(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号処理システムに用いられる電圧制御増幅器であって、
入力電圧を受ける電圧入力端と、
電圧入力端に電気的に接続され、電圧入力端に受けた入力電圧に基づいて第一電流を出力する第一電圧／電流変換器と、
第二電流を生成する参照電流発生器と、
第一電圧／電流変換器と参照電流発生器に電気的に接続され、第一電流と第二電流を受けて電圧制御増幅器の利得を調整する利得調整回路と、
第一電圧／電流変換器と、利得調整回路と、参照電流発生器に電気的に接続される第一電流ミラーと、を含み、
前記利得調整回路は、
コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第一バイポーラトランジスターと、
コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第二バイポーラトランジスターと、
コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第三バイポーラトランジスターと、
コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第四バイポーラトランジスターと、
一端が第二バイポーラトランジスターのベースと第三バイポーラトランジスターのベースに電気的に接続され、もう一端が第一バイポーラトランジスターのベースと第四バイポーラトランジスターのベースに電気的に接続され、前記第一、第二、第三、及び第四バイポーラトランジスターの制御電圧を出力する制御電圧入力回路とを含み、
前記第一電流ミラーは、
第一電圧／電流変換器の出力端に電気的に接続され、第一電流を伝送する参照枝路と、
参照電流発生器と第一バイポーラトランジスターのエミッターと第二バイポーラトランジスターのエミッターの間に電気的に接続され、参照電流発生器と第一バイポーラトランジスターのエミッター及び第二バイポーラトランジスターの間から第一電流と大きさが相当する電流を汲み取る汲取枝路と、
第三バイポーラトランジスターのエミッターと第四バイポーラトランジスターのエミッターの間に電気的に接続され、第三バイポーラトランジスターのエミッター及び第四バイポーラトランジスターの間に第一電流と大きさが相当する電流を入力する反射枝路とを含み、
前記第一電圧／電流変換器は、
ゲートと、ソースと、第一電流ミラーの参照枝路に電気的に接続されるドレインとを有する第一ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）トランジスターと、
電圧入力端に電気的に接続される第一入力端と、ＭＯＳトランジスターのソースに電気的に接続される第二入力端と、ＭＯＳトランジスターのゲートに電気的に接続される出力端とを有する第一演算増幅器と、
ＭＯＳトランジスターのソースと演算増幅器の第二入力端に接続される第一抵抗とを含み、
前記参照電流発生器は、
参照電圧を発生する参照電圧発生器と、
参照電圧発生器に電気的に接続され、参照電圧に基づいて第二電流を発生する第二電圧／電流変換器と、
第二電圧／電流変換器と利得調整回路に電気的に接続され、第二電流を受けて利得調整回路に伝送する第四電流ミラーとを含み、
前記第二電圧／電流変換器は、
ゲートと、ソースと、第四電流ミラーに電気的に接続され、第二電流を第四電流ミラーに伝送するドレインとを有する第二ＭＯＳトランジスターと、
参照電圧発生器に電気的に接続される第一入力端と、第二ＭＯＳトランジスターのソースに電気的に接続される第二入力端と、第二ＭＯＳトランジスターのゲートに電気的に接続される出力端とを有する第二演算増幅器と、
第二ＭＯＳトランジスターのソースと第二演算増幅器の第二入力端に接続される第二抵抗とを含み、
前記電圧制御増幅器は、更に、
利得調整回路に電気的に接続され、第一バイポーラトランジスターのコレクター電流と第四バイポーラトランジスターのコレクター電流の差を判断して出力電圧を出力する出力回路を含み、
前記出力回路は、
第一バイポーラトランジスターのコレクターに電気的に接続される第一枝路と、出力回路の出力端に接続される第二枝路とを有する第二電流ミラーと、
第四バイポーラトランジスターのコレクターに電気的に接続される第一枝路と、出力回路の出力端に接続される第二枝路とを有する第三電流ミラーと、
出力回路の出力端に電気的に接続される出力抵抗と、を含み、
前記出力回路において、第三電流ミラーと第二電流ミラーは、第一、第四バイポーラトランジスターのコレクター電流を出力抵抗に流し、
前記制御電圧を調整することにより、前記出力回路によって出力される出力電圧の交流部分のみを制御する、
ことを特徴とする電圧制御増幅器。
【請求項２】
前記第二電流の大きさが前記第一電流の２倍であることを特徴とする請求項１記載の電圧制御増幅器。
【請求項３】
前記第一バイポーラトランジスターと、第二バイポーラトランジスターと、第三バイポーラトランジスターと、第四バイポーラトランジスターはいずれもＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスで製作される寄生横方向バイポーラトランジスターであることを特徴とする請求項１記載の電圧制御増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電圧制御増幅器に関し、特に低ノイズ、低歪み、低コストなどの特長を兼ね備えた統合性の高い電圧制御増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧制御増幅器は信号入力端、信号出力端及び制御信号入力端など３つの端子を有し、制御信号により利得を変化させる装置である。電圧制御増幅器はＤＶＤプレイヤー、ＶＣＤプレイヤー、携帯型ビデオプレイヤー、デジタルテレビジョンなどさまざまなマルチメディア電子装置に利用され、音量、コントラスト、光度、チャンネルなどの出力信号の調整に供する。
【０００３】
信号の種類の多様化にしたがって、電圧制御増幅器の重要性は日増しに増えてくる。従来の電圧制御増幅器はバイポーラプロセスまたはバイポーラＣＭＯＳ（ＢｉＣＭＯＳ）プロセスで製作される。バイポーラプロセスで製作される電圧制御増幅器は高い動作速度と電流駆動能力を具備しているが、デジタル回路のミックスモードとの統合性が低い。それと比べて、ＢｉＣＭＯＳプロセスで製作される電圧制御増幅器は、高速と高い電流駆動能力などバイポーラトランジスターの特長と、低電力、高入力インピーダンス、高ノイズマージンなどＣＭＯＳ回路の特長を兼ね備えているが、高い製作コストを必要とする。そのため、低ノイズ、低歪み、低コストなどの特長を兼ね備えた統合性の高い電圧制御増幅器は最も望ましいのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は前述の問題を解決するための信号処理システムで利用される電圧制御増幅器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は信号処理システムに用いられる電圧制御増幅器を提供する。該電圧制御増幅器は、入力電圧を受ける電圧入力端と、電圧入力端に電気的に接続され、電圧入力端に受けられた入力電圧に基づいて第一電流を出力する第一電圧／電流変換器と、第二電流を出力する参照電流発生器と、第一電圧／電流変換器と参照電流発生器に電気的に接続され、第一電流と第二電流を受けて電圧制御増幅器の利得を調整する利得調整回路と、第一電圧／電流変換器と、利得調整回路と、参照電流発生器に電気的に接続される第一電流ミラーと、利得調整回路に電気的に接続され、第一バイポーラトランジスターのコレクター電流と第四バイポーラトランジスターのコレクター電流の差を判断して出力電圧を出力する出力回路とを含む。該利得調整回路は、コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第一バイポーラトランジスターと、コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第二バイポーラトランジスターと、コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第三バイポーラトランジスターと、コレクターと、ベースと、エミッターとを含む第四バイポーラトランジスターと、一端が第二バイポーラトランジスターのベースと第三バイポーラトランジスターのベースに電気的に接続され、もう一端が第一バイポーラトランジスターのベースと第四バイポーラトランジスターのベースに電気的に接続され、制御電圧を出力する制御電圧入力回路とを含む。第一電流ミラーは、第一電圧／電流変換器の出力端に電気的に接続され、第一電流を伝送する参照枝路と、参照電流発生器と第一バイポーラトランジスターのエミッターと第二バイポーラトランジスターのエミッターの間に電気的に接続され、参照電流発生器と第一バイポーラトランジスターのエミッター及び第二バイポーラトランジスターの間から第一電流と大きさが相当する電流を汲み取る汲取枝路と、第三バイポーラトランジスターのエミッターと第四バイポーラトランジスターのエミッターの間に電気的に接続され、第三バイポーラトランジスターのエミッター及び第四バイポーラトランジスターの間に第一電流と大きさが相当する電流を入力する反射枝路とを含む。該利得調整回路によって出力される制御電圧を調整することにより、出力回路によって出力される出力電圧を制御する。
【発明の効果】
【０００６】
この発明による電圧制御増幅器の利得変化は制御電圧にのみ関係し、その出力信号は交流部分のみ変化する。なお、利得調整回路のバイポーラトランジスターはいずれもＣＭＯＳプロセスで製作される寄生横方向トランジスターであるため、コストを低減し、より大きいベースインピーダンスを提供し、動作速度を速めるとともに、その他のＣＭＯＳ回路との統合性を高めることができる。そのほか、演算増幅器の高入力インピーダンスと低熱ノイズの特長を利用し、この発明は過大の入力電圧による操作不能を防ぎ、ノイズと歪みを低減することができる。したがって、この発明は大信号を処理できる低ノイズ、低歪み、高集積度かつ低コストの電圧制御増幅器を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
かかる装置の特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図を参照して以下に説明する。
【０００８】
図１を参照する。図１はこの発明による電圧制御増幅器１００を表す説明図である。電圧制御増幅器１００は電圧入力端と、第一電圧／電流変換器１０２と、参照電流発生器１６０と、利得調整回路１０６と、第一電流ミラー１１２と、出力回路１０８とを含む。電圧制御増幅器１００は可変制御電圧ＶＣにより利得を調整し、この調整された利得に基づいて電圧入力端で受けた入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換（増幅）する。利得を調整するとき、この発明は直流信号を変化させずに交流信号のみ変化させることによって、ノイズと歪みを低減し、集積度を高めることができる。以下は電圧制御増幅器１００の動作について説明する。
【０００９】
第一電圧／電流変換器１０２は第一演算増幅器ＯＰ１と、ＮＭＯＳトランジスター１２４と、第一抵抗Ｒ１とを含み、入力電圧Ｖｉｎに基づいて第一電流を発生する。参照電流発生器１６０は第二電圧／電流変換器１０４と、参照電圧発生器１５０と、第四電流ミラー１１０とを含む。第二電圧／電流変換器１０４は第二ＭＯＳ１２６と、第二演算増幅器ＯＰ２と、第二抵抗Ｒ２とを含み、参照電圧発生器１５０による参照電圧Ｖｒｅｆを第二電流に変換する。第二ＭＯＳ１２６はゲートと、ソースと、ドレインとを含み、そのうちドレインは第四電流ミラー１１０の枝路に電気的に接続される。第二演算増幅器ＯＰ２は参照電圧発生器１５０に電気的に接続される第一入力端と、第二ＭＯＳ１２６のソースに電気的に接続される第二入力端と、第二ＭＯＳ１２６のゲートに電気的に接続される出力端とを含む。第二抵抗Ｒ２は第二ＭＯＳ１２６のソースと第二演算増幅器ＯＰ２の第二入力端との間に電気的に接続される。この実施例では、第二ＭＯＳ１２６はＰＭＯＳトランジスターである。参照電圧Ｖｒｅｆを生成する参照電圧発生器１５０は電源と接地端に直列接続される２個の抵抗Ｒを有することが望ましい。第四電流ミラー１１０は第二電圧／電流変換器１０４と利得調整回路１０６に電気的に接続され、第二電圧／電流変換器１０４による第二電流を受けて利得調整回路１０６に伝送する。
【００１０】
第一演算増幅器ＯＰ１と第二演算増幅器ＯＰ２はＣＭＯＳプロセスで製作されることが望ましい。その高入力インピーダンスと低熱ノイズの特長を利用し、過大の入力電圧Ｖｉｎによる動作不能を防ぐと同時にノイズと歪みを低減することができる。第一電圧／電流変換器１０２は入力電圧Ｖｉｎを第一電流に変換し、第二電圧／電流変換器１０４は参照電圧Ｖｒｅｆを第二電流に変換する。第一電圧／電流変換器１０２の第一抵抗Ｒ１の値は第二電圧／電流変換器１０４の第二抵抗Ｒ２の値の２倍となるため、入力電圧Ｖｉｎの直流レベルが参照電圧Ｖｒｅｆの直流レベルと一致するとき、第二電圧／電流変換器１０４による第二電流の値は第一電圧／電流変換器１０２による第一電流の値の２倍となる。なお、入力電圧Ｖｉｎが交流信号を含むとき、第一電圧／電流変換器１０２の出力電流もそれに応じて差異値Δｉを有する。言い換えれば、第二電圧／電流変換器１０４による第二電流は２Ｉであり、第一電圧／電流変換器１０２による第一電流は（Ｉ＋Δｉ）である。
【００１１】
利得調整回路１０６は第一、第二、第三及び第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４と、制御電圧入力回路１２２を含む。この発明の望ましい実施例では、コストを低減するため、第一、第二、第三、第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はいずれもＣＭＯＳプロセスで製作される寄生横方向バイポーラトランジスターを利用する。図２を参照する。図２は従来の寄生横方向バイポーラトランジスター２００を表す説明図である。当業者に周知されるように、寄生横方向バイポーラトランジスター２００は、Ｐ型ベースと、Ｎ型コレクターと、ＮＰＮ接合のＰ型外因性ベースを含む。いわゆる「横方向」とは、ウエハーの表面において電流がエミッターからコレクターに横方向に流れることを指す。このような構造はより大きいベースインピーダンスを提供し、反応速度及びＣＭＯＳ回路との統合性を高めることができる。図１を参照する。第二電圧／電流変換器１０４による電流２Ｉは第一、第二バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２のエミッターに流れる。第一電圧／電流変換器１０２による電流（Ｉ＋Δｉ）は、第一電流ミラー１１２により第三、第四バイポーラトランジスターＱ３、Ｑ４のエミッターに流れ、それと同時に第一、第二バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２のエミッターに流れる電流は引き込まれる。したがって、第一、第二バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２のエミッターに流れ込む電流は（Ｉ−Δｉ）であり、第三、第四バイポーラトランジスターＱ３、Ｑ４のエミッターに流れ込む電流は（Ｉ＋Δｉ）である。第一、第二、第三、第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のコレクターに流れ込む電流をＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３、ＩＣ４とし、第一、第二、第三、第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のベースとエミッターの間の電圧をＶＢＥ１、ＶＢＥ２、ＶＢＥ３、ＶＢＥ４とすれば、
−ＶＣ＝ＶＢＥ１−ＶＢＥ２＝ＶＴｌｎ（ＩＣ１／ＩＣ２）
−ＶＣ＝ＶＢＥ３−ＶＢＥ４＝ＶＴｌｎ（ＩＣ１／ＩＣ２）
かつＩＣ２＝Ｉ−Δｉ−ＩＣ１
ＩＣ３＝Ｉ＋Δｉ−ＩＣ４
ゆえに、
−ＶＣ＝ＶＴｌｎ（ＩＣ１／（Ｉ−Δｉ−ＩＣ１））
−ＶＣ＝ＶＴｌｎ（ＩＣ４／（Ｉ＋Δｉ−ＩＣ４））
そのため、
ＩＣ１＝（Ｉ−Δｉ）／（１＋ｅｘｐ（ＶＣ／ＶＴ））
ＩＣ４＝（Ｉ＋Δｉ）／（１＋ｅｘｐ（ＶＣ／ＶＴ））となり、ここでＶＴは熱電圧である。
【００１２】
一方、出力回路１０８は第一、第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ４のコレクター電流ＩＣ１、ＩＣ４に基づいて出力電流ＩＯを出力する。出力回路１０８は第三電流ミラー１１６と、第二電流ミラー１２０と、出力抵抗ＲＯを含むことが望ましい。第三電流ミラー１１６と第二電流ミラー１２０は第一、第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ４のコレクター電流ＩＣ１、ＩＣ４を出力抵抗ＲＯに流す。そのため、
ＩＯ＝ＩＣ４−ＩＣ１＝（２Δｉ）／（１＋ｅｘｐ（ＶＣ／ＶＴ））となり、電圧制御増幅器１００の利得は、
ΔＶｏｕｔ／ΔＶｉｎ＝（ＩＯ×ＲＯ）／（Δｉ×Ｒ１）＝（ＲＯ／Ｒ１）×（２／（１＋ｅｘｐ（ＶＣ／ＶＴ））となる。
【００１３】
したがって、電圧制御増幅器１００の利得変動は制御電圧ＶＣにのみ関係し、この発明による電圧制御増幅器１００で利得調整回路１０６の制御電圧を調整だけすれば、出力回路による出力電圧を制御することができる。
【００１４】
言い換えれば、この発明による電圧制御増幅器１００において制御電圧ＶＣを調整する際、出力信号Ｖｏｕｔは交流部分のみ変化し、直流部分は変化しない。第一、第二、第三、第四バイポーラトランジスターＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はいずれもＣＭＯＳプロセスで製作される寄生横方向バイポーラトランジスターであるため、コストを低減し、より大きいベースインピーダンスを提供し、動作速度を速め、更にその他のＣＭＯＳ回路との統合性を高めることができる。なお、第一、第二演算増幅器ＯＰ１、ＯＰ２の高入力インピーダンスと低熱ノイズの特長は、過大の入力電圧Ｖｉｎによる動作不能を防ぐとともに、ノイズと歪みを低減することができる。そのため、電圧制御増幅器１００は大信号を処理する電子装置に適用する。言い換えれば、この発明は大信号を処理できる低ノイズ、低歪み、高集積度かつ低コストの電圧制御増幅器を実現するものである。
【００１５】
したがって、当業者はこの発明による電圧制御増幅器１００を利用し、低ノイズ、低歪み、高集積度かつ低コストの回路を設計することができる。図３から図５を参照する。図３は指数増幅器３００を表す説明図であり、図４は振幅安定発振器４００を表す説明図であり、図５は可変ローパスフィルター５００を表す説明図である。図３によれば、指数増幅器３００は電圧制御増幅器１００の受信端で参考電圧（Ｖｉｎ）を受け、入力電圧Ｖｉｎ’を指数倍に増幅する（指数増幅器３００の抵抗値を調整することによって所要の倍数を得る）。図４によれば、振幅安定発振器４００は電圧ＶＲ、Ｖ−に基づいて電圧制御増幅器１００の制御電圧ＶＣを調整することによって、電圧制御増幅器１００の出力端で最大振幅がＶＲである発振信号を出力する。図５によれば、電圧制御増幅器１００の制御電圧ＶＣを調整することによって、可変ローパスフィルター５００は帯域幅を変更することにより所要の信号を取得する。図３から図５はこの発明の利用に関する例示であり、本発明を制限するものではない。電圧制御増幅器１００を利用した当業者による設計はいずれもこの発明の範囲に属する。
【００１６】
以上はこの発明に好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
この発明による利得調整回路のバイポーラトランジスターはいずれもＣＭＯＳプロセスで製作される寄生横方向トランジスターであるため、コストを低め、より大きいベースインピーダンスを提供し、動作速度を速めるとともに、その他のＣＭＯＳ回路との統合性を高めることができる。そのほか、演算増幅器の高入力インピーダンスと低熱ノイズの特長を利用し、この発明は過大の入力電圧による動作不能を防ぎ、ノイズと歪みを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明による電圧制御増幅器を表す説明図である。
【図２】従来の寄生横方向バイポーラトランジスターを表す説明図である。
【図３】指数増幅器を表す説明図である。
【図４】振幅安定発振器を表す説明図である。
【図５】可変ローパスフィルターを表す説明図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００                          電圧制御増幅器
１０２、１０４                  電圧／電流変換器
１０６                          利得調整回路
１０８                          出力回路
１１０、１１２、１１６、１２０  電流ミラー
１２４                          ＮＭＯＳトランジスター
１２６                          ＰＭＯＳトランジスター
１５０                          参照電圧発生器
１６０                          参照電流発生器
２００                          寄生横方向バイポーラトランジスター
３００                          指数増幅器
４００                          振幅安定発振器
５００                          可変ローパスフィルター
ＯＰ１、ＯＰ２                  演算増幅器
Ｒ１、Ｒ、Ｒ２                  抵抗
【図１】
0004628982.tif 000002
【図２】
0004628982.tif 000003
【図３】
0004628982.tif 000004
【図４】
0004628982.tif 000005
【図５】
0004628982.tif 000006