CN101499780B

CN101499780B - 利用电容反馈的可重构低噪声放大器

Info

Publication number: CN101499780B
Application number: CN2008101761269A
Authority: CN
Inventors: 朴宰佑; 俞昌植
Original assignee: Huiguo (Shanghai) Software Technology Co Ltd; Silicon Motion Inc
Current assignee: Dailege Semiconductor Co.,Ltd.
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-11-03
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2028-11-03
Also published as: US7800450B2; CN101499780A; TW200935724A; KR20090084349A; KR100952666B1; US20090195316A1; TWI365599B

Abstract

本发明涉及低噪声放大器，具体涉及利用电容反馈的可重构低噪声放大器，该低噪声放大器在输出端具备控制宽频带变化的输出晶体管、和在该频带内可按模式调节谐振频率的电容开关单元，利用由电容分配器确定的增益来放大输出端的阻抗后反馈到输入端，用于匹配输入，通过将输出端的宽带特性和大阻抗用于输入匹配，不仅适合各类模式，而且能够实现高增益和低噪声指数。

Description

利用电容反馈的可重构低噪声放大器

技术领域

背景技术

一般低噪声放大器(LNA：Low Noise Amplifier)往往用于通信系统中，将通过天线接收的微弱电平的输入信号放大为低噪声指数的信号。

随着最近如何用一个终端来支援各类无线标准的研究，或者并联使用多个用在这种通信系统中只支援特定频率，即只符合一种标准的低噪声放大器，或者使用虽具有噪声特性或增益损耗但能够支援宽频的宽带低噪声放大器。

但是，为了满足宽带特性而使用具有低阻抗的负载时，存在增益变低、噪声特性恶化的问题。另外，前述方式，即为了通过输入匹配来支援宽带而利用多个电感器，在输入端上追加带通滤波器(Band PassFilter)形态的匹配网络方式，由于电感器的尺寸非常大，集成多个电感器的效率低，即便能够集成，也因芯片内部电感器的寄生电阻分量而存在噪声指数变高问题。

如此，为了使输入匹配频率随使用频率而变化的要求，可通过在输入端追加用于输入匹配的某些电路来支援宽带，但是，与之相随地增加了输入端的寄生电容或电阻分量，存在增益减少的问题。

另外，由于在追加到输入端的电路上发生的噪声，无增益而直接传输到输入端，存在使噪声指数非常高，恶化噪声特性的问题。

发明内容

本发明要解决的技术课题是提供一种利用电容反馈的可重构低噪声放大器，该低噪声放大器将输出端维持在高阻抗，并根据电容分配器确定的增益将它放大后反馈到输入端，在对输入端不追加别的电路的情况下，能够随输出端的频率变化而满足输入端上宽带特性的同时，实现高增益和低噪声指数。

另外，本发明还提供前述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，为了支援宽频带，该低噪声放大器在输出端具备起开关作用的输出晶体管和为满足该频带内的各类标准，而可按模式细调谐振频率的电容开关单元，从而消除增益和噪声指数的损耗且适合各类模式，并可重构。

为了达成上述技术课题，本发明利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于包括：输入晶体管、输出端以及电容反馈部。输入晶体管的一个端子连接到电容和电感器，放大所接收的信号，另一端子与设于输出端的各输出晶体管的一个端子连接。输出端具有输出该输入晶体管放大的信号的该各输出晶体管，切换输出该信号的频带，实现宽带特性。电容反馈部根据连接到该各输出晶体管的另一端子和上述输入晶体管栅极上的电容分配器来调节增益，并将输出阻抗反馈到输入阻抗进行输入匹配。

另外，本发明的特征是该输出端包括维持高输出阻抗的电感器和一个端子与该输入晶体管连接，以及栅极上被施加控制电压且按特定频带分离设置的输出晶体管，根据该控制电压来导通/截止该各输出晶体管，以能选择频带。

另外，本发明的特征是该输出端还包括可变电容，为通过输出晶体管的开关作用来选择的各频带内调节谐振频率，该可变电容与该输出端的电感器形成公共节点，并连接到该各输出晶体管的另一端子。

另外，本发明的特征是该电容反馈部包括：连接在该输出端电感器和输出晶体管的公共节点与该输入晶体管的栅极之间的第一电容；以及连接在该输入晶体管的栅极与接地电源之间的第二电容。

本发明具有的优点：将高输出阻抗反馈给输入晶体管的栅极，从而在输入端不增加直接影响噪声指数的电路的情况下，维持高输出阻抗，并且能够使输出端上频率变化带来的宽带特性马上反映给输入匹配，在反馈时用电容分配器能够容易地调节增益，从而实现高增益和低噪声指数的同时适于各类标准。

另外，本发明还具有的优点：由于具备用于变更宽频带的开关，和用于调节出该频带内适合各类标准的谐振频率的电容开关单元，选择最适合输入信号的谐振频率而能够使低噪声放大器的增益最大。

另外，本发明还更有的优点：符合缩小芯片的占有面积、减少制造成本且使设备小型化的技术趋势，由于满足宽带特性的同时实现高增益和低噪声指数，与单一的低噪声放大器相比，特性能得到显著的提高，可作为一个无线通信系统，合适地用在各类标准上。

附图说明

图1是本发明的利用电容反馈的可重构低噪声放大器的电路图。

图2是表示本发明的电容反馈部的模式图。

图3是表示本发明的可变电容部的电路图。

图4是本发明适用于多种模式的低噪声放大器的电压增益模拟波形图。

(符号说明)

110 第一频带 120 第二频带

130 第三频带 210 第一电容开关单元

220 第二电容开关单元 230 第三电容开关单元

具体实施方式

以下，参照附图，就本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，依据本发明一个实施例的利用电容反馈的可重构(re-configurable)低噪声放大器，包括：将经由天线接收的信号进行放大的输入晶体管、切换已由上述输入晶体管放大的信号的频带来实现宽带特性的输出端、以及用电容分配器调节增益并将上述输出端的输出阻抗反馈给输入阻抗进行输入匹配的电容反馈部，详细说明如下。

因而，为了实现宽带特性，本发明中，不使用具有低阻抗的负载，在输出端维持高阻抗，并将它适用于输入匹配，而频带是通过切换输出端所具备的输出晶体管来改变输出的谐振频率。

上述输入晶体管(M)由MOS晶体管构成，其一个端子与电容(Cc)和电感器(Ls)连接，经由上述电容(Cc)输入天线接收的信号(RF_IN)并加以放大，另一端子连接到对放大信号的频带进行切换的输出端的各输出晶体管(M1、M2、M3等)的一个端子上。如此，输入晶体管(M)和电容(Cc)和电感器(Ls)构成输入端。

上述输出端，为了在宽频带维持高阻抗值而按诸如2GHz、3GHz、5GHz的使用频率分别具备电感器(L_L1、L_L2、L_L3)，并且为了在这种输出端实现选择最佳使用频率的开关作用，包括其一个端子与上述输入晶体管(M)连接，栅极上被施加控制晶体管的导通(on)/截止(off)的控制电压的级联(cascode)晶体管即各输出晶体管(M1、M2、M3)。

因而，上述输出端根据施加到栅极上的控制电压使输出晶体管(M1、M2、M3)导通/截止，从而按照使用频率满足宽带要求，即，使输入信号以2GHz输出的第一频带(110)、以3GHz输出的第二频带(120)、以5GHz输出的第三频带(130)。

另外，满足上述各频带的输出端进一步包括连接到上述输出晶体管(M1)的另一端子的可变电容(C_L1)。上述可变电容(C_L1)可构成为：为根据上述输出晶体管(M1)上的开关动作选择输出端的频带后，在各频带内调节出适当的谐振点，而改变电容值，并且与上述电感器(L_L1)形成公共节点，连接到上述输出晶体管(M1)的另一端子。

这时，如图3所示，上述可变电容(C_L1)由多个电容开关单元(Cap.SW Cell，Capacitor Switch Cell)构成，各电容开关单元包括：电阻、第一晶体管(M_VC1)、第二晶体管(M_VC2)、第三晶体管(M_VC3)以及调节电容。电阻对栅极公共连接，并通过该公共节点向各晶体管的栅极传输用于选择单元的数字控制信号(Bit0、Bit1、Bit2)。第一晶体管(M_VC1)的一个端子连接到电源供给部。第二晶体管(M_VC2)的一个端子连接到接地电源；第三晶体管(M_VC3)的两个端子分别连接到上述第一晶体管(M_VC1)和第二晶体管(M_VC2)。图3仅显示第一电容开关单元(210)的细部结构以求简洁，而其余电容开关单元之细部结构系类似于第一电容开关单元(210)。调节电容提供为与上述输出端的电感器(L_L1)一起调节谐振点而选择的电容值。

这时，上述调节电容连接到上述第二晶体管和第三晶体管的公共端子上，并且为了将由数字控制信号来选择的开关单元的电容值用于谐振频率的调节，而一个端子连接到上述电感器(L_L1)上的连接节点上，在上述实施例中利用具有30fF(femto farad)值的电容来构成。

另外，上述可变电容(C_L1)包括：根据第一数字控制信号(Bit0)而被选择并由一个开关单元(Capacitor Switch Cell)构成的第一电容开关单元(210)；根据第二数字控制信号(Bit1)而被选择并由2个开关单元构成的第二电容开关单元(220)；以及根据第三数字控制信号(Bit2)而被选择并由4个开关单元构成的第三电容开关单元(230)。

从而，当选择第一电容开关单元(210)时，可变电容(C_L1)具有30fF值，当选择第二电容开关单元(220)时，可变电容(C_L1)具有60fF值，当选择第三电容开关单元(230)时，可变电容(C_L1)具有120fF值。

从而，如图4所示，在选择了特定频带之后，该频带内输入匹配(Inputmatching，③)包括各类谐振频率时，以各类值选择上述电容开关单元，形成微小的谐振频率变化，能够得到更高的增益(Gain，①)。

这时，图4示出适用于本发明的多种模式的低噪声放大器的电压增益模拟结果波形，示出随着3位(Bit)的频率控制而输出谐振频率变化。

即，当选择的频带为2GHz时调整电容开关单元的值，在2.3～2.7GHz范围内能够按照标准频带(Standard Frequency Band，②)选择适合输入匹配的谐振频率，例如WiBro(韩国自订标准)的场合选择谐振频率为2.3GHz，但在mWiMax的场合选择谐振频率为2.5GHz，如此可按模式进行更准确的频带选择。选择频带为3GHz的场合以及5GHz场合也同样。

上述电容反馈部包括图1中所示的：第一电容(C₁)，连接在上述输出端所具备的各电感器(L_L1、L_L2、L_L3)以及输出晶体管(M1、M2、M3)的公共节点与上述输入晶体管(M)的栅极之间；以及第二电容(C₂)，连接在上述输入晶体管(M)的栅极与接地电源之间。

因而，如图2的模式图所示，利用因使用频带的差异而按模式变化的输出阻抗(Z_L)，调整输入阻抗，以满足输入匹配。

即，来自天线的输入信号(RF_IN)输入到输入晶体管(M)的源极(source)，而输出端(Z_L)的电压倍增后输入到上述输入晶体管(M)的栅极。这时，增益α由构成上述电容反馈部的第一电容(C₁)和第二电容(C₂)的电容分配器来定义为，α＝(C₁/C₂)显然可按照构成输出端的频带而使第一电容(C₁)值相异，以改变增益。

这时，本发明的低噪声放大器的输入阻抗(Z_IN)可按如下数学式1来表示。

【数学式1】

Z_{IN} \approx \frac{1}{g_{m}} + α Z_{L} + \frac{Z_{L}}{g_{m} r_{0}}

在这里指Z_L指的是输出端所具备的负载阻抗，g_m表示晶体管的跨导(transconductance)，α表示反馈电路的增益。与一般的公共栅极放大器中输入阻抗被确定为(1/g_m)的情况不同地，如本发明所描述，具备电容反馈部的场合，如上述数学式1那样，输入阻抗(Z_IN)与输出阻抗(Z_L)相关联而加以确定。

由此，输入阻抗(Z_IN)随着输出阻抗(Z_L)的变化而满足输入匹配，因此将输出阻抗(Z_L)变形为宽带，并利用它来满足输入匹配以及宽带，从而能够在输入端不追加电路的情况下改变输入匹配频率。

另外，这时的噪声指数(NF：Noise Figure)，可按如下数学式2来表示。

【数学式2】

NF \approx 1 + \frac{γ}{g_{m} R_{s}} + \frac{R_{s}}{R_{L} (ω_{0})}

在这里R_S表示源极阻抗，γ表示常数。这时，为了输入匹配，在一般的公共栅极结构上将g_m维持在固定值，但在本发明中输入匹配时输入阻抗(Z_IN)受输出阻抗分量αZ_L的影响，而增大输出阻抗，因此能够使g_m值成为大值，从而，由上述数学式2来使噪声指数(NF)具有更低值。

另外，本发明的低噪声放大器的闭环增益(A_CL)和开环增益(A_OL)，可按如下数学式3来表示。

【数学式3】

A_{CL} = \frac{A_{OL}}{1 + α A_{OL}}

从而，输出阻抗反馈到输入阻抗的增益α具有很小的值，并将晶体管的跨导g_m和输出端的阻抗(Z_L)成为最大，以使低噪声放大器整体上具有低噪声指数和大增益。

另外，在单独使用接受经由天线来接收的输入信号(RF_IN)的输入晶体管(M)时，所有输出端的寄生电容集中在一处而能够提高噪声指数并减少增益，为了缓和因这种寄生分量而导致的特性变化，最好将输入晶体管分为相对频率低的2GHz及3GHz频带和5GHz频带而加以使用，并且按使用模式的选择与输出晶体管同样地由施加到输入晶体管的栅极的偏置电压来控制。

以上，借助附图，就本发明的技术构思进行了详细说明，但这只是举例说明本发明的最佳实施例，并不是本发明的限定。另外，本领域技术人员都应清楚在不超出本发明技术构思的范围内的各式各样变形及模仿都被本发明所涵盖。

Claims

1.一种利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于包括：

输入晶体管，该输入晶体管的一个端子连接到电容和电感器，放大所接收的信号，另一端子与设于输出端的各输出晶体管的源极连接；

输出端，具有输出该输入晶体管放大的信号的该各输出晶体管，切换输出该信号的频带，实现宽带特性；以及

电容反馈部，根据连接到该各输出晶体管的漏极和上述输入晶体管栅极上的电容分配器来调节增益，并将输出阻抗反馈到输入阻抗进行输入匹配。

2.如权利要求1所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

该输出端包括维持高输出阻抗的电感器和一个端子与该输入晶体管连接，以及栅极上被施加控制电压且按特定频带分离设置的该各输出晶体管，

根据该控制电压来导通/截止该各输出晶体管，以能选择频带。

3.如权利要求2所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

构成该输出端的特定频带包括：将输入信号以2GHz输出的第一频带；以3GHz输出的第二频带；以及以5GHz输出的第三频带。

4.如权利要求3所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

该输出端还包括可变电容，为通过输出晶体管的开关作用来选择的各频带内调节谐振频率，该可变电容与该输出端的电感器形成公共节点，并连接到该各输出晶体管的另一端子。

5.如权利要求4所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

各可变电容由多个电容开关单元构成，各电容开关单元包括：

电阻，通过共同连接到栅极节点，进行单元选择的数字控制信号传输到各晶体管；

第一晶体管，该第一晶体管的一个端子连接到电源供给部；

第二晶体管，该第二晶体管的一个端子连接到接地电源；

第三晶体管，该第三晶体管的两个端子分别连接到上述第一晶体管和第二晶体管；以及

调节电容，与该第二晶体管和该第三晶体管的公共非接地电源节点相连，提供为与该输出端的电感器一起调节谐振频率而选择的电容值。

6.如权利要求5所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

该可变电容包括：

根据第一数字控制信号，被选择并由一个开关单元构成的第一电容开关单元；

根据第二数字控制信号，被选择并由2个开关单元构成的第二电容开关单元；以及

根据第三数字控制信号，被选择并由4个开关单元构成的第三电容开关单元。

7.如权利要求6所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

该第一电容开关单元的可变电容具有30fF值，

该第二电容开关单元的可变电容具有60fF值，

该第三电容开关单元的可变电容具有120fF值。

8.如权利要求2至7中任一项所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

该电容反馈部包括：

连接在该输出端电感器和该各输出晶体管之间的节点与该输入晶体管的栅极之间的第一电容；以及

连接在该输入晶体管的栅极与接地电源之间的第二电容。

9.如权利要求8所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

将该输出端的电压以该第一电容除以该第二电容所得的增益量放大后，施加到该输入晶体管的栅极上。

10.如权利要求9所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

该输入阻抗确定为由运算式来运算后的值，使该输出端上的频带变更适用于输入匹配。

11.如权利要求3所述利用电容反馈的可重构低噪声放大器，其特征在于：

输入阻抗由接收相对频率低的2GHz及3GHz频带和相对频率高的5GHz频带的个别晶体管来分别构成，通过施加到各输入晶体管的栅极的偏置电压来控制导通/截止。