CN111342852A - 无线接收装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种无线接收装置。上述无线接收装置包括被动式混频器，以及共栅极放大器。被动式混频器接收振荡频率。共栅极放大器耦接上述被动式混频器，且根据上述振荡频率自动调整对应其的输入阻抗。

Description

无线接收装置
技术领域
本公开说明书主要有关于无线接收装置技术，特别是有关于通过共栅极放大器根据振荡频率自动调整输入阻抗的无线接收装置技术。
背景技术
在无线接收装置的技术中，若要使得无线接收装置能够操作在不同频带，需要在无线接收装置配置额外的组件，才能使得无线接收装置能够操作在不同频带，例如：配置多个低噪音放大器(low-noise amplifier，LNA)，或是配置额外接收器路径等。因此，在无线接收装置的制造工艺上将会需要较大的面积。此外，上述操作在多频带的无线接收装置的架构若操作在毫米波频带(例如：第五代移动通信(5G)或无线千兆联盟(Wireless GigabitAlliance，WiGig)所制定的毫米波频带上，将会造成非常高的噪音指数。
发明内容
有鉴于上述现有技术的问题，本公开提供了无线接收装置技术，特别是有关于通过共栅极放大器根据振荡频率自动调整输入阻抗的无线接收装置。
根据本公开的一实施例提供了一种无线接收装置。上述无线接收装置包括被动式混频器，以及共栅极放大器。被动式混频器接收振荡信号。共栅极放大器耦接至被动式混频器，且根据上述振荡信号的振荡频率自动调整对应共栅极放大器的输入阻抗。
在一些实施例中，共栅极放大器是单端输入且单端输出。在一些实施例中，共栅极放大器是差动输入且差动输出。在一些实施例中，共栅极放大器是单端输入且差动输出。
关于本公开其他附加的特征与优点，本领域普通技术人员在不脱离本公开的精神和范围内，当可根据本案实施方法中所公开的无线接收装置，做一些的改动与润饰而得到。
附图说明
图1是显示根据本公开的一实施例所述的无线接收装置100的示意图。
图2是显示根据本公开的一实施例所述的无线接收装置200的电路图。
图3是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置300的电路图。
图4是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置400的电路图。
图5是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置500的电路图。
图6是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置600的示意图。
图7是显示根据本公开的一实施例所述的对应无线接收装置200的转换增益的模拟图。
图8是显示根据本公开的一实施例所述的对应无线接收装置200的噪音指数的仿真图。
具体实施方式
本章节所叙述的是实施本公开的最佳方式，目的在于说明本公开的精神而非用以限定本公开的保护范围，本公开的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
图1是显示根据本公开的一实施例所述的无线接收装置100的示意图。根据本公开的实施例，无线接收装置100可应用和操作于不同毫米波频带，例如：第五代移动通信(5G)或无线千兆联盟(Wireless Gigabit Alliance，WiGig)所制定的毫米波频带。如图1所示，无线接收装置100可包括低噪音放大器(low-noise amplifier，LNA)110、混频器(mixer)120、本地振荡器130、以及跨阻放大器140(trans-impedance amplifier，TIA)。注意地是，在图1中的示意图仅是为了方便说明本公开的实施例，但本公开并不以此为限。在本公开的实施例中，无线接收装置100也可包含其他组件，例如：模拟基频装置(analog base band，ABB)、模拟数字转换器(analog-to-digital convertor，ADC)等。
根据本公开一实施例，无线接收装置100中所包含的晶体管可以是利用先进制造工艺的互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)制造工艺方式来形成。在本公开的实施例中，先进制造工艺可以是表示晶体管的栅极长度小于55纳米(nm)的CMOS制造工艺，如CMOS 40纳米、28纳米、22纳米等制造工艺方式。
在本公开的实施例中，低噪音放大器110是共栅极(common gate)放大器。此外，在本公开的实施例中，混频器120是被动式混频器(passive mixer)。混频器120会耦接本地振荡器130，以接收振荡信号。混频器120的输入阻抗ZIN_MIXER会根据接收到的振荡信号的不同振荡频率fLO而改变。
此外，在本公开的实施例中，低噪音放大器110会根据混频器120的输入阻抗ZIN_MIXER，动态调整其的输入阻抗ZIN_LNA，因而使得无线接收装置100可操作在不同毫米波频带。也就是说，低噪音放大器110的输入阻抗ZIN_LNA可随着振荡信号的不同而动态地去改变。关于低噪音放大器的输入阻抗ZIN_LNA可随着振荡信号的不同而动态地去改变，下面的实施例中将有更详细地描述。
图2是显示根据本公开的一实施例所述的无线接收装置200的电路图。如图2所示，低噪音放大器(即共栅极放大器)210可包含第一电感L2-1、第二电感L2-2、第三电感L2-3、第四电感L2-4、第一晶体管N1、第一电容C2-1以及第二电容C2-2，其中第一电感L2-1可以是可调电感，且其会耦接电源VDD。第一晶体管N1的栅极会耦接至第二电感L2-2、第一晶体管N1的漏极会耦接至第一电感L2-1，以及第一晶体管N1的源极会耦接至第三电感L2-3和第四电感L2-4，其中L2-2和L2-4形成变压器结构。在此实施例中，低噪音放大器210是单端输入且单端输出的架构。低噪音放大器210会从节点RFin接收输入信号，以及从节点A1输出其处理过后的信号。
此外，如图2所示，混频器220是被动式的I/Q混频器，且混频器220可包含一组相位相差90度的混频器。混频器220可包含第三电容C2-3、第四电容C2-4、第二晶体管N2、第三晶体管N3、第四晶体管N4以及第五晶体管N5。第二晶体管N2和第三晶体管N3的源极会经由第三电容C2-3耦接至低噪音放大器210于节点A1，且第四晶体管N4和第五晶体管N5的源极会经由第四电容C2-4耦接至低噪音放大器210于节点A1。第二晶体管N2、第三晶体管N3、第四晶体管N4和第五晶体管N5的栅极会耦接本地振荡器230，以接收振荡信号。第二晶体管N2、第三晶体管N3、第四晶体管N4和第五晶体管N5的漏极会耦接跨阻放大器240，以将混波后的信号传送至跨阻放大器240。接着，跨阻放大器240会在将其处理后的信号传送给后端的组件。
根据本公开的一实施例，低噪音放大器210会从节点A1得知混频器220的输入阻抗ZIN_MIXER，并根据混频器220的输入阻抗ZIN_MIXER动态地去调整其的输入阻抗ZIN_LNA。更明确地来说，低噪音放大器210的输入阻抗ZIN_LNA和混频器220的输入阻抗ZIN_MIXER可分别以底下数学式表示：
Figure BDA0001922594970000041
Figure BDA0001922594970000042
其中ro是表示低噪音放大器110的本质输出阻抗、gm是表示第一晶体管N1的跨导(transconductance)、ωLO是表示振荡信号的振荡频率、RSW是表示混频器220的等效电阻，以及ZBB是表示跨阻放大器240的输入阻抗。在先进制造工艺中ro的值会很小。由上述式子可得知，当ro越小，低噪音放大器210的输入阻抗ZIN_LNA就会趋近等于混频器220的输入阻抗ZIN_MIXER，也就是说，低噪音放大器210的输入阻抗ZIN_LNA即可随着振荡信号的振荡频率ωLO(或fLO)的变化而改变。
根据本公开的一实施例，第一电感L2-1的电感值的共振频率必须调整至本地振荡频率相同。
图3是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置300的电路图。如图3所示，低噪音放大器(即共栅极放大器)310可包含第五电感L3-1、第六电感L3-2、第七电感L3-3、第八电感L3-4、第九电感L3-5、第六晶体管N6、第七晶体管N7、第五电容C3-1、第六电容C3-2、第七电容C3-3，以及第八电容C3-4，其中第五电感L3-1可以是可调电感，且其会耦接电源VDD，以及L3-3和L3-4可形成变压器结构。第六晶体管N6的栅极会经由第五电容C3-1耦接至第七晶体管N7的源极，且第七晶体管N7的栅极会经由第六电容C3-2耦接至第六晶体管N6的源极。第六晶体管N6和第七晶体管N7的漏极会耦接至第五电感L3-1。第六晶体管N6的源极会耦接至第六电感L3-2和第七电感L3-3，且七晶体管N7的源极会耦接至第八电感L3-4和第九电感L3-5。在此实施例中，低噪音放大器310是差分输入且差分输出的架构。低噪音放大器310会从节点RFin+和RFin-接收输入信号，以及从节点A2和A3输出其处理过后的信号。
此外，如图3所示，混频器320是被动式的I/Q混频器，且混频器320可包含两组相位相差90度的混频器。混频器320可包含第九电容C3-5、第十电容C3-6、第十一电容C3-7、第十二电容C3-8、第八晶体管N8、第九晶体管N9、第十晶体管N10、第十一晶体管N11、第十二晶体管N12、第十三晶体管N13、第十四晶体管N14，以及第十五晶体管N15。第八晶体管N8和第九晶体管N9的源极会经由第九电容C3-5耦接至低噪音放大器310于节点A3，且第十晶体管N10和第十一晶体管N11的源极会经由第十电容C3-6耦接至低噪音放大器310于节点A2。第十二晶体管N12和第十三晶体管N13的源极会经由第十一电容C3-7耦接至低噪音放大器310于节点A3，且第十四晶体管N14和第十五晶体管N15的源极会经由第十二电容C3-8耦接至低噪音放大器310于节点A2。第八晶体管N8、第九晶体管N9、第十晶体管N10、第十一晶体管N11、第十二晶体管N12、第十三晶体管N13、第十四晶体管N14和第十五晶体管N15的栅极会耦接本地振荡器330，以接收振荡信号。第八晶体管N8、第九晶体管N9、第十晶体管N10、第十一晶体管N11、第十二晶体管N12、第十三晶体管N13、第十四晶体管N14和第十五晶体管N15的漏极会耦接跨阻放大器340，以将混波后的信号传送至跨阻放大器340。接着，跨阻放大器340会在将其处理后的信号传送给后端的组件。
根据本公开的一实施例，低噪音放大器310会从节点A2和A3得知混频器320的输入阻抗ZIN_MIXER，并根据混频器320的输入阻抗ZIN_MIXER动态地去调整其的输入阻抗ZIN_LNA。根据本公开的一实施例，第五电感L3-1的电感值的共振频率必须调整至本地振荡频率。
图4是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置400的电路图。如图4所示，低噪音放大器410(即共栅极放大器)可包含第十电感L4-1、第十一电感L4-2、第十二电感L4-3、第十三电感L4-4、第十六晶体管N16、第十七晶体管N17、第十三电容C4-1、第十四电容C4-2，以及第十五电容C4-3，其中第十电感L4-1可以是可调电感，且其会耦接电源VDD，以及L4-2和L4-3可形成变压器结构。第十六晶体管N16的栅极会经由第十三电容C4-1耦接至第十七晶体管N17的源极，且第十七晶体管N17的栅极会经由第十四电容C4-2耦接至第十六晶体管N16的源极。第十六晶体管N16和第十七晶体管N17的漏极会耦接至第十电感L4-1。第十六晶体管N16的源极会耦接至第十一电感L4-2，且十七晶体管N17的源极会耦接至第十二电感L4-3和第十三电感L4-4。在此实施例中，低噪音放大器410是单端输入且差分输出的架构。低噪音放大器410会从节点RFin接收输入信号，以及从节点A4和A5输出其处理过后的信号。此外，在此实施例中，由于低噪音放大器410是单端输入且差分输出的架构，因此，第十六晶体管N16和第十七晶体管N17的尺寸(例如：3:4，但本公开不以此为限)会不相同，以补偿低噪音放大器410的输出相位不平衡。
此外，如图4所示，混频器420是被动式的I/Q混频器，且混频器420可包含两组相位相差90度的混频器。混频器420可包含第十六电容C4-4、第十七电容C4-5、第十八电容C4-6、第十九电容C4-7、第十八晶体管N18、第十九晶体管N19、第二十晶体管N20、第二十一晶体管N21、第二十二晶体管N22、第二十三晶体管N23、第二十四晶体管N24，以及第二十五晶体管N25。混频器420的架构和混频器320相同，因此，在此就不再赘述。
根据本公开的一实施例，低噪音放大器410会从节点A4和A5得知混频器420的输入阻抗ZIN_MIXER，并根据混频器420的输入阻抗ZIN_MIXER动态地去调整其的输入阻抗ZIN_LNA。根据本公开的一实施例，第十电感L4-1的共振频率必须与本地振荡频率相同。
图5是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置500的电路图。如图5所示，低噪音放大器510(即共栅极放大器)可包含第十四电感L5-1、第十五电感L5-2、第十六电感L5-3、第十七电感L5-4、第十八电感L5-5、第二十六晶体管N26、第二十七晶体管N27、第二十八晶体管N28、第二十九晶体管N29、第二十电容C5-1、第二十一电容C5-2、第二十二电容C5-3、第二十三电容C5-4、第二十四电容C5-5，以及第二十五电容C5-6，其中第十四电感L5-1可以是可调电感，且其会耦接电源VDD，以及L5-3和L5-4可形成变压器结构。第二十六晶体管N26的栅极会经由第二十电容C5-1耦接至第二十七晶体管N27的源极，且第二十七晶体管N27的栅极会经由第二十一电容C5-2耦接至第二十六晶体管N26的源极。第二十六晶体管N26和第二十七晶体管N27的漏极会耦接至第十四电感L5-1。第二十六晶体管N26的源极会耦接至第十五电感L5-2和第十六电感L5-3，且二十七晶体管N27的源极会耦接至第十七电感L5-4和第十八电感L5-5。第二十八晶体管N28的栅极经由第二十二电容C5-3耦接至第二十六晶体管N26的源极，且第二十九晶体管N29的栅极经由第二十三电容C5-4耦接至第二十七晶体管N27的源极。第二十八晶体管N28的漏极耦接至第二十七晶体管N27的漏极，以及第二十九晶体管N29的漏极耦接至第二十六晶体管N26的漏极。第二十八晶体管N28的源极耦接至第二十六晶体管N26的栅极，且第二十九晶体管N29的源极耦接至第二十七晶体管N27的栅极。在此实施例中，低噪音放大器510是差分输入且差分输出的架构。低噪音放大器510会从节点RFin+和RFin-接收输入信号，以及从节点A6和A7输出其处理过后的信号。此外，和图3相比，低噪音放大器510多配置了第二十八晶体管N28和第二十九晶体管N29。因此，低噪音放大器510可个别调整N26、N27与N28、N29的栅极电压，可消除晶体管三阶跨导值(gm3)，以达到较好的三阶交互调变线性度。
此外，如图5所示，混频器520是被动式的I/Q混频器，且混频器520可包含两组相位相差90度的混频器。混频器520可包含第二十六电容C5-7、第二十七电容C5-8、第二十八电容C5-9、第二十九电容C5-10、第三十晶体管N30、第三十一晶体管N31、第三十二晶体管N32、第三十三晶体管N33、第三十四晶体管N34、第三十五晶体管N35、第三十六晶体管N36，以及第三十七晶体管N37。混频器520的架构和混频器320相同，因此，在此就不再赘述。
根据本公开的一实施例，低噪音放大器510会从节点A6和A7得知混频器520的输入阻抗ZIN_MIXER，并根据混频器520的输入阻抗ZIN_MIXER动态地去调整其的输入阻抗ZIN_LNA。根据本公开的一实施例，第十四电感L5-1的共振频率必须与本地振荡频率相同。
特别说明地是，无线接收装置200、300、400和500的架构都可应用于无线接收装置100，但本公开不以此为限。其他不同架构的共栅极放大器和被动式混频器也可应用于无线接收装置100中。
图6是显示根据本公开的另一实施例所述的无线接收装置600的方块图。如图6所示，无线接收装置600可包括低噪音放大器610、第一混频器620-1、第二混频器620-2、第一本地振荡器630-1、第二本地振荡器630-2，以及跨阻放大器640。注意地是，在图1中的示意图仅是为了方便说明本公开的实施例，但本公开并不以此为限。在本公开的实施例中，无线接收装置600也可包含其他组件，例如：模拟基频装置(analog base band，ABB)、模拟数字转换器(analog-to-digital convertor，ADC)等。
在此实施例中，无线接收装置600中所包含的晶体管可以使利用先进制造工艺的互补式金属氧化物半导体制造工艺方式来形成。在此实施例中，低噪音放大器610是共栅极放大器。此外，在本公开的实施例中，第一混频器620-1和第二混频器620-2都是被动式混频器。第一混频器620-1和第二混频器620-2会分别耦接第一本地振荡器630-1和第二本地振荡器630-2，以接收振荡信号。
根据本公开的实施例，无线接收装置200、300、400和500的低噪音放大器和混频器的架构也可应用在无线接收装置600中，但本公开不以此为限。
和无线接收装置100不同的是，在此实施例中，无线接收装置600包含了两个混频器(第一混频器620-1和第二混频器620-2)，因此，无线接收装置600可同时操作在两个不同频带。此外，根据本发明一实施例，无线接收装置600的低噪音放大器610会根据第一本地振荡器630-1所产生的振荡信号的第一振荡频率fLO1和第二本地振荡器630-2所产生的振荡信号的第二振荡频率fLO2调整对应低噪音放大器610的输入阻抗ZIN_LNA。举例来说，若无线接收装置600需同时操作于28GHz和39GHz的频带时，第一本地振荡器630-1和第二本地振荡器630-2会分别提供频率28GHz和39GHz的振荡信号给第一混频器620-1和第二混频器620-2。此外，低噪音放大器610的负载电感会调整同时产生共振频率28GHz与39GHz(即第一振荡频率fLO1和第二振荡频率fLO2)，以调整低噪音放大器610的输入阻抗ZIN_LNA。
根据本公开另一实施例，低噪音放大器610可包含一个双共振负载阻抗，以分别同时根据第一本地振荡器630-1所产生的振荡信号的第一振荡频率fLO1和第二本地振荡器630-2所产生的振荡信号的第二振荡频率fLO2，调整双共振负载阻抗于第一振荡频率fLO1和第二振荡频率fLO2，以调整低噪音放大器610的输入阻抗ZIN_LNA。
在本公开的实施例所提出的无线接收装置，采用了共栅极放大器和被动式混频器结合的架构。在此架构中，低噪音放大器可根据振荡信号的振荡频率的不同，自动地去调整其的输入阻抗ZIN_LNA，因而使得无线接收装置不需要配置额外的组件即可动态地操作在不同的毫米波频带。此外，根据本公开的实施例所提出的无线接收装置，无线接收装置可维持在高的转换增益(例如：30dB以上的转换增益)和低的噪音指数(例如：6dB以下的噪音指数)进行操作。以图2的无线接收装置200的架构为例，从图7的模拟图可得知，对应不同振荡频率fLO，转换增益都能维持在30dB以上。从图8的模拟图可得知，对应不同振荡频率fLO，噪音指数都能维持在6dB以下。
在本说明书中以及申请专利范围中的序号，例如“第一”、“第二”等等，仅是为了方便说明，彼此之间并没有顺序上的先后关系。
本说明书中所提到的“一实施例”或“实施例”，表示与实施例有关的所述特定的特征、结构、或特性是包含在本公开的至少一实施例中，但并不表示它们存在于每一个实施例中。因此，在本说明书中不同地方出现的“在一实施例中”或“在实施例中”词组并不必然表示本公开的相同实施例。
以上段落使用多种层面描述。显然的，本文的教示可以多种方式实现，而在范例中公开的任何特定架构或功能仅为代表性的状况。根据本文的教示，任何本领域普通技术人员应理解在本文公开的各层面可独立实现操作或两种以上的层面可以合并实现操作实作。
虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何本领域普通技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作一些的改动与润饰，因此发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
【符号说明】
100、200、300、400、500、600 无线接收装置
110、210、310、410、510、610 低噪音放大器
120、220、320、420、520 混频器
130、230、330、430、530 本地振荡器
140、240、340、440、540、640 跨阻放大器
620-1 第一混频器
620-2 第二混频器
630-1 第一本地振荡器
630-2 第二本地振荡器
A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、RFin、RFin+、RFin- 节点
C2-1 第一电容
C2-2 第二电容
C2-3 第三电容
C2-4 第四电容
C3-1 第五电容
C3-2 第六电容
C3-3 第七电容
C3-4 第八电容
C3-5 第九电容
C3-6 第十电容
C3-7 第十一电容
C3-8 第十二电容
C4-1 第十三电容
C4-2 第十四电容
C4-3 第十五电容
C4-4 第十六电容
C4-5 第十七电容
C4-6 第十八电容
C4-7 第十九电容
C5-1 第二十电容
C5-2 第二十一电容
C5-3 第二十二电容
C5-4 第二十三电容
C5-5 第二十四电容
C5-6 第二十五电容
C5-7 第二十六电容
C5-8 第二十七电容
C5-9 第二十八电容
C5-10 第二十九电容
fLO 振荡频率
fLO1 第一振荡频率
fLO2 第二振荡频率
L2-1 第一电感
L2-2 第二电感
L2-3 第三电感
L2-4 第四电感
L3-1 第五电感
L3-2 第六电感
L3-3 第七电感
L3-4 第八电感
L3-5 第九电感
L4-1 第十电感
L4-2 第十一电感
L4-3 第十二电感
L4-4 第十三电感
L5-1 第十四电感
L5-2 第十五电感
L5-3 第十六电感
L5-4 第十七电感
L5-5 第十八电感
N1 第一晶体管
N2 第二晶体管
N3 第三晶体管
N4 第四晶体管
N5 第五晶体管
N6 第六晶体管
N7 第七晶体管
N8 第八晶体管
N9 第九晶体管
N10 第十晶体管
N11 第十一晶体管
N12 第十二晶体管
N13 第十三晶体管
N14 第十四晶体管
N15 第十五晶体管
N16 第十六晶体管
N17 第十七晶体管
N18 第十八晶体管
N19 第十九晶体管
N20 第二十晶体管
N21 第二十一晶体管
N22 第二十二晶体管
N23 第二十三晶体管
N24 第二十四晶体管
N25 第二十五晶体管
N26 第二十六晶体管
N27 第二十七晶体管
N28 第二十八晶体管
N29 第二十九晶体管
N30 第三十晶体管
N31 第三十一晶体管
N32 第三十二晶体管
N33 第三十三晶体管
N34 第三十四晶体管
N35 第三十五晶体管
N36 第三十六晶体管
N37 第三十七晶体管
VDD 电源
ZIN_LNA 低噪音放大器的输入阻抗
ZIN_MIXER 混频器的输入阻抗

Claims (7)

1.一种无线接收装置，包括：
第一被动式混频器，接收振荡信号；以及
共栅极放大器，耦接上述第一被动式混频器，且根据上述振荡信号的振荡频率自动调整对应上述共栅极放大器的输入阻抗。
2.如权利要求1所述的无线接收装置，其中上述共栅极放大器包含晶体管，且上述共栅极放大器是单端输入且单端输出。
3.如权利要求1所述的无线接收装置，其中上述共栅极放大器包含第一晶体管和第二晶体管，且上述共栅极放大器是差动输入且差动输出。
4.如权利要求1所述的无线接收装置，其中上述共栅极放大器包含第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，且上述共栅极放大器是差动输入且差动输出。
5.如权利要求1所述的无线接收装置，还包括：
第二被动式混频器，耦接上述共栅极放大器，其中上述第一被动式混频器和第二被动式混频器分别接收具有第一振荡频率的振荡信号和具有第二振荡频率的振荡信号。
6.如权利要求5所述的无线接收装置，其中共栅极放大器根据上述第一振荡频率和上述第二振荡频率调整对应上述共栅极放大器的输入阻抗。
7.如权利要求1所述的无线接收装置，其中上述无线接收装置包含的晶体管是利用先进制造工艺产生的晶体管。
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