(57)【要約】【課題】  第１のトランジスタと第２のトランジスタのドレイン電流の少なくとも一部を共通化することにより、電源端子と接地端子との間に流れる電流を減少させ、消費電力を削減させた利得可変増幅器を提供する。【解決手段】  ゲートを入力端子Ｖiとするソース接地された第１のトランジスタＭ１と、ゲートとドレインが接続され、第１のトランジスタＭ１の出力負荷として動作する第２のトランジスタＭ２とを有し、第１のトランジスタＭ１および第２のトランジスタＭ２のドレイン電流Ｉi、Ｉjを制御することによって、利得を変化させる利得可変増幅器において、第１のトランジスタＭ１のドレイン電流の一部あるいは全部と、第２のトランジスタＭ２のドレイン電流の一部あるいは全部が共有されるように第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２が接続されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートを入力端子とするソース接地された第１のトランジスタと、ゲートとドレインが接続され、前記第１のトランジスタの出力負荷として動作する第２のトランジスタとを有し、前記第１および第２のトランジスタのドレイン電流を制御することによって、利得を変化させる利得可変増幅器において、前記第１のトランジスタのドレイン電流の一部あるいは全部と、前記第２のトランジスタのドレイン電流の一部あるいは全部が共有されるように前記第１および第２のトランジスタが接続されていることを特徴とする利得可変増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路や高周波集積回路への利用に適した利得可変増幅器に関する。さらに詳しくは、高集積化に適したＭＯＳトランジスタを用いて、利得制御信号に対してデシベル表示の利得が線形に変化しながら、電源端子と接地端子との間の電流を減少させて消費電力を削減し得る利得可変増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機や携帯情報端末のような無線端末の小型化および低価格化に向けて、システムオンチップＬＳＩの開発が進められている。無線端末の小型化と低価格化の双方の要求を実現する一つの方法として、無線アナログ回路をモノリシックＩＣによって構成することが挙げられる。この場合、小型化と低価格化を考慮すれば、ＩＣを構成する素子にはバイポーラトランジスタでなく、高集積化に、より適したＣＭＯＳトランジスタを用いることが一般に好ましい。
【０００３】
無線端末の無線アナログ回路に用いられる機能回路の一つに、利得可変増幅器がある。利得可変増幅器は主に受信機内アナログ回路の最終段でＡＤコンバータの入力レベルが一定になるように信号レベルを調節する。また、利得制御信号に対してデシベル表示の利得が線形に変化する、いわゆるリニア・イン・デシベル（linear-in-dB）の利得制御が可能であることが制御の容易さなどの観点から望ましい。
【０００４】
しかし、linear-in-dB の特性をもつ指数増幅器をバイポーラで実現することは簡単であるが、ＣＭＯＳで実現するためには工夫が必要になる。たとえば、ＭＯＳトランジスタの２乗則を利用して、linear-in-dBの特性を実現する手法が知られている。
【０００５】
図４は、ＣＭＯＳトランジスタを用いた一般的な利得可変増幅器の構成である。ゲートが入力端子Ｖiを構成しているトランジスタＭ１のソース端子が第１の可変電流源１と接地用コンデンサ２に接続されている。一方、ゲート端子とドレイン端子がＭＯＳダイオード構造となるように接続されたトランジスタＭ２のソース端子が、第２の可変電流源３と接地用コンデンサ４に接続されている。また、トランジスタＭ１のドレイン端子とトランジスタＭ２のドレイン端子とが接続され、その接続点が出力端子Ｖoとなっている。また、電源端子Ｖddと出力端子Ｖoとの間には、トランジスタＭ５が接続され、ゲート端子には適当な定電圧Ｖbが与えられる。このとき出力端子ＶoからトランジスタＭ５をみたインピーダンスは、理想的には無限大である。この種の利得可変増幅器は、たとえば非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】P-C. Huang, L-Y. Chiou, C-K. Wang, 「A 3.3-V Wideband Exponential Control Variable-Gain-Amplifier」, IEEE International Symposium on Circuits and Systems 1, 1998, p285-288
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のような構造の利得可変増幅器は、トランジスタＭ１とトランジスタＭ２とが並列に接続されているため、電源端子と接地端子との間に多くの電流が流れ、消費電力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、第１のトランジスタと第２のトランジスタのドレイン電流の少なくとも一部を共通化することにより、電源端子と接地端子との間に流れる電流を減少させ、消費電力を削減させた利得可変増幅器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】
【０００８】
本発明による利得可変増幅器は、ゲートを入力端子とするソース接地された第１のトランジスタと、ゲートとドレインが接続され、前記第１のトランジスタの出力負荷として動作する第２のトランジスタとを有し、前記第１および第２のトランジスタのドレイン電流を制御することによって、利得を変化させる利得可変増幅器において、前記第１のトランジスタのドレイン電流の一部あるいは全部と、前記第２のトランジスタのドレイン電流の一部あるいは全部が共有されるように前記第１および第２のトランジスタが接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の利得可変増幅器によれば、第１のトランジスタのドレイン電流と第２のトランジスタのドレイン電流の少なくとも一部が共有されているため、電源端子と接地端子間に流れる電流は、共有している電流分減らすことができる。一方、電源端子と接地間の電圧は、電源電圧が同じであるため変らない。その結果、全体の電流が減った分だけ、消費電力を減らすことができる。この電力消費の削減は、携帯電話機などの携帯機器では、とくにその効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
つぎに、図面を参照しながら本発明の利得可変増幅器について説明をする。本発明による利得可変増幅器は、図１にその一実施形態の回路例が示されるように、ゲートを入力端子Ｖiとするソース接地された第１のトランジスタＭ１と、ゲートとドレインが接続され、第１のトランジスタＭ１の出力負荷として動作する第２のトランジスタＭ２とを有し、第１のトランジスタＭ１および第２のトランジスタＭ２のドレイン電流Ｉi、Ｉjを制御することによって、利得を変化させる利得可変増幅器において、第１のトランジスタＭ１のドレイン電流の一部あるいは全部と、第２のトランジスタＭ２のドレイン電流の一部あるいは全部が共有されるように第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２が接続されていることに特徴がある。
【００１１】
図１に示される例は、前述の図４で示した回路と同様に、１個の電圧-電流変換用の第１のトランジスタＭ１とその第１のトランジスタＭ１の出力負荷用の第２のトランジスタＭ２とで構成されるシングルエンド増幅器の例が示されている。しかし、図４に示される例では、第１のトランジスタＭ１と第２のトランジスタＭ２は共にＮＭＯＳで構成され、両トランジスタＭ１、Ｍ２が並列に成るように接続されていたが、本発明では、第１のトランジスタＭ１がＮＭＯＳ、第２のトランジスタＭ２がＰＭＯＳで構成され、両者が直列に接続されている。
【００１２】
第１のトランジスタＭ１のゲート端子には入力端子Ｖiが設けられ、ソース端子が第１の可変電流源１と接地用コンデンサ２に接続されている。一方、ゲート端子とドレイン端子とがＭＯＳダイオード構造となるように接続された第２のトランジスタＭ２のソース端子が、第２の可変電流源３と接地用コンデンサ４に接続され、そのドレイン端子が第１のトランジスタＭ１のドレイン端子と接続されて、この接続部が出力端子Ｖoになっている。さらに、電源端子Ｖddと接地端子ＧＮＤとの間に、ドレイン端子を共有した第３のトランジスタＭ３（ＮＭＯＳ）と第４のトランジスタＭ４（ＰＭＯＳ）が直列に挿入され、そのドレイン共有端子と出力端子Ｖoとが接続されている。
【００１３】
この第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートには、それぞれ所定の電圧Ｖbd、Ｖbuが印加されるようになっている。この第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４は、第１のトランジスタＭ１に流れる電流（第１の可変電流源１に流れる電流）Ｉiと第２のトランジスタＭ２に流れる電流（第２の可変電流源３に流れる電流）Ｉjとの差電流を流すためのもので、たとえばＩi＞Ｉjのとき、Ｖbd端子の電位を下げて第３のトランジスタＭ３をオフ状態にし、Ｖbuに適当な電位を与えると第４のトランジスタＭ４には、Ｉi−Ｉjの電流が流れる。また、ｉi＜jのときは逆の操作をする。ＩiとＩjの大きさが逆転することがないときは、第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４はいずれか片方のみでよい。なお、接地用コンデンサ２、４は、それぞれ第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のソースを高周波的に接地している。
【００１４】
この回路で、第１の可変電流源１に流れる電流Ｉiと第２の可変電流源３に流れる電流Ｉjを、Ｉi＋Ｉj＝一定に保ちながら変化させることにより、linear-in-dBの特性をもつ指数増幅器を得ることができる。すなわち、このとき、ゲインgainは次式（１）によって表される。
【００１５】
【数１】
2006254158.tif 000003
【００１６】
ここで、ｇｍinputは第１のトランジスタＭ１のトランスコンダクタンスであり、ｇｍloadは、第２のトランジスタＭ２のトランスコンダクタンス、μＣｏｘはプロセスに依存する値、Ｗ／Ｌはゲート長とゲート幅の比である。また、Ｉiは第１の可変電流源１に流れる電流であり、Ｉjは第２の可変電流源３に流れる電流であり、Ｉi＋Ｉj＝２Ｉbias＝一定にする。Ｉbiasは直流バイアス電流である。このとき、
Ｉi＝Ｉbias＋Ｉcontrol
Ｉj＝Ｉbias−Ｉcontrol
の関係式が成り立ち、ゲインは制御電流Ｉcontrolを変化させることにより制御される。また、ｘ＝Ｉcontrol／Ｉbiasとおくと、式（１）は次式（２）となり、linear-in-dBの特性をもつ指数増幅器を実現することができる。
【００１７】
【数２】
2006254158.tif 000004
【００１８】
ここで、Ｋは式（３）である。
【００１９】
【数３】
2006254158.tif 000005
【００２０】
このときの回路の消費電力は、電源電圧をＶddとすると、Ｉi＞ＩjのときはＶdd・Ｉiであり、Ｉi＜ＩjのときはＶdd・Ｉjとなり、いずれの場合でも、従来のＶdd（Ｉi＋Ｉj）より小さくなる。すなわち、消費電力が大幅に削減されている。
【００２１】
以上のように、本発明によれば、利得可変増幅器において、第１のトランジスタと第２のトランジスタとを並列ではなく、直列に接続されているため、両トランジスタのコレクタ電流の少なくとも一部は共有され、電源端子と接地端子との間の電流は大幅に削減される。その結果、消費電力を大幅に削減することができ、携帯電話機などの携帯機器に使用する無線端末に用いても、電池の消耗を小さくすることができ、非常に使用勝手がよくなる。
【００２２】
前述の例では、シングルエンドの増幅器の例であったが、差動増幅器でも同様に消費電力を削減することができる。その例が図２に示されている。図２において、差動回路で構成されているため、前述の第１〜第４のトランジスタＭ１〜Ｍ４が全て差動対で示されており、第１のトランジスタが第１の差動対トランジスタＭ１、Ｍ１’で構成され、第２のトランジスタは第２の差動対トランジスタＭ２、Ｍ２’で構成されている。そして、第１の差動対トランジスタＭ１、Ｍ１’のそれぞれのゲート端子には入力端子Ｖi+、Ｖi-が、ドレイン端子には出力端子Ｖo+、Ｖo-がそれぞれ設けられている。そして、第１および第２の可変電流源１、３の差電流を流す第３および第４のトランジスタＭ３、Ｍ４に対応するトランジスタＭ３’、Ｍ４’も同様に、電源端子Ｖddと接地端子ＧＮＤとの間に同様の接続で設けられている。なお、第１および第２の可変電流源１、３は、差動対のトランジスタＭ１、Ｍ１’とＭ２、Ｍ２’の接続されたソースにそれぞれ接続され、それぞれのソース端が仮想接地となっているため、接地用コンデンサは不要となっている。動作および動作電流に関しては、前述の図１に示される例と同じであり、その説明を省略する。
【００２３】
さらに、前述の各例では、第１および第２の可変電流源１、３を共に第１および第２のトランジスタのソース端に設けたが、必ずしもそうする必要はなく、要は第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２のドレイン電流を所望の値に調整できればよく、配置場所には制約を受けない。たとえば図３に示されるように、第２のトランジスタＭ２のドレイン側から引き出すように第３の可変電流源５が設けられる配置にしてもよい。この場合、第３の可変電流源５に流れる電流は、第２のトランジスタＭ２に流れる電流Ｉjが第１のトランジスタＭ１に流れる電流Ｉiより大きい（Ｉi＜Ｉj）ときは、Ｉj−Ｉiになるように調節される。なお、この場合は、第１および第２のトランジスタＭ１、Ｍ２の差電流をこの第３の可変電流源５で引き出せるため、第３および第４のトランジスタは不要となり、また、第２のトランジスタＭ２のソースは電源で接地されるため、第２のトランジスタＭ２側の接地用コンデンサ４も不要となる。それ以外は図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による利得可変増幅器の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明による利得可変増幅器の他の実施形態の構成を示す図である。
【図３】本発明による利得可変増幅器のさらに他の実施形態の構成を示す図である。
【図４】従来の利得可変増幅器の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    第１の可変電流源
２    接地用コンデンサ
３    第２の可変電流源
４    接地用コンデンサ
５    第３の可変電流源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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