JPH11505991A - 最小の電力消費を有する増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 増幅器の等しく構成された電気的増幅器段の数ｎが増幅器の所望の全増幅率Ｖに対して、増幅器の電力受け入れが最小であるように最適化される。

Description

【発明の詳細な説明】 最小の電力消費を有する増幅器 本発明は増幅器に関する。 連鎖中に接続されている個々の増幅器段から構成されている電気増幅器は公知 である。たとえば増幅器の個々の増幅器段としては非対称差動増幅器または縦続 増幅器が使用される（ティーツェおよびシェンク著「半導体回路技術」シュプリ ンガー出版、ベルリン、１９９０年、第９版、第４９２〜４９４頁）。個々の増 幅器段は共通の電流供給源またはそれぞれ電流供給源からそれぞれ作動電圧を供 給される。多くの応用では、たとえば携帯電話のような電池により作動する装置 または超音波撮像装置用の超音波変換器ヘッドでは、電流供給源からの電力消費 が可能なかぎり小さい増幅器を利用することが望ましい。 従って、本発明の課題は、予め定められた増幅率Ｖにおいて電流供給源から取 り出す電力消費が可能なかぎり小さい増幅器を提供することにある。 この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴により解決される。この増幅器 はそれぞれ等しい増幅率Ｖ_nを有する段数ｎ＞１の互いに電気的に連鎖中に接続 されている個々の増幅器段を含んでいる。増幅器の全増幅率Ｖに対しては従って Ｖ＝（Ｖ_n）ⁿが成り立つ。 本発明は、増幅器の電力消費が最小であるように、増幅器の望ましい全増幅率 Ｖに対してそれぞれ等しい個別増幅率Ｖ_nを有する増幅器段の最適な段数ｎが存 在するという認識に基づいている。計算による最適化から、この最適な個数ｎは 二重不等式 から増幅器の予め定められた全増幅率Ｖに関係して決定され得ることが判明して いる。両冪関数、左辺の（ｎ／ｎ−１）^(3n/2)(n-1)および右辺の（（ｎ＋１） ／ｎ）^(3n/Z)(n+1)を有する二重不等式は、２つの最適な段数ｎおよびｎ＋１が 存在する離散的な増幅値を例外として、各々の予め定められた全増幅率Ｖに正確 に最適な段数ｎを割り当てる。一般にこれらの離散的な中間値の際には低い方の 段数が選ばれる。（１）の左辺の記号“≦”はその場合“＜”により置換できる 。ｎ＝１に対して（１）の左辺の式（ｎ／ｎ−１）^(3n/2)(n-1)はｎ→１に対す るその限界値に相当する。関係式（１）による結果は驚くほど完全に個々の増幅 器段の具体的な構成に無関係であり、従ってまたあらゆる形式の等しい増幅率Ｖ_n を有する個々の増幅器段に対して当てはまる。各増幅器段の設定すべき増幅率 Ｖ_nは Ｖ_n＝Ｖ^(1/n) （２） により得られる。 下記の表から、どの段数ｎを関係式（１）により１と１６５１０との間（０ｄ Ｂないし８４．３５ｄＢに相当）の範囲内の増幅器の予め定められた全増幅率Ｖ に対して設定すべきかが読み出され得る。 たとえば予め定められた全増幅率Ｖ＝１００００の際には最適な段数はｎ＝５ また各個別増幅器段の増幅率Ｖ_n＝１０００^1/5＝３．９８（１２ｄＢに相当）で ある。 増幅器の有利な実施態様は請求項１に従属する請求項に記載されている。 第１の実施態様では個々の増幅器段の各々がほぼ等しい供給電力を受け入れる 。 関係式（１）による段数ｎの特別な選定に基づいて、連鎖中に接続されている 増幅器段の段数ｎを変更するとき、増幅器の伝達関数の上限周波数は影響されな い。こうして相い異なる増幅器段数の際にも連鎖回路の等しい周波数特性が得ら れる。従って、有利な実施態様において、ほぼ等しい上限周波数（カットオフ周 波数）を有する増幅器段を選ぶならば、増幅器全体の限界周波数は各個の増幅器 段の上限周波数に相当する。増幅器または増幅器段の上限周波数とは、その下に 位置する周波数範囲内で増幅器または増幅器段のほぼ一定の増幅率が予め定めら れた値に減少している周波数をいう。典型的には上限周波数として、増幅率が− ３ｄＢだけ小さい−３ｄＢ限界周波数が選ばれる。 好ましくはすべての増幅器段はそれぞれ等しい増幅器回路により実現されてい る。このような実施態様はテクノロジー的に特に簡単に半導体チップに集積でき る。 各増幅器段に対する増幅器回路として、好ましくは、ミラー効果が避けられ、 またこうして高い帯域幅が達成される回路、たとえば縦続回路または非対称差動 増幅器回路が選ばれる。しかし、それぞれ特に後続のエミッタフォロワーを有す るエミッタ回路、ベース回路またはそれぞれ演算増幅器回路も増幅器段に対して 選ぶことができる。 本発明による増幅器は好ましくはＩＣにモノリシックに集積され、また特にた とえば移動電話で、または超音波撮像装置のアプリケータ（変換器ヘッド）の受 信信号に対する前置増幅器として高周波範囲内の電気信号を増幅するために使用 され得る。 別の実施態様では増幅器段は制御可能である。各増幅器段の増幅率Ｖ_n、従っ てまた全増幅率Ｖはその場合に変更され得る。制御可能な増幅器のこの実施態様 は特に、検査される対象物内の反射された超音波パルスの伝播時間に関係する減 衰を少なくとも部分的に補償するため、超音波変換器ヘッド内の超音波変換器要 素からの受信信号のダイナミック圧縮のためにいわゆるタイム‐ゲイン‐コント ロール増幅器として使用され得る。一般に、制御可能な増幅器の段数ｎはその場 合に、時間的平均として受ける電力を最小にするため、最も頻繁に必要とされる 増幅率Ｖに従って選ばれる。 唯一の図面は連鎖中に接続されている３つの増幅器段１、２および３を有する 増幅器の実施例を示す。３つの増幅器段１または２または３の増幅率Ｖ₁、Ｖ₂お よびＶ₃はすべて同一に設定されている。３つの増幅器段１、２および３の連鎖 回路は増幅器の入力端４と出力端５との間に接続されている。入力端４に与えら れる電気信号Ｓは全増幅率Ｖ＝Ｖ₁ ³＝Ｖ₂ ³＝Ｖ₃ ³を有する増幅器により増幅され る。増幅された信号Ｓ′＝ＶＳは増幅器の出力端５から取り出される。 増幅器段１、２および３は図示されていない供給ユニットから供給電圧（また は供給電流）を供給される。この供給電圧（または供給電流）は増幅器段１、２ および３に共通の２つの供給端子６および７に与えられる。しかしながら、１つ よりも多い供給電圧、特に各増幅器段１、２および３に対するそれぞれ固有の供 給電圧が用意されていてもよい。これは特に、直流電圧結合された増幅器段１、 ２および３において、場合によっては生ずる開路電位のずれを補償するために、 有利である。図示されているｎ＝３の増幅器段１、２および３では電圧または電 流供給源からの増幅器段１、２および３の電力受け入れは３１．７０ｄＢと４４ ．９８ｄＢとの間の全増幅率Ｖに対して最適化されている。増幅器により受け入 れられる電力はその際に供給端子６および７に与えられる供給電圧（作動電圧） とこれらの両供給端子の間を増幅器段１ないし３を通って流れる全供給電流（作 動電流）との積に相当する。増幅器段１、２および３の別々の供給の際には増幅 器の受け入れられる電力は個々の供給電圧およびそれに付属の供給電流の積の和 に等しい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）全増幅率Ｖと、 ｂ）すべてほぼ等しい増幅率を有し、また電気的に連鎖中に接続されている電気 的増幅器段の段数ｎ＞１とを有し、その際に ｃ）増幅器段の段数ｎが与えられる全増幅率に関係して、関係式 が満足されるように選ばれる ことを特徴とする増幅器。 ２．増幅器段（１、２、３）がほぼ等しい供給電力を受け入れることを特徴とす る請求項１記載の増幅器。 ３．増幅器段（１、２、３）が等しい上限周波数を有することを特徴とする請求 項１または２記載の増幅器。 ４．増幅器段（１、２、３）が等しく構成されていることを特徴とする請求項１ ないし３の１つに記載の増幅器。 ５．増幅器段（１、２、３）がそれらの増幅率を制御可能であることを特徴とす る請求項１ないし４の１つに記載の増幅器。