(57)【要約】【課題】精度良く増幅器における増幅段トランジスタのトランスコンダクタンスを一定に制御することのできるバイアス電流生成回路を提供する。【解決手段】スイッチ４がオンされて定電流源が接続されることで、供給する電流量を変化させるバイアス電流供給回路から電流を供給されてバイアス電圧を発生するバイアス回路７と、スイッチ４がオンの場合とオフの場合のバイアス電圧を比較して、変化量を検出する比較検出回路５と、変化量が所定の値に近づくように可変電流源２からの電流を制御するバイアス制御回路６を備え、制御されたバイアス電流を増幅器に供給するようにした。【選択図】図２
2010161485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチを介して並列に接続された可変電流源及び定電源流からなり、前記スイッチがオンされて前記定電流源が接続されることで、供給する電流量を変化させるバイアス電流供給回路と、
該バイアス電流供給回路から電流を供給されてバイアス電圧を発生するバイアス回路と、
前記スイッチがオンの場合とオフの場合の前記バイアス電圧を比較して、変化量を検出する比較検出回路と、
前記変化量が所定の値に近づくように前記可変電流源からの電流を制御するバイアス制御回路と、
を備えることを特徴とするバイアス電流生成回路。
【請求項２】
請求項１に記載のバイアス電流生成回路において、前記バイアス制御回路はディジタル回路によって構成されたことを特徴とするバイアス電流生成回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のバイアス電流生成回路と接続され、該バイアス電流生成回路によって生成されたバイアス電流を用いることを特徴とする増幅器。
【請求項４】
請求項３に記載の増幅器を備えたことを特徴とする通信送受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイアス電流生成回路及びそれを用いた増幅器に関し、特に温度条件や製造条件による利得変動を減らすバイアス電流の補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
増幅器の利得は、製造時のばらつきや温度条件によって変化するが、これらによらずに一定の値に制御されることが求められる。増幅器の利得を一定に保つ方法の一つとして、増幅器のバイアスを条件にあわせて制御する方法があげられる。
図７は、従来の増幅器におけるバイアス電流制御の示す図である。
具体的には、図７に例を示すとおり、増幅器５０の増幅段トランジスタ５１のトランスコンダクタンス（以降ｇmと記す）が一定になるようにバイアス回路５２に流すバイアス電流を制御する。
ここでトランジスタ５１のｇmは式１で表される。
2010161485.tif 000003
・・・（式１）
ここで、ｄＩdはドレイン電流の微小変化、ｄＶｇはゲート電圧の微小変化をあらわす。製造時のばらつきや温度条件、バイアス（ＶｇのＤＣ電圧）によってｇmは変化する。
【０００３】
次に、図８は、ｇmを一定にするバイアス電流を生成する従来の回路を示す図である（非特許文献１参照）。図８において、トランジスタ６０のトランジスタ６１に対するサイズ比をｍ、抵抗６２の値をＲとすると、トランジスタ６１のｇmは
2010161485.tif 000004
・・・（式２）
で与えられる。これは、トランジスタの製造条件や温度条件によらず、ｇmがｍとＲにのみ依存し、一定とすることができることを意味する。
【０００４】
図９は、ｇmを一定にするバイアス電流を生成する従来の別の回路を示す図である（特許文献１参照）。
図９においては、一対の差動トランジスタにおいて、ゲートに電圧差を与え、そのドレイン電流差が一定値になるようにバイアス電流を制御する。
すなわち、トランジスタ７０と７１に流れる電流差がΔＩdに等しくなるようにバイアス電流調整回路７２によってテール電流源７３を調整すると、
2010161485.tif 000005
・・・（式３）
が成り立つ。このため、ΔＩd及びΔＶinを与えることで任意のｇmとなるようなバイアス電流を生成できる。
【特許文献１】特開２００７−１８４６８８公報
【非特許文献１】Thomas H. Lee著「The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits Second Edition」Cambridge University Press出版、第３２５頁から第３２８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、プロセスの微細化と回路動作の高速化の要望から、増幅器のトランジスタはゲート長を小さく設計することが要求される。一方で、ｇmが一定となるようなバイアス電流生成回路のトランジスタのゲート長Ｌを、増幅器のトランジスタにあわせて小さくすると、バイアス電流生成回路の消費電流が大きくなってしまうという欠点がある。消費電流を少なくするためにゲート幅Ｗを小さくすると、トランジスタの面積が小さくなり、製造上のばらつき（トランジスタの閾値電圧等のミスマッチ）により、誤差が大きくなってしまう。逆に、製造上のばらつきをおさえるためにトランジスタの面積を大きくし、かつ消費電流を下げるためには、バイアス電流生成回路におけるトランジスタのゲート長Ｌを大きくする必要があるが、校正用のバイアス電流生成回路のトランジスタと増幅器のトランジスタで特性が違ってしまい、精度が落ちるという欠点がある。従って、図８、図９のバイアス電流生成回路では精度よくｇmを一定に制御することができない。
本発明は、かかる事情に鑑み、精度良く増幅器における増幅段トランジスタのトランスコンダクタンスを一定に制御することのできるバイアス電流生成回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、スイッチを介して並列に接続された可変電流源及び定電源流からなり、前記スイッチがオンされて前記定電流源が接続されることで、供給する電流量を変化させるバイアス電流供給回路と、該バイアス電流供給回路から電流を供給されてバイアス電圧を発生するバイアス回路と、前記スイッチがオンの場合とオフの場合の前記バイアス電圧を比較して、変化量を検出する比較検出回路と、前記変化量が所定の値に近づくように前記可変電流源からの電流を制御するバイアス制御回路と、を備えるバイアス電流生成回路を特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のバイアス電流生成回路において、前記バイアス制御回路はディジタル回路によって構成されたバイアス電流生成回路を特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のバイアス電流生成回路と接続され、該バイアス電流生成回路によって生成されたバイアス電流を用いる増幅器を特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の増幅器を備えた通信送受信回路を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように構成したので、本発明は、バイアス電流を変化させたときのバイアス電圧の変化を検知することで、バイアス電流生成回路を接続した増幅器の増幅段トランジスタのコンダクタンスを検出するようにしたので、製造上のばらつきによって生じる個々のデバイスの特性の違いに影響されないようにすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明のバイアス電流生成回路の動作原理の概要を説明する図である。
図１において、バイアス回路７に流れるバイアス電流は、可変電流源２（流れる電流をＩdとする）と、スイッチ４を介して接続した定電流源３（ΔＩdとする）とによって供給さされている。
ただし、このような構成が唯一ではなく、電流ＩdとＩd＋ΔＩdの両方がバイアス回路７に供給できれば良い。ここでΔＩdはＩdに比べて十分に小さいものとする。スイッチ４がオフのときはバイアス回路７に流れる電流はＩdであり、このときのバイアス電圧をＶgとする。また、スイッチ４がオンのときはバイアス回路７に流れる電流はＩd＋ΔＩdであり、このときのバイアス電圧はＶg＋ΔＶgとなる。
次に、ゲート電圧差（バイアス電圧差）検出・比較回路５により、スイッチ４のオン・オフにともなうバイアス回路７のバイアス電圧差ΔＶgを検出し、既定の固定値と比較してその大小を出力する。
次に、バイアス電流制御回路６により、スイッチ４のオン・オフによって生じるバイアス電圧差ΔＶgが規定値になるべく近くなるように、可変電流源２からのバイアス電流Ｉdを制御する。
【０００９】
図２は、本発明のバイアス電流生成回路を用いた増幅器の一例を示す図である。
図２において、バイアス電流生成回路１Ａに、増幅器のバイアス回路２０が接続される構成となっている。
バイアス回路２０には、増幅段トランジスタ２１が含まれており、また、バイアス電流生成回路１Ａのバイアス回路としてトランジスタ１５を使用している。
なお、図１と同じ構成について同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
トランジスタ１５に流れる電流は、可変電流源２とスイッチ４を介して接続する定電流源３によって決まる。
なお、スイッチ４、１０、１１は、図示しない制御回路によって適宜制御されるものとする。
【００１０】
今、可変電流源２の電流値がＩdに設定されているとする。スイッチ４がオフのとき、トランジスタ１５に流れる電流はＩdである。このとき、トランジスタ１５のゲート電圧はＶgであるとする。
次にスイッチ４をオンとした場合、トランジスタ１５に流れる電流はＩd＋ΔＩdとなる。このとき、ゲート電圧はＶg＋ΔＶgとなるとする。ｇmの定義（式４）より、トランジスタ１５にバイアス電流Ｉdを流したときのｇmは
2010161485.tif 000006
・・・（式４）
となる。式４において、ΔＩdがＩdに比べて十分に小さい場合に等号が成り立つ。
次にゲート電圧差検出・比較回路５の動作を説明する。
まず、スイッチ４がオフのとき、ゲート電圧差検出・比較回路５のスイッチ１０をオフとし、スイッチ１１は図中上側（電圧Ｖa）を選択するようにする。
【００１１】
図３は、この状態のゲート電圧差検出・比較回路５のみを抜き出した図である。
図３において、比較器１３によるフィードバックがかかっているため、容量１２には電圧Ｖg−Ｖaに比例した電荷がチャージされる。
次に、スイッチ４をオンとし、ゲート電圧差検出・比較回路５のスイッチ１０はオフとする。このとき、スイッチ１１は図中下側（電圧Ｖa＋ΔＶa）を選択するようにする。
図４は、この状態のゲート電圧差検出・比較回路５のみを抜き出した図である。
先述のようにトランジスタ１５のゲート電圧はＶg＋ΔＶgとなっていることと、図３の場合においてチャージされた容量１２の電荷は保存されていることより、ノード１４の電圧は
2010161485.tif 000007
・・・（式５）
となる。これより、比較器１３の出力スイッチ４のオン・オフによるΔＶgとΔＶaの大小の比較結果となる。
以上のように、比較器１３はスイッチ１０のオン時の入力電圧差と、スイッチ１０のオフ時の入力電圧差との大小を比較するため、仮に比較器１３自身に非理想特性としてＤＣオフセットが存在したとしても、結果に影響を与えないという利点がある。
【００１２】
次に、バイアス電流制御回路６について説明する。
先述のように、比較器１３の出力結果は、スイッチ４のオン・オフによるトランジスタ１５のゲート電圧差ΔＶgと固定値ΔＶaと比較結果である。バイアス電流制御回路６では、ΔＶg＝ΔＶaとなるようにＩdを制御する。このときトランジスタ１５は
2010161485.tif 000008
・・・(式６)
が成り立っており、ｇmを一定にするバイアス電流Ｉdが生成できていることがわかる。このバイアス電流Ｉdを増幅器のバイアス回路２０に用いれば、バイアス回路２１の増幅段トランジスタ２１のｇmも一定とすることが出来る。
さらに、ｇmを一定とするような電流値はディジタル情報として保存することができるため、バイアス電流制御回路６をディジタル回路としてディジタル信号処理により実装することができ、Ｉdの値を離散的に変化させることが出来る。また、バイアス電流制御回路６の消費電流と実装面積を小さくすることができる。また、回路のいろいろな部分でｇmを一定とする電流値をディジタル制御線で設定するだけで簡単に生成することができる。
【００１３】
図５は、本発明に係るバイアス電流生成回路の変形例を示す図である。
図５の例において、バイアス電流生成回路１Ｂ内のトランジスタ１５のゲート電圧（ノード１６）を直接バイアス電圧として増幅器に供給してもよい。
以上のように、本発明のバイアス電流生成回路においては、バイアス電流を変化させたときのバイアス電圧の変化をみることでｇmを検出しているため、製造上のばらつきによって生じる個々のデバイスの特性の違いに影響されない。また、ｇmの定義どおりにバイアスの電流差と電圧差の比が一定となるようにバイアス電流を制御するため、このバイアス電流生成回路で作った電流をもちいると、半導体プロセスの微細化にともなってトランジスタの特性が複雑に変化しても、ｇmが一定とすることができる。
また、ｇmを一定にするようなバイアス電流を受け、ｇmを一定にするようなバイアス電圧を精度良く生成することができる。
また、かかるバイアス電流生成回路を用いることで、製造条件や温度条件によらずに利得を安定に保つことができる増幅器を実現できる。
【００１４】
図６は、本発明に係る増幅器を用いた通信装置の例を示す図である。
図６に示すよう通信装置３０は、アンテナ３１、アンテナへの入出力をそれぞれ切り替えるスイッチ３２、アンテナ３１から送信される信号を増幅するための送信用のＲＦ（Radio Frequency）部３３と、アンテナ３１により受信された信号を増幅するための受信用のＲＦ部３４と、受信用ＲＦ部３４により増幅された信号をインターフェイス信号に、送信用ＲＦ部３４で増幅されて送信されるべきインターフェイス信号をＲＦ信号に変換する周波数変換部３５と、ＲＦ信号、インターフェイス信号に対して信号処理を行うベースバンド部３６等から構成されている。
また、送信側ＲＦ部３３は、増幅器３７等を含み、受信用ＲＦ部３４は、受信したＲＦ信号を増幅する増幅器３８を含む。
増幅器３７、３８として、本発明のバイアス電流生成回路を用いた増幅器を用いることができ、通信装置に用いれば、内部に含まれる増幅器の利得が製造条件や温度条件によらずに一定に保たれるため、条件による半導体素子の特性変化を考慮しなくてもよく、回路構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のバイアス電流生成回路の動作原理の概要を説明する図。
【図２】本発明のバイアス電流生成回路を用いた増幅器の一例を示す図。
【図３】ゲート電圧差検出・比較回路の詳細図（その１）。
【図４】ゲート電圧差検出・比較回路の詳細図（その２）。
【図５】本発明に係るバイアス電流生成回路の変形例を示す図。
【図６】本発明に係る増幅器を用いた通信装置の例を示す図。
【図７】従来の増幅器におけるバイアス電流制御の示す図。
【図８】ｇmを一定にするバイアス電流を生成する従来の回路を示す図。
【図９】ｇmを一定にするバイアス電流を生成する従来の別の回路を示す図。
【符号の説明】
【００１６】
１  バイアス電流生成回路、２  可変電流源、３  定電流源、４  スイッチ、５  ゲート電圧差検出・比較回路、６  バイアス電流制御回路、７  バイアス回路、１０  スイッチ、１１  スイッチ、１２  容量、１３  比較器、１４  ノード、１５  トランジスタ、２０  （増幅器の）バイアス回路、２３  ノード、２４  トランジスタ、３０  通信装置、３１  アンテナ、３２  スイッチ、３３  送信側ＲＦ部、３４  受信用ＲＦ部、３４  送信用ＲＦ部、３５  周波数変換部、３６  ベースバンド部、３７、３８  増幅器、５０  増幅器、５１  トランジスタ、５１  増幅段トランジスタ、５２  バイアス回路、６０  トランジスタ、６１  トランジスタ、６２  抵抗、７０  トランジスタ、７２  バイアス電流調整回路、７３  テール電流源
【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】
2010161485.tif 000013
【図６】
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【図７】
2010161485.tif 000015
【図８】
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【図９】
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