低噪聲放大器的製作方法

2023-11-04 15:36:37 1

專利名稱：低噪聲放大器的製作方法
技術領域：
本發 明涉及一種用於電子電路的低噪聲放大器，更具體地，涉及一種提供可變 增益的寬帶可調諧低噪聲放大器。
背景技術：
低噪聲放大器(LNA)用於放大由天線接收到的通常較弱的信號。用於噪聲係數 的弗裡斯(Friis)公式確定了系統中組件陣列的總噪聲係數，其結果是接收器前端的噪聲 貢獻(contribution)是最關鍵的。在天線接收信號之後立即採用低噪聲放大器用於通過例 如混頻器或者信號通過的其它組件來最小化隨後的噪聲係數貢獻。「 Wide-Band CMOS Low-Noise Amplifier Exploiting Thermal NoiseCancelling」 (Bruccoleri, F, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.39, No.2, February 2004，pp.275_282)介紹了一種尤其有效的噪聲消除技術的實例，其中(見圖1) 反相放大器級1的增益被設置為與電阻3和5的分壓效果相同(注意電阻5是源阻抗，例 如天線的阻抗，其位於放大器外部)；其結果是MOSFET 7貢獻的噪聲被求和級9消除。 本質上，該噪聲被前向反饋並且通過將該噪聲與反相的前向反饋噪聲求和而被消除。圖2示出了利用該噪聲消除技術的LNA的(簡化的)示意圖。本質上，在輸出 11處以消除MOSFET 13和15的熱噪聲貢獻的方式對自點X和Y起的路徑進行求和(通 過源極跟隨器MOSFET 17和增益級MOSFET 19和21)。在通信領域中，目前根據應用採用了從低兆赫區到高千兆赫區範圍的一系列廣 泛的無線電標準。例如，FM無線電一般在87.5 108.0MHz的範圍工作，而西歐電視 通常在450 900MHz的範圍工作。無線網絡協議在更高的頻率工作，其中藍牙在2.4 2.4835GHz的範圍工作。WiFi在相同的範圍(即2.4GHz)工作，而長距離WiFi也可使 用5和IOGHz模式。圖3是能夠在多個不同頻帶工作的傳統多標準系統的簡化框圖。其通常要求多 個天線(例如，Al、A2、A3)通過多個輸入引腳(例如，II、12、13)連接到適當配置 或設計的LNA (例如，LNAl、LNA2、LNA3)的。開關S用於選擇使哪個信號通過至混 頻器M從而進行放大。由於無線電標準的廣泛性，人們希望開發一種能夠在所有(或者至少大量)可用 範圍內接收信號的單一RF調諧器。然而，這並不容易實現——調諧器必須具有低噪聲系 數以達到各種標準和協議所要求的靈敏度，並且必須在該範圍中的所有頻率上可實現。 此外，該調諧器必須呈現出高線性和適當的濾波性，以在出現(對於很多寬帶系統)大量 存在的幹擾信號的情況下工作。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種低噪聲放大器，其能夠在寬頻率範圍內接 收信號。
本發明的另一目的是提供一種低噪聲放大器，用於提供可調諧的濾波來從寬頻 率範圍中去除帶幹擾信號。本發明的又一目的是提供一種低噪聲放大器，其提供用於寬頻率範圍的可變增益。根據本發明的第一方面，提供了一種用於射頻調諧器的低噪聲放大器電路，該 電路包括輸入級，用於接收信號；放大器級，用於放大信號；以及放大器級包括兩個增益級；其中，該電路還包括第一控制裝置，以控制輸入級的電壓增益；以及第二控制 裝置，適於響應於電壓增益的變化來控制兩個增益級之間的關係。為了適應低噪聲放大器電路中的可變增益，響應於輸入級中的增益的改變來控 制兩個增益級之間的關係。最優選地，兩個增益級被配置為移除信號中出現的噪聲。可選地，增益級是公共源增益級。可選地，增益級中的一個或者兩個包括多個放大器級。最優選地，第一個增益級使信號和信號上的噪聲放大並反相，以及第二個增益 級使信號上的噪聲和反相的信號放大並反相，使得當所述兩個增益級的輸出被消減時， 信號被放大並且噪聲被移除。本發明具有下述具體的應用其中增益級用於噪聲消除，其使得即使在輸入增 益被改變時仍能維持低噪聲放大器電路的噪聲消除操作。其還允許在系統中適應更大的 信號擺動而不損失線性。優選地，輸入級包括電壓分壓器，該電壓分壓器包括可變電阻，該可變電阻被 配置為允許輸入級的電壓增益變化。優選地，該第一控制裝置適於控制可變電阻。最優選地，該輸入級還包括電流源。可選地，該第一控制裝置適於控制該電流源。最優選地，電流源被配置為使得該電流源的輸出的變化導致輸入級的阻抗的變 化。優選地，第二控制裝置適於改變兩個增益級中的一個或兩個的至少一部分的跨導。優選地，第二控制裝置維持兩個增益級中的每一個的至少一部分的跨導的比 例。優選地，第二控制裝置適於響應於輸入級的電壓增益的變化來調節兩個增益級 的跨導的比例。優選地，第二控制裝置與輸入級中的分壓器的調節直接相關地調節兩個增益級 的跨導的比例。優選地，該兩個增益級中的一個或兩個包括電晶體。優選地，該電路還包括控制器，該控制器包括第一控制裝置和第二控制裝置中的一個或兩個。該控制器可以是微處理器、DSP或FPGA。優選地，該電路還包括取決於頻率的負載(frequency dependent load)。優選地，該取決於頻率的負載包括多個諧振塊(tank)，每個被配置為允許預定頻率範圍處的低噪聲放大。優選地，該取決於頻率的負載包括一個或多個開關，該一個或多個開關用於選 擇一個或多個諧振塊以實現粗頻率調諧。優選地，至少一個該諧振塊包括電感器和電容器。可選地，至少一個該諧振塊包括電阻器和電容器。最優選地，電容器的電容是可變的，以實現細頻率調諧。可替換地，電感是可調節的，以實現細頻率調諧。進一步可替換地，電阻是可調節的，以實現細頻率調諧。可選地，該電路還包括線性監控器，用於監控輸入級和放大器級中的一個或兩 個的電流擺動。優選地，該線性監控器包括鏡像電晶體，被配置為呈現與輸入級中的電流擺動 基本上相同的電流擺動。優選地，該線性監控器監控鏡像電晶體中的電流擺動並響應於該電流擺動來控 制放大器級的增益。優選地，該線性監控器用於在電流擺動達到或超過預定上限閾值時減小放大器 級的增益。優選地，該線性監控器用於在電流擺動達到或減小到低於預定下限閾值時增加 放大器級的增益。最優選地，該線性監控器用於響應於電流擺動的幅度來控制放大器級的增益， 以維持放大器級在線性範圍內工作。可選地，該電路還包括q_增強電路。可選地，該q-增強電路包括連接至負載的交叉連接的差分電晶體對。優選地，該負載是取決於頻率的負載。優選地，該線性監控器還用於選擇性地將該q_增強電路應用至負載。優選地，該線性監控器用於根據電流擺動的幅度來將q_增強電路應用至負載。優選地，該線性監控器用於在電流擺動低於預定閾值時向負載選擇性地應用 q_增強電路。根據本發明的第二方面，提供了一種多標準調諧系統，包括第一方面的低噪聲 放大器電路。優選地，該系統包括至少一個用於接收一個或多個信號的接收器，該低噪聲放 大器電路被配置為優化用於一個或多個信號的至少一個頻率或一定頻率範圍的低噪聲工 作。優選地，該系統包括寬帶接收器。可替換地，該系統包括多個接收器和一個開關，該開關能夠從一個或多個接收 器中選擇一個輸入信號到低噪聲放大器電路。


現在將參照附圖僅以實例的方式來描述本發明，在附圖中圖1以示意方式示出了根據現有技術的噪聲消除技術；圖2以示意方式示出了在低噪聲放大器中採用的圖1的噪聲消除技術；圖3以示意方式示出了能夠在多個不同頻帶中工作的傳統多標準系統；

圖4以示意方式示出了根
圖5示出了圖4的低噪聲放大器的示例性頻率響應；圖6示出了採用根據本發明的低噪聲放大器的兩個多標準系統；圖7以示意方式示出了根據本發明的可替換的低噪聲放大器，其採用了線性監 控和Q-增強；以及圖8示出了圖7的低噪聲放大器中的示例性電流擺動特性以及所要求的閾值設置。
具體實施例方式參考圖4，示出了能夠消除噪聲且呈現可變增益和線性的低噪聲放大器101， 其具有可調諧的頻率響應和可調節的輸入阻抗。放大器101包括輸入級103，其呈現大 約Av = l-(gm.RVAR)的電壓增益，其中，§01是電晶體105和107的結合跨導(combined transconductance)，Rvar 是電阻器 109 的電阻。在該實施例中，電阻器109是可編程的。由於輸入級103中的點X和Y之間的 分壓效果由電阻器109和115的比例來控制，因此電阻器109的可編程(因而可變的)性 質使分壓效果可控。為了實現噪聲消除，公共源增益級111和113之間的關係(relationship)必須與該 分壓效果成比例。因此，各電晶體113和111的比例必須響應於可編程電阻器109的電 阻變化而變化。這通過控制電晶體111、113的跨導來實現。可以控制可變跨導的一種方法是以改變電晶體111和113之間的比例的方式，在 與電晶體111和113並聯的多個電晶體中進行切換。開關可以類似於125、127、129。 本領域技術人員將容易地獲得存在的實現該效果的其它方法，其中可包括改變電晶體自 身的偏壓條件。圖4(a)示出了能夠通過控制電阻器109和電晶體111、113而實現的增益變化的實例。為了實現噪聲消除，低噪聲放大器採用取決於頻率的負載117。其包括能夠通 過各開關125、127、129被選擇性地引入到電路101中的一系列(本實施例中為三個)負 載119、121、123。這提供了基於目標頻率粗調諧負載的方法。可以通過使用可變電容 器131、133、135改變電容負載來實現細調諧。可以基於低噪聲放大器101將要工作的 RF標準來改變負載的數量。在RF應用中，允許基於頻率來選擇負載使寬頻帶範圍內不 期望的幹擾顯著衰減，這是很有利的。圖5(b)示出了通過改變電容負載131和/或133而允許的調諧的頻率響應的實 例。因此增益曲線可以被位移以與目標信號(或多個信號)的中心頻率相符合，以將實現的增益最大化。應注意，電容負載135呈現與圖5(b)不同的低通響應。之後，可分別使用差分輸出對141-143、151-513和161-163，或者通過單一輸 出級切換，來組合兩個或更多個差分輸出，以實現期望的輸出。如上所述，輸入級103應呈現低噪聲係數。然而，大體上，如果不折損高功率 端處的線性響應，低功率信號和高功率信號兩者都很難維持。為了增加高端處的線性， 有時會期望增加功耗或折損噪聲性能。在該實施例中，通過使用也可以編程的電流源137 來實現。從源137增加電流使得電晶體105、107、111、113適應更大的信號擺動而沒有 線性損失。此外，由於電晶體111、113的跨導之間的關係仍然恆定，故也可以在保持噪 聲消除效果的同時實現。電流源137的可編程性質的另一個優點是可以實現輸入級103和信號源(例如， 天線)的阻抗匹配。通過調節電流，可以調節電晶體105、107的跨導；由於阻抗與晶體 管105、107的跨導成反比，增加電流就減小了輸入級103的阻抗。圖6示出了兩個多標準系統61A和61B，其用於與圖3進行對比。圖3的系統 要求具體用於每一個天線的一個LNA，而系統61A、61B僅要求一個單一的LNA 101， 對應於圖3中所示的LNA。這不僅減小了例如調諧器中要求的子系統數量，還直接產生 了在更大的電路布置中調諧器要求更小佔地的結果(更多LNA要求更大的模具來容納它 們)，並且還僅要求單一的輸入引腳，而不是為不同的協議所需要的每一個LNA準備一 個引腳。系統61A(圖6(a))包括寬帶天線205，其能夠在整個寬頻率範圍接收信號。接 收的信號(多個信號)在到達LNA 101之前通過可選的濾波器204。根據上述對圖4的描 述，LNA 101是可編程的，以允許整個寬頻率範圍上的低噪聲放大。因此調諧LNA 101 以用於在特定的頻率或頻帶(與寬帶天線205捕獲的其它頻率隔離)上工作。之後，放 大的信號傳輸至混頻器210和可變增益放大器203，然後，作為輸入傳輸至另一隨後的系 統 207。系統61B(圖6(b))與系統61A的不同在於，其包括多個天線205A、205B、 205C，這些天線在比系統61A的寬帶天線205窄的頻帶中工作。開關209用於選擇從哪 個天線205A、205B、205C來獲取信號，並且提供一種在多個協議之間進行切換的簡單
方式。 圖7示出了可替換的低噪聲放大器電路701。為了示例目的，通過固定負載 719，該LNA 701被配置為在單一的頻帶上使用。該電路701採用了線性監控和已知為Q-增強的技術，以增強低信號電平處的性 能。應理解，LNA 701是由通過電晶體705、707、711、713 (對應於圖4的LNA中的 105、107、111、113)的電流擺動進行限制的。在多標準應用中，LNA 701可能必須要適 應整個寬頻率範圍和寬幅度範圍上的信號。當目標信號是高功率時，優選低增益以避免 進入到放大器的非線性工作範圍。相反地，如果信號是低功率的，則優選較高的增益。因此，採用線性監控器737來優化LNA 701的增益。電晶體705、707、711、 713中的電流擺動應該被維持在特定限制之下，以維持在線性工作範圍之內。由於電晶體 705、707、711、713之間的關係(電晶體705和707中的電流將在很大程度上相同，並且 電晶體705、711和713彼此成比例關係以維持最優的噪聲消除)，每個器件705、707、711、713上的百分比擺動將是可比較的。增加與器件705以相同比例的電流擺動工作的 鏡像器件，電晶體714。該電流擺動，更具體地，峰值電流擺動，由線性監控器737檢 測，並且對其進行響應以控制增益。如果電晶體714上的電流擺動很大，則線性監控器 737在威脅進入到非線性時可以減小增益。相反，如果電晶體714上的電流擺動很小，則 可以安全地增加增益。當線性監控器737檢測到電晶體714上的電流擺動很小時(對應於低功率信 號)，其可以選擇性地啟動LNA 701中的Q-增強電路739。在該實例中，Q-增強電路 739包括補償負載719中的損失的交叉連接電晶體對。因此可以改善負載719的質量因數 (在該實例中為LC諧振塊)。對於其中很可能存在可以由(有損耗)開關選擇的一定數 量的這種負載的多標準應用，可以為每個負載提供其自身的Q-增強電路，以改善整體的 質量因數。已知該交叉連接對可以在出現大信號時減弱低噪聲放大器的線性並引起失真。 然而，可以通過根據輸入信號的大小選擇性地啟動Q-增強電路來克服該限制(即，當應 用Q-增強時使用監控的信號擺動來控制，以避免折損線性)。其在圖8中被示意性地示 出，並且對於寬帶RF系統(其期望靈敏度和線性要求的較大變化，並且系統必須能夠適 應快速改變的信號強度)尤其有用。圖8(a)示出了電晶體714上的電流擺動在最小閾值以下的情況。在該情況中， 可以使能Q-增強並且可以增加增益。圖8(b)示出了電晶體714上的電流擺動在最大閾 值以上的情況。在該情況中，可以禁用Q-增強(如果其已被使能)並且應該減小增益。 圖8(c)示出了電晶體714上的電流擺動處於閾值限制之內的情況，此時關斷Q-增強以避 免任何信號失真。在不背離如所附權利要求限定的本發明的範圍的情況下，可以增加其它的 改變 和改善。
權利要求
1.一種用於射頻調諧器的低噪聲放大器電路，所述電路包括輸入級，用於接收信號；放大器級，用於放大所述信號；以及所述放大器級包括兩個增益級；其中，所述電路還包括第一控制裝置，以控制所述輸入級的電壓增益；以及第二控 制裝置，適於響應於所述電壓增益的變化來控制所述兩個增益級之間的關係。
2.根據權利要求1所述的低噪聲放大器電路，其中，所述兩個增益級被配置為移除所 述信號中出現的噪聲。
3.根據權利要求1或2所述的低噪聲放大器電路，其中，所述兩個增益級是公共源增 益級。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述兩個增益級 中的一個或者兩個包括多個放大器級。
5.根據上述權利要求中的任意一項所述的低噪聲放大器電路，其中，第一個所述增 益級使所述信號和所述信號上的噪聲放大並反相，以及第二個所述增益級使所述信號上 的噪聲和所反相的信號放大並反相，使得當所述兩個增益級的輸出被消減時，所述信號 被放大並且所述噪聲被移除。
6.根據上述權利要求中的任意一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述輸入級包 括電壓分壓器，所述電壓分壓器包括可變電阻，所述可變電阻被配置為允許所述輸入級 的所述電壓增益變化。
7.根據權利要求6所述的低噪聲放大器，其中，所述第一控制裝置適於控制所述可變 電阻。
8.根據上述權利要求中的任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述輸入級還包 括電流源。
9.根據權利要求8所述的低噪聲放大器，其中，所述第一控制裝置適於控制所述電流源。
10.根據權利要求8或9所述的低噪聲放大器電路，其中，所述電流源被配置為使得 所述電流源的輸出的變化導致所述輸入級的阻抗的變化。
11.根據上述權利要求中的任意一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述第二控制 裝置適於改變所述兩個增益級中的一個或兩個的至少一部分的跨導。
12.根據權利要求11所述的低噪聲放大器電路，其中，所述第二控制裝置維持所述兩 個增益級中的每一個的至少一部分的跨導的比例。
13.根據權利要求11或12所述的低噪聲放大器，其中，所述第二控制裝置適於響應 於所述輸入級的所述電壓增益的變化來調節所述兩個增益級的所述跨導的比例。
14.根據權利要求13所述的低噪聲放大器電路，其中，所述第二控制裝置與所述輸入 級中的所述分壓器的調節直接相關地調節所述兩個增益級的跨導的比例。
15.根據上述權利要求中的任意一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述電路還包 括控制器，所述控制器包括所述第一控制裝置和所述第二控制裝置中的一個或兩個。
16.根據上述權利要求中的任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述電路還包括 取決於頻率的負載。
17.根據權利要求16所述的低噪聲放大器電路，其中，所述取決於頻率的負載包括多 個諧振塊，每個諧振塊均被配置為允許預定頻率範圍處的低噪聲放大。
18.根據權利要求17所述的低噪聲放大器電路，其中，所述取決於頻率的負載包括一 個或多個開關，所述一個或多個開關用於選擇所述多個諧振塊中的一個或多個，以實現粗頻率調諧。
19.根據權利要求17或18所述的低噪聲放大器電路，其中，所述多個諧振塊中的至 少一個包括電感器和電容器。
20.根據權利要求17至19中任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述多個諧振 塊中的至少一個包括電阻器和電容器。
21.根據權利要求19或20所述的低噪聲放大器電路，其中，所述電容器的電容是可 變的，以實現細頻率調諧。
22.根據權利要求19或引用權利要求19時的權利要求21所述的低噪聲放大器電路， 其中，所述電感是可調節的，以實現細頻率調諧。
23.根據權利要求20或引用權利要求20時的權利要求21所述的低噪聲放大器電路， 其中，所述電阻是可調節的以實現細頻率調諧。
24.根據上述權利要求中的任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述電路還包括 線性監控器，所述線性監控器用於監控所述輸入級和所述放大器級中的一個或兩個的電 流擺動。
25.根據權利要求M所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控器包括鏡像晶體 管，所述鏡像電晶體被配置為呈現與所述輸入級中的電流擺動基本上相同的電流擺動。
26.根據權利要求25所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控器監控所述鏡像 電晶體中的電流擺動並響應於所述電流擺動控制所述放大器級的增益。
27.根據權利要求25或沈所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控器用於在 所述電流擺動達到或超過預定上限閾值時減小所述放大器級的增益。
28.根據權利要求25至27中任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控 器用於在所述電流擺動達到或減小到低於預定下限閾值時增加所述放大器級的增益。
29.根據權利要求25至觀中任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控 器用於響應於所述電流擺動的幅度來控制所述放大器級的增益，以維持所述放大器級在 線性範圍內工作。
30.根據上述權利要求中的任一項所述的低噪聲放大器電路，其中，所述電路還包括 q_增強電路。
31.根據權利要求30所述的低噪聲放大器電路，其中，所述q_增強電路包括連接至 負載的交叉連接的差分電晶體對。
32.根據引用權利要求M至四中任一項時的權利要求31所述的低噪聲放大器電路， 其中，所述線性監控器還用於將所述q_增強電路選擇性地應用至所述負載。
33.根據權利要求32所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控器適於根據所述 電流擺動的幅度將所述q_增強電路應用至所述負載。
34.根據權利要求33所述的低噪聲放大器電路，其中，所述線性監控器適於在所述電 流擺動低於預定閾值時將所述q_增強電路選擇性地應用至所述負載。
35.一種多標準調諧系統，包括根據權利要求1至34中任一項所述的低噪聲放大器電路。
36.根據權利要求35所述的多標準調諧系統，其中，所述系統包括至少一個接收器， 用於接收一個或多個信號，所述低噪聲放大器電路被配置為優化用於所述一個或多個信 號中的至少一個頻率或頻率範圍的低噪聲工作。
37.根據權利要求35或36所述的多標準調諧系統，其中，所述系統包括寬帶接收ο
38.根據權利要求35或36所述的多標準調諧系統，其中，所述系統包括多個接收器 和一個開關，所述開關能夠從一個或多個所述接收器中選擇一個輸入信號到所述低噪聲 放大器電路。
全文摘要
一種寬帶可調諧低噪聲放大器，其能夠在寬頻率範圍中接收信號，提供可調諧的濾波，以移除帶幹擾信號，並且提供用於寬頻率範圍的可變增益。為了適應可變增益，低噪聲放大器具有包括兩個增益級的放大器級，並且響應於輸入級的電壓增益的改變來控制增益級之間的關係。可以採用與q-增強結合的線性監控來增加低信號電平處的性能。
文檔編號H03G1/00GK102027673SQ200980113570
公開日2011年4月20日 申請日期2009年3月25日 優先權日2008年4月18日
發明者大衛·威爾森 申請人:伊洛尼克斯有限公司