JP2006279745A - 可変利得低雑音増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部制御回路から漏洩するノイズを抑制し、回路全体における雑音特性の劣化を防止する。
【解決手段】入力側コンデンサ１１と出力側コンデンサ１２との間に、増幅回路１０と並列に信号バイパス回路１３を接続する。前記信号バイパス回路１３を、ドレインを入力側コンデンサ１１と増幅回路１０の入力端子との間に接続し、ソースを直流遮断用のバイパスコンデンサ１６を介して増幅器１０の出力端子と直流遮断用コンデンサ１２との間に接続したＮチャネルＦＥＴからなる高周波スイッチ１７によって構成する。前記高周波スイッチ１７は、ゲートを直列の抵抗素子１９を介して外部制御回路２０に接続し、かつ容量素子１８を介して接地する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変利得低雑音増幅器に係り、特に高周波可変利得低雑音増幅器に関するものである。

携帯電話に代表される無線システムの受信機において、アンテナで受信した信号は初段増幅回路によって増幅される。この初段増幅回路は、微弱信号を受信するときには低雑音かつ高利得の特性を有し、大信号を受信するときには低歪みかつ低利得の特性を有することが必要とされる。特に近年の移動体通信では、基地局と移動局との間の距離に応じて、受信電界の特性が大きく変化する。このため受信系には、従来よりも広いダイナミックレンジが必要とされている。また、受信フロントエンド部の増幅回路には、従来よりも厳しい低雑音性が要求されている。

このような利得可変機能を有する低雑音増幅器の一例として、特許文献１に記載されている可変利得増幅器がある。

図６は特許文献１に開示された高周波可変利得増幅器の構成図であって、図６では複数段の増幅回路のうちの１段分の増幅回路を示している。

図６に示すように、高周波可変利得増幅器は、増幅素子５０と、該増幅素子５０の信号バイパス回路の開閉を行う電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる高周波スイッチ素子５６とにより構成されている。

増幅素子５０と入力ノードＰ５および出力ノードＰ６との間には、直流遮断用のコンデンサ５７および５８がそれぞれ直列に接続されている。

増幅素子５０は、エミッタ接地接続のバイポーラトランジスタからなり、そのベースには、入力整合回路５１を介して入力ノードＰ５からの高周波信号が供給されると共に、抵抗器５２を通して所定のベースバイアス電圧Ｖｂｂが供給される。増幅素子５０のコレクタは、出力整合回路５３を介して出力ノードＰ６に増幅信号を出力すると共に、インダクタ素子５９と容量素子６０からなるドレインバイアス供給回路を介して切換スイッチ回路６１に接続される。

切換スイッチ回路６１は、電源電圧Ｖｃｃの供給線と接続される第１の入力ノードａと、接地される第２の入力ノードｂとを有しており、これらノードａ，ｂの切り換えは、送信電力制御情報または受信信号の信号レベルに応じて動作する外部制御回路２０によって行われる。

高周波スイッチ素子５６には、ディプレション型のＦＥＴが用いられており、そのドレインは直流遮断用のコンデンサ５４を介して入力ノードＰ５に接続され、そのソースは増幅素子５０のコレクタに接続され、そのゲートは抵抗器５５を介してグランドに接続される。

このように構成された従来の高周波可変利得増幅器は、外部制御回路２０からの制御により、切換スイッチ回路６１が第１の入力ノードａと接続されている間は、該切換スイッチ回路６１を通して増幅素子５０に電源電圧Ｖｃｃが供給されて、該増幅素子５０が動作状態となる。このとき、切換スイッチ回路６１を通して印加される電源電圧Ｖｃｃが、制御信号として高周波スイッチ素子５６に供給されて該高周波スイッチ素子５６のゲートソース間電圧が小さくなり、該高周波スイッチ素子５６がオフ状態となるため、信号バイパス回路の接続が開放状態となる。

前記開放状態では、出力ノードＰ６における出力高周波信号の信号レベルが、増幅素子５０の利得分だけ、入力ノードＰ５における入力高周波信号の信号レベルよりも高い高利得動作モードとなる。逆に、切換スイッチ回路６１が第２の入力ノードｂに切り換えられた場合には、増幅素子５０に電源電圧Ｖｃｃの供給が断たれるため該増幅素子５０の動作が停止すると共に、切換スイッチ回路６１を通して接地電位が制御信号として供給されるため、高周波スイッチ素子５６がオン状態となり、信号バイパス回路が接続状態となる。

前記接続状態では、出力ノードＰ６における出力高周波信号の信号レベルが、高周波スイッチ素子５６の挿入による損失と入力ノードＰ５におけるインピーダンスの不整合による損失との和の損失分だけ入力ノードＰ５における入力高周波信号の信号レベルよりも低い、低利得動作モードとなる。

したがって、入力ノードＰ５に入力される高周波信号の信号レベルが所定のレベルよりも低い場合には高利得動作モードに切り換え、入力ノードＰ５に入力される高周波信号の信号レベルが所定のレベルよりも高い場合には低利得動作モードに切り換えることにより、ダイナミックレンジが大きい高周波信号に対応できる高周波増幅器を実現することができる。
特開平１０−１７３４５３号公報

しかしながら、前記構成からなる従来の可変利得低雑音増幅器は、図６に示すように利得切り換え用手段と外部制御回路とが直接接続されている。そのため、外部制御回路で発生するノイズが直接増幅器に漏洩するという問題がある。

本発明は、前記従来の問題を解決し、外部制御回路から漏洩するノイズを抑制し、回路全体の雑音特性を劣化させないようにした可変利得低雑音増幅器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明に係る可変利得低雑音増幅器は、増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部制御回路間を接続する配線とを備え、前記配線を、抵抗素子と直列に接続し、かつ容量素子を介して接地して構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る可変利得低雑音増幅器は、増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部接続回路間を接続するストリップ線路とを備え、前記ストリップ線路を容量素子を介して接地したことを特徴とする。

また、本発明に係る可変利得低雑音増幅器は、増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部接続回路間に直列に接続されたインダクタ素子とを備え、前記インダクタ素子を容量素子を介して接地したことを特徴とする。

本発明に係る可変利得低雑音増幅器によれば、外部制御回路から漏洩するノイズを抑制し、回路全体における雑音特性の劣化を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態１の高周波可変利得増低雑音増幅器の回路構成図であって、実施形態１に係る高周波可変利得低雑音増幅器は、直流遮断用の入力側コンデンサ１１を介して入力端子Ｐ１と接続され、かつ直流遮断用の出力側コンデンサ１２を介して出力端子Ｐ２と接続された増幅回路１０と、入力側コンデンサ１１と出力側コンデンサ１２との間に増幅回路１０と並列に接続された信号バイパス回路１３と、一端が約３Ｖの電源電圧Ｖｃｃを供給する電源端子に接続され、他端が増幅器１０の出力端子と出力コンデンサ１２との間に接続されたインダクタ素子１４とを有している。また前記電源端子には接地されたバイパスコンデンサ１５が接続されている。

前記信号バイパス回路１３は、ドレインが入力側コンデンサ１１と増幅回路１０の入力端子との間に接続され、ソースが直流遮断用のバイパスコンデンサ１６を介して増幅器１０の出力端子と出力用コンデンサ１２との間に接続されたＮチャネルＦＥＴからなる第１の高周波スイッチ（ＤＣスイッチ）１７により構成されている。この高周波スイッチ１７は、ゲートが直列の抵抗素子１９を介して外部制御回路２０に接続され、容量素子１８を介して接地されている。

図２は実施形態１における増幅回路１０の回路構成図である。

図２に示すように、エミッタが接地され、ベースが前記入力側コンデンサ１１からの入力信号を受ける入力端子Ｐ３に接続され、コレクタが前記出力コンデンサ１２に出力信号を送る出力端子Ｐ４に接続され、高周波可変利得増幅器に入力される高周波信号増幅用の第１のバイポーラトランジスタ２１を有する。

第１のバイポーラトランジスタ２１のベースは、互いに直列に接続された第１の抵抗器２２Ａおよび第２の抵抗器２２Ｂを介して、第２のバイポーラトランジスタ２３のベースに接続されている。

第２のバイポーラトランジスタ２３のエミッタは接地されており、そのコレクタとエミッタの間には、バイパスコンデンサ２４が接続されている。また、第２のバイポーラトランジスタ２３のコレクタは、第３のバイポーラトランジスタ２５のベースに接続されていると共に、互いに直列に接続された第３の抵抗器２６、および、例えばＰチャネルＦＥＴからなる第２の高周波スイッチ（ＤＣスイッチ）２７を介して電源端子Ｐ６に接続されている。

第３のバイポーラトランジスタ２５のコレクタは電源端子Ｐ６に接続され、そのエミッタは第１の抵抗器２２Ａおよび第２の抵抗器２２Ｂの共通接続部に接続され、ベースは第２のバイポーラトランジスタ２３のコレクタに接続されている。

以下、前記のように構成された実施形態１の高周波可変利得低雑音増幅器の動作について、図１および図２を参照にしながら説明する。

まず、入力される高周波信号の受信レベルが所定の値よりも低い場合には、高利得動作モードとなる。すなわち、図１に示す外部利得制御回路の電圧値がほぼ０Ｖになる。さらに、図２に示す増幅回路１０において、第２のＤＣスイッチ２７がオフ状態になるため、第１のバイポーラトランジスタ２１のベースバイアス電圧は約０.７Ｖになる。したがって、増幅回路１０はオン状態になり、一方、第１のＤＣスイッチ１７はゲートとバックゲートとの電圧がほぼ０Ｖとなってオフ状態となる。

次に、入力される高周波信号の受信レベルが所定の値よりも高い場合には、例えば増幅回路１０が飽和状態となることを抑えるために、低利得動作モードとなる。すなわち、図１に示す外部制御回路の電圧値が電源電圧Ｖｃｃとなる。さらに図２に示す増幅回路１０において、第１のＤＣスイッチ１７がオン状態で且つ第２のＤＣスイッチ２７がオフ状態となるため、第１のバイポーラトランジスタ２１のベースバイアス電圧はほぼ０Ｖとなる。したがって、増幅回路１０はオフ状態になり、一方、第１のＤＣスイッチ１７は、そのゲートとバックゲートとの間の電圧が約Ｖｃｃとなってオン状態となる。

前記のように外部制御回路２０とＤＣスイッチ１７，２７間に抵抗素子１９，２９を直列に接続し、容量素子１８，２８を介して接地することにより、外部制御回路２０から漏洩するノイズがカットされ、高周波信号線への漏洩を低減させることができる。その結果、外部制御回路２０と接続されたＤＣスイッチ１７，２７による回路全体の雑音抵抗の劣化を低減することができる。

図３は実施形態１に係る高周波可変利得増幅器に用いられる増幅回路の変形例の回路構成図である。図３において、図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

本変形例に係る増幅回路は、入力される高周波信号の増幅素子が、カスコード接続されていることを特徴とする。すなわち、エミッタが接地された第１のバイポーラトランジスタ２１と、エミッタが第１のバイポーラトランジスタ２１のコレクタと接続され、ベースが高周波的に接地され、コレクタが出力端子Ｐ４と接続された第４のバイポーラトランジスタ３０が接続されている。

第４のバイポーラトランジスタ３０のベースは、第５のバイポーラトランジスタ３１のエミッタと接続され、かつ第２のバイパスコンデンサ３２を介して接地されている。

第５のバイポーラトランジスタ３１は、コレクタが電源端子ｉ接続され、ベースが互いに直列に接続された第４の抵抗器３３および第５の抵抗器３４の間に接続されている。

第４の抵抗器３３で第５の抵抗器３４との共通接続部の反対側の端子は第３のＤＣスイッチ３５を介して電源端子に接続されている。

第５の抵抗器３４における第４の抵抗器３３との共通接続部との反対側の端子は、第６のバイポーラトランジスタ３７のコレクタと接続されている。

第６のバイポーラトランジスタ３７は、コレクタとベースが互いに接続され、かつ該ベースが第７のバイポーラトランジスタ３８のベースと接続されエミッタが第６の抵抗器３６を介して接地されている。

また、第６のバイポーラトランジスタ３７のコレクタは、互いに並列に接続された第３のバイパスコンデンサ４０により接地されている。また図中の４１は容量素子、４２は抵抗素子である。

以下、前記のように構成された図３に示す増幅回路の動作について説明する。

図１に示す外部制御回路の制御信号の電位がほぼ０Ｖとなり、図３に示す増幅回路において、第２のＤＣスイッチ２７および第３のＤＣスイッチ３５がオン状態となる。

第４のバイポーラトランジスタ３０のベースバイアス電圧Ｖｂは、第４の抵抗器３３，第５の抵抗器３４，第６の抵抗器３６の各抵抗値を、それぞれＲ４，Ｒ５，Ｒ６とすると、以下の式（１）で与えられる。
Ｖｂ＝（Ｖｃｃ―０.７）（Ｒ５＋Ｒ６）／（Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６）・・・（１）
これにより、実施形態１と同様に、図１に示す増幅回路１０はオン状態となり、信号バイパス回路１３の第１のＤＣスイッチ１７はオフ状態となる。

次に、低利得動作モードでは、図１に示す外部制御回路の制御端子の電圧値がＶｃｃとなる。さらに、図３に示す増幅回路において、第２のＤＣスイッチ２７および第３のＤＣスイッチ３５がオフ状態となる。このため、第４のバイポーラトランジスタ３０のベースバイアス電圧Ｖｂは、ほぼ０Ｖとなる。

また、実施形態１と同様に、ＤＣスイッチ２７が閉じたことにより第１のバイポーラトランジスタ２１のベース電圧がほぼ０Ｖとなるため、増幅回路はオフ状態となる。一方、高周波スイッチ素子１７は、そのゲートとバックゲートとの間の電圧が約Ｖｃｃとなってオン状態となる。

前述した実施の形態１においては、低利得動作モードの場合にも、第１のバイポーラトランジスタ２１のコレクタに対して、図１に示す電源端子から電源電圧Ｖｃｃが供給されている。このため、入力端子Ｐ１に電界信号が入力された場合に、第１のバイポーラトランジスタ２１のベースからエミッタにＤＣ電流が流れると、該第１のバイポーラトランジスタ２１のコレクタからエミッタにも電流が流れてしまう。その結果、第１のバイポーラトランジスタ２１により歪んだ信号が出力端子Ｐ２に出力されてしまう。

しかしながら、前記変形例に係る増幅回路は、第１のバイポーラトランジスタ２１および第４のバイポーラトランジスタ３０とからなるカスコードアンプ構成とし、さらに低利得動作モード時に、第４のバイポーラトランジスタ３０のベースバイアス電圧Ｖｂをほぼ０Ｖとすることにより、入力端子Ｐ１に強電界信号が入力された場合における第１のバイポーラトランジスタ２１および第４のバイポーラトランジスタ３０に流れる電流を低減し、出力端子Ｐ２に出力される歪み信号の出力レベルを低減することができる。

図４は本発明の実施形態２である高周波可変利得低雑音増幅器の回路構成図であって、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図４に示すように、実施形態２の高周波可変利得低雑音増幅器は、信号バイパス回路１３におけるＤＣスイッチ１７のゲートと、外部制御回路２０とがストリップ線路４３を介して直列に接続され、容量素子１８を介して接地されていることを特徴とする。なお、増幅回路１０には、図２に示す増幅回路または図３に示す増幅回路を用いる。

実施形態２のように、外部制御回路２０とＤＣスイッチ１７間にストリップ線路４３を直列に接続し、かつ容量素子１８を介して接地することにより、外部制御回路２０から漏洩するノイズがカットされ、高周波信号線への漏洩を低減することができる。その結果、外部制御回路２０と接続された高周波スイッチ１７による回路全体の雑音抵抗の劣化を低減することができる。

また、ストリップ線路４３に代えてコプレーナ線路を用いてもよい。

図５は本発明の実施形態３である高周波可変利得低雑音増幅器の回路構成図であって、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図５に示すように、実施形態３の高周波可変利得増幅器は、図１の信号バイパス回路１３におけるＤＣスイッチ１７のゲートと外部制御回路２０とがインダクタ素子４４を介して直列に接続され、容量素子１８を介して接地されている。なお、増幅回路１０には、図２に示す増幅回路または図３に示す増幅回路を用いる。

前記のように外部制御回路２０と高周波スイッチ１７間にインダクタ素子４４を直列に接続し、容量素子１８を介して接地することにより、外部制御回路２０から漏洩するノイズがカットされ、高周波信号線への漏洩を低減することができる。その結果、外部制御回路２０と接続された高周波スイッチ１７による回路全体の雑音抵抗の劣化を低減することができる。なお、増幅回路１０には、図２に示す増幅回路または図３に示す増幅回路を用いる。

本発明は、携帯電話などの無線回路などに用いられる高周波可変利得低雑音増幅器に適用され、特に外部ロジック回路信号による利得切り換え機能を備えた可変利得低雑音増幅器に有効である。

本発明の実施形態１の高周波可変利得増低雑音増幅器の回路構成図 実施形態１における増幅回路の回路構成図 実施形態１に用いられる増幅回路の変形例の回路構成図 本発明の実施形態２の高周波可変利得低雑音増幅器の回路構成図 本発明の実施形態３の高周波可変利得低雑音増幅器の回路構成図 従来の高周波可変利得増幅器の回路構成図

符号の説明

１０ 増幅回路
１１ 入力側コンデンサ
１２ 出力側コンデンサ
１３ 信号バイパス回路
１４ インダクタ素子
１５ バイパスコンデンサ
１６ 直流遮断用コンデンサ
１７ 高周波スイッチ
１８ 容量素子
１９ 抵抗素子
２０ 外部制御回路
２１ 第１のバイポーラトランジスタ
２２Ａ 第１の抵抗器
２２Ｂ 第２の抵抗器
２３ 第２のバイポーラトランジスタ
２４ バイパスコンデンサ
２５ 第３のバイポーラトランジスタ
２６ 第３の抵抗素子
２７ 高周波スイッチ
２８ 容量素子
２９ 抵抗素子
３０ 第４のバイポーラトランジスタ
３１ 第５のバイポーラトランジスタ
３２ 第２のバイパスコンデンサ
３３ 第４の抵抗器
３４ 第５の抵抗器
３５ 高周波スイッチ
３６ 第６の抵抗器
３７ 第６のバイポーラトランジスタ
３８ 第７のバイポーラトランジスタ
３９ 第７の抵抗素子
４０ 第３のバイパスコンデンサ
４１ 容量素子
４２ 抵抗素子
４３ ストリップ線路
４４ インダクタ素子

Claims (6)

1. 増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部制御回路間を接続する配線とを備え、前記配線を、抵抗素子と直列に接続し、かつ容量素子を介して接地して構成したことを特徴とする可変利得低雑音増幅器。
2. 増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部接続回路間を接続するストリップ線路とを備え、前記ストリップ線路を容量素子を介して接地したことを特徴とする可変利得低雑音増幅器。
3. 増幅回路と、前記増幅回路と並列に接続されたスイッチと、前記スイッチの制御端子と外部接続回路間に直列に接続されたインダクタ素子とを備え、前記インダクタ素子を容量素子を介して接地したことを特徴とする可変利得低雑音増幅器。
4. 前記増幅回路はバイポーラトランジスタを有し、前記バイポーラトランジスタのベースに前記増幅回路の入力信号が入力され、前記バイポーラトランジスタのコレクタから前記増幅回路の出力信号が出力されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の可変利得低雑音増幅器。
5. 前記増幅回路は、第１のバイポーラトランジスタと、エミッタが第１のバイポーラトランジスタのコレクタと接続された第２のバイポーラトランジスタとを有し、前記第１のバイポーラトランジスタのベースに前記増幅回路の入力信号が入力され、前記第２のバイポーラトランジスタのコレクタから前記増幅回路の出力信号が出力されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の可変利得低雑音増幅器。
6. 前記ストリップ線路をコプレーナ構造としたことを特徴とする請求項２記載の可変利得低雑音増幅器。

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