JP5774090B2 - 低雑音指数および電圧可変利得を有する電力増幅器 - Google Patents

Description

相互参照
本出願は、２０１０年４月１９日出願の仏国特許出願第１０ ５２ ９５６号に基づくものであり、その開示全体がここに参照によって組み込まれ、その優先権がここに米国特許法第１１９条に基づいて主張される。

本発明は、無線モバイル通信インフラストラクチャの基地局用の広帯域の周波数（例えば７００ＭＨｚから２．６ＧＨｚ）で使用され得る、低ノイズで電圧可変利得を有する電力増幅器に関する。

無線周波数信号を発する／受信するシステムでは、受信シ−ケンスは、伝達情報を表す信号をフィルタリングして増幅する機能を有する受信器の増幅回路に伝達される信号を、アンテナが既知のやり方で受信するステップを含む。増幅器の主な役割は、信号雑音比の劣化と、有用な信号を増幅することによってもたらされる歪みとを低減することにより、信号を、復調回路向けの適切なレベルへと調節することである。無線通信インフラストラクチャ用受信器では、高度に線形で非常に低ノイズの増幅器に対する大きな要求がある。さらに、これらの受信器が必ずしも同一の性能妥協を必要とするとは限らないので、これらの増幅器は、様々な受信器製造業者の要件に適合することができなければならない。さらに、地形構成が様々であることから、ほとんどの場合に対処するために、性能が容易に調節可能でなければならない。例えば、柱または鉄塔の頂部に配置されたアンテナを基地局の容器の中に配置された受信器に接続するケーブル中の信号損失は、そのケーブルの長さ次第である。別の実例では、製造業者毎にフィルタの特性が異なる可能性がある。

受信器は、復調器の入力における信号レベルを調節し、必要に応じてその地形構成に対してできるだけ広範囲の利得変化を保証するために、低い雑音指数（すなわち「ＮＦ」）および調節可能な電力利得を有する必要がある。そのために、低ＮＦおよび可変利得の増幅器が、アンテナ、ケーブル、およびフィルタの直後の受信シ−ケンスに挿入される。増幅器からのノイズは、受信系統に対してノイズをほとんど付加しないように、十分に小さくなければならず、増幅器は、考えられる変化の全体の範囲にわたって、高レベルおよび低レベルの振幅の信号を、歪みなく同時に増幅することを可能にする十分な線形性および出力電力を持っていなければならない。さらに、いくつかの製造業者は、ほぼ一定の利得値を保つために、増幅器の利得を調節するオプションによって、受信シ−ケンスの内部の温度変化を相殺することを可能にしている。

テレビ受像機の同調器において特に用いられている現在既知の解決策の１つは、直線的に可変の減衰器に続く、低ノイズで固定利得の増幅器および混合器の後に配置された可変利得の増幅段で構成される。ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）技術を用いるこの解決策により、雑音指数の劣化を制限するのと同時に一定の出力利得レベルを得ることが可能になる。これは、テレビジョン信号を受信するための用途に適切である。しかし、この種の解決策によって達成可能な性能は、モバイル通信のインフラストラクチャ分野における必要性には適切ではない。

今日、例えば約９００ＭＨｚの範囲の、基地局用の低ノイズで可変利得の増幅器の性能は、通常、温度範囲全体にわたって、約１５〜２０ｄＢの利得変化範囲に対して、１ｄＢ未満の雑音指数と、約３０ｄＢの利得と、０ｄＢｍを上回る入力において約３の相互変調積とを有する。

したがって、基地局受信器のコストを低減するために、シリコンベースのマイクロエレクトロニクス技術で低コストの大量生産が可能な、低ノイズ、可変利得、高直線性で集積化が可能な増幅器が求められている。このトポロジは、無線周波数などのより高い周波数用途の要求を対象として含むように適合可能でなければならない。

利得変化範囲の全体にわたって、全体の周波数帯の中で、すべての温度に対して所望の利得値にできるだけ近いより正確な利得値を達成するために、非常に小さい振幅ステップ（例えば０．１ｄＢ未満）によって電力利得の変化を達成することも求められている。

本発明の目的は、ソース接地の低電圧用ＭＯＦＳＥＴトランジスタと、それに続く、ＭＯＦＳＥＴトランジスタより降伏電圧が少なくとも２倍高いベース接地のバイポーラ・トランジスタとの直列接続を備えたカスコード増幅段を備える、低雑音指数で可変利得の集積された増幅器である。バイポーラ・トランジスタのコレクタとカスコード段のＭＯＳＦＥＴトランジスタのグリッドの間に抵抗が配置され、カスコード段はチョークを介して給電される。

集積された増幅器は、機能を実現するのに必要なほとんどの能動素子および受動素子の集積化を可能にするマイクロエレクトロニクス半導体技術を用いて構成され得る増幅器である。

カスコード（「カソードにカスケード接続」の短縮形）段は、利得を数デシベルずつ連続的に変化することができる増幅段と同様に動作する。カスコード段は、線形性を保証し、雑音指数を劣化させることなく、できるだけ小さな利得変化間隔を可能にするように意図されている。線形性および電力を増加することは、電圧および電流の偏差が増加することを含んでいる。おおよそ３Ｖ、例えば約３Ｖ〜３．３Ｖの低電圧用ＭＯＳＦＥＴトランジスタと高降伏電圧のバイポーラ・トランジスタを組み合わせて使用すると、非常に優れた増幅器の線形性をもたらす。この組合せは、ＢｉＣＭＯＳ（バイポーラ相補性金属酸化膜半導体）として既知の技術で実現される。ソース接地ＭＯＳＦＥＴトランジスタにより、増幅器の線形性を改善することが可能になり、バイポーラ・トランジスタの高い降伏電圧（ＭＯＳＦＥＴトランジスタの降伏電圧の少なくとも２倍）によってカスコード段の出力における電圧偏差が増加し、したがって増幅器の線形性を改善することが可能になる。使用するトランジスタの寸法を縮小することを可能にする、高い降伏電圧を有するベース接地バイポーラ・トランジスタを使用することにより、周波数性能がわずかに劣化する。

第１の実施形態では、増幅器は、カスコード段の出力端に、少なくとも１つの切換え可能な減衰器をさらに備えてよい。所望の利得変化の範囲（約１５〜２０ｄＢ）を実現するために、カスコード段の出力端に、１つまたは複数の、高線形性で低損失の切換え可能な減衰器が付加されてよい。この切換え可能な減衰器は、損失を招き、増幅器の利得が十分な場合には、ノイズ値をほとんど増加させない。一方、全体の受信器の線形性を保つために、この減衰器は、線形性が高くなければならない。さらに、この切換え可能な減衰器は、減衰レベルにかかわらず、カスコード段の出力端において一定のインピーダンスを示す。

第２の実施形態では、増幅器は、カスコード段の入力端に、少なくとも１つの切換え可能な減衰器をさらに備えてよい。カスコード段の出力端に配置され得る切換え可能な減衰器のトポロジに類似したトポロジを有する入力減衰器を付加することにより、雑音指数に有害な低利得の設定における線形性が改善され得る。入力端におけるこの切換え可能な減衰器により、回路の使用を、すべての地形構成に対して、または非常に高レベルであり得る無線信号を受信するように、拡張することが可能になる。

第３の実施形態では、ＭＯＳＦＥＴトランジスタのグリッドに接続されている、切換え可能な減衰器の命令回路の入力端において必要とされる供給電圧は、カスコード段の供給電圧と同程度の大きさであり、切換え可能な減衰器のＭＯＳＦＥＴトランジスタのソースとドレインで必要とされるカスコード段の供給電圧未満の電圧である。

第４の実施形態では、増幅器は、バイポーラ・トランジスタのコレクタとカスコード段のＭＯＳＦＥＴトランジスタのグリッドの間に配置された抵抗をさらに備えてよい。この抵抗の機能は、バイポーラ・トランジスタのベース電圧が変動する場合に、線形性および帯域幅を改善し、カスコード段の入力端および出力端のインピーダンス変動を低減することである。

第５の実施形態では、増幅器は、実現されるべき利得の関数としてバイポーラ・トランジスタのベース電圧を制御するためのインターフェース回路をさらに備えてよい。このインターフェース回路は、ノイズの実質的な劣化をもたらすことなく、カスコード段のベース接地バイポーラ・トランジスタのベース電圧を制御するように意図されている。第１の利得のデシベルの命令は、カスコード段のベース接地バイポーラ・トランジスタのベース電圧を変化させることによって動作するアナログの命令である。印加されるベース電圧は、カスコード段の低ノイズ値および入力の線形性を保つために、インターフェース回路が電圧を調整することによって優先的に限定される。

第６の実施形態では、インターフェース回路は、他の場所で生成されてカスコード段の供給回路を介して増幅器に伝達される外部ノイズをフィルタリングするために、キャパシタに関連した抵抗をさらに備えてよい。

第７の実施形態では、増幅器は、増幅器をデジタル制御するための少なくとも１つのデジタル・アナロク変換器をさらに備えてよい。インターフェース回路は、デジタル入力によって利得を制御することを可能にする８ビットのデジタル・アナロク変換器（すなわち「ＤＡＣ」）によって駆動される。カスコード段およびインターフェース回路により、約２ｄＢの利得変化の範囲を有する仕様を実現することができる。

したがって、７００ＭＨｚから２．６ＧＨｚを上回るほとんどの遠距離通信規格の周波数範囲ばかりでなく、他の無線用途を対象として含み得るように設計された、広帯域であり得る、低ノイズで可変利得の集積された増幅器が実現される。

本発明の別の利点は、低ノイズの増幅、利得制御機能、および減衰機能を１つの回路に集積することにより、受信器における個々の電子的部品の数が著しく減少することである。それによって、受信器用途のボードが占有する表面積が１／５未満に縮小される。増幅器の内部にデジタル入力制御回路およびデジタル・アナロク変換器を付加した結果、工場内での利得調節が容易になる。デジタル利得命令手段が、変化の全体の範囲にわたって０．１ｄＢより優れた精度で得られる。

本発明の他の特徴および利点が、一実施形態の以下の説明を読み取ることで明らかになるはずであり、この説明は、もちろん限定的でない実例として添付図面に示される。

基地局の受信シーケンスの特定の一実施形態の概略図である。 低雑音指数および可変利得を有する集積された増幅器の一実施形態の概略図である。 カスコード段の特定の一実施形態の概略図である。 ベース電圧を制御するためのインターフェース回路の一実施形態の概略図である。 切換え可能な減衰器の一実施形態の概略図である。

図１は基地局の受信シーケンスを示す。アンテナが、増幅するべきＲＦ信号１００を受信する。アンテナを前部エミッタ／受信器１０１に接続するケーブルが、信号１００を送受切換器フィルタ１０２に伝達し、送受切換器フィルタ１０２により、有用な信号の第１のフィルタリングと同時に周波数受信範囲外の信号を大幅に減衰させることが可能になる。フィルタリングされた信号１００が受信器１０３に入り、受信器１０３により、送受切換器フィルタ１０２から来るフィルタリングされた信号１００を、混合器および復調器を備える復調回路１０４に送る以前に適合させることが可能になる。受信器１０３は、第１の極低ノイズの固定利得増幅器１０５（「低雑音増幅器」を意味する「ＬＮＡ」と称される）と、これに続く第２の極低ノイズの可変利得増幅器１０６（「可変利得増幅器」を意味する「ＶＧＡ」と称される）と、その次の電力分配器１０７とを備える。電力分配器１０７により、復調回路１０４の内部で増幅されたＲＦ信号１００を分配することが可能になる。デジタル・プロセッサ１０８により、特に、第２の増幅器１０６に命令することが可能になる。

極低ノイズで可変利得の第２のＶＧＡ増幅器１０６は、利得変化範囲の全体にわたって一定の入力線形性を有するように設計されている。第１のＬＮＡ増幅器１０５（または先頭増幅器）の利得は、利得が最小限のときに、受信シーケンスの内部の低雑音指数を保証するために、約２０ｄＢである。ほぼ２０ｄＢの利得変化の範囲、および固定利得の先頭増幅器１０５の雑音指数に基づいて、第２の可変利得増幅器１０６に対する所望の性能が決定される。この状況で、極低ノイズで可変利得の第２のＶＧＡ増幅器１０６は、約１２ｄＢの利得、５ｄＢの最大雑音指数、および入力における約３の相互変調積を有し、これは、約１５〜２０ｄＢの調整幅に対して２５ｄＢｍ大きい。第１に、第１のＬＮＡ増幅器１０５の利得を増加させると、線形性を保つために、第２の増幅器１０６の利得を低減し、電力消費を増加する必要性が生じることになる。第２に、第１のＬＮＡ増幅器１０５の利得を低減すると、第２の可変利得のＶＧＡ増幅器１０６の雑音指数を、利得変化範囲の全体にわたって保証することが非常に困難になるはずである。できるだけ正確で、所望の利得値にできるだけ近い受信器１０３の利得値を実現するために、利得変化の間隔に対する高精度の要求（例えば０．１ｄＢ未満、さらには０．５ｄＢ未満）がある。

図２は、低雑音指数で可変利得の電力増幅器１のＢｉＣＭＯＳ技術の特定の一実施形態（線形性が優れる）を示す図である。電力増幅器は、線形性および電力に関して、３次の相互変調積が１ワットより大きく、出力電力が０．１ワット（２０ｄＢｍ）よりはるかに大きい出力特性を有する増幅器である。増幅器１は、入力端２と出力端３の間にカスコード増幅段４備える。

第１の実施形態によれば、増幅器１は、カスコード段４のベース電圧を制御するためのポイントＢを備える接続６によってカスコード段４に接続されたインターフェース回路５をさらに備えてよい。

第２の実施形態では、増幅器１は、デジタルデータ８を受け取るデジタル・アナロク変換器７をさらに備えてよい。コンバータ７が、このデジタルデータ８をアナログ電圧に変換し、このアナログ電圧が、ポイントＡを備える接続９によってインターフェース回路５に伝達される。インターフェース回路５は、カスコード段４に所望の電圧を得るようにこの電圧を適合させ、それによって、０．１ｄＢ以下などの小さな間隔の利得変化を実現することを可能にする。

第３の実施形態では、増幅器１は、増幅器のノイズおよび線形性を劣化させることなく利得変化の範囲を増加するために、カスコード段４の出力に付加された１つまたは複数の切換え可能な減衰器１０ａ、１０ｂ、．．．、１０ｉをさらに備えてよい。ポイントＣを備える接続１１が、切換え可能な減衰器１０ａ、１０ｂ、．．．、１０ｉをカスコード段４に接続し、これらの減衰器は、カスコード段４からデジタル信号を受け取る。利得変化の範囲に関する仕様を実現するために、所望数の切換え可能な減衰器１０ａ、１０ｂ、．．．、１０ｉを付加するのは簡単なことである。

カスコード段２０が、図３に詳細に示されている。カスコード段２０は、ソース接地のＭＯＳＦＥＴトランジスタ２１と、それに続く高い降伏電圧（例えば約６〜７ボルト）を有するベース接地のバイポーラ・トランジスタ２２とで構築されており、これら２つのトランジスタ２１、２２は、カスコード増幅段２０の線形性および入出力間の絶縁を最適化するために、直列接続されている。所望の性能および利用可能な供給電圧次第で、より高い降伏電圧またはより低い降伏電圧を有するバイポーラ・トランジスタ２２を選択することが可能である。バイポーラ・トランジスタ２２の降伏電圧値は、好ましくは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ２１の降伏電圧値の少なくとも２倍である。「カスコード」設置を用いると、大きなサイズで大電流のトランジスタ２１、２２を使用することにより、無線性能を著しく劣化させることなく、カスコード段２０の線形性を改善することができる。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ２１と増幅器の入力端２の間に、キャパシタ２３が配置される。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ２１のグリッド電圧Ｖ_ｇｇが、カスコード段２０を通る電流を定義する。電流はカスコード段２０の雑音指数を劣化させないように高値抵抗２４を介して分極されている。カスコード段２０は、直流とＲＦ信号の間の減結合を保証する一方でチョーク２５の端子における電位降下を制限するために、チョーク２５を介してほぼ６Ｖ電圧のＶｍで給電される。これは、所与の供給電圧に対して、カスコード段２０の出力における可能な限り大きな電圧偏差を可能にする。高い降伏電圧を有するバイポーラ・トランジスタ２２を含んでいるカスコード段２０を使用することにより、分極電圧を上昇させることができ、したがってカスコード段２０の出力における電圧偏差を増加することが可能になる。

フィードバック抵抗２６により、所与の利得変化および所与の電圧偏差Ｂに対して、帯域幅を増加し、利得曲線をより平坦にして、カスコード段２０の線形性を改善することが可能になる。フィードバック抵抗２６により、その段の最大の利得を正確に定義し、安定性を改善することも可能になる。フィードバック抵抗２６により、ポイントＢにおける印加電圧を変化させることによって利得が変更される場合は常に、カスコード段２０の入力端におけるインピーダンスの変化を最小限にすることも可能になる。キャパシタ２３と、抵抗２６に対して直列に取り付けられたキャパシタ２７とにより、連続した電圧を減結合することが可能になる。

ポイントＢにおける電圧が変化する場合は常にＭＯＳＦＥＴトランジスタ２１のドレインとソース間の電圧が変化して、増幅器の利得を変化させる。所与のポイントＢにおける電圧の特定の範囲内では、入力における雑音指数および線形性は、利得の変化による影響をほとんど受けない。電圧のこの範囲は、約２ｄＢの利得変化を得るのに利用される。ポイントＢにおける電圧がわずかに低下するとき、バイポーラ・トランジスタ２２のベースとコレクタ間の電圧が増加して、ノイズの顕著な劣化なしでカスコード段２０の線形性におけるわずかな向上が観測され得る。

図４に示されるインターフェース回路３０により、雑音指数を劣化させることなく、この利得を制御して、カスコード増幅段の入力端（ポイントＢ）とデジタル・アナロク変換器の出力端（ポイントＡ）の間のインターフェースを保証することが可能になる。約２ｄＢの利得変化に対して、雑音指数および線形性が保たれる。バイポーラ・トランジスタ３１により、運用温度範囲の全体にわたってカスコード段で一定の分極を保つことができる。キャパシタ３３と組み合わせた抵抗３２は、電源から来るノイズをフィルタリングする機能を有する。このフィルタリングがないと、運用周波数に関する雑音指数および可変利得のＶＧＡ増幅器の減結合において大幅な劣化が観測される。

連続的なレベル・シフタを有する１ビット制御の切換え可能な減衰器４０が、図５に示されている。利得が低下するときに増幅器の線形性を改善するために、カスコード段の出力端または入力端に切換え可能な減衰器４０を付加してよい。切換え可能な減衰器４０は、この場合ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３によって短絡または開放して配置され得る抵抗４１、４２で構成された「π型」減衰器である吸収性の減衰器を備える。吸収性の減衰器４１、４２は別のタイプの減衰器で置換することもできる。

切換え可能な減衰器４０は、線形性および出力電圧偏差を改善するために、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３（３．３ボルト）のドレインとソースが、その最大電圧よりわずかに低い電圧（この状況では最大電圧３．３Ｖに対して３Ｖ）で分極されたＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３で構成された。線形性を向上するために、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３のドレインとソース間の電圧を変更しなければならないことがある。

さらに、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３のグリッドとソース間の電圧は、切換え可能な減衰器の挿入損失４０を主に改善するために、−１ボルト（ＭＯＳＦＥＴがオフ）および３ボルト（ＭＯＳＦＥＴがオン）のグリッドとソース間の電圧を実現するようにシフトされる。カスコード段の供給電圧Ｖｃｃと同一の供給電圧（６Ｖ）を切換え可能な減衰器４０の制御回路４５の入力端４４に与えることにより、デジタル減衰器は、出力損失が低減され、線形性が向上され得る。

ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３が抵抗４１と並列に接続される場合と、抵抗４２と直列に接続される場合とで、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３のサイズは異なる。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３のサイズは、オン状態における最小限の挿入損失、動作周波数、および所望の線形性の間の最善の妥協を実現するように決定される。

減衰器４０は、オン状態（最小の挿入損失＝ｘｄＢ）とオフ状態（最大の挿入損失＝ｙｄＢ）の間で切り換えられてよい。２つの状態間の減衰の差により、オフ状態のｚを、ｚ＝（ｙ−ｘ）ｄＢと定義することができる。最小限の挿入損失ｘは、主として、オン状態のＭＯＳＦＥＴトランジスタ４４の等価抵抗Ｒ_ｏｎ、およびオフ状態のＭＯＳＦＥＴトランジスタ４４の等価静電容量Ｃ_ｏｆｆ、ならびに様々な寄生要素および不整合による損失によるものである。シリコンベースのマイクロエレクトロニクス技術から増幅器を構成したとき、１ＧＨｚにおける最小限の挿入損失ｘは約０．２５ｄＢであった。オン状態の最大の挿入損失ｙは、抵抗４１、寄生要素、および不整合に関連づけられる。限られた数の減衰器が２^ｎ×ｚを対象にするために使用され、ｎは最低の減衰間隔値ｚによって与えられる。所望の利得および精度が得られることを保証するために、減衰間隔値ｚは、カスコード段に対して定義された利得変化の範囲より小さく選択される。

さらに、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４３のＲ_ｏｎ（オン状態のトランジスタの等価抵抗）が、吸収性減衰器の直列抵抗４２と同程度の大きさであるため、低減衰（＜０．５ｄＢ）および正確な間隔を形成するのは非常に困難である。したがって、０．５ｄＢ未満の減衰ステップが所望の場合には、利得を変化させるのにカスコード段を使用するのが望ましい。減衰器４０の入力インピーダンスは、一定であって、カスコード段の電力出力インピーダンスに等しく、この出力インピーダンスは、信号の電力が、カスコード段の出力において可能な限り大きくなるように選択される。

もちろん、本発明は、説明された実施形態に限定されず、本発明の精神から逸脱することなく、当業者に利用可能な多くの変形形態の対象となる。

Claims (7)

1. カスコード増幅段を備える、低雑音指数および可変利得を有する集積された電力増幅器であって、
   前記カスコード増幅段が、直列接続された、
   ソース接地の低電圧ＭＯＳＦＥＴトランジスタと、それに続く
   前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタの降伏電圧より少なくとも２倍高い降伏電圧を有するベース接地のバイポーラ・トランジスタと、
   前記バイポーラ・トランジスタのコレクタと前記カスコード段のＭＯＳＦＥＴトランジスタのグリッドの間に配置されたフィードバック抵抗とを備え、
   前記カスコード段が、前記バイポーラ・トランジスタの前記コレクタに接続されたチョークを介して給電され、
   得るべき利得の関数として前記バイポーラ・トランジスタのベース電圧を制御するためのインターフェース回路をさらに備える
   増幅器。
2. 前記インターフェース回路が、前記増幅器に伝達される外部ノイズをフィルタリングするために、キャパシタと組み合わせた抵抗をさらに備え得る請求項１に記載の増幅器。
3. 前記増幅器をデジタル制御するための少なくとも１つのデジタル・アナロク変換器をさらに備える請求項１又は２記載の増幅器。
4. 前記カスコード段の出力端に、少なくとも１つの切換え可能な減衰器をさらに備える請求項１に記載の増幅器。
5. 前記カスコード段の入力端に少なくとも１つの切換え可能な減衰器をさらに備える請求項１または４に記載の増幅器。
6. 前記切換え可能な減衰器の命令回路の入力端に与えられる供給電圧が、前記カスコード段の供給電圧と同程度の大きさであり、前記切換え可能な減衰器のＭＯＳＦＥＴトランジスタのソースとドレイン間に与えられる前記カスコード段の供給電圧未満の電圧である請求項４または５に記載の増幅器。
7. 前記フィードバック抵抗と、前記フィードバック抵抗に直列に接続されたキャパシタとが、前記バイポーラ・トランジスタの前記コレクタと前記カスコード段の前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタの前記グリッドの間に配置されている請求項１記載の増幅器。

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