(57)【要約】  アンテナからの受信信号が入力される入力端子を有し受信信号を増幅する高周波増幅器において，ゲートが高周波的に接地され，ソースに入力端子が接続されるゲート接地トランジスタと，当該トランジスタのドレインと電源との間に設けられる負荷素子と，ドレインと負荷素子との接続ノードに接続された出力端子とを有し，さらに，ドレインと出力端子との間に選択的に挿入される減衰器を有する。ゲート接地トランジスタの後段にスイッチを介して減衰器が選択的に挿入可能な構成になっている。したがって，入力端子とアンテナとの間に減衰器や切り換えスイッチが設けられていないので熱雑音源がなく，雑音指数の劣化を抑えることができる。また，減衰器を抵抗素子により構成することで，広帯域で入力インピーダンスを整合させることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナからの受信信号が入力される入力端子を有し受信信号を増幅する高周波増幅器において，
ゲートが高周波的に接地され，ソースに前記入力端子が接続されるゲート接地トランジスタと，
当該トランジスタのドレインと電源との間に設けられる負荷素子と，
前記ドレインと負荷素子との接続ノードに接続された出力端子とを有し，
さらに，前記ドレインと出力端子との間に選択的に挿入される減衰器を有する高周波増幅器。
【請求項２】
請求項１において，前記ゲート接地トランジスタのドレインと出力端子との間に第１のスイッチトランジスタが設けられ，さらに，前記ドレインと減衰器との間に第２のスイッチトランジスタが，前記減衰器と出力端子との間に第３のスイッチトランジスタがそれぞれ設けられ，前記第１のスイッチトランジスタが導通し，第２及び第３のスイッチトランジスタが非導通の状態で減衰なしの増幅器となり，前記第１のスイッチトランジスタが非導通で，第２及び第３のスイッチトランジスタが導通の状態で減衰付き増幅器となる高周波増幅器。
【請求項３】
請求項２において，前記減衰器は，第２及び第３のスイッチトランジスタの間に設けられる第１のインピーダンス素子と，前記第１のインピーダンス素子と電源との間に設けられる第２のインピーダンス素子とを有し，第２のインピーダンス素子と前記負荷素子とが並列に接続されている高周波増幅器。
【請求項４】
請求項３において，前記減衰器は，さらに，前記第１のインピーダンス素子と出力端子との間に第３のインピーダンス素子を有する高周波増幅器。
【請求項５】
請求項４において，前記第１，第２，第３のインピーダンス素子は，抵抗素子または容量素子のいずれかである高周波増幅器。
【請求項６】
請求項１において，前記ゲート接地トランジスタのゲートは，容量素子を介してグランドに接続されると共に，抵抗素子を介して第１のバイアス電圧に接続され，ソースは，インダクタを介して第２のバイアス電圧に接続されている高周波増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，減衰器を備えた高周波増幅器に関し，特に，無線受信機のアンテナ側のフロントエンド回路に設けられる減衰機能を備えた高周波低雑音増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線受信器のフロントエンドには，受信信号を増幅するための高周波低雑音増幅器が設けられている。この高周波低雑音増幅器は，雑音の増加を抑えながら、受信アンテナから入力される微少な受信信号の振幅を増幅することと，所定の入力インピーダンスを有することが求められている。受信アンテナは，微少な受信信号以外に強電界入力信号を受信することがある。したがって，かかる強電界入力信号を減衰するために増幅器には減衰器を設ける必要がある。【０００３】
一方で，近年においてＣＭＯＳ回路によりフロントエンド回路を構成し，後段のベースバンド信号をデジタルで処理する回路と共通のチップで実現することが提案されている。フロントエンド回路とデジタル処理回路とを共にＣＭＯＳ回路で構成することにより１チップ化することができ，大幅なコストダウンを図ることができる。【０００４】
図１，図２は，従来のフロントエンド回路の構成図である。図１の例では，アンテナ１０と高周波低雑音増幅器１６との間に可変減衰器１４が設けられている。低雑音増幅器１６の後段には，ローカル発振器２０からの信号を乗算するミキサー１８が設けられ，高周波入力信号が中間周波数またはベースバンドの信号に変換される。可変減衰器１４は，後段からのフィードバック制御信号２２に応答して，減衰をするまたはしないに可変制御される。強電界入力が受信された時は，可変減衰器１４が減衰を行い，低雑音増幅器１６が飽和しないようにする。通常レベルの入力が受信される時は，可変減衰器１４は減衰を行うことなく，受信信号がそのまま低雑音増幅器１６に入力される。かかる従来技術は，特許文献１に記載されている。【０００５】
図２の例では，低雑音増幅器１６と減衰器１５とが並列に設けられ，スイッチＳＷにより受信信号を低雑音増幅器１６を介してミキサー１８に供給する場合と，減衰器１５を介してミキサー１８に供給する場合とが切り換えられる。スイッチＳＷは，後段からのフィードバック制御信号２４により切り換え制御される。強電界入力が受信された時は，減衰器１５側に切り換えられ，減衰器１５が減衰を行う。一方，通常レベルの入力が受信される時は，低雑音増幅器１６側に切り換えられ，受信信号が低雑音増幅器１６により増幅される。かかる従来技術は，特許文献２．３に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−９４４０８号公報
【特許文献２】特開２０００−１７４６５０号公報
【特許文献３】特表２０００−５０８４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１の回路例では，低雑音増幅器１６の前段に熱雑音源となる素子からなる可変減衰器１４が設けられているため，雑音指数ＮＦが劣化する。可変減衰器１４は，例えばＴ字型の抵抗素子回路により構成され，抵抗値Ｒにつき＜ｖ＞2＝４ｋＴＲ（Ｔは温度）の熱雑音を発生するので，この可変減衰器１４を設けると，低雑音増幅器１６の入力信号にその熱雑音が加えられ好ましくない。たとえ増幅器１６が低雑音であっても，入力信号に熱雑音が加えられると，全体の雑音指数（入力信号のＳ／Ｎ比と出力信号のＳ／Ｎ比の比）が劣化する。同様に，図２の回路例では，低雑音増幅器１６の前段に切り換えスイッチＳＷが設けられている。この切り換えスイッチＳＷは，例えばＭＯＳトランジスタで構成され，トランジスタも熱雑音の発生源である。したがって，図２の回路の場合も，雑音指数が劣化する。【０００７】
そこで，本発明の目的は，雑音指数の劣化を低減した減衰器つき高周波増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために，本発明の第１の側面によれば，アンテナからの受信信号が入力される入力端子を有し受信信号を増幅する高周波増幅器において，ゲートが高周波的に接地され，ソースに前記入力端子が接続されるゲート接地トランジスタと，当該トランジスタのドレインと電源との間に設けられる負荷素子と，前記ドレインと負荷素子との接続ノードに接続された出力端子とを有し，さらに，前記ドレインと出力端子との間に選択的に挿入される減衰器を有する。【０００９】
上記の第１の側面によれば，ゲート接地トランジスタの後段にスイッチを介して減衰器が選択的に挿入可能な構成になっている。したがって，入力端子とアンテナとの間に減衰器や切り換えスイッチが設けられていないので熱雑音源がなく，雑音指数の劣化を抑えることができる。【００１０】
上記の第１の側面において，好ましい実施例によれば，ゲート接地トランジスタのドレインと出力端子との間に第１のスイッチトランジスタが設けられ，さらに，前記ドレインと減衰器との間に第２のスイッチトランジスタが，前記減衰器と出力端子との間に第３のスイッチトランジスタがそれぞれ設けられ，第１のスイッチトランジスタが導通，第２及び第３のスイッチトランジスタが非導通の状態で減衰なしの増幅器となり，第１のスイッチトランジスタが非導通，第２及び第３のスイッチトランジスタが導通の状態で減衰つき増幅器となる。【００１１】
上記の好ましい実施例において，減衰器は，第２及び第３のスイッチトランジスタの間に設けられる第１のインピーダンス素子と，前記第１のインピーダンス素子と電源との間に設けられる第２のインピーダンス素子とを有し，第２のインピーダンス素子と前記負荷素子とが並列に接続される。【００１２】
上記の減衰器は，さらに，前記第１のインピーダンス素子と出力端子との間に第３のインピーダンス素子を加えても良い。【００１３】
上記の減衰器において，第１，第２，第３のインピーダンス素子は，抵抗素子，容量素子のいずれかであればよい。特に抵抗素子の場合，高周波特性が少ないので，広帯域で入力インピーダンスを所望の値に調整することができる。【００１４】
また高周波信号を扱う場合には、上記の増幅器の負荷素子として、抵抗の代わりにインダクタも使用できる。
【発明の効果】
【００１５】
減衰器がドレインと出力端子間に挿入されるので，入力端子の前段に減衰器やスイッチング素子を設ける必要がなく，熱雑音の発生源がなく，雑音指数の劣化を防止できる。さらに，ゲート接地トランジスタを利用するゲート接地アンプであるので，トランジスタの相互コンダクタンスｇｍ（ゲート電圧の変化に対するドレイン電流の変化の割合）を調整することで広い帯域で入力インピーダンスを調整することができる。したがって，本発明の低雑音増幅器は，広帯域で入力インピーダンスを所望の値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のフロントエンド回路の構成図である。
【図２】従来のフロントエンド回路の構成図である。
【図３】本発明の原理図である。
【図４】第１の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。
【図５】第２の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。
【図６】第３の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。
【図７】第４の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。
【図８】本実施の形態における減衰器付き増幅器のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
Ｔｒ１：ゲート接地トランジスタ        ＩＮ：入力端子
ＯＵＴ：出力端子                      Ｔｒ２：スイッチトランジスタ
Ｔｒ３，Ｔｒ４：スイッチトランジスタ  ＡＴＴ：減衰器
Ｒ１：負荷素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下，図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し，本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。【００１９】
図３は，本発明の原理図である。アンテナ１０に接続される高周波低雑音増幅器３０は，その内部に減衰器３２を有し，入力端子ＩＮとアンテナ１０との間には，減衰器は設けられず，減衰器を挿入するスイッチ素子も設けられていない。そして，減衰器３２は，後段からのフィードバック制御信号３４に応答して，増幅器３０に減衰機能を挿入または非挿入する。増幅器３０の出力は，例えばミキサー１８に供給され，そこで周波数変換される。【００２０】
図４は，第１の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。この高周波増幅器は，ゲート接地のトランジスタＴｒ１を利用した増幅回路と，減衰器ＡＴＴとで構成される。この増幅用トランジスタＴｒ１のゲートには，抵抗Ｒ２を介して第１のバイアス電圧Bias1に容量C1を介してグランド端子ＧＮＤにそれぞれ接続され，高周波的に接地されている。この第１のバイアス電圧Bias1のバイアス回路は、理想的な回路であれば信号の周波数帯でインピーダンスが十分低く，その場合はトランジスタＴｒ１のゲートを直接第１のバイアス電圧Bias1に接続して，抵抗Ｒ２や容量Ｃ１の回路は必要がない。また，信号が低い周波数帯では，容量Ｃ１のインピーダンスが高く見えるので，その場合は抵抗Ｒ２と容量Ｃ１をなくすほうがよい。また，トランジスタＴｒ１のソースＳＣは，入力端子ＩＮに接続されると共に，インダクタＬ１を介して第２のバイアス電圧Bias2に接続される。さらに，トランジスタＴｒ１のドレインＤＲは，スイッチトランジスタＴｒ２と抵抗Ｒ１からなる負荷素子を介して電源ＶＤＤに接続される。そして，負荷素子Ｒ１とドレインＤＲとの接続点に出力端子ＯＵＴが設けられる。このスイッチトランジスタＴｒ２は，ゲート接地トランジスタでもあり、増幅器としては、ゲート接地トランジスタを従属接続した構成になっている。【００２１】
さらに，この高周波増幅器は，ドレインＤＲと出力端子ＯＵＴとの間に，２つのスイッチトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４を挟んで減衰器ＡＴＴが挿入されている。減衰器ＡＴＴは，トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４間の抵抗Ｒ３と，電源ＶＤＤに接続された抵抗Ｒ５とからなる。【００２２】
上記の高周波増幅器は，スイッチ信号ＳＷＸがＨレベルでＳＷＺがＬレベルの時に，トランジスタＴｒ２が導通し，トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４が非導通となり，減衰器ＡＴＴが切り離される。そして，ゲート接地の増幅用トランジスタＴｒ１と負荷素子Ｒ１とでゲート接地アンプとして動作する。図４の右下に示されるとおり，２つのバイアス電圧Bias1,Bias2は，Bias1>Bias2の関係にある。そして，入力信号ＩＮＰＵＴは，第２のバイアス電圧Bias2を中心に振幅する信号である。この入力信号ＩＮＰＵＴが入力端子ＩＮに入力されると，増幅用トランジスタＴｒ１のゲート・ソース間電圧が変化し，その変化に追従してドレイン電流Ｉｄが変化する。ドレイン電流Ｉｄは，負荷素子である抵抗Ｒ１に流れて，出力端子ＯＵＴに振幅が増幅された出力信号が発生する。【００２３】
ゲート接地の増幅用トランジスタＴｒ１の相互コンダクタンスｇｍと負荷素子Ｒ１から増幅率が決まる。また，相互コンダクタンスｇｍを調整することで，広帯域で入力インピーダンスを所望の値，例えば５０Ωに調整することができる。つまり，入力インピーダンスは，入力端子ＩＮから見ると，トランジスタＴｒ１とスイッチトランジスタＴｒ２と負荷素子Ｒ１とで決まる値であり，主にトランジスタＴｒ１の相互インピーダンスｇｍの逆数（１／ｇｍ）で決まる。よって，トランジスタＴｒ１の相互コンダクタンスｇｍを調整することで入力インピーダンスを所望の値に調整できる。この相互コンダクタンスｇｍは，ソース接地の場合と比較して周波数特性が少なく，よって広帯域で入力インピーダンスを整合することができる。このため、ゲート接地の増幅トランジスタは，それ自体で広帯域で増幅可能である。【００２４】
次に，高周波増幅器は，スイッチ信号ＳＷＸがＬレベルでＳＷＺがＨレベルの時に，トランジスタＴｒ２が非導通，トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４が導通し，減衰器ＡＴＴが接続される。つまり，増幅用トランジスタＴｒ１のドレインＤＲと出力端子ＯＵＴとの間に，抵抗Ｒ３，Ｒ５からなる減衰器ＡＴＴが挿入される。入力信号ＩＮＰＵＴによりドレイン電流Ｉｄが変化するが，そのドレイン電流Ｉｄは，負荷素子である抵抗Ｒ１に加えて，減衰器ＡＴＴの抵抗Ｒ５，Ｒ３にも流れる。これにより出力端子ＯＵＴでの信号振幅が抑えられ減衰され，強電界の入力であっても，増幅器の飽和が抑制される。【００２５】
さらに，減衰器ＡＴＴは，負荷素子Ｒ１と並列に電源ＶＤＤに接続される抵抗Ｒ５を有する。これにより，減衰器ＡＴＴを挿入したことによる入力インピーダンスの上昇を低減し，入力インピーダンスが所望の値（例えば５０Ω）に維持される。つまり，入力インピーダンスは，入力端子ＩＮからみて，トランジスタＴｒ１，抵抗Ｒ３，並列抵抗Ｒ５，Ｒ１により決定するので，抵抗Ｒ５を負荷抵抗Ｒ１に並列に設けることで，減衰器ＡＴＴが挿入される減衰動作時での入力インピーダンスの上昇を抑えることができる。【００２６】
そして，減衰器ＡＴＴが抵抗素子Ｒ３，Ｒ５で構成されているので，周波数特性の影響を受けにくい。つまり，抵抗素子の場合，そのインピーダンスに周波数成分が含まれないので，減衰動作時でも，広帯域で入力インピーダンス整合が可能であり，入力端子での信号反射による信号劣化を防止することができる。【００２７】
図５は，第２の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。この例において，図４の回路と異なるところは，減衰器ＡＴＴが抵抗Ｒ３，Ｒ５に加えてＲ４を有することにある。それ以外の構成は，図４の増幅器と同じである。【００２８】
図５の増幅器で，トランジスタＴｒ２が導通し，トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４が非導通になる増幅動作時は，図４の増幅器と同じになる。また，トランジスタＴｒ２が非導通になり，トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４が導通する減衰動作の時は，次の通りである。まず，ドレインＤＲの信号が抵抗Ｒ３，Ｒ５による抵抗分割で減衰されその減衰された信号がノードＮ１に生成される。そして，その減衰されたノードＮ１の信号が，さらに，抵抗Ｒ４，Ｒ１により減衰され，減衰された信号が出力端子ＯＵＴに生成される。したがって，抵抗Ｒ４を挿入することで，図４の減衰時の動作よりも更に減衰率を高くすることができる。【００２９】
図５の高周波低雑音増幅器でも，図４の場合と同様に，広帯域での増幅動作が可能であると共に，減衰動作時において，広帯域で入力インピーダンス整合が可能である。そして，トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，抵抗Ｒ１からなる増幅器と入力端子ＩＮとの間に，減衰器や切り換えスイッチなどの熱雑音源が設けられていないので，雑音指数の劣化を防止することができる。【００３０】
図６は、第３の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。この例において図５の回路と異なるところは、減衰器の抵抗Ｒ５にグランドＧＮＤが接続されていることにある。それ以外の構成は図５と同じである。かかる回路構成において，抵抗Ｒ５が電源ＶＤＤの代わりにグランドＧＮＤに接続されているが，電源もグランドも大容量の電源であるので，小信号的には抵抗Ｒ１＋Ｒ４と抵抗Ｒ５とが並列に接続されているのと等価である。したがって，抵抗Ｒ５により入力インピーダンスを低減することができる。また，抵抗Ｒ４により出力端子ＯＵＴの信号は減衰される。さらに，抵抗Ｒ３も設けることで，減衰率を更に高くすることができる。抵抗Ｒ３を省略しても，抵抗Ｒ４によりある程度の減衰を行うことができる。【００３１】
図７は，第４の実施の形態における高周波低雑音増幅器の回路図である。この回路では，減衰器ＡＴＴが容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３で構成され，容量Ｃ２はグランドＧＮＤに接続される。容量Ｃ２は，第１，第２の実施の形態のように電源ＶＤＤに接続しても良い。グランドＧＮＤも電源ＶＤＤもいずれも大容量の電源であるので，いずれもＡＣ的には接地電源と等価である。それ以外の構成は，図４，５の増幅器と同じである。【００３２】
この増幅器は，増幅動作時は，図４，５と同じようにトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２及び負荷素子Ｒ１からなるゲート接地の増幅器として動作し，広帯域で低雑音増幅することができるとともに，トランジスタＴｒ１の相互インダクタンスを調整して，広帯域で入力インピーダンスを調整できる。一方，減衰動作時は，３つの容量で構成される減衰器ＡＴＴがドレインＤＲと出力端子ＯＵＴとの間に挿入される。この場合，容量Ｃ１，Ｃ２によるインピーダンス分割によりドレインＤＲの信号が減衰されてノードＮ１に生成され，ノードＮ１の信号がさらに抵抗Ｒ１と容量Ｃ３によるインピーダンス分割により減衰され出力端子ＯＵＴに減衰信号が出力される。【００３３】
第４の実施の形態の場合，減衰器ＡＴＴが３つの容量で構成されるので，それらのインピーダンスに周波数特性を有する。したがって，入力インピーダンスを整合できる周波数帯域が狭くなる点で，図４，５の例に劣る。【００３４】
図８は，本実施の形態における減衰器付き増幅器シミュレーション結果を示す図である。この実施例は，図５に示した高周波低雑音増幅回路である。図８（Ａ）は増幅動作時の入力電力対出力電力特性（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ特性），図８（Ｂ）は減衰動作時の入力電力対出力電力特性（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ特性）を示す。それぞれ，横軸が入力電力Ｐｉｎを，縦軸が出力電圧Ｐｏｕｔを表し、入力電力対出力電力特性（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ特性）と，当該電力特性の理想的線形特性との差とが示される。【００３５】
増幅動作時では，入出力電力特性５２と理想的な線形特性５０との差５４に示されるように，差５４が１ｄBになる入力電力、入力Ｐ１ｄＢは−２５ｄＢｍ程度である。この入力Ｐ１ｄＢ以下であれば，入出力電力特性５２はほぼ線形な特性を有する。また，減衰動作時では，入出力電力特性６２と理想的な線形特性６０との差６４に示されるように，入力Ｐ１ｄＢは，入力電力Ｐｉｎが−５ｄＢｍ程度である。明らかに，増幅動作時よりも高いパワーの入力に対して線形特性を維持することができる。【００３６】
以上説明したとおり，本実施の形態によれば，増幅回路の前段に熱雑音源となる減衰器やスイッチ手段を設けていないので，雑音指数を劣化することがない。また，減衰動作時に入力インピーダンスを広帯域な周波数で整合することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は，広い帯域の入力信号を受信する高周波低雑音増幅器である。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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