CN105075115A - 在扩展动态范围内具有线性增益的低噪音放大器 - Google Patents

Abstract

一种低噪音放大器包括：可变增益放大器级，其经配置以接受输入信号和提供负载驱动信号；可调带通滤波器，其作为负载而连接到可变增益放大器级，其中带通滤波器包括交叉耦合晶体管对和至少一个被施以亚阈值范围偏压的交叉耦合补偿晶体管对，当负载驱动信号的幅度大到足以使交叉耦合晶体管对的跨导减小时，所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对用以补充跨导分量；以及控制器电路，其经配置以调节带通滤波器。此滤波器可在频率和品质因数Q方面进行调节。

Description

在扩展动态范围内具有线性增益的低噪音放大器

相关申请案的交叉参考

本申请书涉及下列待审申请案，所有这些申请案的内容已全部并入本文作为参考：2013年3月15日提出申请的名称为“极坐标接收器结构和信号处理方法”的美国申请案第13/840,478号；2013年3月15日提出申请的名称为“极坐标接收器信号处理装置和方法”的美国申请案第13/839,557号；2013年3月15日提出申请的名称为“在扩展动态范围内具有线性增益的低噪音放大器”的美国申请案第13/839,557号；以及2013年3月15日提出申请的名称为“数控注入锁定振荡器”的美国申请案第13/840,379号；以及2013年3月15日提出申请的名称为“单比特直接调制发送器”的美国申请案。

背景技术

低噪音放大器(LowNoiseAmplifiers,LNA)是用来放大弱信号的电路，如那些通过天线接收的信号。考虑到接收信号的功率等级很弱，它们不会引进大量噪音，这很重要。否则，进行数据恢复时，信号的信噪比(signaltonoiseratio,SNR)将无法接受。LNA的增益会使注入噪音的影响减小。因此，需要对LNA进行改良，包括直接转换收发器中使用的那些LNA。

附图说明

附图与下文的具体实施方式一起被并入本说明书，构成本说明书的一部分，用来进一步阐述包括本发明在内的概念的实施例，并解释这些实施例的各种原理和优点。在单独视图中，相同的数字代表相同或功能上相似的元件。

图1是根据一些实施例所提出的一种低通滤波器架构的框图。

图2是根据一些实施例所提出的LNA的频率响应图。

图3是根据一些实施例所提出的一种可配置低通滤波器的框图。

图4是根据一些实施例所提出的一种可调节低通滤波器级的电路图。

图5是根据一些实施例所提出的用来提供数控可变增益的单元的实现方式。

图6是根据一些实施例所提出的一种缓冲器的电路图。

图7和图8是根据一些实施例所提出的电容器组的实现方式。

图9是根据一些实施例所提出的电阻器组的实现方式。

图10是根据一些实施例的可变增益数值图。

图11是根据一些实施例的显示Q值的信号图。

图12是根据一些实施例所提出的一种控制LNA的控制电路。

图13和图14是根据一些实施例所提出的一种LNA控制方法的流程图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的举例而言，为了有助于更好地理解本发明的实施例，图中一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大。

这些装置和方法组件已在图中适当之处用常用符号做了表示，仅示出那些与理解本发明之实施例有关的具体细节，这样就不会因为那些对熟悉本专业的技术人员而言明显易懂的细节，而弄不明白本说明书所披露的内容，这有利于本文的叙述。

具体实施方式

请看图1，下面将阐述根据一些实施例所提出的一种低噪音放大器的一个实施例。接收信号(如通过天线接收的信号)被匹配网络102接收。匹配网络的输出被提供给第一LNA级(stage)104，第一LNA级104的输出经由缓冲器106而连接到第二LNA级108。缓冲电路绘示于图6中。

级联LNA级的输出在接收器(如极坐标接收器110)中被进一步处理。关于极坐标接收器的其他细节，可查阅2013年3月15日提出申请的名称为“极坐标接收器信号处理和架构”的待审申请(代理人案卷号第71601.US.01号)。也可使用其他众所周知的接收器架构。两级LNA104、108中的每一级可通过调谐来显示带通响应。分别来自每一级LNA的两个中心频率可发生偏移来提供较宽的总频带宽度，同时离带(off-band)选择性强，能够抑制相邻信道。

请参考图2，第一级的频率响应绘示于图102中，而频率错开的各级的总的响应绘示于图104中。

请参考图3，图302和图304均表示第一级的响应。图3绘示为滤波器的中心频率可以在最差工艺条件下的所需频带上进行调谐。

请参考图4，其绘示为可调谐LNA级。可变增益级经配置以提供可变跨导增益来驱动带通滤波器负载，其包括差分对(differentialpair)M1、M2和用控制器的比特信号进行控制的控制场效应晶体管(FETs)M3、M4。LNA级可包括多个可切换跨导单元，如图5所示。控制器可使用二进制代码来调节增益，其中每个单元所提供的增益是前一单元的二倍。此外，或者另一个方案是，增益级单元的一部分或全部可提供等量增益，且可由温度计码控制信号来进行控制。

再次参考图4，作为跨导增益级负载的带通滤波器包括带频率控制(FreqCTRL)的可调节或可调谐振荡回路。此振荡回路可以是如图所示之LC振荡回路，也可以是RC振荡回路。可调电容器可采用电容器组的形式，如图7和图8所示。每个电容器可用各自的比特来单独控制，从而控制其对应的开关。电容器组中的电容器可采用相同的电容值或不同的电容值，这样每个比特就能够控制电容比例更大的电容单元。如电容器组实施例的几个示例所述，通过以不同方式来配置串联和/或并联的电容器，通过使用不同尺寸的装置，或者通过使用不同的偏压，可以实现电容的变化。

带通滤波器也包括交叉耦合晶体管M6、M7，以得到带通负载。请注意交叉耦合补偿晶体管对(pair)M8、M9。这些交叉耦合补偿晶体管被施以亚阈值(sub-threshold)范围的偏压。

在小信号分析中，流入M6(I1)和M8(I2)的两个电流可写成：

$I1={\mathrm{gm}}_{M6,1}\·V_{RFOUT-}+{\mathrm{gm}}_{M6,2}\·V_{RFOUT-}^2+{\mathrm{gm}}_{M6,3}\·V_{RFOUT-}^3$

$I2={\mathrm{gm}}_{M8,1}\·V_{RFOUT-}+{\mathrm{gm}}_{M8,2}\·V_{RFOUT-}^2+{\mathrm{gm}}_{M8,3}\·V_{RFOUT-}^3$

其中gm_M6，1、gm_M6，2、gm_M6，3、gm_M8，1、gm_M8，2和gm_M8，3分别是晶体管M6和M8的电流的泰勒展开式中的第一项、第二项和第三项。一阶项对应于规则的小信号gm。对于被施以饱和偏压的晶体管，三阶项为负值。故，当输入信号的幅度增大时，电流开始缩减。相反，对于被施以亚阈值范围偏压的晶体管，三阶项为正值。故，当输入信号的幅度增大时，电流随之增大。在图4中，M6和M7被施以饱和偏压，而M8和M9被施以亚阈值范围偏压。所以，使用适当的晶体管尺寸和偏压，就有可能得到gm_M6，3＝-gm_M8，3。如此一来，每条分支的总电流得出：

$i_{tot}=I1+I2\left({\mathrm{gm}}_{M6,1}+{\mathrm{gm}}_{M8,1}\right)\·V_{in}+\left({\mathrm{gm}}_{M6,2}+{\mathrm{gm}}_{M8,2}\right)\·V_{in}^2$

由于施加在两个分支上的信号有差异，所以二阶项被抵消。如此一来，交叉耦合晶体管对M6、M7的线性范围被交叉耦合补偿晶体管对M8、M9扩展。

带通负载的品质因数Q也可以调节。在一个实施例中，晶体管M10上的偏压被调整。可以使用很高的品质因数Q，甚至高达400或500，同时保持输出摆幅很高(100mVp)时带通负载的线性响应。高Q振荡回路或带通负载对跨导增益级具有较大阻抗，因此会以小电流信号产生较大的增益。也请注意，高Q的频带选择性窄，抑制相邻频带或信道的能力强。在LNA控制电路的控制下在振荡回路中选择性地插入电阻，也可以降低品质因数Q。此类电阻器组可如图9所示。

由于高品质因数Q对交叉耦合晶体管对的跨导值-g_m/2极为敏感，所以g_m的小小变化也会导致Q发生很大的变化。故，通过插入亚阈值偏压交叉耦合补偿晶体管对来使M6和M7的跨导线性化可大大增加LNA级的动态范围。如果没有这种补偿，输出摆幅大而导致的品质因数Q降低会减小增益，增大响应带宽，导致相邻信道抑制减小。

也请注意，虽然增加交叉耦合补偿晶体管对会产生一些额外的噪音，但是补偿晶体管对是负载的一部分，且任何额外的噪音相对而言都是微不足道的，因为它不经过放大级。也就是说，噪音是在放大器的输出端被注入，而不是在输入端被注入，因此它的影响很小，尤其是在增益很高的LNA中。

请看图10，其绘示为增益调节步骤的一部分。请看图11，其绘示为Q调节步骤的一部分。图12绘示为根据一些实施例所提出的一种控制和/或校正LNA级的装置和方法。

LNA控制器1200可包括有限状态机(finitestatemachine)，用来控制控制器的电路和/或模块。在校正过程的一个或一个以上步骤中，LNA可被驱动而发生振荡。频率检测器可包括：数字M分频(digitaldividebyM)，用来分割时钟信号；以及模拟4分频(analogdivideby4)(或其他数字)电路，用来减小以LC振荡回路的形式存在的LNA带通负载所产生的被监控振荡的频率。

LNA控制器可经配置以便在频率控制输出线上提供控制输出，其中频率控制输出线对应于粗调电路的最高有效比特(mostsignificantbits)，且对应于微调控制电路的最低有效比特(leastsignificantbits)。这些比特可用来切换电容器组，从而改变带通负载的谐振频率。在粗调模式下，LNA的品质因数Q可增大到引起LNA振荡的点。LNA谐振的频率与未振荡时频率响应的峰值有关。因此，在LNA中诱导产生的振荡状态可用来粗调振荡回路电容。在微调模式下，控制器产生一个或一个以上音调(tones)，并测量幅度来确定3dB点(其测量Q)以及可得到峰值输出时的频率，其对应于带通滤波器的中心频率。也可采用其他音调和测量来确定LNA的精校正。

控制输出可包括多个并行比特，用来控制LNA级的品质因数Q。LNA控制器可通过改变带通负载电路中的偏置电流来以响应方式调整品质因数Q。

关于LNA可变增益跨导级400，通过接通(ON)或切断(OFF)额外的晶体管元件便可得到可变增益。一种这样的可变跨导级绘示于图5中。从LNA控制器输出的增益控制信号可包括很多比特B0、B1、B2等。控制比特B0可用来控制第一个单元，控制比特B1可用来控制第二个单元，控制比特B2可用来控制第三个单元。请注意，第一个单元、第二个单元和第三个单元提供越来越多的跨导放大量。代码可称为二进制代码，因为每一比特控制的放大量是前一级的二倍。在另一个实施例中，每个单元可增加等量的增益，在此情形下二进制控制字可称为温度计码。

在一个实施例中，此装置包括：可变增益放大器级，其经配置以接受输入信号和提供负载驱动信号；可调带通滤波器，其作为负载而连接到可变增益放大器级；以及控制器电路，其经配置以调节带通滤波器。带通滤波器包括谐振回路、交叉耦合晶体管对和被施以亚阈值范围偏压的至少一个交叉耦合补偿晶体管对。当负载驱动信号的幅度大到足以使交叉耦合晶体管对的跨导减小时，这种补偿配置会补充跨导分量。另外，它可以包括用来调节带通滤波器的控制器电路。带通滤波器可包括电容器组，且控制器电路可经配置以通过改变带通滤波器的中心频率来调节此电容器组。控制器电路可经配置以改变交叉耦合晶体管的偏压点，从而改变振荡回路的品质因数Q，在带通滤波器中诱导产生振荡，测量此振荡的谐振频率，以及调整带通滤波器的谐振频率。可变增益级放大器可以是具有多个并行连接跨导单元的跨导放大器级。此外，至少一个交叉耦合补偿晶体管对可包括多个并行连接的交叉耦合补偿晶体管对。这些并行连接的交叉耦合补偿晶体管对会被施以不同的亚阈值电压。在一个实施例中，偏压控制电路可经配置以调节至少一个交叉耦合补偿晶体管对的亚阈值偏置电压。此控制电路也可配置成调节第一、第二带通滤波器的品质因数Q，以获得所需的相邻信道抑制比。

请看图13，下面将根据一些实施例来阐述一种方法600。方法1300可包括：调节1302可变增益放大器级的增益；调节1304作为负载而连接到可变增益放大器级的可调带通滤波器的谐振频率和品质因数Q，其中带通滤波器包括交叉耦合晶体管对和至少一个交叉耦合补偿晶体管对；以及1306对至少一个交叉耦合补偿晶体管对施以亚阈值范围偏压。请注意，上述步骤不需要特定的顺序。具体来说，举个例子，次序可以颠倒。可以先调节补偿，再调节谐振或中心频率和Q，最后调节增益。此方法可包括通过调节电容器组来调节可调带通滤波器的谐振频率。在一个实施例中，此方法还可包括：调节交叉耦合晶体管的偏压点，从而在带通滤波器或谐振回路里诱导产生振荡；测量此振荡的谐振频率；以及调节带通滤波器的谐振频率。在一个实施例中，此方法可包括调节交叉耦合晶体管的偏压点以调节谐振回路的品质因数Q。此方法可包括通过接通或切断多个并行连接的跨导单元来调节可变增益级放大器的增益。至少一个交叉耦合补偿晶体管对可包括多个并行连接的交叉耦合补偿晶体管对，且此方法还可包括将多个并行连接的交叉耦合补偿晶体管对中每个晶体管对的偏置电压设定在不同的亚阈值电压。此方法还可包括调节至少一个交叉耦合补偿晶体管对的亚阈值偏置电压。

图14所示的另一种方法1400，可包括：将第一低噪音放大器级的谐振频率调节1402为第一频率，其中第一低噪音放大器级具有第一可变增益放大器级和第一可调带通滤波器；将第二低噪音放大器级的谐振频率调节1404为第二频率，其中第二低噪音放大器级具有第二可变增益放大器级和第二可调带通滤波器，且第二频率相对于第一频率存在偏移；以及对第一可调带通滤波器和第二可调带通滤波器中的交叉耦合补偿晶体管对施以亚阈值范围偏压1406，以便在出现大信号时提供补偿跨导。再强调一次，所提出的步骤的次序并非用以限定。此方法1400可先对补偿晶体管施加偏压。然后可调节LNA级的频率和品质因数Q。可根据期望的信道频率来选择第一频率和第二频率。可调节第一、第二带通滤波器的品质因数Q来获得期望的相邻信道抑制比。第一、第二带通滤波器谐振频率的调节步骤可包括：调节交叉耦合晶体管的偏压点，从而在各自的带通滤波器中诱导产生振荡；测量此振荡的谐振频率；以及调节各自带通滤波器的谐振频率。

具体实施例已在本说明书中做了阐述如上。然而，在不脱离权利要求书所列出的本发明技术方案范围的前提下，熟悉本专业的技术人员当可对其做出各种修饰和更动。因此，本说明书和附图应视为例示而非限制，且所有此类修饰都应包括在本发明的技术方案范围内。

好处、优点、问题的解决办法以及可能带来任何好处、优点或解决办法或使之更明显的元件不应解释为权利要求中关键的、必需的或基本的特征或元件。本发明只能由后附之权利要求来界定，包括本申请案在待审期间所做的任何修订以及专利发布时这些权利要求的所有等同项。

此外，在本文中，相关术语如“第一”和“第二”、“上”和“下”等只是用来区分一个实体或活动与另一个实体或活动，未必表示这些实体或活动之间存在任何实际的关系或次序。术语“包括”、“具有”、“包含”或任何其他变体，是一种非排他性的包括，因此包括、具有、包含一系列元件的过程、方法、文章或装置不仅仅包括那些元件，而是也可能包括未明确列出的或该过程、方法、文章或装置所固有的其他元件。在包括、具有、包含一个元件的过程、方法、文章或装置中，如果此元件后面有“包括”、“具有”、“包含”，则在没有更多限制条件的情况下，此元件不排除存在额外的相同元件。术语“一个”和“一种”被定义为一个或一个以上，除非本说明书另行明确规定。术语“实质上”、“本质上”、“近似于”、“约为”或任何其他变体，定义为接近熟悉本专业的技术人员所了解的，在一个非限制性实施例中，此术语定义为10％以内，另一个实施例中定义为50％以内，又一个实施例中定义为1％以内，再一个实施例中定义为0.5％以内。本说明书中所用的术语“耦合”定义为连接，但未必是直接连接，也未必是机械连接。以某种方式进行“配置”的装置或结构至少以那种方式进行配置，但也可能以其他未明确列出的方式进行配置。

应理解的是：一些实施例可包括：一个或一个以上的通用或专用处理器(或“处理装置”)，如微处理器、数字信号处理器、自定义处理器和现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearrays,FPGAs)；以及特有的存储程式指令(包括软件和固件)，其结合某些非处理器电路来控制这一个或一个以上处理器的执行操作，其方法与/或装置的一部分、大部分或全部功能已在本说明书中做了阐述。或者，一部分或全部功能可由不具有存储程式指令的状态机(statemachine)或一个或一个以上的专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits,ASICs)来执行，其中每个功能或某些功能组合是作为定制逻辑来执行的。当然，也可以这两种方式相结合。

因此，本说明书的一些实施例或其一部分可将一个或一个以上的处理装置与储存在计算机可读有形记忆装置中的一个或一个以上的软件组件(如程式代码、固件、常驻软件、微代码等)结合起来，其组合起来形成能够执行本说明书所述之功能的具有特定配置的装置。这些构成特殊程式化装置的组合在此通常可称为“模块”。此模块的软件组件部分可用任何计算机语言来编写，可成为庞大代码库的一部分，或者可在离散的代码中进行开发，如典型的是面向对象的计算机语言。另外，此模块可分布到多个计算机平台、服务器、终端等。甚至可以通过执行一个给定的模块来使处理装置与/或计算机硬件平台各自执行所述的功能。

此外，实施例可以作为计算机可读存储媒体来实施，其储存着计算机可读代码，用来给计算机(例如，包括处理器)编程，以便执行本说明书所阐述和要求的方法。此类计算机可读存储媒体的实例包括(但不限于)硬盘、CD-ROM、光存储装置、磁存储装置、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)以及快闪存储器(Flashmemory)。另外，在本说明书所披露的概念和原理的指导下，熟悉本专业的技术人员有望通过最少的试验就能产生这样的软件指令和程式，但可能要付出大量的努力和通过(例如)可用时间、当前技术和经济考量而激发出的设计选择。

说明书摘要旨在让读者能够快速了解所披露的技术的本质。应当明白的是，其并非用以解释或限定权利要求的技术方案范围或含义。另外，在上文的“具体实施方案”中，为了简化内容，各实施例将各种特征组合在一起。这种披露方法不应理解为“这表明提出权利要求的实施例所要求的特征超过每项权利要求明确列举的特征”。准确地说，正如下文权利要求书所表明的那样，发明标的物存在于比单一实施例之全部特征少的特征之中。故，下文的权利要求书在此并入“具体实施方案”，每一项权利要求作为单独提出的标的物而独立存在。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

可变增益放大器级，用于接受输入信号和提供负载驱动信号；

可调带通滤波器，其作为负载而连接到所述可变增益放大器级，其中所述带通滤波器包括谐振回路、交叉耦合晶体管对和被施以亚阈值范围偏压的至少一个交叉耦合补偿晶体管对，当所述负载驱动信号的幅度大到足以使所述交叉耦合晶体管对的跨导减小时，所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对用以补充跨导分量；以及

控制器电路，用于调节所述带通滤波器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带通滤波器包括电容器组，且所述控制器电路用于调节所述电容器组，从而改变所述带通滤波器的频率响应。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器电路用于：改变所述交叉耦合晶体管的偏压点从而在所述带通滤波器中诱导产生振荡，测量所述振荡的谐振频率，以及调节所述带通滤波器的所述谐振频率。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器电路用于改变所述交叉耦合晶体管的偏压点，从而调节所述带通滤波器的品质因数Q。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可变增益级放大器是具有多个并行连接跨导单元的跨导放大器级。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对包括多个并行连接的交叉耦合补偿晶体管对。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个并行连接的交叉耦合补偿晶体管对中的每个晶体管对被施以不同的亚阈值偏压。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括偏压控制电路，用于调节所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对的亚阈值偏压。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可变增益放大器和所述可调带通滤波器是被调节为第一频率的第一低噪音放大器级，且所述装置还包括第二低噪音放大器级，其具有第二可变增益放大器级和第二可调带通滤波器，所述第二低噪音放大器级被调节为第二频率，且与所述第一低噪音放大器级串行连接。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一频率和所述第二频率是根据期望的信道频率来进行选择。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制电路还用于调节所述第一、第二带通滤波器的品质因数Q，以获得期望的总带宽和相邻信道抑制比。

12.一种方法，包括:

调节可变增益放大器级的增益；

调节作为负载而连接到所述可变增益放大器级的可调带通滤波器的谐振频率和品质因数Q，其中所述带通滤波器包括交叉耦合晶体管对和至少一个交叉耦合补偿晶体管对；以及

对所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对施以亚阈值范围偏压。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

调节所述交叉耦合晶体管的偏压点，从而在所述带通滤波器中诱导产生振荡；

测量所述振荡的谐振频率；以及

调节所述带通滤波器的所述谐振频率。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括调节所述交叉耦合晶体管的偏压点，从而调节所述带通滤波器的品质因数Q。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对包括多个并行连接的交叉耦合补偿晶体管对，所述方法还包括：

将所述多个并行连接交叉耦合补偿晶体管对中每个晶体管对的所述偏压设定为不同的亚阈值电压。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括调节所述至少一个交叉耦合补偿晶体管对的亚阈值偏压。

17.一种方法，包括：

将第一低噪音放大器级的谐振频率调节为第一频率，所述第一低噪音放大器级具有第一可变增益放大器级和第一可调带通滤波器；

将第二低噪音放大器级的谐振频率调节为第二频率，所述第二低噪音放大器级具有第二可变增益放大器级和第二可调带通滤波器，所述第二频率相对于所述第一频率存在偏移；以及

对所述第一可调低通滤波器和所述第二可调带通滤波器中的交叉耦合补偿晶体管对施以亚阈值范围偏压，以便在出现大信号时提供补偿跨导。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一频率和所述第二频率是根据期望的信道频率来进行选择。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括调节所述第一、第二带通滤波器的品质因数Q，以获得期望的总带宽和相邻信道抑制比。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一、第二带通滤波器谐振频率的调节步骤包括：

调节所述交叉耦合晶体管的偏压点，从而在各自的带通滤波器中诱导产生振荡；

测量所述振荡的谐振频率；以及

调节各自的带通滤波器的所述谐振频率。