JP5503437B2

JP5503437B2 - 位相可変増幅器

Info

Publication number: JP5503437B2
Application number: JP2010152961A
Authority: JP
Inventors: 豪松岡
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: JP2012015954A

Description

本発明は、入力された信号の位相とゲインとを変更できる位相可変増幅器に関する。

現在、ＲＦ（Radio Frequency）信号のノイズをキャンセル技術では、ノイズ波の位相を反転し、さらに出力を調整してノイズ波と加算することによってノイズをキャンセルしている。このような処理を実現する構成には、全ての周波数の信号を通過させ、ＲＦ帯で信号の位相を変化させる全域通過型フィルタ形式の移相器が用いられる。移相器と可変増幅器とを従属接続して位相可変増幅器を構成する従来技術は、例えば、非特許文献１に記載されている。

図４は、一般的な全域通過型フィルタ形式の移相器を説明するための回路図である。図４に示した移相器は、負電源ＶSS、正電源ＶDDの間に抵抗素子３０３、トランジスタ３０５、抵抗素子３０６が直列に接続されている。抵抗素子３０３の抵抗値はＲL、抵抗素子３０６の抵抗値はＲEである。
トランジスタ３０５のベースには容量素子３０２が接続されていて、ベースとコレクタとの間には可変容量の容量素子３０１が接続されている。容量素子３０１の容量値をＣfbと記す。容量３０４はＶoutが出力される出力ノード３０７の寄生容量を示す。容量３０４の容量値をＣpとする。

抵抗素子３０３はＬＯＡＤ抵抗で、トランジスタ３０５のコレクタに接続されて出力信号を得る。容量素子３０１は、トランジスタ３０５の出力ノードであるコレクタと入力ノードであるベース間にあって、トランジスタ３０５の出力信号にフィードバックをかけている。
ここで、入力ノード３０８より入力された入力信号Ｖinは、トランジスタ３０５のベースに入力され、トランジスタ３０５よって電圧−電流変換され、トランジスタ３０５コレクタに出力される。この電流は、抵抗素子３０３によって電流−電圧変換され、電圧は出力信号Ｖoutとして出力される。一方、出力信号は、容量素子３０１を介してトランジスタ３０５のベース側にフィードバックされる。

ここで、トランジスタ３０５のコレクタに接続される抵抗素子３０３の抵抗値ＲLとエミッタに接続される抵抗素子３０６の抵抗値ＲEとを適切に設定することにより、図４に示した回路のゲインを一定とすることができる。また、容量素子３０１の可変の容量値Ｃfbを変化させることにより、出力信号の位相のみを変化させることができる。

電子情報通信学会技術研究報告. US, 超音波 IEICE technical report. Ultrasonics 108(212) pp.57-61 20080918 社団法人電子情報通信学会

しかしながら、図４に示した移相器では、寄生容量Ｃpの影響でＲＦ帯における移相器の周波数特性が平坦でない（リップルを生じる）ことが問題になっている。また、このような移相器にゲイン可変増幅器を従属接続して位相可変増幅器を構成すると、位相可変増幅器の回路全体の電流が増加し、回路面積が大きくなる。さらに、移相器とゲイン可変増幅器とを従属接続すると、アンプの多段接続となるためにゲイン可変増幅器から出力される信号の線形性が劣化し、同様の理由でＮＦ（Noise Figure：雑音指数）が劣化するという問題もある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであって、回路規模が小型で低消費電流、出力信号の線形性に優れ、周波数特性が平坦であって、その上低ノイズの位相可変増幅器を提供することを目的とする。

本発明の位相可変増幅器は、入力信号の位相を調整する移相部（例えば図１に示した移相部１）と、当該移相部によって位相が調整された信号のゲインを増幅する可変ゲイン増幅部（例えば図１に示したゲイン可変増幅部２）と、を含み、前記移相部は、全域通過フィルタで構成される可変容量のフィードバック容量素子（例えば図１に示した容量素子１０３）と、前記フィードバック容量素子がコレクタとベースとの間、またはドレインとゲートとの間に接続され、前記入力信号の位相に対応する位相電流を生成する第１トランジスタ素子（例えば図１に示したトランジスタ１０１）と、を含み、前記可変ゲイン増幅部は、前記位相電流がテール電流として供給される第２トランジスタ素子（例えば図１に示したトランジスタ１０８）及び第３トランジスタ素子（例えば図１に示したトランジスタ１０９）を含む差動対と、前記第２トランジスタ素子に流れる電流を電圧に変換する抵抗素子（例えば図１に示した抵抗素子１０７）と、前記第２トランジスタ素子に流れる電流と前記第３トランジスタ素子に流れる電流を制御する制御信号を前記第２トランジスタ素子及び前記第３トランジスタ素子に出力する電流制御回路（例えば図１に示した制御回路１０６）と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の位相可変増幅器は、上記した発明において、前記移相部では、前記フィードバック容量素子の容量値が変更されることによって前記入力信号の位相が調整され、前記可変ゲイン増幅部では、前記制御信号によって前記第２トランジスタと前記第３トランジスタとに流れる電流の配分が変更されることによってゲインが調整されることが望ましい。

上記した本発明によれば、移相器と可変ゲイン増幅部を多段にして構成されていた回路の機能と同様の機能を、一つの回路によって果たすことができる。このため、回路規模の小型化と消費電流の低電流化に有利な位相可変増幅器を提供することが可能になる。
さらに、本実施形態によれば、従来のように、移相器と可変ゲイン増幅部とを多段に接続するものではないことから、増幅された出力信号の線形性を向上し、ＮＦを改善する効果を得ることができる。また、カスコードトランジスタを２つペアで用いることで可変増幅器を構成することができ、フィルタの周波数特性を平坦にして、位相とゲインを各々任意に可変できる位相可変増幅器を実現できる。

本発明の一実施形態の位相可変増幅器を説明するための図である。図１に示した位相可変増幅器がカスコード回路を構成していることを説明するための図である。本発明の一実施形態の位相可変増幅器の他の例を説明するための図である。一般的な全域通過型フィルタ形式の移相器を説明するための回路図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態の位相可変増幅器を説明するための図である。本実施形態の位相可変増幅器は、移相器に、入力信号を増幅する機能とその増幅率（ゲイン）を変更する機能とを付加した回路である。このような位相可変増幅器は、移相部１とゲイン可変増幅部２とによって構成されている。
移相部１は、入力ノード１０５から入力信号Ｖinを入力し、入力信号Ｖinの位相を調整する回路である。このため、移相部１は、バイポーラ型のトランジスタ１０１、トランジスタ１０１のベースと入力ノード１０５との間に接続される容量素子１０４、トランジスタ１０１のコレクタとベースとの間に、容量素子１０４と並列に接続される容量素子１０３、トランジスタ１０１のエミッタに接続される抵抗素子１０２を含むよう構成されている。

容量素子１０３は、その容量値を変化させることが可能な可変容量素子であって、後に述べるように、フィードバック容量素子として機能する。また、抵抗素子１０２のトランジスタ１０１に接続されていない端子は負の基準電圧ＶSSに接続される。
ゲイン可変増幅部２は、制御回路１０６、制御回路１０６によってベース電圧ＶBEを制御されるバイポーラ型のトランジスタ１０８、１０９、トランジスタ１０８のコレクタに接続される抵抗素子１０７を含む。トランジスタ１０８、１０９は、差動対を構成している。

トランジスタ１０１のコレクタは、トランジスタ１０８、１０９のエミッタ、及び容量素子１０３に接続されている。容量素子１０３の他端は、トランジスタ１０１のベースに接続されており、トランジスタ１０１にフィードバックをかけている。ベースが制御回路１０６に接続されたトランジスタ１０８、１０９は、制御回路１０６によってベース電圧ＶBEを制御される。トランジスタ１０８のコレクタに接続された抵抗素子１０７は、抵抗値がＲLのＲＯＡＤ抵抗である。抵抗素子１０７のトランジスタ１０８と接続されていない側の端子が出力ノード１１０となる。また、トランジスタ１０９のコレクタは正電源電圧ＶDDに接続される。

図１に示した位相可変増幅器では、入力ノード１０５から入力された入力信号Ｖinが、トランジスタ１０１のベースに容量素子１０４を介して印加される。印加された入力信号Ｖinの値に応じた電流がトランジスタ１０１のコレクタに出力されることにより、入力信号Ｖinは電圧−電流変換される。トランジスタ１０１のコレクタから出力された電流は、トランジスタ１０１のコレクタに接続されるトランジスタ１０８、１０９のエミッタに、テール電流として入力される。

前記したように、トランジスタ１０８、１０９のベースにかかるベース電圧ＶBEは、制御回路１０６によって制御されている。ベース電圧ＶBEの制御により、トランジスタ１０８とトランジスタ１０９とに流れ込む電流（被制御信号）の配分を変化させることができる。トランジスタ１０８に流れ込んだ被制御信号は、抵抗素子１０７において電流−電圧変換されて出力信号Ｖoutになる。
また、トランジスタ１０１のコレクタから出力された被制御信号の一部は、容量素子１０３によってトランジスタ１０１のベースにフィードバックされる。容量素子１０３の容量値を変化させ、フィードバックされる被制御信号の一部の大きさを変化させることにより、本実施形態は、位相可変増幅器から出力される出力信号の位相を変化させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、出力信号Ｖoutの大きさ（ゲイン）と、位相とを任それぞれ独立して変化させることができる位相可変増幅器を提供することができる。
図２は、図１に示した位相可変増幅器のうち、カスコード回路を構成する部分を抜き出して示した図である。図２中に示した構成のうち、図１に示した構成と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を一部略すものとする。

図２から明らかなように、本実施形態の位相可変増幅器は、トランジスタ１０１、１０８がカスコード接続されている。そして、制御回路１０６がトランジスタ１０８のベース電圧ＶBEを制御し、被制御信号の大きさを決定することにより出力信号Ｖoutの大きさを任意に決定することができる。このため、出力信号Ｖoutが寄生容量２０６の容量値Ｃpの影響を受け難くなり（寄生容量に対して強くなる）、出力信号Ｖoutの周波数特性を平坦にすることができる。

また、本実施形態によれば、可変移相器と可変増幅器とを、その一部が共通の素子によって構成されるようにすることができる。このため、移相器と可変ゲイン増幅部を多段にして構成されていた回路の機能と同様の機能を、一つの回路によって果たすことができる。このような本実施形態によれば、回路規模の小型化と消費電流の定電流化に有利な位相可変増幅器を提供することが可能になる。
さらに、本実施形態によれば、従来のように、移相器と可変ゲイン増幅部とを多段に接続するものではないことから、増幅された出力信号の線形性を向上し、ＮＦを改善する効果を得ることができる。

なお、本発明は、以上説明した構成に限定されるものではない。すなわち、図１に示した回路では、トランジスタ１０１、１０８、１０９のいずれにもバイポーラトランジスタを用いている。しかし、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、バイポーラトランジスタに代えて、ＭＯＳトランジスタを用いることも可能である。
図３は、バイポーラ型のトランジスタ１０１、１０８、１０９の代わりに、ＭＯＳトランジスタ８０１、８０８、８０９を用いた位相可変増幅器を示している。図３において、フィードバック容量素子として機能する容量素子１０３は、ＭＯＳトランジスタ８０１のゲートとドレインとの間に接続されている。

本発明は、入力された信号の位相とゲインとの両方を変更する回路であれば、どのような回路にも適用することが可能である。

１移相部
２ゲイン可変増幅部
１０１、１０８、１０９トランジスタ
１０２、１０７抵抗素子
１０３、１０４容量素子
１０５入力ノード
１０６制御回路
１１０出力ノード
２０６寄生容量

Claims

入力信号の位相を調整する移相部と、当該移相部によって位相が調整された信号のゲインを増幅する可変ゲイン増幅部と、
を含み、
前記移相部は、
全域通過フィルタで構成される可変容量のフィードバック容量素子と、
前記フィードバック容量素子がコレクタとベースとの間、またはドレインとゲートとの間に接続され、前記入力信号の位相に対応する位相電流を生成する第１トランジスタ素子と、を含み、
前記可変ゲイン増幅部は、
前記位相電流がテール電流として供給される第２トランジスタ素子及び第３トランジスタ素子を含む差動対と、
前記第２トランジスタ素子に流れる電流を電圧に変換する抵抗素子と、
前記第２トランジスタ素子に流れる電流と前記第３トランジスタ素子に流れる電流を制御する制御信号を前記第２トランジスタ素子及び前記第３トランジスタ素子に出力する電流制御回路と、
を含むことを特徴とする位相可変増幅器。
前記移相部では、前記フィードバック容量素子の容量値が変更されることによって前記入力信号の位相が調整され、前記可変ゲイン増幅部では、前記制御信号によって前記第２トランジスタと前記第３トランジスタとに流れる電流の配分が変更されることによってゲインが調整されることを特徴とする請求項１に記載の位相可変増幅器。