CN102246411B - 用于改进放大器线性的技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于改进级联放大器的线性的技术。在示范性实施例中，与主要级联分支(M2)并联地提供辅助共栅极放大器(M5)。所述辅助共栅极放大器(M5)对所述主要级联分支(M2)中的级联节点(X1)进行取样。所述辅助共栅极放大器(M5)产生电流，所述电流在与由所述主要级联分支(M2)产生的电流组合时，消除失真分量以产生具有改进的线性特性的输出电流。在示范性实施例中，相移网络(310)将所述级联节点(X1)耦合到所述辅助共栅极放大器(M5)，且可包括(例如)耦合到电感器的电容器。

Description

用于改进放大器线性的技术

技术领域

本发明涉及集成电路(IC)设计，且更特定来说，涉及用于使用级联配置改进IC放大器的线性的技术。

背景技术

放大器经设计以将增益提供到输入信号以产生经放大的输出信号。在集成电路中，一种常见放大器设计使用以级联配置耦合的晶体管。级联放大器通常在特定线性操作范围内将增益提供到输入信号。如果输入信号的量值落在线性操作范围外，那么放大器输出中可出现例如三阶互调失真(third-order inter-modulation distortion，IMD3)分量等不良非线性分量。

一种减轻级联放大器输出中IMD3的电平的方法为提供与主要级联信号路径并联耦合的辅助信号路径。所述辅助路径可经设计以产生辅助电流来在所述辅助电流与主要级联电流组合时消除输出电流中的IMD3分量。参见(例如)2006年7月IEEE固态电路期刊(IEEE Journal of Solid-State Circuits)第41卷第7期，金南秀(Kim，Namsoo)等人的“使用有效后失真线性化的蜂窝带CDMA 0.25-μm CMOS LNA(A Cellular-BandCDMA 0.25-μm CMOS LNA Linearized Using Active Post-Distortion)”。

利用此辅助路径的技术的一个限制为级联放大器的信号增益可能与IMD3分量一起显著减少。将希望提供在不显著减少放大器信号增益的情况下减少级联放大器的输出信号中的IMD3分量的技术。

附图说明

图1描绘级联放大器的先前技术实施方案。

图2描绘使用IMD3消除的级联放大器的先前技术实施方案。

图3描绘根据本发明的使用IMD3消除技术的放大器的示范性实施例。

图4描绘根据本发明的替代示范性实施例，其中在辅助分支中提供额外晶体管M6。

图5描绘根据本发明的示范性实施例，其中提供相移网络的特定实施方案。

图6描绘根据本发明的方法的示范性实施例。

具体实施方式

以下结合附图阐明的详细描述希望作为对本发明的示范性实施例的描述，且不希望表示可实践本发明的唯一示范性实施例。在此描述各处所使用的术语“示范性”意味着“充当实例、例子或说明”且应不必被理解为比其它示范性实施例优选或有利。出于提供对本发明的示范性实施例的彻底理解的目的，所述详细描述包括特定细节。所属领域的技术人员将显而易见：可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些情况下，以框图形式展示众所周知的结构和装置以免使本文中所呈现的示范性实施例的新颖性模糊。

图1描绘级联放大器100的先前技术实施方案。可将放大器100用作(例如)用于通信接收器的低噪声放大器(LNA)，但本发明的技术无需限于LNA的设计。

在图1中，经由匹配网络110将输入电压Vin供应到晶体管M1的栅极，其中DC偏压电路120对晶体管M1的栅极施加偏压。将M1的漏极耦合到晶体管M2的源极，通过电压VB1对晶体管M2的栅极施加偏压。共同地，将晶体管M1和M2配置为此项技术中众所周知的级联放大器，其中将M2的输出电流i_main提供到负载130以产生输出电压Vout。将电感Ls进一步耦合到晶体管M1的源极以为放大器提供源极退化(sourcedegeneration)。

所属领域的一般技术人员将了解，限制级联放大器100的性能的一个因素为：在Vin足够大时在输出电压Vout中出现的三阶互调失真(IMD3)分量的存在。此IMD3可归因于(例如)在存在大的栅极电压的情况下晶体管M1的非线性跨导。在不使IMD3减轻的情况下，IMD3使输入信号的经放大型式失真，且可使接收器的线性显著降级。

图2描绘使用IMD3消除的级联放大器200的先前技术实施方案。在图2中，晶体管M1和M2形成主要级联分支，且以与图1的放大器100中的对应晶体管类似的方式配置晶体管M1和M2并对其施加偏压。节点X1(或“级联节点”)处的信号经由耦合电容器C1耦合到晶体管M3的栅极。晶体管M3和M4形成辅助级联分支，其响应于从节点X1取样的信号产生电流i_aux。将辅助级联分支的信号电流i_aux与主要级联分支的信号电流i_main组合以产生放大器200的总输出电流i_out，再次在负载130处产生输出电压Vout。

所属领域的一般技术人员将了解，通过选择放大器200的晶体管M1、M2、M3、M4之间的相对跨导，可选择i_main与i_aux之间的关系，使得可显著减少存在于输出电压Vout中的IMD3，同时减少某部分的信号增益Vout/Vin。参见(例如)本文较早参考的Kim等人。

虽然可将放大器200设计为具有优于放大器100的线性特性，但所属领域的一般技术人员将了解，必须连同IMD3一起消除某一量的所要经放大的信号分量(此不良地减少放大器增益)的事实仍然限制放大器200中IMD3消除的有效性。特定来说，假设(例如)输入电压Vin升高(即，变成更高的正电压)，其使流过由M1和M2形成的主要级联分支的电流i_main增大。归因于晶体管M1的共源极配置的反相本质(invertingnature)，节点X1处的电压相应地降低(即，变成更高的负电压)。这使晶体管M3的栅极处的电压降低，从而使流经由M3和M4形成的级联的电流i_aux减小。因为总放大器200的输出电流i_out由i_out＝i_main+i_aux给定，所以将归因于升高的Vin的i_main的增大视为通过i_aux的对应减小而抵消。因此，对于晶体管M1和M2的相同配置和偏压，将放大器200的信号增益Vout/Vin视为小于放大器100的信号增益。

将希望提供不显著减少级联放大器的信号增益的用于IMD3消除的技术。

图3描绘根据本发明的使用IMD3消除技术的放大器300的示范性实施例。在图3中，节点X1处的信号经由相移网络耦合到晶体管M5的源极，将晶体管M5配置为共栅极放大器。归因于放大器300中信号的极性，可在不显著减少所要信号增益的情况下实现IMD3消除。

特定来说，所属领域的一般技术人员将了解，通过相对于其它晶体管选择晶体管M5的偏压电压VB2和/或大小，可以类似于针对放大器200所描述的方式消除输出电压Vout中的IMD3分量。另一方面，为说明所要信号的状态，再次假设(例如)信号输入电压Vin升高。这使流过由M1和M2形成的主要级联分支的电流i_main增大，从而使节点X1处的电压降低。节点X1处的电压经由(非反相)相移网络310耦合到晶体管M3的源极。因为将晶体管M3配置为共栅极放大器，所以晶体管M3的源极电压的降低(归因于节点X1处的电压降低)使辅助分支的电流i_aux增大。因为总放大器300的输出电流i_out由i_out＝i_main+i_aux给定，所以将归因于升高的Vin的i_main的增大视为与i_aux的增大耦合。因此，与图2中的放大器200的IMD3消除架构对比，将i_main和i_aux中的所要信号分量视为加性组合以增加信号增益。

所属领域的一般技术人员将了解，可设计相移网络310使得所要信号经受低损耗，同时使IMD3分量(其可处于(例如)比所要信号高得多的频率)相移以使得能够在放大器输出端处充分消除IMD3。举例来说，由相移网络310引入的相移的量可使得输出电流i_out中的IMD3分量通过i_main与以下各者的总组合而最小化：1)来自耦合到相移网络310且接着耦合到共栅极放大器M5的主要级联分支的失真分量；加上2)从共栅极放大器M5本身出现的任何失真。

在示范性实施例中，可选择晶体管M5的大小和偏压使得M5的增加的消耗功率相对于总级联放大器来说并不显著。

图4描绘根据本发明的替代示范性实施例，其中在辅助分支中提供额外晶体管M6。所属领域的一般技术人员将了解，M6的偏压电压和/或大小可在设定辅助分支的IMD3消除/增益特性时提供额外自由度。

图5描绘根据本发明的示范性实施例，其中给定相移网络510的特定实施方案。在图5中，电容器C2直接将节点X1处的电压耦合到晶体管M5的源极，而电感器L1将M5的源极耦合到接地。所属领域的一般技术人员将了解，可选择C2和L1的值使得信号经受低损耗，同时使IMD3分量(其可处于(例如)比信号高得多的频率)相移以使得能够在放大器输出端处充分消除IMD3。可(例如)经由电路模拟通过在候选值范围内扫描C2和L1而获取适当值。

注意，图5中所展示的示范性实施例仅出于说明的目的，且并不意图将本发明的范围限于所展示的任何特定相移网络实施方案。

图6描绘根据本发明的方法600的示范性实施例。注意，仅出于说明的目的展示所述方法，且并不意图将本发明的范围限于所揭示的任何特定方法。

在框610中，级联放大器接受输入电压。

在框620中，基于输入电压产生主要级联电流。

在框630中，经由相移网络将级联节点处的信号耦合到共栅极放大器的源极。

在框640中，使用共栅极放大器产生辅助级联电流。

在框650中，对共栅极放大器施加偏压以消除主要级联电流中的失真分量。

在框660中，将辅助级联电流与主要级联电流组合以产生级联放大器输出电流。

所属领域的一般技术人员将了解，虽然本文已描述单端放大器配置的各种示范性实施例，但所揭示的技术也可应用于全差分放大器配置。预期此类示范性实施例在本发明的范围内。

在本说明书中且在权利要求书中，应理解，当一元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到另一元件，或可存在介入元件。作为对比，当一元件被称为“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件时，不存在介入元件。

所属领域的技术人员应理解，可使用多种不同技术和技艺中的任一者来表示信息和信号。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子，或其任何组合来表示可贯穿以上描述所引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。

所属领域的技术人员将进一步了解，可将结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚地说明硬件与软件的此可互换性，上文已大体上在功能性方面描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。将此功能性实施为硬件还是软件视特定应用和强加于整个系统的设计约束而定。熟练的技术人员可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但此类实施决策不应被解释为导致偏离本发明的示范性实施例的范围。

可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。还可将处理器实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器，或任何其它此类配置。

结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中或所述两者的组合中。软件模块可驻存于随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电子可编程ROM(EPROM)、电子可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将示范性存储媒体耦合到处理器，使得所述处理器可从所述存储媒体读取信息和将信息写入到所述存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒体可驻存于ASIC中。ASIC可驻存于用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件而驻存于用户终端中。

在一个或一个以上示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施。如果以软件实施，那么可将所述功能作为一个或一个以上指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体来发射。计算机可读媒体包括计算机存储媒体和通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。借助实例且非限制，此计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于载运或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。并且，将任何连接适当地称作计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电和微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源发射软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外线、无线电和微波等无线技术包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘(Disk)和光盘(disc)包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软性磁盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘使用激光以光学方式再现数据。上述各物的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。

提供所揭示的示范性实施例的先前描述以使所属领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将易于了解对这些示范性实施例的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可应用于其它示范性实施例。因此，本发明不希望限于本文中所展示的示范性实施例，而是应被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (15)

1.一种用于改进级联放大器的线性的方法，所述方法包含：

接受输入电压；

基于所述输入电压产生主要级联电流；

经由相移网络将所述放大器的级联节点处的信号耦合到共栅极放大器的源极；

使用所述共栅极放大器产生辅助级联电流，其中所述辅助级联电流响应于级联节点处的电压的降低而增大；

对所述共栅极放大器施加偏压以消除所述主要级联电流中的失真分量；以及

将所述辅助级联电流与所述主要级联电流组合以产生所述级联放大器的输出电流。

2.根据权利要求1所述的方法，所述产生所述辅助级联电流包含：

将由所述共栅极放大器产生的所述电流耦合到第二共栅极放大器；所述方法进一步包含：

对所述第二共栅极放大器施加偏压以进一步消除所述主要级联电流中的所述失真分量。

3.根据权利要求1所述的方法，所述相移网络包含电感器和串联电容器，所述共栅极放大器的所述源极耦合到所述电感器。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含将所述级联放大器输出电流耦合到负载，所述级联放大器的输出电压源自所述负载。

5.根据权利要求1所述的方法，所述共栅极放大器经调整大小以消除所述主要级联电流中的失真分量。

6.一种具有改进的线性的级联放大器设备，所述设备包含：

第一主要晶体管和第二主要晶体管，所述晶体管以级联配置耦合，所述第一和第二主要晶体管形成主要级联分支，所述主要级联分支具有输出端和级联节点；

相移网络，其耦合到所述级联节点；以及

共栅极放大器，其具有耦合到所述相移网络的输出端的输入端，所述共栅极放大器的输出端耦合到所述主要级联分支的所述输出端；

其中所述级联放大器经配置以响应于输入电压的升高而增大所述共栅极放大器的所述输出端的电流和所述主要级联分支的所述输出端的电流。

7.根据权利要求6所述的设备，其进一步包含：

第二共栅极放大器，其具有耦合到所述共栅极放大器的所述输出端的输入端，所述第二共栅极放大器的输出端耦合到所述主要级联分支的所述输出端。

8.根据权利要求6所述的设备，所述主要级联分支的所述输出端耦合到负载。

9.根据权利要求6所述的设备，所述相移网络包含电感器和串联电容器，所述共栅极放大器的源极耦合到所述电感器。

10.根据权利要求6所述的设备，所述共栅极放大器经调整大小以消除所述主要级联电流中的失真分量。

11.根据权利要求7所述的设备，所述第二共栅极放大器经调整大小以消除所述主要级联电流中的失真分量。

12.一种具有改进的线性的级联放大器设备，所述设备接受输入电压，所述设备包含：

用于基于所述输入电压产生主要级联电流的装置；

用于产生辅助级联电流的装置，所述辅助级联电流耦合到所述主要级联电流以产生输出电流，其中所述辅助级联电流响应于所述主要级联电流的增大而增大；以及

用于将所述放大器的级联节点处的信号耦合到所述用于产生辅助级联电流的装置的装置。

13.根据权利要求12所述的设备，所述用于产生主要级联电流的装置包含以级联配置耦合的第一和第二主要晶体管。

14.根据权利要求12所述的设备，所述用于耦合所述放大器的级联节点处的信号的装置包含电感器和串联电容器。

15.根据权利要求12所述的设备，所述用于产生辅助级联电流的装置包含至少一个共栅极放大器。