JPH0211005A - 無条件に安定な超低雑音ｒｆ前置増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、無線周波（ＲＦ）受信装置に関し、更に詳し
くは、無条件に安定で大きなダイナミックレンジを有す
る新規な超低雑音ＲＦ前置増幅器に関する。

通信、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）等に使用される
多くの形態のＲＦ受信装置は約１５ＭＨｚないし約５０
０ＭＨｚのおおよそ５オクターブの範囲における動作周
波数において（２０ｄＢ以上の）比較的高い利得および
（０，３ｄＢ以下の）超低雑音指数を有する小信号ＲＦ
前置増幅器から利益を得ることは周知である。この周波
数範囲の大部分にわたって約０．８−１．０ｄＢの間の
低い雑音指数（ＮＦ）を有するバイポーラトランジスタ
型ＲＦ前置増幅器が１９７０年代の後半以来提供される
ようになった。０．　４−０．　８ｄＢの範囲の非常に
低い雑音指数を有する前置増幅器は約１００ＭＨｚより
上の周波数に対してのみヒ化ガリウムＭＥ　Ｓ　Ｆ　Ｅ
ＴすなわちＧａＡｓ　ＦＥＴを利用して可能になった。

（例えば１９７９年１２月のハム無線（Ｈａａ＋　Ｒａ
ｄｉｏ　）のＧＨクロース（ＧＨＫｒａｕｓｓ　）によ
るｒＶＨＦ前置増幅器」の参照されたい）。非常に低い
雑音を有する前置増幅器にマイクロ波ＧａＡｓＦＥＴを
使用することは５０ＭＨｚより上において現在比較的当
り前のことになっているが、入力段に共通ソース形式を
利用した従来のすべての前置増幅器では不安定性（すな
わち、１より小さい安定係数Ｋ）の問題が依然ととして
存在している。共通ソース形式は雑音指数を低くするた
めの現在知られている唯一の形式であるが、特に対象と
する周波数における不安定性は、ＲＦ前置増幅器がそれ
に対するソース・インピーダンスおよび負荷インピーダ
ンスの少なくとも１つのインピーダンスのリアクタンス
成分によって成る未知の周波数で発振する傾向を有する
ことを示している。これは特に、ＲＦ前置増幅器および
／または次に続く受信装置の最大感度が望ましくない周
波数における信号の伝達よって悪影響を受けるような多
くの用途においてＲＦ前置増幅器の前または後に比較的
狭い帯域フィルタが使用される場合にあてはまる。従っ
て、１５ないし５００ＭＨｚの範囲の対象とする周波数
において（約０．３ｄＢ以下の雑音指数を有する）無条
件に安定な超低雑音ＲＦ前置増幅器を提供することが非
常に望まれている。

発明の概要 本発明によれば、約１５ＭＨｚないし約５００ＭＨｚの
範囲内の動作周波数において無条件に安定な超低雑音Ｒ
Ｆ前置増幅器は第１段および第２段を含む。第１段では
、ＭＥＳＦＥＴ素子が共通ソース形式で動作され、直列
Ｌ−Ｃ雑音整合用入力ネットワークが設けられ、能動負
荷が第１段に対して、前置増幅器全体の安定係数Ｋが全
周波数範囲にわたって１．００の値を超えるようにする
実効インピーダンスを与える。第２段は、第１段に対す
る能動負荷の少なくとも一部として作用する。第２段は
、前記周波数範囲にわたって略一定の入力インピーダン
スを与えるように並列に結合された複数の能動素子を有
する。

好適な実施態様においては、第２段は複数のＪＦＥＴま
たはＧａＡｓ−ＭＥＳＦＥＴを有し、このすべてはそれ
ぞれ互いに並列に接続された被制御導通チャンネルを有
する。第２段の並列接続された能動素子の共通出力はイ
ンピーダンス変更回路を介してＲＦ前置増幅器出力に接
続されている。

従って、本発明の目的は、無条件に安定で超低雑音指数
を有する新規なＲＦ前置増幅器回路を提供することにあ
る。

本発明のこの目的および他の目的は添付の図面を参照し
た以下の詳細な説明から明らかになろう。

図面を参照した発明の詳細な説明 最初に第１図を参照すると、無条件に安定である新規な
超低雑音ＲＦ前置増幅器回路１０の好適実施例が示され
ている。前置増幅器１０は信号入力１０ａで信号を受信
する。この信号入力は典型的には利用される周波数およ
び相互接続ケーブルに対して適切な同軸コネクタで構成
されている。

ＲＦ前置増幅器は第１段、すなわち低雑音入力段１２を
有する。この入力段１２はタイプＦＳＣ−１０ＬＦ素子
（富士通セミコンダクタから入手可能）や高電子移動度
トランジスタなどのようなヒ化ガリウムＭＥＳＦＥＴ素
子１２ａを利用している。ＭＥＳＦＥＴ素子１２ａは共
通ソース形式で動作される。雑音整合用入力回路１４は
入力１０ａにおけるＲＦ前置増幅器の予め選択された入
力インピーダンスに整合するように素子１２ａのゲート
電極における最適雑音インピーダンスを調節する。典型
的には、ＲＦ前置増幅器の入力インピーダンスは５０オ
一ム程度であり、素子の最適雑音インピーダンスは数千
オームである。このため、（入力１０ａと素子のゲート
電極との間に接続された）可変容量１４ａおよび（素子
のゲート電極とＲＦ前置増幅器の共通電位（例えばアー
ス）との間に接続された）高Ｑのインダクタンス１４ｂ
で構成される雑音整合用入力回路１４を利用することが
好ましい。インダクタンス１４ｂは、極めて低損失の材
料によって支持され且つＲＦ前置増幅器回路の残りの部
分から分離された区画部内にシールドされた、比較的大
きな直径（１７８インチ台の）チューブを螺旋状に巻い
たコイルであることが好ましい。インダクタンス１４ｂ
は典型的には２５０−３５０オ一ム程度のリアクタンス
を有し、可変容ｆｆ１１４ａは同じオーダーのリアクタ
ンスを有している。雑音整合用入力回路のコンデンサ１
４ａおよびインダクタ１４ｂの各々のリアクタンスはＲ
Ｆ前置増幅器１０の雑音指数を最も低くするように個々
に調節できることを理解されたい。また、他の雑音整合
用入力回路を同様に使用してもよいことを理解されたい
。

共通ソース接続された１２ａはソース争バイアス・ネッ
トワーク１６によってバイアスされている。このソース
・バイアス・ネットワーク１６は素子のソース・リード
線の各々からのＲＦバイパス・コンデンサおよびバイア
ス抵抗から構成されている。典型的には、１２ａは複数
の（例えば２本）のソース・リード線とともにパッケー
ジされ、このソースやリード線の各々は別々のバイパス
・コンデンサ１６ａまたは１６ｂによって共通電位にバ
イパスされている。全ソース抵抗は、その両端間にゲー
ト・ソース間バイアス電圧が発生されるが、各ソース・
リード線からアースに接続されている抵抗１６ｃまたは
１６ｄによって形成されている。ソース抵抗の１つ（例
えば、ソース抵抗１６ｄ）はＲＦ前置増幅器の雑音指数
を最小にするために素子１２ａのドレイン電流ＩＣ）を
調節し得るように可変のものである。

入力素子のドレイン電極りはドレイン電極回路１８から
直流動作電位を供給される。回路１８は小型の３端子集
積回路Ｕ１電圧レギュレータ（例えば、多くの製造業者
から入手可能なタイプ７８ＬＯ５レギユレータ）のよう
な電圧レギュレータ手段１８ａを有する。レギュレータ
１８ａは入力フィルタ・コンデンサ１８ｂおよび出力フ
ィルタ・コンデンサ１８ｃとともに動作し、出力コンデ
ンサ１８ｃの両端間に調整された電圧（例えば、＋５Ｖ
ＤＣ）を出力する。電圧供給ノード１０ｖに接続されて
いる直列入力抵抗１８ｄはレギュレータの出力が不良に
なった場合にレギュレータ１８ａに流れる最大電流を制
限するために利用されている。直列可変抵抗１８ｅは、
抵抗１６ｄが最適ドレイン電流用に設定された後、素子
１２ａのドレイン・ソース間電圧ＶｄＳを設定するため
に利用される。電圧ＶｄＳはダイナミックレンジを最大
にするために、前置増幅器の雑音指数にあまり影響を与
えることなく、３次相互変調インターセプト点（通常、
０ＩＰ３として知られている）の高い値を得るために設
定される。ドレイン電流ＩＤは無線周波（ＲＦ）チョー
ク１８ｆを介して素子１２のドレイン電極りに供給され
る。チョーク１８ｆはバイアス・コンデンサ１８ｇとと
もにレギュレータ１８ａの周りの直流回路からＲＦ倍信
号取り除くように作用する。電流サンプリング抵抗１８
ｈがＲＦチョーク１８ｆと抵抗１８ｅとの間に直列に接
続され、これにより、例えばドレイン電極回路の端子１
８ｉおよび１８ｊの間に電圧計を接続して、抵抗１８ｈ
の既知の値（例えば１０オーム）の両端間に生じる電圧
を読み取ることによって、素子のドレイン電流を測定す
ることができる。

本発明の原理によると、第１段の負荷手段２０は広い周
波数範囲にわたって第１段１２を無条件に安定するイン
ピーダンスを提供する。負荷手段２０の実質的な抵抗部
分に加えて、リアクタンス部分が第１段の出力（素子１
２ａのドレイン電極Ｄ）形成される。リアクタンス素子
はインダクタンス素子であるか、または図示のように容
量性素子２０ａであり、第１段の出力に直列に、または
図示のように並列に接続される。素子２０ａのリアクタ
ンス値は対象とする全周波数範囲にわたってＲＦ前置増
幅器１０を無条件に安定にするような値に第１段の全負
荷インピーダンスを設定するように選択される。負荷の
実質的抵抗部分は直列の直流阻止コンデンサ２２の後に
設けた能動的な第２段２４によって形成される。ＲＦ前
置増幅器の雑音指数によってのみ実質的にその後のシス
テムの雑音指数を設定できるようにするために、能動的
な第２段２４の利得は信号人力１０ａから信号出力１０
ｂまでのＲＦ前装増幅器１０全体で少なくとも２０ｄＢ
の信号利得が得られるように設計される。更に大きな利
得でもしばしば好ましい場合がある。第２段の利得を得
るためには、第１段の負荷は能動回路でなければならな
い。第２段を少なくとも対象とする周波数範囲にわたっ
てほぼ一定の抵抗として作用させるためには、能動負荷
は、少なくとも１つの素子を共通電極形式で動作させる
ことによって得られるような低入力インピーダンス能動
回路で構成することが好ましい。

共通ゲート形式で複数のＪＦＥＴ素子２５（例えば、並
列に接続された被制御導通チャンネルを有する一対の素
子２５ａおよび２５ｂ）を利用することによって、低入
力インピーダンスで高信号相互コンダクタンスを有し且
つ比較的中程度の出力インピーダンス（約５００オーム
程度）を有する能動回路を形成することができる。別の
素子２５を追加することによって、能動負荷の相互コン
ダクタンスを更に増大し、それに対応して能動負荷手段
２０の実効入力インピーダンスを低減することができる
ことが理解されよう。第２段の能動負荷の所望の入力イ
ンピーダンスはソース中ネツトワーク２６のソース抵抗
２６ａにより素子２５の全ソース電流１．を調節するこ
とによって設定される。直流設定用可変抵抗２６ａは直
列接続されているＲＦチョーク・インダクタンス２６ｂ
および分路用バイパス・コンデンサ２６ｃによって第２
段の能動負荷素子から実効的にＲＦ分離される。

電流監視用抵抗２６ｄが可変抵抗２６ａに直列に接続さ
れ、これにより回路の共通電位と監視接続点２６ｅとの
電圧を監視して、素子２４の全ソース電流Ｉｓを所望の
レベルに設定することによって、（最大利得、最大出力
３次インターセプトおよび同様な属性の１つまたは組合
せである）第２段の所望の特性を得ることができる。

本発明による前置増幅器は標準的なカスケード接続した
２つの段よりなるものでなく、両段の主電流回路（ここ
では、ソース・ドレイン回路）において何ら共通な直流
電流がなく、また第１段に対する予め選択された負荷抵
抗を構成する複数の並列接続された素子が設けられてい
ることが理解されよう。第２段２４は出力ネットワーク
２８を有し、これにより素子２５への直流ドレイン電流
がＲＦチョーク２８ａを介して流れる。ＲＦチョーク２
８ａには出力回路のＱを低減するように選択された大き
さの抵抗素子２８ｂが並列に接続されている。本実施例
の特定の出力ネットワーク２８においては、小さな可変
コンデンサ２８ｃが並列接続された素子のドレイン電極
と回路の共通電位点との間に接続されて、動作周波数に
おいて最大利得と最良の負荷インピーダンス整合を得る
ために直列出力インダクタ２８ｄのインダクタンスと協
調して調節される。直流阻止用の直列コンデンサ２８ｅ
が出力インダクタンス２８ｄと出力コネクタ１０ｂとの
間に接続されている。希望により、ＲＦ前置増幅器１０
の動作用の直流電位は本技術分野で周知であるように出
力コネクタ１０ｂに接続された同軸ケーブルの中心導体
に供給することができ、この場合、ダイオード３０ａＳ
ＲＦチヨーク３０ｂおよびバイパス・コンデンサ３０Ｃ
からなるネットワーク３０を用いることにより端子１０
ｖに動作電位が供給される。また、他の出力整合回路を
本発明による新規なＲＦ前置増幅器に同様に使用するこ
とができることも理解されたい。

比較的高いレベルのＲＦ倍信号ＲＦ前置増幅器の入力１
０ａに供給される環境においてＲＦ前置増幅器を動作さ
せる場合には、入力保護ネットワーク１０’を付加して
もよい。この追加の保護ネットワークはＲＦコネクタ１
０′　ａおよび１０’ｂの間に設けられて、直列接続さ
れたコンデンサ３２、逆並列接続の保護ダイオード３３
ａおよび３３ｂ、ならびに分路抵抗３４を有し、無条件
安定性に貢献することができる。

次に、第２図を参照すると、１つのＲＦ前置増幅器１０
を約２１ＭＨｚにおいて最低の雑音指数（ＮＦ）を有す
るように同調させた場合の特性が示されている。図に示
すように、横軸４０は周波数ＦをＭＨｚの単位で示し、
第１の縦軸４２は雑音指数をデシベル（ｄ　Ｂ）の単位
で示している。

第１の雑音指数曲線４４ａで示すように室温での雑音は
２１ＭＨｚの雑音同調した周波数において０．２５ｄＢ
以下の最小値を有している。雑音指数は、ＲＦ前置増幅
器を水氷冷凍装置内に置くという簡単な方法によって、
第２の雑音指数曲線４４ｂで示すように約０．１５ｄＢ
の最小雑音指数まで更に低減された。前置増幅器を液体
窒素温度（すなわち、約７７’Ｋ）まで冷却した場合、
測定された雑音指数は曲線４４ｃで示すように約０゜０
５ｄＢ以下の最小雑音指数になった。右側の縦軸４６は
同じ横軸に対して利得を表わしており、関連する利得曲
線４８ａ、４８ｂおよび４８ｃが室温、冷凍装置および
液体窒素の環境のそれぞれに対して得られた。中心周波
数で３４−３６ｄＢの利得が得られることがわかる。す
べての測定はＨＰ３４６Ａ雑音源を有するヒユーレット
パラカード社のＨＰ８９７０Ｂ自動雑音指数系で行った
。

中心周波数において０．３ｄＢ以下の雑音指数を存する
同様なＲＦ前置増幅器の実施例が約１５ＭＨｚから約５
００ＭＨｚまでの範囲にわたる周波数に対して実施され
測定された。

次に、第３図を参照すると、ＲＦ前置増幅器１０の安定
係数Ｋが示されている。横軸５０は周波数ＦをＭＨｚの
単位で表わし、縦軸５２は安定係数にを表わしている。

Ｋは、本技術分野で周知であるように、入力１０′　ａ
におけるボート１および出力１０ｂにおけるボート２で
測定された前置増幅器のＳバラメタータに対して次式の
ように表わされる。

Ｋ−（１−１３１２−１ｓ２２１２＋ＩΔ１２）／　（
２ｌ　５１２１１　ｓ２□１） ここで・Ａ″″５ｌｌＳ２２−８１２Ｓ２１すべての場
合において、Ｓパラメータの実際の測定および安定係数
にの計算から、利得が最大である同調周波数の近辺で最
悪の状態が発生することがわかる。Ｋの曲線５４で示す
ように、Ｆ−２１ＭＨｚにおけるＫの値は１．００より
大きい。安定係数には周波数が最小雑音同調周波数から
離れるに従って増大することが観察された。このように
、本発明による新規なＲＦ前置増幅器１０の種々の周波
数の実施例は、無条件安定性のための最小値（線５６で
示す１．００）より常にＫの値が大きい例示の曲線５４
で示すように全て無条件安定性を有していた。

本発明による無条件に安定で、超低雑音の新規なＲＦ前
置増幅器をその好適実施例について詳細に説明したが、
本技術分野に専門知識を有する者にとっては多くの変更
および変形を行うことができることは明らかなことであ
ろう。従って、本発明は、図示し説明した実施例の詳細
に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって限
定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による新規な無条件に安定なＲＦ前置増
幅器の回路図である。 第２図はＲＦ前置増幅器回路の無条件に安定な広い周波
数範囲内の特定の周波数に同調されたＲＦ前置増幅器の
雑音指数および利得を示すグラフである。 第３図は第２図に示す特性を有するＲＦ前置増幅器の広
い周波数範囲にわたる安定係数にを示すグラフである。 １０・・・ＲＦ前置増幅器、１２・・・第１段、１２ａ
・・・ＭＥＳＦＥＴ素子、１４・・・雑音整合用入力回
路、１６・・・ソース・バイアス・ネットワーク、１８
・・・ドレイン電極回路、１８ａ・・・レギュレータ、
２０・・・第１段の負荷手段、２４・・・第２段、２５
・・・ＪＦＥＴ素子、２６・・・ソース・ネットワーク
、２８・・・出力ネットワーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、約１５ＭＨｚないし約５００ＭＨｚの周波数範囲内
   の選択された周波数において約０．３ｄＢ以下の雑音指
   数を有する無線周波（ＲＦ）前置増幅器であって、 既知のインピーダンスを有する信号源から入力信号を受
   信する入力手段と、 負荷インピーダンスに出力信号を供給する出力手段と、 最適雑音入力インピーダンスを有する共通ソース形式の
   電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、および前記ＦＥＴと
   前記入力手段との間に接続されて、最適雑音入力インピ
   ーダンスに前記信号源のインピーダンスを整合させる手
   段を含む第１段と、すべてが互いに並列に接続された被
   制御導電回路を有する複数Ｎ個の能動素子を含み、前記
   出力手段に対する前記出力信号として前記入力信号を増
   幅した信号を供給し、且つ前記前置増幅器が少なくとも
   前記周波数範囲にわたって１より大きい安定係数にを有
   するように選択された負荷インピーダンスを前記第１段
   に対して構成する第２段と、を備えていることを特徴と
   する無線周波前置増幅器。 ２、前記第１段のＦＥＴがＭＥＳＦＥＴである請求項１
   記載の無線周波前置増幅器。 ３、前記ＭＥＳＦＥＴがヒ化ガリウムＭＥＳＦＥＴであ
   る請求項２記載の無線周波前置増幅器。 ４、前記第２段の能動素子がＪＦＥＴである請求項３記
   載のＲＦ前置増幅器。 ５、前記ＪＦＥＴのすべてが共通ゲート形式であり、前
   記ＪＦＥＴのすべてのソース電極は互いに接続されて前
   記第２段の入力を形成し、前記ＪＦＥＴのすべてのドレ
   イン電極は互いに接続されて前記第２段の出力を形成し
   ている請求項４記載の無線周波前置増幅器。６、前記第
   ２段の出力インピーダンスを前記負荷インピーダンスに
   整合させる手段を更に含んでいる請求項５記載の無線周
   波前置増幅器。 ７、Ｎ＝２である請求項５記載の無線周波前置増幅器。 ８、前記第２段が更に前記第１段にかけられる能動負荷
   のリアクタンスを変更するように前記第２段の入力に接
   続されたリアクタンス素子を含んでいる請求項１記載の
   無線周波前置増幅器。 ９、前記リアクタンス素子がコンデンサである請求項８
   記載の無線周波前置増幅器。 １０、前記コンデンサが前記第１段の出力に並列に接続
   されている請求項９記載の無線周波前置増幅器。 １１、前記第１段のＦＥＴに流れるドレイン電流を設定
   する手段を更に含んでいる請求項１記載の無線周波前置
   増幅器。 １２、前記第１段のＦＥＴのドレイン・ソース間電圧を
   設定する手段を更に含んでいる請求項１１記載の無線周
   波前置増幅器。 １３、前記第２段の並列接続された前記能動素子のすべ
   てを流れる全電流を設定する手段を更に含んでいる請求
   項１２記載の無線周波前置増幅器。 １４、前記第２段の並列接続された前記能動素子のすべ
   てを流れる全電流を設定する手段を更に含んでいる請求
   項１記載の無線周波前置増幅器。