JPH11514193A - 温度補償増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 増幅器は増幅回路とバイアス電流回路とを備えている。バイアス電流回路はβ整合回路を含み、それは温度補償された電流基準電源を使用して増幅回路のためのバイアス電流を発生させる。β整合回路は増幅回路内のトランジスタの電流利得を追跡するように接続され、それによって増幅回路に温度補償されたバイアス電流を与える。バイアス電流は温度変化に関係なく固定バイアス点を維持し、また、増幅回路のトランジスタの電流利得の変動を阻止している。

Description

【発明の詳細な説明】 温度補償増幅器 ［発明の技術的背景］ ［発明の技術分野］ 本発明は、一般的に、増幅器に関し、特に、低い歪で動作を行いながら、比較 的小さいヘッドルームの増幅器に関する。 ［関係する技術の説明］ バイポーラトランジスタ増幅器は広く種々の用途において使用されている。そ れらは例えば無線周波数受信機内の中間周波数（ＩＦ）増幅器として普通に使用 されている。 図１に示されているような通常のバイポーラトランジスタ増幅器は、ダーリン トン対として接続されたＮＰＮトランジスタＱ１およびＱ２を備え、増幅器段全 体の電流利得を増加させ、また、入力インピーダンスを大きくしている。フィー ドバック抵抗Ｒ_fはベース抵抗Ｒ_bと直列に接続されて正電源電圧Ｖ+ と負電源電 圧Ｖ- との間の電圧分割器を構成してダーリントン対のトランジスタＱ１および Ｑ２にバイアス電流を与えている。コレクタ抵抗Ｒ_cは正電源電圧Ｖ+ とダーリ ントン対のトランジスタのコレクタとの間に接続されている。コレクタ抵抗Ｒ_c は温度変化に対してダーリントン対のトランジスタのバイアス電流の変化を最小 にしている。直列接続された抵抗Ｒ_compおよびキャパシタＣ_compは抵抗Ｒ_fと並 列に接続され、増幅器に対する周波数補償を行っている。ピーキングインダクタ Ｌ₁は、通常数マイクロヘンリー程度の大きさであり、コレクタ抵抗Ｒ_cとダーリ ントン対のトランジスタのコレクタとの間に直列に接続され、ストレーキャパシ タンスの影響を消去し、通常のロールオフ周波数より上まで増幅器の利得を補償 している。このような高周波技術は技術的によく知られており、文献（例えばPa ul Horowitz,Winfield Hill,The Art of Electronics,Cambridge University Pr ess 1989年、869 頁）に記載されている。 縮退抵抗Ｒ_e1およびＲ_e2はトランジスタＱ１およびＱ２のエミッタに接続され ている。信号の歪は出力トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ce2に 反比例するから、出力トランジスタＱ２は通常は非常に高い電流でバイアスされ ている。その結果、縮退抵抗Ｒ_e2は典型的に非常に低い抵抗値であり、例えば数 Ω程度である。 通常の増幅器は多くの応用に対して満足できる動作を行っているが、低電力お よび、または低い電源電圧で使用する場合には特に適しているとは言えない。こ の回路の１つの欠点は、増幅器のヘッドルームのに対する要求を増加させるコレ クタ抵抗Ｒ_cを含んでいることである。用途によって、特に、低い供給電圧を使 用する場合には、この増加されたヘッドルームに対する要求を満足させることは 困難である。すなわち、一般に実用的に良好な設計では、所定の電子システムに 対して単一の標準的な電源電圧を使用することが要求される。例えば多数の電子 システムでは現在３ボルトの電源を使用している。しかし、高い出力電流（Ｖ_ce を最大にしてそれによって歪を最小にする）における抵抗Ｒ_cによる電圧降下に よって、設計者は図１の増幅器を使用するためにシステムにより高い電圧の電源 を付加せざるを得なくなる。別の問題は抵抗Ｒ_cが大きい電力消費を生じること である。これはそれ自体が大きい欠点である。さらに、増加した電力消費はダー リントン対のトランジスタの接合部の温度を上昇させる可能性があり、それによ ってエレクトロマイグレーションが加速され、増幅器の寿命が期待された値より 減少する。 さらに、縮退抵抗Ｒ_e2は増幅器のヘッドルーム要求を満たすために数Ω程度の 低い抵抗値でなければならない。低い抵抗値では、製造誤差による抵抗値の僅か な変動が増幅器のバイアス電流における大きな電流変化を生じる。 ［発明の概要］ 上述の問題に関して、本発明は、低い歪で動作を行いながら、要求される電圧 ヘッドルームが比較的低い温度補償された増幅器を提供することを目的としてい る。 本発明は、電流利得（β）整合回路と増幅回路とを備えている。β整合回路は 温度補償された電流源を使用して増幅回路にバイアス電流を供給する。増幅回路 内のトランジスタのβが変化するとき、β整合回路は、この変化をまねて自動的 に増幅回路のバイアス電流を調整し、それによって固定されたバイアス点を維持 し、それは温度およびβの変化にほとんど無関係である。 β整合回路は、増幅回路内と同じ回路構成で接続されているトランジスタを含 む。β整合回路内の対応するトランジスタは例えば、増幅回路のトランジスタと 同一のドープ等のような同じプロセスを使用して製造される。さらに、β整合回 路内の対応するトランジスタは増幅回路のトランジスタと同じ電流密度で動作さ れる。それ故、増幅回路とβ整合回路内の対応するトランジスタの電流利得は等 しい。β整合回路のトランジスタは増幅回路の対応するトランジスタと整合し、 例えば同じベース／エミッタ面積、ならびにその他の装置特性を有しているが、 好ましい実施形態ではβ整合回路のトランジスタのベース／エミッタ面積は増幅 回路の対応するトランジスタのベース／エミッタ面積の何分の１かであるが、そ れらのエミッタ電流密度は増幅回路のトランジスタのエミッタ電流密度と一致し ている。 好ましい実施形態では、バイアス回路は増幅回路と同じ集積回路内に形成され る。好ましい増幅器は、β整合回路と同様に共通エミッタ増幅器として接続され たダーリントン対を含んでいる。β整合回路のエミッタ電流はバンドギャップ基 準電源により供給され、β整合回路のダーリントン対のトランジスタのエミッタ 電流密度は増幅回路のダーリントン対のトランジスタのエミッタ電流密度と等し く設定される。したがって増幅回路とβ整合回路の対応するトランジスタのβは 互いに確実に等しくされる。好ましい実施形態では、この電流密度の均等性は、 β整合回路のエミッタ電流を増幅回路のダーリントン対のトランジスタのエミッ タ電流の一定の倍数であるＮに設定し、β整合回路のエミッタ面積を増幅回路の ダーリントン対のトランジスタのエミッタ面積のＮ分の１に設定することにより 得ることができる。 好ましい増幅器はまた増幅回路のダーリントンの入力と電源端子との間に接続 されたオフセット回路を含んでおり、このオフセット回路はダーリントン対のト ランジスタのベース・エミッタ電圧を追跡してそれに整合した等しい順方向電圧 降下を生じるように接続された直列接続されたダイオードを具備している 本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、添付図面と共に以下の詳細 な説明を参照することによって当業者には明白であろう。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、従来の共通エミッタダーリントン増幅器の概略図である。 図２は、新しい温度補償増幅器の好ましい実施形態の概略図である。 ［実施例］ 新しい温度補償増幅器は、従来の増幅器との比較において、増幅器のヘッドル ームの要求を著しく減少するバイアス方式を取入れている。その出力トランジス タのコレクタ・エミッタ間に使用可能な供給電圧の大部分を与えることによって 、新しい増幅器は歪みの低い動作を行い、同時に比較的低い電源電圧における動 作を許容する。 図２の概略図は、新しい増幅器9 の好ましいダーリントン対の構成を示してい る。バイポーラＮＰＮトランジスタＱ３およびＱ４はダーリントン構成で接続さ れ、縮退抵抗Ｒ_e3およびＲ_e4は、Ｑ３およびＱ４のエミッタと負の電圧供給端子 Ｖ- と間に接続されている。ダーリントン対のコレクタは、新しい増幅器の出力 端子ＯＵＴに接続され、トランジスタＱ３のベースは入力端子ＩＮに接続されて いる。補償抵抗Ｒ_comp2および補償キャパシタＣ_comp2は入力端子ＩＮと出力端子 ＯＵＴとの間で直列に接続され、それによって周波数補償を行い、通常の方法で 増幅器の安定性を確実にする。 ダイオードＤ₁およびＤ₂と抵抗Ｒ_b2は、入力端子ＩＮと負の電圧供給端子Ｖ- と間で直列に接続されている。ダイオードＤ₁およびＤ₂は、それらの順方向電圧 降下がトランジスタＱ３およびＱ４のベース・エミッタ電圧とそれぞれほぼ等し くなるように選択される。これは、コレクタとベースを接続し、また、それらの ベースエミッタ領域がダーリントントランジスタＱ３およびＱ４のベース−エミ ッタ面積の何分の１かであるバイポーラトランジスタを通常の方法でダイオード を構成し、適切な電流をそれらに流すことによって達成される。例えば、Ｑ３お よびＱ４のベース−エミッタ面積が所定の面積Ａと等しく、トランジスタがそれ ぞれ１０ｍＡおよび１００ｍＡのエミッタ電流にバイアスされ、１ｍＡの電流が ダイオードＤ₁およびＤ₂を通るようにされた場合、ダイオードを横切る全電圧降 下は、一方のダイオードが０．１Ａのベース−エミッタ領域を有し、他方のダイ オードが０．０１Ａの領域を有している場合にはトランジスタＱ３およびＱ４の ベース−エミッタ降下の合計と等しい。同様に、抵抗Ｒ_b2の値は、増幅器 が中性バイアス点で動作している場合にその抵抗Ｒ_b2を横切る電圧が縮退抵抗Ｒ_e4 を横切る電圧と等しくなるように選択される。ピーキングインダクタＬ₂は正 の電源端子Ｖ+ と出力端子との間に接続され、それによって出力ダイナミックレ ンジを増加する。電流Ｉ₃およびＩ₄は抵抗Ｒ_e3およびＲ_e4をそれぞれ通り、電流 Ｉ₅は抵抗Ｒ_b2を通る。 第１の電流ミラー12と第２の電流ミラー14、およびβ整合回路16とを含んでい る温度補償バイアス電流回路10は、温度補償されたバイアス電流Ｉ_biasを供給す るように新しい増幅器9 に接続されている。プログラミング電流Ｉ_progはミラー 12によって受容され、直接反射されるか、あるいはプログラミング電流の倍数と して反射されてＩ_biasを生成する。図示された好ましい実施形態において、電流 ミラー12はＩ_progの値のＮ倍の値を有するＩ_biasを反射する。直接１対１で反射 するのではなく、１より大きい値Ｎを使用することによって、バイアス電流回路 10によって消費される電力が減少される。 プログラミング電流Ｉ_progはβ整合回路16によって発展され、それによってダ ーリントン対のトランジスタＱ３およびＱ４のβが温度によって変化したとき、 プログラミング電流Ｉ_progも同じように変化させ、それによって増幅器9 に対す る安定したバイアス点を維持するための温度補償されたバイアス電流Ｉ_biasが生 成される。温度捕償された基準電流Ｉ_refは電流ミラー14に与えられ、それはＮ ＰＮトランジスタＱ５およびＱ６で構成されたダーリントン接続された対のエミ ッタへ、および入力トランジスタＱ５のベースと負の電源電圧端子との間に流れ る電流Ｉ₆中に簡単に説明される割合でＩ_refを反射する。電流Ｉ₆は、抵抗Ｒ_b2 を通る所望された電流Ｉ₅の１／Ｎ倍と等しく設定される。同様に、電流ミラー1 4によって反射されたエミッタ電流Ｉ₇およびＩ₈は、トランジスタＱ５およびＱ ６それぞれのエミッタを通るエミッタ電流Ｉ₃およびＩ₄の１／Ｎ倍でシンクに接 続される。すなわち、電流Ｉ₆、Ｉ₇およびＩ₈は、それぞれ基準電流Ｉ_refの一定 の倍数、（ｋ１）Ｉ_ref、（ｋ２）Ｉ_ref、（ｋ３）Ｉ_refであり、ここにおいて ｋ１、ｋ２、ｋ３は、ミラー14の設定比率によって決定された定数である。 β整合回路16のダーリントン対Ｑ５、Ｑ６は、増幅回路のダーリントン対Ｑ３ 、 Ｑ４と同じプロセスを使用して製造され、好ましい実施形態において、全てのト ランジスタは単一の集積回路において形成される。さらに、トランジスタは比率 を定められ（すなわち、それらのベース−エミッタ接合面積が所定の比率にされ ）、それによって、上述されたような電流比で動作しているとき、トランジスタ Ｑ５のエミッタの電流密度はトランジスタＱ３のものと整合し、トランジスタＱ ６のエミッタの電流密度はトランジスタＱ４のものと整合する。等しい電流密度 を使用することによって、トランジスタＱ５およびＱ６のβはトランジスタＱ３ およびＱ４のβとそれぞれ整合する。 増幅器9 に供給されたバイアス電流Ｉ_biasは、ＤＣ入力だけであると仮定する と、次の式によって表され、 Ｉ_bias＝Ｉ₅＋（Ｉ₃＋Ｉ₄／（β４＋１））／（β３＋１） （１） ここにおいて、 β３＝トランジスタＱ３の電流利得 β４＝トランジスタＱ４の電流利得 同様に、β整合回路16によって電流ミラー12に供給されたプログラミング電流 Ｉ_progは次の式によって表され、 Ｉ_prog＝Ｉ₆＋（Ｉ₇＋Ｉ₈／（β６＋１））／（β５＋１） （２） ここにおいて、 β５＝トランジスタＱ５の電流利得 β６＝トランジスタＱ６の電流利得 電流利得β５はβ３に等しく、β６はβ４に等しいため、式（２）は次のよう に書き替えられる。 Ｉ_prog＝Ｉ₆＋（Ｉ₇＋Ｉ₈／（β４＋１））／（β３＋１） ＝Ｋ１Ｉ_ref＋（Ｋ２Ｉ_ref＋Ｋ３Ｉ_ref／（β４＋１））／（β３＋１） （３） さらに、Ｉ₅／Ｉ₆＝Ｉ₃／Ｉ₇＝Ｉ₄／Ｉ₈＝Ｎであるので、 Ｉ₅＝ＮＫ１Ｉ_ref Ｉ₆＝ＮＫ２Ｉ_ref Ｉ₇＝ＮＫ３Ｉ_ref 従って、 Ｉ_bias＝ ＮＫ１Ｉ_ref＋（ＮＫ２Ｉ_ref＋ＮＫ３Ｉ_ref／（β４＋１））／（β３＋１） （４） すなわち、バイアス回路は、増幅回路における温度および電流利得の変化を許容 する増幅回路にバイアス電流を供給し、温度補償された基準電流の一定の倍数で あり、従って温度とはほとんど無関係の電流を増幅回路内で発生する。 結果的に、（温度の変化によって生じた）電源電圧の変化に対する増幅器のバ イアス電流の感度を減少するために従来の増幅器によって使用されたコレクタ抵 抗が排除されてもよい。従来の増幅器のコレクタの抵抗は数ボルトのヘッドルー ムを消費する可能性があり、コレクタ抵抗のない新しいバイアス回路によって増 幅器は低電圧の電源で動作することができ、一方でその出力トランジスタを横切 るコレクタ−エミッタ電圧を同じように維持する。さらに、新しい増幅器は単一 段のままであり、設計に不安定が導入されることはない。 例えばツェナー基準あるいはバンドギャップ基準等の任意の多数の温度補償電 流基準がＩ_refを生成するために使用されてもよい。電流基準の説明をより完全 なものにするために、Walt Kester Edによる文献“Linear Design Seminer”(An alog Devices，Norwood，MA，1991，pgs 8-2 から8-18)を参照されたい。同様に 、電流ミラー12および14は、ＮＰＮあるいはＰＮＰバイポーラトランジスタ、あ るいはＮチャンネルまたはＰチャンネル電界効果トランジスタを使用する従来の 電流ミラー設計を使用して実行されてもよい。種々の電流ミラー回路が開発され 、それらの幾つかはWai-Kai Chen氏等による文献“The Circuits and Filters H andbook”(CRC press，Boca Raton，Fla，1995，pp 1619-1628)を参照されたい 。 本発明の一実施形態が図示および説明されてきたが、当業者によって多数の変 更および修正された実施形態が行われる。そのような変更および修正された実施 形態は、添付された請求の範囲に記載された本発明の意図および技術的範囲から 逸脱せずに行われることができる。例えば、共通エミッタ増幅器は、ＰＮＰある いはＮＰＮトランジスタを使用して実行されてもよく、また、説明されたダーリ ントン対構成ではなく、単一トランジスタ構造を使用してもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒラタ、エリック・エム アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90503、トーランス、オーシャン・アベニ ュー 21917 (72)発明者 デベンドルフ、ドン・シー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92009、カールスバッド、カラコル・コー ト 2016

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．既知の温度変化を有する電流利得（β）を有する１以上のトランジスタを含 むトランジスタ回路を備えている増幅器にバイアス電流を供給するための温度補 償されたバイアス電流源において、 温度補償された基準電流源と、 前記基準電流源から入力として基準電流を受けるように構成されている第１の 電流ミラーと、 前記第１の電流ミラーによって駆動され、前記既知の温度変化に基づいた出力 プログラミング電流を供給するβ整合回路と、 前記プログラミング電流によって駆動されるように構成され、前記プログラミ ング電流のＮ倍に等しいバイアス電流を前記増幅器に供給する第２の電流ミラー とを具備していることを特徴とする温度補償されたバイアス電流源。 ２．前記β整合回路は増幅器内の各トランジスタと同じ電流利得を有するトラン ジスタを備えている請求項１記載のバイアス電流源。 ３．前記β整合回路は、増幅器のトランジスタ回路と類似するトランジスタ回路 を具備している請求項２記載のバイアス電流源。 ４．前記β整合回路はダーリントン対共通エミッタ増幅器として構成されている １対のバイポーラトランジスタを有している請求項３記載のバイアス電流源。 ５．前記共通エミッタ増幅器は前記プログラミング電流を設定するように構成さ れた入力端子を有している請求項４記載のバイアス電流源。 ６．前記β整合回路は、前記基準電流の定数Ｋ倍に等しい値を有するプログラミ ング電流を供給する請求項５記載のバイアス電流源。 ７．既知の温度変化を有する電流利得（β）を有する１以上のトランジスタを含 むトランジスタ回路を備えている温度補償された増幅器において、 電流導通端子と電流制御端子とを備え、前記電流制御端子に供給された信号を 増幅するように構成されたトランジスタを含む増幅回路と、 前記増幅回路にバイアス電流を供給するように構成された温度補償されたバイ ポーラ電流源とを具備し、前記バイポーラ電流源は、 温度補償された基準電流源と、 前記基準電流源から入力として基準電流を受けるように構成されている第１ の電流ミラーと、 前記第１の電流ミラーによって駆動され、前記既知の温度変化に基づいた出 力プログラミング電流を供給するβ整合回路と、 前記プログラミング電流によって駆動されるように構成され、前記プログラミ ング電流のＮ倍に等しいバイアス電流を前記増幅器に供給する第２の電流ミラー とを具備していることを特徴とする温度補償された増幅器。 ８．前記β整合回路は増幅器内のトランジスタと同じ電流利得を有するトランジ スタを備えている請求項７記載の増幅器。 ９．前記β整合回路は、増幅回路内のトランジスタと同じ回路構成で接続されて いるトランジスタを備えている請求項８記載の増幅器。 １０．前記β整合回路は、ダーリントン対共通エミッタ増幅器として構成されて いる１対のバイポーラトランジスタを有している請求項９記載の増幅器。 １１．前記共通エミッタ増幅器は入力端子を備え、この入力端子は前記プログラ ミング電流を設定するように接続されている請求項１０記載の増幅器。 １２．増幅回路に供給されるバイアス電流は前記温度補償された基準電流源によ って供給された基準電流とＮとＫとの積に等しい請求項１１記載の増幅器。 １３．前記増幅回路は共通エミッタダーリントン対として構成され、その入力ト ランジスタのベース端子は増幅回路の入力端子を構成している請求項１２記載の 増幅器。 １４．前記増幅回路はさらに、前記増幅回路の入力端子と負の電源端子との間に 接続されたオフセット回路を具備し、このオフセット回路はダーリントン対のト ランジスタのベース・エミッタ電圧に等しい順方向電圧降下を生じるように接続 された直列接続されたダイオードを具備している請求項１３記載の増幅器。