特許 6349097 入力信号増幅器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6349097

(24)【登録日】2018年6月8日

(45)【発行日】2018年6月27日

(54)【発明の名称】入力信号増幅器

(51)【国際特許分類】

   H03F 1/34 20060101AFI20180618BHJP

【ＦＩ】

   H03F1/34

【請求項の数】12

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-19205(P2014-19205)

(22)【出願日】2014年2月4日

(65)【公開番号】特開2015-146545(P2015-146545A)

(43)【公開日】2015年8月13日

【審査請求日】2016年8月24日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、総務省、マルチバンド・マルチモード対応センサー無線通信基盤技術に関する研究開発の委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105050

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲田 公一

(72)【発明者】

【氏名】高橋 幸二

(72)【発明者】

【氏名】大歯 真

【審査官】 緒方 寿彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１０１３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８７５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５７５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５９８２２４６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１６８６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−８７５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２６００９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｆ １／００− ３／４５、３／５０− ３／５２、

３／６２− ３／６４、３／６８− ３／７２

Ｈ０３Ｂ ５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力信号を増幅する入力信号増幅器であって、
入力端から入力される前記入力信号の論理を反転させて出力端から出力する反転増幅器と、
前記反転増幅器の前記入力端を接地するか否かを切り替える第１のスイッチと、
前記反転増幅器と並列に接続された帰還抵抗と、
前記帰還抵抗及び前記反転増幅器と並列に接続された第２のスイッチと、
前記第１及び第２のスイッチのＯＮまたはＯＦＦを、当該入力信号増幅器の状態に応じて制御するＯＮ／ＯＦＦ制御信号部と、
を具備し、
前記ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部は、当該入力信号増幅器の状態が急速起動時に、前記第２のスイッチをＯＮに制御することにより、前記反転増幅器から前記帰還抵抗を切り離す、
入力信号増幅器。

【請求項2】

前記ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部はさらに、当該入力信号増幅器の状態が急速起動時に、前記第１のスイッチをＯＦＦに制御する、
請求項１に記載の入力信号増幅器。

【請求項3】

当該入力信号増幅器の状態がＯＦＦ時、急速起動時、ＯＮ時における前記第１および第２のスイッチの一連の制御を前記ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部の一つの制御信号入力が行う、
請求項１に記載の入力信号増幅器。

【請求項4】

前記帰還抵抗は、第１の抵抗と第２の抵抗とを有し、
前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の間に直列に接続された第３のスイッチをさらに有する、
請求項１に記載の入力信号増幅器。

【請求項5】

前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の抵抗値は等しい、
請求項４に記載の入力信号増幅器。

【請求項6】

前記ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部は、当該入力信号増幅器の状態がＯＦＦ時に、前記第１のスイッチをＯＮに制御することにより前記反転増幅器の前記入力端を接地するとともに、前記第２のスイッチ及び前記第３のスイッチをＯＦＦに制御する、
請求項４に記載の入力信号増幅器。

【請求項7】

前記反転増幅器は、インバータ型である、
請求項１に記載の入力信号増幅回路。

【請求項8】

前記反転増幅器は、Ｎｃｈ定電流注入型である、
請求項１に記載の入力信号増幅回路。

【請求項9】

請求項１に記載の入力信号増幅器と、
前記反転増幅器と並列に接続された水晶振動子と、
を備えた水晶発振器。

【請求項10】

請求項１に記載の入力信号増幅器を備えた半導体集積回路。

【請求項11】

請求項１に記載の入力信号増幅器を備えた無線通信装置。

【請求項12】

請求項１に記載の入力信号増幅器を備えた電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入力信号増幅器に関する。

【背景技術】

【0002】

入力信号増幅器は、ＯＦＦからＯＮ時に反転増幅器の入力のバイアス電圧を急速に起ち上げることができないという課題がある。これを解決するために、特許文献１に入力増幅回路が開示されている。

【0003】

特許文献１に開示の入力信号増幅器は、図１（ａ）に示すように、反転増幅器Ａ１の入力ＩＮ１に急速起動用のバイアス電圧発生回路とプリチャージスイッチＳＷ６を付加し、入力電圧の急速起動を可能にしている。なお、図１（ａ）の入力信号増幅器では、図１（ｂ）に示すＯＮ／ＯＦＦ制御論理表に従って、回路の状態に応じて、スイッチＳＷ４〜ＳＷ６のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４６２５７３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述した特許文献１の構成では、反転増幅器の入力電圧の急速起動を可能にするものの、急速起動用のバイアス電圧発生回路での消費電力の増大及び回路規模の増大を招くことになる。

【0006】

本発明の目的は、回路規模の増大及び消費電力の増大を招くことなく、入力電圧の急速起動が可能な入力信号増幅器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の入力信号増幅器は、入力信号を増幅する入力信号増幅器であって、入力端から入力される前記入力信号の論理を反転させて出力端から出力する反転増幅器と、前記反転増幅器の前記入力端を接地するか否かを切り替える第１のスイッチと、前記反転増幅器と並列に接続された帰還抵抗と、前記帰還抵抗及び前記反転増幅器と並列に接続された第２のスイッチと、前記第１及び第２のスイッチのＯＮまたはＯＦＦを、当該入力信号増幅器の状態に応じて制御するＯＮ／ＯＦＦ制御信号部と、を具備し、前記ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部は、当該入力信号増幅器の状態が急速起動時に、前記第２のスイッチをＯＮに制御することにより、前記反転増幅器から前記帰還抵抗を切り離す構成を採る。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、回路規模の増大及び消費電力の増大を招くことなく、入力電圧を急速に起動することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】特許文献１に開示の入力信号増幅器の構成を示す図

【図2】本発明の実施の形態１に係る入力信号増幅器の構成を示す図

【図3】図２に示した反転増幅器の内部構成を示す図

【図4】図２に示した反転増幅器の内部構成を示す図

【図5】ＯＮ／ＯＦＦ制御論理表を示す図

【図6】ＯＮ／ＯＦＦ制御論理表を示す図

【図7】図２に示した入力信号増幅器を搭載した無線通信機の間欠受信時における消費電流の変化を示す図

【図8】本発明の実施の形態２に係る水晶発振器の構成を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【0011】

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る入力信号増幅器１０の構成を示す図である。以下、入力信号増幅器１０の構成について図２を用いて説明する。

【0012】

反転増幅器１１は、その内部回路の一例として、図３に示すインバータ型、図４に示すＮｃｈ定電流注入型が挙げられるが、入力と出力が反転論理となる増幅器であれば何でもよい。例えば、反転増幅器１１のＶＤＤ端子からＶＤＤが供給される電源までと、反転増幅器１１のＶＳＳ端子とＧＮＤまでの間に、定電流源または間欠動作のためのＳＷが付加されていてもよい。

【0013】

反転増幅器１１の出力ＯＵＴ１と入力ＩＮ１との間には、帰還抵抗部１２が接続され、帰還抵抗部１２は、抵抗Ｒ１（第１の抵抗に相当）、スイッチＳＷ２及び抵抗Ｒ２（第２の抵抗に相当）が直列接続された高抵抗値と、スイッチＳＷ３のみ接続された低抵抗値との複数の抵抗値を有している。

【0014】

スイッチＳＷ１は、反転増幅器１１の回路ＯＦＦ時の待機電力を低減させる目的で付加されており、反転増幅器１１の入力ＩＮ１を回路ＯＦＦ時にＧＮＤにプルダウンさせる、または、ＶＤＤにプルアップさせる（図２では、ＶＳＳにプルダウンする構成を示している）。

【0015】

スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、通常、ＭＯＳトランジスタ型スイッチまたはトランスファーゲート型スイッチを用いている。スイッチＳＷ２を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間に接続しているのは、入力信号増幅器１０がＡＣ動作をしている際に、スイッチＳＷ２の両端子の電位変化が少ないほうが、スイッチＳＷ２の内部ＯＮ抵抗の変化が少なく、ＡＣ信号の位相雑音劣化を軽減できるためである。従って、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値は等しいことが望ましい。

【0016】

入力信号源１３は、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）に代表される基準信号源を指し、ＡＣ結合容量Ｃ３を介して反転増幅器１１の入力ＩＮ１へ接続される。

【0017】

スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ制御は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４で生成された信号により行われる。ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４は、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２、Ｄｅｌａｙ回路Ｄ１、ＡＮＤ１、及び、ＮＡＮＤ１からなる。

【0018】

Ｄｅｌａｙ回路Ｄ１は、遅延時間が入力信号増幅器１０の急速起動期間と同義となり、遅延時間が設けられればどのような構成でもよい。Ｄｅｌａｙ回路Ｄ１は、通常、抵抗と容量のＲＣ遅延、インバータ多段接続による遅延、または、これらの組合せなどが用いられる。

【0019】

ここでは、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４は、制御信号入力が“Ｈ”でＯＮ、“Ｌ”でＯＦＦの回路にしており、また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、各々の制御信号ノードａ、ｂ、ｃが“Ｈ”でスイッチがＯＮ、“Ｌ”でスイッチがＯＦＦになる設定としている。

【0020】

次に、図２に示した入力信号増幅器１０の動作について、図５のＯＮ／ＯＦＦ制御論理表を用いて説明する。

【0021】

入力信号増幅器１０の回路ＯＦＦ時は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４のａよりスイッチＳＷ１のＯＮ信号を出力し、ｂよりスイッチＳＷ２のＯＦＦ信号を出力し、ｃよりスイッチＳＷ３のＯＦＦ信号を出力する。この結果、スイッチＳＷ２とＳＷ３がＯＦＦになり、帰還抵抗部１２が開放となり、反転増幅器１１はインバータ動作をする。ここで、スイッチＳＷ１がＯＮし、ＧＮＤにプルダウンされるため、回路を生成するトランジスタのＯＦＦ時リーク電流が発生しない限り、消費電流は発生しない。

【0022】

次に、入力信号増幅器１０の回路ＯＦＦ時から急速起動時に切り替わる時は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４のａよりスイッチＳＷ１のＯＦＦ信号を出力し、ｂよりスイッチＳＷ２のＯＮ信号を出力し、ｃよりスイッチＳＷ３のＯＮ信号を出力する。この結果、スイッチＳＷ２とＳＷ３がＯＮになり、帰還抵抗部１２の抵抗値が低抵抗値となり、さらに、スイッチＳＷ１が開放になるため、反転増幅器１１は、帰還抵抗部１２の抵抗が低抵抗値で帰還され、入力ＩＮ１の電圧の急速起動を行う。ここでは、急速起動用のバイアス電圧回路等を用いないため、余計な消費電流を使うことなく、入力電圧の急速起動が可能となる。この急速起動期間は、Ｄｅｌａｙ回路Ｄ１の遅延時間にて決定される。

【0023】

次に、入力信号増幅器１０の回路ＯＮ時は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４のａよりスイッチＳＷ１のＯＦＦ信号を出力し、ｂよりスイッチＳＷ２のＯＮ信号を出力し、ｃよりスイッチＳＷ３のＯＦＦ信号を出力する。この結果、急速起動時よりスイッチＳＷ３がＯＦＦとなり、帰還抵抗部１２の抵抗が高抵抗値となり、高利得な入力信号増幅器１０の動作状態となる。入力信号増幅器１０の回路ＯＦＦ時、急速起動時、回路ＯＮ時を繰り返すことにより、高速起動が可能な低消費電力の間欠動作に適した入力信号増幅器が実現可能になる。

【0024】

ここで、図２に示した入力信号増幅器１０を無線通信機に搭載し、この無線通信機の間欠受信時における消費電流の変化について図７を用いて説明する。図７（ａ）は図１に示した従来の入力信号増幅器を用いた場合の消費電流の変化を示し、図７（ｂ）は図２に示した入力信号増幅器１０を用いた場合の消費電流の変化を示している。図７から分かるように、図７（ｂ）では図７（ａ）に比べて、起動用のバイアス電圧発生回路の電流を削減できる。

【0025】

このように、実施の形態１の入力信号増幅器では、反転増幅器の入力を接地するか否かを切り替えるスイッチＳＷ１と、反転増幅器と並列に接続され、複数の異なる抵抗値を有する帰還抵抗部と、を備え、帰還抵抗部は、それぞれの抵抗を介して帰還抵抗部の短絡または開放を行うスイッチＳＷ２、ＳＷ３を有し、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部ＣＯＮＴ１がこれらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を回路の状態に応じて適宜ＯＮ／ＯＦＦを切り替える。これにより、急速起動時には、帰還抵抗部の抵抗値を低抵抗値とし、また、スイッチＳＷ１を開放すれば、回路規模の増大及び消費電力の増大を招くことなく、反転増幅器の入力電圧の急速起動を行うことができる。

【0026】

なお、本実施の形態の帰還抵抗部１２は、複数の抵抗値を並列に備えていればよく、さらにＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４は、図５または図６に示すＯＮ／ＯＦＦ制御論理表に応じる論理回路が成り立てば、図２に示した回路でなくてもよい。

【0027】

また、図５及び図６のＯＮ／ＯＦＦ制御論理表における相違点は、急速起動時におけるスイッチＳＷ２がＯＮまたはＯＦＦとなっている点であるが、急速起動時はスイッチＳＷ３がＯＮしているため、反転増幅器Ａ１の入力ＩＮ１と出力ＯＵＴ１間の抵抗値が十分小さいため、スイッチＳＷ２の状態はＯＮでもＯＦＦでもよいことを示している。

【0028】

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る水晶発振器２０の構成を示す図ある。以下、水晶発振器２０の構成について図８を用いて説明する。

【0029】

スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、通常、ＭＯＳトランジスタ型スイッチまたはトランスファーゲート型スイッチを用いている。スイッチＳＷ２を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間に接続しているのは、水晶発振器２０が発振している際に、スイッチＳＷ２の両端子の電位変化が少ないほうが、スイッチＳＷ２の内部ＯＮ抵抗の変化が少なく、発振信号の位相雑音劣化を軽減できるためである。従って、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値は等しいことが望ましい。

【0030】

反転増幅器１１の入力ＩＮ１と出力ＯＵＴ１との間には水晶振動子Ｘ１が接続され、入力ＩＮ１とＧＮＤ間、出力ＯＵＴ１とＧＮＤ間には、水晶発振器２０の発振周波数に応じた負荷容量Ｃ１が接続される。なお、一般的には、図８の破線内部は集積化回路とされ、集積化回路の入力端子ＩＮ１、出力端子ＯＵＴ１の間に水晶振動子Ｘ１が外部接続される。

【0031】

次に、図８に示した水晶発振器２０の動作について、図５のＯＮ／ＯＦＦ制御論理表を用いて説明する。

【0032】

水晶発振器２０の回路ＯＦＦ時は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４のａよりスイッチＳＷ１のＯＮ信号を出力し、ｂよりスイッチＳＷ２のＯＦＦ信号を出力し、ｃよりスイッチＳＷ３のＯＦＦ信号を出力する。この結果、スイッチＳＷ２とＳＷ３がＯＦＦになり、帰還抵抗部１２が開放となり、反転増幅器１１はインバータ動作をする。ここで、スイッチＳＷ１がＯＮし、ＧＮＤにプルダウンされるため、回路を生成するトランジスタのＯＦＦ時リーク電流が発生しない限り、消費電流は発生しない。

【0033】

次に、水晶発振器２０の回路ＯＦＦ時から急速起動時に切り替わる時は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４のａよりスイッチＳＷ１のＯＦＦ信号を出力し、ｂよりスイッチＳＷ２のＯＮ信号を出力し、ｃよりスイッチＳＷ３のＯＮ信号を出力する。この結果、スイッチＳＷ２とＳＷ３がＯＮになり、帰還抵抗部１２の抵抗値が低抵抗値となり、さらに、スイッチＳＷ１が開放になるため、反転増幅器１１は、帰還抵抗部１２の抵抗が低抵抗値で帰還され、入力ＩＮ１の電圧の急速起動を行う。ここでは、急速起動用のバイアス電圧回路等を用いないため、余計な消費電流を使うことなく、反転増幅器１１の入力電圧の急速起動が可能となる。この急速起動期間は、Ｄｅｌａｙ回路Ｄ１の遅延時間にて決定される。

【0034】

次に、水晶発振器２０の回路ＯＮ時は、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４のａよりスイッチＳＷ１のＯＦＦ信号を出力し、ｂよりスイッチＳＷ２のＯＮ信号を出力し、ｃよりスイッチＳＷ３のＯＦＦ信号を出力する。この結果、急速起動時よりスイッチＳＷ３がＯＦＦとなり、帰還抵抗部１２の抵抗が高抵抗値となり、高利得な水晶発振器２０の動作状態となる。水晶発振器２０の回路ＯＦＦ時、急速起動時、回路ＯＮ時を繰り返すことにより、高速起動が可能な低消費電力の間欠動作に適した水晶発振器が実現可能になる。

【0035】

このように、実施の形態２の水晶発振器では、反転増幅器の入力を接地するか否かを切り替えるスイッチＳＷ１と、反転増幅器と並列に接続され、複数の異なる抵抗値を有する帰還抵抗部と、を備え、帰還抵抗部は、それぞれの抵抗を介して帰還抵抗部の短絡または開放を行うスイッチＳＷ２、ＳＷ３を有し、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部ＣＯＮＴ１がこれらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を回路の状態に応じて適宜ＯＮ／ＯＦＦを切り替える。これにより、急速起動時には、帰還抵抗部の抵抗値を低抵抗値とし、また、スイッチＳＷ１を開放すれば、回路規模の増大及び消費電力の増大を招くことなく、反転増幅器の入力電圧の急速起動を行うことができる。

【0036】

なお、本実施の形態の帰還抵抗部１２は、複数の抵抗値を並列に備えていればよく、さらにＯＮ／ＯＦＦ制御信号部１４は、図５または図６に示すＯＮ／ＯＦＦ制御論理表に応じる論理回路が成り立てば、図８に示した回路でなくてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明にかかる入力信号増幅器は、水晶発振器、半導体集積回路、無線通信装置、及び、電子機器等に適用できる。

【符号の説明】

【0038】

１１ 反転増幅器
１２ 帰還抵抗部
１３ 入力信号源
１４ ＯＮ／ＯＦＦ制御信号部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】