JPH09502316A - デシベル−線形出力電圧を有する増幅器段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 増幅の調整のために乗算器を使用することは周知である。出力信号は制御信号に対し直線的に調整される。本発明の目的は、デシベル線形的な方法で制御される乗算増幅器を設計することである。上記目的のため、出力電圧を制御電圧にデシベル線形的に依存させる数値的分配係数を有するトランジスタは、乗算器（２）の入力に接続されている。本発明は、特に、ＤＡＢテレビジョン用のＩＦ増幅器の増幅の調整に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 デシベル−線形出力電圧を有する増幅器段 利得制御のため乗算器を用いることは周知である。制御信号は乗算器の一方の 入力に供給され、入力信号は乗算器の第２の入力に供給される。出力信号は出力 に現れる。 従来の利得制御の場合、出力信号は、制御信号に対し直線的に出力される。１ ボルトの入力信号と、０と１０ボルトの間の制御信号が与えられた場合、０と１ ００の間の倍率を有する線形利得特性を実現することが可能である。即ち、利得 倍率１００は、１０ボルトの制御信号に対し生成され、５ボルトの制御信号に対 し利得倍率は５０である。利得倍率をデシベル単位で表わした場合、利得倍率１ ００は４０ｄＢの値に対応し、利得倍率５０は値３４ｄＢに対応する。従って、 線形増幅器は、出力信号の変化が低い方の制御レンジに大きい影響を与え、一方 、高い方の制御レンジにおいて制御された変数の変化は出力信号に大きな影響を 与えないので、ｄＢ線形性に適していない。 利得倍率は、中間周波（ＩＦ）レンジの場合、値１と１０００の間にある。上 記利得倍率は制御電圧上に均等に分配する必要があるので、出力電圧と制御信号 の間のデシベル線形性が目標になる。 本発明は、デシベル線形であるべき制御された乗算増幅器を設計する目的に基 づいている。上記目的は、請求の範囲の第１項に記載された本発明の特長によっ て実現される。本発明の有利な展開は従属項に記載されている。 本発明によれば、乗算増幅器の入力には、ドライブの目的で上流に接続された トランジスタがある。上記トランジスタは、チップのトランジスタ領域上で等し くさせる必要がある。乗算器の各入力の上流のトランジスタ、又は、上流のトラ ンジスタ領域の数が一致す るよう選択された場合に、乗算器は線形に動作する。入力の上流の上記トランジ スタ又はトランジスタ領域の数が別個に選択された場合に、トランジスタ又はト ランジスタ領域の比の適当な分配比が与えられたならば、デシベル線形化を実現 することが可能である。 トランジスタを介して乗算器の入力に供給される電流を制御することにより、 デシベル線形性を厳密に設定することが可能である。トランジスタの適当な分配 比、即ち、適当な制御電流は級数展開によって定めることができる。 制御ユニットは、一方で制御電圧を電流に変換し、他方で温度の影響を補償す るため使用される。制御ユニットは最小利得１を補償する一定成分を有する。 可能な最良のデシベル線形化は、１：５のトランジスタ分配比の場合に生成さ れる。上記回路の利点は、デシベル線形化を低コストで実現し得ることである。 以下、添付図面を参照して本発明を説明する。添付図面中： 図１は本発明に従って構成された回路を示す図であり、 図２は図１の回路で得られた特性を示す図であり、 図３は本発明により構成された回路の展開を示す図であり、 図４−１１は、本発明により構成された回路の展開を示す図である。 図１はデシベル−線形化された乗算器を示している。ＩＦ電圧ＵＥは、トラン ジスタＴ１１、Ｔ１２及び抵抗ＲＥにより形成される電圧／電流変換器１を用い て電流ＩＥに変換される。電流ＩＥは上側の乗算器２によって送出される。直流 信号Ｕ２は乗算器２の入力に現れる。出力電圧ＶＣは乗算器２の出力に現れる。 直流Ｕ１はトランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６のベースに現れる 。直流信号Ｕ２は、電流Ｉａ、Ｉｂの関数としてその値を変える。制御ユニット ３は制御電圧ＶＡＧＣを電流Ｉａ及びＩｂに変換する。電流Ｉａは、制御ユニッ ト３に依存してトランジスタＴ１によって 送出される。電流Ｉｂは、制御ユニット３に依存して、トランジスタＴ２、Ｔ３ 、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６によって送出される。電流Ｉａ及びＩｂは、制御電圧ＶＡＧ Ｃの関数として制御ユニット３を用いて制御される。電流Ｉａ及びＩｂは相互に 補完的、即ち、一方の電流が増加すると、もう一方の電流は減少する。制御ユニ ット３は一定成分Ｉｃｏｎｓｔを有し、これを用いて、最小利得の１が生成され る。直流信号Ｕ２は電流Ｉａ、Ｉｂに依存し、電流ＩＥが切り換えられ、電流Ｉ １又は電流Ｉ２が得られるように乗算器をドライブする。ＩａのＩｂに対する比 はＩ１のＩ２に対する比に一致する。電流Ｉ１は抵抗ＲＣの両端間の電圧降下に 影響を与え、電圧ＶＣによる増幅信号を供給する。電流Ｉ２は抵抗ＲＣの両端間 の電圧効果には影響を与えず、電圧ＶＣによる増幅信号を低減する。このように して、ＩＦ電圧ＵＥと制御電圧ＶＡＧＣの関数としての出力電圧ＶＣのデシベル 線形性を実現することができるように信号分配が制御される。 乗算器２の入力に関し同一タイプのトランジスタの分配比ＮＴの影響を以下に 説明する。ベースとエミッタの間の電圧降下は、トランジスタＴ１乃至Ｔ６の電 流分配を制御する。同一分配比の場合、全ての電流は均等に分配される。即ち、 ＩａのＩｂに対する比は、Ｉ１のＩ２に対する比に一致する。これは、上記例の 場合１：１の分配比で電流の高周波分配を制御する通常の直接電流分配である。 例えば、１：５のように別個に選択された分配比が与えられた場合、電流Ｉｂの 小さい方の部分電流は、５個のトランジスタの並列配置の中の各個別のトランジ スタを流れ、電圧降下は特定の規則に従って減少する。上記規則は、ダイオード の特性 に従って作成され、次式 が得られる。上の式において、Ｉ_sはダイオードの逆飽和電流を表わしている。 ベース／エミッタ電圧は、電流比の自然対数関数の関数として変化することが分 かる。電圧飽和電流は、従って、トランジスタの個数に依存し、トランジスタＴ ２乃至Ｔ６の間で均等に分配されている。逆飽和電流Ｉ_sはトランジスタＴ２乃 至Ｔ６から生成され、ベース／エミッタ比は、かくして、倍率５で減少する。電 圧 は、選択された比１：５に対し生成される。従って、選択された比は対数を用い た式に採用される。比１：５、即ち、Ｔ１：Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６は、 出力のデシベル線形性を保証する。 図２には所望の曲線プロフィールが示されている。出力電圧ＶＣ〔ｄＢ〕は制 御電圧ＶＡＧＣ〔Ｖ〕の関数として示されている。上記曲線プロフィールａは、 選択された分配比ＮＴ＝１：５が与えられた場合に制御電圧ＶＡＧＣに対するデ シベル−線形性プロフィールを示している。曲線プロフィールｂは、選択された 分配比ＮＴ＝１：３が与えられた場合の略直線的な曲線プロフィールを示してい る。デシベル線形性は、選択された分配比ＮＴ＝１：５の場合に得られることが 明らかに示されている。 図３には図１と比較して制御ユニット３が具現化されている点で変更された他 の回路が示されている。制御ユニット３は、トランジスタＴ１３、Ｔ１４、Ｔ１ ５、Ｔ１６、Ｔ１７、Ｔ１８と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６と、 基準電圧源Ｕｒｅｆと、定電流源Ｉｃｏｎｓｔとからなる。制御ユニット３は、 制御電圧ＶＡＧＣを電流Ｉａ及びＩｂに変換する。別の分配比により、種々の電 流による温度応答が得られ、この温度応答は補償する必要がある。上記回路配置 の場合、電流Ｉａ、Ｉｂは、利得が温度の関数として一定に維持されるように再 調整される。 図４には、平衡エミッタ領域を有する制御可能な増幅器が示されている。この 増幅器は、３個の結合された差動増幅器ｎ１、ｎ２、ｎｃからなる。トランジス タのエミッタ領域は別々である。中央の差動増幅器ｎｃは、エミッタの面積ｎｃ ＊Ａｅを有し、ここで、ｎｃは整数であり、Ａｅはエミッタの単位面積（例えば 、５μｍ＊５μｍ）である。二つの外側の差動増幅器ｎ１、ｎ２は、夫々、エミ ッタ面積ｎ１＊Ａｅ、ｎ２＊Ａｅ及びｎ２＊Ａｅ、ｎ１＊Ａｅを有する。差動増 幅器の制御電流は、Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃである。コレクタ電流Ｉｃ１は、 として表わされる。 電圧利得Ａｖ＝ｖａ／ｖｅは、 として表わされる。 微分係数 は、利得の線形性の測定量である。従って、利得Ａｖは変調に依存する。Ｉａ＝ Ｉｂならば、 である。 線形増幅器の設計の目的は、電圧利得Ａｖ＝一定の場合に最大の実現可能な変 調ｘを得ることである。数学的な最適化法を使用して、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、ｎ１ 、ｎ２及びｎｃは上記変調が得られるように定めることができる。 図５において、曲線ａは、中央の差動増幅器ｎｃだけからなる増幅器の電圧利 得Ａｖ（ｘ）のプロフィールを示している。曲線ｂは、二つの外側の差動増幅器 ｎ１だけからなる増幅器を示している。曲線ｃは、３台の差動増幅器ｎ１、ｎ２ 、ｎｃの全部からなる増幅器を示している。曲線２ｃに従う解は、全変調レンジ において明らかに改良された線形性を示している。１％の許容された改良の変調 限界は、種々の形の曲線ａ、曲線ｂ及びｃに対し以下の表１に掲載されている。 新しい解、曲線ｃは、従来の解法、曲線ａ及びｂと比べて略２倍の変調レンジ を示している。 図６には、制御電流がＶＴ発生器の助けで温度に比例して増加するとき、温度 依存性利得を有する回路が示されている。 図７には他の実施例が示されている。増幅器は、連鎖的に接続され、モノリシ ック的に集積された４台の増幅器からなる。歪み係数ｋ≦１％の場合の最大許容 入力電圧Ｖｉｎは６０ｍＶｐｐである。利得は０ｄＢから６０ｄＢまで変えるこ とができる。増幅器に関するノイズ電圧レベルは、５ｎＶ／νである。増幅器の 帯域幅は１２０ＭＨｚよりも広い。 図８は変調レンジの多重化を示している。変調レンジは差動増幅器のエミッタ ラインにｍ個のダイオードを介在させることによりｍ倍に増大される。 図９は帯域幅を増大する回路を示している。カスコード回路を用いることによ り、寄生的なコレクタ／基板容量Ｃｓを無効にさせることが可能であるので、帯 域幅を増大することができる。 図１０には入力電圧に依存する利得が示されている。差動増幅器ｎ１、ｎ２、 ｎｃ、ｉａ、ｉｂ及びｉｃを適当に選択することにより、実質的に全ての所望の 形状の利得曲線を実現することが可能である。更に他の例は、コレクタラインを 置き換えることにより生成される。 図１１は他の差動増幅器１０を示している。更なる差動増幅器１０を付加する ことにより増幅器が線形である変調レンジを拡張することが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年７月１１日 【補正内容】 明細書 デシベル−線形出力電圧を有する増幅器段 利得制御のため乗算器を用いることは周知である。制御信号は乗算器の一方の 入力に供給され、入力信号は乗算器の第２の入力に供給される。出力信号は出力 に現れる。 従来の利得制御の場合、出力信号は、制御信号に対し直線的に出力される。１ ボルトの入力信号と、０と１０ボルトの間の制御信号が与えられた場合、０と１ ００の間の倍率を有する線形利得特性を実現することが可能である。即ち、利得 倍率１００は、１０ボルトの制御信号に対し生成され、５ボルトの制御信号に対 し利得倍率は５０である。利得倍率をデシベル単位で表わした場合、利得倍率１ ００は４０ｄＢの値に対応し、利得倍率５０は値３４ｄＢに対応する。従って、 線形増幅器は、出力信号の変化が低い方の制御レンジに大きい影響を与え、一方 、高い方の制御レンジにおいて制御された変数の変化は出力信号に大きな影響を 与えないので、ｄＢ線形性に適していない。 利得倍率は、中間周波（ＩＦ）レンジの場合、値１と１０００の間にある。上 記利得倍率は制御電圧上に均等に分配する必要があるので、出力電圧と制御信号 の間のデシベル線形性が目標になる。 更に、出力電圧を入力電圧の対数関数として変えることは米国特許出願第5 05 7 717 号明細書及び米国特許出願第4 004 141 号明細書から周知である。 本発明は、デシベル線形であるべき制御された乗算増幅器を設計する目的に基 づいている。上記目的は、請求の範囲の第１項に記載された本発明の特長によっ て実現される。本発明の有利な展開は従属項に記載されている。 本発明によれば、乗算増幅器の入力には、ドライブの目的で上流 に接続されたトランジスタがある。上記トランジスタは、チップのトランジスタ 領域上で等しくさせる必要がある。 乗算器の各入力の上流のトランジスタ、又は、上流のトランジスタ領域の数が 一致す 請求の範囲 １． 制御電圧（ＶＡＧＣ）の対数で直線的に変化する利得を有し、その結果、 特定の比による上記制御電圧（ＶＡＧＣ）の変化はディジベル単位の同一の比に よる上記利得の変化に対応し、上記制御電圧（ＶＡＧＣ）によって制御される乗 算器を更に有する増幅器段であって、トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４， Ｔ５，Ｔ６）は上記制御電圧（ＶＡＧＣ）と上記乗算器（２）の入力の間に接続 され、上記トランジスタは、二つの入力の間の数値的分配比（ＮＴ）によって、 出力電圧（ＶＣ）の上記制御電圧（ＶＡＧＣ）に対するデシベル−線形依存を得 ることを特徴とする増幅器段。 ２． 上記制御電圧（ＶＧＡＣ）を電流（Ｉａ，Ｉｂ）に変換する制御ユニット （３）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の増幅器段。 ３． 上記制御ユニット（３）は、上記利得が温度によらず一定のままであるよ うに上記電流（Ｉａ，Ｉｂ）を再調整することを特徴とする請求項２記載の増幅 器段。 ４． 上記乗算器（２）の入力の上流の上記トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３， Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６）の上記分配比は、例えば、１：５の値を有することを特徴と する請求項１記載の増幅器段。 ５． 上記トランジスタはチップ上の対応するトランジスタ領域によって形成さ れることを特徴とする請求項１記載の増幅器段。 ６． 一定の電圧利得（Ａｖ）が与えられたならば、変調レンジの増加が差動増 幅器（ｎｃ）を結合することにより得られる請求項１ 記載の増幅器段。 ７． 上記変調レンジは、上記差動増幅器のエミッタラインにｍ個のダイオード を挿入することによりｍ倍に増加されることを特徴とする請求項６記載の増幅器 段。 ８． 帯域幅はカスコード回路を用いて増加されることを特徴とする請求項１記 載の増幅器段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 制御電圧（ＶＧＡＣ）に対しデシベル線形性のある出力電圧と、上記制御 電圧（ＶＧＡＣ）によって制御される乗算器とを有する増幅器段であって、トラ ンジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６）は上記乗算器（２）の入力に 接続され、上記トランジスタは、二つの入力の間の数値的分配比（ＮＴ）によっ て、出力電圧（ＶＣ）の上記制御電圧（ＶＡＧＣ）に対するデシベル−線形依存 を得ることを特徴とする増幅器段。 ２． 上記制御電圧（ＶＧＡＣ）を電流（Ｉａ，Ｉｂ）に変換する制御ユニット （３）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の増幅器段。 ３． 上記制御ユニット（３）は、上記利得が温度によらず一定のままであるよ うに上記電流（Ｉａ，Ｉｂ）を再調整することを特徴とする請求項２記載の増幅 器段。 ４． 上記分配比は、例えば、１：５の値を有することを特徴とする請求項１記 載の増幅器段。 ５． 上記トランジスタはチップ上の対応するトランジスタ領域によって形成さ れることを特徴とする請求項１記載の増幅器段。 ６． 一定の電圧利得（Ａｖ）が与えられたならば、変調レンジの増加が差動増 幅器（ｎｃ）を結合することにより得られる請求項１記載の増幅器段。 ７． 上記変調レンジは、上記差動増幅器のエミッタラインにｍ個 のダイオードを挿入することによりｍ倍に増加されることを特徴とする請求項６ 記載の増幅器段。 ８． 帯域幅はカスコード回路を用いて増加されることを特徴とする請求項１記 載の増幅器段。