具有低噪聲係數和電壓可變增益的功率放大器的製作方法
2023-09-22 13:52:25
專利名稱：具有低噪聲係數和電壓可變增益的功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有低噪聲和電壓可變增益的功率放大器，該功率放大器可以在用於無線移動通信基礎設施的基站的寬頻帶(例如從700MHz到2. 6GHz)上使用。
背景技術：
在射頻信號發射/接收系統中，按照公知的方式，接收序列包括接收被發送至接 收機的放大電路的信號的天線，該放大電路的功能是過濾並放大表示所發送信息的信號。放大器的主要作用在於通過減少信噪比的降低和放大有用信號所提供的失真，將信號調整至用於解調電路的適當水平。在用於無線通信基礎設施的接收機中，主要需要高線性、極低噪聲放大器。此外，這些放大器必須能夠適應不同接收機製造商的需求，因為這些接收機並不總是需要相同的性能折衷。另外，各種地形特徵使得易調節的性能成為必不可少的，以便解決大多數情況。例如，連接置幹天線杆或架線塔頂部的天線與置於基站內的殼體中的接收機的電纜內的信號損耗取決於該電纜的長度。又例如，濾波器的特性可因製造商的不同而不同。接收機必須具有低噪聲係數(或「NF」)和可調節的功率増益，以便在解調器的輸入處調節信號水平以及針對地形特徵適當地確保儘可能寬的增益變化範圍。為此，緊隨天線、電纜和濾波器之後，將低NF的可變增益放大器插入接收序列中。考慮到貫穿整個變化範圍，來自放大器的噪聲必須足夠低，以便在接收鏈中增加很少的噪聲，並且放大器必須展示出這樣的線性度和輸出功率，即足以能夠無失真地同時放大高電平和低電平幅度信號。此外，在一些製造商中，調節放大器増益的選擇使得可以補償接收序列內的溫度變化，以便保持基本恆定的増益值。ー種目前公知的特別用於電視調諧器中的方案由線性可變衰減器、之後的可變增益放大級以及混頻器組成，其中，可變增益放大級置於低噪聲固定増益放大器之後。該方案利用MOSFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體)技術，使得可以在限制噪聲係數降低的同時具有恆定的輸出增益水平。這適合於用於接收電視信號的應用。然而，通過這種方案可達到的性能並不適合移動通信基礎設施領域的需要。當今，例如在約900MHz範圍內，用於基站的低噪聲可變增益放大器的性能通常具有小於IdB的噪聲係數、約30dB的增益以及在其輸入處約為3的互調產物(intermodulation product),在整個溫度範圍內並且對於約15_20dB的增益變化範圍，該互調產物在OdBm以上
發明內容
因此，カ圖利用矽基微電子技術獲得一種低噪聲、可變增益、高線性度的放大器，其能夠被集成並且能夠低成本地批量生產，以便降低基站接收機的成本。拓撲結構必須是可修改的，以滿足諸如射頻的高頻應用的需要。還カ圖通過極低振幅步幅(例如小於O. IdB)實現功率増益的變化，以便達到更為精確的增益值，在整個增益變化範圍內、在整個頻帶內以及對於所有的溫度，該增益值儘可能地接近期望的増益值。本發明的目的在於提供ー種集成的低噪聲係數可變增益放大器，所述放大器包括共源共基(cascode)放大級，所述共源共基放大級包括串聯連接的以下部件被安裝為公共源極的低電壓MOSFET電晶體，以及之後的被安裝為公共基極的雙極型高擊穿電壓電晶體，所述高擊穿電壓至少為所述MOSFET電晶體的電壓的兩倍。電阻器置於雙極型電晶體的集電極和共源共基級的MOSFET電晶體的柵極之間，並且共源共基級通過扼流圈(choke)來供電。集成放大器是ー種可以採用微電子半導體技術構造的放大器，微電子半導體技術使得可以將實現功能所需的大多數有源和無源組件集成。 共源共基(「級聯到陰極(cascade to cathode) 」的縮寫)級如增益可連續改變幾個分貝的放大級那樣工作。其_在不降低噪聲係數的情況下，確保線性度並使得儘可能小的增益變化間隔成為可能。增大線性度和功率涉及增大電壓和電流偏離。大約3V(例如約3V-3. 3V)的低電壓MOSFET電晶體與雙極型高擊穿電壓電晶體的組合使用，導致了很好的放大器線性度。該組合是以公知為BiCMOS(雙極型互補金屬氧化物半導體)的技術實現的。共源MOSFET電晶體使得可以改善放大器的線性度，雙極型電晶體的高擊穿電壓(至少為MOSFET電晶體電壓的兩倍)増大了共源共基級輸出處的電壓偏差，因而使得可以改善放大器的線性度。具有高擊穿電壓的共基雙極型電晶體的使用，使得頻率性能略微降低，這使得可以減小所使用的電晶體的大小。在第一實施方式中，放大器可進ー步包括至少ー個位於共源共基級的輸出處的可切換衰減器。為了實現期望的增益變化範圍(數量級為15_20dB)，一個或多個高線性、低損耗的、可切換衰減器可以加入到共源共基級的輸出處。該可切換衰減器引入了損耗，但如果放大器的増益是足夠的，那麼幾乎不會增大噪聲值。另ー方面，該放大器的線性度必須較高，以便保持整個接收機的線性度。此外，無論衰減水平如何，該可切換衰減器都在共源共基級的輸出處展示出恆定的阻杭。在第二實施方式中，放大器可進ー步包括位於共源共基級的輸入處的至少ー個可切換衰減器。由於增加了拓撲結構與可置於共源共基級的輸出處的可切換衰減器類似的輸入衰減器，因此可以在不利於噪聲係數的低增益設置下改善線性度。位於輸入處的該可切換衰減器使得可以將電路的使用擴展至所有地形特徵，或者可以接收可具有很高水平的無線電信號。在第三實施方式中，可切換衰減器的命令電路的輸入處所需的電源電壓，具有與共源共基級的電源電壓相同的數量級，可切換衰減器的MOSFET電晶體的源極和漏極處需要低於共源共基級的電源電壓的電壓，其中，所述命令電路的輸入連接到MOSFET電晶體的柵極。在第四實施方式中，放大器可進ー步包括置於雙極型電晶體的集電極和共源共基級的MOSFET電晶體的柵極之間的電阻器。該電阻器的作用在於改善線性度和帶寬，以及在雙極型電晶體的基極電壓發生變化時減少共源共基級的輸入和輸出處的阻抗變化。在第五實施方式中，放大器可進ー步包括接ロ電路，用於根據將要獲得的增益來控制雙極型電晶體的基極電壓。接ロ電路宮在控制共源共基級的共基雙極型電晶體的基極電壓，而不引起噪聲的實質性降低。第一増益分貝的命令為模擬命令，該模擬命令通過改變共源共基級的共基雙極型電晶體的基極電壓進行操作。所施加的基極電壓優先受到調節電壓的接ロ電路的限制，以便保持低噪聲值和共源共基級的輸入線性度。在第六實施方式中，接ロ電路可進ー步包括與電容器相關聯的電阻器，以便過濾掉傳送至放大器的外部噪聲，該外部噪聲是在其他地方生成並經由共源共基級的電源電路傳送的。在第七實施方式中，放大器可進ー步包括至少ー個用於數字地控制放大器的數模 轉換器。接ロ電路由8位數模轉換器(或「 DAC」)驅動，該數模轉換器使得可以通過數字輸入來控制增益。共源共基級和接ロ電路使得可以利用約2dB的增益變化範圍達到規範。因而實現了一種低噪聲可變增益集成放大器，該放大器可具有寬帶寬；該放大器被設計為覆蓋從700MHz到2. 6GHz以上的大多數通信標準，但不受該頻率範圍的限制，並且可覆蓋其他無線電應用。本發明的另ー優點尤其在於，通過將低噪聲放大、増益控制和衰減功能集成到單個電路中，減少了接收機中離散電子組件的數量。接收機應用板所佔用的表面面積由此減少了 5倍以上。由於在放大器內増加了數字輸入控制電路和數模轉換器，因而方便了廠內増益調節。在精確度高於O. IdB的整個變化範圍內獲得了數字增益控制裝置。
通過閱讀下面對以非限制性實施例的方式自然給出的一個實施方式的描述，本發明的其他特徵和優點將會變得明顯，並且在附圖中，其中-圖I是基站的接收序列的ー個具體實施方式
的示意圖，-圖2是具有低噪聲係數和可變增益的集成放大器的一個實施方式的示意圖，-圖3是共源共基級的ー個具體實施方式
的示意圖，-圖4是用於控制基極電壓的接ロ電路的一個實施方式的示意圖，-圖5是可切換衰減器的一個實施方式的示意圖。
具體實施例方式圖I示出了基站的接收序列。天線接收RF信號100，以進行放大。連接天線與前端發射機/接收機101的電纜將信號100發送至雙エ濾波器102，雙エ濾波器102使得可以對頻率接收範圍以外的信號進行嚴重衰減的同時對有用信號進行第一濾波。濾波後的信號100進入接收機103，接收機103使得可以在將來自雙エ濾波器102的濾波後的信號100發送至解調電路104之前調整濾波後的信號100，其中，解調電路104包括混頻器和解調器。接收機103包括第一極低噪聲固定增益放大器105(被稱為「11^」(し0 Noise Amplifier,低噪聲放大器))、之後的第二極低噪聲可變增益放大器106 (被稱為「VGA」(Variable GainAmplifier，可變增益放大器))以及隨後的功率分配器107。功率分配器107使得可以在解調電路104內對放大的RF信號100進行分配。數字處理器108特別使得可以命令第二放大器106。具有極低噪聲和可變增益的第二 VGA放大器106，被設計為在整個增益變化範圍內具有恆定的輸入線性度。第一 LNA放大器105或前置放大器的增益約為20dB，以便當增益最小時確保接收序列內的低噪聲係數。基於固定增益前置放大器105的20dB數量級的增益變化範圍和噪聲係數，針對第二可變增益放大器106確定期望的性能。在這種情況下，具有極低噪聲和可變增益的第二 VGA放大器106具有約12dB的增益、5dB的最大噪聲係數以及在輸入處約為3的互調產物，對於約15-20dB的調節範圍，該互調產物大於25dBm。首先，增大第一 LNA放大器105的增益將會需要降低第二 VGA放大器106的增益並增大第二VGA放大器106的消耗，以便保持線性度。其次，降低第一 LNA放大器105的增益將使得極難以在整個增益變化範圍內確保第二可變增益VGA放大器106的噪聲係數。需要增益變化間隔(例如小於O. ldB，或者甚至小於O. 5dB)的高精確度，以便達到接收機103的增益值，該增益值儘可能的精確並接近期望的增益值。圖2不出了低噪聲係數可變增益功率放大器I的BiCMOS技術的一個具體實施方 式的圖(良好線性度)。功率放大器是一種具有依據線性度和功率的輸出特性的放大器，使得三階互調產物大於I瓦特且輸出功率遠大於O. I瓦特(20dBm)。放大器I包括位於輸入2和輸出3之間的共源共基放大級4。根據第一實施方式，放大器I可進一步包括通過鏈路6連接到共源共基級4的接口電路5，用於控制共源共基級4的基極電壓，其中，鏈路6包括點B。在第二實施方式中，放大器I可進一步包括接收數字數據8的數模轉換器7。轉換器7將該數字數據8轉換為模擬電壓，該模擬電壓通過包括點A的鏈路9發送到接口電路5。接口電路5調整該電壓以獲得共源共基級4上期望的電壓，由此使得可以達到較小間隔的增益變化，例如O. IdB或者更小。在第三實施方式中，放大器I可進一步包括一個或多個可切換衰減器10a、10b、…10i，該可切換衰減器被增加至共源共基級4的輸出處，以便在不降低放大器的噪聲和線性度的情況下增大增益變化範圍。包括點C的鏈路11將可切換衰減器10a、10b、…IOi連接到共源共基級4，可切換衰減器10a、10b、一IOi從共源共基級4接收數位訊號。很容易根據需要增加多個可切換衰減器10a、10b、…10i，以便達到增益變化範圍的規定。在圖3中詳細地描繪了共源共基級20。共源共基級20是利用MOSFET電晶體21及之後的雙極型電晶體22構造的，其中，MOSFET電晶體21被安裝為公共源極，雙極型電晶體22被安裝為公共基極且具有高擊穿電壓(例如約6到7伏)，兩個電晶體21、22串聯連接，以便優化共源共基放大級20的線性度和輸入/輸出隔離。可以選擇具有這樣的擊穿電壓的雙極型電晶體22，該擊穿電壓根據期望的性能和可用的電源電壓而更高或更低。雙極型電晶體22的擊穿電壓優選具有至少為MOSFET電晶體21的電壓值兩倍的值。「共源共基」安裝的使用，使得可以改善具有大尺寸和高電流、採用電晶體21、22的共源共基級20的線性度，而不顯著降低無線性能。電容器23置於MOSFET電晶體21和放大器的輸入2之間。MOSFET電晶體21的柵極電壓Vgg限定了通過共源共基級20的電流。該電流通過高值電阻器24被極化，以便不降低共源共基級20的噪聲係數。通過扼流圈25，以6V數量級的電壓V。。給共源共基級20供電，以便在限制扼流圈25的接線端處的電勢降低的同時確保直流電流和RF信號之間的去耦。這使得能夠對於給定的電源電壓，在共源共基級20的輸出處獲得儘可能大的電壓偏差。包括具有高擊穿電壓的雙極型電晶體22的共源共基級20的使用，使得可以增大極化電壓，並因此增大共源共基級20的輸出處的電壓偏差。反饋電阻器26使得可以增大帶寬，使增益曲線更加平直，以及對於給定的增益變化和給定的電壓偏差B，改善共源共基級20的線性度。反饋電阻器26還使得可以精確地限定級的最大增益並改善穩定性。無論何時通過改變在點B處施加的電壓而改變增益，反饋電阻器26都使得可以最小化共源共基級20的輸入處的阻抗變化。電容器23以及與電阻器26串聯安裝的電容器27使得可以對連續電壓進行去耦。無論點B處的電壓何時發生變化，MOSFET電晶體21的漏-源電壓都會發生變化，這改變放大器的增益。在給定點B處的一定電壓範圍內，輸入處的線性度和噪聲係數幾乎不受增益變化的影響。該電壓範圍被用來獲得2dB數量級的增益變化。當點 B處的電壓減小時，隨著雙極型電晶體22的基-集電壓極輕微地增大，可以觀察到，在無噪聲明顯降低的情況下，共源共基級20的線性度略微增大。圖4中描繪的接口電路30使得可以在不降低噪聲係數的情況下控制該增益，以及確保共源共基放大級的輸入(點B)與數模轉換器(點A)的輸出之間接口。對於約2dB的增益變化，噪聲係數和線性度得以保持。雙極型電晶體31使得可以跨整個服務溫度範圍保持共源共基級上的恆定極化。電阻器32連同電容器33 —起起到對來自電源的噪聲進行濾波的作用。在沒有該濾波的情況下，可以觀察到與服務頻率和可變增益VGA放大器的去耦有關的噪聲係數的重要降低。圖5描繪了由I比特、通過連續電平移位器控制的可切換衰減器40。可切換衰減器40可以被加入至共源共基級的輸出處或輸入處，以便在增益降低時改善放大器的線性度。可切換衰減器40包括吸收式衰減器，在這種情況下，該吸收式衰減器為由電阻器41、42組成的「pi型」衰減器，其中，電阻器41、42可通過MOSFET電晶體43置於短路或開路中。吸收式衰減器41、42也可以由不同類型的衰減器替代。可切換衰減器40是採用MOSFET電晶體43 (3. 3伏特)構造的，MOSFET電晶體43的漏極和源極在略低於MOSFET電晶體43的最大電壓的電壓下被極化(對於3. 3V的最大電壓，目前情況下為3V)，以便改善線性度和輸出電壓偏差。為了增大線性度，可能有必要修改MOSFET電晶體43的漏-源電壓。此外，MOSFET電晶體43的柵-源電壓發生移位，以便達到_1伏(M0SFET截止)和3伏(M0SFET導通)的柵-源電壓，從而主要地改善可切換衰減器的插入損耗40。通過採用在可切換衰減器40的控制電路45的輸入44處施加的、數值與共源共基級的電源電壓Vcc相同的電源電壓(6V)，可以降低輸出數字衰減器的損耗並增大其線性度。根據MOSFET電晶體43是與電阻器41並聯還是與電阻器42串聯，MOSFET電晶體43的大小有所不同。確定MOSFET電晶體43的大小，以便實現導通狀態下的最小插入損耗、工作頻率和期望的線性度之間的最佳折衷。可以在導通狀態(最小插入損耗=X (dB))和截止狀態(最大插入損耗=y (dB))之間切換衰減器40。兩種狀態之間的衰減差使得可以限定出截止狀態z，使得z = (y-x)(dB)。最小插入損耗X主要是因導通狀態下MOSFET電晶體44的等價電阻Rm、截止狀態下MOSFET電晶體44的等價電容Ctjff以及因失配所造成的各種寄生元件和損耗而產生的。在利用娃基微電子技術構造放大器時，IGHz下的最小插入損耗X約為O. 25dB。導通狀態下的最大插入損耗y與電阻器41、寄生元件和失配有關。採用有限數量的衰減器來覆蓋TkL,其中，η由最小衰減間隔值ζ給出。為了確保能夠獲得期望的增益和精度，衰減間隔值ζ被選擇為小於為共源共基級限定的增益變化的範圍。此外，建立極低衰減(<0. 5dB)和精確的間隔是困難的，因為MOSFET電晶體43的Ron(等效為導通狀態下的電晶體的電阻)具有與吸收式衰減器的串聯電阻器42相同的數量級。因此，如果希望具有小於O. 5dB的衰減步幅，那麼希望採用共源共基級來改變增益。衰減器40的輸入阻抗是恆定的，並且等於共源共基級的功率輸出阻抗，該輸出阻抗被選擇為使得共源共基級的輸出處的信號功率儘可能高。
通常，本發明不限於已描述的實施方式，而是在不脫離本發明的精神的前提下，受本領域的技術人員容易理解的許多變體的約束。
權利要求
1.一種具有低噪聲係數和可變增益的集成放大器，包括共源共基放大級，所述共源共基放大級包括串聯連接的 -低電壓MOSFET電晶體，被安裝為公共源極，其後是 -雙極型電晶體，具有為所述MOSFET電晶體的電壓的至少兩倍的高擊穿電壓，所述雙極型電晶體被安裝為公共基極， -電阻器，置於所述雙極型電晶體的集電極與所述共源共基級的MOSFET電晶體的柵極之間，並且 -所述共源共基級通過扼流圈來供電。
2.如權利要求I所述的放大器，進一步包括接口電路，用於根據將要獲得的增益來控制所述雙極型電晶體的基極電壓。
3.如權利要求2所述的放大器，其中所述接口電路可進一步包括與電容器組合的電阻器，以便過濾傳送至所述放大器的外部噪聲。
4.如權利要求I至3之一所述的放大器，進一步包括至少一個用於數字地控制所述放大器的數模轉換器。
5.如權利要求I所述的放大器，進一步包括在所述共源共基級的輸出處的至少一個可切換衰減器。
6.如權利要求I至5之一所述的放大器，進一步包括在所述共源共基級的輸入處的至少一個可切換衰減器。
7.如權利要求5和6之一所述的放大器，其中在所述可切換衰減器的命令電路的輸入處施加的電源電壓具有與所述共源共基級的電源電壓相同的數量級，低於所述共源共基級的所述電源電壓的電壓被施加於所述可切換衰減器的MOSFET電晶體的源極和漏極處。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種具有可變增益的低噪聲係數放大器，該放大器包括共源共基放大級，共源共基放大級包括串聯連接的以下部件被安裝為公共源極的低電壓MOSFET電晶體，以及之後的被安裝為公共基極的具有高擊穿電壓的雙極型電晶體。電阻器置於雙極型電晶體的集電極和共源共基級的MOSFET電晶體的柵極之間，並且共源共基級通過扼流圈來供電。
文檔編號H03G1/00GK102859867SQ201180020120
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月18日 優先權日2010年4月19日
發明者P·魯, Y·貝延斯, M·戈恩 申請人:阿爾卡特朗訊