(57)【要約】【課題】  雑音特性および動作の安定性がよい低雑音増幅器を提供する。【解決手段】  この低雑音増幅器では、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量に比べて容量が十分に大きなコンデンサ９を、電界効果トランジスタ３のドレインＤとソースＳとの間に設けることによって、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量を擬似的に変化させる。これにより、高周波用のトランジスタを用いた低雑音増幅器の寄生発振の発振条件を変化させることができ、寄生発振を回避することが可能となる。したがって、雑音特性および動作の安定性がよい低雑音増幅器が実現できる。【選択図】        図１
2006067058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その第１の端子が入力信号を受け、その第２の端子が負荷回路を介して電源電圧を受けるとともに出力ノードに接続され、その第３の端子が抵抗素子を介して基準電圧を受けるトランジスタを備え、前記入力信号を低雑音で増幅した信号を出力する低雑音増幅器において、
前記トランジスタ内部の寄生容量よりも十分大きな容量を有し、前記低雑音増幅器の寄生発振を抑制するためのコンデンサが前記トランジスタの前記第２の端子と前記第３の端子との間に接続され、前記トランジスタの推奨使用周波数は前記入力信号の周波数の２倍以上であることを特徴とする低雑音増幅器。
【請求項２】
その第１の端子が入力信号を受け、その第２の端子が負荷回路を介して電源電圧を受けるとともに出力ノードに接続され、その第３の端子が抵抗素子を介して基準電圧を受けるトランジスタを備え、前記入力信号を低雑音で増幅した信号を出力する低雑音増幅器において、
前記トランジスタ内部の寄生容量よりも十分大きな容量を有し、前記低雑音増幅器の寄生発振を抑制するためのコンデンサが前記トランジスタの前記第１の端子と前記第３の端子との間に接続され、前記トランジスタの推奨使用周波数は前記入力信号の周波数の２倍以上であることを特徴とする低雑音増幅器。
【請求項３】
前記トランジスタは、電界効果トランジスタである、請求項１または請求項２に記載の低雑音増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低雑音増幅器に関し、特に、トランジスタを用いて入力信号を低雑音で増幅する低雑音増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
微弱な入力信号を低雑音で増幅する低雑音増幅器では、入力信号を増幅するための能動素子として電界効果トランジスタ（ＦＥＴ： Field Effect Transistor）などのトランジスタが用いられる。
【０００３】
図８は、従来の低雑音増幅器の概略構成を示す回路ブロック図である。図８において、この低雑音増幅器は、入力端子１０１、入力整合回路１０２、電界効果トランジスタ１０３、コイル１０４、抵抗素子１０５，１０６、コンデンサ１０７、電源端子１０８、出力整合回路１０９および出力端子１１０を備える。
【０００４】
電界効果トランジスタ１０３のゲートＧは、入力整合回路１０２を介して入力端子１０１に接続されるとともに、コイル１０４を介して接地電位ＧＮＤのラインに接続される。電界効果トランジスタ１０３のドレインＤは、抵抗素子１０６を介して電源端子１０８に接続されるとともに、出力整合回路１０９を介して出力端子１１０に接続される。電界効果トランジスタ１０３のソースＳは、抵抗素子１０５を介して接地電位ＧＮＤのラインに接続される。コンデンサ１０７は、電源端子１０８と接地電位ＧＮＤのラインとの間に接続される。
【０００５】
入力整合回路１０２は低雑音増幅器の入力インピーダンスの整合をとり、出力整合回路１０９は低雑音増幅器の出力インピーダンスの整合をとる。電界効果トランジスタ１０３には、たとえばＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor：金属・半導体電界効果トランジスタ）やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）などを用いる。コイル１０４および抵抗素子１０６は、入力信号の周波数におけるインピーダンスが高いものとする。なお、コイル１０４の代わりに抵抗素子を用いてもよい。また、抵抗素子１０６の代わりにコイルを用いてもよい。
【０００６】
ここで、一般に増幅動作可能な上限周波数が高いトランジスタほど雑音特性（ＮＦ：Noise Figure）がよい傾向がある。また、トランジスタは低周波数帯域ほど雑音特性はよく、高周波数帯域ほど雑音特性は悪い。したがって、入力信号の周波数よりも十分に高い周波数まで使用可能なトランジスタ（以下、高周波用のトランジスタと称する）を電界効果トランジスタ１０３に用いることによって、トランジスタを雑音特性のよい周波数帯域で使用することができる。
【０００７】
しかし、高周波用のトランジスタは高い周波数においても十分大きな利得を有するため、低雑音増幅器に高周波用のトランジスタを用いると寄生発振（異常発振）が発生しやすくなるという問題があった。特に、雑音特性がよくなる条件（入出力インピーダンスの整合条件）と、安定な増幅動作が可能で寄生発振が生じにくくなる条件（入出力インピーダンスの安定条件）とは一致しないのが普通であるため、雑音特性を重視して高周波用のトランジスタを採用すると動作の安定性がさらに悪くなってしまうという問題があった。
【０００８】
下記の特許文献１には、増幅用デバイスである電界効果トランジスタのゲート側を、コンデンサとコイルと抵抗とからなる直列共振回路を介して接地した高周波低雑音増幅器が開示されている。この場合、雑音指数を悪化させることなく、また利得を失うことなく安定に電界効果トランジスタを動作させることができるとしている。
【特許文献１】特開平６−１８８６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、従来の低雑音増幅器では、雑音特性を重視して高周波用のトランジスタを採用すると動作の安定性が悪くなってしまうという問題があった。
【００１０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、雑音特性および動作の安定性がよい低雑音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】
【００１１】
この発明に係わる低雑音増幅器は、その第１の端子が入力信号を受け、その第２の端子が負荷回路を介して電源電圧を受けるとともに出力ノードに接続され、その第３の端子が抵抗素子を介して基準電圧を受けるトランジスタを備え、入力信号を低雑音で増幅した信号を出力する低雑音増幅器において、トランジスタ内部の寄生容量よりも十分大きな容量を有し、低雑音増幅器の寄生発振を抑制するためのコンデンサがトランジスタの第２の端子と第３の端子との間に接続され、トランジスタの推奨使用周波数は入力信号の周波数の２倍以上である。
【００１２】
この発明に係わる他の低雑音増幅器は、その第１の端子が入力信号を受け、その第２の端子が負荷回路を介して電源電圧を受けるとともに出力ノードに接続され、その第３の端子が抵抗素子を介して基準電圧を受けるトランジスタを備え、入力信号を低雑音で増幅した信号を出力する低雑音増幅器において、トランジスタ内部の寄生容量よりも十分大きな容量を有し、低雑音増幅器の寄生発振を抑制するためのコンデンサがトランジスタの第１の端子と第３の端子との間に接続され、トランジスタの推奨使用周波数は入力信号の周波数の２倍以上である。
【００１３】
好ましくは、トランジスタは、電界効果トランジスタである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係わる低雑音増幅器では、トランジスタの推奨使用周波数を入力信号の周波数の２倍以上とし、トランジスタ内部の寄生容量よりも十分大きな容量を有し、低雑音増幅器の寄生発振を抑制するためのコンデンサがトランジスタの第２の端子と第３の端子との間に接続されている。これにより、高周波用のトランジスタを用いた低雑音増幅器の寄生発振の発振条件を変化させることができ、寄生発振を回避することが可能となる。したがって、雑音特性および動作の安定性がよい低雑音増幅器が実現できる。
【００１５】
この発明に係わる他の低雑音増幅器では、トランジスタの推奨使用周波数を入力信号の周波数の２倍以上とし、トランジスタ内部の寄生容量よりも十分大きな容量を有し、低雑音増幅器の寄生発振を抑制するためのコンデンサがトランジスタの第１の端子と第３の端子との間に接続されている。この場合も、高周波用のトランジスタを用いた低雑音増幅器の寄生発振の発振条件を変化させることができ、寄生発振を回避することが可能となる。したがって、雑音特性および動作の安定性がよい低雑音増幅器が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
〔実施の形態１〕
図１は、この発明の実施の形態１による低雑音増幅器の概略構成を示す回路ブロック図である。図１において、この低雑音増幅器は、入力端子１、入力整合回路２、電界効果トランジスタ３、コイル４、抵抗素子５，６、コンデンサ７，９，１０、電源端子８、出力整合回路１１および出力端子１２を備える。
【００１７】
電界効果トランジスタ３の第１の端子であるゲートＧは、入力整合回路２を介して入力端子１に接続されるとともに、コイル４を介して接地電位ＧＮＤのラインに接続される。電界効果トランジスタ３の第２の端子であるドレインＤは、抵抗素子６を介して電源端子８に接続されるとともに、出力整合回路１１を介して出力端子１２に接続される。電界効果トランジスタ３の第３の端子であるソースＳは、抵抗素子５を介して接地電位ＧＮＤのラインに接続される。コンデンサ７は、電源端子８と接地電位ＧＮＤのラインとの間に接続される。コンデンサ９は、電界効果トランジスタ３のドレインＤとソースＳとの間に接続される。コンデンサ１０は、電界効果トランジスタ３のドレインＤと接地電位ＧＮＤのラインとの間に接続される。ただし、このコンデンサ１０は設けなくてもよい。
【００１８】
入力整合回路２は入力インピーダンスの整合をとり、出力整合回路１１は出力インピーダンスの整合をとる。電界効果トランジスタ３には、たとえばＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴなどを用いる。コイル４および抵抗素子６は、入力信号の周波数におけるインピーダンスが高いものとする。なお、コイル４の代わりに抵抗素子を用いてもよい。また、抵抗素子６の代わりにコイルを用いてもよい。
【００１９】
電界効果トランジスタ３は雑音特性のよい高周波用のトランジスタ（ここでは、推奨使用周波数が約５ＧＨｚ）とし、その推奨使用周波数が入力信号の周波数（たとえば、２．３ＧＨｚ）の２倍以上になるトランジスタを用いる。なお、ここで言う推奨使用周波数とは、トランジスタの仕様書やカタログなどにおいて、概要として示されている周波数帯や、アプリケーション例などとして示されているシステムで使用される周波数帯のことを意味する。たとえば、この実施の形態１で使用するトランジスタでは、概要として「Ｃ〜Ｋｕ帯低雑音・高利得増幅用電界効果トランジスタ」と記載されており、アプリケーション例として「ＤＢＳのゲイン段用、５．８ＧＨｚ帯ＷＬＡＮ用」と記載されている。
【００２０】
ここで、高周波用のトランジスタは高い周波数においても十分大きな利得を有するため、低雑音増幅器に高周波用のトランジスタを用いると寄生発振が発生しやすくなってしまうという問題がある。次に、寄生発振の発振条件について説明する。
【００２１】
図２は、図１に示した低雑音増幅器のインピーダンスについて説明するための概念図である。図２において、電界効果トランジスタ３の周辺回路、およびマイクロストリップラインなどで構成された引回し線のインピーダンス（共振段のインピーダンス）をＺresoとし、電界効果トランジスタ３のインピーダンス（増幅段のインピーダンス）をＺampとすると、インピーダンスＺreso，Ｚampはそれぞれ以下の数式（１）（２）で表わされる。
【００２２】
Ｚreso  ＝  Ｒreso  ＋  ｊＸreso   …（１）
Ｚamp  ＝  Ｒamp  ＋  ｊＸamp      …（２）
ここで、実数部のＲreso，ＲampはそれぞれＺreso，Ｚampの抵抗成分、虚数部のＸreso，ＸampはそれぞれＺreso，Ｚampのリアクタンス成分を示す。この場合、寄生発振の発振条件は以下の数式（３）（４）で表わされる。
【００２３】
Ｒreso  ＋  Ｒamp  ≦  ０   …（３）
Ｘreso  ＋  Ｘamp  ＝  ０   …（４）
低雑音増幅器に高周波用のトランジスタを用いると、数式（３）（４）で示した発振条件を満たす可能性が高くなり、寄生発振が発生しやすくなってしまう。しかし、回路レイアウトを変更したり周辺回路部品の組合せを変更したりすることによって、この発振条件を回避するのは困難である。また、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量および寄生インダクタンスを変更することは不可能である。
【００２４】
そこで、本発明では、電界効果トランジスタ３のドレインＤとソースＳとの間にコンデンサ９を設けて、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量を擬似的に変化させることによって、数式（４）で示される発振条件を変化させる。
【００２５】
図３は、図１に示した電界効果トランジスタ３内部の構成を示す等価回路図である。図３において、この電界効果トランジスタ３は、コイル２１〜２３、コンデンサ２４〜２７、抵抗素子２８〜３３および電流源３４を含む。また、コンデンサ９は、電界効果トランジスタ３のドレインＤとソースＳとの間に接続される。
【００２６】
コイル２１は、ゲートＧとノードＮ２１との間に接続される。コンデンサ２４および抵抗素子２８は、ノードＮ２１とノードＮ２６との間に直列接続される。抵抗素子２９は、ノードＮ２１とノードＮ２２との間に接続される。コンデンサ２５および抵抗素子３０は、ノードＮ２２とノードＮ２５との間に直列接続される。コンデンサ２６は、ノードＮ２２とノードＮ２３との間に接続される。電流源３４および抵抗素子３２は、ノードＮ２３とノードＮ２５との間に並列接続される。抵抗素子３１は、ノードＮ２５とノードＮ２６との間に接続される。抵抗素子３３は、ノードＮ２３とノードＮ２４との間に接続される。コンデンサ２７は、ノードＮ２４とノードＮ２６との間に接続される。コイル２２は、ノードＮ２６とソースＳとの間に接続される。コイル２３は、ノードＮ２４とドレインＤとの間に接続される。
【００２７】
コイル２１〜２３のインダクタンスはそれぞれＬｇ，Ｌｓ，Ｌｄである。コンデンサ２４〜２７の容量はそれぞれＣｇｓｓ，Ｃｇｓ，Ｃｇｄ，Ｃｄｓである。抵抗素子２８〜３３の抵抗値はそれぞれＲｇｓｓ，Ｒｇ、Ｒｃ，Ｒｓ，Ｒｄｓ，Ｒｄである。電流源３４の電流量はＧｍ×Ｖｇ（ただし、Ｇｍは相互コンダクタンス、Ｖｇはゲート電圧）である。また、コンデンサ９の容量はＣである。
【００２８】
図４は、図３に示した電界効果トランジスタ３内部のドレイン・ソース間の構成を示す等価回路図である。図４を参照して、コイル２３、コンデンサ２７およびコイル２２は、ドレインＤとソースＳとの間に直列接続される。また、コンデンサ９は、ドレインＤとソースＳとの間に接続される。ここで、ドレイン・ソース間のインピーダンスをＺｄｓとすると、以下の数式（５）（６）が成立する。
【００２９】
【数１】
2006067058.tif 000003
【００３０】
たとえば、Ｌｄ＝Ｌｓ＝０．１（ｎＨ）、Ｃｄｓ＝０．０５（ｐＦ）とした場合、Ｃｚ＝０．０５（ｐＦ）となる。ここで、Ｃ＝０．３（ｐＦ）とすると、ＣｚはＣに比べて十分に小さいので、数式（６）は近似的に以下の数式（７）で表わされる。
【００３１】
【数２】
2006067058.tif 000004
【００３２】
したがって、コンデンサ９の容量ＣによってインピーダンスＺｄｓを変化させることができる。このインピーダンスＺｄｓは、そのリアクタンス成分のみからなる。このため、インピーダンスＺｄｓが変化すると、数式（２）で示したインピーダンスＺampのリアクタンス成分、すなわちＸampが変化する。したがって、数式（４）に示した発振条件を変化させることができる。これにより、寄生発振を回避することが可能になる。
【００３３】
ここで、低雑音増幅器の寄生発振が発生しやすい周波数１３．２ＧＨｚにおける安定化指数Ｋは、コンデンサ９を設けた場合は２３．４６８、コンデンサ９を設けなかった場合は０．７１９となる。安定化指数Ｋは動作の安定性を示す指標であり、Ｋ≦１は寄生発振が起こり得る不安定な状態を示し、Ｋ＞１は寄生発振が起こらない絶対安定の状態を示す。したがって、コンデンサ９を設けた場合は、低雑音増幅器は絶対安定の状態になるため、寄生発振を回避できることがわかる。
【００３４】
このように、コンデンサ９を電界効果トランジスタ３のドレインＤとソースＳとの間に設けることによって、低雑音増幅器の動作の安定性が向上する。このため、雑音特性がよく利得の大きな高周波用の電界効果トランジスタ３を用いても、動作の安定性は悪くならない。
【００３５】
また、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量に比べて容量が十分に大きなコンデンサ９を設けることによって、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量および寄生インダクタンスのバラツキ（トランジスタ製造工程において発生するバラツキ）の影響が小さくなる。
【００３６】
図１に戻って、電界効果トランジスタ３のドレインＤと接地電位ＧＮＤのラインとの間にさらにコンデンサ１０を設けた場合、コンデンサ１０はコンデンサ９と同様の効果を奏する。すなわち、コンデンサ１０を回路に追加することによって、低雑音増幅器の寄生発振の発振条件をさらに変化させることができる。
【００３７】
以上のように、この実施の形態１では、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量に比べて容量が十分に大きなコンデンサ９を、電界効果トランジスタ３のドレインＤとソースＳとの間に設けることによって、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量を擬似的に変化させる。これにより、高周波用のトランジスタを用いた低雑音増幅器の寄生発振の発振条件を変化させることができ、寄生発振を回避することが可能となる。したがって、雑音特性および動作の安定性がよい低雑音増幅器が実現できる。
【００３８】
〔実施の形態２〕
図５は、この発明の実施の形態２による低雑音増幅器の概略構成を示すブロック図であって、図１と対比される図である。図５の低雑音増幅器を参照して、図１の低雑音増幅器と異なる点は、コンデンサ９が削除され、コンデンサ４１が追加されている点である。コンデンサ４１は、電界効果トランジスタ３の第１の端子であるゲートＧと第３の端子であるソースＳとの間に接続される。なお、図５において、図１と対応する部分においては同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００３９】
図６は、図５に示した電界効果トランジスタ３内部の構成を示す等価回路図であって、図３と対比される図である。図６の等価回路図を参照して、図３の等価回路図と異なる点は、コンデンサ９が削除され、コンデンサ４１が追加されている点である。このコンデンサ４１の容量をＣとする。
【００４０】
図７は、図６に示した電界効果トランジスタ３内部のゲート・ソース間の構成を示す等価回路図である。図７を参照して、コイル２１、コンデンサ２４、抵抗素子２８およびコイル２２は、ゲートＧとソースＳとの間に直列接続される。また、コンデンサ４１は、ゲートＧとソースＳとの間に接続される。ここで、コンデンサ４１を考慮しない場合のゲート・ソース間のインピーダンスをＺＺｇｓとすると、以下の数式（８）が成立する。
【００４１】
【数３】
2006067058.tif 000005
【００４２】
ここで、数式（４）に示した寄生発振の発振条件は、インピーダンスＺreso，Ｚampのリアクタンス成分Ｘreso，Ｘampで定められる。したがって、数式（８）に示したインピーダンスＺＺｇｓのリアクタンス成分のみに着目すればよい。コンデンサ４１を考慮した場合のゲート・ソース間のインピーダンスをＺｇｓとすると、インピーダンスＺｇｓのリアクタンス成分Ｘｇｓについて、以下の数式（９）（１０）が成立する。
【００４３】
【数４】
2006067058.tif 000006
【００４４】
ここで、コンデンサ４１の容量Ｃは、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量に比べて十分に大きいものとする。この場合、実施の形態１において数式（６）が近似的に数式（７）で表わされるのと同様に、数式（１０）は近似的に以下の数式（１１）で表わされる。
【００４５】
【数５】
2006067058.tif 000007
【００４６】
したがって、コンデンサ４１の容量Ｃによって、Ｘｇｓを変化させることができる。Ｘｇｓが変化すると、数式（２）で示したインピーダンスＺampのリアクタンス成分、すなわちＸampが変化する。したがって、数式（４）に示した発振条件を変化させることができる。これにより、寄生発振を回避することが可能になる。
【００４７】
以上のように、この実施の形態２では、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量に比べて容量が十分に大きなコンデンサ４１を、電界効果トランジスタ３のゲートＧとソースＳとの間に設けることによって、電界効果トランジスタ３内部の寄生容量を擬似的に変化させる。これにより、実施の形態１と同様に、高周波用のトランジスタを用いた低雑音増幅器の寄生発振の発振条件を変化させることができ、寄生発振を回避することが可能となる。したがって、雑音特性および動作の安定性がよい低雑音増幅器が実現できる。
【００４８】
なお、上記の実施の形態１および実施の形態２においては電界効果トランジスタ３を用いた場合について説明したが、電界効果トランジスタ３の代わりに、たとえばバイポーラトランジスタなどの他のトランジスタを用いてもよい。この場合も、同様の効果が得られる。
【００４９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の実施の形態１による低雑音増幅器の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した低雑音増幅器のインピーダンスについて説明するための概念図である。
【図３】図１に示した電界効果トランジスタ内部の構成を示す等価回路図である。
【図４】図３に示した電界効果トランジスタ内部のドレイン・ソース間の構成を示す等価回路図である。
【図５】この発明の実施の形態２による低雑音増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示した電界効果トランジスタ内部の構成を示す等価回路図である。
【図７】図６に示した電界効果トランジスタ内部のゲート・ソース間の構成を示す等価回路図である。
【図８】従来の低雑音増幅器の概略構成を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  入力端子、２  入力整合回路、３  電界効果トランジスタ、４〜６  抵抗素子、７，９，１０  コンデンサ、８  電源端子、１１  出力整合回路、１２  出力端子、２１〜２３，４１  コイル、２４〜２７  コンデンサ、２８〜３３  抵抗素子、３４  電流源、１０１  入力端子、１０２  入力整合回路、１０３  電界効果トランジスタ、１０４〜１０６  抵抗素子、１０７  コンデンサ、１０８  電源端子、１０９  出力整合回路、１１０  出力端子。
【図１】
2006067058.tif 000008
【図２】
2006067058.tif 000009
【図３】
2006067058.tif 000010
【図４】
2006067058.tif 000011
【図５】
2006067058.tif 000012
【図６】
2006067058.tif 000013
【図７】
2006067058.tif 000014
【図８】
2006067058.tif 000015