JP6387902B2 - 多段増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、多段増幅器に関する。

複数の回路を縦積みして、上段の回路に流れる電流を下段の回路で再利用するカレント・リユースと呼ばれる技術が実用化されている。典型的には、ＣＭＯＳ回路の電源電圧低下に伴い、複数のＣＭＯＳ回路を縦積みして高耐圧用電源電圧を用いるという従来技術がある。カレント・リユースのために縦積みされる回路としては、従来、メモリ素子、ディジタル（ロジック）回路、ＲＦ回路（例えばＬＮＡ＋ＢｕｆｆｅｒあるいはＶＣＯ＋ＭＩＸ等）などが代表的である。カレント・リユースを行うことで、消費電流を低減することができる。

例えば特開２００３−３３２８６４号公報に開示されているように、多段増幅器においてカレント・リユースを行う技術がある。この多段増幅器では、入力信号を多段で増幅するように、初段増幅器（初段増幅トランジスタ）のドレインと最終段増幅器（最終段増幅トランジスタ）のゲートとを接続している。さらに、カレント・リユースの観点から、最終段増幅トランジスタのソースと初段増幅トランジスタのドレインとを接続している。

特開２００３−３３２８６４号公報

カレント・リユースで縦積みした複数の回路それぞれに、バイアス回路が接続される。多くの場合、バイアス回路は、バイアスを受け取る回路が温度特性を有する場合には、温度変化に応じて回路特性が劣化しないようにバイアスの大きさを調整する。縦積みした複数の回路それぞれが温度特性を有する場合には、温度変化に応じて回路特性が劣化しないように、バイアス回路が上段と下段の回路それぞれの電流バイアスの大きさを調整する。メモリ素子などでは、通常、縦積みした回路のうち上段の回路と下段の回路を等しい温度特性で作動させる。よって、メモリ素子などでは複数のバイアス回路が上段の回路と下段の回路へのバイアスを温度変化に対して同じ傾向で変化させる。

一方、多段増幅器においては、上記と異なる方法でバイアスが供給されうる。多段増幅器では初段増幅器で増幅された信号が次段増幅器に入力されるので、入力信号の大きさが初段増幅器と次段増幅器とでは異なる。このような違いがあるので、初段増幅器と次段増幅器とでは要求される性能に違いがある。要求性能の違いを満足させるためには、初段増幅器が有する一つの特定の性能にある一つの温度特性を持たせ、次段増幅器が有する他の特定の性能にはそれとは異なる他の温度特性を持たせたい。この点は、上記のメモリ素子等にはない特有の事情である。上記従来の技術ではこの相違について着目しておらず、カレント・リユースを利用した多段増幅器には、いまだ改善すべき事項があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器を提供することを目的とする。

本発明にかかる多段増幅器は、縦積み構成のカレント・リユース型の多段増幅器であって、入力信号が入力される第１端子と、前記入力信号を増幅させた信号を出力する第２端子とを備え、前記縦積み構成の下段に設けられる第１トランジスタと、前記第１トランジスタで増幅された信号が入力される第３端子と、前記第３端子で受ける信号を増幅させた信号を出力する第４端子と、前記第１トランジスタでの増幅中に前記第１トランジスタの前記第２端子に他のトランジスタを介して接続される第５端子とを備え前記縦積み構成の上段に設けられる第２トランジスタと、前記第１端子にバイアス電流を供給し、予め定めた基準温度以上の第１温度域において回路温度の上昇に応じてバイアス電流の大きさを増大させる第１バイアス回路と、前記第３端子にバイアス電流を供給し、前記第１温度域において回路温度の変化に対してバイアス電流の大きさを一定に保つように構築された第２バイアス回路と、前記第２端子と前記第５端子との間の中間ノードの電位変動を抑制するように前記中間ノードを流れる電流の量を調整する調整回路と、を備える。

本発明によれば、多段増幅器に電流再利用技術（カレント・リユース）を組み合わせつつ、温度上昇に起因するゲイン低下を補うようにバイアスを調整することで、低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器を含む通信システムを示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器を含むコンバータを示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器が有する初段増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器が有する最終段増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器が有する２段目増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態１にかかる初段増幅器に用いられるバイアス回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態１にかかる最終段増幅器に用いられるバイアス回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態にかかる多段増幅器の中間ノード電位を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器で使用されるバイアスの温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器で使用されるバイアスの温度特性示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器で使用されるバイアスの温度特性の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器で使用されるバイアスの温度特性の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器で使用されるバイアスの温度特性の他の例を示す図である。 図９の縦積み多段増幅器の動作を説明するための図である。 図９の縦積み多段増幅器の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器の効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器の効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる多段増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態３にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器を示す回路図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器が有する電流源の出力温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器が有する電流源の出力温度特性を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器の変形例を示す図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０を含む通信システムを示す図である。図１に示す通信システムは、受信装置３と、受信装置３からの信号を受けるチューナー１０６と、チューナー１０６からの映像信号および音声信号を画面に表示しスピーカから出力するテレビ１０７を備えている。受信装置３は、ＢＳアンテナ４と、ＢＳアンテナ４に取り付けられたコンバータ５を備えている。放送衛星１からの信号を屋外に設置されたＢＳアンテナ４で受信し、コンバータ５およびチューナー１０６を経由してテレビ１０７に表示する。多段増幅器１０は、このコンバータ５に内蔵されている。屋外に設置されるコンバータ５は、気温の影響を受けやすく、ＢＳアンテナ４が高温あるいは低温の過酷な温度環境下に置かれることも想定される。図２は、多段増幅器１０を含むコンバータ５を示すブロック図である。コンバータ５は、電力増幅器８と、発信器７と、ミキサ６と、多段増幅器１０を含んでいる。ミキサ６は、電力増幅器８の出力信号および発信器７からの信号をミキシングした信号を、多段増幅器１０に出力する。なお、実施の形態１では多段増幅器１０をＢＳ受信システムに適用する例を説明するが、ＣＳ受信システムに適用されてもよい。また多段増幅器１０を送信器に内蔵することで送信システムを構築することももちろん可能である。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０を示す回路図である。多段増幅器１０は、初段増幅器１１と、２段目増幅器１２と、最終段増幅器１３と、初段増幅器１１に電流バイアスを供給するバイアス回路３１と、最終段増幅器１３に電流バイアスを供給するバイアス回路３２とを備えており、３段の増幅を行うことができる。初段増幅器１１、２段目増幅器１２、および最終段増幅器１３はカレント・リユースを行うために二段に縦積みされている。初段増幅器１１および２段目増幅器１２は、ＧＮＤノードおよび中間ノード１５０に接続し、最終段増幅器１３は中間ノード１５０および電源ノードＶｄｄに接続している。縦積みの関係では、初段増幅器１１および２段目増幅器１２は「下段」に位置し、最終段増幅器１３は「上段」に位置している。

実施の形態１では、好ましい形態として、中間ノード１５０の電位変動を抑制するように中間ノード１５０を流れる電流の量を調整する「調整回路」を設ける。実施の形態１では、２段目増幅器１２がこの調整回路の役割を担う。

図４は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０が有する初段増幅器１１を示す回路図である。図４には、初段増幅器１１とともに、これにバイアスを供給するバイアス回路３１も示している。初段増幅器１１としては、各種公知の差動増幅回路が好ましく使用される。図４に一例として示す差動増幅回路は、ソースが相互接続され各ゲートに差動入力信号ＩＮ＋，ＩＮ−が入力される初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２と、初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のソース接続点とＧＮＤノードとの間に設けられた初段増幅トランジスタＴｒ３と、初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の各ドレインと中間ノード１５０との間に設けられたトランジスタＴｒ４，Ｔｒ５とを備えている。

この実施の形態において、初段増幅トランジスタＴｒ２は、本発明の「第１トランジスタ」に相当しており、入力信号ＩＮ＋を受けるゲートと、差動入力信号を増幅させた増幅信号ＯＵＴ´を出力するドレインとを備える。初段増幅トランジスタＴｒ１は、入力信号ＩＮ−を受けるゲートを備える。初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のソース接続点は初段増幅トランジスタＴｒ３のドレインに接続し、初段増幅トランジスタＴｒ３のソースはＧＮＤノードに電気的に接続される。初段増幅器１１が作動して入力信号の増幅が行われているときに、オン状態の初段増幅トランジスタＴｒ３を介して初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のソース接続点がＧＮＤノードに電気的に接続している。なお、ここでいう「増幅」は、電力の増幅であってもよく、電圧の増幅であってもよい。

バイアス回路３１は、回路温度の上昇に応じてバイアスの大きさが増大するように、初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３のゲートに電流バイアスを供給する。具体的には、バイアス回路３１は、バイアス回路３１ａおよびバイアス回路３１ｂを含んでいる。バイアス回路３１ａおよびバイアス回路３１ｂは、バイアスを供給する対象となるトランジスタが異なり、各トランジスタに供給するバイアス電圧の値が異なっている。しかし、バイアス回路３１ａおよびバイアス回路３１ｂは、回路温度に応じてバイアスの大きさを変化させる際の傾向（すなわち温度出力特性）は同じであり、いずれも例えば後述する図１１の特性Ｂを有する。このため、実施の形態１〜４では、説明の便宜上、バイアス回路３１ａ、３１ｂで共通の温度特性を説明する際に「バイアス回路３１の温度特性」として説明するものとする。

図４に示すように、初段増幅トランジスタＴｒ１および初段増幅トランジスタＴｒ２のそれぞれのゲートは、抵抗Ｒ１、Ｒ２それぞれを介して、バイアス回路３１ａと接続している。具体的には、抵抗Ｒ１，Ｒ２それぞれの一端が初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のゲートに接続し、抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端同士が接続され、この接続点がバイアス回路３１ａと接続している。バイアス回路３１ａは、抵抗Ｒ１、Ｒ２それぞれにバイアス電圧Ｖｇ１２を印加する。一方、初段増幅トランジスタＴｒ３のゲートは、抵抗Ｒ３を介してバイアス回路３１ｂと接続している。これにより、バイアス回路３１ｂは抵抗Ｒ３にバイアス電圧Ｖｇ１を印加する。なお、初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２に流れる電流の合計が初段増幅トランジスタＴｒ３に流れるように、バイアス電圧Ｖｇ１、Ｖｇ１２それぞれの値が設計されている。差動増幅器の回路構成および動作は既に公知であり、各トランジスタに与えるべきバイアスの値も公知技術に基づき設定すればよいので、これ以上の説明は省略する。

図５は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０が有する最終段増幅器１３を示す回路図である。最終段増幅器１３は、インダクタＬ７と、コンデンサＣ７と、抵抗Ｒ７と、最終段増幅トランジスタＴｒ７と、を備えている。この実施の形態において、最終段増幅トランジスタＴｒ７は、本発明の「第２トランジスタ」に相当している。最終段増幅トランジスタＴｒ７のゲートには、初段増幅器１１（初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２）で増幅され、さらに２段目増幅器１２で増幅された信号ＯＵＴ´´が入力される。最終段増幅トランジスタＴｒ７のドレインは、ゲートに入力された信号ＯＵＴ´´を増幅させた信号ＯＵＴを出力する。最終段増幅トランジスタＴｒ７のソースは中間ノード１５０と接続している。初段増幅器１１が作動して信号増幅が行われているときに、最終段増幅トランジスタＴｒ７のソースは、オン状態のトランジスタＴｒ４、Ｔｒ５を介して初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のドレインに電気的に接続される。最終段増幅トランジスタＴｒ７のゲートとコンデンサＣ７との接続点には、後述するバイアス回路３２からのバイアス電圧Ｖｇ２が印加される。

図６は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０が有する２段目増幅器１２を示す回路図である。２段目増幅器１２には、図６に示す自己バイアス型ＣＭＯＳインバータが適用される。図６に示す自己バイアス型ＣＭＯＳインバータは、互いに相補的に接続されたＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＰ型ＭＯＳＦＥＴＱ２と、抵抗Ｒ１２と、コンデンサＣ１２とを備えている。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＱ２とＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ１の互いのゲートを接続した接続点には、コンデンサＣ１２を介して、初段増幅器１１の出力した増幅信号ＯＵＴ´が入力される。抵抗Ｒ１２は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＱ２とＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート接続点とドレイン接続点とを接続する。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＱ２とＮ型ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレイン接続点が、増幅信号ＯＵＴ´´を出力する出力端子となる。この出力端子が最終段増幅トランジスタＴｒ７のゲートと電気的に接続する。２段目増幅器１２は、入力端子に入力された一段目の増幅信号ＯＵＴ´をさらに増幅して出力端子に二段目の増幅信号ＯＵＴ´´を出力する。

以上説明した２段目増幅器１２は、中間ノード１５０の電位変動を抑制するように中間ノード１５０を流れる電流の量を調整するという好ましい回路動作を行う。具体的には、上記の２段目増幅器１２は、中間ノード１５０と２段目増幅器１２とが電気的に接続する接続点の電位に基づいて、２段目増幅器１２自身に流す電流を増減させる。２段目増幅器１２に流す電流を増やすことで、中間ノード１５０からより多くの電流を２段目増幅器１２を介して引き抜くことができる。逆に、２段目増幅器１２に流す電流を減らすことで、中間ノード１５０からの引抜電流量が減り、結果的に中間ノード１５０から初段増幅器１１に流れる電流を追加することができる。このように、２段目増幅器１２は、中間ノード１５０と２段目増幅器１２とが電気的に接続する接続点の電位に基づいて、中間ノード１５０に対する電流の追加および引抜を行うという好ましい回路動作を行う。

図７は、本発明の実施の形態１にかかる初段増幅器１１に用いられるバイアス回路（具体的には、バイアス回路３１ｂ）を示す回路図である。バイアス回路３１ｂは、初段増幅トランジスタＴｒ３のゲートに抵抗Ｒ３を介して電気的に接続しており、バイアス電圧Ｖｇ１を可変に供給する。バイアス回路３１ｂは、回路温度の上昇に応じてバイアスの大きさが増大するように、初段増幅トランジスタＴｒ３のゲートに電流バイアスを供給する。図７は、そのような電流バイアスを供給可能な回路の一例を開示している。バイアス回路３１ｂは、電流源Ｉ１と、電流源Ｉ１の出力電流がドレインに入力されソースがＧＮＤノードに電気的に接続されたトランジスタＴｒ６と、トランジスタＴｒ６のゲートに一端が接続する抵抗Ｒ６と、抵抗Ｒ６の他端とトランジスタＴｒ６のソースに接続するコンデンサＣ６とを備えている。トランジスタＴｒ６のゲートドレイン間は電気的に短絡されている。電流源Ｉ１としては、正の温度係数を有するＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｔｏ−Ａｂｓｏｌｕｔｅ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ＰＴＡＴ）回路が利用される。ＰＴＡＴ回路としては既に各種回路構成が公知なので、ここでは説明を省略する。

なお、前述したように、実施の形態１のバイアス回路３１は、同様の温度特性（実施の形態１では後述する図１１の特性Ｂ）でバイアスの大きさを調整するバイアス回路３１ａとバイアス回路３１ｂを含んでいる。図７ではバイアス回路３１ｂの回路構成の一例を示したが、バイアス回路３１ａも、バイアス回路３１ｂと同様に図７の回路構成を含むことでバイアス回路３１ｂと同様の傾向を有する温度出力特性を実現してもよい。いずれにしろ、バイアス回路３１ａもＰＴＡＴ回路等の回路構成を用いることで、バイアス回路３１ｂと同様の温度出力特性を設定できる。これにより、初段増幅トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３それぞれのゲートに供給するバイアスの大きさを、回路温度に応じて同様の傾向で変化させることができる。

図８は、本発明の実施の形態１にかかる最終段増幅器に用いられるバイアス回路（バイアス回路３２）を示す回路図である。バイアス回路３２は、最終段増幅トランジスタＴｒ７のゲートに電気的に接続しており、バイアス電圧Ｖｇ２を可変に供給する。バイアス回路３２は、回路温度の変化に対してバイアスの大きさを一定に保つように、最終段増幅トランジスタＴｒ７のゲートに電流バイアスを供給する。図８は、そのような電流バイアスを供給可能な回路の一例を開示している。図８の回路は、電流源Ｉ１を電流源Ｉ２に置換した点を除いては、図７のバイアス回路３１ｂと同様である。電流源Ｉ２は温度によらず一定の大きさの電流を出力する。なお、バイアス回路３２を構築するに当たっては、公知各種の基準電圧回路を利用することができその回路構成は限定しないが、バンドギャップリファレンス回路を用いてもよい。

なお、実施の形態において、「回路温度」は多段増幅器１０の内部回路温度を意味している。例えば多段増幅器１０の内部に温度分布がある場合には、平均温度などの代表的な温度が「回路温度」となる。厳密には、初段増幅器１１の初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３の温度と、最終段増幅器１３の最終段増幅トランジスタＴｒ７の温度それぞれが重要であり、それらの温度は厳密には一致せず微小な差があることもある。実施の形態ではそれらの温度が実質的に等しいものとして全体として「回路温度」として取り扱っている。回路温度は多段増幅器１０の温度と正の相関を有している。多段増幅器１０のパッケージ構造は公知の各種パッケージ構造を採用でき、樹脂封止あるいは金属ケースでのパッケージングなどに特に限定は無い。いずれにしろ回路温度が上がれば、初段増幅器１１および最終段増幅器１３を構成する回路素子の温度も上がるので、初段増幅器１１および最終段増幅器１３の出力特性が変わる。例えばコンバータ５の設置場所が寒冷地、温暖地、あるいは熱帯など様々に異なれば多段増幅器１０の回路温度の平均値や上下限値は異なり、同じ設置場所でも気温の変化などにより回路温度は異なる。

［実施の形態１の装置の動作］
図９は、本発明の実施の形態にかかる多段増幅器１０の中間ノード電位Ｖｍｉｄを説明するための図である。図１０および図１１は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０で使用されるバイアスの温度特性を示す図である。これらの図を用いて、多段増幅器１０の動作について説明する。

まずバイアスの温度特性について説明する。説明の際に区別するため、便宜上、図１０に示す温度特性を「特性Ａ」とも称し、図１１に示す温度特性を「特性Ｂ」とも称する。図中の基準温度Ｔｒｅｆは、温度特性を定める上での基準となる温度であり、設計上任意に定めることができる。一例としては、絶対温度３００Ｋなどの室温を基準温度Ｔｒｅｆにすることもできる。また、便宜上、基準温度Ｔｒｅｆ以上の高温度域を「第１温度域Ｔｈｉｇｈ」とも称し、基準温度Ｔｒｅｆ未満の低温度域を「第２温度域Ｔｌｏｗ」とも称する。

図１０に示す特性Ａは、回路温度の変化に対してバイアスの大きさを一定に保つものである。バイアス回路３２は、この特性Ａに従って、最終段増幅トランジスタＴｒ７のゲートにバイアスを供給することが好ましい。その理由は、最終段増幅器１３の特性の一つである線形性を良好に保つためである。

図１１に示す特性Ｂは、回路温度の上昇に応じてバイアスの大きさが一定の傾きで比例的に増大する。バイアス回路３１ａおよびバイアス回路３１ｂは、この特性Ｂに従って、初段増幅トランジスタＴｒ１のゲートへのバイアスＶｇ１２、初段増幅トランジスタＴｒ２のゲートへのバイアスＶｇ１２、および初段増幅初段増幅トランジスタＴｒ３のゲートへのバイアスＶｇ１それぞれを供給することが好ましい。その理由は、初段増幅器１１の特性の一つであるゲインを良好に保つためである。一般にバイアスを一定とした場合には温度上昇に伴って増幅器のゲインが低下する。そこで、特性Ｂでは、このゲイン低下を補うように、温度上昇に応じてバイアスを増加させる。

以上説明した実施の形態によれば、多段増幅器に電流再利用技術（カレント・リユース）を組み合わせつつ、温度上昇に起因するゲイン低下を補うようにバイアスを調整することで、低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器１０を得ることができる。コンバータ５が様々な温度条件下（例えば、高温あるいは低温で気温変化の激しい環境下など）に設置されたときであっても、多段増幅器１０が良好な増幅性能を発揮することができる。

ところで、従来のメモリ素子、ディジタル（ロジック）回路、ＲＦ回路（ＬＮＡ＋ＢｕｆｆｅｒあるいはＶＣＯ＋ＭＩＸ等）においてカレント・リユースの観点から縦積みの回路を構築した場合、縦積みの上段と下段の電流バイアスは同じ温度特性で供給されるのが普通である。しかしながら、多段増幅器ではこの点が異なり、初段増幅器と次段以降の増幅器とにそれぞれ要求される特性を満たすため、電流バイアスの温度特性を異ならしめることが好ましい。

しかしながら、各段で電流バイアスの温度特性を異ならしめると、次のような問題が生じる。以下、説明の便宜上、初段増幅器１１の初段増幅トランジスタＴｒ３におけるドレインソース間電流をＩ１１とし、２段目増幅器１２を構成するＭＯＳＦＥＴのドレインソース間電流をＩ１２とし、最終段増幅トランジスタＴｒ７のドレインソース間電流Ｉ１３とする。

図９に示すように、２段目増幅器１２が設けられていないと仮定した場合、次のような動作となる。初段増幅器１１と最終段増幅器１３は縦積みのカレント・リユース回路なので、一方を流れる電流Ｉ１１と他方を流れる電流Ｉ１３とが影響をおよぼしあう。

図９の回路において、基準温度Ｔｒｅｆよりも高温の第１温度域Ｔｈｉｇｈの動作について着目すると、バイアス回路３２が特性Ａに示すバイアスを供給するので、電流Ｉ１３は一定である。それにもかかわらず、バイアス回路３１（バイアス回路３１ｂ）が特性Ｂに示すバイアスを供給するので、基準温度Ｔｒｅｆよりも高温の第１温度域Ｔｈｉｇｈでは、初段増幅器１１の初段増幅トランジスタＴｒ３に与えられるバイアスが増大する。この場合、電流Ｉ１１は増加すべきである。この場合、過渡的には電流Ｉ１１が電流Ｉ１３より大きくなり、中間ノード電位Ｖｍｉｄが低下するという現象が起きる。中間ノード１５０の電位は最終段増幅トランジスタＴｒ７にとっての基準電位に相当しているので、このような電位低下は好ましくない。あるいは、縦積み回路のうち上段である最終段増幅器１３が電流Ｉ１１を制限することになり、縦積み回路のうち下段である初段増幅器１１が正常に動作しなくなるおそれがある。

図９の回路において、基準温度Ｔｒｅｆよりも低温な第２温度域Ｔｌｏｗの動作について着目すると、基準温度Ｔｒｅｆのときよりもバイアス回路３１が電流バイアスを減らす。その結果、電流Ｉ１３は一定であるにもかかわらず電流Ｉ１１が減るので、上記とは逆の現象が起こる。

そこで、本願発明者は、図９のような縦積み回路の各段で流れる電流Ｉ１１、Ｉ１３の相違を吸収するために、何らかの電流調整機能を設けるという技術的アイディアを見出した。具体的には、実施の形態１では、中間ノード１５０に流れる電流を調整する回路動作を有する２段目増幅器１２が設けられている。なお、実施の形態では、室温などのある基準温度ＴｒｅｆにおいてＩ１３＝Ｉ１１＋Ｉ１２となるように設計しておく。

まず回路温度が増加して中間ノード電位Ｖｍｉｄが下がるケースを説明する。２段目増幅器１２は自己バイアス型ＣＭＯＳインバータである。中間ノード電位Ｖｍｉｄが低下すると、２段目増幅器１２を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２のドレインソース間電流Ｉ１２が減少する。また、図１１のバイアス特性Ｂに従えば、回路温度が増加しているので、初段増幅器１１の電流Ｉ１１は増加すべきである。中間ノード電位Ｖｍｉｄが低下することで２段目増幅器１２を流れなくなった分の電流が初段増幅器１１に流れるので、回路温度が増加したときもＩ１３＝Ｉ１１＋Ｉ１２の関係を維持することができ、中間ノード電位Ｖｍｉｄを一定に保つことができる。

次に、回路温度が低下して中間ノード電位Ｖｍｉｄが上がるケースを説明する。中間ノード電位Ｖｍｉｄが上昇すると、上記とは逆に、ＭＯＳＦＥＴ、のドレインソース間電流Ｉ１２が増加する。また、図１１のバイアス特性Ｂに従えば、回路温度が低下しているので、初段増幅器１１の電流Ｉ１１は低下すべきである。中間ノード電位Ｖｍｉｄが上昇したときに、２段目増幅器１２が初段増幅器１１から電流を奪うことで、Ｉ１３＝Ｉ１１＋Ｉ１２の関係を維持することができる。その結果、中間ノード電位Ｖｍｉｄを一定に保つことができる。

図１５および図１６は、図９の縦積み多段増幅器１０の動作を説明するための図である。図１５において、基準温度Ｔｒｅｆの動作点を黒丸で示す。回路温度が上がるとバイアス回路３１がバイアスを上げるので、動作点は上向き矢印および左向き矢印に従って図１５の紙面左斜め上となる。逆に回路温度が下がると、バイアス回路３１がバイアスを下げる。よって、動作点は図１５の紙面右下となる。電流Ｉ１１、Ｉ１３の差分について着目すると、図１６を用いることで次のように説明される。図１６の縦軸は、図９の縦積み回路における、下段の初段増幅器１１の電流（つまり電流Ｉ１１）と、上段の最終段増幅器１３の電流（つまり電流Ｉ１３）と、の差分である。なお、図１６では、基準温度Ｔｒｅｆのときに縦軸の値（Ｉ１１−Ｉ１３の値）が横軸と交差している。基準温度ＴｒｅｆのときのＩ１１とＩ１３の差分を、便宜上、基準値Ｉ０とする。

基準温度Ｔｒｅｆよりも高い第１温度域Ｔｈｉｇｈでは、バイアス回路３１がバイアスを上げる。よって、基準値Ｉ０のときよりも、初段増幅器１１が必要とする電流Ｉ１１が多くなる。一方、バイアス回路３２のバイアスは温度によらず一定なので、最終段増幅器１３に流れる電流Ｉ１３は一定である。よって、図１６に示すように、第１温度域Ｔｈｉｇｈでは、縦軸の値（つまり電流Ｉ１１から電流Ｉ１３を減じた値）が右肩上がりでプラス側に大きくなる。ここで、仮に２段目増幅器１２の電流Ｉ１２が一定のままだと、中間ノード電位Ｖｍｉｄが低下し、中間ノード１５０がその低下後の電位のままとなる。しかし実施の形態１では２段目増幅器１２が自己バイアス型ＣＭＯＳインバータなので、中間ノード電位Ｖｍｉｄが低下したときにその低下度合いに応じて電流Ｉ１２を低減する。これにより中間ノード電位Ｖｍｉｄの低下を抑制することができる。

逆に、基準温度Ｔｒｅｆよりも低い第２温度域Ｔｌｏｗでは、温度Ｔｒｅｆのときと比べてバイアス回路３１がバイアスを下げる。よって、基準値Ｉ０のときよりも初段増幅器１１が必要とする電流Ｉ１１が少なくなる。一方、バイアス回路３２のバイアスは温度によらず一定なので、最終段増幅器１３に流れる電流Ｉ１３は一定である。よって図１６に示すように、第２温度域Ｔｌｏｗでは、縦軸の値（つまり電流Ｉ１１から電流Ｉ１３を減じた値）が左肩下がりでマイナス側に大きくなる。ここで、仮に２段目増幅器１２の電流Ｉ１２が一定のままだと、中間ノード電位Ｖｍｉｄが上昇し、中間ノード１５０がその上昇後の電位のままとなる。しかし実施の形態１では２段目増幅器１２が自己バイアス型ＣＭＯＳインバータなので、中間ノード電位Ｖｍｉｄが上昇したときにその上昇度合いに応じて電流Ｉ１２を増加させる。これにより中間ノード電位Ｖｍｉｄの上昇を抑制することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、温度変化に応じて初段増幅器１１の電流バイアスが増加あるいは減少したときに、２段目増幅器１２を流れる電流Ｉ１２の増加分あるいは減少分が、初段増幅器１１に対して追加され或いは差引かれるようにすることができる。その結果、中間ノード電位Ｖｍｉｄを一定電位に維持することが可能となる。つまり、実施の形態１では、２段目増幅器１２が中間ノード１５０を流れる電流を調整することで、中間ノード電位Ｖｍｉｄを安定化させることができる。その結果、低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器を安定動作させることができる。

また、中間ノード電位Ｖｍｉｄに基づいて調整を行っているので、製造ばらつきに起因して中間ノード電位Ｖｍｉｄにばらつきが発生した場合にも、中間ノード電位Ｖｍｉｄを調整することができる。このように、温度に応じて電流バイアスを変化させる場合に限らず、中間ノード電位Ｖｍｉｄを調整する機能の利点を活かすことができる。

なお、温度上昇に伴ってバイアス回路３１がバイアスを増大したときに、一例として次のように多段増幅器１０が動作する。まず、初期状態で、初段増幅器１１に流れる電流Ｉ１１が１０ｍＡであり、２段目増幅器１２に流れる電流Ｉ１２が２０ｍＡであり、最終段増幅器１３に流れる電流Ｉ１３が３０ｍＡであったとする。次に、温度上昇に伴って、初段増幅器１１に流れる電流が１２ｍＡになるようにバイアス回路３１がバイアスを増大したとする。このプラス２ｍＡの電流を初段増幅器１１に供給するためには、２段目増幅器１２に流れる電流Ｉ１２が初期状態からマイナス２ｍＡとなればよく、つまり２段目増幅器１２に流れる電流Ｉ１２が１８ｍＡとなればよい。この温度上昇の前後において、初段増幅器１１からみると電流が２０％増大しており、２段目増幅器１２からみると電流が１０％低下しており、２段目増幅器１２における電流変化は初段増幅器１１の電流変化と比べて緩やかである。つまり、温度変化があったときに、バイアス回路３１のバイアス変化による初段増幅器１１の出力電流変化率（２０％）よりも、２段目増幅器１２の出力電流変化率（１０％）のほうが、低くされている。また、初段増幅器１１は差動増幅器であるのに対し２段目増幅器１２はＣＭＯＳインバータであり、回路構成の違いからゲイン特性にも違いがある。このような点を考慮に入れて、多段増幅器１０全体に求められる性能を満足しつつ、初段増幅器１１と２段明増幅器１２にそれぞれ流れる電流のバランスを調整すればよい。なお、上記の数値は本発明を限定するものではなく、具体例の一つとして示したものにすぎない。

また、上記実施の形態１で自己バイアス型ＣＭＯＳインバータを利用する利点を説明するために、特開２００３−３３２８６４号公報の回路構成と比較する。特開２００３−３３２８６４号公報の中間ノードに相当する接続点から抵抗Ｒｓ０によって電流Ｉｓ０が引き抜かれている。ここで抵抗Ｒｓ０での電流引抜量は、電位変化（ΔＶ）に対して１乗で変化する（すなわちＩ＝ΔＶ／Ｒ）。これに対し、自己バイアス型ＣＭＯＳインバータはＭＯＳＦＥＴの電流電圧特性に基づき電流の２乗則に従う。つまり自己バイアス型ＣＭＯＳインバータは電位変化の２乗（すなわちＩ∝ΔＶ＾２）で電流引抜量を変化させることができる。実施の形態１によれば、自己バイアス型ＣＭＯＳインバータである２段目増幅器１２が中間ノード１５０を流れる電流を調整する機能を担うので、中間ノード電位Ｖｍｉｄの維持効果が高いという利点がある。

図１７および図１８は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０の効果を説明するための図である。図１７は、中間ノード１５０に抵抗を接続して、特開２００３−３３２８６４号公報にかかる技術と同様に電位変化（ΔＶ）に対して１乗で変化する電流引抜を行ったときのグラフである。一方、図１８は、実施の形態１にかかる多段増幅器１０に相当しており、自己バイアス型ＣＭＯＳインバータを用いて中間ノード１５０の電流を調整したものである。上述したように、自己バイアス型ＣＭＯＳインバータは電位変化の２乗（Ｉ∝ΔＶ＾２）で電流を変化させることができ、その結果、図１８のほうが良好な特性が得られている。具体的には、初段増幅器１１の電流特性１０１は正の温度特性を有している。最終段増幅器１３のフラットな理想電流特性１０３と比べて、最終段増幅器１３の実際の電流特性１００は若干傾きを持っている。図１７は、マイナス５０℃からプラス１００℃の温度範囲において、中間ノード電位が０．５Ｖ変動している。これに対し、図１８では、同じ温度範囲で、中間ノード電位Ｖｍｉｄの変動が０．２２Ｖに抑制されている。

図１２〜図１４は、本発明の実施の形態１にかかる多段増幅器１０で使用されるバイアスの温度特性の他の例を示す図である。説明の際に区別するため、便宜上、図１２に示す温度特性を「特性Ｃ」とも称し、図１３に示す温度特性を「特性Ｄ」とも称し、図１４に示す温度特性を「特性Ｅ」とも称する。

（特性Ｃ）
図１２に示す特性Ｃによれば、予め定めた基準温度Ｔｒｅｆ以上の第１温度域Ｔｈｉｇｈでは、回路温度に対してバイアスの大きさを一定に保つ。一方、基準温度Ｔｒｅｆより低い第２温度域Ｔｌｏｗでは、回路温度が低下するほどバイアスを増大させる。この特性Ｃを有するように、バイアス回路３２の回路構成を設計しても良く、具体的には電流源Ｉ２の温度特性を設計しても良い。なお、低温側である第２温度域Ｔｌｏｗにおいて回路温度が低下するほどバイアスを増大させることにより、増幅器の線形性を良好にする効果が得られる。

（特性Ｄ）
図１３に示す特性Ｄでは、予め定めた基準温度Ｔｒｅｆ以上の第１温度域Ｔｈｉｇｈでは、回路温度が上昇するとバイアスを増大させる。一方、基準温度Ｔｒｅｆより低い第２温度域Ｔｌｏｗでは、回路温度に対してバイアスの大きさを一定に保つ。この特性Ｄを有するように、バイアス回路３１の回路構成を設計しても良く、具体的には電流源Ｉ１の温度特性を設計しても良い。

（特性Ｅ）
図１４に示す特性Ｅでは、バイアス回路３１は、予め定めた基準温度Ｔｒｅｆ以上の第１温度域Ｔｈｉｇｈでは、回路温度が上昇するとバイアスを増大させる。また、特性Ｅでは、第２温度域Ｔｌｏｗでは回路温度が低下するほどバイアスを増大させる。つまり、基準温度Ｔｒｅｆを下限ピーク値として、電流−温度特性グラフ上で「Ｖ字」となる温度特性を有する。この特性Ｅを有するように、バイアス回路３１の回路構成を設計しても良く、具体的には電流源Ｉ１の温度特性を設計しても良い。

バイアス回路３２は、特性Ａ（図１０）あるいは特性Ｃ（図１２）で電流バイアスの大きさを変化させてもよい。バイアス回路３１は、特性Ｂ〜Ｄ（図１１、図１３、図１４）のいずれか１つの特性で電流バイアスの大きさを変化させても良い。よって、「特性Ａ」と「特性Ｂ、Ｄ、Ｅのいずれか１つ」という組合せ、或いは「特性Ｃ」と「特性Ｂ、Ｄ、Ｅのいずれか１つ」という組合せが可能である。

実施の形態１では２段目増幅器１２が中間ノード電位Ｖｍｉｄに基づいて電流を調整できる。よって、バイアス回路３１およびバイアス回路３２の各特性を上記の特性Ａ〜Ｅからいかように選択した場合も、中間ノード電位Ｖｍｉｄの変動を抑制することができる。

なお、特性Ｃ〜Ｅを持つバイアス回路の設計に当たっては、例えば上述したＰＴＡＴおよびバンドギャップリファレンス等をはじめとする各種公知技術を使用すればよいので、具体的な回路構成および回路素子の設計パラメータなどについては説明を省略する。

実施の形態２．
図１９は、本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器１１０を示す回路図である。実施の形態２にかかる多段増幅器１１０は、２段目増幅器１２を省略して調整回路１３０を追加している。つまり、実施の形態２では、２段の増幅器となっている。この点を除き、上述した実施の形態１にかかる増幅器１０と同様の構成を備えている。説明は省略するが、実施の形態１で説明した各種変形を、実施の形態２でも同様に行うこともできる。実施の形態１と同様の構成を備えるので、実施の形態２でも、バイアス回路３１により温度上昇に起因するゲイン低下を補うようにバイアスが調整される。従って、実施の形態１と同様に低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器を得ることができる。

調整回路１３０は、実施の形態１の２段目増幅器１２と同様に、中間ノード１５０の電位変動を抑制するように中間ノード１５０を流れる電流の量を調整するという好ましい回路動作を行う。具体的には、調整回路１３０は、中間ノード１５０と調整回路１３０とが電気的に接続する接続点の電位に基づいて、中間ノード１５０に対する電流の追加および引抜を行うという好ましい回路動作を行う。

調整回路１３０は、電流追加回路１３１と電流引抜回路１３２を備えている。電流追加回路１３１は、上段トランジスタ１２１（本発明にかかる第３トランジスタ）と、上段オペアンプ１３３とを含んでいる。上段トランジスタ１２１は、ドレインと、ゲートと、電源電位に電気的に接続されるべきソースとを備える。上段オペアンプ１３３の正極入力は中間ノード１５０に電気的に接続する。上段オペアンプ１３３の出力は、上段トランジスタ１２１のゲートに供給される。

電流引抜回路１３２は、下段トランジスタ１２２（本発明にかかる第４トランジスタ）と、下段オペアンプ１３４とを含んでいる。下段トランジスタ１２２は、上段トランジスタ１２１のドレインと電気的に接続されたドレインと、基準電位であるＧＮＤノードに電気的に接続されるべきソースと、ゲートとを備え、上段トランジスタ１２１のドレインと下段トランジスタ１２２のドレインの接続点が中間ノード１５０に電気的に接続されている。下段オペアンプ１３４の正極入力が中間ノード１５０に電気的に接続する。下段オペアンプ１３４の負極入力に参照電圧Ｖｒｅｆが印加される。下段オペアンプ１３４の出力は、下段トランジスタ１２２のゲートに供給される。

図２０は、本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器１１０の動作を説明するための図である。上段トランジスタ１２１は、電源ノードＶｄｄと中間ノード１５０との間の電気的導通を制御するスイッチとして機能し、中間ノード１５０への電流追加量を調整する。下段トランジスタ１２２は、中間ノード１５０とＧＮＤノードとの間の電気的導通を制御するスイッチとして機能し、中間ノード１５０からの電流引抜量を調整する。中間ノード電位Ｖｍｉｄが参照電圧Ｖｒｅｆからずれた場合には、各オペアンプがこれらのスイッチを開くことで、中間電位（３）がリファレンス電圧（４）とほぼ同じになるまで必要なだけ電流を流すことができる。

図２１および図２２は、本発明の実施の形態２にかかる多段増幅器１０の変形例を示す図である。図２１に示す多段増幅器１１１および図２２に示す多段増幅器１１２では、２段目増幅器１２０およびバイアス回路３３が追加されている。これにより３段の増幅を行うことができる。ただし、２段目増幅器１２０は実施の形態１にかかる２段目増幅器１２（自己バイアス型ＣＭＯＳインバータ）ではなく、例えば図４、５で図示したような回路に図６で例示したようなバイアス回路３３を組み合わせたものである。バイアス回路３３の出力特性は例えばバイアス回路３１と同様とする。

図２１では、縦積みの段数を３段にしている。３段に縦積み接続するときの接続関係については、初段増幅器１１と２段目増幅器１２０との間の電気的接続と、２段目増幅器１２０と最終段増幅器１３との間の電気的接続とを、それぞれ、図２０で初段増幅器１１と最終段増幅器１３とが接続されたときの接続関係と同様にすればよい。この場合、図２０に示した調整回路１３０を２つ用いる。すなわち調整回路１３０ａ、１３０ｂを設ける。調整回路１３０ａは、初段増幅器１１と２段目増幅器１２０とを接続する第１中間ノード１５１の電位Ｖｍｉｄ１の電位を、参照電圧Ｖｒｅｆ１に一致するように調整する。調整回路１３０ｂは、２段目増幅器１２０と最終段増幅器１３とを接続する第２中間ノード１５２の電位Ｖｍｉｄ２を、参照電圧Ｖｒｅｆ２に一致するように調整する。

図２２では、縦積みの段数が２段である。これは、実施の形態１における２段目増幅器１２を２段目増幅器１２０に置換した形態に相当している。

実施の形態３．
図２３は、本発明の実施の形態３にかかる多段増幅器２１０を示す回路図である。実施の形態３にかかる多段増幅器２１０は、調整回路１３０を、上段ダイオード直列回路５１および下段ダイオード直列回路５２を含む調整回路５０に置換したものである。この点を除き、上述した実施の形態２にかかる多段増幅器１１０と同様の構成が備えられており、実施の形態１で説明した各種変形を実施の形態３で行うこともできる。実施の形態１と同様に、実施の形態３でも、バイアス回路３１により温度上昇に起因するゲイン低下を補うようにバイアスが調整される。従って、実施の形態１と同様に低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器を得ることができる。

上段ダイオード直列回路５１および下段ダイオード直列回路５２は、実施の形態１の２段目増幅器１２および実施の形態２の調整回路１３０と同様に、中間ノード１５０の電位変動を抑制するように中間ノード１５０を流れる電流の量を調整するという好ましい回路動作を行う。具体的には、上段ダイオード直列回路５１および下段ダイオード直列回路５２は、中間ノード１５０と上段ダイオード直列回路５１および下段ダイオード直列回路５２とが電気的に接続する接続点の電位に基づいて、中間ノード１５０に対する電流の追加および引抜を行うという好ましい回路動作を行う。

下段ダイオード直列回路５２は、複数のダイオードを互いに順方向に電気的に接続されて構成されており、実施の形態３にかかる電流引抜回路に相当している。上段ダイオード直列回路５１は、複数のダイオードを互いに順方向に電気的に接続されて構成されており、実施の形態３にかかる電流追加回路に相当している。下段ダイオード直列回路５２のアノード端と上段ダイオード直列回路５１のカソード端との接続点が中間ノード１５０に電気的に接続されている。下段ダイオード直列回路５２のカソード端が初段増幅トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のソースと電気的に接続されている。初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のソースは、前述したように初段増幅器１１の作動中に基準電位端子に電気的に接続される。上段ダイオード直列回路５１のアノード端が最終段増幅トランジスタＴｒ７のドレインと電気的に接続されている。

中間ノード電位Ｖｍｉｄが低下すると、上段ダイオード直列回路５１の両端の電位差が大きくなる。上段ダイオード直列回路５１の両端電位差が上段ダイオード直列回路５１を構成する全てのダイオードの順電圧を合計した値以上となると、上段ダイオード直列回路５１に電流が流れる。これにより中間ノード１５０に電流が追加される。電流が流れ始めれば、中間ノード１５０の電位が低くなるほど中間ノード１５０に多く電流を追加することができる。また、中間ノード電位Ｖｍｉｄが上昇すると、下段ダイオード直列回路５２の両端の電位差が大きくなる。下段ダイオード直列回路５２の両端電位差が下段ダイオード直列回路５２を構成する全てのダイオードの順電圧を合計した値以上となると、下段ダイオード直列回路５２に電流が流れる。従って、中間ノード１５０から電流が引き抜かれる。電流が流れ始めれば、中間ノード１５０の電位が高いほど中間ノード１５０から多く電流を引き抜くことができる。

これを利用して、中間ノード電位Ｖｍｉｄが予め設計した電圧からずれた場合に、中間ノード１５０に対して電流の追加または引抜を行うことができる。下段ダイオード直列回路５２および上段ダイオード直列回路５１に電流が流れるときの電圧は、ダイオードの順電圧およびそれぞれのダイオード直列個数によって所望値に調整することができる。ただし、順電圧の整数倍の値に制限される。

図２４および図２５は、本発明の実施の形態３にかかる多段増幅器２１０の変形例（多段増幅器２１１、２１２）を示す図である。いずれも２段目増幅器１２０およびバイアス回路３３を追加して３段の増幅を行うものである。図２４は図２１と同様に縦積みの段数を３段にしたものであり、図２５は図２２と同様に縦積みの段数を２段にしたものである。図２４の多段増幅器２１１は、３段に縦積みしたダイオード直列回路５４，５５，５６を含む調整回路５３を備えている。

実施の形態４．
図２６は、本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器３１０を示す回路図である。実施の形態４にかかる多段増幅器３１０は、調整回路１３０を調整回路４２０に置換したものである。この点を除き、上述した実施の形態２にかかる多段増幅器１１０と同様の構成が備えられており、実施の形態１で説明した各種変形を実施の形態３で行うこともできる。バイアス回路３１により温度上昇に起因するゲイン低下を補うようにバイアスが調整される点は、実施の形態４でも同様である。従って、実施の形態１と同様に低消費電力かつ良好な特性を有する多段増幅器を得ることができる。

調整回路４２０は、実施の形態１の２段目増幅器１２、実施の形態２の調整回路１３０、および実施の形態３の調整回路５０と同様に、中間ノード１５０の電位変動を抑制するように中間ノード１５０を流れる電流の量を調整するという好ましい回路動作を行う。しかしながら、実施の形態４は、次の点で実施の形態１〜３と相違している。実施の形態１〜３では、中間ノード１５０の接続点との接続点の電位に基づいて、フィードバック的に、中間ノード１５０に対する電流の追加および引抜が行われている。これに対し、実施の形態４は、回路温度に応じてバイアス回路３１がバイアスを変化させるのに対抗するように、バイアス回路３１とは逆の電流追加／引抜動作をするような調整回路４２０を追加したものである。

図２６に示すように、調整回路４２０は、第１電流源４２１が上段に設けられ第２電流源４２２が下段に設けられた縦積みの回路を含んでいる。第１電流源４２１と第２電流源４２２の接続点が、中間ノード１５０に電気的に接続されている。

図２７および図２８は、本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器３１０が有する第１、２電流源４２１、４２２それぞれの出力温度特性を示す図である。第１電流源４２１は、中間ノード１５０に電流を出力する。第１電流源４２１は、図２７に示すように回路温度が予め定めた基準温度Ｔｒｅｆ以上となると回路温度が大きくなるほど中間ノード１５０へ流れ込む電流を増大させる。これにより第１電流源４２１は中間ノード１５０に電流を追加する。

一方、第２電流源４２２は、中間ノード１５０と電気的に接続し、中間ノード１５０から電流を引き抜く。第２電流源４２２は、図２８に示すように回路温度が基準温度Ｔｒｅｆよりも低くなると、回路温度が低くなるほど出力電流値を増加させる。これにより、第２電流源４２２は、回路温度が低くなるほど中間ノード１５０からより多くの電流を引き抜く。

図２９は、本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器３１０の動作を説明するための図である。第１電流源４２１と第２電流源４２２の動作を組み合わせた場合、基準温度Ｔｒｅｆより高温側では第１電流源４２１が多くの電流を追加するので初段増幅器１１の電流不足を抑制でき、基準温度Ｔｒｅｆより低温では第２電流源４２２が多くの電流を引き抜くので余った電流をＧＮＤノードに逃がすことができる。その結果、第１温度域Ｔｈｉｇｈおよび第２温度域Ｔｌｏｗの両方に渡って、中間ノード１５０を流れる電流の大きさを図２９のグラフのように右肩上がりの単調増加傾向とすることができる。

ここで、調整回路４２０が高温側と低温側とで特性の異なる２つの電流源を備えていることで、次のような利点もある。図２９の基準温度Ｔｒｅｆを境にして、高温域では電源ノードＶｄｄから電流を生成して中間ノード１５０に供給するので、全体の消費電流は増える。これに対し、低温域では、第１電流源４２１を作動させることなく第２電流源４２２が余分な電流をＧＮＤノードへ流すだけであり、第１電流源４２１を作動させないので全体の消費電流は一定である。このように、中間ノード１５０の電位を調整するときに、基準温度Ｔｒｅｆよりも高温域側だけで中間ノード１５０を流れる電流を増加させることで、低温域側では電流を節約することができる。

図３０および図３１は、本発明の実施の形態４にかかる多段増幅器３１０の変形例を示す図である。図３０に示す多段増幅器３１１および図３１に示す多段増幅器３１２は、いずれも２段目増幅器１２０およびバイアス回路３３を追加して３段の増幅を行うものである。図３０は図２２と同様に縦積みの段数を２段にしたものであり、図３１は図２１と同様に縦積みの段数を３段にしていたものである。図３１が備える調整回路４５０は、２段に縦積みされた電流源４５１、４５２を有している。電流源４５１の温度特性は図２６で述べた電流源４２１と同じとしてよく、電流源４５２の温度特性は図２６で述べた電流源４２２と同じとしてよい。中間ノード電位Ｖｍｉｄ１、Ｖｍｉｄ２の変動を抑制する方向に中間ノード１５１、１５２の電流の追加量と引抜量とを変化させるように定めればよい。

実施の形態１で説明したように、バイアス回路３２の出力特性は特性Ａ（図１０）あるいは特性Ｃ（図１２）としてもよく、バイアス回路３１の出力特性は特性Ｂ〜Ｄ（図１１、図１３、図１４）のいずれか１つの特性としてもよい。「特性Ａ」と「特性Ｂ、Ｄ、Ｅのいずれか１つ」あるいは、「特性Ｃ」と「特性Ｂ、Ｄ、Ｅのいずれか１つ」という組合せが可能である。以下、バイアス回路３１およびバイアス回路３２の変形に伴う調整回路４２０の変形について説明する。

特性Ａと特性Ｄを組み合わせると、基準温度Ｔｒｅｆより高温側の動作は上述した実施の形態４と同様である。基準温度Ｔｒｅｆから低温の動作については、バイアス回路３１およびバイアス回路３２の両方でバイアスが一定なので、温度変化に伴う電流引抜は不要である。従って、基準温度Ｔｒｅｆより高温の第１温度域Ｔｈｉｇｈにおいてのみ電流源４２１による電流追加を行えばよく、調整回路４２０から電流源４２２を省略しても良い。

特性Ａと特性Ｅを組み合わせると、基準温度Ｔｒｅｆより高温側の第１温度域Ｔｈｉｇｈでの動作は、上述した実施の形態４と同様である。一方、基準温度Ｔｒｅｆよりも低温の第２温度域Ｔｌｏｗでの動作については、実施の形態４とは異なる。すなわちバイアス回路３１が特性Ｅで作動するので低温側ほど中間ノード１５０から初段増幅器１１により多くの電流を流すべきなのに対し、バイアス回路３２はバイアスを一定に保つ。よって、特性Ａと特性Ｅを組み合わせると、第２温度域Ｔｌｏｗでは、基準温度Ｔｒｅｆよりも低温になるほど不足する電流が増加する。例えば一例として、電流源４２２を、図２８の代わりに図３２に示す特性としてもよい。こうすることで、第２温度域Ｔｌｏｗにおいて、低温となるほど電流源４２２が電流の引抜を抑制するので、中間ノード１５０に電流を余らせることができ、その余った電流を初段増幅器１１に供給することができる。

特性Ｃと特性Ｂを組み合わせる場合には、基準温度Ｔｒｅｆより高温側の動作は上述した実施の形態４と同様である。一方、基準温度Ｔｒｅｆから低温の動作を見ると、温度が低くなるほど、バイアス回路３２がバイアスを増大させかつバイアス回路３１は低温側ほどバイアスを低減している。これに起因して、実施の形態４の場合と比べて中間ノード１５０で余る電流が多くなる。そこで、その余分な電流をＧＮＤノードに流すために、図２８に示す特性と比べて、電流変化率をより大きく（傾きを急に）設定した電流源４２２を使用することが好ましい。

特性Ｃと特性Ｄを組み合わせる場合には、図２６の回路を適用できる。特性Ｃと特性Ｄを組み合わせた場合には、基準温度Ｔｒｅｆより高温側の動作は上述した実施の形態４と同様である。基準温度Ｔｒｅｆから低温の動作については、回路温度が低下するほど最終段増幅器１３のバイアスが大きくなり、中間ノード１５０に流れ込むべき電流の量が増える。その一方で、基準温度Ｔｒｅｆから低温側では初段増幅器１１のバイアスが一定なので、中間ノード１５０から初段増幅器１１に供給されるべき電流（具体的には初段増幅トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のドレインソース電流）は一定である。よって、中間ノード１５０の電流は、低温側ほど多く余ることになる。この余った電流を電流源４２２でＧＮＤノードに流せば良く、この動作は図２６の回路動作と同じである。

特性Ｃと特性Ｅを組み合わせる場合には、基準温度Ｔｒｅｆより高温側の動作は上述した実施の形態４と同様である。基準温度Ｔｒｅｆから低温の動作については、回路温度が低下するほど初段増幅器１１と最終段増幅器１３の両方のバイアスが同様に大きくなる。その結果、中間ノード１５０に流れ込むべき電流と中間ノード１５０から引き抜かれるべき電流がともに増加し、中間ノード１５０は安定する。よって、低温域側では調整回路４２０が作動しなくとも良いので、調整回路４２０から電流源４２２を省略しても良い。

１ 放送衛星、３ 受信装置、４ アンテナ、５ コンバータ、６ ミキサ、７ 発信器、８ 電力増幅器、１０、１１０、１１１、１１２、２１０、２１１、２１２、３１０、３１１、３１２ 多段増幅器、１１ 初段増幅器、１２、１２０ ２段目増幅器、１３ 最終段増幅器、３１、３１ａ、３１ｂ、３２、３３ バイアス回路、５０、５３、１３０、１３０ａ、１３０ｂ、４２０、４５０ 調整回路、５１ 上段ダイオード直列回路、５２ 下段ダイオード直列回路、５４、５５、５６ ダイオード直列回路、１０６ チューナー、１０７ テレビ、１２１ 上段トランジスタ、１２２ 下段トランジスタ、１３１ 電流追加回路、１３２ 電流引抜回路、１３３ 上段オペアンプ、１３４ 下段オペアンプ、１５０、１５１、１５２ 中間ノード、４２１、４２２、４５１、４５２、４５３ 電流源、４２２ 電流源、４５１ 電流源、Ｑ１、Ｑ２、 ＭＯＳＦＥＴ、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３ 初段増幅トランジスタ、Ｔｒ７ 最終段増幅トランジスタ、Ｔｒｅｆ 基準温度、Ｖｇ１、Ｖｇ１２、Ｖｇ２ バイアス電圧、Ｖｍｉｄ、Ｖｍｉｄ１、Ｖｍｉｄ２ 中間ノード電位

Claims (10)

1. 縦積み構成のカレント・リユース型の多段増幅器であって、
   入力信号が入力される第１端子と、前記入力信号を増幅させた信号を出力する第２端子とを備え、前記縦積み構成の下段に設けられる第１トランジスタと、
   前記第１トランジスタで増幅された信号が入力される第３端子と、前記第３端子で受ける信号を増幅させた信号を出力する第４端子と、前記第１トランジスタでの増幅中に前記第１トランジスタの前記第２端子に他のトランジスタを介して接続される第５端子とを備え前記縦積み構成の上段に設けられる第２トランジスタと、
   前記第１端子にバイアス電流を供給し、予め定めた基準温度以上の第１温度域において回路温度の上昇に応じてバイアス電流の大きさを増大させる第１バイアス回路と、
   前記第３端子にバイアス電流を供給し、前記第１温度域において回路温度の変化に対してバイアス電流の大きさを一定に保つように構築された第２バイアス回路と、
   前記第２端子と前記第５端子との間の中間ノードの電位変動を抑制するように前記中間ノードを流れる電流の量を調整する調整回路と、
   を備える多段増幅器。
2. 前記調整回路は、前記中間ノードと前記調整回路とが接続する接続点の電位に基づいて前記中間ノードに対する電流の追加および引抜を行う請求項１に記載の多段増幅器。
3. 前記調整回路は、入力端子に前記第１トランジスタの前記第２端子からの信号が入力され、出力端子で出力した信号を前記第２トランジスタの第３端子に与え、前記入力端子に入力された信号を増幅して前記出力端子で出力する自己バイアス型ＣＭＯＳインバータを含む請求項２に記載の多段増幅器。
4. 前記調整回路は、
   前記中間ノードの電位が予め定めた所定値以下になると、前記中間ノードの電位が低いほど前記中間ノードへ追加する電流を増大させる電流追加回路と、
   前記中間ノードの電位が前記所定値を上回ると、前記中間ノードの電位が高いほど前記中間ノードから引き抜く電流を増大させる電流引抜回路と、
   を含む請求項１に記載の多段増幅器。
5. 前記電流追加回路は、
   第１ドレインと、第１ゲートと、電源電位に接続される第１ソースとを備えた第３トランジスタと、
   正極入力が前記中間ノードに接続し、負極入力に予め定めた参照電圧が印加され、出力を前記第１ゲートに供給する第１オペアンプと、
   を含み、
   前記電流引抜回路は、
   前記第１ドレインに接続された第２ドレインと、基準電位に接続される第２ソースと、第２ゲートとを備え、前記第１ドレインと前記第２ドレインの接続点が前記中間ノードに接続された第４トランジスタと、
   正極入力が前記中間ノードに接続し、負極入力に前記参照電圧が印加され、出力を前記第２ゲートに供給する第２オペアンプと、
   を含む請求項４に記載の多段増幅器。
6. 前記電流引抜回路は、複数のダイオードを互いに順方向に接続することで構成された下段ダイオード直列回路を含み、
   前記電流追加回路は、複数のダイオードを互いに順方向に接続することで構成された上段ダイオード直列回路を含み、
   前記下段ダイオード直列回路のアノード端と前記上段ダイオード直列回路のカソード端との接続点が前記中間ノードに接続され、
   前記下段ダイオード直列回路のカソード端が基準電位端子に接続され、
   前記上段ダイオード直列回路のアノード端が電源電位に接続された請求項４に記載の多段増幅器。
7. 前記第１バイアス回路は、前記基準温度より低い第２温度域では、回路温度に対してバイアス電流の大きさを一定に保つ又は前記第２温度域では回路温度が低下するほどバイアス電流を増大させ、
   前記第２バイアス回路は、前記第１温度域および前記第２温度域にわたってバイアス電流の大きさを一定に保つ請求項１〜６のいずれか１項に記載の多段増幅器。
8. 前記第２バイアス回路は、前記基準温度より低い第２温度域では、回路温度が低下するほどバイアス電流を増大させ、
   前記第１バイアス回路は、前記第２温度域では、回路温度が低くなるほどバイアス電流の大きさを低下させる第１傾向、回路温度に対してバイアス電流の大きさを一定に保つ第２傾向、または回路温度が低くなるほどバイアス電流の大きさを増大させる第３傾向のいずれか１つの傾向でバイアス電流を変化させる請求項１〜６のいずれか１項に記載の多段増幅器。
9. 前記調整回路は、前記中間ノードに接続された電流源を含み、
   前記電流源は、回路温度が増加すると前記中間ノードに流れ込む電流を増加させるように出力電流を変化させる請求項１に記載の多段増幅器。
10. 前記電流源は、
    前記中間ノードに電流を出力し、回路温度が予め定めた基準温度以上となると前記回路温度が大きくなるほど前記中間ノードへ流れ込む電流を増大させる第１電流源と、
    回路温度が前記基準温度よりも低くなると前記回路温度が大きくなるほど出力電流値を増加させることで前記中間ノードから電流を引き抜く第２電流源と、
    を含む請求項９に記載の多段増幅器。

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