JP2008288817A - 広帯域低雑音増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の広帯域低雑音増幅器は、入力端子を第1トランジスタのベース端子及び第1受動素子の一端及び第3受動素子の一端に接続し、第1トランジスタのエミッタ端子を接地し、第1トランジスタのコレクタ端子を出力端子及び第2トランジスタのベース端子及び容量素子の一端及び第2の受動素子の一端に接続し、第1受動素子の他端を容量素子の他端に接続し、第2トランジスタのエミッタ端子を第3受動素子の他端に接続し、電源端子を第2トランジスタのコレクタ端子及び第2受動素子の他端に接続して構成され、増幅器の所望飽和レベルに適合するようエミッタサイズを決定した第1トランジスタのインピーダンスに対応し、第3受動素子のインピーダンス値を決定し、入力インピーダンスを整合する。
【選択図】図1
Description
この負帰還増幅器は、電圧利得Avの主増幅器の入力と、出力端子と間に位相変化の少ない帰還率Fの負帰還回路を接続することで、利得を1/(1+FAv)と低下させるが、一方帯域を(1+FAv)に拡大する特徴を有している(例えば、非特許文献1参照)。
そのため、一般的にはトランジスタのエミッタサイズを大きくし、線形性を高める手法がとられている。
この低雑音増幅器は線形性を高めるため、エミッタサイズの大きなトランジスタを使用している。
相川正義、大平孝、徳満恒雄、広田哲夫、村口正弘共著、「モノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)」、pp. 97-99、電子情報通信学会、平成9年1月 Herbert Knapp, Dietmar Zoschg, Thomas Meister, Klaus Aufinger, Sabine Boguth, and Ludwig Treitinger"15 GHz Wideband Amplifier with 2.8 dB Noise Figure in SiGe Bipolar Technology" 2001 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp.287-290,MAY 2001.
また、この増幅器には、トランジスタのエミッタサイズを大きくした場合にも、同様に入力インピーダンスが低下するという問題点がある。
また、図18に示す低雑音増幅器においては、主増幅器のエミッタ端子に抵抗素子を挿入しているため、挿入した抵抗素子の抵抗値に応じて雑音指数が劣化するという問題点がある。
この構成により、本発明によれば、第3の受動素子を抵抗素子とインダクタ素子の直列回路で構成することにより、インピーダンスが広い周波数範囲にて高くなり良好な入力反射特性及び雑音特性を得ることができる。
また、本発明によれば、第3の受動素子を抵抗素子のみで構成しても、高周波数帯での雑音特性はやや劣化するものの、低周波数帯にて十分な特性が得られる。
さらに、本発明によれば、第3の受動素子をインダクタ素子のみで構成しても、低周波数帯での反射特性はやや劣化するものの、高周波数帯にて十分な特性が得られる。
この構成により、本発明によれば、第1の受動素子を抵抗素子で構成し、抵抗値を変更することにより、帯域及び利得を調整することができる。
また、本発明によれば、第1の受動素子を可変抵抗素子で構成し、抵抗値を変化させることにより、帯域及び利得を変化することができる。
この構成により、本発明によれば、第2の受動素子を抵抗素子とインダクタ素子の直列回路で構成することにより、広い周波数帯域で出力整合を図ることが可能となり、良好な出力反射特性を得ることが出来る。
また、本発明によれば、第2の受動素子を抵抗素子で構成すると、高周波数帯域での整合がやや劣化するものの、低周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
さらに、本願発明によれば、第2の受動素子をインダクタ素子で構成すると、低周波数帯域での整合がやや劣化するものの、高周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
上述した構成により、本発明によれば、第3の受動素子を、抵抗素子とインダクタ素子の直列回路で構成することにより、インピーダンスが広い周波数範囲で高くなり良好な入力反射特性及び雑音特性を得ることができる。
また、本発明によれば、第3の受動素子を抵抗素子のみで構成しても、高周波数帯での雑音特性はやや劣化するものの、低周波数帯では十分な特性が得られる。
さらに、本発明によれば、第3の受動素子をインダクタ素子のみで構成しても、低周波数帯での反射特性はやや劣化するものの、高周波数帯では十分な特性が得られる。
上述した構成により、本発明によれば、第4の受動素子を抵抗素子とインダクタ素子の直列回路で構成することにより、インピーダンスが広い周波数範囲で高くなり良好な入力反射特性及び雑音特性を得ることができる。
また、本発明によれば、第4の受動素子を抵抗素子のみで構成しても、高周波数帯での雑音特性はやや劣化するものの、低周波数帯では十分な特性が得られる。
さらに、本発明によれば、第4の受動素子をインダクタ素子のみで構成しても、低周波数帯での反射特性はやや劣化するものの、高周波数帯では十分な反射特性が得られる。
上述した構成により、本発明によれば、第5の受動素子を抵抗素子とインダクタ素子の直列回路で構成することにより、インピーダンスが広い周波数範囲で高くなり良好な入力反射特性及び雑音特性を得ることができる。
また、本発明によれば、第5の受動素子を抵抗素子のみで構成しても、高周波数帯での雑音特性はやや劣化するものの、低周波数帯では十分な特性が得られる。
さらに、本発明によれば、第5の受動素子をインダクタ素子のみで構成しても、低周波数帯での反射特性はやや劣化するものの、高周波数帯では十分な特性が得られる。
上述した構成により、本発明によれば、第1の受動素子を抵抗素子で構成し、抵抗値を変更することにより、帯域及び利得を調整することができる。
また、本発明によれば、第1の受動素子を可変抵抗素子で構成し、抵抗値を任意に調整して変化させることにより、帯域及び利得を任意に調整することができる。
上述した構成により、本発明によれば、第2の受動素子を抵抗素子とインダクタ素子の直列回路にて構成することにより、広い周波数帯域にて出力整合を図ることが可能となり、良好な出力反射特性を得ることができる。
また、本発明によれば、第2の受動素子を抵抗素子のみにて構成すると、高周波数帯域での整合がやや劣化するものの低周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
さらに、本発明によれば、第2の受動素子をインダクタ素子のみにて構成すると、低周波数帯域での整合が劣化するものの、高周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
すなわち、本発明によれば、エミッタサイズが大きな第1のトランジスタを用いることにより、増幅器の所望飽和レベルを高めることができ、増幅器の線形性が向上し、従来例のように、第1のトランジスタのエミッタ端子を受動素子を介して接地していないため、雑音指数を改善することができる。
したがって、本発明によれば、第3の受動素子のインピーダンスの増加により、第1のトランジスタのベース−エミッタ抵抗の低下分を補い、増幅回路の入力インピーダンスの低下を抑制することができる。
このため、本発明の広帯域低雑音増幅器は、エミッタサイズが設定されて、ベース−エミッタ抵抗が決定された後、上記第3の受動素子のインピーダンス値を決定し、入力に接続される外部回路の出力インピーダンスに対して入力インピーダンスの整合を取る(例えば、入力インピーダンスが50Ωとなるよう、第3の受動素子のインピーダンス値を設定する)。
ここで、負帰還に用いている容量素子は、増幅器の動作周波数にて低インピーダンスとなる容量値に設定することにより、周波数帯域幅に影響を与えることはない。
このため、本実施形態においては、上述した第1のトランジスタのベース−エミッタ抵抗の低下と、負帰還回路を設けたことの双方に伴う増幅器の入力インピーダンスの低下を、第1のトランジスタに対してベース電流を供給するバイアス回路(第3の受動素子からなる回路)のインピーダンス値(バイアス回路の入力インピーダンス)を増加させ、すなわち第3の受動素子のインピーダンスを増加させることにより補償し、入力インピーダンスの整合、例えば、入力に信号を供給する外部回路の出力インピーダンスに対して入力インピーダンスの整合をとる。
実施形態において、バイアス回路は、第1のトランジスタのベース端子と電源との間に介挿されており、第2のトランジスタと第3の受動素子とが直列に接続されて構成されている。
また、実施形態において、負帰還回路は、第1のトランジスタのコレクタ端子とベース端子との間に介挿されており、第1の受動素子と容量素子とが直列に接続され形成されている。
以下、本発明の第1の実施形態による広帯域低雑音増幅器を図面を参照して説明する。
図1は同実施形態による広帯域低雑音増幅器の構成例を示す回路図である。
上記図1において、広帯域低雑音増幅器は、第1のトランジスタ4、第2のトランジスタ5、容量素子6、第1の受動素子7、第2の受動素子8及び第3の受動素子9を有している。ここで、第1のトランジスタ4及び第2のトランジスタ5は、npn型のバイポーラトランジスタである。
上記第1のトランジスタ4は、エミッタ端子が接地され、ベース端子に入力端子1が接続され、出力端子2にコレクタ端子が接続され、コレクタ端子が第2の受動素子を介して電源端子3に接続されている。
ここで、第2の受動素子8は、一端が第1のトランジスタ4のコレクタ端子に接続され、他端が電源端子3に接続されている。
ここで、第3の受動素子9は、一端が第1のトランジスタ4のベース端子に接続され、他端が第2のトランジスタ5のエミッタ端子に接続されている。
また、上記第1の受動素子7は、負帰還抵抗であり、一端が第1のトランジスタ4のベース端子に接続され、他端が容量素子6の他端に接続されている。
上記第3の受動素子9は、この増幅回路の入力インピーダンスの低下を抑制するため、バイアス回路の入力インピーダンスを増加させることで、増幅回路の入力インピーダンスを高くしている。
上記容量素子6は、一端が第1のトランジスタ4のコレクタ端子に接続され、他端が第1の受動素子7の他端に接続されている。
図2は本発明の第1の実施形態の広帯域低雑音増幅器を構成するバイアス回路であり、第2のトランジスタ5のベース−エミッタ抵抗74と、相互コンダクタンス75とで表せるとして、第2のトランジスタ5からなるバイアス回路を簡略化した等価回路図である。
この図2において71は入力端子、72は受動素子、73は受動素子である。また、図2において、Z1は受動素子72のインピーダンスであり、Z2は受動素子73のインピーダンスである。
そのとき、バイアス回路の入力インピーダンスZiは、以下の(1)式により表せる。
また、図3におけるトランジスタ82のエミッタサイズは48μm2、電源84の電圧は0.9V、電源85の電圧は1.4V、入力のインピーダンスは50Ωである。
図4に示す通り、抵抗素子83の値を大きくするに従い、バイアス回路の入力インピーダンスが高くなっていることが分かる。
ここで、抵抗素子40及びインダクタ素子41の直列接続が第3の受動素子9に対応し、抵抗素子39及びインダクタ素子38の直列接続が第2の受動素子8に対応し、抵抗素子37が第1の受動素子7に対応している。
この図において、白丸は図5に示す本発明の第1の実施形態に基づく広帯域低雑音増幅器の具体例のSパラメータ(S11)、一方、黒丸は図6に示す本発明の第1の実施形態の広帯域低雑音増幅器の具体例のSパラメータ(S11)である。
また、インダクタ素子41を設けずに、第3の受動素子9を抵抗素子40のみにて構成しても、高周波数帯での雑音特性はやや劣化するものの、低周波数帯では十分な特性が得られる。
また、上記抵抗素子40を可変抵抗素子により構成し、抵抗値を可変に変化させることにより、帯域及び利得を変化することもできる。
すなわち、第3の受動素子9として、抵抗素子、可変抵抗素子及びインダクタ素子のいずれか単体あるいはいずれか複数の素子の組み合わせを直列接続した構成を用いることができる。
また、第1の受動素子7である抵抗素子37を可変抵抗素子により構成し、抵抗値を可変に変化させることにより、帯域及び利得を変化することができる。
ここで、第1の受動素子7は、上述したように、抵抗素子及び可変抵抗素子のいずれか、あるいは直列接続した構成を用いることができる。
上記第2の受動素子8を、インダクタ素子38を設けずに、抵抗素子39のみで構成すると、増幅回路は高周波数帯域での整合がやや劣化するものの、低周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
すなわち、第2の受動素子8として、抵抗素子、可変抵抗素子及びインダクタ素子のいずれか単体あるいはいずれか複数の素子の組み合わせを直列接続した構成を用いることができる。
以下、本発明の第2の実施形態による広帯域低雑音増幅器を図面を参照して説明する。
図8は同実施形態による広帯域低雑音増幅器の構成例を示す回路図である。
上記図8において、広帯域低雑音増幅器は、第1のトランジスタ4、第2のトランジスタ5、容量素子6、第1の受動素子7、第2の受動素子8及び第3の受動素子9を有している。ここで、第3の受動素子9は、第4の受動素子19、第5の受動素子20及び第6の受動素子21から構成されている。また、第1のトランジスタ4及び第2のトランジスタ5は、npn型のバイポーラトランジスタである。
また、第2の実施形態において、第3の受動素子9は、第2のトランジスタ5のエミッタ端子と、第1のトランジスタ4のベース端子との間に第4の受動素子19と第5の受動素子20とが直列に介挿されており(設けられており)、第6の受動素子21が第4の受動素子19及び第5の受動素子20の接続点と、接地点との間に介挿されて(設けられて)構成されている。
図9は本発明の第2の実施形態の広帯域低雑音増幅器を構成するバイアス回路であり、第2のトランジスタ5のベース−エミッタ抵抗114と、相互コンダクタンス115とで表せるとして、第2のトランジスタ5からなるバイアス回路を簡略化した等価回路図である。
この図9において111は入力端子、112は受動素子、113は受動素子、117は受動素子、116は受動素子である。
また、図9において、Z1は受動素子112のインピーダンスであり、Z2は受動素子113のインピーダンスであり、Z3は受動素子116のインピーダンスであり、Z4は受動素子117のインピーダンスである。
そのとき、バイアス回路の入力インピーダンスZiは、以下の(6)式により表せる。
また、図10におけるトランジスタ122のエミッタサイズは48μm2、電源125の電圧は0.9V、電源126の電圧は1.4V、入力のインピーダンスは50Ωである。
図11に示す通り、抵抗素子123及び124の抵抗値を大きくするに従い、入力インピーダンスが高くなっていることが分かる。
また、図12におけるトランジスタ132のエミッタサイズは48μm2、電源135の電圧は0.9V、電源136の電圧は1.4V、抵抗素子133及び134の抵抗値は50Ωであり、入力のインピーダンスは50Ωである。
図13に示す通り、抵抗素子137の抵抗値を大きくするに従い、入力インピーダンスが高くなっていることが分かる。
ここで、抵抗素子60が第4の受動素子19に対応し、インダクタ素子61が第5の受動素子20に対応し、抵抗素子62が第6の受動素子21に対応し、抵抗素子59及びインダクタ素子58の直列接続が第2の受動素子8に対応し、抵抗素子57が第1の受動素子7に対応している。
この図16において、白丸は図14に示す本発明の第2の実施形態に基づく広帯域低雑音増幅器の具体例のSパラメータ(S11)、一方、黒丸は図15に示す本発明の第2の実施形態の広帯域低雑音増幅器の具体例のSパラメータ(S11)である。
図14におけるトランジスタ54のエミッタサイズは80μm 2 、トランジスタ55のエミッタサイズは16μm2、容量素子56の容量値は3pF、抵抗素子57の抵抗値は500Ω、インダクタ素子58のインダクタンス値は0.5nH、抵抗素子59の抵抗値は100Ω、抵抗素子60の抵抗値は5000Ω、インダクタ素子61のインダクタンス値は0.5nH、入出力のインピーダンスは50Ωである。図16により、本発明の回路構成とすることにより、入力整合条件が50Ωに近づいて整合がとれていることがわかる。
また、第3の受動素子9を、抵抗素子60を設けずに、インダクタ素子61及び抵抗素子62のみで構成しても、低周波数帯での反射特性はやや劣化するものの、高周波数帯では十分な特性が得られる。
また、第1の受動素子7である抵抗素子57を可変抵抗素子により構成し、抵抗値を可変に変化させることにより、帯域及び利得を変化することができる。
また、第1の受動素子7を抵抗素子及び可変抵抗素子のいずれか、あるいは直列接続した構成を用いることもできる。
上記第2の受動素子8は、インダクタ素子58を設けずに、抵抗素子59のみで構成すると、高周波数帯域での整合がやや劣化するものの、低周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
また、第2の受動素子8を、抵抗素子59を設けずに、インダクタ素子58のみで構成すると、増幅回路は低周波数帯域での整合がやや劣化するものの、高周波数帯域では十分な反射特性が得られる。
上述したように、第2の受動素子8として、抵抗素子及びインダクタ素子のいずれか、あるいはいずれか複数の素子を直列に接続した構成を用いることができる。
また、図8における第6の受動素子21として、抵抗素子、可変抵抗素子及びインダクタ素子の各素子のいずれか、あるいはいずれか複数の素子を直列に接続した構成を用いることができる。
したがって、本発明の請求の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
一方、図1(第1の実施形態)及び図8(第2の実施形態に)に示した本発明において、雑音指数を従来例に対して改善するために、図18に示す従来技術で使用しているエミッタ端子に接続する直列帰還抵抗を省き、受動素子からなる負帰還構成としている。
なお、容量素子6は、増幅器の動作周波数帯で低インピーダンスとなるように設定するので、回路の動作に大きな影響はない。
Claims (15)
- 入力端子を第1のトランジスタのベース端子及び第1の受動素子の一端および第3の受動素子の一端に接続し、
前記第1のトランジスタのエミッタ端子を接地し、第1のトランジスタのコレクタ端子を出力端子および第2のトランジスタのベース端子および容量素子の一端および第2の受動素子の一端に接続し、
第1の受動素子の他端を容量素子の他端に接続し、第2のトランジスタのエミッタ端子を第3の受動素子の他端に接続し、電源端子を第2のトランジスタのコレクタ端子および第2の受動素子の他端に接続して構成され、
増幅器の所望飽和レベルに適合するようエミッタサイズを決定した第1のトランジスタのインピーダンスに対応して、前記第3の受動素子のインピーダンス値を決定し、入力インピーダンスを整合することを特徴とする広帯域低雑音増幅器。 - 入力端子を第1のトランジスタのベース端子及び第1の受動素子の一端および第4の受動素子の一端に接続し、
第1のトランジスタのエミッタ端子を接地し、第1のトランジスタのコレクタ端子を出力端子および第2のトランジスタのベース端子および容量素子の一端および第2の受動素子の一端に接続し、
第1の受動素子の他端を容量素子の他端に接続し、第2のトランジスタのエミッタ端子を第3の受動素子の他端に接続し、電源端子を第2のトランジスタのコレクタ端子及び第2の受動素子の他端に接続し、
第3の受動素子の一端を第4の受動素子の他端および第5の受動素子の一端に接続し、第5の受動素子の他端を接地して構成され、
増幅器の所望飽和レベルに適合するようエミッタサイズを決定した第1のトランジスタのインピーダンスに対応して、第3の受動素子及び第5の受動素子のぞれぞれのインピーダンス値、あるいは第4の受動素子のインピーダンス値を決定し、入力インピーダンスを整合することを特徴とする広帯域低雑音増幅器。 - 請求項1記載の広帯域低雑音増幅器において、
第3の受動素子として、抵抗素子、可変抵抗素子、インダクタのいずれか単体を、
あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を、用いることを特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - 請求項1記載の広帯域低雑音増幅器において、
第1の受動素子として、抵抗素子、可変抵抗素子のいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を、用いることを特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - 請求項1記載の広帯域低雑音増幅器において、
第2の受動素子として、抵抗素子、インダクタのいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を、用いることを特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - 請求項2記載の広帯域低雑音増幅器において、
第3の受動素子として、抵抗素子、可変抵抗素子、インダクタのいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を、用いることを特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - 請求項2記載の広帯域低雑音増幅器において、
第4の受動素子として、抵抗素子、可変抵抗素子、インダクタのいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を、用いることを特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - 請求項2記載の広帯域低雑音増幅器において、
第5の受動素子として、抵抗素子、可変抵抗素子、インダクタのいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を、用いることを特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - 請求項2記載の広帯域低雑音増幅器において、
第1の受動素子として、抵抗素子、可変抵抗素子のいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を用いることを、広帯域低雑音増幅器。 - 請求項2記載の広帯域低雑音増幅器において、
第2の受動素子として、抵抗素子、インダクタのいずれかを、あるいはいずれか複数素子を直列に接続した回路を用いることを、特徴とした広帯域低雑音増幅器。 - エミッタ端子が接地され、ベース端子に入力端子が接続され、出力端子にコレクタが接続された第1のトランジスタと、
該第1のトランジスタのコレクタに一端が接続され、該第1のトランジスタのベースに他端が接続された負帰還回路と、
電源に一端が接続され、前記第1のトランジスタのコレクタに他端が接続された第2の受動素子と、
電源及び前記第1のトランジスタのコレクタの間に介挿されたバイアス回路と
を有し、
増幅器の所望飽和レベルに適合するようエミッタサイズを決定した第1のトランジスタのインピーダンスに対応して、前記第3の受動素子のインピーダンス値を決定し、入力インピーダンスを整合することを特徴とする広帯域低雑音増幅装置。 - 請求項11記載の広帯域低雑音増幅装置において、
前記バイアス回路が、
ベース端子が前記出力端子に接続され、コレクタ端子が電源端子に接続された第2のトランジスタと、
第1のトランジスタのベース端子に一端が接続され、第2のトランジスタのエミッタ端子に他端が接続された第3の受動素子と
から構成されていることを特徴とする請求項11記載の広帯域低雑音増幅装置。 - 請求項12記載の広帯域低雑音増幅装置において、
前記第3の受動素子が、
前記第2のトランジスタのエミッタに一端が接続された第4の受動素子と、
該第4の受動素子の他端に一端が接続され、前記第1のトランジスタのベースに他端が接続された第5の受動素子と
から構成されていることを特徴とする広帯域低雑音増幅装置。 - 請求項13記載の広帯域低雑音増幅装置において、
前記第4の受動素子の他端に一端が接続され、他端が接地された第6の受動素子と
をさらに有することを特徴とする広帯域低雑音増幅装置。 - 請求項11から請求項14いずれかに記載の広帯域低雑音増幅装置において、
前記負帰還回路が、
前記第1のトランジスタのコレクタ端子に一端が接続された容量素子と、
前記第1のトランジスタのベース端子に一端が接続され、前記容量素子の他端に他端が接続された第1の受動素子と
から構成されていることを特徴とする広帯域低雑音増幅装置。
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