(57)【要約】  本発明の実施形態には、利得および雑音の性能が改善された広帯域整合をもたらす、無線受信機内で使用するための回路が含まれる。一実施形態では、本発明には、アンテナと、アンテナに結合されたソースを有する第１のトランジスタと、アンテナに結合されたゲートを有する第２のトランジスタと、アンテナに結合された第１の端子、第１のトランジスタのソースに結合された第２の端子、および第２のトランジスタのゲートに結合された第３の端子を備え、第２の端子と第３の端子の間にトランスインピーダンスを有し、したがって、第１のトランジスタによって生成される雑音が、所定の周波数範囲にわたって、システムにより差動的に除去される回路網とを備える、無線受信機が含まれる。
2008512058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、
ソースを有する第１のトランジスタと、
ゲートを有する第２のトランジスタと、
前記アンテナに結合された第１の端子、前記第１のトランジスタの前記ソースに結合された第２の端子、および前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合された第３の端子を含む回路網とを備え、
前記回路網は、前記第２の端子と第３の端子の間にトランスインピーダンスを有し、したがって、前記第１のトランジスタによって生成される雑音は、所定の周波数範囲にわたって、システムにより差動的に除去されることを特徴とする無線受信機。
【請求項２】
前記第１のトランジスタの入力インピーダンスは、前記アンテナの等価抵抗に略等しいことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項３】
前記トランスインピーダンスは、前記アンテナの等価抵抗を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項４】
前記回路網は、ＬＣ梯子を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項５】
前記回路網は、前記第１のトランジスタの前記ソースに結合された第１の端子と、前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合された第２の端子とを有する、第１のインダクタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項６】
前記回路網は、
前記第１のインダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子、および前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合された第２の端子を有するコンデンサと、
前記コンデンサの前記第１の端子に結合された第１の端子、および集積回路のパッドに結合された第２の端子を有する第２のインダクタとをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の無線受信機。
【請求項７】
前記回路網は、
前記第１のインダクタの前記第２の端子と、前記コンデンサの前記第１の端子との間に結合された第３のインダクタをさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の無線受信機。
【請求項８】
前記第１のトランジスタのドレインに結合されたソース、第１のバイアス電圧に結合されたゲート、および第１の抵抗の第１の端子に結合されたドレインを有する第３のトランジスタと、
前記第２のトランジスタのドレインに結合されたソース、第２のバイアス電圧に結合されたゲート、および第２の抵抗の第１の端子に結合されたドレインを有する第４のトランジスタとをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項９】
前記第３のトランジスタの前記ドレインに結合された第１の端子、および前記第１の抵抗に結合された第２の端子を有する第１のインダクタと、
前記第４のトランジスタの前記ドレインに結合された第１の端子、および前記第２の抵抗に結合された第２の端子を有する第２のインダクタとをさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１０】
前記第１のインダクタと第１の抵抗の間に結合された第３のインダクタと、
前記第１および第３のインダクタにまたがって結合された第１のコンデンサと、
前記第２のインダクタと前記第２の抵抗の間に結合された第４のインダクタと、
前記第２および第４のインダクタにまたがって結合された第２のコンデンサとをさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の無線受信機。
【請求項１１】
前記第１または第２のトランジスタに結合された可変利得回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項１２】
前記第１のトランジスタの前記ドレインに結合されたソース、およびイネーブル信号によって制御されるゲートを有する第５のトランジスタをさらに備え、前記イネーブル信号が能動状態にある場合、前記第５のトランジスタはオンになり、前記イネーブル信号が能動状態にない場合、前記第５のトランジスタはオフになることを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１３】
前記第２のトランジスタのソースに結合されたソース、前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合されたゲート、およびドレインを有する第５のトランジスタと、
前記第５のトランジスタの前記ドレインに結合されたソース、前記第４のトランジスタの前記ドレインに結合されたドレイン、およびイネーブル信号によって制御されるゲートを有する第６のトランジスタとをさらに備え、
前記イネーブル信号が能動状態にある場合、前記第５および第６のトランジスタはオンになり、前記イネーブル信号が能動状態にない場合、前記第５および第６のトランジスタはオフになることを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１４】
前記第１および第２のトランジスタは、ミクサ段または増幅器段にＤＣ結合されることを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項１５】
前記第１の抵抗の前記第１の端子に結合された第１の入力、および前記第１の抵抗の第２の端子に結合された出力を有し、後続段が適切にバイアスされるように電圧を生成する電圧制御回路をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１６】
前記第１の抵抗の前記第１の端子は、第５のトランジスタのゲートにＤＣ結合され、前記第５のトランジスタの前記ゲートは、
増幅器と、
バイアス発生器と、
制御されたインピーダンスとを備えた電圧制御回路の入力に結合されることを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１７】
前記第２のトランジスタは、相互コンダクタンスを有し、前記回路網の前記トランスインピーダンスと前記第２のトランジスタの前記相互コンダクタンスとの積は、３ギガヘルツから１０ギガヘルツの周波数範囲にわたって、前記第１のトランジスタのドレインに結合された第１の抵抗と前記第２のトランジスタのドレインに結合された第２の抵抗との比にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項１８】
等価抵抗を有するアンテナと、
前記アンテナに結合されたソース、第１のバイアス電圧に結合されたゲート、およびドレインを有する第１のトランジスタであって、前記第１のトランジスタの前記ソースの入力インピーダンスは、前記アンテナの前記等価抵抗にマッチする第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタの前記ドレインに結合された第１のインピーダンスと、
ソース、ゲート、およびドレインを有し、標準の動作時に相互コンダクタンスを有する第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタの前記ドレインに結合された第２のインピーダンスと、
前記第１のトランジスタの前記ソースと前記第２のトランジスタの前記ゲートとの間に結合され、前記第１のトランジスタの前記ソースと前記第２のトランジスタの前記ゲートとの間にトランスインピーダンスを有する雑音除去回路網とを備え、
前記第１のインピーダンスと前記第２のインピーダンスとの比は、前記第２のトランジスタの前記相互コンダクタンスと前記雑音除去回路網の前記トランスインピーダンスとの積にほぼ等しいことを特徴とする一連の周波数にわたって高周波信号を受信する回路。
【請求項１９】
前記第１のインピーダンスは、前記第２のインピーダンスに略等しいことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２０】
前記第１のインピーダンスは、前記第２のインピーダンスよりも大きいことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２１】
前記雑音除去回路網は、前記アンテナの前記等価抵抗を備え、前記雑音除去回路網の前記トランスインピーダンスは、前記アンテナの前記等価抵抗に略等しいことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２２】
前記雑音除去回路網は、前記アンテナの前記等価抵抗と少なくとも１つのインダクタとを備えたことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２３】
前記雑音除去回路網は、ＬＣ梯子を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２４】
前記雑音除去回路網の前記トランスインピーダンスは、受動利得を提供することを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２５】
ソース入力およびドレイン出力を有する共通ゲート段と、
前記共通ゲート段の前記ドレイン出力に結合された第１の抵抗と、
前記共通ゲート段の前記ソース入力に結合されたゲート入力、およびドレイン出力を有し、相互コンダクタンスを有する共通ソース段と、
前記共通ソース段の前記ドレイン出力に結合された第２の抵抗と、
前記共通ゲート段の前記ソース入力と前記共通ソース段のゲート入力との間に結合されたトランスインピーダンスを有する回路網とを備え、
前記回路網の前記トランスインピーダンスと前記共通ソース段の前記相互コンダクタンスとの積は、２ギガヘルツを超える一連の周波数にわたって、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との比に略等しいことを特徴とする電子回路。
【請求項２６】
前記回路網は、
前記共通ゲート段の前記ソースに結合された第１の端子、および第２の端子を有する第１のインダクタと、
前記第１のインダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子、および前記共通ソース段の前記ゲート入力に結合された第２の端子を有する第１のコンデンサと、
前記第１のインダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子、およびアンテナに結合された第２の端子を有する第２のインダクタとを備えたことを特徴とする請求項２５に記載の回路。
【請求項２７】
前記共通ゲート段の前記ドレイン出力と前記第１の抵抗との間に直列に結合された第３および第４のインダクタと、
前記第３および第４のインダクタにまたがって結合された第２のコンデンサと、
前記共通ソース段の前記ドレイン出力と前記第２の抵抗との間に直列に結合された第５および第６のインダクタと、
前記第５および第６のインダクタにまたがって結合された第３のコンデンサとをさらに備えたことを特徴とする請求項２６に記載の回路。
【請求項２８】
前記第１または第２のトランジスタに結合された可変利得回路をさらに備えたことを特徴とする請求項２５に記載の回路。
【請求項２９】
前記第１および第２のトランジスタは、ミクサ段または増幅器段にＤＣ結合されることを特徴とする請求項２５に記載の無線受信機。
【請求項３０】
入力インピーダンスをアンテナにマッチングさせる手段と、
高い相互コンダクタンス利得を提供する手段と、
入力インピーダンス整合のための前記手段と電流を受け取るために高い相互コンダクタンス利得を提供するための前記手段との間に結合され、それにより、コモンモードノイズを除去するための電圧を提供するトランスインピーダンス回路網とを備えたことを特徴とする集積回路。
【請求項３１】
入力インピーダンスをマッチングさせる前記手段と、高い相互コンダクタンス利得を提供する前記手段と、前記トランスインピーダンス回路網とは、約３ギガヘルツの周波数から１０ギガヘルツまで動作可能であることを特徴とする請求項３０に記載の回路。
【請求項３２】
入力インピーダンスをマッチングさせる前記手段、または高い相互コンダクタンス利得を提供する手段の利得を調整する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３０に記載の回路。
【請求項３３】
マッチングさせる前記手段、および高い相互コンダクタンスを提供する手段の出力を、後続段にＤＣ結合するための手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３０に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子回路に関し、詳細には、高周波入力信号を受信するために使用することができる回路および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子システムのうちの圧倒的多数は、様々なタイプのワイヤまたはケーブルを使用して、共に接続されてきた。たとえば、コンピュータシステムは、通常、イーサネット（登録商標）ケーブル、同軸ケーブル、電話線または光ファイバリンクによってリンクされる。同様に、コンピュータのプリンタ、スキャナならびにデジタルカメラ、携帯型情報端末または電子楽器装置などの他の周辺装置は、様々なタイプのワイヤまたはケーブルによってリンクされる。他のタイプの電子装置は、何らかの形の配線またはケーブル布線を使用して、同様に共に接続される。しかし、電子システムが普及するにつれて、関連する配線が乱雑になり混乱するのを排除しようとする要求が増してくる。
【０００３】
日増しに増える上記要求に対する解決策の１つとして、無線技術がある。無線システムでは、電子装置および電子システムは、大気を介して伝搬する電磁信号を使用して互いに通信する。通常、無線通信は、電子信号内に情報を符号化し、次いでアンテナを使用して大気中に信号を送出することにより達成される。図１Ａに、簡略化された無線チャネルが示す。まず、音声信号またはデータ信号など対象となる信号は、送信機１１０内のエンコーダ１０１を使用して符号化される。次いで、符号化された信号は、変調器１０２を使用して、より高い周波数に変調されてもよい。符号化された音声またはデータの信号は、変調されたのち、図１Ｂに示されるように、変調器の周波数に中心がある周波数範囲内に含まれる。時々、変調器の周波数は「搬送周波数」または「チャネル周波数」と呼ばれ、電磁的な伝送に適した非常に高い周波数でもよい。こうした高周波信号は、それらが歴史的に無線伝送システムで使用されてきたので、無線周波数（すなわち、「ＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）」）信号と呼ばれる。電力増幅器１０３は、変調された信号を受け取り、アンテナ１０４を駆動する。電力増幅器１０３は、搬送周波数周りの周波数で信号を増幅するのに十分高速でなければならない。このことは、電力増幅器１０３が、信号を処理するのに必要な「帯域幅」（すなわち、対象となる周波数範囲全体にわたって、信号を効果的に増幅する能力）をもたなければならないことを意味する。増幅された信号は、アンテナを駆動し、アンテナは、符号化され変調された信号を、大気を介して伝播する電磁エネルギーに変換する。
【０００４】
受信機１２０内の第２のアンテナ１２１は、電磁信号を検出する（すなわち、検知する）のに使用されてもよい。受信機１２０は、アンテナ１２１で受信される信号の振幅を増大させるのに使用されてもよい増幅器１２２を備える。送信機１１０と受信機１２０の間の距離が増大するにつれて、電磁的な伝送は、通常強さが急激に減少するので、増幅器１２２は、送信機１１０と受信機１２０の間の距離が変化するにつれて、広い振幅範囲にわたって変化してもよい信号を検出することができなければならない。さらに、受信機１２０が送信機１１０から遠く離れているとき、電磁信号は、非常に小さく（たとえば、マイクロワット）なることがある。したがって、受信機１２０は、雑音を持ち込むことなく、非常に小さい信号を増幅することができなければならない。さらに、電力増幅器１０３と同様に、増幅器１２２は、搬送周波数周りの周波数で信号を増幅するのに十分高速でなければならない。符号化され変調された信号が増幅された後に、復調器１２３は、信号の周波数をダウンコンバートするのに使用されてもよく、デコーダ１２４は、元の音声またはデータの信号を抽出するのに使用されてもよい。通信は、通常双方向プロセスなので、ほとんどの無線システムは、アンテナに結合された送信機１１０および受信機１２０を両方備える。
【０００５】
無線技術は、ラジオ、アナログテレビジョン、携帯電話システムなどのシステムを実装するために首尾よく使用されてきたが、データ転送速度という、主要な制限が１つある。過去１０年間にわたり、電子装置の数は大幅に増大した。さらに、各装置の情報容量も同様に増大した。したがって、現代の電子装置間では、通信しなければならないデータの量は膨大になってきた。各装置間の通信チャネルは、それらの装置を接続するワイヤに限定されるので、有線システムは有利である。これら別個のワイヤはすべて、別個の通信媒体を表す。一方で、無線装置はすべて、同じ通信媒体すなわち電波を共用する。したがって、無線装置は、通常、既定の周波数範囲（すなわち、チャネル）にわたって、互いに通信する。
【０００６】
無線装置が既存の有線接続に置き換わるには、様々なタイプの電子システムの間で送受信される大量の情報を扱うために、より有効な周波数割当が求められる。通常、これは、従来使用されてきた周波数よりもはるかに高い周波数に移動することによって達成される。具体的には、従来は、メガヘルツのレンジの周波数（「ＭＨｚ」）が普通であったが、より大きいデータ転送速度のためには、ギガヘルツのレンジの周波数（たとえば、２ＧＨｚを超える）を使用してもよい。たとえば、１０ＧＨｚのレンジは、複数の個々の５００ＭＨｚ幅のサブレンジ（すなわち、サブバンド）に分割されてもよく、サブレンジの各々は、情報を運ぶためのチャネルとして使用されてもよい。したがって、無線システムがデータ転送速度を最大限にするには、広範囲の周波数（たとえば、３ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ）にわたって効果的に動作することができなければならない。したがって、必要とされるものは、単一のシステムがギガヘルツのレンジにわたって複数の周波数チャネルを受信できるように、広範囲にわたって動作することができる受信機である。
【０００７】
最新の受信機には、様々な欠点がある。図２Ａには、簡略化された従来技術の受信機増幅器２００が示してある。増幅器２００は、ＲＦ入力信号（「Ｖｉｎ」）を受信するようにインダクタ２０４（「Ｌｇ」）を介して結合されたゲート、インダクタ２０５（「Ｌｓ」）を介してアースに結合されたソース、およびコンデンサ（「Ｃ」）２０２およびインダクタ（「Ｌ」）２０３に結合されたドレインを有するＭＯＳトランジスタ２０１を備える。コンデンサ２０２はアースに結合され、インダクタ２０３は電源（「Ｖｃｃ」）に結合される。コンデンサ２０２およびインダクタ２０３〜２０５の値は、ＬＣの組合せが、対象となる周波数（すなわち、回路の中心周波数）において共振するように選択されてもよいので、増幅器２００は、非常に高い周波数において有効である。たとえば、信号を適切に増幅するために、出力でのＬＣの組合せが、高周波において必要な出力インピーダンスをもたらすように、ＬおよびＣは選択されてもよい。
【０００８】
高い周波数での増幅を達成することに加えて、適切な入力の整合を達成することも必要である。たとえば、ＲＦ信号を受信するために、アンテナが増幅器の入力に結合されているとき、増幅器の入力インピーダンスは、アンテナに整合していなければならない。これは時々、増幅器の入力に抵抗を配置することによって達成される。しかし、抵抗は雑音を生成し、その雑音レベルが入力ＲＦ信号と同じオーダーになることがあるので、受信機増幅器の入力での雑音は非常に問題となる。したがって、増幅器の入力において抵抗を使用することにより、雑音から信号を識別することが難しくなることがある。
【０００９】
図２Ｂは、増幅器２００についての同等な入力回路であり、このアーキテクチャの有利な雑音特性を示す。増幅器の入力インピーダンス回路は、直列接続のインダクタ２０４（「Ｌｇ」）、ＭＯＳゲートキャパシタンス２０６（「Ｃｇ」）、インダクタ２０５（「Ｌｓ」）および等価抵抗２０７（「Ｒ１」）を備える。増幅器２００に対する１つの利点は、入力回路のインダクタンスおよびキャパシタンスが対象となる周波数で共振する（すなわち、Ｌｇ、ＣｇおよびＬｓが、所定の周波数で短絡回路になる）ように、インダクタＳ２０４（「Ｌｇ」）および２０５（「Ｌｓ」）の値の大きさを決めてもよいことである。したがって、増幅器の入力インピーダンスは、共振周波数付近でＲ１の値に設定される。Ｒ１は、ＭＯＳトランジスタの等価抵抗（たとえば、Ｒ１＝（ｇmＬｓ）／Ｃｇｓ）であり、物理的な抵抗ではないので、増幅器の入力インピーダンスは、通常は物理的な抵抗に関連する雑音を生成することなく、アンテナに整合されてもよい。
【００１０】
しかし、こうした回路は、特定の周波数に対して良好な雑音性能および利得を有するが、信号周波数が共振周波数を上下に移動するときに、キャパシタンスまたはインダクタンスが急速に支配的になり始めるので、広い周波数範囲にわたって有効ではない。したがって、増幅器２００は、広い周波数範囲にわたって、入力信号に対して増幅または入力整合を可能にすることはできないことになる。
【００１１】
図３には、広範囲の周波数にわたって動作する高周波増幅器の設計に対する従来技術での手法の略図が示してある。増幅器３００は、特定の中心周波数に中心がある互いに異なる狭い周波数範囲において動作するように各々最適化される複数の狭帯域増幅器３０１〜３０４を備える。各増幅器の入力は、対応するスイッチＳ１〜Ｓｎを介してアンテナ３１０に結合される。特定の周波数範囲が望まれるとき、システムは、所望の周波数範囲にわたって動作するように最適化された特定の増幅器にアンテナを接続するスイッチを閉じる。この手法についての１つの問題は、各スイッチが再構成されない場合、様々な周波数範囲で情報を受け取ることができないことである。さらに、各スイッチは、問題となる寄生容量をもたらす。さらに、複数のチャネルを実装するのに必要となる追加の構成部品および集積回路のダイ領域のために、この手法は非常に高価である。
【００１２】
図４には、他の従来技術での増幅回路の技法の略図が示してある。増幅器４００の周波数範囲を拡大する１つの方式は、抵抗フィードバックを設けることである。増幅器４００は、ＲＦ入力信号（「Ｖｉｎ」）を受信するように結合されたゲート、アースに結合されたソース、および出力（「Ｖｏｕｔ」）に結合されたドレインを有するＭＯＳトランジスタ４０１を備える。フィードバック抵抗（「Ｒ」）４０２は、ドレイン出力とソース入力の間に結合される。抵抗４０２は、広帯域の入力整合および利得性能をもたらすように設定されてもよい。しかし、入力整合および増幅の周波数範囲は、増幅器２００と比較して拡大されてもよいが、こうした技法には様々な問題がある。まず、抵抗は雑音を生成し、入力における雑音は増幅されることになる。さらに、出力における雑音の一部分も、フィードバックされ、増幅される。したがって、抵抗フィードバックを使用する増幅器は、通常、雑音指数（「ＮＦ」）が非常に悪い。さらに、フィードバックのアーキテクチャは、通常消費電力が非常に高く、このことも望ましくない。
【００１３】
図５には、他の従来技術での増幅回路の略図が示してある。増幅器５００は、共通ゲート型の手法を示す。ＭＯＳトランジスタ５０１のソースインピーダンスをインピーダンス整合のために使用してもよく、それにより、入力整合のための物理的な抵抗を必要としなくてすむので、増幅器５００は有利である。たとえば、Ｍ１の装置特性を設定することにより、Ｍ１の入力インピーダンスは、アンテナに整合されてもよい。その結果、物理的な抵抗は必要でなく、受信機の雑音指数は改善される。しかし、増幅器５００についての１つの主要な問題は、他のアーキテクチャと比較して、共通ゲート型増幅器の利得が非常に低いことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、雑音性能が改善され、同時に利得および入力整合が超広帯域にわたって改善された高周波受信機の増幅器が必要となる。本発明は、以下に記載の高周波無線回路および方法を提供することにより、上記その他の問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施形態には、利得および雑音性能が改善された広帯域整合を実現する無線受信機で使用される回路が含まれる。一実施形態では、本発明には、アンテナと、アンテナに結合されたソースを有する第１のトランジスタと、アンテナに結合されたゲートを有する第２のトランジスタと、アンテナに結合された第１の端子、第１のトランジスタのソースに結合された第２の端子、および第２のトランジスタのゲートに結合された第３の端子を備え、第１のトランジスタによって生成される雑音が、所定の周波数範囲にわたってシステムにより差動的に除去されるように、第２の端子と第３の端子の間にトランスインピーダンスを有する回路網とを備える無線受信機が含まれる。
【００１６】
別の実施形態では、本発明には、等価抵抗を有するアンテナと、アンテナに結合されたソース、第１のバイアス電圧に結合されたゲート、およびドレインを有する第１のトランジスタであって、その第１のトランジスタのソース入力インピーダンスがアンテナの等価抵抗に整合する第１のトランジスタと、第１のトランジスタのドレインに結合された第１の抵抗と、ソース、ゲートおよびドレインを有し、標準動作時に相互コンダクタンスを有する第２のトランジスタと、第２のトランジスタのドレインに結合された第２の抵抗と、第１のトランジスタのソースと第２のトランジスタのゲートとの間に結合され、第１のトランジスタのソースと第２のトランジスタのゲートとの間にトランスインピーダンスを有する雑音除去回路網とを備え、第１の抵抗と第２の抵抗との比が、第２のトランジスタの相互コンダクタンスと雑音除去回路網のトランスインピーダンスとの積にほぼ等しい、一連の周波数にわたって高周波信号を受信するための回路が含まれ得る。
【００１７】
他の実施形態では、本発明には、ソース入力およびドレイン出力を有する共通ゲート段と、共通ゲート段のドレイン出力に結合された第１の抵抗と、共通ゲート段のソース入力に結合されたゲート入力およびドレイン出力を有し、相互コンダクタンスを有する共通ソース段と、共通ソース段のドレイン出力に結合された第２の抵抗と、共通ゲート段のソース入力と共通ソース段のゲート入力との間に結合されるトランスインピーダンスを有する回路網とを備え、回路網のトランスインピーダンスと共通ソース段の相互コンダクタンスとの積は、２ギガヘルツを超える一連の周波数にわたって、第１の抵抗と第２の抵抗の比にほぼ等しい電子回路が含まれ得る。
【００１８】
一実施形態では、本発明には、入力インピーダンスをアンテナに整合させる手段、高い相互コンダクタンス利得を可能にする手段、および、入力インピーダンスを整合させる手段と、電流を受け取るための高い相互コンダクタンス利得を提供し、それによってコモンモードノイズを排除するための電圧を提供する手段との間に結合されるトランスインピーダンス回路網、を備える集積回路が含まれる。
【００１９】
以下の詳細な記述および添付図により、本発明の内容および利点がよりよく理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
受信機の増幅器の周波数性能、雑音性能および利得を改善するための技法が、本明細書に記載されている。以下の記述においては、説明のために、本発明の様々な態様を完全に理解できるように数多くの例および具体的な詳細を説明する。しかし、特許請求の範囲によって定義される本発明には、これらの例の中だけでの特徴、または後述の他の特徴と組み合わされた特徴のうちのいくつかまたはすべてが含まれてもよく、本明細書に記載の各特徴および概念の、自明の修正形態および均等物がさらに含まれ得ることが、当業者には明らかになろう。
【００２１】
本発明の実施形態には、高周波無線回路および方法が含まれる。図６には、本発明の一実施形態による高周波増幅回路が示してある。高周波増幅器６００は、ＭＯＳトランジスタ６０１および６０２（すなわち、「Ｍ１」および「Ｍ２」）、インピーダンス６０３および６０４（すなわち、Ｚ１およびＺ２）ならびにコンデンサ６０５（「Ｃ１」）を備える。トランジスタ６０１は、バイアス電圧（たとえば、「Ｖ１ｂｉａｓ」）に結合されたゲート、アンテナ６１０に結合されたソース、およびインピーダンス６０３の一方の端子に結合されたドレインを有する。トランジスタ６０１のドレインとインピーダンス６０３の間のノードは、増幅器の１つの出力（たとえば、「Ｖｏｕｔ２」と表示）でもよい。アンテナ６１０も、コンデンサ６０５を介してトランジスタ６０２のゲートに結合される。トランジスタ６０２のソースは、アースに結合され、ドレインは、抵抗６０４の一方の端子に結合される。バイアス電圧（「Ｖ２ｂｉａｓ」）は、抵抗６０７（「Ｒ３」）を介してトランジスタ６０４のゲートに結合される。一実施形態では、Ｒ３は、アンテナの等価インピーダンス（たとえば、５０Ω）の１０〜２０倍であり、したがってＲ３からの雑音の影響は無視できる。トランジスタ６０２のドレインとインピーダンス６０４の間のノードは、増幅器のもう一方の出力（たとえば、「Ｖｏｕｔ１」と表示）でもよい。コンデンサ６０５はＡＣ結合コンデンサであり、これにより、トランジスタ６０２のゲートでのＤＣ電圧を、トランジスタ６０１のソースでのＤＣ電圧とは異なる値（たとえば、「Ｖ１ｂｉａｓ」）に設定することができる。
【００２２】
高周波用途において、図６に示される増幅器アーキテクチャを使用することについての１つの利点は、アンテナからの「不平衡」信号（すなわち、シングルエンド信号）が、出力（すなわち、Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２）において、「平衡」信号（すなわち、差分信号）に変換されることである。組み合わされた信号の振幅は、差分信号成分の各々の間での振幅の差によって決定されるので、差分信号により、雑音およびひずみに対するイミュニティが改善されてきた。増幅器６００の場合、アンテナ６１０からの増幅された高周波信号は、２つの出力Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の間の差（すなわち、｜Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２｜＝Ａｖ*｜Ｖｉｎ｜）である。したがって、両方の信号経路（すなわち、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）に誘導される雑音は、まったく影響しないことになる。
【００２３】
図６に示される増幅器アーキテクチャの他の利点は、トランジスタ６０１は、入力インピーダンス整合のために使用されてもよく、トランジスタ６０２は、高い相互コンダクタンス利得のために使用されてもよいことである。たとえば、共通ゲート型ＭＯＳトランジスタの入力インピーダンス（「Ｚin」）は、ほぼ次式によって与えられる。
【００２４】
Ｚin＝１／（ｇm＋ｇmbulk）＝１／ｇmT
上式で、ｇmは、ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスであり、ｇmbulkは、バルク（ｂｕｌｋ）での相互コンダクタンスであり、ｇmTは、組み合わされた（すなわち、「合計の」）相互コンダクタンスである。しかし、ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスは、所望の入力インピーダンスを生じるように調整されてもよい。たとえば、相互コンダクタンスは、ほぼ次式によって与えられる。
【００２５】
ｇm＝μnＣox（Ｗ／Ｌ）（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）
【００２６】
【数１】
2008512058.tif 000003
【００２７】
ｇm＝２ＩD／（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）
また、ｇmbulk≒１／３ｇmである。したがって、上式は、アンテナとの入力整合が達成される（たとえば、ｇmT＝１／Ｚｉｎ＝１／５０Ω）ように、Ｍ１の相互コンダクタンスを設定するために使用してもよい。たとえば、入力インピーダンスの整合が得られるように、トランジスタの寸法（たとえば、幅「Ｗ」または長さ「Ｌ」）およびバイアス電圧（「Ｖ１ｂｉａｓ」）が調整されてもよい。
【００２８】
図７Ａには、本発明の一実施形態による高周波アーキテクチャが示してある。アーキテクチャ７００では、ＭＯＳトランジスタ７０１のソースは、雑音除去および入力整合の回路網７３０の一方の端子に結合される。雑音除去および入力整合の回路網７３０は、広帯域の入力整合、広帯域の雑音除去整合を提供してもよく、実施形態によっては、Ｍ２からの雑音をさらに低減させるために、Ｍ１のソースとＭ２のゲートの間に利得を設けてもよい。たとえば、雑音除去および入力整合の回路網７３０には、アンテナからの信号をトランジスタ７０１および７０２の入力に結合させる整合回路網が含まれ得る。雑音除去および入力整合の回路網７３０には、トランジスタ７０１のソースからトランジスタ７０２のゲートに至るトランスインピーダンス回路、ＺN（ω）がさらに含まれてもよく、対象となる望ましい広帯域の周波数範囲にわたって十分な雑音除去を維持する。インダクタンスやキャパシタンスなど、リアクタンス性の受動構成部品を導入してＺN（ω）の応答を制御することにより、広帯域の雑音除去の整合が達成される。その結果、雑音電流は差動的に除去され、システムの雑音性能は改善される。インダクタンスやキャパシタンスなど、リアクタンス性の受動構成部品を導入して、アンテナ７１０から見たＺin（ω）の応答を制御することにより、広帯域の入力整合が同様に維持される。
【００２９】
図７Ｂには、雑音除去がより詳細に示してある。図７Ｂは、トランジスタ７０１によってもたらされる熱雑音電流を表す雑音源７０５（「ｉn1」）を含む。ノード７５０において、ｉn1は、ｉn12およびｉn11に分かれる。電流ｉn11は雑音除去および入力整合の回路網７３０に入力される。トランスインピーダンスＺN（ω）により、電流ｉn11は、ノード７５１において電圧Ｖn11を生成する（すなわち、Ｖn11＝ｉn11ＺN（ω））。トランスインピーダンスＺN（ω）には、Ｍ１の寄生ソースキャパシタンス、Ｍ２の寄生ゲートキャパシタンス、アンテナの等価信号源抵抗、およびノード７５０からアースまでの他の電流経路上での他の非寄生インピーダンスが含まれ得る。したがって、ｉn11の作用は、以下のように、トランジスタ７０２内に電流ｉn11m2を生成することである。
ｉn11m2＝ｇm2Ｖn11
ｉn11m2＝ｇm2（ｉn11ＺN（ω））
【００３０】
ｉn1に起因する、出力ノード７５２での出力電圧の変化は次式の通りである。
Ｖout1,n1＝ｉn11m2Ｒ２
Ｖout1,n1＝［ｇm2（ｉn11ＺN（ω））］Ｒ２
【００３１】
さらに、電流ｉn11は、アースを介して流れ、電源端子Ｖｃｃを介して戻る。したがって、出力ノード７５３でのｉn11の作用は次式の通りである。
Ｖout1,n2＝ｉn11Ｒ１
【００３２】
Ｖout1,n2は、電源を介して戻り、Ｒ１を介して流れるｉn11の結果である。したがって、Ｖout1,n1上の作用がＶout1,n2上の作用と同じになるように各装置が調整される場合、トランジスタ７０１からの雑音は、差動効果がゼロである（すなわち、雑音はコモンモード信号として現れ、システムにより差動的に除去される）。差動雑音除去は、次式の通り生じる。
Ｖout1,n1＝Ｖout1,n2
［ｇm2（ｉn11ＺN（ω））］Ｒ２＝ｉn11Ｒ１
Ｒ１＝ｇm2ＺN（ω）Ｒ２
【００３３】
たとえば、１つの有利な実施形態は、Ｒ１＝Ｒ２のときである。この場合、出力は対称的である。Ｒ１＝Ｒ２であるとき、差動雑音除去は、ｇm2＝１／ＺN（ω）と設定することによって得られてもよく、ＺN（ω）は約５０Ωである。
【００３４】
しかし、回路内の他の主要な雑音源は、トランジスタ７０２（「Ｍ２」）である。別の実施形態では、Ｍ２の雑音寄与を最小限に抑えることにより、回路の雑音指数をさらに最小限に抑えることが望ましくてもよい。トランジスタ７０２の相互コンダクタンスｇm2を増大させること、およびＲ１をＲ２よりも大きくすること（すなわち、Ｒ１＞Ｒ２）により、雑音指数が低減され、それによりシステムの雑音性能を改善してもよい。たとえば、雑音性能を改善するために相互コンダクタンスｇm2が増大させられる場合、対応する雑音電流ｉn11m2も増大する。本発明の一実施形態では、ｇm2をＸ倍に増大させることにより、トランジスタ７０２の雑音寄与が低減されてもよく、Ｘは、約２から４の範囲（すなわち２→４であるが、それよりも大きくまたは小さくてもよい）の何らかの数であることが好ましい。ｇm2の増大に起因する電流ｉn11m2の増大を補償するために、Ｒ２は、Ｘ分の１に減少させられ、したがって雑音除去が維持される。すなわち、Ｒ１は、Ｒ２よりもｇm2ＺN（ω）倍大きく、または可能な限りそれに近くなければならないので、除去を維持するためには、たとえばｇm2が２倍に増大する場合、雑音除去の関係を維持するために、Ｒ２は２分の１に低減されなければならない。
【００３５】
図７Ｃには、本発明の他の実施形態が示してある。一実施形態では、雑音除去および入力整合の回路網は、入力において受動利得を備える。たとえば、システムには、アンテナとノード７５０の間、または、代替的にノード７５０とノード７５１の間、または両方に受動利得が含まれ得る。入力において受動利得を用いる場合、トランジスタＭ１またはＭ２、あるいは両方の雑音寄与は、あまり目立たない。たとえば、システムが受動利得７９９（「α」）のみを備える場合、雑音除去は次式の通り発生することになる。
【００３６】
Ｒ１＝ｇm2ＺN（ω）Ｒ２
上式で、ＺN（ω）＝α／Ｒｓであり、Ｒｓはアンテナの等価抵抗「Ｒｓ」である。より小さいｇm2を選ぶことができるように、Ｍ２からの雑音寄与は１／α2倍にしか目立たなくなり、これにより消費電力の低減が可能になる。
【００３７】
同様に、システムが受動利得７９８（「β」）のみを備える場合、Ｍ１の入力インピーダンスはβ2倍だけ増大させることができ、このことは、ｇm1が低減させられてもよく、またＭ１の消費電力が少なくなることを意味する。さらに、Ｍ１、Ｒ１、Ｍ２、Ｒ２の雑音寄与は、１／β2倍にまで目立たなくなり、ｇm2をさらにもっと低減することができ、したがって消費電力をさらにもっと低減することができる。雑音除去は、次式の通り維持される。
【００３８】
Ｒ１＝ｇm2ＺN（ω）Ｒ２
上式で、ＺN（ω）＝β2Ｒｓであり、Ｒｓはアンテナの等価抵抗「Ｒｓ」である。
【００３９】
たとえば、α＝１およびβ＝１（すなわち、受動利得がない）の場合、ｇm1＝１／５０Ω、ｇm2＝３（ｇm1）およびＲ２＝（１／３）Ｒ１である。しかし、α＝２およびβ＝１（すなわち、受動利得７９９）の場合、ｇm1＝１／５０Ω、ｇm2＝３／４（ｇm1）およびＲ２＝（２／３）Ｒ１である。あるいは、α＝１およびβ＝２（すなわち、受動利得７９８）の場合、ｇm1＝１／２００Ω、ｇm2＝１／４（ｇm1）およびＲ２＝（１／３）Ｒ１である。広帯域の実装形態の場合、トランスインピーダンス回路は、たとえば広帯域トランスを使用して、受動利得を実装してもよい。狭帯域の実装形態では、トランスインピーダンス回路には、ＬＣ回路網が含まれ得る。
【００４０】
前述の関係から、高周波回路の性能に対する１つの重要な要素は、ｇm2とＺN（ω）の間の関係であることが分かる。２ＧＨｚを超える周波数など、対象となる高い周波数では、ＺN（ω）の周波数応答は、適切な回路挙動を達成するように注意深く調整される。たとえば３ＧＨｚから１０ＧＨｚなど、広い周波数範囲にわたって適切な動作をするために、ＺN（ω）の挙動は特に重要である。
【００４１】
図８は、本発明の一実施形態による、雑音除去および入力整合の回路網の例である。雑音除去および入力整合の回路網には、アンテナ８１０とノード８５１の間に結合された第１の回路網８３０が含まれ得る。回路網８３０には、たとえば、寄生インダクタンス、寄生容量、および所望の高い周波数の範囲にわたって適切なＺN（ω）を達成するように調整される、導入されたインダクタンスまたはキャパシタンスが含まれ得る。回路網８３２は、ノード８５１とＭＯＳトランジスタ８０１のソース入力との間に結合され、所望の高い周波数の範囲にわたって適切なＺN（ω）を達成するように調整される、導入されたインダクタンスまたはキャパシタンスを含み得る。回路網８３１は、ノード８５１とＭＯＳトランジスタ８０２のゲート入力との間に結合され、所望の高い周波数の範囲にわたって適切なＺN（ω）を達成するように調整される、導入されたインダクタンスまたはキャパシタンスを含み得る。
【００４２】
図９は、本発明の他の実施形態による増幅器の例である。増幅器９００は、高周波での回路の各要素を示す。アンテナ９１０は、ＡＣ結合コンデンサ９１１およびバイアスインダクタ９１２と直列に結合される。アンテナ９１０は、高い周波数において、等価抵抗「Ｒｓ」をアースに導入することになることを理解されたい。バイアスインダクタ９１２は、関連する寄生容量９１３（「Ｃp3」）を有する。一実施形態では、増幅器９００は、集積回路の一部分でもよい。したがって、集積回路（「ＩＣ」）のパッケージおよびボンドワイヤからのインダクタンス９１４（「Ｌpackage」）が、回路内に含まれる。集積回路パッケージからのボンドワイヤは、通常、集積回路ダイ上の「パッド」９１５に接続され、パッドは、対応する寄生容量９１６（「Ｃpad」）を有し、これも説明されている。結合コンデンサ９２０（「Ｃ１」）は、関連する寄生容量９２１（「Ｃp1」）および９２２（「Ｃp2」）を有し、ＭＯＳトランジスタ９０１のソースおよびＭＯＳトランジスタ９０２のゲートは、それぞれ寄生容量９１９（「Ｃp4」）および９２３（「Ｃp5」）を有する。一実施形態では、増幅器９００は、ＩＣパッド９１５とノード９５１の間に結合されるインダクタ９１７（「Ｌ１」）をさらに備える。増幅器９００には、トランジスタ９０１のソースとノード９５１の間に結合される第２のインダクタ９１８（「Ｌ２」）も含まれ得る。インダクタＬ１およびＬ２は、所望のレベルの雑音除去を達成するようにサイズを決めてもよい。
【００４３】
図１０は、本発明の一実施形態による梯子型回路網の例である。結果として得られる回路はＬＣ梯子型回路網なので、インダクタＬ１およびＬ２の配置は特に有利である。アンテナのソース抵抗１０１０（「Ｒｓ」）の第１の端子は、アースに結合され、第２の端子は、直列のインダクタンス１０１４、１０１７および１０１８（すなわち、「Ｌpackage」、Ｌ１およびＬ２）に結合される。「Ｃｃ」および「Ｌbias」は、対象となる高い周波数の範囲にわたって、その影響は無視できることを理解されたい。各インダクタンスは、キャパシタンスに結合されて接地される。たとえば、インダクタンス１０１４のノード１０５３は、キャパシタンス１０１３を介してアースに結合され、インダクタンス１０１４とインダクタンス１０１７の間の間欠ノード１０５２は、キャパシタンス１０１３を介してアースに結合され、インダクタンス１０１７とインダクタンス１０１８の間の間欠ノード１０５１は、キャパシタンス１０２１を介してアースに結合され、ノード１０５０は、キャパシタンス１０１９を介してアースに結合される。最後に、ＭＯＳトランジスタのソース抵抗１００１は、ノード１０５０とアースの間に結合される。したがって、入力整合および雑音除去整合の両方を提供するために、回路は対称的でもよい。
【００４４】
インダクタＬ１およびＬ２を調整することにより、また場合によっては寄生容量を調整することにより、回路の周波数性能を制御して、所望の結果を達成してもよい。たとえば、アンテナの視点から広帯域の入力整合が達成され、同時にＭ１のソースの視点から広帯域の雑音除去が達成されるように、梯子回路の値を設定してもよい。結果として、所定の周波数範囲（たとえば、３ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ）にわたって、所望のレベルの雑音除去が得られる。
【００４５】
図１１は、本発明の一実施形態による回路の他の例である。たとえば、一実施形態では、システムの周波数特性をさらに改善するために、インダクタ１１１７（「Ｌ１」）およびインダクタ１１１８（「Ｌ２」）は、相互誘導性（「Ｍ」）を有してもよい。やはり、インダクタ１１２４（「Ｌ３」）を備えることにより、回路に自由度を加えてもよく、インダクタ１１２４は、Ｌ１またはＬ２、あるいはその両方と相互誘導性を有してもよい。さらなる自由度により、設計者は、回路の周波数特性をさらに調整して、たとえば、雑音除去などの性能基準をさらに改善することができる。
【００４６】
図１２は、本発明の一実施形態による増幅器の例である。高い周波数では、増幅器の入力および出力の両方における寄生容量が、問題となることがある。増幅器１２００は、ゲートが高周波入力信号Ｖｉｎに結合され、ソースがアースに結合され、ドレインがトランジスタ１２０６のソースに結合されたＭＯＳトランジスタ１２０２を備える。トランジスタ１２０６のゲートは、バイアス電圧Ｖ４ｂｉａｓに結合され、ドレインは、抵抗１２０４（「Ｒ２」）の一方の端子に結合される。増幅器１２００はまた、ソースが高周波入力信号Ｖｉｎに結合され、ゲートがバイアス電圧（「Ｖ１ｂｉａｓ」）に結合され、ドレインがトランジスタ１２０３のソースに結合されたＭＯＳトランジスタ１２０１を備える。トランジスタ１２０３のゲートは、バイアス電圧Ｖ３ｂｉａｓに結合され、ドレインは、抵抗１２０３（「Ｒ１」）の一方の端子に結合される。増幅器の出力は、トランジスタ１２０６と１２０６の各ドレインでの電圧間の差でもよい。一実施形態では、ＭＯＳトランジスタ１２０５および１２０６は、ＭＯＳトランジスタ１２０１および１２０２よりも寸法が小さい。たとえば、ＭＯＳトランジスタ１２０５および１２０６は、トランジスタ１２０１および１２０２の、わずか３分の１（１／３）のサイズでもよい。したがって、トランジスタ１２０５および１２０６の出力キャパシタンス（すなわち、増幅器の出力キャパシタンス）は、大幅に低減させられてもよい。したがって、増幅器の帯域幅は改善される。
【００４７】
図１２はまた、本発明の一実施形態による増幅器の他の態様を示す。本発明の他の実施形態によれば、雑音除去をいくらか犠牲にすることにより、追加の利得を生成してもよい。たとえば、雑音除去について、Ｒ２の値は、Ｒ１の一部分（すなわち、Ｒ１＞Ｒ２）となることを思い起こされたい。したがって、Ｖｏｕｔ２は、システムの帯域幅を制約することになる。したがって、Ｒ１は、所与の帯域幅要求に対して最大値に設定されてもよく、トランジスタ１２０１および１２０５、ならびにＶｏｕｔ２は、最大速度で動作することになってもよい。しかし、Ｒ２はＲ１よりも小さいので、Ｖｏｕｔ１には、いくらかの帯域幅の余裕がある。Ｒ２を増大させることにより、増幅器の利得を増大させてもよく、それにより、雑音除去がいくらか犠牲になる。しかし、雑音除去がいくらか犠牲になるが、利得が増大することで、増幅器の雑音指数が改善されてもよい。
【００４８】
図１３Ａは、本発明の一実施形態による増幅器の例である。図１３Ａでは、ノード１３５３および１３５２において、出力増幅器１３００は、ＡＣ結合コンデンサ１３３０および１３４０を介して、それぞれトランジスタ１３３１および１３４１のゲートへと、差動的に後続段に結合される。トランジスタ１３０５および１３０６は、増幅器１３００の出力キャパシタンスを低減させるが、帯域幅は、寄生容量１３０７、１３０８、１３３３〜１３３５および１３４３〜１３４５によって、依然として制限されることがある。寄生容量は、出力を負荷降下させ、帯域幅を低減させるので、これらのキャパシタンスは、たとえば２ＧＨｚを超える非常に高い周波数で、特に問題となることがある。
【００４９】
図１３Ｂは、本発明の一実施形態に従って帯域幅性能をさらに改善するために使用してもよい出力回路の例である。図１３Ｂには、増幅器１３００の出力段の半分だけが示してある。しかし、図１３Ｂでの出力回路は、両方の出力に対して同じになるはずであることを理解されたい。増幅器１３００には、出力ノード（たとえば、ノード１３５４）と抵抗１３０４の一方の端子との間に結合された第１のインダクタ１３６０（「Ｌ４」）が含まれ得る。第２のインダクタ１３６１（「Ｌ５」）は、トランジスタ１３０６のドレイン（すなわち、ノード１３５２）と出力ノード１３５４の間に結合されてもよい。コンデンサ１３６２（「Ｃ１２」）は、ノード１３５２から抵抗１３０４の端子までの両方のインダクタをまたいで結合される。それにより、ノード１３５２における寄生ドレインキャパシタンス１３０８は、ＡＣ結合コンデンサ１３４０およびトランジスタ１３４１の寄生容量１３４３〜１３４５から分離される。一実施形態では、インダクタ１３６０だけが使用され、回路の帯域幅は１５０％改善する。別の実施形態では、２つの相互インダクタ１３６０および１３６１が使用され、帯域幅が２〜２．５倍増大させられる。図１３Ｃには、相互インダクタ１３６０および１３６１を使用する代わりに使用してもよい他の出力回路が示してある。
【００５０】
図１４は、本発明の一実施形態による、利得が調整可能な増幅回路の例である。増幅器１４００は、ドレインがカスコードトランジスタ１４０６を介して第１の出力Ｖｏｕｔ１に結合された、共通ソース接続されたＭＯＳトランジスタ１４０２を備える。増幅器１４００は、ドレインがカスコードトランジスタ１４０５を介して第２の出力Ｖｏｕｔ２に結合された、共通ゲート接続されたＭＯＳトランジスタ１４０１も備える。出力に移される電流を低減させ、それにより利得を低減させるために、並列のＭＯＳトランジスタ１４０７（「Ｍ３２」）および１４０８（「Ｍ４２」）が設けられる。ＭＯＳトランジスタ１４０７は、トランジスタ１４０１のドレインに結合されたソース、供給電圧（「Ｖｃｃ」）に結合されたドレイン、およびスイッチ１４７０（「Ｓ１」）の一方の端子に結合されたゲートを備える。ＭＯＳトランジスタ１４０８は、トランジスタ１４０２のドレインに結合されたソース、供給電圧（「Ｖｃｃ」）に結合されたドレイン、およびスイッチ１４７１（「Ｓ２」）の一方の端子に結合されたゲートを備える。バイアス電圧Ｖb32およびＶb42を、それぞれ各トランジスタのゲートに結合させるスイッチ１４７０および１４７１を閉じることにより、トランジスタ１４０７および１４０８をアクティブにしてもよい。したがって、各スイッチが閉じられているとき、トランジスタ１４０７および１４０８は、トランジスタ１４０１および１４０２のドレインに電流を供給し、それにより、所与の入力信号に対して、出力ノードにおいて信号の振幅を低減させる。あるいは、各スイッチが開いているとき、トランジスタ１４０１および１４０２からの電流のすべては出力に送られ、システムは、その最大利得で動作してもよい。一実施形態では、各スイッチはイネーブル信号によって制御され、イネーブル信号が能動状態にある場合、対応するトランジスタはオンになり、イネーブル信号が能動状態にない場合、対応するトランジスタはオフになる。トランジスタ１４０５とトランジスタ１４０７の相対的なサイズ（すなわち、寸法）に従って、またトランジスタ１４０６とトランジスタ１４０８の相対的なサイズにより、利得における差を設定してもよい。したがって、スイッチ１４７０および１４７１を開閉することにより、設計時にあらかじめ定義することができる量だけ、増幅器の利得を増大または減少させてもよい。
【００５１】
図１５は、本発明の他の実施形態による、利得が調整可能な増幅回路の例である。増幅器１５００では、トランジスタ１５０２および１５０６は、複数の装置に分割される。たとえば、トランジスタ１５０２（「Ｍ２」）は、トランジスタ１５０２Ａ（「Ｍ２Ａ」）および１５０２Ｂ（「Ｍ２Ｂ」）に分割されてもよい。同様に、トランジスタ１５０６（「Ｍ４１」）は、トランジスタ１５０６Ａ（「Ｍ４１Ａ」）および１５０６Ｂ（「Ｍ４１Ｂ」）に分割されてもよい。Ｖｉｎは、トランジスタ１５０２Ａおよび１５０２Ｂの各ゲートで受け取られる。これらのトランジスタの各々は、バイアス電圧Ｖｂ２に結合されたソースを有する。トランジスタ１５０２Ａのドレインは、カスコードトランジスタ１５０６Ａのソースおよび利得制御トランジスタ１５０８のソースに結合される。トランジスタ１５０２Ｂのドレインは、カスコードトランジスタ１５０６Ｂのソースに結合され、トランジスタ１５０６Ａおよび１５０６Ｂの各ドレインは、ノード１５５２（「Ｖｏｕｔ１」）に結合される。トランジスタ１５０２Ｂおよび１５０６Ｂをオフにすることにより、増幅器１５００の消費電力を低減させてもよい（たとえば、強い信号が受信されて、より低い利得が必要とされるとき）。たとえば、トランジスタ１５０６Ｂのゲートは、スイッチ１５７２（「Ｓ３」）や１５７３（「Ｓ４」）などのスイッチ回路網に結合されてもよい。（たとえば、イネーブル信号により）スイッチ１５７３が閉じられ、スイッチ１５７２が開いているとき、抵抗１５７４（「Ｒ３」）を介して、カスコードトランジスタ１５０６Ａおよび１５０６Ｂの両方にバイアス電圧が供給される。利得および消費電力を低減させるために、スイッチ１５７３が開かれ、スイッチ１５７２が閉じられてもよく、それにより、トランジスタ１５０６Ｂのゲートを接地し、トランジスタ１５０２Ｂへの電流をオフにする。
【００５２】
図１６は、本発明の一実施形態による、ＤＣ結合された出力段を有する増幅器１６００の例である。ノード１６５２および１６５３での増幅器１６００の各出力は、後続段（たとえば、他の増幅器段またはミクサ段）のトランジスタ１６３１および１６４１の各ゲート入力にＤＣ結合される。電圧制御回路１６８０は、出力ノード（たとえば、ノード１６５３）に結合され、ノード１６５７において電圧を生成し、したがって後続段は適切にバイアスされる。電圧制御回路１６８０は、供給電圧Ｖｃｃにさらに結合され、内部の基準電圧を含み得る。達成すべき所望の電圧バイアスに応じて、電圧制御回路１６８０の厳密な設計は異なってもよい。しかし、回路が、ノード１６５７および１６５８において（単独でまたは共に）電圧を変化させ、後続段が適切にバイアスされるように、増幅器１６００のＤＣ出力電圧を制御できるようになるので、非常に高い周波数の増幅器設計において、この技法は特に有利である。したがって、ＡＣ結合コンデンサおよびそれらの関連する寄生容量についての必要性が排除され、それにより、システムの帯域幅が増大する。
【００５３】
電圧制御回路１６８０の１つの例が、要素１６８１〜１６８５を備えるものとして示してある。電圧制御回路１６８０には、トランジスタ１６４１のゲートに結合された第１の端子、および増幅器１６８１に結合された第２の端子を有するフィードバック抵抗１６８３が含まれ得る。コンデンサ１６８４は、増幅器１６８１の入力に備えられてもよい。増幅器１６８１への第２の入力は、バイアス発生器１６８２に結合され、バイアス発生器には、たとえばプロセスおよび温度を追跡する一定の基準電圧を生成するための電流源に結合されたダイオード接続されたトランジスタが含まれ得る。増幅器１６８１の出力を使用して、可変抵抗１６８５などの電圧調整装置を制御し、ノード１６５８での電圧を設定してもよい。可変抵抗１６８５は、たとえばＭＯＳトランジスタなど、制御されたインピーダンスでもよい。
【００５４】
図１７は、本発明の他の実施形態による回路の例である。図１７には、本発明の様々な態様を、任意選択としてどのように組み合わせて、単一の実装形態にしてよいのかが示してある。実施形態の一例による装置パラメータおよび構成部品の値が、以下の表１および表２に示される。
【００５５】
【表１】
2008512058.tif 000004
【００５６】
【表２】
2008512058.tif 000005
【００５７】
図１８は、無線システムの一例であり、本発明の様々な実施形態が含まれ得る。図１８は、本発明の実施形態を使用してもよい直接変換アーキテクチャの一例である。無線システム１８００は、スイッチ１８０１を介して、受信チャネルおよび送信チャネルの両方に結合されたアンテナ１８１０を備える。受信チャネルは、低雑音増幅器１８１１（「ＬＮＡ」）、ミクサ１８１２、フィルタ１８１３、自動利得制御１８１４（「ＡＧＣ」）、およびアナログデジタル変換器１８１５（「Ａ／Ｄ」）を備える。ＬＮＡ  １８１１は、アンテナ１８１０からの高周波信号を増幅するために使用され、システム要求を満たすために、十分な帯域幅、利得および雑音性能をもたなければならない。受信チャネルには、２つのミクサ、ならびに、その後に続く同相および直交両方の経路（１つの経路のみが示してある）のための平行な経路が含まれ得る。ミクサ１８１２は、搬送周波数での局部発振器信号（「ＬＯ−Ｉ／Ｑ」）を受信し、その入力信号を復調する。直接変換システムでは、入力信号は復調されてベースバンドになり、中間周波数は使用されない。本発明の各実施形態は、直接変換システムまたは中間周波数を使用するシステムのいずれで使用されてもよいことを理解されたい。復調された信号から対象となる信号を抽出するために、フィルタ１８１４が使用され、Ａ／Ｄ  １８１５への入力がＡ／Ｄの全域にわたるように、ＡＧＣ  １８１４が適切な利得を提供する。たとえば、復号化およびさらなる処理のために、受信チャネルの出力は、Ｎビットのデジタル信号線を介してベースバンドプロセッサ１８２０に結合される。
【００５８】
送信時に、ベースバンドプロセッサ１８２０は、音声またはデータの信号を符号化する。符号化された信号は、たとえばＮビットのデジタル信号として、デジタルアナログ変換器１８２１（「Ｄ／Ａ」）によって受け取られ、アナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ  １８２１の出力は、フィルタ１８２２およびミクサ１８２３を介して渡され、ミクサ１８２３は、局部発振器（「ＬＯ−Ｉ／Ｑ」）からの入力を使用して信号を変調する。システムには、同相および直交両方の信号（図示せず）のための、ミクサまでの２つの送信経路が含まれ得る。変調された信号は、電力増幅器１８２４によって受け取られ、電力増幅器１８２４は、信号内の電力を増幅して、アンテナ１８１０を駆動する。
【００５９】
上記説明では、本発明の各態様がどのように実施されてもよいのかについての例と共に、本発明の様々な実施形態が示してある。上記の例および実施形態は、唯一の実施形態であるとみなすべきではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の柔軟性および利点を示すために提示される。上記の開示および以下の特許請求の範囲に基づいて、他の構成、実施形態、実装形態および均等物が、当業者には明らかになり、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１Ａ】簡略化された無線チャネルを示す図である。
【図１Ｂ】符号化され変調された信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図２Ａ】従来技術での受信機の増幅器を示す図である。
【図２Ｂ】従来技術での受信機の増幅器を示す図である。
【図３】広範囲の周波数にわたって動作する高周波増幅器の設計に対する、従来技術での手法を示す図である。
【図４】従来技術での他の増幅回路の技法の略図である。
【図５】従来技術での他の増幅回路の略図である。
【図６】本発明の一実施形態による広帯域増幅回路を示す図である。
【図７Ａ】本発明の各実施形態による広帯域アーキテクチャを示す図である。
【図７Ｂ】本発明の各実施形態による広帯域アーキテクチャを示す図である。
【図７Ｃ】本発明の各実施形態による広帯域アーキテクチャを示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態による、雑音除去および入力整合の回路網の例である。
【図９】本発明の他の実施形態による増幅器の例である。
【図１０】本発明の一実施形態による梯子型回路網の例である。
【図１１】本発明の一実施形態による回路の他の例である。
【図１２】本発明の一実施形態による増幅器の例である。
【図１３Ａ】本発明の一実施形態による増幅器の例である。
【図１３Ｂ】本発明の一実施形態に従って、帯域幅性能をさらに改善するのに使用してもよい出力回路を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明の他の実施形態に従って使用してもよい他の出力回路を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、利得が調整可能な増幅回路の例である。
【図１５】本発明の他の実施形態による、利得が調整可能な増幅回路の例である。
【図１６】本発明の一実施形態による、出力段がＤＣ結合された増幅器の例である。
【図１７】本発明の他の実施形態による回路の例である。
【図１８】本発明の様々な実施形態が含まれ得る無線システムの例である。
【図１Ａ】
2008512058.tif 000006
【図１Ｂ】
2008512058.tif 000007
【図２Ａ】
2008512058.tif 000008
【図２Ｂ】
2008512058.tif 000009
【図３】
2008512058.tif 000010
【図４】
2008512058.tif 000011
【図５】
2008512058.tif 000012
【図６】
2008512058.tif 000013
【図７Ａ】
2008512058.tif 000014
【図７Ｂ】
2008512058.tif 000015
【図７Ｃ】
2008512058.tif 000016
【図８】
2008512058.tif 000017
【図９】
2008512058.tif 000018
【図１０】
2008512058.tif 000019
【図１１】
2008512058.tif 000020
【図１２】
2008512058.tif 000021
【図１３Ａ】
2008512058.tif 000022
【図１３Ｂ】
2008512058.tif 000023
【図１３Ｃ】
2008512058.tif 000024
【図１４】
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【図１５】
2008512058.tif 000026
【図１６】
2008512058.tif 000027
【図１７】
2008512058.tif 000028
【図１８】
2008512058.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月27日(2007.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、
ソースを有する第１のトランジスタと、
ゲートを有する第２のトランジスタと、
前記アンテナに結合された第１の端子、前記第１のトランジスタの前記ソースに結合された第２の端子、および前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合された第３の端子を含む回路網とを備え、
前記回路網は、前記第２の端子と第３の端子の間にトランスインピーダンスを有し、したがって、前記第１のトランジスタによって生成される雑音は、所定の周波数範囲にわたって差動的に除去されることを特徴とする無線受信機。
【請求項２】
前記第１のトランジスタの入力インピーダンスは、前記アンテナの等価抵抗に略等しいことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項３】
前記トランスインピーダンスは、前記アンテナの等価抵抗を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項４】
前記回路網は、ＬＣ梯子を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項５】
前記回路網は、前記第１のトランジスタの前記ソースに結合された第１の端子と、前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合された第２の端子とを有する、第１のインダクタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項６】
前記回路網は、
前記第１のインダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子、および前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合された第２の端子を有するコンデンサと、
前記コンデンサの前記第１の端子に結合された第１の端子、および集積回路のパッドに結合された第２の端子を有する第２のインダクタとをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の無線受信機。
【請求項７】
前記回路網は、
前記第１のインダクタの前記第２の端子と、前記コンデンサの前記第１の端子との間に結合された第３のインダクタをさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の無線受信機。
【請求項８】
前記第１のトランジスタのドレインに結合されたソース、第１のバイアス電圧に結合されたゲート、および第１の抵抗の第１の端子に結合されたドレインを有する第３のトランジスタと、
前記第２のトランジスタのドレインに結合されたソース、第２のバイアス電圧に結合されたゲート、および第２の抵抗の第１の端子に結合されたドレインを有する第４のトランジスタとをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項９】
前記第３のトランジスタの前記ドレインに結合された第１の端子、および前記第１の抵抗に結合された第２の端子を有する第１のインダクタと、
前記第４のトランジスタの前記ドレインに結合された第１の端子、および前記第２の抵抗に結合された第２の端子を有する第２のインダクタとをさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１０】
前記第１のインダクタと第１の抵抗の間に結合された第３のインダクタと、
前記第１および第３のインダクタにまたがって結合された第１のコンデンサと、
前記第２のインダクタと前記第２の抵抗の間に結合された第４のインダクタと、
前記第２および第４のインダクタにまたがって結合された第２のコンデンサとをさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の無線受信機。
【請求項１１】
前記第１または第２のトランジスタに結合された可変利得回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項１２】
前記第１のトランジスタの前記ドレインに結合されたソース、およびイネーブル信号によって制御されるゲートを有する第５のトランジスタをさらに備え、前記イネーブル信号が能動状態にある場合、前記第５のトランジスタはオンになり、前記イネーブル信号が能動状態にない場合、前記第５のトランジスタはオフになることを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１３】
前記第２のトランジスタのソースに結合されたソース、前記第２のトランジスタの前記ゲートに結合されたゲート、およびドレインを有する第５のトランジスタと、
前記第５のトランジスタの前記ドレインに結合されたソース、前記第４のトランジスタの前記ドレインに結合されたドレイン、およびイネーブル信号によって制御されるゲートを有する第６のトランジスタとをさらに備え、
前記イネーブル信号が能動状態にある場合、前記第５および第６のトランジスタはオンになり、前記イネーブル信号が能動状態にない場合、前記第５および第６のトランジスタはオフになることを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１４】
前記第１および第２のトランジスタは、ミクサ段または増幅器段にＤＣ結合されることを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項１５】
前記第１の抵抗の前記第１の端子に結合された第１の入力、および前記第１の抵抗の第２の端子に結合された出力を有し、後続段が適切にバイアスされるように電圧を生成する電圧制御回路をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１６】
前記第１の抵抗の前記第１の端子は、第５のトランジスタのゲートにＤＣ結合され、前記第５のトランジスタの前記ゲートは、
増幅器と、
バイアス発生器と、
制御されたインピーダンスとを備えた電圧制御回路の入力に結合されることを特徴とする請求項８に記載の無線受信機。
【請求項１７】
前記第２のトランジスタは、相互コンダクタンスを有し、前記回路網の前記トランスインピーダンスと前記第２のトランジスタの前記相互コンダクタンスとの積は、３ギガヘルツから１０ギガヘルツの周波数範囲にわたって、前記第１のトランジスタのドレインに結合された第１の抵抗と前記第２のトランジスタのドレインに結合された第２の抵抗との比にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の無線受信機。
【請求項１８】
等価抵抗を有するアンテナと、
前記アンテナに結合されたソース、第１のバイアス電圧に結合されたゲート、およびドレインを有する第１のトランジスタであって、前記第１のトランジスタの前記ソースの入力インピーダンスは、前記アンテナの前記等価抵抗にマッチする第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタの前記ドレインに結合された第１のインピーダンスと、
ソース、ゲート、およびドレインを有し、標準の動作時に相互コンダクタンスを有する第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタの前記ドレインに結合された第２のインピーダンスと、
前記第１のトランジスタの前記ソースと前記第２のトランジスタの前記ゲートとの間に結合され、前記第１のトランジスタの前記ソースと前記第２のトランジスタの前記ゲートとの間にトランスインピーダンスを有する雑音除去回路網とを備え、
前記第１のインピーダンスと前記第２のインピーダンスとの比は、前記第２のトランジスタの前記相互コンダクタンスと前記雑音除去回路網の前記トランスインピーダンスとの積にほぼ等しいことを特徴とする電子回路。
【請求項１９】
前記第１のインピーダンスは、前記第２のインピーダンスに略等しいことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２０】
前記第１のインピーダンスは、前記第２のインピーダンスよりも大きいことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２１】
前記雑音除去回路網は、前記アンテナの前記等価抵抗を備え、前記雑音除去回路網の前記トランスインピーダンスは、前記アンテナの前記等価抵抗に略等しいことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２２】
前記雑音除去回路網は、前記アンテナの前記等価抵抗と少なくとも１つのインダクタとを備えたことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２３】
前記雑音除去回路網は、ＬＣ梯子を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２４】
前記雑音除去回路網の前記トランスインピーダンスは、受動利得を提供することを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２５】
ソース入力およびドレイン出力を有する共通ゲート段と、
前記共通ゲート段の前記ドレイン出力に結合された第１のインピーダンスと、
前記共通ゲート段の前記ソース入力に結合されたゲート入力、およびドレイン出力を有し、相互コンダクタンスを有する共通ソース段と、
前記共通ソース段の前記ドレイン出力に結合された第２のインピーダンスと、
前記共通ゲート段の前記ソース入力と前記共通ソース段のゲート入力との間に結合されたトランスインピーダンスを有する回路網とを備え、
前記回路網の前記トランスインピーダンスと前記共通ソース段の前記相互コンダクタンスとの積は、２ギガヘルツを超える一連の周波数にわたって、前記第１のインピーダンスと前記第２のインピーダンスとの比に略等しいことを特徴とする電子回路。
【請求項２６】
前記回路網は、
前記共通ゲート段の前記ソースに結合された第１の端子、および第２の端子を有する第１のインダクタと、
前記第１のインダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子、および前記共通ソース段の前記ゲート入力に結合された第２の端子を有する第１のコンデンサと、
前記第１のインダクタの前記第２の端子に結合された第１の端子、およびアンテナに結合された第２の端子を有する第２のインダクタとを備えたことを特徴とする請求項２５に記載の回路。
【請求項２７】
前記共通ゲート段の前記ドレイン出力と前記第１のインピーダンスとの間に直列に結合された第３および第４のインダクタと、
前記第３および第４のインダクタにまたがって結合された第２のコンデンサと、
前記共通ソース段の前記ドレイン出力と前記第２のインピーダンスとの間に直列に結合された第５および第６のインダクタと、
前記第５および第６のインダクタにまたがって結合された第３のコンデンサとをさらに備えたことを特徴とする請求項２６に記載の回路。
【請求項２８】
前記第１または第２のトランジスタに結合された可変利得回路をさらに備えたことを特徴とする請求項２５に記載の回路。
【請求項２９】
前記第１および第２のトランジスタは、ミクサ段または増幅器段にＤＣ結合されることを特徴とする請求項２５に記載の回路。
【請求項３０】
前記第１のインピーダンスは第１の抵抗を含み、前記第２のインピーダンスは第２の抵抗を含むことを特徴とする請求項２５に記載の回路。
【国際調査報告】
2008512058.tif 000030