(57)【要約】      （修正有）【課題】準ミリ波帯域以上の高周波増幅器のもつ利得の温度依存性を補償する電流源を実現する。【解決手段】温度係数が所定値以下である電流が第1の電流源より供給され電圧を発生する第１のＰＮ接合素子と、高電圧側は前記第１のPN接合素子の低電圧側と第２のトランジスタのベース端子に繋がる前記第1の電流源と、所定値以上の温度係数をもつ電流が第２の電流源より供給され電圧を発生する第２のＰＮ接合素子と、高電圧側は前記第２のPN接合素子の低電圧側と、第１のトランジスタのベース端子とに繋がる前記第２の電流源と、前記第２の電流源と等しい温度係数を持つ第３の電流源から電流供給を受け、前記第２のトランジスタと、前記第１のトランジスタで構成される差動対において、前記第２のトランジスタのコレクタ端子において前記第２の電流源と比較して電流の温度係数が２逓倍された温度係数を持つ電流を得るように構成されたバイアス回路。【選択図】図５
2015012413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を高電圧側の定電圧源に接続されＰＮ接合に温度係数が所定値以下である電流が第1の電流源（I1）より供給され電圧を発生する第１のＰＮ接合素子（Q1）と、
低電圧側は低電圧の定電圧源に接続され、高電圧側は前記第１のPN接合素子（Q1）の低電圧側と第２のトランジスタ（Q3）のベース端子に繋がる前記第1の電流源（I1）と、
一端を前記PN接合素子（Q1）と同じ高電圧側の定電圧源に接続されＰＮ接合に所定値以上の温度係数をもつ電流が第２の電流源（I2）より供給され電圧を発生する第２のＰＮ接合素子（Q2）と、
高電圧側は前記第２のPN接合素子（Q2）の低電圧側と、第１のトランジスタ（Q4）のベース端子とに繋がる前記第２の電流源（I2）と、
前記第２の電流源（I2）と等しい温度係数を持つ第３の電流源（I3）から電流供給を受け、前記第１のPN接合素子（Q1）の発生する電圧をベースに受け、エミッタ端子で前記第３の電流源（I3）に繋がる前記第２のトランジスタ（Q3）と、
前記第２のPN接合素子（Q2）の発生する電圧をベースに受け、エミッタ端子で前記第３の電流源（I3）に繋がる前記第１のトランジスタ（Q4）で構成される差動対において、前記第２のトランジスタ（Q3）のコレクタ端子において前記第２の電流源（I2）と比較して電流の温度係数が２逓倍された温度係数を持つ電流を得るように構成されたことを特徴とするバイアス回路。
【請求項２】
前記第１のトランジスタ（Q4）のコレクタから得る電流は、前記第２のトランジスタ（Q3）のコレクタから得る電流の逆温度係数を持っていることを特徴とする請求項１記載のバイアス回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイアス回路に関し、特に、半導体集積回路で構成される準ミリ波帯域以上(20GHz以上)の高周波増幅器のバイアス回路の調整方法に係り、さらには、電流源の温度係数の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に使用される半導体装置においては、幅広い温度範囲（例えば、-40℃〜150℃）での動作、性能保証が必要である。
【０００３】
このような広い温度範囲で利得増幅器の利得を一定に保つことは、従来、バイアス回路単体での実現が必ずしも容易でなかった。
【０００４】
なお、関連する先行技術文献としては、次のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平08-321732号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、準ミリ波帯域以上(20GHz以上)の高周波増幅器のもつ利得の温度依存性を補償する電流源を実現することを目的としている。
【０００７】
まずは増幅する信号周波数に対する温度安定性の課題について述べる。
【０００８】
図1に、一般的に低周波信号(1MHz以下程度)の信号増幅で用いられる増幅器の回路構成例を示す。図1の増幅回路は出力負荷抵抗RL1,RL2とエミッタ接地抵抗RE1,RE2およびトランジスタQ5、Q6、定電流源I4で構成される。ここで図1のエミッタ接地抵抗REが、図1のトランジスタQ5およびQ6のもつエミッタ抵抗(re)を無視できるくらい十分に大きい場合、差動入力信号であるVin+とVin-から差動出力Vodに対する利得(Avl)は数１で表される。
【０００９】
【数１】
2015012413.tif 000003
【００１０】
また、トランジスタQ5,Q6のもつエミッタ抵抗は数２で表される。
【００１１】
【数２】
2015012413.tif 000004
【００１２】
数２において、
kはボルツマン定数：1.38×10-23[m2kg K-1 sec-2]、
Tは絶対温度[K]、
qは電荷:1.60×10-19 [C]、
IcはトランジスタQ5,Q6に流れる電流値
である。
トランジスタのもつエミッタ抵抗に対してエミッタ接地抵抗REが十分に大きいとする条件下において、出力負荷抵抗RLとエミッタ接地抵抗REの温度係数を等しくすれば利得(Avl)は温度に対して安定する。
【００１３】
次に、高周波(1MHz以上)での信号増幅における利得の温度に対する安定性を考える。
【００１４】
高周波の信号増幅で用いられるトランジスタを用いた増幅器の回路構成も図1と同様であるが、増幅に用いるエミッタ接地抵抗REの値はトランジスタQ5、Q6のもつエミッタ抵抗を無視できるほど十分に大きな値をとることが出来なくなる。そのため、高周波での利得(Avh1)は数３で表される。
【００１５】
【数３】
2015012413.tif 000005
【００１６】
つまり、数３が成立している高周波増幅器の利得の温度安定のためには出力負荷抵抗RLとエミッタ接地抵抗REとトランジスタの持つエミッタ抵抗reの温度係数をそろえる必要がある。RLとREについては抵抗値の異なる同種の抵抗を用いることで温度係数を揃えることが可能である。reの温度係数をRL、REと揃えるには、式2に示される分母の絶対温度、分子の電流、これら二つの変数を調整する必要がある。
【００１７】
これから、高周波増幅器の利得の温度安定のためには増幅器の電流源に温度依存性を持たせる必要があることが分かる。
【００１８】
最後に、本発明の課題である、準ミリ波帯域以上(20GHz以上)の高周波増幅器の回路構成を図2に示す。
【００１９】
図2の増幅回路は出力負荷インダクタindL,エミッタ接地抵抗REおよびトランジスタQ7、Q8、定電流源I5で構成される。図2の回路を用いた場合の利得(Avh2)は数４で表される。
【００２０】
【数４】
2015012413.tif 000006
【００２１】
ここで、fは増幅する周波数[Hz]、
Lは周波数fにおける出力負荷インダクタLのインダクタンス[H]である。
【００２２】
インダクタは半導体集積回路上において金属配線の形状によって決まり、インダクタンスの温度係数は抵抗素子のもつ温度係数と比較して無視できるほど小さい。
【００２３】
数４が成立している条件下において利得の温度安定のためには、エミッタ接地抵抗REとトランジスタQ5,Q6のエミッタ抵抗reの和の値の温度係数が出力負荷インダクタの温度係数を等しくする、つまり抵抗素子の温度係数と比較して無視できるほど小さくなければならない。
【００２４】
ここで例として、図2の回路における利得の温度係数を求めてみる。
【００２５】
室温(303K)でのエミッタ接地抵抗REを10ohm、抵抗の温度係数は-1000ppm(温度1度あたりの抵抗値変化率が100万分の1000)、トランジスタにQ7,Q8流れる電流値を2.6mA、電流は固定値電流源で温度依存性はないとする。
【００２６】
前記条件で室温での利得で正規化した結果を図3に示す。
【００２７】
図3からわかるように固定値電流源を使用した場合はトランジスタのエミッタ抵抗の温度係数が3000ppmと抵抗REの温度変化率-1000ppmよりも大きいため、増幅率は-1000ppmの温度係数を持つ。
【００２８】
次に、増幅率の温度係数を10ppm以下におさえるために、トランジスタQ7,Q8に流れる電流にどのような温度係数を持たせる必要があるのかを計算した結果を図4に示す。
【００２９】
図4の結果からエミッタ接地抵抗REの持つ温度係数-1000ppmとは符号が逆となる1000ppmの温度係数をトランジスタのエミッタ抵抗に持たせるためには、トランジスタQ7,Q8に流れる電流に2000ppmの温度係数を持たせる必要があると分かる。
【００３０】
以上のように、高周波増幅器の利得の温度安定性を得るにはトランジスタに流れる電流の温度係数を増幅器毎に調整しなければならないと分かる。
【００３１】
つまり、半導体集積回路で準ミリ波帯域以上(20GHz以上)の高周波増幅器を多段構成する場合に利得の温度安定性を得るためには、各段毎に必要となる温度係数を持つ電流源を準備しなければならないことになる。
【００３２】
その対策として考えられるのは、各段毎に必要となる温度係数を実現している電流源を、一般的に言われるところのバンドギャップ基準電圧回路などを用意する方法があるが、その場合、消費電力の大幅な増加、バンドギャップ基準電圧回路を構成する部品による著しい面積増大が見込まれる。
【００３３】
加えて、バンドギャップ基準電圧回路で実現できる温度係数は半導体集積回路上で使用可能である抵抗素子やトランジスタの温度係数に依存するため、半導体集積回路上で使用可能な素子の温度係数を上回る温度係数は実現し難いという課題もあげられる。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
半導体集積回路で準ミリ波帯域以上の高周波増幅器を実用的に多段構成する場合に利得の温度安定性を得るためには、各段毎に必要となる温度係数を持つ電流源を低消費電力で構成部品面積が小さい簡便な回路で実現する必要がある。
【００３５】
そこで、図5に示す本発明回路により、二つの異なる温度係数を持つ電流を用いて、どちらとも異なる温度係数を持つ電流を実現できる。また、小面積、低消費電力の回路を実現できる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の回路を用いることで２つ以上の温度係数の異なる電流源を用意すれば、温度係数の加減算により任意の温度係数を生成できると分かる。
【００３７】
これは、半導体集積回路で準ミリ波帯域以上の多段高周波増幅器で利得の温度安定性を得るためには、小規模かつ省電力で温度係数の異なる電流源を生成できる点から極めて有用な回路である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一般的に低周波信号(1MHz以下程度)の信号増幅で用いられる増幅器の回路構成例を示す。
【図２】本発明の課題を説明するための図であり、準ミリ波帯域以上(20GHz以上)の高周波増幅器の回路構成を示す図である。
【図３】室温での利得で正規化した結果を示す図である。
【図４】増幅率の温度係数を10ppm以下におさえるために、トランジスタQ7,Q8に流れる電流にどのような温度係数を持たせる必要があるのかを計算した結果を示す図である。
【図５】本発明に関する図面である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００３９】
以下、この回路の原理を示す。
【００４０】
トランジスタのベース−エミッタ間電圧(Vbe)はトランジスタに流れる電流(Ic)により決まり、その値は数５で表される。
【００４１】
【数５】
2015012413.tif 000007
【００４２】
ここで、Isはトランジスタの飽和電流であり、デバイスにより異なる値をとる。
kはボルツマン定数：1.38×10-23[m2kg K-1 sec-2]、
Tは絶対温度[K]、
qは電荷:1.60×10-19 [C]である。
【００４３】
電流源I6は温度係数が所定値以下、ここでは10ppm以下の電流源とし、電流源I7とI8は温度係数が所定値以上、ここでは1000ppmの電流源とする。
【００４４】
基準となる室温において電流源I6,I7の電流が等しいとし、その条件下においてトランジスタQ9,Q10のベース−エミッタ間電圧は等しい。この場合、差動対を構成するトランジスタQ11、Q12のベース電圧も等しく、Q11とQ12に流れる電流も等しくなる。
【００４５】
基準温度から温度上昇もしくは下降した場合を考える。トランジスタQ9は温度係数が10ppmの温度係数を持つ電流が、トランジスタQ10には温度係数が1000ppmの電流が流れており、温度変動によりQ9とQ10に電流差分が発生する。Q9とQ10の電流差分を△Icとすると、△Icを用いてトランジスタQ9とQ10のベース−エミッタ間電圧の差分△Vbeは数６で表される。
【００４６】
【数６】
2015012413.tif 000008
【００４７】
この△VbeはそのままトランジスタQ11とQ12のベース電圧差に相当する。この△Vbeが発生している状況下でトランジスタQ11に流れる電流Iq11は、トランジスタQ10に流れる電流と等しい温度係数1000ppmであるものとした場合、数７で表される。
【００４８】
【数７】
2015012413.tif 000009
【００４９】
この式中のαは回路によって決まる定数、Itailは電流源I8の電流値とする。
【００５０】
ここで数８に表す近似を用いると、
【００５１】
【数８】
2015012413.tif 000010
【００５２】
数７は数９に近似される。
【００５３】
【数９】
2015012413.tif 000011
【００５４】
さらに以下の数１０の近似を用いる。
【００５５】
【数１０】
2015012413.tif 000012
【００５６】
これにより数９は数１１に近似される。
【００５７】
【数１１】
2015012413.tif 000013
【００５８】
数１１で示されるようにIq11の温度係数は△Icの2倍となっており、本発明の省電力、小規模な回路によって温度係数も二つの異なる温度係数の加減算による調整が可能であると分かる。
【図１】
2015012413.tif 000014
【図２】
2015012413.tif 000015
【図３】
2015012413.tif 000016
【図４】
2015012413.tif 000017
【図５】
2015012413.tif 000018