CN102122919B

CN102122919B - 应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器

Info

Publication number: CN102122919B
Application number: CN 201110095191
Authority: CN
Inventors: 倪文海; 李进; 徐文华
Original assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Current assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: CN102122919A

Abstract

一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器，该放大器包含电路连接的LC谐振腔、共源共栅管、负阻管、分频器和频率控制器，还包含控制开关、片内振荡器和片外电路，由LC谐振腔和负阻管组成压控振荡器，LC谐振腔通过控制开关的切换复用交互工作，使其作为低噪声放大器的负载使用，或者作为压控振荡器的一部分使用，片内振荡器产生固定频率f₀，固定频率f₀的大小通过调节片外电路内的电阻R和电容C来实现。本发明的频率可自动校准，不需要片外匹配网络，低噪声，高增益，参数稳定，可靠性高，电路结构简单，成本低。

Description

应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器。

背景技术

图1是一个具有代表性的射频接收机系统。射频RF信号由天线1（Antenna）被接收到信号通道中，通过匹配网络2（Matching Network）输入到低噪声放大器3（LNA）里。经过其放大后，射频RF信号由输出匹配网络4（Matching Network）输入到接收机5(Receiver IC)的单芯片进行下变频并作进一步的信号处理。在无线通讯领域，整个射频接收机系统的噪声系数主要是由天线下面的低噪声放大器3（LNA）所决定的。噪声系数越小，增益越高，接收机的灵敏度就越高。在一个射频接收机系统里，片外分离器件的低噪声放大器3（LNA）是常见的，在很多情况下，并没有被集成到射频单芯片里面去。目前这种现象的原因是，片外分离器件的低噪声放大器（LNA）的性能较高。比起片内集成的低噪声放大器（LNA），这种片外专业的低噪声放大器（LNA）可以使用较昂贵和特殊的工艺制作，以达到较低的噪声系数，同时具备较高的增益。这种片外分离器件的低噪声放大器3（LNA）随工艺的变化相应地要比CMOS工艺的LNA要小，缺点就是价格较高，而且需要片外匹配网络来调节不同频率的应用。

低成本的CMOS低噪声放大器（LNA）也试图进到片外分离器件的低噪声放大器（LNA）领域和应用，但是在量产时因为工艺偏差的原因，噪声系数不能做到很低，增益也不能设计到很高。用较昂贵和特殊的工艺制作的传统片外分离器件的低噪声放大器有它致命的缺点：第一就是价格较高，不易大量地推广。或者整个系统的片外器件成本高。第二，需要片外匹配网络的元器件来调节不同频率的应用，这样片外器件成本高。如图2所示，传统的低噪声放大器（LNA）一般采用共发共基（Cascode）的结构来实现。射频RF信号经耦合电容C1进到晶体管（Q1）进行放大，转换成电流信号后，经晶体管Q2隔离和叠加，由耦合电容C2输出到片外的匹配电路。L和C3及C2形成LC共振谐振腔。一般低噪声放大器（LNA）有自偏置电路（LNABIAS）和射频信号隔值电阻R。片上电感元件L与电容元件C2，C3构成的谐振腔是用来提供高增益和选频的功能。该方法缺点如下：1.电感与电容谐振只能针对单一狭窄的频带应用，对于目前需求越来越大的多模多频接收机来说，需要可调的窄带谐振腔。所以传统的低噪声放大器（LNA）必须通过偏外的匹配电路来调节不同的应用频率。片外的匹配电路增加了成本和设计复杂度。2.传统片外分离器件的低噪声放大器也任然存在工艺的不可预知性，实际测试结果和设计结果会存在一定的偏差，且该偏差具有不一致性，给设计人员带来很大难度。3.由于工艺偏差和温度变化带来的误差会严重影响芯片的成品率或参数性能。

发明内容

本发明提供的一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器，频率可自动校准，不需要片外匹配网络，低噪声，高增益，参数稳定，可靠性高，电路结构简单，成本低。

为了达到上述目的，本发明提供一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器，该放大器包含电路连接的LC谐振腔、共源共栅管、负阻管、分频器和频率控制器，还包含控制开关，该放大器还包含电路连接的片内振荡器和片外电路；

上述的LC谐振腔与控制开关一端电路连接，控制开关的另一端在共源共栅管与负阻管之间切换连接；

LC谐振腔被连接至负阻管时，负阻管输出自然频率振荡信号至分频器，分频器对自然频率振荡信号分频后输出至频率控制器；片内振荡器产生固定频率f₀输出至频率控制器；频率控制器将分频后的自然频率振荡信号与固定频率f₀比较，根据判断结果输出控制信号至LC谐振腔，以调整负阻管输出的自然频率振荡信号的频率；

频率控制器判断负阻管输出的自然频率振荡信号的频率与固定频率f₀的频率差达到允许误差范围时，频率控制器输出信号至控制开关，控制LC谐振腔连接至共源共栅管，低噪声放大器正常工作。

由LC谐振腔和负阻管组成压控振荡器，LC谐振腔通过控制开关的切换复用交互工作，使其作为低噪声放大器的负载使用，或者作为压控振荡器的一部分使用。

所述的低噪声放大器和压控振荡器使用共同的LC谐振腔，低噪声放大器的输出调谐频率与压控振荡器的输出频率一样。

所述的LC谐振腔包含电感和若干开关电容，开关电容的若干开关与频率控制器的控制信号输出端相连。

所述的片外电路包含电阻R和电容C。

片内振荡器产生固定频率f₀，固定频率f₀的大小通过调节片外电路内的电阻和电容来实现。

本发明的频率可自动校准，不需要片外匹配网络，低噪声，高增益，参数稳定，可靠性高，电路结构简单，成本低。

附图说明

图1是背景技术中射频接收机系统的电路结构框图；

图2是背景技术中传统的低噪声放大器的电路结构图；

图3是本发明提供的一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器的电路结构图。

具体实施方式

以下根据图3具体说明本发明的较佳实施例：

如图3所示，是一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器1，该放大器包含电路连接的LC谐振腔2、共源共栅管3、负阻管4、分频器5和频率控制器6，还包含控制开关10，该放大器还包含电路连接的片内振荡器7和片外电路11。

由LC谐振腔2和负阻管4组成压控振荡器（VCO），低噪声放大器1和压控振荡器使用共同的LC谐振腔2，因此，低噪声放大器1的输出调谐频率与振荡器VCO的输出频率一样。

LC谐振腔2通过控制开关10的切换复用交互工作，使其即可作为低噪声放大器1的负载使用，也可以作为压控振荡器的一部分使用。

所述的LC谐振腔2包含电感L和开关电容（由C₁，C₂和C_i组成），开关电容的开关（由K₁，K₂和K_i组成）与频率控制器6的控制信号输出端相连。

所述的片外电路11包含电阻R和电容C，片内振荡器7产生固定频率f₀，固定频率f₀的大小通过调节片外电路内的电阻R和电容C来实现。低噪声放大器的工作中心频率是这个频率f₀的N倍。这里N值是分频器5的分频数。

该放大器的工作原理如下：射频系统接收机正常工作之前，控制开关10指向9，此时，LC谐振腔2被连接至负阻管4，压控振荡器VCO有自然频率振荡信号出来，振荡器VCO的输出频率经过分频器5来降低频率，分频N倍整数后的频率被送到频率控制器6与固定频率f₀进行比较，根据判断结果做出调整。LC谐振腔2有固定的电感值L，但是它的电容值是随着开关电容的状态而改变的。LC谐振腔2所连接的开关电容越多，其谐振的频率就越低；反之所连接的开关电容越少，其谐振的频率就越高。一般谐振的频率所需要调整的范围如果是100MHz，如果有三位数字控制开关电容阵列，那么就有八种电容组合。数字校准每调整一次的最小跨度就是12.5MHz。校准完后的精度就可以到达6.25MHz。如果调整的频率范围，精度和开关电容阵列数不是这样，可以用上述方法类推。在开始做校准时，当振荡器VCO的输出频率和固定频率f₀误差较大时，频率控制器6输出控制信号去控制LC谐振腔2中的开关电容（由C₁，C₂和C_i组成），随着上述关系重新调整振荡器VCO的输出频率，直到频率控制器6认为振荡器VCO的输出频率和固定频率f₀的频率差到达允许的误差范围，这个误差范围应该在6.25MHz的N分之一内，此时，频率控制器6保持LC谐振腔2中的开关电容（由C₁，C₂和C_i组成）的控制，同时，频率控制器6输出一个信号给控制开关10，使其指向8，LC谐振腔2被连接至共源共栅管3，低噪声放大器1正常工作，LC谐振腔2的谐振频率已经由振荡器VCO进行了校准，此时的谐振频率即为所需的工作频率。

更进一步，所述的频率控制电路6可以采用二进制搜索法，逐步精确调整到相应的频率。分频器5的分频比可依据实际接收频率和固定频率f₀的大小来综合确定，具体实现采用数字电路即可。在分离器件低噪放大器（LNA）的应用中，其实低噪放大器（LNA）一上电，就可以做校准。可以设计成几百微妙后，校准就结束。这种新的自校准的低噪声放大器（LNA）也适合应用到BiCMOS或SiGeBiCMOS工艺中。

本发明的LC谐振腔的中心频率可以被自动校准。本发明利用低噪声放大器1中的LC谐振腔2引入一个简单的振荡器VCO来与固定频率f₀进行比较，达到校准的目的。这个固定频率f₀是由片内振荡器产生的，其频率只取决于片外R和C的值。

本发明具有如下优点：

第一，这种新的低噪声放大器是单端输入单端输出的，结构简单，噪声系数（NF）低；

第二，这种新的低噪声放大器的输出不需要片外的50-Ohm匹配电路；

第三，因为谐振腔2(LC)可以被精确校准，所以电感的Q值可以被设计得很高，这样这种新的低噪声放大器的噪声系数（NF）可以达到特别低；

第四，低噪声放大器的增益（Gain）在同样的电流功耗下，可以被设计成最大；

第五，低噪声放大器的主要参数如噪声系数NF,增益（Gain），线性度和输出输入匹配对于温度，工艺偏差，电压改变都很稳定；

第六，引入的额外校准辅助电路结构简单，不增加太多芯片面积，可靠性高；

第六，所需要的数字校准电路可以使用成熟的二进制搜索法，电路结构简单，并且不需要外接频率源；

第七，所需要的片外比较高精度的电容C和电阻R价格比片外的匹配电路的电感便宜；

第八，最重要的是这种低噪声放大器（LNA）比传统的片外分离器件的低噪声放大器要便宜。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器（1），其特征在于，该放大器包含电路连接的LC谐振腔（2）、共源共栅管（3）、负阻管（4）、分频器（5）和频率控制器（6），还包含控制开关（10），该放大器还包含电路连接的片内振荡器（7）和片外电路（11）；

所述的LC谐振腔（2）与控制开关（10）一端电路连接，控制开关（10）的另一端在共源共栅管（3）与负阻管（4）之间切换连接；

LC谐振腔（2）被连接至负阻管（4）时，负阻管（4）输出自然频率振荡信号至分频器（5），分频器（5）对自然频率振荡信号分频后输出至频率控制器（6）；片内振荡器（7）产生固定频率f₀输出至频率控制器（6）；频率控制器（6）将分频后的自然频率振荡信号与固定频率f₀比较，根据判断结果输出控制信号至LC谐振腔（2），以调整负阻管（4）输出的自然频率振荡信号的频率；

频率控制器（6）判断负阻管（4）输出的自然频率振荡信号的频率与固定频率f₀的频率差达到允许误差范围时，频率控制器（6）输出信号至控制开关（10），控制LC谐振腔（2）连接至共源共栅管（3），低噪声放大器（1）正常工作。

2.如权利要求1所述的应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器（1），其特征在于，由LC谐振腔（2）和负阻管（4）组成压控振荡器，LC谐振腔（2）通过控制开关（10）的切换复用交互工作，使其作为低噪声放大器（1）的负载使用，或者作为压控振荡器的一部分使用。

3.如权利要求1所述的应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器（1），其特征在于，所述的低噪声放大器（1）和压控振荡器使用共同的LC谐振腔（2），低噪声放大器（1）的输出调谐频率与压控振荡器的输出频率一样。

4.如权利要求1所述的应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器（1），其特征在于，所述的LC谐振腔（2）包含电感（L）和若干开关电容，开关电容的若干开关与频率控制器（6）的控制信号输出端相连。

5.如权利要求1所述的应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器（1），其特征在于，所述的片外电路（11）包含电阻R和电容C。

6.如权利要求5所述的应用于片外分离器件的自校准低噪声放大器（1），其特征在于，片内振荡器（7）产生固定频率f₀，固定频率f₀的大小通过调节片外电路内的电阻R和电容C来实现。