CN103199812B - 应用于无线接收器的放大器与相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于无线接收器的放大器与相关方法。该放大器响应一输入端收到的一输入信号而向一输出端提供一输出信号，并包括一第一区块与一第二区块。第一区块耦接于输入端与输出端之间，并包括一增益控制端与一第一晶体管。增益控制端耦接一增益控制信号，以将第一晶体管维持于三极区运作，并使输出信号相对于输入信号的增益可随增益控制信号无缝地调整。

Description

应用于无线接收器的放大器与相关方法

技术领域

本发明有关于一种应用于一无线接收器的放大器与相关方法，且特别有关于一种将一驱动晶体管维持于三极模式（亦称三极区或线性区）运作以实现无缝增益控制并提升线性度（linearity）的放大器与相关方法。

背景技术

无线科技已被广泛运用于网络系统、广播系统、定位系统、移动互联系统以及通讯系统。其中，用以接收无线信号的无线接收器则是无线科技最重要的环节之一。在现代的无线科技中，无线接收器以一天线接收无线信号、将接收的信号放大、将放大的信号与本地振荡信号混波、对混波后的信号进行滤波（例如低通或带通滤波），并进行数字模拟至数字转换而将滤波后的信号转换为数字信号，以使无线信号中携载的资讯、资料、声音/影像串流、封包及/或讯息能以数字信号处理。

在将接收的信号放大时，需考虑的重要因素包括噪声、频宽、控制增益的能力以及线性度。放大技术要求的是低噪声、高线性度与高频宽，以提供良好的噪声指数（noise figure）、低信号失真（distortion），并支援现代的各种调变方案，例如展频及/或频率多工。再者，为了充分运用模拟至数字转换的动态范围，亦需要精细的放大增益控制。对接收的信号而言，其信号强度（magnitude）会因种种因素而剧烈变化，例如无线传播环境/通道的改变，以及/或者无线讯源与接收器间距离的改变。强度不同的信号需以不同的增益放大，以使放大后的信号强度可以符合模拟至数字转换的完整动态范围。

一种常见的已知放大技术是以两级放大器实现增益控制；经无线接收的信号会先经由一低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA）放大，再经由一可变增益放大器（variable-gain amplifier，VGA）放大。在此先前技术中，低噪声放大器通常是以步阶式增益控制（step gain control）实现增益粗调，可变增益放大器则实现增益细调。在低噪声放大器的步阶式增益控制中，低噪声放大器的增益只能由有限的数种增益等级中择一，无法细调至两相邻增益等级间的任意值。因此，已知技术需使用额外增设的可变增益放大器，以便用较为精细的增益控制填补在低噪声放大器增益等级间的间隙。然而，此种两级放大器架构会占用较大的实体布局面积，消耗较多的电流与功率，噪声也会较严重，因为要用更多的主动及/或被动元件来实现放大器架构。

发明内容

为克服已知技术的缺点，本发明提供一种具备无缝增益控制的放大器，例如一低噪声放大器，其可应用于无线接收器所需的放大功能。在无缝增益控制下，放大器的增益可以被无缝地细调为一增益范围中任意值。因此，放大技术的需求可用单一一级放大器满足，且此放大器还可增进线性度，其占用的布局面积也较小、消耗的功率较低，引发噪声也较低。

本发明的目的之一是提供一种可应用于无线接收器的放大器，其包括一输入端、一输出端、一第一区块、一第二区块与一反馈电路。输入端用以接收一输入信号，放大器即响应此输入信号而向输出端提供一输出信号。第一区块包括一第一端、一第二端与一增益控制端，分别耦接输入端、输出端与一增益控制信号，并包括一第一晶体管，运作于三极区。第二区块包括一第三端与一第四端，分别耦接输入端与输出端，并响应输入信号而于输出端导通一电流。反馈电路耦接于输入端与输出端间，用以在输入端与输出端间提供一反馈阻抗。

依据本发明一实施例，第一区块包括一第一晶体管与一第二晶体管。第一晶体管具有一第一栅极、一第一源极与一第一漏极；第一栅极与第一源极分别耦接第一端与一第一供应电压。第二晶体管具有一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，分别耦接增益控制端、第二端与第一漏极。第二晶体管依据增益控制信号而调整第一漏极的电压。

依据本发明一实施例，第二区块包括一第三晶体管与一第四晶体管。第三晶体管具有一第三栅极、一第三源极与一第三漏极；第三栅极与第三源极分别耦接第三端与一第二供应电压。第四晶体管具有一第四栅极、一第四源极与一第四漏极，分别耦接一偏压电压、第三漏极与第四端。

依据本发明一实施例，放大器可依据增益控制信号调整输出信号相对于输入信号的增益，使增益控制信号的任意两相异值可以调整出相异的增益。

本发明的目的之一是提供一种控制一放大器的方法，放大器包括有一输入端、一输出端、一增益控制端与一第一晶体管，耦接输出端。此方法包括：由输入端接收一输入信号，以放大器向输出端提供一输出信号，并向增益控制端提供一增益控制信号，使第一晶体管可维持运作于三极区。

依据本发明一实施例，本发明方法还包括：调整增益控制信号以调整输出信号相对于输出信号的增益。增益控制信号可由一当前值改变至一任意相异值以将增益改变为一相异值。

依据本发明一实施例，第一晶体管具有一第一栅极与一第一漏极，第一栅极耦接输入端。放大器还包括一第二晶体管，具有一第二栅极与一第二源极，分别耦接增益控制端与第一漏极。本发明方法还包括：借着向该增益控制端提供增益控制信号，控制第二晶体管向该第一漏极提供一电压，使第一晶体管维持运作于三极区。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1示意的是依据本发明一实施例的放大器。

图2示意的是图1放大器中一晶体管的电流-电压关系。

图3示意的是图1放大器的无缝增益控制与线性度改良。

图4示意的是依据本发明另一实施例的放大器。

主要元件符号说明

10、20：放大器

12、14、22、24：区块

16、26：反馈电路

18：天线接收电路

Ra、Rp、Rn、Rf、rds、R1、R2：电阻

pm1、pm2、nm1、nm2、m1p、m2p、m1n、m2n：晶体管

C1、C2、Ca、Cb：电容

Vcmfb、vp、vn、Vbias、Vgs、Vds、Vdc：电压

Si、Sp、Sp0：信号

n1-n6、a1-a6：节点

Vdd、Vss：供应电压

Id：电流

T1、T2、Ta、Tb：时段

Vds1、Vds2：电压值

rds＠Vds1、rds＠Vds2：阻值

具体实施方式

请参考图1，其所示意的是依据本发明一实施例的放大器10。放大器10运作于供应电压Vdd与Vss之间，两节点n1与n2分别为一输入端与一输出端。放大器10由节点n1接收一信号Si（输入信号），响应信号Si而向节点n2提供一信号Sp（输出信号）。放大器10，例如一低噪声放大器，可实现于一无线接收器中；无线信号可由一天线接收电路18接收为信号Si，而由放大器10放大后的信号Sp则可输出至一混波器（mixer，未绘示）。天线接收电路18可包括一天线、传输线与相关的主动及/或被动元件，例如电阻、电感、电容、外接放大器、滤波器及/或表面波（surface acoustic wave，SAW）元件。对放大器10而言，天线接收电路18于节点n1的阻抗可用一电阻Ra模型化。为优化信号Si的功率，放大器10可匹配电阻Ra，以实现输入阻抗匹配。

放大器10包括两（第一与第二）区块12与14，以及一反馈电路16。区块12耦接于节点n3与n2之间，并包括两晶体管pm1与pm2，例如两p通道金氧半场效晶体管。节点n3经由一交流耦合（AC coupling）的电容C2耦接至节点n1，使信号Si可被耦合至节点n3。一电压Vcmfb则经由一电阻Rp而耦接至节点n3，用以设定节点n3的直流偏压，并使输出节点n2可维持一预设的直流电压。晶体管pm1的栅极、源极与漏极分别耦接节点n3、供应电压Vdd与一节点n4；晶体管pm2的栅极、源极与漏极则分别耦接一电压vp、节点n4与节点n2。晶体管pm2的栅极作为一增益控制端，以将电压vp接收为一增益控制信号。

区块14耦接于节点n1与n2之间，并包括两晶体管nm1与nm2，例如两n通道金氧半场效晶体管。晶体管nm1的栅极、源极与漏极分别耦接节点n1、供应电压Vss与一节点n5。晶体管nm2的栅极、源极与漏极则分别耦接一偏压电压vn、节点n5与节点n2。一电压Vbias经由一电阻Rn耦接于节点n1，以维持节点n1的直流偏压。

一实施例中，晶体管nm2与pm2可为一对互补（complementary）晶体管，晶体管nm1与pm1则可为另一对互补晶体管。响应信号Si，晶体管pm1与nm1分别于节点n4与n5导通电流；经由晶体管pm2与nm2的导通，节点n4与n5的电流耦接至节点n2，以驱动信号Sp。因此，晶体管nm1与pm1形成推挽架构，并整合串接（cascode）的晶体管nm2与pm2。为了节点n1的输入阻抗匹配，反馈电路16被安排在节点n6与n2之间，以提供一反馈阻抗，例如以一电阻Rf提供此反馈阻抗；其中，节点n6经由一交流耦合的电容C1耦接至节点n1。由于反馈电路16耦接于放大器10的输入端与输出端之间，放大器10于节点n1提供的阻抗由电阻Rf主导；利用反馈电路16，不需在推挽架构中附接源极退化（sourcedegenerate）的电感便可满足输入阻抗匹配。

虽然推挽架构放大器的两互补晶体管通常均运作于饱和区，放大器10的晶体管pm1特别被偏压于三极区运作。针对晶体管pm1于源极漏极间导通的电流Id、于源极栅极间跨接的电压Vgs以及源极漏极间跨接的电压Vds，若电压Vgs大于一电压和（Vds+Vth），则晶体管pm1就会被驱动至三极区；其中，Vth为晶体管pm1的临限电压的绝对值。对于向晶体管pm2的栅极所施加的电压vp，其电压值的大小即用以使晶体管pm2能在节点n4维持一适当电压，以便使晶体管pm1能持续运作于三极区。另一方面，晶体管nm1则被偏压于饱和区运作。

延续图1，请一并参考图2；图2是以一电流-电压关系示意晶体管pm1的运作。于饱和区中，电流Id可近似为(1/2)＊＊Cox＊(W/L)＊[(Vgs-Vth)^2]，其中、Cox与(W/L)分别是晶体管pm1的载子移动率、单位面积电容与长宽比（aspectratio，通道宽度对长度的比例）。亦即，若晶体管pm1运作于饱和区，即使当电压Vds改变，电流Id也几乎维持于定值。另一方面，于三极区中，电流Id可近似为

＊Cox＊(W/L)＊[(Vds-Vth)＊Vds-(1/2)＊(Vgs^2)]。在三极区中，电流Id与电压Vds间的关系（即电流-电压曲线的斜率的倒数）可用晶体管pm1的漏极源极间电阻rds（亦示于图1）近似，而电阻rds的阻值会随电压Vds改变而有所变化。举例而言，如图2所示，当电压Vds分别为电压值Vds2与Vds1时，电阻rds的阻值分别为rds＠Vds2与rds＠Vds1；若电压值Vds2大于Vds1，阻值rds＠Vds2会大于rds＠Vds1。

请再度参考图1，其亦绘示了本发明中信号Si与Sp的波形；三极区的特性会被用来提升放大器10的线性度。当输入信号Si在一时段T1中循一向上摆幅升高时，电流Id的电流值、电压Vds的电压值与电阻rds的阻值均随之增加；因此，信号Sp会由一常数直流电压Vdc向下摆动，其向下的摆幅会超过一信号Sp0的向下摆幅，此信号Sp0在图1中以虚线绘示，其代表的是当晶体管pm1运作于饱和区时于节点n2所输出的信号。

当信号Si在一时段T2中沿一向下摆幅而降低时，电流Id、电压Vds与电阻rds均随之减少，而信号Sp的向上摆幅亦会被扩大而超过信号Sp0的向上摆幅。亦即，将晶体管pm1驱动至三极区而非饱和区，节点n2的电压摆动空间（headroom）就会扩大，进而提升线性度。

当晶体管pm1维持于三极区运作，偏压电压vp亦为输出信号Sp对输入信号Si间的增益提供无缝增益控制。请参考图3，其所示意的是依据本发明一实施例的增益控制与线性度改善。增益随电压vp的变化可用以显示增益控制，而三阶截断点（third order intercept point，IIP3）随电压vp增加的情形则可显示线性度的改善。如图所示，改变电压vp的值，增益就可被设定为增益范围中的任意值，而非区区数个离散分隔的增益等级；如此，便可达成无缝增益控制。亦即，电压vp可由一当前值改变为任意相异值以将增益调整至一相异值。

放大器10可用以实现自动增益控制。输入功率（信号Si的功率）的资讯可利用接收信号强度指示（received signal strength indication，RSSI）及/或峰值侦测取得，并据以控制电压vp的电压值。一实施例中，电压vp的增益控制实现一无缝增益细调，而放大器10的其他可控制参数，例如在一或多个选定节点的直流偏压及/或反馈电路16提供的阻抗，则用以实现步阶式增益粗调。举例而言，反馈电路16中的电阻Rf可以是一可变电阻，其电阻值可以由多种相异阻值中择一，故当反馈电路16被切换于不同阻值时，增益就会切换于不同的增益等级；而电压vp的无缝增益控制则用以填补两相邻增益等级间的间隙。

由图3中可看出，当电压vp在同样范围中变化时，线性度改善程度（即IIP3范围）会大于增益范围。亦即，在增益范围中的增益下降并非线性度改善的唯一原因；将晶体管pm1驱动至三极区对线性度的提升会有额外的贡献。

请参考图，4其所示意的是依据本发明一实施例的放大器20。类似于放大器10，放大器20可被纳入至一无线接收器的射频模拟前端（frontend）以作为一低噪声放大器，其可将天线接收电路18的信号Si放大，据以提供放大后的信号Sp，例如提供至一混波器（未图示）。放大器20运作于两供应电压Vdd与Vss之间，两节点a1与a2分别为其输入端与输出端，并包括两区块22与24，以及一反馈电路26。

区块24包括两晶体管（如两n通道金氧半场效晶体管）m1n与m2n，分别互补于区块26中的两晶体管m1p与m2p（例如两p通道金氧半场效晶体管）；晶体管m1p被偏压至饱和区中运作，而晶体管m1n则被偏压于三极区中运作。

区块24耦接于节点a3与a2之间，晶体管m1n的栅极、源极与漏极分别耦接节点a1、供应电压Vss与一节点a5；晶体管m2n的栅极、源极与漏极则分别耦接一偏压电压vn、节点a5与节点a2。偏压电压vn为一增益控制信号，其能使晶体管m2n于节点a5维持适当的电压，以将晶体管m1n维持于三极区中运作。亦即，使晶体管m1n的源极栅极间电压Vgs大于电压和(Vds+Vth_n)，其中Vds为晶体管m1n的漏极源极间电压，而Vth_n则是晶体管m1n的临限电压。节点a3经由一交流耦合的电容Cb耦接至节点a1，而一电压Vcmfb则经由一电阻R2耦接至节点a3，用以设定节点a3的直流偏压，以便为输出节点a2维持一预设的直流电压。

区块22耦接于节点a1与a2间；晶体管m1p的栅极、源极与漏极分别耦接节点a1、供应电压Vdd与一节点a4，晶体管m2p的栅极、源极与漏极则分别耦接一偏压电压vp、节点a4与节点a2。一电压Vbias经由一电阻R1耦接至节点a1，以设定节点a1的直流偏压。反馈电路26耦接于节点a6与a2之间，以一电阻Rf提供一反馈阻抗。节点a6则经由一交流耦合的电容Ca耦接至节点a1。

放大器20将晶体管m1n驱动至三极区，据以实现无缝增益控制，并提升线性度。如信号Si与Sp的波形所示，当信号Si于时段Ta中沿一上升摆幅升高时，晶体管m1n于源极与漏极间导通的电流Id、电压Vds与晶体管m1n于源极与漏极间的电阻rds皆随之下降，使信号Sp会比信号Sp0拥有一更深的向下摆幅；其中，信号Sp0假设晶体管m1n运作于饱和区时的输出信号。在时段Tb中，当信号Si随一向下摆幅降低时，电流Id、电压Vds与电阻rds会随之增加，扩大信号Sp的向上摆幅。

本发明亦提供一种方法，用以控制本发明放大器10与20；当推挽架构的互补驱动晶体管（如晶体管pm1与nm1）中有一个运作于饱和区，另一个驱动晶体管则以一适当的增益控制信号（如图1中的电压vp与图4中的电压vn）使其维持于三极区中运作；此增益控制信号被施加于一串接晶体管的栅极，而该串接晶体管耦接于该三极区运作的驱动晶体管。调整增益控制信号，便可实现无缝增益控制，微调输出信号对输入信号的增益。如图3所示，增益控制信号可由一当前值改变为任意相异值，以使增益改变为一相异值。

总结而言，相较于已知技术，本发明放大器可用架构简单的单一一级放大器实现无缝增益控制，不需采用复杂、对噪声敏感、耗费功率与面积的两级放大器；再者，本发明放大器可扩大输出摆动空间，进而提升线性度。于无线接收器的射频模拟前端中采用本发明放大器进行宽频放大，有助于无线接收器降低功率消耗、缩减布局面积、提升线性度，最终能实现较佳的接收品质（如较低的位元错误率）。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当由权利要求书界定为准。

Claims (20)

1.一种应用于一无线接收器的放大器，包含：

一输入端，用以接收一输入信号；

一输出端，用以输出一响应该输入信号的输出信号；

一第一区块，包含一第一端、一第二端、一增益控制端及一持续运作于三极区的第一晶体管，该第一端及该第二端分别耦接该输入端及该输出端，该增益控制端接收一增益控制信号，其中该增益控制信号为电压信号；以及

一第二区块，包含一第三端与一第四端，分别耦接该输入端与该输出端，并于该输出端导通一电流；

一电容，经由一节点连接至该第一端，且位于该节点和该输入端之间；以及

一电阻，经由该节点连接至该第一端，

其中一直流偏压经由该电阻耦接该节点。

2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，还包含：

一反馈电路，耦接于该输入端与该输出端之间，用以在该输入端与该输出端间提供一反馈阻抗。

3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管包含一第一栅极与一第一源极，分别耦接该第一端与一第一供应电压。

4.如权利要求3所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管还包含一第一漏极，且该第一区块还包含：

一第二晶体管，包含一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，分别耦接该增益控制端、该第二端与该第一漏极；

其中，该第二晶体管依据该增益控制信号调整该第一漏极的电压。

5.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该第二区块还包含：

一第三晶体管，包含一第三栅极与一第三源极，分别耦接该第三端与一第二供应电压。

6.如权利要求5所述的放大器，其特征在于，该第三晶体管还包含一第三漏极，且该第二区块还包含：

一第四晶体管，包含一第四栅极、一第四源极与一第四漏极，分别耦接一偏压电压，该第三漏极与该第四端。

7.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，其依据该增益控制信号调整该输出信号对该输入信号的一增益，以使该增益控制信号的任两相异值对应至相异的该增益。

8.一种应用于一无线接收器的放大器，包含：

一输入端，用以接收一输入信号；

一输出端，用以输出一响应该输入信号的输出信号；

一第一区块，包含一耦接该输入端的第一端、一耦接该输出端的第二端、一耦接一增益控制信号的增益控制端、一第一电压源与一持续运作于三极区的第一晶体管，其中该增益控制信号为电压信号，以及

一第二区块，包含一耦接该输入端的第三端、一耦接该输出端的第四端与一第二电压源，其中该第二区块是在该输出端导通一电流，

一电容，经由一节点连接至该第一端，且位于该节点和该输入端之间；以及

一电阻，经由该节点连接至该第一端，

其中一直流偏压经由该电阻耦接该节点。

9.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，还包含：

一反馈电路，直接耦接于该输入端与该输出端之间，用以于该输入端与该输出端间提供一反馈阻抗。

10.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管包含一第一栅极，耦接该第一端，以及一第一源极，经由该第一电压源耦接一第一供应电压。

11.如权利要求10所述的放大器，其特征在于，其中该第一晶体管还包含一第一漏极，且该第一区块还包含：

一第二晶体管，包含一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，分别耦接该增益控制端、该第二端与该第一漏极；

其中该第二晶体管依据该增益控制信号调整该第一漏极的电压。

12.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，其中该第二区块包含：

一第三晶体管，包含一第三栅极，耦接该第三端，以及一第三源极，经由该第二电压源耦接一第二供应电压。

13.如权利要求12所述的放大器，其特征在于，其中该第三晶体管还包含一第三漏极，且该第二区块还包含：

一第四晶体管，包含一第四栅极、一第四源极与一第四漏极，分别耦接一偏压电压、该第三漏极与该第四端。

14.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，依据该增益控制信号调整该输出信号相对于该输入信号的一增益，使该增益控制信号的任两相异值对应至相异的该增益。

15.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一电压源大于该第二电压源。

16.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一电压源小于该第二电压源。

17.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管是一p通道金氧半场效晶体管。

18.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管是一n通道金氧半场效晶体管。

19.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一电压源大于该第二电压源，且该第一晶体管是一p通道金氧半场效晶体管。

20.如权利要求8所述的放大器，其特征在于，该第一电压源小于该第二电压源，且该第一晶体管是一n通道金氧半场效晶体管。