JPH1075127A

JPH1075127A - 低ノイズ増幅器

Info

Publication number: JPH1075127A
Application number: JP9153492A
Authority: JP
Inventors: Nikolay Tchamov; ニコライ・トチャモフ; Petri Jarske; ペトリ・ヤルスケ
Original assignee: Micronas Oy
Current assignee: Micronas Oy
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1998-03-17
Also published as: FR2749718B1; DE19724485A1; GB2314223A; FI100751B; FI962420A0; GB9710690D0; GB2314223B; FI962420A; US5933057A; FR2749718A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高い周波数で動作し、高利得および低電力消
費を示す新しい低ノイズ増幅器を提供する。【解決手段】本発明に係る低ノイズ増幅器において、
入力整合と増幅回路の増幅は第１カスケードにおける共
通ベース増幅段（Ｑ１）により実現される。さらに、共
通ベース段の高出力インピーダンスを整合するためのカ
スケードの第２段のように、高入力インピーダンスを有
するホワイト・カスコード（Ｑ２、Ｑ３）の利用により
改善される。ホワイト・カスコードはまた非常に低くか
つ安定した出力インピーダンスを有しており、それは、
非常によい出力整合を与える。さらに、両段はそのよう
に変更されることにより、それらの増幅トランジスタ
（Ｑ１、Ｑ２）のコレクタは動作電圧に抵抗のかわりに
コイル（Ｌ１、Ｌ２）を介して接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低ノイズ増幅器であ
って、特に、マイクロ波領域（＞１ＧＨｚ）で有効な増
幅器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】新しい携帯無線通信システムは、最近、
ＲＦ増幅器、ミキサおよびローカルオシレータのような
種々の送信器および受信器に関連した電子回路の需要を
増加させてきた。典型的には、それらは集積回路上に形
成されて実施される。重要な分野は低ノイズ増幅器ＬＮ
Ａである。ＲＦ領域内での従来の集積回路は、例えば、
以下の文献中に開示されている： [１]ロバート・ジー・メイヤー（Robert G.Mayer）著、
「１ＧＨｚＢｉＣＭＯＳＲＦフロントエンドＩＣ
（A 1-GHz BiCMOS RF Front-End IC）」、ＩＥＥＥソ
リッド・ステート回路ジャーナル（IEEE Journal of So
lid State Circuits、Vol.29,No.3、March 1994、pp.35
0-355）。 [２]アサッド・エー・アビディ著（Asad A. Abidi）、
「携帯通信用低電力無線周波数ＩＣ（Low-Power Radio-
Frequency IC's for Portable Communicatons）」、Ｉ
ＥＥＥ会報（Proceedings of the IEEE、Vol.83、No.
4、April 1995、pp.544-569）。

【０００３】近年、低ノイズ増幅器ＬＮＡとして種々の
２段回路構成が導入されてきた。殆どの場合、共通エミ
ッタ増幅段と他の段とのカスケード接続を構成するトポ
ロジーが選択されている。多くの場合は、カスケード接
続が共通エミッタ段により引き出される利得に基づいて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、共通エミッタ接
続がミラー効果の影響を非常によく受けることはよく知
られている。ミラー効果は、しばしば共通エミッタ段に
第２カスケード段として使用される共通ベース回路の低
入力インピーダンスを加えることにより低減される。実
際には、これは総合利得を大幅に減少させる。簡単に言
うと、そのような構成は、カスケードの異なる段の高い
内部入力インピーダンスと出力インピーダンスの整合が
難しいという問題がある。

【０００５】本発明は、従来の増幅器の構成よりも、よ
り高い周波数で動作し、より高い利得およびより低い電
力消費を示す新しい低ノイズ増幅器を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および効果】本発明は入力
段と出力段とを含んだ増幅器に関する。この増幅器にお
いて、入力段は、コレクタが第１誘導素子を介して動作
電圧が供給される、共通ベース接続された増幅素子から
なり、出力段は、第２誘導素子を介して増幅素子のコレ
クタに動作電圧が供給されたホワイト・カスコード（Wh
ite's cascode）からなる。

【０００７】本発明によれば、増幅器の入力の整合と増
幅は、カスケードにおける第１段のように共通ベース増
幅段の使用により与えられる。さらなる改善は、共通ベ
ース段の高出力インピーダンスを整合させる第２段のカ
スケードのように、高入力インピーダンスのホワイト・
カスコードを利用することである。ホワイト・カスコー
ドは、また、非常に低くかつ安定した出力インピーダン
スを有し、そして、それは非常によい出力整合を与え
る。さらに、両段は、それらのコレクタに抵抗の代わり
に誘導素子を介して動作電圧が与えられる。コレクタ回
路において使用されたコイルのような誘導素子のため、
共通ベース段は、より高い利得、周波数選択特性と同様
に、より低い電源電圧を有する。比較的低いＱ（Q fact
or）のオンチップコイル（on-chip coils）が用いられ
る場合でさえ、改善された容量が実現される。

【０００８】本発明に係るコレクタ回路において誘導素
子を利用することにより、設計者は、高利得の獲得に対
してより多くの柔軟性を得る。また、これは、間接的に
設計に対してより高い自由度を与える；一旦、十分な利
得を発生させる必要性から開放されると、設計者は低ノ
イズにするためのエミッタ電流を選択する必要が益々無
くなる。高温安定性および低ノイズは、十分に高いエミ
ッタ抵抗を選択することにより、また、ベースバイアス
電流を発生する低抵抗分割を使用することにより実現さ
れる。後続のホワイト段のベース回路のバイアス抵抗の
値（その値は、第１段のコレクタの誘導素子に並列にＡ
Ｃ接続される）は、増幅器の帯域幅を同調させるための
追加の容量を与えることができる。ホワイト段のベース
のバイアスにおいて、高いＱを有する誘導素子の利用
は、よりよい結果を生じないであろう。それどころか、
それは電圧利得がほぼ一定のままとなる同調帯域を削減
する。

【０００９】ホワイト・カスコードにおける上段トラン
ジスタのコレクタにおいて低いＱを持った誘導素子を用
いることは、ループ利得を増大し、また、回路の能力
を、ほぼ正確に１００％の負帰還を有する理想に非常に
近いものにする。これは、回路をほぼ理想の出力段にす
るため、ほぼゼロの出力インピーダンスを生ずる。出力
はこのように標準的な特性インピーダンス（一般に、５
０Ωの抵抗値）から与えられる。使用されるバイアス
は、より高い抵抗を仮定し、このように実際には誘導素
子の最終的なＱに対して影響を及ぼさない。

【００１０】周波数同調は、例えば、共通ベース段とホ
ワイト・カスコード間のＤＣ阻止コンデンサを変化させ
ることにより、プリセットされてもよい。これは、この
ように全体利得を変化させることにより、第１段に負荷
を与える第２段の入力インピーダンスの干渉レベルに影
響を及ぼす。

【００１１】それに反して、必要とされる全体利得を正
確に発生するために、共通ベース段の接地容量を変化さ
せることによって、利得を独立的に調整することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を用いて本発明
に係る増幅回路の実施の形態を説明する。本発明は、種
々の製造技術および種々の種類の構成部品を用いた低ノ
イズ増幅回路を実施するために好適なものである。図１
および図２に示す増幅回路において、ＮＰＮバイポーラ
トランジスタが用いられているが、ＭＯＳ、ＣＭＡＳ、
ＳＯＩ、ＨＥＭＴおよびＨＰＴトランジスタ、マイクロ
波管ならびに真空管のような任意の種類の増幅回路の構
成部品が、本発明の回路構成において用いられてもよ
い。これらの構成部品において、電極に関連した用語は
他のものであってもよい。バイポーラトランジスタの主
な電極はコレクタおよびエミッタであり、駆動電極はベ
ースと称す。ＦＥＴトランジスタにおいては、対応する
電極は、ドレイン、ソースおよびゲートである。真空管
の場合、対応するトランジスタの各部は、アノード、カ
ソードおよびゲートとして参照される。このように、
「エミッタ」、「コレクタ」、「ベース」および「共通
ベース段」の用語は、ここでは、他のタイプの増幅素子
の電極をカバーする広い用語として理解されなければな
らない。

【００１３】図１は、本発明に係る増幅回路の回路図を
示す。ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１は共通ベース
入力段を構成する。ＮＰＮトランジスタＱ２およびＱ３
はホワイト・カスコード（White's cascode）型の出力
段を構成する。トランジスタＱ１のコレクタはコイルＬ
１を経由して、動作電圧Ｖcc＝２．０Ｖを与える電圧源
１０に接続される。トランジスタＱ１のエミッタには、
エミッタ抵抗Ｒ１を経由して０Ｖの第２動作電位が与え
られる。抵抗Ｒ２およびＲ３の直列接続で構成される電
圧分割回路は、動作電圧Ｖccを与える電圧源１０と０Ｖ
を与える節点との間に接続され、トランジスタＱ１のベ
ース回路にバイアスを与える。このため、トランジスタ
Ｑ１のベースは抵抗Ｒ２とＲ３の接続点に接続される。
さらに、接地コンデンサＣ２はトランジスタＱ１のベー
スからグランド（０Ｖ）の間に接続される。信号源１１
は、一般的に、増幅回路の入力信号がその回路から受信
される回路を表す。信号源１１の一端はエミッタ抵抗Ｒ
１のグランド側端子に接続され、他端は結合コンデンサ
Ｃ１を介してトランジスタＱ１のエミッタに接続され
る。

【００１４】ホワイト・カスコードにおいて、トランジ
スタＱ２のコレクタはコイルＬ２を介して動作電圧Ｖcc
を与える電圧源１０に接続される。トランジスタＱ２の
エミッタはトランジスタＱ３のコレクタに接続され、ま
た、抵抗Ｒ７および結合コンデンサＣ５を介して出力端
ＯＵＴに接続される。トランジスタＱ３のエミッタは抵
抗Ｒ５を介してグランドに接続される。トランジスタＱ
２のベースはバイアス抵抗Ｒ４を介して動作電圧Ｖccを
与える電圧源１０に、また、結合コンデンサＣ３を介し
てトランジスタＱ３のコレクタに接続される。トランジ
スタＱ３のベースはバイアス抵抗Ｒ６を介して動作電圧
Ｖccを与える電圧源１０に接続され、コンデンサＣ４を
介してトランジスタＱ２のコレクタに接続される。図１
において、出力が印加される回路により生ずる負荷は抵
抗Rloadで示されている。

【００１５】図１における構成部品の値は、一実施形態
の一例としてのみ示されており、他の従来技術の低ノイ
ズ増幅回路と比較できるようにしている。構成部品の値
は一つの実施形態から別のものへと多様に変化してもよ
いことを理解しなければならない。

【００１６】図２に、図１の共通ベース入力段のＡＣ等
価回路を示す。図２において、以下の省略記号が用いら
れている：Ｇce1はベース−エミッタ接続のコンダクタ
ンス；Ｇcb1はコレクタ−ベース接続のコンダクタン
ス；Ｇb'e1は節点ｂ'1とエミッタ間のコンダクタンス；
Ｃb'e1は節点ｂ'1とエミッタ間の容量；Ｃb'c1は節点
ｂ'1とコレクタ間の容量；Ｒbb'1はベースと節点ｂ'1間
の抵抗；Ｒd'は抵抗Ｒ２とＲ３の並列接続の抵抗；ｂ'1
はベースの節点；ｅ１はエミッタの節点；Ｇm1＊Ｖb'e1
は電源である。

【００１７】ＲＳは信号源１１の特性インピーダンスを
表し、通常、５０オームである。ＲＳはコンデンサＣ１
を介してトランジスタＱ１の入力インピーダンスに接続
される。ここで、上記インピーダンスは生来僅かに誘導
性がある。信号源のインピーダンスＲＳおよび入力イン
ピーダンスはかなり小さいため、十分な時定数を与え、
かつ、対象の無線周波数を送信するために、コンデンサ
Ｃ１は十分に大きくないといけない。同様のことがコン
デンサＣ２に対しても適用され、それにより共通ベース
を接地する。図２から、コンデンサＣ２が入力信号に直
列に接続されていることがわかる。結果として、コンデ
ンサＣ１の値またはコンデンサＣ１およびＣ２の両方の
値が入力信号のレベル調整のために用いられ、これは増
幅回路全体の全体利得に影響する。

【００１８】図２の等価回路から、共通ベース段に、コ
イルＬ１の入力インピーダンスおよびＤＣ阻止コンデン
サＣ３を介した次段（ホワイト・カスコード）の入力イ
ンピーダンスによって、負荷が与えられることもまたわ
かる。そのとき、コイルＬ１は、トランジスタＱ１の寄
生コンデンサ（Ｃp'e1、Ｃp'c1）とともに、主にＣp'c1
によって、高い共振周波数の並列ＬＣ共振回路を構成す
る。コンデンサＣ３は、インピーダンス変圧器にホワイ
ト・カスコードの入力容量を与え、これにより、コイル
Ｌ１に並列接続の容量を増加させる。結果として、も
し、コンデンサＣ３の容量が低ければ、コイルＬ１に並
列接続の全体容量は、主にトランジスタＱ１の寄生容量
からなり、その場合、増幅回路の通過帯域の中心周波数
は高くなる。一方、もし、コンデンサＣ３の容量が十分
に高ければ、コイルＬ１に並列接続の全体容量に対して
さらなる容量が追加され、それにより、ずっと低い共振
周波数が生ずる。

【００１９】さらに、コンデンサＣ３の容量がより高い
場合、より高利得を生ずる第２段（ホワイト・カスコー
ド）に対しＲＦエネルギーをよりよく伝送する。このよ
うに、コンデンサＣ３は、増幅回路全体の全体利得およ
び中心周波数に同時に影響を与えるために使用されても
よい。一方、同様に、共通ベース段のコンデンサＣ１と
コンデンサＣ２の少なくとも１つを変化させることによ
り利得を独立して同調できることを、コンデンサＣ３に
よって選択された周波数で必要な全体利得を正確に発生
させるために使用してもよい。さらに、ホワイト・カス
コードのバイアス抵抗Ｒ４は帯域幅を調整するために使
用されてもよい。ここで、抵抗Ｒ４はコイルＬ１に並列
にＡＣ接続されている。このことは、実は、抵抗Ｒ４の
中に位置する高いＱを有するコイルはよりよい特性を与
えないことを示す。

【００２０】第２段は、上段のトランジスタのコレクタ
における低いＱを有するコイルＬ２の使用により増強さ
れたホワイト・カスコードである。このコイルＬ２は局
所的なループにおいて増幅を増大させ、また、ほぼ１０
０％の負帰還を有し、回路の能力を理想的なフォロワに
非常に近付ける。これは、ほぼゼロの出力インピーダン
スを与え、この回路をほぼ理想の出力段にする。このよ
うに出力は標準特性インピーダンス（一般的に５０オー
ムの抵抗）から得られてもよい。使用されたバイアスは
より高い抵抗（Ｒ６）を想定し、また、このように、コ
イルＬ２の低いＱに影響を及ぼさない。また、高いＱの
コイルを使用することは、抵抗Ｒ６の一定のインピーダ
ンスまたは使用された他の任意のバイアス回路の一定の
インピーダンスの結果としてそのＱが削減されるため、
たいして性能を向上させない。出力における減結合コン
デンサＣ５は、オンチップまたはオフチップの素子であ
ってよい。

【００２１】図１による集積されたモノリシックな低い
ノイズ帯域通過増幅回路（ＬＮＡ）は０．８μｍＢｉＭ
ＯＳ技術によって検討されてきた。そこでは、バイポー
ラＮＰＮトランジスタは１７ＧＨｚの最大遷移周波数Ｆ
_TMAXを示し、このトランジスタを流れる電流は約８００
μＡである。本実施形態においては、第１段においてト
ランジスタを流れる電流は５００μＡに選択された。そ
れは、ノイズを最小にする電流値である。

【００２２】達成される増幅値は、２Ｖの電源電圧から
の３ＧＨｚの周波数で３５ｄＢである。コイルＬ１が比
較的低いＱを有しているにもかかわらず、これはかなり
高い増幅値であり、また、それは、トランジスタＱ１の
コレクタにおいて抵抗が使用されたならば２ボルトの電
源電圧を用いては達成することができない。トランジス
タＱ２およびＱ３は、低抵抗負荷に必要とされる出力電
流を与えるために、トランジスタＱ１よりもサイズにお
いて３倍大きい。

【００２３】低いＱのコイルＬ１およびＬ２は、±１０
％の範囲内で中心周波数のプリ同調および２０ｄＢから
４０ｄＢの間の利得の独立したプリセットを可能とす
る。これらは従来技術の回路構成を用いては成しえない
ことである。

【００２４】コンデンサＣ３の容量を変化させることに
よる、周波数選択の影響および利得の同時変化がＳパラ
メータ[Ｓ21]および[Ｓ12]によって図３および図４に示
されている。

【００２５】一度、周波数が選択され、図５および図６
に示すように、コンデンサＣ２を用いて全体利得が決定
されてもよい。図５および図６において、左側の第１の
Ｙ軸は[Ｓ12]または[Ｓ21]の絶対値に対応し、第２のＹ
軸は[Ｓ12]または[Ｓ21]の位相に対応している。

【００２６】予想されたように共通ベース段の誘導性素
子はかなり小さい。このため、コンデンサＣ２の値を変
化させたときに、ほぼ一定周波数で変化するのは実際に
は全体利得のみである。

【００２７】増幅は、同様の技術を用いて、少なくとも
８から１０ＧＨｚの周波数まで同様に動作することがで
きる。

【００２８】増幅回路の電力消費は２Ｖの電源電圧で８
ｍＷのみである。この回路は、例えば、種々の無線通信
装置における増幅フィルタバッファとしての利用に好適
である。

【００２９】上記図面および上記説明は本発明を示すこ
とを意図しているのみである。本発明に係る増幅回路は
添付の請求の範囲においてその詳細は変化してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る低ノイズ増幅回路の回路図。

【図２】図１に係る増幅回路の第１段ＡＣ等価回路の
回路図。

【図３】コンデンサＣ３の値が変化したときのｓパラ
メータ[Ｓ21]に同調した周波数の影響を示す図。

【図４】コンデンサＣ３の値が変化したときのｓパラ
メータ[Ｓ12]に同調した周波数の影響を示す図。

【図５】コンデンサＣ２の値が変化したときのｓパラ
メータ[Ｓ21]に同調した周波数の影響を示す図。

【図６】コンデンサＣ２の値が充電されたときのｓパ
ラメータ[Ｓ12]に同調した周波数の影響を示す図。

【符号の説明】

１０…電圧電源１１…信号源Ｑ１〜Ｑ４…ＮＰＮバイポーラトランジスタＣ１〜Ｃ５…コンデンサＬ１，Ｌ２…コイルＲ１〜Ｒ７…抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力段と出力段とを有する増幅器におい
て、前記入力段は、共通ベース接続され、コレクタに第１誘
導素子（Ｌ１）を介して動作電圧が与えられる増幅素子
（Ｑ１）からなり、前記出力段は、一の増幅素子（Ｑ２）のコレクタに第２
誘導素子（Ｌ２）を介して動作電圧が与えられるホワイ
ト・カスコード（Ｑ２、Ｑ３）からなることを特徴とす
る増幅器。
【請求項２】前記入力段は、コレクタに第１コイル（Ｌ１）を介して動作電圧が与え
られ、エミッタにエミッタ抵抗（Ｒ１）を介して動作電
位の一方が与えられるとともに第１結合コンデンサ（Ｃ
１）を介して増幅器の入力に接続され、ベースに接地容
量（Ｃ２）を介して動作電位の他方が与えられた、共通
ベース接続されたトランジスタ（Ｑ１）と、共通ベース接続されたトランジスタ（Ｑ１）をバイアス
するためのバイアス回路（Ｒ２、Ｒ３）とからなること
を特徴とする請求項１に記載の増幅器。
【請求項３】前記ホワイト・カスコードは、コレクタにコイル（Ｌ２）を介して動作電圧が与えら
れ、エミッタが第２結合コンデンサ（Ｃ５）を介して増
幅器の出力に接続され、ベースが第３結合コンデンサ
（Ｃ３）を介して前記共通ベース接続されたトランジス
タ（Ｑ１）のコレクタに接続された第１トランジスタ
（Ｑ２）と、コレクタが第１トランジスタ（Ｑ２）のエミッタに接続
され、エミッタに抵抗（Ｒ５）を介して第２動作電位が
与えられた第２トランジスタ（Ｑ３）と、第１および第２トランジスタをバイアスするためのバイ
アス回路（Ｒ４、Ｒ６）とからなることを特徴とする請
求項１または請求項２に記載の増幅器。
【請求項４】全体利得および増幅器の中心周波数は、
第３結合コンデンサ（Ｃ３）の値を変化させることによ
り同調するように調整されたことを特徴とする請求項２
または請求項３に記載の増幅器。
【請求項５】共通ベース接続段の利得は、第１結合コ
ンデンサ（Ｃ３）および接地コンデンサ（Ｃ２）の少な
くともいずれかの値を変化させることにより同調するよ
うに調整されたことを特徴とする請求項２、請求項３ま
たは請求項４に記載の増幅器。
【請求項６】増幅器のノイズレベルは、前記エミッタ
抵抗の値に基づいて、増幅器の中心周波数および利得に
対し、実質的に独立して設定されるように調整されるこ
とを特徴とする請求項２、請求項３または請求項４に記
載の増幅器。
【請求項７】第１トランジスタ（Ｑ２）のバイアス回
路は、第１トランジスタ（Ｑ２）のベースと動作電圧を与える
節点との間に接続され、第１誘導素子（Ｌ１）と並列に
ＡＣ接続されたバイアス抵抗（Ｒ４）とバイアス抵抗
（Ｒ４）の値を変化させることにより同調するように調
整された共通ベース接続段とを含むことを特徴とする請
求項３ないし請求項６のいずれか１つに記載の増幅器増
幅器。
【請求項８】前記第１誘導素子および前記第２誘導素
子はコイルからなることを特徴とする請求項１ないし請
求項７のいずれか１つに記載の増幅器。
【請求項９】集積回路で実現され、第１および第２誘
導素子は低いＱを持つオンチップコイルであることを特
徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載
の増幅器。