(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース電極に第１の信号の正相信号が入力される第１のトランジスタ及びベース電極に第１の信号の逆相信号が入力される第２のトランジスタからなり、各々のエミッタ電極を共通にするとともに、各々のコレクタ電極を共通にしたトランジスタ対と、
ベース電極に第２の信号が入力され、エミッタ電極が第１の定電圧レベルに接続され、コレクタ電極が前記トランジスタ対の共通エミッタに接続された第３のトランジスタと、
前記トランジスタ対の共通コレクタを出力負荷を介して第２の定電圧レベルに接続し、この共通コレクタから第３の信号を取り出す出力回路とを備えた高調波ミクサ。
【請求項２】
ゲート電極に第１の信号の正相信号が入力される第１のＦＥＴ及びゲート電極に第１の信号の逆相信号が入力される第２のＦＥＴからなり、各々のソース電極を共通にするとともに、各々のドレイン電極を共通にしたトランジスタ対と、
ゲート電極に第２の信号が入力され、ソース電極が第１の定電圧レベルに接続され、ドレイン電極が前記トランジスタ対の共通ソースに接続された第３のトランジスタと、
前記トランジスタ対の共通ドレインを出力負荷を介して第２の定電圧レベルに接続し、この共通ドレインから第３の信号を取り出す出力回路とを備えた高調波ミクサ。
【請求項３】
ベース電極に第１の信号の正相信号が入力される第１のトランジスタ及びベース電極に第１の信号の逆相信号が入力される第２のトランジスタからなり、各々のエミッタ電極を共通にするとともに、各々のコレクタ電極を共通にした第１のトランジスタ対と、
ベース電極に第２の信号が入力され、エミッタ電極が第１の定電圧レベルに接続され、コレクタ電極が前記第１のトランジスタ対の共通エミッタに接続された第３のトランジスタと、
前記第１のトランジスタ対の共通コレクタを出力負荷を介して第２の定電圧レベルに接続し、この共通コレクタから第３の信号の正相信号を取り出す第１の出力回路と、
ベース電極に第１の信号の正相信号が入力される第４のトランジスタ及びベース電極に第１の信号の逆相信号が入力される第５のトランジスタからなり、各々のエミッタ電極を共通にするとともに、各々のコレクタ電極を共通にした第２のトランジスタ対と、
ベース電極に第２の信号の逆相信号が入力され、エミッタ電極が第１の定電圧レベルに接続され、コレクタ電極が前記第２のトランジスタ対の共通エミッタに接続された第６のトランジスタと、
前記第２のトランジスタ対の共通コレクタを出力負荷を介して第２の定電圧レベルに接続し、この共通コレクタから第３の信号の逆相信号を取り出す第２の出力回路とを備えた高調波ミクサ。
【請求項４】
ゲート電極に第１の信号の正相信号が入力される第１のＦＥＴ及びゲート電極に第１の信号の逆相信号が入力される第２のＦＥＴからなり、各々のソース電極を共通にするとともに、各々のドレイン電極を共通にした第１のトランジスタ対と、
ゲート電極に第２の信号が入力され、ソース電極が第１の定電圧レベルに接続され、ドレイン電極が前記第１のトランジスタ対の共通ソースに接続された第３のトランジスタと、
前記第１のトランジスタ対の共通ドレインを出力負荷を介して第２の定電圧レベルに接続し、この共通コレクタから第３の信号の正相信号を取り出す第１の出力回路と、
ゲート電極に第１の信号の正相信号が入力される第４のＦＥＴ及びゲート電極に第１の信号の逆相信号が入力される第５のＦＥＴからなり、各々のソース電極を共通にするとともに、各々のドレイン電極を共通にした第２のトランジスタ対と、
ゲート電極に第２の信号が入力され、ソース電極が第１の定電圧レベルに接続され、ドレイン電極が前記第２のトランジスタ対の共通ソースに接続された第６のトランジスタと、
前記第２のトランジスタ対の共通ドレインを出力負荷を介して第２の定電圧レベルに接続し、この共通ドレインから第３の信号の逆相信号を取り出す第２の出力回路とを備えた高調波ミクサ。
【請求項５】
前記出力負荷は抵抗とコンデンサの並列回路からなることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高調波ミクサ。
【請求項６】
前記出力負荷はインダクタからなることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高調波ミクサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、半導体回路に関し、さらに詳しくは、ＵＨＦ、マイクロ波、ミリ波などの高周波帯の信号を逓倍するトランジスタを備えた逓倍器、並びに、これらの高周波を混合するトランジスタを備えた高調波ミクサに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
図６は、例えばＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｖｏｌ．３３，ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，１９９８号の２２４１ページに示された従来のハーモニックミクサを構成する半導体回路の回路図である。図中の１は電源端子、２ａは高周波信号入力端子（ＲＦ入力端子）、３ａは局発信号入力端子（ＬＯ入力端子）、４ａと４ｂは出力端子、１１と１２はトランジスタ、３１は定電流源、５１と５２は抵抗である。
【０００３】
この半導体回路の動作について説明する。この半導体回路の電源端子１には直流電圧Ｖｃｃが印加されている。ＲＦ入力端子２ａから入力された高周波信号（ＲＦ信号）は、トランジスタ１１のベース電極に入力され、増幅される。一方、ＬＯ入力端子３ａに入力された局発信号（ＬＯ信号）は、トランジスタ１２のベース電極に入力され、増幅される。
【０００４】
トランジスタ１１、１２のエミッタ電極には、定電流源３１が接続されている。このため、トランジスタ１２にはトランジスタ１１に流れる電流と逆相かつ等振幅の電流が流れることになる。従って、トランジスタ１１では、正相のＲＦ信号と逆相のＬＯ信号が、トランジスタ１２では逆相のＲＦ信号と正相のＬＯ信号が、それぞれ混合され増幅されることになる。
【０００５】
この結果、抵抗５１を介して電源端子１に接続されている出力端子４ａには、トランジスタ１１のコレクタ出力として、正相のＲＦ信号と、逆相のＬＯ信号と、ＲＦ信号及びＬＯ信号の混合波とが出力される。また、抵抗５２を介して電源端子１に接続されている出力端子４ｂには、トランジスタ１２のコレクタ出力として、逆相のＲＦ信号と、正相のＬＯ信号と、ＲＦ信号及びＬＯ信号の混合波とが出力される。
【０００６】
この半導体回路の出力信号は、出力端子４ａ、４ｂ間の差動信号として定義される。このため、ＲＦ信号又はＬＯ信号の２ｎ−１倍波（ｎは１以上の整数）は２倍の電圧の信号となる一方、ＲＦ信号又はＬＯ信号の２ｎ倍波は抑圧されて出力されない。
【０００７】
ＲＦ信号とＬＯ信号の混合波を考慮しない場合には、これら信号の奇数次の高調波が出力端子４ａ、４ｂ間に発生する。従って、奇数次の逓倍器として動作する。
【０００８】
ＲＦ信号とＬＯ信号の混合波に関しては、通常の基本波ミクサの出力信号である偶数次の混合波（ＲＦ周波数をｆRF、ＬＯ周波数をｆLOとすれば、例えばｆRF−ｆLO）が抑圧され、奇数次の混合波（例えばｆRF−２ｆLO）のみが出力端子４ａ、４ｂ間に発生する。従って、この半導体回路は、奇数次の高調波ミクサとして動作する。
【０００９】
定電流源３１が理想的に動作すれば、出力端子４ａ、４ｂ間に偶数次のＲＦ信号、ＬＯ信号の高調波や、偶数次の混合波は発生しない。ところが、電源電圧Ｖｃｃが３Ｖ程度の低電圧で動作する半導体回路の場合、電圧が低いために理想的な定電流源３１を製造することができない。このため、定電流源３１は例えば数百Ω程度の抵抗で代用される場合が多かった。
【００１０】
この様に、３１が定電流源として十分に機能しない場合には、各トランジスタ１１、１２内に逆相の信号を十分に発生させることができない。このため、出力端子４ａ、４ｂ間にＬＯ信号成分又はＲＦ信号成分のアンバランスが生じ、奇数次の信号レベルが下がるだけでなく、偶数次の高調波あるいは混合波信号の抑圧が困難になり、出力端子４ａ、４ｂ間に偶数次の信号成分が出力されるという問題があった。
【００１１】
低電圧動作を可能とするため、定電流源を省略し、ＲＦ入力端子２ａに正相のＲＦ信号と逆相のＬＯ信号を合波したものを入力し、ＬＯ入力端子３ａに逆相のＲＦ信号と正相のＬＯ信号を合波したものを入力する方法もある。この場合、定電流源がないので低電圧で動作させることができる。ところが、ＬＯ信号とＲＦ信号の入力信号端子が分離されていないために、ある一定の位相でＲＦ信号とＬＯ信号を合波する回路が必要となる。この様な回路を半導体回路として低損失に実現することは困難であり、半導体回路以外でこれらの回路を構成しなければならないという問題があった。
【００１２】
なお、ここではダウンコンバータとしての動作について説明したが、ＲＦ入力端子をＩＦ入力端子に変更すれば、アップコンバータとして動作し、ＲＦ信号を出力することができる。この場合、出力されるＲＦ信号は、奇数次の混合波（ＩＦ周波数をｆIFとすれば、例えばｆIF＋２ｆLO）となる。
【００１３】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
以上の説明により理解される通り、ＲＦ信号とＬＯ信号の入力端子を分けて構成した従来の半導体回路では、ＲＦ信号とＬＯ信号を入力するトランジスタのエミッタ電極に接続された定電流源によって、出力端子間に発生する偶数次の信号を抑圧し、奇数次の高調波ミキシング動作をしている。このため、半導体回路に印加する直流電圧Ｖｃｃが３Ｖ以下と低い場合、理想的に動作する定電流源を用いることが困難であるという問題があった。そして、定電流源の特性が理想的でない場合には、出力端子間に偶数次の高調波又は混合波の信号、特に電力レベルの大きい局発信号の偶数次の高調波が生じやすいという問題があった。
【００１４】
本発明は前記課題を解消するためになされたものであり、低電圧動作時であっても高調波の逓倍又はミキシングを行なうことができる高調波ミクサを提供することを目的とする。また、低電圧動作時であっても局発の偶数次の高調波が発生しにくい高調波ミクサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による高調波ミクサは、第１の信号の正相、逆相信号がそれぞれのベース電極に入力され、エミッタ電極、コレクタ電極をそれぞれ共通としたトランジスタ対と、このトランジスタ対の共通エミッタと第１の定電圧レベルとの間に接続され、ベース電極に第２の信号が入力されるトランジスタと、トランジスタ対の共通コレクタと第２の定電圧レベルとの間に出力負荷を接続し、この共通コレクタから第３の信号を取り出す出力回路とを備えて構成される。
また、本発明による高調波ミクサは、前記高調波ミクサを２組備え、第２の信号として、一方の高調波ミクサに正相信号を、他方の高調波ミクサに逆相信号を入力するとともに、第３の信号として、一方の高調波ミクサから正相信号を、他方の高調波ミクサから逆相信号を取り出す。
なお、前記トランジスタはＦＥＴであってもよい。この場合、ベース電極がゲート電極、エミッタ電極がソース電極、コレクタ電極がドレイン電極となる。また、第２の信号が入力されるトランジスタのエミッタ電極又はソース電極は、第１の定電圧レベルに直接接続され、あるいは、他の回路素子を介して接続される。
【００１６】
【発明を実施するための最良の形態】
実施の形態１．
図１は本発明による半導体ミクサ回路の一例を示した回路図である。図中の１は電源端子、２ａは高周波信号入力端子（ＲＦ入力端子）、３ａと３ｂは局発信号入力端子（ＬＯ入力端子）、４ａは出力端子、１１〜１３はトランジスタ、５１は抵抗である。
【００１７】
トランジスタ１１及び１２は、各々のエミッタ電極を共通にした共通エミッタＮ１と、各々のコレクタ電極を共通にした共通コレクタＮ２とを有するトランジスタ対を構成している。共通エミッタＮ１は、エミッタ電極が接地されたトランジスタ１３のコレクタ電極に接続され、共通コレクタＮ２は、出力端子４ａに接続されるとともに、出力負荷としての抵抗５１を介して電源端子１に接続されている。このため、電源端子１に印加される直流電圧（Ｖｃｃ）は、抵抗５１を介して各トランジスタ１１〜１３に供給される。また、ＲＦ入力端子２ａは、トランジスタ１３のベース電極に接続され、ＬＯ入力端子３ａ、３ｂは、トランジスタ１１、１２のベース電極にそれぞれ接続される。
【００１８】
この半導体回路の動作について説明する。ＲＦ入力端子２ａに入力されたＲＦ信号は、トランジスタ１３のベース電極に入力され増幅される。また、ＬＯ入力端子３ａに入力された正相のＬＯ信号は、トランジスタ１１のベース電極に入力されて増幅され、ＬＯ入力端子３ｂに入力された逆相のＬＯ信号は、トランジスタ１２のベース電極に入力され増幅される。トランジスタ１１、１２のエミッタ電極には、ＲＦ信号を増幅するトランジスタ１３が接続されている。このため、トランジスタ１１のコレクタ電極には、正相のＬＯ信号及びＲＦ信号との混合波と、正相のＬＯ信号高調波とが発生する。また、トランジスタ１２のコレクタ電極には、逆相のＬＯ信号及びＲＦ信号の混合波と、逆相のＬＯ信号高調波とが発生する。
【００１９】
基本波ミキシングにより各トランジスタ１１、１２で発生した混合波（例えばｆRF−ｆLO）は、出力端子４ａにおいて逆相の関係になる。このため、相殺されて出力端子４ａには出力されない。また、ＬＯの偶数次の高調波（２ｎｆLO：ｎは１以上の整数）、ＬＯの奇数次とＲＦの混合波（（２ｎ−１）ｆLO±ｍｆRF：ｍは１以上の整数）も逆相となり出力されない。この結果、トランジスタ１１、１２で生じる信号が同相となるＲＦ信号の高調波ｍｆRF、ＬＯ信号の奇数次の高調波（２ｎ−１）ｆLO、ＬＯ信号の偶数次とＲＦ信号との混合波（２ｎｆLO±ｍｆRF）のみが出力される。したがって、この半導体回路は、高調波ミクサとして動作する。
【００２０】
この半導体ミクサ回路では定電流源が必要ないため、比較的低電圧である３Ｖ以下でも動作させることができる。また、トランジスタ１３のエミッタ電極は接地されているが、ＲＦ信号のダイナミックレンジを広げるため、エミッタ電極と接地電位点との間に、抵抗あるいはインダクタを挿入してもよい。
【００２１】
ＬＯ信号に関しては正相と逆相の２信号が必要となるが、半導体回路に単相の信号しか与えられない場合には、この半導体ミクサ回路の前段にバラン回路を接続すればよい。例えば、差動増幅器や、ベース接地のトランジスタとエミッタ接地又はコレクタ接地のトランジスタからなるトランジスタ対を用いた回路等を用いて正相と逆相の２信号を生成することができる。このため、２〜３Ｖ程度の比較的低電圧で動作する半導体ミクサ回路を容易に実現することができる。
【００２２】
なお、本実施の形態では、ダウンコンバータとしての動作について説明したが、ＲＦ入力端子をＩＦ入力端子に変更すれば、アップコンバータとして動作し、ＲＦ信号を出力することができる。この場合、出力されるＲＦ信号は、ＬＯの偶数次とＩＦの混合波（２ｎｆLO±ｍｆIF）となる。
【００２３】
また、アップコンバータ、ダウンコンバータとして用いる場合、ＬＯ入力端子３ａ、３ｂには、ｆRF＝２ｎｆLOを満たすＬＯ信号が入力される。
【００２４】
また、本実施の形態では、ミクサ回路としての動作について説明したが、この半導体回路を周波数逓倍器として動作させることもできる。例えば、入力端子３ａに正相信号を、入力端子３ｂに逆相信号を入力すると、出力端子４ａからは、この入力信号の奇数次の高調波が出力される。この時、入力端子２ａには、ＤＣ信号が入力される。ただし、入力信号の所望の逓倍波のみに対しインピーダンス整合を行う回路を出力側に設けることにより、入力端子２ａにＤＣ信号以外の信号を入力することもできる。
【００２５】
また、本実施の形態では、トランジスタ１１〜１３として接合形バイポーラトランジスタを用いた場合の例について説明したが、トランジスタ１１〜１３にＦＥＴを用いることもできる。図２は、図１のトランジスタとしてＦＥＴを用いて構成した場合の一例を示した図である。この場合、コレクタ電極はドレイン電極、エミッタ電極はソース電極、ベース電極はゲート電極と読みかえればよく、同様の効果を奏する。トランジスタ１１〜１３に用いられるＦＥＴは、ＧａＡｓＦＥＴであってもＭＯＳ−ＦＥＴであってもよい。
【００２６】
実施の形態２．
図３は本発明による半導体ミクサ回路の他の例を示した回路図である。図中の６１はコンデンサであり、図１の半導体ミクサ回路と比較すれば、コンデンサ６１が抵抗５１に並列に接続されている点で異なる。なお、図１に示した構成部分に相当する構成部分には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２７】
この半導体ミクサ回路をダウンコンバータとして動作させた場合、コンデンサ６１がＲＦ信号、ＬＯ信号の周波数に対して短絡、ＩＦ信号の周波数に対して少なくとも抵抗５１程度のインピーダンスとなる場合にはＲＦ信号やＬＯ信号、ＬＯ信号の奇数次の高調波成分がコンデンサ６１により抑圧され、出力されない。このため、出力端子４ａでのスプリアス成分を抑圧することができ、外部に接続されるスプリアス抑圧用のフィルタが簡略化できるという利点がある。また、ミクサ回路内でスプリアス成分の抑圧ができるので、所望波への変換効率を高めることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、トランジスタ１１〜１３として接合形バイポーラトランジスタを用いた場合の例について説明したが、実施の形態１の場合と同様、ＦＥＴを用いることもできる。また、実施の形態１の場合と同様、この半導体回路を周波数逓倍器として動作させることもできる。
【００２９】
実施の形態３．
図４は、本発明による半導体ミクサ回路の他の例を示した回路図である。図中の５ａがＩＦ入力端子、７１がインダクタであり、図１の半導体ミクサ回路と比較すれば、ＲＦ入力端子２ａがＩＦ入力端子５ａに、抵抗５１がインダクタ７１に置換されている点で異なる。このインダクタ７１は、半導体基板上に形成されるスパイラルインダクタ等として実現できる。なお、図１に示した構成部分に相当する構成部分には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
この半導体ミクサ回路をアップコンバータとして動作させた場合、インダクタ７１がＩＦ信号、ＬＯ信号の周波数に対して短絡、ＲＦ信号（例えばｆIF＋２ｆLO）の周波数に対して少なくとも図１における抵抗５１程度のインピーダンスとなる場合、ＩＦ信号やＬＯ信号はインダクタ７１により抑圧されて出力されない。このため、出力端子４ａでのスプリアス成分を抑圧することができ、外部に接続されるスプリアス抑圧用のフィルタが簡略化できる利点がある。また、ミクサ内でスプリアス成分の抑圧ができるので、所望波への変換効率を高めることができる。また、抵抗に代えてインダクタを用いることにより、抵抗５１による電圧の降下がなくなるため、実施の形態１、２と比べても、さらに低電圧で動作させることが可能となる。
【００３１】
また、本実施の形態では、トランジスタ１１〜１３として接合形バイポーラトランジスタを用いた場合の例について説明したが、実施の形態１と同様、ＦＥＴを用いることもできる。また、実施の形態１の場合と同様、この半導体回路を周波数逓倍器として動作させることもできる。
【００３２】
実施の形態４．
図５は、この発明の半導体ミクサ回路の他の例を示した回路図である。図中の２ｂは逆相のＲＦ信号を入力するＲＦ入力端子、４ｂは４ａと対になり差動信号を出力する出力端子、１４〜１６はトランジスタ、５２は抵抗である。なお、図１に示した構成部分に相当する構成部分には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
この半導体ミクサ回路は、図１の半導体ミクサ回路を、２つ並列に配置したものである。すなわち、トランジスタ１１、１２からなる第１のトランジスタ対と、トランジスタ１３と、抵抗５１により第１の半導体ミクサ回路を構成している。同様にして、トランジスタ１４、１５からなる第２のトランジスタ対と、トランジスタ１６と、抵抗５２により第２の半導体ミクサ回路を構成している。
【００３４】
ＬＯ入力端子３ｂには、ＬＯ入力端子３ａに入力されるＬＯ信号の逆相信号が入力される。また、ＲＦ入力端子２ｂには、ＲＦ入力端子２ａに入力されるＲＦ信号の逆相信号が入力される。そして、第１、第２の半導体ミクサ回路の出力端子４ａ、４ｂの端子間差動信号として出力信号が取り出される。
【００３５】
この様なバランス形の構成とすることで、実施の形態１の半導体ミクサ回路と比較して、出力端子へ出力されるＲＦ信号の奇数次の高調波、ＬＯ信号の偶数次とＲＦ信号の偶数次の混合波が抑圧されることになる。したがって、高調波ミクサとして最も一般的な出力信号であるＬＯ信号の２次とＲＦ信号の１次の混合波が非常に出やすい。また、抑圧されるスプリアス成分が多いため、半導体ミクサ回路の出力端子に接続されるスプリアス抑圧のためのフィルタが簡略にできるという利点がある。
【００３６】
なお、本実施の形態では、ダウンコンバータとしての動作について説明したが、ＲＦ入力端子をＩＦ入力端子に変更すれば、アップコンバータとして動作し、ＲＦ信号を出力することができる。この場合、出力されるＲＦ信号は、ＬＯ信号の偶数次とＩＦ信号の混合波となる。
【００３７】
また、本実施の形態では、トランジスタ１１〜１６として接合形バイポーラトランジスタを用いた場合の例について説明したが、トランジスタ１１〜１６にＦＥＴを用いることもできる。この場合、コレクタ電極はドレイン電極、エミッタ電極はソース電極、ベース電極はゲート電極と読みかえればよく、同様の効果を奏する。また、実施の形態１の場合と同様、この半導体回路を周波数逓倍器として動作させることもできる。
【００３８】
また、ここでは、図１の半導体ミクサ回路を２つ並列に接続し、バランス形回路を構成した場合について説明したが、図２、図３の半導体ミクサ回路を２つ並列に接続した回路であってもよく、同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による半導体回路の一例を示した回路図であり、トランジスタとして接合型バイポーラトランジスタを用いた例を示している（実施の形態１）。
【図２】  本発明による半導体回路の他の例を示した回路図であり、トランジスタとしてＦＥＴを用いて構成した例を示している。
【図３】  本発明による半導体回路の他の例を示した回路図であり、出力負荷として抵抗とコンデンサの並列回路を用いた例を示している（実施の形態２）。
【図４】  本発明による半導体回路の他の例を示した回路図であり、出力負荷としてインダクタを用いた例を示している（実施の形態３）。
【図５】  本発明による半導体回路の他の例を示した回路図であり、トランジスタ対を２対用いた例を示している（実施の形態４）。
【図６】  従来のハーモニックミキサ回路を示した回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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