可調增益放大器的製作方法

2023-05-25 03:25:36

專利名稱：可調增益放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及可調增益放大器，尤其適合用於將多個放大器級聯起來獲得 大增益的可調範屈的可調增益放大器。
背景技術：
通常，在無線電接收機等的無線通信裝置中，為調整接收信號的增益，
設有自動增益控制(Automatic Gait Control,以下簡記為"AGC")迴路。 設在高頻波段的射頻(Radio Frequency,以下簡記為"RF" ) -AGC迴路，調 整天線接收到的高頻信號(天線輸入信號)的增益，將接收信號的強度保持 在一定水平上。RF-AGC可以通過控制天線衰減迴路的衰減量和低噪聲放大器 (Low Noise Amplifier,以下簡記為"LNA")等的增益實現。
尤其，在裝於車載機或行動電話等移動載體中的無線電調諧器中，為了 與移動通信的大範圍接收電力強度相對應，期望增大LNA的可調增益範圍(動 態範圍)。比如接收電力強度比較小時，要求獲得高增益和低噪聲特性。另 一方面，接收電力強度比較大時，要求AGC的控制電壓與被其控制的增益分 貝成線性關係，即要求高線性。
為滿足上述兩個要求，得到大動態範圍，提出了將四個共射-共基 (cascode)放大器並聯連接，能根據接收電力強度連續切換上述共射-共基放 大器使用的可調增益低噪聲放大器(例如，參照非專利文獻l)。共射-共基放 大器本身由於輸出基本不會反饋到輸入，經常作為LNA使用。夏普技報第88號2004年4月發行[面向行動裝置的地 面數位電視l段調諧器](圖3-圖5)
在該非專利文獻l記載的可調增益低噪聲放大器中，採用通過控制流入 四個共射-共基放大器的基極電流Il， 12， 13， 14，連續切換放大器的迴路形 式。具體地說，隨著控制電壓上升，流入共射-共基放大器的基極電流I4— 13
—12 — Il以適當的比例連續變化的同時，同一時刻流入的總電流始終保 持為一恆定值。
如非專利文獻1中圖4所示，在控制電壓小於0. 8V的區域，僅有基極電流
14流動，只有一個共射-共基放大器動作。另一方面，在控制電壓大於或等 於O. 8V小於1. 2V的區域，兩處的基極電流I4和I3以適當的比例流動，兩個共 射-共基放大器動作。並且，該動作的兩個共射-共基放大器的輸出電流利用 阻抗負載被變換成電壓，各電壓經過疊加作為放大信號輸出。
上述非專利文獻l中的可調增益低噪聲放大器採用雙極型互補金屬氧化 物半導體(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor,以下簡記 為"BI-CMOS")工藝。若使用該BI-CM0S工藝，電壓增益20dB左右，噪聲指 數3dB左右的低噪聲放大器用一級共射-共基放大器可以實現。另外，因為共 射-共基放大器的輸出為阻抗負載，通過級聯多個共射-共基放大器的輸出 點，可以疊加各共射-共基放大器的輸出電壓。
與此相反，為了與最近的電晶體高速化，小型化，低耗電化的要求相對 應，期望通過CM0S工藝由微細化半導體構成與非專利文獻1的放大器相同性
能或更好性能的可調增益放大器。這種場合，採用一級共射-共基放大器實 現電壓增益20dB以上，噪聲指數3dB以下的低噪聲放大器是非常困難的。因
此，採用將多個共射-共基放大器多段級聯的方法。
然而，如非專利文獻l那樣採用一般阻抗負載的共射-共基放大器的場 合，在CMOS工藝中減小噪聲指數(NF)是非常困難的，由於不能獲得所希望 的NF，存在接收靈敏度惡化問題。於是，採用去噪型共射-共基放大器，代替 一般的共射-共基放大器，即使在CMOS工藝中也可能減小NF。
但是，使用去噪型共射-共基放大器的場合，因其輸出段為源極跟隨器 (source follower)形式，不能如阻抗負載的共射-共基放大器那樣將各共射 -共基放大器的輸出信號在輸出段進行疊加。因此，僅僅將CMOS工藝構成的 多個共射-共基放大器單純地並聯連接控制電流的話，並不能在保證良好的 NF的同時確保大動態範圍。
於是，本申請人發明並申請了以在CMOS工藝中確保大動態範圍，且滿足 良好的噪聲指數為目的的可調增益放大器(參照例如專利文獻l)。該專利
文獻l中記載的發明包括多個初級放大器，次級放大器，及可變電流源。所 述次級放大器與多個初級放大器後段連接，所述可變電流源控制流過多個初 級放大器的控制電流，使得同時流過的控制電流的總和為一定。日本專利申請2007-163695號
但是,專利文獻l中記載的發明，除了並聯連接的初級放大器以外，還需 要次級放大器。因此，存在由於次級放大器導致總消耗電流增大的問題。

發明內容
本發明就是為解決上述問題而提出來的，本發明的目的在於，提供在 CMOS工藝中滿足大動態範圍和良好的噪聲指數，且能極力抑制消耗電流增大
的可調增益放大器。
為了達到上述目的，本發明提出如下技術方案
(1) 一種可調增益放大器，其特徵在於
該可調增益放大器包括
多個初級放大器，相對一輸入並聯連接，根據流入各初級放大器的初級 用控制電流，實行放大動作；
幅度水平調節器，相對上述多個初級放大器的至少一部分，與該初級放 大器的輸入側連接，進行調節,使得輸入上述多個初級放大器的信號幅度水 平各不相同；
次級放大器，與上述多個初級放大器的後段連接，根據次級用控制電流 實行放大動作，上述多個初級放大器之中，連接不同時流入上述初級用控制 電流的初級放大器的輸出線之間，形成複數的合成輸出線，該複數的合成輸 出線分別與次級放大器的多個輸入端連接，使得從上述多個輸入端輸入的信 號分別放大，疊加放大的各信號輸出；
可變電流源，控制流入上述多個初級放大器的初級用控制電流以及流入 上述次級放大器的次級用控制電流；
其中，可變電流源進行控制,使得上述多個初級放大器之中，流入同時動 作的初級放大器的初級用控制電流的總和保持為一個恆定值，同時，使得次 級用控制電流流入上述次級放大器，所述次級用控制電流大小與上述流入初
級放大器的初級用控制電流成比例。
(2) 在上述(l)所述的可調增益放大器中，其特徵在於
上述多個初級放大器各自設有 第一放大器，使得輸入信號位相反相放大； 第二放大器，放大上述輸入信號；
其中，疊加上述第一放大器的輸出信號以及第二放大器的輸出信號輸出。
(3) 在上述(2)所述的可調增益放大器中，其特徵在於 上述多個初級放大器各自進一步設有開關手段，當從上述可變電流源不
提供初級用控制電流時，上述開關手段使得上述第一放大器和上述第二放大 器的動作斷開。
下面說明本發明的效果。
按照上述構成的本發明，連接即使構成初級放大器的電晶體的輸出段成 為源極跟隨器形式也不會同時流入初級用控制電流的初級放大器，即不會同 時動作的初級放大器的輸出線之間，因此，在該連接的合成輸出線中不實行 信號疊加。上述輸出信號通過複數的合成輸出線分別輸入次級放大器，同時 動作的初級放大器的輸出信號疊加在上述次級放大器進行。這樣，即使在 CMOS工藝的可調增益放大器中，也能確保大動態範圍。另外，流入多個初級 放大器的初級用控制電流的總和保持為一個恆定值，因此，能確保低噪聲特 性，以及控制電壓與增益間的高線性關係。再者，按照本發明，流入次級放 大器的次級用控制電流大小與初級用控制電流成比例，因此，無需向次級放 大器提供高於其需求的大的固定電流，抑制無用消耗電流的增大。


圖l表示本發明實施形態的可調增益放大器的構成例。
圖2表示流入四個初級LNA的初級用控制電流的例子。
圖3表示流入次級LNA的次級用控制電流的例子。
圖4是表示本發明實施形態的初級LNA的構成例的迴路圖。
圖5是表示本發明實施形態的次級LNA的構成例的迴路圖。
圖6是表示本發明實施形態的可變電流源的構成例的迴路圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發明實施形態，在以下實施形態中，雖然對構成要 素，種類，組合，形狀，相對配置等作了各種限定，但是，這些僅僅是例舉，本發 明並不局限於此。
圖l表示本發明實施形態的可調增益放大器的構成例。如圖1所示，本實
施形態的可調增益放大器設有四個初級LNA1-4， 一個次級LNA5，三個衰減器 11-13和一個可變電流源20。上述構成通過CMOS工藝集成在一個IC晶片上。
四個初級LNA1-4相當於本發明的多個初級放大器。這四個初級LNA1-4相 對一個輸入端IN並聯連接，根據從可變電流源20流入各個LNAl-4的初級用控 制電流IB1-IB4，對輸入到上述初級放大器LNA1-4的信號進行放大。
三個衰減器11-13相當於本發明的增益幅度水平調節器。這三個衰減器 11-13，並聯連接在一個輸入端IN上，另一端連接在四個初級放大器l-4中的 第二至第四初級放大器的輸入側。三個衰減器11-13用於調節從輸入端IN輸 入的信號幅度，以便使得相對四個初級LNAl-4的輸入信號的幅度互不相同。
具體地說，衰減器11-13使得從一個輸入端IN輸入的信號衰減。衰減器 1卜13的衰減量互不相同，設定為按照第一衰減器11<第二衰減器12<第三 衰減器13的順序，衰減量逐漸增大。例如，四個初級LNAl-4的可調增益範圍 分別為20dB左右場合，可以將第一衰減器ll的衰減量設定為20dB，第二衰減 器12的衰減量設定為40dB，第三衰減器13的衰減量設定為60dB。
這種場合，第一初級LNA1對從輸入端IN輸入的信號進行放大。第二初級 LNA2對從輸入端IN輸入的在第一衰減器ll衰減20dB的信號進行放大。第三初 級LNA3對從輸入端IN輸入的在第二衰減器12衰減40dB的信號進行放大。第四 初級LNA4對從輸入端IN輸入的在第三衰減器13衰減60dB的信號進行放大。
在此，說明將三個衰減器11-13相對一個輸入端IN並聯連接的例子，但本 發明並不局限於此。也可以例如將三個衰減器11-13相對一個輸入端IN三段 縱向串聯連接，從各段的衰減器11-13的輸出分流取出信號，分別輸入第二至 第四初級LNA2-4。這種場合，若預先將各衰減器11-13的衰減量設定為例如
20dB，則從第一衰減器ll的輸出分流取出衰減20dB的信號，從第二衰減器12 的輸出分流取出衰減40dB的信號，從第三衰減器13的輸出分流取出衰減60dB 的信號。
另外，在此，說明相對四個初級LNAl-4中一部分，即初級LNA2-4連接衰 減器ll-13，但本發明並不局限於此。也可以例如相對所有的初級LNA1-4連 接衰減器。
次級LNA5相當於本發明的次級放大器，與四個初級LNA1-4的後段連接， 根據從可變電流源20流入的次級用控制電流IB13， IB24，實行輸入到該次級 放大器5的信號放大動作。在此，四個初級LNAl-4中，連接不會同時流過初級 用控制電流IB卜IB4的初級LNA的輸出線之間，形成複數的合成輸出線L1和 L2，使得該複數的合成輸出線Ll, L2分別與次級LNA5的複數的輸入端IN1， IN2連接。
在圖1例中，連接初級LNA1和第三初級LNA3的輸出線之間，形成第一合成 輸出線L1，連接第二初級LNA2和第四初級LNA4的輸出線之間，形成第二合成 輸出線L2。並且，使得該兩合成輸出線L1， L2分別與次級LNA5的複數的輸入 端IN1， IN2連接。次級LNA5使得從兩輸入端IN1， IN2輸入的信號分別放大， 疊加已放大的各信號輸出。
可變電流源20從AGC迴路(沒有圖示)輸入用於調整增益的控制電壓 VAGC,基於該控制電壓VAGC產生流入四個初級LNAl-4的初級用控制電流 IB1-IB4和流入次級LNA5的次級用控制電流IB13和IB24。此時可變電流源20 進行控制，使得流入四個初級LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4的總和，是 一個與控制電壓VAGC大小無關的恆定值。另外，可變電流源20進行控制,使 得流入次級LNA5的次級用控制電流IB13和IB24的大小與流入初級LNAl-4的 初級用控制電流IB1-IB4成比例。
圖2表示流入四個初級LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4的例子。從圖2 可知，在控制電壓VAGC小於約l. 05V的區域，只存在第四初級用控制電流IB4， 只有第四初級LNA4動作。在控制電壓VAGC等於或大於約l. 05V，且小於約l. 4V 的區域，存在以適當比例流入的第四初級用控制電流IB4和第三初級用控制 電流IB3，第四初級LNA4和第三初級LNA3動作。在控制電壓VAGC等於或大於
約1.4V，且小於約1.45V的區域，只存在第三初級用控制電流IB3，只有第三 初級LNA3動作。
如上所述，根據控制電壓VAGC的不同值，有第四初級用控制電流IB4和 第三初級用控制電流IB3同時存在的區域。同樣，有第三初級用控制電流IB3 和第二初級用控制電流IB2同時存在的區域，第二初級用控制電流IB2和第一 初級用控制電流IB1同時存在的區域。與此相對的是，第四初級用控制電流 IB4和第一初級用控制電流IB1或第二初級用控制電流IB2不會同時流入，第 三初級用控制電流IB3和第一初級用控制電流IB1不會同時流入。
在此，可變電流源20進行控制，無論供給控制電壓VAGC的值是多少，使 得第一至第四初級用控制電流IB1-IB4各自單獨存在時的電流量，第四初級 用控制電流IB4和第三初級用控制電流IB3同時存在時的總電流量，第三初級 用控制電流IB3和第二初級用控制電流IB2同時存在時的總電流量，第二初級 用控制電流IB2和第一初級用控制電流IB1同時存在時的總電流量，始終相 同。
如上所述，從一個輸入端IN輸入的信號，與將該信號經過三個衰減器 11-13每次衰減20dB後的衰減信號，由四個初級LNA1-4放大，通過控制流入 各初級LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4，連續切換由初級LNA1-4的放大。 具體地說，進行控制，使得隨著控制電壓VAGC增大，流入初級LNA1-4的初級 用控制電流IB1-IB4，按照IB4 — IB3 — IB2 — IB1的順序以適當的比例 連續變化。
這樣，原來每個初級LNAl-4各自只能確保20dB左右的動態範圍，現在四 個初級LNAl-4全體可以確保80dB左右的大動態範圍。另外，同時流入四個初 級LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4的總和保持為一個恆定值，能確保低噪 聲特性和高線性。
此外，當使得初級用控制電流IB1-IB4的一部分不流入初級LNA1--4的一 部分時，可變電流源20產生表示該狀況的關斷電流IB1A-IB4A，向初級LNA1-4 輸出。具體地說，當第一初級用控制電流IB1沒有流入第一初級LNA1時，可 變電流源20產生第一關斷電流IB1A，當第二初級用控制電流IB2沒有流入第 二初級LNA2時，產生第二關斷電流IB2A，當第三初級用控制電流IB3沒有流 入第三初級LNA3時，產生第三關斷電流IB3A，當第四初級用控制電流IB4沒 有流入第四初級LNA4時，產生第四關斷電流IB4A。
圖3表示流入次級放大器LNA5的次級用控制電流IB13和IB24的例子。比 較圖2和圖3可知，可變電流源20進行控制，使得次級用控制電流IB13和IB24 流入次級放大器LNA5，所述次級用控制電流IB13和IB24的大小與流入初級 LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4成比例。
在此，連接第一初級LNA1和第三初級LNA3的輸出線之間形成第一合成輸 出線Ll,第一次級用控制電流IB13用於通過上述第一合成輸出線L1從一方的 輸入端IN1輸入的信號的放大動作。該第一次級用控制電流IB13的大小，與 第一初級用控制電流IB1和第三初級用控制電流IB3成比例。
另外，連接第二初級LNA2和第四初級LNA4的輸出線之間形成第二合成輸 出線L2，第二次級用控制電流IB24用於通過上述第二合成輸出線L2從另一方 的輸入端IN2輸入的信號的放大動作。該第二次級用控制電流IB24的大小， 與第二初級用控制電流IB2和第四初級用控制電流IB4成比例。
如上所述，次級放大器LNA5將從兩個輸入端IN1和IN2輸入的信號各自放 大，將放大後的各信號疊加輸出。這樣，在次級放大器LNA5最終對兩個信號 進行疊加，因此，進行控制，使得用於疊加前放大動作的次級用控制電流IB13 和IB24為初級用控制電流IBl-IB4的l/2大小。
下面，說明本實施形態的初級LNA1-4的迴路構成。由於初級LNAl-4各自 的迴路構成相同，下面以第一初級LNA1的迴路構成作為代表進行說明。圖4 是表示該第一初級LNA1構成例的迴路圖。
在圖4中，連接在輸入端IN的pMOS電晶體Pl和nMOS電晶體Nl構成反相放 大器。反相放大器P1， N1使得從輸入端IN輸入的信號位相反相併放大。放大 後的信號通過耦合電容器C1向次級輸出。連接在耦合電容器Cl次級的nMOS晶 體管N4是源極跟隨器的功率放大器。反相放大器P1， N1和功率放大器N4構成 本發明的第一放大器50。
相對輸入端IN，與反相放大器P1， Nl並聯連接的nM0S電晶體N2， N3是共 射-共基放大器，相當於本發明的第二放大器60。相當於共射-共基放大器連 接前段的nM0S電晶體N2是源極接地放大器，相當於共射-共基放大器連接後
段的nM0S電晶體N3是柵極接地放大器。該第二放大器60將從輸入端IN輸入的 信號放大。nM0S電晶體N5， N6是用於對相當於第二放大器60的共射-共基放 大器連接後段的nM0S電晶體N3提供柵極接地用偏置的偏置迴路。
在此，第一放大器50的輸出(電晶體N4的源極)與第二放大器60的輸出 (電晶體N3的漏極)合路，連接至第一初級LNA1的輸出端0UT1。關於第一放 大器50，輸入信號在反相放大器Pl, Nl被反相放大，該放大後的信號在功率 放大器N4的源極跟隨器同相輸出(無放大)至輸出端0UT1。因此，輸出至輸 出端0UT1的輸出信號與輸入信號反相。另一方面，關於第二放大器60，輸入 信號在源極接地放大器N2被反相放大，該放大後的信號通過柵極接地放大器 N3同相輸出(無放大)至輸出端0UT1。因此，輸出至輸出端0UT1的輸出信號 與輸入信號反相。這樣，在第一放大器50被放大的信號與在第二放大器6Q被 放大的信號，在初級LNA1的輸出端0UT1位相為同相，不會出現互相抵消的現 象。
與此相對，在反相放大器P1， Nl的源極和漏極產生的噪聲，通過耦合電 容器C1和功率放大器N4同相輸出至初級LNA1的輸出端0UT1 (無放大)。另一 方面，由電阻R1和信號源內阻(沒有圖示)分壓(衰減)後同相輸出至輸入 端IN的噪聲，在源極接地放大器N2被反相放大。因此，在反相放大器P1， Nl 產生通過功率放大器N4輸出至輸出端0UT1的噪聲的位相，與通過第二放大器 60輸出至輸出端0UT1的噪聲位相成為反相，在反相放大器P1， Nl產生的噪聲 可以在輸出端0UT1抵消。因此，與以前僅簡單將雙極型電晶體共射-共基連 接的共射-共基放大器相比有著更好的低噪聲性能。
nM0S電晶體N7， N8是電流鏡像迴路，向一方的電晶體N7側的漏極輸入初 級用控制電流IB1作為基準電流，另一方的電晶體N8側的漏極也同樣流入初 級用控制電流IB1。另夕卜，pM0S電晶體P2-P5也構成電流鏡像迴路，將從nMOS 電晶體N8輸出的初級用控制電流IB1作為基準電流，輸入電晶體P5側的漏極， 在其他電晶體P2-P4的漏極流入與初級用控制電流IB1成比例的電流。
這樣，通過兩個電流鏡像迴路N7-N8， P2-P5的組合，向第一放大器50， 第二放大器60和偏置迴路N5， N6供給與初級用控制電流IB1成比例的電流。 也就是說，從可變電流源20輸入的初級用控制電流IB1通過兩個電流鏡像回
路N7-N8， P2-P5，向第一放大器50，第二放大器60和偏置迴路N5， N6供給與 初級用控制電流IB1成比例的電流。因此，初級LNA1的增益成為由初級用控 制電流IB1控制。
反相器INVl, INV2， pM0S電晶體P6和nM0S電晶體N9-N10構成本發明的開 關手段。此開關手段用於當從可變電流源20不提供初級用控制電流IB1時， 將第一放大器50和第二放大器60動作置於完全斷開。
兩個反相器INV1和INV2相連接，向初段反相器INV1輸入關斷電流IB1A。 前段反相器INVl的輸出端與pM0S電晶體P6的柵極相連。該pM0S電晶體P6的漏 極與構成電流鏡像迴路的pM0S電晶體P2-P5的柵極相連。pM0S電晶體P2-P6的 源極均與電源電壓VDD相連。
另一方面，後段的INV2的輸出端與nM0S電晶體N9， N10的柵極相連。nMOS 電晶體N9的漏極與構成第一放大器50的nM0S電晶體N4的柵極相連，nMOS晶體 管N10的漏極與構成第二放大器60的nM0S電晶體N3的柵極相連。另外，nMOS 電晶體N9， N10的源極都與地相連。
另外，前段的INVl的輸入端與nMOS電晶體Nll的漏極相連。nMOS晶伴管 N11的柵極與電流鏡像迴路N7， N8的輸入端(初級用控制電流IB1的輸入端) 相連，源極與地相連。
在此，說明上述構成的開關手段的動作。從可變電流源20不提供初級用 控制電流IB1時(初級用控制電流IB1為低電平)，從可變電流源20提供關斷 電流IB1A。並且，通過前段的INVl位相被反相的關斷電流IBlA供給pMOS晶體 管P6的柵極。此時，前段的INV1的輸出端為低電平，pM0S電晶體P6接通。
由此，從pM0S電晶體P6的漏極輸出的高電平信號供給構成電流鏡像迴路 的pM0S電晶體P2-P5的柵極。因此,pM0S電晶體P2-P5都成為斷開狀態。由於 pM0S電晶體P2-P5處於斷開狀態，能使得第一放大器50(反相放大器P1， Nl)， 第二放大器60和偏置迴路N5， N6與電源電壓VDD完全斷開。
另一方面，通過後段的INV2位相回到初始相位的關斷電流IBlA供給nM0S 電晶體N9， N10的柵極。由此，反相器INV2輸出的高電平信號供給nM0S晶體 管N9， N10的柵極。因此，nM0S電晶體N9， N10都接通。由此，電晶體N3， N4 的柵極都成為低電平，完全斷開。
如上所述，從可變電流源20不提供初級用控制電流IB1時，第一放大器
50，第二放大器60和偏置迴路N5， N6與電源電壓VDD完全斷開。另外，構成 第一放大器50的nMOS電晶體N4和構成第二放大器60的nMOS電晶體N3都成為 完全斷開。因此，能使得第一放大器50和第二放大器60的動作處於完全斷開。
從可變電流源20向初級LNA1提供初級用控制電流IB1時，nMOS電晶體Ml 接通，關斷電流IB1 A通過nMOS電晶體N11弓|入接地GND。
下面說明本實施形態的次級LNA5的迴路構成。圖5是表示該次級LNA5的 構成例的迴路圖。在圖5中，C21， C22是與兩合成輸出線L1， L2連接的耦合 電容器。相對這兩個耦合電容器，分別連接共射-共基放大器。
相對第一合成輸出線Ll通過耦合電容器C21連接的共射-共基放大器，由 共射-共基連接的兩個nM0S電晶體N21， N23構成。另外，相對第二合成輸出 線L2通過耦合電容器C22連接的共射-共基放大器，由共射-共基連接的兩個 nMOS電晶體N22和N23構成。
nM0S電晶體N23既作為使得從第一合成輸出線Ll提供的信號放大的共射 -共基放大器的第二級放大器，又作為使得從第二合成輸出線L2提供的信號 放大的共射-共基放大器的第二級放大器。並且，該nM0S電晶體N23的漏極側， 也就是共射-共基放大器的輸出端(次級LNA5的輸出端0UT側)與負載阻抗RL 相連接。
也就是說，次級LNA5將從第一合成輸出線L1通過一方的輸入端IN1供給 的信號，以及從第二合成輸出線L2通過另一方的輸入端IN2供給的信號，在 兩個共射-共基放大器分別放大，將放大後的各信號疊加，從輸出端OUT輸出。
nM0S電晶體N24和N25是用於向相當於共射-共基連接的後段側的nM0S晶 體管N23提供柵極接地用偏置的電晶體。nM0S電晶體N26是構成電流鏡像迴路 的一方的電晶體，與相當於共射-共基放大器N21， N23的第一級的nM0S晶體 管N21—起構成電流鏡像迴路。另夕卜，nM0S電晶體N27是構成電流鏡像迴路的 一方的電晶體，與相當於共射-共基放大器N22， N23的第一級的nM0S電晶體 N22—起構成電流鏡像迴路。
也就是說，向nM0S電晶體N26的漏極輸入第一次級用控制電流IB13作為 基準電流，使得相當於共射-共基放大器N21， N23前段側的nMOS電晶體N21的
漏極流過與第一次級用控制龜流IB13成比例的電流。g卩，與從可變電流源20 輸入至nM0S電晶體N26的第一次級用控制電流IB13成比例的電流，供給與 nM0S電晶體N26電流鏡像連接的共射-共基放大器N21， N23。由此，構成次級 LNA5的共射-共基放大器N21， N23的增益成為由第一次級用控制電流IB13控 制。
另外，向nM0S電晶體N27的漏極輸入第二次級用控制電流IB24作為基準 電流，使得相當於共射-共基放大器N22， N23前段側的nM0S電晶體N22的漏極 流過與第二次級用控制電流IB24成比例的電流。g卩，與從可變電流源20輸入 至nM0S電晶體N27的第二次級用控制電流IB24成比例的電流，供給與nMOS晶 體管N27電流鏡像連接的共射-共基放大器N22， N23。由此，構成次級LNA5的 共射-共基放大器N22， N23的增益成為由第二次級用控制電流IB24控制。
下面說明本實施形態的可變電流源20的迴路構成。圖6是表示該可變電 流源20的構成例的迴路圖。在圖6中，符號21-24為恆定電流迴路，各自產生 與初級用控制電流IB1-IB4同樣大小的恆定電流。這四個恆定電流迴路21-24 與四個pM0S電晶體P21-P24的漏極相連。
上述四個pMOS電晶體P21-P24，與另外四個pMOS電晶體P25-P28構成四組 電流鏡像迴路。構成電流鏡像迴路的一方的pM0S電晶體P21-P24，與另一方 的pM0S電晶體P25-P28，各自的電晶體面積比設為l:l。
這樣，恆定電流迴路21-24產生的電流IB1-IB4，作為基準電流流入一方 的pM0S電晶體P21-P24的漏極，在電流鏡像相連接的另一方的pMOS電晶體 P25-P28的漏極也有同樣的電流IB1-IB4。可變電流源20將在所述pM0S電晶體 P25-P28的漏極流動的電流作為初級用控制電流IB1-IB4供給初級LNA1-4。
另外，上述四個pM0S電晶體P21-P24，與另外四個pM0S電晶體P29-P33構 成四組電流鏡像迴路。構成電流鏡像迴路一方的pM0S電晶體P21-P24，與另 一方的pM0S電晶體P29-P33，各自的電晶體面積比設為2:1。這樣，在恆定電 流迴路21-24產生的電流IB1-IB4，作為基準電流輸入一方的pMOS電晶體 P21-P24的漏極，在電流鏡像相連接的另一方的pM0S電晶體P29-P32的漏極產 生電流IB1-IB4—半大小的電流。
這裡，流入pM0S電晶體P29， P31的電流大小分別為IB1/2， IB3/2,晶體
管P29， P31的漏極之間連接。這樣，兩個pM0S電晶體P29， P31的漏極電流合 成疊加，作為第一次級用控制電流IB13供給次級放大器LNA5。同樣，流入pMOS 電晶體P30， P32的電流大小分別為IB2/2， IB4/2，電晶體P30， P32的漏極之 間連接。這樣，兩個pM0S電晶體P30， P32的漏極電流合成疊加，作為第二次 級用控制電流IB24供給次級放大器LNA5。
如上述詳細說明的那樣，在本實施形態中，由初級LNA1-4和次級LNA5兩 部分構成，在初級LNA1-4，不會同時存在初級用控制電流IB1-IB4，即，初級 LNAl-4不會同時動作，連接所述初級LNA1-4的輸出線之間，將合成輸出線Ll, L2分別與次級LNA5相連接。並且，同時動作的初級LNA1-4的輸出信號在次級 放大器5進行疊加。
這樣，即使在輸出段成為源極跟隨器的CMOS工藝的可調增益放大器，也 能在次級放大器5疊加同時動作的初級放大器l-4的輸出信號，因此，能確保 大動態範圍。另外，流入多個初級LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4的總和 保持為一個恆定值，因此，也能確保低噪聲特性，以及控制電壓與增益間的高 線性關係。
另夕卜，按照本實施形態，在初級LNA1-4的反相放大器P1， Nl產生的噪聲， 與從相對該反相放大器P1， Nl並聯連接的第二放大器60輸出的噪聲以反相疊 加，相互抵消。因此，在CM0S工藝製造的初級LNAl-4可以抑制噪聲指數惡化。
再者，按照本實施形態，可以通過開關手段完全斷開不供給初級用控制 電流IB1-IB4的初級LNA1-4的第一放大器50和第二放大器60的動作。這樣， 可以使得從與放大動作無關的初級LNA1-4的電晶體不產生噪聲，因此，在 CM0S工藝的初級LNAl-4，可以抑制噪聲指數惡化。
一般，放大器級聯時的整體噪聲指數NF由下式給出
NF=NF1+(NF2-1)/G1+ (NF3-l)/Gl求G2 +…
這裡，NF1表示第一級放大器的噪聲指數，NF2表示第二級放大器的噪聲 指數，NF3表示第三級放大器的噪聲指數。另外，Gl表示第一級放大器的增 益，G2表示第二級放大器的增益。
從上式可以看出，要減小放大器的整體噪聲指數NF，就必須 (1)減小第一級放大器的噪聲指數NF1。
(2)增大第一級放大器的增益G1。
就本實施形態而言，尤其要求減小初級LNA1-4的噪聲指數。對此,在本 實施形態中，如上所述，能夠減小初級LNA1-4的噪聲指數，因此，能夠減小可 調增益放大器的整體噪聲指數，獲得良好的接收靈敏度。
再者，在本實施形態中，可變電流源20進行控制，次級用控制電流IB13 和IB24的大小與流入初級LNA1-4的初級用控制電流IB1-IB4成比例，使得該 次級用控制電流IB13和IB24流入次級LNA5。這樣，就無需對次級LNA5提供高 於其需求的大的固定電流，將次級用控制電流IB13和IB24作為必要的最低限 度大小，能抑制無用消耗電流的增大。
在本實施形態中，初級LNA1-4的個數設為4個，這僅僅是一個例子而已。 又，在本實施形態中，兩個初級LNA的輸出結合形成合成輸出線，這也僅僅是 一個例子而已。也就是說，只要是控制電流同時流入的初級LNA，可以三個 或三個以上的初級LNA的輸出結合形成合成輸出線。
另外，在本實施形態中，四路初級用控制電流IB1-IB4之中，以最多兩路 初級用控制電流同時存在為例進行說明，但本發明並不局限於此。例如，在 初級LNA的個數大於4個場合，也可以三路初級用控制電流同時存在。
另外，上述實施形態的可調增益放大器適合用於例如無線電設備調諧器 的RF-AGC迴路，但是，RF-AGC迴路以外也可以適用。適用於RF-AGC迴路以外 場合，在第二至第四的初級LNA2-4的輸入段，可以連接放大器，以代替連接衰 減器11-13。也就是說，在上述實施形態中，說明通過使得輸入信號每次衰減 20dB確保合計80dB的動態範圍的例子，但是，也可以通過使得輸入信號每次 放大20dB，確保合計80dB的動態範圍。這種場合，用於代替衰減器11-13的放 大器構成本發明的幅度水平調節器。
另外，在上述實施形態中，說明由圖4所示的反相器INV1， INV2， pMOS晶 體管P6和nM0S電晶體N9-N10構成開關手段的例子，但這不過是一個例子。也 可以例如由反相器INV1， INV2和pM0S電晶體P6構成開關手段。這種場合，至 少可以在從可變電流源20不提供初級用控制電流IB1-IB4時，將第一放大器 50，第二放大器60和偏置迴路N5， N6與電源電壓VDD完全斷開。由於不供給 初級用控制電流IB1-IB4，不實行放大動作，此時將電晶體與電源電壓VDD完
全斷開,可以抑制噪聲指數惡化。
或者也可以由nM0S電晶體N9-N10構成開關手段。這種場合，至少構成第 一放大器50的nMOS電晶體N4和構成第二放大器60的nMOS電晶體N3的柵極置 為低電平從而完全關斷。這樣，從可變電流源20不供給初級用控制電流 IB1-IB4時，通過使得第一放大器50和第二放大器60的動作處於完全斷開狀 態，可以抑制噪聲指數惡化。
另外，在上述實施形態中，在構成次級LNA5的兩個共射-共基放大器中， 說明在共射-共基連接的前段側的電晶體的輸出段，進行信號疊加的例子，但 本發明並不局限於此。也可以例如在共射-共基連接的後段側的電晶體的輸 出段，進行信號疊加。
上述各實施形態不過是本發明實施時的一個具體實例，不能據此限定解 釋本發明的技術範圍。也就是說，本發明只要不脫離其技術思想或其主要特 徵，可以有各種各樣實施形態。
下面說明本發明的產業上應用可能性。
本發明應用於連接多個放大器、擴大可調增益範圍的可調增益放大器。 例如，本發明的可調增益放大器適合用於車載機或行動電話等移動載體中裝 有的無線電調諧器。
權利要求
1.一種可調增益放大器，其特徵在於該可調增益放大器包括多個初級放大器，相對一輸入並聯連接，根據流入各初級放大器的初級用控制電流，實行放大動作；幅度水平調節器，相對上述多個初級放大器的至少一部分，與該初級放大器的輸入側連接，進行調節，使得輸入上述多個初級放大器的信號幅度水平各不相同；次級放大器，與上述多個初級放大器的後段連接，根據次級用控制電流實行放大動作，上述多個初級放大器之中，連接不同時流入上述初級用控制電流的初級放大器的輸出線之間，形成複數的合成輸出線，該複數的合成輸出線分別與次級放大器的多個輸入端連接，使得從上述多個輸入端輸入的信號分別放大，疊加放大的各信號輸出；可變電流源，控制流入上述多個初級放大器的初級用控制電流以及流入上述次級放大器的次級用控制電流；其中，可變電流源進行控制，使得上述多個初級放大器之中，流入同時動作的初級放大器的初級用控制電流的總和保持為一個恆定值，同時，使得次級用控制電流流入上述次級放大器，所述次級用控制電流大小與上述流入初級放大器的初級用控制電流成比例。
2. 根據權利要求l中記載的可調增益放大器，其特徵在於 上述多個初級放大器各自設有第一放大器，使得輸入信號位相反相放大； 第二放大器，放大上述輸入信號；其中，疊加上述第一放大器的輸出信號以及第二放大器的輸出信號輸出。
3. 根據權利要求2中記載的可調增益放大器，其特徵在於 上述多個初級放大器各自進一步設有開關手段，當從上述可變電流源不提供初級用控制電流時，上述開關手段使得上述第一放大器和上述第二放大 器的動作斷開。
全文摘要
本發明提供以CMOS工藝滿足大動態範圍和良好的噪聲指數、且能極力抑制消耗電流增大的可調增益放大器。本發明的可調增益放大器包括多個初級放大器(LNA1-4)，相對一輸入端(IN)並聯連接；與其後段連接的次級放大器(LNA5)；可變電流源(20)，進行控制，使得同時流入初級放大器(LNA1-4)的初級用控制電流(IB1-IB4)的總和保持為一個恆定值，同時，使得次級用控制電流(IB13、IB24)流入上述次級放大器(LNA5)，所述次級用控制電流(IB13、IB24)大小與上述流入初級放大器(LNA1-4)的初級用控制電流(IB1-IB4)成比例。無需向次級放大器(LNA5)提供高於其需求的大的固定電流，能將次級用控制電流(IB13、IB24)設為必要的最低限度大小，抑制無用消耗電流的增大。
文檔編號H03G3/20GK101359901SQ20081014475
公開日2009年2月4日 申請日期2008年7月26日 優先權日2007年7月27日
發明者石黑和久 申請人:新瀉精密株式會社