JP5841506B2 - 半導体集積回路及びそれを備えた無線通信端末 - Google Patents

半導体集積回路及びそれを備えた無線通信端末 Download PDF

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Description

本発明は、半導体集積回路及びそれを備えた無線通信端末に関する。
無線通信端末には、フィルタとしての機能を有する増幅回路が設けられている。例えば、非特許文献1には、増幅回路を含む装置が開示されている。
H.-H. Nguyen et al, "84 dB 5.2 mA digitally-controlled variable gain amplifier", Electronics Letters, 2008, Vol.44, No.5, pp.344-345 Aarno Parssinen, "DIRECT CONVERSION RECEIVERS IN WIDE-BAND SYSTEMS", Kluwer Academic Publishers, pp.76-103
本願の発明者等は、無線通信端末等に用いられる半導体集積回路の開発に際し、様々な課題を見出した。本願で開示される各実施の形態は、例えば、無線通信端末に好適な半導体集積回路を提供する。さらに詳細な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにされる。
本明細書に開示される一つの態様は、半導体集積回路を含み、当該半導体集積回路は、制御信号に応じた電流経路及び迂回経路を設定する可変抵抗部を有する。
前記一実施の形態によれば、良質な半導体集積回路及びそれを備えた無線通信端末を提供することができる。
実施の形態1にかかる無線通信端末の一例を示す外観図である。 実施の形態1にかかる無線通信端末の一例を示す外観図である。 実施の形態1にかかる無線通信端末の内部構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態1にかかる反転増幅回路の構成例を示すブロック図である。 実施の形態1にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC1の構成例を示す回路図である。 実施の形態1にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC1に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態と反転増幅回路の電圧利得との関係を示す図である。 実施の形態2にかかる反転増幅回路の構成例を示すブロック図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成例を示す回路図である。 T型抵抗減衰器を示す回路図である。 π型抵抗減衰器を示す回路図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態と反転増幅回路の電圧利得との関係を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の等価回路を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の等価回路を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の等価回路を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の等価回路を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の等価回路を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の等価回路を示す図である。 実施の形態2にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の効果を説明するための図である。 実施の形態3にかかる反転増幅回路の構成例を示すブロック図である。 実施の形態3にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC3の構成例を示す回路図である。 実施の形態4にかかる反転増幅回路の構成例を示すブロック図である。 実施の形態4にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC4の構成例を示す回路図である。 実施の形態に至る前の構想にかかる反転増幅回路10の構成例を示す図である。 実施の形態に至る前の構想にかかる反転増幅回路20の構成例を示す図である。 プログラマブル電圧電流変換器PVIC20に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態と反転増幅回路の電圧利得との関係を示す図である。
<発明者らによる事前検討>
実施の形態の説明をする前に、本発明者等が事前検討した内容について説明する。
以前から、無線通信端末等に搭載される無線信号処理回路では、複数の機能ブロック(信号を増幅する増幅器、信号の周波数を変換するミキサ、信号の所望の帯域のみ通過させるフィルタなど)がそれぞれ個別部品として設けられていた。しかしながら、近年の半導体技術の向上により、無線信号処理回路を構成する複数の機能ブロックの多くを、1つの半導体チップへ内蔵することが可能となってきている。さらに、複数の無線アクセスシステムに対応可能な無線信号処理回路が携帯電話向け等で一般化してきている。このような1つ或いは数個の半導体チップに内蔵された無線信号処理回路は、アンテナから受信した高周波信号を高い品質(低雑音、高線形性、所望以外の帯域の信号を抑圧等)でより低い周波数帯の信号に変換する。
無線信号処理回路を低コストで実現するためには、無線信号処理回路を構成する複数の機能ブロックの多くを1つの半導体チップへ内蔵する必要がある。この目的に対する障害の一つに所望以外の帯域の信号を抑圧するフィルタ回路の半導体チップへの内蔵化が挙げられる。一般に、このフィルタ回路は、SAW(Surface Acoustic Wave)フィルタ、誘電体フィルタなどを用いて構成されており、所望以外の帯域に存在する信号を抑圧する。しかし、SAWフィルタや誘電体フィルタは、その構成から、半導体チップへ内蔵することができない。
個別部品からなる無線信号処理回路は、スーパーヘテロダイン方式で構成されており、SAWフィルタや誘電体フィルタを必要とするが、これらは半導体チップへ内蔵することができない。そのため、半導体で製造する無線信号処理回路をスーパーヘテロダイン方式で構成すると、半導体チップ外部にSAWフィルタや誘電体フィルタを外付けすることになる。その結果、部品点数、実装面積が増大してしまう。
そこで、半導体チップ間の部品定数の絶対値はばらつくが、1つの半導体チップ内での部品定数の相対値は高精度で一致するという半導体回路の長所を利用し、SAWフィルタや誘電体フィルタを必要としない無線信号処理回路方式が提案されている。この方式には、例えば、ゼロIF方式、低IF方式等がある。いずれの方式も外付けのSAWフィルタや誘電体フィルタが不要であり、所望の帯域以外の帯域に存在する信号の抑圧は半導体へ内蔵可能なフィルタによって行われる。ただし、無線方式、或いはシステム的要求によっては、一部のフィルタを外付けにする必要が生ずることもある。
ゼロIF方式や低IF方式などの基本原理は、例えば、非特許文献2を参照されたい。ゼロIF方式、低IF方式には、1つの信号をI成分とQ成分の2つの成分に分解して処理するという共通の動作的な特徴がある。同一の周波数で90度位相の異なる2つの局部発振信号(局発信号)と、アンテナ等によって受信された無線信号とを直交ミキサに入力することにより、当該アンテナ等によって受信された無線信号はI成分とQ成分に分解される。
なお、無線信号処理回路は、上記した直交ミキサの後段に、当該直交ミキサの出力結果を増幅する増幅回路、当該増幅回路の出力信号を減衰することにより当該増幅回路を線形動作範囲内で動作させるアッテネータ(減衰器)、及び、所望のチャネル帯域のみを通過させるチャネルフィルタを少なくとも備える。
このような半導体技術を参考にして、図22及び図23に示す回路を検討した。図22は、実施の形態に至る前の構想にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)10の構成例を示す図である。図23は、実施の形態に至る前の構想にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)20の構成例を示す図である。これら反転増幅回路10,20は、無線信号処理回路の一部に用いられる。
<実施の形態に至る前の構想にかかる反転増幅回路10>
最初に、図22に示す反転増幅回路10を説明する。反転増幅回路10は、入力端子INT,INBに供給されたミキサ(不図示)の出力結果Vinを増幅し、増幅結果Voutを出力端子OUTT,OUTBから出力する回路である。
図22に示す反転増幅回路10は、演算増幅器(増幅回路)OPA、帰還抵抗RFBT,RFBB、及び、電圧電流変換器PVIC10を備える。
電圧電流変換器PVIC10の入力端子IT,IBはそれぞれ反転増幅回路10の入力端子INT,INBに接続される。電圧電流変換器PVIC10の出力端子OT,OBはそれぞれ演算増幅器OPAの反転入力端子,非反転入力端子に接続される。演算増幅器OPAの非反転出力端子,反転出力端子はそれぞれ反転増幅回路10の出力端子OUTT,OUTBに接続される。帰還抵抗RFBTは、演算増幅器OPAの非反転出力端子及び反転入力端子間に設けられる。帰還抵抗RFBBは、演算増幅器OPAの反転出力端子及び非反転入力端子間に設けられる。
電圧電流変換器PVIC10は、抵抗素子R101T,R101Bを有する。電圧電流変換器PVIC10において、抵抗素子R101Tは入力端子ITと出力端子OTとの間に設けられる。抵抗素子R101Bは入力端子IBと出力端子OBとの間に設けられる。
なお、以下では、抵抗素子R101T,R101Bのそれぞれの抵抗値がRである場合を例に説明する。
続いて、図22に示す反転増幅回路10の詳細な動作を説明する。
電圧電流変換器PVIC10の出力端子OT,OBは、それぞれ、帰還抵抗RFBT,RFBBによって負帰還がかけられた演算増幅器OPAの非反転入力端子及び反転入力端子に接続されている。したがって、電圧電流変換器PVIC10の出力端子OT,OBは、同じ電位を示す。
このとき、電圧電流変換器PVIC10の出力電流Iin10は、電圧電流変換器PVIC10から演算増幅器OPAに向けて流れる電流を正の電流とすると、以下の式(1)のように表される。
Iin10=IOT−IOB=(VINT−VINB)/R ・・・(1)
なお、IOT,IOBは、それぞれ電圧電流変換器PVIC10の出力端子OT,OBに流れる電流を示す。VINT,VINBは、それぞれ反転増幅回路10の入力端子INT,INBの電位を示す。
この電流Iin10は、帰還抵抗RFBT,RFBBにより電圧に変換された後、出力端子OUTT,OUTBから出力される。したがって、電圧電流変換器PVIC10を備えた反転増幅回路10の電圧利得G10は、以下の式(2)のように表される。
G10=(VOUTT−VOUTB)/(VINT−VINB
=−Iin10×R/(VINT−VINB
=−R/R ・・・(2)
なお、VOUTT,VOUTBは、それぞれ出力端子OUTT,OUTBの電位を示す。
<実施の形態に至る前の構想にかかる反転増幅回路20>
次に、図23に示す反転増幅回路20を説明する。反転増幅回路20は、図22に示す反転増幅回路10と比較して、電圧電流変換器PVIC10に代えて、プログラマブル電圧電流変換器(可変抵抗部)PVIC20を備える。反転増幅回路20のその他の回路構成及び動作については、反転増幅回路10と同様であるため、その説明を省略する。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC20は、反転増幅回路20の電圧利得をプログラマブルに制御する。例えば、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20は、反転増幅回路20の増幅結果Voutをプログラマブルに減衰して当該反転増幅回路20を線形動作範囲内で動作させている。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC20は、抵抗素子R201T〜R204T,R201B〜R204B及びスイッチ素子S201T〜S204T,R201B〜R204Bを有する。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC20において、抵抗素子R201T〜R204Tは入力端子ITと出力端子OTとの間に並列に設けられる。スイッチ素子S201T〜S204は、それぞれ抵抗素子R201T〜R204Tに直列に接続される。抵抗素子R201B〜R201Bは入力端子IBと出力端子OBとの間に並列に設けられる。スイッチ素子S201B〜S204Bは、それぞれ抵抗素子R201B〜R204Bに直列に接続される。
なお、以下では、抵抗素子R201T,R201Bのそれぞれの抵抗値がR、抵抗素子R202T,R202Bのそれぞれの抵抗値が2R、抵抗素子R203T,R203Bのそれぞれの抵抗値が4R、抵抗素子R204T,R204Bのそれぞれの抵抗値が8Rである場合を例に説明する。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC20は、制御回路(不図示)からの制御信号に基づいてスイッチ素子S201T〜S204T,S201B〜S204Bのそれぞれの導通状態を制御することにより、入力端子ITと出力端子OTとの間の合成抵抗、及び、入力端子IBと出力端子OBとの間の合成抵抗、をプログラマブルに制御する。それにより、反転増幅回路20は、入力電圧Vinを所望の電圧利得で増幅して増幅結果Voutとして出力することができる。その結果、反転増幅回路20は、例えば、増幅結果Voutを減衰して線形動作範囲内で動作することができる。
続いて、図23に示す反転増幅回路20の詳細な動作を説明する。
各スイッチ素子S201T〜S204T,S201B〜S204Bは、例えば、MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やJFET(Junction Field Effect Transistor)等のFET(Field Effect Transistor)によって構成される。したがって、スイッチ素子S201T〜S204T,S201B〜S204Bのそれぞれのオン抵抗は、以下の式(3)を満たすように調整されることが好ましい。それにより、素子ばらつきや温度特性等の影響が軽減される。
RS204=2×RS203=4×RS202=8×RS201・・・(3)
なお、RS201〜RS204は、それぞれスイッチ素子S201T〜S204Tのオン抵抗を示すとともに、それぞれスイッチ素子S201B〜S204Bのオン抵抗を示す。
図24は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態と反転増幅回路20の電圧利得との関係を示す図である。
まず、スイッチ素子S201T,S201Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20の電圧電流変換利得gm20は、図22に示す電圧電流変換器PVIC10の電圧電流変換利得gm10と同じ1/Rとなる。また、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、反転増幅回路10の電圧利得G10と同じ20×log10(|G20|)dBとなる。
次に、スイッチ素子S202T,S202Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20の電圧電流変換利得gm20は1/(2R)となる。つまり、電圧電流変換利得gm20は、電圧電流変換利得gm10の1/2になる。また、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、20×log10(|G20|/2)dBとなる。つまり、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約6dB減衰する。
次に、スイッチ素子S203T,S203Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20の電圧電流変換利得gm20は1/(4R)となる。つまり、電圧電流変換利得gm20は、電圧電流変換利得gm10の1/4になる。また、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、20×log10(|G20|/4)dBとなる。つまり、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約12dB減衰する。
次に、スイッチ素子S204T,S204Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20の電圧電流変換利得gm20は1/(8R)となる。つまり、電圧電流変換利得gm20は、電圧電流変換利得gm10の1/8になる。また、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、20×log10(|G20|/8)dBとなる。つまり、このときの反転増幅回路20の電圧利得G20は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約18dB減衰する。
このように、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20を備えた反転増幅回路20は、プログラマブルに電圧利得を制御することができる。
しかしながら、図23に示す反転増幅回路20では、プログラマブル電圧電流変換器PVIC20に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態の切り替わりに応じて演算増幅器OPAの両入力端子からプログラマブル電圧電流変換器PVIC20を見たインピーダンスが変化してしまう。そのため、図23に示す反転増幅回路20では、帰還信号の位相回転により増幅結果Voutの周波数特性が意図せず変化してしまう、という問題があった。さらに、図23に示す反転増幅回路20では、前段の増幅回路(不図示)から見たインピーダンスの変化により当該前段の増幅回路の電圧利得が意図せず変化してしまう、という問題があった。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(動作ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等(個数、数値、量、範囲等を含む)についても同様である。
<実施の形態1>
まず、図1A及び図1Bを参照して、本実施の形態にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)が適用される電子機器として好適な無線通信端末の概要について説明する。図1A及び図1Bは、無線通信端末500の構成例を示す外観図である。なお、図1A及び図1Bでは、無線通信端末500がスマートフォンである場合について示している。しかしながら、無線通信端末500は、フューチャーフォン(例えば、折り畳み式の携帯電話端末)、携帯ゲーム端末、タブレットPC(Personal Computer)、ノートPC等のその他の無線通信端末であってもよい。また、当然のことながら、本実施の形態にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)は、無線通信端末以外に適用することも可能である。
図1Aは、無線通信端末500を形成する筐体501の一方の主面(前面)を示している。筐体501の前面には、ディスプレイデバイス502、タッチパネル503、幾つかの操作ボタン504、及び、カメラデバイス505が配置されている。一方、図1Bは、筐体501の他方の主面(背面)を示している。筐体501の背面には、カメラデバイス506が配置されている。
ディスプレイデバイス502は、LCD(Liquid Crystal Display)やOLED(Organic Light-Emitting Diode)ディスプレイ等であり、その表示面が筐体501の前面に位置するように配置されている。タッチパネル503は、ディスプレイデバイス502の表示面を覆うように配置されるか、或いはディスプレイデバイス502の裏面側に配置され、ユーザーによる表示面への接触位置を検知する。つまり、ユーザーは、指や専用のペン(一般に、スタイラスと呼称される)等でディスプレイデバイス502の表示面に触れることで、無線通信端末500を直感的に操作することができる。また、操作ボタン504は、無線通信端末500に対する補助的な操作に用いられる。なお、無線通信端末によっては、このような操作ボタンが設けられないこともある。
カメラデバイス506は、そのレンズユニットが筐体501の背面に位置するように配置されたメインカメラである。一方、カメラデバイス505は、そのレンズユニットが筐体501の前面に位置するように配置されたサブカメラである。なお、無線通信端末によっては、このようなサブカメラが設けられないこともある。
続いて、図2を参照して、本実施の形態にかかる無線通信端末500の内部構成を説明する。図2は、本実施の形態にかかる無線通信端末500の内部構成の一例を示すブロック図である。図2に示すように、無線通信端末500は、アプリケーションプロセッサ601、ベースバンドプロセッサ602、RF(Radio Frequency)サブシステム603、メモリ604、バッテリ605、パワーマネジメントIC(PMIC:Power Management Integrated Circuit)606、表示部607、カメラ部608、操作入力部609、オーディオIC610、マイク611、及び、スピーカ612を含む。
アプリケーションプロセッサ601は、メモリ604に格納されたプログラムを読み出して、無線通信端末500の各種機能を実現するための処理を行う。例えば、アプリケーションプロセッサ601は、メモリ604からOS(Operating System)プログラムを実行すると共に、このOSプログラムを動作基板とするアプリケーションプログラムを実行する。
ベースバンドプロセッサ602は、無線通信端末500が送受信するデータに対して符号化(例えば、畳み込み符号やターボ符号等の誤り訂正符号化)処理又は復号化処理等を含むベースバンド処理を行う。より具体的には、ベースバンドプロセッサ602は、送信データをアプリケーションプロセッサ601から受け取り、受け取った送信データに対して符号化処理を施して、RFサブシステム603に送信する。また、ベースバンドプロセッサ602は、RFサブシステム603から受信データを受け取り、受け取った受信データに対して復号化処理を施してアプリケーションプロセッサ601に送信する。
RFサブシステム603は、無線通信端末500が送受信するデータに対する変調処理又は復調処理を行う。より具体的には、RFサブシステム603は、ベースバンドプロセッサ602から受け取った送信データを搬送波により変調処理して送信信号を生成し、アンテナを介して送信信号を出力する。また、RFサブシステム603は、アンテナを介して受信信号を受信し、受信信号を搬送波により復調処理して受信データを生成し、当該受信データをベースバンドプロセッサ602に送信する。
メモリ604は、アプリケーションプロセッサ601により利用されるプログラム及びデータを格納する。また、メモリ604は、電源が遮断されても記憶したデータを保持する不揮発性メモリと、電源が遮断された場合に記憶したデータがクリアされる揮発性メモリを含む。
バッテリ605は、電池であり、無線通信端末500が外部電源によらずに動作する場合に利用される。なお、無線通信端末500は、外部電源が接続されている場合においてもバッテリ605の電源を利用してもよい。また、バッテリ605としては、二次電池を利用することが好ましい。
パワーマネジメントIC606は、バッテリ605又は外部電源から内部電源を生成する。この内部電源は、無線通信端末500の各ブロックに与えられる。このとき、パワーマネジメントIC606は、内部電源の供給を受けるブロック毎に内部電源の電圧を制御する。パワーマネジメントIC606は、アプリケーションプロセッサ601からの指示に基づき内部電源の電圧制御を行う。さらに、パワーマネジメントIC606は、ブロック毎に内部電源の供給と遮断とを制御することもできる。また、パワーマネジメントIC606は、外部電源の供給がある場合、バッテリ605への充電制御も行う。
表示部607は、例えば、液晶表示装置であって、アプリケーションプロセッサ601における処理に従い様々な画像を表示する。表示部607において表示される画像には、ユーザーが無線通信端末500に動作指示を与えるユーザーインタフェース画像、カメラ画像、動画等が表される。
カメラ部608は、アプリケーションプロセッサからの指示に従い、画像を取得する。操作入力部609は、ユーザーが操作して無線通信端末500に操作指示を与えるユーザーインタフェースである。オーディオIC610は、アプリケーションプロセッサ601から送信される音声データをデコードしてスピーカ612を駆動すると共に、マイク611から得た音声情報をエンコードして音声データを生成し、当該音声データをアプリケーションプロセッサ601に出力する。
<実施の形態1にかかる反転増幅回路1の構成例>
図3は、実施の形態1にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)1の構成例を示す図である。本実施の形態にかかる反転増幅回路1は、複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態をプログラマブルに切り替えることにより、所望の電圧電流変換利得の電流を流す電流経路を設定するとともに、当該電圧電流変換利得に基づき不要となった電流を迂回させる迂回経路を設定するプログラマブル電圧電流変換器を備える。それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路1は、プログラマブル電圧電流変換器の入出力インピーダンスの変動を抑制して、精度の高い増幅結果Voutを出力することができる。以下、具体的に説明する。なお、図3に示す反転増幅回路1は、例えば、図2に示す無線通信端末500内のRFサブシステム603に適用される。
図3に示す反転増幅回路1は、演算増幅器(増幅回路)OPA、帰還抵抗(第1帰還抵抗)RFBT、帰還抵抗(第2帰還抵抗)RFBB、及び、プログラマブル電圧電流変換器(可変抵抗部)PVIC1を備える。
反転増幅回路1は、入力端子(第1及び第2外部入力端子)INT,INBに供給されたミキサ(不図示)の出力結果Vinを増幅し、増幅結果(差動増幅信号)Voutを出力端子OUTT,OUTBから出力する。プログラマブル電圧電流変換器PVIC1は、内部の合成抵抗をプログラマブルに切り替えることにより、反転増幅回路1の電圧利得を制御している。それにより、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1は、例えば、反転増幅回路1の増幅結果Voutをプログラマブルに減衰して当該反転増幅回路1を線形動作範囲内で動作させている。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の入力端子IT,IBはそれぞれ反転増幅回路1の入力端子INT,INBに接続される。プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の出力端子OT,OBはそれぞれ演算増幅器OPAの反転入力端子,非反転入力端子に接続される。演算増幅器OPAの非反転出力端子,反転出力端子はそれぞれ反転増幅回路1の出力端子OUTT,OUTBに接続される。帰還抵抗RFBTは、演算増幅器OPAの非反転出力端子及び反転入力端子間に設けられる。帰還抵抗RFBBは、演算増幅器OPAの反転出力端子及び非反転入力端子間に設けられる。
本実施の形態では、帰還抵抗RFBT,RFBBのそれぞれの抵抗値がRである場合を例に説明する。
図4は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の具体的な構成例を示す回路図である。プログラマブル電圧電流変換器PVIC1は、抵抗素子(第1抵抗素子)R11T〜R14T、抵抗素子(第2抵抗素子)R11B〜R14B、抵抗素子(第3抵抗素子)R21T〜R23T,R21B〜R23B、スイッチ素子(第1スイッチ素子)S11T〜S14T、スイッチ素子(第2スイッチ素子)S11B〜S14B、及び、スイッチ素子(第3スイッチ素子)S21T〜S23T,S21B〜S23Bを有する。
抵抗素子R11T〜R14Tのそれぞれの一端は、入力端子ITに接続される。抵抗素子R11T〜R14Tのそれぞれの他端は、スイッチ素子S11T〜S14Tのそれぞれの第1端子にそれぞれ接続される。スイッチ素子S11T〜S14Tのそれぞれの第2端子は、ノードN11Tを介して出力端子OTに接続される。スイッチ素子S11T〜S13Tのそれぞれの第3端子は、ノード(共通ノード)N12に接続される。抵抗素子R11B〜R14Bのそれぞれの一端は、入力端子IBに接続される。抵抗素子R11B〜R14Bのそれぞれの他端は、スイッチ素子S11B〜S14Bのそれぞれの第1端子にそれぞれ接続される。スイッチ素子S11B〜S14Bのそれぞれの第2端子は、ノードN11Bを介して出力端子OBに接続される。スイッチ素子S11B〜S13Bのそれぞれの第3端子は、ノード(共通ノード)N12に接続される。
抵抗素子R21T,R21Bは、出力端子OT,OB間に直列に接続される。抵抗素子R22T,R22Bは、抵抗素子R21T,R21Bに並列に接続される。抵抗素子R23T,R23Bは、抵抗素子R21T,R21Bに並列に接続される。スイッチ素子S21T,S21Bは、抵抗素子R21T,R21Bに直列に接続される。スイッチ素子S22T,S22Bは、抵抗素子R22T,R22Bに直列に接続される。スイッチ素子S23T,S23Bは、抵抗素子R23T,R23Bに直列に接続される。
本実施の形態では、抵抗素子R11T,R11Bのそれぞれの抵抗値が2R、抵抗素子R12T,R12Bのそれぞれの抵抗値が4R、抵抗素子R13T,R13Bのそれぞれの抵抗値が8R、抵抗素子R14T,R14Bのそれぞれの抵抗値が8R、抵抗素子R21T,R21Bのそれぞれの抵抗値が2R、抵抗素子R22T,R22Bのそれぞれの抵抗値が4R、抵抗素子R23T,R23Bのそれぞれの抵抗値が8Rである場合を例に説明する。
各スイッチ素子S11T〜S14T,S11B〜S14B,S21T〜S23T,S21B〜S23Bは、例えば、MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やJFET(Junction Field Effect Transistor)等のFET(Field Effect Transistor)によって構成される。したがって、スイッチ素子S11T〜S14T,S11B〜S14B,S21T〜S23T,S21B〜S23Bのそれぞれのオン抵抗は、以下の式(4)を満たすように調整されることが好ましい。それにより、素子ばらつきや温度特性等の影響が軽減される。
RS14=RS13=2×RS12=4×RS11
=RS23=2×RS22=4×RS21 ・・・(4)
なお、RS11〜RS14は、それぞれスイッチ素子S11T〜S14Tのオン抵抗を示すとともに、それぞれスイッチ素子S11B〜S14Bのオン抵抗を示す。また、RS21〜RS23は、それぞれスイッチ素子S21T〜S23Tのオン抵抗を示すとともに、それぞれスイッチ素子S21B〜S23Bのオン抵抗を示す。
また、詳しくは後述するが、スイッチ素子S14T,S14Bは、常にオン(short)しているため、必ずしも設けられる必要はない。しかしながら、スイッチ素子S14T,S14Bは、素子ばらつきや温度特性等の影響を軽減するのに有効であるため、設けられていたほうがよい。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC1は、制御回路(不図示)からの制御信号に基づきスイッチ素子S11T〜S14T,S11B〜S14B及びスイッチ素子S21T〜S23T,S21B〜S23Bのそれぞれの導通状態を制御することにより、入力端子ITと出力端子OTとの間の合成抵抗、及び、入力端子IBと出力端子OBとの間の合成抵抗、をプログラマブルに制御する。それにより、反転増幅回路1は、入力電圧Vinを所望の電圧利得で増幅して増幅結果Voutとして出力することができる。
<実施の形態1にかかる反転増幅回路1の動作>
続いて、本実施の形態にかかる反転増幅回路1の動作を詳細に説明する。
図5は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態と反転増幅回路1の電圧利得との関係を示す図である。
以下、スイッチ素子S11T,S11Bを纏めてスイッチ素子S11とも称する。スイッチ素子S12T,S12Bを纏めてスイッチ素子S12とも称する。スイッチ素子S13T,S13Bを纏めてスイッチ素子S13とも称する。スイッチ素子S14T,S14Bを纏めてスイッチ素子S14とも称する。スイッチ素子S21T,S21Bを纏めてスイッチ素子S21とも称する。スイッチ素子S22T,S22Bを纏めてスイッチ素子S22とも称する。スイッチ素子S23T,S23Bを纏めてスイッチ素子S23とも称する。
(状態Aにおける反転増幅回路1の動作)
まず、スイッチ素子S11〜S13のそれぞれの第1及び第2端子間がオン(図中"1−2"と表記)、スイッチ素子S14がオン(short)、かつ、スイッチ素子S21〜S23がオフ(open)の場合(以下、状態Aとも称する)における反転増幅回路1の動作について説明する。
状態Aでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の電圧電流変換利得gm1は、図22に示す電圧電流変換器PVIC10の電圧電流変換利得gm10と同じ1/Rとなる。また、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、反転増幅回路10の電圧利得G10と同じ20×log10(|G1|)dBとなる。
より具体的には、状態Aでは、抵抗素子R11T〜R14Tは、入力端子ITとノードN11T(出力端子OT)との間に並列接続されている。抵抗素子R11B〜R14Bは、入力端子IBとノードN11B(出力端子OB)との間に並列接続されている。したがって、ノードN11Tから入力端子ITを見た合成抵抗RtotalT、及び、ノードN11Bから入力端子IBを見た合成抵抗RtotalBは、以下の式(5)のように表される。
RtotalT=RtotalB=R ・・・(5)
また、状態Aでは、スイッチ素子S21〜S23がオフ(open)であるため、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の出力電流Iin1は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1から演算増幅器OPAに向けて流れる電流を正の電流とすると、以下の式(6)のように表される。
Iin1=IOT−IOB=(VINT−VINB)/R ・・・(6)
この電流Iin1は、帰還抵抗RFBT,RFBBにより電圧に変換された後、出力端子OUTT,OUTBから出力される。したがって、状態Aでの反転増幅回路1の電圧利得G1は、以下の式(7)のように表される。
G1=(VOUTT−VOUTB)/(VINT−VINB
=−Iin1×R/(VINT−VINB
=−R/R ・・・(7)
ここで、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の出力端子OT,OBは、それぞれ、帰還抵抗RFBT,RFBBによって負帰還がかけられた演算増幅器OPAの非反転入力端子及び反転入力端子に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の出力端子OT,OBは、同じ電位を示す(即ち、仮想短絡している)。そのため、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalIは、RtotalT又はRtotalBの2倍となる。つまり、以下の式(8)が成り立つ。
RtotalI=2R ・・・(8)
一方、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の入力端子IT,IBは、例えば、出力インピーダンスが無視できるほどに小さい増幅回路(不図示)に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の入力端子IT,IBは、同じ電位を示す。そのため、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、RtotalT又はRtotalBの2倍となる。つまり、以下の式(9)が成り立つ。
RtotalO=2R ・・・(9)
(状態Bにおける反転増幅回路1の動作)
次に、スイッチ素子S11の第1及び第3端子間がオン(図中"1−3"と表記)、スイッチ素子S12,S13のそれぞれの第1及び第2端子間がオン、スイッチ素子S14,S21がオン(short)、かつ、スイッチ素子S22,S23がオフ(open)の場合(以下、状態Bとも称する)における反転増幅回路1の動作について説明する。
状態Bでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の電圧電流変換利得gm1は1/(2R)となる。つまり、電圧電流変換利得gm1は、電圧電流変換利得gm10の1/2になる。また、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、20×log10(|G1|/2)dBとなる。つまり、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約6dB減衰する。
より具体的には、状態Bでは、抵抗素子R12T〜R14Tは、入力端子ITとノードN11T(出力端子OT)との間に並列接続されている。抵抗素子R12B〜R14Bは、入力端子IBとノードN11B(出力端子OB)との間に並列接続されている。一方、抵抗素子R11T,R11Bは、入力端子IT,IB間に直列接続されている。また、抵抗素子R21T,R21Bは、出力端子OT,OB間に直列接続されている。
したがって、ノードN11Tから入力端子ITを見た合成抵抗RtotalT、及び、ノードN11Bから入力端子IBを見た合成抵抗RtotalBは、以下の式(10)のように表される。
RtotalT=RtotalB=2R ・・・(10)
したがって、状態Bでの反転増幅回路1の電圧利得G1は、以下の式(11)のように表される。
G1=−R/(2R) ・・・(11)
ここで、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalIは、RtotalT又はRtotalBの2倍と、直列接続された抵抗素子R11T,R11Bと、が並列に接続されていることから、以下の式(12)のように表される。
RtotalI=2R ・・・(12)
一方、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、RtotalT又はRtotalBの2倍と、直列接続された抵抗素子R21T,R21Bと、が並列に接続されていることから、以下の式(13)のように表される。
RtotalO=2R ・・・(13)
(状態Cにおける反転増幅回路1の動作)
次に、スイッチ素子S11,S12のそれぞれの第1及び第3端子間がオン、スイッチ素子S13の第1及び第2端子間がオン、スイッチ素子S21,S22,S14がオン(short)、かつ、スイッチ素子S23がオフ(open)の場合(以下、状態Cとも称する)における反転増幅回路1の動作について説明する。
状態Cでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の電圧電流変換利得gm1は1/(4R)となる。つまり、電圧電流変換利得gm1は、電圧電流変換利得gm10の1/4になる。また、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、20×log10(|G1|/4)dBとなる。つまり、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約12dB減衰する。
より具体的には、状態Cでは、抵抗素子R13T,R14Tは、入力端子ITとノードN11T(出力端子OT)との間に並列接続されている。抵抗素子R13B,R14Bは、入力端子IBとノードN11B(出力端子OB)との間に並列接続されている。一方、抵抗素子R11T,R11Bは、入力端子IT,IB間に直列接続されている。抵抗素子R12T,R12Bは、入力端子IT,IB間に直列接続されている。また、抵抗素子R21T,21Bは、出力端子OT,OB間に直列接続されている。抵抗素子R22T,R22Bは、出力端子OT,OB間に直列接続されている。
したがって、ノードN11Tから入力端子ITを見た合成抵抗RtotalT、及び、ノードN11Bから入力端子IBを見た合成抵抗RtotalBは、以下の式(14)のように表される。
RtotalT=RtotalB=4R ・・・(14)
したがって、状態Cでの反転増幅回路1の電圧利得G1は、以下の式(15)のように表される。
G1=−R/(4R) ・・・(15)
ここで、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalIは、Rtotal又はRtotalBの2倍と、直列接続された抵抗素子R11T,R11Bと、直列接続された抵抗素子R12T,R12Bと、が並列に接続されていることから、以下の式(16)のように表される。
RtotalI=2R ・・・(16)
一方、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、RtotalT又はRtotalBの2倍と、直列接続された抵抗素子R21T,R21Bと、直列接続された抵抗素子R22T,R22Bと、が並列に接続されていることから、以下の式(17)のように表される。
RtotalO=2R ・・・(17)
(状態Dにおける反転増幅回路1の動作)
次に、スイッチ素子S11〜S13のそれぞれの第1及び第3端子間がオン、かつ、スイッチ素子S21〜S23,SS14がオン(short)の場合(以下、状態Dとも称する)における反転増幅回路1の動作について説明する。
状態Dでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の電圧電流変換利得gm1は、1/(8R)となる。つまり、電圧電流変換利得gm1は、電圧電流変換利得gm10の1/8になる。また、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、20×log10(|G1|/8)dBとなる。つまり、このときの反転増幅回路1の電圧利得G1は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約18dB減衰する。
より具体的には、状態Dでは、抵抗素子R14Tは、入力端子ITとノードN11T(出力端子OT)との間に並列接続されている。抵抗素子R14Bは、入力端子IBとノードN11B(出力端子OB)との間に並列接続されている。一方、抵抗素子R11T,R11B、抵抗素子R12T,R12B、及び、抵抗素子R13T,R13Bは、それぞれ入力端子IT,IB間に直列接続されている。また、抵抗素子R21T,R21B、抵抗素子R22T,R22B、及び、抵抗素子R23T,R23Bは、それぞれ出力端子OT,OB間に直列接続されている。
したがって、ノードN11Tから入力端子ITを見た合成抵抗RtotalT、及び、ノードN11Bから入力端子IBを見た合成抵抗RtotalBは、以下の式(18)のように表される。
RtotalT=RtotalB=8R ・・・(18)
したがって、状態Dでの反転増幅回路1の電圧利得G1は、以下の式(19)のように表される。
G1=−R/(8R) ・・・(19)
ここで、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalIは、Rtotal又はRtotalBの2倍と、直列接続された抵抗素子R11T,R11Bと、直列接続された抵抗素子R12T,R12Bと、直列接続された抵抗素子R13T,R13Bと、が並列に接続されていることから、以下の式(20)のように表される。
RtotalI=2R ・・・(20)
一方、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、RtotalT又はRtotalBの2倍と、直列接続された抵抗素子R21T,R21Bと、直列接続された抵抗素子R22T,R22Bと、直列接続された抵抗素子R23T,R23Bと、が並列に接続されていることから、以下の式(21)のように表される。
RtotalO=2R ・・・(21)
このように、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC1は、複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態をプログラマブルに切り替えることにより、所望の電圧電流変換利得gm1の電流を流す電流経路を設定するとともに、当該電圧電流変換利得gm1に基づき不要となった電流を迂回させる迂回経路(ノードN12の経路及びノードN21〜N23の経路)を設定する。それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路1は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態が切り替わった場合でも、合成抵抗RtotalI,RtotalOを一定に維持することができる。
それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路1では、帰還信号の位相回転により増幅結果Voutの周波数特性が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。また、本実施の形態にかかる反転増幅回路1では、前段の増幅回路(不図示)から見た抵抗値が変化しないため、当該前段の増幅回路の電圧利得が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。つまり、本実施の形態にかかる反転増幅回路1は、精度の高い増幅結果Voutを出力することができる。
なお、本実施の形態では、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1が、ノードN21〜N23を介して流れる電流の迂回経路(第1迂回経路)、及び、ノードN12を介して流れる電流の迂回経路(第2迂回経路)、を有する場合を例に説明したが、これに限られない。プログラマブル電圧電流変換器PVIC1は、少なくとも第1及び第2迂回経路の何れか一方のみを有する構成に適宜変更可能である。例えば、第1迂回経路のみ有する構成は、帰還信号の位相回転による増幅結果Voutの周波数特性の意図しない変化を抑制することができる。一方、第2迂回経路のみ有する構成は、前段の増幅回路の電圧利得の意図しない変化を抑制することができる。
また、本実施の形態では、反転増幅回路1が6dBずつ異なる4つの電圧利得を選択的に設定する場合を例に説明したが、これに限られない。反転増幅回路1は、任意の数及び任意の値の電圧利得を選択的に設定する構成に適宜変更可能である。
<実施の形態2>
図6は、実施の形態2にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)2の構成例を示す図である。図6に示す反転増幅回路2は、図3に示す反転増幅回路1と比較して、プログラマブル電圧電流変換器の構成が異なる。以下、具体的に説明する。なお、図6に示す反転増幅回路2は、例えば、図2に示す無線通信端末500内のRFサブシステム603に適用される。
図6に示す反転増幅回路2は、演算増幅器(増幅回路)OPA、帰還抵抗(第1帰還抵抗)RFBT、帰還抵抗(第2帰還抵抗)RFBB、及び、プログラマブル電圧電流変換器(可変抵抗部)PVIC2を備える。プログラマブル電圧電流変換器PVIC2以外の構成については、図3に示す反転増幅回路1と同様であるため、その説明を省略する。
図7は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の具体的な構成例を示す回路図である。プログラマブル電圧電流変換器PVIC2は、抵抗素子(第1抵抗素子)R30T〜R34T、抵抗素子(第2抵抗素子)R30B〜R34B、スイッチ素子(第1スイッチ素子)S31T〜S34T、スイッチ素子(第2スイッチ素子)S31B〜S34B、スイッチ素子(第3スイッチ素子)S41T〜S43T、スイッチ素子(第4スイッチ素子)S41B〜S43B、抵抗減衰器(第1抵抗減衰器)ATT1T〜ATT3T、及び、抵抗減衰器(第2抵抗減衰器)ATT1B〜ATT3Bを有する。
抵抗素子R30Tでは、一端が入力端子ITに接続され、他端がノードN31Tに接続される。抵抗素子R31T〜R34Tでは、それぞれの一端がそれぞれノードN31T〜N34Tに接続され、それぞれの他端がスイッチ素子S31T〜S34Tのそれぞれの一端に接続される。スイッチ素子S31T〜S34Tのそれぞれの他端は、出力端子OTに接続される。抵抗減衰器ATT1Tでは、端子iがノードN31Tに接続され、端子oがノードN32Tに接続され、端子cがスイッチ素子S41Tの一端に接続される。抵抗減衰器ATT2Tでは、端子iがノードN32Tに接続され、端子oがノードN33Tに接続され、端子cがスイッチ素子S42Tの一端に接続される。抵抗減衰器ATT3Tでは、端子iがノードN33Tに接続され、端子oがノードN34Tに接続され、端子cがスイッチ素子S43Tの一端に接続される。スイッチ素子S41T〜S43Tのそれぞれの他端は、ノード(共通ノード)N41に接続される。
抵抗素子R30Bでは、一端が入力端子IBに接続され、他端がノードN31Bに接続される。抵抗素子R31B〜R34Bでは、それぞれの一端がそれぞれノードN31B〜N34Bに接続され、それぞれの他端がスイッチ素子S31B〜S34Bのそれぞれの一端に接続される。スイッチ素子S31B〜S34Bのそれぞれの他端は、出力端子OBに接続される。抵抗減衰器ATT1Bでは、端子iがノードN31Bに接続され、端子oがノードN32Bに接続され、端子cがスイッチ素子S41Bの一端に接続される。抵抗減衰器ATT2Bでは、端子iがノードN32Bに接続され、端子oがノードN33Bに接続され、端子cがスイッチ素子S42Bの一端に接続される。抵抗減衰器ATT3Bでは、端子iがノードN33Bに接続され、端子oがノードN34Bに接続され、端子cがスイッチ素子S43Bの一端に接続される。スイッチ素子S41B〜S43Bのそれぞれの他端は、ノード(共通ノード)N41に接続される。
本実施の形態では、抵抗素子R30T〜R34T,R30B〜R34Bのそれぞれの抵抗値がR/2である場合を例に説明する。
各スイッチ素子S31T〜S34T,S31B〜S34B,S41T〜S43T,S41B〜S43Bは、例えば、MOSFETやJFET等のFETによって構成される。なお、スイッチ素子S31T〜S34T,S31B〜S34B,S41T〜S43T,S41B〜S43Bは、何れも同一のオン抵抗であっても良い。
<抵抗減衰器の第1の具体的構成例>
図8は、抵抗減衰器の第1の具体的構成例を示す図である。図8に示す抵抗減衰器は、いわゆるT型抵抗減衰器であって、抵抗素子R51〜R53を有する。抵抗素子R51の一端は端子iに接続される。抵抗素子R52の一端は端子oに接続される。抵抗素子R53の一端は端子(共通端子)cに接続される。抵抗素子R51〜R53のそれぞれの他端は互いに接続される。
なお、以下では、i端子から見た抵抗減衰器のインピーダンスがRS、o端子から見た抵抗減衰器のインピーダンスがRL、抵抗素子R51,R52のそれぞれの抵抗値がRatt1、抵抗素子R53の抵抗値がRatt2である場合を例に説明する。
ここで、図8に示す抵抗減衰器の減衰量をXdBとした場合における抵抗素子R51〜R53のそれぞれの抵抗値Ratt1,Ratt2は、以下の式(22)及び式(23)のように表される。
Figure 0005841506
Figure 0005841506
Figure 0005841506
<抵抗減衰器の第2の具体的構成例>
図9は、抵抗減衰器の第2の具体的構成例を示す図である。図9に示す抵抗減衰器は、いわゆるπ型抵抗減衰器であって、抵抗素子R61〜R63を有する。抵抗素子R61では、一端が端子(共通端子)cに接続され、他端が端子iに接続される。抵抗素子R62では、一端が端子cに接続され、他端が端子oに接続される。抵抗素子R63では、一端が端子iに接続され、他端が端子oに接続される。
なお、以下では、i端子から見た抵抗減衰器のインピーダンスがRS、o端子から見た抵抗減衰器のインピーダンスがRL、抵抗素子R61,R62のそれぞれの抵抗値がRatt1、抵抗素子R63の抵抗値がRatt2である場合を例に説明する。
ここで、図9に示す抵抗減衰器の減衰量をXdBとした場合における抵抗値R61〜R62のそれぞれの抵抗値Ratt1,Ratt2は、以下の式(24)及び式(25)のように表される。
Figure 0005841506
Figure 0005841506
Figure 0005841506
本実施の形態では、抵抗減衰器ATT1T〜ATT3T,ATT1B〜ATT3Bが何れも図8に示すT型抵抗減衰器である場合を例に説明する。
ここで、各抵抗減衰器の減衰量を6dBとすると、k≒2となる。さらに、RS=RL=R/2とすると、式(22)及び式(23)より、Ratt1=R/6、Ratt2=2R/3となる。以下では、Ratt1=R/6、Ratt2=2R/3である場合を例に説明する。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC2は、制御回路(不図示)からの制御信号に基づきスイッチ素子S31T〜S34T,S31B〜S34B,S41T〜S43T,S41B〜S43Bのそれぞれの導通状態を制御することにより、入力端子ITと出力端子OTとの間の合成抵抗、及び、入力端子IBと出力端子OBとの間の合成抵抗、をプログラマブルに制御する。それにより、反転増幅回路2は、入力電圧Vinを所望の電圧利得で増幅して増幅結果(差動増幅信号)Voutとして出力することができる。
<実施の形態2にかかる反転増幅回路2の動作>
続いて、本実施の形態にかかる反転増幅回路2の動作を詳細に説明する。図10は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態と反転増幅回路2の電圧利得との関係を示す図である。
(状態Aにおける反転増幅回路2の動作)
まず、スイッチ素子S31T,S31Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合(以下、状態Aとも称する)における反転増幅回路2の動作について説明する。
状態Aでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の電圧電流変換利得gm2は、図22に示す電圧電流変換器PVIC10の電圧電流変換利得gm10と同じ1/Rとなる。また、このときの反転増幅回路2の電圧利得G2は、反転増幅回路10の電圧利得G10と同じ20×log10(|G2|)dBとなる。
より具体的には、状態Aでは、抵抗素子R30T,R31Tが入力端子ITと出力端子OTとの間に直列接続されている。抵抗素子R30B,R31Bが入力端子IBと出力端子OBとの間に直列接続されている。したがって、出力端子OTから入力端子ITを見た合成抵抗RtotalT、及び、出力端子OBから入力端子IBを見た合成抵抗RtotalBは、以下の式(26)のように表される。
RtotalT=RtotalB=R ・・・(26)
したがって、状態Aでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力電流Iin2は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2から演算増幅器OPAに向けて流れる電流を正の電流とすると、以下の式(27)のように表される。
Iin2=IOT−IOB=(VINT−VINB)/R ・・・(27)
この電流Iin2は、帰還抵抗RFBT,RFBBにより電圧に変換された後、出力端子OUTT,OUTBから出力される。したがって、状態Aでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、以下の式(28)のように表される。
G2=(VOUTT−VOUTB)/(VINT−VINB
=−Iin2×R/(VINT−VINB
=−R/R ・・・(28)
ここで、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、それぞれ、帰還抵抗RFBT,RFBBによって負帰還がかけられた演算増幅器OPAの非反転入力端子及び反転入力端子に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、同じ電位を示す(即ち、仮想短絡している)。そのため、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalIは、RtotalT又はRtotalBの2倍となる。つまり、以下の式(29)が成り立つ。
RtotalI=2R ・・・(29)
一方、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、例えば、出力インピーダンスが無視できるほどに小さい増幅回路(不図示)に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の入力端子IT,IBは、同じ電位を示す。そのため、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、RtotalT又はRtotalBの2倍となる。つまり、以下の式(30)が成り立つ。
RtotalO=2R ・・・(30)
(状態Bにおける反転増幅回路2の動作)
次に、スイッチ素子S32T,S32B,S41T,S41Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合(以下、状態Bとも称する)における反転増幅回路2の動作について説明する。
状態Bでは、スイッチ素子S31T,S31Bがオフ(open)であるため、これらに直列接続される抵抗素子R31T,R31Bには電流が流れない。また、スイッチ素子S33T,S34T,S42T,S43T,S33B,S34B,S42B,S43Bがオフ(open)であるため、これらに接続される抵抗減衰器ATT2T,ATT3T,ATT2B,ATT3Bには電流が流れない。
図11は、状態Bにおいて、スイッチ素子及び電流の流れない経路を省略したプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成を示す図である。図11を見ても明らかなように、状態Bでは、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見たプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成と、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見たプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成と、は同じであることが分かる。
ここで、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、それぞれ、帰還抵抗RFBT,RFBBによって負帰還がかけられた演算増幅器OPAの非反転入力端子及び反転入力端子に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、同じ電位を示す(即ち、仮想短絡している)。一方、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、例えば、出力インピーダンスが無視できるほどに小さい増幅回路(不図示)に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、同じ電位を示す。これらにより、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalI、及び、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、以下の式(31)のように表される。
RtotalI=RtotalO=2R ・・・(31)
図12は、図11の等価回路である。図12を参照すると、状態Bでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力電流Iin2は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2から演算増幅器OPAに向けて流れる電流を正の電流とすると、以下の式(32)のように表される。
Iin2=IOT−IOB=(VINT−VINB)/(2R) ・・・(32)
したがって、状態Bでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、以下の式(33)のように表される。
G2=(VOUTT−VOUTB)/(VINT−VINB
=−Iin2×R/(VINT−VINB
=−R/(2R) ・・・(33)
換言すると、状態Bでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、20×log10(|G2|/2)dBとなる。つまり、状態Bでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約6dB減衰する。
(状態Cにおける反転増幅回路2の動作)
次に、スイッチ素子S33T,S33B,S41T,S41B,S42T,S42Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合(以下、状態Cとも称する)における反転増幅回路2の動作について説明する。
状態Cでは、スイッチ素子S31T,S31B,S32T,S32Bがオフ(open)であるため、これらに直列接続される抵抗素子R31T,R31B,R32T,R32Bには電流が流れない。また、スイッチ素子S34T,S34B,S43T,S43Bがオフ(open)であるため、これらに接続される抵抗減衰器ATT3T,ATT3Bには電流が流れない。
図13は、状態Cにおいて、スイッチ素子及び電流の流れない経路を省略したプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成を示す図である。図13を見ても明らかなように、状態Cでは、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見たプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成と、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見たプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成と、は同じであることが分かる。
ここで、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、それぞれ、帰還抵抗RFBT,RFBBによって負帰還がかけられた演算増幅器OPAの非反転入力端子及び反転入力端子に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、同じ電位を示す(即ち、仮想短絡している)。一方、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、例えば、出力インピーダンスが無視できるほどに小さい増幅回路(不図示)に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、同じ電位を示す。これらにより、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalI、及び、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、以下の式(34)のように表される。
RtotalI=RtotalO=2R ・・・(34)
図14は、図13の等価回路である。図14を参照すると、状態Cでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力電流Iin2は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2から演算増幅器OPAに向けて流れる電流を正の電流とすると、以下の式(35)のように表される。
Iin2=IOT−IOB=(VINT−VINB)/(4R) ・・・(35)
したがって、状態Cでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、以下の式(36)のように表される。
G2=(VOUTT−VOUTB)/(VINT−VINB
=−Iin2×R/(VINT−VINB
=−R/(4R) ・・・(36)
換言すると、状態Cでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、20×log10(|G2|/4)dBとなる。つまり、状態Cでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約12dB減衰する。
(状態Dにおける反転増幅回路2の動作)
次に、スイッチ素子S34T,S34B,S41T,S41B,S42T,S42B,S43T,S43Bがオン(short)、かつ、それ以外のスイッチ素子がオフ(open)の場合(以下、状態Dとも称する)における反転増幅回路2の動作について説明する。
状態Dでは、スイッチ素子S31T,S31B,S32T,S32B,S33T,S33Bがオフ(open)であるため、これらに直列接続される抵抗素子R31T,R31B,R32T,R32B,R33T,R33Bには電流が流れない。
図15は、状態Dにおいて、スイッチ素子及び電流の流れない経路を省略したプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成を示す図である。図15を見ても明らかなように、状態Dでは、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見たプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成と、出力端子OT,OBから入力端子IT,TBを見たプログラマブル電圧電流変換器PVIC2と、は同じであることが分かる。
ここで、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、それぞれ、帰還抵抗RFBT,RFBBによって負帰還がかけられた演算増幅器OPAの非反転入力端子及び反転入力端子に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力端子OT,OBは、同じ電位を示す(即ち、仮想短絡している)。一方、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、例えば、出力インピーダンスが無視できるほどに小さい増幅回路(不図示)に接続されている。したがって、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の入力端子IT,IBは、同じ電位を示す。これらにより、入力端子IT,IBから出力端子OT,OBを見た合成抵抗RtotalI、及び、出力端子OT,OBから入力端子IT,IBを見た合成抵抗RtotalOは、以下の式(37)のように表される。
RtotalI=RtotalO=2R ・・・(37)
図16は、図15の等価回路である。図16を参照すれば、状態Dでは、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2の出力電流Iin2は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2から演算増幅器OPAに向けた流れる電流を正の電流とすると、以下の式(38)のように表される。
Iin2=IOT−IOB=(VINT−VINB)/(8R) ・・・(38)
したがって、状態Dでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、以下の式(39)のように表される。
G2=(VOUTT−VOUTB)/(VINT−VINB
=−Iin2×R/(VINT−VINB
=−R/(8R) ・・・(39)
換言すると、状態Dでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、20×log10(|G2|/8)dBとなる。つまり、状態Dでの反転増幅回路2の電圧利得G2は、反転増幅回路10の電圧利得G10よりも約18dB減衰する。
このように、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2は、複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態をプログラマブルに切り替えることにより、所望の電圧電流変換利得gm2の電流を流す電流経路を設定するとともに、当該電圧電流変換利得gm2に基づき不要となった電流を迂回させる迂回経路(ノードN41の経路)を設定する。それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路2は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態が切り替わった場合でも、合成抵抗RtotalI,RtotalOを一定に維持することができる。
それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路2では、帰還信号の位相回転により増幅結果Voutの周波数特性が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。また、本実施の形態にかかる反転増幅回路2では、前段の増幅回路(不図示)から見た抵抗値が変化しないため、当該前段の増幅回路の電圧利得が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。つまり、本実施の形態にかかる反転増幅回路2は、精度の高い増幅結果Voutを出力することができる。
さらに、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2では、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1の場合と比較して、オフ状態(open)のスイッチ素子に加わる電圧が小さい。スイッチ素子は、MOSFETやJFET等のFETにより構成される。そのため、半導体プロセスの微細化が進むにつれて、オフ状態のスイッチ素子にリーク電流が流れやすくなっている。そこで、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2は、オフ状態のスイッチ素子に加わる電圧を小さくすることにより、当該オフ状態のスイッチ素子を介して流れるリーク電流を抑制している。それにより、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2は、より精度良く電圧電流変換を行うことができる。以下、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1とプログラマブル電圧電流変換器PVIC2との違いを簡単に説明する。
<プログラマブル電圧電流変換器PVIC1,PVIC2の違い>
まず、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1(図4参照)では、出力端子OT,OBが、バーチャルショートであるため所定のバイアス電圧レベルを示している。例えば、入力端子IT,IBに大きな入力電圧Vinが供給された場合、オフ状態のスイッチ素子の両端子間に大きな電圧が加わってしまう。それにより、オフ状態のスイッチ素子にリーク電流が流れる可能性がある。
一方、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2(図7参照)では、入力端子IT,IBに大きな入力電圧Vinが供給された場合でも、抵抗減衰器ATT1T〜ATT3T,ATT1B〜ATT3Bにより当該入力電圧Vinが分圧されるため、オフ状態のスイッチ素子の両端子間に加わる電圧は小さい。それにより、オフ状態のスイッチ素子に流れるリーク電流は抑制される。以下、具体例を挙げて説明する。
図17は、状態Bにおけるプログラマブル電圧電流変換器PVIC2の構成を示す図である。図17に示すように、オフ状態(open)のスイッチ素子は、スイッチ素子S31T,S31B,S33T,S33B,S34T,S34B,S42T,S42B,S43T,S43Bである。ここで、入力端子IT,IBに大きな入力電圧Vinが供給された場合でも、メッシュ状に配置された抵抗素子により当該入力電圧Vinが分圧されるため、オフ状態のスイッチ素子の両端子間に加わる電圧は小さい。それにより、オフ状態のスイッチ素子に流れるリーク電流は抑制される。これは、状態A、C、Dの場合でも同様のことが言える。
本実施の形態では、反転増幅回路2が6dBずつ異なる4つの電圧利得を選択的に設定する場合を例に説明したが、これに限られない。反転増幅回路2は、任意の数及び任意の値の電圧利得を選択的に設定する構成に適宜変更可能である。
また、本実施の形態では、抵抗減衰器ATT1T〜ATT3T,ATT1B〜ATT3Bが何れも図8に示すT型抵抗減衰器である場合を例に説明したが、これに限られない。抵抗減衰器ATT1T〜ATT3T,ATT1B〜ATT3Bは、図9に示すπ型抵抗減衰器であっても同等の効果を奏することができる。
<実施の形態3>
図18は、実施の形態3にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)3の構成例を示す図である。図3に示す反転増幅回路1は全差動型の反転増幅回路であった。一方、図18に示す反転増幅回路3は、シングルエンド型の反転増幅回路である。以下、具体的に説明する。なお、図18に示す反転増幅回路3は、例えば、図2に示す無線通信端末500内のRFサブシステム603に適用される。
図18に示す反転増幅回路3は、演算増幅器(増幅回路)OPA、帰還抵抗RFBT、及び、プログラマブル電圧電流変換器(可変抵抗部)PVIC3を備える。なお、図18に示す反転増幅回路3の構成要素のうち図3に示す反転増幅回路1と同一の構成要素に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC3の入力端子ITは反転増幅回路3の入力端子(外部入力端子)INTに接続される。プログラマブル電圧電流変換器PVIC3の出力端子OTは演算増幅器OPAの反転入力端子に接続される。演算増幅器OPAの非反転入力端子は、接地電圧(基準電圧)の供給される接地電圧端子(基準電圧端子)GNDに接続される。演算増幅器OPAの出力端子は反転増幅回路3の出力端子OUTTに接続される。帰還抵抗RFBTは、演算増幅器OPAの出力端子及び反転入力端子間に設けられる。
図19は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC3の具体的な構成例を示す回路図である。プログラマブル電圧電流変換器PVIC3は、抵抗素子(第1抵抗素子)R11T〜R14T、抵抗素子(第2抵抗素子)R21T〜R23T、スイッチ素子(第1スイッチ素子)S11T〜S14T、及び、スイッチ素子(第2スイッチ素子)S21T〜S23Tを有する。即ち、プログラマブル電圧電流変換器PVIC3は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1のTrue側に設けられた複数の抵抗素子及び複数のスイッチ素子のみを有する。
図19に示すプログラマブル電圧電流変換器PVIC3の構成要素のうち図4に示すプログラマブル電圧電流変換器PVIC1と同一の構成要素に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。なお、ノードN12,N21〜N23は、接地電圧端子GNDに接続される。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC3は、制御回路(不図示)からの制御信号に基づきスイッチ素子S11T〜S14T及びスイッチ素子S21T〜S23Tのそれぞれの導通状態を制御することにより、入力端子ITと出力端子OTとの間の合成抵抗をプログラマブルに制御する。それにより、反転増幅回路3は、入力電圧Vinを所望の電圧利得で増幅して増幅結果(増幅信号)Voutとして出力することができる。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC3の具体的な動作については、プログラマブル電圧電流変換器PVIC1のTrue側の動作と同様であるため、その説明を省略する。
このように、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC3は、複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態をプログラマブルに切り替えることにより、所望の電圧電流変換利得の電流を流す電流経路を設定するとともに、当該電圧電流変換利得に基づき不要となった電流を迂回させる迂回経路(ノードN12の経路及びノードN21〜N23の経路)を設定する。それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路3は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC3に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態が切り替わった場合でも、合成抵抗RtotalI,RtotalOを一定に維持することができる。
それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路3では、帰還信号の位相回転により増幅結果Voutの周波数特性が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。また、本実施の形態にかかる反転増幅回路3では、前段の増幅回路(不図示)から見た抵抗値が変化しないため、当該前段の増幅回路の電圧利得が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。つまり、本実施の形態にかかる反転増幅回路3は、精度の高い増幅結果Voutを出力することができる。
なお、本実施の形態では、プログラマブル電圧電流変換器PVIC3が、ノードN21〜N23を介して流れる電流の迂回経路(第1迂回経路)、及び、ノードN12を介して流れる電流の迂回経路(第2迂回経路)、を有する場合を例に説明したが、これに限られない。プログラマブル電圧電流変換器PVIC3は、少なくとも第1及び第2迂回経路の何れか一方のみを有する構成に適宜変更可能である。例えば、第1迂回経路のみ有する構成は、帰還信号の位相回転による増幅結果Voutの周波数特性の意図しない変化を抑制することができる。一方、第2迂回経路のみ有する構成は、前段の増幅回路の電圧利得の意図しない変化を抑制することができる。
<実施の形態4>
図20は、実施の形態4にかかる反転増幅回路(半導体集積回路)4の構成例を示す図である。図20に示す反転増幅回路4は、図18に示す反転増幅回路3と比較して、プログラマブル電圧電流変換器の構成が異なる。以下、具体的に説明する。なお、図20に示す反転増幅回路4は、例えば、図2に示す無線通信端末500内のRFサブシステム603に適用される。
図20に示す反転増幅回路4は、演算増幅器(増幅回路)OPA、帰還抵抗RFBT、及び、プログラマブル電圧電流変換器(可変抵抗部)PVIC4を備える。プログラマブル電圧電流変換器PVIC4以外の構成については、図18に示す反転増幅回路3と同様であるため、その説明を省略する。
図21は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC4の具体的な構成例を示す回路図である。プログラマブル電圧電流変換器PVIC4は、抵抗素子(第1抵抗素子)R30T〜R34T、スイッチ素子(第1スイッチ素子)S31T〜S34T、スイッチ素子(第2スイッチ素子)S41T〜S43T、及び、抵抗減衰器ATT1T〜ATT3Tを有する。即ち、プログラマブル電圧電流変換器PVIC4は、図7に示すプログラマブル電圧電流変換器PVIC2のTrue側に設けられた複数の抵抗素子及び複数のスイッチ素子のみを有する。
図21に示すプログラマブル電圧電流変換器PVIC4の構成要素のうち図7に示すプログラマブル電圧電流変換器PVIC2と同一の構成要素に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。なお、ノード41は、接地電圧端子GNDに接続される。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC4は、制御回路(不図示)からの制御信号に基づきスイッチ素子S31T〜S34T,S41T〜S43Tのそれぞれの導通状態を制御することにより、入力端子ITと出力端子OTとの間の合成抵抗をプログラマブルに制御する。それにより、反転増幅回路3は、入力電圧Vinを所望の電圧利得で増幅して増幅結果(増幅信号)Voutとして出力することができる。
プログラマブル電圧電流変換器PVIC4の具体的な動作については、プログラマブル電圧電流変換器PVIC2のTrue側の動作と同様であるため、その説明を省略する。
このように、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC4は、複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態をプログラマブルに切り替えることにより、所望の電圧電流変換利得の電流を流す電流経路を設定するとともに、当該電圧電流変換利得に基づき不要となった電流を迂回させる迂回経路(ノードN41の経路)を設定する。それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路4は、プログラマブル電圧電流変換器PVIC4に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態が切り替わった場合でも、合成抵抗RtotalI,RtotalOを一定に維持することができる。
それにより、本実施の形態にかかる反転増幅回路4では、帰還信号の位相回転により増幅結果Voutの周波数特性が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。また、本実施の形態にかかる反転増幅回路4では、前段の増幅回路(不図示)から見た抵抗値が変化しないため、当該前段の増幅回路の電圧利得が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。つまり、本実施の形態にかかる反転増幅回路4は、精度の高い増幅結果Voutを出力することができる。
さらに、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC4では、プログラマブル電圧電流変換器PVIC3の場合と比較して、オフ状態(open)のスイッチ素子に加わる電圧が小さい。スイッチ素子は、MOSFETやJFET等のFETにより構成される。そのため、半導体プロセスの微細化が進むにつれて、オフ状態のスイッチ素子にリーク電流が流れやすくなっている。そこで、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC4は、オフ状態のスイッチ素子に加わる電圧を小さくすることにより、当該オフ状態のスイッチ素子を介して流れるリーク電流を抑制している。それにより、本実施の形態にかかるプログラマブル電圧電流変換器PVIC4は、より精度良く電圧電流変換を行うことができる。
以上のように、上記実施の形態1〜4にかかるプログラマブル電圧電流変換器は、複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態をプログラマブルに切り替えることにより、所望の電圧電流変換利得の電流を流す電流経路を設定するとともに、当該電圧電流変換利得に基づき不要となった電流を迂回させる迂回経路を設定する。それにより、上記実施の形態1〜4にかかる反転増幅回路は、プログラマブル電圧電流変換器に設けられた複数のスイッチ素子のそれぞれの導通状態が切り替わった場合でも、入出力インピーダンス(合成抵抗RtotalI,RtotalO)を一定に維持することができる。
それにより、上記実施の形態1〜4にかかる反転増幅回路では、帰還信号の位相回転により増幅結果Voutの周波数特性が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。また、上記実施の形態1〜4にかかる反転増幅回路では、前段の増幅回路(不図示)から見た抵抗値が変化しないため、当該前段の増幅回路の電圧利得が意図せず変化してしまう、という問題は生じない。つまり、上記実施の形態1〜4にかかる反転増幅回路は、精度の高い増幅結果Voutを出力することができる。
上記実施の形態では、プログラマブル電圧電流変換器の入出力インピーダンス(合成抵抗RtotalI,RtotalO)が常に一定である場合を例に説明したが、これに限られない。電圧電流変換利得に基づき不要となった電流を迂回させることにより、プログラマブル電圧電流変換器の入出力インピーダンスの変動が抑制されていれば良い。
<引用文献との差異>
非特許文献1に開示された構成では、図23に示す反転増幅回路20と比較して、帰還抵抗部分の構成が異なる。より具体的には、非特許文献1に開示された構成は、帰還抵抗の抵抗値をプログラマブルに設定可能である。しかしながら、非特許文献1に開示された構成でも、図23に示す反転増幅回路20の場合と同様の問題が生じる。一方、上記実施の形態にかかる反転増幅回路1〜4は、上記したように、そのような問題は生じない。
なお、反転増幅回路の帰還抵抗部分には、通常、チャネルフィルタを構成するために容量素子等も設けられる。したがって、非特許文献1に開示された構成では、回路規模が増大してしまう。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
500 無線通信端末
501 筐体
502 ディスプレイデバイス
503 タッチパネル
504 操作ボタン
505,506 カメラデバイス
601 アプリケーションプロセッサ
602 ベースバンドプロセッサ
603 RFサブシステム
604 メモリ
605 バッテリ
606 パワーマネジメントIC
607 表示部
608 カメラ部
609 操作入力部
610 オーディオIC
611 マイク
612 スピーカ
1〜4 反転増幅回路
PVIC1〜PVIC4 プログラマブル電圧電流変換器
R11T〜R14T,R11B〜R14B 抵抗素子
S11T〜S14T,S11B〜S14B スイッチ素子
R21T〜R23T,R21B〜R23B 抵抗素子
S21T〜S23T,S21B〜S23B スイッチ素子
R30T〜R34T,R30B〜R34B 抵抗素子
S30T〜S34T,S30B〜S34B スイッチ素子
ATT1T〜ATT3T,ATT1B〜ATT3B 抵抗減衰器
R51〜R53,R61〜R63 抵抗素子
OPA 演算増幅器
RFBT,RFBB 帰還抵抗

Claims (17)

  1. 反転入力端子に供給される入力電圧と非反転入力端子に供給される基準電圧との差電圧を増幅し増幅信号を出力する演算増幅器と、
    前記増幅信号を前記演算増幅器の反転入力端子に負帰還する帰還抵抗と、
    外部入力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間に制御信号に応じた第1抵抗値の電流経路を設定するとともに、前記電流経路上のノードと前記基準電圧が供給される基準電圧端子との間に前記制御信号に応じた第2抵抗値の第1迂回経路を設定する可変抵抗部と、を備え
    前記可変抵抗部は、
    前記外部入力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間に並列に設けられた複数の第1抵抗素子と、
    前記複数の第1抵抗素子のそれぞれの一端と前記演算増幅器の反転入力端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第1スイッチ素子と、
    前記複数の第1抵抗素子のそれぞれの他端間に設けられた複数の抵抗減衰器と、
    前記複数の抵抗減衰器のそれぞれの共通端子と前記基準電圧端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第2スイッチ素子と、を有する、
    半導体集積回路。
  2. 前記可変抵抗部は、前記演算増幅器の反転入力端子と前記基準電圧端子との間に前記第1迂回経路を設定する、請求項1に記載の半導体集積回路。
  3. 前記可変抵抗部は、前記演算増幅器から前記可変抵抗部を見たインピーダンスが前記制御信号の状態に関わらず一定になるように前記電流経路及び前記第1迂回経路を設定する、請求項2に記載の半導体集積回路。
  4. 前記可変抵抗部は、前記外部入力端子と前記基準電圧端子との間に前記制御信号に応じた第2抵抗値の第2迂回経路をさらに設定する、請求項2に記載の半導体集積回路。
  5. 前記可変抵抗部は、前記演算増幅器から前記可変抵抗部を見たインピーダンスが前記制御信号の状態に関わらず一定になるように、かつ、前記外部入力端子から前記可変抵抗部を見たインピーダンスが前記制御信号の状態に関わらず一定になるように、前記電流経路、前記第1迂回経路及び前記第2迂回経路を設定する、請求項4に記載の半導体集積回路。
  6. 前記可変抵抗部は、前記外部入力端子と前記基準電圧端子との間に前記第1迂回経路を設定する、請求項1に記載の半導体集積回路。
  7. 前記可変抵抗部は、
    前記外部入力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間に並列に設けられた複数の第1抵抗素子と、
    前記複数の第1抵抗素子のそれぞれと前記演算増幅器の反転入力端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第1スイッチ素子と、
    前記演算増幅器の反転入力端子と前記基準電圧端子との間に並列に設けられた複数の第2抵抗素子と、
    前記複数の第2抵抗素子のそれぞれに直列接続され、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第2スイッチ素子と、を有する、請求項1に記載の半導体集積回路。
  8. 前記複数の第1スイッチ素子は、前記制御信号に基づいて、前記複数の第1抵抗素子のそれぞれを前記演算増幅器の反転入力端子及び前記基準電圧端子の何れか一方に接続する、請求項7に記載の半導体集積回路。
  9. 演算増幅器と、
    前記演算増幅器の差動出力信号の一方を負帰還する第1帰還抵抗と、
    前記演算増幅器の差動出力信号の他方を負帰還する第2帰還抵抗と、
    第1外部入力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間、及び、第2外部入力端子と前記演算増幅器の非反転入力端子との間に、制御信号に応じた第1抵抗値の第1及び第2電流経路をそれぞれ設定するとともに、前記第1及び前記第2電流経路上のそれぞれのノード間に前記制御信号に応じた第2抵抗値の第1迂回経路を設定する可変抵抗部と、を備え
    前記可変抵抗部は、
    前記第1外部入力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間に並列に設けられた複数の第1抵抗素子と、
    前記第2外部入力端子と前記演算増幅器の非反転入力端子との間に並列に設けられた複数の第2抵抗素子と、
    前記複数の第1抵抗素子のそれぞれの一端と前記演算増幅器の反転入力端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第1スイッチ素子と、
    前記複数の第2抵抗素子のそれぞれの一端と前記演算増幅器の非反転入力端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第2スイッチ素子と、
    前記複数の第1抵抗素子のそれぞれの他端間に設けられた複数の第1抵抗減衰器と、
    前記複数の第2抵抗素子のそれぞれの他端間に設けられた複数の第2抵抗減衰器と、
    前記複数の第1抵抗減衰器のそれぞれの共通端子と共通ノードとの間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第3スイッチ素子と、
    前記複数の第2抵抗減衰器のそれぞれの共通端子と前記共通ノードとの間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第4スイッチ素子と、を有する、
    半導体集積回路。
  10. 前記可変抵抗部は、前記演算増幅器の反転入力端子及び非反転入力端子間に前記第1迂回経路を設定する、請求項に記載の半導体集積回路。
  11. 前記可変抵抗部は、前記演算増幅器から前記可変抵抗部を見たインピーダンスが前記制御信号の状態に関わらず一定になるように、前記第1電流経路、前記第2電流経路及び前記第1迂回経路を設定する、請求項10に記載の半導体集積回路。
  12. 前記可変抵抗部は、前記第1及び前記第2外部入力端子間に前記制御信号に応じた第2抵抗値の第2迂回経路をさらに設定する、請求項10に記載の半導体集積回路。
  13. 前記可変抵抗部は、前記演算増幅器から前記可変抵抗部を見たインピーダンスが前記制御信号の状態に関わらず一定になるように、かつ、前記第1及び前記第2外部入力端子から前記可変抵抗部を見たインピーダンスが前記制御信号の状態に関わらず一定になるように、前記第1電流経路、前記第2電流経路、前記第1迂回経路及び前記第2迂回経路を設定する、請求項12に記載の半導体集積回路。
  14. 前記可変抵抗部は、前記第1及び前記第2外部入力端子間に前記第1迂回経路を設定する、請求項に記載の半導体集積回路。
  15. 前記可変抵抗部は、
    前記第1外部入力端子と前記演算増幅器の反転入力端子との間に並列に設けられた複数の第1抵抗素子と、
    前記第2外部入力端子と前記演算増幅器の非反転入力端子との間に並列に設けられた複数の第2抵抗素子と、
    前記複数の第1抵抗素子のそれぞれと前記演算増幅器の反転入力端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第1スイッチ素子と、
    前記複数の第2抵抗素子のそれぞれと前記演算増幅器の非反転入力端子との間に設けられ、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第2スイッチ素子と、
    前記演算増幅器の反転入力端子及び非反転入力端子間に並列に設けられた複数の第3抵抗素子と、
    前記複数の第3抵抗素子のそれぞれに直列接続され、前記制御信号に基づいて導通状態が制御される複数の第3スイッチ素子と、を有する、請求項に記載の半導体集積回路。
  16. 前記複数の第1スイッチ素子は、前記制御信号に基づいて、前記複数の第1抵抗素子のそれぞれを前記演算増幅器の反転入力端子及び共通ノードの何れか一方に接続し、
    前記複数の第2スイッチ素子は、前記制御信号に基づいて、前記複数の第2抵抗素子のそれぞれを前記演算増幅器の非反転入力端子及び前記共通ノードの何れか一方に接続する、請求項15に記載の半導体集積回路。
  17. 請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体集積回路を備えた無線通信端末。
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