CN1893261A

CN1893261A - 宽带低噪声放大器及其射频信号放大方法

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Publication number: CN1893261A
Application number: CNA2006100655174A
Authority: CN
Inventors: 金大渊; 姜贤求; 柳载永; 孙周浩; 李廷浩
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-01-10
Also published as: KR100654459B1; US20070001768A1; US7439811B2

Abstract

提供一种宽带低噪声放大器和放大方法。所述宽带低噪声放大器包括：输入端，通过天线接收的射频(RF)信号被输入其中；输出端，从中输出放大的RF信号；至少一个增益控制部分，其与输出端的负载并联以调整放大的RF信号的增益；以及至少一个负载调谐部分，其与输出端的负载谐振以调整负载阻抗的谐振频率。所述方法包括：对输入的RF信号进行放大并将放大的RF信号输出到输出端，其中，通过与输出端的负载并联的至少一个开关装置的开关操作来调整放大的RF信号的增益。

Description

宽带低噪声放大器及其射频信号放大方法

技术领域

符合本发明的设备和方法针对低噪声放大。更具体地讲，本发明涉及一种宽带低噪声放大器及其射频(RF)信号放大方法。

背景技术

通常，需要放大器以便对当无线通信设备发送信号时通过天线输出的信号进行放大，或者对输入天线的信号的幅度提供适当的增益。在前一情况下，所需的是功率放大器，在后一情况下，所需的是低噪声放大器。

低噪声放大器以产生较少噪声的方式对由无线系统通过天线接收的弱射频(RF)信号进行放大。

图1示出包括低噪声放大器的无线通信设备的示例。首先，将描述与发送处理有关的无线通信设备的操作。

从基带处理器190输出的基带信号通过基带放大器140进行放大。在上混频器130中，放大的基带信号与由振荡器180产生的振荡信号进行混合，由此产生RF信号。大多数传统的通信系统不是直接将基带信号转换成RF信号。而是，它们首先将基带信号转换成中频(IF)信号，然后将IF信号转换成RF信号。RF信号通过功率放大器120进行放大，其后通过天线110输出。发送处理中使用的功率放大器120可由多级放大器来构建，从而减少失真并获得高增益。例如，无线通信设备可包括预功率放大器和功率放大器。

现在，将描述与接收处理有关的无线通信设备的操作。

使用低噪声放大器150对通过天线110输入的RF信号进行放大。放大的RF信号通过下混频器160被转换成基带信号，并通过基带放大器170进行放大。大多数当前传统的通信系统不是直接将RF信号转换成基带信号；它们首先将RF信号转换成中频(IF)信号，其后将IF信号转换成基带信号。其后，放大的基带信号被发送到基带处理器190。低噪声放大器150也可由多级放大器来构建，从而减少失真并获得高增益。

开关115在从功率放大器120输出并将要送至天线110的RF信号和通过天线110接收并去往低噪声放大器150的RF信号之间选择。在全双工模式通信系统中，可使用双工器取代开关115。

如上所述，无线通信设备中使用的功率放大器或低噪声放大器应提供足够的可变增益。

在图2中示出图1所示的无线通信设备的低噪声放大器150的结构。

图2所示的低噪声放大器具有差分级联放大器的结构，包括第一级联放大器和第二级联放大器，其中，第一级联放大器包括共源极晶体管M1和共栅极晶体管M3；第二级联放大器包括共源极晶体管M2和共栅极晶体管M4。

通过天线接收的RFin+信号被提供给第一级联放大器的共源极晶体管M1的栅极。共栅极晶体管M3改善第一级联放大器的频率响应。经过第一级联放大器的RFin+信号通过输出端(RFout+)输出。如图所示，为了输入匹配和噪声匹配，使用电感器L1将RFin+输入端连接至共源极晶体管M1。

同样地，通过同一天线输入的RFin-信号被提供给第二级联放大器的共源极晶体管M2的栅极。共栅极晶体管M4改善第二级联放大器的频率响应。经过第二级联放大器的RFin-信号通过输出端(RFout-)输出。如图所示，为了输入匹配和噪声匹配，使用电感器L2将RFin-的输入端连接至共源极晶体管M2。

增益控制部分A包括起开关作用的晶体管M5，该增益控制部分A设置有用于使晶体管M5导通或截止的开关信号Gtune5。负载1和负载2位于输出端RFout+和RFout-。负载1和负载2是充当低噪声放大器的负载的电感器。

通过天线接收的RF信号经由平衡-不平衡变换器(未示出)被转换成差分信号，其后流入低噪声放大器的输入端。输入的RF信号通过晶体管M1和M3以及晶体管M2和M4进行放大，并通过输出端RFout+和RFout-输出。

进行输入匹配以减少输入信号的损耗，进行输出匹配以减少输出损耗。此外，进行噪声匹配以减少噪声产生。通过适当地调整晶体管M1和M2以及电感器L1和L2可实现输入匹配和噪声匹配。

如上所述，传统的低噪声放大器具有低噪声和高增益的特性，但是它也具有阻抗匹配中窄带的特性。

换言之，由于在负载处进行以LC谐振形式的阻抗匹配，所以低噪声放大器在谐振频率处具有最高增益，但是它的增益在其它频率处降低。

发明内容

本发明提供一种保持传统低噪声放大器的增益和噪声特性的宽带低噪声放大器。

根据本发明的示例性方面，提供一种宽带低噪声放大器，其包括：输入端，通过天线接收的RF信号被输入其中；输出端，从中输出放大的RF信号；至少一个增益控制部分，其与输出端的负载并联以调整放大的RF信号的增益；以及至少一个负载调谐部分，其与输出端的负载谐振以调整负载阻抗的谐振频率。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种RF信号放大方法，该方法包括：将从天线接收的RF信号输入到输入端，对输入的RF信号进行放大并将放大的RF信号输出到输出端，其中，通过与输出端的负载并联的开关装置的开关操作来调整放大的RF信号的增益，根据与负载谐振的至少一个电容器的值来确定输出端负载阻抗的谐振频率。

附图说明

通过参考附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的上述和其它方面将会变得更加清楚，其中：

图1是示出传统的无线通信设备的示图；

图2是示出传统的低噪声放大器的示图；

图3是示出根据本发明示例性实施例的宽带低噪声放大器的示图；

图4是示出根据本发明另一示例性实施例的宽带低噪声放大器的示图；以及

图5是表示根据本发明示例性实施例的仿真结果的曲线图。

具体实施方式

现在将参照附图更加全面地描述本发明，在附图中示出本发明的示例性实施例。通过参照下面对示例性实施例和附图的详细描述，可更加容易地理解本发明的优点和特征以及实现本发明的方法。然而，本发明可以按许多不同的形式来实现，不应被解释为受限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例以便此公开是全面和彻底的，并向本领域的技术人员完全传达本发明的构思，本发明将仅由权利要求来限定。

图3是示出根据本发明示例性实施例的宽带低噪声放大器的示图。宽带低噪声放大器300具有差分级联放大器的结构，包括第一级联放大器和第二级联放大器，其中，第一级联放大器包括共源极晶体管M1和共栅极晶体管M3，第二级联放大器包括共源极晶体管M2和共栅极晶体管M4。

通过天线接收的RFin+信号被提供给第一级联放大器的共源极晶体管M1的栅极。共栅极晶体管M3改善第一级联放大器的频率响应。经过第一级联放大器的RFin+信号通过输出端(RFout+)输出。如图所示，为了输入匹配和噪声匹配，电感器L1和Degen1被连接至RFin+输入端。

同样地，通过同一天线接收的RFin-信号被提供给第二级联放大器的共源极晶体管M2的栅极。共栅极晶体管M4改善第二级联放大器的频率响应。经过第二级联放大器的RFin-信号通过输出端(RFout-)输出。如图所示，为了输入匹配和噪声匹配，电感器L2和Degen2被连接至RFin-输入端。如现有技术中公知的那样，可通过适当地调整晶体管M1和M2、电感器Degen1和Degen2、电感器L1和L2来实现输入匹配和噪声匹配。

第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320位于RFout+输出端和RFout-输出端之间。根据第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320的开关操作可确定宽带低噪声放大器300的增益。

只要可进行开关操作，可以按各种形式构建第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320。

此外，由电感器组成并充当低噪声放大器的负载的负载1和负载2位于输出端(RFout+和RFout-)，通过将多个负载调谐部分A1 350、…、An 360，和B1 330、…、Bn 340分别与输出端RFout+和RFout-并联，可根据输入的RF信号将频率调谐至任何想要的值。通过这样做，可获得低噪声放大器的宽带特性。可以由电容器和用于进行开关操作的其它装置的组合来实现负载调谐部分330、340、350和360。

通过天线接收的RF信号经由平衡-不平衡变换器(未示出)被转换成差分信号，其后进入低噪声放大器300的输入端。输入的RF信号通过晶体管M1和M2以及晶体管M3和M4进行放大，并出现在输出端RFout+和RFout-。

图4是示出根据本发明另一示例性实施例的宽带低噪声放大器的示图，该示图示出在图3中描述的第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320，以及多个负载调谐部分A1 350、...、An 360，和B1 330、…、Bn 340。

可由电容器和用于进行开关操作的晶体管来构建图4中描述的宽带低噪声放大器400的负载调谐部分430、440、450和460。即，与宽带低噪声放大器400的负载级并联的电容器可根据输入的RF信号的频率被调谐至任何想要的值。

负载调谐部分An 460具有与负载调谐部分A1 450相同的结构，并被连接至宽带低噪声放大器400的RFout+负载端；负载调谐部分B1 430、…、Bn440具有与负载调谐部分A1 450、…、An 460相同的结构，并被连接至RFout-负载端。

负载调谐部分A1 450和B1 430接收相同的开关信号Ftune 1以便使负载调谐部分A1 450的晶体管MS1和负载调谐部分B1 430的晶体管MS1同时导通或截止。

可设置组成负载调谐部分A1450、…、An 460的电容器和晶体管的大小以便它们根据想要的带宽而具有适当的值。

由电容器和晶体管构建负载调谐部分B1 430，所述电容器和晶体管的大小与负载调谐部分A1 450的电容器和晶体管的大小相同，由与负载调谐部分An 460的电容器和晶体管同样大小的电容器和晶体管构建负载调谐部分Bn440。

因此，当宽带低噪声放大器400工作时，所有负载调谐部分A1 450至An 460以及B1 430至Bn 440的开关在RF输入信号的频率最高时处于断开，宽带低噪声放大器400的负载在最高频率处谐振。当电容器和电感器是并联谐振时，通过表达式1来表示谐振频率f。

[表达式1]

f = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

因此，谐振频率随着负载调谐部分A1 450至An 460和B1 430至Bn 440中的电容值接近0而增大。

此外，当RF输入信号的频率最低时，所有负载调谐部分A1 450至An 460以及B1 430至Bn 440的开关在导通状态下工作，因此，宽带低噪声放大器400的负载在最低频率处谐振。总电容等于各个电容值的和，参照表达式1，这导致谐振频率的降低。

对于具有宽频谱的RF输入信号，通过将组成每一负载调谐部分的开关设置为导通/断开状态，负载的谐振阻抗可被设置为最大值以便适应于输入频率。因此，可在输入频率处获得最大增益。

自然地，负载的谐振点通过包括负载的寄生分量的负载阻抗和包括下一级的寄生分量的输入阻抗来谐振。

由于可如上所述调整谐振频率，所以可获得低噪声放大器的宽带特性。

第一增益控制部分G1 410可由用于调整宽带低噪声放大器400的增益的p通道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管M5来构建。通过开关信号Gtune 5使PMOS晶体管M5导通和截止。此外，可使用现有技术中公知的其它晶体管。

第二增益控制单元G2 420可包括用于控制宽带低噪声放大器400的增益的PMOS晶体管M6、以及电阻器R1和R2。通过开关信号Gtune 6使PMOS晶体管M6导通和截止。第二增益控制部分G2 420通过使PMOS晶体管M6导通/截止来改变负载阻抗，由此调整宽带低噪声放大器400的增益。

通常，可使用表达式2获得图4中描述的级联放大器的增益G。

[表达式2]

G＝gm*Rout

其中，gm表示图4中晶体管M1和M2的跨导，Rout表示负载的输出阻抗。

参照图4，由于宽带低噪声放大器400的输出端是M3和M4的漏极端，所以作为负载阻抗的电感器负载1和负载2在工作频率处与连接至负载的装置谐振，由此获得最大增益。

第一增益控制部分G1 410的Gtune 5和第二增益控制部分G2 420的Gtune 6并联至负载1和负载2。

如果晶体管M5和M6均处于截止状态，则负载的总阻抗变为(负载阻抗//∞)(假设晶体管M5和M6在截止状态下是无穷大，“//”表示并联)。结果，负载的总阻抗变成谐振的负载阻抗，由此具有最高增益。

当晶体管M5和M6处于导通状态时，晶体管M5和M6的漏极和源极具有相同的DC电压，电流并不流过。这时候，晶体管M5和M6工作于三极管区，漏极至源极阻抗在三极管区的导通状态下减小。结果，当晶体管M5和M6均导通时获得最小增益。

参照第二增益控制单元G2 420，由于晶体管M6与电阻器R1和R2串联，所以当晶体管M5截止并且晶体管M6导通时，其以中间增益工作。

总之，当最大增益被设置时晶体管M5和M6处于截止状态，而当中间增益被设置时晶体管M5截止并且晶体管M6导通。

当最小增益被设置时晶体管M5和M6均导通。这时候，可通过仅将晶体管M5设置为导通来设置最小增益。

在图4中，使用两个增益控制部分G1410和G2420可获得22种增益模式。然而，根据该示例性实施例的宽带低噪声放大器的增益控制并不受限于此。

通过包括单个增益控制部分，宽带低噪声放大器可实现最大增益和最小增益，或者通过使用n个增益控制部分，宽带低噪声放大器可以按2n种增益模式中的任何之一来工作。

当仅使用单个增益控制部分时，可选择第一增益控制部分G1 410或第二增益控制部分G2 420。

图5是表示根据本发明示例性实施例的仿真结果的曲线图。在图4的电路图中，在用于调谐至频带的负载调谐部分中，n＝2。

负载调谐部分A1 450和A2 460的电容器C1、C2，以及负载调谐部分B1 430和B2 440的电容器C1、C2(即，n＝2)互相并联至负载，所述电容器通过负载调谐部分A1 450和A2 460的晶体管MS1和MS2以及负载调谐部分B1 430和B2 440的晶体管MS1和MS2(即，n＝2)连接到地。

曲线图的x轴表示输入频率(GHz)，y轴表示增益(dB)。

B曲线表示晶体管MS1和MS2两者的截止状态，其中，增益在最高频率处最大。

A曲线表示晶体管MS1和MS2两者的导通状态，其中，增益在最低频率处最大。

即，对于标记A和B之间的两条曲线，晶体管MS1和MS2分别处于导通状态或截止状态。这时候，可确定电容器C1和C2的值以便正确地适应于工作频率。

如上所述，通过使用低噪声放大器的负载电容器和开关，本发明在扩展低噪声放大器的频带方面是有效的。

此外，通过调整开关的导通/截止状态，并且即使低噪声放大器的负载的谐振点不同也将它们谐振到想要的频率，本发明在防止增益减少方面是有效的。

通过调整增益控制单元，本发明在设置想要的增益级别方面也是有效的。

尽管已经结合本发明的示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应清楚的是：在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对其进行各种修改和改变。因此，应理解，本发明从各方面而言都不是限制性的，而是示例性的。

Claims

1、一种宽带低噪声放大器，该放大器包括：

输入端，射频信号被输入其中；

输出端，从中输出放大的射频信号；

至少一个增益控制部分，其与输出端的负载并联以调整放大的射频信号的增益；以及

至少一个负载调谐部分，其与输出端的负载谐振以调整负载的阻抗的谐振频率。

2、如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述至少一个增益控制部分使用开关操作来工作，从而通过开关操作调整增益。

3、如权利要求2所述的宽带低噪声放大器，其中，所述至少一个增益控制部分包括进行开关操作的晶体管。

4、如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述至少一个增益控制部分包括电阻器和进行开关操作的晶体管，所述电阻器和晶体管是串联的。

5、如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述至少一个增益控制部分是多个连接至输出端的增益控制部分。

6、如权利要求5所述的宽带低噪声放大器，其中，每一增益控制部分包括进行开关操作的晶体管，并且通过开关操作来确定放大的射频信号的增益。

7、如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述至少一个负载调谐部分包括电容器和进行开关操作的晶体管。

8、如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述至少一个负载调谐部分是多个连接至输出端的负载调谐部分。

9、如权利要求8所述的宽带低噪声放大器，其中，每一负载调谐部分包括电容器和进行开关操作的晶体管，并且谐振频率与根据开关操作连接至地的电容器的电容值的和对应。

10、如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，射频信号从天线输入到输入端。

11、一种射频信号放大方法，该方法包括：

将射频信号输入到输入端；以及

放大输入的射频信号，并将放大的射频信号输出到输出端，

其中，通过与输出端的负载并联的至少一个开关装置的开关操作来调整放大的射频信号的增益，根据与负载谐振的至少一个电容器的值来确定负载的阻抗的谐振频率。

12、如权利要求11所述的射频信号放大方法，其中，开关操作由晶体管进行。

13、如权利要求11所述的射频信号放大方法，其中，所述至少一个开关装置是多个连接至输出端的开关装置。

14、如权利要求13所述的射频信号放大方法，其中，通过所述开关装置的开关操作来确定放大的射频信号的增益。

15、如权利要求11所述的射频信号放大方法，其中，所述至少一个电容器被连接至晶体管，并且如果晶体管被导通，则所述至少一个电容器被设置为与负载谐振。

16、如权利要求11所述的射频信号放大方法，其中，所述至少一个电容器是多个连接至输出端的电容器。

17、如权利要求16所述的射频信号放大方法，其中，谐振频率与所述电容器的电容值的和对应。

18、如权利要求11所述的射频信号放大方法，其中，射频信号从天线输入到输入端。