JPH0545086B2 - - Google Patents

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JPH0545086B2
JPH0545086B2 JP62217758A JP21775887A JPH0545086B2 JP H0545086 B2 JPH0545086 B2 JP H0545086B2 JP 62217758 A JP62217758 A JP 62217758A JP 21775887 A JP21775887 A JP 21775887A JP H0545086 B2 JPH0545086 B2 JP H0545086B2
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45376Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using junction FET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45381Long tailed pairs
    • H03F3/45385Non-folded cascode stages
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/32Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion
    • H03F1/3211Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion in differential amplifiers

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  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はFET(電界効果トランジスタ)増幅
器、入力電圧に応じて出力電流を得るFET相互
コンダクタンス増幅器に関する。
〔従来の技術とその問題点〕
ガリウム砒素(GaAs)MES FET型トランジ
スタは高速動作が好ましい回路に益々盛んに使用
されるようになつた。しかし、GaAs FET増幅
器は高精度及び高周波アナログ増幅器には未だ使
用されていない。その主な理由はFET増幅器の
直線性が悪い為である。FET増幅器の直線性が
悪い理由は、FETのドレイン電流がゲートソー
ス電圧のべき乗関数であり非線形である為であ
る。この好ましくない特性を生じるメカニズムは
FETトランジスタの基本物理特性に係る事項で
ある。
代表的な従来の未補償型差動カスコード増幅器
を第3図に示す。この増幅器の伝達関数は第4図
に図示する。同図から判るとおり、この増幅器の
伝達関数は第4図中「A」で示すノーマライズし
た0乃至0.37Vの入力電圧範囲では略線形であ
る。この範囲「A」以上の入力電圧の増幅器の伝
達関数は圧縮された非直線である。即ち、入力電
圧が増加する毎に、電流出力の線形増加より徐々
に減少する。第4図の下側の点線部分は実際の
FET伝達関数が理想的な線形特性から外れてい
る程度を示す。
FETの非直線性により生じた信号振幅誤差に
より、未補償FET増幅器を高精度アナログ増幅
器に使用するには不適当である。この信号振幅誤
差を軽減する1つのアプローチは最大線形出力信
号を全出力信号のうちの比較的小さい値(一部
分)に制限することである。例えば、第3図及び
第4図の回路で、増幅器を範囲「A」の動作領域
に限定して直線性を改良する。しかしこのアプロ
ーチは増幅器のダイナミツクレンジを著しく制限
することとなる。
大きな信号範囲にわたり信号の直線性を改善す
る従来方法として、増幅器の静的バイアス電流を
増加する方法がある。この方法により、大きな出
力電流励振が得られる。しかし、この方法による
と、デバイスの消費電力が大きくなり、デバイス
自体も大きくなるという欠点を有する。デバイス
の寸法が増加すると製造原価が上昇し、また素子
間の静電容量が増加するので増幅可能な帯域幅が
減少するという欠点を有する。
増幅器の誤差を減少する別の方法として帰還技
法を使用することが知られている。帰還増幅器で
は出力信号を感知して入力へ帰還して非直線誤差
をある程度相殺する。極めて高精度の帰還増幅器
が設計できるが、高精度広帯域増幅器に適用し得
ない制約がある。例えば、周波数が増加するにつ
れて、十分なダンピングを得るのが困難になる。
また、小さな不可避的な遅延時間が帰還ループに
存する為に、出力信号が入力と位相ずれを生じ
る。位相歪は周波数が増加するにつれて生じ、増
幅器の精度と安定性を更に害することとなる。
第3図の増幅器に電流帰還技法を適合する例を
両入力トランジスタのソースと電流源間に抵抗を
接続することを第3図に点線で示している。この
抵抗に流れる電流により、出力電流に伴つて変化
する可変バイアス電圧が両トランジスタのソース
に与えられる。この可変バイアス電圧はFETの
非直線性を低減するように作用し、これにより信
号振幅歪を低減する。
第3図に示す抵抗帰還技法は増幅段の利得低下
を招来する。この利得低下を補償するには、より
多くの増幅段が必要になる。これに代わつて、帰
還抵抗の大きさを低下することにより或いはデバ
イスの寸法を増加するがトランジスタのバイアス
電流を増加することにより利得低減は最小にする
ことが可能である。しかし、この解決策は消費電
力の増加と上述した製造原価の上昇を伴うという
欠点がある。従つて、FET増幅器にあつては、
利得及び直線性の改善という課題が残つている。
〔発明の目的〕
本発明の1つの目的は、利得を犠牲にすること
なく且つ位相歪を生じることなくトランジスタの
非直線歪が補償できる高精度且つ高周波のFET
増幅器を提供することである。
本発明の他の目的は直線性の良好なFET増幅
器から最大出力信号が得られる割合を増加させる
ことである。
本発明の更に他の目的は利得を低下することな
くFET相互コンダクタンス増幅器のダイナミツ
クレンジを拡大することである。
本発明の別の目的はFET相互コンダクタンス
増幅器の得られる利得帯域幅積を増加することで
ある。
本発明の更に別の目的は使用部品点数が少なく
且つ動作が簡単な安定且つ高精度増幅器を提供す
ることである。
〔発明の概要〕
本発明のFET増幅器はFETカスコード増幅器
に非線形(非直線歪)補償段を結合して入力段の
ドレイン電流非線形性を感知し、対応する補正信
号を生じさせる。この誤差信号を増幅器の出力段
に注入してその歪を相殺する。この非線形補償段
は更に増幅器の利得を増加するという目的をも有
する。
本発明のFET増幅器を差動増幅器構成とする
と、主増幅器は第1ソース結合FET対を含む入
力段を具え、この入力FET対はベースに差動入
力信号を受ける。この増幅器は更に、この入力
FET対の出力を受ける第2FET対を含む出力
FET対を具え、斯る第2FET対のソースは夫々入
力段中の第1FET対のドレインに接続してカスコ
ード構成とする。第2FET対のドレインはこの差
動増幅器の出力を出す。第2FET対のゲートには
所望バイアス電圧源を接続する。
非線形補償回路は第2増幅FET対間に接続さ
れ、ソース結合された第3FET対を含み、そのゲ
ートは第1FET対のドレインで駆動する。第
3FETのゲートはバイアス電流源にも接続され
る。非線形補償回路の第3FET対のドレインは第
2FET対のドレインに交差接続し、補償誤差信号
を各差動出力ノードに注入して非線形歪を相殺す
る。
〔実施例〕
第1図は本発明による補償済FET増幅器10
の実施例の回路を示し、差動カスコード増幅器1
2a,12b、非線形補償回路14、差動入力電
圧源16及び差動電流出力18とを具えている。
差動増幅器の回路構成は対称であり、各半分は同
様に動作するので、次の説明は左側半分の回路に
ついてのみ説明する。しかし、右半分の回路につ
いても同様であることが理解できよう。
カスコード増幅器12aは入力段FET20a
と出力段FET22aとを含み、両者はカスコー
ド接続している。即ち、FET20aのドレイン
をFET22aのソースに直結合している。FET
20aのソースと対をなすFET20bのソース
は電流源I01に接続する。FET20aのゲートは
差動入力電圧源16の入力26aで駆動され、
FET22aのゲートはバイアス電圧Vgaの電圧
源28aで駆動され、そのドレインは差動電流出
力18の電流出力ノード30aに接続する。
非線形補償段14は2個のFET32a,32
bを含み、その共通ソースにはバイアス電流I03
を流すバイアス電流源34に接続される。FET
32aのゲートはFET20aのドレインとDCバ
イアス電流I2aを流す電流源36aに接続する。
非線形補償用FET32aのドレインは出力段
FET22bのドレインと電流出力ノード30b
で交差接続している。
回路動作は次のとおりである。もしFET22
aと22bがFET20a,20bと同じ形状で
あれば、また当面電流源36a,36bを無視す
るとすれば、FET22a,22b用のソース間
の電圧Vs2は差動電圧入力16に印加する差動入
力電圧Vioと等しい。バイアス電流源36a,3
6bが加わると、Vs2はVioより早く非直線的に増
加する(拡大非線形)。この電圧は共通ソースの
非線形補償段14のゲート間に印加される。その
結果、補償段FET32a,32bのドレイン電
流Id3もまたVioと線形より早く増加する。入力
FET20の非直線性により、差動カスコード増
幅器のFET22の出力電流Id2(これは補償段がな
いとIOUTと等しい)は、Vioに対し線形より遅く増
加する(圧縮非線形特性)。
この増幅器の最終出力電流IOUTは差動カスコー
ド増幅器の出力電流Id2と非線形補償段の出力電
流Id3との和となる。デバイスの寸法とバイアス
電流を適当な大きさに選択することにより、Vio
に対する両出力電流Id2とId3の相反する非直線性
により、増幅器全体の非直線性を利用可能な出力
信号範囲の大部分の範囲で相殺して、これにより
IOUTがVioに対して線形変化するようにする。この
線形化は利得低下を伴うことなく実現でき、また
静的バイアス電流の増加、帯域幅低減、位相歪の
増加など、従来技法に付随していた問題点をこと
ごとく解決することとなる。
第2図は第1図に示す補償FET増幅器の伝達
特性を示す。第4図の従来増幅器のグラフと対比
すると明らかな如く、本発明のFET増幅器に依
ると、増幅器の線形動作範囲が大幅に拡大されて
いる。即ち、未補償(従来)のFET増幅器では
略線形動作が得られる入力電圧範囲が0乃至
0.37Vの範囲「A」であるのに対して、本発明の
補償FET増幅器では略線形動作範囲が「B」で
示す0乃至0.61Vとなる。よつて、線形ダイナミ
ツクレンジが従来のものの60%以上も増加する。
第2図に示す結果はピンチオフ電圧が2.0Vで
0バイアスのドレイン電流が4.0mAの等寸法
GaAs FETをFET20,22及び32に使用す
ることにより得たものである。ゲートバイアス電
圧Vgaは5.0Vにセツトし、電流源I01,I2a及びI03
は夫々2.0mA,0.4mA及び1.6mAにセツトした。
回路の右半分の回路についてもバイアス電流値は
同じである。
図示した実施例の6個のFETが等寸法である
ことは必ずしも必要はないが、これは便宜上選定
したものである。代替実施例では、バイアス電流
源に調整回路を設けることにより異なる寸法の
FETを使用する。
本発明のFET増幅器は上述した線形動作範囲
(ダイナミツクレンジ)の拡大以外に、多くの利
点を有する。非線形補償段14を付加することに
より、相互コンダクタンス利得と利用可能な信号
出力電流を得ることが可能である。また、この補
償段14は主に出力FET22a,22bのドレ
インゲート容量により出力アドミツタンスを減少
し、これにより利得帯域幅積を大幅に増加するこ
とが可能である。
本発明のFET増幅器は上述した化合物
(GaAs)半導体のみならず金属及び金属酸化物
FETを用いて実施することも可能である。シヨ
ツトキ障壁ゲートを有するGaAs MES FETは
超高周波動作の場合に特に好適である。
上述の実施例では非線形補償段のFET32を
用いてFET20及び22の歪発生メカニズムの
モデル化を行つた。従つて、FET20,22及
び32の特性はできる限り揃つていることが望ま
しい。
本発明のFETは総て途中に受動素子等を介す
ることなく直結合することが可能である。回路構
成は極めて簡単であるので、このFET増幅器は
特にIC化に理想的である。勿論別個のトランジ
スタを使用することも可能ではある。しかし、
IC化することにより各デバイスの特性を揃える
ことが一層容易になるので優れた動作特性が得ら
れる。
〔発明の効果〕
本発明のFET増幅器は、FET増幅器特有の非
線形特性を補償する為に、カスコード構成の差動
FET増幅器に非線形特性で動作する非線形補償
段を接続すると共に入力段のFETのドレインに
夫々直流バイアス電流源を接続した結果、入力段
及び非線形補償段の伝達特性を線形特性より早く
変化する拡大非線形特性とし、出力段のFETの
伝達特性を線形特性より遅く変化する圧縮非線形
特性とすることにより、異なる非線形特性の総和
によつて所望の線形特性を強制的に実現すること
が出来た。これにより、入力電圧の線形動作範囲
を従来のFET増幅器に比較して実施例で約60%
以上も拡大出来た。更に、従来のように負帰還補
償手段を設けていないので、負帰還に伴う利得の
低下や位相歪も発生しない。また、差動構成の
FETのソース間に抵抗器を接続しなくて良いの
で、利得の低下を防止出来る。また、FETなの
で入力インピーダンスの極めて高い増幅器が出来
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるFET増幅器の一実施例
の回路図、第2図は第1図のFET増幅器の伝達
特性図、第3図は従来のFET増幅器の回路図、
第4図は第3図の伝達特性図を示す。 20a及び20bは第1及び第2FET、22a
及び22bは第3及び第4FET、32a及び32
bは第5及び第6FET、12a及び12bは第1
及び第2直流バイアス電流源である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ソースが互いに直結され、夫々ゲートに入力
    信号を受ける第1及び第2のFETを含む入力段
    と、 上記第1及び第2のFETのドレインに夫々ソ
    ースが接続され、ゲートが基準電位源に夫々接続
    され、ドレイン間に出力電圧を発生する第3及び
    第4のFETを含む出力段と、 ソースが互いに直結され、上記第1及び第2の
    FETのドレインにゲートが夫々接続され、上記
    第4及び第3のFETのドレインに夫々ドレイン
    が接続された第5及び第6FETを含む非線形補償
    特性を有する非線形補償段と、 上記第1及び第2FETのドレインに夫々接続さ
    れた第1及び第2直流バイアス電流源とを具える
    ことを特徴とするFET増幅器。
JP62217758A 1986-09-02 1987-08-31 Fet増幅器 Granted JPS63132509A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/902,537 US4720685A (en) 1986-09-02 1986-09-02 FET transconductance amplifier with improved linearity and gain
US902,537 1986-09-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS63132509A JPS63132509A (ja) 1988-06-04
JPH0545086B2 true JPH0545086B2 (ja) 1993-07-08

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ID=25415996

Family Applications (1)

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JP62217758A Granted JPS63132509A (ja) 1986-09-02 1987-08-31 Fet増幅器

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US (1) US4720685A (ja)
EP (1) EP0259029B1 (ja)
JP (1) JPS63132509A (ja)
DE (1) DE3786725T2 (ja)

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