JP5205403B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体集積回路装置に関する。
広帯域な入力整合が可能な低雑音増幅器の構成には、抵抗終端、ゲート接地構成、抵抗フィードバック及び能動フィードバックなどがある。これらの中で、ドレイン接地回路を利用した能動フィードバック構成は、雑音、帯域および面積等において有利であり、また、プロセス微細化の恩恵を受け易く、今後多用されていく可能性が高い。
この構成のドレイン接地フィードバック低雑音増幅器では、増幅器の入力と出力との間にフィードバック経路のドレイン接地回路が接続されている(例えば、特許文献1参照)。ドレイン接地回路が入力に接続されているので、入力整合の帯域幅はドレイン接地回路による寄生容量(入力容量)によって狭められてしまう。また、ドレイン接地回路は雑音源にもなる。
しかしながら、従来のドレイン接地フィードバック低雑音増幅器では、入力容量および雑音を小さく出来なかった。
国際公開第2008/142051号パンフレット
本発明の目的は、入力容量および雑音を小さくした半導体集積回路装置を提供することにある。
本願発明の一態様によれば、入力信号が入力される入力端子と、出力信号が出力される出力端子と、を有する増幅器と、バイアス電流を生成する第1のトランジスタを有し、前記バイアス電流により動作し、前記出力信号を入力してフィードバック信号を前記入力端子に供給するフィードバック回路と、を備え、前記第1のトランジスタのゲートに、前記出力信号とは逆相の信号が入力されることを特徴とする半導体集積回路装置が提供される。
本発明によれば、入力容量および雑音を小さくした半導体集積回路装置を提供できる。
比較例に係る低雑音増幅器の回路図である。 比較例に係る低雑音増幅器の実装構成を示す回路図である。 本発明の第1の実施形態に係る低雑音増幅器を用いたシステムのブロック図である。 本発明の第1の実施形態に係る低雑音増幅器の回路図である。 本発明の第2の実施形態に係る低雑音増幅器の回路図である。 本発明の第2の実施形態及び比較例に係る低雑音増幅器の比較用回路の回路図である。 本発明の第2の実施形態及び比較例に係る低雑音増幅器の特性を示す図である。 本発明の第1の実施形態の変形例に係る低雑音増幅器の回路図である。 本発明の第2の実施形態の変形例に係る低雑音増幅器の回路図である。
本発明の実施形態についての説明に先立ち、発明者が知得する比較例のドレイン接地フィードバック低雑音増幅器(以下、低雑音増幅器と称す)について説明する。
図1は、従来用いられている一般的な、比較例に係る低雑音増幅器の回路図である。この低雑音増幅器は、入力端子から入力される入力信号Vinを低雑音で増幅して出力信号Voutを出力する。NMOSトランジスタMと負荷Zは増幅器を構成している。NMOSトランジスタMと電流源Ibiasはドレイン接地回路を構成している。ドレイン接地回路は、出力信号Voutに基づいてフィードバック信号を入力端子に供給する。
この回路の入力インピーダンスZinは、以下の式(1)で表される。ただし、寄生容量等は考慮していない。
Figure 0005205403
ここで、gm1,gm2はそれぞれNMOSトランジスタM,Mの相互コンダクタンスである。よって、入力インピーダンスZinを信号源インピーダンスRに整合させるには、以下の式(2)を満たすように、ドレイン接地されたNMOSトランジスタMのgm2を設定すればよい。
Figure 0005205403
実際の回路では、電流源IbiasとしてMOSトランジスタを用いて実装する。図2は、比較例に係る低雑音増幅器の実装構成を示す回路図である。この低雑音増幅器は以下の点が図1の低雑音増幅器と異なるが、基本的な動作は同様である。
NMOSトランジスタMnBiasは、ゲートにバイアス電圧が加えらされ、NMOSトランジスタMn2にバイアス電流を供給する電流源として機能する。また、この低雑音増幅器は、負荷としてインダクタLLOADを用いており、インダクタLLOADとNMOSトランジスタMn1のドレインとの間にカスコード接続されたNMOSトランジスタMnCascを備える。
図2の構成では、入力ノード“in”にNMOSトランジスタMn2のソースと、NMOSトランジスタMnBiasのドレインとが接続されている。トランジスタは雑音源となるので、低雑音化のためにはこれら2つのNMOSトランジスタの相互コンダクタンスはできるだけ小さくする必要がある。また、入力ノードの寄生容量は、高周波領域の入力整合を悪化させて入力整合の帯域幅を狭める原因となる。よって、寄生容量は小さくしなければならない。これらの理由から、NMOSトランジスタMn2,MnBiasは極力サイズを小さくしたい。しかし、NMOSトランジスタMn2の相互コンダクタンスは式(2)の様に決定されて調整範囲に制限があるため、NMOSトランジスタMn2,MnBiasのサイズの調整範囲には制限があることを、発明者は独自に知得した。
発明者は、上述した独自の知得に基づいて本発明をなすに至った。
以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
本実施形態は、フィードバック経路のドレイン接地回路のバイアス電流源として用いられているトランジスタのゲートに、出力信号とは逆相の信号を入力することを特徴の1つとする。
まず、低雑音増幅器を用いたシステムの一例について説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る低雑音増幅器を用いたシステムのブロック図である。同図に示す様に、このシステムは、ベースバンド部1と、トランシーバ2と、フロントエンド部3とを備える。トランシーバ2は、受信機4と、送信機5と、局部周波数発振器6とを備える。本実施形態の低雑音増幅器は、受信機4で用いられている。
このシステムの受信側の動作を説明する。アンテナ11で受信された高周波の受信信号は、スイッチ12と、帯域通過フィルタ13とを介して、本実施形態の低雑音増幅器15に入力される。低雑音増幅器15は、入力信号を低雑音で増幅して出力する。周波数ミキサ16,17は、低雑音増幅器15の出力信号を、局部周波数発振器6からの信号に基づいて低周波信号に周波数変換する。低周波信号は、低域通過フィルタ18,19とAD変換器20,21とを介してデジタル信号に変換され、ベースバンド処理される。
このシステムの送信側の動作を説明する。ベースバンド部1におけるベースバンド信号は、DA変換器22,23によりアナログ信号に変換される。アナログ信号は低域通過フィルタ24,25を介して周波数ミキサ26,27で高周波信号に周波数変換される。高周波信号は、プレパワーアンプ28で増幅され、パワーアンプ29でさらに増幅される。増幅された信号は、帯域通過フィルタ30とスイッチ12とを介して、アンテナ11から送信される。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る低雑音増幅器の回路図である。同図に示す様に、低雑音増幅器は、NMOSトランジスタM(第3のトランジスタ)と、NMOSトランジスタM(第2のトランジスタ)と、NMOSトランジスタMbias(第1のトランジスタ)と、負荷Zとを備える。
入力端子INが、NMOSトランジスタMのゲートと、NMOSトランジスタMのソースと、NMOSトランジスタMbiasのドレインとに接続されている。NMOSトランジスタMのソースは接地電位VSS(第2の電位)に接続され、そのドレインは出力端子OUTと、NMOSトランジスタMのゲートと、負荷Zの一端とに接続されている。負荷Zの他端は電源電位VDD(第1の電位)に接続される。NMOSトランジスタMのドレインは電源電位VDDに接続される。NMOSトランジスタMbiasのゲートは入力端子INに接続され、そのソースは接地電位VSSに接続される。
NMOSトランジスタNと負荷Zは増幅器を構成している。NMOSトランジスタM,Mbiasはドレイン接地回路(フィードバック回路)を構成している。
NMOSトランジスタMbiasのゲートには、NMOSトランジスタM,M,Mbiasが飽和領域で動作するように、バイアス電圧が加えられる。NMOSトランジスタMbiasが生成したバイアス電流は、NMOSトランジスタMに流れる。また、NMOSトランジスタMと負荷Zにも所定のバイアス電流が流れる。
入力端子INにおける入力インピーダンスは、所定の帯域幅で信号源インピーダンスに電力整合している。入力端子INに入力された入力信号Vinは低雑音で増幅されて、出力端子OUTから出力信号Voutが出力される。
ドレイン接地回路は、出力信号Voutを入力して第1のフィードバック信号を入力端子INに供給する。また、入力端子INには、出力信号Voutとは逆相の信号が入力される。これにより、NMOSトランジスタMbiasは、出力信号Voutとは逆相の信号を入力して第2のフィードバック信号を入力端子INに供給する。
このように、本実施形態では、NMOSトランジスタMbiasのゲートに、NMOSトランジスタMのゲートに入力される信号とは逆相の信号を入力することにより、フィードバック量(負帰還の量)を補うようにしている。
図4の回路の入力インピーダンスZinを計算すると、以下の式(3)となる。ただし、寄生容量等は考慮していない。
Figure 0005205403
よって、入力インピーダンスZinを信号源インピーダンスRに整合させるgm2は、以下の式(4)で表せる。
Figure 0005205403
式(4)を比較例の式(2)と比較すると、式(4)の第二項の分だけgm2は小さくてよいことがわかる。
ここで、理解を容易にするためにNMOSトランジスタMとMbiasとが同じ大きさである一例について、比較例との相違を説明する。入力インピーダンスZinが比較例と同一であり、NMOSトランジスタMとMbiasとが同じ大きさであるとすれば、式(1)と式(3)から、本実施形態のgm2は、比較例のgm2の(1+gm1)/(1+2gm1)倍となる。よって、gm1が充分大きければ、gm2は比較例の約半分の値で整合を実現できることが分かる。つまり、上記条件では、NMOSトランジスタMは比較例の半分程度の大きさで整合を実現できる。このとき、比較例に比して、NMOSトランジスタMとMbiasとを流れるバイアス電流は約半分になり、NMOSトランジスタMbiasの大きさも約半分にできる。このようにgm2が小さくできる分、入力ノード(入力端子IN)に付く寄生容量を削減できる。NMOSトランジスタMbiasについては、もともと電流源として使用していたトランジスタに信号を入力するだけであるので、入力ノードの寄生容量の増加懸念はない。
また、入力ノードに接続されているNMOSトランジスタMとMbiasは雑音源となるが、上述の様にこれらのサイズを小さくでき、gm2,gmbiasを比較例の約半分にできるので、雑音も小さく出来る。
以上で説明した様に、本実施形態によれば、フィードバック経路のドレイン接地回路のバイアス電流源として用いられているトランジスタMbiasのゲートに、出力信号Voutとは逆相の信号を入力するようにしたので、トランジスタを追加せずにフィードバック量(負帰還の量)を増加できる。これにより、NMOSトランジスタMのgm2を比較例より小さくしても、比較例と同等な入力インピーダンスが得られる。従って、NMOSトランジスタM,Mbiasの大きさを比較例より小さくできるので、入力端子INにおける寄生容量を小さくできる。また、gm2,gmbiasを比較例より小さくできるので、雑音も小さくできる。
なお、NMOSトランジスタMとMbiasとが同じ大きさである一例について説明したが、異なっていても上述の効果が得られる。
(第2の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態の低雑音増幅器を2つ並列に用いて差動構成とした回路に関する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る低雑音増幅器の回路図である。同図に示す様に、低雑音増幅器は、NMOSトランジスタMと、NMOSトランジスタMと、NMOSトランジスタMbias1と、負荷ZL1と、NMOSトランジスタMと、NMOSトランジスタMと、NMOSトランジスタMbias2と、負荷ZL2と、容量C(第1の容量)と、容量C(第2の容量)とを備える。
入力端子INが、NMOSトランジスタMのゲートと、NMOSトランジスタMのソースと、NMOSトランジスタMbias1のドレインとに接続されている。NMOSトランジスタMのソースは接地電位VSSに接続され、そのドレインは出力端子OUTと、NMOSトランジスタMのゲートと、負荷ZL1の一端とに接続されている。負荷ZL1の他端は電源電位VDDに接続される。NMOSトランジスタMのドレインは電源電位VDDに接続される。NMOSトランジスタMbias1のゲートは容量Cを介して出力端子OUTに接続され、そのソースは接地電位VSSに接続される。
入力端子INが、NMOSトランジスタMのゲートと、NMOSトランジスタMのソースと、NMOSトランジスタMbias2のドレインとに接続されている。NMOSトランジスタMのソースは接地電位VSSに接続され、そのドレインは出力端子OUTと、NMOSトランジスタMのゲートと、負荷ZL2の一端とに接続されている。負荷ZL2の他端は電源電位VDDに接続される。NMOSトランジスタMのドレインは電源電位VDDに接続される。NMOSトランジスタMbias2のゲートは容量Cを介して出力端子OUTに接続され、そのソースは接地電位VSSに接続される。
NMOSトランジスタM,M,Mbias1は第1の半導体集積回路装置を構成し、NMOSトランジスタM,M,Mbias2は第2の半導体集積回路装置を構成している。
NMOSトランジスタMbias1,Mbias2の各ゲートには、NMOSトランジスタM,M,M,M,Mbias1,Mbias2が飽和領域で動作するように、バイアス電圧が加えられる。
入力端子IN,INの入力インピーダンスは、所定の帯域幅で信号源インピーダンスに電力整合している。入力端子INに入力された入力信号Vinは低雑音で増幅されて、出力端子OUTから出力信号Voutが出力される。入力端子INに入力された入力信号Vinとは逆相の信号は低雑音で増幅されて、出力端子OUTから出力信号Voutとは逆相の信号が出力される。
第1の半導体集積回路装置におけるNMOSトランジスタMbias1のゲートに、第2の半導体集積回路装置における出力信号Voutとは逆相の信号が入力される。第2の半導体集積回路装置におけるNMOSトランジスタMbias2のゲートに、第1の半導体集積回路装置における出力信号Voutが入力される。
NMOSトランジスタM,M,Mbias1と、NMOSトランジスタM,M,Mbias2は、それぞれ第1の実施形態と同様に動作するので、説明を省略する。
この様に、第1の実施形態の低雑音増幅器を2つ用いて差動構成としたので、各NMOSトランジスタMbias1,Mbias2への逆相の信号の入力は、各々の逆相側の出力信号を入力することで容易に実現できる。
次に、本実施形態の低雑音増幅器と、比較例の低雑音増幅器を差動構成にした回路との特性の比較について説明する。ここでは、両者の入力インピーダンス及び利得がほぼ同じとなる様にトランジスタサイズを調整した比較用回路を用いて比較を行う。
図6(a)は、本発明の第2の実施形態に係る低雑音増幅器の比較用回路の回路図である。図6(b)は、比較例に係る低雑音増幅器の比較用回路の回路図である。説明を分かり易くするため、各図6(a),(b)には差動構成の片側のみを示している。
図6(a),(b)の各比較用回路は、負荷として抵抗Rを用いており、抵抗RとNMOSトランジスタMのドレインとの間にカスコード接続されたNMOSトランジスタMcを備える。NMOSトランジスタMcのゲートにはバイアス電圧Vbias1が加えられる。各NMOSトランジスタMbias11,Mbias12のゲートにはバイアス電圧Vbias2が加えられる。
第1の実施形態と同様に、本実施形態の回路は、入力インピーダンスを比較例の回路と同一値にした上で、比較例の回路に比べフィードバック経路のドレイン接地回路(NMOSトランジスタM21)の相互コンダクタンスを小さくできる。ここでは、NMOSトランジスタM21とMbias11のサイズを等しくして、NMOSトランジスタM22とMbias12のサイズを等しくしている。この条件では、各NMOSトランジスタM21,Mbias11の相互コンダクタンスgm2は、各NMOSトランジスタM22,Mbias12の相互コンダクタンス2・gm2のおよそ半分となり、各NMOSトランジスタM21,Mbias11のチャネル幅は約半分になる。図6(a),(b)において、対応するNMOSトランジスタのバイアス電圧はほぼ同じであり、NMOSトランジスタM21とMbias11を流れるバイアス電流は、NMOSトランジスタM22とMbias12を流れるバイアス電流の約半分である。後述する様に、上記条件で、両者の入力インピーダンス及び利得はほぼ同じとなる。
また、図5で説明した様に、本実施形態では、出力ノード(つまり出力端子OUT)にはNMOSトランジスタM21のゲートに加えて逆相側のNMOSトランジスタMbias11(図示せず)のゲートが接続されることになる。しかし、各NMOSトランジスタM21,Mbias11の大きさは、比較例のNMOSトランジスタM22の半分であるため、出力の負荷となる容量は変わらない。
他の構成は、図5と同一であるため、同一の構成に同一の符号を付して説明を省略する。
次に、図6(a),(b)の各比較回路のシミュレーション結果について説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態及び比較例に係る低雑音増幅器の特性を示す図である。図7(a)はスミスチャートで表示した入力インピーダンス(S11)を表す。図7(b)は入力の電圧定在波比(VSWR)を表す。図7(c)は雑音指数(NF:Noise Figure)を表す。図7(d)は利得(S21)を表す。図7(b)から図7(d)の横軸は周波数を表す。
図7(a)から(d)に示す様に、利得と入力インピーダンスとをそろえた条件で、本実施形態では比較例よりNFが改善していることがわかる。例えば、周波数2.5GHzにおいて、NFは2.257dBから2.024dBに改善している。
なお、各NMOSトランジスタM21,Mbias11の大きさは比較例の各NMOSトランジスタM22,Mbias12の大きさの半分になっているので、入力の寄生容量も減少している。
以上で説明した様に、本実施形態によれば、第1の実施形態の低雑音増幅器を差動構成としたので、各NMOSトランジスタMbias1,Mbias2への逆相の信号の入力は、各々の逆相側の出力信号を入力することで容易に実現できる。
また、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。
例えば、NMOSトランジスタの代わりにPMOSトランジスタを用いても良い。
つまり、第1の実施形態の変形例として、図8に示す様に、PMOSトランジスタMp1,Mp2,Mpbiasを用いて低雑音増幅器を構成しても良い。図8の回路も第1の実施形態と同様に動作し、同様の効果が得られる。
また、第2の実施形態の変形例として、図9に示す様に、PMOSトランジスタMp1,Mp2,Mpbias1,Mp3,Mp4,Mpbias2を用いて低雑音増幅器を構成しても良い。図9の回路も第2の実施形態と同様に動作し、同様の効果が得られる。
これらの第1の実施形態の変形例と第2の実施形態の変形例とにおいては、第1の電位を接地電位VSSとし、第2の電位を電源電位VDDとする。
また、NMOSトランジスタMと負荷Zとから構成される増幅器として、上記実施形態以外の構成の回路を用いても良い。例えば、第1の実施形態においても、第2の実施形態の比較用回路と同様に、負荷ZとNMOSトランジスタMのドレインとの間にカスコード接続されたNMOSトランジスタMcを備えても良い。
また、負荷Z,ZL1,ZL2として、抵抗を用いても良く、インダクタ等を用いても良い。
〜M,Mbias,Mbias1,Mbias2,M21,M22,Mbias11,Mbias12,M NMOSトランジスタ
,ZL1,ZL2,R 負荷
,C 容量
p1〜Mp4,Mpbias,Mpbias1,Mpbias2 PMOSトランジスタ

Claims (5)

  1. 入力信号が入力される入力端子と、出力信号が出力される出力端子と、を有する増幅器と、
    バイアス電流を生成する第1のトランジスタを有し、前記バイアス電流により動作し、前記出力信号を入力してフィードバック信号を前記入力端子に供給するフィードバック回路と、
    を備え、
    前記第1のトランジスタのゲートに、前記出力信号とは逆相の信号が入力されることを特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 前記フィードバック回路は、
    ゲートに前記出力信号が入力され、ソースが前記入力端子に接続され、ドレインが第1の電位に接続され、前記第1のトランジスタと同一導電型である第2のトランジスタをさらに備え、
    前記第1のトランジスタは、
    ゲートにバイアス電圧がさらに加えられ、ソースが第2の電位に接続され、ドレインが前記入力端子に接続されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路装置。
  3. 前記増幅器は、
    ゲートが前記入力端子に接続され、ソースが前記第2の電位に接続され、ドレインが前記出力端子に接続されている、前記第1のトランジスタと同一導電型の第3のトランジスタと、
    前記第3のトランジスタの前記ドレインと前記第1の電位との間に接続されている負荷と、
    を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体集積回路装置。
  4. 請求項1から請求項3の何れかに記載の第1の半導体集積回路装置と、
    請求項1から請求項3の何れかに記載の第2の半導体集積回路装置と、を備え、
    前記第1の半導体集積回路装置における前記第1のトランジスタの前記ゲートに、前記出力信号とは逆相の前記信号として、前記第2の半導体集積回路装置における前記出力信号が入力され、
    前記第2の半導体集積回路装置における前記第1のトランジスタの前記ゲートに、前記出力信号とは逆相の前記信号として、前記第1の半導体集積回路装置における前記出力信号が入力されることを特徴とする半導体集積回路装置。
  5. 前記第1の半導体集積回路装置における前記第1のトランジスタの前記ゲートと、前記第2の半導体集積回路装置における前記出力端子との間に接続されている第1の容量と、
    前記第2の半導体集積回路装置における前記第1のトランジスタの前記ゲートと、前記第1の半導体集積回路装置における前記出力端子との間に接続されている第2の容量と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路装置。
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