CN100505519C - 实现低噪声放大器的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种多级放大器，包括含有第一晶体管的第一放大器级，选择所述第一晶体管来提供最佳噪声特性，以及含有第二晶体管的第二放大器级，选择所述第二晶体管来提供最佳增益特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种低噪声放大器(LNA)，更具体地，涉及一种通过消除匹配电路来制造得体积紧凑的LNA。
背景技术
噪声是由所有电子元件以及电路的周围环境条件(例如温度)所产生的。噪声可通过外部部件通入到电学系统中，也可能由电学系统本身所产生。因此，系统的本征噪声水平决定了在存在噪声的情况下，所能探测到的信号的下限或最小信号强度。这在接收器术语上被定义为该系统的“灵敏度”。
典型地，接收器在探测到来自于天线的入射信号的第一个动作就是放大该信号的大小，以便于后续的探测级和处理级工作。这采用一种增大信号(S)幅度，而同时将添加到所述信号中的附加噪声(N)功率降至最低的放大器便可实现。因此希望在接收器中将信号的信噪比(S/N)提高到最高。低噪声放大器(LNA)达到了提高信号(S)功率而同时不增加噪声(N)功率的目的。LNA典型地以多级方式来实现，这样每一级都包含一个或更多个放大器。
以多级方式实现LNA的理由如下。单个放大器的噪声贡献与诸如器件类型及其工作偏置点(operating bias-point)等许多基本参数密切相关。另外，其他需要考虑的因素，例如器件所面临的源和负载的阻抗，对于从放大器到任何输入信号的附加噪声贡献，以及输入信号的后续增益都具有尤为强烈的影响。输入信号大小与入射接收机的噪声以相同的量值被放大器的增益所放大。因此任何与接收信号相重叠的附加噪声都具有减小信噪比的总体效应。所以更倾向于以牺牲增益为代价将第一级放大器的噪声贡献降至最低，在附加本征噪声效应对接收信号的完整较为无害的第二或第三级将信号放大。这样，通过实现一种多级放大器，可以明显地削弱噪声效应。
在多级放大器中降低噪声的一般技术是通过对与所述多级放大器的第一级相关的噪声圆(noise circles)或等值线(contours)进行细致的检查。噪声圆(等值线)是对于给定的器件和工作点，附加噪声大小在复阻抗平面上的轨迹。选择产生最小附加噪声的源阻抗点，并实现输入匹配电路。对于给定的负载阻抗，设计类似的输出匹配电路来最大化所述放大器的信号增益。然后添加具有类似的输入和输出匹配电路来进一步最大化总体电路增益的附加放大器级，同时保证满足诸如稳定性等其它重要标准。不包括这样的适当匹配电路经常会造成增益降低，效率下降和不稳定性。
以上所描述的设计技术要求使用集总元件(lumped element)电容器，电阻器，或电感器，或在高频下，通过使用传输线的合成匹配元件(分布式)。在集成电路(IC)的应用中，为了通过增加裸片(die)/晶片(wafer)的数量和增加产量(裸片/晶片的可用数目)来减少电路的生产成本，通常希望将这些元件所占据的空间(real estate)缩减至最小。
另外，在硅集成电路的应用中，由输入、输出和级间匹配电路所产生的损耗可能会很严重。在高频下(例如高于5GHz)，硅是一种相对低等的具有高信号损耗的半导体基底。因此通过使用这些输入、输出和级间匹配电路所达到的放大信号增益，可能与由这些相同部件所引进的损耗具有相似的数量级。类似地，在最小化所述第一级放大器的附加噪声的过程中，任何由输入匹配电路所引进的损耗可能与由未匹配的第一级放大器所产生的噪声具有相似的重要性。因此有可能并相信存在实例证明，如果匹配元件具有高损耗，含有输入、输出和级间匹配电路的层叠放大器的总体的噪声和信号增益只是勉强好于，或更糟，并不好于类似的未匹配放大器。
在该实例中，由于具有尺寸缩减的优势，采用未匹配放大器更为可取(假设稳定性和其它功能参数均满足)。
如上所述，多级低噪声放大器(LNA)的总体噪声系数受到将输入信号耦合到第一放大器级的输入匹配网络，以及置于放大器级之间的级间匹配网络的影响。在集成电路(IC)的应用中，尺寸缩减对于缩减成本来说是很重要的。因此，使用片上(on-die)匹配网络具有诱人的可能性。但是，在更高频率下(例如毫米(mm)波)和在有损耗的基底(硅(Si))上，由匹配网络所产生的损耗经常会大到足以减弱它们的可用性。
图1展示了传统的LNA100。该传统的LNA100包括输入匹配网络110、第一放大器级120、第一级间匹配网络130、第二放大器级140、第二级间匹配网络150、第三放大器级160和输出匹配网络170。如本技术领域人员所共知，所述匹配网络110、130、150和170允许使用不同尺寸和不同增益的放大器级，在通过所述LNA 100时不会经历明显的信号损耗。但是，正如任何电学部件都会带来损耗一样，所述匹配网络110、130、150和170也向所述LNA 100内引入了损耗，
因此，目前需要一种体积紧凑(即不包括匹配电路)但也具有最小总体噪声系数的LNA。
发明内容
本发明的一个示例性实施例包含一种连接至源极的多级放大器，该放大器包括具有至少一个第一晶体管的第一放大器级，选择所述至少一个第一晶体管来提供最佳噪声特性，还包括具有至少一个第二晶体管的第二放大器级，选择所述至少一个第二晶体管来提供最佳增益特性。其中，相对于源阻抗配置所述至少一个第一晶体管和所述至少一个第二晶体管的器件参数，从而使得史密斯圆图上分别表示常噪声轨迹和常增益轨迹的圆在靠近所述史密斯圆图上表示多级放大器的系统阻抗的点相交。
本发明的一个示例性实施例还包含一种制造多级放大器的方法，包括为第一级选择至少一个第一晶体管来提供最佳噪声特性，和为第二级选择至少一个第二晶体管来提供最佳增益特性的步骤。其中，相对于源阻抗配置所述至少一个第一晶体管和所述至少一个第二晶体管的器件参数，从而使得史密斯圆图上分别表示常噪声轨迹和常增益轨迹的圆在靠近所述史密斯圆图上表示多级放大器的系统阻抗的点相交。
本发明的一个示例性实施例还包含一种制造多级放大器的方法，包括步骤：选择至少一个第一晶体管以使得至少一个噪声圆和至少一个增益圆在位于或靠近所述放大器的对应史密斯圆图的中心相交；以及选择至少一个第二晶体管以使得至少一个噪声圆和至少一个增益圆在位于或靠近所述对应史密斯圆图的中心相交。
附图说明
图1展示了包括输入端、输出端和级间匹配网络的传统LNA。
图2展示了依照本发明的第一示例性实施例的LNA。
图3是展示依照本发明的所述第一示例性实施例的LNA的史密斯圆图(Smith Chart)的图解。
图4展示了依照本发明的第二示例性实施例的LNA。
具体实施方式
现在将通过参照附图示例的方式对本发明的一个实施例进行描述，其中：
图2展示了依照本发明第一示例性实施例的低噪声放大器(LNA)200。所述LNA 200包括输入匹配网络210、第一放大器级220、第二放大器级240、第三放大器级260和输出匹配网络270。将会注意到，与图1所示的传统LNA100相比，所述LNA 200不包括第一和第二级间匹配网络130、150。
每一个放大器级220-260都包括各自数量的晶体管n1-n3。在每一个放大器级中(例如级240)对晶体管的数目(例如n2)和晶体管类型进行选择以使得插入所述LNA 200的噪声为最小，以及使得通过该LNA的增益达到最大。特别地，改变每一级中每个晶体管的几何形状(geometry)来获得通过所述LNA 200的最佳噪声特性和最大增益。如本领域技术人员所共知，晶体管的几何形状可以通过分别更改基极(B)，发射集(E)和集电极(C)端子的体积(即长、宽和高)来改变。
在如图2所示的示例性实施例中，所述第一放大器级220具有n1个晶体管，选择这些晶体管来达到最佳噪声特性，而所述第二和第三放大器级230、240分别具有n2、n3个晶体管，选择这些晶体管来达到最佳增益特性。在简化的示例性实施例中，220-240中的每一级都具有一个单独的晶体管，从而选择所述第一级220的晶体管以达到最佳噪声特性，而选择所述第二和第三级230、240中每一级的各自的晶体管以达到最佳增益特性。在优选的示例性实示例中，220-240的每一级都包括一个差分晶体管对，该对中的两个晶体管都是相同的。由于晶体管或晶体管对的输入阻抗是偏置点和晶体管的几何形状(例如发射集，基极和集电极的数目，结的面积等等)的函数，所以最好单个级中的晶体管均为相同。但是，本领域技术人员将意识到本发明的原理可被应用到包含有不同类型晶体管的放大器级。
所述最佳噪声特性(即最小噪声系数NFopt)和最佳增益特性(即最大增益系数MGopt)可通过考查对应每级中相关晶体管的史密斯圆图来详细说明。例如，如果所述第一放大器级220包括两个(即n1＝2)晶体管，对所述晶体管进行选择(即选择晶体管的几何形状)以使得对应所述第一级的史密斯圆图在位于或靠近所述LNA 220的特征源阻抗点的位置具有“最小噪声圆(轨迹)”。继续该例，选择所述第二和第三放大器级230、240的晶体管(即，选择晶体管的几何形状)以使得在位于或靠近所述LNA 200的第一放大器级220和第二放大器级230的输出阻抗点的位置具有“最佳增益圆(轨迹)”。
将会注意到每个LNA(例如LNA 200)都具有最佳源阻抗(对应最小噪声系数，NFopt)，定位于史密斯圆图阻抗平面的一特定点上。由于源阻抗(对于给定的放大器配置)偏离这个最佳点，所以将表示噪声系数从所述最佳点衰减(degradation)的轨迹映射到史密斯圆图上，用递增的半径对应衰减0.1dB，0.5dB，1dB等等。随着轨迹尺寸不断增大，它们最终围绕着所述LNA的输入阻抗点。
例如，如果环绕线对应于从NFopt点1dB的衰减，典型地采用输入匹配电路将所述LNA的源阻抗转变为所述LNA的输入阻抗，以给出具有最佳源阻抗的LNA，以此达到NFopt。但是，由于存在有损耗的匹配元件，这样的输入匹配电路的损耗可能会超过1dB(例如1.2dB)。因此，虽然所述LNA具有最佳源阻抗，但是实际上其噪声系数要劣于未匹配时的情况。
继续以上所述示例，可以选择一种“自然”最小噪声系数和其实数源阻抗(例如50Ω)相同的LNA，而不使用输入匹配网络。可以选择具有晶体管几何形状与偏置点适当组合的晶体管来达到这个匹配条件，以作为第一级(例如级220)晶体管。然后可以为第二和第三级(例如级240、260)选择具有晶体管几何形状和偏置点适当组合的另外的晶体管，以使得所述LNA的第二和第三级具有与所述LNA第一和第二级的输出阻抗相同的“自然”最大增益系数MGopt。
图3是对应示例性LNA(例如LNA 200)的史密斯圆图300。参考数字310指明表示所述LNA的系统阻抗(例如50Ω)的史密斯圆图300的中心。圆周320、325和330表示常噪声系数轨迹。圆周340和345表示常增益轨迹。由此，同心圆组320、325、330的中心表示所述LNA的最小噪声系数(NFopt)，用标号m6表示。类似地，同心增益圆组340和345的中心表示所述LNA的最大增益系数(MGopt)，用标号m5表示。增益圆和噪声圆(例如增益圆345和噪声圆330)的交点表示当出现在所述LNA时将产生组合增益与噪声系数(combined gain and noise figure)的阻抗。例如，标号m13表示增益圆345和噪声圆330的交点，和一阻抗，该阻抗即为这些噪声和增益圆所构成的组合。为达到该点(位于标号m13)，有必要采用匹配网络来将所述LNA的系统阻抗转变为这个新的阻抗水平(即将标号m13所表示的交点移动到靠近史密斯圆图的中心)。但是，将会注意到另一组噪声与增益圆(例如噪声圆325和增益圆340)在靠近所述史密斯圆图300的中心处相交(即，系统阻抗点)。因此，一个充分表示所述LNA系统阻抗的噪声与增益组合可以不需任何匹配网络便可实现。
在最佳偏置点、最佳几何形状和为作出这一选择而不得不考虑的工作频率之间存在一种平衡，由此便需要多重晶体管，以及可变的几何形状。然后，可以将该思想进一步拓展到以最佳增益为目的的后续级。
通过调整器件(例如晶体管)尺寸，和/或220、240、260每一放大器级的器件数量，有可能在增益和噪声系数之间达到折中，在该折中状态下不需要匹配，而有效源匹配和级间匹配通过改变每级中器件的几何形状来提供。这也可以显著地缩减成品LNA 200的尺寸。
特别地，随着器件参数(例如尺寸、数量、几何形状等等)的改变，在对应的史密斯圆图中噪声和增益圆也在改变。如上所述，可以改变噪声和增益圆以使得至少一个增益圆和至少一个噪声圆在位于或接近所述LNA系统阻抗(即所述史密斯圆图的近似中心)的位置上相交于一点。
对于特定晶体管，其噪声轨迹和增益轨迹的特定大小是位置与器件尺寸和偏置点的函数。通过细致地选择特定器件尺寸和工作点，第一级放大器(例如在第一放大器级220中)的最佳噪声轨迹可能相同或类似于系统的特性源阻抗。类似地，通过选择后续具有适当偏置点的不同尺寸的晶体管，还可以包括也与所述适当的源阻抗相匹配的附加放大级(例如第二和第三放大器级240、260)。
因此就有可能设计一种多级低噪声放大器，这种放大器非常紧凑(通过消除级间匹配网络)，但是却能提供令人满意的增益与附加噪声特性。仍然可以使用输入和输出匹配网络210和270以使得所述多级放大器与输入和输出负载阻抗相兼容。也有可能采用类似的技术在适当的偏置点缩放晶体管来最小化附加匹配电路的范围大小，该附加匹配电路用于在缩减所占据IC区域的同时进一步增强性能。
图4展示了依照本发明第二示例性实施例的低噪声放大器(LNA)400。所述LNA400包括第一放大器级420、第二放大器级440、第三放大器级460和输出匹配网络470。将会注意到，与如图2所示的LNA 200相比，所述LNA400不包括输入匹配网络(例如输入匹配网络210)。所述输入匹配网络通过细致地选择第一放大器级420的晶体管来消除。特别地，在所述第一放大器级420中选择晶体管的数量(例如n1)和晶体管的类型以达到最佳增益特性。
就以上所述的LNA 200而言，每一个放大器级420-460都包括各自数量的晶体管n1-n3。参照图2，如上所述选择每一个放大器级(例如级440)的晶体管数量(例如，n2)，从而在此忽略对所述方法的说明。
因此就有可能设计一种多级低噪声放大器(例如LNA 400)，这种放大器非常紧凑(通过不包含输入和级间匹配网络)，但是却能提供令人满意的增益和附加噪声特性。可以采用输出匹配电路(例如470)来转变所述多级放大器的末级以便于与后续负载阻抗相兼容。还有可能使用类似的技术，在适当的偏置点缩放晶体管来最小化附加匹配电路的范围大小，该附加匹配电路用于在缩减所占据IC区域的同时进一步增强性能。
虽然以上所描述的示例性LNA 200、400都包括至少三个放大器级，但是将会注意到本发明的原理能够应用到含有任意数目的放大器级(例如1，2，3，4等)的LNA。本领域技术人员同样也会理解以上所描述的选择晶体管的方法可以应用到单块形成的晶体管，以及封装的分立晶体管。
虽然本发明已经按照示例性实施例进行了描述，但是其本身并不仅限于此。更准确地说，应当对附加权利要求书进行广泛地解释以涵盖本发明的其它变体和实施例，而这些变体和实施例可由本领域技术人员在不离开本发明等价物的范畴和领域的情况下完成。
Claims (17)
1.一种连接至源极的多级放大器，包括：
包括至少一个第一晶体管的第一放大器级，选择所述至少一个第一晶体管以提供最佳噪声特性；以及
包括至少一个第二晶体管的第二放大器级，选择所述至少一个第二晶体管以提供最佳增益特性，
其特征在于相对于源阻抗配置所述至少一个第一晶体管和所述至少一个第二晶体管的器件参数，从而使得史密斯圆图上分别表示常噪声轨迹和常增益轨迹的圆在靠近所述史密斯圆图上表示多级放大器的系统阻抗的点相交。
2.如权利要求1所述多级放大器，还包括：
包括至少一个第三晶体管的第三放大器级，选择所述至少一个第三晶体管以达到最佳增益特性。
3.如权利要求1所述多级放大器，还包括：
耦合到所述第一级输入端的输入匹配网络。
4.如权利要求1所述多级放大器，还包括：
耦合到所述第二级输出端的输出匹配网络。
5.如权利要求2所述多级放大器，还包括：
耦合到所述第三级输出端的输出匹配网络。
6.如权利要求1所述多级放大器，其中所述至少一个第一晶体管包含若干个晶体管，选择特定数目来提供最佳噪声特性。
7.如权利要求1所述多级放大器，其中通过选择所述至少一个第一晶体管的适当几何形状来提供最佳噪声特性。
8.如权利要求1所述多级放大器，其中通过选择所述至少一个第二晶体管的适当几何形状来提供最佳增益特性。
9.如权利要求2所述多级放大器，其中通过选择所述至少一个第三晶体管的适当几何形状来提供最佳增益特性。
10.一种制造多级放大器的方法，包括步骤：
选择第一级的至少一个第一晶体管以提供最佳噪声特性；以及，
选择第二级的至少一个第二晶体管以提供最佳增益特性，
其特征在于相对于源阻抗配置所述至少一个第一晶体管和所述至少一个第二晶体管的器件参数，从而使得史密斯圆图上分别表示常噪声轨迹和常增益轨迹的圆在靠近所述史密斯圆图上表示多级放大器的系统阻抗的点相交。
11.如权利要求10所述方法，还包括步骤：
选择第三级的至少一个第三晶体管来提供最佳增益特性。
12.如权利要求10所述方法，其中选择所述第一级的至少一个第一晶体管以提供最佳噪声特性的步骤包括选择所述至少一个第一晶体管的适当几何形状。
13.如权利要求10所述方法，其中选择所述第二级的至少一个第二晶体管以提供最佳增益特性的步骤包括选择所述至少一个第二晶体管的适当几何形状。
14.如权利要求11所述方法，其中选择所述第三级的至少一个第三晶体管以提供最佳增益特性的步骤包括选择所述至少一个第三晶体管的适当几何形状。
15.如权利要求10所述方法，还包括步骤：
选择输出匹配网络，所述输出匹配网络被耦合到所述第二级的输出端。
16.如权利要求11所述方法，还包括步骤：
选择输出匹配网络，所述输出匹配网络被耦合到所述第三级的输出端。
17.一种制造多级放大器的方法，包括步骤：
选择至少一个第一晶体管以使得至少一个噪声圆和至少一个增益圆在位于或靠近所述放大器的对应史密斯圆图的中心相交；以及，
选择至少一个第二晶体管以使得至少一个噪声圆和至少一个增益圆在位于或靠近所述对应史密斯圆图的中心相交。
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