CN109863694B - 具有相位可编程的增益级的低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

具有相位可编程的增益级的低噪声放大器。在一些实施例中，射频放大器可包括输入节点、输出节点、和被实施在所述输入节点和所述输出节点之间的相位可编程的增益级。所述相位可编程的增益级可配置成以多个增益设定中的一个来操作，并且提供在所述多个增益设定中的每个对信号的期望相位。

Description

具有相位可编程的增益级的低噪声放大器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月30日递交的、名称为“LOW-NOISE AMPLIFIER HAVINGPROGRAMMABLE-PHASE GAIN STAGE”的美国临时申请No.62/381,353的优先权，其公开内容以引用的方式全部合并于此。
技术领域
本申请涉及射频放大器，例如低噪声放大器。
背景技术
在射频(RF)应用中，放大器用于放大信号。为了发射，信号通常由功率放大器放大，从而经放大的信号通过天线以期望的功率发射。为了接收，通过天线接收的相对弱的信号通常由低噪声放大器放大。几乎不具有或没有噪声增加的经放大的信号进一步由接收器电路处理。
发明内容
根据一些实施方式，本申请涉及一种射频(RF)放大器，其包括输入节点、输出节点、和实施在所述输入节点和所述输出节点之间的相位可编程的增益级。所述相位可编程的增益级配置成在多个增益设定中的一个下进行操作，并且提供在所述多个增益设定中的每一个对RF信号的期望相位。
在一些实施例中，所述射频放大器可以是低噪声放大器(LNA)。所述低噪声放大器可以实施为共源共栅配置(cascode configuration)，其具有输入级和共源共栅级，其中所述相位可编程的增益级实施为至少所述输入级。
在一些实施例中，在所述多个增益设定中的每个的期望相位可以选定为在所述多个增益设定中提供大致恒定的相位。
在一些实施例中，所述相位可编程的增益级可以包括一个或多个晶体管，每个所述晶体管具有栅极，用于接收所述RF信号；源极，其耦接到地；和漏极，其用于输出经放大的RF信号，使得所述晶体管包括有效输入电阻、有效输入电感L和有效栅-源电容Cgs。所述相位可编程的增益级包括多个以电并联配置方式实施的晶体管，其中每个晶体管具有Cgs值，使得不同的净Cgs值通过所述晶体管中的一个或多个的操作来获得，并且所述不同的净Cgs值提供不同的相位。
在一些实施例中，所述相位可编程的增益级可还包括开关，所述开关实施在每个晶体管的所述漏极处以控制所述晶体管的操作。所述相应晶体管的Cgs值可至少部分地由所述晶体管的W/L大小来获得。
在一些实施例中，所述多个晶体管可配置成使得一个晶体管可在最低的增益设定下操作，并且附加的晶体管可针对每个增大的增益设定进行操作。至少一个晶体管的所述W/L大小可确定成相当程度地不同于其它晶体管的W/L大小，以对由所述至少一个晶体管特定的增益设定导致的次级效应提供相位补偿。对所述至少一个晶体管特定的增益设定可以是最低增益设定，并且所述相应的晶体管的W/L大小可以相当程度地小于其它晶体管的W/L大小。
在一些实施例中，所述相位可编程的增益级的至少一个晶体管可以配置成使得它的有效输入电感L包括可变电感。所述可变电感可以配置成包括一系列L值以获得在所述多个增益设定中的每个对所述RF信号的期望相位。
在一些实施例中，所述相位可编程的增益级的至少一个晶体管可以配置成包括位于栅极和源极之间的可变电容。所述可变电容可以配置成提供一系列Cgs值以获得在所述多个增益设定中的每个对所述RF信号的期望相位。
在一些教导中，本申请涉及一种用于放大射频(RF)信号的方法。所述方法包括将增益级配置成处于多个设置中所选择的一个中，其中至少一些所述增益设定导致用于所述射频信号的不同相位。所述方法还包括针对所述选择的增益设定，调整所述射频信号的相位，其中所述调整的相位是从所述不同相位调整的期望相位的一部分。
在一些实施例中，所述增益级可以是低噪声放大器(LNA)的一部分。在一些实施例中，所述期望的相位可导致在所述多个增益设定中近似恒定的相位。
在一些实施例中，所述相位的调整可以包括调整所述增益级的晶体管的有效输入电感L和有效栅-源电容Cgs中的一个或多个，其中所述增益级的晶体管具有栅极，用于接收所述射频信号；源极，其耦接到地；和漏极，其用于输出经放大的射频信号。所述相位的调整可以包括操作多个以电并联配置的晶体管，其中每个晶体管具有Cgs值使得不同的净Cgs值通过操作所述晶体管中的一个或多个来获得，并且所述不同的净Cgs值提供不同的相位。所述多个晶体管的操作可以包括在每个晶体管的漏极处执行开关操作，以控制所述晶体管的操作。
在一些实施例中，所述相位的调整可以包括调整所述有效输入电感L。所述有效输入电感L的调整可以包括调整可变电感。
在一些实施例中，所述相位的调整可以包括调整所述有效的栅-源电容Cgs。所述有效的栅-源电容Cgs的调整可以包括对实施在所述晶体管的所述栅极和所述源极之间的可变电容进行调整。
在一些实施方式中，本申请可以包括一种具有射频(RF)电路的半导体晶片(die)。所述半导体晶片包括衬底和被实施在所述衬底上的RF放大器。所述RF放大器包括相位可编程的增益级，其配置成在多个增益设定中的一个中操作，并提供在所述多个增益设定中的每一个对RF信号的期望相位。
在一些实施例中，所述衬底可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底。在一些实施例中，所述RF放大器可以是低噪声放大器(LNA)。
在一些实施方式中，本申请涉及一种射频(RF)模块，其包括封装衬底，配置成收纳多个部件；和RF放大器，实施在所述封装衬底上。所述放大器包括相位可编程的增益级，其配置成在多个增益设定中的一个中操作，并提供在所述多个增益设定中的每个对RF信号的期望相位。
在一些实施例中，所述RF放大器可实施在半导体晶片上，所述半导体晶片安装在所述封装衬底上。所述RF放大器可以是低噪声放大器(LNA)。所述RF模块可以是分集接收(DRx)模块。
在多个教导中，本申请涉及一种无线装置，所述无线装置包括天线，其配置成至少接收射频(RF)信号；和RF放大器，其与所述天线通信。所述RF放大器包括相位可编程的增益级，其配置成在多个增益设定中的一个中操作，并提供在所述多个增益设定中的每一个对所述RF信号的期望的相位。所述无线装置还包括收发器，其配置成处理来自所述RF放大器的具有期望相位的经放大的RF信号。
在一些实施例中，所述无线装置是蜂窝电话，其配置成包括在接收操作中的不同增益。
根据一些教导，本申请涉及一种包括可变增益级的信号放大器，所述可变增益级配置成提供多个增益电平，所述多个增益电平导致不同的相移，所述相移被引入到通过所述可变增益级的相应信号。所述可变增益级包括多个可切换的放大支路，每个所述可切换的放大支路能够被激活，使得所述被激活的放大支路中的一个或多个提供所选择的补偿相移。
在一些实施方式中，本申请涉及一种半导体晶片，其包括衬底和信号放大器，所述信号放大器实施在所述衬底上，并且具有可变增益级，所述可变增益级配置成提供多个增益电平，所述多个增益电平导致不同的相移，所述不同的相移被引入到通过所述可变增益级的相应信号。所述可变增益级包括多个可切换的放大支路，每个所述可切换的放大支路能够被激活，使得所述被激活的放大支路中的一个或多个提供所选择的补偿相移。
在一些实施方式中，本申请涉及一种射频模块，所述射频模块包括封装衬底，其配置成收纳多个部件；和信号放大器，其实施在所述封装衬底上。所述信号放大器包括可变增益级，所述可变增益级配置成提供多个增益电平，所述多个增益电平导致不同的相移，所述不同的相移被引入到通过所述可变增益级的相应信号。所述可变增益级包括多个可切换的放大支路，每个所述可切换的放大支路能够被激活，使得所述被激活的放大支路中的一个或多个提供所选择的补偿相移。
根据一些教导，本申请涉及一种无线装置，所述无线装置包括天线和与所述天线通信的信号放大器。所述信号放大器包括可变增益级，所述可变增益级配置成提供多个增益电平，所述多个增益电平导致不同的相移，所述不同的相移被引入到通过所述可变增益级的相应信号。所述可变增益级包括多个可切换的放大支路，每个所述可切换的放大支路能够被激活，使得所述被激活的放大支路中的一个或多个提供所选择的补偿相移。所述无线装置还包括收发器，其配置成处理来自所述信号放大器的经放大的信号。
为了概述本申请的目的，本文已经描述了本发明的某些方面、优点和新颖的特征。应理解的是，根据本发明的任意特定实施方式不一定可以实现所有这样的优点。因此，本发明可以以如这里教导或建议的实现或优化一个优点或一组优点的方式体现或完成，但不必然得到如这里可能教导或建议的其它优点。
附图说明
图1描绘了具有一个或多个放大晶体管和相位补偿电路的射频(RF)放大器。
图2A示出了具有如本文中所描述的一个或多个特征的低噪声放大器(LNA)可包含以共源共栅配置实施的第一晶体管和第二晶体管。
图2B示出图2A的LNA可如何操作以提供多个不同增益的示例。
图3示出了被配置为共源共栅放大器但没有相位补偿电路的典型LNA。
图4示出了可以如何将图3的LNA的RF级表示为RLC电路的示例。
图5示出了图3和图4的电容Cgs可以作为供电电流Idd的函数而改变。
图6示出相位可如何归因于电容Cgs的改变而改变的示例。
图7示出在一些实施例中，LNA可包括相位补偿电路，所述相位补偿电路是通过提供多个RF级晶体管且以选择性方式经由这些RF级晶体管中的一或多个来路由RF信号而实施的。
图8示出图7的相位补偿电路的示例，其中四个RF级晶体管可以并联方式实施以允许处理通过RF级晶体管中的一个或多个的输入RF信号。
图9示出作为不同增益模式的函数的电容Cgs曲线。
图10示出如何通过补偿电容Cgs可实现相位补偿的示例。
图11示出了可以控制与LNA相关联的电感以在LNA处提供期望的相位分布(profile)的示例。
图12示出如何通过调整与LNA相关联的电感可实现相位补偿的示例。
图13示出还可改变与LNA相关联的电容以允许对LNA的电容进行补偿，且因此允许对LNA处的相位进行补偿。
图14示出与LNA相关联的电容的改变可如何补偿不同增益模式下的电容Cgs的改变的示例。
图15示出可如何通过调整与LNA相关联的电容来实现相位补偿的示例。
图16示出了与图3的示例类似的具有共源共栅配置但具有包括在源极电感和地之间的附加的可切换电感路径的LNA。
图17示出增益模式特定效应可如何影响在各种增益模式中相位如何不同的示例。
图18示出了类似于图16的示例的具有可切换电感的LNA。
图19示出了图18的相位补偿电路可以如何实施的示例。
图20示出了针对图18和19的LNA可以如何实现相位补偿的示例。
图21示出了具有类似于图16的示例的可切换电感及类似于图11的示例的相位补偿电路的LNA。
图22示出了针对图21的LNA可如何实现相位补偿的示例。
图23示出了具有类似于图16的示例的可切换电感及类似于图13的示例的相位补偿电路的LNA。
图24示出了针对图23的LNA可如何实现相位补偿的示例。
图25示出了在一些实施例中，包含具有如本文中所描述的一或多个特征的LNA及相位补偿电路的组件可由控制器控制。
图26示出在一些实施例中，具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA中的一些或全部可实施在半导体晶片上。
图27示出了如下示例：具有如本文中所描述的一或多个特征的LNA中的一些或全部可实施在封装模块上，且此封装模块可包含类似于图26的示例的半导体晶片。
图28示出了如下另一示例：具有如本文中所描述的一或多个特征的LNA中的一些或全部可实施在封装模块上，且此封装模块可包含多个半导体晶片。
图29示出包括具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA的分集接收模块的示例。
图30描绘了具有如本文所描述的一个或多个有利特征的示例性无线装置。
具体实施方式
这里提供的标题，如果存在，仅仅是为了方便，并不必然影响所要求保护的发明的范围或意义。
本文描述了与具有用于各种增益模式的相位补偿功能的射频(RF)放大器相关的架构、电路、装置和方法。图1描绘了具有一个或多个放大晶体管102和相位补偿电路104的RF放大器100。该RF放大器可接收输入RF信号(RF_in)且放大此信号以产生输出RF信号(RF_OUT)。出于描述的目的，与该RF放大器有关的各种示例在低噪声放大器(LNA)的情形下描述。然而，将理解，本申请的一个或多个特征也可被实施用于其他类型的RF放大器，包括功率放大器(PA)。
在许多LNA应用中，期望在不同增益模式上有最小或减小的相位变化。这种性能特征允许在例如不同LNA增益模式上，尤其是在高阶调制系统中接收解调时提供良好的信号质量。在一些实施例中，具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA电路可被配置成在不同增益模式上维持恒定或近似恒定相位。在不经过通常需要存储和校准的基带相位校准、和/或不经过复杂的L/C型片上校准的情况下，这样的期望的特征可以在几乎没有或没有解调性能劣化(例如，在高阶接收系统中关于增益模式的相位变化引起的)的情况下实现。
图2A示出了具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA 100可包含以共源共栅配置实施的第一晶体管和第二晶体管(总体地标示为102)。例如，第一晶体管Q1可以配置成作为共源极器件(也被称为RF级)操作，并且第二晶体管Q2可以配置成作为共栅级器件(也称为共源共栅级)操作。更具体地，输入RF信号(RF_in)示出为被提供给第一晶体管Q1的栅极，并且经放大的信号示出为通过其漏极输出。第一晶体管Q1的源极显示为耦接到地(ground)，通常通过标示为L1的电感耦接到地。来自第一晶体管Q1的漏极的经放大的信号示出为被提供给第二晶体管Q2的源极用于进一步放大，并且这样的进一步被放大的信号示出为通过第二晶体管Q2的漏极输出。第二晶体管Q2的栅极可以被提供有用于操作的适当栅极电压VG。在图2的示例中，LNA 100示出为在Q2的漏极处被提供有电源电压VDD。
图2A进一步显示在一些实施例中，LNA 100可包括或提供有相位补偿电路104。本文更详细地描述了这种相位补偿电路的各种示例。
在图2A的示例中，相位补偿电路104示出为与第一晶体管Q1(RF级)相关联。然而，应当理解，这种相位补偿电路可以提供给第一晶体管Q1(RF级)和第二晶体管Q2(共源共栅级)中的任一者或两者。
图2B示出图2A的LNA 100可如何操作以提供多个不同增益的示例。假设存在可由LNA 100提供的四个增益模式G0、G1、G2、G3。在一些实施例中，这些不同的增益模式可通过将不同的偏置电压(Vbias)电平提供到Q1的栅极来实现。这些不同的Vbias电平可以导致不同水平的供电电流Idd，或者与不同水平的供电电流Idd相关联，而不同水平的供电电流Idd可提供不同的增益大小。
在图2B的示例中，Vbias的增加显示为导致Idd的增加。因此，示例性增益模式G0、G1、G2、G3显示为在Idd的对应水平下实现。
为了描述的目的，将理解的是，图2A和图2B可以被单独地、一起统称称为图2，或者它们的任何组合。还将理解，具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA也可具有不同数目的增益电平。
图3示出了典型的LNA 10，其配置为共源共栅放大器，但没有相位补偿电路。RF级12描绘为具有与晶体管Q1的各个部分相关联的阻抗。例如，到Q1的栅极的输入路径可以具有有效电感，其导致呈现给输入RF信号的输入阻抗Zin。类似地，Q1的源极的接地路径可具有导致源极阻抗Zs的有效电感。可由Q1引起一个或多个其他阻抗，包括例如栅极到源极的阻抗Zgs和跨导相关阻抗gm*Zgs*Zs。因此，对于这样的示例性阻抗，呈现给输入RF信号的总阻抗Ztot可表示为Ztot＝Zin+Zs+Zgs+gm*Zgs*Zs。
图4示出了将图3的RF级12可以如何表示为RLC电路12的示例。这样的电路可以包括电阻R，电阻R具有在所述输入处的一端和连接到电感L的一端的另一端。电感L的另一端可以通过电容C耦接到地。电阻R可以与跨导项gm*Zgs*Zs相关联，电感L可以与Zin和Zs的和相关联，并且电容C可以与Zgs相关联。在这个表示中，具有频率ω＝2πf的RF信号所经历的相位改变可表示为
并且谐振频率可以表示为
为了描述的目的，RF信号所经历的相位改变也可被称为相移或简单地称为相位。
在图3和4的示例中，LNA 10可通过调整供电电流Idd而在不同增益模式下进行操作。在Idd的这种改变的情况下，诸如Cgs的电参数也可以改变。例如，图5示出了图3和图4的Cgs可以作为Idd的函数而变化。因此，在用于示例增益模式G3的第一Idd设定下，Cgs可具有第一值。类似地，用于增益模式G2的第二Idd设定可导致具有大于第一Cgs值的第二值的Cgs。继续此趋势，用于增益模式G1和G0的第三设定和第四设定可导致具有连续较大值的第三值和第四值的Cgs。因此，在图5中，虚线描绘了Cgs和Idd之间的示例性关系。
在图3和图4的示例中，Cgs的前述变化可以导致作为Idd的函数的相位中的相应变化(在本文中也被称为相位改变)。这种相位变化在图6中示出。如图所示，由于电容Cgs，LNA的不同增益模式导致不同的相位。因此，当LNA处于G3增益模式时，因Cgs引起的相位与参考相位ΦRef相差一个量ΔΦ3。类似地，当LNA处于G1和G0模式时，因Cgs引起的相应相位与参考相位ΦRef相差量ΔΦ1和ΔΦ0。在图6的示例中，增益模式G2示出为导致相位Φ接近参考相位ΦRef，因此，没有示出相位Φ相对于参考相位ΦRef的差。
图3-6通常涉及由于诸如Cgs效应的单个效应引起的相位变化。将理解的是，这样的单个效应可以基于与图3和图4的LNA相关联的其他电参数。还将理解的是，出于描述的目的，这样的单个效应可由多个电参数的组合而导致，如果这些参数共同贡献于在所有增益模式上的一些相对平滑的函数。
图7-14示出了如何针对LNA100实施相位补偿电路104以补偿诸如图3-6那些的相位的单个效应变化的各种示例。图7示出在一些实施例中，LNA100可包括相位补偿电路104，其中相位补偿电路104是通过提供多个RF级晶体管且以选择性方式经由这些RF级晶体管中的一个或多个来路由RF信号而实施的。
图8示出这样的相位补偿电路(104)的示例，其具有以并联方式实施的四个示例RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d，以允许经由RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d中的一个或多个来处理输入RF信号。更具体地，输入节点RF_in显示为耦接到四个RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d的每个栅极，并且每个RF级晶体管的漏极显示为通过相应的开关晶体管被路由到共源共栅级晶体管Q2(在图8中未示出)。例如，Q1a的漏极可以通过第一开关晶体管S1a路由到Q2，Q1b的漏极可以通过第二开关晶体管S1b路由到Q2等。四个RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d的源极显示为通过电感L1耦接到地。以前述示例性方式配置，RF信号可以通过一个或多个并联的RF级晶体管来处理。
如本文所述，给定RF级晶体管具有有效电容Cgs。应注意，此电容Cgs可取决于所述RF级晶体管的一个或多个尺寸(在图8中标示为W/L)。因此，在图8的示例中，对应于RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d的尺寸Wa/La、Wb/Lb、Wc/Lc、Wd/Ld可以选定为在以不同组合(例如并联组合)方式组合时提供Cgs的不同净值。例如，如果单独利用Q1a(例如，通过接通S1a且关断其余开关晶体管)，那么净Cgs值可近似为Q1a的Cgs的值。在另一示例中，如果利用Q1a及Q1b(例如，通过接通S1a及S1b且关闭S1c及S1d)，那么净Cgs值可大致为Q1a和Q1b的Cgs值的和。将理解，这些尺寸Wa/La、Wb/Lb、Wc/Lc、Wd/Ld可全部基本上相同、全部不同或其任何组合。
以前述方式配置，针对不同的增益模式可获得不同的净Cgs值。例如，四个增益模式G0、G1、G2、G4可包括如表1中列出的RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d的组合。
表1
如本文中所描述，RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1c、Q1d的尺寸可选定为提供相应Cgs值(Cgs)a、(Cgs)b、(Cgs)c、(Cgs)d。如表1中所示，可组合这些Cgs值以对图8的相位补偿电路104提供不同的期望的净Cgs值。
例如，图9示出作为不同增益模式(例如，取决于Idd)的函数的Cgs曲线图。假设虚线表示未经补偿的LNA的Cgs特性(例如，如图3到6的示例中)，其中Cgs与Idd成比例地增加。为了对这种LNA提供补偿，可以实现图7和8及表1的示例性配置，其中在增益模式G3(较低Idd)的净Cgs大于G2的净Cgs，G2的净Cgs又大于G1的净Cgs，等等。用于补偿的这些净Cgs值被描绘为实线(Cgs(Comp))。这些净Cgs值可以选定为补偿未经补偿情况下的Cgs变化。例如，给定增益模式下的净Cgs值可包含来自对应RF级晶体管的选定尺寸的Cgs贡献以补偿由与RF级晶体管相关联的一个或多个其它效应产生的Cgs变化。在一些实施例中，这种补偿可导致，例如，对于不同增益模式基本上均匀的Cgs分布。
如本文参考图5和图6所描述的，相位的变化可以由与LNA相关联的电容(诸如Cgs)的变化引起。因此，图9的示例的补偿Cgs分布可导致图10中所描绘的补偿相位分布为ΦComp。类似于提供期望的均匀净Cgs分布的补偿Cgs，这样的ΦComp可以为未经补偿的相位效应(ΦUncomp)提供补偿，以得到例如在参考值ΦRef时基本均匀的相位分布
在图9和图10的示例中，补偿Cgs分布和补偿相位分布被描述为通常消除一些未经补偿的效应。将理解的是，这样的未经补偿的效应可以是已知的或未知的。通过利用本申请的一个或多个特征，在LNA处的诸如相位的操作参数可被配置成在知道或不知道这些未经补偿的效应的情况下的任何分布(包括基本上平坦的分布)。
在图7-10的示例中，相位补偿描述为通过控制RF级晶体管的组件的净Cgs值来实现。电容(例如，Cgs)的这种控制是可如何控制与LNA(例如，LNA的RF级部分)相关联的一个或多个电容和/或一个或多个电感以刻意地控制在LNA处发生多少相位改变的示例。
图11示出了可以控制与LNA相关联的电感以在LNA处提供期望的相位分布的示例。如本文中所描述，在LNA的输入处的电感可影响在LNA处发生多少相位改变。例如，图3中的LNA 10包括对LNA的总阻抗以及LNA处的整体相位改变有贡献的输入电感。
在图11中，LNA 100显示为具有与图3的示例类似的共源共栅配置。然而，图11的LNA 100显示为包含相位补偿电路104，其实施为在LNA 100的输入处提供可变电感L。这样的可变电感可以提供如图所示的可变输入阻抗Zin。类似于图7-10的示例，这样的可变电感还可以用于控制在LNA处发生多少相移。
因此，且如图12所示，可以操作图11的示例的可变输入电感L以提供被描绘为ΦComp(L)的补偿相位分布。类似于图10的示例，这样的ΦComp(L)可以为未经补偿的相位效应(ΦUncomp)提供补偿，以产生相位分布Φ，即，例如，相位分布Φ在参考值ΦRef时基本均匀。
在图7-10的示例中，诸如Cgs的电容可以通过多个适当尺寸的RF级晶体管的选择性操作来改变。图13示出了与LNA相关联的电容也可以以其他方式变化以提供LNA的电容的补偿，并且因此提供LNA处的相位的补偿。
在图13中，LNA 100可具有类似于图3的示例的共源共栅配置。在一些实施例中，这样的LNA的RF级晶体管Q1可包含单个晶体管或类似于图7的示例的多个晶体管。在图13的示例中，LNA 100可包含被实施成包含可变电容Cc的相位补偿电路104，可变电容Cc的一端耦接到Q1的栅极且另一端耦接到Q1的源极。因此，可变电容Cc可以与同Q1相关联的Cgs(不可调的或可调的)电并联。因此，与Q1相关联的净Cgs值可以是Cgs和Cc的和，并且这样的净Cgs值可以由可变电容Cc来调整。
因此，且假设Q1的Cgs(Cgs(Q1))类似于图3的示例，是不可调的，图14显示该电容(Cgs)会有的问题是在不同增益模式具有不同的值(描绘为虚线)。通过调整可变电容Cc(描绘为实线Cgs(Cc))来补偿Cgs(Q1)中的该变化以得到例如在不同增益模式上大体上平坦的净Cgs电容。
图15显示针对图14的LNA可如何实现相位补偿的示例。在图15中，可以操作图14的示例的可变电容Cc以得到描绘为ΦComp的补偿相位分布。类似于图10的示例，这样的ΦComp可以为未经补偿的相位效应(ΦUncomp)提供补偿，以得到相位分布Φ，该相位分布Φ例如在参考值ΦRef基本均匀。
如本文所述，图3-6总的涉及由于诸如Cgs效应的单个效应引起的相位变化。图7-15总的涉及如何实现相位补偿以利用不同的技术来解决这样的相位变化。
在一些实施例中，LNA可被配置成使得与LNA相关联的相位受到单个效应(诸如Cgs效应)以及增益模式特定效应的影响。例如，图16示出了具有与图3的示例类似的共源共栅配置的LNA 10。然而，在图16的示例中，附加的可切换电感路径(标示为Zg3)显示为被包括在源极电感(标示为Zs)和地之间。开关(Sg3)显示为被设置成与这样的电感(Zg3)电并联。因而，当开关Sg3断开时，Q1的源极和地之间的总电感是大约Zs+Zg3。当开关Sg3接通时，Zg3被旁路，并且Q1的源极和地之间的总电感是大约Zs。
在一些实施例中，可提供这样的可切换电感(Zg3/Sg3)以解决在LNA设计中对增益模式特定的问题。例如，和如图16所示，当LNA处于增益模式G3时，Zgs可以切换进来(通过断开Sg3)，以便满足更高的三阶输入截点(IIP3)，并且在其它增益模式中切换出去(通过接通Sg3)。因此，在这样的配置中，当处于增益模式G3中时，Q1的源极与地之间的总电感约为Zs+Zg3，且在处于其它增益模式(G2、G1、G0)时为Zs。因此，当处于增益模式G3中时，在LNA 10处提供给输入RF信号的总阻抗Ztot可表示为Ztot＝Zin+Zs+Zg3+Zgs+gm*Zgs*Zs；当处于增益模式G2、G1、G0时，Ztot＝Zin+Zs+Zgs+gm*Zgs*Zs。
图17示出了上述增益模式特定效应(例如，G3中存在的Zg3和在其他模式中不存在的Zg3)可以如何影响各种增益模式之间的相位如何不同。标示为Φ(Zg3)的虚线描绘特定模式对相位的影响，且这样的相位分布显示为在处于增益模式G3中时具有显著不同的相位(例如，相差数量ΔΦ)，和当处于其它增益模式时通常是均匀的。
在图17中，类似于图5和图6的示例，标示为Φ(Cgs)的虚线描绘由单个效应(例如，归因于Cgs)产生的关于所有增益模式的相位变化。因此，相位的净变化(ΦUncomp)由Φ(Cgs)和Φ(Zg3)的组合产生(例如,ΦUncomp＝Φ(Cgs)+Φ(Zg3))。与这种未经补偿的相位分布相关的示例以及对应的相位补偿技术的示例在图20、22和24中示出。
图18-24示出了如何实施相位补偿以解决图16和17的情况的示例，在图16和17的情况中存在增益模式特定的相位效应。这样的相位补偿技术基于图7-15的三种示例性技术。更具体地，图18-20示出了类似于图7-10的示例性技术的相位补偿技术；图21和22示出了类似于图11和12的示例性技术的相位补偿技术；以及图23和24示出了类似于图13-14的示例性技术的相位补偿技术。应当理解，也可以实施其他相位补偿技术。
图18示出了类似于图16的示例的具有可切换Zg3的LNA 100。然而，图18的LNA 100包括可类似于图7的示例的相位补偿电路104。在一些实施例中，这样的补偿电路(图18中的104)可以被配置和操作以解决增益模式特定的相位变化，以及影响所有增益模式的相位变化。在图18的示例中，Q1的源极显示为在贡献于阻抗Zs的电感的一侧上的节点105。在图18的示例中，电感(Zs)的另一侧显示为类似于图16的示例，通过Zg3电感和Sg3开关的并联组合耦接到地。
图19示出了图18的相位补偿电路104可以如何实施的示例。在图19中，相位补偿电路104可以具有类似于图8的示例的架构。
在图19的示例中，相位补偿电路104显示为包括以并联方式实施的四个示例RF级晶体管Q1e、Q1f、Q1g、Q1h，以允许通过RF级晶体管Q1e、Q1f、Q1g、Q1h中的一个或多个来处理输入RF信号。更具体地，输入节点RF_in显示为耦接到四个RF级晶体管Q1e、Q1f、Q1g、Q1h的每个栅极，并且每个RF级晶体管的漏极显示为通过相应的开关晶体管被路由到共源共栅级晶体管Q2(在图19中未示出)。例如，Q1e的漏极可以通过第一开关晶体管S1e路由到Q2，Q1f的漏极可以通过第二开关晶体管S1f路由到Q2等。四个RF级晶体管Q1a、Q1b、Q1e、Q1d的源极被示出形成公共节点105。以前述示例性方式配置，RF信号可以通过一个或多个并联的RF级晶体管来处理。
如本文所述，给定RF级晶体管具有有效电容Cgs。应注意，这样的电容Cgs可取决于所述RF级晶体管的一个或多个尺寸(在图19中标示为W/L)。因此，在图19的示例中，对应于RF级晶体管Q1e、Q1f、Q1g、Q1h的尺寸We/Le,Wf/Lf,Wg/Lg,Wh/Lh可选定为在以不同组合(例如，并联组合)方式组合时提供Cgs的不同净值。例如，如果单独利用Q1e(例如，通过接通S1e且断开其余开关晶体管)，那么净Cgs值可近似为Q1e的Cgs的值。在另一实例中，如果利用Q1e及Q1f(例如，通过接通S1e及S1f且断开S1g及S1h)，那么净Cgs值可近似为Q1e及Q1f的Cgs值的和。
在一些实施例中，与Q1e相关联的一个或多个尺寸(We/Le)可显著小于其它RF级晶体管(Q1f、Q1g、Q1h)的尺寸。该显著较小的Q1e可用于解决如本文中所描述的增益模式特定效应。
例如，如图19所示和在表2中列出的，四个增益模式G0、G1、G2、G4可包括RF级晶体管Q1e、Q1f、Q1g、Q1h的不同组合。
表2
增益模式 使能的RF级晶体管 净Cgs
G0 Q1f (Cgs)f
G1 Q1f,Q1g (Cgs)f+(Cgs)g
G2 Q1f,Q1g,Q1h (Cgs)f+(Cgs)g+(Cgs)h
G3 Q1e (Cgs)e
在图19和表2的示例中，可选择与Q1f、Q1g、Q1h相关联的Cgs值可以选定为提供类似于图8-10的示例的单个效应相位补偿。然而，与Q1e相关联的Cgs值可选定为提供相位补偿以解决G3的单个效应和增益模式特定效应的组合。
当以前述方式实施时，图18和19的相位补偿电路104可以导致在图20中描绘为ΦComp的补偿相位分布，并且这样的分布可以为未经补偿的相位(ΦUncomp，ΦUncomp包括在G3时的单个效应和增益模式特定效应)提供补偿，以得到相位分布Φ，例如，在参考值ΦRef时相位分布Φ基本均匀。
图21示出类似于图16的示例的具有可切换Zg3的LNA 100。然而，图21的LNA 100包含可能类似于图11的示例的相位补偿电路104。在一些实施例中，这样的补偿电路(图21中的104)可以被配置和操作以解决增益模式特定的相位变化，以及影响所有增益模式的相位变化。
在图21的示例中，可以控制与LNA相关联的电感以在LNA处提供期望的相位分布。如本文中所描述，LNA的输入处的电感可影响在LNA处发生多少相位。例如，图3中的LNA 10包括对LNA的总阻抗以及LNA处的总相位有贡献的输入电感。
在图21中，相位补偿电路104可以实施成在LNA 100的输入处提供可变电感L。这样的可变电感可以提供如图所示的可变输入阻抗Zin。这样的可变电感还可用于控制在LNA处发生多少相移。
更具体地，补偿电路104的可变电感可以被配置为包括用于不同增益模式的不同输入电感值。例如，当LNA 100处于增益模式G0、G1、G2中的一个时，可以按照类似于图11的示例的方式针对这些增益模式选择输入电感值。对于存在单个效应和增益模式特定效应两者的增益模式G3，输入电感值可以选定为补偿这两种效应。
因此，和如图22所示，可以操作图21的示例的可变输入电感L以得到描绘为ΦComp的补偿相位分布。该ΦComp可以为未经补偿的相位效应(ΦUncomp)提供补偿，以得到相位分布Φ，相位分布Φ例如在参考值ΦRef时基本均匀。
图23显示类似于图16的示例的具有可切换Zg3的LNA 100。然而，图23的LNA 100包含可以类似于图13的示例的相位补偿电路104。在一些实施例中，这样的补偿电路(图23中的104)可以被配置和操作以解决增益模式特定的相位变化，以及影响所有增益模式的相位变化。
在图23的示例中，LNA 100可包括被实施成包含可变电容Cc的相位补偿电路104，可变电容Cc的一端耦接到Q1的栅极且另一端耦接到Q1的源极。因此，可变电容Cc可以与同Q1相关联的Cgs电并联。因此，与Q1相关联的净Cgs值可以是Cgs和Cc的和，并且这样的净Cgs值可以由可变电容Cc来调整。
在图23中，相位补偿电路104可以实施成提供可变电容Cc。这样的可变电容可用于控制在LNA处发生多少相移。
更具体地，补偿电路104的可变电容可以被配置为包括针对不同增益模式的不同净Cgs值。例如，当LNA 100处于增益模式G0、G1、G2中的一个中时，可以按照类似于图13的示例的方式针对这些增益模式选择Cc值。对于存在单个效应和增益模式特定效应两者的增益模式G3，补偿电容(Cc)值可以选定为补偿这两种效应。
因此，且如图24中所描绘，可操作图23的示例的可变电容Cc以得到描绘为ΦComp的补偿相位分布。这样的ΦComp可以为未经补偿的相位效应(ΦUncomp)提供补偿，以得到相位分布Φ，相位分布Φ例如在参考值ΦRef时基本均匀。
在本文中参考图7-15和18-24描述的各个示例中，给定的相位补偿电路被描述为提供对与LNA的给定RF级晶体管相关联的特定电特性(例如，电容或电感)的控制。该补偿电路可对由与RF级晶体管相关联的一个或多个部分(例如，Cgs)、与RF级晶体管相关联的总相位变化、或者它们的任意组合所导致的相位变化提供补偿。
在一些实施例中，具有如本文中所描述的一个或一个以上特征的LNA可具有被配置成对与给定RF级晶体管相关联的多个电特性提供控制的相位补偿电路。例如，和在图7-15和18-24的示例性相位补偿技术的情形中，相位补偿电路可以包括这些技术的组合。例如，相位补偿电路可以包括与图7、11和13相关联的两个或更多个补偿电路104。类似地，相位补偿电路可以包括与图18、21和23相关联的两个或更多个补偿电路104。
图25示出了在一些实施例中，包括具有如本文所述的一个或多个特征的LNA100和相位补偿电路104的组件181，其可以由控制器180控制。这样的控制器可提供各种控制信号以，例如，操作各个放大晶体管及开关晶体管以实现各种增益模式且提供针对这些增益模式的相位补偿。在一些实施例中，控制器180可以被配置为包括MIPI(移动行业处理器接口)功能。
图26示出在一些实施例中，具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA 100中的一些或全部可实施在半导体晶片200上。该晶片可包含衬底202，且相位补偿电路104中的至少一些可实施于衬底202上。
图27及28显示在一些实施例中，具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA100中的一些或全部可实施于封装模块300上。该模块可包括被配置成收纳诸如一个或多个晶片和一个或多个无源部件的多个部件的封装衬底302。
图27示出在一些实施例中，封装模块300可以包括与图26的示例类似的半导体晶片200。因此，这样的晶片可以包括LNA100中的一些或全部，其中相位补偿电路104中的至少一些被实施在晶片200上。
图28示出在一些实施例中，封装模块300可包括其上实施有LNA 100的第一半导体晶片210。在图28的实例中，相位补偿电路104中的一些可实施于第一晶片210上，且相位补偿电路104的其余部分可实施于另一晶片212上、晶片外部(例如，封装衬底302上)、或其任何组合。
在图29中，分集接收器模块300可以是图27和28的模块300的示例。在一些实施例中，这样的DRx模块可以耦接到模块外的滤波器513。DRx模块300可包括封装基板501，封装基板501配置成收纳在封装基板501上实施的多个部件和接收系统。DRx模块300可包括一个或多个信号路径，其被路由离开DRx模块300并且可提供给系统集成商、设计者或制造商以支持用于任何期望频带的滤波器。
DRx模块300包括位于DRx模块300的输入和输出之间的多个路径。DRx模块300包括位于所述输入和所述输出之间的旁路路径，所述旁路路径由旁路开关519激活，而旁路开关519由DRx控制器502控制。虽然图29描绘了单个旁路开关519，但在一些实施方案中，旁路开关519可包含多个开关(例如，物理上靠近输入而设置的第一开关及物理上靠近输出而设置的第二开关)。如图29所示，所述旁路路径不包括滤波器或放大器。
DRx模块300包括多个复用器路径，所述复用器路径包括第一复用器511和第二复用器512。所述复用器路径包括多个模块上路径，其包括第一复用器511、在封装基板501上实施的带通滤波器613a-613d、在封装基板501上实施的放大器100a-100d，以及第二复用器512。所述复用器路径包括一个或多个模块外路径，其包括第一复用器511、在封装基板501外实施的带通滤波器513、放大器100e、和第二复用器512。放大器514可以是在封装基板501上实施的宽带放大器，或者也可以实施在封装基板501外。在一些实施例中，放大器100a-100d、100e可以是可变增益放大器和/或可变电流放大器。
DRx控制器502配置为选择性地激活位于输入和输出之间的多个路径中的一个或多个。在一些实施方式中，DRX控制器502被配置成基于由DRX控制器502(例如，从通信控制器)接收的频带选择信号，选择性地激活多个路径中的一个或多个。DRx控制器502可通过，例如，断开或闭合旁路开关519，启用或禁用放大器100a-100d、100e，控制复用器511、512，或者通过其它机构而选择性地激活所述多条路径。例如，DRx控制器502可沿着路径(例如，在滤波器613a-613d、513与放大器100a-100d、100e之间)或通过设定放大器100a-100d的增益基本为零来断开或闭合开关。
在图29的示例性DRx模块300中，放大器100a-100d、100e中的一些或全部可以设置有具有如本文所述的一个或多个特征的相位补偿电路104。例如，这些放大器(100)中的每一个显示为具有与其相关联的相位补偿电路104。
在一些实施方式中，具有如本文描述的一个或多个特征的架构、装置和/或电路可被包括在诸如无线装置之类的RF装置中。这样的架构、装置和/或电路可直接实施在无线装置中、在如本文中所描述的一个或多个模块化形式中、或在其某种组合中。在一些实施例中，该无线装置可包含，例如，蜂窝电话、智能电话、具有或不具有电话功能的手持式无线装置、无线平板计算机、无线路由器，无线接入点、无线基站等。尽管在无线装置情形下进行了描述，但将理解，本申请的一个或多个特征也可实施在诸如基站之类的其他RF系统中。
图30描绘了具有如本文描述的一个或多个有利特征的示例性无线装置700。在一些实施例中，具有如本文中所描述的一个或多个特征的LNA可实施于这种无线装置的一个或多个位置中的每一个中。例如，在一些实施例中，这样的有利特征可以实施在诸如具有一个或多个低噪声放大器(LNA)的分集接收(DRx)模块300的模块中。
在图30的示例中，功率放大器模块712中的功率放大器(PA)可从收发器710接收它们的相应RF信号，收发器710可被配置及操作以产生待放大及发射的RF信号，以及处理所接收的信号。收发器710显示为与基带子系统708交互，基带子系统708被配置成提供适合于用户的数据和/或话音信号与适合于收发器710的RF信号之间的转换。收发器710还显示为连接到功率管理部件706，功率管理部件706配置成管理用于无线装置700的操作的功率。这样的功率管理还可以控制基带子系统708和无线装置700的其它部件的操作。
基带子系统708显示为连接到用户接口702，以便于向用户提供和从用户接收话音和/或数据的各种输入和输出。基带子系统708还可连接到存储器504，存储器504被配置成存储数据和/或指令以促使无线装置的操作，和/或为用户提供信息的存储。
在图30的示例中，DRx模块300可以实施在一个或多个分集天线(例如，分集天线730)和ASM 714之间。这样的配置可以允许通过分集天线730接收的RF信号被处理(在一些实施例中，包括由LNA进行的放大)，其中对来自分集天线730的RF信号几乎没有或没有损失噪声和/或几乎没有或没有添加噪声。然后，这样的处理的信号从DRx模块300可以通过一个或多个信号路径路由到ASM。
在图30的示例中，主天线720可被配置成，例如，促使从PA模块512发射RF信号。在一些实施例中，接收操作还可以通过主天线来实现。
许多其它无线装置配置可利用本文中所描述的一个或多个特征。例如，无线装置不需要是多频带装置。在另一实例中，无线装置可包含诸如分集天线的额外天线和诸如Wi-Fi、蓝牙及GPS的额外连接性特征。
除非上下文另外清楚地要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应在包含性的意义上进行解释，而不是在排他的或穷尽的意义上进行解释；也就是说，以“包括但不限于”的意义进行解释。如本文中通常使用，词语“耦接”是指两个或更多个元件可以直接相连接或者借助于一个或多个中间元件进行连接。另外，词语“这里”或“本文”、“上面”或“上述”、“下面”或“下述”，和类似含义的词语，在本申请中使用时，应当指作为整体的本申请，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，在上面详细描述中使用单数或复数的词语也可分别包括复数或单数。词语“或”是指两个或更多个项目的列表，该词语覆盖了该词语的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任何组合。
本发明的实施例的以上详细描述并非旨在是穷尽性的或将本发明限制于以上公开的精确形式。虽然上文出于说明目的而描述了本发明的特定实施例及示例，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种等同修改是可能的。例如，虽然以给定的顺序呈现了过程或块，但是替代实施例可以以不同的顺序执行具有步骤的例程，或者采用具有块的系统，并且一些过程或块可以被删除、移动、添加、拆分、组合和/或修改。这些过程或块中的每一个都可以以各种不同的方式来实施。而且，虽然过程或块有时显示为串行地执行，但是这些过程或块可以替代地并行地执行，或者可以在不同的时间执行。
本文中所提供的本发明的教导可应用于其它系统，不一定是上文所描述的系统。上述各种实施例的元件和动作可被组合以提供进一步的实施例。
虽然已经描述了本发明的一些实施例，但是这些实施例仅以示例的方式呈现，并且不旨在限制本申请的范围。实际上，本文描述的新颖的方法和系统可以以各种其它形式来体现；此外，在不脱离本申请的精神的情况下，可以对本文所描述的方法和系统的形式做出各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖将落入本申请的范围和精神内的这类形式或修改。

Claims (17)

1.一种射频放大器，包括：
公共输入节点；
公共输出节点；和
低噪声放大器，其以共源共栅配置实施在所述公共输入节点和所述公共输出节点之间，且其包括输入级和共源共栅级，所述输入级配置成在多个增益设定中的一个中进行操作，并在所述多个增益设定中的每一个对信号提供补偿相移，所述补偿相移选定为在所述多个增益设定中提供恒定的相位。
2.根据权利要求1所述的射频放大器，其中，所述输入级包括一个或多个晶体管，每个所述晶体管具有栅极，用于接收所述信号；源极，其耦接到地；和漏极，其用于输出经放大的信号，使得所述晶体管包括有效输入电阻、有效输入电感L和有效栅-源电容Cgs。
3.根据权利要求2所述的射频放大器，其中，所述输入级包括多个以电并联配置方式实施的晶体管，每个晶体管具有Cgs值，使得不同的净Cgs值通过所述晶体管中的一个或多个的操作来获得，所述不同的净Cgs值提供不同的补偿相移。
4.根据权利要求3所述的射频放大器，其中，所述输入级还包括开关，其实施在每个晶体管的所述漏极处以控制所述晶体管的操作。
5.根据权利要求3所述的射频放大器，其中，所述晶体管的Cgs值至少部分地由所述晶体管的W/L大小来获得。
6.根据权利要求3所述的射频放大器，其中，所述多个晶体管配置成使得一个晶体管可在最低的增益设定中操作，并且附加的晶体管可针对每个增大的增益设定进行操作。
7.根据权利要求3所述的射频放大器，其中，至少一个晶体管的W/L大小确定成相当程度地不同于其他晶体管的W/L大小，以对由所述至少一个晶体管特定的增益设定导致的次级效应提供相位补偿。
8.根据权利要求7所述的射频放大器，其中，对所述至少一个晶体管特定的增益设定是最低增益设定，并且具有所述最低增益设定的所述晶体管的W/L大小相当程度地小于其它晶体管的W/L大小。
9.根据权利要求2所述射频放大器，其中，所述输入级的至少一个晶体管配置成使得它的有效输入电感L包括可变电感。
10.根据权利要求9所述射频放大器，其中，所述可变电感配置成包括一系列L值以获得在所述多个增益设定中的每个对所述信号的补偿相移。
11.根据权利要求2所述的射频放大器，其中，所述输入级的至少一个晶体管配置成包括位于栅极和源极之间的可变电容。
12.根据权利要求11所述的射频放大器，其中，所述可变电容配置成一系列Cgs值以获得在所述多个增益设定中的每个对所述信号的补偿相移。
13.一种具有射频电路的半导体晶片，包括：
衬底；和
低噪声放大器，其以共源共栅配置实施在公共输入节点和公共输出节点之间的所述衬底上，所述低噪声放大器包括输入级和共源共栅级，所述输入级配置成在多个增益设定中的一个中进行操作，并在所述多个增益设定中的每一个对信号提供补偿相移，所述补偿相移选定为在所述多个增益设定中提供恒定的相位。
14.根据权利要求13所述的半导体晶片，其中，所述衬底包括绝缘体上硅衬底。
15.一种射频模块，包括：
封装衬底，其配置成收纳多个部件；和
低噪声放大器，其以共源共栅配置实施在公共输入节点和公共输出节点之间的所述封装衬底上，所述低噪声放大器包括输入级和共源共栅级，所述输入级配置成在多个增益设定中的一个中进行操作，并在所述多个增益设定中的每个对信号提供补偿相移，所述补偿相移选定为在所述多个增益设定中提供恒定的相位。
16.根据权利要求15所述的射频模块，其中，所述低噪声放大器实施在半导体晶片上，所述半导体晶片安装在所述封装衬底上。
17.根据权利要求15所述的射频模块，其中，所述射频模块是分集接收模块。
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