WO2008044750A1 - Low-noise amplifier - Google Patents

Description

明 細 書 低雑音増幅器 技術分野

'本発明は低雑音増幅器に関し、 特に、 帰還回路を有するソース接地型 の低雑音増幅器に用いて好適なものである。 背景技術

一般に、 ラジオ受信機やテ レビ受像機などの無線受信機では、 アンテ ナで受信した微弱な高周波信号を増幅する増幅器が用いられる。 ただし 、 増幅の際に増幅器から出力されるノイズが大きく なると、 受信機の感 度が悪化してしま う。 そこで、 受信機の増幅器には、 ノイズの発生が少 ない L N A (Low Noise Amplifier： 低雑音増幅器） が用いられることが 多レ、。

L N Aは大別して、 帰還回路を構成しないタイプと、 帰還回路を構成 するタイプとがある。 帰還回路を構成しない L N Aの場合、 入力抵抗は ハイインピーダンスになるため、 そのよ うな L N Aにアンテナ回路を接 続するときは、 入力 トランス等を用いてインピーダンス整合を行う必要 が出てく る。 一方、 帰還型の構成にすることによ り、 所望の入力インピ —ダンスを得ることができるので、 入力 トランス等を介さずにアンテナ 回路と L N Aとを直接接続することが可能となる。

図 1は、 従来の帰還型 L N Aの構成例を示す図である。 図 1 に示す従 来の L N Aは、 信号の入力端 I Nと出力端 O U Tとの間に接続されたソ —ス接地ト ラ ンジス タ （入力 ト ラ ンジス タ） N 1 と、 入力端 I Nと出力 端 O U Tとの間に接続された帰還用の抵抗 R Nおよびキャパシタ C Nと を備えて構成されている。

ソ ス接地 トランジスタ N 1のゲ トはキャパシタ C 1 を介して信号 入力 i I Nに接続され、 ド レイ ンは信号出力端 o U Tに接続されている よ ソース接地 ト ラ ンジスタ N 1 の ド レイ ンは、 負荷抵抗 R Lを介 して電源 V D Dにも接続されている ソ ス接地 ト ラ ンジスタ N 1 のソ

—スはグラン ドに接続されている。

卜ランジスタ N 2は、 ソース接地 ランジスタ 1 と共に電流ミ ラー 回路を構成している。 すなわち、 トランジスタ N 2のゲー トが、 自身の ドレインにダイォー ド接続されると と もに、 ソ一ス接地トランジスタ N

1 のゲ一トに抵抗 R 2を介して接続されている。 トランジスタ N 2のソ

—スはグラン ドに接続されている。 このよ うに電流ミ ラー回路を構成す ることによ り、 ソース接地トランジスタ N 1 と トランジスタ N 2 とのサ ィズ比で 、 ソース接地トランジスタ N 1 を流れる ド レイ ン電流が決まる と ころで、 無線受信機では通常、 受信信号の利得を調整するために A G C ( Automatic Gain Control) 回路力 S設けられてレ、る。 R F ( Radio Frequency) A G C回路は、 アンテナで受信された高周波信号の利得を調 節して、 受信信号のレベルを一定に保つよ うにするものである。

すなわち、 R F— A G C回路は、 ア ンテナ入力信号の電界強度が閾値 よ り大き く ないと きは動作せず、 受信信号の利得を下げるこ とはない。 しかし 、 ァンテナに強電界の信号が入力されて電界強度が閾値を超える と、 R F - A G C回路が動作して受信信号の利得を下げるこ とによ り 、 無線受信機に過大な電力が加えられないよ うにする 。 このよ ラな R F -

A G Cの動作は、 例えば L N Aの利得を制御するこ とで実現できる。

図 1 に示す従来の L NAでは、 制御端子 P Gから抵抗 R 1 を介して ト ラ ンジスタ N 2のゲー トに印加する制御電圧によって、 L N Aの利得 （ 受信信号の利得） を可変と している。 具体的には、 通常は L N Aの利得 が最大となるよ うに設定しておき、 レベルの大きな信号が入力されたと きに、 そのレベルに応じて制御電圧を変化させることで、 L N Aの利得 を適切な値まで下げるよ うにしている。 このよ うに ト ラ ンジス タのゲ一 ト電圧のレベルを切り替えることによって利得を可変とする高周波増幅 回路は、 例えば特許文献 1 にも開示されている。

特許文献 1 ： 特開平 8— 3 0 7 1 5 9号公報の図 3

利得を可変とする別の方式と して、 増幅器のソース抵抗の大きさを切 り替えることによって利得を可変とする技術も存在する （例えば、 特許 文献 2参照） 。 特許文献 2に記載の可変利得増幅回路では、 複数のソー ス接地増幅回路を構成する複数組の M O S ト ラ ンジス タのソース側に複 数のスィ ツチを接続し、 このスィ ツチによ り何れかの増幅回路を選択し て電圧利得を制御する。

特許文献 2 ： 特開 2 0 0 4— 2 6 6 3 0 9号公報の図 2 1 発明の開示

しかしながら、 図 1 または特許文献 1 のよ うにゲ一 ト電圧を制御する ことで増幅器の利得を可変とする方式では、 入力 ト ラ ンジス タの ド レイ ン電流が変化するため、 入力 ト ラ ンジス タのダイナミ ック レンジが低下 してしま う。 例えば図 1 の場合、 トランジスタ N 2のゲー ト電圧を変え ると、 電流ミ ラ一の入力回路を構成する ト ラ ンジスタ N 2に流れる基準 電流が変わるため、 出力回路のソース接地 トランジスタ N 1 に流れる ド レイ ン電流も変わってしま う。 このため、 大きなレベルの信号が入力さ れたときの歪み特性が悪化し、 線形性に優れた所望の信号対雑音比を実 現することができないという問題があった。

また、 特許文献 2のよ うにソース抵抗を制御するこ とで増幅器の利得 を可変とする方式では、 ソース抵抗を変えたときに増幅器の開放利得が 変化するため、 入力 トランジスタのダイナミ ック レンジが低下してしま う。 このため、 線形性に優れた所望の信号対雑音比を実現するこ とがで きないという問題があった。

また 、 特許文献 2の増幅器を F Μラジオ受 >コ機の L N A等に用いた場 α 、 雑音指数の観点からァンテナ入力回路と し N Aとの間のイ ンピーダ ンス整合を抵抗で実現するこ とは困難で、 L c回路を用レ、た トラ ンス 合の整合回路が必要となる この場合、 複数の局の中から受信を希 す る希望局の周波数に同調をとつてィ ンビーダンスマッチングをする手段 が必要となり、 受信機の構成が複雑になるという問題もあった。

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、 受 信機の構成が複雑にならず、 かつ、 大きなレベルの信号が入力されたと きでも増幅器の入力ダイナミ ック レンジが低下することを抑止して線形 性に優れた所望の信号対雑音比を実現できるよ 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 、 本発明では、 信号の入力端にゲー ト が接続されたソース接地 トランジスタを備えたソ ―ス接地型増幅器にお いて、 信号の入力端と出力端との間に、 複数の帰還抵抗'と、 当該複数の 帰還抵抗の中から何れかを選択するスィ クチとを け、 スィ ツチの切り 替えによ り何れかの帰還抵抗を選択するこ とで利得制御を行う よ うにし ている。

上記のよ う に構成した本発明によれば 、 卜ランンスタのゲ一 ト電圧や ソ一ス抵抗を切り替える方式ではなく 、 帰還型增幅器の帰還抵抗を切り 替えて利得を制御しているため、 入力 トランジスタのゲー トバイ アス電 圧は一定で、 ド レイ ン電流は一定となる また、 帰還抵抗の切り替えに よって増幅器の開放利得が変化するこ と ちない。 このため、 入力ダイナ ミ ック レンジの低下を抑止して線形性を改善するこ とができ、 所望の信 号対雑音比を実現することができる。 さ らに、 選択可能に複数の帰還抵 抗を設けて帰還型増幅器を構成するこ とによ り、 入力インピーダンスを 所望の値にするこ とができるため、 L C回路を用いた整合回路が不要と なり、 増幅器を用いた受信機の構成を簡素化することができる。 図面の簡単な説明

図 1 は 、 従来の L N Aの構成を示す図である。

図 2は 、 本実施形態による L N Aの構成例を示す図であ

図 3は 、 本実施形態による L N Aの他の構成例を示す図であ Ό。

図 4は 、 本実施形態で用いる帰還抵抗とアナログスィ クチの他の構成 例を示す図である。 発明を 施するための最良の形態

以下 、 本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する 。 図 2は 、 本実 施形態による L N Aの構成例を示す図である。 なお この図 2におレゝて

、 図 1 に示した構成要素と同一の機能を有する構成 素には同一の符号 を付してレ、 •3

図 2において、 N 1 はソース接地型の入力 トランジスタであり 、 その ゲー トがキャパシタ C 1 を介して信号の入力端 I Nに接続され、 ソ一ス がダラン ドに接続され、 ドレインが信号の出力端 O U Tに接続されてい る。 Rしは負荷抵抗であり、 ソース接地 トランジスタ N 1 の出力 ( K レ ィン） と電源 V D Dとの間に接続されている。

N 2はソ —ス接地 トランジスタ N 1 と共に電流ミ ラ一回路を構成する トランジスタである。 すなわち、 トランジスタ N 2のゲ — トが、 自身の ドレイ ンにダイオー ド接続されると と もに、 ソ ―ス接地トランジスタ N 1のゲー トに抵抗 R 2を介して接続されている。 トランジスタ N 2の ド レインは抵抗 R 1 を介して電源 VD Dに接続され、 ソースはグラン ドに 接続されている。 このよ う に電流ミ ラー回路を構成することによ り、 ソ ース接地トランジスタ N 1 と トランジスタ N 2 とのサイズ比で、 ソース 接地 ト ラ ンジス タ N 1 を流れる ドレイ ン電流が決まる。

また、 信号の出力端 O U T (ソース接地 トランジスタ N 1の ドレイ ン ) と信号の入力端 I N (ソース接地トランジスタ N 1 のゲー ト） と間に は、 帰還回路が設けられている。 帰還回路は、 信号の入力端 I Nと出力端 O U Tとの間に並列に設けられた複数の帰還抵抗 R N 1 , R N 2 , · · · , R N n ( nは 2以上の整数） と、 当該複数の帰還抵抗 R N 1〜R N nに対してそれぞれ直列に接続された複数のアナログスィ ッチ A SW l , A SW 2 , · · · , A S W n とを備えて構成されている。

こ こで、 複数の帰還抵抗 R N l〜R N nは、 その抵抗値がそれぞれ異 なっている。 複数のアナログスィ ッチ A SW l〜A S Wnは、 制御端子 P G 1 〜 P G nから印加される制御電圧によ ってオン Zオフが制御され 、 何れか 1つのみが選択的にオンと されるよ うになっている。

本実施形態では、 L N Aの利得を変える と きに、 ソース接地 トランジ ス タ N 1 のゲー トバイ アス電圧は一定とする。 その代わり に、 アナログ スィ ッ チ A S W l 〜A S W nのオン/オフ を切り替えて、 当該アナロ グ スィ ツチ A S W l 〜A S W nに直列接続された帰還抵抗 R N 1 〜 R N n の何れかを選択的に用いることにより、 L N Aの利得制御を行う。

この場合、 帰還抵抗 R N l〜R N nの選択によ り負帰還量 （帰還抵抗 値） を変化させると、 L NAの入力インピーダンスが変わることから、 イ ンピーダンス不整合によるロスが生じるかも しれない。 しかし、 AG C動作で L N Aの利得を減少させるときは入力信号のレベルが大きいと きであり、 下記の理由から上述のよ うなロ スの問題は起こ らない。 すなわち、 信号源電圧を E、 信号源抵抗を R s、 L N Aの入力イ ンピ —ダンスを R i と したとき、 R s = R i のときに最大電力

P max= E ² / ( 4 R s )

が L N Aに供給される。 これがイ ン ピーダンス整合のとれたときである いま、 L N Aの利得を変えるために帰還抵抗 R N 1〜R N nの何れか をアナログスィ ッチ A S W l〜A S Wnによ り選択して帰還抵抗値を変 えたとする。 このときイ ン ピーダンス不整合が生じ、 R i = l . 5 R s になったとすると、 そのとき L N Aに供給される電力 P 1 は、

P 1 = E ² / ( 6. 2 5 R s )

となる。

よ って、 イ ンピーダンス不整合によ る ロ スは、

P loss= 1 0 XL0G(P max/ P 1 ) = 2 [ d B ]

となり 、 問題にならないレベルである。 したがって、 例えば入力イ ンピ 一ダンス R i の値が最大でも 1 . 5 R s となるよ うに帰還抵抗 R N 1〜 R N nの抵抗値を設定しておけば、 ィ ン ピ一ダンス不整合によるロスは ほぼ無視できる。

以上詳しく説明したよ う に、 本実施形態では、 帰還回路を有する ソー ス接地型の L N Aにおいて、 当該帰還回路を複数の帰還抵抗 R N 1〜R N nで構成する と と もに、 その中から何れかを選択するアナ口 グスィ ッ チ A S W l〜A S W nを設け、 何れかの帰還抵抗を選択するこ とで L N Aの利得制御を行う よ うにしている。

このよ うに、 帰還型増幅器の帰還抵抗値を切り替えて利得を制御して いるため、 入力 ト ランジスタである ソース接地 トランジスタ N 1 のゲ一 トバイ アス電圧は一定で、 ド レイ ン電流は一定となる。 また、 帰還抵抗 値の切り替えによって L N Aの開放利得が変化するこ と もない。 このた め、 大きなレベルの信号が入力されたとき でも L N Aの入力ダイナミ ッ ク レンジが低下するこ とを抑止して線形性に優れた所望の信号対雑音比 を実現できる。 特に、 2信号の妨害波が入力されたと きにおける信号対 雑音比を改善することができる。

さ らに、 本実施形態によれば、 帰還回路と して抵抗値が異なる複数の 帰還抵抗 R N l 〜 R N nを設け、 この中から何れかを選択して接続する 構成とするこ とによ り 、 L N Aの入力イ ンピーダンスを所望の値にする こ とができる。 このため、 L C回路を用いた整合回路が不要となり 、 L NAを用いた受信機の構成を簡素化することができる。

図 3は、 本実施形態による L NA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に示した符号と同一の符号を付したものは同 —の機能を有するものであるので、 こ こでは重複する説明を省略する。 図 3の例は、 カスコ ド接続した 2つの トランジスタによ り増幅段を構 成したものである。 この場合は、 カスコー ド接続の上側に位置するゲー ト接地 トランジスタの出力 （ ドレイン） から信号の入力端 I Nに帰還回 路を設ける。

図 3において、 N 3はゲー ト接地 トランジスタであり、 ソース接地ト ランジスタ N 1 にカスコ一 ド接続されると と もに、 その ドレインが信号 の出力端 O U Tに接続されている。 ゲー ト接地 トランジスタ N 3の ドレ インは、 負荷抵抗 R Lを介して電源 V D Dにも接続されている。 ソース 接地 トランジスタ N 1 は初段増幅器と して機能し、 ゲー ト接地トランジ スタ N 3は次段増幅器と して機能する。

N 4 , N 5はバイアス回路を構成する トラ ンジズタであり、 ゲー ト接 地トランジスタ N 3のバイアスを決定する。 このバイアス回路は、 その 一端が抵抗 R 3を介して電源 V D Dに接続され、 他端がグラ ン ドに接続 されている。 その他の構成は図 2 と同様である。 以上のよ うに、 トラン ジスタ N l , N 3をカ スコー ド接続することによ り、 広帯域で安定した 利得を得ることができるよ うになる。

なお、 上記実施形態では、 並列接続した複数の帰還抵抗 R N 1〜 R N nに対してそれぞれ直列に複数のアナログスィ ッチ A S W l〜A SW n を接続する構成について説明したが、 スィ ツチの構成はこれに限定され ない。 例えば、 並列接続した複数の帰還抵抗 R N 1 〜 R N nをパス上に 含む複数の信号線の中から何れかを選択するセ レク タによ り構成しても 良い。

また、 上記実施形態では、 抵抗値の異なる複数の帰還抵抗 R N 1〜 R N nを並列に設け、 この中から何れか 1つを選択する構成について説明 したが、 これに限定されない。 例えば、 図 4に示すよ うに、 複数の帰還 抵抗 R N l〜R N n と複数のアナログスィ ツチ A SW l〜A SWn とを ラダー状に接続し、 何れかのアナログスィ ツチ A SW l〜A SWnを選 択することによ り、 1個以上の帰還抵抗の合成抵抗値を可変とするよ う にしても良い。 この場合、 複数の帰還抵抗 R N l〜 R N nの抵抗値はそ れぞれ異なっていても良いし、 同じであっても良い。

その他、 上記実施形態は、 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、 これによつ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 さる。 産業上の利用可能性

本発明は、 帰還回路を有するソース接地型低雑音増幅器に有用である

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 信号の入力端にゲ一 卜が接続されたソース接地 トランジスタ と、 上記信号の入力端と信号の出力端との間に設けられた複数の帰還抵抗 と、

上記複数の帰還抵抗の中から何れかを選択的に接続するスィ ッチとを 備え、

上記スィ ツチを切り替えるこ とによ り利得制御を行う よ う に構成した ことを特徴とする低雑音増幅器。

2 . 上記複数の帰還抵抗は、 上記信号の入力端と上記信号の出力端との 間に並列に設けられ、

上記スィ ツチは、 上記複数の帰還抵抗に対してそれぞれ直列に接続さ れた複数のアナログスィ ッチによ り構成されていることを特徴とする請 求の範囲第 1項に記載の低雑音増幅器。