可切換式增益放大器的製作方法
2023-05-02 23:53:26 2
專利名稱：可切換式增益放大器的製作方法
技術領域：
本發明有關於一種可切換式增益放大器(Gain Amplifier)，且特別是有關一種可切換於高增益模式(High Gain Mode)以及低增益模式(Low Gain Mode)以避免輸出信號失真(Distortion)的可切換式增益放大器。
背景技術：
在傳統的手機中，由天線接收的信號會饋入射頻接收器前級的低噪音放大器(Low Noise Amplifier；LNA)加以放大，以便抑制噪音並提高手機的接收靈敏度。為了達到所需的高靈敏度，低噪音放大器必須對接收到的小信號(Weak Signal)提供高電壓增益(Gain)，並同時保持系統本身的線性度(Linearity)，使得輸出信號不致失真。然而，當系統操作於高增益模式時，由於輸入信號功率過大，可能導致LNA的操作超出線性區，因而降低手機的靈敏度。
為了兼顧手機的高靈敏度以及良好線性度，實有必要針對不同大小的輸入信號，切換不同增益的模式。在專利案號為WO0215397的PCT專利中，揭露了一種具有高增益模式以及旁通模式(Bypass Mode)的增益放大器。請參考圖1，其繪示了上述增益放大器的線路結構圖。增益放大器100主要包括雙極結電晶體(Bipolar Junction Transistor；BJT)T1、旁通線路(BypassNetwork)110以及偏壓線路(Biasing Circuit)120。旁通線路110連接於電晶體T1的基極B以及集極C之間，提供增益放大器100的旁通模式。偏壓線路120連接電晶體T1的基極B，配合電晶體T1的操作以提供增益放大器100的高增益模式，其中串接於射極E的電感LE，用以調整電晶體T1的增益值。旁通線路110包括電容C3以及開關S2，而偏壓線路120則包括電流源122以及開關S1。
當輸入的射頻信號RF為小信號時，開關S1導通且開關S2斷路，使得電流源122可提供電晶體T1基極電流。因此，小信號RF可經由電晶體T1加以放大輸出，達到所需的增益效果，並且不失真。當輸入的射頻信號RF為較大的信號時，開關S1斷路且開關S2導通。此時，電流源122無法提供電晶體T1基極電流，使得電晶體不導通。同時開關S2導通使得輸入信號RF經由旁通線路110輸出，以保持系統操作的線性度。然而，經由旁通線路110所提供的旁通模式，雖保持了輸入信號RF的原貌，卻無只提供損耗(Loss)，電壓增益為負值，因而無法達到所需的信號接收靈敏度。而且使用開關S1來控制電晶體T1是否導通，所需的開關反應時間較長，甚至當開關S1斷路時，電晶體T1的基極B與射極E仍會存留一個電容值，因而導致增益放大器100的輸入阻抗匹配不良。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的就是在於提供一種可切換式增益放大器。利用兩個疊接式(Cascode)的放大單元，以提供放大器所需的高增益模式以及低增益模式。藉由開關單元以及控制各個放大單元的控制信號，可根據輸入信號大小，切換至所需的高增益模式以及低增益模式。因此，可保持系統操作的良好線性度，以及不同增益模式的阻抗匹配。
根據本發明的目的，提出一種可切換式增益放大器，可切換於第一增益模式以及第二增益模式之間。增益放大器包括第一放大單元、第二放大單元、以及開關單元。第一放大單元用以提供第一增益模式。第一放大單元包括第一輸入端、控制端、以及第一輸出端。第一輸入端用以接收輸入信號；控制端用以接收控制信號；而第一輸出端則用以輸出對應第一增益模式的第一輸出信號。當控制信號為第一電平(level)時，第一放大單元導通，且控制信號為第二電平時，第一放大單元不導通。
第二放大單元用以提供第二增益模式。第二放大單元包括第二輸入端以及第二輸出端。第二輸出端，連接第一輸出端，用以輸出對應第二增益模式的第二輸出信號。另外，開關單元串接於第一輸入端以及第二輸入端之間。當開關單元不導通，且控制信號為第一電平時，增益放大器系設定於第一增益模式，而當開關單元導通，且控制信號為第二電平時，增益放大器系設定於第二增益模式。增益放大器還包括第一匹配單元，連接於第一輸入端，用以調整增益放大器設定於第一增益模式的第一輸入阻抗；以及第二匹配單元，連接於電晶體以及第二輸入端之間，用以調整增益放大器設定於第二增益模式的第二輸入阻抗。第一輸入端還連接一個偏壓電流源。因此，可根據輸入信號大小，切換于于高增益模式以及低增益模式，以避免輸出信號失真。
根據本發明的目的，還提供一種可切換式增益放大器，可切換於第一增益模式以及第二增益模式之間。增益放大器包括第一放大單元、第二放大單元、以及開關單元。第一放大單元用以提供第一增益模式。第一放大單元包括第一電晶體以及第三電晶體。第一電晶體包括第一輸入端用以接收輸入信號；而第三電晶體，與第一電晶體疊接。第三電晶體包括第一控制端，用以接收第一控制信號；以及第一輸出端，用以輸出對應第一增益模式的第一輸出信號。當第一控制信號為第一電平時，第三電晶體導通，且當第一控制信號為第二電平時，第三電晶體不導通。
第二放大單元用以提供第二增益模式。第二放大單元包括第二電晶體以及第四電晶體。第二電晶體包括第二輸入端；而第四電晶體與第二電晶體疊接。第四電晶體包括第二控制端，用以接收第二控制信號；以及第二輸出端，連接第一輸出端，用以輸出對應第二增益模式的第二輸出信號。當第二控制信號為第一電平時，第四電晶體導通，且當第二控制信號為第二電平時，第四電晶體不導通。開關單元串接於第一輸入端以及第二輸入端之間。當開關單元不導通，第一控制信號為第一電平，且第二控制信號為第二電平時，增益放大器系設定於第一增益模式，而當開關單元導通，第一控制信號為第二電平，且第二控制信號為第一電平時，增益放大器系設定於第二增益模式。第一電晶體以及第二電晶體的規格相同，且第三電晶體以及第四電晶體的規格相同。
第一電晶體包括第一基極、第一射極、以及第一集極。第一基極連接第一輸入端，且第一射極連接第一電感。第三電晶體包括第三基極、第三射極、以及第三集極。第三基極連接第一控制端；第三射極連接第一集極，且第三集極連接第一輸出端。第二電晶體包括第二基極、第二射極、以及第二集極。第二基極連接第二輸入端，且第二射極連接第二電感。第四電晶體包括第四基極、第四射極、以及第四集極。第四基極連接第二控制端；第四射極連接第二集極；而第四集極連接第二輸出端。第一輸入端還連接一個偏壓電流源。利用疊接式的第一放大單元及第二放大單元，並配合開關單元，可將增益放大器切換於第一增益模式及第二增益模式，以避免輸出信號失真。同時系統可操作的信號頻寬更大，且輸入阻抗及輸出阻抗的隔離度亦較佳。
為讓本發明的上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一優選實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。
圖1繪示現有增益放大器的線路結構圖；以及圖2繪示依照本發明一優選實施例增益放大器的線路結構圖。
附圖標記說明100、200增益放大器 110旁通線路120偏壓線路 122電流源210第一放大單元 211第一電晶體213第三電晶體220第二放大單元222第二電晶體224第四電晶體230開關單元 240第一匹配單元250第二匹配單元 260偏壓電流源具體實施方式
本發明的主要重點在於使用兩個疊接式放大單元，以分別提供一個高增益模式以及一個低增益模式。利用開關單元串接於兩個放大單元的輸入端，並配合控制各個放大單元的控制信號，即可根據輸入信號大小，將增益放大器切換於所需的高增益模式以及低增益模式。因此，增益放大器於不同的增益模式下皆可擁有良好的線性度。
請參考圖2，其繪示依照本發明一優選實施例增益放大器的線路結構圖。增益放大器200，例如是位於射頻接收器前級的低噪音放大器，其包括第一放大單元210以及第二放大單元220，用以分別提供一個高增益模式以及一個低增益模式。第一放大單元210包括形成疊接的第一電晶體211以及第三電晶體213，且第二放大單元220包括形成疊接的第二電晶體222以及第四電晶體224。第一電晶體211、第二電晶體222、第三電晶體213、以及第四電晶體224例如皆為n溝道的BJT電晶體。第一電晶體211包括第一基極B1，用以接收射頻輸入信號Rfi；第一射極E1，用以串接第一電感L1；以及第一集極C1，因而形成一個共射極放大器。第三電晶體213包括第三基極B3，用以接收第一控制信號S1；第三射極E3，連接上述的第一集極C1；以及第三集極C3，連接第三電感L3，用以輸出對應高增益模式的第一輸出信號Rfo1。當第一控制信號S1為高電平時，第三電晶體213導通，且當第一控制信號S1為低電平時，第三電晶體213不導通。上述的第一電感L1用以調整第一放大單元210的增益值Gain，以提供高增益輸出。例如L1為0.6nH，且L3為5nH時，Gain＝18dB。
另外，第二電晶體222包括第二基極B2；第二射極E2，用以串接第二電感L2；以及第二集極C2，因而形成一個共射極放大器。第四電晶體224包括第四基極B4，用以接收第二控制信號S2；第四射極E4，用以連接第二集極C2；以及第四集極C4，連接第三集極C3，用以輸出對應低增益模式的第二輸出信號Rfo2。第二電感L2用以調整第二放大單元220的增益值Gain，以提供低增益輸出(約為0dB～10dB)。例如L2為1.6nH，且L3為5nH時，Gain＝0dB。當第二控制信號S2為高電平時，第四電晶體224導通，且當第二控制信號S2為低電平時，第四電晶體224不導通。增益放大器200包括開關單元230，串接於第一基極B1以及第二基極B2之間。開關單元230例如是一個N型金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor)場效應電晶體(或稱作NMOS電晶體)，其柵極G接收第三控制信號S3。當控制信號S3為高電平時，開關單元230導通，而當控制信號S3為低電平時，開關單元230不導通。上述的射頻信號Rfi亦可以由第二電晶體222輸入。
上述的增益放大器200還包括第一匹配(Match)單元240，設置於開關單元230與第一基極B1接點A的前端，用以調整增益放大器200切換至高增益模式時的輸入阻抗；以及第二匹配單元250，連接於開關單元230以及第二基極G2之間，用以調整增益放大器200切換至低增益模式時的輸入阻抗，使得高增益模式以及低增益模式下的放大器輸入阻抗一致。第一匹配單元240以及第二匹配單元250由調整阻抗元件，例如是電阻、電容及電感等所組成。第二匹配單元250例如是0.5pF～0.8pF的電容。增益放大器200包括一個偏壓電流源(Biasing Current Source)260，提供第一電晶體211以及第二電晶體222操作所需的基極電流。
如上所述，當射頻信號Rfi為小信號輸入時，第二及第三控制信號S2、S3設定為低電平，且第一控制信號S1設定為高電平。此時，開關單元230與第四電晶體皆不導通，而第三電晶體213則為導通狀態。因此，射頻信號Rfi只能輸入第一放大單元210，而無法輸入第二放大單元220，使得增益放大器200處於高增益模式，因而輸出的放大信號Rfo1能保留原輸入信號Rfi的性質不失真。而當射頻信號Rfi為大信號輸入時，第二及第三控制信號S2、S3切換至高電平，且第一控制信號S1切換至低電平。此時，開關單元230以及第四電晶體224皆導通，且第三電晶體213不導通。因此，射頻信號Rfi只能輸入第二放大單元220，使得增益放大器200切換至低增益模式。雖然，低增益模式下輸出的信號Rfo2增益值較小，但已足夠提供射頻接收器本身不錯的接收靈敏度，同時輸出信號Rfo2仍可以不失真。
另外，本發明的另一個特點在於第一及第二放大單元210、220分別使用了形成疊接的兩個電晶體(211、213)以及(222、224)，使得射頻接收器可操作的信號頻寬更大，且此種設計的放大器對輸入阻抗及輸出阻抗的隔離度(Isolation)更佳，並可獲得更大的電壓增益Gain。第一電晶體211與第三電晶體213的規格相同，而第二電晶體222與第四電晶體224的規格相同。當增益放大器200切換至高增益模式時，開關單元230不導通，同時第四電晶體224也設定於斷路狀態。如此，可確保第二及第四電晶體222、224不會像現有的電晶體T1，於開關S1斷路時仍形成電容，因而影響增益放大器200的輸出阻抗匹配。而且第三集極C3以及第四集極C4更透過共用的第三電感L3串接至電壓VDD，使得增益放大器200不論處於高增益模式或是低增益模式的輸出阻抗皆相同。
就輸入阻抗而言，由於第一及第二放大單元210、220所使用的第一電感L1與第二電感L2大小不同，而且輸入信號Rfi在輸入第二放大單元220之前會先經過開關單元230。因而造成增益放大器200處於高增益模式以及低增益模式的輸入阻抗不一致。為了配合增益放大器前級元件所需要的輸出阻抗值，上述的第一匹配單元240用以調整高增益模式操作下的輸入阻抗值，而上述的第二匹配單元250則用以調整低增益模式下操作的輸入阻抗值，使得增益放大器200不論處於高增益模式或是低增益模式皆可達到一致的輸入阻抗。
根據上述的優選實施例，本發明具有下列幾個優點1.利用兩個放大單元配合開關單元，可根據輸入信號大小，切換於高增益模式以及低增益模式，不僅提供所需的信號增益，同時保持增益放大器的高線性度。
2.利用兩個疊接式放大器以分別提供高增益模式及低增益模式，對輸入阻抗及輸出阻抗有較佳隔離度，且系統可操作的信號頻寬更大。兩個疊接式放大器規格相同，且其輸出端共用一個負載電感，使得增益放大器操作於兩個不同增益模式的輸出阻抗一致。
3.利用兩個放大單元以分別提供高增益模式及低增益模式，並使用MOS電晶體作開關單元，串接於兩個放大單元輸入端之間，可提供效果更佳的開關切換。而且使用匹配單元調整增益放大器的輸入阻抗，使得增益放大器操作於兩個不同增益模式的輸入阻抗一致。
4.增益放大器中兩個放大單元的輸出端共用一個負載電感，而且其輸入端也共用一個偏壓電流源，可有效縮小電路布局使用的面積。
綜上所述，雖然本發明已以一優選實施例公開如上，但是其並非用以限定本發明，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當以所附的權利要求所確定的為準。
權利要求
1.一種可切換式增益放大器，可切換於一第一增益模式以及一第二增益模式之間，該增益放大器包括一第一放大單元，用以提供該第一增益模式，該第一放大單元包括一第一輸入端，用以接收一輸入信號；一控制端，用以接收一控制信號；以及一第一輸出端，用以輸出對應該第一增益模式的一第一輸出信號，其中當該控制信號為一第一電平時，該第一放大單元導通，且當該控制信號為一第二電平時，該第一放大單元不導通；一第二放大單元，用以提供該第二增益模式，該第二放大單元包括一第二輸入端；一第二輸出端，連接該第一輸出端，用以輸出對應該第二增益模式的一第二輸出信號；以及一開關單元，串接於該第一輸入端以及該第二輸入端之間；其中當該開關單元不導通，且該控制信號為該第一電平時，該增益放大器系設定於該第一增益模式，而當該開關單元導通，且該控制信號為該第二電平時，該增益放大器系設定於該第二增益模式。
2.如權利要求1所述的增益放大器，其中該第一增益模式為一高增益模式，且該第二增益模式為一低增益模式。
3.如權利要求1所述的增益放大器，其中該第一放大單元包括一n溝道雙極結電晶體，該雙極結電晶體的基極連接該控制端，而且第一電平為一高電平，該第二電平為一低電平。
4.如權利要求1所述的增益放大器，其中該開關單元為一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，且當該電晶體的柵極具有一高電壓電平時，該開關單元導通，而當該電晶體的柵極具有一低電壓電平時，該開關單元不導通。
5.如權利要求1所述的增益放大器，其中該增益放大器包括一第一匹配單元，連接於該第一輸入端，用以調整該增益放大器設定於該第一增益模式的一第一輸入阻抗；以及一第二匹配單元，連接於該開關單元以及該第二輸入端之間，用以調整該增益放大器設定於該第二增益模式的一第二輸入阻抗。
6.如權利要求1所述的增益放大器，其中該第一匹配單元以及該第二匹配單元為一調整阻抗元件。
7.如權利要求1所述的增益放大器，其中該第一放大單元包括一第一共射極放大器，該第一共射極放大器的基極連接該第一輸入端，且該第二放大單元包括一第二共射極放大器，該第二共射極放大器的基極連接該第二輸入端。
8.如權利要求7所述的增益放大器，其中該第一共射極放大器的射極串接一第一電感，用以調整該第一放大單元的一第一增益值，且該第二共射極放大器的射極串接一第二電感，用以調整該第二放大單元的一第二增益值。
9.如權利要求8所述的增益放大器，其中該第一輸入端連接一偏壓電流源，用以提供該第一共射極放大器以及該第二共射極放大器操作所需的基極電流。
10.一種可切換式增益放大器，可切換於一第一增益模式以及一第二增益模式之間，該增益放大器包括一第一放大單元，用以提供該第一增益模式，該第一放大單元包括一第一電晶體，包括一第一輸入端，用以接收一輸入信號；以及一第三電晶體，與該第一電晶體疊接，該第三電晶體包括一第一控制端，用以接收一第一控制信號；以及一第一輸出端，用以輸出對應該第一增益模式的一第一輸出信號，其中當該第一控制信號為一第一電平時，該第三電晶體導通，且當該第一控制信號為一第二電平時，該第三電晶體不導通；一第二放大單元，用以提供該第二增益模式，該第二放大單元包括一第二電晶體，包括一第二輸入端；以及一第四電晶體，與該第二電晶體疊接，該第四電晶體包括一第二控制端，用以接收一第二控制信號；以及一第二輸出端，連接該第一輸出端，用以輸出對應該第二增益模式的一第二輸出信號，其中當該第二控制信號為該第一電平時，該第四電晶體導通，且當該第二控制信號為一第二電平時，該第四電晶體不導通；以及一開關單元，串接於該第一輸入端以及該第二輸入端之間；其中當該開關單元不導通，該第一控制信號為該第一電平，且該第二控制信號為該第二電平時，該增益放大器系設定於該第一增益模式，而當該開關單元導通，該第一控制信號為該第二電平，且該第二控制信號為該第一電平時，該增益放大器系設定於該第二增益模式。
11.如權利要求10所述的增益放大器，其中該第一增益模式為一高增益模式，且該第二增益模式為一低增益模式。
12.如權利要求10所述的增益放大器，其中該第一電晶體以及該第二電晶體的規格相同，且該第三電晶體以及該第四電晶體的規格相同。
13.如權利要求10所述的增益放大器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體以及該第四電晶體皆為一雙極結電晶體。
14.如權利要求13所述的增益放大器，其中該第一電晶體包括一第一基極，連接該第一輸入端；一第一射極，連接一第一電感；以及一第一集極，且該第三電晶體包括一第三基極，連接該第一控制端；一第三射極，連接該第一集極；以及一第三集極，連接該第一輸出端。
15.如權利要求14所述的增益放大器，其中該第二電晶體包括一第二基極，連接該第二輸入端；一第二射極，連接一第二電感；以及一第二集極，且該第四電晶體包括第四基極，連接該第二控制端；一第四射極，連接該第二集極；以及一第四集極，連接該第二輸出端。
16.如權利要求15所述的增益放大器，其中該第一輸入端連接一偏壓電流源，用以提供該第一電晶體以及該第二電晶體操作所需的基極電流。
17.如權利要求10所述的增益放大器，其中該第一電平為一高電平，且該第二電平為一低電平。
18.如權利要求10所述的增益放大器，其中該開關單元為一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，且當該電晶體的柵極具有一高電壓電平時，該開關單元導通，而當該電晶體的柵極具有一低電壓電平時，該開關單元不導通。
19.如權利要求10所述的增益放大器，其中該增益放大器還包括一第一匹配單元，連接於該第一輸入端，用以調整該增益放大器設定於該第一增益模式的一第一輸入阻抗；以及一第二匹配單元，連接於該開關元件以及該第二輸入端之間，用以調整該增益放大器設定於該第二增益模式的一第二輸入阻抗。
20.如權利要求19所述的增益放大器，其中該第一匹配單元以及該第二匹配單元為一調整阻抗元件。
全文摘要
本發明公開一種可切換式增益放大器，包括第一放大單元、第二放大單元、以及開關單元。第一放大單元包括第一輸入端、控制端、以及第一輸出端。第一輸入端用以接收輸入信號；控制端用以接收控制信號；而第一輸出端則用以輸出對應第一增益模式的第一輸出信號。第二放大單元包括第二輸入端、以及第二輸出端。第二輸出端連接第一輸出端，用以輸出對應第二增益模式的第二輸出信號，且開關單元串接於第一輸入端以及第二輸入端之間。當開關單元不導通且控制信號為第一電平時，增益放大器設定於第一增益模式，而當開關單元導通且控制信號為第二電平時，增益放大器設定於第二增益模式。
文檔編號H03F3/19GK1641998SQ20041000196
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月16日 優先權日2004年1月16日
發明者陳柏佑, 魏淑芬 申請人:絡達科技股份有限公司