CN102916658B - 放大器与接收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放大器与接收器，用以接收一输入信号并据以提供一输出信号，该放大器包括一主放大核心与一辅助电路。主放大核心具有一个耦接输入信号的输入端、一输出端与一加总端，用以提供一内部信号至加总端，并依据提供至加总端的信号而于输出端输出该输出信号。辅助电路耦接于输入端与加总端之间，用以匹配输入端的阻抗，并依据输入信号提供一抑制信号至加总端。本发明能够采用一合成架构分别满足输入阻抗匹配与高线性度电流模式接口这两种基本上相互矛盾的需求，并增强噪声抑制。

Description

放大器与接收器

技术领域

本发明关于一种放大器与接收器，且特别是有关于一种噪声抑制能力强化并可实现射频无线接收前侧(frontend)的放大器与相关接收器。

背景技术

在现代信息社会，无线网络与系统，例如无线通讯、广播与卫星定位系统，已被广泛运用。接收器是实现无线系统时不可或缺的一环，用以接收与处理无线信号。接收器包括射频前侧的电路，作为网络实体层的一部分。射频前侧接收无线信号的电子形式(如电流及/或电压)的模拟射频信号，放大该射频信号，并将放大的射频信号下变频(down-convert)为中频(IF，intermediatefrequency)及/或基频信号以待后续处理，例如低通滤波、模数转换、解码、解混码(de-scrambling)、解调变及/或逆星座图映射(inverseconstellationmapping)等等。如此，携载于无线信号中的信息、数据与指令就可被取还。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种放大器与相关接收器，以采用一合成架构分别满足输入阻抗匹配与高线性度电流模式接口这两种基本上相互矛盾的需求。

本发明的一实施例提供一种放大器，用以接收一输入信号并据以提供一输出信号；放大器包括一主放大核心、一辅助电路。主放大核心具有一输入端、一输出端与一加总端，输入端耦接输入信号，并用以接介于一接口阻抗；主放大核心提供一内部信号至加总端，并依据提供至加总端的诸信号而于输出端输出该输出信号。辅助电路，耦接于该输入端与该加总端之间，用以匹配该输入端的阻抗，并依据该输入信号提供一抑制信号至该加总端。

本发明的另一实施例提供一接收器，其包括上述放大器、一混波器与一次级放大器。放大器用以接收一输入信号并据以提供一输出信号。混波器经由一第一电流模式接口耦接放大器，用以将输入信号与一载波信号混波，据以提供一混波信号。次级放大器经由一第二电流模式接口耦接混波器，用以依据混波信号提供一中间信号。

本发明实施例的放大器与相关接收器，相对于以源极退化电感进行输入阻抗匹配的单一共射共基(cascode)拓朴，能够采用一合成架构分别满足输入阻抗匹配与高线性度电流模式接口这两种基本上相互矛盾的需求，并加强噪声抑制。

附图说明

图1所示是依据本发明一实施例的接收器的电路示意图；

图2所示是依据本发明一实施例的放大器的电路示意图；

图3所示是依据本发明另一实施例的放大器的电路示意图；

图4所示是依据本发明再一实施例的放大器的电路示意图；

图5所示是图4的放大器的噪声抑制机制的示意图；

图6所示是图4放大器的信号增强机制的示意图。

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置电性连接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。

请参考图1，其所示是依据本发明一实施例的接收器10与其他的搭配周边的电路示意图。接收器10以一放大器20、一混波电路14与一次级放大器16实现一射频前侧。搭配接收器10，一天线8用以将无线射频信号接收为电子信号，一匹配网络(matchingnetwork)12则用以将电子的接收信号传输为一输入信号Si；此输入信号Si会经由一节点n1而馈入至接收器10。匹配网络可以包括传输线(transmissionlines)、电感、电容及/或电阻，而由接收器10看向节点n1的阻抗可用一电阻Rs代表，其所提供的电阻值可视为一接口阻抗。

在接收器10中，放大器20的功能为一低噪声放大器(Low-NoiseAmplifier，LNA)，用以于节点n1接收输入信号Si，并据以于一节点n2提供一对应输出信号Sp。一实施例中，混波电路14经由节点n2的电流模式接口耦接放大器20，并经由节点nni与npi的另一电流模式接口耦接次级放大器16。

一实施例中，混波电路14包括两晶体管Mx1与Mx2，作为两混波器；晶体管Mx1可以是一n通道金氧半导体晶体管，具有一漏极、一栅极与一源极，分别耦接节点nni、一载波信号Sc1与节点n2，用以将输出信号Sp与载波信号Sc1混波，据以提供一混波信号Sm1。晶体管Mx1与Mx2可以是相互匹配的；类似于晶体管Mx1，晶体管Mx2具有一漏极、一栅极与一源极，分别耦接节点npi、一载波信号Sc2与节点n2，用以将输出信号Sp与载波信号Sc2混波为一混波信号Sm2。信号Sc1与Sc2可以是频率相同但有180度相位差的一对信号，因此混波信号Sm1与Sm2形成为一对差分的混波信号。如此，混波电路14便可将射频的输出信号Sp降转为中频或基频的混波信号Sm1与Sm2，而混波信号Sm1与Sm2会被传输至次级放大器16。

次级放大器16作为一中频或基频放大器，用以依据混波信号Sm1与Sm2提供一对中间信号So1与So2。次级放大器16包括一次级放大器核心40与两个用于反馈的电阻Rtz。次级放大器核心40与电阻Rtz经由节点nni与npi的一对差分输入端接收混波信号Sm1与Sm2，并经由节点nnt与npt的一对差分输出端输出中间信号So1与So2。两电阻Rtz中的一个耦接于节点nni与nnt之间，另一个则耦接于节点npi与npt之间。

请参考图2，其所示的是放大器20于本发明一实施例下的结构示意图。放大器20包括一主放大核心22与一辅助电路23。主放大核心22耦接于节点n1(一输入端)与n2(一输出端)之间，用以对输入信号Si进行高线性度的放大，并支援节点n2的电流模式接口(图1)。另一方面，辅助电路23包括一辅助放大核心24与一反馈电路30；辅助电路23通过匹配节点n1的电阻Rs以进行输入阻抗匹配。反馈电路30与辅助放大核心24均耦接于节点n6与n7间(分别为一第一辅助端与一第二辅助端)。

为达成高线性度并支持电流模式接口，主放大核心20通过在输入信号Si的电压至输出信号Sp的电压间的较低电压增益驱动输出信号Sp的电流。为达成输入阻抗匹配，辅助放大核心24用以在节点n6电压与节点n7电压间提供一相对较高的电压增益，使反馈电路30提供的阻抗能控制节点n1的输入阻抗。即，同样是响应输入信号Si于节点n1的电压，由于辅助电路23提供的电压增益比主放大核心22大，节点n7的电压摆幅(swing)会比节点n2的电压摆幅大；如此，节点n1的输入阻抗匹配就可由反馈电路30提供的阻抗来主控。

辅助电路23与主放大核心22可分别满足输入阻抗匹配与高线性度电流模式接口这两种基本上相互矛盾的需求，但此种合成架构还有噪声问题需考虑。为抑制噪声，节点n7的信号会以一加权增益G予以加权，并反馈至主放大核心22。

请参考图3，其所示的是依据本发明另一实施例的放大器的结构示意图，其可实现图2中的放大器20。除了主放大核心22、辅助放大核心24与反馈电路30，图3所示的放大器20还包括一加权电路34，用以对节点n7的一辅助信号Sx进行加权。

如图3所示，除了节点n1与n2的输入端与输出端，主放大核心22还包括一输入级26、一加总端32与一输出级28。节点n1耦接接口电阻Rs，主放大核心22提供一内部信号Sr至加总端32，并响应于提供至加总端32的各信号而于节点n2输出该输出信号Sp。辅助放大核心24与反馈电路30用以依据节点n6的信号提供辅助信号Sx至节点n7。反馈电路30以一电阻Rf在节点n6与n7间提供一反馈阻抗。加权电路34则耦接于节点n7与加总端32之间，用以依据加权增益G对辅助信号Sx进行加权，并依据加权的辅助信号Sx提供一抑制信号Sy至加总端32。一实施例中，加权增益G与电阻Rf的反馈阻抗与电阻Rs的接口阻抗间的比例相关。

在主放大核心22中，输入级26耦接于节点n1与加总端32之间，用以依据输入信号Si的电压而由加总端32汲取内部信号Sr的电流。另一方面，加权电路34则用以依据辅助信号Sx的电压而由加总端32汲取抑制信号Sy的电流。

主放大核心22中的输出级28耦接于加总端32与节点n2输出端之间，用以依据一加总信号Sc的电流而由节点n2汲取输出信号Sp的电流；其中，输入级32与加权电路34由加总端32合并汲取的总电流即是加总信号Sc的电流。

请参考图4，其所示的是依据本发明又一实施例的放大器的电路示意图，可以用以实现图3所示的放大器20。如图4所示，放大器20运作于两供应电压Vdd与Vss之间。辅助放大核心24可用一推挽拓朴结构(push-pulltopology)的放大器实现，其包括有两互补晶体管M1与M2。晶体管M1(如一n通道金氧半晶体管)的栅极、漏极与源极分别耦接节点n6、n7与供应电压Vss；晶体管M2(如一p通道金氧半导体晶体管)的栅极、漏极与源极则分别耦接节点n6、n7与供应电压Vdd。节点n6经由一交流耦合(ACcoupling)的电容Ci耦接节点n1。

另一方面，主放大核心22可用一共射共基推挽拓朴(cascodepush-pulltopology)的放大器实现，其包括有一对互补晶体管M3与M4，与另一对互补晶体管M5与M6。再者，加权电路34则可用一对互补晶体管M7与M8实现。

晶体管M3(如一n通道金氧半导体晶体管)用以实现图3输入级26的功能，其栅极、漏极与源极分别耦接节点nn4、nn5与供应电压Vss。晶体管M5(如一n通道金氧半导体晶体管)的功能则如图3输出级28，其栅极、漏极与源极分别耦接一偏压电压VBN0、节点n2与节点nn5。在加权电路34中，晶体管M7(如一n通道金氧半晶体管)的栅极、源极与漏极分别耦接节点nn6、nn5与供应电压Vdd。节点nn4经由一交流耦合的电容Cn1耦接至节点n1。为建立节点nn4的直流偏压，一偏压电压VBN1经由一电阻RBN1耦接节点nn4；为建立节点nn6的直流偏压，另一偏压电压VBN2则由一电阻RBN2耦接节点nn6。由于晶体管M5与M7的源极共同耦接至节点nn5，节点nn5的功能就如同图3所示的加总端32。

基于电路互补，晶体管M4(如一p通道金氧半导体晶体管)也可以用于实现图3输入级26的功能，其栅极、漏极与源极分别耦接节点np4、np5与供应电压Vdd。晶体管M6(如一p通道金氧半导体晶体管)的功能则如图3输出级28，其栅极、漏极与源极分别耦接一偏压电压VBP0、节点n2与节点np5。在加权电路34中，晶体管M8(如一p通道金氧半导体晶体管)的栅极、源极与漏极分别耦接节点np6、np5与供应电压Vss。节点np4经由一交流耦合的电容Cp1耦接至节点n1。为建立节点np4的直流偏压，一偏压电压VBP1经由一电阻RBP1耦接节点np4；为建立节点np6的直流偏压，另一偏压电压VBP2则由一电阻RBP2耦接节点nn6。由于晶体管M6与M8的源极共同耦接至节点np5，节点np5的功能也如同图3所示的加总端32。

请参考图5，其所示意的是图4放大器20的噪声抑制机制。如图5所示，与辅助放大核心24相关的噪声可由一噪声电流源36表示(模拟)，其会向节点n7注入一电流变动In0，并于节点n7引发一电压变动Vn1。节点n7的电压变动Vn1会连带地于节点n6导致一电压变动Vn2；响应电压变动Vn2，主放大核心22会以一跨导增益将电压变动Vn2转换为一电流变动In1，并将此电流变动In1提供至节点nn5。此跨导增益可用晶体管M3的(小信号)跨导gm3来近似，故注入至节点nn5的电流变动In1可用乘积(-gm3*Vn2)近似。

另一方面，响应电压变动Vn1，加权电路34会以加权增益G将电压变动Vn1转换为电流变动In2，并向节点nn5提供电流变动In2。加权增益G可用晶体管M7的(小信号)跨导gm7近似，故流入至节点nn5的电流变动In2可用乘积gm7*Vn1近似。

一实施例中，跨导增益与加权增益间的比例与电阻Rf之反馈阻抗与电阻Rs的接口阻抗间的比例有关。亦即，比例gm3/gm7可被设定为(Rs+Rf)/Rs，或是Rf/Rs，因为电阻Rs的阻抗远小于电阻Rf的阻抗。再者，经由电阻Rf与Rs的分压，电压Vn1/Vn2之比可用(Rs+Rf)/Rs或Rf/Rs近似；据此进一步推导近似，由于电流变动In1＝(-gm3*Vn2)＝-(gm7*Vn1)＝-In2，代表电流变动In1与In2为180度反相且可于节点nn5相互抵消。如此，就可增进放大器20的噪声抑制能力。

因为跨导比例gm3/gm7被设定为比例Rf/Rs，晶体管M7与M8的源极-漏极间电流消耗会远小于晶体管M5与M6的源极-漏极导通电流。再者，图4电路架构还可加强信号增益，例如说是输入信号Si的电压至输出信号Sp的电流间的总跨导，如图6所示。

参照图6，主放大核心22响应节点n1的一信号电压Vs1而由节点nn5驱动汲取一信号电流Is1。另一方面，辅助放大核心24与反馈电路30会响应信号电压Vs1而在节点n7提供一信号电压Vs2，加权电路34则会依据信号电压Vs2而由加总端汲取一信号电流Is2。由于辅助放大核心24于信号电压Vs1至Vs2间的电压增益是负的，信号电压Vs1与Vs2反相。举例而言，当信号电压Vs1增加，信号电压Vs2就会减少。既然加权电路34于信号电压Vs2至信号电流Is2间的跨导也为负，信号电流Is2会随信号电压Vs2减少而增加。再者，由于晶体管M3于信号电压Vs1至信号电流Is1间的跨导为正，信号电流Is1则会随信号电压Vs1增加而增加。增强的信号电流Is1与Is2会整合加总，使输出信号Sp于节点n2的电流Iout随之增加，而放大器20的信号增益也就因此被提升了。

总结来说，相对于以源极退化电感进行输入阻抗匹配的单一共射共基(cascode)拓朴，本发明采用的是一合成架构：主放大核心用以提供高线性度的电流模式输出，辅助放大核心与反馈电路则用以进行输入阻抗匹配。再者，本发明还引进了加权电路，用以感测辅助放大核心的噪声，使噪声的整体影响可在主放大核心中被抑制。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域任何技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种放大器，其特征在于，接收一输入信号并据以提供一输出信号，包含：

一主放大核心，包含一输入端、一输出端与一加总端，该输入端耦接该输入信号并耦接一接口阻抗，该主放大核心用以提供一内部信号至该加总端，并依据提供至该加总端的信号而于该输出端输出该输出信号；以及

一辅助电路，耦接于该输入端与该加总端之间，用以匹配该输入端的阻抗，并依据该输入信号提供一抑制信号至该加总端；

其中该加总端位于该主放大核心内部，该辅助电路提供的电压增益大于该主放大核心提供的电压增益。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该输入端耦接一接口阻抗，且该辅助电路还包含：

一辅助放大核心，包含一第一辅助端与一第二辅助端，该第一辅助端耦接该输入端；该辅助放大核心用以依据该第一辅助端的信号提供一辅助信号至该第二辅助端；

一反馈电路，耦接于该第一辅助端与该第二辅助端之间，用以在该第一辅助端与该第二辅助端间提供一反馈阻抗；以及

一加权电路，耦接于该第二辅助端与该加总端之间，用以依据一加权增益加权该辅助信号，并依据该加权的辅助信号提供一抑制信号至该加总端；

其中，该加权增益与该反馈阻抗与该接口阻抗间的比例有关。

3.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，当该第二辅助端的一第一电压变动在该第一辅助端引发一第二电压变动时，该主放大核心依据该第二电压变动提供一第一电流变动至该加总端，该加权电路依据该第一电压变动提供一第二电流变动至该加总端，且该第一电流变动与该第二电流变动为反相。

4.如权利要求3所述的放大器，其特征在于，该主放大核心依据一跨导增益将该第二电压变动转换为该第一电流变动，该加权电路依据该加权增益将该第一电压变动转换为该第二电流变动，且该跨导增益与该加权增益间的比例与该反馈阻抗与该接口阻抗间的比例相关。

5.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，该主放大核心用以依据该输入端的一第一信号电压而从该加总端汲取一第一信号电流，该辅助放大核心与该反馈电路用以依据该第一信号电压提供一第二信号电压，且该加权电路用以依据该第二信号电压而由该加总端汲取一第二信号电流；其中，该第一信号电压与该第二信号电压反相，该第一信号电流与该第二信号电流同相。

6.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，该辅助放大核心包含：

一第一晶体管，包含一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，分别耦接该第一辅助端、该第二辅助端与一第一供应电压；以及

一第二晶体管，包含一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，分别耦接该第一辅助端，该第二辅助端与一第二供应电压。

7.如权利要求2所述的放大器，其特征在于，该主放大核心包含：

一输入级，耦接于该输入端与该加总端之间，并包含一第三晶体管，其具有一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，分别耦接该输入端、该加总端与一第一供应电压；

而该加权电路包含：

一第四晶体管，具有一第二栅极、一第二源极与一第二漏极，分别耦接该第二辅助端、该加总端与一第二供应电压。

8.如权利要求7所述的放大器，其特征在于，该主放大核心还包含：

一输出级，耦接于该加总端与该输出端之间，用以依据该输入级与该加权电路由该加总端汲取的电流而由该输出端汲取一对应电流。

9.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该输出级包含：

一第三晶体管，具有一第三栅极、一第三漏极与一第三源极，分别耦接一第一偏压、该输出端与该加总端。

10.一接收器，包含：

如权利要求1-9任一项所述的放大器，用以接收一输入信号并据以提供一输出信号；

一混波器，经由一第一电流模式接口耦接该放大器，用以将该输出信号与一载波信号混波以提供一对应的混波信号；以及

一次级放大器，经由一第二电流模式接口耦接该混波器，用以依据该混波信号提供一中间信号。