CN103457543A - 宽带低噪声放大器和宽带低噪声放大方法 - Google Patents

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CN103457543A CN2013102106311A CN201310210631A CN103457543A CN 103457543 A CN103457543 A CN 103457543A CN 2013102106311 A CN2013102106311 A CN 2013102106311A CN 201310210631 A CN201310210631 A CN 201310210631A CN 103457543 A CN103457543 A CN 103457543A
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Abstract

本发明所公开的是一种宽带低噪声放大器和宽带低噪声放大方法，该宽带低噪声放大器包括：第一LNA，接收单一RF信号来放大该RF信号以提高NF；第二LNA，接收第一LNA的输出作为第一输入、具有通过第一电容器连接至地的第二输入侧、并在高增益模式时运行以在高增益模式的运行时进行高增益放大，从而输出第一差分信号；衰减单元，接收、衰减和输出第一LNA的输出；以及第三LNA，在低增益模式时运行、接收衰减单元的输出作为第三输入、并通过第二电容器接收单一RF信号作为第四输入以进行低增益差分放大，从而输出第二差分信号。

Description

宽带低噪声放大器和宽带低噪声放大方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年5月31日提交的题为“宽带低噪声放大器和宽带低噪声放大方法（Wideband Low Noise Amplifier and Wideband LowNoise Amplifying Method）”的韩国专利申请第10-2012-0058291号的权益，在此将其全部内容结合于本申请供参考。
技术领域
本发明涉及一种宽带低噪声放大器和宽带低噪声放大方法，更具体地，涉及一种具有改进的IIP2线性的宽带低噪声放大器和宽带低噪声放大方法。
背景技术
一直在不断进行能使单个无线通信芯片被用于各种应用（例如，数字多媒体广播（DMB）、全球定位系统（GPS）、全球移动通信系统（GSM）、宽带码分多址（WCDMA）等）中的努力。这些应用分别具有它们的频带和规范。为覆盖各种频率特性，宽带接收器的设计很重要。数字视频广播（DVB）接收器或超宽带（UWB）接收器具有超过1GHz的频率带宽，从而它们一直使用宽带接收器设计。
当使用能够单独支持每种应用的几种低噪声放大器（LNA）以支持宽频率时，功耗和面积均是低效率的。当设计满足宽带特性的接收器结构时，宽带LNA的结构是最重要的，且应满足噪声性能和由谐波失真引起的失真性能。
在窄带应用中，认为第三谐波的特性是重要的。然而，在宽带应用中，失真由于二次谐波而发生。这也需要二次谐波具有预定水平以下的特性。
参照图4A，在窄带中，失真现象仅由相邻信号（诸如2C-D）产生；然而，在宽带中，另外的第三失真现象由A+E-B的带内信号的组合产生。
参照图4B，如图4B所示的第二失真特性仅出现在宽带信号中。例如，在频率特性为950至2150MHz的DVB接收器的情况下，频率为1027MHz和1028MHz的信号彼此混合，从而出现频率为2055MHz的信号。该信号需要有几十dBc或更低的水平。
在宽带接收器结构中，低噪声放大器（LNA）位于天线之后且放大信号，同时尽可能地抑制噪声以将信号传送到解调器。这里，低噪声放大器主要被设计为连接到诸如射频自动增益控制（RFAGC）电路、混频器等的电路以具有差分输出。
以下将描述实施单一至差分LAS的三种方法。
第一种方法是通过在天线之后插入变压器来实施差分结构。然而，发射器本身的尺寸较大，使得它通常难以在电路内实施变压器，在该情况下，一般的谐波失真和噪声系数是良好的；然而，使用笨重的元件，从而具有对小型化和集成化的限制。
第二种方法是实施单一输入差分输出的LNA。单一输入差分输出LNA具有低噪声系数和差分结构。在单一输入差分输出LNA在其输入端使用共用栅极（CG）电路的情况下，其通常具有2dB的噪声系数（NF）。因此，在需要高度低噪声系数的情况下难以使用单一输入差分输出LNA。同时，在差分输入的一侧接地以允许进行伪差分操作的情况下，单一输入差分输出LNA一般在运算放大器中实施，且由于共模抑制比（CMRR）问题而导致较差噪声系数和较差线性特性。该第二种方法具有较差的NF。由于低噪声放大器的特性，第二种方法可被应用于NF要求不高的电路中。
第三种方法是在单一至差分LNA之前设置具有良好低噪声系数的单一型LNA以同时满足低噪声系数和差分特性。该结构对于宽带单一至差分LNA结构而言是合适的，但由于初始LNA的线性特性的限制，很容易造成谐波失真。
当输入功率高时，一般应考虑由于谐波引起的失真现象。在该情况下，为产生具有由解调器所需的水平的输出，增益应相对降低以确保消除谐波失真的余量。与此相反，当输入功率低时，需要低噪声系数。在该情况下，当信号被放大时，噪声也被放大。因此，信号应被放大，同时尽可能地抑制噪声。
作为实施上述单一至差分LNA的第二种方法的一种改进结构，存在一种通过改变增益模式来满足谐波特性和NF的方法。在该方法中，以高增益模式操作时，与第一LNA并行接收RF输入信号并在低增益模式下运行的第二LNA不运行，且仅与第二LNA并行接收RF输入信号并在高增益模式下运行的第一LNA运行并放大信号，同时抑制噪声。与此相反，在低增益模式下，在高增益模式下运行的第一LNA关闭，且输入电平在衰减器中被降低并在第二LNA中采用低增益放大。在该情况下，接收RF输入信号且彼此并联连接的第一和第二LNA使用根据实施上述单一至差分LNA的第二种方法的结构。因此，如上所述，由于不考虑结构特征和二次谐波，所以NF较差。
[现有技术文献]
[专利文献]
（专利文献1）美国专利公开第US2006103468号（于2006年5月18日公开）
（专利文献2）韩国专利公开第10-2006-0046963号（于2006年5月18日公开）
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够改善二次谐波信号的失真并同时保持噪声系数的宽带低噪声放大器以及一种宽带低噪声放大方法。
根据本发明的示例性实施方式，提供了一种宽带低噪声放大器，包括：第一低噪声放大器（LNA），接收单一射频（RF）信号来放大所述RF信号以提高噪声系数（NF）；第二LNA，接收所述第一LNA的输出作为第一输入、具有通过第一电容器连接至地的第二输入侧、并在高增益模式时运行以在所述高增益模式的运行时进行高增益放大，从而输出第一差分信号；衰减单元，接收、衰减和输出所述第一LNA的所述输出；以及第三LNA，在低增益模式时运行、接收所述衰减单元的输出作为第三输入、并通过第二电容器接收所述单一RF信号作为第四输入以进行低增益差分放大，从而输出第二差分信号。
所述第三LNA可包括第一晶体管，所述第一晶体管在所述低增益模式时开启以接收所述单一RF信号，从而通过所述第二电容器将所述单一RF信号输出至所述第三LNA的第四输入侧。
所述第一LNA可包括反相器型CMOS放大器，所述反相器型CMOS放大器接收所述单一RF信号作为共用栅极信号以放大所述RF信号，且包括将放大的信号反馈至栅电极的反馈电阻器。
所述第一LNA可包括：第一PMOS晶体管，根据第一偏压信号开启并具有连接至供电电压端子的漏电极；反相器型CMOS放大器，被级联连接至所述第一PMOS晶体管、接收所述单一RF信号作为共用栅极信号、且包括设置在所述反相器型CMOS放大器的输出端子与栅电极之间的反馈电阻器；以及第三NMOS晶体管，具有连接至所述供电电压端子的漏电极和连接至恒流源的源电极以接收所述反相器型CMOS放大器的输出作为栅极信号，从而进行放大和输出。
所述第二LNA可包括：第四NMOS晶体管，在所述高增益模式时接收所述第一LNA的所述输出来放大所述第一LNA的所述输出；第七NMOS晶体管，具有通过第一负载连接至供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第四NMOS晶体管，以在所述高增益模式时输出一个第一差分信号；第五NMOS晶体管，具有连接至所述第五NMOS晶体管的栅电极的所述第一电容器，且在所述高增益模式时开启以进行放大；第八NMOS晶体管，具有通过第二负载连接至所述供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第五NMOS晶体管，以在所述高增益模式时输出另一第一差分信号；以及第六NMOS晶体管，在所述高增益模式时开启，且具有连接至所述第四NMOS晶体管和所述第五NMOS晶体管的源电极的漏电极和连接至所述地的源电极。
在所述高增益模式时，所述第四NMOS晶体管和所述第五NMOS晶体管的栅电极中的每一个可接收通过每个偏压电阻器施加的第二偏压信号，以及在所述低增益模式时，所述第一LNA的输出信号和存储在所述第一电容器中的信号可通过连接至所述第四NMOS晶体管和所述第五NMOS晶体管的所述栅电极的所述偏压电阻器被输出至所述地。
所述第三LNA可包括：第一NMOS晶体管，具有连接至所述第一NMOS晶体管的漏电极的所述第二电容器且在所述低增益模式时开启以在所述第一NMOS晶体管的源电极处接收所述单一RF信号，从而将所述单一RF信号传送至所述第二电容器；第九NMOS晶体管，在所述低增益模式时接收所述衰减单元的所述输出作为栅极信号以进行放大；第十二NMOS晶体管，具有通过第一负载连接至供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第九NMOS晶体管，以在所述低增益模式时输出一个第二差分信号；第十NMOS晶体管，在所述低增益模式时开启，并通过所述第二电容器接收输入至所述第一NMOS晶体管的所述单一RF信号作为栅极信号以进行放大；第十三NMOS晶体管，具有通过第二负载连接至所述供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第十晶体管，以在所述低增益模式时输出另一第二差分信号；以及第十一NMOS晶体管，在所述低增益模式时开启，且具有连接至所述第九NMOS晶体管和所述第十NMOS晶体管的源电极的漏电极和连接至所述地的源电极。
在所述低增益模式时，所述第九NMOS晶体管和所述第十NMOS晶体管的栅电极中的每一个可接收通过偏压电阻器施加的第三偏压信号，以及在所述低增益模式时，所述衰减单元的输出信号和存储在所述第二电容器中的信号可通过连接至所述第九NMOS晶体管和所述第十NMOS晶体管的所述栅电极的每个所述偏压电阻器被输出至所述地。
所述宽带低噪声放大器还可包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
所述差分放大单元可包括：第十四NMOS晶体管，具有连接至供电电压端子的漏电极和连接至恒流源的源电极，并接收根据所述高增益模式的一个第一差分信号或根据所述低增益模式的一个第二差分信号作为栅极信号以放大所述差分信号，从而输出一个差分放大的信号；以及第十五NMOS晶体管，具有连接至所述供电电压端子的漏电极和连接至所述恒流源的源电极，并接收根据所述高增益模式的另一第一差分信号或根据所述低增益模式的另一第二差分信号作为栅极信号以放大所述差分信号，从而输出另一差分放大的信号。
根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种宽带低噪声放大方法，包括：第一放大步骤，允许第一LNA接收单一RF信号来放大所述单一RF信号以提高NF；高增益放大步骤，判断所述单一RF信号是弱信号还是强信号，且允许第二LNA在所述单一RF信号是所述弱信号的情况下以高增益模式运行并接收所述第一LNA的输出作为第一输入以及具有通过电容器连接至地的第二输入侧以进行高增益放大，从而输出第一差分信号；衰减步骤，允许衰减单元在所述单一RF信号是所述强信号的情况下以低增益模式运行并接收、衰减和输出所述第一LNA的所述输出；以及低增益放大步骤，允许第三LNA接收在所述衰减步骤中的输出作为第三输入并在所述低增益模式时通过第二电容器接收所述单一RF信号作为第四输入以进行低增益差分放大，从而输出第二差分信号。
所述低增益放大步骤可包括允许第一晶体管在所述低增益模式时开启以接收所述单一RF信号，从而通过所述第二电容器将所述单一RF信号输出至所述第三LNA的第四输入侧。
所述宽带低噪声放大方法还可包括差分放大步骤，其接收并放大所述高增益放大步骤中的所述第一差分信号或所述低增益放大步骤中的所述第二差分信号以输出差分放大的信号。
附图说明
图1是示意性示出根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的框图；
图2是示意性示出根据本发明的另一示例性实施方式的宽带低噪声放大器的电路图；
图3A是示意性示出图2所示的宽带低噪声放大器在高增益模式时的运行状态的电路图；
图3B是示意性示出图2所示的宽带低噪声放大器在低增益模式时的运行状态的电路图；
图4A是描述由于第三谐波信号引起的失真的示意图；
图4B是描述由于第二谐波信号引起的失真的示意图；
图5A是将根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的S参数增益与根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的S参数增益彼此相比较的曲线图；
图5B是将根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的NF与根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的NF彼此相比较的曲线图；
图6A是示出根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的IIP2模拟结果的曲线图；
图6B是示出根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的IIP2模拟结果的曲线图；以及
图7是示意性示出根据本发明的另一示例性实施方式的宽带低噪声放大方法的流程图。
具体实施方式
将参照附图来描述用于实现上述目的的本发明的示例性实施方式。在本说明书中，相同的附图标记将被用于描述相同的部件，且对它们的详细描述将被省略，以允许本领域技术人员很容易理解本发明。
在本说明书中，将理解，除非诸如“直接”的术语被用于连接、耦接、或一个组件与另一组件之间的配置关系，否则一个组件可以“直接连接至”、“直接耦接至”或“直接设置到”另一元件，或者可以连接至、耦接至或设置到另一元件且其间介有插入的其他元件。
尽管在本说明书中使用了单数形式，但其也可包括复数形式，只要它不与本发明的概念相反且从解释的角度来说不矛盾或者被用作清晰不同的含义。应理解，在本说明书中使用的“包括”、“具有”、“包含”、“被配置为包括”等不排除存在或附加一个或多个其他特征、组件或它们的组合。
此外，在本说明书中诸如附加到组件的第一、第二等的术语用于互相区分相似的组件，但并非限制相应组件的顺序或数量。
首先，将参照附图来详细描述根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器。这里，在该附图中未表示的附图标记可以是在其他附图中示出相同组件的附图标记。
图1是示意性示出根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的框图；图2是示意性示出根据本发明的另一示例性实施方式的宽带低噪声放大器的电路图；图3A是示意性示出图2所示的宽带低噪声放大器在高增益模式时的运行状态的电路图；图3B是示意性示出图2所示的宽带低噪声放大器在低增益模式时的运行状态的电路图。图4A是描述由于第三谐波信号引起的失真的示意图；以及图4B是描述由于第二谐波信号引起的失真的示意图。图5A是将根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的S参数增益与根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的S参数增益彼此相比较的曲线图；以及图5B是将根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的NF与根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的NF彼此相比较的曲线图。图6A是示出根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的IIP2模拟结果的曲线图；以及图6B是示出根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的IIP2模拟结果的曲线图。
参照图1，根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器（LNA）被配置为包括第一LNA10、第二LNA30、衰减单元40和第三LNA50。
在图1中，第一LNA10接收单一RF信号以放大该单一RF信号，从而提高噪声系数（NF）。例如，第一LNA10以反相器类型来实施，且具有单输入单输出结构。第一LNA10可被设计为尽可能多地提高噪声系数。
这里，第一LNA判断RF信号是弱信号还是强信号。当该RF信号是弱信号时，执行高增益模式以用于高增益放大，使得接下来的第二LNA30运行，且当该RF信号是强信号时，执行低增益模式以用于低增益放大，使得接下来的第三LNA50运行。
参照图2描述了一个实例，第一LNA10可包括反相器型CMOS放大器12，该反相器型CMOS放大器12接收作为共用栅极信号的单一RF信号以放大该单一RF信号，且包括将放大的信号反馈至栅电极的反馈电阻器。
将参照图2至图3B提供详细描述。作为一个实例，第一LNA10可包括第一PMOS晶体管P111、反相器型CMOS放大器12和第三NMOS晶体管N313。这里，第一PMOS晶体管P111根据第一偏压信号来开启，并具有连接至供电电压端子VDD的漏电极和级联连接（cascodeconnected，共源共栅地连接）至反相器型CMOS放大器12的源电极。
反相器型CMOS放大器12被级联连接至第一PMOS晶体管P111，并接收单一RF信号作为共用栅极信号。反相器型CMOS放大器12具有被级联连接至第一PMOS晶体管P111的第二PMOS晶体管P2121和连接至第二PMOS晶体管P2121的漏电极的第二NMOS晶体管N2123。这里，反相器型CMOS放大器12的输出端子，即，第二PMOS晶体管P2121与第二NMOS晶体管N2123之间的连接节点以及第二PMOS晶体管P2121和第二NMOS晶体管N2123的栅电极具有设置在其间的反馈电阻器Rf125。单一RF信号被输入至反相器型CMOS放大器12的栅电极、在反相器型CMOS放大器12中被放大，并随后从反相器型CMOS放大器12的输出端子输出。
第三NMOS晶体管N313具有连接至供电电压端子VDD的漏电极和连接至恒流源的源电极，以接收作为栅极信号的反相器型CMOS放大器12的输出。第三NMOS晶体管N313接收反相器型CMOS放大器12的输出并进行放大和输出。
接下来，图1的第二LNA30在高增益模式时运行。第二LNA30接收第一LNA10的输出作为第一输入，并具有通过第一电容器C135连接至地的第二输入侧。因此，第二LNA30在高增益模式运行时采用高增益来放大第一和第二输入，以输出第一差分信号。
这里，例如，通过如图2所示的配置，在高增益模式下，作为第三LNA50的第一晶体管51的第一NMOS晶体管N151不运行，且仅第二LNA30运行，从而使得可以减小对输入噪声系数的影响。
下文中，将参照图2和图3A来提供详细描述。作为一个实例，第二LNA30可被配置为包括第四NMOS晶体管N432、第五NMOS晶体管N533和第六NMOS晶体管N634。这里，第四NMOS晶体管N432在高增益模式时运行，并接收第一LNA10的输出作为栅极信号以进行放大。更具体地，第四NMOS晶体管N432在其栅电极处接收第一LNA10的第三NMOS晶体管N313的输出。此外，参照图2和图3A，第四NMOS晶体管N432的漏电极和栅电极可被连接至反馈负载。这里，第四NMOS晶体管N432的漏电极与栅电极之间的反馈负载可被串联连接在电容器C3与电阻器R3之间。使用反馈电路使增益略微减小，从而使得可以确保稳定性和频率特性。
在图2和图3A中，第五NMOS晶体管N533具有被连接至其栅电极并在高增益模式时开启以进行放大的第一电容器C135。这里，第五NMOS电极N533的栅电极通过第一电容器C135连接至地。因此，第四NMOS晶体管N432和第五NMOS晶体管N533配置成伪差分放大电路。此外，参照图2和图3A，第五NMOS晶体管N533的漏电极和栅电极可被连接至反馈负载。这里，第五NMOS晶体管N533的漏电极与栅电极之间的反馈负载可被串联连接在电容器C4与电阻器R4之间。
接下来，第六NMOS晶体管N634在高增益模式时开启，并具有被连接至第四和第五NMOS晶体管N432和N533的源电极的漏电极，以及连接至地的源电极。
参照图2和图3A，作为一个实例，在高增益模式时，第四和第五NMOS晶体管N432和N533的每个栅电极均接收通过偏压电阻器R1和R2施加的第二偏压信号。在低增益模式时，施加至第四NMOS晶体管N432的栅电极的第二偏压信号被阻断，且通过连接至第四NMOS晶体管N432的栅电极的偏压电阻器R1使第一LNA10的输出信号输出至地。因此，第四NMOS晶体管N432被关闭。此外，在低增益模式时，施加至第五NMOS晶体管N533的栅电极的第二偏压信号被阻断，且通过连接至第五NMOS晶体管N533的栅电极的偏压电阻器R2使存储在连接至第五NMOS晶体管N533的栅电极的第一电容器C135中的信号输出至地。因此，第五NMOS晶体管N533被关闭。
参照图2和图3A，将更详细地描述第二LNA30。第二LNA30还可包括第七NMOS晶体管N736和第八NMOS晶体管N837。这里，第七NMOS晶体管N736具有通过第一负载（电感器L1和电阻器R9的串联负载）连接至供电电压端子VDD的漏电极，且被级联连接至第四NMOS晶体管N432。此外，第七NMOS晶体管N736可与第四NMOS晶体管N432一起在高增益模式时执行级联放大，以输出一个第一差分信号。例如，作为使用一般级联特性的差分放大器的第二LNA30使用级联电路来减小输出信号对输入特性的影响，从而使得可以减小在模式转换时产生的不匹配。
在图2和图3A中，第八NMOS晶体管N837具有通过第二负载（电感器L2和电阻器R10的串联负载）连接至供电电压端子VDD的漏电极，且被级联连接至第五NMOS晶体管N533。这里，第八NMOS晶体管N837可在高增益模式时运行，并与第五NMOS晶体管N533一起执行级联放大，以输出另一第一差分信号。
参照图2和图3A，第二LNA30和下一个第二LNA30与供电电压端子VDD共享负载。
接下来，将参照图1、图2和图3B来描述衰减单元40。图1、图2和图3B的衰减单元40接收第一LNA10的输出，并进行衰减和输出。衰减单元40例如在低增益模式时运行，并接收和衰减第一LNA10的输出。
此外，图1的第三LNA50在低增益模式时运行。第三LNA50接收衰减单元40的输出作为第三输入，并通过第二电容器C255接收单一RF信号作为第四输入。因此，第三LNA50采用低增益来差分放大第三和第四输入，以输出第二差分信号。第三LNA50的第四输入侧通过仅在低增益模式下开启的共用栅极放大器被连接至RF信号RFIN。
例如，通过如图2所示的配置，在高增益模式下，作为第三LNA50的第一晶体管51的第一NMOS晶体管N151不运行，从而使得可以减小对输入噪声系数的影响，且在低增益模式下，增强了第三LNA50的共模操作，从而使得可以提高由第一LNA10劣化的线性IIP2特性。理想差分电路具有根据共模抑制的良好的偶谐波特性。例如，第一NMOS晶体管N151的大小可被优化，使得第三LNA50可以尽可能理想地作为差分电路来运行。
此外，参照图2和图3B，作为一个实例，第三LNA50可包括第一晶体管51。该第一晶体管51在低增益模式时开启，并接收单一RF信号RFIN以通过第二电容器C255将该单个RF信号输出至第三LNA50的第四输入侧。这里，第一晶体管51可以是具有向其施加单一RF信号的源电极和连接至第二电容器C255的漏电极的NMOS晶体管。
接下来，将参照图2和图3B进一步描述第三LNA50。作为一个实例，第三LNA50可被配置为包括第一NMOS晶体管N151、第九NMOS晶体管N952、第十NMOS晶体管N1053和第十一NMOS晶体管N1154。这里，第一NMOS晶体管N151具有第二电容器C255被连接至其上的漏电极、在低增益模式时开启、且在其源电极处接收单一RF信号RFIN，以将该单一RF信号RFIN传送至第二电容器C255。
第九NMOS晶体管N952在低增益模式时运行，并接收衰减单元40的输出作为栅极信号来进行放大。此外，参照图2和图3B，第九NMOS晶体管N952的漏电极和栅电极可由电容器C7和电阻器R7的串联负载来反馈连接。
接下来，第十NMOS晶体管N1053在低增益模式时开启，并通过第二电容器C255接收输入至第一NMOS晶体管N151的单个RF信号作为栅极信号以进行放大。此外，参照图2和图3B，第十NMOS晶体管N1053的漏电极和栅电极可由电容器C8和电阻器R8的串联负载来反馈连接。
接下来，第十一NMOS晶体管N1154在低增益模式时启动，并具有连接至第九和第十NMOS晶体管N952和N1053的源电极的漏电极以及连接至地的源电极。
参照图2和图3B，作为一个实例，在低增益模式时，第九和第十NMOS晶体管N952和N1053的每个栅电极接收通过偏压电阻器R5和R6施加的第三偏压信号。同时，在高增益模式时，施加至第九NMOS晶体管N952的栅电极的第三偏压信号被阻断，且通过连接至第九NMOS晶体管N952的栅电极的偏压电阻器R5使衰减单元40的输出信号输出至地。因此，第九NMOS晶体管N952被关闭。此外，在低增益模式时，施加至第十NMOS晶体管N1053的栅电极的第三偏压信号被阻断，且通过连接至第十NMOS晶体管N1053的栅电极的偏压电阻器R6使存储在被连接至第十NMOS晶体管N1053的栅电极的第二电容器C255中的信号输出至地。因此，第十NMOS晶体管N1053被关闭。
将参照图2和图3B来更详细描述第三LNA50。第三LNA50还可包括第十二NMOS晶体管N1256和第十三NMOS晶体管N1357。这里，第十二NMOS晶体管N1256具有通过第一负载（电感器L1和电阻器R9的串联负载）连接至供电电压端子VDD的漏电极，且被级联连接至第九NMOS晶体管N952。第十二NMOS晶体管N1256可在低增益模式时运行，并与第九NMOS晶体管N952一起进行级联放大以输出第一差分信号。此外，第十三NMOS晶体管N1357具有通过第二负载（电感器L2和电阻器R10的串联负载）连接至供电电压端子VDD的漏电极，且被级联连接至第十NMOS晶体管N1053。这里，第十三NMOS晶体管N1357可在低增益模式时运行，并与第十NMOS晶体管N1053一起进行级联放大以输出另一第二差分信号。
参照图2和图3A，第三LNA50和第二LNA30与供电电压端子VDD共享负载。
接下来，将参照图2至图3B来描述一个实例。参照图2至图3B，作为一个实例，宽带低噪声放大器还可包括差分放大单元70。这里，差分放大单元70接收根据高增益模式的第一差分信号或根据低增益模式的第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
参照图2至图3B来详细描述差分放大单元70，作为一个实例，差分放大单元70可包括第十四NMOS晶体管N1471和第十五NMOS晶体管N1573。这里，第十四NMOS晶体管N1471具有连接至供电电压端子VDD的漏电极和连接至恒流源的源电极。此外，第十四NMOS晶体管N1471可接收根据高增益模式的一个第一差分信号或根据低增益模式的一个第二差分信号作为栅极信号以放大差分信号，从而输出一个差分放大的信号。
此外，第十五NMOS晶体管N1573具有连接至供电电压端子VDD的漏电极和连接至恒流源的源电极。这里，第十五NMOS晶体管N1573可接收根据高增益模式的另一第一差分信号或根据低增益模式的另一第二差分信号作为栅极信号以放大差分信号，从而输出另一差分放大的信号。
接下来，将参照图5A至图6B来描述根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的模拟结果。根据图5A、图5B和图6B的比较实施方式的宽带低噪声放大器具有图2的第三LNA50不包括第一晶体管51的结构。即，在根据比较实施方式的宽带低噪声放大器中，该LNA和第三LNA两者均具有诸如第二LNA30的伪差分结构。
图5A是将根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的S参数增益与根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的S参数增益彼此相比较的曲线图；以及图5B是将根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的NF与根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的NF彼此相比较的曲线图。
图5A和图5B是通过模拟来验证根据第一晶体管51的存在与否的高增益模式运行的曲线图。在图5A和图5B中，虚线表示在第三LNA具有如第二LNA30中的伪差分结构但不包括第一晶体管的情况下的S参数增益和NF。在图5A和图5B中，实线表示在根据如图2所示的本发明的示例性实施方式的情况下的模拟结果。已针对数字视频广播接收器进行了模拟。这里，频率特性满足950MHz至2150MHz的频带。在给定频带中，两个S参数增益均约为如图5A所示的28dB，且两个NF均为如图5B所示的2dB或更小。即，参照图5B，由于将第一晶体管插入第三LNA50而引起的NF的增加为0.1dB或更小。这意味着插入第三LNA50的第一晶体管51的影响是轻微的。
另一方面，相互比较图6A和图6B，在低增益模式下，IIP2的改善效果的显著差异出现在本发明的示例性实施方式与比较实施方式之间。图6A是示出根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器的IIP2模拟结果的曲线图；以及图6B是示出根据比较实施方式的宽带低噪声放大器的IIP2模拟结果的曲线图。
图6A和图6B是在各自具有1027MHz频率和1028MHz频率的两个信号被输入的情况下相互比较在2055MHz频率下产生的IM2的特性的曲线图。可以理解，根据如图2所示的本发明的示例性实施方式的结构的IIP2为9.44dBm，这与作为根据比较实施方式的结构的IIP2的2.30dB相比提高了7dB以上。
因此，根据本发明的示例性实施方式，可以理解，在高增益模式下出现足够低的噪声系数，且在低增益模式下满足IIP2特性。即，根据本发明的示例性实施方式的宽带低噪声放大器LNA的结构可满足所需的NF和线性特性。
接下来，将参照附图来详细描述根据本发明的另一示例性实施方式的宽带低噪声放大方法。这里，可参照根据本发明和图1至图6B的示例性实施方式的宽带低噪声放大器。因此，重复的描述可被省略。
图7是示意性示出根据本发明的另一示例性实施方式的宽带低噪声放大方法的流程图。
参照图7，根据本发明的另一示例性实施方式的宽带低噪声放大方法可包括第一放大步骤（S100）、高增益放大步骤（S200）、衰减步骤（S300）和低增益放大步骤（S400）。
首先，在第一放大步骤（S100）中，第一LNA10接收单一RF信号来放大该单一RF信号，从而提高NF。
接下来，判断第一放大步骤（S100）中的单一RF信号是弱信号还是强信号。
在该RF信号是弱信号的情况下，执行图7的高增益放大步骤（S220）。在高增益放大步骤（S200）中，第二LNA在高增益模式下运行。此时，第二LNA30接收第一LNA10的输出作为第一输入，且具有通过电容器C135连接至地以进行高增益放大的第二输入侧，从而输出第一差分信号。
同时，在该RF信号是强信号的情况下，在衰减步骤（S300）中，衰减单元在低增益模式下运行并接收、衰减和输出第一LNA10的输出。
接下来，在低增益模式时，在图7的低增益放大步骤（S400）中，第三LNA50接收衰减步骤（S300）的输出作为第三输入，并通过第二电容器C255来接收该单一RF信号作为第四输入。因此，第三LNA50采用低增益来差分放大第三和第四输入信号以输出第二差分信号。
参照图3B，作为另一实例，图7的低增益放大步骤（S400）可包括允许第一晶体管51在低增益模式时开启以接收单一RF信号，从而通过第二电容器C255将单一RF信号输出至第三LNA50的第四输入侧。第一晶体管51可以是具有连接至第二电容器C255的漏电极和接收单一RF信号的源电极的NMOS晶体管。这里，参照图3B，可通过在第十NMOS晶体管N1053和第十三NMOS晶体管N13中的级联放大使输入至第一NMOS晶体管N151的单一RF信号作为第二差分信号中的一个输出。
尽管未直接示出，但参照图2至图3B，作为一个实例，宽带低噪声放大方法还可包括差分放大步骤。在该差分放大步骤中，可接收和放大高增益放大步骤（S200）中的第一差分信号或低增益放大步骤中的第二差分信号，使得可输出差分放大的信号。
如上所述，根据本发明的示例性实施方式，可以改善二次谐波信号的失真并同时保持噪声系数。
即，在高增益模式下，可实现足够低的噪声系数，且在低增益模式下，满足IIP2特性，从而使得可以实现适用于宽带的LNA且满足NF和线性特性。
显然本领域技术人员可从根据本发明的示例性实施方式的各种配置中得出根据本发明的各种示例性实施方式直接所述的各种效果。
已例示性提供了附图和上述示例性实施方式以帮助本发明所属领域的技术人员的理解，而不是限定本发明的范围。此外，根据上述配置的结合的示例性实施方式可由本领域技术人员明显实施。因此，本发明的各种示例性实施方式可在不脱离本发明的基本特征的情况下以修改的形式来实施。此外，本发明的范围应根据权利要求来解释，且包括由本领域技术人员所做的各种修改、变更和等同。

Claims (20)

1.一种宽带低噪声放大器，包括：
第一低噪声放大器（LNA），接收单一射频（RF）信号来放大所述射频信号以提高噪声系数（NF）；
第二低噪声放大器，接收所述第一低噪声放大器的输出作为第一输入、具有通过第一电容器连接至地的第二输入侧、并在高增益模式时运行以在所述高增益模式的运行时进行高增益放大，从而输出第一差分信号；
衰减单元，接收、衰减和输出所述第一低噪声放大器的所述输出；以及
第三低噪声放大器，在低增益模式时运行、接收所述衰减单元的输出作为第三输入、并通过第二电容器接收所述单一射频信号作为第四输入以进行低增益差分放大，从而输出第二差分信号。
2.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述第三低噪声放大器包括第一晶体管，所述第一晶体管在所述低增益模式时开启以接收所述单一射频信号，从而通过所述第二电容器将所述单一射频信号输出至所述第三低噪声放大器的第四输入侧。
3.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述第一低噪声放大器包括反相器型CMOS放大器，所述反相器型CMOS放大器接收所述单一射频信号作为共用栅极信号以放大所述射频信号，且包括将放大的信号反馈至栅电极的反馈电阻器。
4.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述第一低噪声放大器包括：
第一PMOS晶体管，根据第一偏压信号开启并具有连接至供电电压端子的漏电极；
反相器型CMOS放大器，被级联连接至所述第一PMOS晶体管、接收所述单一射频信号作为共用栅极信号、且包括设置在所述反相器型CMOS放大器的输出端子与栅电极之间的反馈电阻器；以及
第三NMOS晶体管，具有连接至所述供电电压端子的漏电极和连接至恒流源的源电极以接收所述反相器型CMOS放大器的输出作为栅极信号，从而进行放大和输出。
5.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述第二低噪声放大器包括：
第四NMOS晶体管，在所述高增益模式时接收所述第一低噪声放大器的所述输出来放大所述第一低噪声放大器的所述输出；
第七NMOS晶体管，具有通过第一负载连接至供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第四NMOS晶体管，以在所述高增益模式时输出一个第一差分信号；
第五NMOS晶体管，具有连接至所述第五NMOS晶体管的栅电极的所述第一电容器，且在所述高增益模式时开启以进行放大；
第八NMOS晶体管，具有通过第二负载连接至所述供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第五NMOS晶体管，以在所述高增益模式时输出另一第一差分信号；以及
第六NMOS晶体管，在所述高增益模式时开启，且具有连接至所述第四NMOS晶体管和所述第五NMOS晶体管的源电极的漏电极和连接至所述地的源电极。
6.根据权利要求5所述的宽带低噪声放大器，其中，在所述高增益模式时，所述第四NMOS晶体管和所述第五NMOS晶体管的栅电极中的每一个接收通过每个偏压电阻器施加的第二偏压信号，以及
在所述低增益模式时，所述第一低噪声放大器的输出信号和存储在所述第一电容器中的信号通过连接至所述第四NMOS晶体管和所述第五NMOS晶体管的所述栅电极的所述偏压电阻器被输出至所述地。
7.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述第三低噪声放大器包括：
第一NMOS晶体管，具有连接至所述第一NMOS晶体管的漏电极的所述第二电容器且在所述低增益模式时开启以在所述第一NMOS晶体管的源电极处接收所述单一射频信号，从而将所述单一射频信号传送至所述第二电容器；
第九NMOS晶体管，在所述低增益模式时接收所述衰减单元的所述输出作为栅极信号以进行放大；
第十二NMOS晶体管，具有通过第一负载连接至供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第九NMOS晶体管，以在所述低增益模式时输出一个第二差分信号；
第十NMOS晶体管，在所述低增益模式时开启，并通过所述第二电容器接收输入至所述第一NMOS晶体管的所述单一射频信号作为栅极信号以进行放大；
第十三NMOS晶体管，具有通过第二负载连接至所述供电电压端子的漏电极且被级联连接至所述第十晶体管，以在所述低增益模式时输出另一第二差分信号；以及
第十一NMOS晶体管，在所述低增益模式时开启，且具有连接至所述第九NMOS晶体管和所述第十NMOS晶体管的源电极的漏电极和连接至所述地的源电极。
8.根据权利要求7所述的宽带低噪声放大器，其中，在所述低增益模式时，所述第九NMOS晶体管和所述第十NMOS晶体管的栅电极中的每一个接收通过每个偏压电阻器施加的第三偏压信号，以及
在所述低增益模式时，所述衰减单元的输出信号和存储在所述第二电容器中的信号通过连接至所述第九NMOS晶体管和所述第十NMOS晶体管的所述栅电极的所述偏压电阻器被输出至所述地。
9.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，还包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
10.根据权利要求2所述的宽带低噪声放大器，还包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
11.根据权利要求3所述的宽带低噪声放大器，还包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
12.根据权利要求4所述的宽带低噪声放大器，还包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
13.根据权利要求5所述的宽带低噪声放大器，还包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
14.根据权利要求7所述的宽带低噪声放大器，还包括差分放大单元，所述差分放大单元接收根据所述高增益模式的所述第一差分信号或根据所述低增益模式的所述第二差分信号以放大差分信号，从而输出差分放大的信号。
15.根据权利要求9所述的宽带低噪声放大器，其中，所述差分放大单元包括：
第十四NMOS晶体管，具有连接至供电电压端子的漏电极和连接至恒流源的源电极，并接收根据所述高增益模式的一个第一差分信号或根据所述低增益模式的一个第二差分信号作为栅极信号以放大所述差分信号，从而输出一个差分放大的信号；以及
第十五NMOS晶体管，具有连接至所述供电电压端子的漏电极和连接至所述恒流源的源电极，并接收根据所述高增益模式的另一第一差分信号或根据所述低增益模式的另一第二差分信号作为栅极信号以放大所述差分信号，从而输出另一差分放大的信号。
16.根据权利要求10所述的宽带低噪声放大器，其中，所述差分放大单元包括：
第十四NMOS晶体管，具有连接至供电电压端子的漏电极和连接至恒流源的源电极，并接收根据所述高增益模式的一个第一差分信号或根据所述低增益模式的一个第二差分信号作为栅极信号以放大所述差分信号，从而输出一个差分放大的信号；以及
第十五NMOS晶体管，具有连接至所述供电电压端子的漏电极和连接至所述恒流源的源电极，并接收根据所述高增益模式的另一第一差分信号或根据所述低增益模式的另一第二差分信号作为栅极信号以放大所述差分信号，从而输出另一差分放大的信号。
17.一种宽带低噪声放大方法，包括：
第一放大步骤，允许第一低噪声放大器接收单一射频信号来放大所述单一射频信号以提高噪声系数；
高增益放大步骤，判断所述单一射频信号是弱信号还是强信号，且允许第二低噪声放大器在所述单一射频信号是所述弱信号的情况下以高增益模式运行并接收所述第一低噪声放大器的输出作为第一输入以及具有通过电容器连接至地的第二输入侧以进行高增益放大，从而输出第一差分信号；
衰减步骤，允许衰减单元在所述单一射频信号是所述强信号的情况下以低增益模式运行并接收、衰减和输出所述第一低噪声放大器的所述输出；以及
低增益放大步骤，允许第三低噪声放大器接收在所述衰减步骤中的输出作为第三输入并在所述低增益模式时通过第二电容器接收所述单一射频信号作为第四输入以进行低增益差分放大，从而输出第二差分信号。
18.根据权利要求17所述的宽带低噪声放大方法，其中，所述低增益放大步骤包括允许第一晶体管在所述低增益模式时开启以接收所述单一射频信号，从而通过所述第二电容器将所述单一射频信号输出至所述第三低噪声放大器的第四输入侧。
19.根据权利要求17所述的宽带低噪声放大方法，还包括差分放大步骤，其接收并放大所述高增益放大步骤中的所述第一差分信号或所述低增益放大步骤中的所述第二差分信号以输出差分放大的信号。
20.根据权利要求18所述的宽带低噪声放大方法，还包括差分放大步骤，其接收并放大所述高增益放大步骤中的所述第一差分信号或所述低增益放大步骤中的所述第二差分信号以输出差分放大的信号。
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