JPH09512405A - 負性抵抗補償マイクロウエーブバッファ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 モノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器はマイクロウエーブ周波数でその入力インピーダンスを増大するために用いる。バッファ増幅器の第１段および第２段の容量性リアクタンスは前記第１段の入力側で捕集的に負の抵抗として現われる。正の補償抵抗は前記第１段の入力側に電気的に接続して負の抵抗を消去するとともに充分に大きな抵抗性入力インピーダンスを呈するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 負性抵抗補償マイクロウエーブバッファ発明の技術分野 本発明はマイクロウエーブバッファ回路、特に高入力インピーダンスを有する モノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器に関するものである。発明の背景 高入力インピーダンスマイクロウエーブバッファ増幅器は特に縦続接続された マイクロウエーブ回路および／または構成素子を結合するために特に用いる。斯 様にバッファ増幅器を用いる場合にはかかるバッファ増幅器によって第１マイク ロウエーブ回路またはマイクロウエーブ構成素子の出力側を第２マイクロウエー ブ回路または構成素子の入力側に結合して入力側が出力側に対してダウンローデ ィングされるのを防止する。モノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器では 、特に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）段またはバイポーラトランジスタ段の場 合にトランジスタ入力インピーダンスのバッファ増幅器入力インピーダンスに及 ぼす影響がトランジスタ入力抵抗による影響よりも著しく優勢となる。その理由 は動作周波数が３dBのロールオフ周波数ｆ_3dB以上に増大するからである。本発 明で使用する３dBのロールオフ周波数とは、利得が増幅器の公称直流開放ループ 利得Ａよりも３dB以上も低下するような周波数を意味するものとする。この利得 の低下（ドロップオフ）の例を図１に示す。代表的には、入力インピーダンスＺ_IN を入力キャパシタンスＣ_iに並列に電気的に接続された入力抵抗Ｒ_iと等価とす る。バッファ増幅器の動作周波数がロールオフ周波数ｆ_3dB以上に増大すると、 容量性リアクタンス１／２πｆＣ_iが並列抵抗Ｒ_iに対し減少してその結果入力イ ンピーダンスの大きさが比較的減少するようになる。この減少の例も図１に示す 。１ＧＨｚのマイクロウエーブ周波数でのかかるバッファ増幅器の入力インピー ダンスＺ_INの大きさ２Ωのように著しく低い値とすることができる。これによっ て、入力側に結合された回路またはマイクロウエーブ構成素子の出力側に著しく ロードされるようになる。代表的には、モノリシックマイクロウエーブバッ ファ増幅器のこの入力特性によってその使用をマイクロウエーブ回路および／ま たは構成素子がバッファ増幅器の３dBのロールオフ周波数以下の周波数で作動す るような状態に限定する。発明の概要 本発明の目的は上記３dBのロールオフ周波数以上の周波数でさえも、上記周波 数以上で実際に作動し得るに充分な大きさの正の入力インピーダンスを有するモ ノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器を提供せんとするにある。 本発明の他の目的は容量性構成素子の優越性が上記３dBのロールオフ周波数以 上の周波数で抵抗性構成素子に対して少なくとも充分に減少されるようなモノリ シックマイクロウエーブバッファ増幅器を提供せんとするにある。 本発明によればモノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器は各々が３dBの ロールオフ周波数以上で容量性リアクティブ構成素子を具える入力インピーダン スを有する縦続接続された第１段および第２段を含む。この縦続接続された第１ 段および第２段の作動中、容量性リアクティブ構成素子は共働して入力電流およ び入力電圧間で180°の位相推移を発生してこれら構成素子が前記第１段の入力 側で値Ｒ^-の負の入力抵抗として捕集的に現われるようになる。さらに、このバ ッファ増幅器は、その入力側に負の入力抵抗の大きさに少なくとも等しい大きさ の正の抵抗を設けて前記負の抵抗を有効に消去するとともに入力側に結合された 回路または構成素子が過剰にロードされるのを防止するに充分な大きさの有効な 正の入力抵抗を提供する。 これがため、本発明バッファ増幅器では、入力インピーダンスの容量性リアク ティブ成分を充分に減少させることにより入力インピーダンスを増大させる。さ らに、負の入力抵抗を消去するに充分な正の抵抗の値を適宜選択することによっ て、入力インピーダンスの抵抗成分を従来のバッファ増幅器に存在する抵抗成分 よりも高い値に実際に増大させることができる。 好適な例では、バッファ増幅器は値Ｒの並列入力抵抗を含むようにし、ここに １／Ｒ＝１／Ｒ_eff＋１／Ｒ⁺とする。バッファ増幅器の総合入力インピーダンス はほぼ実数であり、実数部として入力抵抗Ｒ_INを含み、ここに１／Ｒ_IN＝１／Ｒ^- ＋１／Ｒ⁺＋１／Ｒ_eff且つＲ⁺は値Ｒ^-の負の入力インピーダンスに等し く、且つこれをほぼ消去する。これがためＲ_effはバッファ増幅器の有効な入力 インピーダンスを具える。 本発明マイクロウエーブバッファ増幅器の他の例は残りの請求項に記載されて いる。図面の簡単な説明 図１は代表的なモノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器の電流利得対周 波数特性および入力インピーダンス対周波数特性を示す説明図、 図２Ａおよび２Ｂは本発明モノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器の第 １および第２例をそれぞれ示す回路図、 図３は本発明モノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器の総合入力抵抗対 周波数特性および負の入力抵抗対周波数特性をそれぞれ示す説明図、 図４Ａおよび４Ｂは本発明モノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器の第 ３および第４例をそれぞれ示す回路図である。発明を実施するための最良の形態 図２Ａは２つの縦続接続されたバイポーラトランジスタ段を含む本発明バッフ ァ増幅器の第１例を示す。第１段では、トランジスタＱ₁はエミッタに電気的に 接続された抵抗Ｒ₁を有し、エミッタフォロワ形態に電気的に接続される。第２ 段では、トランジスタＱ₂は共通エミッタ形態に電気的に接続される。トランジ スタＱ₁のベースはバッファ増幅器の入力端子INに電気的に接続するとともにト ランジスタＱ₂のコレクタをバッファ増幅器の出力端子OUTに電気的に接続する。 また、バッファ増幅器は供給電圧Ｖ+およびＶ-への接続端子を有し、そのうちの 一方を接地する。結合された第１段および第２段はロールオフ周波数ｆ_3dB以上 の周波数で次式に示すように概算された入力インピーダンスを有する。 ここにｇ_mlは第１段の相互コンダクタンスであり、Ｃ₁およびＣ₂はそれぞれトラ ンジスタＱ₁およびＱ₂のベース−エミッタ容量、およびβ₁はトランジスタＱ₁の 電流利得率である。 入力容量Ｃ_INは上記ベース−エミッタ容量Ｃ₁およびＣ₂の並列接続部よりも著 しく小さくする。その理由は代表的には、電流利得率β₁および相互コンダクタ ンスｇ_ml・Ｒ₁がそれぞれ１よりも著しく小さいからである。バッファ増幅器の 入力インピーダンスに及ぼす容量の影響の大部分は、３dBのロールオフ周波数以 上の周波数で、次式により概算される負の入力抵抗に変換される。 ここにｆは動作周波数である。 Ｒ^-の値が負であるため、補償を行わない場合には、バッファ増幅器は不安定 となる。しかし、第１段の入力側に並列に次式で示される値を有する抵抗Ｒ（こ こにＲ⁺の大きさをＲ^-の大きさに等しくする）を電気的に接続することによって 、バッファ増幅器の入力抵抗は値Ｒ_effの実数の正の抵抗に変換されるようにな る。 総合入力抵抗Ｒ_INは、次式で示すように並列接続の３つの抵抗Ｒ⁺，Ｒ^-および Ｒ_effに等価となる。 Ｒ⁺＝−Ｒ^-であるため、これら２つの値は互いに打ち消され、上式は次式のよ うになる。 Ｒ_IN＝Ｒ_eff （５） 一例として、Ｒ^-を所定の動作周波数（例えば、１GHz）で−270Ωに等しくし 、且つ、この周波数に実効入力抵抗Ｒ_IN＝Ｒ_eff＝＋230Ωを必要とする場合には 、抵抗Ｒ⁺の値は＋270に等しくなり、並列抵抗Ｒの値は上式（３）から決まるよ うに、ほぼ＋125Ωに等しくしなる。 図２Ｂは本発明マイクロウエーブバッファ増幅器の第２例を示す。本例は抵抗 Ｒを第１段の入力側に直列に電気的に接続する点以外は第１例と同様である。こ の場合には次式が成立し直列抵抗Ｒの値は＋500 Ωに等しくなる。 Ｒ＝Ｒ_eff＋Ｒ⁺ （６） Ｒが並列接続よりもむしろ直列接続にする場合には、Ｒの値として同一の正の入 力抵抗Ｒ_INを得るに必要な大きな値とするものとする。 図３は上述したように計算されたＲの値に対し図２Ａに示すバッファ増幅器の 負の入力抵抗Ｒ-および実効入力抵抗Ｒ_IN＝Ｒ_effを周波数の関数として示す説明 図である。図１と比較するに、実行入力インピーダンスＲ_INは１０⁷ＧHzでほぼ ３倍となる。実行入力抵抗は１０⁸Hz以上の周波数で正の値を保持し、実際上、 図１に示すように１ＧHzの周波数でほぼ２Ωの大きさまで低下するよりもむしろ バッファ増幅器の所望の１ＧHzの動作周波数近くでピーク値となるまで増大する 。同一の値Ｒを有する図２Ｂの例に対しては、入力抵抗曲線および負の入力抵抗 曲線は同じであるが、図３に示す入力抵抗曲線とは相違する。 図４Ａは本発明マイクロウエーブバッファ増幅器の第３例を示し、本例は第２ 容量性回路段に縦続接続された第１バイポーラトランジスタ段を具える。しかし 、第２容量性回路段は値Ｃ₂′の容量を単に具え、これをバッファ増幅器の出力 端子ＯＵＴに電気的に接続する。 第１例の場合と同様に、第３例第１および第２段の組合せは負の入力抵抗を有 し、これは３dBロールオフ周波数以上の周波数で次式に示すように概算して表わ すことができる。 また、入力容量は次式に示すように概算して表わすことができる。 ここにｇ_mlは第１段の相互コンダクタンスであり、Ｃ₁はトランジスタＱ₁のベ ース- エミッタ容量である。抵抗Ｒの値は第１例については上記式（３）を用い て決めるようにする。 図４Ｂは本発明マイクロウエーブバッファ増幅器の第４例を示す。この第４例 は第２例における場合と同様に、第１段の入力側に直列に電気的に接続された抵 抗Ｒを有する点以外は第３例とほぼ同様である。 本発明の種々の実施例の任意の例において、抵抗Ｒは受動または能動素子を用 いて構成することができる。例えば、この抵抗Ｒを、第１段および／または第２ 段の抵抗特性と同様の温度条件および／またはバイアス条件で変化する順方向導 通抵抗特性を有するダイオードまたはトランジスタのような１つ以上の受動抵抗 から、または、１つ以上の能動抵抗から構成することができる。 また、第３例および第４例の容量Ｃ₂′も受動または能動素子から構成する個 とができる。能動素子の構成の一例として、容量Ｃ₂′を次の段の入力容量とす ることができる。 さらに他の変形例も本発明の要旨内で可能となる。能動素子の一例として、抵 抗Ｒ₁を順方向バイアスされたダイオードまたはトランジスタ接合とすることが できる。また、抵抗Ｒに直列の直流阻止コンデンサのようなバッファ増幅器の動 作周波数で著しいインピーダンスを有さない構成素子をバッファ増幅器に含める ことができる。他の変形例として、バッファ増幅器を能動および／または受動素 子を経て供給電圧源に結合することができる。 本発明はＦＥＴのようなバイポーラトランジスタを用いる構成素子に限定され るものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の３dBのロールオフ周波数以上の周波数で作動するモノリシックマイク ロウエーブバッファ増幅器において、各々が容量性リアクティブ構成素子を含む 入力インピーダンスを有する縦続接続された第１段および第２段を具え、この縦 続接続された第１段および第２段の作動中、容量性リアクティブ構成素子は共働 して180°の位相推移を発生して、これらリアクティブ素子が前記第１段の入力 側で捕集的に負の入力抵抗として現われるようにし、さらに、このバッファ増幅 器は、その入力側に負の入力抵抗を少なくとも消去する大きさの正の抵抗を含む ことを特徴とするモノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器。 ２．前記正の抵抗は前記第１段の入力側に並列に電気的に接続することを特徴と する請求項１に記載のモノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器。 ３．前記正の抵抗は前記第１段の入力側に直列に電気的に接続することを特徴と する請求項１に記載のモノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器。 ４．前記正の抵抗の大きさは前記負の入力抵抗の大きさよりも充分に大きくする ようにしたことを特徴とする請求項３に記載のモノリシックマイクロウエーブバ ッファ増幅器。 ５．前記負の入力抵抗は値Ｒ^-を有し、前記正の抵抗は値Ｒを有し、ここに１／ Ｒ＝１／Ｒ_eff＋１／Ｒ⁺とし、前記バッファ増幅器の総合入力抵抗をＲ_INにほぼ 等しくし、ここに１／Ｒ_IN＝１／Ｒ_eff＋１／Ｒ⁺＋１／Ｒ^-とし、ここにＲ⁺は値 Ｒ^-の負の入力抵抗にほぼ等しく、且つこれをほぼ消去するものとし、ここにＲ_{e ff} はバッファ増幅器の実効入力インピーダンスを具えることを特徴とする請求項 １に記載のモノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器。 ６．前記負の入力抵抗は値Ｒ^-を有し、前記正の抵抗は値Ｒを有し、ここにＲ＝ Ｒ_eff＋Ｒ⁺とし、前記バッファ増幅器の総合入力抵抗をＲ_INにほぼ等しくし、こ こにＲ_IN＝Ｒ_eff＋Ｒ⁺＋Ｒ^-とし、ここにＲ⁺は値Ｒ^-の負の入力抵抗にほぼ等し く、且つこれをほぼ消去するものとし、ここにＲ_effはバッファ増幅器の実効入 力インピーダンスを具えることを特徴とする請求項３または４に記載のモノリシ ックマイクロウエーブバッファ増幅器。 ７．前記バッファ増幅器の入力インピーダンスはバッファ増幅器の入力抵抗にほ ぼ等しくしすることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６に記載のモ ノリシックマイクロウエーブバッファ増幅器。