CN103546102A - 多重无线电标准的低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示多重无线电标准的低噪声放大器及相关控制方法。本发明的示范低噪声放大器包含数个输入端、一输出端、数个放大级以及一退化电感器。每个放大器具有串联连接的一增益级及一缓冲级。缓冲级选择性地将增益级的一输出引流至输出端或一电源供应部。退化电感器共同连接至每一个放大级中的增益级。

Description

多重无线电标准的低噪声放大器
技术领域
本发明有关于射频(RF)接收器的设计及实现，且特别是有关于多重无线电标准的低噪声放大器(LNA)的设计及实行。
背景技术
支持多重无线电标准的单一集成电路芯片多为IC中多重电路模块的直觉简单组合，其中每个模块支持单一无线电标准。举例而言，GSM增强数据率(EnhancedData Rates for GSM,EDGE)及整合封包无线电服务(General Packet Radio Services,GPRS)的频率频带为850MHz、900MHz、1.8GHz以及1.9GHz，且EDGE及GPRS的已知芯片使用三个或四个独立低噪声放大器(LNA)与相同数目的混频器串级，混频器的输出被合并在一起以馈入单一基带电路。这种方法具有多个缺点。例如，因为每一个LNA及混频器需要至少一感应装置(其在尺寸上是巨大的)，所以需要相当大的半导体区域。再者，为了合并来自不同混频器的输出，需要能遍及大型半导体区域的长距离配线，但这种配线难以达到低信号损失、低寄生电阻以及低寄生电容。
鉴于前文，比起已知技术，提供一种在单一芯片上使用更少LNA及/或混频器的系统及方法是受到高度期望且有利的，其能支持多重无线电标准。
发明内容
在说明书中揭示了一种示范低噪声放大器，其包含多个输入端、一输出端、多个放大级以及一退化电感器。每个放大器具有串联连接在其中一个输入端与输出端之间的一增益级及一缓冲级。缓冲级选择性地将增益级的一输出引流至输出端或一电源供应部。退化电感器共同连接至每一个放大级中的增益级。
一种操作低噪声放大器的示范方法亦被揭示。低噪声放大器包含多个输入端、一输出端以及多个放大级，各放大级包含耦接在其中一个输入端与输出端之间的一增益级。在放大级之间的一第一放大级藉由使第一放大级的增益级偏压至一休止(OFF)状态并将一输出电流从第一放大级的增益级引流至一电源供应部而被禁能。在放大级之间的一第二放大级藉由使第二放大级的增益级偏压至一启动(ON)状态并将一输出电流从第二放大级的增益级引流至输出端而被致能。
藉由参考附图之后来详细说明及例子，可更完全理解本发明。
附图说明
图1说明了依据本发明的一实施例的一多频段RF接收器；
图2说明显示于图1的LNA；及
图3显示当放大级262被致能时，图2的LNA中的某些结果信号路径。
主要元件符号说明
BI1-BIn：偏压
BS_P1、BS_P2、BS_N2：缓冲级
EN1-ENn：控制信号
GS_P1-GS_Pn、GS_N1-GS_Nn：增益级
I_P1、I_P2、I_N2：输出电流
IN_PI、IN_Ni：输入端
inRF1、inRF2、inRFi、inRF_P1、inRF_P2、inRF_N2、inRF_Pi、inRF_Ni：RF信号
LO：局部振荡信号
N_N2、N_P1、N_P2：NMOS
OUT：共通输出端
OUT_N、OUT_P：输出端
RP1：电阻
VCC：电源供应部
10：RF接收器
12：天线
14：LNA
16：混频器
18：基带电路
201-20n：阻抗匹配网络
22：频带选择器
24：偏压产生器
26_P1：非反相部
26_N1：部
261-26n：放大级
28：感应负载
29：退化电感器
具体实施方式
应当理解，本发明的技术并未受限于于此所显示及说明的方法及设备。相反地，于其中给予教导的熟悉本技术领域者将更明白在本发明的范畴之内的替代方法及设备。
图1说明依据本发明的一实施例的一多频段RF接收器10。RF接收器10包含一天线12、数个阻抗匹配网络201-20n、一低噪声放大器(LNA)14、一混频器16、一基带电路18、一频带选择器22以及一偏压产生器24，其中n为大于1的整数。
天线12接收图1中的内送RF信号inRFi，其可能在不同RF频带中传送。每一个阻抗匹配网络20i(i=1，2，…，n)提供阻抗匹配给一RF频带中的内送RF信号。因此，一个频率频带中的内送RF信号inRFi可通过一对应的阻抗匹配网络20i，同时被其他阻抗匹配网络所阻绝。LNA14具有数个放大级261-26n。每一个被致能的放大级26i放大其对应的内送RF信号inRFi(其被对应的阻抗匹配网络20i被过滤并匹配)并在一共通输出端OUT产生一对应的结果以驱动一感应负载28。正如同阻抗匹配网络201-20n对应至各自的RF频带以供通信用，放大级261-26n也是这样。
放大级261-26n共用如图2所示的一退化电感器29，其提供输入阻抗的一实数部分(real part)至整个放大级261-26n的输入端IN1-INn。再次参见图1，耦接至LNA14的混频器16混频输出信号与局部振荡信号LO，以降频LNA14的输出端OUT的信号。如果需要接收一对差动信号，则混频器16可能包含一对混频器。混频器16因此提供基带信号给基带电路18以供更进一步的信号处理用，例如模拟数字转换及解调。根据用于接收RF信号的一主动RF频带，频带选择器22提供控制信号EN1-ENn之一，用以致能放大级261-26n之一，同时将其他放大级禁能。同样地，根据主动RF频带，偏压产生器24分别提供对应的偏压BI1-BIn给放大级261-26n。除了供致能放大级用的偏压以外，剩下的偏压消除禁能放大级的增益。
图2说明图1所显示的LNA14的详细构造。图2中的LNA14具有放大级261-26n，每一个放大级26i为一差动放大器，其具有两个差动输入端(IN_Pi及IN_Ni)用于接收平衡内送RF信号inRF_Pi及inRF_Ni，并共享耦接至感应负载28(其更耦接至一电源供应部VCC)的两个共同差动输出端(OUT_P及OUT_N)。感应负载28包含两个电感器及两个可调谐电容器，其共振频率可调谐以达输出阻抗匹配。放大级261可为具有共享退化电感器29的一部(portion)26_P1及一部26_N1的一差动放大器，退化电感器29藉由图2中彼此感应耦接的两个电感器而被实施。以电路架构的观点而言，所有放大级261-26n是相同的，故以下仅说明放大级261的非反相部26_P1。图2中放大级262-26n的其他非反相部可依此类推。
非反相部26_P1具有串联连接在输入端IN_P1与输出端OUT_P之间的一增益级GS_P1及一缓冲级BS_P1。增益级GS_P1包含一共源极放大器，其中NMOS晶体管N_P1的源极连接至一退化电感器29，而NMOS晶体管N_P1的栅极经由电阻RP1耦接至偏压BI1。由偏压产生器24(显示于图1中)所提供的偏压BI1实质上决定NMOS晶体管N_P1的互导值，其栅极作为输入端IN_P1以接收来自阻抗匹配网络201(显示于图1中)的内送RF信号inRF_P1，用以产生输出电流I_P1。缓冲级BS_P1包含一共栅极放大器，用以基于控制信号EN1将输出电流I_P1引流至输出端OUT_P。
当放大级261被致能时，频带选择器22使控制信号EN1生效，且偏压产生器24使偏压BI1维持于在NMOS晶体管N_P1的临限电压的上的一高电位。因此，增益级GS_P1在一启动(ON)状态下运作，且输出电流I_P1反映位于NMOS晶体管N_P1的栅极的内送RF信号inRF_Pi的振幅。因为共栅极放大器中的NMOS晶体管导通，输出电流I_P1被引流至输出端OUT_P。反之，当放大级261被禁能时，频带选择器22使控制信号EN1失效，且偏压产生器24将偏压BI1转为在NMOS晶体管N_P1的临限电压下的一低电位。举例而言，偏压BI1可以是零。当NMOS晶体管N_P1截止时，增益级GS_P1在一休止(OFF)状态下运作。因此，共栅极放大器截止而不提供到达输出节点OUT_P的通道。又，因为NMOS晶体管N_P1截止，感应生成的输出电流I_P1不存在，使得输出端OUT_P被另一放大级所驱动。
图3说明当放大级262被致能时，图2的LNA14中的信号路径。如果由平衡RF信号inRF_P2及inRF_N2所构成的内送RF信号inRF2用于通信，则除放大级262之外的所有放大级都被禁能，这是基于控制信号EN1、EN3-ENn失效而偏压BI1、BI3-BIn位于接地电位。任何通过除阻抗匹配网络202之外的阻抗匹配网络201、203-20n的干扰RF信号，皆被在增益级中栅极接地的NMOS所拒绝，或对输出端OUT_P及OUT_N没有影响，输出端OUT_P及OUT_N与增益级GS_P1、GS_N1、GS_P3-GS_Pn以及GS_N3-GS_Nn断开。当偏压BI2高于NMOS晶体管N_N2及N_P2的临限电压时，致能的放大级262放大内送RF信号inRF2。再者，控制信号EN2允许缓冲级BS_P2及BS_N2提供从NMOS晶体管N_P2的漏极至输出端OUT_P的电性连接以及从NMOS晶体管N_N2的漏极至输出端OUT_N的电性连接。输出电流I_P2及I_N2因此分别被引流至输出端OUT_P及OUT_N。
例如，如果要放大内送RF信号inRF1，则除放大级261之外，全部都被禁能。控制信号EN1生效，而控制信号EN2-ENn失效。偏压BI1高于一NMOS临限电压，而偏压BI2-BIn变成零。LNA14的运作类似于前段说明，且为了简洁起见而于此省略。
本发明实施例的一项优点为实施图1中的多频段RF接收器10的单一集成电路芯片有较低半导体成本。不像已知技术中不同LNA需要个别的混频器，如图1所示，只需要一个混频器16。再者，取代在不同放大级中采用数个源极退化电感器的是，由放大级261-26n所共用的单一源极退化电感器29。从而减少电感器所需要的数量与半导体成本。然而，本发明并未受限于图1。由本发明所涵盖的某些其他实施例可能采用一个以上的混频器及源极退化电感器。
又请注意LNA14能够避免阻抗节点噪声拾取。高阻抗节点以其较高热噪声以及电容与感应噪声拾取的趋势出名。在LNA14的任何禁能的放大级中的NMOS晶体管的漏极连接至电源供应部VCC。而因此不是高阻抗节点。因此，可避免噪声拾取。纵使图2中的每个禁能的缓冲级将输出电流引流至电源供应部VCC，另一种实施例中的禁能缓冲级仍可将输出电流引流至另一电源供应部(例如接地)，以避免阻抗节点噪声拾取。
虽然已经由举例且就较佳实施例而论说明本发明，但应当理解，本发明并未受限于此。相反地，其意图涵盖各种修改及类似配置(如熟悉本技术领域者将明白的)。因此，权利要求书要求保护的申请专利范围的范畴应该符合最宽广的解释，以能包含所有这种修改及类似配置。

Claims (13)

1.一种低噪声放大器，包含：
多个输入端及一输出端；
多个放大级，各包含串联连接的一增益级及一缓冲级，其中该缓冲级选择性地将该增益级的一输出引流至该输出端或一电源供应部；以及
一退化电感器，共同连接至该多个放大级的该些增益级。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特垂下在于，还包含一偏压产生器，藉以提供一偏压给该增益级；其中，当该缓冲级将该增益级的该输出引流至该电源供应部时，该偏压实质上消除该增益级的一增益。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该增益级包含一共源极放大器，而该缓冲级包含一共栅极放大器。
4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含一感应负载，耦接在该输出端与该电源供应部之间。
5.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，各该放大级的该增益级耦接至一阻抗匹配网络。
6.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，只有些放大级的一被致能，以将该致能放大级的该增益级的该输出引流至该输出端。
7.如权利要求6所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含一频带选择器，用以提供一控制信号以控制该缓冲级。
8.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该输出端耦接至一混频器，以进行降频。
9.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，各该放大级对应一个别射频频带。
10.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含一感应负载，耦接在该输出端与另一电源供应部之间。
11.一种低噪声放大器的操作方法，该低噪声放大器包含多个输入端、一输出端以及多个放大级，各放大级包含耦接在该些输入端的一与该输出端之间的一增益级，该方法包含：
藉由使该第一放大级的该增益级偏压至一休止状态并使一输出电流从该第一放大级的该增益级引流至一电源供应部，以禁能在该些放大级之间的一第一放大级；以及
藉由使该第二放大级的该增益级偏压至一启动状态并使一输出电流从该第二放大级的该增益级引流至该输出端，以致能在该些放大级之间的一第二放大级。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，各该放大级包含连接于该增益级与该输出端之间的一缓冲级，该方法更包含选择性地将该增益级的一输出引流至该输出端或一电源供应部。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，各该放大级的该增益级共用一退化电感器。
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