JP3853604B2 - 周波数変換回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体無線通信機器、特に携帯電話、衛星電話などの受信部に用いる周波数変換回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体無線通信では、高周波部の高機能・高性能化への要求が年々厳しくなり、受信部の周波数変換回路においては、特に機器の待ち受け時間を長くするために低消費電流化が強く要望されている。
【０００３】
以下、従来の周波数変換回路について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図３は、特開平０６-２０４７５１号公報に記載された従来の周波数変換回路を示したものであり、周波数変換回路において重要な高周波特性として３次相互変調歪み特性と変換利得特性に優れるという特徴を有している。
【０００５】
図３の周波数変換回路は、局部発振信号を増幅する第１の増幅器５１（以下、局部発振増幅器という）、無線周波数信号を中間周波数信号へ周波数変換する周波数変換器５２、周波数変換された中間周波信号を増幅する第２の増幅器５３（以下、中間周波増幅器という）で構成されている。
【０００６】
局部発振増幅器５１は電界効果型トランジスタ５４からなり、周波数変換器５２は電界効果型トランジスタ５５からなり、中間周波増幅器５３は電界効果型トランジスタ５６からなっており、各々の電界効果型トランジスタ５４，５５，５６のソースはすべて接地されている。
【０００７】
電界効果型トランジスタ５４のゲートは、抵抗５７および抵抗５８を介して接地されるとともに、局部発振入力整合回路５９を介して局部発振信号が入力される局部発振信号入力端子６０に接続されている。電界効果型トランジスタ５４のドレインは、負荷インダクタ６１を介して電源供給端子６２に接続されるとともに、容量６３を介して電界効果型トランジスタ５５のゲートに接続されている。また、電界効果型トランジスタ５５のドレインは、無線周波数入力整合回路６４を介して無線周波数信号入力端子６５に接続されるとともに、フィルタ６６を介して電界効果型トランジスタ５６のゲートに接続されている。さらに、電界効果型トランジスタ５６のドレインは、中間周波出力整合回路６７を介して中間周波信号出力端子６８と電源供給端子６９とに接続されている。また、電界効果型トランジスタ５５のゲートにダイオード７０のカソードが接続され、抵抗５７，５８の接続点にダイオード７０のアノードが接続されている。
【０００８】
なお、局部発振入力整合回路５９、無線周波数入力整合回路６４、中間周波出力整合回路６７は、それぞれ使用する周波数において特性インピーダンス（通常は５０Ω）に周波数整合されている。
【０００９】
つぎに、従来の周波数変換回路の動作について説明する。一例として、使用周波数は、無線周波数信号が２１００ＭＨｚ、局部発振信号が２３００ＭＨｚ、中間周波信号が２００ＭＨｚであり、電源電圧は３Ｖという条件とする。
【００１０】
周波数変換回路を動作させるには、まず電源供給端子６２，６９に電圧３Ｖを印加する必要がある。局部発振信号入力端子６０から入力された局部発振信号は、局部発振増幅器５１の電界効果型トランジスタ５４で増幅された後、容量６３を介して、周波数変換器５２の電界効果型トランジスタ５５のゲートに入力される。一方、無線周波数信号端子６５から入力された無線周波数信号は、電界効果型トランジスタ５５のドレインへと入力される。
【００１１】
このとき、電界効果型トランジスタ５５のゲート電圧は、入ってきた局部発振信号によって大きく振られることになり、その結果、電界効果型トランジスタ５５のチャネル抵抗は時間に対して弱い非線形性を示すようになる。この非線形成分によって、無線周波数信号は中間周波信号へと周波数変換される。変換された中間周波信号は、中間周波増幅器５３の電界効果型トランジスタ５６で増幅された後、中間周波信号出力端子６８より出力される。なお、中間周波信号以外の周波数成分は不要であるため、フィルタ６６で除去される。
【００１２】
上記周波数変換回路においては、高周波数特性を満足させるためには、現状では局部発振増幅器５１および中間周波増幅器５３で消費する電流をそれぞれ５ｍＡにする必要があり、周波数変換回路全体としては１０ｍＡを消費している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の周波数変換回路の構成では、局部発振増幅器５１と中間周波増幅器５３の電流値は所望の高周波特性を達成できる必要最低限の値に設定されているため、高周波特性を落とさずにそれ以上電流を低減することは困難である。
【００１４】
本発明は、３次相互変調歪み特性や利得変換特性などの高周波特性を劣化させることなく電流の低減を実現することができる周波数変換回路を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の周波数変換回路は、ゲートに入力される局部発振信号を増幅してドレインより出力する第１の電界効果型トランジスタからなる第１の増幅器と、第１の増幅器から出力される局部発振信号を基に無線周波数信号を中間周波数信号に変換して出力する周波数変換器と、周波数変換器から出力されてゲートに入力される中間周波数信号を増幅してドレインより出力する第２の電界効果型トランジスタからなる第２の増幅器とを備えている。
【００１６】
そして、第１の電界効果型トランジスタのドレインには第１の電圧供給端子が接続され、第１の電界効果型トランジスタのゲートには一端が接地された第１の抵抗が接続され、第２の電圧供給端子と第１の電界効果型トランジスタのゲートの間には第２の抵抗が接続され、第１の電界効果型トランジスタのソースには一端が接地された第１の容量が接続され、第２の電界効果型トランジスタのゲートには一端が接地された第３の抵抗が接続され、第２の電界効果型トランジスタのソースには互いに並列に接続され一端が接地された第２の容量と第４の抵抗が接続され、第２の電界効果型トランジスタのドレインには一端が接地された第３の容量と一端が中間周波信号出力端子に接続された第４の容量とが接続され、第１の電界効果型トランジスタのソースと第２の電界効果型トランジスタのドレインとの間には、直流電流は通過させるが局部発振周波数の交流電流は遮断する交流遮断回路が接続され、第１、第２の電圧供給端子に電圧を与えることにより、第１の増幅器と第２の増幅器には共通の電流が流れる。
ここで、交流遮断回路は、第１の電界効果型トランジスタのソースに一端が接続され第２の電界効果型トランジスタのドレインに他端が接続されたインダクタからなり、インダクタは、局部発振周波数に対しては十分高いインピーダンスとなり、かつ、中間周波数に対しては中間周波数に対して出力整合として使用できる値に設定され、第３および第４の容量とともに出力整合回路を構成している。
また、周波数変換器は、ソースが接地された第３の電界効果型トランジスタで構成され、第３の電界効果型トランジスタのゲートに第１の増幅器から出力される局部発振信号が入力され、第３の電界効果型トランジスタのドレインに無線周波数信号が入力され、第３の電界効果型トランジスタのドレインより中間周波信号を出力する。
【００１７】
請求項１に記載の構成によれば、局部発振増幅器と中間周波増幅器の電流を共通とし、それぞれの増幅器における電界効果型トランジスタのドレイン−ソース間電圧が電源電圧の半分程度となるようにバイアスをかけることにより、高周波特性を劣化させることなく、従来に比べ電流の半減が可能となる。また、交流遮断回路で局部発振信号と中間周波信号とを分離しているため、相互に干渉しあうことによる高周波特性の劣化は見られない。
交流遮断回路として作用させるためにはインダクタの値は大きいほうが望ましいが、一方で、前記インダクタは中間周波増幅器に対する負荷ともなっているため、中間周波増幅器の利得を最大とするには最適な値を選ぶ必要がある。ところで、中間周波数は、通常１００〜３００ＭＨｚと局部発振周波数に比べ１桁近く低い値であるため、インダクタ値を選ぶことにより（例えば１００〜４００ｎＨの間）、局部発振信号と中間周波信号との分離を保ったまま、中間周波増幅器に対する負荷としても作用させることができる。従って、この構成によれば、最適なインダクタ値を選択することで、簡易な回路で局部発振信号と中間周波信号との分離と中間周波増幅器の利得最大化が同時に実現できる。
また、周波数変換器で電流を消費することがないため、周波数変換回路の更なる低消費電流化が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について図１および図２を用いて説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における周波数変換回路の回路図を示すものである。
【００２４】
図１の周波数変換回路は、局部発振信号を増幅する局部発振増幅器（第１の増幅器）１、無線周波数信号を中間周波信号へ周波数変換する周波数変換器２、周波数変換された中間周波信号を増幅する中間周波増幅器（第２の増幅器）３からなっている。
【００２５】
局部発振増幅器１は電界効果型トランジスタ４で構成されており、電界効果型トランジスタ４のソースは容量２０で高周波的には接地されている。電界効果型トランジスタ４のゲートは、局部発振入力整合回路９を介して局部発振信号入力端子１０に接続されるとともに、一端が接地された抵抗７と一端が電源供給端子１９に接続された抵抗８とに接続されている。
【００２６】
また、電界効果型トランジスタ４のドレインは、負荷インダクタ１１を介して電源供給端子１２に接続されるとともに、容量１３を介して周波数変換器２に接続されている。
【００２７】
周波数変換回路２は、無線周波数入力整合回路１４を介して無線周波数信号入力端子１５に接続されるとともに、フィルタ１６の一端に接続される。フィルタ１６の他端は、中間周波入力整合回路２１および容量２２を介して、中間周波増幅器３を構成している電界効果型トランジスタ６のゲートに接続される。電界効果型トランジスタ６のゲートは抵抗２３により接地され、電界効果型トランジスタ６のソースは、並列に接続された抵抗２４と容量２５により接地される。さらに、電界効果型トランジスタ６のドレインは、直流をブロックする容量２６および中間周波出力整合回路１７を介して中間周波信号出力端子１８に接続されるとともに、直流は通過させるが交流は遮断する交流遮断回路２７を介して電界効果型トランジスタ４のソースに接続されている。
【００２８】
なお、局部発振入力整合回路９、無線周波数入力整合回路１４、中間周波出力整合回路１７は、それぞれ使用する周波数において特性インピーダンスに周波数整合されている。
【００２９】
つぎに、実施の形態１における周波数変換回路の動作について説明する。
【００３０】
本発明の実施の形態１の周波数変換回路は、電源供給端子１２，１９に３Ｖの電圧を印加する。高周波信号の流れは以下のとおりである。局部発振信号入力端子１０から入力された局部発振信号は、局部発振増幅器１の電界効果型トランジスタ４で増幅された後、容量１３を介して、周波数変換器２に入力される。無線周波数信号端子１５から入力された無線周波数信号は、周波数変換器２で局部発振信号により中間周波信号へと周波数変換される。変換された中間周波信号は、中間周波増幅器３の電界効果型トランジスタ６で増幅された後、中間周波信号出力端子１８より出力される。なお、中間周波信号以外の周波数成分は不要であるため、フィルタ１６で除去する。
【００３１】
局部発振増幅器１は、局部発振信号を増幅するのに用いられるが、局部発振増幅器１の利得が低いと、周波数変換器２を駆動できなくなり、高周波特性が劣化する。それを防ぐためには、電界効果型トランジスタ４のドレイン−ソース間電圧は少なくともニー電圧（Ｖｋ）以上が必要である。Ｖｋは、用いる電界効果型トランジスタのゲート幅やゲート長、あるいは電界効果型トランジスタを作成するプロセスに依存する定数であるが、おおよそ０.７Ｖ程度である。
【００３２】
本実施の形態の周波数変換回路において、電界効果型トランジスタ４のドレイン−ソース間の電圧を高くするためには、電界効果型トランジスタ４のゲート電圧を高くすればよい。そのためには、抵抗７，８の比を適切に選ぶ必要があるが、これは、用いる電界効果型トランジスタのゲート幅やゲート長、あるいは電界効果型トランジスタを作成するプロセスに応じて変わるものである。一般的には、電界効果型トランジスタ４のドレイン−ソース間の電圧が電源電圧の半分程度（本実施の形態では１．５Ｖ）かかるように設定する。
【００３３】
中間周波増幅器３においても、電界効果型トランジスタ６のドレイン−ソース間電圧も電源電圧の約半分がかかるため、特性の劣化は見られない。また、局部発振増幅器１と中間周波増幅器３の高周波的な分離は、交流遮断回路２７によって保たれている。
【００３４】
本発明の実施の形態１の周波数変換回路の電流は、上記抵抗７，８によって決定された電界効果型トランジスタ４のゲートにかかる電圧と抵抗２４によって決定される。比較のために、局部発振増幅器１と中間周波増幅器３で消費する電流を、従来の周波数変換回路と同じ５ｍＡとなるように上記の条件を設定する。それぞれの増幅器で消費する電流は変わらないため、高周波特性は同じである。
【００３５】
一方、電流は、電圧供給端子１２から、負荷インダクタ１１、電界効果型トランジスタ４、交流遮断回路２７、電界効果型トランジスタ６、抵抗２４の順に流れる。その結果、局部発振増幅器１と中間周波増幅器３の消費電流は共通となり、従来の周波数変換回路の消費電流１０ｍＡに比べ、１／２にすることができる。
【００３６】
図２は、図１に示した周波数変換回路において、周波数変換器２、局部発振入力整合回路９、無線周波数入力整合回路１４、フィルタ１６、中間周波入力整合回路２１、中間周波出力整合回路１７の具体例を示したものである。
【００３７】
図２において、周波数変換器２は、ソースが接地された電界効果型トランジスタ５と、一端が電界効果型トランジスタ５のゲートに接続され他端が接地された抵抗２８とからなる。電界効果型トランジスタ５のゲートは容量１３に接続され、電界効果型トランジスタ５のドレインは無線周波数入力整合回路１４およびフィルタ１６に接続されている。
【００３８】
無線周波数入力整合回路１４は容量２９からなり、無線周波数信号入力端子１５と電界効果型トランジスタ５のドレインとの間に接続される。局部発振入力整合回路９は、直列接続されたインダクタ３０と容量３１とからなり、局部発振信号入力端子１０と電界効果型トランジスタ４のゲートとの間に接続される。フィルタ１６は互いに並列接続されたインダクタ３２と容量３３とからなり、電界効果型トランジスタ５のドレインと中間周波入力整合回路２１の間に接続される。中間周波入力整合回路２１はインダクタ３４からなり、フィルタ１６と容量２２との間に接続される。中間周波出力整合回路１７は、容量２６と一端が接地された容量３５とからなり、電界効果型トランジスタ６のドレインと中間周波出力信号端子１８との間に容量２６が接続される。
【００３９】
フィルタ１６を構成するインダクタ３２と容量３３の値は、中間周波周波数を通し、その他の周波数をカットするように決められる。使用周波数として、無線周波数信号が２１００ＭＨｚ、局部発振信号が２３００ＭＨｚ、中間周波信号が２００ＭＨｚとすると、インダクタ３２は３.９ｎＨ、容量３３は１ｐＦとすればよい。
【００４０】
また、中間周波出力整合は、インダクタ３６、容量２６，３５によって構成される。一例として、インダクタ３６は１００ｎＨ、容量２６は６ｐＦ、容量３５は５ｐＦとすれば整合がとれる。インダクタ３６は同時に局部発振信号を遮断しなければならないが、１００ｎＨという値は２３００ＭＨｚの信号を遮断するのに十分大きい値である。したがって、局部発振増幅器１と中間周波増幅器のアイソレーションは、良好に保たれている。
【００４１】
なお、本実施の形態では、局部発振増幅器１と中間周波増幅器３の電界効果型トランジスタ４，６はシングルゲート構造の場合について述べたが、これらのいずれか一方、もしくは両方ともデュアルゲート構造を用いても同様の効果が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の周波数変換回路は、局部発振増幅器と中間周波増幅器の電流を共通とし、それぞれの増幅器における電界効果型トランジスタのドレイン−ソース間電圧を電源電圧の半分程度となるようにバイアスを設定することにより、高周波特性を劣化させることなく、従来に比べ電流の半減が可能となる。このとき、中間周波数は通常、無線周波数、局部発振周波数に比べ１桁近く低い値に設定されているため、交流遮断回路での中間周波信号と局部発振信号の分離は比較的容易に実現できる。そのため、干渉による高周波特性の劣化も見られない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における周波数変換回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１における周波数変換回路の具体的な構成を示す回路図である。
【図３】従来の周波数変換回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 局部発振増幅器（第１の増幅器）
２ 周波数変換器
３ 中間周波増幅器（第２の増幅器）
４，５，６ 電界効果型トランジスタ
７，８，２３，２４，２８ 抵抗
９ 局部発振入力整合回路
１０ 局部発振信号入力端子
１１ 負荷インダクタ
１２，１９ 電源供給端子
１３，２０，２２，２５，２６，２９，３１，３３，３５ 容量
１４ 無線周波数入力整合回路
１５ 無線周波数信号入力端子
１６ フィルタ
１７ 中間周波出力整合回路
１８ 中間周波信号出力端子
２１ 中間周波入力整合回路
２７ 交流遮断回路
３０，３２，３４，３６ インダクタ

Claims (1)

1. ゲートに入力される局部発振信号を増幅してドレインより出力する第１の電界効果型トランジスタからなる第１の増幅器と、前記第１の増幅器から出力される局部発振信号を基に無線周波数信号を中間周波数信号に変換して出力する周波数変換器と、前記周波数変換器から出力されてゲートに入力される中間周波数信号を増幅してドレインより出力する第２の電界効果型トランジスタからなる第２の増幅器とを備えた周波数変換回路であって、
   前記第１の電界効果型トランジスタのドレインには第１の電圧供給端子が接続され、前記第１の電界効果型トランジスタのゲートには一端が接地された第１の抵抗が接続され、第２の電圧供給端子と前記第１の電界効果型トランジスタのゲートの間には第２の抵抗が接続され、前記第１の電界効果型トランジスタのソースには一端が接地された第１の容量が接続され、前記第２の電界効果型トランジスタのゲートには一端が接地された第３の抵抗が接続され、前記第２の電界効果型トランジスタのソースには互いに並列に接続され一端が接地された第２の容量と第４の抵抗が接続され、前記第２の電界効果型トランジスタのドレインには一端が接地された第３の容量と一端が中間周波信号出力端子に接続された第４の容量とが接続され、前記第１の電界効果型トランジスタのソースと前記第２の電界効果型トランジスタのドレインとの間には、直流電流は通過させるが局部発振周波数の交流電流は遮断する交流遮断回路が接続され、前記第１、第２の電圧供給端子に電圧を与えることにより、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器には共通の電流が流れ、
   前記交流遮断回路は、前記第１の電界効果型トランジスタのソースに一端が接続され前記第２の電界効果型トランジスタのドレインに他端が接続されたインダクタからなり、前記インダクタは、局部発振周波数に対しては十分高いインピーダンスとなり、かつ、中間周波数に対しては中間周波数に対して出力整合として使用できる値に設定され、前記第３および第４の容量とともに出力整合回路を構成し、
   前記周波数変換器は、ソースが接地された第３の電界効果型トランジスタで構成され、前記第３の電界効果型トランジスタのゲートに前記第１の増幅器から出力される局部発振信号が入力され、前記第３の電界効果型トランジスタのドレインに無線周波数信号が入力され、前記第３の電界効果型トランジスタのドレインより中間周波信号を出力する周波数変換回路。

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