JP2005143121A - 電圧／電流変換器並びに変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流消費量や出力線形性の様な性能パラメータを変化させることなく利得調整が可能な電圧／電流変換器を提供することを目的とする。
【解決手段】出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１と出力信号電流ｉ_ｏｕｔとを含む出力電流を生成するように適合された電圧／電流変換器にバイアス段を追加し、前記変換器の信号段に入力ＤＣバイアス電圧を生成して供給し、利得変更用抵抗器を変化させている間に、出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１を一定とするように前記入力ＤＣバイアス電圧を変化させることで上記の課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１トランジスタと第１抵抗器とを具備した信号段を含む電圧／電流変換器に関する。第１トランジスタは入力信号電圧を供給されるように適合されている。この変換器は出力ＤＣバイアス電流と出力信号電流とを含む出力電流を生成し、また第１抵抗器を可変とすることにより利得調整を提供するように適合されている。

本発明はまた電圧を電流に変換するための方法にも関する。

電圧／電流変換器の前に異なる種類の可変利得増幅器（ＶＧＡ：ｖａｒｉａｂｌｅ ｇａｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）を付加することが知られている。

特許公報ＧＢ ２ ３３４ １６３は可変トランスコンダクタンス増幅器を示しており、これはそれぞれのエミッタが抵抗器を介して定電流源に接続されて、差動またはロングテイルペアを形成する２つのトランジスタを含む。そのトランスコンダクタンスが制御可能な１つのフィードバック増幅器は、複数のトランジスタのコレクタに接続された複数の入力と、トランジスタのエミッタに接続された複数の出力とを有する。従ってこのフィードバック増幅器は差動電流をそれらのトランジスタのエミッタに供給し、これはトランジスタの差動出力信号とフィードバック増幅器の可変トランスコンダクタンスの積に相当する。この構成は雑音特性を改善すると言われている。

特許公報ＵＳ ２００３／００６２９５１はミキサー／増幅器を示しており、これはほぼ一定のコモンモード動作電圧レベルを維持し、またほぼ一定の動作電圧を新たな低電圧設計の中で維持しながら、可変利得を提供することが可能であり、これにより低電力直接変換受信機内でミキサー／増幅器を提供する。

利得制御信号が差動電流源を通して与えられている低雑音増幅器が示されている。２つの出力電流Ｉ１およびＩ２が提供される。Ｉ１＋Ｉ２＝ａ一定である。Ｉ１およびＩ２は第１および第２経路内でミラー化されており、１つは増幅器トランジスタとオプションとしてギルバート・セル乗算器を含む。増幅器利得にかかわりなく、２つの経路を通る電流はＩ１とＩ２に等しく維持され、コモンモード電圧は一定に維持される。

利得が調整される際に、電流消費や出力線形性の様な性能パラメータを変えることの無い利得調整を具備した電圧／電流変換器を提供することが課題である。

これを信号経路内に余分な部品、これはすなわち例えば雑音および非線形性の様な余分な誤差の追加を意味する、や余分の電力消費を追加することなく実現することが特に課題である。

上記認識された課題の１つまたは複数を解決する目的で、また第１トランジスタおよび第１抵抗器とを具備した信号段を含む電圧／電流変換器の観点から、この変換器は出力ＤＣバイアス電流と出力信号電流とを含む出力電流を生成し、第１抵抗器を可変とすることにより利得調整を提供するように適合されており、本発明は変換器が信号段に入力ＤＣバイアス電圧を生成して供給するように適合されたバイアス段を含み、此処で入力ＤＣバイアス電圧は第１抵抗器が変化中に出力ＤＣバイアス電流を一定に保つように適合されていて、これにより電流消費や出力線形性等の性能パラメータを変動させることの無い利得調整を提供することを教えている。

この入力ＤＣバイアス電圧を生成するために、本発明はバイアス段が第２トランジスタと第２調整可能抵抗器とを含み、基本的に信号段のコピーを形成することを教えている。第２トランジスタはダイオード接続されており、従って基本的に第１トランジスタと共に電流ミラーを形成する。バイアス段は一定入力ＤＣバイアス電流を供給されるように適合され、第２抵抗器は第１抵抗器の変化と同時に変化されるように適合されている。

このバイアス段の電力消費を最少とする目的で、本発明は第２トランジスタが第１トランジスタのトランジスタ領域よりも小さな係数Ｍのトランジスタ領域を有するように適合されており、第２抵抗器が第１抵抗器の抵抗値よりも大きな、同一係数Ｍの抵抗値を有するように適合されており、これにより入力ＤＣバイアス電流が出力ＤＣバイアス電流に対して係数Ｍだけ削減されるように適合されることを教えている。

バイアス段の制御を簡単にするために、本発明は第１および第２抵抗器が互いに可変で同一制御信号により制御されるように適合されることを教えている。

本発明は、バイアス段が信号段と統合されることが可能であることを教えており、変換器が同一集積回路内に集積され、これにより余分の部品を追加することなく本発明に基づく解決策が得られる。

本発明はまた、電圧／電流変換方法にも関し、これを今回の好適な実施例の以下の説明の中で更に詳細に説明する。

本発明に基づく変換器の特長は、本発明の変換器が全利得範囲に渡って一定バイアス電流を維持しつつ可変利得を与えることである。発明の変換器は、利得の設定とは独立に電流消費制御を提供する。これはまた、利得設定とは独立して負荷の大きさを決める可能性を提供し、これにより全利得設定範囲に渡って変更される或る電流密度に関して最適化された性能を提供する。

本発明の変換器は同一集積回路内に製造することが可能であり、従って上記の特長を１つの構成部品の機能の中で、雑音、非線形性等の余分の誤差を大きく削減しつつ提供する。

本発明に基づく変換器並びに方法を添付図を参照して次に詳細に説明する。

図１を参照すると、従来技術に基づく電圧／電流変換器が示されている。既知の変換器は第１トランジスタ１１および第１抵抗器１２を含み、此処で第１トランジスタ１１は入力ＤＣバイアス電圧Ｖ_ＤＣと入力信号電圧ｖ_ｉｎを供給されるように適合されており、此処で変換器は出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１と出力信号電流ｉ_ｏｕｔを生成するように適合されている。

変換器は第１抵抗器１２の変化を通して利得調整を与えるように適合されている。

電圧／電流変換関数は次のように表される：

此処でｇｍは第１トランジスタ１１のトランスコンダクタンス、またＲは第１抵抗器１２の抵抗値である。第１トランジスタ１１のトランスコンダクタンスｇｍを大きく（ｇｍ＞＞１／Ｒ）とすることにより、電圧／電流変換関数は次のように表現できる：

調整可能利得を実現するための直接的な方法は、図に示すように抵抗値Ｒを調整可能とすることである。しかしながら、出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１は次のように決定される：

此処でＶ_ｂｅは第１トランジスタ１１のベース・エミッタ電圧である。

従って、抵抗値Ｒを変化させると、出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１もまた変化し、これは第１トランジスタ１１の動作点を変化させる。本発明の目的は、抵抗値Ｒの変化に関係なく第１トランジスタ１１の最適動作点、従って出力線形性を維持することである。

次に本発明に基づく電圧／電流変換器を図２を参照して説明する。

本発明の変換器は図１に基づく信号段１を含むが、これはまたバイアス段２も含み、これは信号段１に入力ＤＣバイアス電圧Ｖ_ＤＣを生成して供給するように適合され、この入力ＤＣバイアス電圧は、第１抵抗器１２の変化中も出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１を一定に保つように適合されている。

バイアス段２は第２トランジスタ２１と第２可変抵抗器２２を含み、基本的に信号段１のコピーを形成する。図は第２トランジスタ２１がダイオード接続されていることを示しており、従って基本的に第１トランジスタ１１と共に電流ミラーを形成している。バイアス段２は一定入力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ２を供給されるように適合されている。

本発明は特に第２抵抗器２２が第１抵抗器１２の変化と同時に変化するように適合されている。

図３は入力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ２を出力バイアス電流Ｉ_Ｂ１に対して削減する目的で示しており、本発明は入力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ２が係数Ｍの分だけ、出力バイアス電流Ｉ_Ｂ１に対して削減できることを教えており、これは第２トランジスタ２１が第１トランジスタ１１のトランジスタ領域Ａ１よりも小さな係数Ｍのトランジスタ領域Ａ２を有するように適合させ、また第２可変抵抗器２２が第１抵抗器１２の抵抗値Ｒ１よりも大きな前記係数Ｍの抵抗値Ｒ２を有するように適合させることで実現される。

本発明はまた第１および第２抵抗器１２，２２が相互に可変であり同一制御信号３で制御され、これにより本発明の変換器を簡単に制御可能であることを教えている。

本発明の１つの提案された実施例は、バイアス段２が信号段１と集積されることを教えており、従って変換器は同一集積回路内に統合される。

本発明はまた、電圧／電流変換器を通して電圧を電流に変換するための方法に関する。

この方法を新たな図２を参照して次に説明するが、此処には第１トランジスタ１１および第１抵抗器１２を具備した信号段１を含み、此処で第１トランジスタ１１には入力信号電圧ｖ_ｉｎが供給されており、此処で変換器は出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１と出力信号電流ｉ_ｏｕｔを含む出力電流を生成し、また此処で変換器は第１抵抗器１２の変化を通して利得調整を提供する。

本発明の方法はバイアス段２を使用することを教えており、これは信号段１に入力バイアス電圧Ｖ_ＤＣを生成して供給し、此処で入力バイアス電圧Ｖ_ＤＣは、第１抵抗器１２の変化中、出力バイアス電流Ｉ_Ｂ１を一定に維持する。

本発明の方法は第２トランジスタ２１と第２可変抵抗器２２とを含む、基本的に信号段１のコピーを形成するバイアス段２を使用することを教えており、此処で第２トランジスタ２１はダイオード接続されていて、第１トランジスタ１１と共に基本的に信号段１の電流ミラーを形成する。

バイアス段２には一定の入力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ２が供給され、第２可変抵抗器２２は第１抵抗器１２の変化と同時に変化され、その結果一定の出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１が得られる。

入力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ２は、第２トランジスタ２１のトランジスタ領域Ａ２を第１トランジスタ１１のトランジスタ領域Ａ１よりも小さな係数Ｍに選択し、また第２可変抵抗器２２の抵抗値Ｒ２を第１抵抗器１２の抵抗値Ｒ１よりも大きな係数Ｍとなるように選択することにより、出力ＤＣバイアス電流Ｉ_Ｂ１よりも小さな係数Ｍに削減される。

本発明の方法は、第１および第２抵抗器１２，２２は互いに同一制御信号３で制御されることを教えている。

上記の説明および添付の特許請求項の中で、本発明の実際の実施例を説明するに当たってバイポーラＮＰＮトランジスタが使用されている。説明を簡単にするために、本発明は他の種類のトランジスタを使用するようには記述されていない。しかしながら当業者には、他の任意の型式のトランジスタ、例えばバイポーラＰＮＰトランジスタまたはＮまたはＰ型ＭＯＳトランジスタを使用して同一結果を得られることは明らかであり、本発明のその様な実施例は上記説明および添付の特許請求項内の実施例と等価である。

本発明は先に説明され図示された例として示す実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求項内に示された本発明の概念の範囲内で改変可能なことは理解されよう。

図１は既知の電圧／電流変換器の図式的かつ簡略化された図である。 図２は本発明に基づく電圧／電流変換器の図式的かつ簡略化された図である。 図３は入力ＤＣバイアス電流を低減するように適合された、本発明の電圧／電流変換器の図式的かつ簡略化された図である。

符号の説明

１ 信号段
２ バイアス段
３ 制御信号
１１ 第１トランジスタ
１２ 第１抵抗器
２１ 第２トランジスタ
２２ 第２可変抵抗器

Claims (9)

1. 第１トランジスタおよび第１抵抗器とを具備した信号段を含む電圧／電流変換器であって、前記第１トランジスタは入力信号電圧が供給されるように適合され、前記変換器が出力ＤＣバイアス電流と出力信号電流とを含む出力電流を生成するように適合され、前記第１抵抗器を可変とすることにより利得調整を与えるように適合されている前記変換器であって、前記変換器が前記信号段に入力ＤＣバイアス電圧を生成して供給するように適合されたバイアス段を含み、前記入力ＤＣバイアス電圧が、前記第１抵抗器の前記変化中に前記出力ＤＣバイアス電流を一定に保つように適合されていることを特徴とする、前記変換器。
2. 請求項１記載の変換器であって、前記バイアス段が基本的に前記信号段のコピーを形成する第２トランジスタと第２可変抵抗器とを含み、前記第２トランジスタがダイオード接続されていて、前記第１トランジスタと共に基本的に電流ミラーを形成し、前記バイアス段が一定の入力ＤＣバイアス電流を供給されるように適合され、前記第２抵抗器が前記第１抵抗器の変化と同時に変化されるように適合されていることを特徴とする、前記変換器。
3. 請求項２記載の変換器であって、前記第２トランジスタが前記第１トランジスタのトランジスタ領域よりも小さな係数Ｍのトランジスタ領域を有するように適合され、前記第２抵抗器が前記第１抵抗器の抵抗値よりも大きな前記係数Ｍの抵抗値を有するように適合され、前記入力ＤＣバイアス電流が前記出力ＤＣバイアス電流に関して前記係数Ｍだけ削減されるように適合されていることを特徴とする、前記変換器。
4. 請求項２または３記載の変換器であって、前記第１および第２抵抗器が同一制御信号により、互いに変化されるように適合されていることを特徴とする前記変換器。
5. 先行の請求項のいずれかに記載の変換器であって、前記バイアス段が前記信号段と集積され、従って前記変換器が同一集積回路内に集積されることを特徴とする、前記変換器。
6. 電圧／電流変換器を通して電圧を電流に変換するための方法であって、前記変換器が第１トランジスタおよび第１抵抗器を具備した信号段を含み、此処で前記第１トランジスタは入力信号電圧が供給されるように適合され、前記変換器が出力ＤＣバイアス電流と出力信号電流とを含む出力電流を生成するように適合され、前記第１抵抗器を可変とすることにより利得調整を与えるように適合されている前記変換器であって、前記変換器が前記信号段に入力ＤＣバイアス電圧を生成して供給するように適合されたバイアス段を含み、前記入力ＤＣバイアス電圧が、前記第１抵抗器の前記変化中に前記出力ＤＣバイアス電流を一定に保つように適合されていることを特徴とする、前記方法。
7. 請求項６記載の方法であって、前記バイアス段が基本的に前記信号段のコピーを形成する、第２トランジスタと第２可変抵抗器とを含み、前記第２トランジスタがダイオード接続されていて、前記第１トランジスタと共に基本的に単純な電流ミラーを形成し、前記バイアス段が一定の入力ＤＣバイアス電流を供給されるように適合され、前記第２抵抗器が前記第１抵抗器の変化と同時に変化されるように適合され、結果として前記一定の出力ＤＣバイアス電流を実現すること特徴とする、前記方法。
8. 請求項７記載の方法であって、前記入力ＤＣバイアス電流が前記出力ＤＣバイアス電流よりも小さな係数Ｍに、前記第２トランジスタのトランジスタ領域が前記第１トランジスタのトランジスタ領域よりも小さな前記係数Ｍとなるように選定し、前記第２抵抗器の抵抗値が前記第１トランジスタの抵抗値よりも大きな前記係数Ｍとなるように選定することにより削減されることを特徴とする、前記方法。
9. 請求項７または８記載の方法であって、前記第１および第２抵抗器が同一制御信号により、互いに制御されることを特徴とする前記変換器。

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