CN107204754A - 一种主动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动电路，包含主动组件、输入单元及旁路单元。主动组件耦接至主动电路的输出端，并用以输出输出信号。输入单元耦接于主动电路的输入端，并经由节点耦接于主动组件的输入端。输入单元根据第一控制信号调整输入单元的电容值。旁路单元经由节点耦接于输入单元的输出端，并耦接于主动电路的输出端。旁路单元根据第二控制信号导通或截止信号旁路。

Description

一种主动电路
技术领域
本发明涉及一种主动电路，特别是一种能够在旁路模式下，维持阻抗匹配的主动电路。
背景技术
主动电路常可用来增进前一级电路输出的信号的强度或质量，并供给下一级电路使用。然而在某些使用情境下，例如主动电路离前一级电路的信号源的距离足够接近的情况下，主动电路所接收到的信号强度或质量本身可能就已经足够良好，而可直接供给下一级的电路使用。此时，为了避免不必要的电能损耗，主动电路可能会启动旁路模式，并将接收到的信号通过主动电路中的信号旁路直接输出，如此一来，即可失能主动电路中的主动组件，以减少电能损耗。
然而，在主动组件的阻抗原已设计为与信号路径互相匹配的情况下，当主动电路启动旁路模式而失能主动组件时，可能会因为主动组件的负载效应(loading effect)导致信号路径上的负载不相匹配，造成输出信号的强度或质量下降的问题。因此有必要设计一种主动电路，使其能够在旁路模式下，维持与信号路径的阻抗相匹配，以避免输出信号的强度或质量下降。
发明内容
本发明的一实施例提供一种主动电路，主动电路包含主动组件、输入单元及旁路单元。主动组件具有输入端及输出端，主动组件的输出端耦接至主动电路的输出端，并用以输出输出信号。输入单元具有输入端及输出端，输入单元的输入端耦接于主动电路的输入端，而输入单元的输出端经由节点耦接于主动组件的输入端，输入单元可根据第一控制信号调整输入单元的电容值。输入单元包含第一开关，第一开关具有第一端、第二端及控制端，第一开关的控制端接收第一控制信号。旁路单元具有输入端及输出端，旁路单元的输入端经由节点耦接于输入单元的输出端，旁路单元的输出端耦接于主动电路的输出端。旁路单元根据第二控制信号导通或截止信号旁路。旁路单元包含第二开关，第二开关具有第一端、第二端及控制端，第二开关的控制端接收第二控制信号。
本发明的另一实施例提供一种主动电路。主动电路包含主动组件、输入单元、旁路单元及第三开关。主动组件具有输入端及输出端，主动组件的输出端用以输出输出信号。输入单元具有输入端及输出端，输入单元的输入端耦接于主动电路的输入端，而输入单元的输出端经由节点耦接于主动组件的输入端，输入单元可根据第一控制信号调整输入单元的电容值。输入单元包含第一开关，第一开关具有第一端、第二端及控制端，第一开关的控制端接收第一控制信号。旁路单元耦接于输入单元与主动电路的输出端之间，具有输入端及输出端，旁路单元的输入端经由节点耦接于输入单元的输出端，而旁路单元的输出端耦接于主动电路的输出端，旁路单元可根据第二控制信号导通或截止信号旁路。旁路单元包含第二开关，第二开关具有第一端、第二端及控制端，第二开关的控制端接收第二控制信号。第三开关耦接于主动组件与主动电路的输出端之间，具有第一端、第二端及控制端。第三开关的第一端耦接于主动组件的输出端，第三开关的第二端耦接于主动电路的输出端，而第三开关的控制端接收第三控制信号。第一开关的尺寸大于第二开关的尺寸，且第一开关的尺寸大于第三开关的尺寸。
本发明的实施例所提供的主动电路可以在旁路模式下，利用截止开关的等效电容来补偿信号路径上的虚部阻抗，使得射频信号在进入旁路单元或主动组件之前的阻抗能够被有效地降低，因而降低负载效应，进而维持主动电路的输出信号强度及质量。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是本发明所提供的一实施例的主动电路的结构示意图；
图2是本发明所提供的另一实施例的主动电路的结构示意图；
图3是本发明所提供的另一实施例的主动电路的结构示意图；
图4是本发明所提供的另一实施例的主动电路的结构示意图。
主要图示说明：
10 芯片
100、200、300、400 主动电路
110 主动组件
112 匹配电路
120 输入单元
130 旁路单元
IN 输入端
OUT 输出端
GND 地端
VDD 系统电压
M1 第一晶体管
M2 第二晶体管
N 节点
SW1 第一开关
SW2 第二开关
SW3 第三开关
SW4 第四开关
SW5 第五开关
C1 第一电容
C2 第二电容
C3 第三电容
C4 第四电容
CM1、CM2 匹配电容
Lg、L1 电感
SIGRF 射频信号
SIGCTRL1 第一控制信号
SIGCTRL2 第二控制信号
SIGCTRL3 第三控制信号
SIGCTRL4 第四控制信号
SIGCTRL5 第五控制信号
V1 第一电压
Vref 参考电压
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
图1为本发明一实施例的主动电路100，主动电路100包含主动组件110、输入单元120及旁路单元130。
在图1的实施例中，主动电路100可作为无线射频信号接收端，而主动组件110则为可放大射频信号SIGRF的低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)。在此实施例中，图1的主动电路100可经由电感Lg接收射频信号SIGRF，电感Lg的电感值与主动组件110中的阻抗可设计成互相匹配，使得主动电路100在主动模式下，能够减少信号反弹，并使主动组件110能够放大射频信号SIGRF。在本发明的部分实施例中，主动电路100是设置于芯片10内，而电感Lg则是设置于芯片10的外部，并耦接至主动电路100之输入端IN。
主动组件110具有输入端及输出端，主动组件110的输出端耦接至主动电路100的输出端OUT，且主动组件110的输出端可输出输出信号。在此实施例中，主动组件110可包含第一晶体管M1、第二晶体管M2、电感L1及匹配电路112。
第一晶体管M1具有第一端、第二端及控制端，第一晶体管M1的控制端耦接于主动组件110的输入端。第二晶体管M2具有第一端、第二端及控制端，第二晶体管M2的第一端耦接于主动组件110的输出端，第二晶体管M2的第二端耦接于第一晶体管M1的第一端，而第二晶体管M2的控制端则可接收参考电压Vref。电感L1耦接于第一晶体管M1的第二端与地端GND之间，电感L1具有第一端及第二端，电感L1的第一端耦接于第一晶体管M1的第二端，而电感L1的第二端耦接于地端GND。匹配电路112具有第一端及第二端，匹配电路112的第一端可接收系统电压VDD，而匹配电路112的第二端则可耦接于第二晶体管M2的第一端。主动组件110可通过调整匹配电路112中的被动组件，例如电感或电阻，来调整主动组件110所需的阻抗。在本发明的部分实施例中，若系统电压VDD为1.8V至3.3V，则参考电压Vref可为1.5V至3.3V。
此外，在本发明的其他实施例中，根据系统需求和主动电路100功能的不同，主动组件110亦可为功率放大器(power amplifier，PA)、混频器(mixer)或其他主动组件。
输入单元120具有输入端及输出端，输入单元120的输入端耦接于主动电路100的输入端IN，而输入单元120的输出端则经由节点N耦接于主动组件110的输入端，输入单元120可根据第一控制信号SIGctrl1调整输入单元120的电容值。输入单元120包含第一开关SW1，第一开关SW1具有第一端、第二端及控制端，第一开关SW1的控制端可接收第一控制信号SIGctrl1。
旁路单元130具有输入端及输出端，旁路单元130的输入端经由节点N耦接于输入单元120的输出端，而旁路单元130的输出端则耦接于主动电路100的输出端OUT，旁路单元130可根据第二控制信号SIGctrl2导通或截止信号旁路。信号旁路可由节点N经由旁路单元130与主动电路100的输出端OUT的信号路径所形成。旁路单元130包含第二开关SW2，第二开关具有第一端、第二端及控制端，第二开关SW2的控制端可接收第二控制信号。在本发明的部分实施例中，第一开关SW1及第二开关SW2皆可为金氧半场效晶体管。
在主动电路的主动模式下，第一控制信号SIGctrl1会导通第一开关SW1，且第二控制信号SIGctrl2截止第二开关SW2，此时主动组件110可以放大射频信号SIGRF。在主动电路的旁路模式下，第一控制信号SIGctrl1会截止第一开关SW1使得第一开关SW1成为等效电容Ce，且第二控制信号SIGctrl2则可导通第二开关SW2，此时射频信号SIGRF可在不通过主动组件110的情况下，直接经由旁路单元130输出至主动电路100的输出端OUT，而等效电容Ce则可以补偿主动组件110所造成的负载效应。
换言之，在主动电路100的旁路模式下，第一开关SW1会被截止，第二开关SW2会被导通，此时主动组件110中的第一晶体管M1的闸极-源极电容可能会造成负载效应，然而因为第一开关SW1被截止后会成为等效电容Ce，因此可以与电感Lg的虚部阻抗互相抵消，进而减少第一晶体管M1的闸极-源极电容所造成的负载效应的影响。举例来说，若电感Lg的电感值为L，则其阻抗可表示为jωL，其中j表示虚部，此时若等效电容Ce的电容值为C，则其阻抗则可表示为此时，若不计信号路径上的其他电容，则射频信号SIGRF在通过电感Lg及等效电容Ce之后至节点N的阻抗可表示为因此若根据射频信号SIGRF的频率，选择适当的第一开关SW1的尺寸大小，即可使等效电容Ce与电感Lg互相匹配，并使得主动电路100在旁路模式下与节点N的虚部阻抗能够互相抵销。且由于旁路单元130的输入端会经由节点N耦接于输入单元120的输出端，因此第一晶体管M1所造成的负载效应会因为等效电容Ce先与电感Lg的虚部的阻抗相抵销，而减少其对于旁路单元130的影响。
换言之，主动电路100可以在旁路模式下，透过第一开关SW1被截止时的等效电容Ce来抵销外部电感Lg的虚部阻抗，进而减少第一晶体管M1的负载效应对主动电路100的影响，使得射频信号SIGRF能够顺利地经由旁路单元130输出至主动电路的输出端OUT。
此外，在图1的实施例中，输入单元120还可包含第一电容C1及第二电容C2以隔离接收信号中的直流电。第一电容C1具有第一端及第二端，第一电容C1的第一端耦接于主动电路100的输入端IN，而第一电容C1的第二端耦接于第一开关SW1的第一端。第二电容C2具有第一端及第二端，第二电容C2的第一端耦接于第一开关SW1的第二端，而第二电容C2的第二端经由节点N耦接于主动组件110的输入端。然而本发明并不以此为限，在本发明的其他实施例中，输入单元120亦可不包含第一电容C1及第二电容C2，抑或是只包含第一电容C1或第二电容C2。
相似地，旁路单元130也可包含第三电容C3及第四电容C4以隔离信号中的直流电。第三电容C3具有第一端及第二端，第三电容C3的第一端耦接于主动组件110的输入端，而第三电容C3的第二端耦接于第二开关SW2的第一端。第四电容C4具有第一端及第二端，第四电容C4的第一端耦接于第二开关SW2的第二端，而第四电容C4的第二端耦接于主动电路100的输出端OUT。在本发明的其他实施例中，旁路单元130亦可不包含第三电容C3及第四电容C4，抑或是只包含第三电容C3或第四电容C4。
在本发明的部分实施例中，当选择适当大小的第一开关SW1时，同时也可能会改变主动电路100的主动模式的特性，例如噪声指数(Noise Figure)，抑或改变所需的电路面积，因此必须有所取舍。为了能够更自由地选择第一开关SW1，在本发明的部分实施例中，主动电路100还可包含其他的匹配电容。
图2为本发明一实施例的主动电路200的示意图，主动电路200与主动电路100具有相似的架构及操作原理，两者主要的差别在于主动电路200还包含了匹配电容CM1，匹配电容CM1与输入单元120并联。匹配电容CM1具有第一端及第二端，匹配电容CM1的第一端耦接于主动电路100的输入端IN，而匹配电容CM1的第二端则经由节点耦接至旁路单元130。由于匹配电容CM1与输入单元120并联，因此在主动电路200的旁路模式下，匹配电容CM1可与第一开关SW1的等效电容Ce共同用以与外部电感Lg的虚部阻抗相抵消。举例来说，若射频信号SIGRF的频率为2.6GHz至2.7GHz，电感Lg的电感值为8.2nH，第三电容C3及第四电容C4的电容值皆为10pF，而第一晶体管M1的闸极-源极电容的电容值为0.2pF，此时，可选择等效电容Ce的等效电容值为0.4pF的第一开关SW1，并选择电容值为40fF的匹配电容，如此一来，匹配电容CM1与第一开关SW1并联后，即可与外部电感Lg的虚部阻抗相抵消。
图3为本发明一实施例的主动电路300的示意图，主动电路300与主动电路100具有相似的架构及操作原理，两者主要的差别在于主动电路300还包含了匹配电容CM2。匹配电容CM2与输入单元120串联，并经由节点N耦接至旁路单元130，亦即匹配电容CM2串联于输入单元120与旁路单元130之间。换言之，透过适当地选择匹配电容CM2，即可使得匹配电容CM2与第一开关SW1在串联后，与外部电感Lg的虚部阻抗相抵消。也就是说，透过主动电路200或300的匹配电容CM1及CM2，使用者即无须严格限定第一开关SW1的尺寸以调整其等效电容，而仍可避免第一晶体管M1的负载效应影响输出信号的强度或质量。在本发明的另一实施例中，匹配电容CM2可串联于主动电路100的输入端IN与输入单元120的输入端之间。
此外，在主动电路300中，当匹配电容CM2与输入单元120串联时，匹配电容CM2亦可与电感Lg同样设置于主动电路300的外部，抑或芯片10的外部。
图4为本发明一实施例的主动电路400的示意图，主动电路400与主动电路100具有相似的架构及操作原理，两者主要的差别之一在于主动电路400还包含了第三开关SW3。第三开关SW3耦接于主动组件110与主动电路400的输出端OUT之间。第三开关SW3具有第一端、第二端及控制端，第三开关SW3的第一端耦接于主动组件110的输出端，第三开关SW3的第二端耦接于主动电路400的输出端OUT，而第三开关SW3的控制端可接收第三控制信号SIGctrl3。
在主动电路400的主动模式下，第三控制信号SIGctrl3可导通第三开关SW3，使得射频信号SIGRF能够经由主动组件110输出至主动电路400的输出端OUT。而于主动电路400的旁路模式下，第三控制信号SIGctrl3会截止第三开关SW3，避免自旁路单元130输出的射频信号SIGRF流入主动组件110，造成主动组件110的误动作。
在本发明的部分实施例中，为了使第一开关SW1被截止后的等效电容Ce能够与电感Lg的虚部阻抗相抵消，第一开关SW1的尺寸会大于第二开关SW2的尺寸，且第一开关SW1的尺寸会大于第三开关SW3的尺寸。当然，在本发明的部分实施例中，主动电路400还可包含如主动电路200的匹配电容CM1及/或主动电路300的匹配电容CM2。
此外，主动电路400与主动电路100两者主要的差别之二在于主动电路400还包含了第四开关SW4。为了避免在旁路模式下，因为射频信号SIGRF的摆幅过大，导致主动组件110的第一晶体管M1被误导通，主动电路400还可包含第四开关SW4。第四开关SW4可耦接于主动组件110的第一晶体管M1与地端GND之间。第四开关SW4具有第一端、第二端及控制端，第四开关SW4的第一端耦接于主动组件110的第一晶体管M1的第二端，第四开关SW4的第二端耦接于地端GND，而第四开关SW4的控制端可接收第四控制信号SIGctrl4。在主动电路400的主动模式下，第四控制信号SIGctrl4会导通第四开关SW4，而在主动电路400的旁路模式下，第四控制信号SIGctrl4则会截止第四开关SW4。透过第四控制信号SIGctrl4将第四开关SW4截止，即可以避免第一晶体管M1因为射频信号SIGRF的摆幅过大而被误导通。
此外，为了进一步确保第四开关SW4会被截止，主动电路400还可以透过第五开关SW5使得第四开关SW4的第一端在旁路模式下保持在固定的第一电压V1，例如为1.55V，以确保第四开关SW4不会被误导通。
第五开关SW5具有第一端、第二端及控制端，第五开关SW5的第一端可接收第一电压V1，第五开关SW5的第二端耦接于第四开关SW4的第一端及主动组件110的第一晶体管M1的第二端，而第五开关SW5的控制端可接收第五控制信号SIGctrl5。在主动电路400的主动模式下，第五控制信号SIGctrl5会截止第五开关SW5，而在主动电路400的旁路模式下，第五控制信号SIGctrl5会导通第五开关SW5。如此一来，即可在旁路模式下，将第四开关SW4的第一端固定在较主动模式为高的第一电压V1，以避免第四开关SW4被射频信号SIGRF导通。
综上所述，本发明的实施例所提供的主动电路可以在旁路模式下，利用截止开关的等效电容来补偿信号路径上的虚部阻抗，使得射频信号在进入旁路单元或主动组件之前的阻抗能够被有效地降低，因而降低负载效应，进而维持主动电路的输出信号强度及质量。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种主动电路，其特征在于，该主动电路包含：
一主动组件，具有一输入端，及一输出端耦接至该主动电路的一输出端，用以输出一输出信号；
一输入单元，具有一输入端耦接于该主动电路的一输入端，及一输出端经由一节点耦接于该主动组件的该输入端，该输入单元用以根据一第一控制信号调整该输入单元的一电容值，该输入单元包含：
一第一开关，具有一第一端、第二端及一控制端，该第一开关的该控制端用以接收该第一控制信号；及
一旁路单元，具有一输入端经由该节点耦接于该输入单元的该输出端，及一输出端耦接于该主动电路的该输出端，该旁路单元用以根据一第二控制信号导通或截止一信号旁路，该旁路单元包含：
一第二开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，该第二开关的该控制端用以接收该第二控制信号。
2.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，其中：
在该主动电路的一主动模式下，该第一控制信号导通该第一开关，且该第二控制信号截止该第二开关；及
在该主动电路的一旁路模式下，该第一控制信号截止该第一开关以使该第一开关成为一等效电容，且该第二控制信号导通该第二开关。
3.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，其中该输入单元另包含：
一第一电容，具有一第一端耦接于该主动电路的该输入端，及一第二端耦接于该第一开关的该第一端；及
一第二电容，具有一第一端耦接于该第一开关的该第二端，及一第二端经由该节点耦接于该主动组件的该输入端。
4.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，其中该旁路单元另包含：
一第三电容，具有一第一端耦接于该主动组件的该输入端，及一第二端耦接于该第二开关的该第一端；及
一第四电容，具有一第一端耦接于该第二开关的该第二端，及一第二端耦接于该主动电路的该输出端。
5.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，该主动电路另包含：
一匹配电容，与该输入单元并联。
6.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，该主动电路另包含：
一匹配电容，串联于该输入单元与该旁路单元之间。
7.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，其中该主动组件包含一低噪声放大器、一功率放大器或混频器。
8.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，其中该主动组件包含：
一第一晶体管，具有一第一端，一第二端，及一控制端耦接于该主动组件的该输入端；及
一第二晶体管，具有一第一端耦接于该主动组件的该输出端，一第二端耦接于该第一晶体管的该第一端，及一控制端用以接收一参考电压。
9.如权利要求8所述的主动电路，其特征在于，其中该主动组件另包含：
一电感，耦接于该第一晶体管的该第二端与一地端之间，具有一第一端耦接于该第一晶体管的该第二端，及一第二端耦接于该地端；
一匹配电路，耦接于该第二晶体管的该第一端。
10.如权利要求8所述的主动电路，其特征在于，其中该主动电路另包含：
一第四开关，耦接于该主动组件的该第一晶体管与一地端之间，具有一第一端耦接于该主动组件的该第一晶体管的该第二端，一第二端耦接于该地端，及一控制端用以接收一第四控制信号；
其中：
在该主动电路的一主动模式下，该第四控制信号导通该第四开关；及
在该主动电路的一旁路模式下，该第四控制信号截止该第四开关。
11.如权利要求10所述的主动电路，其特征在于，该主动电路另包含：
一第五开关，具有一第一端用以接收一第一电压，一第二端耦接于该第四开关的该第一端及该主动组件的该第一晶体管的该第二端，及一控制端用以接收一第五控制信号；
其中：
在该主动电路的该主动模式下，该第五控制信号截止该第五开关；及
在该主动电路的该旁路模式下，该第五控制信号导通该第五开关。
12.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，该主动电路另包含：
一第三开关，耦接于该主动组件与该主动电路的该输出端之间，具有一第一端耦接于该主动组件的该输出端，一第二端耦接于该主动电路的该输出端，及一控制端用以接收一第三控制信号；
其中：
在该主动电路的一主动模式下，该第三控制信号导通该第三开关；及
在该主动电路的一旁路模式下，该第三控制信号截止该第三开关。
13.如权利要求1所述的主动电路，其特征在于，其中该主动电路设置于一芯片内，且该主动电路的该输入端耦接于该芯片外部的一电感。
14.一种主动电路，其特征在于，该主动电路包含：
一主动组件，具有一输入端，及一输出端用以输出一输出信号，
一输入单元，具有一输入端耦接于该主动电路的一输入端，及一输出端经由一节点耦接于该主动组件的该输入端，该输入单元用以根据一第一控制信号调整该输入单元的一电容值，该输入单元包含：
一第一开关，具有一第一端、第二端及一控制端，该第一开关的该控制端用以接收该第一控制信号；
一旁路单元，耦接于该输入单元的该输出端与该主动电路的一输出端之间，具有一输入端经由该节点耦接于该输入单元的该输出端，及一输出端耦接于该主动电路的该输出端，该旁路单元用以根据一第二控制信号导通或截止一信号旁路，该旁路单元包含：
一第二开关，具有一第一端、一第二端，及一控制端用以接收该第二控制信号；及
一第三开关，耦接于该主动组件的该输出端与该主动电路的该输出端之间，具有一第一端耦接于该主动组件的该输出端，一第二端耦接于该主动电路的该输出端，及一控制端用以接收一第三控制信号；
其中：该第一开关的尺寸大于该第二开关的尺寸，且该第一开关的尺寸大于该第三开关的尺寸。
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