CN101604962B - 可变增益rf放大器 - Google Patents

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Abstract

一种可变增益RF放大器，具有：输入节点；可变电流源，包括耦合于该输入节点的控制输入端；第一和第二支路，并联耦合在第一供电端和可变电流源之间，第一和第二支路限定了被设置成由第一和第二差动增益信号来控制的差动对、且具有第一和第二输出端，输出端之一包括可变增益放大器的输出节点；以及分压器，具有耦合于第一和第二输出端的中间节点，其中该中间节点还通过电容器耦合于输入节点。

Description

可变增益RF放大器
技术领域
本发明涉及一种可变增益RF放大器，尤其是一种低噪声可变增益RF放大器。
背景技术
RF(射频)设备是接收RF信号的设备，例如无线电调谐器、移动电话、卫星接受器、TV调谐器等等。在这种设备中，包括低噪声放大器(LNA)的输入电路通常用于放大所接收的RF信号，所述所接收的RF信号例如是经由天线被接收的。LNA应当尽可能少地向信号中引入噪声。为了避免不需要的反射，LNA的输入电阻通常与天线的电阻相匹配。此外，输入电路通常包括耦合在LNA后面的可变增益放大器(VGA)，以便将RF信号的幅值调整到可由用于处理RF信号的下行电路所接受的范围。
这种RF输入电路的一个缺点在于，在提供耦合于可变增益放大器的低噪声放大器的过程中，电流消耗比较高并且需要占地较大。此外，由于所存在的组件的数目的关系，差动信号必须经由该组件来进行传送，会将噪声添加到系统中。
发明内容
本发明实施例的目的是至少部分地解决现有技术中的一个或多个缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种可变增益放大器，包括：输入节点；可变电流源，包括耦合于该输入节点的控制输入端；第一和第二支路，并联耦合在第一供电端和可变电流源之间，第一和第二支路限定了被设置成由第一和第二差动增益信号来控制的差动对、且包括第一和第二输出端，输出端之一包括可变增益放大器的输出节点；以及分压器，包括耦合于第一和第二输出端的中间节点，其中该中间节点还通过电容器耦合于输入节点。
根据本发明的实施例，分压器包括第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器把中间节点耦合到第一输出端，所述第二电阻器把中间节点耦合到第二输出端。
根据本发明的另一个实施例，第一和第二电阻器具有相同的电阻值。
根据本发明的一个实施例，中间节点由电容器耦合于输入节点，所述电容器与电阻器串联耦合。
根据本发明的一个实施例，电流源包括一晶体管，其控制端耦合于输入节点、第一主电流端耦合于第二供电端、第二主电流端耦合于第一和第二支路。
根据本发明的一个实施例，第一支路包括第一晶体管，其控制端被设置为接受第一差动增益信号、第一主电流端耦合于电流源以及第二主电流端耦合于第一供电端；第二支路包括第二晶体管，其控制端被设置为接收第二差动增益信号、第一主电流端耦合于电流源以及第二主电流端耦合于第一供电端；以及分压器的中间节点耦合于第一和第二晶体管的第二主电流端。
根据本发明的一个实施例，可变增益放大器，进一步包括：第二输入节点；第二可变电流源，包括耦合于第二输入节点的控制输入端；第三和第四支路，并联耦合在第一供电端和可变电流源之间，第三和第四支路限定了被设置成由第一和第二差动增益信号来控制的差动对、且包括第二对输出端，其中可变增益放大器的输出节点是可变增益放大器的第一输出节点以及其中第二对输出端之一包括可变增益放大器的第二输出节点；以及分压器，包括耦合于第二对输出端的中间节点，其中中间节点还耦合于输入节点。
根据本发明的又一个方面，提供了一种RF设备，其包括用于接收RF信号的输入端和耦合于该输入端的上述可变增益放大器。
根据本发明的又一个方面，提供了一种包括上述可变增益放大器的移动设备。
根据本发明的又一个方面，提供了一种包括上述可变增益放大器的卫星接受器。
根据本发明的又一个方面，提供了一种系统，包括：用于接收RF信号的接收电路；耦合于该接收电路的输入节点；可变电流源，包括耦合于该输入节点的控制输入端；第一和第二支路，并联耦合在第一供电端和可变电流源之间，第一和第二支路限定了被设置为由第一和第二差动增益信号控制的差动对、且包括第一和第二输出端；输出端之一包括可变增益放大器的输出节点；以及分压器，包括耦合于第一和第二输出端的中间节点，其中该中间节点还通过电容器耦合于该输入节点。
附图说明
图1示意地例示了用于接收RF信号的输入电路；
图2示意地例示了根据本发明的一个实施例包括低噪声可变增益放大器的输入电路；
图3是根据本发明的一个实施例的图2的低噪声可变增益放大器的电路图；
图4示意地例示了根据本发明又一个实施例的用于接收RF信号的输入电路，其包括低噪声可变增益放大器；
图5是根据本发明的一个实施例的图4的低噪声可变增益放大器的电路图；以及
图6示意地例示了根据本发明的一个实施例包括低噪声可变增益放大器的RF设备。
具体实施方式
图1例示了用于经由天线100接收RF信号的RF设备的输入电路。天线100耦合于平衡-不平衡变换器102，其把不平衡信号转换成平衡信号，尤其是把来自天线的信号转换成包括互补部分的差动信号。在两条线103和104上把差动信号提供给低噪声放大器(LNA)106，其放大该差动信号。LNA106的差动输出端耦合于可变增益放大器(VGA)108，其把差动信号放大所需的量，以便差动输出信号RFOUTP和RFOUTN的分量具有相同的幅值。VGA108由反馈回路控制。
包括用于提供LNA和VGA的独立电路的这种结构也有缺点，如以上在背景技术部分中所讨论的那样。尤其是，LNA很可能包括用于对差动RF信号的每个部分进行放大的至少一个晶体管，同时VGA很可能包括用于向差动RF信号的每个部分施加可变增益的若干个晶体管。每一级都会向设备增加电流消耗以及增大面积，以及也会向RF信号增加噪声。
图2例示了一种RF设备的输入电路，所述RF设备包括天线200和低噪声可变增益放大器(以下记为LNVGA)202，所述低噪声可变增益放大器202具有耦合于天线200的输入端，例如经由高通滤波器来接收RF输入信号RFIN，以及输出RFOUT，在这个例子中是单端输出端。LNVGA202组合了图1的LNA106和VGA108的功能，但是用于放大单端RF信号。通过把这些方框组合成一个方框，降低了组件的数目，因此降低了电流消耗，也降低了设备的面积，并且引入到RF信号中的噪声更少。
图3是更详细地例示图2的LNVGA202的电路图。
LNVGA202包括耦合于双极晶体管304的基极端的输入节点302，所述双极晶体管304的发射极端经由电阻器306耦合于参考接地，以及其集电极端耦合于节点307。晶体管304提供可变电流源，其由施加于节点302的输入信号来控制。
节点307耦合于支路308、309，所述支路308、309限定了一个差动对。尤其是，支路308包括双极晶体管310，所述双极晶体管310的发射极端连接到节点307，同时支路309包括双极晶体管311，所述双极晶体管311的发射极端耦合于节点307。晶体管310、311的基极端分别耦合于节点312和313。节点312和313从LNVGA202的输出端接收由反馈路径产生差动增益控制信号。例如，节点312接收增益信号VgainP，而节点313接收增益信号VgainN，信号VgainP和VgainN是根据来自LNVGA202的输出端的反馈信号所产生的差动信号。
举例来说，增益信号VgainP和VgainN是由单级-差动衰减器(sing1eto differentia1attenuator)输出的，所述单级-差动衰减器具有输出端共用模式规则(output common mode regulat ion)和低输出阻抗。对衰减器的单端输入例如是由用于感测LNVGA输出功率的功率传感器来提供的。
双极晶体管310的集电极端耦合于节点314，其随后经由电阻器316耦合于电源电压电平VDD。双极晶体管311的集电极端耦合于节点318，其随后经由电阻器320耦合于电源电压电平VDD。节点314和318提供由晶体管310和311提供的差动对的输出端。此外，节点314提供LNVGA202的输出节点，其用于提供RF输出信号RFOUT。
节点314和318经由相等电阻的相应电阻器322和324而耦合于节点326，该节点326随后经由串联耦合的电容器328和电阻器330而耦合于输入节点302。节点326是由节点314和318之间的电阻器322和324提供的分压器的中间节点，因此其电压电平在节点314的电压电平和节点318的电压电平之间，例如为这些电压电平中间的电压电平。
操作中，节点302耦合AC以接收RF输入信号RFIN，其在这个例子中是经由图2的天线200接收到的信号，不过在替换实施例中该输入信号可以是经由不同的通信路径(例如传输电缆)来接收的。根据电阻器306、316、320、322、324和330的值，这个RF信号由双极晶体管304放大与双极晶体管310和311有关的增益。尤其是，假定耦合电容器足够高，那么晶体管是理想的(非常高的gm、β和尔利电压(Early voltage)并且无寄生电容)，电阻器306具有电阻R1，电阻器316和320具有相同的电阻R2，电阻器322和324具有相同的电阻R3，以及电阻器330具有电阻R4，被定义为RFOUT/RFIN的增益G可被表示成：
G＝R2((R1(R2+R3)-gR3(R2+R3+2R4)-R4R2))/R1(R2+R3)(R2+R3+2R4)～
              (1)
“g”例如具有0到1之间的值，以及是VgainP-VgainN的函数。假定R3是无穷大，则VoutN/VinP＝-gR2/R1。当g等于0时，全部电流都流过晶体管311，反之当g等于1时，全部电流都流过晶体管310。
因此，对R1到R4的值进行选择以提供期望固定增益的电路。举例来说，阻抗值可如下：R1＝13欧姆、R2＝200欧姆、R3＝140欧姆以及R4＝98欧姆。这些值产生1.281-6.335g的电路的增益。
图3的可变增益放大器202的电路的一个目的就是为了提供一种无论怎样选择增益(g值)都具有与输入线的阻抗相匹配的输入阻抗的电路，以避免反射。输入线具有与天线有关的阻抗。为了匹配这个阻抗，其例如是大约30欧姆，电阻器330耦合在输入端302和节点326之间，所述电阻器330具有电阻R4。节点326处于节点314与318之间的中间电压，这是通过分别用电阻器322和324来把节点326连接到节点314和318而实现的，所述电阻器322和324具有相等的电阻。假定图3的中电阻器的值R1到R4，输入阻抗ZIN可表示如下：
ZIN＝R1(R2+R3+2R4)/(2R1+R2)
由此，以上所提供的数值示例提供了大约31欧姆的输入阻抗。
提供在输入节点302和节点326之间的电容器328防止了这些结点之间的DC连接，以及用来在放大器的工作频率下提供低阻抗，所述放大器的工作频率例如在GHz范围之中。电容器328例如具有大约20pF大约电容，其适合于大约0.95GHz到2.15GHz范围内的输入信号的输入频率。
图4例示了包括耦合于平衡-不平衡变换器402的天线400的RF输入电路，其根据由天线400提供的信号在线403、404上产生包括一对互补信号的差动信号。线403、404连接到LNVGA406。在这个实施例中，线407、408上的LNVGA406的差动输出端被提供到输出缓冲器410，其例如是推挽式缓冲器。这个缓冲器的作用是呈现极低输出阻抗以处理下一个方框的输入，例如，所述下一个方框是矩阵或混频器。
图5更详细地例示了图4的低噪声可变增益放大器406。
用虚线框501确定的电路406的左手端与图3中的电路相同，除了每个标号以5开头而不是以3开头之外用相同的参考标号对其进行了标记。尤其是，标记为502到530的特征对应于图3中标记为302到330的特征，并且不再详细描述这些特征。
然而图3中的电阻器306与地耦合，但图5中的电阻器506耦合于接地电阻器531，不过在一些实施例中电阻器506也可直接与地耦合。
电路406的右手端是左边手端的镜像，如现在所阐述的那样。右手端包括耦合于双极晶体管534的基极端的输入节点532，所述双极晶体管534使其发射极耦合于电阻器536，所述电阻器536随后耦合于接地电阻器531，其集电极端耦合于节点537。如同晶体管504一样，晶体管534提供可变电流源，所述可变电流源由在输入节点532处提供的输入信号来控制。
节点537耦合于支路538和539，所述支路538和539限定了一个差动对。支路538包括双极晶体管540，其发射极端连接到节点537，而支路539包括双极晶体管541，其发射极端连接到节点537。双极晶体管541的基极端耦合于节点513，以及在这个实施例中，例如增益信号VgainN被施加于这个节点。双极晶体管540的基极端耦合于节点512，其如上所述接收反馈增益信号VgainP。同样，VgainN和VgainP是差动增益信号。
双极晶体管540的集电极端耦合于节点544，其随后经由电阻器546耦合于电源电压VDD。双极晶体管541的集电极耦合于节点548，其随后经由电阻器550耦合于电源电压VDD。节点544和548提供由晶体管540和541提供的差动对的输出端。此外，节点544提供LNVGA406的差动输出节点之一，其用于提供RF输出信号RFOUTP。另一个差动输出端RFOUTN由左手端501的节点514来提供。
节点544和548分别经由电阻器552和554耦合于节点556。节点556经由串联耦合的电容器558和电阻器560耦合于输入节点532。因而，节点556是由电阻器552和554提供的分压器的中间节点，以及由此具有节点548和544的电压电平之间的电压电平，如果电阻器552和554具有相等的电阻则其具有这些电压电平之间一半的电平。
图5中的电路的操作类似于图3的电路的操作，但是这个实例中是差动输入和输出信号。节点502和532处的输入信号RFINP和RFINN分别由天线、或经由平衡-不平衡变换器由不同的通信路径来提供，以产生不同的分量。在节点513处提供的和提供到节点512处的增益信号VgainN和VgainP是基于反馈信号的，所述反馈信号被提供给用于产生这些差动增益信号的电路。LNVGA406的增益RFOUTP/RFINN或者RFOUTN/RFINP可由上述公式(1)来确定，而LNVGA406的每个端的输入阻抗可由上述公式(2)确定，假定电阻器506和536具有电阻R1，电阻器516、520、546和550具有电阻R2，电阻器522、524、552和554具有电阻R3以及电阻器530和560具有电阻R4。在这个实施例中，为了匹配天线的75欧姆差动的阻抗，LNVGA406的每个端的输入阻抗例如等于37.5欧姆。
图6例示了一种设备600，其是用于接收RF信号的RF设备。该电路包括天线602，其如所示那样可以被合并到设备600中，或者如虚线所示其可以是耦合于设备600的外部组件。
天线602耦合于RF输入电路604，其包括如上所述低噪声可变增益放大器以及其产生在线605和606上所提供的具有互补分量的差动信号。在这个实施例中，线605和606上的RF输入电路604的差动输出端耦合于缓冲器608，其随后在线609、610上向电路612输出差动信号，所述电路612处理所接收的RF信号。电路612例如包括RF混频器，以及还包括处理器，所述处理器在线614上提供输出之前将来自RF混频器的RF信号转换成数字信号或者对该信号提供其它处理，所述处理器可耦合于内部或者外部显示器(图6中未显示)或者另一个输出设备。
此处描述的LNVGA的实施例的优点在于，在把低噪声放大器组合到单个设备的过程中，所述低噪声放大器具有与可变增益放大器相匹配的输入阻抗，输出RF信号经过的组件的数目可以非常少，以及设备的电流消耗和面积例如可减半。尤其是，在上述实施例中，增益晶体管(换句话说叫可变电流源)和差动对被提供在每个输入端和输出节点之间。上面描述的实施例的另一个优点在于，通过将输入节点耦合于差动对的差动输出端之间的中点，以便从输入节点流到这个中点的电流不取决于差动对的增益g，固定输入阻抗可同时功能性地被提供为可变增益。
此处描述的实施例的另一个优点在于，通过提供把输入节点耦合到分压器的电阻器330、530和560，可降低当g＝0.5时输入阻抗匹配与增益变化范围之间的相关性。
虽然已经描述了若干特定的实施例，但是对所属领域技术人员显而易见地是可以应用各种修改。
例如，虽然在描述的实施例中晶体管被称作例如双极结型晶体管(BJT)之类的双极晶体管，但是在替换实施例中也可使用其他类型的晶体管，尤其是，一个或多个晶体管可用MOS(金属氧化物半导体)晶体管来替代。对所属领域技术人员同样显而易见的是，虽然在各个实施例中例示例示所有晶体管都是NPN双极晶体管，但是也有可能用PNP双极晶体管来替换一个或多个这些NPN双极晶体管。然而，有利地的是，NPN型晶体管通常提供比PNP晶体管更高的增益和更快的响应。
此外，显然有可能反向图3或图5的电路，以便使VDD和地反转。地电压电平不必为零伏，同时电源电压电平可以是正的或者负的。
虽然描述的实施例包括耦合于输入节点的电阻器330、530和560，但是显然也可以去掉这些电阻器。此外，由图3中的电阻器322和324提供的分压器、由图5中的电阻器522、524以及554、552提供的分压器可以代之以由电流源提供。
对所属领域技术人员同样显而易见的是，虽然LNVGA的实施例已经被描述为用于接收从天线中收到的RF信号，但是该RF信号也可以从包括另一个电路或者另一个通信路径在内的其他地方被接收。
另外，虽然已经相对于图4和6描述了输出缓冲器的使用，但是图2的实施例也可以包括位于LNVGA后面的输出缓冲器。

Claims (11)

1.一种可变增益放大器，包括：
输入节点(302，502，532)；
可变电流源(304，504，534)，包括输出端和耦合于所述输入节点的控制输入端；
第一和第二支路(308，309)，并联耦合在第一供电端和所述可变电流源的所述输出端之间，所述第一和第二支路限定了差动对，上述差动对被设置为所述差动对的增益由第一和第二差动增益信号(VgainN，VgainP)来控制、并且包括第一和第二输出端，所述输出端中的一个包括所述可变增益放大器的输出节点；以及
分压器(322，324)，包括耦合于所述第一和第二输出端的中间节点(326)，其中所述中间节点还通过电容器(328，528，558)耦合于所述输入节点。
2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其中所述分压器包括第一电阻器(322)和第二电阻器(324)，所述第一电阻器(322)用于把所述中间节点耦合到所述第一输出端，所述第二电阻器(324)用于把所述中间节点耦合到所述第二输出端。
3.如权利要求2所述的可变增益放大器，其中所述第一和第二电阻器具有相同的电阻值。
4.如权利要求1所述的可变增益放大器，其中所述中间节点通过与电阻器(330，530，560)串联耦合的所述电容器(328，528，558)而耦合于所述输入节点。
5.如权利要求1所述的可变增益放大器，其中所述电流源包括晶体管(304，504，534)，所述晶体管(304，504，534)的控制端耦合于所述输入节点、第一主电流端耦合于第二供电端、第二主电流端耦合于所述第一和第二支路。
6.如权利要求1所述的可变增益放大器，其中：
所述第一支路包括第一晶体管(310，510，540)，所述晶体管(310，510，540)的控制端被设置为接收所述第一差动增益信号、第一主电流端耦合于所述电流源、以及第二主电流端耦合于所述第一供电端；
所述第二支路包括第二晶体管(311，511，541)，所述晶体管(311，511，541)的控制端被设置为接收所述第二差动增益信号、第一主电流端耦合于所述电流源、以及第二主电流端耦合于所述第一供电端；以及
所述分压器的所述中间节点耦合于所述第一和第二晶体管的所述第二主电流端。
7.如权利要求1所述的可变增益放大器，进一步包括：
第二输入节点(532)；
第二可变电流源(534)，包括耦合于所述第二输入节点的控制输入端；
第三和第四支路(538，539)，并联耦合在第一供电端和所述可变电流源之间，所述第三和第四支路限定了被设置为由所述第一和第二差动增益信号来控制的差动对、并且包括第二对输出端，其中所述可变增益放大器的所述输出节点是所述可变增益放大器的第一输出节点以及其中所述第二对输出端之一包括所述可变增益放大器的第二输出节点；以及
第二分压器(554，552)，包括耦合于所述第二对输出端的中间节点(556)，其中所述中间节点还耦合于所述输入节点。
8.一种RF设备，包括：
输入端，用于接收RF信号；
耦合于所述输入端的如权利要求1所述的可变增益放大器。
9.一种包括如权利要求1所述的可变增益放大器的移动设备。
10.一种包括如权利要求1所述的可变增益放大器的卫星接收器。
11.一种射频输入电路，包括：
接收电路(400，602)，用于接收RF信号；
输入节点(302，502，532)，耦合于所述接收电路；
可变电流源(304，504，534)，包括输出端和耦合于所述输入节点的控制输入端；
第一和第二支路(308，309)，并联耦合在第一供电端和所述可变电流源的所述输出端之间，所述第一和第二支路限定了被设置为增益由第一和第二差动增益信号(VgainN，VgainP)来控制的差动对、并且包括第一和第二输出端，所述输出端之一包括所述可变增益放大器的输出节点；以及
分压器(322，324)，包括耦合于所述第一和第二输出端的中间节点(326)，其中所述中间节点还通过电容器(328，528，558)耦合于所述输入节点。
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