JP4215304B2

JP4215304B2 - ミキサー回路

Info

Publication number: JP4215304B2
Application number: JP23485898A
Authority: JP
Inventors: 敬中村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: JP2000059147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像伝送装置や移動体通信機器などで使用される高周波ミキサー回路に関し、特に、低雑音、低歪みの信号を出力できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、移動体通信機器などでは、ＲＦ信号に局発信号（ＬＯ）を混合してＩＦ信号を取り出すために、半導体集積回路で形成されたギルバートセル型ミキサー回路が用いられている。
【０００３】
このギルバートセル型ミキサー回路は、２重平衡型ミキサー回路であり、図９に示す構成を備えている。まず、このミキサー回路の動作原理を説明する。
【０００４】
このミキサー回路では、ＲＦ信号がＲＦ入力端子27、28から差動増幅器21に加えられ、また、ＬＯ信号がＬＯ信号入力端子29、30からギルバートセル対22に加えられ、ＩＦ信号がＩＦ出力端子31、32から出力される。
【０００５】
ギルバートセル対22は、２重平衡接続された４つのトランジスタを具備し、これらのトランジスタの共通コレクタは、出力負荷25、26を介してＶｃｃに接続している。
【０００６】
差動増幅器21は、２つのＮＰＮ型バイポーラトランジスタ23、24と、これらのトランジスタのエミッタ間に配置された抵抗器33とを具備し、各エミッタは、差動増幅器21及びギルバートセル対22に動作電流を供給する定電流源34に接続している。
【０００７】
ＲＦ入力信号は、ＲＦ入力端子27、28から平衡信号として差動増幅器21に加えられるか、ＲＦ入力端子27、28のどちらか一方を高周波的に接地することにより、不平衡信号として差動増幅器21に加えられる。
【０００８】
加えられたＲＦ入力信号は、差動増幅器21によって、差動ＲＦ電流出力に変換され、これら差動電流出力は、それぞれ、トランジスタ23、24のコレクタで得られる。
【０００９】
一方、ＬＯ信号は、ＬＯ信号入力端子29、30から平衡信号としてギルバートセル対22に加えられるか、あるいは、ＬＯ信号入力端子29、30のどちらか一方を高周波的に接地することにより、不平衡信号としてギルバートセル対22に加えられる。
【００１０】
このギルバ−トセル対22は、そこに加えられるＬＯ信号が適度に大きければ、図１０の91に示すように、ＬＯ信号によって制御される単なる電流切り替えスイッチとして動作する。従って、差動増幅器21を構成するトランジスタのコレクタをギルバートセル対22のエミッタに接続することにより、ギルバートセル対のコレクタには、入力ＲＦ信号とＬＯ信号との積を含んだ電流が現われる。
【００１１】
ＩＦ出力信号は、負荷25、26を介して、ＩＦ出力端子31、32に平衡出力として得られる。
【００１２】
この従来のミキサー回路において、相互変調歪みを低減しようとする場合、差動増幅器21を構成するトランジスタのエミッタ間の抵抗33を大きくして帰還量を増やすか、または、差動増幅器21のトランジスタのバイアス電流34を大きくする方法がとられる。
【００１３】
エミッタ間の抵抗33を大きくするという方法は、基本的に差動増幅器21の利得を下げて歪みを抑えることであり、感度、すなわち雑音指数の劣化を招いてしまい、高周波ミキサーとしては好ましくない。
【００１４】
差動増幅器21のバイアス電流34を大きくする方法は、差動増幅器21で発生する歪みと雑音とを小さくする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
差動増幅器21は、その動作電流を大きくすると、差動増幅器21で発生する歪みと雑音とは小さくなる。一方、ギルバ−トセル対22から発生する雑音はショット雑音が主であり、その動作電流を大きくすると、ギルバ−トセル対22から発生する雑音が非常に大きくなる。このような理由から、差動増幅器21及びギルバ−トセル対22の動作電流を同時に大きくすると、相互変調歪みは低減されるが、ギルバートセル対22で発生する雑音が大きくなり、ミキサー回路全体としての雑音指数劣化を招いてしまうという問題が有る。
【００１６】
ミキサー回路全体として低歪みと低雑音とを同時に実現しようとすると、ギルバートセル対22及び差動増幅器21の各々における最適な動作電流の値は、異なるのである。
【００１７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、低歪みと低雑音とを同時に実現し、また、映像信号のように直流成分を含む広帯域な入力信号にも対応できる半導体集積回路に適したミキサー回路を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明のミキサー回路は、ギルバートセル対と差動増幅器とに、互いに独立した動作電流を設定できるように構成している。
【００１９】
そのため、差動増幅器とギルバ−トセル対とに対して、それぞれが最適の動作を行なう動作電流を供給することができ、低歪みで低雑音のミキサー回路を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、第１、第２、第３及び第４のトランジスタを備え、前記第１、第２のトランジスタのエミッタを共通接続すると共に前記第３、第４のトランジスタのエミッタを共通接続して各エミッタに第１の電流値の電流源を接続し、前記第１、第４のトランジスタのベースを共通接続するとともに前記第２、第３のトランジスタのベースを共通接続して信号を与え、前記第１、第３のトランジスタのコレクタを共通接続すると共に前記第２、第４のトランジスタのコレクタを共通接続してコレクタ対から信号を取り出すギルバートセル対と、第５、第６のトランジスタを備えると共に第２の電流値の電流源を接続してこのトランジスタ対に与えた信号を増幅して負荷部から取り出す差動増幅器と、前記第１、第２のトランジスタの前記共通接続部と前記第５のトランジスタの負荷部とを接続する第１のキャパシタと、前記第３、第４のトランジスタの前記共通接続部と前記第６のトランジスタの負荷部とを接続する第２のキャパシタと、を備え、前記第１の電流値と前記第２の電流値とを互いに異ならせたことを特徴とするものであり、差動増幅器及びギルバ−トセル対（４つのトランジスタを２重平衡接続した回路）の各々に対して、それぞれが最適動作を行なう動作電流を供給することができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、第１、第２、第３及び第４のトランジスタを備え、前記第１、第２のトランジスタのエミッタを共通接続すると共に前記第３、第４のトランジスタのエミッタを共通接続し、前記第１、第４のトランジスタのベースを共通接続するとともに前記第２、第３のトランジスタのベースを共通接続して信号を与え、前記第１、第３のトランジスタのコレクタを共通接続すると共に前記第２、第４のトランジスタのコレクタを共通接続してコレクタ対から信号を取り出すギルバートセル対と、第５、第６のトランジスタを備えると共に第１の電流値の電流源を接続してこのトランジスタ対に与えた信号を増幅して前記第５、第６のトランジスタの各コレクタから信号を取り出す差動増幅器と、前記第１、第２のトランジスタの前記共通接続部と前記第５のトランジスタのコレクタとを接続する第１の接続手段と、前記第３、第４のトランジスタの前記共通接続部と前記第６のトランジスタのコレクタとを接続する第２の接続手段と、前記第５、第６のトランジスタの各コレクタに接続した第２の電流値の電流源とを備え、前記第１の電流値と前記第２の電流値とを互いに異ならせたことを特徴とするものであり、ギルバ−トセル対に対して、最適動作を行なう動作電流を供給することができ、直流成分をも含む広帯域な入力信号に適用して、低雑音且つ低歪みの出力を得ることができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
第１の実施形態のミキサー回路は、図１に示すように、差動増幅器41とギルバートセル対42とのバイアス電流源を別々に設け、差動増幅器41を構成するトランジスタのコレクタ出力を、結合キャパシタ43、44を介して、ギルバートセル対42を構成するトランジスタのエミッタに交流的に結合している。
【００２４】
ＬＯ入力端子49、50に加えられるＬＯ信号が十分大きければ、ギルバートセル対42は、図１０の91と同様に、単なる切り替えスイッチとして動作する。入力ＲＦ信号は、ＲＦ端子47、48に加えられ、差動増幅器41から、結合キャパシタ43、44を介して、ギルバートセル対42を構成するトランジスタの低入力インピーダンスのエミッタに加えられているので、ギルバ−トセル対42から発生する歪みは、少ない動作電流でも非常に小さい。
【００２５】
従って、ミキサー回路全体としての歪みは、差動増幅器41によって発生する歪みが主であるが、差動増幅器41の動作電流を、歪みと雑音とが小さくなるように大きく設定することによって、差動増幅器41での歪みと雑音とを減らすことができる。
【００２６】
一方、ギルバ−トセル対42で発生する歪みは上記の理由により小さな動作電流でも十分に小さい。また、ギルバートセル対42で発生する雑音は、ショット雑音が主で、動作電流を小さくすることによって、ギルバートセル対42から発生する雑音を小さくすることができる。
【００２７】
図１のミキサー回路によれば、差動増幅器41とギルバ−トセル対42との動作電流をそれぞれが最適となるように独立に設定することが可能であり、低歪み且つ低雑音のミキサー回路を実現することができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態（図１）の回路を更に改良したミキサー回路について説明する。
【００２９】
図１の構成では、差動増幅器41とギルバートセル対42との結合にキャパシタ43、44を用いて交流結合を行なっているため、低周波も含むような広帯域な入力信号を通すためには、この結合キャパシタ43、44の値を十分大きくしなければならない。
【００３０】
そのため、図１のミキサー回路を半導体集積回路で実現する場合に、キャパシタによって非常に大きなチップ面積が占有されることになる。
【００３１】
また、半導体集積回路で実現されるキャパシタは、その容量値に大きなバラツキが有るため、ギルバートセル対42のエミッタに加えられる信号にアンバランスを招き、歪みが発生する。
【００３２】
さらに、図１のミキサー回路では、映像信号のように直流成分を含む入力信号には本質的に対応できない。
【００３３】
第２の実施形態のミキサー回路は、こうした点を改善している。この回路は、図２に示すように、ギルバートセル対２の動作電流を、差動増幅器１の動作電流と違えるための電流源３、４を備えている。その他の構成は、従来のミキサー回路（図９）と同じであり、ＲＦ信号、ＬＯ信号の与え方、及びＩＦ出力信号の取り出し方についても変わりがない。
【００３４】
この回路において、動作電流源14、15は、差動増幅器１の最適動作電流を差動増幅器１に供給し、電流源３、４は、動作電流源14、15から供給される動作電流とギルバートセル対２の最適動作電流との差電流を差動増幅器１の２組のトランジスタのコレクタに供給する。従って、ギルバートセル対２には、ギルバートセル対２の最適動作電流が供給されることになる。
【００３５】
図３は、差動増幅器１のバイアス電流を５ｍＡとして、ギルバ−トセル対２の動作電流（ＩｃｃＧｉｌｂｅｒｔ）を１ｍＡから５ｍＡまで変化させた時の変換利得（Ｇａｉｎ）と雑音指数（ＮＦ）とを示しており、また、図４は、同じ条件下における３次の入力インターセプトポイント（ＩＰ３ｉｎ）と雑音指数（ＮＦ）とを示している。これらの図において、ギルバ−トセル対２の動作電流（ＩｃｃＧｉｌｂｅｒｔ）が５ｍＡの時は、図９に示す従来のミキサー回路の特性となる。
【００３６】
図４によると、ギルバートセル対２の動作電流（ＩｃｃＧｉｌｂｅｒｔ）を増やしていくと、ミキサー回路全体の雑音指数（ＮＦ）が単調に悪化していくのが分かる。３次の入力インターセプトポイント（ＩＰ３ｉｎ）は、ギルバートセル対２の動作電流（ＩｃｃＧｉｌｂｅｒｔ）とともに大きくなり、約２ｍＡで最大となっている。
【００３７】
図３によると、変換利得（Ｇａｉｎ）は、１ｍＡから５ｍＡというギルバートセル対の動作電流範囲内で０．４ｄＢ以内でほぼ一定である。
【００３８】
このように、差動増幅器１のバイアス電流を５ｍＡ、ギルバートセル対２の動作電流を２ｍＡとすることにより、従来のミキサー回路に比べて、雑音指数（ＮＦ）は約１．６ｄＢの改善、３次の入力インターセプトポイント（ＩＰ３ｉｎ）は約１．５ｄＢｍの改善効果が得られる。変換利得（Ｇａｉｎ）に関しては、従来のミキサー回路と同じ値が実現できる。
【００３９】
このように、図２のミキサー回路では、差動増幅器１に動作電流源14、15から差動増幅器１の最適動作電流が供給され、また、電流源３、４からの差電流の供給によって、ギルバートセル対２の最適動作電流がギルバートセル対２に与えられる。そのため、従来のミキサー回路に比べて、消費電流を増やすことも、変換利得を損なうこともなく、雑音指数と３次の入力インターセプトポイント（ＩＰ３ｉｎ）とを改善することができ、その実用的効果は大なるものがある。
【００４０】
さらに、図２のミキサー回路は、入力周波数を制限するような素子を用いていないので、入力ＲＦ信号としては直流も許される。
【００４１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の回路を示す図５は、第２の実施形態（図２）のミキサー回路の電流源３、４を、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ81、82、83によるカレントミラ−で実現した場合を示している。
【００４２】
図５の回路図では、図２に比べて、余分に電流源80を必要としているが、例えば、図６に示すように、ミキサーの出力を能動負荷102を持つ差動増幅器101を介して出力する場合は、能動負荷102のバイアスのために、電流源100は元々必要である。また、図７のように入力段がＰＮＰトランジスタで構成されている差動増幅器203を介してミキサーの出力を出す場合にも、能動負荷201、202のバイアスのために、電流源200は元々必要である。あるいは、図８に示すように、ミキサー部の電流源34をカレントミラー301で構成し、電流源80をＮＰＮトランジスタ300で構成すれば、ＮＰＮトランジスタ300は、定電流源301とカレントミラーをなし、なお且つ、電流源80の代わりにもなる。図６〜図８に示したように、この電流源80は、実際の回路では、他の回路部で用いられている電流源と併用できるので集積回路全体としての余分な消費電流の増加は招かない。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のミキサー回路は、ギルバートセル対と差動増幅器との動作電流をそれぞれ最適値に設定することが可能であり、低雑音且つ低歪みの出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるミキサー回路の回路図、
【図２】本発明の第２の実施形態におけるミキサー回路の回路図、
【図３】変換利得（Ｇａｉｎ）と雑音指数（ＮＦ）とのギルバートセル対動作電流依存性を示す特性図、
【図４】３次入力換算インターセプトポイント（ＩＰ３Ｉｎ）と雑音指数（ＮＦ）とのギルバートセル対動作電流依存性を示す特性図、
【図５】本発明の第３の実施形態におけるミキサー回路の回路図、
【図６】第３の実施形態におけるミキサー回路を適用した第１の回路、
【図７】第３の実施形態におけるミキサー回路を適用した第２の回路、
【図８】第３の実施形態におけるミキサー回路を適用した第３の回路、
【図９】従来のミキサー回路の回路図、
【図１０】ＬＯ信号が十分大きな場合の従来のミキサー回路の等価回路図である。
【符号の説明】
１、21、41、61、101、203 差動増幅器
２、22、42、62 ギルバートセル対
３、４、14、15、34、80、301 定電流源
５、６、25、26、55〜58、65、66 出力負荷
７、８、27、28、47、48、67、68 ＲＦ信号入力端子
９、10、29、30、49、50、69、70 Ｌ０信号入力端子
11、12、31、32、51、52、71、72 ＩＦ信号出力端子
23、24 ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ
33、84〜86 抵抗器
43、44 結合キャパシタ
81〜83 ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ
91 ギルバートセル対の動作と等価な電流切り替えスイッチ
100、200 電流源
102、201、202 能動負荷
300 ＮＰＮトランジスタ
301 カレントミラー

Claims

第１、第２、第３及び第４のトランジスタを備え、前記第１、第２のトランジスタのエミッタを共通接続すると共に前記第３、第４のトランジスタのエミッタを共通接続して各エミッタに第１の電流値の電流源を接続し、前記第１、第４のトランジスタのベースを共通接続するとともに前記第２、第３のトランジスタのベースを共通接続して信号を与え、前記第１、第３のトランジスタのコレクタを共通接続すると共に前記第２、第４のトランジスタのコレクタを共通接続してコレクタ対から信号を取り出すギルバートセル対と、
第５、第６のトランジスタを備えると共に第２の電流値の電流源を接続してこのトランジスタ対に与えた信号を増幅して負荷部から取り出す差動増幅器と、
前記第１、第２のトランジスタの前記共通接続部と前記第５のトランジスタの負荷部とを接続する第１のキャパシタと、
前記第３、第４のトランジスタの前記共通接続部と前記第６のトランジスタの負荷部とを接続する第２のキャパシタと、を備え、
前記第１の電流値と前記第２の電流値とを互いに異ならせたことを特徴とするミキサー回路。
第１、第２、第３及び第４のトランジスタを備え、前記第１、第２のトランジスタのエミッタを共通接続すると共に前記第３、第４のトランジスタのエミッタを共通接続し、前記第１、第４のトランジスタのベースを共通接続するとともに前記第２、第３のトランジスタのベースを共通接続して信号を与え、前記第１、第３のトランジスタのコレクタを共通接続すると共に前記第２、第４のトランジスタのコレクタを共通接続してコレクタ対から信号を取り出すギルバートセル対と、
第５、第６のトランジスタを備えると共に第１の電流値の電流源を接続してこのトランジスタ対に与えた信号を増幅して前記第５、第６のトランジスタの各コレクタから信号を取り出す差動増幅器と、
前記第１、第２のトランジスタの前記共通接続部と前記第５のトランジスタのコレクタとを接続する第１の接続手段と、
前記第３、第４のトランジスタの前記共通接続部と前記第６のトランジスタのコレクタとを接続する第２の接続手段と、
前記第５、第６のトランジスタの各コレクタに接続した第２の電流値の電流源とを備え、
前記第１の電流値と前記第２の電流値とを互いに異ならせたことを特徴とするミキサー回路。