JP5239875B2

JP5239875B2 - バイアス電流生成回路、増幅器及び通信送受信回路

Info

Publication number: JP5239875B2
Application number: JP2009001014A
Authority: JP
Inventors: 恭明萬
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: JP2010161485A

Description

本発明は、バイアス電流生成回路及びそれを用いた増幅器に関し、特に温度条件や製造条件による利得変動を減らすバイアス電流の補正技術に関する。

増幅器の利得は、製造時のばらつきや温度条件によって変化するが、これらによらずに一定の値に制御されることが求められる。増幅器の利得を一定に保つ方法の一つとして、増幅器のバイアスを条件にあわせて制御する方法があげられる。
図７は、従来の増幅器におけるバイアス電流制御の示す図である。
具体的には、図７に例を示すとおり、増幅器５０の増幅段トランジスタ５１のトランスコンダクタンス（以降ｇ_mと記す）が一定になるようにバイアス回路５２に流すバイアス電流を制御する。
ここでトランジスタ５１のｇ_mは式１で表される。

・・・（式１）
ここで、ｄＩ_dはドレイン電流の微小変化、ｄＶｇはゲート電圧の微小変化をあらわす。製造時のばらつきや温度条件、バイアス（ＶｇのＤＣ電圧）によってｇ_mは変化する。

次に、図８は、ｇ_mを一定にするバイアス電流を生成する従来の回路を示す図である（非特許文献１参照）。図８において、トランジスタ６０のトランジスタ６１に対するサイズ比をｍ、抵抗６２の値をＲとすると、トランジスタ６１のｇ_mは

・・・（式２）
で与えられる。これは、トランジスタの製造条件や温度条件によらず、ｇ_mがｍとＲにのみ依存し、一定とすることができることを意味する。

図９は、ｇ_mを一定にするバイアス電流を生成する従来の別の回路を示す図である（特許文献１参照）。
図９においては、一対の差動トランジスタにおいて、ゲートに電圧差を与え、そのドレイン電流差が一定値になるようにバイアス電流を制御する。
すなわち、トランジスタ７０と７１に流れる電流差がΔＩ_dに等しくなるようにバイアス電流調整回路７２によってテール電流源７３を調整すると、

・・・（式３）
が成り立つ。このため、ΔＩ_d及びΔＶ_inを与えることで任意のｇ_mとなるようなバイアス電流を生成できる。
特開２００７−１８４６８８公報 Thomas H. Lee著「The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits Second Edition」Cambridge University Press出版、第３２５頁から第３２８頁

ところで、プロセスの微細化と回路動作の高速化の要望から、増幅器のトランジスタはゲート長を小さく設計することが要求される。一方で、ｇ_mが一定となるようなバイアス電流生成回路のトランジスタのゲート長Ｌを、増幅器のトランジスタにあわせて小さくすると、バイアス電流生成回路の消費電流が大きくなってしまうという欠点がある。消費電流を少なくするためにゲート幅Ｗを小さくすると、トランジスタの面積が小さくなり、製造上のばらつき（トランジスタの閾値電圧等のミスマッチ）により、誤差が大きくなってしまう。逆に、製造上のばらつきをおさえるためにトランジスタの面積を大きくし、かつ消費電流を下げるためには、バイアス電流生成回路におけるトランジスタのゲート長Ｌを大きくする必要があるが、校正用のバイアス電流生成回路のトランジスタと増幅器のトランジスタで特性が違ってしまい、精度が落ちるという欠点がある。従って、図８、図９のバイアス電流生成回路では精度よくｇ_mを一定に制御することができない。
本発明は、かかる事情に鑑み、精度良く増幅器における増幅段トランジスタのトランスコンダクタンスを一定に制御することのできるバイアス電流生成回路を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、スイッチを介して並列に接続された可変電流源及び定電源流からなり、前記スイッチがオンされて前記定電流源が接続されることで、供給する電流量を変化させるバイアス電流供給回路と、該バイアス電流供給回路からバイアス電流を供給されバイアス電圧としてのゲート電圧を発生するトランジスタを有するバイアス回路と、前記スイッチがオンの場合とオフの場合における前記バイアス回路からの前記バイアス電圧を比較して、前記各場合における前記ゲート電圧の変化量を検出する比較検出回路と、前記スイッチをオンした場合に前記トランジスタを流れる前記バイアス電流の変化量と前記トランジスタにおける前記ゲート電圧の変化量との比率が一定となるように、前記スイッチをオンしたときの前記トランジスタの前記ゲート電圧の変化量が所定の固定値と等しくなるように前記可変電流源からの前記バイアス電流を制御するバイアス制御回路と、を備えるバイアス電流生成回路を特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のバイアス電流生成回路において、前記バイアス制御回路はディジタル回路によって構成されたバイアス電流生成回路を特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のバイアス電流生成回路と接続され、該バイアス電流生成回路によって生成されたバイアス電流を用いる増幅器を特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の増幅器を備えた通信送受信回路を特徴とする。

以上のように構成したので、本発明は、バイアス電流を変化させたときのバイアス電圧の変化を検知することで、バイアス電流生成回路を接続した増幅器の増幅段トランジスタのコンダクタンスを検出するようにしたので、製造上のばらつきによって生じる個々のデバイスの特性の違いに影響されないようにすることが出来る。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明のバイアス電流生成回路の動作原理の概要を説明する図である。
図１において、バイアス回路７に流れるバイアス電流は、可変電流源２（流れる電流をＩ_dとする）と、スイッチ４を介して接続した定電流源３（ΔＩ_dとする）とによって供給さされている。
ただし、このような構成が唯一ではなく、電流Ｉ_dとＩ_d＋ΔＩ_dの両方がバイアス回路７に供給できれば良い。ここでΔＩ_dはＩ_dに比べて十分に小さいものとする。スイッチ４がオフのときはバイアス回路７に流れる電流はＩ_dであり、このときのバイアス電圧をＶ_gとする。また、スイッチ４がオンのときはバイアス回路７に流れる電流はＩ_d＋ΔＩ_dであり、このときのバイアス電圧はＶ_g＋ΔＶ_gとなる。
次に、ゲート電圧差（バイアス電圧差）検出・比較回路５により、スイッチ４のオン・オフにともなうバイアス回路７のバイアス電圧差ΔＶ_gを検出し、既定の固定値と比較してその大小を出力する。
次に、バイアス電流制御回路６により、スイッチ４のオン・オフによって生じるバイアス電圧差ΔＶ_gが規定値になるべく近くなるように、可変電流源２からのバイアス電流Ｉ_dを制御する。

図２は、本発明のバイアス電流生成回路を用いた増幅器の一例を示す図である。
図２において、バイアス電流生成回路１Ａに、増幅器のバイアス回路２０が接続される構成となっている。
バイアス回路２０には、増幅段トランジスタ２１が含まれており、また、バイアス電流生成回路１Ａのバイアス回路としてトランジスタ１５を使用している。
なお、図１と同じ構成について同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
トランジスタ１５に流れる電流は、可変電流源２とスイッチ４を介して接続する定電流源３によって決まる。
なお、スイッチ４、１０、１１は、図示しない制御回路によって適宜制御されるものとする。

今、可変電流源２の電流値がＩ_dに設定されているとする。スイッチ４がオフのとき、トランジスタ１５に流れる電流はＩ_dである。このとき、トランジスタ１５のゲート電圧はＶ_gであるとする。
次にスイッチ４をオンとした場合、トランジスタ１５に流れる電流はＩ_d＋ΔＩ_dとなる。このとき、ゲート電圧はＶ_g＋ΔＶ_gとなるとする。ｇ_mの定義（式４）より、トランジスタ１５にバイアス電流Ｉ_dを流したときのｇ_mは

・・・（式４）
となる。式４において、ΔＩ_dがＩ_dに比べて十分に小さい場合に等号が成り立つ。
次にゲート電圧差検出・比較回路５の動作を説明する。
まず、スイッチ４がオフのとき、ゲート電圧差検出・比較回路５のスイッチ１０をオフとし、スイッチ１１は図中上側（電圧Ｖ_a）を選択するようにする。

図３は、この状態のゲート電圧差検出・比較回路５のみを抜き出した図である。
図３において、比較器１３によるフィードバックがかかっているため、容量１２には電圧Ｖ_g−Ｖ_aに比例した電荷がチャージされる。
次に、スイッチ４をオンとし、ゲート電圧差検出・比較回路５のスイッチ１０はオフとする。このとき、スイッチ１１は図中下側（電圧Ｖ_a＋ΔＶ_a）を選択するようにする。
図４は、この状態のゲート電圧差検出・比較回路５のみを抜き出した図である。
先述のようにトランジスタ１５のゲート電圧はＶ_g＋ΔＶ_gとなっていることと、図３の場合においてチャージされた容量１２の電荷は保存されていることより、ノード１４の電圧は

・・・（式５）
となる。これより、比較器１３の出力スイッチ４のオン・オフによるΔＶ_gとΔＶ_aの大小の比較結果となる。
以上のように、比較器１３はスイッチ１０のオン時の入力電圧差と、スイッチ１０のオフ時の入力電圧差との大小を比較するため、仮に比較器１３自身に非理想特性としてＤＣオフセットが存在したとしても、結果に影響を与えないという利点がある。

次に、バイアス電流制御回路６について説明する。
先述のように、比較器１３の出力結果は、スイッチ４のオン・オフによるトランジスタ１５のゲート電圧差ΔＶ_gと固定値ΔＶ_aと比較結果である。バイアス電流制御回路６では、ΔＶ_g＝ΔＶ_aとなるようにＩ_dを制御する。このときトランジスタ１５は

・・・(式６)
が成り立っており、ｇ_mを一定にするバイアス電流Ｉ_dが生成できていることがわかる。このバイアス電流Ｉ_dを増幅器のバイアス回路２０に用いれば、バイアス回路２１の増幅段トランジスタ２１のｇ_mも一定とすることが出来る。
さらに、ｇ_mを一定とするような電流値はディジタル情報として保存することができるため、バイアス電流制御回路６をディジタル回路としてディジタル信号処理により実装することができ、Ｉ_dの値を離散的に変化させることが出来る。また、バイアス電流制御回路６の消費電流と実装面積を小さくすることができる。また、回路のいろいろな部分でｇ_mを一定とする電流値をディジタル制御線で設定するだけで簡単に生成することができる。

図５は、本発明に係るバイアス電流生成回路の変形例を示す図である。
図５の例において、バイアス電流生成回路１Ｂ内のトランジスタ１５のゲート電圧（ノード１６）を直接バイアス電圧として増幅器に供給してもよい。
以上のように、本発明のバイアス電流生成回路においては、バイアス電流を変化させたときのバイアス電圧の変化をみることでｇ_mを検出しているため、製造上のばらつきによって生じる個々のデバイスの特性の違いに影響されない。また、ｇ_mの定義どおりにバイアスの電流差と電圧差の比が一定となるようにバイアス電流を制御するため、このバイアス電流生成回路で作った電流をもちいると、半導体プロセスの微細化にともなってトランジスタの特性が複雑に変化しても、ｇ_mが一定とすることができる。
また、ｇ_mを一定にするようなバイアス電流を受け、ｇ_mを一定にするようなバイアス電圧を精度良く生成することができる。
また、かかるバイアス電流生成回路を用いることで、製造条件や温度条件によらずに利得を安定に保つことができる増幅器を実現できる。

図６は、本発明に係る増幅器を用いた通信装置の例を示す図である。
図６に示すよう通信装置３０は、アンテナ３１、アンテナへの入出力をそれぞれ切り替えるスイッチ３２、アンテナ３１から送信される信号を増幅するための送信用のＲＦ（Radio Frequency）部３３と、アンテナ３１により受信された信号を増幅するための受信用のＲＦ部３４と、受信用ＲＦ部３４により増幅された信号をインターフェイス信号に、送信用ＲＦ部３４で増幅されて送信されるべきインターフェイス信号をＲＦ信号に変換する周波数変換部３５と、ＲＦ信号、インターフェイス信号に対して信号処理を行うベースバンド部３６等から構成されている。
また、送信側ＲＦ部３３は、増幅器３７等を含み、受信用ＲＦ部３４は、受信したＲＦ信号を増幅する増幅器３８を含む。
増幅器３７、３８として、本発明のバイアス電流生成回路を用いた増幅器を用いることができ、通信装置に用いれば、内部に含まれる増幅器の利得が製造条件や温度条件によらずに一定に保たれるため、条件による半導体素子の特性変化を考慮しなくてもよく、回路構成を簡素化することができる。

本発明のバイアス電流生成回路の動作原理の概要を説明する図。本発明のバイアス電流生成回路を用いた増幅器の一例を示す図。ゲート電圧差検出・比較回路の詳細図（その１）。ゲート電圧差検出・比較回路の詳細図（その２）。本発明に係るバイアス電流生成回路の変形例を示す図。本発明に係る増幅器を用いた通信装置の例を示す図。従来の増幅器におけるバイアス電流制御の示す図。ｇ_mを一定にするバイアス電流を生成する従来の回路を示す図。ｇ_mを一定にするバイアス電流を生成する従来の別の回路を示す図。

１バイアス電流生成回路、２可変電流源、３定電流源、４スイッチ、５ゲート電圧差検出・比較回路、６バイアス電流制御回路、７バイアス回路、１０スイッチ、１１スイッチ、１２容量、１３比較器、１４ノード、１５トランジスタ、２０（増幅器の）バイアス回路、２３ノード、２４トランジスタ、３０通信装置、３１アンテナ、３２スイッチ、３３送信側ＲＦ部、３４受信用ＲＦ部、３４送信用ＲＦ部、３５周波数変換部、３６ベースバンド部、３７、３８増幅器、５０増幅器、５１トランジスタ、５１増幅段トランジスタ、５２バイアス回路、６０トランジスタ、６１トランジスタ、６２抵抗、７０トランジスタ、７２バイアス電流調整回路、７３テール電流源

Claims

スイッチを介して並列に接続された可変電流源及び定電源流からなり、前記スイッチがオンされて前記定電流源が接続されることで、供給する電流量を変化させるバイアス電流供給回路と、
該バイアス電流供給回路からバイアス電流を供給されバイアス電圧としてのゲート電圧を発生するトランジスタを有するバイアス回路と、
前記スイッチがオンの場合とオフの場合における前記バイアス回路からの前記バイアス電圧を比較して、前記各場合における前記ゲート電圧の変化量を検出する比較検出回路と、
前記スイッチをオンした場合に前記トランジスタを流れる前記バイアス電流の変化量と前記トランジスタにおける前記ゲート電圧の変化量との比率が一定となるように、前記スイッチをオンしたときの前記トランジスタの前記ゲート電圧の変化量が所定の固定値と等しくなるように前記可変電流源からの前記バイアス電流を制御するバイアス制御回路と、を備えることを特徴とするバイアス電流生成回路。
請求項１に記載のバイアス電流生成回路において、前記バイアス制御回路はディジタル回路によって構成されたことを特徴とするバイアス電流生成回路。
請求項１又は２に記載のバイアス電流生成回路と接続され、該バイアス電流生成回路によって生成されたバイアス電流を用いることを特徴とする増幅器。
請求項３に記載の増幅器を備えたことを特徴とする通信送受信回路。