CN103516313A - 应用于射频接收器的低噪声放大器 - Google Patents

应用于射频接收器的低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及为低噪声放大器与不具表面声波滤波器的接收器。低噪声放大器包含至少两个放大器模块。放大器模块彼此共用输出节点，并具有一共同输入端，使得放大器模块于该共同输入端以交流方式或直流方式彼此耦接，据此而接收频段内射频信号。这些放大器模块根据不同的偏压而运作。

Description

应用于射频接收器的低噪声放大器
技术领域
本发明是关于一种低噪声放大器，且特别是关于一种应用于射频接收器的低噪声放大器。
背景技术
在进行频率转换前，射频(radiofrequency，简称为RF)接收器内的低噪声放大器(low-noiseamplifier，简称为LNA)被用于来提升输入射频信号的强度，这对于防止混频器的噪声影响整体前端(front-end)的噪声表现相当重要。
典型的射频接收器必须能在受到强烈干扰时，处理微弱的目标信号。单一而强烈的干扰会使射频接收器内的低噪声放大器达到饱和状态，导致目标信号的增益受到限制。这种情形称为屏蔽(blocking)，且这种单一而强烈干扰称为屏蔽干扰(blocker)。
再者，由于低噪声放大器的非线性特性，这些干扰会在信号通道产生非预期的调制分量。使得射频接收器处理目标信号时不可避免地一并处理这些调制分量，而产生后续影响。这些都是接收器的灵敏度(处理非常微弱信号的能力)被影响而导致钝化/衰减(desensitization)的例子。
为了解决由调制分量与屏蔽干扰所产生的信号钝化(desensitization)问题，通常会使用表面声波滤波器(surfaceacousticwavefilter，简称为SAW)。表面声波滤波器是一种经常被用在射频接收器的带通滤波器，据以防止干扰影响低噪声放大器。
但是，表面声波滤波器无法被整合于芯片内部，且其制造成本相当昂贵。因此，为了减少制造成本，如何在设计射频接收器时，避免使用表面声波滤波器成为一个相当重要的议题。
发明内容
本发明的一方面为一种低噪声放大器，包含：多个放大器模块，耦接并共用一共同输出节点，该多个放大器模块包含该多个放大器模块透过交流方式或直流方式耦接的一共同输入端，用以接收一频段内射频信号，其中，该多个放大器模块根据不同的偏压而运作。
本发明的另一方面为一种低噪声放大器，包含：多个放大器模块，具有一共同输入端，用以接收一输入射频信号，并输出一电流至一共同输出节点；其中，该多个放大器模块透过交流方式或直流方式耦接至该共同输入端，相较于以交流方式耦接至共同输入端的该多个放大器模块之一，该多个放大器模块的一可接收较大电压范围的输入射频信号。
本发明的再一方面为一种不具表面声波滤波器的接收器，包含一天线；一低噪声放大器，包含：多个放大器模块，具有一共同输入端，其使该多个放大器模块透过交流方式或直流方式耦接，该多个放大器模块自该天线接收一输入射频信号，并输出一放大射频信号至一共同输出节点；其中，该多个放大器模块根据不同的偏压运作；以及，一混频器，其降转(downconverting)该放大射频信号的一总和。
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，其是根据本发明构想的一实施例，而举出零差(homodyne)无线接收器的方块图。
图2，其是根据本发明构想的一实施例所提出的低噪声放大器的方块图。
图3，其是根据本发明构想的一实施例的差动低噪声放大器的示意图。
图4，其是差动低噪声放大器的模拟结果。
图5，其是根据本发明构想的一实施例，所提供的低噪声放大器的示意图。
主要元件符号说明
射频接收器100           天线102
低噪声放大器104         降转混频器106、108
低噪声放大器200、500
互导放大器202、204、502、504
共同输出节点210          电容214
共同输入端206            输入端208
差动低噪声放大器300  差动互导放大器302、304
曲线402、404、406
具体实施方式
以下将说明本发明构想所举出将低噪声放大器应用于接收器的例子。仅管下述的例子是将本发明应用至不具表面声波滤波器的射频接收器或传送器的情形，但是本发明亦可被应用于各种广义的通讯领域、雷达、辐射学应用(radiometryapplication)等。
所以，本发明的构想不应被局限于此处所举出的例子，而可由本技术领域中具有通常知识者所灵活应用于其他用途。
请参见图1，其根据本发明构想的较佳实施例，而举出的零差(homodyne)无线接收器的方块图。在此图式中，射频接收器100包含：天线102、低噪声放大器104，以及一对降转混频器106、108。
降转混频器106、108接收具有90度相位差的本地端震荡信号L0，据此对低噪声放大器204输出的放大射频信号进行降频。
根据前述说明可以得知，在天线102至低噪声放大器104的信号路径中，并未使用表面声波滤波器，因此，射频接收器100是一个不具表面声波滤波器的接收器。
在另一实施例中，射频接收器100则包含了一个表面声波滤波器，其是于低噪声放大器104前端提供带通滤波的功能。
低噪声放大器104与降转混频器106、108可被整合于同一个集成电路芯片。
若低噪声放大器104是一个差动放大器时，射频接收器100可还包含一个平衡-不平衡器(BALancedUNbalanced，简称为balun)。利用平衡-不平衡器将由天线102所接收的不平衡的输入射频信号转换为平衡的输入射频信号。之后，再将转换得出的结果输入至低噪声放大器204的不同输入端。
关于如何将本发明构想的较佳实施例应用于其他类型的射频接收器100与其他接收器及/或传送器，属于本领域已知技术的人所知悉的。
请参见图2，其根据本发明构想的较佳实施例所提出的低噪声放大器的方块图。低噪声放大器200包含两个彼此并联耦接的互导放大器202、204，这两个互导放大器202、204均用于将频段内射频信号的电压VIN转换为输出端的电流。互导放大器202、204也可被视为放大器模块。
一个电容214以交流(alternativecurrent，AC)方式耦接于互导放大器202、204间。此外，互导放大器202以直流(direct-current，DC)方式耦接至共同输入端206。而共同输入端206以交流方式耦接至互导放大器204的输入端208。
由于互导放大器202、204共用共同输出节点210，互导放大器202、204输出的电流被加总以作为低噪声放大器的放大输出电流IoUT。
根据本发明构想的一实施例，图2中的互导放大器202、204最好为不同的放大器。在此实施例中，互导放大器202是一个A类放大器；此外，互导放大器204则是一个B类放大器。
对于小信号而言，A类放大器具有良好的线性放大特性与噪声指数(noisefigure，简称为NF)。然而，A类放大器却容易因为屏蔽干扰而产生增益压缩的现象。特别是在不使用表面声波滤波器的情况，由于屏蔽干扰导致低噪声放大器饱和的缘故，低噪声放大器往往无法提供目标信号所需的增益。
相对地，B类放大器对输入信号具有较大的电压余度，使得B类放大器较不容易产生增益压缩的现象。但是，对于小讯号而言，B类放大器的放大线性与噪声指数相对较差。
换言之，当屏蔽干扰小时，A类放大器较为理想；当屏蔽干扰大时，B类放大器较为理想。从另一个角度来看，也可解读成：当目标信号较强时，应该选用A类放大器；当目标信号较弱时，则应使用B类放大器。
如图2所说明的，互导放大器202、204以并联方式耦接。因此，根据输入信号的大小，选用不同类型的互导放大器，使低噪声放大器200能够根据屏蔽干扰的功率变化而调整其运作。
请参见图3，其是根据本发明构想的一实施例的差动低噪声放大器的示意图。差动低噪声放大器300包含两个具有相同规格的差动互导放大器302、304。
以差动互导放大器302为例，差动互导放大器302包含一对共源极放大器。在差动互导放大器302中，NMOS晶体管M2P与M2N的源极分别透过电感LP、LN接地。
NMOS晶体管M2P与M2N的栅极被当作差动互导放大器302的非反向端与反相端，并且透过电容CP与CN而以交流方式耦接，用以当该输入射频信号的电压介于一预设范围内时，接收差动输入信号VINP与VINN。
提供给NMOS晶体管M2P与M2N的偏压BIAS2P与BIAS2N，实质决定了差动互导放大器302的类别。偏压BIAS2P与BIAS2N之间可能具有些微的差异，用以降低二阶交越调制(secondorderintermodulation，简称为IM2)。
NMOS晶体管M2P、M2N将差动输入电压VINP与VINN转换成差动电流IOUT2N与IOUT2P，分别由NMOS晶体管M2P与M2N的漏极输出。互导放大器304的运作可以类推互导放大器302的运作方式。
须留意的是，NMOS晶体管M1P的栅极以交流方式耦接至NMOS晶体管M2P的栅极，其是使NMOS晶体管M1P与M2P在不同的偏压下运作。分别由互导放大器302与304输出的电流IOUT2N与电流IOUT1N，被加总后形成输出电流IOUT-N。
同理，电流IoUT2PandIOUT1P被加总后形成输出电流IOUT-P。输出电流IOUT-P与IOUT-N形成差动低噪声放大器300的差动输出电流。
换言之，输出电流IOUT1N、IOUT2N、IOUT1P与IOUT2P可分别被视为一个放大的射频信号，一并形成差动低噪声放大器300的差动输出电流。差动输出电流相当于无线接收器中，被混频器降转的放大射频信号的总和。
在一实施例中，互导放大器302被当作B类或AB类放大器偏压，而互导放大器304被当作A类放大器偏压。举例来说，偏压BIAS2PandBIAS2N被设计为大于或等于NMOS晶体管M2P、M2N的临界电压，使得互导放大器302成为B类放大器或AB类放大器。
通常，因为集成电路制程的缘故，NMOS晶体管M1P、M2P、M1N、M2N实质具有相同的临界电压VNTH。由于最大电压VNTOP是NMOS的饱和电压，如果偏压BIAS1P与BIAS1N大约介于临界电压VNTH与最大电压VNTOP中央时，互导放大器304可作为A类放大器运作。亦即，若将最大电压VNTOP施加于NＭOS晶体管的栅极时，将使NMOS晶体管趋于饱和。
因此，互导放大器302对于输入信号的电压余度相当于VNTOP与VNTH的差值，且大约是互导放大器304的输入信号的电压余度的两倍。
因为互导放大器302对于输入电压具有较大的电压余度，如果一个屏蔽干扰产生于差动输入信号(输入电压VINP与VINN)，互导放大器304可能会产生增益压缩(gaincompression)的现象，而互导放大器302却不会。
请参见图4，其是差动低噪声放大器300的模拟结果。曲线402、404、406分别对应于互导放大器301、互导放大器304，以及差动低噪声放大器300的增益(互导)。
在此附图中，屏蔽干扰的功率介于-40dBm至20dBm间。当屏蔽干扰较弱时，差动低噪声放大器300的增益主要取决于互导放大器304。当屏蔽干扰的功率较高时，互导放大器304的增益因为增益压缩的缘故而明显地减小。但是，对于互导放大器302而言，因为其具有较大的电压余度，因此差动低噪声放大器300的增益由互导放大器302主导。
也就是说，当屏蔽干扰的功率大于-5dBm，导致差动低噪声放大器300的增益减少时，其增益减少的幅度并不会像互导放大器304的增益所减少的幅度一样显著。互导放大器302与304可以根据各自的增益与偏压而进行最佳化调整，使得差动低噪声放大器300能够在具有较大的屏蔽干扰时，提供足够的增益。因此，此种作法特别适用于不具表面声波滤波器的接收器。
请参见图5，其是根据本发明构想的一实施例的低噪声放大器500的示意图。与图3的差动低噪声放大器300不同的是，图3使用一对输入端与一对输出端，而图5的低噪声放大器500仅具有一个输入端与一个输出端。
两个互导放大器502、504以并联方式耦接，彼此共用一个输出节点，并以交流方式耦接至共同输入端，用以接收输入射频信号VIN。其中，电容CP将互导放大器504耦接于该共同输入端，使得当输入射频信号VIN的电压介于一预设范围内时，互导放大器504接收该输入射频信号。互导放大器502与504具有相同的放大器规格，亦即，两者均为共源极放大器。
由于图5的低噪声放大器500与图3的差动低噪声放大器300的左侧相似，低噪声放大器500的运作方式对于本领域已知技术人士来说，可以根据图3的说明而类推得出。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，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，本发明的保护范围由权利要求书界定为准。

Claims (16)

1.一种低噪声放大器，包含：
多个放大器模块，耦接并共用一共同输出节点，该多个放大器模块包含该多个放大器模块透过交流方式或直流方式耦接的一共同输入端，用以接收一频段内射频信号；
其中，该多个放大器模块根据不同的偏压而运作。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该多个放大器模块包含一A类放大器、以及一B类放大器与一AB类放大器其中之一。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含一电容，用以将这些放大器模块的一者耦接于该共同输入端，当该输入射频信号的电压介于一预设范围内时，耦接于该电容的该放大器模块将接收该输入射频信号。
4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该多个放大器模块为互导放大器。
5.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，这些放大器模块具有差动电路配置。
6.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该多个放大器模块为共源极放大器。
7.一种低噪声放大器，包含：
多个放大器模块，具有一共同输入端，用以接收一输入射频信号，并输出一电流至一共同输出节点；
其中，该多个放大器模块透过交流方式或直流方式耦接至该共同输入端，相较于以交流方式耦接至共同输入端的该多个放大器模块之一，该多个放大器模块的一可接收较大电压范围的输入射频信号。
8.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，该多个放大器模块包含一A类放大器、以及一B类放大器与一AB类放大器其中之一。
9.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含一电容，用以将这些放大器模块的一者耦接于该共同输入端，当该输入射频信号的电压介于一预设范围内时，耦接于该电容的该放大器模块将接收该输入射频信号。
10.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，该多个放大器模块具有差动电路结构。
11.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特改正在于，这些放大器模块为共源极放大器。
12.一种不具表面声波滤波器的接收器，包含
一天线；
一低噪声放大器，包含：
多个放大器模块，具有一共同输入端，其是使该多个放大器模块透过交流方式或直流方式耦接，该多个放大器模块是自该天线接收一输入射频信号，并输出一放大射频信号至一共同输出节点；其中，该多个放大器模块是根据不同的偏压运作；以及
一混频器，其降转该放大射频信号的一总和。
13.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，
该多个放大器模块包含一A类放大器、以及一B类放大器与一AB类放大器其中之一。
14.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，该低噪声放大器还包含一电容，用以将这些放大器模块的一者耦接于该共同输入端，当该输入射频信号的电压介于一预设范围内时，耦接于该电容的该放大器模块将接收该输入射频信号。
15.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，该多个放大器模块具有差动电路结构。
16.如权利要求12所述的接收器，其特征在于，这些放大器模块为共源极放大器。
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