CN101860380A - 射频收发器及其相关无线通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种射频收发器，其包含有一调制器、一上变频器、一下变频器、一解调器、一功率放大器及一低噪声放大器。该功率放大器耦接于该上变频器及一基带处理器，用来放大一传送的射频信号，其包含有一第一差动对及一第二差动对，该第一差动对由该基带处理器所产生的一开关信号控制，以控制该射频收发器切换工作模式；该第二差动对耦接于该第一差动对，形成一第一节点及一第二节点。该低噪声放大器耦接于该下变频器及该功率放大器，用来放大一接收的射频信号，包含有一第三差动对，该第三差动对耦接于该第一节点及该第二节点。

Description

射频收发器及其相关无线通信装置

技术领域

本发明涉及一种射频收发器及其相关无线通信装置，尤指一种以最精简的组件实现射频收发器工作模式切换的射频收发器及其相关无线通信装置。

背景技术

无线发射器及接收器在无线通信装置中扮演重要的角色，而随着芯片技术的演进，无线发射器及接收器通常整合为一射频收发器，并以单芯片实现。当射频收发器操作于发射器模式时，射频收发器产生射频信号，并透过天线将射频信号传送至空中；当射频收发器操作于接收器模式时，射频收发器将天线所接收的射频信号转换为基带信号，供无线通信装置中的基带处理器进行处理，以进一步控制无线通信装置的运作。

请参考图1，图1为习知一无线通信装置10的功能方块图。无线通信装置10包含有一天线100、一收发(T/R)开关102、一基带处理器104、一射频收发器106、匹配电路108、110及平衡-不平衡变压器(Balun Transformer)112及114。天线100用来传送及接收射频信号，收发开关102耦接于天线100，用来切换射频信号的传送及接收路径。基带处理器104用来处理基带信号，以传送及接收基带信号。射频收发器106耦接于基带处理器102、平衡-不平衡变压器112及114。射频收发器106前端的主要组件是一功率放大器116及一低噪声放大器(Low Noise Amplifier)118，其它组件如调制/解调器(Modulator/Demodulator)、上/下变频器(Up/Down Converter)、混频器(Mixer)及滤波器等为本领域具通常知识者所熟知，在此不赘述，亦未绘于图1中。匹配电路108及平衡-不平衡变压器112为信号传送路径上的组件，匹配电路110及平衡-不平衡变压器114为信号接收路径上的组件，用来实现阻抗匹配以及差动信号的平衡。

当射频收发器106操作于发射器模式时，功率放大器116放大待传送的射频信号，并以差动方式输出射频信号至平衡-不平衡变压器112；接着，射频信号依序经过平衡-不平衡变压器112、匹配电路108及收发开关102，最后由天线100发射至空中。当射频收发器106操作于接收器模式时，天线100自空中接收射频信号，已接收的射频信号依序经过收发开关102、匹配电路110及平衡-不平衡变压器114，由平衡-不平衡变压器114转换为差动输入的射频信号，输入至低噪声放大器118。射频收发器106具有优异的性能及低插入损耗(Insertion Loss)，射频收发器106与天线100之间的阻抗匹配也容易透过匹配电路108及110进行调整。然而，正因为射频收发器106必须与诸多外部组件配合使用，无线通信装置10的组件及面积成本无法降低。

为了降低成本，习知技术提出另一射频收发器，其在射频收发器的芯片内增设开关以切换信号的传送及接收路径，取代原本的收发开关并减少外部组件。请参考图2，图2为习知一无线通信装置20的功能方块图。无线通信装置20包含有一天线200、一基带处理器202、一射频收发器204、一匹配电路206及一平衡-不平衡变压器208。除射频收发器204之外，上述各组件的作用与无线通信装置10中相同名称的组件相同，在此不赘述。射频收发器204包含有一功率放大器210、一低噪声放大器212及开关SW1～SW4。在射频收发器204操作于发射器模式时，开关SW1及SW2导通且开关SW3及SW4关闭；此时，功率放大器210输出差动输出信号PA_OUT_P及PA_OUT_N至平衡-不平衡变压器208。在射频收发器204操作于接收器模式时，开关SW3及SW4导通且开关SW1及SW2关闭；此时，平衡-不平衡变压器208传送差动输入信号LNA_IN_P及LNA_IN_N至低噪声放大器212。

请参考图3，图3为图2中功率放大器210及低噪声放大器212的示意图。在图3中，功率放大器210是一迭接架构(Cascade)的差动放大器，由N型金氧半导体场效晶体管(n-MOSFET)MN1～MN4组成。N型金氧半导体场效晶体管MN1及MN2形成一共栅极的差动对(Differential Pair)，N型金氧半导体场效晶体管MN3及MN4形成一共源极的差动对。功率放大器210放大差动输入信号PA_IN_P及PA_IN_N，产生差动输出信号PA_OUT_P及PA_OUT_N。低噪声放大器212由N型金氧半导体场效晶体管MN5及MN6组成，为一共源极的差动对。低噪声放大器212放大差动输入信号LNA_IN_P及LNA_IN_N，产生差动输出信号LNA_OUT_P及LNA_OUT_N。功率放大器210及低噪声放大器212的详细运作为本领域具通常知识者所熟知，在此不赘述。

由上可知，相较于无线通信装置10，无线通信装置20节省了一收发开关、一匹配电路及一平衡-不平衡变压器。换言之，使用图2的射频收发器204可较使用图1的射频收发器106节省更多的外部组件。然而，以射频收发器的观点而言，射频收发器204比射频收发器106多了开关组件，成本较高。以目前的趋势而言，各种无线通信装置如无线局域网络卡或无线局域网络存取器，在设计上已朝向低成本及小型化发展。因此，设计一低成本，同时亦能协助无线通信装置降低其成本的射频收发器芯片，实为一大挑战。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种射频收发器及其相关无线通信装置。

本发明揭露一种射频收发器，包含有一调制器、一上变频器、一下变频器、一解调器、一功率放大器及一低噪声放大器。该调制器用来调制一基带处理器所产生的一待传送的基带信号，以产生一待传送的射频信号。该上变频器耦接于该调制器，用来调升该待传送的射频信号的频率。该下变频器用来调降一已接收的射频信号的频率。该解调器耦接于该下变频器，用来解调该已接收的射频信号解调，以产生一待处理的基带信号。该功率放大器耦接于该上变频器及一基带处理器，用来放大该待传送的射频信号，其包含有一第一差动对，受控于该基带处理器所产生的一开关信号，用以控制该射频收发器操作于一射频发射器模式或一射频接收器模式；以及一第二差动对，耦接于该第一差动对，形成一第一节点及一第二节点。该低噪声放大器耦接于该下变频器及该功率放大器，用来放大该已接收的射频信号，其包含有一第三差动对，该第三差动对耦接于该第一节点及该第二节点。

本发明另揭露一种无线通信装置，包含有一天线、一基带处理器及一射频收发器。该天线用来传送及接收射频信号，该基带处理器用来输出一待传送的基带信号，接收一待处理的基带信号，以及产生一开关信号。该射频收发器包含有一调制器、一上变频器、一下变频器、一解调器、一功率放大器及一低噪声放大器。该调制器用来将该待传送的基带信号调制成为一待传送的射频信号。该上变频器耦接于该调制器，用来调升该待传送的射频信号的频率。该下变频器用来调降一已接收的射频信号的频率。该解调器耦接于该下变频器，用来将该已接收的射频信号解调成为该待处理的基带信号。该功率放大器耦接于该上变频器，用来放大该待传送的射频信号，包含有一第一差动对，受控于该开关信号，用以控制该射频收发器操作于一射频发射器模式或一射频接收器模式；以及一第二差动对，耦接于该第一差动对，形成一第一节点及一第二节点。该低噪声放大器耦接于该下变频器，用来放大该已接收的射频信号，包含有一第三差动对，该第三差动对耦接于该第一节点及该第二节点。

附图说明

图1及图2为习知无线通信装置的功能方块图。

图3为图2中功率放大器及低噪声放大器的示意图。

图4为本发明实施例一射频收发器的功能方块图。

图5为图4中功率放大器及低噪声放大器的示意图。

图6为本发明实施例一射频收发器的功率放大器及低噪声放大器的示意图。

第7图为本发明实施例一无线通信装置的功能方块图。

【主要组件符号说明】

10、20、60、70               无线通信装置

100、200、700                天线

102                          收发开关

104、202、42、702            基带处理器

106、204、40、704            射频收发器

108、110、206、600、602、706 匹配电路

112、114、208、500           平衡-不平衡变压器

116、210、404                功率放大器

118、212、406                低噪声放大器

400                          调制器

402                          上变频器

408                          下变频器

410                          解调器

N1、N2                       节点

SW1～SW4                     开关

MN1～MN6                N型金氧半导体场效晶体管

SC1                     开关信号

PA_IN_P、PA_IN_N、PA_OUT_P、PA_OUT_N、LNA_IN_P、LNA_IN_N、LNA_OUT_P、LNA_OUT_N        差动信号

具体实施方式

请参考图4，图4为本发明实施例一射频收发器40的功能方块图。射频收发器40用于一无线通信装置中，通常以一芯片实现。无线通信装置中其它组件尚有天线，匹配电路及基带处理器等，为求简洁，于图4中仅绘出一基带处理器42。射频收发器40整合了发射器及接收器的功能，包含有一调制器400、一上变频器402、一功率放大器404、一低噪声放大器406、一下变频器408及一解调器410。

在射频收发器40的发射器的电路中，调制器400耦接于基带处理器42，用来调制基带处理器42所产生的一欲传送的基带信号调制，以产生一待传送的射频信号；上变频器402耦接于调制器400，用来调升待传送的射频信号的频率；功率放大器404为一迭接架构(Cascade)的差动放大器，耦接于上变频器402，用来放大待传送的射频信号。在射频收发器40的接收器的电路中，低噪声放大器406耦接于功率放大器404，用来放大经由功率放大器404所接收的射频信号；下变频器408耦接于低噪声放大器406，用来调降已接收的射频信号的频率；解调器410耦接于下变频器408及基带处理器42，用来解调已接收的射频信号，以产生一待处理的基带信号，输出至基带处理器42。

请注意，功率放大器404另耦接于基带处理器42，受基带处理器42所产生的一开关信号SC1控制，以切换射频收发器40的工作模式；因此，低噪声放大器406能够透过功率放大器404接收射频信号。上述特征为本发明与习知射频收发器最主要的不同之处，于后详述。请参考图5，图5为图4图中功率放大器404及低噪声放大器406的示意图，其中亦描述了射频收发器40与外部电路组件的关系。于图5中，功率放大器404耦接于一平衡-不平衡变压器500，平衡-不平衡变压器500用来实现阻抗匹配及差动信号的平衡。

功率放大器404由N型金氧半导体场效晶体管MN1～MN4组成，N型金氧半导体场效晶体管MN1及MN2形成一共栅极的差动对(DifferentialPair)DP1，N型金氧半导体场效晶体管MN3及MN4形成一共源极的差动对DP2。N型金氧半导体场效晶体管MN1及MN2的栅极皆耦接于基带处理器42，由基带处理器42所产生的开关信号SC1所控制。N型金氧半导体场效晶体管MN1及MN2的漏极分别为功率放大器404的一正输出端及一负输出端，耦接于平衡-不平衡变压器500，输出差动输出信号PA_OUT_P及PA_OUT_N。N型金氧半导体场效晶体管MN1及MN2的源极分别耦接于N型金氧半导体场效晶体管MN3及MN4的漏极，此二耦接点分别以节点N1及节点N2表示。换言之，差动对DP1与差动对DP2分别耦接于节点N1及节点N2。N型金氧半导体场效晶体管MN3及MN4的栅极分别为功率放大器404的一正输入端及一负输入端，分别接收差动输入信号PA_IN_P及PA_IN_N。N型金氧半导体场效晶体管MN3及MN4的源极皆耦接于一地端。

低噪声放大器406由N型金氧半导体场效晶体管MN5及MN6组成，为一共源极的差动对DP3。N型金氧半导体场效晶体管MN5及MN6的栅极分别为低噪声放大器406的一正输入端及一负输入端，同时亦分别耦接于节点N1及节点N2，接收差动输入信号LNA_IN_P及LNA_IN_N。N型金氧半导体场效晶体管MN5及MN6的源极皆耦接于地端，漏极分别为低噪声放大器406的一正输出端及一负输出端，输出差动输出信号LNA_OUT_P及LNA_OUT_N。依图4所示，功率放大器404的差动输入信号PA_IN_P及PA_IN_N为上变频器402所产生，低噪声放大器406产生的差动输出信号LNA_OUT_P及LNA_OUT_N则输出至下变频器408。实际而言，上变频器402与功率放大器404之间或低噪声放大器406与下变频器408之间可能另包含有其它组件，如滤波器或混频器，为本领域具通常知识者所熟知，在此不赘述。

如前所述，无论是欲传送的射频信号或接收的射频信号，皆通过功率放大器404。差动对DP1除了作为功率放大器404的一部分，亦作为射频收发器40的发射器模式及接收器模式的切换开关。当开关信号SC1位于一低电位，射频收发器40操作于发射器模式，此时差动对DP1及差动对DP2放大功率放大器404的差动输入信号PA_IN_P及PA_IN_N，产生差动输出信号PA_OUT_P及PA_OUT_N。当开关信号SC1位于一高电位，射频收发器40操作于接收器模式，此时差动对DP1作为开关并导通，差动对DP2不导通，差动对DP3放大低噪声放大器406的差动输入信号LNA_IN_P及LNA_IN_N，产生差动输出信号LNA_OUT_P及LNA_OUT_N。根据开关信号SC1，低噪声放大器406得以经由功率放大器404接收射频信号。

请同时参考图3及图5，以进一步了解本发明的射频收发器与习知射频收发器的不同处。在图3中，射频收发器204除了包含功率放大器210及低噪声放大器212之外，另利用四个开关SW1～SW4切换射频收发器的工作模式，以合并信号的传送及接收路径，减少射频收发器的外部组件。功率放大器210及低噪声放大器212的电路不相互连接。在图5中，射频收发器40利用功率放大器404内部原有的N型金氧半导体场效晶体管MN1及MN2作为射频收发器工作模式的切换开关，没有任何额外增加的开关组件，同样能够合并信号的传送及接收路径。因此，本发明不仅帮助无线通信装置减少组件及面积成本，同时亦降低了射频收发器本身的成本。

在此请注意，图5所示的功率放大器404及低噪声放大器406为本发明的一实施例，本领域具通常知识者当可据以作不同的变化及修饰。举例来说，请参考图6，图6为本发明实施例一射频收发器60的示意图，其中仅绘出功率放大器及低噪声放大器的部分。射频收发器60包含有图5的射频收发器40所有的组件，同时另包含有匹配电路600及602；匹配电路600耦接于N型金氧半导体场效晶体管MN5的栅极与节点N1之间，而匹配电路602耦接于N型金氧半导体场效晶体管MN6的栅极与节点N2之间。匹配电路600及602用来实现低噪声放大器406与外部线路的阻抗匹配，提高低噪声放大器406的效率。

此外，请参考图7，图7为本发明实施例一无线通信装置70的功能方块图。无线通信装置70包含有一天线700、一基带处理器702、一射频收发器704及一匹配电路706。天线700用来传送及接收射频信号，基带处理器702耦接于射频收发器704，用来输出一待传送的基带信号，接收射频收发器704所输出的一基带信号，以及产生一开关信号SC2以控制射频收发器704的工作模式的切换动作。匹配电路706耦接于天线700及射频收发器704，用来实现天线700及射频收发器704之间的阻抗匹配。射频收发器704耦接于天线700及基带处理器702，射频收发器704所包含的组件及运作方式与图4中射频收发器40相同，在此不赘述。简言之，射频收发器704利用其中功率放大器原有的N型金氧半导体场效晶体管，作为射频收发器704的工作模式的切换开关，进而合并信号的传送接收路径。因此，射频收发器704可帮助无线通信装置70降低成本。

综上所述，本发明将射频收发器的低噪声放大器的差动输入端耦接至功率放大器，同时利用基带处理器产生开关信号，控制功率放大器原有的晶体管作为射频收发器的工作模式的切换开关。进一步说，本发明不须增加额外的开关组件即可完成射频收发器工作模式的切换动作，不仅降低了射频收发器的成本，亦可降低使用本发明的射频收发器的无线通信装置的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种射频收发器，包含有：

一调制器，用来调制一基带处理器所产生的一待传送的基带信号，以产生一待传送的射频信号；

一上变频器，耦接于该调制器，用来调升该待传送的射频信号的频率；

一下变频器，用来调降一已接收的射频信号的频率；

一解调器，耦接于该下变频器，用来解调该已接收的射频信号解调，以产生一待处理的基带信号；

一功率放大器，耦接于该上变频器及一基带处理器，用来放大该待传送的射频信号，其包含有：

一第一差动对，受控于该基带处理器所产生的一开关信号，用以控制该射频收发器操作于一射频发射器模式或一射频接收器模式；以及

一第二差动对，耦接于该第一差动对，形成一第一节点及一第二节点；以及

一低噪声放大器，耦接于该下变频器及该功率放大器，用来放大该已接收的射频信号，其包含有一第三差动对，该第三差动对耦接于该第一节点及该第二节点。

2.如权利要求1所述的射频收发器，其中该第一差动对包含有：

一第一N型场效晶体管，包含有一栅极，由该开关信号控制，一漏极，以及一源极耦接于该第一节点；以及

一第二N型场效晶体管，包含有一栅极，由该开关信号控制，一漏极，以及一源极耦接于该第二节点。

3.如权利要求1所述的射频收发器，其中该第二差动对包含有：

一第一N型场效晶体管，包含有一栅极，该栅极为该功率放大器的一第一输入端，一漏极耦接于该第一节点，以及一源极耦接于一地端；以及

一第二N型场效晶体管，包含有一栅极，该栅极为该功率放大器的一第二输入端，一漏极耦接于该第二节点，以及一源极耦接于该地端。

4.如权利要求1所述的射频收发器，其中该第三差动对包含有：

一第一N型场效晶体管，包含有一栅极耦接于该第一节点，一漏极，该漏极为该低噪声放大器的一第一输出端，以及一源极耦接于一地端；以及

一第二N型场效晶体管，包含有一栅极耦接于该第二节点，一漏极，该漏极为该功率放大器的一第二输出端，以及一源极耦接于该地端。

5.如权利要求1所述的射频收发器，另包含有一匹配电路耦接于该第三差动对及该第一节点之间。

6.如权利要求1所述的射频收发器，另包含有一匹配电路耦接于该第三差动对及该第二节点之间。

7.一种无线通信装置，包含有：

一天线，用来传送及接收射频信号；

一基带处理器，用来输出一待传送的基带信号，接收一待处理的基带信号，以及产生一开关信号；以及

一射频收发器，耦接于该基带处理器及该天线，包含有：

一调制器，用来调制该待传送的基带信号，以产生一待传送的射频信号；

一上变频器，耦接于该调制器，用来调升该待传送的射频信号的频率；

一下变频器，用来调降一已接收的射频信号的频率；

一解调器，耦接于该下变频器，用来解调该已接收的射频信号解调，以产生该待处理的基带信号；

一功率放大器，耦接于该上变频器，用来放大该待传送的射频信号，包含有：

一第一差动对，受控于该开关信号，用以控制该射频收发器操作于一射频发射器模式或一射频接收器模式；以及

一第二差动对，耦接于该第一差动对，形成一第一节点及一第二节点；以及

一低噪声放大器，耦接于该下变频器，用来放大该已接收的射频信号，包含有一第三差动对，该第三差动对耦接于该第一节点及该第二节点。

8.如权利要求7所述的无线通信装置，其中该第一差动对包含有：

一第一N型场效晶体管，包含有一栅极，由该开关信号控制，一漏极，以及一源极耦接于该第一节点；以及

一第二N型场效晶体管，包含有一栅极，由该开关信号控制，一漏极，以及一源极耦接于该第二节点。

9.如权利要求7所述的无线通信装置，其中该第二差动对包含有：

一第一N型场效晶体管，包含有一栅极，该栅极为该功率放大器的一第一输入端，一漏极耦接于该第一节点，以及一源极耦接于一地端；以及

一第二N型场效晶体管，包含有一栅极，该栅极为该功率放大器的一第二输入端，一漏极耦接于该第二节点，以及一源极耦接于该地端。

10.如权利要求7所述的无线通信装置，其中该第三差动对包含有：

一第一N型场效晶体管，包含有一栅极耦接于该第一节点，一漏极，该漏极为该低噪声放大器的一第一输出端，以及一源极耦接于一地端；以及

一第二N型场效晶体管，包含有一栅极耦接于该第二节点，一漏极，该漏极为该功率放大器的一第二输出端，以及一源极耦接于该地端。

11.如权利要求7所述的无线通信装置，另包含有一匹配电路耦接于该第三差动对及该第一节点之间。

12.如权利要求7所述的无线通信装置，另包含有一匹配电路耦接于该第三差动对及该第二节点之间。

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