CN104956589B - 改进的射频低噪声放大器负载电路 - Google Patents

改进的射频低噪声放大器负载电路 Download PDF

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Abstract

一种电路，包括跨导体放大器以及连接到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管。

Description

改进的射频低噪声放大器负载电路
相关申请案交叉申请
本发明要求2013年3月11日由Lawrence Connell等人递交的发明名称为“改进的射频低噪声放大器负载电路(Improved Radio Frequency Low Noise Amplifier LoadCircuit)”的第13/793033号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引用的方式并入本文本中，如全文再现一般。
关于由联邦政府赞助
研究或开发的声明
不适用。
参考缩微胶片附录
不适用。
背景技术
模拟前端接收器可在多个无线通信应用和设备(包括蜂窝、Wi-Fi和蓝牙应用和设备)中使用。模拟前端接收器的其中一个部件可以为放大器(有时称为低噪声放大器或LNA)。LNA提出了许多设计挑战，尤其是在增益可调整或可编程的蜂窝收发器中。例如，LNA可能需要具有高增益以产生低噪声系数(NF)。此外，对于高增益的跨导LNA，当LNA以足够高的输出共模电压运行时，可能需要高阻抗负载电路。
发明内容
在一项实施例中，本发明包含一种电路，所述电路包括跨导体放大器以及连接到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管。
在另一项实施例中，本发明包含一种无线接收器，所述无线接收器包括天线、混频器以及连接所述天线和所述混频器的放大器电路，其中所述放大器电路包括跨导体放大器以及耦合到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管。
在又一项实施例中，本发明包含一种方法，所述方法包括在输入处接收差分射频(RF)电压信号，以及由跨导体放大器将所述电压信号转换成差分RF电流信号，其中所述跨导体放大器连接到负载，并且所述负载包括负载晶体管以及直接连接到所述负载晶体管的栅极和漏极的电阻器。
结合附图和权利要求书，可从以下的详细描述中更清楚地理解这些和其它特征。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现在参考以下结合附图和详细描述进行的简要描述，其中相同参考标号表示相同部分。
图1是接收器的实施例的示意图。
图2是放大器电路的实施例的示意图。
图3是具有直流电(DC)偏置电路的放大器电路的实施例的示意图。
图4是使用LNA电路的系统的示意图。
图5是用于放大信号的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
最初应理解，尽管下文提供一个或多个实施例的说明性实施方案，但可使用任意数目的当前已知或现有的技术来实施所公开的系统和/或方法。本发明决不应限于下文所说明的所述说明性实施方案、图式和技术，包含本文所说明并描述的示范性设计和实施方案，而是可以在所附权利要求书的范围以及其均等物的完整范围内修改。
本文揭示了一种耦合到负载电路的跨导体放大器，该负载电路在以足够高的输出共模电压下运行时能够具有高阻抗。负载电路可构成无线收发器中的放大器电路的一部分。放大器电路可以是在无线通信系统中有用的高增益跨导体放大器。负载电路可使用低复杂性、无源偏置的有源负载设备以最大化给定的所需最小输出共模电压的输出负载阻抗(并从而最大化增益)。
图1是接收器100的实施例的示意图。接收器100可用作无线通信设备(例如手机、智能手机或平板电脑)的一部分。接收器100包括天线110、声表面(SAW)滤波器或双工器120、匹配网络130、LNA140、射频(RF)混频器150以及基带滤波器160，它们如图1所示进行配置。天线110可用于接收RF信号并生成信号作为对SAW滤波器或双工器120的输入。SAW滤波器或双工器120和匹配网络130可分别进行过滤和阻抗匹配。LNA140可包括差分跨导体放大器，用于接收来自匹配网络130的差分电压以及用于从差分电压生成差分电流以作为对混频器150的输入。混频器150可将相对高频RF输入信号转换为低频或中频(IF)信号或基带信号用于后续处理。混频器150可在给定的频率下耦合到差分本地振荡器(LO)以帮助进行所描述的频率转换。在接收器100中，混频器150的后面是提供信号用于基带处理的基带滤波器160。本领域普通技术人员将认识到，接收器100仅仅是一个可使用LNA(例如LNA140)的可能配置或实施例。
图2是放大器电路200的实施例的示意图。放大器电路200可形成LNA(例如LNA140)的一部分。放大器电路200包括n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管M3-M6、电感器L1和L2、以及负载构造或电路210，它们如图2所示进行配置。放大器电路200用于接收差分RF输入，对于“正”和“负”输入分别标记为RFIN_P和RFIN_M，如图2中所示。放大器电路200用于生成差分RF输出，对于“正”和“负”输出分别标记为RFOUT_P和RFOUT_M，如图2中所示。晶体管M3-M6可具有可编程增益值，这样放大器电路200可在如自适应增益控制(AGC)级中使用。因此，放大器电路200可具有可编程增益。
放大器电路200可用作跨导体级，其将差分RF输入电压转换成差分RF输出电流。晶体管M5和M6将输入电压转换为电流。负载电路210具有高阻抗，因而晶体管M5和M6中生成的大部分电流被传送到输出，极少数电流进入负载电路210。晶体管M3和M4是共源共栅晶体管，它们提供检查(looking into)这些晶体管的输出的高阻抗。VCASC是固定的DC电压，用于DC偏置共源共栅晶体管M3和M4。
负载电路210包括p型MOS(PMOS)晶体管M1和M2，以及电阻器R1和R2，它们如图2所示进行配置。电阻器R3是可选的，但如果使用则按图2所示进行配置。尽管R3示为连接到接地端，但R3还可连接到非零电压电位。vdd是DC源极电压。晶体管M1和M2可视为有源负载设备。有源负载M1和M2随着电阻器R1和R2(以及R3，如果存在的话)无源偏置，如图所示。例如，电阻器R1可直接连接到M1的栅极和漏极。根据M1和M2的漏极和源级之间的小信号电阻至少部分确定负载电路210的阻抗。电阻器R1和R2可感知输出直流电(DC)共模电压。电阻器R3可提供栅极偏置和输出DC共模电压之间的偏移电压。优化R1、R2和R3的相对值能够为给定的所需输出共模电压产生最大负载阻抗。在一项实施例中，R1等于R2。在一项实施例中，放大器电路200具有值如下的部件，这带来了高增益和低噪声：L1＝L2＝0.5毫微亨(nH)，R1＝R2＝60千欧姆(k)，R3＝120k，M3-M6的宽度和长度可分别为300微米(microns)和0.1microns，M1和M2的宽度和长度分别为150microns和0.25microns。
晶体管M5和M6与共源共栅晶体管M3和M4以及电感器L1和L2可以说是构成了差分跨导体放大器，该差分跨导体放大器将小的RF输入电压信号转换成大的RF输出电流信号。放大器电路200可实现RF输出处的高阻抗。
本领域普通技术人员将认识到，晶体管M1和M2可以替换为NMOS晶体管，晶体管M3-M6可以替换为PMOS晶体管。如果是这种情况，当前在图2中标记的接地端可以替换为源级电压vdd，当前在图2中标记的vdd可以替换为接地端。此外，放大器电路200是双端或差分电路。本领域普通技术人员将认识到，可通过移除部件M2、R2、M4、M6和L2形成单端电路。单端电路可接收单一输入并产生单一输出。
图3是具有DC偏置电路320的放大器电路200的示意图。系统300包括放大器电路200和DC偏置电路320，它们如图3所示进行配置。为了简明起见，不再描述放大器电路200。DC偏置电路320包括电流源IBIAS、晶体管M7以及电阻器RBIAS，它们如图3所示进行配置。电流源IBIAS、晶体管M7和电阻器RBIAS用于提供放大器电路200的DC电流偏置。M7、M5和M6的连接形成了电流镜，该电流镜可设置M5和M6的漏极电流为M7(IBIAS)中的漏极电流的换算值。电阻器RBIAS可用于为RF输入信号提供RF隔离。LNA(例如LNA140)可包括系统300。
图4是使用放大器电路200的系统400的示意图。系统400包括放大器电路200、DC偏置电路320、电容器C1和C2、RF混频器410以及基带滤波器420，它们如图4所示进行配置。先前已经描述了放大器电路200和DC偏置电路320，因此无需再次描述这些电路。电容器C1和C2可以是DC阻隔电容器，它们将放大器电路200的DC偏置与混频器的DC偏置隔离。
如前所述，晶体管M5和M6与共源共栅晶体管M3和M4(连同电感器L1和L2)一起可形成差分跨导体放大器，该差分跨导体放大器将小RF输入电压信号转换成大RF输出电流信号。对于最大增益，需要最大化进入混频器410并随后进入滤波器420的RF输出电流信号。这要求检查混频器410/滤波器420的阻抗小于负载电路210的阻抗。因此，高增益需要高负载阻抗和低混频器/滤波器输入阻抗。负载电路210实现了高负载阻抗。
本文揭示了当维持最小所需共模输出电压时对RF LNA的有源负载设备进行最佳偏置以最大化负载阻抗的低复杂度装置，从而与其他方法相比带来更高的放大器增益、改进的接收器噪声系数以及更低的成本。这些益处可通过利用电阻器R1、R2和R3来实现，如图2-4所示，以提供有源负载设备(例如M1和M2)的简单的最佳偏置。相比之下，一种替代性方法可以将运算放大器(op-amp)插入在R1和R2的结合点与M1和M2的栅极之间。然而，这种配置导致超额的开销、过高的复杂度以及超大的大小，并且该配置可能存在噪声增加并且频率稳定性下降的问题。
图5是用于放大信号的方法的实施例的流程图500。在方框510中，可在输入处接收差分RF电压信号。例如，可在对放大器电路200的输入处接收差分RF电压信号。该差分RF电压信号可以是经由天线(例如图1中的天线110)获取的信号，其通过多种中间级(例如，参见图1)处理以产生差分RF电压信号。随后在方框520中，该差分RF电压信号可被放大并转换成差分RF电流信号。放大和转换可由耦合到负载构造的跨导体放大器进行，该负载构造具有无源偏置的有源负载。负载构造或电路210是一种如下负载：其包括由无源元件R1、R2和R3偏置的两个FET M1和M2；以及可视为跨导体放大器的部件M3-M6、L1和L2，它们如图2所示进行配置。可通过电容耦合向RF混频器提供差分RF电流，如图4所示。
本发明公开至少一项实施例，且所属领域的普通技术人员对所述实施例和/或所述实施例的特征作出的变化、组合和/或修改均在本发明公开的范围内。因组合、合并和/或省略所述实施例的特征而得到的替代性实施例也在本发明的范围内。在明确陈述数值范围或限制的情况下，应将此类表达范围或限制理解为包含属于明确陈述的范围或限制内的类似量值的迭代范围或限制(例如，从约为1到约为10包含2、3、4等；大于0.10包含0.11、0.12、0.13等)。例如，每当公开具有下限Rl和上限Ru的数值范围时，具体是公开落入所述范围内的任何数字。具体而言，特别公开所述范围内的以下数字：R＝Rl+k*(Ru–Rl)，其中k是从1％到100％以1％增量递增的变量，即，k是1％、2％、3％、4％、5％……50％、51％、52％……95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，还特此公开了，上文定义的两个R值所定义的任何数值范围。除非另有说明，否则术语“约”是指随后数字的±10％。相对于权利要求的某一要素，术语“可选择的”使用表示该要素可以是需要的，或者也可以是不需要的，二者均在所述权利要求的范围内。例如包括、包含和具有等较广义的术语，应被理解为用于支持较狭义的术语，例如“由……组成”、“基本上由……组成”、以及“大体上由……组成”等。因此，保护范围不受上文所述的限制，而是由所附权利要求书定义，所述范围包含所附权利要求书的标的物的所有等效物。每项和每条权利要求作为进一步公开的内容并入说明书中，且权利要求书是本发明的实施例。所述揭示内容中的参考的论述并不是承认其为现有技术，尤其是具有在本申请案的在先申请优先权日期之后的公开日期的任何参考。本发明中所引用的所有专利、专利申请案和公开案的揭示内容特此以引用的方式并入本文本中，其提供补充本发明的示例性、程序性或其他细节。
虽然本发明多个具体实施例，但应当理解，所公开的系统和方法也可通过其它多种具体形式体现，而不会脱离本发明的精神或范围。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间部件间接地耦合或通信。其它变更、替换、更替示例对本领域技术人员而言是显而易见的，均不脱离此处公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种放大电路，其特征在于，包括：
跨导体放大器；以及
连接到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管；
所述跨导体放大器是包括两个并联支路的差分放大器，所述负载包括两个并联支路，所述负载的第一支路包括第一电阻器偏置的所述负载晶体管，所述负载的第二支路包括第二电阻器偏置的第二负载晶体管，以及所述第一和第二电阻器的结合点直接连接到所述负载晶体管的栅极和所述第二负载晶体管的栅极；
所述负载进一步包括第三电阻器，所述第三电阻器的第一端直接连接到所述第一和第二电阻器的所述结合点，所述第三电阻器的第二端连接到电压电位；
所述差分放大器的所述两个并联支路包括第一放大器支路和第二放大器支路，所述第一放大器支路包括第一晶体管、第二晶体管和第一电感器，以及所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第一电感器串联连接；
其中，第一电阻器的阻值等于第二电阻器的阻值等于二分之一第三电阻器的阻值。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述跨导体放大器是单端放大器，所述负载晶体管与所述跨导体放大器串联连接，以及所述负载晶体管由直接连接到所述负载晶体管的漏极和栅极的电阻器偏置。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电路进一步包括直流电DC偏置电路，所述DC偏置电路包括：
偏置晶体管；
耦合到所述偏置晶体管的电流源极；以及
串联连接到所述第一晶体管的栅极和所述偏置晶体管的栅极之间的第一电阻器。
4.一种无线接收器，其特征在于，包括：
天线；
混频器；以及
连接所述天线和所述混频器的放大器电路，其中所述放大器电路包括：
跨导体放大器；以及
耦合到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管；
所述跨导体放大器是包括两个并联支路的差分放大器，所述负载包括两个并联支路，所述负载的第一支路包括第一电阻器偏置的所述负载晶体管，所述负载的第二支路包括第二电阻器偏置的第二负载晶体管，以及所述第一和第二电阻器的结合点直接连接到所述负载晶体管的栅极和所述第二负载晶体管的栅极；
所述负载进一步包括第三电阻器，所述第三电阻器的第一端直接连接到所述第一和第二电阻器的所述结合点，所述第三电阻器的第二端连接到电压电位；
所述差分放大器的所述两个并联支路包括第一放大器支路和第二放大器支路，所述第一放大器支路包括第一晶体管、第二晶体管和第一电感器，以及所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第一电感器串联连接；
其中，第一电阻器的阻值等于第二电阻器的阻值等于二分之一第三电阻器的阻值。
5.根据权利要求4所述的无线接收器，其特征在于，所述跨导体放大器是单端放大器，所述负载晶体管与所述跨导体放大器串联连接，以及所述负载晶体管由直接连接到所述负载晶体管的漏极和栅极的电阻器偏置。
6.根据权利要求5所述的无线接收器，其特征在于，所述第二电阻器直接连接到所述负载晶体管的栅极，以及电压电位。
7.根据权利要求4所述的无线接收器，其特征在于，所述放大器电路电容耦合到所述混频器。
8.根据权利要求7所述的无线接收器，其特征在于，所述跨导体放大器用于：
接收射频RF电压信号；以及
基于所述RF电压信号提供RF电流信号给所述混频器。
9.一种放大信号的方法，其特征在于，包括：
在输入处接收差分射频RF电压信号；以及
跨导体放大器将所述电压信号转换成差分RF电流信号，其中所述跨导体放大器连接到负载，以及所述负载包括负载晶体管以及直接连接到所述负载晶体管的栅极和漏极的电阻器；
所述跨导体放大器是包括两个并联支路的差分放大器，所述负载包括两个并联支路，所述负载的第一支路包括第一电阻器偏置的所述负载晶体管，所述负载的第二支路包括第二电阻器偏置的第二负载晶体管，以及所述第一和第二电阻器的结合点直接连接到所述负载晶体管的栅极和所述第二负载晶体管的栅极；
所述负载进一步包括第三电阻器，所述第三电阻器的第一端直接连接到所述第一和第二电阻器的所述结合点，所述第三电阻器的第二端连接到电压电位；
所述差分放大器的所述两个并联支路包括第一放大器支路和第二放大器支路，所述第一放大器支路包括第一晶体管、第二晶体管和第一电感器，以及所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第一电感器串联连接；
其中，第一电阻器的阻值等于第二电阻器的阻值等于二分之一第三电阻器的阻值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括提供所述差分RF电流信号给混频器。
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