JPWO2007105282A1 - ゲイン可変増幅器 - Google Patents

Abstract

入力インピーダンスを変化させることなく、増幅器、例えば差動増幅器のゲインを制御可能にすることを目的とし、並列に接続された複数の差動増幅器と、各差動増幅器に対応し、正相差動信号と逆相差動信号との切替を行う複数の信号切替手段とを備え、各信号切替手段の２つの出力が、各差動増幅器の正相入力端子と逆相入力端子に接続され、入力信号として正相差動信号、または逆相差動信号のいずれかを与える。

Description

本発明は増幅器のゲイン制御方式に係り、さらに詳しくは差動増幅器のゲイン制御方式に関する。

従来、増幅器の増幅率、すなわちゲインを制御する方法としては、大きく分けて入力電力制御と増幅器自体のゲイン制御の２つの方法があった。図１は、このようなゲイン制御方法の従来例の説明図である。まず第１の方法の入力電力制御においては、増幅器の入力側に、例えばアッテネータなどを備え、増幅器への入力電力そのものを制御する方法がとられていた。

第２の方法としての増幅器自体のゲイン制御では、ゲートのバイアス電圧を制御する方法と、トランジスタサイズ、例えば並列トランジスタの数によって実質的なゲート幅を制御する方法があった。

図２は、このようなトランジスタサイズ制御によるゲイン制御方法の従来例の説明図である。同図においては基本的に４つのトランジスタ１０、１１、１２、および１３によって構成されるカスコード型差動増幅器が４個並列に並べられる形式となっている。そして正相差動入力信号ＩＮが与えられる入力端子７から、コンデンサ１９を介してゲートに正相差動入力信号が与えられる４つのトランジスタ１０_ａから１０_ｄ、正相差動増幅信号出力端子１５に接続された４つのトランジスタ１２_ａから１２_ｄにそれぞれ対応して４つのスイッチ１４_ａから１４_ｄが備えられている。

一方、逆相差動信号ＩＮＸの入力端子８からコンデンサ２０を介して、４つのトランジスタ１３_ａから１３_ｄに接続された４つのトランジスタ１１_ａから１１_ｄのゲートに逆相差動入力信号が与えられ、逆相差動増幅信号は出力端子１６から出力される。電源電圧ＶＤＤは、それぞれ負荷１７、１８を介して各出力端子１５、１６に接続されている。なお、コンデンサ１９、２０は差動増幅器を高周波入力に対して動作させるためのものであり、低周波動作も行わせる場合には不要である。

スイッチ１４_ａから１４_ｄは、それぞれ４つのトランジスタ１２_ａから１２_ｄ、およびトランジスタ１３_ａから１３_ｄのゲート端子をゲート電圧ＶＧ、またはグランドＧＮＤのいずれかに接続するものである。図２においては、４つのスイッチ１４_ａから１４_ｄのすべてが、トランジスタ１２_ａから１２_ｄ、およびトランジスタ１３_ａから１３_ｄのゲート端子にゲート電圧ＶＧを接続する形式となっている。

図３は、図２の従来例における増幅器のゲイン制御方法の説明図である。同図においては、４つのスイッチのうち１４_ａと１４_ｂとが図２と比較して、反対側に切り替えられている。これによってトランジスタ１２_ａ、１２_ｂ、１３_ａ、１３_ｂはすべてオフとなり、その結果並列に並べられた４個の差動増幅器のうち、内側の２つの差動増幅器だけが動作する状態となり、結果的に増幅器全体としてのトランジスタのゲート幅が変化し、ゲインが制御されることになる。

しかしながらこのような実質的にトランジスタサイズの制御によるゲイン制御では、増幅器全体としての入力インピーダンスが変化してしまい、前段の回路とのインピーダンスのマッチングが損なわれ、増幅器の線形性が劣化するという問題点があった。

このような増幅器のゲイン制御に関する従来技術としての特許文献１においては、閾値電圧が異なる複数のＦＥＴを並列に接続し、外部から供給するゲートバイアス電圧を変化させ、動作するＦＥＴの数を制御することによって、効率の高い増幅器を提供する技術が開示されているが、このような従来技術を用いても増幅器の入力インピーダンスが変化するという問題点を解決することはできなかった。
特許第３２３５５８０号公報 「高効率増幅器」

本発明の目的は、入力インピーダンスを変化させることなく、増幅器、例えば差動増幅器のゲインを制御可能にすることである。
本発明のゲイン可変増幅器は、並列に接続された複数の差動増幅器と、その複数の差動増幅器にそれぞれ対応し、増幅器全体としてのゲインを変化させるために正相信号と逆相信号との切替を行う複数の信号切替手段とを備え、その複数の信号切替手段のそれぞれ２つの出力が、複数の各差動増幅器の入力端子、例えば正相差動入力信号の入力端子と逆相差動入力信号の入力端子に接続され、差動増幅器への入力信号として正相差動信号、または逆相差動信号のいずれかを与えるものである。

また本発明のゲイン可変増幅器は、同様に複数の差動増幅器と複数の信号切替手段とを備え、複数の信号切替手段のそれぞれの４つの出力の２つずつが、ゲイン可変増幅器の正相差動信号出力端子と逆相差動信号出力端子とにそれぞれ接続され、その２つの出力端子のそれぞれに、信号切替手段への入力としての差動増幅器による増幅正相差動信号、または増幅逆相差動信号のいずれかを与えるものである。

以上のように本発明によれば、例えば並列に並べられた複数のカスコード型差動増幅器の入力端子に対して正相差動信号と逆相差動信号とのどちらかを切り替えて入力可能にすることによって、並列に接続されている差動増幅器に対する入力信号の位相がすべて同じであればゲインを最大に、逆相の信号を混合させればゲインが減衰するように制御することが可能となる。

増幅器のゲイン制御方式の従来例の説明図である。 トランジスタサイズの制御によるゲイン制御の従来例の回路図である。 図２の従来例におけるゲイン制御方法の説明図である。 第一の実施例のゲイン可変増幅器の原理構成ブロック図である。 第二の実施例のゲイン可変増幅器の原理構成ブロック図である。 本発明におけるゲイン制御方式の説明図である。 ゲイン可変増幅器の第１の実施例の回路図である。 図６の回路におけるゲイン制御方法の説明図である。 第１の実施例においてゲイン固定の増幅器を含む場合の回路図である。 本発明のゲイン可変増幅器と単相−差動信号変換回路との組み合わせ例（その１）の説明図である。 本発明のゲイン可変増幅器と単相−差動信号変換回路との組み合わせ例（その２）の説明図である。 ゲイン可変増幅器の第２の実施例の回路図である。

図４は、本発明のゲイン可変増幅器の原理構成ブロック図である。同図Ａは後述する第１の実施例、Ｂは第２の実施例に対応する。Ａでは、並列に接続された複数の差動増幅器２２_ａ、２２_ｂ・・・と、増幅器への正相差動入力信号、および逆相差動入力信号との間に切替手段２３_ａ、２３_ｂ・・・が備えられる。例えば差動増幅器２２_ａの正相入力端子に正相差動入力信号が、また逆相入力端子に逆相差動入力信号が与えられれば差動増幅器２２_ａは正常に動作する。

逆に差動増幅器２２_ａの正相入力端子に逆相差動入力信号が、また逆相入力端子に正相差動入力信号が与えられ、他のすべての差動増幅器２２_ｂ・・・に対してはその正相入力端子に正相差動入力信号が与えられ、逆相入力端子に逆相差動入力信号が与えられれば、すべての差動増幅器２２_ａ、２２_ｂ・・・の正相入力端子に正相差動入力信号、逆相入力端子に逆相差動入力信号が与えられる場合に比べて、増幅器全体としてのゲインは小さくなる。

図４Ｂでは、切替手段２４_ａ、２４_ｂ・・・が、対応する差動増幅器２２_ａ、２２_ｂ・・・の出力側に備えられる。各切替手段、例えば２４_ａは２つの１入力、２出力のスイッチによって構成され、例えば差動増幅器２２_ａの正相差動増幅信号、および逆相差動増幅信号のそれぞれの入力に対して、各信号を増幅器全体の正相出力端子、あるいは逆相出力端子のいずれかに接続することが可能となっている。したがって、例えば切替手段２４_ａが差動増幅器２２_ａの出力する正相差動増幅信号を逆相出力端子に接続し、また逆相差動増幅信号を正相出力端子に接続し、他のすべての切替手段２４_ｂ・・・がそれぞれ対応する差動増幅器の正相差動増幅信号を正相出力端子に、逆相差動増幅信号を逆相出力端子に接続する場合には、切替手段２４_ａも正相差動増幅信号を正相出力端子に接続し、逆相差動増幅信号を逆相出力端子に接続する場合に比べてゲインが小さくなる。

図５は、本実施形態におけるゲイン制御方式の説明図である。本実施形態では、図１の従来例で説明した入力電力制御、増幅器自体のゲイン制御の代わりに、増幅器への入力信号の位相を制御する増幅器位相制御によってゲインの制御が行われる。

図６は、本発明のゲイン可変増幅器の第１の実施例の回路図である。同図を図２の従来例と比較すると、並列に接続されたカスコード型差動増幅器において、入力信号がゲートに与えられるトランジスタ１０_ａから１０_ｄと、１１_ａから１１_ｄと、入力端子７、８との間に、それぞれ４つのスイッチ２７_ａから２７_ｄ、２８_ａから２８_ｄが備えられている点が基本的に異なっている。

そして入力端子７に与えられる正相差動入力信号と、入力端子８に与えられる逆相差動入力信号は、それぞれスイッチ２７_ａから２７_ｄ、２８_ａから２８_ｄのそれぞれの一方の端子に与えられる。スイッチ２７_ａから２７_ｄの出力は、それぞれコンデンサ１９_ａから１９_ｄを介してトランジスタ１０_ａから１０_ｄのゲートに与えられ、スイッチ２８_ａから２８_ｄの出力はコンデンサ２０_ａから２０_ｄを介してトランジスタ１１_ａから１１_ｄのゲートに与えられる。なお本発明の特許請求の範囲の請求項２における信号切替手段は、例えばスイッチ２７_ａとスイッチ２８_ａとの組合せに相当する。

図７は、図６の第１の実施例におけるゲイン制御方法の説明図である。同図においては、４つのスイッチ２７_ａから２７_ｄのうちで２７_ｃだけが、また２８_ａから２８_ｄのうちで２８_ｃだけが他のそれぞれ３つのスイッチと逆方向に切り替えられ、その結果、トランジスタ１０_ｃ、１１_ｃ、１２_ｃ、および１３_ｃによって構成される差動増幅器だけに対して、他の差動増幅器とまったく逆相の入力が与えられることになる。これによって、例えばスイッチ２７_ａから２７_ｄのすべてが正相差動入力信号を出力し、またスイッチ２８_ａから２８_ｄまでのすべてが逆相差動入力信号を出力する場合に比べて、増幅器全体としてのゲインは小さくなる。

このように第１の実施例では、並列に接続されたカスコード型差動増幅器への入力信号のうち、一部の差動増幅器への入力信号の位相を逆転させることによって、全体として正相差動入力信号と、逆相差動入力信号との混合が行われ、増幅器全体としてのゲインが制御される。図２の従来例と比較して動作しない差動増幅器は存在しないために、増幅器全体としての入力インピーダンスの変化はなく、前段回路とのインピーダンスとのマッチングを保つことができ、さらに広範囲のゲイン制御範囲において増幅器としての線形性を保つことが可能となる。

この第１の実施例において、並列に接続された各差動増幅器を構成するトランジスタのゲート幅を、例えば４、８、１６、３２μｍと変化させ、またそのゲート長は０．２４μｍ一定とすれば、２^４、すなわち１６段階の出力が得られるが、例えば並列の４つのトランジスタのすべてに正相差動信号、あるいは逆相差動信号が入力された場合のゲインの絶対値は同じであるため、ゲインの制御は８段階となる。またスイッチ自体の動作は、図６ではまったく自由となっているが、例えば図７でスイッチ２７_ｃと２８_ｃとがともに逆相差動入力信号をそれぞれトランジスタ１０_ｃと１１_ｃとのゲートに与える場合には増幅器全体のバランスが崩れるために、対応する２つのスイッチ、例えば２７_ｃと２８_ｃとは連動して切替が行われるものとする。

図８は、第１の実施例において４つの差動増幅器のうちの１つのゲインが一定である場合のゲイン可変増幅器の構成例である。同図においては、図６で外側の両方のスイッチ２７_ａと２８_ａとが取り除かれ、トランジスタ１０_ａ、１１_ａ、１２_ａ、および１３_ａによって構成される差動増幅器のゲインは固定され、増幅器全体のゲインはそれぞれ３つの残りのスイッチ２７_ｂから２７_ｄ、２８_ｂから２８_ｄの切替によって制御される。

本実施形態においては、ゲイン可変の差動増幅器と単相−差動信号変換回路とを組み合わせることによって入力単相信号に対するゲイン可変増幅器、および出力単相信号に対するゲイン可変増幅器を構成することができる。図９は、その基本構成ブロック図である。同図Ａにおいては、ゲイン可変差動増幅器３０の前段に単相−差動信号変換回路３１が接続され、単相信号の入力に対してゲイン可変の増幅差動信号を出力することが可能となる。図Ｂにおいては、ゲイン可変差動増幅器３０の後段に差動−単相信号変換回路３2が接続され、入力差動信号に対してゲイン可変の単相信号を出力することが可能となる。なおここで例えば単相−差動信号変換回路の構成は公知のものであり、その詳細な説明は省略する。

図１０は、ゲイン可変増幅器の第２の実施例の回路図である。この第２の実施例においては、前述の第１の実施例と異なり、正相差動信号と逆相差動信号とを切り替えるためのスイッチが各差動増幅器の出力端側に設けられる。

すなわち４個のトランジスタ１２_ａから１２_ｄと増幅器全体の正相差動信号出力端子１５、および逆相差動信号出力端子１６との間に、それぞれスイッチ３５_ａから３５_ｄが、またトランジスタ１３_ａから１３_ｄと２つの出力端子１５、１６との間にそれぞれスイッチ３６_ａから３６_ｄが挿入されている。そして例えば最も内側の差動増幅器に対応する２つのスイッチ３５_ｄと３６_ｄとが図と逆方向に切り替えられることにより、最も内側の差動増幅器の本来の正相差動出力信号が逆相差動信号出力端子１６に、また逆相差動出力信号が正相差動信号出力端子１５に与えられることによって、図１０に示される接続状態におけるゲインよりも増幅器全体のゲインは小さくなる。なお請求項３における信号切替手段は、例えばスイッチ３５_ａとスイッチ３６_ａとの組合せに相当する。

以上の説明においては、差動増幅器としてカスコード型を例として実施例を説明したが、差動増幅器自体の構成としては、それぞれ正相差動入力と逆相差動入力とが与えられる一対のトランジスタを基本として構成されるシングル差動増幅器を用いることもできることは当然である。また以上の実施例において説明した切替スイッチについては、例えば４個のトランジスタによって構成されるＳＰＤＴ（シングル・ポール・ダブル・スロー）スイッチなど、公知の技術を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、並列に接続された複数の可変増幅器の入力側、あるいは出力側において正相差動信号と逆相差動信号との切替を行うことにより、増幅器の入力インピーダンスを変化させることなく、増幅器のゲインを制御することが可能になり、ゲイン可変増幅器の実用性向上に寄与するところが大きい。

Claims (9)

1. ゲイン可変の増幅器であって、
   並列に接続された複数の差動増幅器と、
   該複数の差動増幅器にそれぞれ対応し、ゲイン可変増幅器全体としてのゲインを変化させるために正相差動信号と逆相差動信号との切替を行う複数の信号切替手段とを備えることを特徴とするゲイン可変増幅器。
2. 前記複数の信号切替手段のそれぞれ２つの出力が、前記複数の各差動増幅器の２つの入力端子に接続され、
   各差動増幅器への入力信号として正相差動信号、または逆相差動信号のいずれかを与えることを特徴とする請求項１記載のゲイン可変増幅器。
3. 前記複数の信号切替手段のそれぞれ４つの出力のうちの２つずつが、前記ゲイン可変増幅器の正相差動信号出力端子と逆相差動信号出力端子とにそれぞれ接続され、
   該２つの出力端子のそれぞれに、該信号切替手段への入力としての、差動増幅器による正相差動増幅信号、または逆相差動増幅信号のいずれかを与えることを特徴とする請求項１記載のゲイン可変増幅器。
4. 請求項１に記載のゲイン可変増幅器の前段に、入力単相信号を差動信号に変換する単相−差動信号変換回路を備えることを特徴とするゲイン可変増幅器。
5. 請求項１に記載のゲイン可変増幅器の後段に、入力差動信号を単相信号に変換する差動−単相信号変換回路を備えることを特徴とするゲイン可変増幅器。
6. 前記複数の各差動増幅器が、正相差動入力と逆相差動入力とが与えられる一対のトランジスタで構成されるシングル増幅器であることを特徴とする請求項１記載のゲイン可変増幅器。
7. 前記複数の各差動増幅器が、カスコード型増幅器であることを特徴とする請求項１記載のゲイン可変増幅器。
8. 前記複数の差動増幅器に対して、増幅率一定の１つ以上の差動増幅器がさらに並列に接続されることを特徴とする請求項１記載のゲイン可変増幅器。
9. 前記複数の各差動増幅器を構成するトランジスタ対が、それぞれ他のトランジスタ対と異なるゲート幅を持つことを特徴とする請求項１記載のゲイン可変増幅器。

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