CN104617905B - 射频放大器及射频放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供两级射频放大器。第一级是公共发射极的装置，具有完全退化阻抗和输出阻抗，输出阻抗在频率响应上与退化阻抗相匹配。第二级是缓冲放大器。第一放大器可以被设计用于高增益，依靠无功的退化阻抗和无功的输出阻抗的比率实现随着频率变化高增益是平坦的。第一放大器提供输入匹配，和缓冲器提供输出匹配，在输入和输出之前具有退耦。

Description

射频放大器及射频放大方法

技术领域

本发明涉及射频放大器。

背景技术

对可变增益放大器(“VGAs”)和宽带低噪声放大器(“LNAs”)的需求在不断增加。例如，在蜂窝基站中需要这种放大器。

以下两个发展激发了对这些放大器的需要：增加小型蜂窝基站部署；和将同样的IC再利用用于各种平台，蜂窝标准、频带和宽带应用。较少数量的不同IC的再利用用于许多不同的基站应用可以减少成本，特别是减少支持成本。

通常，用于大型基站的LNAs和接收机VGAs是窄带设计，通常在600MHz到3.8GHz的射频频率范围内并在100MHz处达到输入/输出阻抗匹配。

已知的这些窄带设计的优点是无功元件(电感和电容器)可以主要用于获得所需要的噪声性能。这些电感和电容器不产生噪声，所以可以实现低噪声(“NF”)，这对于基站接收机是关键的。

现在需要一种在600MHz到3.8GHz的带宽中具有良好的输入和输出回波损耗(S11和S22<-15dB)的LNA，还具有非常好的噪声指数，例如〈1dB，包括在升高的环境温度中。

然而，这种宽带低噪声功能需要借助于最小限度的噪声元件结合由不能避免的噪声元件产生的噪声的最小影响来实现。例如，为了提供增益，晶体管是不可避免的，和为了在输入和输出处提供宽带匹配，电阻器是不可避免的。

发明内容

本发明通过权利要求限定。

根据本发明，提供一种射频放大器包括：

输入放大器，包括晶体管装置，输出阻抗装置，退化阻抗装置以提供退化，和反馈阻抗装置，其中退化阻抗是完全无功的，输出阻抗装置包括完全无功装置，该完全无功装置在频率变化上与退化阻抗装置匹配；和

缓冲放大器，输入所述输入放大器的输出，缓冲放大器提供射频放大器的输出。

注意“完全无功”是指所使用的电路元件规定为完全电容性的或电感性的。当然，所有这类元件具有寄生电阻，术语“完全无功”并没有隐含任何特殊的措施以减少这种寄生无电抗的阻抗贡献。在频率变化上匹配是指阻抗值随着频率具有相同的变化，从而(确定增益的)阻抗的比率随着频率保持实质上恒定。这可以通过使用彼此按比例的版本的元件或电路布置来实现。

这种布置具有第一级放大器，优选地为了在宽频带范围上实现大的和恒压增益(与在窄频带中的中等数量的功率增益相反)。这通过实施无功的退化阻抗和相同类型的无功的输出阻抗来实现，从而退化和输出阻抗之间阻抗比率可以明显与频率无关。第二级缓冲器，用于最小限度地加载第一级和在它的输出处重新产生任何期望的阻抗水平的射频功率。

本发明实现宽带阻抗匹配的同时减少了对噪声系数的影响。获得了改善的LNA隔离，这同时实现了良好的输入和输出阻抗匹配。也可以减少在封装电感上的各种参数的依赖。

输入放大器的电压增益优选地至少是20dB，更优选地是25dB，例如在25dB到40dB范围内。

输入放大器的晶体管装置可以包含公共发射极配置，具有输出阻抗装置连接到集电极和退化阻抗装置连接到发射极。它可以是单个晶体管。然而，优选的公共发射极晶体管装置包括第一和第二晶体管，第一和第二晶体管具有串联的集电极-发射极路径，其中第一晶体管具有射频输入信号施加到它的基极和第二晶体管具有偏置电压施加到它的基极。第三晶体管可以被提供为它的集电极-发射极路径连接在第一晶体管的集电极和基极之间。它的作用和达林顿(Darlington)晶体管一样。

退化阻抗装置优选地包括电感。

为了使增益尽可能高，电感应该尽可能低。在限制范围内，退化阻抗装置可以只包含由封装到地连接限定的电感。这避免了对额外元件的需要。然而，退化阻抗装置可以包含专用电路元件。

退化阻抗装置优选地包括电感。输出阻抗装置和退化阻抗装置的电感具有类似的频率相关性，从而增益大体上与频率无关。

输出阻抗装置的电感可以在电感的末端具有输出分支，以及第一放大器输出端包括输出分支。这提供了实现增益限制的方法。

输出阻抗装置还可以包含电阻器。于是在电阻器引入的噪声和在较低频率处增益的平坦的改善之间存在一个平衡。

缓冲放大器例如可以包含缓冲晶体管，用于控制缓冲晶体管的发射极电流的电流源，和在输出端用于提供输出阻抗匹配的匹配阻抗。这定义了基本缓冲器配置，虽然其它的更复杂的缓冲电路也是可能的。

本发明还提供一种可变增益放大器，包括输入放大器，数字步进衰减器和输出放大器，所述输入放大器包括本发明的射频放大器。

本发明还提供一种移动电话基站射频放大器电路，包括本发明的射频放大器和/或可变增益放大器。

本申请还提供一种射频放大方法，包括：

使用射频放大器提供射频输入的恒压增益放大，射频放大器具有完全无功的退化阻抗装置和输出阻抗装置，所述输出阻抗装置包括完全无功的装置，所述完全无功的装置在频率变化上与退化阻抗装置相匹配；和

缓冲经恒压增益放大的信号。

附图说明

现在将将参考附图详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示出了一种已知的串并联放大器；

图2在模块级示出了的本发明的放大器装置；

图3示出了第一级电压放大器的可能的三个实施例；

图4示出了第一放大器的一个优选实施例；

图5示出了本发明的完整的输入和输出匹配的低噪声放大器，和

图6示出了使用本发明的射频放大器的可变增益放大器。

具体实施方式

本发明提供两级射频放大器。第一级是具有完全无功的(purely reactive)退化阻抗(degeneration impedance)和输出阻抗的晶体管装置，退化阻抗和输出阻抗的无功元件具有相同的频率性能。第二级是缓冲放大器。第一放大器可以被设计用于高增益，所述高增益依靠无功的退化阻抗和无功的输出阻抗的比率实现随着频率是平坦的。第一放大器提供输入匹配，和缓冲器提供输出匹配，在输入和输出之前具有退耦。

所有的图都示出了小信号电路图，即射频功能的电路图，省略了DC元件例如偏置电路和DC阻塞电容器。

图1示出了一种已知的串并联放大器。它包括射频晶体管10，具有来自射频源11的射频输入(RFin)耦合到基极。注意实施例中可能具有多个晶体管。

发射极经由“退化电阻器”12被连接到地，和集电极(到射频负载13的电路输出端)经由电感14被耦合到高压轨VCC。在集电极和基极之间提供反馈电阻器。当退化电阻器Rdegen和反馈电阻器Rfb被适当设计时，这个电路可以实现共同的(joint)输入和输出阻抗匹配。

如上所述，省略了DC元件。例如，通常DC阻塞电阻器与射频源、反馈电阻器和射频负载串联。

射频源11通常在50Ω处驱动射频功率进入放大器，虽然这可以是不同的。射频负载13也通常是50Ω，但是再一次这也可以是不同的。电感14(Lchoke)是射频扼流圈。

放大器的电压增益G由负载电阻器和退化电阻器的比率定义，所以例如Rdegen＝5Ω提供了接近10倍的增益(＝20dB)。当反馈电阻器比负载，即源电阻器，大近似(G+1)倍时，实现输入和输出匹配。这产生Rfb＝550Ω。

这种拓扑具有三个缺点：

(i)放大器具有两个支配的噪声贡献者：退化电阻器和反馈电阻器。除这些支配的贡献者之外，晶体管10也增加了噪声。

(ii)隔离限于比增益多出少量的分贝，表示输入和输出彼此之间影响很大(即放大器不是单边的)。

(iii)地节点“gnd”实际上具有地电感(例如来源于IC轨迹，接合线，PCB通孔)，该地电感增加了在较高频率处的退化阻抗。这导致增益与频率相关和因此导致应用的带宽变化。此外，输入和输出匹配随着较高的频率也变差。与频率有关的增益和受损的回波损耗都是不利的。

图2在模块级示出了本发明的放大器布置，和示出了一种低噪声放大器(LNA)拓扑。

其目的是实现从输入节点RFin到输出节点Vout的电压增益，输出节点Vout是尽可能大和恒定。

电路包括第一级放大器20(有源的基于晶体管的电路)，其目的是在宽频带范围上实现大的和恒定的电压增益。第二级缓冲器22也是基于晶体管的电路，并且它提供最小的负载到第一级。缓冲器在其输出端重新产生任何期望的阻抗级的射频功率。第一级放大器具有反馈电阻24(Rfb)和在第二级缓冲器22的输出端提供匹配电阻26(Rmat)。

由于当Rfb等于(G+1)乘以射频源阻抗(＝50Ω)时实现输入匹配，在第一放大器中的大的电压增益意味着Rfb被最大化，从而它的噪声贡献被最小化。可以使用无功元件而不是退化电阻器产生该宽带电压增益，从而通过无噪声无功元件完全去除电阻的噪声贡献者。

原则上，由于增益仍然由元件的比率确定，任何具有类似的频率相关性的无功元件可以被用于产生与频率无关的电压增益。

图3示出了第一级电压放大器20的三个可能的实施例。

图3中的(a)示出了射频晶体管10(也被标记为Q1)，它的发射极经由完全无功的退化元件30(Zdegen)耦合到地，输出阻抗32(Zout)在集电极和电源轨VCC之间。为了与图2一致，反馈电阻没有示出，它在放大器模块20的外部。输出阻抗可以使完全无功的但它还具有电阻元件(下面将对此进行讨论)。

图3中的(b)示出了射频晶体管10a(也被标记为Q1)，它的发射极经由完全无功的退化元件30(Zdegen)耦合到地。第二晶体管10b(也被标记为Q2)与第一晶体管串联，第二晶体管的发射极连接到第一晶体管的集电极。其作用和共基极共源共栅晶体管一样。输出阻抗32(Zout)在第二晶体管10的集电极和电源轨VCC之间。第二晶体管通过将偏压Vbias施加到它的基极来偏置。再一次，为了与图2一致，没有示出反馈电阻器。

图3中的(c)示出了图3中(b)的修改方案，其中第一功率晶体管10a(Q1)被达林顿(Darlington)复合晶体管对代替，包括主功率放大器晶体管10a(Q1)和达林顿晶体管10c(也被标记为Q3)。

用于退化和输出阻抗的实际无功元件是电感或电容器或它们的任何组合。选择元件尺寸以实现充分类似的频率性能以引起随着频率足够平坦的电压增益。

因此，图3的电路基于Zout和Zdegen的比率实现与频率无关的电压增益。

因此Zout和Zdegen优选地以比例缩放元件实现，从而它们在频率性能方面可以很好地匹配。

图3中的(b)的实施优选地具有两个晶体管，因为额外的共基极共源共栅晶体管10b使能更大的电源电压用于VCC(电压“应力”在10a和10b之间分割)。这还阻止了来自晶体管10a的集电极-基极电容的不期望的输入到输出的反馈。

当主晶体管10a的基极电流散射噪声是压倒性支配时，达林顿晶体管10c的实施可以是有益的。

图4示出了第一放大器20的一个实施例，基于具有完全电感元件用于退化阻抗30(Ldegen)和输出阻抗32(Lout)的图3中(b)的电路。

不能避免到低的串联电感。图4的电路不是将电感作为不期望的寄生，而是使用它作为部分阻抗匹配功能。特别是当电感主要起源于接合线，引线框架和PCB时，它具有低串联电阻。这意味着它比片上电感具有更高的品质因子，因此它添加了比片上电感更少的噪声。图4的电路的另外的优点是需要很少附加的偏置电压，因为电感也可以传送所需要的DC电流用于晶体管。

通过最小化退化电感Ldegen和最大化输出电感Lout来实现电压增益的最大化(用于最低的噪声系数)。

对于退化电感值Ldegen的最小值的实际限制是通过当IC上的轨迹长度最小化时的封装地电感确定的。这种封装到地的电感可用于限定退化电感。然而，如果封装电感的产品公差太大，那么这可能以会迫使增加片上电感以实现Ldegen。片上电感可以用严格控制的电感值容易地制造出来。

对最大的Lout的实际限制取决于自谐振频率。优选的，由于增益-峰值和稳定性的原因该频率远离频带。然而，可以想象Lout的自谐振行为被设计为通过Ldegen的谐振行为匹配：这来源于达到恒定的Zout/Zdegen比率的目的。这种情况的益处是它将进一步延伸与频率无关的增益。

基于如上所述的实际考虑，用于电压增益的实际示例在25dB到40dB范围内，因此大大超过典型的所需要的值15dB到20dB。这意味着需要减少一些增益。

图5示出了本发明的完整的输入和输出匹配的LNA，这被用于说明两个可能的方式以实现增益衰减。

图5示出了模块50，包括图4的电路。然而，从输出电感提供了支路，从而它被有效地分成两个串联分量，和在它们之间的连接处获得输出。

缓冲器22被示出为输出晶体管52(也被标示为Q4)，包括由偏置电流源54调节的集电极-发射极电流。集电极连接到高压线VCC和发射极连接到偏置电流源。第一级放大器50的输出电压被提供到基极，和从发射极提取该输出。

被分支的电感提供第一增益衰减技术。它可以使中心抽头。使用分支意味着用于另外的射频功率处理所需要的增益衰减通过无噪声分压实现。

第二增益衰减本质上在缓冲器22中实现。它的输出阻抗1/gm太小以至于不能直接连接到50Ω射频负载阻抗，输出阻抗具有对于线性所需要的典型的偏置电流Ibias。负载阻抗可以例如是在50Ω处设计的片上数字步进衰减器(″DSA″)。

在这种情况下它能更好地用于总体噪声性能以在例如25Ω处设计DSA阻抗，但是接着可以添加输出匹配电阻器26(Rmat)(如图2所示)。Rmat和匹配负载阻抗一起产生6dB的增益衰减。

图5示出图1的现有技术的隔离缺点已被解决了，因为缓冲器将输入从输出中分离。这导致LNA与能独立优化输入和输出回波损耗用于宽带操作的益处是高度单边配合的。

图5中的缓冲器基于发射极输出器是最简单的实施。当然，具有反馈或使电流源与射频信号相关的其它的实施是可能的。

本发明另外的实施例是在输出阻抗32(Zout)中包括另外的电阻。不可避免地，退化阻抗30(Zdegen)，并因此传输增益，包括输入晶体管10a的1/gm。通过在输出阻抗Zout中包括G乘以1/gm(例如电阻器G/gm与Lout串联)，增益在低于1/(gm·Ldegen)的频率处更加平坦。这有助于在宽带中较低的一端达到良好的输入回波损耗，但具有(少量的)噪声惩罚。

这另外的输出电阻器因此补偿晶体管的内在电阻器，这可以被视为与退化阻抗相串联的电阻器。因此，其目的是再一次用退化阻抗装置(如果仍然考虑到晶体管电阻)的有效阻抗来匹配输出阻抗的频率变化。

放大器优选地是宽带可变增益放大器(VGAs)。

如图6所示，可变增益放大器可以例如包含输入放大器60，数字步进衰减器62，和输出放大器64。宽带LNA可能因此被用作输入放大器。

当与无源pi部分一起建立时，数字步进衰减器本质上具有良好的宽带性能。输出放大器通常不使用LNA拓扑来实现，但更适用于线性(IP3和P1dB压缩)和/或功率系数。

在典型的VGA中，其功能是旁路输入放大器。这在输入信号是大的时使用。跨接在输入放大器上的这个旁路开关可以与本发明的宽带LNA结合在一起。

本发明可用于各种应用中，其中需要宽带操作(具有良好的回波损耗和随着频率有限的增益变化)与低噪声性能结合在一起。

大型基站和小的蜂窝基站接收机只是本发明所感兴趣的一组实施例。例如，本发明可以用于在高频带5GHz和低频带2.4GHz WLAN中的应用。

以上实施例都基于双极结型晶体管。然而，具有相同功能的电路可以用场效应晶体管实现。例如可以使用CMOS，GaAs，pHEMT技术。

所给出的放大器电路的例子都是公共发射极电路。当量的FET电路时公共源极电路。因此，对于FET实施，所示出的到集电极、基极和发射极的连接可以转换为漏极、栅极和源极连接。放大器可以使用其他的电路配置，而不是已示出的电路配置实现。

从上述描述可以清楚看出输入放大器的主要目的是通过退化阻抗与输出阻抗具有相同的频率相关性来提供平坦增益。这可以通过相应的电容器和/或电感结构实现。可能有一个电感，和多个电感的布置，一个电容器，和多个电容器的布置，或电容器和电感的组合。

然而，从以上实施例可以清楚得出，还可以有一些频率响应的微调，例如用电阻器作为部分输出阻抗。这可以被认为是微调元件，和输出阻抗的主要元件再一次是完全无功的和与完全无功退化阻抗的频率变化相匹配。因此，当描述输出阻抗装置“包括完全无功装置在频率变化上与退化阻抗装置相匹配”，这并不排除其它的微调元件例如电阻器，在上述实施例中用于镜像晶体管电阻。对于上述实施例，输出阻抗装置是完全无功的和在频率变化上与退化阻抗装置相匹配，但具有另外的串联电阻。

所披露实施例的其他变化可以通过本领域技术人员在实施所提出的发明、研究附图、披露和附加的权利要求后理解和影响。在权利要求中，术语”包括”不排除其他的元件或者步骤，以及不定冠词“一种”不排除那些元件的复数。事实上，某些手段在相互不同的从属权利要求中叙述并不是指这些手段的组合不能利用。任何在权利要求中的附图标记不应该被限制范围。

Claims (12)

1.一种射频放大器，其特征在于，包括：

输入放大器(20)，包括：

晶体管装置(10)；

输出阻抗装置(32)；

提供退化的退化阻抗装置(30)；和

反馈阻抗装置(24)，

其中退化阻抗装置是完全无源的，输出阻抗装置包括完全无源装置，所述完全无源装置在频率变化上与退化阻抗装置相匹配,其中所述输出阻抗装置(32)连接到所述晶体管装置(10)的集电极，所述退化阻抗装置(30)连接到所述晶体管装置(10)的发射极；和

所述射频放大器还包括缓冲放大器(22)，所述输入放大器(20)的输出作为缓冲放大器(22)的输入，并且缓冲放大器(22)提供射频放大器输出；

其中退化阻抗装置(30)和输出阻抗装置(32)包括电感；

其中输出阻抗装置的电感具有在电感的末端之间的输出分支，输入放大器输出包括输出分支，输入放大器的输出分支连接到缓冲放大器的输入。

2.根据权利要求1所述的射频放大器，其特征在于，输入放大器(20)的电压增益至少是20dB。

3.根据权利要求1或2所述的射频放大器，其特征在于，晶体管装置(10)包括公共发射极晶体管布置。

4.根据权利要求3所述的射频放大器，其特征在于，公共发射极晶体管布置包括单个晶体管(10)。

5.根据权利要求3所述的射频放大器，其特征在于，公共发射极晶体管布置包括第一和第二晶体管，第一和第二晶体管包括串联连接的集电极-发射极路径，其中射频输入信号施加到第一晶体管(10a)的基极，偏置电压施加到第二晶体管(10b)的基极。

6.根据权利要求5所述的射频放大器，其特征在于，公共发射极晶体管布置还包括第三晶体管(10c)，所述第三晶体管(10c)具有连接在第一晶体管(10a)的集电极和基极之间的集电极-发射极路径。

7.根据权利要求1所述的射频放大器，其特征在于，退化阻抗装置(30)只包括由封装到地连接定义的电感。

8.根据权利要求1所述的射频放大器，其特征在于，退化阻抗装置(30)包括专用电路元件。

9.根据权利要求1或2所述的射频放大器，其特征在于，缓冲放大器(22)包括缓冲晶体管(52)，用于控制缓冲晶体管的发射极电流的电流源(54)，和在缓冲晶体管(52)的输出端的用于提供输出阻抗匹配的匹配阻抗(26)。

10.一种可变增益放大器，其特征在于，包括根据前述任一权利要求所述的射频放大器(60)，数字步进衰减器(62)，和输出放大器(64)。

11.一种移动电话基站射频放大器电路，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的射频放大器。

12.一种射频放大方法，其特征在于，包括：

使用射频放大器提供射频输入的恒压增益放大，射频放大器具有完全无源的退化阻抗装置(30)和输出阻抗装置(32)，所述输出阻抗装置(32)包括完全无源装置，所述完全无源装置在频率变化上与退化阻抗装置(30)相匹配；和

缓冲经恒压增益放大的信号；

其中退化阻抗装置(30)和输出阻抗装置(32)包括电感；

其中输出阻抗装置的电感具有在电感的末端之间的输出分支，所述输出分支连接到缓冲放大器的输入。