ジャイレータ回路、広帯域増幅器及び無線通信装置
【課題】差動増幅器が持つ周波数帯域を広げることができるジャイレータ回路、及びこのジャイレータ回路を有する広帯域増幅器及び無線通信装置を提供すること。
【解決手段】ベースを差動入力端子Ｔ１，Ｔ２とし、コレクタを差動出力端子Ｔ３，Ｔ４とする一対のトランジスタＱ３，Ｑ４からなる第１のトランスコンダクタンスアンプ３１と、第１のトランスコンダクタンスアンプ３１の差動出力端子Ｔ３，Ｔ４間に接続されたコンデンサＣ１と、エミッタを差動入力端子Ｔ５，Ｔ６とし、コレクタを差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とする一対のトランジスタＱ５，Ｑ６からなる第２のトランスコンダクタンスアンプ３２とを有し、第１のトランスコンダクタンスアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２と第２のトランスコンダクタンスアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とを分離した状態としてジャイレータ回路を構成する。
【解決手段】ベースを差動入力端子Ｔ１，Ｔ２とし、コレクタを差動出力端子Ｔ３，Ｔ４とする一対のトランジスタＱ３，Ｑ４からなる第１のトランスコンダクタンスアンプ３１と、第１のトランスコンダクタンスアンプ３１の差動出力端子Ｔ３，Ｔ４間に接続されたコンデンサＣ１と、エミッタを差動入力端子Ｔ５，Ｔ６とし、コレクタを差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とする一対のトランジスタＱ５，Ｑ６からなる第２のトランスコンダクタンスアンプ３２とを有し、第１のトランスコンダクタンスアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２と第２のトランスコンダクタンスアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とを分離した状態としてジャイレータ回路を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイレータ回路、広帯域増幅器及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ジャイレータ回路を用いた様々な回路が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、差動増幅器の出力周波数特性を可変する手法として、ジャイレータ回路で構成したアクティブインダクタを用いて差動増幅器の負荷にバンドパスフィルタを構成する手法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ジャイレータ回路で構成したアクティブインダクタを含む共振回路を用いて差動増幅器の負荷にバンドパスフィルタを構成する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９８３５５号公報
【特許文献２】特開２００９−３３６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ジャイレータ回路を差動増幅器に接続した上記従来の増幅器は、差動増幅器が持つ周波数帯域のうち一部の出力帯域を制限するものであり、差動増幅器が持つ周波数帯域を広げるものではない。
【０００７】
そこで、本願発明は、差動増幅器が持つ周波数帯域を広げることができるジャイレータ回路、及びこのジャイレータ回路を有する広帯域増幅器及び無線通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ベース又はゲートを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第１のトランスコンダクタンスアンプと、前記第１のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子間に接続されたコンデンサと、エミッタ又はソースを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第２のトランスコンダクタンスアンプと、を有し、前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子と前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子とが分離されたジャイレータ回路とした。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のジャイレータ回路と、差動増幅器とを有し、前記ジャイレータ回路の前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に前記差動増幅器の差動入力端子が接続され、前記ジャイレータ回路の前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子に前記差動増幅器の差動出力端子が接続された広帯域増幅器とした。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、前記差動増幅器の入力端子は、エミッタフォロア回路を介して前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に接続された請求項２に記載の広帯域増幅器とした。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、アンテナと、前記アンテナに送信信号を出力して前記アンテナから無線信号を出力させる送信回路と、前記アンテナと前記無線回路との間に接続されたインピーダンスマッチング回路と、前記送信信号の進行波と反射波をそれぞれ検出する検出回路と、前記進行波の電力と前記反射波の電力とを測定する電力測定回路と、前記電力測定回路の測定結果に基づいて、前記インピーダンスマッチング回路を制御する制御回路と、を備え、前記電力測定回路は、請求項２又は３に記載の広帯域増幅器を多段に縦列接続したリミッタアンプ部と、前記広帯域増幅器の出力をそれぞれ検出する複数の検波部と、各前記検波部の出力を加算する加算部とを備えた無線通信装置とした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ジャイレータ回路によるアクティブインダクタと寄生容量の共振により差動増幅器の帯域の上限の高周波領域でのゲイン低下を改善し、さらに、フィードフォアード動作により差動増幅器の持つゲインを低域で下げることで相対的に高域のゲイン低下を改善することで、周波数帯域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るジャイレータ回路を用いた広帯域増幅器の構成を示す図である。
【図２】図１に示すジャイレータ回路のアクティブインダクタとしての動作の原理図を示す。
【図３】図１に示す広帯域増幅器の特性を説明するための図である。
【図４】広帯域増幅器の変形例を示す図である。
【図５】ジャイレータの変形例を示す図である。
【図６】ジャイレータの変形例を示す図である。
【図７】広帯域増幅器の変形例を示す図である。
【図８】広帯域増幅器の変形例を示す図である。
【図９】図１に示す広帯域増幅器を適用した無線通信装置の構成を示す図である。
【図１０】図９に示す無線通信装置の電力測定回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［１．ジャイレータ回路の概要］
本発明の一実施形態に係るジャイレータ回路は、第１のトランスコンダクタンスアンプと、コンデンサと、第２のトランスコンダクタンスアンプと、を有している。
【００１５】
第１のトランスコンダクタンスアンプは、ベース又はゲートを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなり、コンデンサは、第１のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子間に接続される。また、第２のトランスコンダクタンスアンプは、エミッタ又はソースを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる。
【００１６】
そして、第１のトランスコンダクタンスアンプの差動入力端子と第２のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子とを分離するようにしている。
【００１７】
かかるジャイレータ回路を用いることにより差動増幅器が持つ周波数帯域を広げた広帯域増幅器を提供することができる。
【００１８】
すなわち、ジャイレータ回路の第１のトランスコンダクタンスアンプの差動入力端子に差動増幅器の差動入力端子を接続し、ジャイレータ回路の第２のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子に差動増幅器の差動出力端子を接続して広帯域増幅器を構成する。
【００１９】
このように広帯域増幅器を構成することで、ジャイレータ回路によるフィードフォアード動作により差動増幅器の持つゲインを低域で下げることができ、相対的に高域のゲイン低下を改善することができる。さらに、ジャイレータ回路によるアクティブインダクタと寄生容量の共振により差動増幅器の帯域の上限の高周波領域でのゲイン低下を改善することができる。その結果、差動増幅器が持つ周波数帯域を広げた広帯域増幅器を提供することができる。
【００２０】
この広帯域増幅器は、例えば、無線通信装置の電力測定回路の他、様々な回路に適用することができる。
【００２１】
［２．広帯域増幅器の具体的構成］
以下、本発明の一実施形態に係るジャイレータ回路を用いた広帯域増幅器の構成について図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る広帯域増幅器１０は、差動増幅器２０と、ジャイレータ回路３０とから構成される。
【００２３】
差動増幅器２０は、エミッタが共通に接続されて差動対をなすトランジスタＱ１，Ｑ２と、各トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタと電源ＶＤＤ間に接続される抵抗Ｒ１，Ｒ２と、電流源Ｉ１とから構成される。電流源Ｉ１は、トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタとグランドＧＮＤ間に接続される。この差動増幅器２０では、トランジスタＱ１，Ｑ２のベースが差動入力端子Ｔａ，Ｔｂとなり、トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタが差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄとなる。
【００２４】
ジャイレータ回路３０は、差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに入力された電圧に応じた電流を差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに供給するものである。ジャイレータ回路３０は、この第１のトランスコンダクタンスアンプ３１（以下、第１ｇｍアンプ３１とする）と、第２のトランスコンダクタンスアンプ３２（以下、第２ｇｍアンプ３２とする）と、コンデンサＣ１と、電流源Ｉ２とから構成される。
【００２５】
第１ｇｍアンプ３１は、エミッタが共通に電流源Ｉ２に接続された一対のトランジスタＱ３，Ｑ４から構成されている。トランジスタＱ３，Ｑ４のベースは第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２となり、トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタは第１ｇｍアンプ３１の差動出力端子Ｔ３，Ｔ４となる。第１ｇｍアンプ３１は、電圧電流変換回路であり、差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力された電圧と同相の電流を差動出力端子Ｔ３，Ｔ４から出力する。
【００２６】
コンデンサＣ１は、ジャイレータ回路３０が後述する２つの特徴的動作をすることができるように、その容量値が調整される。
【００２７】
第２ｇｍアンプ３２は、ベースが電源ＶＤＤに共通に接続された一対のトランジスタＱ５，Ｑ６から構成されている。トランジスタＱ５，Ｑ６のエミッタは第２ｇｍアンプ３２の差動入力端子Ｔ５，Ｔ６となり、トランジスタＱ５，Ｑ６のコレクタは第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８となる。
【００２８】
そして、ジャイレータ回路３０では、第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２と第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とは分離されている。
【００２９】
このように構成されるジャイレータ回路３０は、第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２がその差動入力端子となり、第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８がその差動出力端子となる。
【００３０】
ジャイレータ回路３０の差動入力端子は差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに接続される。また、ジャイレータ回路３０の差動出力端子は差動増幅器２０の出力端子に接続される。すなわち、第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂが接続され、ジャイレータ回路の第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８に差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｄ，Ｔｃが接続される。
【００３１】
［３．広帯域増幅器１０の動作・特性］
以上のように構成される広帯域増幅器１０は、差動増幅器２０にジャイレータ回路３０の２つの動作を加えた構成である。１つの動作は、差動増幅器２０の帯域上限側におけるアクティブインダクタとしての動作であり、もう１つの動作はフィードフォアードアンプとしての動作である。
【００３２】
（アクティブインダクタとしての動作）
まず、アクティブインダクタとしての動作について説明する。図２にジャイレータ回路３０のアクティブインダクタとしての動作の原理図を示す。
【００３３】
ジャイレータ回路３０において、差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに入力される入力電圧Ｖinは、差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力されて第１ｇｍアンプ３１により電流変換され入力電圧Ｖinと同相の電流Ｉｇｍ１となる。高周波領域においては、この電流Ｉｇｍ１が、この回路の負荷であるコンデンサＣ１に流れる。その結果、コンデンサＣ１の両端に電圧Ｖｃが発生する。コンデンサＣ１の電圧Ｖｃは、第１ｇｍアンプ３１により生成される電流Ｉｇｍ１に対して９０度位相が遅れている。従って、コンデンサＣ１は、移相素子として機能することになる。
【００３４】
コンデンサＣ１の電圧Ｖｃは、第２ｇｍアンプ３２の差動入力端子Ｔ５，Ｔ６に入力され、第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８から電圧Ｖｃに応じた電流Ｉｇｍ２が出力される。この電流Ｉｇｍ２は、入力電圧Ｖinに対して位相が９０度遅れている。
【００３５】
このように、第１ｇｍアンプ３１に負荷として容量であるコンデンサＣ１が設けられると、ジャイレータ回路３０の動作により容量がインダクタに変換されることになる。すなわち、ジャイレータ回路３０は、アクティブインダクタとして動作することになる。
【００３６】
第１ｇｍアンプ３１のトランスコンダクタンスをｇｍ１，第２ｇｍアンプ３２のトランスコンダクタンスをｇｍ２，コンデンサＣ１のキャパシタンスをＣとすると、このインダクタのインダクタンスＬは以下の式（１）のように表すことができる。
Ｌ＝Ｃ／（ｇｍ１×ｇｍ２） ・・・（１）
【００３７】
一方、差動増幅器２０は、差動入力端子Ｔａ，Ｔｂから入力される電圧Ｖinに応じた電圧Ｖoutを差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄから出力する。差動増幅器２０のゲインをＧとすると、ジャイレータ回路３０が接続されていないときには、差動増幅器２０の電圧Ｖoutは以下のように表すことができる。
Ｖout＝−Ｇ×Ｖin
【００３８】
上述したように、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄには、ジャイレータ回路３０の差動出力端子Ｔ８，Ｔ７が接続されている。従って、入力電圧Ｖinが変化して差動増幅器２０の電圧Ｖoutが変化する場合には、電圧Ｖoutに対して９０度位相が遅れた電流Ｉｇｍ２が差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに流れる。その結果、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄにインダクタが接続された場合と同等の動作が得られる。
【００３９】
このように広帯域増幅器１０においては、ジャイレータ回路３０の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２と差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とを互いに異なる端子（ノード）としている。そのため、コンデンサＣ１の容量値を調整することにより、差動増幅器２０の帯域の上限の高周波領域において、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄにインダクタが接続された場合と同等の動作を得ることができる。
【００４０】
（フィードフォアードアンプとしての動作）
次に、ジャイレータ回路３０によるフィードフォアードアンプとしての動作について説明する。
【００４１】
ジャイレータ回路３０において、差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに入力される入力電圧Ｖinは、差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力されて第１ｇｍアンプ３１により電流変換され入力電圧Ｖinと同相の電流Ｉｇｍ１となる。
【００４２】
上述のように差動増幅器２０の帯域の上限の高周波領域においては、電流Ｉｇｍ１がコンデンサＣ１に流れる。しかし、低周波領域においては、コンデンサＣ１のインピーダンスが高いため、電流Ｉｇｍ１がコンデンサＣ１にほとんど流れずに、電流Ｉｇｍ１のほとんどは第２ｇｍアンプ３２の差動入力端子Ｔ５，Ｔ６に流れる。そのため、第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８に流れる電流Ｉｇｍ２は、入力電圧Ｖinと同相の電流となる。
【００４３】
一方、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄには、トランジスタＱ１，Ｑ２により入力電圧Ｖinと逆相のコレクタ電流が流れる。
【００４４】
従って、低周波領域においては、ジャイレータ回路３０によって差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに流れる電流Ｉｇｍ２は、トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ電流とは逆相となる。そのため、広帯域増幅器１０のゲインは、差動増幅器２０のゲインよりも低くなる。
【００４５】
すなわち、広帯域増幅器１０は、低周波領域においては、フィードフォアードアンプとして動作してゲインが低下することになる。
【００４６】
以上のように、広帯域増幅器１０のジャイレータ回路３０は、高周波領域においては、通過帯域上限側におけるアクティブインダクタとして動作し、低周波領域においては、広帯域増幅器１０をフィードフォアードアンプとして動作させる。
【００４７】
（広帯域増幅器１０の特性）
次に、以上のように構成された広帯域増幅器１０の特性を説明する。
【００４８】
図３に、ジャイレータ回路３０が接続されていない差動増幅器２０の周波数特性Ａ、コンデンサＣ１を除いた広帯域増幅器１０の周波数特性Ｂ、及び広帯域増幅器１０の周波数特性Ｃをそれぞれ示す。
【００４９】
周波数特性Ａと周波数特性Ｂとの差分が、ジャイレータ回路３０によるフィードフォアード動作による作動アンプのゲイン改善効果である。すなわち、ジャイレータ回路３０によるフィードフォアード動作により、低周波領域でゲインが低下し、１ＧＨｚを超える領域からこのゲインの低下量が減少する。その結果、周波数帯域幅が拡大する。
【００５０】
また、周波数特性Ｂと周波数特性Ｃとの差分が、ジャイレータ回路３０によるアクティブインダクタの効果である。すなわち、差動増幅器２０の帯域の上限の高周波領域である２ＧＨｚ〜３ＧＨｚの周波数において、広帯域増幅器１０の出力段（差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄ）に付く寄生容量とアクティブインダクタの共振によりゲインの低下を改善する効果が得られる。
【００５１】
このように、本実施形態に係る広帯域増幅器１０は、ジャイレータ回路３０を差動増幅器２０に接続することにより、周波数帯域幅の改善を可能としている。すなわち、差動増幅器２０の通過帯域上限側におけるアクティブインダクタとしての動作と低周波帯域におけるフィードフォアードアンプとしての動作をジャイレータ回路３０により差動増幅器２０に加え、トータル特性としての帯域幅の最大化が可能としている。
【００５２】
また、ジャイレータ回路３０は、その構成を、第１ｇｍアンプ３１と第２ｇｍアンプ３２を縦積みして差動カスコードアンプとしている。そのため、上記特許文献（特開２００９−３３６４２号公報）に記載されているような構成（差動増幅器とエミッタフォロアとを組み合わせた構成）よりも電流源が少なくて済み、省電力を図ることができる。
【００５３】
なお、上記実施形態においては、トランジスタＱ１〜Ｑ６をバイポーラトランジスタで構成することとしたが、図４に示すようにトランジスタＱ１〜Ｑ６をＭＯＳトランジスタで構成するようにしてもよい。
【００５４】
また、ジャイレータ回路を、図５や図６に示すような構成としてもよい。なお、ここでは、説明の便宜上、差動構成ではなくシングル構成のジャイレータ回路を示している。
【００５５】
図５に示すジャイレータ回路３０ａでは、トランジスタＱ３が第１ｇｍアンプとして、トランジスタＱ５が第２ｇｍアンプとして機能する。このジャイレータ回路３０は、コンデンサＣ２が入出力間に設けられており、入出力間のＤＣ動作点を分離している。
【００５６】
図６に示すジャイレータ回路３０ｂでは、図５に示すジャイレータ回路３０ａのコンデンサＣ２に代えてダイオード接続したトランジスタＱ９を入出力間に設け、入力とグランドＧＮＤとの間に電流源Ｉ５を設けている。このようにすることで、入出力間のＤＣ動作点を合わせている。
【００５７】
図６のジャイレータ回路を差動構成にして差動増幅器２０に接続した広帯域増幅器１０ａの構成を、図７に示す。この広帯域増幅器１０ａは、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに、ジャイレータ回路の入出力が接続されるため、フィードフォアード動作はなくアクティブインダクタと寄生容量の共振特性による周波数特性の改善のみとなる。なお、図５のジャイレータ回路を差動構成にして差動増幅器２０に接続した広帯域増幅器でも同様に、アクティブインダクタと寄生容量の共振特性による周波数特性の改善のみとなる。
【００５８】
なお、図１に示す広帯域増幅器１０では、ジャイレータ回路の動作点を確保するための素子（例えば、図５に示すコンデンサＣ２や図６に示すトランジスタＱ９）が不要となり、ジャイレータ回路３０の寄生容量が少なく高周波特性に優れている。その結果、広帯域増幅器１０では、アクティブインダクタ動作をより高い周波数で動作させることが可能となり、周波数帯域幅を広くすることができる。
【００５９】
また、図８に示す広帯域増幅器１０ｂのように、差動増幅器２０に、トランジスタＱ１１と電流源Ｉ５とからなるエミッタフォロアとトランジスタＱ１２と電流源Ｉ６とからなるエミッタフォロアを介して、ジャイレータ回路３０を接続するようにしてもよい。このようにすることで、ジャイレータ回路３０のトランジスタＱ３，Ｑ４の動作点に余裕ができ、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１２のベース電位をトランジスタＱ１１，Ｑ１２のベース−エミッタ電圧Ｖｂｅ分だけ高く設定することが可能となる。
【００６０】
［４．無線通信装置］
次に、上述した広帯域増幅器１０，１０ａ，１０ｂを適用した無線通信装置を図９及び図１０を参照して具体的に説明する。なお、本実施形態に係る無線通信装置５０は、携帯電話機としており、一例として広帯域増幅器１０を適用している。
【００６１】
図９に示すように、無線通信装置５０は、送受信回路５１、カプラ回路５２、マッチング回路５３、アンテナ５４、電力測定回路５５、バス制御回路５６、メモリ回路５７、制御回路５８などから構成される。
【００６２】
送受信回路５１は、送信回路５１ａと、受信回路５１ｂと、切り替えスイッチ５１ｃとから構成される。送信回路５１ａは、他の無線通信装置との間で通信を行うための送信信号を出力する回路である。この送信回路５１ａは、アンテナチューニングを行うための送信信号を送出する場合にも使用される。受信回路５１ｂは、他の無線通信装置間で通信を行う際に、アンテナ５４から出力される受信信号を入力する回路であり、アンテナチューニング終了後に用いられる。なお、受信信号は、無線通信装置から送信された無線信号がアンテナ５４により変換されて生成されるものである。切り替えスイッチ５１ｃは、送信信号と受信信号を分離する回路であり、例えばスイッチ回路などが使われる。
【００６３】
カプラ回路５２は、送信回路５１ａから出力される送信信号の進行波と反射波をそれぞれ検出する検出回路である。
【００６４】
マッチング回路５３は、インピーダンスが可変であるインピーダンスマッチング回路であり、内部の定数（例えば、調整用コンデンサの値）を制御回路５８からの制御により変更することにより、インピーダンスを調整可能としている。
【００６５】
電力測定回路５５は、上述した広帯域増幅器１０が用いられている電力測定回路であり、カプラ回路５２により検出した進行波と反射波の電力を測定する回路である。
【００６６】
バス制御回路５６は、制御回路５８を図示しないマイコン等で制御するためのバス制御回路であり、メモリ回路５７は、制御回路５８を制御するデータなどを記憶するメモリ回路である。
【００６７】
制御回路５８は、電力測定回路５５の測定結果に基づいてマッチング回路５３のインピーダンスを制御する制御回路であり、送信電力を効率よくアンテナ５４に送り込めるようにする。
【００６８】
このように構成された無線通信装置５０では、送受信周波数が大きく変わった場合に、アンテナ５４と送受信回路５１との間でインピーダンスマッチングがずれてしまうことを改善することができるものであり、以下のように動作する。
【００６９】
まず、無線通信装置５０は、インピーダンスマッチングの状態を測定する。このとき、送信回路５１ａはテスト信号を送信信号として出力し、カプラ回路５２を介してアンテナ５４にテスト信号を入力する。出力されたテスト信号の一部はインピーダンスのずれ量に応じて、アンテナ５４で反射して反射波としてカプラ回路５２に入力される。
【００７０】
カプラ回路５２では、送信信号であるテスト信号の進行波と反射波に比例した信号Ｖ１，Ｖ２を分離してそれぞれ検出し、電力測定回路５５へ信号Ｖ１，Ｖ２を出力する。電力測定回路５５では、信号Ｖ１，Ｖ２の大きさを検出して、制御回路５８に通知する。制御回路５８では、信号Ｖ１，Ｖ２の大きさを比較することにより、送受信回路５１とアンテナ５４とのマッチング状態を示す反射係数ｒを判定する。なお、信号Ｖ１，Ｖ２と反射係数ｒとの関係は以下に示す式（２）で表すことができる。
ｒ＝Ｖ２/Ｖ１ ・・・（２）
【００７１】
制御回路５８は、判定した反射係数ｒに応じてマッチング回路５３を制御する。例えば、制御回路５８は、マッチング回路５３の調整用コンデンサの値をスイッチで切り替えることなどにより変更することで、マッチング回路５３のインピーダンスを調整する。これにより、送信信号を効率よくアンテナ５４に送り込むことができる。
【００７２】
ここで、図１０に電力測定回路５５の構成を示す。本実施形態に係る電力測定回路５５は、広帯域増幅器１０を多段に縦列接続したリミッタアンプ部６０と、広帯域増幅器１０の出力を検出する複数の検波部６１を有する検波部群６２と、各前記検波部６１の出力を加算して出力する加算部６３とを備えている。
【００７３】
図１０に示す電力測定回路５５では、縦列接続された広帯域増幅器１０の出力をそれぞれ検波し加算することで対数コンバータとして動作する。この電力測定回路５５に電圧Ｖi（Ｖrms）が入力されたとき、加算部６３から出力される電圧Ｖo（Ｖ）は、以下の式（３）のように表すことができる。
Ｖo＝０．８×ｌｏｇ（Ｖi／０．２２４）＋２ ・・（３）
【００７４】
従って、例えば、Ｖi＝０．２２４（Ｖrms）のとき、Ｖo＝２（Ｖ）の直流出力となる。また、Ｖi＝２.２４（mＶrms）のとき、Ｖo＝０．４（Ｖ）直流出力となる。
【００７５】
携帯電話機である無線通信装置５０は、多バンド対応のために、例えば、１００ＭＨｚから２．５ＧＨｚまでの広帯域が必要となる。電力測定回路５５は増幅器が縦列接続されて構成されるため、増幅器１段あたりの僅かな高域ゲインの低下でも段数倍されて大きなゲイン低下となり周波数帯域が確保しにくくなる。
【００７６】
従来の増幅器では、この高域ゲインの低下は、差動増幅器の出力インピーダンスと差動出力端子に生じる寄生容量とによるローパスフィルタ特性により出力信号帯域が制限されることによって生じている。しかし、本実施形態に係る無線通信装置５０では、縦列接続する各増幅器に、上述した広帯域増幅器１０を用いているため、高域ゲインの低下を抑制して周波数帯域幅が拡大することができる。例えば、無線通信装置５０では、図３に示すように、１００ＭＨｚから２．５ＧＨｚまでの広帯域を確保することが可能となる。
【００７７】
このように、広帯域増幅器１０を用いることで、電力測定回路５５の周波数特性を改善することができ、高い周波数においても電力測定のダイナミックレンジが確保できる。そのため、高周波でも精度よくインピーダンスマッチングを行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 広帯域増幅器
２０ 差動増幅器
３０ ジャイレータ回路
３１ 第１のトランスコンダクタンスアンプ
３２ 第２のトランスコンダクタンスアンプ
５０ 無線通信装置
５１ａ 送信回路
５２ カプラ回路（検出回路）
５３ マッチング回路（インピーダンスマッチング回路）
５４ アンテナ
５５ 電力測定回路
５８ 制御回路
６０ リミッタアンプ部
６１ 検波部
６２ 加算部
Ｃ１ コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ１１ トランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイレータ回路、広帯域増幅器及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ジャイレータ回路を用いた様々な回路が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、差動増幅器の出力周波数特性を可変する手法として、ジャイレータ回路で構成したアクティブインダクタを用いて差動増幅器の負荷にバンドパスフィルタを構成する手法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ジャイレータ回路で構成したアクティブインダクタを含む共振回路を用いて差動増幅器の負荷にバンドパスフィルタを構成する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９８３５５号公報
【特許文献２】特開２００９−３３６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ジャイレータ回路を差動増幅器に接続した上記従来の増幅器は、差動増幅器が持つ周波数帯域のうち一部の出力帯域を制限するものであり、差動増幅器が持つ周波数帯域を広げるものではない。
【０００７】
そこで、本願発明は、差動増幅器が持つ周波数帯域を広げることができるジャイレータ回路、及びこのジャイレータ回路を有する広帯域増幅器及び無線通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ベース又はゲートを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第１のトランスコンダクタンスアンプと、前記第１のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子間に接続されたコンデンサと、エミッタ又はソースを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第２のトランスコンダクタンスアンプと、を有し、前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子と前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子とが分離されたジャイレータ回路とした。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のジャイレータ回路と、差動増幅器とを有し、前記ジャイレータ回路の前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に前記差動増幅器の差動入力端子が接続され、前記ジャイレータ回路の前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子に前記差動増幅器の差動出力端子が接続された広帯域増幅器とした。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、前記差動増幅器の入力端子は、エミッタフォロア回路を介して前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に接続された請求項２に記載の広帯域増幅器とした。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、アンテナと、前記アンテナに送信信号を出力して前記アンテナから無線信号を出力させる送信回路と、前記アンテナと前記無線回路との間に接続されたインピーダンスマッチング回路と、前記送信信号の進行波と反射波をそれぞれ検出する検出回路と、前記進行波の電力と前記反射波の電力とを測定する電力測定回路と、前記電力測定回路の測定結果に基づいて、前記インピーダンスマッチング回路を制御する制御回路と、を備え、前記電力測定回路は、請求項２又は３に記載の広帯域増幅器を多段に縦列接続したリミッタアンプ部と、前記広帯域増幅器の出力をそれぞれ検出する複数の検波部と、各前記検波部の出力を加算する加算部とを備えた無線通信装置とした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ジャイレータ回路によるアクティブインダクタと寄生容量の共振により差動増幅器の帯域の上限の高周波領域でのゲイン低下を改善し、さらに、フィードフォアード動作により差動増幅器の持つゲインを低域で下げることで相対的に高域のゲイン低下を改善することで、周波数帯域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るジャイレータ回路を用いた広帯域増幅器の構成を示す図である。
【図２】図１に示すジャイレータ回路のアクティブインダクタとしての動作の原理図を示す。
【図３】図１に示す広帯域増幅器の特性を説明するための図である。
【図４】広帯域増幅器の変形例を示す図である。
【図５】ジャイレータの変形例を示す図である。
【図６】ジャイレータの変形例を示す図である。
【図７】広帯域増幅器の変形例を示す図である。
【図８】広帯域増幅器の変形例を示す図である。
【図９】図１に示す広帯域増幅器を適用した無線通信装置の構成を示す図である。
【図１０】図９に示す無線通信装置の電力測定回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［１．ジャイレータ回路の概要］
本発明の一実施形態に係るジャイレータ回路は、第１のトランスコンダクタンスアンプと、コンデンサと、第２のトランスコンダクタンスアンプと、を有している。
【００１５】
第１のトランスコンダクタンスアンプは、ベース又はゲートを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなり、コンデンサは、第１のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子間に接続される。また、第２のトランスコンダクタンスアンプは、エミッタ又はソースを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる。
【００１６】
そして、第１のトランスコンダクタンスアンプの差動入力端子と第２のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子とを分離するようにしている。
【００１７】
かかるジャイレータ回路を用いることにより差動増幅器が持つ周波数帯域を広げた広帯域増幅器を提供することができる。
【００１８】
すなわち、ジャイレータ回路の第１のトランスコンダクタンスアンプの差動入力端子に差動増幅器の差動入力端子を接続し、ジャイレータ回路の第２のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子に差動増幅器の差動出力端子を接続して広帯域増幅器を構成する。
【００１９】
このように広帯域増幅器を構成することで、ジャイレータ回路によるフィードフォアード動作により差動増幅器の持つゲインを低域で下げることができ、相対的に高域のゲイン低下を改善することができる。さらに、ジャイレータ回路によるアクティブインダクタと寄生容量の共振により差動増幅器の帯域の上限の高周波領域でのゲイン低下を改善することができる。その結果、差動増幅器が持つ周波数帯域を広げた広帯域増幅器を提供することができる。
【００２０】
この広帯域増幅器は、例えば、無線通信装置の電力測定回路の他、様々な回路に適用することができる。
【００２１】
［２．広帯域増幅器の具体的構成］
以下、本発明の一実施形態に係るジャイレータ回路を用いた広帯域増幅器の構成について図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る広帯域増幅器１０は、差動増幅器２０と、ジャイレータ回路３０とから構成される。
【００２３】
差動増幅器２０は、エミッタが共通に接続されて差動対をなすトランジスタＱ１，Ｑ２と、各トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタと電源ＶＤＤ間に接続される抵抗Ｒ１，Ｒ２と、電流源Ｉ１とから構成される。電流源Ｉ１は、トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタとグランドＧＮＤ間に接続される。この差動増幅器２０では、トランジスタＱ１，Ｑ２のベースが差動入力端子Ｔａ，Ｔｂとなり、トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタが差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄとなる。
【００２４】
ジャイレータ回路３０は、差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに入力された電圧に応じた電流を差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに供給するものである。ジャイレータ回路３０は、この第１のトランスコンダクタンスアンプ３１（以下、第１ｇｍアンプ３１とする）と、第２のトランスコンダクタンスアンプ３２（以下、第２ｇｍアンプ３２とする）と、コンデンサＣ１と、電流源Ｉ２とから構成される。
【００２５】
第１ｇｍアンプ３１は、エミッタが共通に電流源Ｉ２に接続された一対のトランジスタＱ３，Ｑ４から構成されている。トランジスタＱ３，Ｑ４のベースは第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２となり、トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタは第１ｇｍアンプ３１の差動出力端子Ｔ３，Ｔ４となる。第１ｇｍアンプ３１は、電圧電流変換回路であり、差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力された電圧と同相の電流を差動出力端子Ｔ３，Ｔ４から出力する。
【００２６】
コンデンサＣ１は、ジャイレータ回路３０が後述する２つの特徴的動作をすることができるように、その容量値が調整される。
【００２７】
第２ｇｍアンプ３２は、ベースが電源ＶＤＤに共通に接続された一対のトランジスタＱ５，Ｑ６から構成されている。トランジスタＱ５，Ｑ６のエミッタは第２ｇｍアンプ３２の差動入力端子Ｔ５，Ｔ６となり、トランジスタＱ５，Ｑ６のコレクタは第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８となる。
【００２８】
そして、ジャイレータ回路３０では、第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２と第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とは分離されている。
【００２９】
このように構成されるジャイレータ回路３０は、第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２がその差動入力端子となり、第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８がその差動出力端子となる。
【００３０】
ジャイレータ回路３０の差動入力端子は差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに接続される。また、ジャイレータ回路３０の差動出力端子は差動増幅器２０の出力端子に接続される。すなわち、第１ｇｍアンプ３１の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂが接続され、ジャイレータ回路の第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８に差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｄ，Ｔｃが接続される。
【００３１】
［３．広帯域増幅器１０の動作・特性］
以上のように構成される広帯域増幅器１０は、差動増幅器２０にジャイレータ回路３０の２つの動作を加えた構成である。１つの動作は、差動増幅器２０の帯域上限側におけるアクティブインダクタとしての動作であり、もう１つの動作はフィードフォアードアンプとしての動作である。
【００３２】
（アクティブインダクタとしての動作）
まず、アクティブインダクタとしての動作について説明する。図２にジャイレータ回路３０のアクティブインダクタとしての動作の原理図を示す。
【００３３】
ジャイレータ回路３０において、差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに入力される入力電圧Ｖinは、差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力されて第１ｇｍアンプ３１により電流変換され入力電圧Ｖinと同相の電流Ｉｇｍ１となる。高周波領域においては、この電流Ｉｇｍ１が、この回路の負荷であるコンデンサＣ１に流れる。その結果、コンデンサＣ１の両端に電圧Ｖｃが発生する。コンデンサＣ１の電圧Ｖｃは、第１ｇｍアンプ３１により生成される電流Ｉｇｍ１に対して９０度位相が遅れている。従って、コンデンサＣ１は、移相素子として機能することになる。
【００３４】
コンデンサＣ１の電圧Ｖｃは、第２ｇｍアンプ３２の差動入力端子Ｔ５，Ｔ６に入力され、第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８から電圧Ｖｃに応じた電流Ｉｇｍ２が出力される。この電流Ｉｇｍ２は、入力電圧Ｖinに対して位相が９０度遅れている。
【００３５】
このように、第１ｇｍアンプ３１に負荷として容量であるコンデンサＣ１が設けられると、ジャイレータ回路３０の動作により容量がインダクタに変換されることになる。すなわち、ジャイレータ回路３０は、アクティブインダクタとして動作することになる。
【００３６】
第１ｇｍアンプ３１のトランスコンダクタンスをｇｍ１，第２ｇｍアンプ３２のトランスコンダクタンスをｇｍ２，コンデンサＣ１のキャパシタンスをＣとすると、このインダクタのインダクタンスＬは以下の式（１）のように表すことができる。
Ｌ＝Ｃ／（ｇｍ１×ｇｍ２） ・・・（１）
【００３７】
一方、差動増幅器２０は、差動入力端子Ｔａ，Ｔｂから入力される電圧Ｖinに応じた電圧Ｖoutを差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄから出力する。差動増幅器２０のゲインをＧとすると、ジャイレータ回路３０が接続されていないときには、差動増幅器２０の電圧Ｖoutは以下のように表すことができる。
Ｖout＝−Ｇ×Ｖin
【００３８】
上述したように、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄには、ジャイレータ回路３０の差動出力端子Ｔ８，Ｔ７が接続されている。従って、入力電圧Ｖinが変化して差動増幅器２０の電圧Ｖoutが変化する場合には、電圧Ｖoutに対して９０度位相が遅れた電流Ｉｇｍ２が差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに流れる。その結果、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄにインダクタが接続された場合と同等の動作が得られる。
【００３９】
このように広帯域増幅器１０においては、ジャイレータ回路３０の差動入力端子Ｔ１，Ｔ２と差動出力端子Ｔ７，Ｔ８とを互いに異なる端子（ノード）としている。そのため、コンデンサＣ１の容量値を調整することにより、差動増幅器２０の帯域の上限の高周波領域において、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄにインダクタが接続された場合と同等の動作を得ることができる。
【００４０】
（フィードフォアードアンプとしての動作）
次に、ジャイレータ回路３０によるフィードフォアードアンプとしての動作について説明する。
【００４１】
ジャイレータ回路３０において、差動増幅器２０の差動入力端子Ｔａ，Ｔｂに入力される入力電圧Ｖinは、差動入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力されて第１ｇｍアンプ３１により電流変換され入力電圧Ｖinと同相の電流Ｉｇｍ１となる。
【００４２】
上述のように差動増幅器２０の帯域の上限の高周波領域においては、電流Ｉｇｍ１がコンデンサＣ１に流れる。しかし、低周波領域においては、コンデンサＣ１のインピーダンスが高いため、電流Ｉｇｍ１がコンデンサＣ１にほとんど流れずに、電流Ｉｇｍ１のほとんどは第２ｇｍアンプ３２の差動入力端子Ｔ５，Ｔ６に流れる。そのため、第２ｇｍアンプ３２の差動出力端子Ｔ７，Ｔ８に流れる電流Ｉｇｍ２は、入力電圧Ｖinと同相の電流となる。
【００４３】
一方、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄには、トランジスタＱ１，Ｑ２により入力電圧Ｖinと逆相のコレクタ電流が流れる。
【００４４】
従って、低周波領域においては、ジャイレータ回路３０によって差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに流れる電流Ｉｇｍ２は、トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ電流とは逆相となる。そのため、広帯域増幅器１０のゲインは、差動増幅器２０のゲインよりも低くなる。
【００４５】
すなわち、広帯域増幅器１０は、低周波領域においては、フィードフォアードアンプとして動作してゲインが低下することになる。
【００４６】
以上のように、広帯域増幅器１０のジャイレータ回路３０は、高周波領域においては、通過帯域上限側におけるアクティブインダクタとして動作し、低周波領域においては、広帯域増幅器１０をフィードフォアードアンプとして動作させる。
【００４７】
（広帯域増幅器１０の特性）
次に、以上のように構成された広帯域増幅器１０の特性を説明する。
【００４８】
図３に、ジャイレータ回路３０が接続されていない差動増幅器２０の周波数特性Ａ、コンデンサＣ１を除いた広帯域増幅器１０の周波数特性Ｂ、及び広帯域増幅器１０の周波数特性Ｃをそれぞれ示す。
【００４９】
周波数特性Ａと周波数特性Ｂとの差分が、ジャイレータ回路３０によるフィードフォアード動作による作動アンプのゲイン改善効果である。すなわち、ジャイレータ回路３０によるフィードフォアード動作により、低周波領域でゲインが低下し、１ＧＨｚを超える領域からこのゲインの低下量が減少する。その結果、周波数帯域幅が拡大する。
【００５０】
また、周波数特性Ｂと周波数特性Ｃとの差分が、ジャイレータ回路３０によるアクティブインダクタの効果である。すなわち、差動増幅器２０の帯域の上限の高周波領域である２ＧＨｚ〜３ＧＨｚの周波数において、広帯域増幅器１０の出力段（差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄ）に付く寄生容量とアクティブインダクタの共振によりゲインの低下を改善する効果が得られる。
【００５１】
このように、本実施形態に係る広帯域増幅器１０は、ジャイレータ回路３０を差動増幅器２０に接続することにより、周波数帯域幅の改善を可能としている。すなわち、差動増幅器２０の通過帯域上限側におけるアクティブインダクタとしての動作と低周波帯域におけるフィードフォアードアンプとしての動作をジャイレータ回路３０により差動増幅器２０に加え、トータル特性としての帯域幅の最大化が可能としている。
【００５２】
また、ジャイレータ回路３０は、その構成を、第１ｇｍアンプ３１と第２ｇｍアンプ３２を縦積みして差動カスコードアンプとしている。そのため、上記特許文献（特開２００９−３３６４２号公報）に記載されているような構成（差動増幅器とエミッタフォロアとを組み合わせた構成）よりも電流源が少なくて済み、省電力を図ることができる。
【００５３】
なお、上記実施形態においては、トランジスタＱ１〜Ｑ６をバイポーラトランジスタで構成することとしたが、図４に示すようにトランジスタＱ１〜Ｑ６をＭＯＳトランジスタで構成するようにしてもよい。
【００５４】
また、ジャイレータ回路を、図５や図６に示すような構成としてもよい。なお、ここでは、説明の便宜上、差動構成ではなくシングル構成のジャイレータ回路を示している。
【００５５】
図５に示すジャイレータ回路３０ａでは、トランジスタＱ３が第１ｇｍアンプとして、トランジスタＱ５が第２ｇｍアンプとして機能する。このジャイレータ回路３０は、コンデンサＣ２が入出力間に設けられており、入出力間のＤＣ動作点を分離している。
【００５６】
図６に示すジャイレータ回路３０ｂでは、図５に示すジャイレータ回路３０ａのコンデンサＣ２に代えてダイオード接続したトランジスタＱ９を入出力間に設け、入力とグランドＧＮＤとの間に電流源Ｉ５を設けている。このようにすることで、入出力間のＤＣ動作点を合わせている。
【００５７】
図６のジャイレータ回路を差動構成にして差動増幅器２０に接続した広帯域増幅器１０ａの構成を、図７に示す。この広帯域増幅器１０ａは、差動増幅器２０の差動出力端子Ｔｃ，Ｔｄに、ジャイレータ回路の入出力が接続されるため、フィードフォアード動作はなくアクティブインダクタと寄生容量の共振特性による周波数特性の改善のみとなる。なお、図５のジャイレータ回路を差動構成にして差動増幅器２０に接続した広帯域増幅器でも同様に、アクティブインダクタと寄生容量の共振特性による周波数特性の改善のみとなる。
【００５８】
なお、図１に示す広帯域増幅器１０では、ジャイレータ回路の動作点を確保するための素子（例えば、図５に示すコンデンサＣ２や図６に示すトランジスタＱ９）が不要となり、ジャイレータ回路３０の寄生容量が少なく高周波特性に優れている。その結果、広帯域増幅器１０では、アクティブインダクタ動作をより高い周波数で動作させることが可能となり、周波数帯域幅を広くすることができる。
【００５９】
また、図８に示す広帯域増幅器１０ｂのように、差動増幅器２０に、トランジスタＱ１１と電流源Ｉ５とからなるエミッタフォロアとトランジスタＱ１２と電流源Ｉ６とからなるエミッタフォロアを介して、ジャイレータ回路３０を接続するようにしてもよい。このようにすることで、ジャイレータ回路３０のトランジスタＱ３，Ｑ４の動作点に余裕ができ、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１２のベース電位をトランジスタＱ１１，Ｑ１２のベース−エミッタ電圧Ｖｂｅ分だけ高く設定することが可能となる。
【００６０】
［４．無線通信装置］
次に、上述した広帯域増幅器１０，１０ａ，１０ｂを適用した無線通信装置を図９及び図１０を参照して具体的に説明する。なお、本実施形態に係る無線通信装置５０は、携帯電話機としており、一例として広帯域増幅器１０を適用している。
【００６１】
図９に示すように、無線通信装置５０は、送受信回路５１、カプラ回路５２、マッチング回路５３、アンテナ５４、電力測定回路５５、バス制御回路５６、メモリ回路５７、制御回路５８などから構成される。
【００６２】
送受信回路５１は、送信回路５１ａと、受信回路５１ｂと、切り替えスイッチ５１ｃとから構成される。送信回路５１ａは、他の無線通信装置との間で通信を行うための送信信号を出力する回路である。この送信回路５１ａは、アンテナチューニングを行うための送信信号を送出する場合にも使用される。受信回路５１ｂは、他の無線通信装置間で通信を行う際に、アンテナ５４から出力される受信信号を入力する回路であり、アンテナチューニング終了後に用いられる。なお、受信信号は、無線通信装置から送信された無線信号がアンテナ５４により変換されて生成されるものである。切り替えスイッチ５１ｃは、送信信号と受信信号を分離する回路であり、例えばスイッチ回路などが使われる。
【００６３】
カプラ回路５２は、送信回路５１ａから出力される送信信号の進行波と反射波をそれぞれ検出する検出回路である。
【００６４】
マッチング回路５３は、インピーダンスが可変であるインピーダンスマッチング回路であり、内部の定数（例えば、調整用コンデンサの値）を制御回路５８からの制御により変更することにより、インピーダンスを調整可能としている。
【００６５】
電力測定回路５５は、上述した広帯域増幅器１０が用いられている電力測定回路であり、カプラ回路５２により検出した進行波と反射波の電力を測定する回路である。
【００６６】
バス制御回路５６は、制御回路５８を図示しないマイコン等で制御するためのバス制御回路であり、メモリ回路５７は、制御回路５８を制御するデータなどを記憶するメモリ回路である。
【００６７】
制御回路５８は、電力測定回路５５の測定結果に基づいてマッチング回路５３のインピーダンスを制御する制御回路であり、送信電力を効率よくアンテナ５４に送り込めるようにする。
【００６８】
このように構成された無線通信装置５０では、送受信周波数が大きく変わった場合に、アンテナ５４と送受信回路５１との間でインピーダンスマッチングがずれてしまうことを改善することができるものであり、以下のように動作する。
【００６９】
まず、無線通信装置５０は、インピーダンスマッチングの状態を測定する。このとき、送信回路５１ａはテスト信号を送信信号として出力し、カプラ回路５２を介してアンテナ５４にテスト信号を入力する。出力されたテスト信号の一部はインピーダンスのずれ量に応じて、アンテナ５４で反射して反射波としてカプラ回路５２に入力される。
【００７０】
カプラ回路５２では、送信信号であるテスト信号の進行波と反射波に比例した信号Ｖ１，Ｖ２を分離してそれぞれ検出し、電力測定回路５５へ信号Ｖ１，Ｖ２を出力する。電力測定回路５５では、信号Ｖ１，Ｖ２の大きさを検出して、制御回路５８に通知する。制御回路５８では、信号Ｖ１，Ｖ２の大きさを比較することにより、送受信回路５１とアンテナ５４とのマッチング状態を示す反射係数ｒを判定する。なお、信号Ｖ１，Ｖ２と反射係数ｒとの関係は以下に示す式（２）で表すことができる。
ｒ＝Ｖ２/Ｖ１ ・・・（２）
【００７１】
制御回路５８は、判定した反射係数ｒに応じてマッチング回路５３を制御する。例えば、制御回路５８は、マッチング回路５３の調整用コンデンサの値をスイッチで切り替えることなどにより変更することで、マッチング回路５３のインピーダンスを調整する。これにより、送信信号を効率よくアンテナ５４に送り込むことができる。
【００７２】
ここで、図１０に電力測定回路５５の構成を示す。本実施形態に係る電力測定回路５５は、広帯域増幅器１０を多段に縦列接続したリミッタアンプ部６０と、広帯域増幅器１０の出力を検出する複数の検波部６１を有する検波部群６２と、各前記検波部６１の出力を加算して出力する加算部６３とを備えている。
【００７３】
図１０に示す電力測定回路５５では、縦列接続された広帯域増幅器１０の出力をそれぞれ検波し加算することで対数コンバータとして動作する。この電力測定回路５５に電圧Ｖi（Ｖrms）が入力されたとき、加算部６３から出力される電圧Ｖo（Ｖ）は、以下の式（３）のように表すことができる。
Ｖo＝０．８×ｌｏｇ（Ｖi／０．２２４）＋２ ・・（３）
【００７４】
従って、例えば、Ｖi＝０．２２４（Ｖrms）のとき、Ｖo＝２（Ｖ）の直流出力となる。また、Ｖi＝２.２４（mＶrms）のとき、Ｖo＝０．４（Ｖ）直流出力となる。
【００７５】
携帯電話機である無線通信装置５０は、多バンド対応のために、例えば、１００ＭＨｚから２．５ＧＨｚまでの広帯域が必要となる。電力測定回路５５は増幅器が縦列接続されて構成されるため、増幅器１段あたりの僅かな高域ゲインの低下でも段数倍されて大きなゲイン低下となり周波数帯域が確保しにくくなる。
【００７６】
従来の増幅器では、この高域ゲインの低下は、差動増幅器の出力インピーダンスと差動出力端子に生じる寄生容量とによるローパスフィルタ特性により出力信号帯域が制限されることによって生じている。しかし、本実施形態に係る無線通信装置５０では、縦列接続する各増幅器に、上述した広帯域増幅器１０を用いているため、高域ゲインの低下を抑制して周波数帯域幅が拡大することができる。例えば、無線通信装置５０では、図３に示すように、１００ＭＨｚから２．５ＧＨｚまでの広帯域を確保することが可能となる。
【００７７】
このように、広帯域増幅器１０を用いることで、電力測定回路５５の周波数特性を改善することができ、高い周波数においても電力測定のダイナミックレンジが確保できる。そのため、高周波でも精度よくインピーダンスマッチングを行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１０ 広帯域増幅器
２０ 差動増幅器
３０ ジャイレータ回路
３１ 第１のトランスコンダクタンスアンプ
３２ 第２のトランスコンダクタンスアンプ
５０ 無線通信装置
５１ａ 送信回路
５２ カプラ回路（検出回路）
５３ マッチング回路（インピーダンスマッチング回路）
５４ アンテナ
５５ 電力測定回路
５８ 制御回路
６０ リミッタアンプ部
６１ 検波部
６２ 加算部
Ｃ１ コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ１１ トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース又はゲートを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第１のトランスコンダクタンスアンプと、
前記第１のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子間に接続されたコンデンサと、
エミッタ又はソースを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第２のトランスコンダクタンスアンプと、を有し、
前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子と前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子とが分離されたジャイレータ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のジャイレータ回路と、差動増幅器とを有し、
前記ジャイレータ回路の前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に前記差動増幅器の差動入力端子が接続され、
前記ジャイレータ回路の前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子に前記差動増幅器の差動出力端子が接続された
広帯域増幅器。
【請求項３】
前記差動増幅器の入力端子は、エミッタフォロア回路を介して前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に接続された請求項２に記載の広帯域増幅器。
【請求項４】
アンテナと、
前記アンテナに送信信号を出力して前記アンテナから無線信号を出力させる送信回路と、
前記アンテナと前記無線回路との間に接続されたインピーダンスマッチング回路と、
前記送信信号の進行波と反射波をそれぞれ検出する検出回路と、
前記進行波の電力と前記反射波の電力とを測定する電力測定回路と、
前記電力測定回路の測定結果に基づいて、前記インピーダンスマッチング回路を制御する制御回路と、を備え、
前記電力測定回路は、
請求項２又は３に記載の広帯域増幅器を多段に縦列接続したリミッタアンプ部と、前記広帯域増幅器の出力をそれぞれ検出する複数の検波部と、各前記検波部の出力を加算する加算部とを備えた無線通信装置。
【請求項１】
ベース又はゲートを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第１のトランスコンダクタンスアンプと、
前記第１のトランスコンダクタンスアンプの差動出力端子間に接続されたコンデンサと、
エミッタ又はソースを差動入力端子とし、コレクタ又はドレインを差動出力端子とする一対のトランジスタからなる第２のトランスコンダクタンスアンプと、を有し、
前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子と前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子とが分離されたジャイレータ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のジャイレータ回路と、差動増幅器とを有し、
前記ジャイレータ回路の前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に前記差動増幅器の差動入力端子が接続され、
前記ジャイレータ回路の前記第２のトランスコンダクタンスアンプの前記差動出力端子に前記差動増幅器の差動出力端子が接続された
広帯域増幅器。
【請求項３】
前記差動増幅器の入力端子は、エミッタフォロア回路を介して前記第１のトランスコンダクタンスアンプの前記差動入力端子に接続された請求項２に記載の広帯域増幅器。
【請求項４】
アンテナと、
前記アンテナに送信信号を出力して前記アンテナから無線信号を出力させる送信回路と、
前記アンテナと前記無線回路との間に接続されたインピーダンスマッチング回路と、
前記送信信号の進行波と反射波をそれぞれ検出する検出回路と、
前記進行波の電力と前記反射波の電力とを測定する電力測定回路と、
前記電力測定回路の測定結果に基づいて、前記インピーダンスマッチング回路を制御する制御回路と、を備え、
前記電力測定回路は、
請求項２又は３に記載の広帯域増幅器を多段に縦列接続したリミッタアンプ部と、前記広帯域増幅器の出力をそれぞれ検出する複数の検波部と、各前記検波部の出力を加算する加算部とを備えた無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２５００８４（Ｐ２０１１−２５００８４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２０５５２（Ｐ２０１０−１２０５５２）
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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