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発明の名称 可変利得増幅器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−307172
公開日 平成8年(1996)11月22日
出願番号 特願平7−106593
出願日 平成7年(1995)4月28日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】大日方 富雄
発明者 遠藤 武文 / 渡辺 一雄 / 岡崎 三也
要約 目的
温度の影響を受け易い携帯電話機等の移動体無線通信機でのAGCにも十分に対応できるように、広い利得範囲にわたって精度の安定した円滑な利得制御を可能にする。

構成
差動増幅回路Aの利得をその動作バイアス電流によって可変設定するに際し、その差動増幅回路Aの増幅用トランジスタQ9,Q10の利得(gm)の温度特性を相殺させる補償回路を設ける。
特許請求の範囲
【請求項1】 動作バイアス電流によって利得が可変設定される増幅回路と、利得の温度特性を相殺するために上記動作バイアス電流に対して所定の温度特性を与える補償回路とを備えたことを特徴とする可変利得増幅器。
【請求項2】 前記補償回路は、外部から与えられる制御電圧に対して電圧電流変換回路を介して電圧電流変換を行って上記動作バイアス電流とするとともに、前記電圧電流変換回路の入力電圧と基準電圧に所定の温度特性を与えることによって上記利得の温度特性を相殺させるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の可変利得増幅器。
【請求項3】 前記補償回路は、外部制御電圧に応じて直線的に変化する動作バイアス電流を、所定の温度特性を与えた抵抗によって電圧変換して前記電圧電流変換回路の入力電圧とするとともに、所定の温度特性を与えた電圧でバイアスされ、且つ、バイポーラ・トランジスタのベース・エミッタ間電圧を負帰還ループに直列に介在させたフィードバック回路によって構成されるバイアス電圧供給回路の出力電圧を前記電圧電流変換回路の基準電圧とすることによって、上記利得の温度特性を相殺させるようにしたことを特徴とする請求項2に記載の可変利得増幅器。
【請求項4】 前記動作バイアス電流によって利得が可変設定される増幅回路は、無線通信機の高周波増幅部、或は中間周波増幅部の一部または全部を成す増幅回路であることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の可変利得増幅器。
【請求項5】 前記補償回路に与えられる利得制御電圧は、無線通信機の受信電界強度に基づいて設定されるAGC電圧であることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の可変利得増幅器。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、可変利得増幅器、さらには移動体無線通信機のAGC(自動利得制御)に適用して有効な技術に関するものであって、例えばセルラーとも呼ばれるゾーン選択方式の携帯電話機に利用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】まず、差動増幅回路によって構成される従来の可変利得増幅器の構成例を図2に示す。
【0003】同図に示す可変利得増幅器は、エミッタ結合された差動バイポーラ・トランジスタQ9,Q10と、このトランジスタQ9,Q10の共通エミッタから動作バイアス電流Ibを流す定電流トランジスタQ8と、上記トランジスタQ9,Q10のコレクタと電源電位Vccの間に直列に介在するコレクタ負荷抵抗Rc1,Rc2とを有し、上記定電流トランジスタQ8が流すコレクタ電流Icの大きさを、外部から与えられる任意の制御電圧Vagcによって可変設定することにより、出力電圧Voutと入力電圧Vinの比すなわち増幅利得G(G=Vout/Vin)を上記制御電圧Vagcに応じて可変設定することができるように構成されている。
【0004】この差動増幅回路の増幅利得Gは、次式〔数1〕で示される。
【0005】
【数1】

【0006】なお、qは電子の単位電荷、kはボルツマン定数、Tは温度(絶対温度)を示す。
【0007】この〔数1〕から明らかなように、増幅利得Gはコレクタ電流Icに比例する。
【0008】このコレクタ電流Icは、制御電圧Vagcを可変制御することによって変化させることができるので、制御電圧Vagcによって増幅利得Gを可変設定することが可能であることが判る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来技術には、次のような問題がある。
【0010】すなわち、トランジスタのコレクタ電流Icは一般的に次式〔数2〕で表される。
【0011】
【数2】

【0012】ここでIsは逆方向飽和電流である。このIsは温度依存性に着目すると次式〔数3〕のように表される。
【0013】
【数3】

【0014】ここでTnomは特性をモデリングする際のノーマライズ温度であり、通常室温を示す。なお、XTは各トランジスタのフィッティングパラメータである。また、Egはシリコンのエネルギーギャップ(約1.12eV)を示す。室温時では〔数3〕から判るように、Is(T)=Isとなる。
【0015】ここで〔数3〕の式を〔数2〕の式に代入すると次式〔数4〕を得る。
【0016】
【数4】

【0017】これをもとにトランジスタの利得gmを計算すると次式〔数5〕を得る。
【0018】
【数5】

【0019】以上の式をもとにコレクタ電流Icとベース・エミッタ間電圧Vbeとの関係を図示すると図3のようになる(なお、図3における3本の曲線は、トランジスタのIc−Vbe特性を示している。)。
【0020】図3で一定のバイアス電圧を与えた時(図3における線分■と各曲線との交点が動作点となる)を想定すると、温度によってコレクタ電流Icが異なることが判る。そして、コレクタ電流Icが異なると〔数1〕より利得gmが変化するため差動増幅回路の利得を考えた場合、温度によって大きく利得が変化するという問題があることが判る。
【0021】また、利得gmとコレクタ電流Icとの間には次式〔数6〕の関係が成り立つ。
【0022】
【数6】

【0023】従って、温度が上昇する程、利得gmの変化率(傾き)が緩くなるという変動が生じ、制御電圧Vagcに対する利得可変率が変動するという問題も抱えている。
【0024】そこで、本発明は、温度変化の影響を受け易い携帯電話機等の移動体無線通信機での自動利得制御(AGC)にも十分に対応できるよう、温度依存性に対する補償を行って、広い利得範囲にわたって精度の安定した円滑な利得制御を可能にする可変利得増幅器を提供することを主な目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】本発明に係る可変利得増幅器は、動作バイアス電流によって利得が可変設定される増幅回路と、利得の温度特性を相殺するために上記動作バイアス電流に対して所定の温度特性を与える補償回路とを設けたものである。
【0026】また、上記可変利得増幅器において、前記補償回路は、外部から与えられる制御電圧に対して電圧電流変換回路を介して電圧電流変換を行って上記動作バイアス電流とするとともに、前記電圧電流変換回路の入力電圧と基準電圧に所定の温度特性を与えることによって上記利得の温度特性を相殺させるように構成する。
【0027】また、上記可変利得増幅器において、前記補償回路は、外部制御電圧に応じて直線的に変化する動作バイアス電流を、所定の温度特性を与えた抵抗によって電圧変換して前記電圧電流変換回路の入力電圧とするとともに、所定の温度特性を与えた電圧でバイアスされ、且つ、バイポーラ・トランジスタのベース・エミッタ間電圧を負帰還ループに直列に介在させたフィードバック回路によって構成されるバイアス電圧供給回路の出力電圧を前記電圧電流変換回路の基準電圧とすることによって、上記利得の温度特性を相殺させるようにする。
【0028】さらにまた、上記の可変利得増幅器において、前記動作バイアス電流によって利得が可変設定される増幅回路は、無線通信機の高周波増幅部、或は中間周波増幅部の一部または全部を成す増幅回路で構成されるようにしても良い。
【0029】また、上記可変利得増幅器において、前記補償回路に与えられる利得制御電圧は、無線通信機の受信電界強度に基づいて設定されるAGC電圧であるように構成することもできる。
【0030】
【作用】上述した手段によれば、周囲の温度によらず、同じレベルの利得制御電圧でも増幅利得を安定させることができ、また利得制御電圧を可変した場合にも利得変化率を一定に保つことができるため、例えば、温度変化の影響を受け易い携帯電話機等の移動体無線通信機における自動利得制御に適用した場合にも、広い利得範囲にわたって精度の安定した円滑な利得制御を行うことが可能となる。
【0031】
【実施例】以下に本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。なお、図において、同一符号は同一或いは相当部分を示すものとする。
【0032】図1は、本発明の技術が適用された可変利得増幅器の一実施例を示したものである。
【0033】図中、Aは、定電流トランジスタQ8のコレクタ電流Icによって利得が可変設定される差動増幅回路、Bは上記コレクタ電流Icを指数変化させる電圧電流変換回路、Cは電圧電流変換回路B内のバイポーラ・トランジスタQ2に制御電圧Vcを供給するバイアス回路である。
【0034】差動増幅回路Aは、エミッタ結合された差動バイポーラ・トランジスタQ9,Q10、このトランジスタQ9,Q10の共通エミッタに流れるコレクタ電流Icを制御するバイポーラ・トランジスタQ8、上記トランジスタQ9,Q10のコレクタ端子と電源電位Vccの間に直列に介在するコレクタ負荷抵抗Rc1,Rc2とから構成される。
【0035】電圧電流変換回路Bは、演算増幅器1と、演算増幅器1の出力端子と反転入力端子間に接続されたバイポーラ・トランジスタQ1と、反転入力端子に接続された抵抗R1と、バイアス電圧源2,3とによって構成される。
【0036】また、電圧電流変換回路Bの前記バイポーラ・トランジスタQ1は、コレクタとベースが結合されるとともに、エミッタが演算増幅器1の出力端子に接続され、且つ、このエミッタにはバイポーラ・トランジスタQ2のエミッタが結合されている。
【0037】このバイポーラ・トランジスタQ2は、ベースにバイアス回路Cからの制御電圧Vcを受けてそのベース・エミッタ間電圧(Vbe2)とコレクタ電流Ic'の間に現れる指数関係を利用した指数変換素子として働く。
【0038】前記演算増幅器1と、バイポーラ・トランジスタQ1と、抵抗R1は、フィードバック回路を形成する。
【0039】このフィードバック回路は、バイポーラ・トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧(Vbe1)を負帰還ループに直列に介在させることにより、対数変換回路を形成する。この対数変換回路は、バイアス電圧源2,3によって生成されるバイアス電圧V1,V2の差(V1−V2)を増幅および対数変換して出力する役目を果たす。
【0040】ここで、指数変換素子をなすバイポーラ・トランジスタQ2は、そのベース端子にバイアス回路Cから制御電圧Vcが与えられるとともに、そのエミッタ端子に上記演算増幅器1の出力電圧Voが与えられる。これによってバイポーラ・トランジスタQ2は制御電圧Vcと出力電圧Voに応じたコレクタ電流Ic'が流れ、バイポーラ・トランジスタQ2と直列に接続されたバイポーラ・トランジスタQ5にも同一のコレクタ電流Ic'が流れる。
【0041】pnp型バイポーラ・トランジスタQ5とQ6は、カレントミラー回路を構成し、Q6と直列接続されたnpn型バイポーラ・トランジスタQ7は、上記差動増幅回路Aの電流源トランジスタQ8とカレントミラー回路を構成している。
【0042】これによって差動増幅回路Aのバイポーラ・トランジスタQ8には、電圧電流変換回路Bのバイポーラ・トランジスタQ2に流れるコレクタ電流Ic'と同一のコレクタ電流Icが流れる。
【0043】バイアス回路Cは、エミッタが抵抗R3、R4を介して定電流源I0に接続された差動トランジスタQ3,Q4と、Q3のコレクタに抵抗R2を介して接続された電圧源V3とから構成されており、バイポーラ・トランジスタQ2のベースに供給される可変制御電圧Vagcが変化されると、バイポーラ・トランジスタQ3とQ4の電流比が変化し、抵抗R2に流れる電流が変わり、Q2のベースに印加される電圧Vcが変化して、コレクタ電流Ic'が変化するようになっている。
【0044】本実施例に係る可変利得増幅器においては、電圧電流変換回路Bで温度補償を行うことによって、温度に対してトランジスタQ8の利得gmを一定に保つという課題の解決を図っている。
【0045】以下、電圧電流変換回路Bによる温度補償作用について説明する。
【0046】図1の回路において、トランジスタQ2のエミッタ電位は V2−Vbe1 であり、温度変化によるVbe1の変化に応じて変化する。従って、そのベース端子に供給される制御電圧Vcが温度に無関係で一定であったとしても、エミッタ電位が温度に応じて変化するため、トランジスタQ2のコレクタ電流Ic’は一定となる(図3の線分■参照)。
【0047】即ち、トランジスタQ2のエミッタ電位を固定した場合には、ベースに一定電圧を加えた時のコレクタ電流の温度依存性は図3の線分■上を移動することとなるが、エミッタ電位をV2−Vbe1で設定する場合には、ベースが一定電圧のとき、Vbe1の負の温度特性からトランジスタQ2のVbeが変化し、図3の線分■で示すようにコレクタ電流Ic’は一定となる。
【0048】しかし、図3の■の動作点(線分■と温度曲線との交点)ではコレクタ電流Icが一定であっても利得gmは異なるので、これを補償するために電圧源V2に温度依存性を与える必要がある。
【0049】本実施例では、約−1mV/deg程度の負の温度特性をバイアス電源V2に与えている。これによって、トランジスタQ2のベース・エミッタ間電位Vbe2は、高温ではより深くバイアスされ、低温ではより浅くバイアスされる。従って、図3に示す■の動作点(線分■と温度曲線との交点)となり、温度に拘らず利得gmは一定となる。
【0050】但し、この状態では、利得gmの変化率が温度によって変化するため、利得対制御電圧特性の傾きが温度によって変化してしまう。
【0051】これを補償して、制御電圧に対する利得の変化率が温度によって変動しないようにするために、本実施例では、図1のバイアス回路Cの抵抗R2に換えて、図4に示すgmアンプを用いることによって温度依存性(約3600ppm)を与えている。
【0052】即ち、図1のバイアス回路Cの抵抗R2が、トランジスタQ22のベースと、トランジスタQ29とQ31のコレクタとを両端として、図4のgmアンプに置き換えられる。
【0053】これによって、トランジスタQ2のベース電位Vcの外部利得制御電圧Vagcに対する変化率は、高温では大きく、低温では小さいという特性になる。
【0054】従って、利得gmの変化率の温度依存性をキャンセルすることができ、利得制御電圧Vagcを可変した際、図3に示すように動作点■が移動する(図3の鎖線参照)。
【0055】以上述べたような温度補償効果によって、80dB以上の広い利得範囲にわたって、温度依存性のない安定した利得制御が可能となる。
【0056】抵抗R2に任意の温度係数を与える方法としては、図4に示すようなgmアンプ4を用いる。
【0057】このgmアンプ4は、例えば、ベース及びコレクタが電源電位Vccに接続されたトランジスタQ20,Q21と、このトランジスタQ20,Q21のエミッタにコレクタが結合され、そのエミッタが抵抗RE,REを介して共通の定電流源I1に接続されたトランジスタQ22,Q23と、ベースがトランジスタQ22,Q23のコレクタに接続された差動トランジスタQ24,Q25と、その共通エミッタに接続された定電流源I2と、Q24,Q25のコレクタに接続されたpnp型のトランジスタQ26,Q27と、Q26、Q27とベースを共通接続されたpnp型のトランジスタQ28,Q29と、Q28,Q29のコレクタに接続されたnpn型のトランジスタQ30,Q31とから構成されている。
【0058】このgmアンプ4の出力端子から見た抵抗(インピーダンス)Routは、次式〔数7〕で示される。
【0059】
【数7】

【0060】なお、re1,re2は、それぞれトランジスタQ20,Q21のエミッタ抵抗であり、それぞれの利得gm1,gm2とは、re1=1/gm1,re2=1/gm2の関係にある。
【0061】図4の回路では、RE≫re1の関係となるように、抵抗REおよびトランジスタQ20,Q21を選定して、定電流源I1またはI2の温度係数を変えることによって、出力端子から見た抵抗Routの温度係数を任意に設定することができる。
【0062】本実施例に係る可変利得増幅器によれば、動作バイアス電流によって利得が可変設定される増幅回路と、利得の温度特性を相殺するために上記動作バイアス電流に対して所定の温度特性を与える補償回路とを設けたので80dB以上の広い利得範囲にわたって温度の影響を受けることなく精度の安定した円滑な利得制御を行うことが可能となるという優れた効果が得られる。
【0063】したがって、本実施例に係る可変利得増幅器を携帯電話機等の移動体無線通信機における自動利得制御(AGC)に適用する場合には、外気等の温度変化の影響を受け易いこれらの移動体無線通信機においても常に精度の安定した利得制御を行うことが可能となる。
【0064】以上、本発明者によってなされた発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0065】例えば、前記差動増幅回路Aは、無線通信機の高周波増幅部と中間周波増幅部の少なくともいずれか一方だけに設けるようにしても良い。
【0066】また、以上の説明では主として、本発明に係る可変利得増幅器をその発明の背景となった利用分野である無線通信機のAGC(自動利得制御)に適用する場合について述べたが、これに限定されるものではなく、たとえばオーディオ再生装置等の音量制御などにも適用できる。
【0067】また、利得制御電圧Vagcが、無線通信機等の受信電界強度に基づいて設定されるように構成した場合には、温度に対する利得の補償とともに、受信電界強度に合わせた利得の補償を同時に行うことができるようになる。
【0068】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代表的なものの効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【0069】すなわち、本発明によれば、周囲の温度によらず、同じレベルの利得制御電圧でも増幅利得を安定させることができ、また利得制御電圧を可変した場合にも利得変化率を一定に保つことができるため、温度変化の影響を受け易い携帯電話機等の移動体無線通信機における自動利得制御に適用した場合にも、広い利得範囲にわたって精度の安定した円滑な利得制御を行うことが可能となるという優れた効果が得られる。




 

 


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