CN101652925B - 灵活动态范围的放大器 - Google Patents

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Abstract

一种放大装置(10)包括第一、第二、第三和第四晶体管(M1，M2，M3，M4)。在第一和第三晶体管(M1，M3)中，源极连接到输入信号源(IN+，IN-)，栅极连接到偏置电位(VB)并且漏极连接到信号输出端(Q+，Q-)。在第一和第三晶体管(M1，M3)的源极与漏极之间分别存在第一和第二分支(B1，B2)，所述第一和第二分支均包括对应的第二或第四晶体管(M2，M4)。该装置还包括第三分支(B3)以及第四分支(B4)，所述第三分支包括连接在第一晶体管(M1)源极与第三晶体管(M3)栅极之间的第一电容器(C1)和第一开关(SW1)，所述第四分支包括连接在第三晶体管(M3)源极与第一晶体管(M1)栅极之间的第二电容器(C2)和第二开关(SW2)。

Description

灵活动态范围的放大器
技术领域
本发明涉及放大器领域。本发明特别涉及放大装置以及包括这种放大装置的无线收发器和无线电传送装置。
背景技术
在射频低噪声放大器(LNA)中，噪声和线性度是两个重要的因素。然而，它们不能被很容易地进行组合。高增益放大器能够具有低噪声，但是将牺牲线性度，而低增益放大器具有更好的线性度但是具有更多噪声。放大器的噪声和线性度性能能够通过动态范围来量化，其是噪声所限制的最低可检测信号强度与由于非线性的缘故而将发生1dB压缩的最高信号强度之比。
在无线通信领域，例如移动电话，根据与网络的无线接入点相关的无线终端的位置，存在着对低噪声放大器的不同需要。例如，如果无线终端远离无线接入点，则重要的是，噪声尽可能低以便能够接收弱信号。如果另一方面，来自其他无线终端的干扰信号很强，则线性度应该高以便避免接收器的退敏(desensitation)或阻塞。
从而感兴趣的是提供这样的低噪声放大装置，其能够根据情况选择性地提供好的线性度或低噪声和高增益。这正变得日益重要，不但因为可以降低功耗，而且因为不断地降低现代半导体工艺的电源电压，导致很难得到涵盖全部这些情况的足够高的动态范围。
传统上这已经通过使用通过在输出端接入(switch in)不同电阻性负载实现的简单可控增益衰减而得以解决。然而，于是动态范围性能下降。
在无线收发器中在获得高动态范围与浪费功率之间存在折衷。在低电源电压下获得高动态范围尤其困难。
因此需要提供一种改进的低噪声放大装置，其能够根据情况提供好的线性度或低噪声和高增益。
发明内容
本发明涉及实现在放大装置中选择性提供高增益和低噪声或好的线性度。
本发明一个目的是提供一种放大装置，其能够选择性地提供好的线性度或低噪声和高增益。
根据本发明的第一方面，这通过一种放大装置来实现，所述放大装置包括：
第一晶体管，具有连接到用于接收输入信号的第一部分(first half)的第一输入信号源的源极，连接到偏置电位的栅极，和连接到提供输出信号的第一部分的第一信号输出端的漏极，
第一可断(breakable)分支(branch)，连接在第一晶体管的源极与漏极之间并且包括第二晶体管，
第三晶体管，具有连接到用于接收输入信号的第二部分(second half)的第二输入信号源的源极，连接到偏置电位的栅极，和连接到提供输出信号的第二部分的第二信号输出端的漏极，
第二可断分支，连接在第三晶体管的源极与漏极之间并且包括第四晶体管，
第三可断分支，包括连接在第一晶体管的源极与第三晶体管的栅极之间的第一电容器和第一开关，以及
第四可断分支，包括连接在第三晶体管的源极与第一晶体管的栅极之间的第二电容器和第二开关，
其中所述第一和第二开关被安排来接收第一转换信号(switching signal)以用于提供放大装置的电容性交叉耦合操作模式，并且当选择放大装置的非交叉耦合共栅极操作模式时，第一和第二可断分支被安排来接收第二转换信号以用于将第二晶体管与第一晶体管并联连接并且用于将第四晶体管和第三晶体管并联连接。
放大装置有效地被提供在无线收发器以及无线电传送装置中，例如无线接入点或无线终端。
在这里术语栅极、源极和漏极旨在涵盖等同的术语，如基极、发射极和集电极。
本发明具有下面的优点。其提供了一种装置，所述装置能够选择性地提供高增益和低噪声或好的线性度。其能够在低电源电压下并且在不降低动态范围的情况下实现这一点。两种操作模式的组合实际上改进放大装置的有效动态范围。
应该强调的是当说明书中使用时，术语“包括/包含”特指所陈述的特征或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、组件或其组合的存在或增加。
附图说明
现在将根据所公开的附图来更详细地描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的第一实施例的放大装置的电路图，
图2示出根据本发明的第二实施例的放大装置的电路图，
图3示意性地示出两个无线电传送装置，彼此通信的一个基站和一个移动台，其中每一个都包括根据本发明的放大装置，以及
图4示出蜂窝电话形式的无线终端的前视图。
具体实施方式
本发明涉及一种放大装置，其能够被有利地用于无线通信，这是因为其提供好的线性度或低噪声和高线性，所感兴趣的是其用于无线网络中的不同通信情形中。
本发明从而涉及提供一种放大装置，其能够被操作在两种结构之间进行转换，以便提供更好的线性度或低噪声和高增益。有利地，该放大装置是射频低噪声放大装置。
图1中的电路图中示出了根据本发明的第一实施例的这种放大装置10。放大装置10包括第一对晶体管，包括第一晶体管M1和第二晶体管M2。这里第一晶体管M1的漏极连接到提供输出信号的第一部分的第一信号输出端O+。第一晶体管M1的漏极还通过第一输出阻抗ZO1连接到信号地，在本实施例中第一输出阻抗是电感。第一晶体管M1的栅极被安排来接收偏置电位，在该第一实施例中这是通过经由第一偏置电阻器RB 1将栅极连接到偏置电位VB来实现的。第一晶体管M1的源极连接到第一输入信号源IN+的第一端，从中其接收输入信号的第一部分。第一输入信号源IN+的第二端连接到信号地。提供与该输入信号源IN+并联的第一输入电阻ZI1，在该实施例中其是电感器。提供与第一晶体管M1并联的第一可断分支B1，其连接在第一晶体管M1的源极与漏极之间。分支B1包括第二晶体管M2并且将该第二晶体管M2的漏极连接到第一晶体管的漏极并且将第二晶体管M2的源极连接到第一晶体管M 1的源极。在该实施例中，第二晶体管M2的栅极还通过第一偏置电阻器RB1形式的偏置阻抗而连接到偏置电位VB。
低噪声放大装置10还包括第二对晶体管，包括第三和第四晶体管M3和M4。这里第三晶体管M3的漏极连接到提供输出信号的第二部分的第二信号输出端O-。第三晶体管M3的漏极还通过第二输出阻抗ZO2连接到信号地，在该实施例中第二输出阻抗是电感。第三晶体管M3的栅极通过第二偏置电阻器RB2连接到偏置电位VB并且第三晶体管M3的源极连接到第二输入信号源IN-的第一端，从中其接收输入信号的第二部分。第二输入信号源IN-的第二端连接到信号地。提供与该输入信号源IN-并联的第二输入阻抗ZI2，在该实施例中其也是电感器。提供与第三晶体管M3并联的第二可断分支B2，其连接在第三晶体管M3的源极与漏极之间。分支B2包括第四晶体管M4并且将该第四晶体管M4的漏极连接到第三晶体管M3的漏极并将第四晶体管M4的源极连接到第三晶体管M3的源极。第四晶体管M4被安排来接收偏置电位，在该第一实施例中这还通过经由第二偏置电阻器RB2形式的偏置阻抗将栅极连接到偏置电位VB来实现。第一和第二偏置电阻器RB1和RB2的电阻应该是相等的。并且第一和第二输出阻抗ZO1和ZO2的电感应该是相等的。第一和第二输入阻抗ZI1和ZI2的电感也应该是相等的。
根据本发明，此外在第一晶体管M1的源极与第三晶体管M3的栅极之间提供第三可断分支B3。该第三分支B3包括第一电容器C1和第一开关SW1。在该实施例中，第一开关SW1被提供为晶体管，其源极和漏极连接在第三分支B3中并且该晶体管SW1的栅极连接到第一转换信号C_SW。此外在第三晶体管M3的源极与第一晶体管M1的栅极之间提供第四可断分支B4。该第四分支B4包括第二电容器C2和第二开关SW2。在该实施例中，第二开关SW2也被提供为晶体管，其源极和漏极连接在第四分支B4中并且该晶体管SW2的栅极连接到第一转换信号C_SW。
根据该第一实施例，第一分支B1还包括被提供为晶体管的第三开关SW3，其源极和漏极连接在第一分支B1中并且该晶体管SW3的栅极连接到第二转换信号TR_SW。这里开关SW3的源极面对第一晶体管M1的源极，而漏极面对第一晶体管M1的漏极。最后，第二分支B2包括第四开关SW4，在该实施例中它被提供为晶体管，其源极和漏极连接在第二分支B2中并且该晶体管SW4的栅极还连接到第二转换信号TR_SW。这里开关SW4的源极面对第三晶体管M3的源极，而漏极面对第三晶体管M3的漏极。
在该实施例中，晶体管M1、M2、M3和M4以及开关SW1、SW2、SW3和SW4全都被提供为MOSFET晶体管。
能够看到，根据该第一实施例的放大装置10被提供为差分放大器，其放大通过输入源极IN+和IN-提供的输入信号，以用于通过输出端O+和O-提供经放大的输出信号。在该第一实施例中，第二和第四晶体管M2和M4接收起动信号(activating signal)，该信号在这里为偏置电位VB。此外开关SW1、SW2、SW3和SW4提供该装置在两个不同放大模式之间的转换：电容性交叉耦合操作模式和标准共栅极操作模式。进行这种转换以便获得好的线性特性或低噪声和高增益。
当希望获得好的线性特性时，通过施加第一转换信号C_SW的低电压电平来截止(open)第一和第二开关SW1和SW2，同时通过施加第二转换信号TR_SW的高电压电平来导通(close)第三和第四开关SW3和SW4。那么第三和第四分支B3和B4断开并且从而第一和第二电容器C1和C2对操作没有影响。由于这种转换，第二和第四晶体管M2和M4与第一和第三晶体管M1和M3并联连接，从而获得放大装置10的标准共栅极结构，这提供所希望的线性特性。
当希望获得低噪声和高增益时，通过施加第一转换信号C_SW的高电压电平来导通第一和第二开关SW1和SW2，同时通过施加第二转换信号TR_SW的低电平电压来截止第三和第四开关SW3和SW4。于是第三和第四分支B3和B4在第一和第三晶体管M1和M3之间连接并且从而第一和第二电容器C1和C2对放大装置10的操作存在影响。因此获得放大装置的电容性交叉耦合结构，其提供所希望的低噪声和高增益。第三和第四开关SW3和SW4的截止将减少有效的组合输入，从而减小晶体管的大小，这样能够在两种操作模式中实现良好的输入匹配。交叉耦合模式需要与标准共栅极相比较一半的跨导值。
图2示出根据本发明的第二实施例的低噪声装置10的电路图。该第二实施例与第一实施例类似。第二实施例与第一实施例的不同在于第一和第二分支B1和B2不包括第三和第四开关；而是第二和第四晶体管M2和M4栅极直接接收第二转换信号。因而用于第二和第四晶体管M2和M4的起动信号这里为第二转换信号TR_SW。
根据该第二实施例的装置以与第一实施例中的装置相同的方式进行操作以便获得相同的最后结果。
然而，在该第二实施例中，第二转换信号TR_SW的高电压电平对应于偏置电位VB，以便启动标准共栅极操作。这在第一实施例中不是必要的。
放大装置的噪声和线性度性能够通过动态范围来量化，其是噪声所限制的最低可检测信号强度与由于非线性的缘故而将发生1dB压缩的最高信号强度之比。
功率放大装置10的上述操作具有多个优点。其提供一种装置，所述装置能够选择性地提供高增益和低噪声或高线性度。其能够在低电源电压下并且在不需要降低动态范围的情况下实现。事实上，动态范围的覆盖范围通过根据本发明的放大装置而得以提高。
在所描述的实施例中，输入和输出阻抗被提供为电感器。应该意识到作为替代，它们可以是电阻器。第一、第二、第三和第四晶体管也被提供为MOSFET晶体管。应该意识到，它们可以是任何类型的晶体管，例如JFET和PNP晶体管。因此，还应该意识到术语栅极涵盖等同的术语基极，术语漏极涵盖等同的术语集电极并且术语源极涵盖等同的术语发射极。所使用的开关会被意识到采用MOSFET晶体管的形式。应该意识到它们可以是任何类型的晶体管，例如JFET和PNP晶体管。实际上开关并不限于晶体管，但是也可以意识到通过能够根据转换信号来执行转换的任何装置。在第三和第四分支中提供的开关和电容器的次序不是本发明的运行的关键。同样，在第一实施例中在第一和第二分支中提供开关和晶体管中的次序不是本发明的运行的关键。在所描述的实施例中，晶体管M1到M4已经被提供为N型，但是作为代替将设计转换为使用P型也不是问题。在所描述的实施例中，此外第一和第三晶体管的栅极通过偏置电阻器形式的偏置阻抗而连接到偏置电位。应该意识到偏置阻抗也可以例如是电感器。此外第二和第四晶体管的栅极可以通过一个共偏置阻抗而连接到偏置电位或甚至直接连接到该偏置电位。
根据本发明的放大装置可以被提供在无线接入点(例如基站)中，或提供到无线终端(例如移动台)中，或者二者兼有。图3示意性地示出包括根据本发明的低噪声放大装置的无线收发器14的一种此类基站12。无线收发器14又连接到天线16以用于在广域网N中与移动台18进行通信。移动台可以是蜂窝电话，如图4中所示。
当移动台远离基站12时，放大装置被操作来根据电容性交叉耦合结构进行配置，而如果存在很多干扰，则放大装置被操作来根据标准共栅极结构进行配置。
尽管已经结合特定实施例对本发明进行了描述，但其不意在局限于在此所阐述的特定形式。更确切地，本发明的范围仅由随后权利要求进行限制。

Claims (18)

1.一种放大装置(10)，包括：
第一晶体管(M1)，具有连接到用于接收输入信号的第一部分的第一输入信号源(IN+)的源极，被安排来接收偏置电位(VB)的栅极，和连接到提供输出信号的第一部分的第一信号输出端(O+)的漏极，
第一可断分支(B1)，连接在第一晶体管(M1)的源极与漏极之间并且包括第二晶体管(M2)，
第三晶体管(M3)，具有连接到用于接收输入信号的第二部分的第二输入信号源(IN-)的源极，被安排来接收偏置电位(VB)的栅极，和连接到提供输出信号的第二部分的第二信号输出端(O-)的漏极，
第二可断分支(B2)，连接在第三晶体管(M3)的源极与漏极之间并且包括第四晶体管(M4)，
第三可断分支(B3)，包括连接在第一晶体管(M1)的源极与第三晶体管(M3)的栅极之间的第一电容器(C1)和第一开关(SW1)，以及
第四可断分支(B4)，包括连接在第三晶体管(M3)的源极与第一晶体管(M1)的栅极之间的第二电容器(C2)和第二开关(SW2)，
其中所述第一和第二开关(SW1，SW2)被安排来接收第一转换信号(C_SW)以用于提供放大装置(10)的电容性交叉耦合操作模式，并且所述第一和第二可断分支(B1，B2)被安排来接收第二转换信号(TR_SW)以用于将第二晶体管(M2)与第一晶体管(M1)并联连接并且用于将第四晶体管(M4)与第三晶体管(M3)并联连接以便提供放大装置(10)的标准共栅极操作模式。
2.根据权利要求1的放大装置(10)，其中第一可断分支(B1)将第二晶体管(M2)的漏极连接到第一晶体管(M1)的漏极并且将第二晶体管(M2)的源极连接到第一晶体管(M1)的源极，并且第二可断分支(B2)将第四晶体管(M4)的漏极连接到第三晶体管(M3)的漏极并且将第四晶体管(M4)的源极连接到第三晶体管(M3)的源极。
3.根据权利要求1的放大装置(10)，其中第一输入信号源(IN+)与第一输入阻抗(ZI1)并联地连接在第一晶体管(M1)的源极与信号地之间，并且第二输入信号源(IN-)与第二输入阻抗(ZI2)并联地连接在第三晶体管(M3)的源极与信号地之间。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中第一晶体管(M1)的漏极通过第一输出阻抗(ZO1)连接到信号地，并且第三晶体管(M3)的漏极通过第二输出阻抗(ZO2)连接到信号地。
5.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置，其中第一和第三晶体管(M1，M3)的栅极通过至少一个偏置阻抗(RB1，RB2)连接到偏置电位(VB)。
6.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中第二和第四晶体管(M2，M4)的栅极被安排来接收起动信号(VB；TR_SW)。
7.根据权利要求6的放大装置(10)，其中起动信号为偏置电位(VB)，第一可断分支(B1)包括第三开关(SW3)并且第二可断分支(B2)包括第四开关(SW4)，第三和第四开关(SW3，SW4)被安排来接收第二转换信号(TR_SW)。
8.根据权利要求6的放大装置(10)，其中起动信号为第二转换信号(TR_SW)，其具有与运作以将第二和第四晶体管(M2，M4)分别与第一和第三晶体管(M1，M3)并联连接的偏置电位(VB)相对应的电位。
9.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中晶体管被提供为MOSFET晶体管。
10.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中晶体管被提供为JFET晶体管。
11.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中晶体管被提供为双极晶体管。
12.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中开关以MOSFET晶体管的形式被提供。
13.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中开关以JFET晶体管的形式被提供。
14.根据权利要求1-3中任一权利要求的放大装置(10)，其中开关以双极晶体管的形式被提供。
15.一种包括至少一种根据权利要求1-14中任一权利要求的放大装置(10)的无线收发器(14)。
16.一种包括至少一种根据权利要求1-14中任一权利要求的放大装置(10)的无线电传送装置(12；18)。
17.根据权利要求16的无线电传送装置，其中它是无线接入点(12)。
18.根据权利要求16的无线电传送装置，其中它是无线终端(18)。
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