JPH07508620A - プログラマブル利得増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、プログラマブル利得増幅器（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｇａｉｎａ ｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）に関する。より詳細には、本発明は、プログラム作成可能 性を与えるインピーダンス選択ネットワークを有するプログラマブル利得増幅器 に関する。

発明の背景 従来のプログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）構成が図１に示されている。斯かる ＰＧＡにおいて、増幅器１０は入力信号を入力１１に受け、増幅器の利得に決定 される出力信号をその出力１２から供給する。増幅器１０の利得は、出力１２と フィードバックエ３との間のフィードバック経路に配置されているインピーダン スセレクタ１４によって決定されるフィードバック人力１３へのフィードバック 経路におけるインピーダンスによって決定される。インピーダンスセレクタ１４ を用いてフィードバック経路におけるインピーダンスを変化せしめることにより 、ＰＧＡの利得を変えることが出来る。このインピーダンスセレクタは、例えば 、可変抵抗、或いは、集積回路においてしばしば用いられているように、スイッ チと抵抗のネットワークであり得る。

スイッチと抵抗のネットワークをインピーダンスセレクタとして用いている従来 のプログラマブル利得増幅器が図２に示されている。斯かるＰＧＡにおいて、ス イッチ（Ｓ　１−　Ｓ　ａ　）は、これらのスイッチを流れる増幅器入力バイア ス電流によって引き起こされる熱電圧ノイズ（ｔｈｅｒｍａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ 　ｎｏｉｓｅ）と電圧エラーの両方に因り信号経路にエラーを誘導する。これら のスイッチを流れる入力バイアス電流は、共通モード電圧に対して変化するスイ ッチ抵抗に因る電圧変動を引き起こす。この非線形抵抗変動の結果、入力に偏倚 する非線形電圧が生じる。

従来の補足的酸化金属半導体（ＣＭＯ５）ＰＧＡにおける斯かるエラーを低減す る１つの方法は、ＣＭＯＳスイッチの幅を増加して、抵抗を低減することである 。然し乍ら、集積回路においてスイッチの幅の増加は無駄な面積の増大だけでな くキャパシタンスの付加をもたらす。低ノイズ回路の場合、スイッチに必要な安 全な領域サイズは有意な問題になり得る。

代替手段として、第二スイッチを用いて第一スイッチによって引き起こされる電 圧の変動を相殺することも出来る。然し乍ら、この解決方法ではスイッチによっ て引き起こされるノイズと集積回路の無駄な面積の両方が増大してしまう。

従って、本発明の目的は、これらのスイッチに関連するエラーを低減するプログ ラマブル利得増幅器を提供することにある。

発明の要約 本発明に係るプログラマブル利得増幅器は、第一利得エレメントと第二利得エレ メントを含んでおり、増幅器の利得のプログラム作成可能性が両利得エレメント にわたって分布されている。

本発明の１つの実施例は、第一人力、出力及びフィードバック信号を受けるため の少な（とも１つの入力を有する第一利得エレメント、並びに少な（とも１つの 入力及び出力を有する第二利得エレメントを含んでいる。２つのリードを有する インピーダンスがフィードバック信号入力と第二利得エレメントの入力の間に直 列に接続されている。２つの状態を有するスイッチが第一利得エレメントの出力 に直列に接続されている。一方の状態においては、スイッチはインピーダンスの 一方のリードを第一利得エレメントの出力に接続する。他方の状態においては、 スイッチはインピーダンスの他方のリードを第一利得エレメントの出力に接続す る。

本発明の別の実施例は、第一人力、出力及びフィードバック信号を受けるための 少な（とも１つの入力を有する第一利得エレメント、並びに信号を出力からフィ ードバンク信号入力にフィードバックするためのフィードバック経路を含んでい る。第二利得エレメントが少なくとも１つの入力と出力を有している。少なくと も１つのスイッチが第一利得エレメントの出力に直列に接続されており、このス イッチは・ｒンピーダンスがフィードバック経路に置かれている第−状態並びに インピーダンスが第一利得エレメントの出力と第二利得エレメントの入力の間に 直列に置かれている第二状態を有している。

本発明に係る別の実施例は第一人力、出力、及びフィードバック信号を受けるた めの少なくとも１つの入力、並びに少な（とも１つの入力及び出方を有する第二 利得エレメントを含んでいる。各々が第一リードと第二リードを有する複数の直 列接続インピーダンスがフィードバック信号入力と第二利得エレメントの入力の 間に直列に接続されている。各インピーダンスに対して、少なくとも１つの対応 するスイッチが接続されて第一利得エレメントの出力を受け、受けた出力を対応 するインピーダンスの第一リードに供給するための状態を有する。

本発明の別の実施例において、少なくとも１つの第一人力、出力、及びフィード バック信号を受けるための少なくとも１つの入力、並びに信号を出力からフィー ドバック信号入力にフィードバックするためのフィードバック経路が提供されて いる。第二利得エレメントが提供されており、これは少なくとも１つの第−人力 及び出力を有している。インピーダンス選択ネットワークが第一利得エレメント の出力に直列に接続されており、これは少なくとも２つの交番状態を有している 。第一の状態において、第一インピーダンスがフィードバック経路に置かれ、第 二インピーダンスが第一利得エレメントの出力と第二利得エレメントの入力の間 に直列に置かれる。第二の状態では、第三インピーダンスが第一利得エレメント の出力と第二利得エレメントの入力の間に直列に置かれ、第四インピーダンスが フィードバック経路に置かれる。

上記の実施例等の本発明に係るプログラマブル利得増幅器は又、差動（計測増幅 器）位相幾何学にも適用出来る。斯かる計測増幅器は、両方の第一利得エレメン トのそれぞれの出力をその入力として受ける共通の第二利得エレメントを共有す る本発明に係る２つのプログラマブル利得増幅器の組み合わせに類似している。

本発明に係るＰＧＡによると、これらのスイッチに因るエラーは第一利得エレメ ントの開ループ利得によって減衰するため無視出来る。従来のＰＧＡでは、開ル ープ利得は斯かるエラーに殆ど効果を及ぼさない。これを検査する別の方法は、 スイッチを増幅器直列出力インピーダンスと考慮することである。この抵抗によ ルト、第一利得ブロックがスイッチの両端の電圧を補償するためにその出力にわ ずかに高い信号を有するだけでよい。

本発明に係るＰＧＡの別の利点は、これら２つの別の利得エレメントによって、 種々の応用に最適化され得る２つの利得と２つの帯域幅の調節が可能になること である。この利得の大部分を第一エレメントに！（ことによって、ノイズ特性を 最適化することが出来る。両段の間の利得を均等化することによって、信号処理 及び帯域幅を最適化することが出来る。

図面の簡単な説明 図面において、 図１は、従来のプログラマブル利得増幅器のブロック図であり、図２は、従来の プログラマブル利得増幅器の１つの実施例の回路図であり、図３は、本発明に係 るプログラマブル利得増幅器のブロック図であり、図４は、本発明に係るプログ ラマブル利得増幅器の１つの実施例の回路図であり、 図５は、本発明に係るプログラマブル利得計測増幅器の回路図である。

詳細な説明 ここで本発明の諸実施例の詳細な説明を図３乃至５に関連して述べることにする 。これらの図面における類似の参照数字は類似の構造を指示している。本発明を 実施する回路のブロック図が図３に示されている。これは、インピーダンスセレ クタ１４によって相互接続されている第一利得エレメント１０と第二利得エレメ ント１５を含んでいる。従来のプログラマブル利得増幅器と対照的に、インピー ダンスセレクタ１４は第一利得エレメントの出力１２と第二利得エレメントの入 力１７との間に直列に接続されており、両エレメントの利得の変動を可能にする 。

本発明の１実施例として、図４に示されているように、インピーダンスセレクタ １４は複数のスイッチ（Ｓ＋　Ｓ−）と対応のインピーダンス（Ｒ＋　Ｒ−）を 含んでいる。これらのスイッチは、第一利得エレメントの出力１２を受けるため に共通的に接続されている。図４に示されている実施例では、インピーダンスＲ 。

−Ｒおは例示の目的のために抵抗として図示されている。インピーダンスを与え るコンデンサ等の他の部品も用いて、そして／あるいは組み合わせることが出来 る。ＰＧＡは又、第二利得エレメント１５に対して、フィードバック抵抗Ｒ，２ を含む。アースと利得エレメント１０の入力との間には別の抵抗ＲｃＩが配設さ れている。抵抗Ｒｃ１は利得エレメント１０の利得に影響する。本発明は多（の 他の増幅器構成に適用可能であり、図示の構成に限定されるものではない。

図４におけるプログラマブル利得増幅器の利得はどのスイッチ又は諸スイッチが 閉じているかに依存する。例えば、スイッチＳ１が閉じていると、増幅器の利得 は−Ｒｃ２／　（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒｎ）に等しくなる。インピーダンスＲ１ 乃至Ｒｎの和がＲｓ２に等しい場合、最低利得は１である。スイッチＳ２が閉じ ている場合、増幅器の利得は（１＋Ｒ１／Ｒｃ＋）＊　Ｒ−！／（Ｒ２＋Ｒ３＋ Ｒｎ）となる。最高利得はスイッチＳｎが閉じている時に得られる。この実施例 において、その利得は（１＋　（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒｃ＋）＊Ｒ−ｉ／Ｒｎ となる。任意の数Ｎ個のスイッチＳ及び対応の抵抗Ｒが与えられているため、１ つのスイッチ本発明に係るＰＧＡにおいて、増幅器の利得は第一段と第二段の間 に分布されている。上記の利得式において、積の第一の部分は第一段の利得であ る。積の第二部分は第二段の利得である。利得が両段の間に均等に分割されてい る場合、最適帯域幅が得られる。利得の大部分が第一段に得られる時は、最適ノ イズ特性が得られる。利得が均等に分割されるかあるいは主に第一段に得られる ようにプログラマブル利得増幅器を構成するためには、回路の種々の状態に対す る利得式が決定される。これらの式は所望条件を満たすための同時組として解決 される。例えば、図４の回路は、ＲｏｌにＲ，、Ｒ，、Ｒｓ（及びそれらの和） と比較して低インピーダンスを持たせ、且つＲ，にＲ１，Ｒ１、Ｒ１、Ｒ，、及 びそれらの和と比較して低インピーダンスを持たせることにより第一段に利得の 大部分を有し得る。

インピーダンスセレクタ１４を第一利得エレメント１０と直列に配置する、及び 利得のプログラム作成可能性を２つの利得エレメントにわたって分割する効果は 、これらのスイッチが信号経路に定位されないことである。即ち、スイッチノイ ズは第一利得エレメント１０の入力１３にフィードバックされないが、第一利得 エレメントの開ループ利得によって減衰する。スイッチノイズは、第二利得エレ メント１５の入力によって受けられる第一利得エレメント１０の有効出力がスイ ッチＳの出力であるためフィードバックされない。それ故、スイッチは第−利得 エレメント１０のフィードバック経路にはない。この構成の別の結果は、二重の 役割、即ち、一方の状態では第一利得エレメント１０のフィードバック経路の部 分であり、別の状態では第二利得エレメント１５の入力経路の部分である役割、 を果たす少な（とも１つの抵抗がインピーダンスセレクタに存在することである 。

本発明は図３に示されているような差動（計測増幅器）位相幾何学にも適用され 得る。計測増幅器の構造は図２の増幅器に類似しているが、これは利得エレメン ト１０の利得エレメント１５への接続と同様の方法でインピーダンスセレクタ１ ９を経由して第二利得エレメント１５に接続されている第三利得エレメント１８ をも含んでいる。この構造の利得式は上記の利得式とだいたい同じである。

本発明のプログラマブル利得増幅器は少な（とも２つのカスケード利得エレメン トを有する回路に適用可能である。本発明によると、各利得エレメントはインピ ーダンスセレクタによってプログラム作成可能である利得を有する。本発明に係 るＰＧＡは印刷回路基板上に配置されるような、あるいは集積回路に配置される ような個別部品で、或いは真空管を用いて実施され得る。これは又、増幅器がバ イポーラでありスイッチが０ＭＯ３であるＢｉＭＯ３集積回路としても実施され 得る。

これまで本発明の幾つかの実施例について述べてきたが、上記の説明は例として のみ与えられており、単に例示的であり、限定するものではないことが当業者に 明白となろう。付記の請求の範囲及びその等価内容によって規定されるように、 多くの他の実施例及び修正が本発明の範囲に入るものとして意図される。

請求の範囲は以下の通である。

ＦＩＧ、１　先行技術 ＦＩＧ、２　先行技術 ＦＩＧ、　４ マノボ°−ラ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　６年　７月１１日り匍

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．プログラマブル利得増幅器において、入力を受けるための手段、出力を供給 するための手段、及びフィードバック信号を受けるための手段を有する第一利得 エレメント手段、入力を受けるための手段及び出力を供給するための手段を有す る第二利得エレメント、 上記フィードバック信号受信手段に接続されている第一リード及び上記第二利得 エレメントの入力受信手段に接続されている第二リードを有するインピーダンス 、 上記第一利得エレメントの出力を上記インピーダンスの第一リードに接続するた めの第一状態及び上記第一利得エレメントの出力を上記インピーダンスの第二リ ードに接続するための第二状態を有する上記第一利得エレメントの出力に接続さ れているスイッチ を含み、 上記第一利得エレメントが連続ＡＣ入力信号をその入力として受けることが出来 、且つ 上記第二利得エレメントが、上記入力信号の関数である連続ＡＣ信号をその出力 として供給する ことを特徴とするプログラマブル利得増幅器。
2. ２．上記第二利得エレメントが第二入力を受けるための手段を有し、上記増幅器 が、 入力を受けるための手段、出力を供給するための手段、及びフィードバック信号 を受けるための手段を有する第三利得エレメント、上記第三利得エレメントのフ ィードバック信号受信手段に接続されている第一リード及び上記第二利得エレメ ントの第二入力受信手段に接続されている第二リードを有するインピーダンス、 及び 上記第三利得エレメントの出力を上記第二インピーダンスの第一リードに接続す るための第一レベル及び上記第三利得エレメントの出力を上記第二インピーダン スの第二リードに接続するための第二状態を有する上記第三利得エレメントの出 力に接続されている第二スイッチ を更に含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のプログラマブル利得増幅器 。
3. ３．上記利得エレメント、上記インピーダンス及び上記スイッチが集積回路に埋 め込まれていることを特徴とする請求の範囲２項に記載のプログラマブル利得増 幅器。
4. ４．上記利得エレメントがバイポーラ増幅器であり、上記スイッチがＣＭＯＳス イッチであることを特徴とする請求の範囲３項に記載のプログラマブル利得増幅 器。
5. ５．プログラマブル利得増幅器において、入力を受けるための手段、出力を供給 するための手段、及びフィードバック信号を受けるための手段を有する第一利得 エレメント手段、入力を受けるための手段及び出力を供給するための手段、イン ピーダンス、 上記第一利得エレメントの出力に接続されている第一端子及び第二端子を有する スイッチ、 信号を上記スイッチの第二端子から上記フィードバック信号受信手段にフィード バックするためのフィードバック経路を含み、 上記スイッチが、上記インピーダンスが上記フィードバック経路に配置されてい る第一状態、及び上記インピーダンスが上記スイッチの第二端子と上記第二利得 エレメントの入力受信手段の間に直列に配置されている第二状態を有しており、 上記第一利得エレメントが連続ＡＣ入力信号をその入力として受けることが出来 、且つ 上記第二利得エレメントが、上記入力信号の関数である連続ＡＣ信号をその出力 として供給する ことを特徴とするプログラマブル利得増幅器。
6. ６．上記第二利得エレメントが第二入力を受けるための手段を有し、上記増幅器 が、 入力を受けるための手段、出力を供給するための手段、及びフィードバック信号 を受けるための手段を有する第三利得エレメント、信号を上記出力から上記フィ ードバック受信手段にフィードバックするための上記第三利得エレメントのため のフィードバック経路、第二インピーダンス、 上記第三利得エレメントの出力に直列に接続されており且つ上記第二インピーダ ンスが上記第三利得エレメントのためのフィードバック経路に配置されている第 一状態、及び上記第二インピーダンスが上記第三利得エレメントと上記第二利得 エレメントの第二入力受信手段の間に直列に配置されている第二状態を有する少 なくとも１つのスイッチ を更に含むことを特徴とする請求の範囲５項に記載のプログラマブル利得増幅器 。
7. ７．上記利得エレメント、上記インピーダンス及び上記スイッチが集積回路に埋 め込まれていることを特徴とする請求の範囲６項に記載のプログラマブル利得増 幅器。
8. ８．上記利得エレメントがバイポーラ増幅器であり、上記スイッチがＣＭＯＳス イッチであることを特徴とする請求の範囲７項に記載のプログラマブル利得増幅 器。
9. ９．プログラマブル利得増幅器において、入力を受けるための手段、出力を供給 するための手段、及びフィードバック信号を受けるための手段を有する第一利得 エレメント手段、入力を受けるための手段及び出力を供給するための手段を有す る第二利得エレメント、 複数の直列接続インピーダンスであって、各々が第一リードと第二リードを有し ており、上記複数の直列インピーダンスが上記フィードバック信号受信手段と上 記第二利得エレメントの入力受信手段の間に直列に接続されている複数の直列接 続インピーダンス、 各インピーダンスに対して、上記第一利得エレメントの出力に接続されており且 つ上記第一利得エレメントの出力を受けるための手段及び受信された出力を対応 のインピーダンスの第一リードに供給するための状態を有する少なくとも１つの 対応のスイッチ、 を含み、 上記第一利得エレメントが連続ＡＣ入力信号をその入力として受けることが出来 、且つ 上記第二利得エレメントが、上記入力信号の関数である連続ＡＣ信号をその出力 として供給する ことを特徴とするプログラマブル利得増幅器。
10. １０．上記第二利得エレメントが第二入力を受けるための手段を有し、上記増幅 器が、 入力を受けるための手段、出力を供給するための手段、及びフィードバック信号 を受けるための手段を有する第三利得エレメント、第二の複数の直列接続インピ ーダンスであって、各々が第一リードと第二リードを有しており、上記複数の直 列インピーダンスが上記フィードバック信号受信手段と上記第二利得エレメント の入力受信手段の間に直列に接続されている複数の直列接続インピーダンス、及 び 上記第二複数の直列接続インピーダンスにおける各インピーダンスに対して、上 記第一利得エレメントの出力に接続されており且つ上記第一利得エレメントの出 力を受けるための手段及び受信された出力を対応のインピーダンスの第一リード に供給するための状態を有する少なくとも１つの対応のスイッチ、を更に含むこ とを特徴とする請求の範囲９項に記載のプログラマブル利得増幅器。
11. １１．上記利得エレメント、上記インピーダンス及び上記スイッチが集積回路に 埋め込まれていることを特徴とする請求の範囲１０項に記載のプログラマブル利 得増幅器。
12. １２．上記利得エレメントがバイポーラ増幅器であり、上記スイッチがＣＭＯＳ スイッチであることを特徴とする請求の範囲１１項に記載のプログラマブル利得 増幅器。
13. １３．プログラマブル利得増幅器において、入力を受けるための手段、出力を供 給するための手段、及びフィードバック信号を受けるための手段を有する第一利 得エレメント手段、信号を上記スイッチの第二端子から上記フィードバック信号 受信手段にフィードバックするためのフィードバック経路入力を受けるための手 段及び出力を供給するための手段を有する第二利得エレメント、 上記フィードバック信号受信手段に接続されている第一リード及び上記第二利得 エレメントの入力受信手段に接続されている第二リードを有するインピーダンス 、 上記第一利得エレメントの出力に直列に接続されており且つ上記第一利得エレメ ントの出力に接続されているスイッチによって画定される少なくとも２つの交番 状態であって、第一インピーダンスが上記フィードバック経路に配置されており 且つ第二インピーダンスが上記第一利得エレメントの出力と上記第二利得エレメ ントの入力受信手段の間に直列に配置されている第一状態並びに第三インピーダ ンスが上記第一利得エレメントの出力と上記第二利得エレメントの入力受信手段 の間に直列に配置されており且つ第四インピーダンスが上記フィードバック経路 に配置されている第二状態を含んでいる少なくとも２つの交番状態を有するイン ピーダンス選択ネットワーク を含み、 上記第一利得エレメントが連続ＡＣ入力信号をその入力として受けることが出来 、且つ 上記第二利得エレメントが、上記入力信号の関数である連続ＡＣ信号をその出力 として供給する ことを特徴とするプログラマブル利得増幅器。
14. １４．上記第二利得エレメントが第二入力を受けるための手段を有し、上記増幅 器が、 入力を受けるための手段、出力を供給するための手段、及びフィードバック信号 を受けるための手段を有する第三利得エレメント、信号を上記出力から上記フィ ードバック受信手段にフィードバックするための上記第三利得エレメントのため のフィードバック経路、上記第三利得エレメントの出力に直列に接続されており 且つ上記第三利得エレメントの出力に接続されているスイッチによって画定され る少なくとも２つの交番状態であって、第一インピーダンスが上記第三利得エレ メントの上記フィードバック経路に配置されており且つ第二インピーダンスが上 記第三利得エレメントの出力と上記第二利得エレメントの第二入力受信手段の間 に直列に配置されている第一状態並びに第三インピーダンスが上記第三利得エレ メントの出力と上記第二利得エレメントの第二入力受信手段の間に直列に配置さ れており且つ第四インピーダンスが上記第三利得エレメントの上記フィードバッ ク経路に配置されている第二状態を含んでいる少なくとも２つの交番状態を有す る第二インピーダンス選択ネットワーク を更に含むことを特徴とする請求の範囲１３項に記載のプログラマブル利得増幅 器。
15. １５．上記利得エレメント、上記インピーダンス及び上記スイッチが集積回路に 埋め込まれていることを特徴とする請求の範囲１４項に記載のプログラマブル利 得増幅器。
16. １６．上記利得エレメントがバイポーラ増幅器であり、上記スイッチがＣＭＯＳ スイッチであることを特徴とする請求の範囲１５項に記載のプログラマブル利得 増幅器。
17. １７．プログラマブル利得増幅器において、入力、出力及びフィードバック信号 を受けるための手段を有する第一差動増幅器、 入力、出力及びフィードバック信号を受けるための手段を有する第二差動増幅器 、 複数のスイッチであって、各々が第一端子及び上記第一差動増幅器の出力に接続 されている第二端子を有している複数のスイッチ、各スイッチに対して配設され ているインピーダンスであって、各々が上記対応のスイッチの第一端子に接続さ れている端子を有するインピーダンスを含み、 上記複数のインピーダンスが相互接続されて、上記第一差動増幅器のフィードバ ック信号受信手段に接続されている第一端子及び上記第二差動増幅器の入力に接 続されている第二端子を有するインビーダンスを形成し、且つ上記第一差動増幅 器が連続ＡＣ入力信号をその入力に受けることが出来、上記第二差動増幅器が上 記入力信号の関数である出力信号を供給することを特徴とするプログラマブル利 得増幅器。
18. １８．複数のスイッチであって、各々が第一端子及び上記第三差動増幅器の出力 に接続されている第二端子を有している複数のスイッチ、各スイッチに対して配 設されているインピーダンスであって、各々が対応のスイッチの第一端子に接続 されている端子を有しており、上記複数のインピーダンスが相互接続されて、上 記第三差動増幅器のフィードバック信号受信手段に接続されている第一端子及び 上記第二差動増幅器の入力に接続されている第二端子を有するインピーダンスを 形成するインビーダンスを含み、且つ 上記第三差動増幅器が連続ＡＣ入力信号をその入力に受けることが出来且つ上記 第二差動増幅器が上記第一及び第三差動増幅器によって受けられる連続ＡＣ入力 信号の関数である出力信号を供給することを特徴とする請求の範囲１７項に記載 のプログラマブル利得増幅器。