CN102362429A - 支持多个增益模式的放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于设计一种用于在广范围的输入功率电平上操作的低噪声放大器LNA的技术。在一示范性实施例中，并行地提供第一增益路径与第二增益路径。所述第一增益路径包括具有电感器源极退化的差动级联放大器。所述第二增益路径包括不具有电感器源极退化的差动级联放大器。可向所述增益路径的级联晶体管选择性地施加偏压以启用或停用所述第一和/或第二增益路径。通过向所述级联晶体管和输入晶体管选择性地施加偏压，可选择所述第一和第二增益路径的各种组合以为任何输入功率电平提供优化的增益配置。

Description

支持多个增益模式的放大器
根据35U.S.C.§119主张优先权
本专利申请案主张2009年3月23日申请的题目为“LNA噪声指数和线性优化(LNANoise Figure and Linearity Optimization)”的第61/162,511号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案的揭示内容以引用的方式明确地并入本文中。
技术领域
本发明涉及集成电路(IC)设计，且更特定来说涉及包括低噪声放大器(LNA)的放大器的设计。
背景技术
用于无线通信的接收器通常将低噪声放大器(LNA)并入在射频(RF)前端中。LNA可经设计以在到接收器的输入处适应广范围的功率电平。举例来说，当到接收器的输入处于高功率电平时，LNA必须显现良好的线性特性以避免将非线性失真产物引入到LNA输出中。相反，当到接收器的输入处于低功率电平时，LNA必须显现高增益和低噪声特性以在不产生过度噪声的情况下充分放大输入信号。在放大器设计中，良好的线性和低噪声的要求通常是矛盾的。
将需要提供用于设计一种可适应广范围的预期输入功率电平的LNA的技术。
发明内容
附图说明
图1说明其中可实施本发明的技术的现有技术无线通信装置的设计的框图。
图2说明可用于图1的无线通信装置中的LNA的示范性实施例。
图3说明采用双架构的LNA的实施方案，其中组件的某些集合经复制以适应HL模式和LN模式两者中的操作。
图4说明根据本发明的LNA的示范性实施例。
图4A说明适应第三模式的LNA的示范性实施例，在所述第三模式中第二增益路径接通且第一增益路径断开。
图5说明根据本发明的方法的示范性实施例。
具体实施方式
下文结合附图阐述的具体实施方式希望作为对本发明的示范性实施例的描述，且并不希望表示其中可实践本发明的仅有示范性实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意味着“充当实例、例子或说明”，且不必解释为较其它示范性实施例来说为优选或有利的。具体实施方式出于提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的而包括特定细节。所属领域的技术人员将了解，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。在一些例子中，以框图形式来展示众所周知的结构和装置，以免使本文中呈现的示范性实施例的新颖性模糊不清。
图1说明其中可实施本发明的技术的现有技术无线通信装置100的设计的框图。请注意，装置100仅出于说明性目的而展示，且并非意图以任何方式限制本发明的范围。
在图1中展示的设计中，无线装置100包括收发器120和数据处理器110，所述数据处理器110具有用以存储数据和程序代码的存储器112。收发器120包括支持双向通信的发射器130和接收器150。一般来说，无线装置100可包括用于任何数目的通信系统和频带的任何数目的发射器和任何数目的接收器。
发射器或接收器可用超外差式(super-heterodyne)架构或直接转换架构来实施。在超外差式架构中，信号在多个级中在射频(RF)与基带之间进行频率转换，例如，在一个级中从RF转换到中频(IF)，且接着针对接收器在另一级中从IF转换到基带。在直接转换架构中，信号在一个级中在RF与基带之间进行频率转换。超外差式架构和直接转换架构可使用不同的电路块，和/或具有不同要求。在图1中所展示的设计中，发射器130和接收器150用直接转换架构来实施。
在发射路径中，数据处理器110处理待发射的数据，且将I和Q模拟输出信号提供到发射器130。在发射器130内，低通滤波器132a和132b分别对I和Q模拟输出信号进行滤波，以移除由先前数/模转换引起的不当图像。放大器(Amp)134a和134b分别放大来自低通滤波器132a和132b的信号，且提供I和Q基带信号。升频转换器140用来自发射(TX)本机振荡(LO)信号产生器170的I和Q TX LO信号对I和Q基带信号进行升频转换，且提供经升频转换的信号。滤波器142对经升频转换的信号滤波以移除由升频转换引起的不当图像以及接收频带中的噪声。功率放大器(PA)144放大来自滤波器142的信号以获得所要输出功率电平，且提供发射RF信号。发射RF信号经由双工器或开关146投送，且经由天线148进行发射。
在接收路径中，天线148接收通过基站发射的信号并提供所接收的RF信号，所述所接收的RF信号经由双工器或开关146投送，且提供到低噪声放大器(LNA)152。所述所接收的RF信号通过LNA 152放大，且通过滤波器154进行滤波，以获得所要RF输入信号。降频转换器160用来自接收(RX)LO信号产生器180的I和Q RX LO信号对RF输入信号进行降频转换，且提供I和Q基带信号。I和Q基带信号由放大器162a和162b放大且进一步由低通滤波器164a和164b滤波，以获得提供到数据处理器110的I和Q模拟输入信号。
TXLO信号产生器170产生用于升频转换的I和Q TX LO信号。RXLO信号产生器180产生用于降频转换的I和Q RX LO信号。每一LO信号为具有特定基本频率的周期性信号。PLL 172从数据处理器110接收定时信息，且产生用以调整来自LO信号产生器170的TX LO信号的频率和/或相位的控制信号。类似地，PLL 182从数据处理器110接收定时信息，且产生用以调整来自LO信号产生器180的RX LO信号的频率和/或相位的控制信号。
图1展示实例收发器设计。一般来说，发射器和接收器中的信号的调节可通过放大器、滤波器、升频转换器、降频转换器等的一个或一个以上级来执行。这些电路块可不同于图1中展示的配置而进行布置。此外，还可使用在图1中未展示的其它电路块来调节发射器和接收器中的信号。也可省略图1中的一些电路块。可在一个或一个以上模拟集成电路(IC)、RF IC(RFIC)、混合信号IC等上实施收发器120的全部或一部分。
图2说明可用于图1的无线通信装置100中的LNA的示范性实施例200。LNA 200可用作(例如)图1中的装置100的LNA 152。请注意，虽然在LNA的情形下描述本发明的示范性实施例，但将了解，本发明的技术可易于应用于其它类型的放大器的设计。此类替代示范性实施例预期在本发明的范围内。
LNA 200放大输入信号IN以产生输出信号OUT，其中LNA 200的操作模式由模式控制信号210a来控制。在示范性实施例中，模式控制信号210a可配置LNA 200从而以低噪声(LN)模式或高线性(HL)模式操作。在LN模式中，LNA 200可经设计以向输入信号IN提供相对高的增益，同时使噪声指数最小化。在HL模式中，LNA 200可针对最大线性而设计，以免将过度失真引入到输出信号OUT中。
在示范性实施例中，模式控制信号210a可依据(例如)检测器(未图示)的输出来设定，所述检测器检测输入信号IN中干扰信号(jammer)的存在。
图3说明采用双架构的LNA的实施方案300，其中组件的某些集合经复制以适应两个增益模式(例如，HL模式和LN模式)中的操作。LNA 300的更多细节揭示于安纳普沙乌拉(Anup Savla)和罗杰布罗肯伯勒(Roger Brockenbrough)的题目为“支持多个增益模式的放大器(Amplifier Supporting Multiple Gain Modes)”的共同待决美国临时专利申请案(档案号092948P1)中，所述专利申请案转让给本申请案的受让人且与本申请案同时申请，所述专利申请案的内容全文以引用的方式并入本文中。
在LNA 300中，RF输入信号RF IN耦合到匹配网络370，所述匹配网络370使RF输入信号的阻抗与LNA输入匹配以实现最佳功率递送。匹配网络370的差动输出耦合到第一输入晶体管331、332且还耦合到第二输入晶体管333、334。
第一输入晶体管331、332分别经由第一级联晶体管321、322耦合到负载310、311。第二输入晶体管333、334也分别经由第二级联晶体管323、324耦合到负载310、311。输入晶体管331、333共享具有电感L1的共源极电感器341，而输入晶体管332、334共享具有电感L2的共源极电感器342。请注意，第一增益路径301由第一输入晶体管331、332和第一级联晶体管321、322形成，而第二增益路径302由第二输入晶体管333、334和第二级联晶体管323、324形成。
在LNA 300中，由开关SW3 355来控制施加到输入晶体管331到334的栅极偏置电压。开关SW3 355可由模式选择控制电压(例如，图2中的信号210a)来配置，所述模式选择控制电压可在由低噪声偏压产生器350产生的低噪声偏置电压VBLN与由高线性偏压产生器360产生的高线性偏置电压VBHL之间进行选择。将了解，偏置电压VBLN可对晶体管331到334施加偏压以实现LN模式中的最佳操作，而偏置电压VBHL可对晶体管331到334施加偏压以实现HL模式中的最佳操作。以此方式，可有利地避免与LN和HL模式的时常矛盾的要求相关联的性能折衷。
如图3中进一步展示，可通过开关SW1 335选择性地启用或停用第一级联晶体管321、322，所述开关SW1 335将晶体管321、322的栅极牵拉到高电压或低电压。类似地，可通过开关SW2 325选择性地启用或停用第二级联晶体管323、324，所述开关SW2325将晶体管323、324的栅极牵拉到高电压或低电压。
在一个实施方案中，当LNA 300在LN模式中操作时，经由开关SW1 335和SW2 325接通第一和第二级联晶体管321到324，借此同时启用第一增益路径301和第二增益路径302。或者，当LNA 300在HL模式中操作时，接通第一级联晶体管321、322或第二级联晶体管323、324，借此启用第一增益路径301或第二增益路径302。
将了解，通过适当地设定开关SW1 335和SW2 325，可通过选择性地启用或停用第一和/或第二增益路径而有利地调整提供到输入信号RF IN的总增益而不影响LNA的呈现给匹配网络370的阻抗。
图4说明根据本发明的LNA的示范性实施例400。在图4中，第一输入晶体管331使具有电感L3的电感器411耦合到其源极，而第一输入晶体管332使具有电感L4的电感器412耦合到其源极。在示范性实施例中，L3可经设计以等于L4。如图4中进一步展示，第二输入晶体管333、334在其源极处均直接耦合到RF接地。请注意，第一增益路径401由第一输入晶体管331、332和第一级联晶体管321、322形成，而第二增益路径402由第二输入晶体管333、334和第二级联晶体管323、324形成。
在示范性实施例中，当LNA 400在HL模式中操作时，开关SW3 355将偏置电压VBHL耦合到第一和第二输入晶体管331到334的栅极。通过开关SW1 335接通第一级联晶体管321、322，而通过开关SW2 325接通第二级联晶体管323、324。以此方式，启用第一增益路径401，而停用第二增益路径402。因此，在HL模式中，LNA 400可受益于第一增益路径401的由源极退化电感器341、342提供的较好线性。
在一示范性实施例中，当LNA 400在LN模式中操作时，开关SW3 355将偏置电压VBLN耦合到第一和第二输入晶体管331到334的栅极。此外，在LN模式中，通过开关SW1 335和SW2 325接通第一和第二级联晶体管321到324。以此方式，同时启用第一增益路径401和第二增益路径402。将了解，在LN模式中，LNA 400可受益于由第一增益路径401提供的增益与由第二增益路径402提供的增益的组合，第二增益路径402与第一增益路径401相比归因于不存在耦合到第二增益路径402的电感器源极退化而可自身提供更高增益。
在替代示范性实施例中，由于在LN和HL模式两者中接通晶体管321、322，因此可省略开关SW1 335，且晶体管321、322的栅极耦合到固定高偏置电压。仍将了解，在示范性实施例中，开关SW1 335连同SW2 325的提供可有利地允许在需要时使整个LNA 400通电或断电。
所属领域的一般技术人员将了解，上文中所描述的技术可容易应用于设计具有两个以上增益模式的放大器。举例来说，具有逐渐改进的增益或线性特性的多个操作模式可通过并行提供两个以上增益路径(例如，401和402)来设计，每一增益路径具有可选择性地启用或停用的级联晶体管。此类替代示范性实施例预期在本发明的范围内。
图4A说明适应第三模式的LNA的示范性实施例400A，在所述第三模式中接通经修改的第二增益路径402A且断开第一增益路径401。在图4A中，在第三模式期间使两个开关SW4 420A和SW5 421A闭合，借此经由反馈阻抗ZFB 431A和ZFB 432A将第二增益路径402A的输入耦合到级联输出。在示范性实施例中，反馈阻抗431A和431B可为经设计以在第三操作模式期间确保LNA 400的稳定性的电阻器。进一步如图4A中所展示，偏压产生器410A经配置以依据操作模式(例如，LN模式、HL模式或第三模式)而为输入晶体管331到334输出适当的偏置电压VBG。
图5说明根据本发明的方法的示范性实施例500。请注意，方法500仅出于说明性目的而展示，且并非意图将本发明的范围限于所展示的任何特定方法。
在图5中，在框510处，使用第一增益路径来放大输入信号。第一增益路径包含耦合到第一级联晶体管的第一输入晶体管，且第一输入晶体管的源极耦合到退化电感器。
在框520处，在高线性增益模式中，使用低电压对第二增益路径的第二级联晶体管施加偏压。第二增益路径进一步包含耦合到第二级联晶体管的第二输入晶体管，且第二输入晶体管的源极耦合到射频(RF)接地。
在框530处，在低噪声增益模式中，使用高电压对第二级联晶体管施加偏压，且使用第二增益路径放大输入信号。
所属领域的一般技术人员将了解，虽然已参考MOS晶体管(MOSFET)描述了本发明的示范性实施例，但本发明的技术不需要限于基于MOSFET的设计，且可容易应用于使用双极结晶体管(或BJT)和/或其它三端子跨导装置的替代示范性实施例(未图示)。举例来说，在示范性实施例(未图示)中，所展示的比较器中的任一者可利用BJT而非MOSFET，其中BJT的集极、基极和发射极分别如针对MOSFET的漏极、栅极和源极所示而耦合。或者，在BiCMOS工艺中，CMOS和双极结构/装置两者的组合可用以使电路性能最大化。此外，除非另外注释，否则在本说明书中且在权利要求书中，术语“漏极”、“栅极”和“源极”可涵盖那些术语的与MOSFET相关联的常规含义以及例如BJT等其它三端子跨导装置的相应节点两者，其对应性将是电路设计领域的一般技术人员显而易见的。
在本说明书中且在权利要求书中，将理解，当一元件被称为“连接到”或“耦合到”另一元件时，所述元件可直接连接或耦合到另一元件，或可存在介入元件。相反，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将理解，可使用多种不同技艺和技术中的任一者来表示信息和信号。举例来说，可通过电压、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能贯穿以上描述所提及的数据、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，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、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的此可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤已在上文大体按其功能性予以描述。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。熟练的技术人员可对于每一特定应用以不同的方式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。
可由通用处理器、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、离散硬件组件或经设计以执行本文中所描述的功能的其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。处理器也可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以硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合来体现。软件模块可驻留于随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程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，以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留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留于用户终端中。
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。如果以软件来实施，那么所述功能可作为一个或一个以上指令或代码而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。借助实例且并非限制，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，或可用以载运或存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码并可通过计算机存取的任何其它媒体。并且，适当地将任何连接称为计算机可读媒体。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)包括紧密光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字通用光盘(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，而光盘通过激光以光学方式再现数据。上述各者的组合也应包括于计算机可读媒体的范围内。
提供对所揭示的示范性实施的先前描述以使得所属领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。所属领域的技术人员将容易了解对这些示范性实施例的各种修改，且本文中所定义的一般原理可适用于其它示范性实施例而不偏离本发明的精神或范围。因此，本发明并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中所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (15)

1.一种支持多个增益模式的用于放大信号的设备，所述设备包含：
第一增益路径，其包含耦合到第一级联晶体管的第一输入晶体管，所述第一输入晶体管的源极耦合到退化电感器；以及
第二增益路径，其包含耦合到第二级联晶体管的第二输入晶体管，所述第二输入晶体管的源极耦合到射频RF接地，所述第二级联晶体管的栅极在高线性增益模式中选择性地耦合到低偏置电压且在低噪声增益模式中选择性地耦合到高偏置电压，所述第一级联晶体管的输出耦合到所述第二级联晶体管的输出。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一输入晶体管的栅极在所述低噪声增益模式中选择性地耦合到低噪声偏压，且在所述高线性增益模式中选择性地耦合到高线性偏压。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第二输入晶体管的栅极在所述低噪声增益模式中选择性地耦合到所述低噪声偏压，且在所述高线性增益模式中选择性地耦合到所述高线性偏压。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述第二输入晶体管的所述栅极在所述低噪声增益模式中选择性地耦合到第二低噪声偏压，所述第二低噪声偏压不同于所述低噪声偏压；且在所述高线性增益模式中选择性地耦合到第二高线性偏压，所述第二高线性偏压不同于所述高线性偏压。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一级联晶体管的栅极在断电模式中选择性地耦合到低偏置电压。
6.根据权利要求1所述的设备，所述第一级联晶体管的所述栅极在所述低噪声增益模式和所述高线性增益模式两者中耦合到高偏置电压。
7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含：
第三增益路径，其包含耦合到第三级联晶体管的第三输入晶体管，所述第三输入晶体管的源极耦合到第二退化电感器，所述第二退化电感器与耦合到所述第一输入晶体管的所述退化电感器相比具有更低的电感，所述第三级联晶体管的栅极在所述低噪声增益模式中选择性地耦合到低偏置电压，且在中间增益模式中选择性地耦合到高偏置电压，所述第三级联晶体管的输出耦合到所述第一和第二级联晶体管的所述输出。
8.一种支持多个增益模式的用于放大信号的方法，所述方法包含：
使用第一增益路径放大输入信号，所述第一增益路径包含耦合到第一级联晶体管的第一输入晶体管，所述第一输入晶体管的源极耦合到退化电感器；
在高线性增益模式中，使用低电压对第二增益路径的第二级联晶体管施加偏压，所述第二增益路径进一步包含耦合到所述第二级联晶体管的第二输入晶体管，所述第二输入晶体管的源极耦合到射频RF接地；以及
在低噪声增益模式中，使用高电压对所述第二级联晶体管施加偏压，并使用所述第二增益路径放大所述输入信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含：
在所述低噪声增益模式中，使用低噪声偏压对所述第一输入晶体管施加偏压；以及
在所述高线性增益模式中，使用高线性偏压对所述第一输入晶体管施加偏压。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含：
在所述低噪声增益模式中，使用低噪声偏压对所述第二输入晶体管施加偏压；以及
在所述高线性增益模式中，使用高线性偏压对所述第二输入晶体管施加偏压。
11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含：
在所述低噪声增益模式中，使用不同于所述低噪声偏压的第二低噪声偏压对所述第二输入晶体管施加偏压；以及
在所述高线性增益模式中，使用不同于所述高线性偏压的第二高线性偏压对所述第二输入晶体管施加偏压。
12.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含：
在所述低噪声增益模式中，使用低偏置电压对所述第一级联晶体管施加偏压；以及
在所述高线性增益模式中，使用高偏置电压对所述第一级联晶体管施加偏压。
13.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含：
在所述低噪声增益模式和所述高线性增益模式两者中使用高偏置电压对所述第一级联晶体管施加偏压。
14.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含：
在中间增益模式中，使用高偏置电压对第三增益路径的第三级联晶体管施加偏压，所述第三增益路径进一步包含耦合到所述第三级联晶体管的第三输入晶体管，所述第三输入晶体管的源极耦合到第二退化电感器，所述第二退化电感器与耦合到所述第一输入晶体管的所述退化电感器相比具有更低的电感，所述第三级联晶体管的输出耦合到所述第一和第二级联晶体管的输出。
15.一种支持多个增益模式的用于放大信号的设备，所述设备包含：
用于在高线性模式中使用第一增益路径放大输入信号的装置；以及
用于在低噪声模式中使用所述第一增益路径和第二增益路径放大所述输入信号的装置。
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