CN117859265A

CN117859265A - 有源巴伦放大器

Info

Publication number: CN117859265A
Application number: CN202180100598.XA
Authority: CN
Inventors: 威廉姆·罗克内尔; 特瑞·麦凯恩; 马修·米勒
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2024-04-09
Also published as: WO2021232030A1

Abstract

提供了一种有源巴伦放大器，包括：串联布置的第一多个金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管，所述第一多个MOS晶体管包括第一导电类型的第一输入晶体管、第二导电类型的第二输入晶体管，以及串联布置在所述第一输入晶体管与所述第二输入晶体管之间的至少两个公共栅极晶体管，其中，所述第一输入晶体管的栅极和所述第二输入晶体管的栅极连接到公共输入端；串联布置的第二多个MOS晶体管，所述第二多个MOS晶体管包括所述第一导电类型的第一公共源极晶体管、所述第二导电类型的第二公共源极晶体管，以及串联布置在所述第一公共源极晶体管与所述第二公共源极晶体管之间的至少两个共源共栅晶体管。

Description

有源巴伦放大器

技术领域

本发明大体上涉及有源巴伦(balun)放大器，包括具有分段增益控制的低噪声放大器。

背景技术

巴伦包括用于射频(radio frequency，RF)通信的设备，用于将天线接收的单端信号转换为差分信号，以便在收发器集成电路(integrated circuit，IC)处进行模拟信号处理，从而实现良好的电源抑制、信号隔离和线性度。无源巴伦包括可以相对较大的变压器，尤其是对于RF频谱的较低频率。

发明内容

本文描述的主题的实现方式可以提供几个优点。例如，在一些实现方式中，本申请所涵盖的设备可以实现低噪声、高增益和高线性度。在一些实现方式中，收发器集成电路内的模拟信号处理是全差分的，以便实现良好的电源抑制、信号隔离和线性度的改进。在一些实现方式中，本文描述的设备的设计可以使用小晶片区域来实现。

本说明书涉及有源巴伦放大器、用于自动增益控制的低噪声放大器电路和包括低噪声放大器电路的收发器。在一个方面中，提供了一种有源巴伦放大器，包括：串联布置的第一多个金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管，所述第一多个MOS晶体管包括第一导电类型的第一输入晶体管、第二导电类型的第二输入晶体管，以及串联布置在所述第一输入晶体管与所述第二输入晶体管之间的至少两个公共栅极晶体管，其中，所述第一输入晶体管的栅极和所述第二输入晶体管的栅极连接到公共输入端；串联布置的第二多个MOS晶体管，所述第二多个MOS晶体管包括所述第一导电类型的第一公共源极晶体管、所述第二导电类型的第二公共源极晶体管，以及串联布置在所述第一公共源极晶体管与所述第二公共源极晶体管之间的至少两个共源共栅晶体管；耦合电容器，其中，所述耦合电容器的第一端耦合到位于所述第一输入晶体管与第一公共栅极晶体管之间的第一耦合点，以及耦合到所述第一公共源极晶体管的栅极，并且，所述耦合电容器的第二端耦合到位于所述第二输入晶体管与第二公共栅极晶体管之间的第二耦合点，以及耦合到所述第二公共源极晶体管的栅极。

本方面的其它实现方式包括用于自动增益控制的对应低噪声放大器电路，以及包括低噪声放大器电路的收发器，用于包括有源巴伦放大器。这些和其它实施例可以各自可选地包括以下一个或多个特征。

在一些实现方式中，所述第一输入晶体管和所述第一公共源极晶体管接地。

在一些实现方式中，所述第二输入晶体管和所述第二公共源极晶体管连接到偏置电压电源。

在一些实现方式中，所述第一公共栅极晶体管属于所述第一导电类型，并直接耦合到所述第一输入晶体管，并且，所述第二公共栅极晶体管属于所述第二导电类型，并直接耦合到所述第二输入晶体管。

在一些实现方式中，所述有源巴伦放大器包括：所述第一导电类型的第一共源共栅晶体管，所述第一共源共栅晶体管直接耦合到所述第一公共源极晶体管；以及所述第二导电类型的第二共源共栅晶体管，所述第二共源共栅晶体管直接耦合到所述第二公共源极晶体管。

在一些实现方式中，所述第一共源共栅晶体管的栅极耦合到AC地，所述第二共源共栅晶体管的栅极耦合到AC地。

在一些实现方式中，所述有源巴伦放大器包括：在所述耦合电容器的所述第一端与所述第一公共源极晶体管的所述栅极之间的第一电容器；在所述耦合电容器的所述第二端与所述第二公共源极晶体管的所述栅极之间的第二电容器。

在一些实现方式中，所述有源巴伦放大器包括：在所述第一输入晶体管的所述栅极与所述公共输入端之间的第三电容器；在所述第二输入晶体管的所述栅极与所述公共输入端之间的第四电容器。

在一些实现方式中，所述有源巴伦放大器包括：运算放大器，其中，所述运算放大器的第一输入端耦合到参考电压；第一感测电阻，其中，所述第一感测电阻的第一端耦合到所述运算放大器的第二输入端，并且，所述第一感测电阻的第二端耦合到所述第一多个MOS晶体管的输出端；第二感测电阻，其中，所述第二感测电阻的第一端耦合到所述运算放大器的所述第二输入端，并且，所述第二感测电阻的第二端耦合到所述第二多个MOS晶体管的输出端；第一偏置电阻器；第二偏置电阻器，其中，所述运算放大器的输出端通过所述第一偏置电阻器耦合到所述第二输入晶体管的所述栅极，并通过所述第二偏置电阻器耦合到所述第二公共源极晶体管的所述栅极。

在一些实现方式中，所述第一多个MOS晶体管的所述输出端位于第一公共栅极晶体管与第二公共栅极晶体管之间，所述第二多个MOS晶体管的所述输出端位于第一共源共栅晶体管与第二共源共栅晶体管之间。

在一些实现方式中，所述第一多个MOS晶体管包括串联布置在所述第一输入晶体管与所述第二输入晶体管之间的四个公共栅极晶体管，所述第二多个MOS晶体管包括在所述第一公共源极晶体管与所述第二公共源极晶体管之间的四个共源共栅晶体管。

在一些实现方式中，所述第一多个晶体管包括耦合到所述第一输入晶体管的第一过压保护晶体管；耦合到所述第二输入晶体管的第二过压保护晶体管；所述第二多个晶体管包括：耦合到所述第一公共源极晶体管的第三过压保护晶体管；耦合到所述第二公共源极晶体管的第四过压保护晶体管；其中，所述第一过压保护晶体管的栅极连接到所述第三过压保护晶体管的栅极，所述第二过压保护晶体管的栅极连接到所述第四过压保护晶体管的栅极。

本发明的其它实现方式包括对应的系统、装置和计算机程序，用于执行编码在计算机存储设备上的所述方法的动作。这些和其它实施例可以各自可选地包括以下一个或多个特征。

本说明书的主题的一个或多个实施例的详细内容在附图和具体实施方式中阐述。主题的其它特征和优点从说明书、附图和权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1是无线通信系统示例的图。

图2是可以实现本发明提供的方法和指导的无线设备的示例性细节的图。

图3A和图3B是示出具有无源巴伦和有源巴伦的收发器集成电路示例的示意图。

图4是示出有源巴伦公共栅极/公共源极结构的示例的示意图。

图5是示出有源巴伦放大器示例的示意图。

图6是示出具有过压保护的有源巴伦放大器的示例的示意图。

图7是示出具有过压保护的有源巴伦放大器的另一示例的示意图。

图8是示出具有共模反馈的有源巴伦放大器的示例的示意图。

图9是示出具有DC偏置和自动增益控制的有源巴伦放大器的示例的示意图。

具体实施方式

图1是示例性无线通信系统100的框图，所述示例性无线通信系统100包括能够与一个或多个无线通信网络通信的无线设备110。能够与无线设备110通信的一个或多个无线通信网络可以包括但不限于一个或多个蜂窝或无线广域网(wireless wide areanetwork，WWAN)、一个或多个无线局域网(wireless local area network，WLAN)、一个或多个无线个人区域网(wireless personal area network，WPAN)或其组合。

在图1的示例中，无线设备110通过至少一个基站120与至少一个WWAN通信，通过至少一个接入点130与至少一个WLAN通信，以及通过至少一个PAN设备140与至少一个个人区域网络(personal area network，PAN)通信。至少一个基站120可以支持与在基站的对应覆盖区域122内的无线设备进行双向通信。类似地，至少一个接入点130可以支持与在接入点的对应覆盖区域132内的无线设备进行双向通信。图1的任何通信设备都可以包括本发明的各种实施例。

在一些实现方式中，与至少一个基站120关联的至少一个WWAN可以是其它代和类型的网络中的第五代(fifth generation，5G)网络。在这些实现方式中，至少一个基站120可以是5G基站，其使用正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)和/或非OFDM以及短于1ms(例如100或200微秒)的传输时间间隔(transmission timeinterval，TTI)来与无线设备(例如无线设备110)进行通信。例如，至少一个基站120可以采取若干设备中的一个的形式，例如，收发基站(base transceiver station，BTS)、Node-B(NodeB)、演进型NodeB(eNB)、下一代(第五代)(fifth generation，5G)NodeB(gNB)、家庭NodeB、家庭eNodeB、站点控制器、接入点，或无线路由器，或服务器、路由器、交换机或具有有线网络或无线网络的处理实体。此外，如图1所示，无线设备110用于通过一个或多个WPAN与一个或多个个人区域网络(personal area network，PAN)设备/系统140(例如，或射频识别(radio frequency identification，RFID)系统和设备)通信。

系统100可以使用多信道接入功能，包括例如至少一个基站120和无线设备110用于实现长期演进(long term evolution，LTE)无线通信标准、LTE Advanced(LTE-A)和/或LTE多媒体广播多播业务(multimedia broadcast multicast service，MBMS)的方案。在其它实现方式中，至少一个基站120和无线设备110用于实现UMTS、HSPA或HSPA+标准和协议。当然，也可以使用其它多址接入方案和无线协议。在一些示例中，一个或多个这种接入方案和无线协议可以对应于施加RF功率放大器线性度要求的标准。

为了与至少一个基站120和接入点130中的一个或两个通信，无线设备110可以包括与下文参考图2进一步详细描述的一个或多个发送器和接收器组件类似或等效的单个或多个发送器和接收器组件，以支持与不同类型的接入点、基站和其它无线通信设备的多次通信。

尽管图1示出了通信系统的一个示例，但可以对图1进行各种更改。例如，通信系统100可以包括任何数量的无线设备、基站、接入点、网络或任何合适配置的其它组件。

下文参考图2至图9进一步详细描述可用于无线设备110和其它类似设备的收发器组件和RF组件的示例。

图2是示出可以实现本发明提供的方法和指导的无线设备110的示例性细节的框图。无线设备110可以为移动电话等，但在其它示例中可以为其它设备，例如台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、手持计算设备、汽车计算设备和/或其它计算设备。如图所示，所示的无线设备110包括至少一个发送器210、至少一个接收器220、存储器230、至少一个处理器240和至少一个输入/输出设备260。此处仅示出了一个发送器和一个接收器，但在许多实施例中，包括多个发送器和接收器以同时支持不同类型的多个通信。每个接收器可以采用本发明的创新。

处理器240可以实现无线设备110的各种处理操作。例如，处理器240可以执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理或任何其它能够使无线设备110在系统100(图1)中操作的功能。处理器240可以包括用于执行一个或多个操作的任何合适的处理或计算设备。例如，处理器240可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路或这些设备的组合。

发送器210用于调制数据或其它内容，滤波和放大输出的射频(radio frequency，RF)信号，以便由至少一个天线250B发送。发送器210还可以用于在基带或中频信号被提供给天线250B用于发送之前，对基带或中频信号进行放大、滤波和上变频为射频(radiofrequency，RF)信号。发送器210可以包括用于生成用于无线传输的RF信号的任何合适的结构。

接收器220可用于解调由至少一个天线250A在输入的RF信号中接收的数据或其它内容。接收器220还可以用于在转换为数字形式并处理之前对通过天线250A接收的RF信号进行放大、滤波和下变频为中频(intermediate frequency，IF)或基带频率信号。接收器220可以包括用于处理无线接收的信号的任何合适的结构。在一个示例中，接收器包括表面声波滤波器或双工器212、匹配网络214和收发器IC 216，它们参考图3A和图3B详细描述。

天线250A和250B中的每一个可以包括用于发送和/或接收无线RF信号的任何合适的结构。在一些实现方式中，天线250A和250B可以通过单个天线来实现，该单个天线可以用于发送和接收RF信号。

应当理解，一个或多个发送器210可以用于无线设备110中，一个或多个接收器220可以用于无线设备110中，一个或多个天线250可以用于无线设备110中。例如，在一个实施例中，设备110包括至少三个发送器210和接收器220，用于通过如等个人区域网络、如基于IEEE 802.11的网络等WiFi网络和蜂窝网络进行通信。这些协议收发器(发送器210和接收器220)中的每一个都可以采用本发明的概念。虽然示出为单独的块或组件，但至少一个发送器210和至少一个接收器220可以组合成收发器。因此，在图2中，可以示出收发器的单个块，而不是示出发送器210的单独块和接收器220的单独块。

无线设备110还包括一个或多个输入/输出设备260。输入/输出设备260便于与用户进行交互。每个输入/输出设备260包括用于向用户提供信息或从用户接收信息的任何合适的结构，如扬声器、麦克风、小键盘、键盘、显示器或触摸屏。

此外，无线设备110包括至少一个存储器230。存储器230存储无线设备110使用、生成或收集的指令和数据。例如，存储器230可以存储由一个或多个处理器240执行的软件或固件指令以及用于减少或消除传入信号中的干扰的数据。每个存储器230包括任何合适的易失性和/或非易失性存储和检索设备。可以使用任何合适类型的存储器，例如随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read only memory，ROM)、硬盘、光盘、用户识别模块(subscriber identity module，SIM)卡、记忆棒、安全数字(secure digital，SD)存储卡等。

图3A是示出使用具有无源巴伦的收发器集成电路(integrated circuit，IC)310的接收器路径300示例的示意图。天线304可用于发送和/或接收无线信号。双工器或表面声波(surface acoustic wave，SAW)滤波器306可用于分离发送和接收频率，例如频率双工器。匹配网络308可用于将天线304的源阻抗匹配到收发器IC 310。收发器IC可以包括低噪声放大器312。低噪声放大器312可以用作缓冲放大器，缓冲来自负载电流的信号。来自天线304的RF信号是单端的。在一种实现方式中，收发器IC内的模拟信号处理是全差分的，以实现良好的电源抑制、信号隔离和线性度。为了将单端信号转换为差分信号，可以使用巴伦314。为避免与外部巴伦关联的成本，单端到差分功能可以移动到收发器IC内。在各种实现方式中，无源巴伦314实现为集成变压器，并且可以相对较大，尤其是对于较低的RF频率。

无源巴伦314的输出输入到混频器电路316，混频器电路316可以包括两个本地振荡器，这些本地振荡器布置成将信号分解为同相分量318和正交分量320。同相分量318和正交分量320中的每一个被传输到跨阻放大器322，以将信号电流转换为电压，然后传输到滤波器324以去除噪声和干扰信号。

图3B是示出具有有源巴伦的收发器集成电路330示例的示意图。收发器集成电路330具有与参考图3A描述的收发器集成电路310相同的组件。但是，无源巴伦314被有源巴伦332取代，该有源巴伦332使用晶体管来执行变换。有源巴伦332相对于无源巴伦可以节省大量晶片面积。本文参考图4和图5描述了有源巴伦的各种实现方式。

图4是示出有源巴伦公共栅极/公共源极电路400的示例的示意图。有源巴伦电路400包括晶体管402、404、406和408。有源巴伦电路400还包括负载元件(例如电阻器)410和412、RF输入端414、output_n 416和output_p 418。晶体管404用作公共栅极晶体管，晶体管406用作公共源极晶体管。电容器420耦合在晶体管406的栅极之间以及晶体管402、404的源极触点和漏极触点之间。电容器在晶体管402的漏极与晶体管406的栅极之间提供DC隔离。电阻器410耦合在电压电源端Vdd 422与output_n416之间，电阻器412耦合在电压电源端Vdd与output_p 418之间。输出端output_n 416和output_p418分别耦合到晶体管404和408。在一些实现方式中，该电路的大信号性能可能受到公共栅极晶体管404的Vgs(栅极到源极)电压摆幅约束的限制，导致较低的1dB压缩点和线性度降低。晶体管402、404、406和408中的每一个都是相同导电类型的MOSFET晶体管。在一种实现方式中，每个晶体管402至408是NMOS晶体管。晶体管402和406的栅极可以偏置到适当的DC偏置电压424。在一种实现方式中，电流镜可用于产生使晶体管402和406的栅极偏置的DC偏置电压424。可以提供偏置电阻器来启用RF隔离。例如，第一偏置电阻器426a可以提供在偏置电压源424和晶体管402的栅极之间，而第二偏置电阻器406可以提供在偏置电压源424和栅极晶体管406之间。

图4所示的电路400使用电阻负载以提供电压输出信号，使得输出端处的DC偏置严格由负载电阻器上的IR降确定，从而对偏置电流、负载电阻和总输出阻抗产生限制。此外，具有无源负载元件的电路400的配置不能提供用于集成接收器放大器的高放大器输出阻抗和电流输出。

图5是示出完全互补的公共栅极/公共源极(common gate/common source，CG/CS)有源巴伦放大器电路500的示例的示意图。有源巴伦放大器电路500可以提供具有高输出阻抗的输出电流信号。相对于参考图4描述的巴伦放大器，有源巴伦放大器电路500进一步表现出具有较高1dB压缩点、改进的线性度和改进的相位平衡的改进的大信号性能。此外，有源巴伦放大器电路500相对于无源巴伦使用较小的晶片面积。

有源巴伦放大器500包括第一晶体管组502，第一晶体管组502具有串联布置的第一多个金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管。第一晶体管组502中的第一多个金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管包括晶体管504、506、508和510。每个晶体管504、506、508和510是MOS晶体管。晶体管504是第一导电类型的第一输入晶体管，晶体管510是第二导电类型的第二输入晶体管。输入晶体管504和510提供高输入阻抗并影响总增益。至少两个公共栅极晶体管(例如公共栅极晶体管506和508)串联布置在第一输入晶体管504与第二输入晶体管510之间，其中，第一输入晶体管504的栅极和第二输入晶体管510的栅极连接到公共RF输入端512。

在一些实现方式中，公共栅极晶体管506可以属于第一导电类型，可以直接耦合到第一输入晶体管504，第二公共栅极晶体管508可以属于第二导电类型，可以直接耦合到第二输入晶体管510。例如，第一导电类型的晶体管可以包括NMOS晶体管，第二导电类型的晶体管可以包括PMOS晶体管。在一种实现方式中，第一输入晶体管504和第一公共栅极晶体管506可以耦合到地。第二输入晶体管510和第二公共栅极晶体管508可以耦合到偏置电压电源(Vdd)。

有源巴伦放大器500还具有第二晶体管组514，第二晶体管组514具有串联布置的第二多个MOS晶体管。第二多个MOS晶体管包括第一导电类型的第一公共源极晶体管516、第二导电类型的第二公共源极晶体管518，以及串联布置在第一公共源极晶体管516与第二公共源极晶体管518之间的至少两个共源共栅晶体管520、522。共源共栅晶体管520、522提高公共源极结构的输出阻抗。

在一种实现方式中，第一共源共栅晶体管520属于第一导电类型，可以直接耦合到第一公共源极晶体管516，第二共源共栅晶体管522属于第二导电类型，可以直接耦合到第二公共源极晶体管518。在一种实现方式中，第一共源共栅晶体管520的栅极耦合到AC地，第二共源共栅晶体管522的栅极耦合到AC地。

有源巴伦放大器500还包括耦合电容器524，其中，耦合电容器524的第一端耦合到位于第一输入晶体管504与第一公共栅极晶体管506之间的第一耦合点，并通过电容器526耦合到第一公共源极晶体管516的栅极。耦合电容器524的第二端耦合到位于第二输入晶体管510与第二公共栅极晶体管508之间的第二耦合点，并通过电容器528耦合到第二公共源极晶体管518的栅极。

在一种实现方式中，耦合电容器524在公共栅极晶体管506和508的源极节点之间提供低阻抗AC信号路径。在各种实现方式中，这可以提高大信号性能。晶体管506和晶体管508的源极处的大RF信号正电压可以将晶体管506的栅极到源极电压(Vgs)降低到截止点，使晶体管506更加非线性。同时，508的源极到栅极电压(Vsg)正在增加，保持(或提高)508的线性度。类似地，晶体管506和晶体管508的源极处的大RF信号负电压可以使508趋向截止，同时增加506的Vgs。通过将这两个节点与耦合电容器524耦合在一起，放大器的整体线性度得到改进。

在一些实现方式中，有源巴伦放大器500包括耦合电容器524的第一端与第一公共源极晶体管516的栅极之间的第一电容器526，和耦合电容器524的第二端与第二公共源极晶体管518的栅极之间的第二电容器528。在一些实现方式中，有源巴伦放大器500包括在第一输入晶体管504的栅极与公共RF输入端512之间的第三电容器530，和在第二输入晶体管510的栅极与公共RF输入端512之间的第四电容器532。电容器526、528、530和532提供DC隔离。

在一些实现方式中，第一晶体管组502的输出端534位于第一公共栅极晶体管与第二公共栅极晶体管之间。例如，第一输出端534位于公共栅极晶体管506与晶体管508之间。在一些实现方式中，第二晶体管组514的输出端536位于第一共源共栅晶体管与第二共源共栅晶体管之间。例如，第二输出端536位于共源共栅晶体管520与晶体管522之间。

放大器500的总跨导可以表示为：

其中，g_m1、g_m2、g_m3、g_m4、g_m5、g_m6、g_m7和g_m8分别是晶体管504、506、508、510、516、520、522和518的跨导。通过设置g_m2＝g_m5和g_m3＝g_m8，可以实现输出端534和536之间的平衡增益，这简化为

G_m＝2(g_m1+g_m4) (2)。

参考图5描述的电路补偿参考图4描述的电路的线性度的压缩/减小。例如，当RF输入信号变为高正时，晶体管504的栅极变为高电平，但漏极变为低电平。但是，晶体管508的源极开始变为低电平，使508的Vgs趋向截止(因此线性度较低)。当RF输入信号变为高负，晶体管506变为低线性度时，就会发生相反的情况。完全互补的设计(使用镜像NMOS和PMOS布置)意味着可以引入电容器524作为高频RF信号的短路，并支持信号极值进行平均并减少电路中非线性的影响。

放大器500的完全互补性质意味着，由于电流的重复使用，放大器的增益对于给定电流增加。在各种实现方式中，PMOS晶体管与NMOS晶体管的适当比率可以提高线性度。图5所示的基本LNA结构也表现出由于完全共源共栅结构而引起的输出阻抗增加。

图6是示出具有过压保护的完全互补的公共栅极/公共源极(common gate/commonsource，CG/CS)有源巴伦放大器600的替代实现方式的示例的示意图。有源巴伦放大器600具有第一晶体管组602，第一晶体管组602包括串联布置的多个金属氧化物半导体(metaloxide semiconductor，MOS)晶体管。具体地，第一晶体管组602包括晶体管604、606、608和610，它们等效于上文参考图5描述的组502的四个晶体管。放大器600的第一晶体管组602还包括公共栅极晶体管612和晶体管614。即，第一多个MOS晶体管包括串联布置在第一输入晶体管604与第二输入晶体管610之间的四个公共栅极晶体管。在一种实现方式中，晶体管612可以属于第一导电类型，晶体管614可以属于第二导电类型。例如，晶体管612可以是NMOS晶体管，晶体管614可以是PMOS晶体管。

有源巴伦放大器600还具有第二晶体管组616，第二晶体管组616包括串联布置的第二多个MOS晶体管。第二晶体管组616包括第一导电类型的第一公共源极晶体管618、第二导电类型的第二公共源极晶体管620，以及串联布置在第一公共源极晶体管618与第二公共源极晶体管620之间的至少两个共源共栅晶体管622、624，它们等效于上文参考图5描述的组514的四个晶体管。放大器600的第二晶体管组616包括共源共栅晶体管630和632。具体地，第二晶体管组616包括串联布置在第一公共源极晶体管与第二公共源极晶体管之间的四个共源共栅晶体管。在一种实现方式中，晶体管630可以属于第一导电类型，晶体管632可以属于第二导电类型。例如，晶体管630可以是NMOS晶体管，晶体管632可以是PMOS晶体管。在本实施例中，添加晶体管612、614、630和632，以在启动和自动增益控制(automated gaincontrol，AGC)(参考图9描述自动增益控制)瞬态期间提供过压保护。在本实施例中，晶体管612和630的栅极节点被偏置到适当的DC电压，以便在启动和AGC瞬态期间限制晶体管606和622的漏极处的最大电压。类似地，晶体管614和632的栅极节点被偏置到适当的DC电压，以便在启动和AGC瞬态期间限制晶体管608和624的漏极处的最小电压。有源巴伦放大器600的其它特征与参考图5描述的特征相同，为了简洁起见，在此省略。

图7是示出具有过压保护的有源巴伦放大器700的另一替代实现方式的示例的示意图。有源巴伦放大器700具有第一晶体管组702，第一晶体管组702具有串联布置的第一多个金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管。第一晶体管组702包括晶体管704、706、708和710，它们与上文参考图5描述的晶体管相同。第一晶体管组702还包括耦合到第一输入晶体管704的第一过压保护晶体管714和耦合到第二输入晶体管710的第二过压保护晶体管716。在一种实现方式中，晶体管714可以属于第一导电类型，晶体管716可以属于第二导电类型。例如，晶体管714可以是NMOS晶体管，晶体管716可以是PMOS晶体管。

有源巴伦放大器700还具有第二晶体管组718，第二晶体管组718具有串联布置的第二多个MOS晶体管。第二晶体管组718包括第一导电类型的第一公共源极晶体管720、第二导电类型的第二公共源极晶体管722，以及串联布置在第一公共源极晶体管720与第二公共源极晶体管722之间的至少两个共源共栅晶体管724和726。

除了上文参考图5描述的四个晶体管之外，图7的放大器700的第二晶体管组718包括耦合到第一公共源极晶体管720的第三过压保护晶体管732和耦合到第二公共源极晶体管722的第四过压保护晶体管734。第一过压保护晶体管714的栅极可以连接到第三过压保护晶体管732的栅极，第二过压保护晶体管716的栅极连接到第四过压保护晶体管734的栅极。

在一种实现方式中，晶体管732可以属于第一导电类型，晶体管734可以属于第二导电类型。例如，晶体管732可以是NMOS晶体管，晶体管734可以是PMOS晶体管。在本实施例中，添加晶体管714、716、732和734，以通过这些晶体管的栅极的适当偏置(例如，启用或禁用这些晶体管)在启动和自动增益控制(automated gain control，AGC)瞬态期间提供过压保护。有源巴伦放大器700的其它特征与参考图5描述的特征相同，为了简洁起见，在此省略。

图8是示出还包括共模控制电路802的完全互补的公共栅极/公共源极(commongate/common source，CG/CS)有源巴伦放大器800的示例的示意图。图5所示的主放大器电路由于完全共源共栅结构具有非常大的输出阻抗。提供反馈以控制输出DC偏置。在一种实现方式中，可以使用有源共模反馈。有源共模反馈支持在不同过程节点和温度下良好控制的输出DC偏置。它还支持分段AGC架构，该分段AGC架构在回退增益设置下实现功耗降低(参考图9详细描述)。

有源巴伦放大器800具有与参考图5所阐述相同的共源共栅放大器电路结构。有源巴伦放大器800还包括共模控制电路802，以提供反馈以控制DC偏置。共模控制电路802包括运算放大器804，运算放大器804的第一输入端耦合到参考电压。共模控制电路802还包括第一感测电阻806。第一感测电阻806的第一端耦合到运算放大器804的第二输入端，第一感测电阻806的第二端耦合到第一多个MOS晶体管的输出端808。共模控制电路802还包括第二感测电阻810，其中，第二感测电阻810的第一端耦合到运算放大器804的第二输入端，第二感测电阻810的第二端耦合到第二多个MOS晶体管的输出端812。第一偏置电阻器814和第二偏置电阻器816还设置在电路800中。运算放大器804的输出端通过第一偏置电阻器814耦合到第二输入晶体管818的栅极，并通过第二偏置电阻器816耦合到第二公共源极晶体管820的栅极。

感测电阻806、810用于感测输出共模DC偏置。将感测到的电压与参考电压进行比较并放大，以提供晶体管818和晶体管820的栅极偏置。反馈环路将共模输出电压驱动到Vref。

图9是示出具有DC偏置和自动增益控制的低噪声放大器900的示例的示意图。本文所述的有源巴伦放大器可以以具有分段AGC电路的低噪声放大器的形式实现，这可以降低回退增益时的功耗。

低噪声放大器900包括多个并联连接的有源巴伦放大器902。在图9所示的示例性实现方式中，低噪声放大器900包括32个有源巴伦放大器902。但是，可以使用其它数量的有源巴伦放大器，例如4、8、16或64个有源巴伦放大器。

多个有源巴伦放大器902中的每个有源巴伦放大器是完全互补的公共栅极/公共源极(common gate/common source，CG/CS)有源巴伦放大器。例如，如上文参考图5至图8描述的有源巴伦放大器。在一些实现方式中，多个有源巴伦放大器902可以捆绑成二进制加权组，例如六个二进制加权组(1x、1x、2x、4x、8x和16x)。每个有源巴伦放大器组902可以独立地启用/禁用。当所有组均启用时，实现最大增益。当仅启用单个1x组时，实现最小增益。通过启用一些组，同时禁用其它组，可以实现中等增益水平。此示例启用0dB至–30dB的自动增益控制(automated gain control，AGC)调整范围。放大器的功耗与AGC设置成正比。因此，可以在降低的增益设置下实现更低的功耗。

每个有源巴伦放大器902还耦合到共模控制电路904(例如，如上文参考图8所述)。低噪声放大器900还可以包括电流参考电路906，用于设置有源巴伦放大器902的偏置电流，耦合到多个有源巴伦放大器902中的第一有源巴伦放大器，其中，电流参考电路906包括偏置电流源908和第一电流镜910，其中，偏置电流源908耦合到第一电流镜910的输入端。第一电流镜910的第一输出端耦合到第一有源巴伦放大器的输入晶体管912的栅极和公共源极晶体管913的栅极，第一电流镜910的第二输出端耦合到第一有源巴伦放大器的晶体管914的栅极和晶体管915的栅极。

在一种实现方式中，多个有源巴伦放大器902中的每一个还可以包括第一传输切换电路918，其中，第一传输切换电路918耦合到第一电流镜910的第二输出端和第一有源巴伦放大器902的晶体管914的栅极。在一种实现方式中，多个有源巴伦放大器902并联连接，多个有源巴伦放大器902中的每一个使用单独的传输切换电路分别启用和禁用。

在一种实现方式中，低噪声放大器900还可以包括第二电流镜916，其中，第二电流镜916的第一输出端耦合到多个有源巴伦放大器902中的有源巴伦放大器的输入晶体管952的栅极和公共源极晶体管953的栅极。第二传输切换电路920可以耦合到第二电流镜916的第二输出端，并且耦合到多个有源巴伦放大器902中的有源巴伦放大器的晶体管954的栅极和晶体管955的栅极。第二电流镜916的输入端耦合到共模控制电路904的输出端。来自共模控制电路904的输出向第二电流镜916提供反馈参考电流，以便控制多个有源巴伦放大器902的输出共模电压。

共模控制电路904包括第一感测电阻926、第二感测电阻930和运算放大器934。感测电阻926和930耦合在有源巴伦放大器输出端与运算放大器934之间(例如，如上文参考图8所述)，并向运算放大器934的第一输入端提供输出共模电压。参考电压Vref耦合到运算放大器934的第二输入端。

共模控制电路904还包括单位增益缓冲器938。参考电压Vref耦合到单位增益缓冲器938的输入端。单位增益缓冲器938的输出端耦合到负载电阻器940的第一端。负载电阻器940的第二端耦合到有源巴伦放大器902的第一输出端。单位增益缓冲器938的输出端也耦合到负载电阻器942的第一端。负载电阻器942的第二端耦合到有源巴伦放大器902的第二输出端。负载电阻器940和942在有源巴伦放大器的输出端提供受控输出阻抗，从而实现与共模控制电路904关联的稳定共模环路响应。单位增益缓冲器938为负载电阻器940和942提供低阻抗参考电压连接，当多个有源巴伦放大器902中的大多数被禁用时，这可以帮助在有源巴伦放大器902的输出端处保持所需的共模电压。

虽然本说明书包括许多具体的实现细节，但这些细节不应解释为对任何发明的范围或所要求保护的内容的范围造成限制，而应解释为可能是特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。在单独实施例的上下文中，本说明书中所描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实现或在任何合适的子组合中实现。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合来行动，甚至最初要求保护，但是在某些情况下，可以从该组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

同样，虽然附图以特定顺序描述操作，但这不应理解为要求此类操作按照所示的特定顺序或按顺序执行，或者要求执行所示的所有操作，以达到期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应理解为所有实施例都要求这种分离。应理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成到单个软件产品中或打包到多个软件产品中。

此外，在不脱离本发明范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或集成。示出或描述为彼此耦合、或直接耦合、或彼此通信的其它项目可通过某种接口、设备或中间组件以电方式、机械方式或其它方式间接耦合或通信。变化、替换、变更的其它示例可由本领域技术人员确定，并可以在不脱离本文中公开的精神和范围的情况下举例。

为了本文目的，连接可以是直接连接或间接连接(例如通过一个或多个其它部分)。在某些情况下，当一个元件被称为连接或耦合到另一个元件时，所述元件可以是直接连接到另一个元件或通过相关元件间接连接到另一个元件。当一个元件被称为直接连接到另一个元件时，所述元件与另一个元件之间没有相关元件。如果两个设备直接或间接相连，使得它们之间能够传输电子信号，则这两个设备就处于“通信状态”。

已经描述了本主题的特定实施例。其它实施例在所附权利要求书的范围内。例如，可以用不同的顺序执行权利要求书中所述的操作，并且仍然达到理想的结果。例如，附图中描绘的过程不一定要求按所示的特定顺序或按顺序执行才能达到理想的结果。在某些情况下，可以有利地进行多任务处理和并行处理。

Claims

1.一种有源巴伦放大器，其特征在于，包括：

串联布置的第一多个金属氧化物半导体MOS晶体管，所述第一多个MOS晶体管包括第一导电类型的第一输入晶体管、第二导电类型的第二输入晶体管，以及串联布置在所述第一输入晶体管与所述第二输入晶体管之间的至少两个公共栅极晶体管，其中，所述第一输入晶体管的栅极和所述第二输入晶体管的栅极连接到公共输入端；

串联布置的第二多个MOS晶体管，所述第二多个MOS晶体管包括所述第一导电类型的第一公共源极晶体管、所述第二导电类型的第二公共源极晶体管，以及串联布置在所述第一公共源极晶体管与所述第二公共源极晶体管之间的至少两个共源共栅晶体管；

耦合电容器，其中，所述耦合电容器的第一端耦合到位于所述第一输入晶体管与第一公共栅极晶体管之间的第一耦合点，以及耦合到所述第一公共源极晶体管的栅极，并且，所述耦合电容器的第二端耦合到位于所述第二输入晶体管与第二公共栅极晶体管之间的第二耦合点，以及耦合到所述第二公共源极晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第一输入晶体管和所述第一公共源极晶体管接地。

3.根据权利要求1或2所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第二输入晶体管和所述第二公共源极晶体管连接到偏置电压电源。

4.根据上述权利要求中任一项所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第一公共栅极晶体管属于所述第一导电类型，并直接耦合到所述第一输入晶体管，并且，所述第二公共栅极晶体管属于所述第二导电类型，并直接耦合到所述第二输入晶体管。

5.根据上述权利要求中任一项所述的有源巴伦放大器，其特征在于，第一共源共栅晶体管属于所述第一导电类型，并直接耦合到所述第一公共源极晶体管，并且，第二共源共栅晶体管属于所述第二导电类型，并直接耦合到所述第二公共源极晶体管。

6.根据权利要求5所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第一共源共栅晶体管的栅极耦合到AC地，所述第二共源共栅晶体管的栅极耦合到AC地。

7.根据上述权利要求中任一项所述的有源巴伦放大器，其特征在于，包括：

在所述耦合电容器的所述第一端与所述第一公共源极晶体管的所述栅极之间的第一电容器；

在所述耦合电容器的所述第二端与所述第二公共源极晶体管的所述栅极之间的第二电容器。

8.根据权利要求7所述的有源巴伦放大器，其特征在于，包括：

在所述第一输入晶体管的所述栅极与所述公共输入端之间的第三电容器；

在所述第二输入晶体管的所述栅极与所述公共输入端之间的第四电容器。

9.根据权利要求8所述的有源巴伦放大器，其特征在于，包括：

运算放大器，其中，所述运算放大器的第一输入端耦合到参考电压；

第一感测电阻，其中，所述第一感测电阻的第一端耦合到所述运算放大器的第二输入端，并且，所述第一感测电阻的第二端耦合到所述第一多个MOS晶体管的输出端；

第二感测电阻，其中，所述第二感测电阻的第一端耦合到所述运算放大器的所述第二输入端，并且，所述第二感测电阻的第二端耦合到所述第二多个MOS晶体管的输出端；

第一偏置电阻器；

第二偏置电阻器，其中，所述运算放大器的输出端通过所述第一偏置电阻器耦合到所述第二输入晶体管的所述栅极，并通过所述第二偏置电阻器耦合到所述第二公共源极晶体管的所述栅极。

10.根据权利要求9所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第一多个MOS晶体管的所述输出端位于第一公共栅极晶体管与第二公共栅极晶体管之间，

所述第二多个MOS晶体管的所述输出端位于第一共源共栅晶体管与第二共源共栅晶体管之间。

11.根据上述权利要求中任一项所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第一多个MOS晶体管包括串联布置在所述第一输入晶体管与所述第二输入晶体管之间的四个公共栅极晶体管，

所述第二多个MOS晶体管包括位于所述第一公共源极晶体管与所述第二公共源极晶体管之间的四个共源共栅晶体管。

12.根据上述权利要求中任一项所述的有源巴伦放大器，其特征在于，所述第一多个晶体管包括：

耦合到所述第一输入晶体管的第一过压保护晶体管；

耦合到所述第二输入晶体管的第二过压保护晶体管；

所述第二多个晶体管包括：

耦合到所述第一公共源极晶体管的第三过压保护晶体管；

耦合到所述第二公共源极晶体管的第四过压保护晶体管；

其中，所述第一过压保护晶体管的栅极连接到所述第三过压保护晶体管的栅极，所述第二过压保护晶体管的栅极连接到所述第四过压保护晶体管的栅极。

13.一种用于自动增益控制的低噪声放大器电路，其特征在于，所述低噪声放大器电路包括：

多个有源巴伦放大器，其中，所述多个有源巴伦放大器中的每个有源巴伦放大器包括：

串联布置的第一多个金属氧化物半导体MOS晶体管，所述第一多个MOS晶体管包括第一导电类型的第一输入晶体管、第二导电类型的第二输入晶体管，以及串联布置在所述第一输入晶体管与所述第二输入晶体管之间的至少两个公共栅极晶体管；

14.根据权利要求13所述的放大器电路，其特征在于，包括耦合到所述多个有源巴伦放大器中的第一有源巴伦放大器的电流参考电路，其中，所述电流参考电路包括：

偏置电流源；

第一电流镜，其中，所述偏置电流源耦合到所述第一电流镜的输入端，

其中，所述第一电流镜的输出端耦合到所述第一有源巴伦放大器的所述第一输入晶体管的栅极，

其中，所述第一电流镜的所述输出端耦合到所述第一有源巴伦放大器的所述第一公共源极晶体管的栅极。

15.根据权利要求14所述的放大器电路，其特征在于，包括第一传输切换电路，其中，所述第一传输切换电路耦合到所述第一电流镜的第二输出端和所述第一有源巴伦放大器。

16.根据权利要求15所述的放大器电路，其特征在于，所述第一传输切换电路包括：

传输栅极，其中，所述传输栅极的输入端耦合到所述第一电流镜的所述第二输出端，并且，所述传输栅极的输出端耦合到所述第一有源巴伦放大器的所述第一公共栅极晶体管的栅极和所述第一有源巴伦放大器的所述第一共源共栅晶体管的栅极；

所述第一导电类型的传输MOS晶体管，其中，所述传输MOS晶体管的栅极耦合到所述传输栅极的低电平有效节点。

17.根据权利要求15或16所述的放大器电路，其特征在于，包括第二电流镜，其中，所述第二电流镜的第一输出端耦合到所述多个有源巴伦放大器中的所述第一有源巴伦放大器。

18.根据权利要求17所述的放大器电路，其特征在于，包括第二传输切换电路，其中，所述第二传输切换电路耦合到所述第二电流镜的第二输出端和所述多个有源巴伦放大器中的所述第一有源巴伦放大器。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的放大器电路，其特征在于，还包括：

第一负载电阻器，其中，所述第一负载电阻器的第一端耦合到所述运算放大器的第二输入端，并且，所述第一负载电阻器的第二端耦合到所述多个有源巴伦放大器中的所述第一有源巴伦放大器的第一输出端；

第二负载电阻器，其中，所述第二负载电阻器的第一端耦合到所述运算放大器的所述第二输入端，并且，所述第二负载电阻器的第二端耦合到所述多个有源巴伦放大器中的所述第一有源巴伦放大器的第二输出端，

所述运算放大器的所述输出端耦合到所述运算放大器的所述第二输入端。

20.根据权利要求13至19中任一项所述的放大器电路，其特征在于，所述第一输入晶体管的栅极和所述第二输入晶体管的栅极耦合到相同的射频输入端。

21.一种收发器，其特征在于，包括用于自动增益控制的噪声放大器电路，其中，所述低噪声放大器电路包括：

22.根据权利要求21所述的放大器收发器，其特征在于，包括耦合到所述多个有源巴伦放大器中的第一有源巴伦放大器的电流参考电路，其中，所述电流参考电路包括：

偏置电流源；

23.根据权利要求22所述的放大器收发器，其特征在于，包括第一传输切换电路，其中，所述第一传输切换电路耦合到所述第一电流镜的第二输出端和所述第一有源巴伦放大器。

24.根据权利要求23所述的收发器，其特征在于，所述第一传输切换电路包括：

25.根据权利要求23或24所述的收发器，其特征在于，包括第二电流镜，其中，所述第二电流镜的第一输出端耦合到所述多个有源巴伦放大器中的所述第一有源巴伦放大器。

26.根据权利要求25所述的收发器，其特征在于，包括第二传输切换电路，其中，所述第二传输切换电路耦合到所述第二电流镜的第二输出端和所述多个有源巴伦放大器中的所述第一有源巴伦放大器。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的收发器，其特征在于，还包括：

28.根据权利要求21至27中任一项所述的收发器，其特征在于，所述第一输入晶体管的栅极和所述第二输入晶体管的栅极耦合到相同的射频输入端。