the same embodiment;
FIG. 3 is a circuit diagram showing another specific configuration example of the gain switching circuit according to the embodiment;
FIG. 4 is a circuit diagram showing a specific configuration example of a bias control circuit in the embodiment;
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of an amplifier according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of an amplifier according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing frequency characteristics of an input VSWR for explaining an optimum control range of bias current in the embodiment;
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a wireless communication apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart showing a gain control procedure for the low noise amplifier according to the embodiment;
[Explanation of symbols]
11, 11A, 11B ... signal input terminals
12 ... Bias control circuit
13 ... Control input terminal
14 ... Gain switching circuit
15, 15A, 15B ... Signal output terminals
81. Antenna
82 ... Transmission / reception switch
83. Low noise amplifier
84 ... Baseband processing section
85 ... Power amplifier

Claims (7)

信号入力端子からの入力信号がベースに入力される入力段トランジスタと;
前記入力段トランジスタのコレクタにエミッタが接続され、コレクタが信号出力端子との接続点を介して電源に接続される第1のカスコードトランジスタと;
前記入力トランジスタの前記コレクタにエミッタが接続され、コレクタが前記第1のカスコードトランジスタのコレクタと前記接続点との間に接続される第2のカスコードトランジスタと;
前記入力トランジスタのコレクタにエミッタが接続され、コレクタに前記電源からの電流が供給される第3のカスコードトランジスタと;
前記第1のカスコードトランジスタをオン状態に維持すると共に、前記第2のカスコードトランジスタのベース電位と前記第3のカスコードトランジスタのベース電位とを制御して、前記第2のカスコードトランジスタと前記第3のカスコードトランジスタとを互いに反転したオン/オフ関係とする第1の制御回路と;
前記入力段トランジスタのバイアス電流を前記第3のカスコードトランジスタがオンであるときよりも前記第2のカスコードトランジスタがオンであるときの方が大きくなるように制御する第2の制御回路と
を具備する増幅器。
An input stage transistor to which an input signal from a signal input terminal is input to the base;
A first cascode transistor having an emitter connected to the collector of the input stage transistor and a collector connected to a power supply via a connection point with a signal output terminal;
A second cascode transistor having an emitter connected to the collector of the input transistor and a collector connected between the collector of the first cascode transistor and the connection point;
A third cascode transistor having an emitter connected to the collector of the input transistor and a current supplied from the power supply to the collector;
The first cascode transistor is maintained in an on state, and the base potential of the second cascode transistor and the base potential of the third cascode transistor are controlled to control the second cascode transistor and the third cascode transistor. A first control circuit having an on / off relationship in which the cascode transistors are inverted from each other;
And a second control circuit that controls the bias current of the input stage transistor so that the bias current of the input stage transistor is larger when the third cascode transistor is on than when the third cascode transistor is on. amplifier.
前記第2のカスコードトランジスタ及び第3のカスコードトランジスタは、前記第1のカスコードトランジスタのエミッタ面積より大きいエミッタ面積を有する請求項1記載の増幅器。  The amplifier according to claim 1, wherein the second cascode transistor and the third cascode transistor have an emitter area larger than an emitter area of the first cascode transistor. 信号入力端子からの入力信号がゲートに入力される入力段トランジスタと;
前記入力段トランジスタのドレインにソースが接続され、ドレインが信号出力端子との接続点を介して電源に接続される第1のカスコードトランジスタと;
前記入力トランジスタの前記ドレインにソースが接続され、ドレインが前記第1のカスコードトランジスタのドレインと前記接続点との間に接続される第2のカスコードトランジスタと;
前記入力トランジスタのドレインにソースが接続され、ドレインに前記電源からの電流が供給される第3のカスコードトランジスタと;
前記第1のカスコードトランジスタをオン状態に維持すると共に、前記第2のカスコードトランジスタのゲート電位と前記第3のカスコードトランジスタのゲート電位とを制御して、前記第2のカスコードトランジスタと前記第3のカスコードトランジスタとを互いに反転したオン/オフ関係とする第1の制御回路と;
前記入力段トランジスタのバイアス電流を前記第3のカスコードトランジスタがオンであるときよりも前記第2のカスコードトランジスタがオンであるときの方が大きくなるように制御する第2の制御回路と
を具備する増幅器。
An input stage transistor to which an input signal from the signal input terminal is input to the gate;
A first cascode transistor having a source connected to a drain of the input stage transistor and a drain connected to a power supply via a connection point with a signal output terminal;
A second cascode transistor having a source connected to the drain of the input transistor and a drain connected between the drain of the first cascode transistor and the connection point;
A third cascode transistor having a source connected to the drain of the input transistor and a current from the power supply supplied to the drain;
The first cascode transistor is maintained in an on state, and the gate potential of the second cascode transistor and the gate potential of the third cascode transistor are controlled to control the second cascode transistor and the third cascode transistor. A first control circuit having an on / off relationship in which the cascode transistors are inverted from each other;
And a second control circuit that controls the bias current of the input stage transistor so that the bias current of the input stage transistor is larger when the third cascode transistor is on than when the third cascode transistor is on. amplifier.
前記第2のカスコードトランジスタ及び第3のカスコードトランジスタは、前記第1のカスコードトランジスタのゲート幅/ゲート長比より大きいゲート幅/ゲート長比を有する請求項3記載の増幅器。  4. The amplifier according to claim 3, wherein the second cascode transistor and the third cascode transistor have a gate width / gate length ratio larger than a gate width / gate length ratio of the first cascode transistor. 前記第2の制御回路は、前記第のカスコードトランジスタがオンであるときのバイアス電流を1としたとき前記第のカスコードトランジスタがオンであるときのバイアス電流が1.5以下となるように前記入力段トランジスタのバイアス電流を制御する請求項1または3のいずれか1項記載の増幅器。The second control circuit is configured such that when the bias current when the third cascode transistor is on is 1, the bias current when the second cascode transistor is on is 1.5 or less. 4. The amplifier according to claim 1, wherein a bias current of the input stage transistor is controlled. 請求項1乃至5のいずれか1項記載の増幅器を受信信号の増幅のための低雑音増幅器として用いた受信部を具備する無線通信装置。  A wireless communication apparatus comprising a receiver using the amplifier according to any one of claims 1 to 5 as a low noise amplifier for amplifying a received signal. 請求項1乃至5のいずれか1項記載の増幅器を受信信号の増幅のための低雑音増幅器として用いた受信部と;
前記第1の制御回路を前記受信信号のレベル測定結果に基づいて制御するための利得制御信号を発生する制御手段と;を具備し、
前記制御手段は、前記受信信号のレベルが第1の閾値以上かつ前記第1の閾値より大きい第2の閾値以上であれば、前記第1のカスコードトランジスタ及び前記第3のカスコードトランジスタをオン状態、前記第2のカスコードトランジスタをオフ状態とし、前記受信信号のレベルが一定時間前記第1の閾値に満たないときは前記第1のカスコードトランジスタ及び前記第2のカスコードトランジスタをオン状態とし、前記第3のカスコードトランジスタをオフ状態とするように、前記第1のカスコードトランジスタ、前記第2のカスコードトランジスタ及び前記第3のカスコードトランジスタのそれぞれのベース電位またはゲート電位を制御するよう前記利得制御信号を発生する無線通信装置。
A receiver using the amplifier according to any one of claims 1 to 5 as a low-noise amplifier for amplifying a received signal;
Control means for generating a gain control signal for controlling the first control circuit based on a level measurement result of the received signal;
The control means turns on the first cascode transistor and the third cascode transistor if the level of the received signal is not less than a first threshold and not less than a second threshold greater than the first threshold. The second cascode transistor is turned off, and when the level of the received signal is less than the first threshold for a predetermined time, the first cascode transistor and the second cascode transistor are turned on, and the third cascode transistor is turned on. The gain control signal is generated so as to control the base potential or the gate potential of each of the first cascode transistor, the second cascode transistor, and the third cascode transistor so that the cascode transistor of the first cascode transistor is turned off. Wireless communication device.
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