(57)【要約】【課題】低雑音増幅器の増幅用トランジスタのベースバイアス電圧を調整できるようにして、低い雑音指数ＮＦと低い３次相互変調歪ＩＭ３の両立を可能にする。【解決手段】エミッタ接地型の増幅用トランジスタＱ１と、エミッタ接地型のバイアス用トランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のベースに一端が接続された抵抗Ｒ２と、トランジスタＱ１のベースに一端が接続され他端が抵抗Ｒ２の他端に接続された抵抗Ｒ３と、トランジスタＱ２のコレクタ及び抵抗Ｒ２，Ｒ３の共通接続点に電流を供給する電流源４とを備える低雑音増幅器を有する。信号出力端子２の出力電圧を検出して制御信号を生成する制御回路５と、抵抗Ｒ３に並列接続された可変抵抗ＶＲ１と抵抗Ｒ２に並列接続された抵抗Ｒ１及び可変抵抗ＶＲ２の直列回路と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の共通接続点と接地間に接続されたキャパシタＣ２とをさらに有する。可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２は制御回路５から出力する制御信号によって抵抗値が制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースが信号入力端子に接続されコレクタが信号出力端子に接続されるエミッタ接地型の増幅用の第１トランジスタと、エミッタ接地型のバイアス設定用の第２トランジスタと、該第２トランジスタのベースに一端が接続された第２抵抗と、前記第１トランジスタのベースに一端が接続され他端が前記第２抵抗の他端に接続された第３抵抗と、前記第２トランジスタのコレクタ及び前記第２抵抗と前記第３抵抗の共通接続点に電流を供給する電流源とを備える低雑音増幅器を有し、
前記信号出力端子の出力電圧を検出して制御信号を生成する制御回路と、前記第３抵抗に並列接続された第１可変抵抗と、前記第２抵抗に並列接続された第１抵抗及び第２可変抵抗の直列回路と、前記第２抵抗と前記第３抵抗の共通接続点と接地間に接続されたキャパシタとをさらに有し、
前記第１可変抵抗と前記第２可変抵抗は前記制御回路から出力する制御信号によって抵抗値が制御されることを特徴とする自動利得制御増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の自動利得制御増幅器において、
前記制御回路は、前記信号出力端子から出力する信号のレベルが小さいとき前記第１可変抵抗及び前記第２可変抵抗の抵抗値を大きな抵抗値に制御し、前記信号出力端子から出力する信号のレベルが大きいとき前記第１可変抵抗及び前記第２可変抵抗の抵抗値を小さな抵抗値に制御することを特徴とする自動利得制御増幅器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自動利得制御増幅器において、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタは同一エミッタサイズに設定され、前記第２抵抗と前記第３抵抗は同一抵抗値に設定され、前記第１抵抗は前記第２抵抗よりも小さな抵抗値に設定されていることを特徴とする自動利得制御増幅器。
【請求項４】
請求項３に記載の自動利得制御増幅器において、
前記第１抵抗の抵抗値は、前記信号入力端子に入力する信号のレベルが大きいときに前記低雑音増幅器の３次トランスコンダクタンスが０付近に留まる値に設定されていることを特徴とする自動利得制御増幅器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の自動利得制御増幅器において、
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタをＭＯＳトランジスタに置き換えたことを特徴とする自動利得制御増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低雑音増幅器を使用した自動利得制御増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
低雑音増幅器（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）は無線通信装置の受信アンテナの後段に接続され、微弱な電波を受信して増幅するために、低い雑音指数ＮＦ（Noise Figure)が求められる。図５に従来の低雑音増幅器１０の回路を示す。１は信号入力端子、２は信号出力端子、Ｑ１はエミッタ接地増幅回路を構成するＮＰＮ型の増幅用トランジスタ、Ｃ１はＤＣ成分をカットするカップリング用のキャパシタである。Ｑ２は増幅用トランジスタＱ１のベースバイアス回路を構成するＮＰＮ型のバイアス用トランジスタ、Ｒ２，Ｒ３はバイアス用の抵抗、３はトランジスタＱ１の負荷、４はトランジスタＱ２と抵抗Ｒ２，Ｒ３の共通接続点に電流を供給する電流Ｉ１の定電流源である。
【０００３】
この低雑音増幅器１０では、定電流源４の電流値Ｉ１、抵抗Ｒ２，Ｒ３の抵抗値を適宜設定することでトランジスタＱ１に所定のベースバイアス電圧を与えることができる。例えば、トランジスタＱ１，Ｑ２に同じエミッタサイズの素子を使用し、抵抗Ｒ２，Ｒ３の抵抗値を同じに設定すれば、トランジスタＱ２のベースバイアス電圧と同じベースバイアス電圧をトランジスタＱ１に与えることができる。
【０００４】
この低雑音増幅器１０を使用して自動利得制御増幅器を構成する場合は、図６に示すように、信号出力端子２の信号のレベルを検出して制御信号を生成する制御回路１１と、その制御回路１１によって制御される可変減衰回路１２によって実現できる。可変減衰回路１２は低雑音増幅器１０の信号入力端子１と接地との間に接続される（特許文献１）。
【０００５】
図６の自動利得制御増幅器では、信号入力端子１に入力する信号のレベルが大きくなって信号出力端子２の信号のレベルが所定値を超えると、その超えた程度に応じて制御回路１１において制御信号が生成されて、可変減衰回路１２がその減衰量が大きくするように制御されることで、信号出力端子２から出力する信号のレベルが一定値に制御される。
【０００６】
ところで、低雑音増幅器１０に希望波とその希望波の近傍の周波数の妨害波の２波が大きな電力で入力すると、低雑音増幅器１０の非線形特性によって、３次相互変調歪ＩＭ３が発生する（特許文献１）。例えば希望波の周波数をｆ１、妨害波の周波数をｆ２とすると、周波数が２ｆ１−ｆ２、２ｆ２−ｆ１の３次相互変調成分が生成され、周波数ｆ１の希望波に悪影響を与える。
【０００７】
また、低雑音増幅器１０の後段に接続される図示しない回路ブロックに、その回路ブロックの入力許容範囲を超える信号が入力した場合も、その回路ブロックにおいて３次相互変調歪が発生する。これに対する対策として、低雑音増幅器１０から一定以上の信号が出力されないように図６に示したような自動利得制御増幅器を構成する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２７１２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前記した３次相互変調歪ＩＭ３は増幅器の非線形性に起因している。このため、この３次相互変調歪ＩＭ３を低減するには増幅器の非線形性を改善する必要がある。図５に示した低雑音増幅器１０に非線形性が生じる要因の１つに、トランジスタＱ１のベースバイアス電圧が挙げられる。
【００１０】
図７（ａ）にトランジスタＱ１のベースバイアス電圧Ｖｂｅ１を変化させたときの低雑音増幅器１０における３次トランスコンダクタンスｇｍ３の特性を示す。この３次トランスコンダクタンスｇｍ３を小さくすると前記した３次相互変調歪ＩＭ３を低減することができる。
【００１１】
ベースバイアス電圧Ｖｂｅ１が大きくなると、図７（ａ）示すように、３次トランスコンダクタンスｇｍ３は小さくなるが、図７（ｂ）示すように、トランスコンダクタンスｇｍが大きくなる。
【００１２】
図７（ａ）のＡ１で示すように、３次トランスコンダクタンスｇｍ３が０になるときのベースバイアス電圧Ｖｂｅ１（＝０．８２Ｖ）では、図７（ｂ）にＢ１で示すように、トランスコンダクタンスｇｍが大きく（ｇｍ＝０．４５）なっている。ところが、バイポーラトランジスタの雑音指数ＮＦは、トランスコンダクタンスｇｍが大きくなると大きくなる場合がある。
【００１３】
以上から、トランジスタＱ１に固定のベースバイアス電圧を印加して低い雑音指数ＮＦと低い３次相互変調歪ＩＭ３を両立させることが困難であった。つまり、低雑音増幅器１０のトランジスタＱ１のベースバイアス電圧を固定的に設定して、図６に示したように、その低雑音増幅器１０の入力側に可変減衰回路１２を接続して自動利得制御増幅器を構成する回路構成では、３次相互変調歪ＩＭ３の改善と小信号動作時の雑音指数ＮＦの両者を両立させることができなかった。
【００１４】
本発明の目的は、低雑音増幅器の増幅トランジスタのベースバイアス電圧を調整できるようにして、低い雑音指数ＮＦと低い３次相互変調歪ＩＭ３の両立を可能にした自動利得制御増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、ベースが信号入力端子に接続されコレクタが信号出力端子に接続されるエミッタ接地型の増幅用の第１トランジスタと、エミッタ接地型のバイアス設定用の第２トランジスタと、該第２トランジスタのベースに一端が接続された第２抵抗と、前記第１トランジスタのベースに一端が接続され他端が前記第２抵抗の他端に接続された第３抵抗と、前記第２トランジスタのコレクタ及び前記第２抵抗と前記第３抵抗の共通接続点に電流を供給する電流源とを備える低雑音増幅器を有し、前記信号出力端子の出力電圧を検出して制御信号を生成する制御回路と、前記第３抵抗に並列接続された第１可変抵抗と、前記第２抵抗に並列接続された第１抵抗及び第２可変抵抗の直列回路と、前記第２抵抗と前記第３抵抗の共通接続点と接地間に接続されたキャパシタとをさらに有し、前記第１可変抵抗と前記第２可変抵抗は前記制御回路から出力する制御信号によって抵抗値が制御されることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の自動利得制御増幅器において、前記制御回路は、前記信号出力端子から出力する信号のレベルが小さいとき前記第１可変抵抗及び前記第２可変抵抗の抵抗値を大きな抵抗値に制御し、前記信号出力端子から出力する信号のレベルが大きいとき前記第１可変抵抗及び前記第２可変抵抗の抵抗値を小さな抵抗値に制御することを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の自動利得制御増幅器において、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタは同一エミッタサイズに設定され、前記第２抵抗と前記第３抵抗は同一抵抗値に設定され、前記第１抵抗は前記第２抵抗よりも小さな抵抗値に設定されていることを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項３に記載の自動利得制御増幅器において、前記第１抵抗の抵抗値は、前記信号入力端子に入力する信号のレベルが大きいときに前記低雑音増幅器の３次トランスコンダクタンスが０付近に留まる値に設定されていることを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の自動利得制御増幅器において、前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタをＭＯＳトランジスタに置き換えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の自動利得制御増幅器によれば、小信号入力時には、ベースバイアス電圧を３次トランスコンダクタンスｇｍ３が大きくなるが雑音指数ＮＦが最も小さくなるよう低雑音増幅装置のベースバイアス電圧を設定し、中大信号入力時には、ベースバイアス電圧をトランスコンダクタンスｇｍは大きくなるが３次トランスコンダクタンスｇｍ３が小さくなるよう、つまり３次相互変調歪ＩＭ３が小さくなるよう低雑音増幅装置のベースバイアス電圧を設定することができるので、小信号入力時の雑音指数ＮＦを小さく且つ中大信号入力時の３次相互変調歪ＩＭ３を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】低雑音増幅器を利用した本発明の実施例の自動利得制御増幅器の回路図である。
【図２】図１の可変抵抗をＭＯＳトランジスタで実現した自動利得制御増幅器の回路図である。
【図３】図２の制御回路の機能ブロック図である。
【図４】図３の制御回路の検波回路の具体的回路図である。
【図５】従来の低雑音増幅器の回路図である。
【図６】図５の低雑音増幅器をそのまま使用した従来の自動利得制御装置の回路図である。
【図７】低雑音増幅器の増幅用トランジスタのベースバイアス電圧に対する３次トランスコンダクタンスｇｍ３とトランスコンダクタンスｇｍの特性図である。
【図８】本実施例と従来例の低雑音増幅器の３次相互変調歪ＩＭ３の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に本発明の１つの実施例の低雑音増幅器を使用した自動利得制御増幅器の回路を示す。図５で説明した低雑音増幅器におけるものと同じものには同じ符号を付けた。５は信号出力端子２の出力電圧を取り込んで利得制御のための制御信号を生成する制御回路、ＶＲ１、ＶＲ２は制御回路５によって抵抗値が制御される可変抵抗である。可変抵抗ＶＲ１は抵抗Ｒ３に並列に接続されている。可変抵抗ＶＲ２は一端が抵抗Ｒ２，Ｒ３の共通接続点に接続され他端が抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ２のベースに接続されている。抵抗Ｒ２，Ｒ３の共通接続点と接地との間には、中大信号入力時に信号入力端子１から入力された信号を接地に逃がすキャパシタＣ２が接続されている。
【００１９】
トランジスタＱ１、Ｑ２は同じエミッタサイズに設定され、抵抗Ｒ２，Ｒ３は同じ抵抗値に設定され、抵抗Ｒ１の抵抗値は抵抗Ｒ２よりも小さく設定される。
【００２０】
本実施例の自動利得制御増幅器は、信号出力端子２の出力電圧が低くなって自動利得制御による信号減衰が行われない小信号入力時（自動利得制御オフ）は、制御回路５によって可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２の抵抗値が最大値に制御される。この結果、抵抗Ｒ１と可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２は回路から外された状態となって、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ１、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ２は、
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となる、Ｒ２＝Ｒ３＝２０ｋΩとし、電流源４の電流値Ｉ１を所定値に設定しておくと、
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にすることができる。
【００２１】
このときは、図７（ａ）のＡ２に示すように、３次トランスコンダクタンスｇｍ３が最大値（ｇｍ３＝１１０）となるので、３次相互変調歪ＩＭ３も最大値になる。また、図７（ｂ）のＢ２に示すように、トランスコンダクタンスｇｍはｇｍ＝０．１８である。雑音指数ＮＦはトランスコンダクタンスｇｍが所定値のときに最適値（最小値）になるが、当該所定値よりも大きくても小さくても大きくなる傾向を示す。よって、ｇｍ＝０．１８のとき雑音指数ＮＦが最適値となるように設定しておけば、Ｖｂｅ１＝０．７８Ｖに設定することで雑音指数ＮＦを最適値にできる。なお、このときは小信号入力時であるので、３次相互変調歪ＩＭ３は大きな問題とならない。
【００２２】
一方、信号入力が大きくなって信号出力端子２の出力電圧が高くなると自動利得制御による減衰動作が行われ（自動利得制御オン）、制御回路５によって可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２の抵抗値が小さくなる。そして、その抵抗値が最小値（抵抗値がほぼ０Ω）になったときは、抵抗Ｒ２に抵抗Ｒ１が並列接続され、抵抗Ｒ３は短絡状態となる。このとき、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ１は、Ｉｂ２をトランジスタＱ２のベース電流とすると、
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となり、小信号入力時（自動利得制御オフ）に設定したＶｂｅ１から、Ｉｂ２×Ｒ１分高くなる。このＩｂ２×Ｒ１を適宜設定することで、Ｖｂｅ１＝０．８２Ｖにできる。このように、可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２の抵抗値を最大値から最小値に変化させると、トランジスタＱ１のベースバイアス電圧Ｖｂｅ１を０．７８Ｖから０．８２Ｖに変化させることができる。
【００２３】
このときは、図７（ａ）のＡ１に示すように、３次トランスコンダクタンスｇｍ３が０となるので、３次相互変調歪ＩＭ３が小さくなる。なお、図７（ｂ）のＢ１に示すように、トランスコンダクタンスｇｍが雑音指数ＮＦの最適値から変化するため、雑音指数ＮＦが大きくなるが、このときは大信号入力時であるので、雑音指数ＮＦは大きな問題とならない。
【００２４】
以上のように、本実施例の自動利得制御増幅器では、小信号入力時には増幅用トランジスタＱ１のベースバイアス電圧Ｖｂｅ１が、３次トランスコンダクタンスｇｍ３が大きくなるがトランスコンダクタンスｇｍが雑音指数ＮＦの最適値となるよう設定され、中大信号入力時には増幅トランジスタＱ１のベースバイアス電圧Ｖｂｅ１が、トランスコンダクタンスｇｍは大きくなるが３次トランスコンダクタンスｇｍ３が小さく、つまり３次相互変調歪ＩＭ３が小さくなるよう設定されるので、小信号入力時の雑音指数ＮＦを小さく且つ中大信号入力時の３次相互変調歪ＩＭ３を小さくすることができる。図８に示すように、自動利得制御（ＡＧＣ）が動作する大きな入力信号レベルの領域において、３次相互変調歪ＩＭ３は従来例に比べて最大で２０ｄＢ程度も低減できる。
【００２５】
なお、抵抗Ｒ１の抵抗値は、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の値が最低値に制御される最大入力時に、低雑音増幅器の３次トランスコンダクタンスｇｍ３が０付近に留まる値に設定されることが望ましい。例えば、ある条件下では、Ｒ２＝Ｒ３＝２０ｋΩ、Ｒ１＝１ｋΩなどである。
【００２６】
図２は可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２をＮＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２で実現した自動利得制御増幅器の回路を示すものである。このトランジスタＭ１，Ｍ２を使用するときは、小信号入力時は制御回路５の出力電圧を低くし、中大入力時は高くすることで、前記した制御を実現することができる。
【００２７】
図３は図２の自動利得制御増幅器に適用する制御回路５の機能ブロック図である。図２の自動利得制御増幅器の出力端子２に接続される入力端子５１に検波回路５２が接続され、この検波回路５２から出力する信号が、オペアンプ５３とキャパシタＣ３と基準電圧Ｖｒｅｆ１により構成された積分器型の誤差増幅器によって増幅されて、出力端子５４から出力する。基準電圧Ｖｒｅｆ１によって自動利得制御増幅器の出力端子２に出力すべき信号のレベルが設定される。
【００２８】
図４に図３の検波回路５２の具体回路を示す。図３の入力端子５１に接続される入力端子５２１がベースに接続されたＮＰＮトランジスタＱ３と、基準電圧Ｖｒｅｆ２がベースに印加されるＮＰＮトランジスタＱ４と、トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタに接続された負荷抵抗Ｒ４，Ｒ５と、トランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタに接続された電流源５２２と、トランジスタＱ３のコレクタにベースが接続されたＮＰＮトランジスタＱ５と、トランジスタＱ４のコレクタにベースが接続されたＮＰＮトランジスタＱ６と、両トランジスタＱ５，Ｑ６のエミッタに接続された電流源５２３によって構成される。トランジスタＱ５，Ｑ６と電流源５２３は全波整流回路を構成している。５２４はオペアンプ５３に接続される出力端子である。
【００２９】
この検波回路５２では、入力端子５２１に入力する信号が基準電圧Ｖｒｅｆ２より高いときはトランジスタＱ３、Ｑ６が動作し、基準電圧Ｖｒｅｆ２より低いときはトランジスタＱ４、Ｑ５が動作して、入力端子５２１に入力したＡＣ信号を全波整流した信号を出力端子５２４から出力する。この全波整流された信号は、図３で説明したオペアンプ５３からなる積分器型の誤差増幅器によって平滑されて出力端子５４から出力する。
【００３０】
なお、以上説明したバイポーラトランジスタＱ１〜Ｑ６は、ＭＯＳトランジスタに置き換えることができることは勿論である。
【符号の説明】
【００３１】
１：信号入力端子、２：信号出力端子、３：負荷、４：電流源、５：制御回路、５１：入力端子、５２：検波回路、５３：オペアンプ、５４：出力端子、５２１：入力端子、５２２，５２３：電流源、５２４：出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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