多頻帶低噪聲放大器的製作方法

2023-07-02 21:04:11 1

專利名稱：多頻帶低噪聲放大器的製作方法
技術領域：
本發明提供一種可工作在多個頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器及相關方法，特別是指一種利用將一輸出級放大器與多個輸入級放大器以串級(Cascode)的方式在該多頻帶低噪聲放大器的至少一最低阻抗點處相互連接，降低該多頻帶低噪聲放大器在連接處的阻抗值，避免信號衰減的效應。
背景技術：
從目前無線通信系統的發展趨勢中，不難發現未來的無線通信系統環境，將會由數個標準系統共存構成，例如一個行動電話不但能使用GSM900、DCS1800、以及PCS1900，也可以直接使用AMPS，PHS等，甚至未來的3G及4G等無線通信的技術。甚者，綜合多媒體服務等應用，以大量提升通信設備的功能性及擴充性，亦成為必然的趨勢。也因此，在無線通信終端設備中的各個元件，也必須具有能處理符合各種標準的信號的功能，以低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)而言，可工作在多個不同的頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器(Multi-band Low Noise Amplifier)，在今日要求多工、多頻、多模、低噪聲、與高效率發展的趨勢下，已是今日無線通信系統的接收器(Receiver)中不可或缺的重要元件。
多頻帶低噪聲放大器的主要的目的是提供接收來自天線的信號所需的增益與靈敏度。由於多頻帶低噪聲放大器設置於接收器的前端，用來處理通常來說為非常微弱的信號，因此多頻帶低噪聲放大器的功能表現，如噪聲指數(Noise Figure)、射頻增益(RF Gain)、及非線性(Non-linearity)等的好壞都將決定該接收器的整體表現。請參閱圖1，圖1為一無線通信系統的接收器10的功能方塊圖。本實施例所述的接收器10主要應用於0.9GHz到10GHz的無線通信系統為主，因為現今的商用無線通信系統，例如GSM、藍芽(Blue-tooth)、無線區域網(WLAN)等，其工作頻率大都落在這個範圍內。接收器10包含有一多頻天線12、一組濾波器14、一多頻帶低噪聲放大器16、一混頻裝置18、一本機振蕩發生器(Local Oscillator Generator)20、以及一信號處理模塊22。多頻天線12能接收不同頻率的射頻信號RF，在本實施例中分成兩種頻帶模式高頻帶模式及低頻帶模式。在本實施例中，由多頻天線12接收下來的射頻信號RF又可分為高射頻信號HRF與低射頻信號LRF，分別經過一高頻帶濾波器14H及一低頻帶濾波器14L作一次處理後，分別產生一高頻帶輸入信號HSI及一低頻帶輸入信號LSI，該高頻帶輸入信號HSI及低頻帶輸入信號LSI再經過多頻帶低噪聲放大器16分別以一預設的增益倍率加以放大。從多頻帶低噪聲放大器16輸出的信號，再利用混頻裝置18配合本機振蕩發生器20的工作將該輸出的信號降頻至一特定頻率，繼續送至信號處理模塊22作進一步的實現中頻放大、信號解調(Demodulation)、鏡像消除等工作。
請繼續參閱圖1，在公知技術中，該多頻帶低噪聲放大器16其實為兩個單頻帶的低噪聲放大器的組合，區分為一高頻帶低噪聲放大器16H以及一低頻帶低噪聲放大器16L，分別接收及處理高頻帶輸入信號HSI及低頻帶輸入信號LSI，接著再將高頻帶低噪聲放大器16H與低頻帶低噪聲放大器16L兩者的輸出端相互連接，實現公知的多頻帶低噪聲放大器16。請參閱圖2，圖2為圖1公知多頻帶低噪聲放大器16的一實施例的功能方塊圖，多頻帶低噪聲放大器16包含高頻帶低噪聲放大器16H以及低頻帶低噪聲放大器16L，每一低噪聲放大器皆可依據所接收的輸入信號的大小，調整內部設置的偏壓(Bias)值以分別工作在多個不同的增益模式下。同一時間內，該多頻帶低噪聲放大器16隻能工作在一頻帶模式之下，舉例而言，若接收進來的是高射頻信號HRF，經過高頻帶濾波器14H的處理後，產生的高頻帶輸入信號HSI會傳送至高頻帶低噪聲放大器16H，使其開始工作，同時低頻帶低噪聲放大器16L則不予工作。高頻帶低噪聲放大器16H包含一高頻段接收端Inh、電晶體Qh1～Qh3、可調整的三偏壓(Bias)Bh1-Bh3、及一高頻段輸出端OUTh。高頻段接收端Inh用來接收高頻帶輸入信號HSI，而電晶體Qh1-Qh3配合三偏壓Bh1-Bh3的相對大小關係，在數個不同的增益模式下將高頻帶輸入信號HSI以一對應的增益倍率加以放大，最後由多頻帶低噪聲放大器16的一輸出端OS輸出放大後的高頻帶輸入信號HSI。若需處理的是低頻帶輸入信號LSI，則低頻帶低噪聲放大器16L則處於工作狀態，同時高頻帶低噪聲放大器16H則關斷。如同上述高頻帶低噪聲放大器16H的構造與工作原理，低頻帶低噪聲放大器16L亦包含一低頻段接收端In1、電晶體Q11-Q13、可調整的三偏壓(Bias)B11-B13、及一低頻段輸出端OUT1，可經由調整切換偏壓B11-B13的值使其工作在不同的增益模式下，並最後由多頻帶低噪聲放大器16的輸出端OS輸出處理後的低頻帶輸入信號LSI。
請注意，首先，公知實施例將高頻帶低噪聲放大器16H的高頻段輸出端OUTh連接到低頻帶低噪聲放大器16H的低頻段輸出端OUT1，以綜合成具有單一輸出(輸出端OS)的多頻帶低噪聲放大器16，而連接點(OUTh、OUT1)是幾乎等同於多頻帶低噪聲放大器16的輸出端OS。再者，在實際實施時，並不限定於上述兩種(高/低)頻帶模式，頻帶模式的數目可視實際需求增加，同時，處理單一頻帶模式的低噪聲放大器也必須隨之對應增加，亦即，無論低噪聲放大器的數量為何，在公知技術中，將這些(單一頻帶)低噪聲放大器的輸出端相互連接，即綜合成單一輸出的多頻帶低噪聲放大器。然而，每一個別的低噪聲放大器的輸出端皆為該低噪聲放大器中的高阻抗(Impedence)點，在將所有低噪聲放大器的輸出端相互連接後，該連接點的阻抗值亦相當高。此時請同時參閱圖1及圖2，在圖2高頻帶低噪聲放大器16H中的高頻段輸出端OUTh，其的阻抗值主要由一內置阻抗ZLh決定，同理，低頻帶低噪聲放大器16L中的低頻段輸出端OUT1的阻抗值主要來自另一內置阻抗ZL1，內置阻抗ZLh、ZL1皆具有較高的阻抗值，使得圖1多頻帶低噪聲放大器16的單一輸出端OS具有一高阻抗值。請注意，在圖1的接收器10中，由於多頻帶低噪聲放大器16的單一輸出端OS處即相當於多個(二個)低噪聲放大器的輸出端匯接的所在處，因而存在一等效的寄生電容(ParasiticCapacitor)Cp，使得輸出端OS的高阻抗(合併寄生電容Cp的影響)會造成輸出信號的嚴重衰減，並可能影響到多頻帶低噪聲放大器16的頻率響應。

發明內容
因此本發明的主要目的在於一種工作在多個頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器及相關方法，其利用將一輸出級放大器與多個輸入級放大器，在該多頻帶低噪聲放大器的最低阻抗點處相互連接，以解決上述問題。
在本發明中，我們另提出一多頻帶差動(Differential)放大器的技術特徵，其利用將本發明二組具有本發明技術特徵的多頻帶低噪聲放大器加以組合，實現差動模式(Differential Mode)下的放大器技術特徵。本發明的多頻帶差動放大器包含有多個輸入級放大器與二輸出級放大器(正向輸出級放大器及負向輸出級放大器)，輸入級放大器與輸出級放大器之間的連接處皆為該多頻帶差動放大器的多個最低阻抗點，以避免受到連接處的寄生電容的嚴重影響，而造成輸出信號的衰減，並由於差動模式的特性，使得本發明的差動放大器另具有不易受到幹擾，及較寬廣的頻帶響應等的優點。
本發明的目的為提供一種工作在多個頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器(Multi-band Low Noise Amplifier)，其包含有多個輸入級放大器，分別對應於該多個頻帶模式，每一輸入級放大器包含有一接收端，用來接收該對應的頻帶模式下的一輸入信號；以及一輸出級放大器，其包含有至少一最低阻抗端，其為該多頻帶低噪聲放大器的最低阻抗點，該輸出級放大器與該多個輸入級放大器在該至少一最低阻抗端之處相互連接；以及一輸出端，用來輸出經該輸出級放大器處理後的該輸入信號。
本發明的另一目的為提供一種用於一多頻帶低噪聲放大器中的方法，該多頻帶低噪聲放大器包含多個輸入級放大器以及一輸出級放大器，該多個輸入級放大器分別對應於多個頻帶模式，該方法包含有使用該多個輸入級放大器分別接收並處理對應於該多個頻帶模式的多個輸入信號；將該輸出級放大器與該多個輸入級放大器以串級(Cascode)的方式在該多頻帶低噪聲放大器的至少一最低阻抗點處相連接；以及使用該輸出級放大器處理並輸出該多個輸入信號。
本發明的又一目的為提供一種工作在多個頻帶模式下的多頻帶差動放大器(Multi-band Differential Amplifier)，其包含有多個輸入級放大器，包含多個正向(Positive)輸入級放大器以及多個負向(Negative)輸入級放大器，每一頻帶模式對應於一正向輸入級放大器以及一負向輸入級放大器，每一正向輸入級放大器包含有一正向接收端，用來接收該對應的頻帶模式下的一正向輸入信號；每一負向輸入級放大器包含有一負向接收端，用來接收該對應的頻帶模式下的一負向輸入信號；以及一正向輸出級放大器，包含至少一正向最低阻抗端，該正向輸出級放大器與該多個正向輸入級放大器以串級(Cascode)的方式，在該至少一正向最低阻抗端處相連接，用來輸出經處理後的該正向輸入信號；以及一負向輸出級放大器，包含至少一負向最低阻抗端，該負向輸出級放大器與該多個負向輸入級放大器以串級的方式，在該至少一負向最低阻抗端處相連接，用來輸出經處理後的該負向輸入信號。


圖1為一無線通信系統的一接收器的功能方塊圖。
圖2為圖1公知多頻帶低噪聲放大器的一實施例的功能方塊圖。
圖3為本發明一多頻帶低噪聲放大器的一實施例的示意圖。
圖4為本發明一多頻帶低噪聲放大器的另一實施例的示意圖。
圖5為圖4實施例的一詳細實施例的示意圖。
圖6為圖4多頻帶低噪聲放大器的另一詳細實施例的示意圖。
圖7為圖6多頻帶低噪聲放大器的另一實施例的示意圖。
圖8為本發明多頻帶低噪聲放大器的又一實施例的示意圖。
圖9為本發明多頻帶低噪聲放大器的再一實施例的示意圖。
圖10為本發明多頻帶差動放大器的一實施例的功能方塊圖。
圖11為圖10多頻帶差動放大器的一詳細實施例的示意圖。
附圖符號說明10接收器 12多頻天線14濾波器16、26、36、46、76多頻帶低噪聲放大器18、98混頻裝置20、100本機振蕩發生器22信號處理模塊28、38、48、78第一接收端30、40、50第二接收端32、42、52、82輸出端43、44、45偏壓裝置51第一開關裝置53第一負反饋電路54第二開關裝置55第二負反饋電路90多頻帶差動放大器92接收端94輸出端具體實施方式
在本發明中，我們將多頻帶低噪聲放大器分為單端模式(Single-endedMode)與差動模式(Differential Mode)兩種型式加以說明，其中差動模式基於單端模式下所公開的本發明的技術特徵，並具備差動模式下的信號處理所特有的優點。此外，本發明的技術特徵的基本結構為，將一多頻帶低噪聲放大器視為兩級放大器串級(Cascode)連接的組合結果，兩級放大器分別為輸入級放大器及輸出級放大器。為接收並處理多個頻帶模式下的信號，一多頻帶低噪聲放大器包含有多個輸入級放大器，分別對應於該多個頻帶模式，而這多個輸入級放大器皆連接到一(共用的)輸出級放大器，以綜合成單一輸出的多頻帶低噪聲放大器。請參閱圖3，圖3為本發明一多頻帶低噪聲放大器26的一實施例的示意圖。多頻帶低噪聲放大器26包含一輸出級放大器26A以及多個輸入級放大器26B1、26B2、…、26Bn等。輸入級放大器26B1、26B2、…、26Bn的數量並不限定，可為兩個或更多個，視需要處理的頻帶模式的數目而定。該多個輸入級放大器分別對應於多個頻帶模式，例如第一輸入級放大器26B1即是對應於一第一頻帶模式(高頻)，第二輸入級放大器26B2對應於一第二頻帶模式(低頻)，依此類推。而在同一時間內，該多頻帶低噪聲放大器26隻能工作在一頻帶模式之下，因此只有一對應於該頻帶模式的輸入級放大器及輸出級放大器能工作。舉例而言，若工作在第一頻帶模式之下，一第一輸入信號SI1會由第一輸入級放大器26B1所接收，同時其餘的輸入級放大器26B2、…、26Bn等則不予工作。同理，當多頻帶低噪聲放大器26工作在第二頻帶模式時，只有第二輸入級放大器26B2會接收並處理一第二輸入信號SI2，其餘的輸入級放大器26B1、26B3、…、26Bn等則不工作。
輸出級放大器26A包含一輸出端32，該輸出端32亦為多頻帶低噪聲放大器26的單一輸出端32。輸出級放大器26A由電晶體Q2、Q3、及可調整的二偏壓B2、B3所組成，第一輸入級放大器26B1包含一第一接收端28，用來接收第一頻帶模式下的第一輸入信號SI1，第一輸入級放大器26B1另包含一電晶體Q1、可調整的偏壓B1、以及一內置電阻RB1，用來處理接收進來的第一輸入信號SI1。其他輸入級放大器26B2、…、26Bn等和第一輸入級放大器26B1具有相同的技術特徵，可比照上述第一輸入級放大器26B1的結構。例如，第二輸入級放大器26B2包含一第二接收端30、一電晶體Q4、可調整的偏壓B4、以及一內置電阻RB2，用來接收並處理第二輸入信號SI2。請注意，首先，若將輸出級放大器26A與第一輸入級放大器26B1一同視之，則可發現輸出級放大器26A與第一輸入級放大器26B1合併後即等同於圖2公知技術中的一個單頻帶的低噪聲放大器(如高單頻帶低噪聲放大器16H)，同理，單獨分別觀察每一輸入級放大器26B2、…、26Bn等與輸出級放大器26A都自成一處理單一頻帶模式的低噪聲放大器。由此可看出，本發明的基本技術特徵是將一公知(單頻帶)低噪聲放大器分成為兩級輸入級及輸出級，多個輸入級放大器對應於多個不同的頻帶模式，並全部連接到一共用的輸出級放大器，以綜合成多頻帶低噪聲放大器26的單一輸出。如此一來，可大幅降低多頻帶低噪聲放大器26所佔的電路面積，以降低研發及生產成本。
再者，輸入級及輸出級放大器之間以串級(Cascode)的方式相互連接，且連接處為該多頻帶低噪聲放大器的最低阻抗點。請繼續參閱圖3，首先單獨觀察輸出級放大器26A與第一輸入級放大器26B1，兩者在該多頻帶低噪聲放大器26的最低阻抗點LP相互連接，由於線路的匯接處會存在一等效的寄生電容Cp，由於節點LP具有最低的阻抗值，與寄生電容Cp合併組成PC低通濾波所產生的信號衰減量至最低，該項技術特徵可類推適用至其他所有輸入級放大器26B與輸出級放大器26A的串級連接。在實際實施時，本實施例中所使用的電晶體Q1-Q4的型式並不限定，可以為雙極結型電晶體(bipolarjunction transistor，BJT)、金屬氧化物半導體(metal-oxide semiconductor，MOS)電晶體、甚至其他型式的電晶體。如圖3所示，若本實施例的電晶體Q1-Q4以雙極結型電晶體BJT實現，每一輸入級放大器26B1、26B2、…、26Bn的接收端則設計為雙極結型電晶體的基極(base)(如在第一輸入級放大器26B1中，第一接收端28為雙極結型電晶體Q1的基極(Base)，其餘輸入級放大器26B2、…、26Bn亦然)，而在輸出級放大器26A中，輸出端32為雙極結型電晶體Q2的集電極(Collector)，最低阻抗端LP則為二雙極結型電晶體Q2、Q3的發射極(Emitter)，並連接到雙極結型電晶體Q1、Q4等的集電極。除此之外，圖3實施例的輸出級放大器26A另包含一負載ZL，負載ZL可為一電阻式負載或電感式負載，另外，在每一輸入級放大器26B中皆包含一負反饋電路ZE，負反饋電路ZE可為一電阻式負反饋電路或電感式負反饋電路，用來實現阻抗匹配、提高線性度(Linearity)與增大頻寬的功能。
請參閱圖4，圖4為本發明一多頻帶低噪聲放大器36的另一實施例的示意圖。本實施例的結構近似於圖3的實施例，但較為複雜，也擁有更多優點。本實施例的多頻帶低噪聲放大器36亦包含一輸出級放大器36A以及多個輸入級放大器36B1、36B2、…、36Bn，該多個輸入級放大器分別對應於多個頻帶模式，例如第一輸入級放大器36B1對應於一第三頻帶模式(高頻)，利用一第一接收端38接收並處理一第三輸入信號SI3，第二輸入級放大器36B2對應於一第四頻帶模式(低頻)，可使用一第二接收端40接收處理一第四輸入信號SI4，請注意，實際上輸入級放大器36B1、36B2、…、36Bn的數量並不限定，可為兩個或更多個，視需要處理的頻帶模式的數目而定。在同一時間內，該多頻帶低噪聲放大器36隻能工作在一頻帶模式之下，因此只有一對應於該頻帶模式的輸入級放大器及輸出級放大器能夠工作。輸出級放大器36A包含一輸出端42，該輸出端42亦為多頻帶低噪聲放大器36的單一輸出端42。將輸出級放大器36A與二輸入級放大器36B1、26B2一同觀之，電晶體Q4-Q9與可調整的四偏壓B5-B8共同實現信號放大及不同增益模式的切換等功能。
如上面所述，本實施例的多頻帶低噪聲放大器36除了能工作在不同的頻帶模式之下，亦能工作在不同的增益模式中。舉例而言，若將本實施例設計成兩種增益模式高增益模式及低增益模式，並以工作第一輸入級放大器36B1與輸出級放大器36A為例，當偏壓B6大於偏壓B7，此時(高頻的)第三輸入信號SI3經電晶體Q4、Q5、Q6、Q7放大，並輸出至輸出端42，此時大部分的第三輸入信號SI3會被處理並傳送至輸出端42輸出，多頻帶低噪聲放大器36處於高增益模式下；相反地，當偏壓B7大於偏壓B6，大部分的第三輸入信號SI3經電晶體Q4、Q8分流至電晶體Q8的集電極，只有少部分的第三輸入信號SI3經電晶體Q5、Q6等遞送至輸出端42，因此，此時多頻帶低噪聲放大器36工作在低增益模式下。如此一來，在本實施例中，高增益模式及低增益模式之間的切換可利用偏壓B7與偏壓B6之間的大小關係決定。請參閱圖5，圖5為圖4實施例的一詳細實施例的示意圖。為強調依據所加偏壓的不同以實現上述二種不同增益模式的切換，圖5實施例公開了可調整的三偏壓B5′-B7′的詳細電路，其餘所有元件的功能及工作原理則與圖4實施例完全相同。三偏壓B5′-B7′分別對應至三偏壓裝置43、44、45。在實際工作時，可將偏壓B7′保持在一預設電壓值，只調整切換偏壓B6′使之高於或低於偏壓B7′即可實現不同增益模式的切換。
回到本發明主要的技術特徵，請回頭參閱圖4，輸出級放大器36A與多個輸入級放大器36B1、36B2、…、36Bn之間亦以串級的方式相互連接，連接處有兩個節點LP1、LP2，皆為該多頻帶低噪聲放大器36的最低阻抗點。若本實施例的電晶體Q4-Q10以雙極結型電晶BJT實現，最低阻抗端LP1、LP2則分別為二雙極結型電晶體Q7、Q6的發射極(Emitter)。由於兩個具有最低阻抗值的節點LP1、LP2為線路的匯接處，分別存在一等效的寄生電容Cp1、Cp2，但由於節點LP1、LP2的阻抗值相當的低，與寄生電容Cp1、Cp2組成的RC低通濾波效應造成的信號衰減量減至最低。此外，本實施例的多頻帶低噪聲放大器36亦包含一負載ZL及多個反饋電路ZE，負載ZL可為一電阻式負載或電感式負載，負反饋電路ZE可為電阻式負反饋電路或電感式負反饋電路，可用來實現基本的阻抗匹配的功能。
為了避免在不同增益模式下，多頻帶低噪聲放大器36與前級電路之間(如圖1的濾波器14)可能發生的阻抗匹配不當，而影響到圖1濾波器14的響應甚至多頻帶低噪聲放大器36的效能，如上所述，在圖4(圖5)中所設置的負反饋電路ZE可用來在不同的增益模式下，將多頻帶低噪聲放大器36的輸入阻抗能保持定值。若將負反饋電路ZE以電感式負反饋電路實現，雖具有極值信號容許度高及噪聲低等優點，但由於電感性負反饋電路ZE所佔的電路面積過大，仍有成本過高可能，尤其在圖4實施例中，若所需處理的頻帶模式的數目大幅增加，輸入級放大器36B的數量也隨之劇增，而每一輸入級放大器36B就需設置一電感性負反饋電路ZE，如此一來，電感性負反饋電路所帶來的電路成本的問題即可能更加惡化。請參閱圖6，圖6為圖4多頻帶低噪聲放大器36的另一詳細實施例的示意圖，絕大部分元件的功能及工作原理可參照圖4實施例。在圖6實施例中一共用的負反饋電路ZEC的設計下，多個輸入級放大器36B中所有的負反饋電路ZE可利用該共用的負反饋電路ZEC取代，如此一來，多個輸入級放大器36B只需設置一共用的(電感性)負反饋電路ZEC以實現固定輸入阻抗的特性，以最小的電路面積、最經濟的成本考慮實現負反饋的功能。
請參閱圖7，圖7為圖6多頻帶低噪聲放大器36的另一實施例的示意圖。圖7採用另一種電路設計方式實現負反饋的相關功能。輸出級放大器36A與第一輸入級放大器36B1之間設置一第一負反饋電路53(包含一阻抗ZF1及一電容CF1)及一第一開關裝置51，而輸出級放大器36A與第二輸入級放大器36B2之間包含一第二負反饋電路55(包含一阻抗ZF2及一電容CF2)及一第二開關裝置54，依此類推至其他輸入級放大器36B3、…、36Bn與輸出級放大器36A之間的負反饋相關裝置的設置。其中第一及第二開關裝置可分別利用一電晶體配上一控制信號實現。如此一來，在第三頻帶模式下(接收第三輸入信號SI3)，只有輸出級放大器36A與第一輸入級放大器36B1在工作，則斷開第二開關裝置54，接通第一開關裝置51，讓第一負反饋電路53實現第三頻帶模式下的負反饋功能，而阻絕其他輸入級放大器36B2、…、36Bn的影響。同理，在第四頻帶模式下(接收進第四輸入信號SI4)，斷開第一開關裝置51，接通第二開關裝置54，讓第二負反饋電路55實現第四頻帶模式下的負反饋功能。經由適當地設計阻抗ZF1、電容CF1；阻抗ZF2、電容CF2；…；阻抗ZFn、電容CFn的大小，即可將多頻帶低噪聲放大器36的輸入阻抗保持不變。
請注意，上述圖3至圖7實施例中所使用的電晶體的型式並不限定，可以為雙極結型電晶體(bipolar iunction transistor，BJT)、金屬氧化物半導體(metal-oxide semiconductor，MOS)電晶體、甚至其他型式的電晶體。請參閱圖8，圖8為本發明多頻帶低噪聲放大器46的又一實施例的示意圖，其基本結構與工作原理皆與圖4實施例完全相同，惟一的差別在於，前述圖4中顯示的多頻帶低噪聲放大器36以雙極結型電晶體BJT實現，而本實施例為以金屬氧化物半導體電晶體MOS實現本發明的多頻帶低噪聲放大器46。本實施例中所顯示的輸入端48、50分別對應至圖4中的輸入端38、40，金屬氧化物半導體電晶體Q11-Q17可分別對應至圖4中的電晶體Q4-Q10，可調整的四偏壓B9-B12分別對應至圖4中的四偏壓B5-B8，最後多頻帶低噪聲放大器46的輸出端52對應至圖4多頻帶低噪聲放大器36的輸出端42，為金屬氧化物半導體電晶體Q13的漏極(Drain)。在保有本發明的技術特徵下，連接節點LP3、LP4仍為多頻帶低噪聲放大器46的最低阻抗端，分別為二金屬氧化物半導體電晶體Q14、Q13的源極(Source)。如此一來，即使在該兩節點LP3、LP4分別存在等效的寄生電容Cp3、Cp4，本發明在最低阻抗端連接的技術特徵可使得寄生電容Cp3、Cp4對信號的衰減量減至最低。此外，將各種不同型式的電晶體混合使用於本發明的多頻帶低噪聲放大器亦包含在本發明的技術特徵。請參閱圖9，圖9為本發明多頻帶低噪聲放大器76的再一實施例的示意圖，可視為一混合式(Mix-Mode)多頻帶低噪聲放大器76。在圖9中，輸入級放大器76B主要以金屬氧化物半導體電晶體實現，而輸出級放大器76A則以雙極結型電晶體BJT實現，基本上，整體結構及技術特徵仍等同於上述的圖4至圖8的實施例，本實施例只是強調本發明可以各種不同型式的電晶體混合組成的特性。
接下來描述本發明的另一主要技術特徵差動模式(Differential Mode)下的工作，也就是將上述各實施例的多頻帶低噪聲放大器以多頻帶差動放大器的型式實現。實際上，本發明的多頻帶差動放大器即是將本發明的兩個(單端模式(Single-ended Mode))的多頻帶低噪聲放大器加以合併使用，其中一個作為正向放大器，另一個作為負向放大器，而真正的輸出信號即為兩個放大器輸出信號的差值。該差動放大器的差動性能由正負向兩輸入信號的180度相位差的準確性決定，如果輸入信號的180度相位不準確，則會出現共模信號(Common mode signal)影響差動特性。請參閱圖10，圖10為本發明多頻帶差動放大器90的一實施例的功能方塊圖。在本實施例中以兩種頻帶模式為例高頻帶模式及低頻帶模式，簡要說明多頻帶差動放大器90的技術特徵。多頻帶差動放大器90仍可視為兩級放大器(輸入級放大器90B以及輸出級放大器90A)串級相連而成，輸入級放大器90B包含二個正向(Positive)輸入級放大器90BPH、90BPL以及二個負向(Negative)輸入級放大器90BNH、90BNL。二正向輸入級放大器又依對應頻帶模式的不同分為一正向高頻帶輸入級放大器90BPH及一正向低頻帶輸入級放大器90BPL，分別包含一正向高頻帶接收端92PH與一正向低頻帶接收端92PL，用來分別接收一正向高頻帶輸入信號SIPH及一正向低頻帶輸入信號SIPL。同理，二負向輸入級放大器依對應頻帶模式的不同分為一負向高頻帶輸入級放大器90BNH及一負向低頻帶輸入級放大器90BNL，分別包含一負向高頻帶接收端92NH與一負向低頻帶接收端92NL，用來分別接收一負向高頻帶輸入信號SINH及一負向低頻帶輸入信號SINL。多頻帶差動放大器90又包含一正向輸出級放大器90AP及一負向輸出級放大器90AN，正向輸出級放大器90AP中包含至少一正向最低阻抗端LPP與一正向輸出端94P，而正向輸出級放大器90AP與上述二個正向輸入級放大器90BPH、90BPL以串級的方式，在正向最低阻抗端LPP處相連接，而正向輸出端94P則輸出經處理後的正向輸入信號SIPH或SIPL。負向輸出級放大器90AN中包含至少一負向最低阻抗端LPN與一負向輸出端94N，而負向輸出級放大器90AN與上述二個負向輸入級放大器90BNH、90BNL以串級的方式，在負向最低阻抗端LPN處相連接，而負向輸出端94N則輸出經處理後的負向輸入信號SINH或SINL。
實際上，本發明的多頻帶差動放大器90所能處理的頻帶模式不限於上述高/低兩種頻帶模式，無論欲處理的頻帶模式(輸入級放大器90B)的數量為何，只需將所有正向輸入級放大器90BP與該正向輸出級放大器90AP在正向最低阻抗端LPP以串級的方式相連接，並將所有多個負向輸入級放大器90BN與負向輸出級放大器90AN在負向最低阻抗端LPN以串級的方式相連，即實現本發明的技術特徵。亦即，若將本實施例中二正向輸入級放大器90BPH、90BPL與正向輸出級放大器90AP一同視之，即可等同於上述本發明的任一多頻帶低噪聲放大器(可套用至圖3至圖9中的任一實施例)，同理，本實施例中二負向輸入級放大器90BNH、90BNL與負向輸出級放大器90AN可合併視同本發明的任一多頻帶低噪聲放大器，適用圖3至圖9實施例所述的所有技術特徵，且在同一時間內，該多頻帶差動放大器90隻能工作於一頻帶模式之下。請參閱圖11，圖11為圖10多頻帶差動放大器90的一詳細實施例的示意圖，圖11的實施例即是將兩個圖4的多頻帶低噪聲放大器36加以組合而成。
請注意，在圖10的實施例中，所有的輸入級放大器90B無須為同一種結構下的輸入級放大器，同理，所有的輸出級放大器90A亦無須為同一種結構下的輸入級放大器，此時，請注意，上述的正向最低阻抗端LPP可視為多個正向輸入級放大器90BP與正向輸出級放大器90AP電連後，該整體正向電路中的最低阻抗點，同理，上述的負向最低阻抗端LPN可視為多個負向輸入級放大器90BN與負向輸出級放大器90AN電連後，該整體負向電路中的最低阻抗點。如此一來，多頻帶差動放大器90即具有本發明在最低阻抗點串級連接的技術特徵，並由於多頻帶差動放大器90工作在差動模式下，因此較一般單端模式(Single-ended Mode)放大器(如前述圖3至圖9的實施例)具有許多額外的優點，包含較不容易受到電磁幹擾，也較不易幹擾其他的電路，在接收器前端(Front-end)造成的IP2(2nd order Interception Point(2級截獲點))會比較小，進而DC offset也可以減小，另外其頻率響應也較一般單端模式放大器寬廣。本發明的多頻帶差動放大器可應用於一無線通信系統的接收器之中，作為一多頻帶低噪聲差動放大器(Multi-band Low Noise DifferentialAmplifier)使用。
在本發明中，我們提出了一種可工作在多個頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器及多頻帶低噪聲差動放大器，其利用將一輸出級放大器與多個輸入級放大器以串級的方式在該多頻帶低噪聲放大器的最低阻抗點處相互連接，降低該多頻帶低噪聲放大器在連接處的阻抗值，避免連接處的寄生電容所帶來的信號衰減等不良效應，與公知技術相比較，由於本發明共用一輸出級放大器以實現多頻帶模式下的信號處理，更可大幅降低多頻帶低噪聲放大器所佔的電路面積。此外，我們也提出了多頻帶低噪聲放大器的多種實施例，可滿足通信系統中不同應用的需求。再者，本發明的多頻帶低噪聲差動放大器可在發揮本發明技術特徵的同時，兼具有差動模式下信號處理的優勢，減少電路中的幹擾。
上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求書所進行的等效變化與修改，皆應屬本發明專利的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種工作在多個頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器，其包含有多個輸入級放大器，分別對應於該多個頻帶模式，每一輸入級放大器包含有一接收端，用來接收該對應的頻帶模式下的一輸入信號；以及一輸出級放大器，其包含有至少一最低阻抗端，其為該多頻帶低頻噪聲放大器的最低阻抗點，該輸出級放大器與該多個輸入級放大器在該至少一最低阻抗端之處相互連接；以及一輸出端，用來輸出經該輸出級放大器處理後的該輸入信號。
2.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其中在同一時間內，該多頻帶低噪聲放大器只能工作在一頻帶模式之下，並只有一對應於該頻帶模式的輸入級放大器及該輸出級放大器在工作。
3.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其中該輸出級放大器的該輸出端電連接到一負載阻抗，該負載阻抗為一電感或者一電阻。
4.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其另包含多個負反饋電路，每一負反饋電路包含一電阻、一電容以及一開關。
5.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其另包含多個負反饋阻抗，該多個負反饋阻抗分別電連接到該多個輸入級放大器的發射極端，每一負反饋阻抗為一電感或者一電阻。
6.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其另包含至少一負反饋電路，該負反饋電路為該多個輸入級放大器所共用，並電連接到該多個輸入級放大器的發射極端。
7.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其中該輸出級放大器以串級的方式電連接到每一輸入級放大器。
8.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其中每一輸入級放大器包含至少一雙極結型電晶體，該接收端為該雙極結型電晶體的基極。
9.如權利要求8所述的多頻帶低噪聲放大器，其中該輸出級放大器包含至少一雙極結型電晶體，該輸出端為該雙極結型電晶體的集電極，該最低阻抗端為該雙極結型電晶體的發射極。
10.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其中每一輸入級放大器包含至少一金屬氧化物半導體電晶體，該輸出級放大器亦包含至少一金屬氧化物半導體電晶體。
11.如權利要求1所述的多頻帶低噪聲放大器，其中應用於一無線通信系統的接收器之中。
12.一種用於一多頻帶低噪聲放大器中的方法，該多頻帶低噪聲放大器包含多個輸入級放大器以及一輸出級放大器，該多個輸入級放大器分別對應於多個頻帶模式，該方法包含有使用該多個輸入級放大器分別接收並處理對應於該多個頻帶模式的多個輸入信號；將該輸出級放大器與該多個輸入級放大器以串級的方式在該多頻帶低噪聲放大器的至少一最低阻抗點處相連接；以及使用該輸出級放大器處理並輸出該多個輸入信號。
13.如權利要求12所述的方法，其中在同一時間內，該多頻帶低噪聲放大器只能工作在一頻帶模式之下，該方法另包含有在一時間內，使用對應於該頻帶模式的一輸入級放大器接收並處理一對應的輸入信號；以及使用該輸出級放大器處理並輸出該對應的輸入信號。
14.如權利要求12所述的方法，其中該多個輸入級放大器分別包含至少一雙極結型電晶體，該輸出級放大器的至少一最低阻抗點連接到該多個雙極結型電晶體的集電極。
15.如權利要求14所述的方法，其中該輸出級放大器包含至少一雙極結型電晶體，該至少一最低阻抗點對應於該雙極結型電晶體的發射極。
16.如權利要求12所述的方法，其中每一輸入級放大器包含一至少金屬氧化物半導體電晶體，該輸出級放大器亦包含至少一金屬氧化物半導體電晶體。
17.如權利要求12所述的方法，其中該多頻帶低噪聲放大器應用於一無線通信系統的接收器之中。
18.一種工作在多個頻帶模式下的多頻帶差動放大器，其包含有多個輸入級放大器，包含多個正向輸入級放大器以及多個負向輸入級放大器，每一頻帶模式對應於一正向輸入級放大器以及一負向輸入級放大器，每一正向輸入級放大器包含有一正向接收端，與至少一正向負反饋電路，用來接收該對應的頻帶模式下的一正向輸入信號；每一負向輸入級放大器包含有一負向接收端，與至少一負向負反饋電路，用來接收該對應的頻帶模式下的一負向輸入信號；以及一正向輸出級放大器，包含至少一正向最低阻抗端，該正向輸出級放大器與該多個正向輸入級放大器以串級的方式，在該至少一正向最低阻抗端處相連接，與一正向輸出負載阻抗用來輸出經處理後的該正向輸入信號；以及一負向輸出級放大器，包含至少一負向最低阻抗端，該負向輸出級放大器與該多個負向輸入級放大器以串級的方式，在該至少一負向最低阻抗端處相連接，與一負向輸出負載阻抗用來輸出經處理後的該負向輸入信號。
19.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中在該正向輸出級放大器中，該正向最低阻抗端是可視為該多個正向輸入級放大器與該正向輸出級放大器電連後的最低阻抗點。
20.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中該正向輸出負載阻抗及該負向輸出負載阻抗分別為一電感或者一電阻。
21.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中該正向負反饋電路及該負向負反饋電路分別包含一阻抗，每一阻抗為一電感或者一電阻。
22.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中該正向負反饋電路為該多個正向輸入級放大器所共用，並電連接到該多個正向輸入級放大器的發射極端；該負向負反饋電路為該多個負向輸入級放大器所共用，並電連接到該多個負向輸入級放大器的發射極端。
23.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中在該負向輸出級放大器中，該負向最低阻抗端是可視為該多個負向輸入級放大器與該負向輸出級放大器電連後的最低阻抗點。
24.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中在同一時間內，該多頻帶差動放大器只能工作在一頻帶模式之下。
25.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中該多頻帶差動放大器為一多頻帶低噪聲差動放大器。
26.如權利要求18所述的多頻帶差動放大器，其中該多頻帶差動放大器應用於一無線通信系統的接收器之中。
全文摘要
本發明提供一種工作在多個頻帶模式下的多頻帶低噪聲放大器，其包含有多個輸入級放大器以及一輸出級放大器。每一輸入級放大器對應於一頻帶模式，包含有一接收端，用來接收該對應的頻帶模式下的一輸入信號。輸出級放大器包含有至少一最低阻抗端，其為該多頻帶低噪聲放大器的最低阻抗點，該輸出級放大器與該多個輸入級放大器在該至少一最低阻抗端之處相互連接；以及一輸出端，用來輸出經該輸出級放大器處理後的該輸入信號。
文檔編號H03F1/26GK1553581SQ0314122
公開日2004年12月8日 申請日期2003年6月5日 優先權日2003年6月5日
發明者葉恩祥 申請人:聯發科技股份有限公司