CN117501622A - 堆叠式多级可编程lna架构 - Google Patents
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Abstract
一种用于降低多级LNA放大器的直流电流消耗的方法和设备。根据一个方面，第一放大级和第二放大级被堆叠以提供直流电流的公共传导路径。第一级包括共源极放大器(T1)，第二级包括共漏极放大器(T3)。通过将相应的级的负载电感器与耦接在电感器之间的公共节点处的电容器串联连接来提供两个级之间的耦接。根据另一方面，使用分流器电路以根据以下两条单独的传导路径来将电流分流到第一级：到两个级的一条公共路径，以及与第二级分离的另一条路径。根据又一方面，分流器电路包括反馈回路，该反馈回路控制电流的分流，以保持通过公共路径的恒定电流。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年6月17日提交的名称为“Stacked Multi-Stage ProgrammableLNA Architecture”的美国专利申请第17/351,131号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及低噪声放大器(LNA)，并且更具体地，涉及用于设计具有不同的增益模式和降低的功耗的宽带LNA的方法和装置。
背景技术
图1A示出了现有技术(单级)的低噪声放大器(LNA，100A)，其可用于例如RF通信系统的接收器前端部分。LNA(100A)包括堆叠式晶体管放大布置、输入匹配电路(101)以及输出匹配网络(102)，该堆叠式晶体管放大布置包括输入晶体管T1(被配置为共源极设备或放大器)和级联输出晶体管T2(被配置为共栅极设备或放大器)，输入匹配电路(101)耦接至输入晶体管T1，输出匹配网络(102)耦接至输出晶体管T2。输入匹配电路(101)可以包括：耦接至输入晶体管T1的栅极的串联连接的输入电感器(Lser)；以及耦接至共源极输入晶体管T1的源极的退化电感器(Ldeg)。应当注意，输入匹配电路(101)可以包括诸如以下的其他元件：例如耦接在RF输入RFIN与参考接地之间的串联电容器和/或分流电感器(例如，如稍后描述的图2)。输出匹配网络(102)可以包括与电阻器(Rd)并联连接的电感器(L1)以及电容器(Cmatch)，输出匹配网络(102)向负载RL提供阻抗匹配。电阻器(Rd)可以用于对输出匹配网络(102)进行降Q(deQing)以提供LNA(100A)的宽带操作模式。输出匹配网络(102)的这样的降Q可能导致LNA(100A)的较低增益，从而潜在地影响接收器的整体系统性能。
图1B示出了现有技术的多级LNA放大器(100B)，包括基于图1A的单级级联配置(100A)的第一级(110)和第二级(120)，第一级和第二级的组合可以为宽带操作提供增加的性能。多级LNA放大器(100B)包括反馈电阻器Rf和电容器Cf，可以通过闭合(或断开)串联连接的开关S1来选择性地将反馈电阻器Rf和电容器Cf接入第一级(110)或从第一级(110)断开。当接入时，反馈电阻器Rf在多级LNA放大器(100B)的第一级(110)的输出与第一级(110)的输入之间提供反馈路径，从而增加第一级(110)的带宽。电容器Cf用作T2的漏极与T1的栅极之间的直流解耦电容器，但是也可以用作反馈电路的调谐的一部分。由于第一级(110)的输出阻抗对于开关S1的各个状态可能不同，因此现在通过使用级联至第一级(110)的第二级(120)来实现负载RL的输出匹配。如在图1B中可以看出，第二级(120)可以是源极跟随器电路(120)，其包括晶体管T3和耦接至晶体管T3的源极的电感器(L2)。如本领域技术人员已知的，源极跟随器的输出阻抗(观察晶体管T3的源极)等于其中gm表示晶体管T3的跨导。由于这样的跨导实际上与频率无关，因此它可以针对宽带操作提供改进的输出匹配，而与开关S1的配置/状态无关。应当注意，如图1B所示，电容器COUT可以耦接在源极跟随器电路(120，T3的源极)的输出与负载RL之间，主要用于阻断源极跟随器电路(120)的输出处存在的直流电压。换言之，与图1A的配置(100A)的电容器Cmatch相比，电容器COUT可以不用于匹配目的。
尽管图1B所示的现有技术配置可以针对宽带操作提供改进的(RF)性能，但是这样的性能提高可能以增加的电力使用为代价，这是因为如图1B所示，第一级(110)和第二级(120)在不同的偏置电流ITot和IT3下操作。在由电池提供电源(例如，电源电压VDD)的便携式/手持应用中，电池的再充电之间中的操作的寿命变得重要，并且因此，根据图1A或图1B的配置的操作可以被认为是增加宽带性能(以增加电力使用为代价)与降低电力使用(以降低宽带性能为代价)之间的折衷。
根据本公开内容的教导经由多级LNA配置克服了上述现有技术的缺点，该多级LNA配置提供了与图1B的现有技术配置类似的宽带性能，同时消耗的电力降至与图1A的现有技术配置消耗的电力相当或更少。此外，根据本公开内容的多级LNA配置的级可以根据不同的性能度量选择性地接入以进行操作或断开，这些性能度量不仅可以考虑增益(平坦度)、噪声系数、线性度和输出匹配之间的折衷，还可以考虑不同级之间的电流分布。
发明内容
根据本公开内容的第一方面，提供了一种堆叠式多级低噪声放大器(LNA)电路，包括：第一放大级，该第一放大级包括耦接在公共节点与参考接地之间的共源极放大器，第一放大级被配置成接收输入射频(RF)信号并且由此生成第一级放大RF信号；第二放大级，该第二放大级包括耦接在电源电压与公共节点之间的共漏极放大器，第二放大级被配置成接收第一级放大RF信号并且由此生成到负载的输出RF信号；以及分流电容器，该分流电容器耦接至公共节点，该分流电容器被配置成使公共节点在第一放大级和第二放大级的操作频率下短接至参考接地。
根据本公开内容的第二方面，提出了一种降低多级低噪声放大器(LNA)中直流电流消耗的方法，该方法包括：提供第一放大级，该第一放大级包括耦接在公共节点与参考接地之间的共源极放大器；提供第二放大级，该第二放大级包括耦接在电源电压与公共节点之间的共漏极放大器；将公共节点耦接至分流电容器，从而使公共节点在第一放大级和第二放大级的操作频率下短路；基于所述提供第一放大级和所述提供第二放大级，将来自电源电压的第一直流电流传导通过第一放大级和第二放大级，从而降低多级LNA的直流电流消耗。
在本申请的说明书、附图和权利要求书中提供了本公开内容的其他方面。
附图说明
并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图示出了本公开内容的一个或更多个实施方式，并且与示例实施方式的描述一起用于说明本公开内容的原理和实现方式。
图1A示出了单级现有技术的低噪声放大器(LNA)的简化示意图。
图1B示出了具有改进的宽带性能的多级现有技术的低噪声放大器(LNA)的简化示意图。
图2示出了根据本公开内容的实施方式的多级低噪声放大器(LNA)的简化示意图，其中第一级和第二级提供有相同的偏置电流。
图3A示出了根据本公开内容的另一实施方式的多级低噪声放大器(LNA)的简化示意图，其中到第一级的偏置电流的一部分经由分流器电路与第二级共享。
图3B示出了根据本公开内容的在图3A中所示的分流器电路中使用的反馈控制信号的示例性实施方式。
图3C示出了根据本公开内容的在图3B中所示的分流器电路的示例性实施方式。
图4示出了用于对图2、图3A、图3B或图3C中的任一个的多级低噪声放大器(LNA)进行偏置的示例性偏置电路的简化示意图。
图5示出了根据本公开内容的基于图3B中所示的配置的示例性实施方式。
图6示出了根据本公开内容的基于图3B的配置的实施方式的可切换多模低噪声放大器(LNA)的简化示意图。
图7是示出根据本公开内容的用于降低多级低噪声放大器(LNA)中的直流电流消耗的方法的各个步骤的流程图。
各个附图中的相似的附图标记和名称指示相似的元件。
具体实施方式
如本领域中已知的，在RF系统(例如，RF放大器)中，带宽有时根据百分比带宽来定义，百分比带宽被定义为绝对带宽与这样的RF系统操作的中心频率的比率(百分比)。与带宽相关联的RF放大器的一个性能度量由指定带宽上的增益平坦度表示。增益平坦度通常以dB为单位指定，指示操作的频率范围内的增益变化。
贯穿本公开内容，术语“窄带”可以用于描述操作的频率范围表示小于7.5％的百分比带宽的应用；术语“扩展窄带”可以用于描述操作的频率范围表示7.5％与15％之间的百分比带宽的应用；并且术语“宽带”可以用于描述操作的频率范围表示大于15％的带宽百分比的应用。
贯穿本公开内容，“共源极放大器”、“共漏极放大器”和“共栅极放大器”是指本领域公知的三种基本单级场效应晶体管(FET)拓扑。例如，共源极放大器可以用作电压或跨导放大器；共漏极放大器(也称为“源极跟随器”)可以用作电压缓冲器；并且共栅极放大器可以用作电流缓冲器或电压放大器。如本领域公知的，共源极放大器的输出可以根据级联配置耦接至一个或更多个串联连接的共栅极放大器(例如，稍后描述的图2的第一级110)。
根据本公开内容的教导允许经由使用两个放大级的堆叠式拓扑的新型多级LNA配置来降低电力(例如，电流)消耗。这样的堆叠式多级拓扑结构(在本文中也被称为堆叠式多级LNA放大器、堆叠式多级配置或堆叠式多级LNA)，可以提供堆叠式放大级的公共直流电流传导路径，从而降低直流电流消耗。
在期望为两个堆叠式放大级中的每一个提供不同的直流偏置电流的情况下，根据本公开内容的教导提供了分流器电路，该分流器电路可以将来自电源的直流电流的传导路径分流成两条单独的传导路径，一条路径是两个放大级共用的，另一条路径提供给两个级中之一。
根据本公开内容的实施方式，分流器电路可以控制直流电流的分流，以提供和保持通过公共传导路径的固定/恒定的直流电流，而与从电源到堆叠式多级LNA的总直流电流无关。例如，两个堆叠式放大级中的第一级可以控制来自电源的总直流电流；分流器可以将总直流电流的一部分路由至第一级和第二级共用的传导路径；并且将剩余部分路由至仅通过第一级传送的传导路径。换言之，分流器允许两个堆叠式放大级根据不同的直流电流进行操作，通过共用直流电流传导路径传导的共用直流电流用于两个放大级中之一的偏置，由共用直流电流和分流直流电流的组合(例如总和)生成的组合直流电流用于另一放大级的偏置。
根据本公开内容的实施方式，分流器电路可以包括控制通过公共传导路径的电流的反馈回路。换言之，反馈回路被配置成控制将来自电源的总直流电流分流成固定直流电流和剩余电流，固定直流电流用于偏置第二级，剩余电流与固定直流电流相结合来偏置第一级。因此，第一级可以控制来自电源的总直流电流，并且分流器电路可以控制到第二级的直流电流。换言之，来自电源的总直流电流可以首先由分流器电路分流以生成用于偏置第二级的直流电流，并且然后通过将分流的直流电流与第二级直流电流重新组合来生成用于偏置第一级的直流电流。
根据本公开内容的实施方式，对到第二级的直流电流的控制可以基于对第二级中的偏置点的感测，并且使用这样的偏置点作为分流器电路的反馈回路的反馈。根据本公开内容的示例性实施方式，偏置点可以是表示流过第二级的直流电流的大小的电压。
根据本公开内容的实施方式，第一放大级包括共源极放大器电路。根据本公开内容的示例性实施方式，共源极放大器电路包括共源极晶体管。根据本公开内容的示例性实施方式，来自第一放大级的放大RF信号可以在共源极晶体管的漏极处输出，并且被馈送至第二放大级。
根据本公开内容的示例性实施方式，共源极晶体管可以是堆叠式晶体管放大器的输入级/晶体管，该堆叠式晶体管放大器包括一个或更多个与所述输入级/晶体管串联连接的级联晶体管。根据本公开内容的示例性实施方式，来自第一放大级的放大RF信号可以在输出级联晶体管的漏极处输出，并且被馈送至第二放大级。
根据本公开内容的实施方式，第一放大级在直流电压与耦接(例如，连接)至共源极晶体管的源极的参考接地之间操作，该直流电压通过耦接(例如，连接)至第一放大级的输出的电感器(例如，负载电感器)提供。
根据本公开内容的实施方式，第二放大级包括被布置为源极跟随器电路的共漏极放大器电路。根据本公开内容的实施方式，源极跟随器电路包括共漏极晶体管和耦接(例如，连接)至晶体管的源极的电感器。源极跟随器电路可以向负载提供宽带匹配，以输出由第一级放大并由第二级缓冲的RF信号。
根据本公开内容的实施方式，在第一级和第二级共用的交流接地节点处提供第二级到第一级的堆叠。根据本公开内容的实施方式，在将第一级的负载电感器耦接(例如，连接)至(第二级)源极跟随器电感器的公共节点处提供交流接地节点。根据本公开内容的实施方式，旁路电容器耦接至交流接地节点，以减少通过负载电感器和/或源极跟随器电感器的任何交流信号。这样的旁路电容器基本上在交流接地节点处提供理想的交流接地，从而允许多级LNA的高增益操作以及第一级与第二级之间的高隔离度。换言之，一个级的RF性能(包括增益和带宽)基本上独立于另一级的RF性能。
根据本公开内容的实施方式，多级LNA配置中可以包括多个开关，以选择性地通过两个级或仅通过第一级来提供放大，同时通过消除未使用的电路/元件中的电流传导路径来降低功耗。可以针对高增益和/或宽带操作模式选择通过两个级的放大，并且可以针对低增益操作模式选择仅通过第一级的放大。根据本公开内容的示例性实施方式，低增益操作模式可以包括经由选择性地将反馈电阻器耦接在第一级的输出与输入之间而进行操作的宽带模式。本公开内容的其他方面可以参考下面描述的各种附图来提供。
图2示出了根据本公开内容的实施方式的堆叠式多级低噪声放大器(LNA，200)的简化示意图，其中，第一级(110)和第二级(120)可以类似于上面参考图1B描述的第一级(110)和第二级(120)。然而，与图1B中所示其中每一级经由不同/单独的直流偏置电流偏置的级联配置相比，图2的堆叠式配置允许第一级(110)和第二级(120)相对于相同的直流偏置电流ITot操作。
提供至图2的多级LNA(200)的输入RF信号RFIN经由第一级(110)放大，由第二级(120)缓冲，并且作为RFOUT输出至负载RL。直流阻断电容器Cblock将两个级(110、120)的直流电平解耦，同时在两个级之间提供交流耦合。同样，直流阻断电容器COUT将第二级(120)的输出处的直流电平与负载RL处的直流电平解耦；耦接至第一级(110)的输入的电容器Cser可以用于将第一级(100)的输入处的直流电平与用于向多级LNA(200)提供输入RF信号RFIN的电路解耦。在一些实施方式中，电容器Cser还可以结合例如串联连接的电感器Lser、分流电感器Lsh和/或退化电感器Ldeg，用于第一级(110)的输入匹配。
继续参考图2，在第一级和第二级(110、120)共用的交流接地节点A处提供第二级(120)到第一级(110)的堆叠。如图2所示，交流接地节点A是将第一级(110)的负载电感器L1耦接(例如，连接)至第二级(120)的负载电感L2的公共节点。旁路电容器CA耦接至交流接地节点A，以减少通过第一级负载电感器L1和/或通过第二级(源极跟随器)负载电感器L2的任何交流信号。旁路电容器CA基本上在交流接地节点A处提供理想的交流接地，从而允许多级LNA(200)的高增益操作以及第一级(110)与第二级(120)之间的高隔离度。根据本公开内容的实施方式，可以鉴于堆叠式多级LNA(200)的操作频率来选择旁路电容器CA的电容，例如以在该操作频率下产生交流短路。
图2的堆叠式多级LNA(200)包括公共直流电流传导路径，该公共直流电流传导路径用于向第一级(110)和第二级(120)提供相同的直流偏置电流ITot。如图2所示，这样的公共直流电流传导路径通过以下将偏置电流ITot从(电源)电源电压VDD传导至参考接地：第二级(120)的晶体管T3的漏极和源极；第二级的负载电感器L2；第一级(110)的负载电感器L1；第一级(110)的晶体管T2和晶体管T1的各自的漏极和源极；以及第一级(110)的退化电感器Ldeg。因此，直流偏置电流ITot(可以是基于例如到第一级(110)的输入晶体管T1的栅极偏置电压VG1的需求电流)流经第一级(110)和第二级(120)。应当注意，第一级(110)可以包括(共源极)输入晶体管T1和一个或更多个级联晶体管(T2、……)，所述一个或更多个级联晶体管的数目基于例如电源电压VDD的电平和第一级(110)的晶体管的耐压能力。因此，图2的示例性第一级(110)中所示的单个级联晶体管T2不应被认为限制本发明的范围。此外，第一级(110)的级联晶体管(例如T2)经由栅极电压(例如VG2)进行的直流电压偏置可以鉴于电源电压VDD在第一级(110)的晶体管上的期望分布，同时考虑到例如第二级(120)上的电压降来提供。
继续参考图2，根据本公开内容的实施方式，可以经由耦接在电源电压VDD与源极跟随器晶体管T3的栅极之间的上拉电阻器Rb来提供源极跟随器电路(120)的栅极的偏置。因此，并且由于晶体管T3的源极是浮动的(例如，非直流耦合)，直流偏置电流ITot的变化(例如，根据VG1偏置)可能引起晶体管T3的源极处的(直流)电压的变化(并且因此引起漏极到源极电压的变化)，以传导变化的直流偏置电流。晶体管T3的源极电压的这样的变化又可能引起交流接地节点A处的直流电压的变化。在一些应用中，可能期望在针对第一级(110)的需求直流电流变化的同时保持晶体管T3的偏置点固定。这样可以使得源极跟随器电路(120)的跨导的值保持相同(恒定)，以得到负载RL的更一致的(例如，增强的)匹配。由此，根据本公开内容的实施方式，如图3A所示，晶体管T3的偏置点保持固定，而与第一级(110)所需求的直流偏置电流(例如，ITot)无关。
图3A示出了根据本公开内容的另一实施方式的多级低噪声放大器(LNA、300A)的简化示意图，其中，到第一级(110)的偏置电流ITot的一部分IT3经由分流器电路(350)与第二级(120)共享。换言之，通过由第一级和第二级(110、120)的堆叠式配置提供的公共直流电流传导路径传导的直流偏置电流表示第二级(120)的期望的固定/恒定直流偏置电流IT3。如上参考例如图2所述，直流偏置电流IT3可以基于源极跟随器电路(120)的期望跨导来向负载RL提供期望匹配。
继续参考图3A，根据本公开内容的实施方式，分流器电路(350)将总电流ITot分流成第一部分电流ITot–IT3和第二部分电流IT3，其中，第二部分电流IT3表示第二级(120)的(固定)直流偏置电流IT3，第一部分电流ITot–IT3表示第一级(110)的(需求的)直流偏置电流ITot与第二级(120)的直流偏置电流IT3之间的平衡。根据本公开内容的实施方式，分流器电路(350)可以耦接在电源电压VDD与交流接地节点A之间，从而在电源电压VDD与交流接地节点A之间提供电流传导路径，该电流传导路径与由第二级(120)提供的电流传导路径不同并且分开(例如，并联)。换言之，从图3A中可以清楚地看出，两个分流电流IT3和ITot–IT3沿着不同并且分开的传导路径，以在交流接地节点A处组合，从而向第一级(110)提供直流偏置电流ITot。
根据本公开内容的实施方式，分流器电路(350)可以经由反馈回路来保持第二部分电流IT3固定/恒定，该反馈回路监测第二级(120)的一个或更多个偏置点(包括直流电压和/或直流电流)。这在图3A中经由从第二级(120)到分流器电路(350)的反馈控制信号FB来举例说明。根据本公开内容的实施方式，分流器电路(350)包括晶体管T4，基于反馈控制信号FB来控制该晶体管T4的偏置以传导第一部分电流ITot-IT3。换言之，基于反馈控制信号FB来控制晶体管T4的漏极到源极电流，以提供第一级(110)的(需求的)直流偏置电流ITot与第二级(120)的(固定的)直流偏置电流IT3之间的差额ITot-IT3。根据本公开内容的示例性实施方式，晶体管T4的漏极可以耦接(例如，连接)至电源电压VDD，并且晶体管T4的源极可以耦接(例如，连接)至交流接地节点A。
图3B示出了根据以上参考图3A描述的配置的本公开内容的示例性实施方式，其中，在交流接地节点A处提供到分流器电路(350)的反馈控制信号FB。在图3B的配置(300B)中，分流器电路(350)可以感测交流接地节点A处的直流电压，并且控制晶体管T4的偏置以输出电流ITot-IT3。根据本公开内容的实施方式，分流器电路(350)还可以基于感测到的在交流接地节点A处的直流电压来控制同一节点A处的电压。由于交流接地节点A处的电压确定了晶体管T3的源极处的直流电压，并且由于晶体管T3的栅极和漏极被直流偏置(例如，经由VDD和Rb)，因此交流接地节点A处的电压控制(例如，限制)通过第二级(120)的(漏极到源极)电流IT3。因此，分流器电路(350)的反馈回路可以控制交流接地节点A处的电压以偏置晶体管T3以获得期望的电流IT3，同时控制晶体管T4的偏置以输出电流ITot-IT3。分流器电路(350)和相关联的反馈回路的示例性实施方式在图3C中示出。
图3C示出了分流器电路(350c)的根据本公开内容的示例性实施方式，该分流器电路(350c)可以用作上面参考图3B描述的分流器电路(350)。如图3C所示，分流器电路(350c)可以包括运算放大器(355)，该运算放大器(355)具有耦接(连接)至晶体管T4的栅极的输出、耦接至晶体管T5的源极的正输入(标记为+)、以及耦接至晶体管T4的源极和交流接地节点A的负输入(标记为-)。晶体管T4的漏极和晶体管T5的漏极耦接至电源电压VDD。经由耦接在电源电压VDD与晶体管T5的栅极之间的栅极偏置电阻器R’b来提供晶体管T5的栅极电压。参考电流源IRef耦接在晶体管T5的源极与参考接地之间。
继续参考图3C的分流器电路(350c)，参考电流源IRef建立通过晶体管T5的漏极到源极电流，该电流与经由栅极偏置电阻器R’b建立的栅极偏置电压相结合，建立晶体管T5的源极处的电压。换言之，对于由栅极偏置电阻器R’b提供的栅极偏置电压，晶体管T5的源极处的电压稳定到与晶体管T5的栅极到源极电压相对应的值，用于传导等于IRef的漏极到源极电流。此外，运算放大器(355)与晶体管T4的组合提供反馈回路(355，T4)，该反馈回路(355，T4)迫使交流接地节点A处的电压等于晶体管T5的源极处的电压。因此，反馈回路(355，T4)控制晶体管T4的栅极电压以保持晶体管T4传导，同时迫使交流接地节点A处的电压等于晶体管T5的源极处的电压。根据本公开内容的实施方式，可以将晶体管T4的尺寸选择成在处于反馈回路(355，T4)的控制(例如，T4的栅极和漏极)下时提供第一级(110)所要求的所有必要(差额)电流ITot–IT3。
根据本公开内容的实施方式，电路(T5，R’b)可以被选择为电路(T3，Rb)的副本。因此，通过迫使交流接地节点A处的电压等于(副本)晶体管T5的源极处的电压，通过晶体管T3的电流IT3变成电流IRef的缩放版本，该缩放基于副本电路(T3，Rb)的缩放(因子)。例如，如果副本电路(T5，R’b)是电路(T3，Rb)的因子1/N(例如，N可以是任何正数，包括整数或有理数)，则电流IT3等于N x IRef。如本领域技术人员已知的，(副本)晶体管T5的缩放可以经由晶体管的尺寸(包括例如晶体管的宽度和/或长度)来提供。
图4示出了用于偏置上面参考图2、图3A、图3B或图3C中的任何一个附图所描述的多级低噪声放大器(LNA)的示例性偏置电路(410、420、I’Tot)的简化示意图。特别地，图4的示例性偏置电路可以用于生成第一级(110)的晶体管(例如，T1、T2、……等)的栅极偏置电压(例如，VG1、VG2、……等)。根据本公开内容的实施方式，偏置电路包括晶体管(例如，T1、T2、……等)的副本电路(410、T’1、T’2、……等)，该副本电路耦接至第一级(110)的晶体管(例如，T1、T2、……等)的栅极。因此，通过迫使直流电流(例如，经由电流源I’Tot)通过副本电路(410)，相应的缩放的直流电流ITot流过第一级(110)。如图4所示，副本电路(410)的栅极与第一级(110)的栅极之间的耦接可以经由(串联连接的)电阻器(例如，RS11、RS12和RS2)来提供。这样的电阻器的值与相应的栅极电容器(例如，C1、C2)相结合可以用于提供滤波，以将偏置电路(410、420、I’Tot)与第一级(110)的RF部件隔离。
继续参考图4，可以经由反馈电路(420)来提供第一级(110)的级联晶体管T2和副本电路(410)的相应级联晶体管T’2的栅极偏置电压VG2，该反馈电路被配置成跟踪如上面参考图2、图3A、图3B或图3C所述的交流接地节点A处的电压VA的变化。通过迫使晶体管T’2的源极处的电压跟随/跟踪电压VA的变化，级联晶体管T’2的漏极到源极电压被保持，并且因此级联晶体管T2的漏极到源极电压被保持。这又可以允许针对VA的低电压电平，足够高的漏极到源极电压余量用于级联晶体管T2的操作。应该注意，尽管图4所示的栅极偏置电压VG2是经由跟踪交流接地节点A处的电压VA而生成的，但是相对于电源电压VDD的跟踪也是可能的。在这种情况下，反馈电路(420)以及副本电路(410)可以耦接至VDD而不是VA。
进一步参考图4，反馈电路(420)可以包括运算放大器(455)，该运算放大器(455)具有耦接至晶体管T’2的栅极的输出、耦接至电阻分压器(R41、R42)的公共节点的正输入以及耦接至晶体管T’2的源极的负输入。因此，运算放大器(455)迫使晶体管T’2的源极处的电压等于电阻分压器(R41，R42)的公共节点处的分压电压。由于电阻分压器(R41、R42)耦接在交流接地节点A处的电压VA之间，因此耦接至运算放大器(455)的正输入的电阻分压器(R41，R42)的公共节点也跟踪电压VA。
返回参考图3A至图3C，因为公共交流接地节点A处的电压VA可以根据第二级(120)上的电压降而变化，因此这样的电压降可以影响第一级(110)可用的电压余量。根据本公开内容的实施方式，可以通过将第二级(120)的晶体管T3和晶体管T4(例如，图2、图3A、图3B、图3C)选择成具有低阈值电压(Vth)(例如，等于约零伏)来增加这样的电压余量。如本领域技术人员已知的，本征晶体管器件具有低阈值电压。这样的低阈值电压又可以降低晶体管T3的漏极到源极电压，并且因此降低第二级(120)上的电压，以增加公共交流接地节点A处的电压VA。
如上所述，第一放大级(例如，110)可以包括共源极放大器电路。图5示出了根据本公开内容的基于图3B中所示的配置(300B)的示例性实施方式的堆叠式多级LNA(500)，不同之处在于，配置(500)的第一级(110)不包括级联晶体管(例如，图3B的T2)。堆叠式多级LNA(500)的操作的原理与上面参考图3B描述的配置(300B)相同。重新申明，根据本公开内容的堆叠式多级LNA配置的所有实施方式包括第一级共源极放大器(例如，110)和第二级共漏极放大器(例如，120)。在一些配置中，第一级共源极放大器可以耦接至被布置为级联的一个或更多个共栅极放大器(例如，T2、……等)。
图6示出了根据本公开内容的实施方式的基于图3B的配置的可切换多模低噪声放大器(LNA、600)的简化示意图。如可以在图6中看出，配置(600)基于上面参考图3B描述的配置(300B)，还包括多个开关(例如，Sk)，所述多个开关允许根据可切换LNA(600)的操作模式来选择性地接入或断开电路的各部分。因此，可以鉴于不同的性能度量来选择可切换LNA(600)的不同的操作模式。例如，可以通过以下操作来提供高增益和宽带操作模式：闭合开关S601至S604并保持所有其他开关断开，从而提供与上面参考图3B描述的电路类似的电路。
另一方面，可以通过闭合开关S611、S612、S621和S622并断开开关S601至S604来提供可切换LNA(600)的低增益操作模式和/或窄带操作模式。断开开关S601至S604并且闭合开关S621和S622可以使第二级(120)与第一级(110)以及与负载RL解耦(例如，断开连接)，同时通过去除流经第二级(120)和流经分流器电路(350)的所有直流电流来去除由第二级(120)提供的任何功能。此外，闭合开关S622可以经由节点A将电源电压VDD耦接至第一级(110)，并且闭合开关S611和S612可以通过匹配电容器Cmatch将第一级(110)的输出耦接至负载RL。具有与上面参考图1A描述的功能类似的功能的降Q电阻器Rd可以经由开关S613被接通或断开，以根据低增益和宽带要求进行操作。替选地或另外地，具有与上面参考图1B描述的功能类似的功能的反馈电阻器Rf和电容器Cf可以经由开关S1被接通或断开，以根据低增益和宽带要求进行操作，以实现更宽的输入匹配。本领域的技术人员可以根据不同的性能度量来配置图6中所示的各种开关，这些性能度量可以考虑例如不同级(例如，110和120)之间的增益(平坦度)、噪声系数、线性度、输出匹配和电流分布间的折衷。
图7是示出根据本公开内容的用于降低多级低噪声放大器(LNA)中的直流电流消耗的方法的各个步骤的流程图。如图7所示，这样的步骤包括：根据步骤(710)，提供第一放大级，该第一放大级包括耦接在公共节点与参考接地之间的共源极放大器的；根据步骤(720)，提供第二放大级，该第二放大级包括耦接在电源电压与公共节点之间的共漏极放大器；根据步骤(730)，将公共节点耦接至分流电容器，从而使公共节点在第一放大级和第二放大级的操作的频率下短路；以及根据步骤(740)，基于所述提供第一放大级和所述提供第二放大级，从电源电压通过第一放大级和第二放大级传导第一直流电流，从而降低多级LNA的直流电流的消耗。
如本公开内容中所使用的，术语“MOSFET”包括具有其电压确定晶体管的导电性的绝缘栅极的任何场效应晶体管(FET)并且包括具有金属或类金属、绝缘体和/或半导体结构的绝缘栅极。术语“金属”或“类金属”包括至少一种导电材料(例如，铝、铜或其他金属，或者高掺杂多晶硅、石墨烯或其他电导体)，“绝缘体”包括至少一种绝缘材料(例如，硅氧化物或其他介电材料)，并且“半导体”包括至少一种半导体材料。
如本公开内容中使用的，术语“射频”(RF)是指在约3kHz至约300GHz范围内的振荡速率。该术语还包括无线通信系统中使用的频率。RF频率可以是电磁波的频率或者电路中的交流电压或电流的频率。
可以实现本发明的各种实施方式以满足多种规范。除非以上另有说明，否则合适的部件值的选择是设计选择的问题。本发明的各种实施方式可以以任何合适的集成电路(IC)技术(包括但不限于MOSFET结构)来实现，或者以混合或分立电路形式来实现。可以使用任何合适的基板和工艺(包括但不限于标准体硅、高电阻体CMOS、绝缘体上硅(SOI)和蓝宝石上硅(SOS))来制造集成电路实施方式。除非以上另有说明，否则本发明的实施方式可以以其他晶体管技术(例如，双极、BiCMOS、LDMOS、BCD、GaAs HBT、GaN HEMT、GaAs pHEMT和MESFET技术)来实现。然而，本发明的实施方式在使用基于SOI或SOS的工艺来制造时，或者在使用具有类似特性的工艺来制造时特别有用。在使用SOI或SOS工艺的CMOS进行的制造使电路能够具有低功耗、由于FET堆叠而在操作期间承受高功率信号的能力、良好的线性度和高频操作(即，高达和超过300GHz的射频)。由于通常可以通过精心设计而使寄生电容保持低(或处于最小，在所有单元上保持均匀，从而允许对其进行补偿)，因此单片IC实现方式特别有用。
根据特定规范和/或实现技术(例如，NMOS、PMOS或CMOS以及增强模式或耗尽模式晶体管设备)，可以调整电压电平和/或使电压和/或逻辑信号极性反转。可以根据需要例如通过调整器件尺寸、串联地“堆叠”部件(特别是FET)以承受更大的电压和/或使用多个并联的部件以处理更大的电流来对部件电压、电流和功率处理能力进行调整。可以添加附加的电路部件以增强所公开的电路的性能以及/或者在不显著改变所公开的电路的功能的情况下提供附加的功能。
根据本发明的电路和设备可以被单独使用或与其他部件、电路和设备组合使用。本发明的实施方式可以被制造为集成电路(IC)，集成电路(IC)可以被封装在IC封装和/或模块中以易于处理、制造和/或改善性能。特别地，本发明的IC实施方式通常用于其中一个或更多个这样的IC与其他电路块(例如，滤波器、放大器、无源部件以及可能的附加IC)组合成一个封装的模块。然后，通常将IC和/或模块与通常在印刷电路板上的其他部件组合，以形成诸如蜂窝电话、膝上型计算机或电子平板的最终产品的一部分，或者形成可以在诸如交通工具、测试设备、医疗设备的各种各样的产品中使用的更高级别的模块。通过模块和组件的各种配置，这样的IC通常能够实现通信模式(通常是无线通信)。
已经描述了本发明的多个实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，以上描述的步骤中的一些可以是与顺序无关的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行。此外，上述步骤中的一些步骤可以是可选的。可以以重复、串行或并行的方式来执行关于以上标识的方法所描述的各种活动。
应当理解，前述描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定，并且其他实施方式也在权利要求的范围内。特别地，本发明的范围包括所附权利要求中阐述的过程、机器、制造或物质组成中的一种或更多种的任何和所有可行组合。(注意，用于权利要求元素的括号标记是为了便于引用这样的元素，并且其本身并不指示元素的特定所需的顺序或枚举；此外，这样的标记可以在从属权利要求中作为对附加元素的引用而重复使用，而不被认为是开始有冲突的标记序列)。
Claims (21)
1.一种堆叠式多级低噪声放大器(LNA)电路，包括：
第一放大级，所述第一放大级包括耦接在公共节点与参考接地之间的共源极放大器，所述第一放大级被配置成接收输入射频(RF)信号并且由此生成第一级放大RF信号；
第二放大级，所述第二放大级包括耦接在电源电压与所述公共节点之间的共漏极放大器，所述第二放大级被配置成接收所述第一级放大RF信号并且由此生成到负载的输出RF信号；以及
分流电容器，所述分流电容器耦接至所述公共节点，所述分流电容器被配置成使所述公共节点在所述第一放大级和所述第二放大级的操作频率下短接至所述参考接地。
2.根据权利要求1所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述共源极放大器包括输入晶体管，所述输入晶体管包括：
栅极，所述栅极耦接至所述输入RF信号；
源极，所述源极通过退化电感器耦接至所述参考接地；以及
漏极，所述漏极通过第一级负载电感器耦接至所述公共节点；以及
所述共漏极放大器包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管包括：
栅极，该栅极耦接至所述输入晶体管的漏极以接收所述第一级放大RF信号；
漏极，该漏极耦接至所述电源电压；以及
源极，该源极通过第二级负载电感器耦接至所述公共节点，该源极还耦接至所述负载以输出所述输出RF信号。
3.根据权利要求2所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
来自所述电源电压的第一直流电流通过所述堆叠式多级LNA的传导路径包括：所述共漏极放大器、所述第二级负载电感器、所述公共节点、所述第一级负载电感器以及所述共源极放大器。
4.根据权利要求3所述的堆叠式多级LNA电路，还包括：
分流器电路，所述分流器电路耦接在所述电源电压与所述公共节点之间，所述分流器电路被配置成提供来自所述电源电压的第二直流电流通过所述第一级负载电感器和所述共源极放大器的传导路径。
5.根据权利要求4所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述第二直流电流的所述传导路径不包括所述共漏极放大器和所述第二级负载电感器。
6.根据权利要求4所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述分流器电路包括反馈回路，所述反馈回路被配置成感测所述第二放大级的节点处的电流或电压以控制所述第一直流电流或所述第二直流电流。
7.根据权利要求4所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述分流器电路包括反馈回路，所述反馈回路被配置成感测所述公共节点处的电压以控制所述第一直流电流。
8.根据权利要求7所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
分流器电路包括所述共漏极放大器的副本电路，所述副本电路在所述副本电路的输出处耦接至参考电流源，所述参考电流源建立通过所述副本电路的电流，以及
所述反馈回路迫使所述公共节点处的电压等于所述副本电路的输出处的电压。
9.根据权利要求8所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述反馈回路包括耦接至传输晶体管的运算放大器，
所述运算放大器包括：
正输入，所述正输入耦接至所述副本电路的输出；
负输入，所述负输入耦接至所述公共节点并且耦接至所述传输晶体管的源极；以及
输出，该输出耦接至所述传输晶体管的栅极，并且
所述传输晶体管的漏极耦接至所述电源电压，使得所述第二直流电流的所述传导路径还包括所述传输晶体管。
10.根据权利要求8所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述副本电路是所述共漏极放大器以等于1/N的因子缩小的版本，并且所述第一直流电流为所述参考电流的N倍。
11.根据权利要求9所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述共漏极放大器的所述源极跟随器晶体管和所述传输晶体管是本征晶体管器件。
12.根据权利要求2所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述第一放大级还包括与所述共源极放大器串联连接的一个或更多个共栅极放大器，所述一个或更多个共栅极放大器被配置用于级联操作。
13.根据权利要求12所述的堆叠式多级LNA电路，还包括：
栅极偏置电路，所述栅极偏置电路被配置成生成所述一个或更多个共栅极放大器的栅极的相应的一个或更多个栅极偏置电压，
其中，
所述栅极偏置电路包括反馈回路，该反馈回路被配置成感测所述公共节点处的电压以生成所述一个或更多个共栅极放大器中的相应的共栅极放大器的栅极的至少一个栅极偏置电压，所述至少一个栅极偏置电压跟踪所述公共节点处的电压。
14.根据权利要求13所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述反馈回路包括耦接至所述相应的共栅极放大器的运算放大器，
所述运算放大器包括：
正输入，所述正输入耦接至电阻分压器的节点，所述电阻分压器耦接在所述公共节点与所述参考接地之间；
负输入，所述负输入耦接至所述相应的共栅极放大器的源极；以及
输出，该输出耦接至所述相应的共栅极放大器的栅极。
15.根据权利要求1所述的堆叠式多级LNA电路，还包括：
多个开关，所述多个开关耦接至所述第一放大级和所述第二放大级，所述多个开关被配置成选择性地执行以下中的任何一个或其组合：
i)将所述第一放大级耦接至所述第二放大级或将所述第一放大级从所述第二放大级解耦，
ii)将所述第二放大级的输出耦接至所述负载或将所述第二放大级的输出从所述负载解耦，
iii)将所述第一放大级的输出耦接至所述负载或将所述第一放大级的输出从所述负载解耦，
iv)启用或禁用流过所述第二放大级的电流，
v)将负载降Q电阻器耦接至所述第一放大级的输出或将所述负载降Q电阻器从所述第一放大级的输出解耦，或者
vi)在所述第一放大级的输入与所述第一放大级的输出之间耦接或解耦反馈电阻器。
16.根据权利要求1所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述共源极放大器和所述共漏极放大器包括金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管(FET)。
17.根据权利要求16所述的堆叠式多级LNA电路，其中：
所述晶体管是使用以下技术之一制造的：a)绝缘体上硅(SOI)技术和b)蓝宝石上硅技术(SOS)。
18.一种包括根据权利要求1所述的堆叠式多级LNA电路的电子模块。
19.一种电子系统，包括：
根据权利要求18所述的电子模块，
其中，所述电子系统选自包括以下的组：a)电视，b)蜂窝电话，c)个人计算机，d)工作站，e)收音机，f)视频播放器，g)音频播放器，h)交通工具，以及i)医疗设备。
20.一种用于降低多级低噪声放大器(LNA)中的直流电流消耗的方法，所述方法包括：
提供第一放大级，所述第一放大级包括耦接在公共节点与参考接地之间的共源极放大器；
提供第二放大级，所述第二放大级包括耦接在电源电压与所述公共节点之间的共漏极放大器；
将所述公共节点耦接至分流电容器，从而使所述公共节点在所述第一放大级和所述第二放大级的操作频率下短路；以及
基于所述提供第一放大级和所述提供第二放大级，将来自所述电源电压的第一直流电流传导通过所述第一放大级和所述第二放大级，从而降低所述多级LNA的直流电流消耗。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
将晶体管耦接在所述电源电压与所述公共节点之间，从而将来自所述电源电压的第二直流电流传导通过所述第一放大级，同时绕过所述第二放大级；
使用反馈回路以感测所述公共节点处的电压并且迫使所述电压达到恒定电平；以及
基于所述使用，来保持所述第一直流电流恒定。
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