CN1641998A - 可切换式增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可切换式增益放大器，包括第一放大单元、第二放大单元、以及开关单元。第一放大单元包括第一输入端、控制端、以及第一输出端。第一输入端用以接收输入信号；控制端用以接收控制信号；而第一输出端则用以输出对应第一增益模式的第一输出信号。第二放大单元包括第二输入端、以及第二输出端。第二输出端连接第一输出端，用以输出对应第二增益模式的第二输出信号，且开关单元串接于第一输入端以及第二输入端之间。当开关单元不导通且控制信号为第一电平时，增益放大器设定于第一增益模式，而当开关单元导通且控制信号为第二电平时，增益放大器设定于第二增益模式。

Description

可切换式增益放大器

技术领域

本发明有关于一种可切换式增益放大器(Gain Amplifier)，且特别是有关一种可切换于高增益模式(High Gain Mode)以及低增益模式(Low Gain Mode)以避免输出信号失真(Distortion)的可切换式增益放大器。

背景技术

在传统的手机中，由天线接收的信号会馈入射频接收器前级的低噪音放大器(Low Noise Amplifier；LNA)加以放大，以便抑制噪音并提高手机的接收灵敏度。为了达到所需的高灵敏度，低噪音放大器必须对接收到的小信号(Weak Signal)提供高电压增益(Gain)，并同时保持系统本身的线性度(Linearity)，使得输出信号不致失真。然而，当系统操作于高增益模式时，由于输入信号功率过大，可能导致LNA的操作超出线性区，因而降低手机的灵敏度。

为了兼顾手机的高灵敏度以及良好线性度，实有必要针对不同大小的输入信号，切换不同增益的模式。在专利案号为WO0215397的PCT专利中，揭露了一种具有高增益模式以及旁通模式(Bypass Mode)的增益放大器。请参考图1，其绘示了上述增益放大器的线路结构图。增益放大器100主要包括双极结晶体管(Bipolar Junction Transistor；BJT)T1、旁通线路(BypassNetwork)110以及偏压线路(Biasing Circuit)120。旁通线路110连接于晶体管T1的基极B以及集极C之间，提供增益放大器100的旁通模式。偏压线路120连接晶体管T1的基极B，配合晶体管T1的操作以提供增益放大器100的高增益模式，其中串接于射极E的电感L_E，用以调整晶体管T1的增益值。旁通线路110包括电容C3以及开关S2，而偏压线路120则包括电流源122以及开关S1。

当输入的射频信号RF为小信号时，开关S1导通且开关S2断路，使得电流源122可提供晶体管T1基极电流。因此，小信号RF可经由晶体管T1加以放大输出，达到所需的增益效果，并且不失真。当输入的射频信号RF为较大的信号时，开关S1断路且开关S2导通。此时，电流源122无法提供晶体管T1基极电流，使得晶体管不导通。同时开关S2导通使得输入信号RF经由旁通线路110输出，以保持系统操作的线性度。然而，经由旁通线路110所提供的旁通模式，虽保持了输入信号RF的原貌，却无只提供损耗(Loss)，电压增益为负值，因而无法达到所需的信号接收灵敏度。而且使用开关S1来控制晶体管T1是否导通，所需的开关反应时间较长，甚至当开关S1断路时，晶体管T1的基极B与射极E仍会存留一个电容值，因而导致增益放大器100的输入阻抗匹配不良。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在于提供一种可切换式增益放大器。利用两个叠接式(Cascode)的放大单元，以提供放大器所需的高增益模式以及低增益模式。藉由开关单元以及控制各个放大单元的控制信号，可根据输入信号大小，切换至所需的高增益模式以及低增益模式。因此，可保持系统操作的良好线性度，以及不同增益模式的阻抗匹配。

根据本发明的目的，提出一种可切换式增益放大器，可切换于第一增益模式以及第二增益模式之间。增益放大器包括第一放大单元、第二放大单元、以及开关单元。第一放大单元用以提供第一增益模式。第一放大单元包括：第一输入端、控制端、以及第一输出端。第一输入端用以接收输入信号；控制端用以接收控制信号；而第一输出端则用以输出对应第一增益模式的第一输出信号。当控制信号为第一电平(level)时，第一放大单元导通，且控制信号为第二电平时，第一放大单元不导通。

第二放大单元用以提供第二增益模式。第二放大单元包括：第二输入端以及第二输出端。第二输出端，连接第一输出端，用以输出对应第二增益模式的第二输出信号。另外，开关单元串接于第一输入端以及第二输入端之间。当开关单元不导通，且控制信号为第一电平时，增益放大器系设定于第一增益模式，而当开关单元导通，且控制信号为第二电平时，增益放大器系设定于第二增益模式。增益放大器还包括第一匹配单元，连接于第一输入端，用以调整增益放大器设定于第一增益模式的第一输入阻抗；以及第二匹配单元，连接于晶体管以及第二输入端之间，用以调整增益放大器设定于第二增益模式的第二输入阻抗。第一输入端还连接一个偏压电流源。因此，可根据输入信号大小，切换于于高增益模式以及低增益模式，以避免输出信号失真。

根据本发明的目的，还提供一种可切换式增益放大器，可切换于第一增益模式以及第二增益模式之间。增益放大器包括第一放大单元、第二放大单元、以及开关单元。第一放大单元用以提供第一增益模式。第一放大单元包括第一晶体管以及第三晶体管。第一晶体管包括第一输入端用以接收输入信号；而第三晶体管，与第一晶体管叠接。第三晶体管包括：第一控制端，用以接收第一控制信号；以及第一输出端，用以输出对应第一增益模式的第一输出信号。当第一控制信号为第一电平时，第三晶体管导通，且当第一控制信号为第二电平时，第三晶体管不导通。

第二放大单元用以提供第二增益模式。第二放大单元包括第二晶体管以及第四晶体管。第二晶体管包括第二输入端；而第四晶体管与第二晶体管叠接。第四晶体管包括第二控制端，用以接收第二控制信号；以及第二输出端，连接第一输出端，用以输出对应第二增益模式的第二输出信号。当第二控制信号为第一电平时，第四晶体管导通，且当第二控制信号为第二电平时，第四晶体管不导通。开关单元串接于第一输入端以及第二输入端之间。当开关单元不导通，第一控制信号为第一电平，且第二控制信号为第二电平时，增益放大器系设定于第一增益模式，而当开关单元导通，第一控制信号为第二电平，且第二控制信号为第一电平时，增益放大器系设定于第二增益模式。第一晶体管以及第二晶体管的规格相同，且第三晶体管以及第四晶体管的规格相同。

第一晶体管包括第一基极、第一射极、以及第一集极。第一基极连接第一输入端，且第一射极连接第一电感。第三晶体管包括第三基极、第三射极、以及第三集极。第三基极连接第一控制端；第三射极连接第一集极，且第三集极连接第一输出端。第二晶体管包括第二基极、第二射极、以及第二集极。第二基极连接第二输入端，且第二射极连接第二电感。第四晶体管包括第四基极、第四射极、以及第四集极。第四基极连接第二控制端；第四射极连接第二集极；而第四集极连接第二输出端。第一输入端还连接一个偏压电流源。利用叠接式的第一放大单元及第二放大单元，并配合开关单元，可将增益放大器切换于第一增益模式及第二增益模式，以避免输出信号失真。同时系统可操作的信号频宽更大，且输入阻抗及输出阻抗的隔离度亦较佳。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示现有增益放大器的线路结构图；以及

图2绘示依照本发明一优选实施例增益放大器的线路结构图。

附图标记说明

100、200：增益放大器           110：旁通线路

120：偏压线路                  122：电流源

210：第一放大单元              211：第一晶体管

213：第三晶体管                220：第二放大单元

222：第二晶体管                224：第四晶体管

230：开关单元                  240：第一匹配单元

250：第二匹配单元              260：偏压电流源

具体实施方式

本发明的主要重点在于使用两个叠接式放大单元，以分别提供一个高增益模式以及一个低增益模式。利用开关单元串接于两个放大单元的输入端，并配合控制各个放大单元的控制信号，即可根据输入信号大小，将增益放大器切换于所需的高增益模式以及低增益模式。因此，增益放大器于不同的增益模式下皆可拥有良好的线性度。

请参考图2，其绘示依照本发明一优选实施例增益放大器的线路结构图。增益放大器200，例如是位于射频接收器前级的低噪音放大器，其包括：第一放大单元210以及第二放大单元220，用以分别提供一个高增益模式以及一个低增益模式。第一放大单元210包括形成叠接的第一晶体管211以及第三晶体管213，且第二放大单元220包括形成叠接的第二晶体管222以及第四晶体管224。第一晶体管211、第二晶体管222、第三晶体管213、以及第四晶体管224例如皆为n沟道的BJT晶体管。第一晶体管211包括第一基极B1，用以接收射频输入信号Rfi；第一射极E1，用以串接第一电感L1；以及第一集极C1，因而形成一个共射极放大器。第三晶体管213包括第三基极B3，用以接收第一控制信号S1；第三射极E3，连接上述的第一集极C1；以及第三集极C3，连接第三电感L3，用以输出对应高增益模式的第一输出信号Rfo1。当第一控制信号S1为高电平时，第三晶体管213导通，且当第一控制信号S1为低电平时，第三晶体管213不导通。上述的第一电感L1用以调整第一放大单元210的增益值Gain，以提供高增益输出。例如L1为0.6nH，且L3为5nH时，Gain＝18dB。

另外，第二晶体管222包括第二基极B2；第二射极E2，用以串接第二电感L2；以及第二集极C2，因而形成一个共射极放大器。第四晶体管224包括第四基极B4，用以接收第二控制信号S2；第四射极E4，用以连接第二集极C2；以及第四集极C4，连接第三集极C3，用以输出对应低增益模式的第二输出信号Rfo2。第二电感L2用以调整第二放大单元220的增益值Gain，以提供低增益输出(约为0dB～10dB)。例如：L2为1.6nH，且L3为5nH时，Gain＝0dB。当第二控制信号S2为高电平时，第四晶体管224导通，且当第二控制信号S2为低电平时，第四晶体管224不导通。增益放大器200包括开关单元230，串接于第一基极B1以及第二基极B2之间。开关单元230例如是一个N型金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor)场效应晶体管(或称作NMOS晶体管)，其栅极G接收第三控制信号S3。当控制信号S3为高电平时，开关单元230导通，而当控制信号S3为低电平时，开关单元230不导通。上述的射频信号Rfi亦可以由第二晶体管222输入。

上述的增益放大器200还包括第一匹配(Match)单元240，设置于开关单元230与第一基极B1接点A的前端，用以调整增益放大器200切换至高增益模式时的输入阻抗；以及第二匹配单元250，连接于开关单元230以及第二基极G2之间，用以调整增益放大器200切换至低增益模式时的输入阻抗，使得高增益模式以及低增益模式下的放大器输入阻抗一致。第一匹配单元240以及第二匹配单元250由调整阻抗元件，例如是电阻、电容及电感等所组成。第二匹配单元250例如是0.5pF～0.8pF的电容。增益放大器200包括一个偏压电流源(Biasing Current Source)260，提供第一晶体管211以及第二晶体管222操作所需的基极电流。

如上所述，当射频信号Rfi为小信号输入时，第二及第三控制信号S2、S3设定为低电平，且第一控制信号S1设定为高电平。此时，开关单元230与第四晶体管皆不导通，而第三晶体管213则为导通状态。因此，射频信号Rfi只能输入第一放大单元210，而无法输入第二放大单元220，使得增益放大器200处于高增益模式，因而输出的放大信号Rfo1能保留原输入信号Rfi的性质不失真。而当射频信号Rfi为大信号输入时，第二及第三控制信号S2、S3切换至高电平，且第一控制信号S1切换至低电平。此时，开关单元230以及第四晶体管224皆导通，且第三晶体管213不导通。因此，射频信号Rfi只能输入第二放大单元220，使得增益放大器200切换至低增益模式。虽然，低增益模式下输出的信号Rfo2增益值较小，但已足够提供射频接收器本身不错的接收灵敏度，同时输出信号Rfo2仍可以不失真。

另外，本发明的另一个特点在于第一及第二放大单元210、220分别使用了形成叠接的两个晶体管(211、213)以及(222、224)，使得射频接收器可操作的信号频宽更大，且此种设计的放大器对输入阻抗及输出阻抗的隔离度(Isolation)更佳，并可获得更大的电压增益Gain。第一晶体管211与第三晶体管213的规格相同，而第二晶体管222与第四晶体管224的规格相同。当增益放大器200切换至高增益模式时，开关单元230不导通，同时第四晶体管224也设定于断路状态。如此，可确保第二及第四晶体管222、224不会像现有的晶体管T1，于开关S1断路时仍形成电容，因而影响增益放大器200的输出阻抗匹配。而且第三集极C3以及第四集极C4更透过共用的第三电感L3串接至电压VDD，使得增益放大器200不论处于高增益模式或是低增益模式的输出阻抗皆相同。

就输入阻抗而言，由于第一及第二放大单元210、220所使用的第一电感L1与第二电感L2大小不同，而且输入信号Rfi在输入第二放大单元220之前会先经过开关单元230。因而造成增益放大器200处于高增益模式以及低增益模式的输入阻抗不一致。为了配合增益放大器前级元件所需要的输出阻抗值，上述的第一匹配单元240用以调整高增益模式操作下的输入阻抗值，而上述的第二匹配单元250则用以调整低增益模式下操作的输入阻抗值，使得增益放大器200不论处于高增益模式或是低增益模式皆可达到一致的输入阻抗。

根据上述的优选实施例，本发明具有下列几个优点：

1.利用两个放大单元配合开关单元，可根据输入信号大小，切换于高增益模式以及低增益模式，不仅提供所需的信号增益，同时保持增益放大器的高线性度。

2.利用两个叠接式放大器以分别提供高增益模式及低增益模式，对输入阻抗及输出阻抗有较佳隔离度，且系统可操作的信号频宽更大。两个叠接式放大器规格相同，且其输出端共用一个负载电感，使得增益放大器操作于两个不同增益模式的输出阻抗一致。

3.利用两个放大单元以分别提供高增益模式及低增益模式，并使用MOS晶体管作开关单元，串接于两个放大单元输入端之间，可提供效果更佳的开关切换。而且使用匹配单元调整增益放大器的输入阻抗，使得增益放大器操作于两个不同增益模式的输入阻抗一致。

4.增益放大器中两个放大单元的输出端共用一个负载电感，而且其输入端也共用一个偏压电流源，可有效缩小电路布局使用的面积。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所确定的为准。

Claims (20)

1.一种可切换式增益放大器，可切换于一第一增益模式以及一第二增益模式之间，该增益放大器包括：

一第一放大单元，用以提供该第一增益模式，该第一放大单元包括：

一第一输入端，用以接收一输入信号；

一控制端，用以接收一控制信号；以及

一第一输出端，用以输出对应该第一增益模式的一第一输出信号，其中当该控制信号为一第一电平时，该第一放大单元导通，且当该控制信号为一第二电平时，该第一放大单元不导通；

一第二放大单元，用以提供该第二增益模式，该第二放大单元包括：

一第二输入端；

一第二输出端，连接该第一输出端，用以输出对应该第二增益模式的一第二输出信号；以及

一开关单元，串接于该第一输入端以及该第二输入端之间；

其中当该开关单元不导通，且该控制信号为该第一电平时，该增益放大器系设定于该第一增益模式，而当该开关单元导通，且该控制信号为该第二电平时，该增益放大器系设定于该第二增益模式。

2.如权利要求1所述的增益放大器，其中该第一增益模式为一高增益模式，且该第二增益模式为一低增益模式。

3.如权利要求1所述的增益放大器，其中该第一放大单元包括一n沟道双极结晶体管，该双极结晶体管的基极连接该控制端，而且第一电平为一高电平，该第二电平为一低电平。

4.如权利要求1所述的增益放大器，其中该开关单元为一P型金属氧化物半导体场效应晶体管，且当该晶体管的栅极具有一高电压电平时，该开关单元导通，而当该晶体管的栅极具有一低电压电平时，该开关单元不导通。

5.如权利要求1所述的增益放大器，其中该增益放大器包括：一第一匹配单元，连接于该第一输入端，用以调整该增益放大器设定于该第一增益模式的一第一输入阻抗；以及一第二匹配单元，连接于该开关单元以及该第二输入端之间，用以调整该增益放大器设定于该第二增益模式的一第二输入阻抗。

6.如权利要求1所述的增益放大器，其中该第一匹配单元以及该第二匹配单元为一调整阻抗元件。

7.如权利要求1所述的增益放大器，其中该第一放大单元包括一第一共射极放大器，该第一共射极放大器的基极连接该第一输入端，且该第二放大单元包括一第二共射极放大器，该第二共射极放大器的基极连接该第二输入端。

8.如权利要求7所述的增益放大器，其中该第一共射极放大器的射极串接一第一电感，用以调整该第一放大单元的一第一增益值，且该第二共射极放大器的射极串接一第二电感，用以调整该第二放大单元的一第二增益值。

9.如权利要求8所述的增益放大器，其中该第一输入端连接一偏压电流源，用以提供该第一共射极放大器以及该第二共射极放大器操作所需的基极电流。

10.一种可切换式增益放大器，可切换于一第一增益模式以及一第二增益模式之间，该增益放大器包括：

一第一放大单元，用以提供该第一增益模式，该第一放大单元包括：

一第一晶体管，包括一第一输入端，用以接收一输入信号；以及

一第三晶体管，与该第一晶体管叠接，该第三晶体管包括：一第一控制端，用以接收一第一控制信号；以及一第一输出端，用以输出对应该第一增益模式的一第一输出信号，其中当该第一控制信号为一第一电平时，该第三晶体管导通，且当该第一控制信号为一第二电平时，该第三晶体管不导通；

一第二放大单元，用以提供该第二增益模式，该第二放大单元包括：

一第二晶体管，包括一第二输入端；以及

一第四晶体管，与该第二晶体管叠接，该第四晶体管包括：一第二控制端，用以接收一第二控制信号；以及一第二输出端，连接该第一输出端，用以输出对应该第二增益模式的一第二输出信号，其中当该第二控制信号为该第一电平时，该第四晶体管导通，且当该第二控制信号为一第二电平时，该第四晶体管不导通；以及

一开关单元，串接于该第一输入端以及该第二输入端之间；

其中当该开关单元不导通，该第一控制信号为该第一电平，且该第二控制信号为该第二电平时，该增益放大器系设定于该第一增益模式，而当该开关单元导通，该第一控制信号为该第二电平，且该第二控制信号为该第一电平时，该增益放大器系设定于该第二增益模式。

11.如权利要求10所述的增益放大器，其中该第一增益模式为一高增益模式，且该第二增益模式为一低增益模式。

12.如权利要求10所述的增益放大器，其中该第一晶体管以及该第二晶体管的规格相同，且该第三晶体管以及该第四晶体管的规格相同。

13.如权利要求10所述的增益放大器，其中该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管皆为一双极结晶体管。

14.如权利要求13所述的增益放大器，其中该第一晶体管包括一第一基极，连接该第一输入端；一第一射极，连接一第一电感；以及一第一集极，且该第三晶体管包括一第三基极，连接该第一控制端；一第三射极，连接该第一集极；以及一第三集极，连接该第一输出端。

15.如权利要求14所述的增益放大器，其中该第二晶体管包括一第二基极，连接该第二输入端；一第二射极，连接一第二电感；以及一第二集极，且该第四晶体管包括第四基极，连接该第二控制端；一第四射极，连接该第二集极；以及一第四集极，连接该第二输出端。

16.如权利要求15所述的增益放大器，其中该第一输入端连接一偏压电流源，用以提供该第一晶体管以及该第二晶体管操作所需的基极电流。

17.如权利要求10所述的增益放大器，其中该第一电平为一高电平，且该第二电平为一低电平。

18.如权利要求10所述的增益放大器，其中该开关单元为一P型金属氧化物半导体场效应晶体管，且当该晶体管的栅极具有一高电压电平时，该开关单元导通，而当该晶体管的栅极具有一低电压电平时，该开关单元不导通。

19.如权利要求10所述的增益放大器，其中该增益放大器还包括：一第一匹配单元，连接于该第一输入端，用以调整该增益放大器设定于该第一增益模式的一第一输入阻抗；以及一第二匹配单元，连接于该开关元件以及该第二输入端之间，用以调整该增益放大器设定于该第二增益模式的一第二输入阻抗。

20.如权利要求19所述的增益放大器，其中该第一匹配单元以及该第二匹配单元为一调整阻抗元件。