CN109075747B - 放大器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于接收机电路(15)的放大器(30)。放大器具有输入节点(Vin)和输出节点(Vout)。它包括连接到输出节点(Vout)的可调谐振荡器电路(100)、连接在输出节点(Vout)和输入节点(Vin)之间的反馈电路路径(200)，以及连接在反馈电路路径(200)的内部节点和参考电压节点之间的可调谐电容器(210)。还公开了接收机电路和通信装置。

Description

放大器
技术领域
本发明涉及放大器电路。
背景技术
无线接收机电路用于许多不同的应用中，诸如蜂窝通信。由无线接收机电路接收的信号可能相对较弱并且需要被放大。因此，放大器通常被包括在无线接收机电路中。这种放大器不应该向所接收的信号加入太多噪声。因此，通常使用所谓的低噪声放大器(LNA)来实现此目的。
一些现有的无线通信系统，诸如第四代(4G)和第五代(5G)蜂窝通信系统，所使用的信号带宽通常相对较大，诸如数十或数百MHz。此外，应该可以在相对较大的频率范围内调谐接收机中心频率。接收机放大器(诸如LNA)的设计中的一个挑战性任务是实现具有足够频率带宽的输入阻抗匹配。应该优选地获得这种相对宽带输入阻抗匹配，同时在LNA的其它参数方面(诸如增益和频率选择性)达到足够高的性能。
发明内容
本发明的实施例涉及用于接收机电路的放大器，诸如LNA，其具有连接到放大器的输出节点的可调谐振荡器电路，诸如LC电路。这种振荡器电路可以提供所需程度的频率选择性。放大器的实施例进一步包括输出节点和输入节点之间的反馈网络。这种反馈网络可以便于提供输入阻抗匹配。发明人已经认识到，在振荡器电路处生成的输出电压的相位在振荡器电路的谐振频率附近相对突然地改变。相对突然改变的相位对反馈产生影响，并且使满足输入阻抗匹配要求变得具有挑战性。例如，放大器的最大增益和最优输入阻抗匹配可能发生在不同的频率处，这是不希望的。因此，需要一些类型的调谐。发明人已经认识到，通过将反馈网络的反馈电路路径连接在输出节点和输入节点之间，并且通过将可调谐电容器连接在反馈电路路径的内部节点和参考电压节点(诸如大地或信号地线)之间，可以获得相对有效的调谐。该方法的优点是可以通过具有相对低Q值的诸如可调谐电容器的组件来获得可调谐性。这种组件通常比具有较高Q值的组件更容易且更便宜地制造。
根据第一方面，提供了一种用于接收机电路的放大器。放大器具有输入节点和输出节点。放大器包括连接到输出节点的可调谐振荡器电路。此外，放大器包括连接在输出节点和输入节点之间的反馈电路路径。此外，放大器包括连接在反馈电路路径的内部节点和参考电压节点之间的可调谐电容器。
在一些实施例中，反馈电路路径是无源电路。
反馈电路路径可以包括至少一个电阻器和至少一个电容器的串联连接。
在一些实施例中，所述至少一个电阻器是可调谐的。这便于输入阻抗的更进一步程度的微调。
在一些实施例中，所述至少一个电容器包括第一电容器，并且所述至少一个电阻器包括连接在输出节点和第一电容器之间的第一电阻器以及连接在第一电容器和输入节点之间的第二电阻器。所述内部节点可以是第一电容器和第二电阻器之间的节点。
放大器可以包括共源配置的第一晶体管。此外，放大器可以包括在第一晶体管和输出节点之间以共源共栅配置连接的第二晶体管。
根据第二方面，提供了一种用于接收机电路的差分放大器，该差分放大器包括根据前述任一权利要求所述的第一和第二放大器。第一和第二放大器可以共享一些组件，诸如振荡器电路。
根据第三方面，提供了一种接收机电路，该接收机电路包括根据第一方面的放大器或根据第二方面的差分放大器。
根据第四方面，提供了一种通信装置，该通信装置包括根据第三方面的接收机电路。
通信装置可以是用于蜂窝通信网络的无线通信设备。通信装置可以是用于蜂窝通信网络的无线基站。
其它实施例在从属权利要求中限定。应该强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括/包含”用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或它们的组合。
附图说明
本发明的实施例的其它目的、特征和优点将从以下详细描述中显而易见，参考附图，在附图中：
图1示出通信环境。
图2示出收发机电路。
图3-7示出放大器电路的电路图。
图8示出可调谐电阻器的实施方式。
图9示出可调谐电容器的实施方式。
图10示出仿真结果。
具体实施方式
图1示出在其中可以采用本发明的实施例的环境。在图1中，无线通信设备1与蜂窝通信系统的基站2进行无线通信。在图1中，无线通信设备1被示为移动电话。然而，这仅是示例。无线通信设备可以是配备有蜂窝通信能力的任何类型的设备，诸如台式计算机、膝上型计算机、蜂窝调制解调器或机器类型通信(MTC)设备。无线通信设备1和基站2是本公开中称为通信装置的示例。应当注意，除了蜂窝通信装置之外的其它通信装置，诸如用于无线局域网(WLAN)的终端和接入点，也可在本公开的范围内。
根据本公开的实施例，诸如上述那些的通信装置包括接收机电路。接收机电路可以是例如收发机电路的一部分。图2示出这种收发机电路10的示例。在图2中，收发机电路10包括被布置为连接到天线20的接收机电路15。在图2中，接收机电路15包括被布置为连接到天线20的射频(RF)滤波器25。在一些实施例中，RF滤波器25是带通滤波器。此外，在图2中，接收机电路15包括放大器30。下面更详细地描述放大器30的实施例。放大器30可以是例如通常被称为LNA的放大器。在图2中，接收机电路包括由本机振荡器(LO)信号驱动的下变频混频器35，其连接到放大器30的输出节点。下变频混频器35被配置为将从放大器30输出的RF信号下变频为基带频率或中频。此外，在图2中，接收机电路15包括滤波器40，该滤波器40被布置为从由混频器35输出的下变频信号中滤除不需要的信号分量。在一些实施例中，滤波器40是低通滤波器。此外，在图2中，接收机电路15包括模数转换器(ADC)45，该模数转换器(ADC)45被配置为将从滤波器40输出的经滤波的下变频信号转换到数字域。
如图2中所示，收发机电路10可以包括数字信号处理器(DSP)50，诸如基带处理器，其被配置为处理来自ADC 45的数字输出信号，例如以恢复所接收的数据。
还如图2中所示，收发机电路10可以包括发射机电路55，该发射机电路55被布置为连接到用于发射RF信号的天线60。DSP 50可以被配置为生成去往发射机电路55的输入数据。
接收机电路15的图仅仅是用于将放大器30的实施例置于上下文中的示例。放大器30的实施例也可以用在其它接收机架构中。应该提到的是，放大器30的实施例可以例如与接收机电路15的其它组件中的一些或所有一起集成在集成电路上。
图3示出放大器30的实施例。在图3中，放大器30具有输入节点Vin和输出节点Vout。此外，它包括连接到输出节点Vout的可调谐振荡器电路100。此外，它包括在输出节点Vout和输入节点Vin之间的反馈网络110。为了提供放大，通常在放大器中使用诸如晶体管的有源元件。图3中所示的放大器30的实施例包括共源配置的MOS(金属氧化物半导体)晶体管120。在图3中，晶体管120的栅极端子连接到输入节点Vin。其它类型的晶体管，诸如双极结型晶体管(BJT)也是可能的。此外，在图3中，放大器30包括在晶体管120和输出节点Vout之间以共源共栅配置连接的MOS晶体管130。晶体管130的栅极端子连接到偏置电压节点Vb2。在一些实施例中，可以省略共源共栅晶体管120。其它实施例可包括多于一个的共源共栅晶体管。
如图3中所示，放大器30可以包括连接在晶体管120的源极之间的源极-负反馈(source-degeneration)电感器140。它还可以包括连接在输入节点Vin和偏置电压节点Vb1之间的偏置电阻器150。图3还示出了一些电抗组件，诸如在输入节点Vin和前面的组件(诸如滤波器25(图2))之间的电感器160以及与电感器160串联连接的电容器170。这种电抗组件160、170便于放大器30的输入阻抗匹配。
发明人已经认识到，在振荡器电路中生成的输出电压的相位在振荡器电路的谐振频率附近相对突然地改变。相对突然改变的相位对反馈产生影响，并且使满足输入阻抗匹配要求变得具有挑战性。在具有相对高的带宽(诸如在GHz范围内)和具有相对高的载波频率(诸如几十GHz，例如如将来可能会用于5G系统)的应用中，这可能是特别具有挑战性的。例如，放大器的最大增益和最优输入阻抗匹配可能发生在不同的频率处，这是不希望的。因此，需要一些类型的调谐。图4示出由发明人提供的反馈网络110的有利实施方式。它包括连接在输出节点Vout和输入节点Vin之间的反馈电路路径200。此外，它包括连接在反馈电路路径200的内部节点和参考电压节点(诸如大地或信号地线)之间的可调谐电容器210。
可调谐电容器210便于补偿在振荡器电路100的谐振频率附近的输出电压的相对突然改变的相位。它使得能够调谐放大器30，以使得例如放大器30的最大增益和放大器30的最优输入阻抗匹配可以在频率上调谐，以在基本上相同的频率发生。此外，仿真已经表明电容器210可以以相对低的Q值实现，同时仍然提供该所需的可调谐性。这是有利的，因为可以使用相对小的组件以相对低的成本获得可调谐性。
发明人进一步认识到，反馈电路路径200可以被实现为无源电路。使用无源反馈电路路径使得获得相对高增益和稳定性的组合相对容易，如果将使用有源反馈电路路径，则这可能是非常具有挑战性的设计目标。此外，无源反馈电路通常不需要任何复杂的偏置电路。然而，在反馈电路路径中具有有源组件的实施例中也可以获得所需的输入阻抗匹配。
例如，可以使用至少一个电阻器和至少一个电容器的串联连接来实现反馈电路路径。这在图5中以实施例示出，其中所述至少一个电容器包括第一电容器240，并且所述至少一个电阻器包括连接在输出节点Vout和第一电容器240之间的第一电阻器220，以及连接在第一电容器240和输入节点Vin之间的第二电阻器230。此外，在图5中，电容器210所连接的内部节点是在第一电容器240和第二电阻器230之间的节点。
如图5中所示，该至少一个电阻器(例如，220、230)也可以是可调谐的。这提供了进一步程度的可调谐性，以便于采用相对便宜和小的组件来实现的输入阻抗的调谐。
图6示出可调谐振荡器电路100的实施例。从图6中可以看出，可调谐振荡器电路100可以包括并联LC电路，该并联LC电路包括与电感器260并联连接的电容器250。如图6中进一步说明的那样，可以通过使电容器250可调谐来提供振荡器电路100的可调谐性，从而可以调谐振荡器电路100的谐振频率。优选地，振荡器电路的谐振频率被调谐到所需信号频带的中心频率附近。
如图6中进一步所示，振荡器电路100可以包括采用互感M磁耦合到电感器260的另一电感器270。与其中单独使用电感器260而没有附加电感器270的实施例相比，这种解决方案可以以更小的电感器线圈提供振荡器电路的所需总电感。电感器260和270分别形成变压器的初级和次级绕组。在示例实施例中，电感器270的节点S1和S2用于驱动接收机电路15中的后续级，而节点S0连接到偏置电压节点。
根据一些实施例，放大器30中的两个放大器组合成差分放大器。当然，这种差分放大器可以用在接收机电路中，例如，作为差分LNA。在图7中示出了这种实施例的示例。图7中示出的差分放大器的实施例可以被视为图6中示出的放大器30的实施例的差分版本。组件110a、120a、130a、140a、150a、160a、170a、200a和210a对应于组成差分放大器的两个放大器中的第一放大器的组件110、120、130、140、150、160、170、200和210(图6)。类似地，组件110b、120b、130b、140b、150b、160b、170b、200b和210b对应于组成差分放大器的两个放大器中的第二放大器的组件110、120、130、140、150、160、170、200和210(图6)。在图7中，差分放大器包括共用振荡器电路100。然而，在其它实施例中，对于组成差分放大器的两个放大器可以有单独的振荡器电路。节点Vina和Vinb组成差分输入端口。类似地，输出节点Vouta和Voutb组成差分输出端口。
图8示出可调谐电阻器400的可能实施方式。其示出了可调谐电阻器400可以用多个并联连接的可切换电阻器实现，每个电阻器包括与开关420-i串联的电阻器410-i。如电子电路设计的技术人员将容易理解的，通过选择开关420-i中的哪些闭合以及哪些打开，可调谐电阻器400的总电阻可以被调谐到所需值。开关420-i可以例如用数字控制字来控制，其中控制字的每个位控制开关420-i中唯一的一个开关。可以以该方式设计本公开中讨论的任何可调谐电阻器。
以类似的方式，图9示出可调谐电容器的可能实施方式。其示出了可调谐电容器500可以用多个并联连接的可切换电容器来实现，每个电容器包括与开关520-i串联的电容器510-i。如电子电路设计的技术人员将容易理解的，通过选择开关520-i中的哪些闭合以及哪些打开，可调谐电容器500的总电容可以被调谐到所需值。开关520-i可以例如用数字控制字来控制，其中控制字的每个位控制开关520-i中唯一的一个开关。可以以该方式设计本公开中讨论的任何可调谐电容器。
图10示出根据仿真示例，从反馈网络110到输入节点Vin的反馈电流的相位如何随着电容器210的频率和电容C而变化。在仿真示例中，已经使用了图5的电路拓扑，并且已经使用具有50Ω输出电阻的RF AC电压源来馈送电容器170的左节点。曲线的定量行为自然取决于电路组件的组件参数值。例如针对给定的需求规范的这种组件参数值的基于电路仿真的选择被认为是模拟RF电路设计领域的技术人员的日常任务，并且在此不再进一步详细讨论。在本公开的上下文中，可以从图10中做出的有趣观察是曲线的定性行为。曲线中的一条曲线被标记为C＝0。其中电容器210的电容C为0的该情况对应于不存在电容器210的情况。可以观察到，在振荡器电路100的谐振频率(其在该仿真中约为30GHz)周围存在相对突然的相位变化。该相对突然的相位变化使得难以在相对窄的频率范围内实现良好的输入阻抗匹配。此外，最优输入阻抗匹配可以在与振荡器电路100的谐振频率不同的另一频率处发生，特别是在接收机电路15可调谐到不同频带的应用中，并且因此，振荡器电路100可调谐到不同的谐振频率。随着C的值增加，可以观察到相位变化减小，这使得在更宽的频率范围内输入阻抗匹配可行。此外，可以调谐C的值，使得在振荡器电路100的中心频率处提供最优或至少足够好的输入阻抗匹配。如上所述，可以使用具有相对低Q值的可调谐组件获得这种调谐。
上面已经参考具体实施例描述了本发明。然而，在本公开的范围内，除了上述之外的其它实施例也是可能的。实施例的不同特征可以以除了所描述的那些特征之外的其它组合进行组合。

Claims (14)

1.一种用于接收机电路(15)的放大器(30)，其中，所述放大器具有输入节点(Vin)和输出节点(Vout)，所述放大器包括：
可调谐振荡器电路(100)，其连接到所述输出节点(Vout)，其中，所述可调谐振荡器电路是在具有多个频带的频率范围上可调谐的，其中，所述频带中的每一个具有多个中心频率中的相应中心频率；
反馈电路路径(200)，其连接在所述输出节点(Vout)和所述输入节点(Vin)之间；以及
可调谐电容器(210)，其连接在所述反馈电路路径(200)的内部节点和参考电压节点之间，其中，所述可调谐电容器被配置为：对应于所述可调谐振荡器电路的并行调谐，在多个电容值上是动态可调谐的，其中，所述电容值中的每个电容值被配置为使得：当所述可调谐振荡器电路被调谐到所述多个中心频率中的所述相应中心频率时所述放大器具有预定输入阻抗。
2.根据权利要求1所述的放大器(30)，其中，所述反馈电路路径(200)是无源电路。
3.根据权利要求1或2所述的放大器(30)，其中，所述反馈电路路径(200)包括至少一个电阻器(220，230)和至少一个电容器(240)的串联连接。
4.根据权利要求3所述的放大器(30)，其中，所述至少一个电阻器(220，230)是可调谐的。
5.根据权利要求3所述的放大器(30)，其中，所述至少一个电容器(240)包括第一电容器(240)，所述至少一个电阻器包括连接在所述输出节点(Vout)和所述第一电容器(240)之间的第一电阻器(220)以及连接在所述第一电容器(240)和所述输入节点(Vin)之间的第二电阻器(230)。
6.根据权利要求4所述的放大器(30)，其中，所述至少一个电容器(240)包括第一电容器(240)，所述至少一个电阻器包括连接在所述输出节点(Vout)和所述第一电容器(240)之间的第一电阻器(220)以及连接在所述第一电容器(240)和所述输入节点(Vin)之间的第二电阻器(230)。
7.根据权利要求5或6所述的放大器(30)，其中，所述内部节点是在所述第一电容器(240)和所述第二电阻器(230)之间的节点。
8.根据权利要求1至2和4至6中任一项所述的放大器(30)，包括共源配置的第一晶体管(120)。
9.根据权利要求8所述的放大器(30)，包括在所述第一晶体管(120)和所述输出节点(Vout)之间以共源共栅配置连接的第二晶体管(130)。
10.一种用于接收机电路(15)的差分放大器，包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和所述第二放大器每一个是根据权利要求1至9中任一项所述的放大器(30)。
11.一种接收机电路(15)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的放大器(30)或根据权利要求10所述的差分放大器。
12.一种通信装置，包括根据权利要求11所述的接收机电路。
13.根据权利要求12所述的通信装置，其中，所述通信装置是用于蜂窝通信网络的无线通信设备。
14.根据权利要求12所述的通信装置，其中，所述通信装置是用于蜂窝通信网络的无线基站。
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