JP2008258789A - 低雑音増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＮＡを構成するＭＯＳトランジスタのソース側に生じる熱雑音を低減できるようにする。
【解決手段】増幅用トランジスタＭ１のソースとゲートとの間に帰還ルートを設け、当該帰還ルート上に帰還用トランジスタＭ３を接続することにより、増幅用トランジスタＭ１のソース側に生じるノイズが、帰還用トランジスタＭ３によって位相が反転した信号とされ、位相反転した状態で増幅用トランジスタＭ１のゲートに帰還されるようにして、増幅用トランジスタＭ１のソースに発生するノイズを、これと略反転した位相の信号によって打ち消すことができるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は低雑音増幅器に関し、特に、無線通信機器における受信フロントエンド部に設けられる低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）に用いて好適なものである。

一般に、ラジオ受信機や携帯電話機、テレビ受像機などの無線受信機では、そのフロントエンド部において、アンテナで受信した微弱な高周波信号を増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）が用いられる。ＬＮＡは受信系において利得を持つ最初の回路ブロックなので、ＬＮＡの雑音指数は受信機全体の雑音指数に大きく影響する。このため、受信機全体の雑音指数を小さくするために、ＬＮＡをより低雑音に設計することが望まれている。

図５は、従来のＬＮＡの構成例を示す図である。図５はＬＮＡの一例として、カスコード接続型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた構成を示している。図５において、コンデンサＣおよび抵抗Ｒは入力インピーダンス整合回路を構成する。Ｍ１，Ｍ２はカスコード接続された増幅用のＭＯＳトランジスタであり、Ｚ_Ｌは負荷抵抗である。Ｒ_ｂ，Ｒ_ｃは各トランジスタＭ１，Ｍ２のゲートに与えるバイアス電圧を発生するための抵抗である。

図５のように構成されたＬＮＡでは、入力端子Ｖinから入力された高周波信号がＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２により増幅されて、出力端子Ｖoutに現れる。ＬＮＡの利得は、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２のゲートに与えられる電圧の大きさによって決定される。なお、カスコード接続された２つのトランジスタを用いて構成したＬＮＡは、例えば特許文献１にも開示されている。
特開２００２−１４１７５８号公報

従来のＬＮＡでは、ＭＯＳトランジスタＭ１の相互コンダクタンスｇ_ｍに起因する熱雑音がＭＯＳトランジスタＭ１のソース側に生じ、この熱雑音がＭＯＳトランジスタＭ１によって増幅されてしまうので、ＬＮＡの雑音指数が悪化するという問題があった。したがって、ＬＮＡの雑音指数を小さくするためには、ＭＯＳトランジスタＭ１のソース側に生じる熱雑音を低減することが望まれる。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、ＬＮＡを構成するＭＯＳトランジスタのソース側に生じる熱雑音を低減できるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の低雑音増幅器では、増幅用トランジスタのソースとゲートとの間に帰還ルートを設け、当該帰還ルート上に帰還用トランジスタを接続している。具体的には、増幅用トランジスタのソースに帰還用トランジスタのゲートを接続し、帰還用トランジスタのドレインを増幅用トランジスタのゲートに接続している。

上記のように構成した本発明によれば、増幅用トランジスタのソース側に生じるノイズが、帰還用トランジスタによって位相が反転した信号とされ、位相反転した状態で増幅用トランジスタのゲートに帰還されることにより、増幅用トランジスタのソースに発生するノイズを、これと略反転した位相の信号によって打ち消すことができ、ノイズを効果的に抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態によるＬＮＡの構成例を示す図である。図１において、コンデンサＣおよび抵抗Ｒは入力インピーダンス整合回路を構成する。Ｍ１は信号の入力端子Ｖinに（コンデンサＣを介して）ソースが接続された増幅用のＭＯＳトランジスタであり、Ｚ_Ｌ１は負荷抵抗である。増幅用トランジスタＭ１および負荷抵抗Ｚ_Ｌ１は直列に接続されている。増幅用トランジスタＭ１のドレインは、信号の出力端子Ｖoutに接続されている。

また、Ｍ３は帰還用のＭＯＳトランジスタであり、増幅用トランジスタＭ１のソースとゲートとの間に設けた帰還ルート上に接続されている。具体的には、増幅用トランジスタＭ１のソースに帰還用トランジスタＭ３のゲートを接続するとともに、帰還用トランジスタＭ３のドレインを増幅用トランジスタＭ１のゲートに接続している。また、帰還用トランジスタＭ３のドレインには負荷抵抗Ｚ_Ｌ２も接続されている。すなわち、帰還用トランジスタＭ３および負荷抵抗Ｚ_Ｌ２は、電源Ｖ_ＤＤとグランドとの間に直列に接続されている。

図１のように構成されたＬＮＡでは、入力端子Ｖinから入力された高周波信号が増幅用トランジスタＭ１により増幅されて、出力端子Ｖoutに現れる。ＬＮＡの利得は、増幅用トランジスタＭ１のゲートに与えられる電圧の大きさによって決定される。

上述したように、増幅用トランジスタＭ１のソース側には熱雑音のノイズ源が存在する。本実施形態では、増幅用トランジスタＭ１のソース側に生じるノイズは、位相が反転した信号となって帰還用トランジスタＭ３のドレイン側に現れ、位相反転した状態で増幅用トランジスタＭ１のゲートに帰還される。これにより、増幅用トランジスタＭ１のソースに発生するノイズを、これと略反転した位相の信号によって打ち消すことができ、ノイズを効果的に抑制することができる。

また、図１のように構成した場合、ＬＮＡの入力インピーダンスＺはＭＯＳトランジスタＭ１の相互コンダクタンスｇ_ｍに起因して決まり、Ｚ≒１／ｇ_ｍとなる。したがって、高周波の一般的な特性インピーダンスとして用いられる５０Ωまたは７５Ωに入力インピーダンスＺをマッチングさせることが容易である。

また、図１の構成では、帰還用トランジスタＭ３はソース接地アンプとしても動作し、帰還用トランジスタＭ３で増幅された信号が増幅用トランジスタＭ１のゲートに入力されるようになっている。このため、増幅用トランジスタＭ１の増幅率がこれを単体で用いる場合よりも増大し、ＬＮＡのゲインを大きくすることができるというメリットも有する。

図２は、本実施形態によるＬＮＡの他の構成例を示す図である。なお、この図２において、図１に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。図２に示すＬＮＡでは、増幅用のＭＯＳトランジスタＭ１（本発明の第１の増幅用トランジスタに相当）に対してもう１つのＭＯＳトランジスタＭ２（本発明の第２の増幅用トランジスタに相当）がカスコード接続されている。すなわち、増幅用トランジスタＭ１，Ｍ２および第１の負荷抵抗Ｚ_Ｌ１が直列に接続されている。また、第２の増幅用トランジスタＭ２のドレインが信号の出力端子Ｖoutに接続されている。

帰還用トランジスタＭ３は、図１の例と同様に、第１の増幅用トランジスタＭ１のソースとゲートとの間に設けた帰還ルート上に接続されている。また、帰還用トランジスタＭ３に対して、もう１つのＭＯＳトランジスタＭ４がカスコード接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ４のドレインには第２の負荷抵抗Ｚ_Ｌ２が接続されている。すなわち、ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４および第２の負荷抵抗Ｚ_Ｌ２が、電源Ｖ_ＤＤとグランドとの間に直列に接続されている。

Ｒ_ｂ，Ｒ_ｃは各ＭＯＳトランジスタＭ２，Ｍ４のゲートに与えるバイアス電圧を発生するための抵抗である。この図２のように構成されたＬＮＡでは、入力端子Ｖinから入力された高周波信号は、カスコード接続された増幅用トランジスタＭ１，Ｍ２により増幅されて、第２の増幅用トランジスタＭ２のドレイン側の出力端子Ｖoutに現れる。ＬＮＡの利得は、増幅用ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２のゲートに与えられる電圧の大きさによって決定される。

図２のように増幅用トランジスタＭ１，Ｍ２をカスコード接続した構成では、回路の安定性が増すというメリットがある。また、増幅用トランジスタＭ１のソース側に生じる熱雑音を帰還ループによってキャンセルしているので、雑音指数の悪化も抑制することができる。

なお、図２の例では、増幅用トランジスタＭ２に対して固定のバイアス電圧を与えるようにしたが、このバイアス電圧を可変にしても良い。増幅用トランジスタＭ２のゲートに与える電圧を変えることにより、カスコード接続された増幅用トランジスタＭ１の動作領域を３極管領域内で変え、増幅用トランジスタＭ１の相互コンダクタンスｇ_ｍを変化させることにより、ＬＮＡの利得を制御することができる。

図３は、本実施形態によるＬＮＡの他の構成例を示す図である。なお、この図３において、図２に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。図３に示すＬＮＡでは、帰還用トランジスタＭ３に対して専用のバイアス回路を設け、増幅用トランジスタＭ２，Ｍ４に対するバイアスと帰還用トランジスタＭ３に対するバイアスとを分離している。

図３において、帰還用トランジスタＭ３に対する専用のバイアス回路は、コンデンサＣ_Ｂ、抵抗Ｒ_Ｂ１，Ｒ_Ｂ２、定電流源Ｉ_ＢおよびトランジスタＭ５により構成されている。コンデンサＣ_Ｂは、入力端子Ｖinと帰還用トランジスタＭ３のゲートとの間に接続されている。帰還用トランジスタＭ３のゲートには、抵抗Ｒ_Ｂ１も接続されている。

抵抗Ｒ_Ｂ１にはトランジスタＭ５のドレインが接続され、トランジスタＭ５のソースは接地されている。また、トランジスタＭ５のゲートには、抵抗Ｒ_Ｂ２を介して定電流源Ｉ_Ｂが接続されている。さらに、トランジスタＭ５のゲートとドレインとが接続されており、当該トランジスタＭ５と帰還用トランジスタＭ３とはカレントミラーの接続関係になっている。このように帰還用トランジスタＭ３に対して専用のバイアス回路を設けることにより、帰還用トランジスタＭ３の閾値電圧のばらつきによって電流が変化せず、帰還用トランジスタＭ３に対するバイアスを安定化させることができる。

図４は、本実施形態によるＬＮＡの他の構成例を示す図である。図４に示す例は、ＬＮＡを差動回路にて構成した場合の例を示している。なお、この図４において、図２に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。また、図２に示した構成要素と差動対を成すもう一方の構成要素には、同一の符号にダッシュ記号（’）を付している。

また、上記実施形態では、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスによりＬＮＡを構成する例について説明したが、バイポーラにより構成することも可能である。
また、上記実施形態では、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを用いてＬＮＡを構成する例について説明したが、ＰチャネルＭＯＳトランジスタを用いてＬＮＡを構成しても良い。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、例えばラジオ受信機、テレビ受像機、携帯電話機などの無線通信機器における受信フロントエンド部に設けられる低雑音増幅器に有用である。

本実施形態によるＬＮＡの構成例を示す図である。 本実施形態によるＬＮＡの他の構成例を示す図である。 本実施形態によるＬＮＡの他の構成例を示す図である。 本実施形態によるＬＮＡの他の構成例を示す図である。 従来のＬＮＡの構成例を示す図である。

符号の説明

Ｍ１，Ｍ２ 増幅用トランジスタ
Ｍ３ 帰還用トランジスタ

Claims (2)

1. 信号の入力端にソースが接続された増幅用トランジスタと、
   上記増幅用トランジスタのソースとゲートとの間に設けた帰還ルート上に接続された帰還用トランジスタとを備え、
   上記増幅用トランジスタのソースに上記帰還用トランジスタのゲートを接続するとともに、上記帰還用トランジスタのドレインを上記増幅用トランジスタのゲートに接続して成る低雑音増幅器。
2. 上記増幅用トランジスタは、上記信号の入力端にソースが接続された第１の増幅用トランジスタと、上記第１の増幅用トランジスタにカスコード接続されるとともにドレインが信号の出力端に接続された第２の増幅用トランジスタとを備え、
   上記帰還用トランジスタが、上記第１の増幅用トランジスタのソースとゲートとの間に設けた帰還ルート上に接続されて成る請求項１に記載の低雑音増幅器。