JPH09102715A - 可変利得ミクサ回路 - Google Patents
可変利得ミクサ回路Info
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Abstract
かけることができ、しかも線形性を向上させることがで
きる低ノイズミクサ回路を提供する。 【解決手段】ミクサ部34は、ポストミクサ線形化部3
6に接続されることにより、ミクサのRF入力部の非線
形相互コンダクタンス特性が相殺され、それによりミク
サの線形応答レンジが拡大される。ポストミクサ線形化
部36は、RF入力部の非線形動作レンジ外において非
線形性を増大させる応答特性を有している。この非線形
応答特性は、RF入力部の非線形応答特性を補償する。
ポストミクサ線形化部36におけるカレントミラー8
0,82は、高利得を維持する間にミクサのレール・ト
ウ・レール(rail-to-rail)電圧の余裕を増大させる。
入力ドライバ32がミクサに接続されることにより、ミ
クサにおけるトランジスタのスイッチングがすばやくな
り、ノイズの影響が減少する。ミクサは、線形デシベル
利得制御を行う利得制御回路も有している。
Description
に関し、さらに詳しくは、高周波可変利得ミクサ回路に
関する。
している。
は、複数のトランジスタQ1〜Q4から成るミクサコア
13と、トランジスタQ5、Q6及び電流源18から成
るRF(高周波)入力部15とを有している。このミク
サ回路10は、本願の発明者にちなんで“ギルバートミ
クサ”と呼ばれ、広く知られている。事実、本発明時に
行った先行技術調査では、ほぼ同じ回路を開示している
Jonesに対して発行された米国特許第3,241,078号が見つ
かった。しかしながら、この米国特許では、上記回路は
同期検出器として開示されており、上記回路をミクサと
して使用することを想定してはいないものであった。
する。RF入力部15のトランジスタQ5、Q6のベー
ス間に電位差がない場合、これらの2つのトランジスタ
Q5、Q6のコレクタ電流はほぼ等しくなる。従って、
LO(局部発振)ポート12へ印加される電位が出力電
流を変化させることはない。一方、トランジスタQ5、
Q6のエミッタ領域における整合等の原因で小さなDC
オフセット電位がRFポート14に生じた場合、LO信
号VLOが少量IFポート16へ流れることになるが、そ
れは図示しない第1のIFフィルタによって遮断される
ようになっている。
給され、LOポート12に電位差が印加されない場合に
は、出力電流は再び平衡する。トランジスタQ1〜Q4
のエミッタ領域の不整合によって小さなオフセット電圧
が生じた場合、いくらかのRF信号が上記IFポートへ
供給されるが、それは、前述したように、IFフィルタ
によって遮断されるようになっている。従って、IFポ
ート16に信号が現れるのは、LOポート12及びRF
ポート14の両方に信号が供給された時のみとなる。
電圧VRFと出力電圧VIFの関係を示すグラフであり、こ
の場合、LO信号VLOは所定のDC値に固定されてい
る。周知のように、RF入力電圧VRFと出力電圧VIFの
関係は、双曲線正接(tanh)関数で表される。
間の狭い一定の動作レンジでは、入力信号VRFと出力信
号VIFの関係は線形性を有している。これは、この狭い
動作レンジにおいて、RF入力部15が線形相互コンダ
クタンスgmを有しているためである。
相互コンダクタンスgmは、上記狭い動作レンジ外では
急激に非線形となり、上記ポイント22、23を超える
と応答性が低下する。この相互コンダクタンスgmの非
線形動作特性は、入力信号を大幅に圧縮し、ミクサの出
力信号に望ましくない相互変調積(inter-modulationpr
oducts)を生じさせる。トランジスタQ5、Q6のエミ
ッタにおける負帰還抵抗(emitter degeneration resis
tors)は、線形性を向上させるために使用することがで
きるが、ミクサのノイズ特性を低下させる。
ばトランジスタQ1〜Q4のようなコアトランジスタを
オン・オフする際に、スイッチングノイズが生じること
である。このスイッチングノイズは、ミクサ出力のスペ
クトルの完全性を損なわせる。図3において、その上部
グラフ26は、図1に示した差動対に供給される局部発
振器信号VLOを示しており、下部グラフ27は、上記信
号VLOがハイの状態とローの状態に変化する遷移時に、
増幅器によって生じるノイズバースト28を示してい
る。
め、ミクサコアのトランジスタQ1〜Q4は、より早く
ターンオンして、それらのベース端子により大きな電荷
をかける必要がある。
タQ1のベースから電荷を取り除くためにより大きな電
流が必要となり、そのために、高周波数に適用させるこ
とが困難であるという問題が生じる。
題点に鑑みなされたものであり、LOポートに対してよ
り早くベースチャージをかけることができ、かつ線形性
を向上させることができる低ノイズのミクサ回路を提供
することを目的とする。
は、ポストミクサ線形化部(post-mixer linearizer)
と結合され、ミクサ回路のRF入力段の非線形応答性を
補償するようになっている。このポストミクサ線形化部
は、線形動作レンジを有するが、それに加えて、この線
形動作レンジ外ではRF入力段の応答の増分利得が減少
すると、それと同じ程度増加する出力応答信号を有す
る。この増大する出力応答信号は、RF入力部の減少し
た非線形応答信号に対して反対に作用する(counterac
t)。その結果、上記ミクサ回路とポストミクサ線形化
部との結合がこの結合されたミクサ回路の全体の線形動
作レンジを増大させる。
2の出力ブランチ(output branch)を有し、それらは
ミクサコアにおける非線形性に対して反対に作用するた
め必要な応答信号を生成するために相補的な方式で動作
する。これらの出力ブランチは、レール・トウ・レール
(rail-to-rail)電圧に大きな余裕を有する高電流利得
を提供する。
バが、ミクサコアに対してより早く電荷を供給するため
ミクサ部に接続されている。入力ドライバは、ミクサコ
アのLO入力のそれぞれに対してより早く電荷を供給し
たり取り去ったりするためにクラスABエミッタフォロ
アー(Class-AB emitter follower)及び関連するバイ
アス段を有している。各入力端子に対する強制的な電荷
の供給及び取り去りは、ミクサコアにおけるトランジス
タのオン・オフ状態の切り替えを早くする。従って、ミ
クサのスイッチング動作の間に生じるノイズが減少され
る。
は、利得制御信号における線形変化に指数関数的に比例
してミクサ利得を変化させる利得制御回路を有してい
る。従って、ミクサはデシベル利得制御において線形性
を得ることができる。
は、第1の入力における第1の信号に第2の入力におけ
る第2の信号を乗算するために2つの入力と1つの出力
とを有し、所定の動作レンジにおいては線形相互コンダ
クタンスを有し、上記所定の動作レンジ外においては非
線形相互コンダクタンスを有するミクサコアと、上記ミ
クサコアの出力に接続された1つの入力と1つの出力と
を有するポストミクサ線形化部と、を有するミクサ回路
において、上記ポストミクサ線形化部のドライバ回路が
上記ミクサコアの非線形相互コンダクタンス特性に対し
て反対に作用する手段を有し、それにより上記所定動作
レンジ外における上記ミクサ回路の線形相互インダクタ
ンスを増大させることを特徴とする。
が、第1及び第2の出力ノードを形成するトランジスタ
の差動対を有することができる。
第1の出力ノードに接続された第1の出力ブランチと、
上記第2の出力ノードに接続された第2の出力ブランチ
と、を有することができる。
上記ミクサコアの第1の出力ノードにベース端子が接続
されたNPNトランジスタと、上記NPNトランジスタ
に直列に接続されるとともに上記ミクサコアの第2の出
力ノードにベース端子が接続されたPNPトランジスタ
と、を有するように構成される。
クサコアの第2の出力ノードにベース端子が接続された
NPNトランジスタと、上記NPNトランジスタに直列
に接続されるとともに上記ミクサコアの第1の出力ノー
ドにベース端子が接続されたPNPトランジスタと、を
有するように構成することもできる。
記第1及び第2の出力ブランチの両方に交差接続された
第1及び第2のコントロールブランチを有することがで
きる。この場合、好ましくは、上記第1及び第2のコン
トロールブランチのそれぞれが、エミッタフォロア回路
から構成される。
化部が、上記第1の出力ブランチに接続された第1のカ
レントミラーと、上記第2の出力ブランチに接続された
第2のカレントミラーと、を有するように構成すること
もできる。
ましくは、それぞれ、上記関連する出力ブランチに接続
された1つの入力トランジスタと、上記入力トランジス
タと上記ポストミクサ線形化部の出力との間に接続され
た1つの出力トランジスタと、駆動電流を供給するため
に上記出力トランジスタに接続された駆動トランジスタ
と、上記カレントミラーにおける電圧オフセットを減少
させるために上記駆動トランジスタと入力トランジスタ
との間に接続されたオフセットトランジスタとから構成
することができる。
オフセットをさらに減少させるために、上記駆動トラン
ジスタとオフセットトランジスタとの間に接続された抵
抗及びコンデンサ回路を有することができる。
に上記ミクサによって生成されるノイズを減少させるた
めに、上記ミクサコアの入力に接続された入力ドライバ
を有することもできる。
力端子及び上記ミクサコアに接続された出力端子とを有
する利得制御回路を有し、上記利得制御回路は、上記利
得制御信号における線形変化に従って線形的にミクサコ
ア利得のデシベル値を変化させるように構成することも
できる。
つの入力及び1つの出力を有するとともに、所定の動作
レンジにおいて所定の線形相互コンダクタンスを有する
ミクサコアと、1つの入力ノードと、上記ミクサコアの
2つの入力の1つにそれぞれ接続された第1及び第2の
出力ノードとを有する入力ドライバと、を有し、上記入
力ドライバが、上記ミクサコアを作動させるために電荷
を充電する手段と、上記ミクサコアを不作動とするため
に上記ミクサコアを放電する手段と、を有するように構
成することもできる。
手段が第1及び第2の相補形トランジスタの対から構成
され、各相補トランジスタの対が、上記入力ドライバ出
力ノードを高い状態に駆動するための第1のトランジス
タと、上記出力ノードをグランドに落とすための第2の
トランジスタとを有する。
ランジスタの対に接続された第1のバイアス段と、上記
第2の相補形トランジスタペアに接続された第2のバイ
アス段とを有し、上記各バイアス段が上記入力ドライバ
の入力における信号に従って上記関連する相補形トラン
ジスタの対における第1及び第2のトランジスタの作動
を交互に行う手段を有することができる。
する相補形トランジスタの対において、上記第1のトラ
ンジスタに接続されたエミッタフォロアーと、上記第2
のトランジスタに接続されたダイオードと、を有するよ
うに構成される。
力に接続されたポストミクサ線形化部を有し、このポス
トミクサ線形化部が、上記ミクサコア線形動作レンジの
限界の外で非線形相互コンダクタンス特性を妨げるため
の手段を有することができる。
を受け取るための入力及び上記ミクサコアに接続された
出力を有する利得制御回路を有し、この利得制御回路
が、上記利得制御信号における線形変化に従って、所定
の利得値をデシベル値で直線的に変化させる。
定の信号利得を有し、第1及び第2の信号を互いに合計
するためのミクサコアと、利得制御信号を受け取るため
の入力及び上記ミクサコアに接続された出力を有する利
得制御回路とを有し、上記利得制御回路が上記利得制御
信号における線形変化に従って、上記所定の信号利得の
デシベル値を線形的に変化させることを特徴とする。
理する方法をも含み、この信号処理方法は、所定の動作
レンジにおいて線形応答特性を有し所定の動作レンジ外
において非線形応答特性を有するミクサを用いて第1の
信号及び第2の信号を結合させ、上記ミクサ線形動作レ
ンジ外における非線形性を相殺し、それにより上記ミク
サの線形動作レンジを拡張することを特徴とする。
に、利得制御信号における線形変化に従って、上記ミク
サにおける所定の利得のデシベル値を線形的に変化させ
るようにすることができる。
えて上記ミクサを第1の状態から第2の状態へ切り替え
るとともに、上記ミクサを放電して該ミクサを第1の状
態へ戻すようにすることもできる。
力信号を生成し、さらに結合してミクサ出力信号を形成
する第1及び第2の中間信号を生成し、上記第1及び第
2の中間信号が上記ミクサの非線形応答を相補する相互
コンダクタンス特性を有するようにすることもできる。
するために上記第1及び第2の中間出力信号に、それぞ
れ所定のオフセット電圧及び電流利得を有するカレント
ミラーを接続し、上記各カレントミラーに対する電流利
得を増大させるとともに、上記所定のオフセット電圧を
減少させるようにすることもできる。
果は、図面を参照した以下の実施例の記載から明らかと
なるであろう。
に基づいて説明する。
可変利得ミクサ回路30のブロック図である。このミク
サ回路30は、線形応答性が改善されており、またノイ
ズ抑制特性も向上している。
O)入力ドライバ32と、ミクサ部34と、ポストミク
サ線形化部(post-mixer linearizer)36とを有して
おり、ミクサ部34とポストミクサ線形化部36とは直
列に接続されている。入力ドライバ32は、ミクサ部3
4のノイズ特性を向上させる。ミクサ部34は、相互コ
ンダクタンス段を構成するとともに、それに加えて線形
デシベル利得制御回路(linear-in-dB gain control ci
rcuit)を有している。この利得制御回路は、端子54
へ供給される利得制御電流IG の線形変化に応じて、ミ
クサの利得を指数関数的に変化させるようになってい
る。そして、このポストミクサ線形化部36は、以下に
説明するように、ミクサの非線形応答性を補償するよう
になっている。
り単側入力信号LOIPを受け、ミクサ部34へ供給さ
れるバランスのとれた差動出力信号VLOを生成する。入
力閾値ドライバは、端子42より供給される中間基準電
圧VMIDで調整される。バイアス電流IBLOは、端
子40から入力され、LOドライバ32を動作させる。
差動高周波入力信号RFLO、RFHIが供給される。
そして、端子52より基準電流IPMXが供給され、端
子54からミクサの利得を設定する利得制御電流MXG
Nが供給される。このミクサ部34は、端子MH及びM
Lに差動中間周波数信号VIFを生成し、この信号はポス
トミクサ線形化部36へ供給される。
6よりイネーブル信号IBDRが供給され、端子58よ
り中間周波数(IF)出力信号MXOPを出力する。端
子44及び50にそれぞれ供給される電源電圧VP、C
Mは、各ブロック32、34、36へ供給される。
0は、相補形バイポーラ技術(complementary bipolar
technology)によって実現される。しかしながら、以下
の説明から当業者に自明なように、CMOS等の他の技
術を適宜改良して応用することができる。
入力ドライバ32について説明する。
す回路図である。
イズを減少させかつ信号の利得を大きくするため、LO
入力ドライバ32がミクサ部34を駆動するために用い
られる。このミクサ部34の詳細については図6を参照
して後述する。
入力電圧LOIPの電圧レベルを、ミクサ部34によっ
て要求されるレベルまで引き上げる。LO入力信号LO
IPは、229MHzで±50mV(−16dBm)の
一般的な単側電圧である。一方、ミクサ部34(図6参
照)へのLO信号は、約±250mVの良くバランスの
取れた差動形態となっている。上記入力ドライバ32
は、十分に高い周波数利得を提供し、ミクサ部34への
方形波ドライブ信号を生成するリミッタのような働きを
する。これにより、最大変換効率及び最小ノイズが得ら
れる。
間に接続され、LOIP入力信号のための内部バイアス
帰還パスを形成する。抵抗R207及びコンデンサC2
01は、ノード42に並列に接続されている。この抵抗
R207は、抵抗R200によって作られるバイアスオ
フセットと相互にバランスがとられ、またコンデンサC
201は、高周波数において抵抗R207に分流(shun
t)を生じさせる。
1の差動対(differential pair)として互いに接続さ
れており、通常は100μAでバイアスされている。こ
の電流は、好適実施例では絶対温度に比例(PTAT)
する。このバイアスされた第1の差動対は、第1の増幅
段を形成する。この第1の増幅段は、複数の負荷抵抗R
209〜R212と、上記抵抗群に直列に接続されたダ
イオード接続トランジスタQ209とを有している。こ
の第1の増幅段は、トランジスタQ201及びQ202
によって構成されるカレントミラー回路によってバイア
スされる("current mirror circuit":2つのトランジ
スタのベースとベースが一体に接続された場合に、2つ
のトランジスタのコレクタ電流の整合に依拠する回
路)。
圧利得を有しており、この無負荷電圧利得は、公称NP
Nベータ(β)(nominal NPN batas(β))で第2の
差動対Q210〜Q211の入力抵抗によって8.65
まで低くされる。この第2の増幅段は、トランジスタQ
210及びQ211のコレクタにそれぞれ接続されてい
る2つの2kΩの負荷抵抗R213及びR214及び電
流源トランジスタQ212によって約100μA(絶対
温度に比例:PTAT)にバイアスされる。この第2の
増幅段は、約30.3の負荷された低周波利得を供給す
る。
クラスABエミッタフォロア(Class-AB emitter-follo
wer)トランジスタQ219、Q220及び第2のクラ
スABエミッタフォロアトランジスタQ221、Q22
2から構成される。トランジスタQ219、Q220
は、第1の相補形トランジスタ対(第1の出力段)を構
成し、トランジスタQ210のコレクタと端子60との
間に接続される。トランジスタQ221及びQ222
は、第2の相補形トランジスタ対(第2の出力段)を構
成し、トランジスタQ211のコレクタと端子62との
間に接続される。
出力段との間に接続されている。第1のバイアス段は、
第1の出力段をコントロールするエミッタフォロア回路
Q213、Q214を有し、第2のバイアス段は、第2
の出力段をコントロールするエミッタフォロア回路Q2
16、Q217を有している。
te currents)にバイアスされているが、トランジスタ
Q219〜Q222は、ミクサのコア(図6参照)のベ
ース電流負荷によって、229MHzの通常LO周波数
において約400μAの高ピーク電流を搬送する。その
ため、端子38から出力端子60及び62への負荷低周
波電圧利得は、約29.3になる。
らの50μA(PTAT)の入力電流IBLOによって
駆動される。この電流IBLOは、一般的なカレントミ
ラートランジスタQ224を駆動する。このカレントミ
ラートランジスタQ224の電流は、トランジスタQ2
03、Q212、Q215、Q218によって反映され
る(mirrored)。カレントミラートランジスタQ224
は、エミッタフォロアトランジスタQ223によって補
助される。そして、このカレントミラートランジスタQ
224は、79μAで駆動され、トランジスタQ223
において約330Ωの抵抗re を確立し、それによって
トランジスタQ223のエミッタにおいて共通バイアス
ノードで減結合される。コンデンサC202は、トラン
ジスタQ223、Q224の周辺のベータループが安定
することを確実にし、さらに高周波数で低インピーダン
スを維持する。
19、Q220及びQ221、Q222とそれらと関連
するバイアス段が、ミクサ部34のコアのトランジスタ
に対してすばやく電荷を出し入れする。例えば、トラン
ジスタQ221のベースが正電圧になった場合、トラン
ジスタQ216はこの電圧に接続される。トランジスタ
Q217を通ってトランジスタQ222のベースへ電流
が流れ、また端子62へ電荷が供給される。しかしなが
ら、トランジスタQ221のベースが負電圧になった場
合、トランジスタQ216はこの負電圧ステップをトラ
ンジスタQ222に接続し、トランジスタQ222をタ
ーンオンする。その時、トランジスタQ222は、出力
端子62をただちに負にし、ミクサコアの入力端子にお
ける電荷を取り除く。従って、入力ドライバ32は、ミ
クサコアが急速にターンオン又はターンオフするのに十
分大きな電荷を提供する。このようにして、ミクサコア
のトランジスタのオン・オフの際に生じるノイズを減少
させることができる。
サ部34について説明する。
な回路図である。このミクサ部34は、図1に示す従来
の二重平行スイッチングモジュレータとして配置された
複数のトランジスタQ237〜Q240からなるミクサ
コアを有している。従来のRF入力段の代わりに、ミク
サ部34は、多重正接ダブレット(multi-tanh double
t)と称される回路を有しており、それは従来の相互コ
ンダクタンス(gm )段として動作する一方、線形性を
向上させる。この多重正接ダブレットは、本件出願人に
より1994年11月23日に出願された“オーバーラ
ップした入力信号レンジを有する低電源電圧ミクサ”と
題された米国特許出願第08/344,375号(対応
日本出願:平成7年特許願第329946号)の出願明
細書中に開示されており、この番号を引用することによ
り本明細書の文中に組み入れる。しかしながら、ダブレ
ットの使用は、本発明の動作に必要不可欠なものではな
い。また、ここで開示されている特定エミッタ領域率も
必要不可欠ではない。従って、以下の説明中において、
多重正接ダブレットは、改善されてはいるが完全な線形
性を有していない相互コンダクタンスgm 段を意味する
ものとする。
(blocking capacitor)(図示省略)によって入力端子
46あるいは48のいずれか一方に、単側形状(single
-sidedform)(RFHI、RFLO)として供給され
る。RFLO及びRFHI入力のためのDCバイアスパ
スは、抵抗R233及びR234によって形成される。
これらの抵抗R233、R234の共通ノードは、トラ
ンジスタQ230及びQ231によってバイアスされて
いる。この構成は、ミクサコアのすべての素子が2.7
Vの最小供給電力及び25℃の温度で正確に動作するこ
とを確実にするものである。
ダンスは、端子54における利得制御電圧MXGNに従
って僅かに変化する。これは、トランジスタQ245及
びQ246、すなわち差動対Q241、Q244及び差
動対Q242、Q243によって形成される“多重正接
ダブレット”におけるバイアス電流が変化するためであ
る。公称パラメータ及び動作状態のために、インピーダ
ンス抵抗部分は、IG=0(最大利得、ここでは最大バ
イアス電流)で2.7KΩからIG =75μAで5.5
kΩまでほぼ線形的に変化する。パット及びピンの寄生
容量(parasistics)を除外したミクサ自身の実効入力
キャパシタンスは、VG =0で1.5pFからIG =7
5μAで1.15pFまで変化する。寄生容量にさらに
1.25pFを加えると、上記入力キャパシタンスの合
計は、2.4pFから2.75pFの間となる。240
MHzにおける入力インピーダンスZINは、実用最大利
得で238Ωから実用最小利得で272Ωまでほぼ線形
的に変化する。
サイドでのHF負荷は、コンデンサC253及びC25
4によって与えられる。ポストミクサ線形回路36(図
4参照)は、適切な高インピーダンスを有している。従
って、コンデンサC253及びC254は、100MH
zに近い3dB周波数を有するローパスコーナーを形成
する。このローパスコーナーは、通常240MHz+2
29.3MHz=469.3MHzの出力信号の合計周
波数成分を減衰させ、一方端子74及び76の間に存在
する中間周波数(IF)は多少減衰されて通過する。
いて、ミクサ利得制御回路70について説明する。
ための利得制御回路70を有している。この利得制御回
路70は、利得制御電流における線形的増加が対応する
ミクサの利得における指数関数的増加、すなわち“デシ
ベルにおける線形的増加(liner-in-decibel)”を生成
することから、“線形デシベル”利得制御を提供する。
これは、ミクサコア72へ供給されるバイアス電流を変
化させることによって達成される。どのようにしてこの
線形デシベル利得制御が達成されるかということを述べ
る前に、ミクサコア72におけるRF入力段に対する基
本的バイアス方法について最初に説明する。
Xは、端子52へ供給され、エミッタフォロアトランジ
スタQ236の補助によってトランジスタQ235へ流
れる。利得制御電流IG がIG =0の場合、トランジス
タQ236は、約180μAの電流でバイアスされてお
り、その電流は抵抗R232を通る。端子54に供給さ
れる利得制御電流IG がゼロに等しく、非常に大きなベ
ータ値である場合、トランジスタQ245、Q246
は、ノードIPMXにおける入力電流の倍数で動作す
る。この入力電流の率は、トランジスタQ245、Q2
46及びQ235間のエミッタ領域の率によって定義さ
れ、好適実施例においては7となる。従って、トランジ
スタQ245、Q246の公称コレクタ電流は、7×1
09μA、すなわち約763mAとなる。
タQ235のベースには小さな電流(約2μA)が流れ
る。従って、トランジスタQ245、Q246のピーク
電流は、抵抗R231による電圧降下のためより高くな
る。有限NPNベータのため、トランジスタQ245、
Q246の電流は、抵抗R231、R230における電
圧降下によって増大する。
的なケースでは、電流IG は、トランジスタQ235の
電圧VBE及びトランジスタQ245、Q246の電圧V
BE間の△VBE=IG ×R231を減少させる。そのた
め、トランジスタQ245、Q246の電流は、exp
(△VBE/VT )の率の割合で低下する(ここで、VT
はサーマル電圧kT/q)。
は、ミクサコアの入力段での相互コンダクタンスgmを
指数関数的に減少させる。すなわち、対数利得減少が達
成される。
T)変化すると、VBEが1mV(PTAT)となり、そ
れによりexp(1/26)の変化となり、あるいはミ
クサの利得が0.333dBとなる。従って、電流IG
が2μAから77μAまで75μAのフルスケールで変
化する場合、75×0.333dBの利得変化(25d
Bの利得変化)となる。この利得制御回路は、適当な電
流電圧コンバータ(図示省略)を加えることによって、
電流応答形から電圧応答形に構成することができること
は当業者には明白である。
度に比例:PTAT)の電流変動は、トランジスタQ2
36によって吸収される。このトランジスタQ236の
エミッタ電流の変動は、トランジスタQ245、Q24
6の電圧VBE、すなわち抵抗R232における電流は、
電流IG とともに減少するので、実際には僅かである。
110の公称ベータは、トランジスタQ236において
約0.7μAのベース電流の変動となる。このトランジ
スタQ236におけるベース電流の変動は、トランジス
タQ235のコレクタに供給される一次電流を変動さ
せ、利得の線形性を少し悪化させる。トランジスタQ2
35への一次電流の変化は、非常に低いベータに対して
は特に問題となる。例えば、1/3の公称ベータで2μ
Aベース電流が変化すると、約2%(すなわち、0.1
7dB)線形性が悪化する。
ンジスタQ235におけるコレクタ電流の変動を修正す
る。トランジスタQ234は、トランジスタQ236の
ベース電流と非常に似たベース電流を有している。カレ
ントミラートランジスタQ232、Q233は、トラン
ジスタQ234のベースと入力端子52との間に接続さ
れ、トランジスタQ236のベース電流の変動をオフセ
ットする。従って、電流IG 及びベータ(β)の最大範
囲にわたってトランジスタQ235のコレクタ電流にお
ける一次電流の全体の変化は、非常に小さくなる。
続され、カレントソーストランジスタQ245、Q24
6のベースにおけるインピーダンスができるだけ低い値
となるように保持し、HF変調ノイズを最小とする。コ
ンデンサC251は、トランジスタQ235と並列に接
続され、トランジスタQ235、Q236を含むベータ
ループを安定化する。コンデンサC251も端子52に
おける低HFインピーダンスを維持するように機能す
る。
クサに適用できるだけでなく、供給されるバイアス電流
に対して線形な利得を有する相互コンダクタンス段を有
する他の増幅器にも適用可能である。他の適用例として
は、本出願人により1995年6月7日に米国に出願さ
れた“線形デシベル可変利得増幅器”に関する出願が挙
げられる。
づいてポストミクサ線形化部36について説明する。
部36の詳細な回路図である。
その名が示すように、ミクサのRF入力部の非線形応答
を訂正し又は補償することである。この線形化部は、R
F入力部が上述した多重正接タブレットではなく1つの
相互コンダクタンス段の場合に特に重要となる。しかし
ながら、上記多重正接タブレットの場合でも非線形性が
残るので、ポストミクサ線形化部36は、その残った非
線形性を補償する。
(図6参照)からのIF出力信号MH、MLは、かなり
低レベルのものであり、適度なハイインピーダンスを有
し、差動形態のものであり、また正の供給電圧に近いも
のとなっている。このポストミクサ線形化部36は、大
きなポストミクサ利得を提供し、330Ωの2重端末フ
ィルタ(図示省略)を駆動する。端子58の出力は、追
加の負荷インピーダンスを有する電流である。ポストミ
クサ線形化部36は、IF出力(VOUT )を供給電圧の
中間点へ合わせ、さらにミクサコア出力で周波数合計成
分を前置フィルタリングする。
子74、76におけるミクサコア出力に接続され、公知
のローパス極及び固定周波数の導入を可能にする。負荷
抵抗R235、R236は、可能な最大値とすることに
より、高利得増幅システムの第1の段において最大可能
電圧利得を提供し、それにより低ノイズとなる。一例と
して、抵抗R235、R236のそれぞれは458.5
Ωに設定される。
8mVPの絶対温度(PTAT)電圧のゆれに比例する
ことになり、それは負荷が基準電圧VPに直接的に受け
入れられる場合に許容される。しかしながら、ポストミ
クサ線形化部36の入力におけるIF信号のDC電圧レ
ベルは、ミクサ部32において確実なバイアス制限を満
たすために、バイアス電圧VPより低い約aVBEの電圧
レベルでなければならない。このaVBEの低下に328
mVの変動を重ねた場合、ミクサコアにおけるコレクタ
は、VP以下に最大で約1V低下する。ミクサコア72
におけるトランジスタは、その時飽和状態となる。
計の欠点を解決する共通モードバイアス回路を用いるこ
とにより回避できる。ポストミクサ線形化部のMH及び
ML入力は、エミッタフォロアーQ256、Q258及
びQ257、Q259に接続されている。これらのエミ
ッタフォロアーは、トランジスタQ251及びQ252
によって65μA(PTAT)にバイアスされる。これ
らのトランジスタQ258及びQ259のエミッタにお
ける電圧は、PNPエミッタフォロアQ254及びQ2
55によって感知され、コンデンサC257に接続され
た抵抗R230及びR239において平均化される。そ
の結果生じる共通ノード電圧は、端子74及び76にお
ける負荷抵抗R235及びR236のボトム電圧をサー
ボするトランジスタQ249のベースに印加される。従
って、MH及びMLの電圧は、ミクサコアバイアス電流
とともに、僅かだけ変化する。
わたって依然として240mVである。これは約100
mV減少する変動となるだけでなく、より重要なことと
して、ミクサコア72におけるバイアス電圧のPTAT
(絶対温度に比例)の変動が排除され、絶対温度変動
(CTAT)に対する相補(complementary)によって
置き換えられる。結局、単なる抵抗負荷に比べ温度にお
ける改良の方が重要ということを意味する。
コンダクタンスの補正について説明する。
徴は、実際には、レール・トウ・レール電圧コンプライ
アンス(rail-to-rail voltage compliance)を有する
電流出力を提供する相互コンダクタンス(gm )段にあ
る。この好適実施例では、この相互コンダクタンス(g
m )は、通常16.3mSとなる。従って、165Ωの
負荷を使用した場合、差動ポート(MH、ML)から端
子58における最終ミクサ出力(VOUT )までの電圧利
得は、2.7倍すなわち8.6dB近くとなる。
ランジスタQ256及びQ258の結合されたVBE’s
によって導通状態(conduction)にバイアスされ、他方
トランジスタQ262及びQ263は、トランジスタQ
257、Q259の結合されたVBE’sによって導通状
態にバイアスされる。MH及びMLにおける電圧
(VIF)がゼロになる場合、トランジスタQ256及び
Q257のベース電圧は等しくなる。トランジスタQ2
56及びQ257の両者のエミッタも同じ電圧となる。
従って、電流も低下し、抵抗R240のブランチ及び抵
抗R241のブランチにおける電流は等しくなり、ほぼ
73.2μA(絶対温度に比例:PTAT)となる。こ
の電流は、トランジスタQ263及びQ267のエミッ
タ領域がトランジスタQ256及びQ257のエミッタ
領域の倍数(例えば、2対1)であることから、エミッ
タフォロアーブランチQ256及びQ257におけるバ
イアス電流より大きくなる。しかしながら、上記電流
は、エミッタ抵抗R240及びR241を有することか
ら、ちょうど2倍とはならない。
7及び抵抗R240、R241出力ブランチの間のクロ
スオーバー接続(cross-over connection)は、ミクサ
コア42における相互コンダクタンスgm の非線形性に
反対に作用する(相殺する)(counteracts)出力応答
信号を提供する。MH及びML間の差動電圧は、エミッ
タフォロアートランジスタQ256〜Q259を介し
て、抵抗R241のブランチにおけるトランジスタQ2
66及びQ267のベース及び抵抗R240のブランチ
におけるトランジスタQ262、Q263のベースにそ
れぞれ供給される。
R241のブランチにおける電流が増加する一方、抵抗
R240のブランチにおける電流が減少する。MHがM
Lに対して低くなった場合には、上述したことと逆のこ
とが起こる。従って、ミクサコア72の完全に差動した
出力は、2つの分離された電流に変換される。これらの
分離された電流は、それぞれPTATバイアス生成器
(図示省略)における物理的に大きな1kΩの抵抗に直
接起因するバイアス電流によって制御される局部相互コ
ンダクタンスgm を有している。この相互コンダクタン
スgm は、より良好な制御を確実にするために大きな抵
抗値(〜152.8Ω)を有する抵抗R240及びR2
41の値によって制御される。73.2μA(絶対温度
に比例:PTAT)における出力ブランチ(すなわち、
抵抗R240のブランチ及びR241のブランチ)のエ
ミッタ抵抗re は、それぞれ353Ωになる。従って、
各出力ブランチにおけるネット相互コンダクタンスgm
は、1/(353.1Ω+152.8Ω+353.1
Ω)すなわち1.164mSとなる。
トミラー80を駆動し、また抵抗R210のブランチ
は、NPNカレントミラー82を駆動する。このPNP
カレントミラー80は、トランジスタQ265及びQ2
69から構成され、相補形エミッタフォロアーQ268
及びQ270によって補助される。一方、NPNカレン
トミラー82は、トランジスタQ264及びQ273か
ら構成され、トランジスタQ271及びQ272によっ
て補助される。これらのカレントミラーは、それぞれ、
エミッタ領域率(例えば14対2)を有することから、
7の電流利得を有する。各カレントミラーは、クラスA
Bにバイアスされ、それにより、両カレントミラーは、
中程度の信号増幅率において出力に貢献する。従って、
実効電流利得は14となる。このことは、端子74、7
6におけるIF入力(VIF)から端子58における出力
(VOUT )までの全体の相互コンダクタンスgm を、1
4×1.164mSに、すなわち16.4mSに引き上
げることを意味する。
路図である。単一エミッタフォロアートランジスタQ1
33は、トランジスタQ122のベースに接続されてお
り、少ないベータ値では得られない追加の利得を提供す
る。トランジスタQ133が利得を増大している間に、
それはカレントミラー入力における電圧降下を増大させ
る。特に、トランジスタQ133は、電源あるいはグラ
ンドにおいて2倍のVBE電圧降下を引き起こす。この2
倍のVBE電圧降下のために、従来のカレントミラーを低
電圧の環境に適用することは望ましくない。低電圧の環
境へ適用する場合は、カレントミラーを、できるだけ少
ない電圧降下を有する一方、トランジスタQ133によ
る特別な利得の利益を有するように設計することが望ま
しい。
した2つのふぁくたを考慮したものである。図7のカレ
ントミラー82を再び参照すると、オフセット電圧を1
VBEに低下するためにPNPトランジスタQ271が設
けられている。トランジスタQ260及びQ261によ
って形成された補助のカレントミラーによって、他の駆
動電流IEFが生成される。この供給電流は、トランジス
タQ271及びQ272を駆動し、カレントミラー82
に対して特別の電流利得を与える。抵抗R243は、I
EF×R243の他の電圧降下をもたらし、これはトラン
ジスタQ264のベースエミッタ間電圧をVBE以下に降
下させる。そのため、カレントミラー82の入力電圧
は、VBE−(IEF×R243)と等しくなる。コンデン
サC256は、トランジスタQ271及びQ272のベ
ース間に接続され、高周波数においてダイオードとして
動作し、それにより位相誤差を除去する。また、抵抗R
243も、コンデンサC256に対して予想時定数を設
定する。
相補的な設計が用いられる。電流供給トランジスタQ2
53は、カレントミラー82においてトランジスタQ2
61が行ったように、カレントミラー80に対して付加
駆動電流を与える。
ベータ許容誤差に対し高い感知性を持たずに、例えばト
ランジスタQ264及びQ273の間に大きな領域率が
達成されるという意味で、高い電流利得を提供する。第
2に、上記カレントミラーは、約100mVの非常に低
い入力電圧を有している。従って、カレントミラー82
において抵抗R243との組合せでトランジスタQ27
1を設け、またカレントミラー80においてトランジス
タQ268を設けることは、高オープンループ電流利得
を維持したままで、カレントミラーに対する使用可能範
囲(availablehead room)を増大させる。
タンスは、ミクサコアの相互コンダクタンスgm におけ
る非線形性を補償するために、ゆっくりと非線形化され
る。例えば、RF入力相互コンダクタンスgm が双曲線
正接変換曲線を有するバイポーラ型差動対の相互コンダ
クタンスであると仮定すると、図2に示したように圧縮
された非線形性となる。増分相互コンダクタンスgm
は、RFポートにおける入力信号の瞬間値が増加するに
伴って、連続的に減少する。
タンスgm は、上記VIF間の差動電圧が増加するに従っ
て増加するように設計されている。これにより非線形性
が拡張する。抵抗R240及びR241は、この非線形
補償を最良のものにするために、ポストミクサ線形化部
における非線形性の影響を測定する。抵抗R240及び
R241を設けないと、この補償は非常に難しくなる。
ダクタンスgm の補償動作は、以下のように行われる。
トランジスタQ256のベースが正電圧になった場合、
端子74におけるIF信号が相対的に増大するため、ト
ランジスタQ266がターンオンする。しかしながら、
PNPトランジスタQ267のベースがダイオードQ2
59に接続されているため、トランジスタQ267のベ
ースは負電圧になる。従って、トランジスタQ266の
コレクタ電流は上昇し、トランジスタQ263のコレク
タ電流は下降する。一方、上記差動電圧VIFがノードM
LにおいてノードMHに対してより高い値となる場合、
トランジスタQ267における電流は下降し、トランジ
スタQ263における電流は上昇する。従って、トラン
ジスタQ263のコレクタ電流は増大し、トランジスタ
Q266のコレクタ電流は減少する。抵抗R240のブ
ランチ及びR241のブランチからの信号が結合した場
合、出力端子58における力信号VOUTを2つの異なっ
た半分の信号として生成する。このポストミクサ線形化
部36が動作する際の応答特性を示すと図8のようにな
る。図8より、このポストミクサ線形化部36が、十分
に線形的な相互コンダクタンスgm を有することが分か
る。しかしながら、このgm は、VIFの値が大きくなる
ほど徐々に増大する。
ンスgm 応答及びポストミクサ線形化部36は、互いに
働き合い、広い線形動作レンジを達成するものである。
図9は、図4に示したミクサ回路の全体にわたって線形
相互コンダクタンスgm が増大されていることを示すグ
ラフである。この広い範囲の線形応答性は、ミクサコア
がフィルタリングの前に混変調積(cross-modulation p
roducts)を生成することを防止する。
てきたが、本発明は上記原理に基づいて種々の改変又は
改良をすることができることは言うまでもない。
ば、線形性を向上させることができるとともに、ノイズ
を減少することが可能となる。
る。
て生じるスイッチングノイズを示す説明図である。
の詳細な回路図である。
細な回路図である。
線形化部の詳細な回路図である。
を示すグラフである。
形動作レンジを示すグラフである。
Claims (24)
- 【請求項1】 第1の入力における第1の信号に第2の
入力における第2の信号を乗算するために2つの入力と
1つの出力とを有し、所定の動作レンジにおいては線形
相互コンダクタンスを有し、上記所定の動作レンジ外に
おいては非線形相互コンダクタンスを有するミクサコア
と、 上記ミクサコアの出力に接続された1つの入力と1つの
出力とを有するポストミクサ線形化部と、を有するミク
サ回路において、 上記ポストミクサ線形化部のドライバ回路が上記ミクサ
コアの非線形相互コンダクタンス特性に対して反対に作
用する手段を有し、それにより上記所定動作レンジ外に
おける上記ミクサ回路の線形相互インダクタンスを増大
させることを特徴とするミクサ回路。 - 【請求項2】 上記ミクサコアが、第1及び第2の出力
ノードを形成するトランジスタの差動対を有することを
特徴とする請求項1に記載のミクサ回路。 - 【請求項3】 上記ポストミクサ線形化部が、上記第1
の出力ノードに接続された第1の出力ブランチと、上記
第2の出力ノードに接続された第2の出力ブランチと、
を有することを特徴とする請求項2に記載のミクサ回
路。 - 【請求項4】 上記第1の出力ブランチは、上記ミクサ
コアの第1の出力ノードにベース端子が接続されたNP
Nトランジスタと、上記NPNトランジスタに直列に接
続されるとともに上記ミクサコアの第2の出力ノードに
ベース端子が接続されたPNPトランジスタと、を有す
ることを特徴とする請求項3に記載されたミクサ回路。 - 【請求項5】 上記第2の出力ブランチが、上記ミクサ
コアの第2の出力ノードにベース端子が接続されたNP
Nトランジスタと、上記NPNトランジスタに直列に接
続されるとともに上記ミクサコアの第1の出力ノードに
ベース端子が接続されたPNPトランジスタと、を有す
ることを特徴とする請求項4に記載のミクサ回路。 - 【請求項6】 上記ポストミクサ線形化部が、さらに、
上記第1及び第2の出力ブランチの両方に交差接続され
た第1及び第2のコントロールブランチを有することを
特徴とする請求項3に記載のミクサ回路。 - 【請求項7】 上記第1及び第2のコントロールブラン
チのそれぞれが、エミッタフォロア回路からなることを
特徴とする請求項6に記載のミクサ回路。 - 【請求項8】 上記ポストミクサ線形化部が、上記第1
の出力ブランチに接続された第1のカレントミラーと、
上記第2の出力ブランチに接続された第2のカレントミ
ラーと、を有することを特徴とする請求項3に記載のミ
クサ回路。 - 【請求項9】 上記第1及び第2のカレントミラーは、
それぞれ、上記関連する出力ブランチに接続された1つ
の入力トランジスタと、上記入力トランジスタと上記ポ
ストミクサ線形化部の出力との間に接続された1つの出
力トランジスタと、駆動電流を供給するために上記出力
トランジスタに接続された駆動トランジスタと、上記カ
レントミラーにおける電圧オフセットを減少させるため
に上記駆動トランジスタと入力トランジスタとの間に接
続されたオフセットトランジスタと、を有することを特
徴とする請求項8に記載のミクサ回路。 - 【請求項10】 さらに、上記カレントミラーにおける
電圧オフセットをさらに減少させるために、上記駆動ト
ランジスタとオフセットトランジスタとの間に接続され
た抵抗及びコンデンサ回路を有することを特徴とする請
求項9に記載のミクサ回路。 - 【請求項11】 さらに、オン及びオフの間のスイッチ
ング時に上記ミクサによって生成されるノイズを減少さ
せるために、上記ミクサコアの入力に接続された入力ド
ライバを有することを特徴とする請求項1に記載のミク
サ回路。 - 【請求項12】 さらに、利得制御信号を入力するため
の入力端子及び上記ミクサコアに接続された出力端子と
を有する利得制御回路を有し、上記利得制御回路は、上
記利得制御信号における線形変化に従って線形的にミク
サコア利得のデシベル値を変化させることを特徴とする
請求項1に記載のミクサ回路。 - 【請求項13】 2つの入力及び1つの出力を有すると
ともに、所定の動作レンジにおいて所定の線形相互コン
ダクタンスを有するミクサコアと、 1つの入力ノードと、上記ミクサコアの2つの入力の1
つにそれぞれ接続された第1及び第2の出力ノードとを
有する入力ドライバと、を有し、 上記入力ドライバが、上記ミクサコアを作動させるため
に電荷を充電する手段と、上記ミクサコアを不作動とす
るために上記ミクサコアを放電する手段と、を有するこ
とを特徴とするミクサ回路。 - 【請求項14】 上記充電及び放電手段が第1及び第2
の相補形トランジスタの対からなり、各相補トランジス
タの対が、上記入力ドライバ出力ノードを高い状態に駆
動するための第1のトランジスタと、上記出力ノードを
グランドに落とすための第2のトランジスタと、を有す
ることを特徴とする請求項13に記載のミクサ回路。 - 【請求項15】 上記第1の相補形トランジスタの対に
接続された第1のバイアス段と、上記第2の相補形トラ
ンジスタペアに接続された第2のバイアス段とを有し、
上記各バイアス段が上記入力ドライバの入力における信
号に従って上記関連する相補形トランジスタの対におけ
る第1及び第2のトランジスタの作動を交互に行う手段
を有することを特徴とする請求項14に記載のミクサ回
路。 - 【請求項16】 上記各バイアス段が、上記関連する相
補形トランジスタの対において、上記第1のトランジス
タに接続されたエミッタフォロアーと、上記第2のトラ
ンジスタに接続されたダイオードと、を有することを特
徴とする請求項15に記載のミクサ回路。 - 【請求項17】 さらに、上記ミクサコアの出力に接続
されたポストミクサ線形化部を有し、上記ポストミクサ
線形化部が、上記ミクサコア線形動作レンジの限界の外
で非線形相互コンダクタンス特性を妨げるための手段を
有することを特徴とする請求項13に記載のミクサ回
路。 - 【請求項18】 さらに、利得制御信号を受け取るため
の入力及び上記ミクサコアに接続された出力を有する利
得制御回路を有し、上記利得制御回路が、上記利得制御
信号における線形変化に従って、所定の利得値をデシベ
ル値で直線的に変化させることを特徴とする請求項13
に記載のミクサ回路。 - 【請求項19】 所定の信号利得を有し、第1及び第2
の信号を互いに合計するためのミクサコアと、 利得制御信号を受け取るための入力及び上記ミクサコア
に接続された出力を有する利得制御回路とを有し、 上記利得制御回路が上記利得制御信号における線形変化
に従って、上記所定の信号利得のデシベル値を線形的に
変化させることを特徴とするミクサ回路。 - 【請求項20】 ミクサを用いて信号を処理する方法で
あって、 所定の動作レンジにおいて線形応答特性を有し所定の動
作レンジ外において非線形応答特性を有するミクサを用
いて第1の信号及び第2の信号を結合させ、 上記ミクサ線形動作レンジ外における非線形性を相殺
し、それにより上記ミクサの線形動作レンジを拡大する
ことを特徴とする信号処理方法。 - 【請求項21】 さらに、利得制御信号における線形変
化に従って、上記ミクサにおける所定の利得のデシベル
値を線形的に変化させることを特徴とする請求項20に
記載の信号処理方法。 - 【請求項22】 さらに、上記ミクサに電荷を与えて上
記ミクサを第1の状態から第2の状態へ切り替えるとと
もに、上記ミクサを放電して該ミクサを第1の状態へ戻
すことを特徴とする請求項20に記載の信号処理方法。 - 【請求項23】 上記ミクサが中間出力信号を生成し、
さらに結合してミクサ出力信号を形成する第1及び第2
の中間信号を生成し、上記第1及び第2の中間信号が上
記ミクサの非線形応答を相補する相互コンダクタンス特
性を有することを特徴とする請求項20に記載の信号処
理方法。 - 【請求項24】 単一の結合された出力電流を生成する
ために上記第1及び第2の中間出力信号に、それぞれ所
定のオフセット電圧及び電流利得を有するカレントミラ
ーを接続し、 上記各カレントミラーに対する電流利得を増大させると
ともに、上記所定のオフセット電圧を減少させることを
特徴とする請求項23に記載の信号処理方法。
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