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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine elektronische Vorrichtung und insbesondere ein System und Verfahren für ein rauscharmes Verstärkermodul.
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Hintergrund
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Elektronische Vorrichtungen, die mit drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet werden, wie Zellulartelefonen, GPS-Empfängern und Wi-Fi-freigegebenen Notebook- und Tablet-Computern, enthalten im Allgemeinen Verarbeitungssysteme, die Schnittstellen zur analogen Welt haben. Solche Schnittstellen können Drahtleitungs- und drahtlose Empfänger enthalten, die gesendete Leistung empfangen und die empfangene Leistung in ein analoges oder digitales Signal umwandeln, das unter Anwendung von Analog- oder Digital-Signalverarbeitungstechniken demoduliert werden kann. Eine typische drahtlose Empfängerarchitektur enthält einen rauscharmen Verstärker (LNA), der die sehr kleinen Signale verstärkt, die von einer Antenne empfangen werden können, um ein verstärktes Signal zu späteren Verstärkungs- und/oder Signalverarbeitungsstufen zu leiten. Durch Bereitstellen einer Verstärkung beim LNA werden anschließende Verstärkungsverarbeitungsstufen für Rauschen unempfindlich, wodurch eine geringere Systemrauschzahl möglich wird.
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Seit tragbare drahtlose Vorrichtungen zur Unterstützung mehrerer Standards entwickelt wurden, ist es üblich, dass der RF-Signalweg verschiedene Komponenten enthält, wie Antennenumschalter, die zwischen einer oder mehreren Antennen und einer oder mehreren RF-Front End-Schaltungen gekoppelt sind. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist ein Mehrfachstandard-Zellulartelefon, das Anrufe unter Verwendung unterschiedlicher Standards ausführen kann, wie Code Division Multiple Access (CDMA), Global System for Mobile Communications (GSM), Long Term Evolution (LTE) und dergleichen. Zusätzlich kann eine bestimmte drahtlose Vorrichtung auch einen IEEE 801.11 Wi-Fi Betrieb und ein Global Positioning System (GSM) unterstützen. Durch Verwendung eines RF-Schalters kann eine RF-Front-End-Schaltung, die für eine CDMA-Kommunikation optimiert ist, für CDMA-Anrufe verwendet werden, während eine RF-Front-End-Schaltung, die für eine GSM-Kommunikation optimiert ist, für GSM-Anrufe verwendet werden kann. Zusätzlich können RF-Schalter zur Implementierung einstellbarer Anpassungsnetze für Antennen und Leistungsverstärker verwendet werden und zum Bereitstellen einer einstellenden Abstimmung für Hochfrequenzfilter durch Ein- und Ausschalten und/oder Umgehung passiver Anpassungs- und Abstimmungselemente. Da eine Abschwächung im RF-Signalweg vor dem LNA die Rauschzahl eines RF-Systems verschlechtern kann, stellt das Einführen von Antennenumschaltern und anderer Komponenten vor einem LNA zur Unterstützung eines Mehrfachstandardbetriebs verschiedene Herausforderungen in Bezug auf ein Aufrechterhalten einer angemessenen Systemrauschzahl dar.
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Die US 2011 / 0 065 472 A1 offenbart einen Signalverstärker für ein drahtloses mobiles Endgerät mit mehreren Signaleingängen und einen an die mehreren Eingänge gekoppelten Auswahlschalter, der als einpoliger Wechselschalter ausgestaltet ist.
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Die US 2009 / 0 295 472 A1 offenbart einen LNA mit Bypass-Signalweg.
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Es ist daher eine Aufgabe, hierzu geeignete Schaltungen, Verfahren und Module bereitzustellen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Es werden eine Schaltung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 20 sowie ein Modul nach Anspruch 23 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Gemäß einer Ausführungsform enthält eine Schaltung einen rauscharmen Verstärkertransistor, der auf einer ersten integrierten Schaltung angeordnet ist, einen einpoligen Wechselschalter (Engl.: „Single Pole Multi Throw“, SPMT), der auf einer zweiten integrierten Schaltung angeordnet ist, und einen Umgehungsschalter, der zwischen einem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors angeordnet ist. Der SPMT-Schalter koppelt mehrere Moduleingangsanschlüsse an einen Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und der Umgehungsschalter enthält einen ersten Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Zwischenknoten gekoppelt ist, einen zweiten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen dritten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist. Die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung sind auf einem Substrat (z.B. Siliziumsubstrat; Teil eines Siliziumwafers oder anderen Wafers) angeordnet.
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Figurenliste
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Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
- 1a-1b beispielhafte LNA-Module zeigen;
- 2a-2d eine Ausführungsform der LNA-Module zeigen;
- 3a-3c LNA-Module gemäß weiteren Ausführungsformen zeigen;
- 4 ein passives Modell einer Ausführungsform eines Signalwegs zeigt;
- 5 einen RF-Schalter zeigt;
- 6 eine Ausführungsform eines RF-Systems zeigt; und
- 7 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zeigt.
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Entsprechende Zahlen und Symbole in verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, falls nicht anderes angegeben ist. Die Figuren sind zur klaren Darstellung der relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen gezeichnet und sind nicht unbedingt im Maßstab. Zur deutlicheren Darstellung gewisser Ausführungsformen kann ein Buchstabe, der Variationen derselben Struktur, desselben Materials oder Prozessschrittes angibt, auf eine Figurenzahl folgen.
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Ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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Die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden in der Folge ausführlich besprochen. Es sollte jedoch klar sein, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare, erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer Vielzahl spezieller Zusammenhänge ausgeführt werden können. Die speziellen, besprochenen Ausführungsformen dienen nur der Veranschaulichung spezieller Möglichkeiten einer Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
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Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem speziellen Zusammenhang beschrieben, wobei ein System und Verfahren für ein rauscharmes Verstärker- (LNA) Modul einen einpoligen Wechselschalter (SPMT) haben, der auf einem ersten Chip angeordnet ist, gefolgt von einem LNA in einem zweiten Chip. Der LNA kann mit einem Umgehungsschalter umgangen werden, der entweder auf dem ersten Chip oder dem zweiten Chip angeordnet ist. Beide Chips können auf einem Substrat des Moduls angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform kann der LNA zum Beispiel in einem RF-System aktiviert werden, in dem ein RF- Niederpegelsignal von einer Antenne bereitgestellt wird und eine rauscharme Verstärkung zum Auflösen des Niederpegel-RF-Signals notwendig ist. Der LNA kann zum Beispiel mit dem Umgehungsschalter im RF-System umgangen werden, wenn die Antenne ein RF-Signal mit einem ausreichend hohen Signalpegel empfängt, um ohne den LNA aufgelöst zu werden.
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Ein Beispiel eines solchen Systems ist ein Zellulartelefon, das in verschiedenen Signalstärkenumgebungen arbeiten kann. Wenn zum Beispiel das Zellulartelefon mit beträchtlichem Abstand von einer Basisstation entfernt ist, wie auf einer Landstraße, kann das empfangene Signal schwach sein und der erste Signalweg mit dem LNA kann zum Auflösen des schwachen empfangenen Signals verwendet werden. Wenn sich das Zellulartelefon andererseits neben einer Basisstation befindet oder in einer Umgebung mit mehreren Mikrozellen ist, kann das empfangene Signal sehr stark sein und ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) haben, um ohne Verwendung eines LNA empfangen zu werden. In einigen Fällen kann dieses Signal sogar stark genug sein, um den LNA zu übersteuern. In solchen Fällen kann der LNA mit dem Umgehungsschalter umgangen werden. In einigen Ausführungsformen kann der LNA abgeschaltet oder in einen Niederleistungsmodus gebracht werden, um Energie zu sparen.
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In einigen Ausführungsformen ist der Umgehungsschalter mit einem „T“-Schaltnetz implementiert, um eine kapazitive Kopplung vom Ausgang des LNA zum Eingang des LNA zu verhindern. Durch Verwendung eines solchen „T“-Netzes kann die Stabilität des LNA verbessert werden, indem der Rückkopplungsweg vom Ausgang des LNA zum Eingang des LNA abgeschwächt wird. In einigen Ausführungsformen kann ein Stabilitätsfaktor größer als 1 erreicht werden.
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1a zeigt ein beispielhaftes LNA-Modul 100, das eine schalterintegrierte Schaltung 102 mit einer seriellen Schnittstelle 106 und einem RF-Wählschalter 108 und eine LNA-integrierte Schaltung 104 mit einem LNA-Transistor 124, der unter Verwendung von Schalttransistor 112 umgangen werden kann, enthält. Wie dargestellt, ist eine LNA-integrierte Schaltung 104 in BiCMOS-Technologie implementiert und enthält einen Eingangskopplungskondensator 128, der zwischen dem Ausgang des RF-Wählschalters 108 und der Basis des LNA-Transistor 124s gekoppelt ist. Das Anpassungsnetz 114 ist in Reihe mit dem Schalttransistor 112 und dem Kopplungskondensator 116 zwischen der Basis des LNA-Transistors 124 und dem Kollektor des LNA-Transistors 124 gekoppelt. Der LNA-Transistor wird unter Verwendung eines Vorspannungsgenerators 110, eines Drosselinduktors 120 und eines Degenerationsinduktors 126 vorgespannt. Ein Ausgangsanschluss OUT der LNA-integrierten Schaltung 104 ist über den Ausgangskopplungskondensator 118 an den Kollektor des LNA-Transistors 124 gekoppelt. Der Kondensator 122 stellt ein Filtern eines Leistungsversorgungsanschlusses VCC bereit.
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Während des Betriebs kann der LNA-Transistor 124 aktiviert werden, wenn der Schalttransistor 112 ausgeschaltet ist, oder umgangen werden, wenn der Schalttransistor 112 eingeschaltet ist. Die Steuerung des Zustands des Schalttransistors 112 kann über die serielle Schnittstelle 106 bestimmt werden, die Befehle vom digitalen Bus SER annimmt.
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Ein mögliches Problem bei dem beispielhaften LNA-Modul 100 ist, dass eine parasitäre Kapazität Cgs zwischen dem Gate und der Source des Schalttransistors 112 und eine parasitäre Kapazität Cgd zwischen dem Gate und Drain des Schalttransistors 112 einen parasitären kapazitiven Rückkopplungsweg zwischen dem Kollektor des LNA-Transistors 124 und der Basis des LNA-Transistors 124 erzeugen. Abhängig von der besonderen Implementierung des LNA-Moduls 100 und Lastbedingungen kann diese parasitäre Kapazität eine Instabilität verursachen, wenn der LNA-Transistor 124 aktiv ist. Der Vorspannungsgenerator 110 kann zum Abschalten oder Verringern des Stroms konfiguriert sein, der durch den LNA-Transistor 124 fließt.
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1b zeigt ein weiteres beispielhaftes LNA-Modul 130, das eine LNA-integrierte Schaltung 142 mit einem als Diode geschalteten Transistor 136 zeigt, der zum Bereitstellen einer Vorspannung an die Basis des LNA-Transistors 124 verwendet wird. Wie dargestellt, steuert eine serielle Schnittstelle 132 eine Stromquelle 134, die dem als Diode geschalteten Transistor 136 einen Bias-Strom bereitstellt. In einigen Fällen kann die Stromquelle 134 einen einstellbaren Strom bereitstellen. Die LNA-integrierte Schaltung 142 enthält ferner einen Eingangskopplungskondensator 128, der den Ausgang des RF-Wählschalters 108 mit der Basis des LNA-Transistors 124 verbindet. Widerstände 138 und 140 erhöhen den Scheinwiderstand, der an der Basis des LNA-Transistors 124 beobachtet wird und gleichen Fehler aus, die möglicherweise durch die Basisströme der Transistoren 136 und 124 verursacht werden.
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2a zeigt ein LNA-Modul 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das eine schalterintegrierte Schaltung 102 und LNA-integrierte Schaltung 204 enthält. Wie dargestellt, enthält die LNA-integrierte Schaltung 204 einen Umgehungsschalter 214, der RF-Schalter 206, 208 und 210 enthält. Wie dargestellt, sind die RF-Schalter 206 und 208 in Reihe gekoppelt und der RF-Schalter 210 ist zwischen Masse und einem Zwischenknoten zwischen Schaltern 206 und 208 in einer „T“-Konfiguration gekoppelt. Wenn der Umgehungsschalter 214 geschlossen ist, werden die Schalter 206 und 208 eingeschaltet und der Schalter 210 wird ausgeschaltet. Wenn der Umgehungsschalter 214 offen ist, werden die Schalter 206 und 208 eingeschaltet und der Schalter 210 wird eingeschaltet. In alternativen Ausführungsformen kann der Umgehungsschalter 214 unter Verwendung anderer Umgehungsschalterkonfigurationen implementiert sein, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Die RF-Schalter 206 und 208 werden basierend auf einem Signal, das von der seriellen Schnittstelle 132 produziert wird, ein- und ausgeschaltet. Der Inverter 212 kann dazu verwendet werden, den RF-Schalter 210 in einen entgegengesetzten Zustand zu den RF-Schalter 206 und 208 zu bringen. Die RF-Schalter 206, 208 und 210 können jeweils unter Verwendung eines MOS-Transistors implementiert werden und/oder können unter Verwendung von RF-Wechselschaltungen und -systemen implementiert werden, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Zum Beispiel kann jeder der RF-Schalter 206, 208 und 210 aus mehreren MOS-Transistoren bestehen, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Gates durch hochohmige Widerstände verbunden sind und interne Source-Drain-Übergangspunkte mit hochohmigen Widerständen mit der Masse verbunden sind, um ein Floaten zu verhindern. Ferner kann der RF-Wählschalter 108 unter Verwendung von RF-Wechselschaltungen und -systemen implementiert sein, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, wie Schalter, die gestapelte und/oder Reihentransistoren verwenden, die unter Verwendung von CMOS-, PHEMT- oder anderen Technologien hergestellt werden. In einer Ausführungsform kann die schalterintegrierte Schaltung 102 unter Verwendung eines CMOS-Prozesses hergestellt werden und die LNA-integrierte Schaltung 204 kann unter Verwendung eines BiCMOS-Prozesses implementiert werden.
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In einer Ausführungsform wird der LNA-Transistor 124 in einem aktiven Modus (aktive Betriebsart) gewählt, indem die RF-Schalter 206 und 208 geschlossen werden und der RF-Schalter 210 geöffnet wird. Durch Öffnen der Schalter 206 und 208 wird der Umgehungssignalweg durch den Umgehungsschalter 214 geöffnet und/oder in einen Zustand hohen Scheinwiderstands gebracht, wodurch eine Signalleitung direkt durch den Umgehungsschalter 214 vermieden wird. Der RF-Schalter 210 wird geschlossen, um die parasitäre Durchgangskapazität des Schalters 206 und Schalters 208 zu erden, die die Stabilität des LNA-Transistors 124 beeinträchtigen kann.
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In einer Ausführungsform kann der Betriebsmodus (Betriebsart) des LNA-Moduls 200 durch Bereitstellen eines digitalen Steuersignals über den Steuerbus SER an die serielle Schnittstelle 132 gewählt werden, die den Zustand der Schalter 206, 208 und 210 wie auch den Zustand der Stromquelle 134 steuert, die die Menge an Bias-Strom steuert, die vom LNA-Transistor 124 geleitet wird. Der Steuerbus SER kann unter Verwendung einer parallelen digitalen Schnittstelle und/oder einer seriellen digitalen Schnittstelle implementiert werden, wie eines SPI-, IIC-, RFFE- oder anderen seriellen Schnittstellenstandards. In solchen Ausführungsformen enthält die serielle Schnittstelle 132 auch den passenden digitalen Schnittstellenschaltkreis, wie auch eine Decodierungslogik, um die verschiedenen Schalter und einstellbaren Komponenten auf dem LNA-Modul 200 in ihren passenden Zustand, basierend auf den Daten, die vom Steuerbus SER empfangen werden, zu bringen. In einigen Ausführungsformen kann die Wahl des Schalterzustands durch ein Signal-Pin ansteuerbar sein. In alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können nicht standardmäßige digitale Schnittstellen verwendet werden. Ferner können in einigen Ausführungsformen Anpassungsnetze und eine andere Schaltung verwendet werden, wie in der gleichzeitig anhängigen US Patentanmeldung, Seriennummer 14/462,793 mit dem Titel „System and Method for a Low Noise Amplifier“, eingereicht am 19. August 2014, beschrieben ist, wobei die Anmeldung in ihrer Gesamtheit hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
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2b zeigt eine Ausführungsform eines LNA-Moduls 230, das eine schalterintegrierte Schaltung 232 und eine LNA-integrierte Schaltung 234 enthält. Wie dargestellt, enthält die schalterintegrierte Schaltung 232 einen Umgehungsschalter 214, einen Eingangskopplungskondensator 139, einen Induktor 236, eine LNA-integrierte Schaltung 234 und einen Filterkondensator 238 zusätzlich zu der seriellen Schnittstelle 132, dem RF-Wählschalter 108 und der Stromquelle 134. Da die schalterintegrierte Schaltung 232 alle Komponenten enthält, die unter Verwendung einer weniger teuren Bipolartechnologie implementiert werden können, schließt diese MOS-Transistoren nicht ein. Alternativ kann eine BiCMOS-, pHEMT- oder andere Prozesstechnologie zur Implementierung einer LNA-integrierten Schaltung 234 verwendet werden. Wie dargestellt, enthält die LNA-integrierte Schaltung 234 einen LNA-Transistor 124, einen Degenerationsinduktor 126, einen als Diode geschalteten Vorspanntransistor 136, Widerstände 138 und 140. Der Induktor 236 und Ausgangskopplungskondensator 235 dienen in einigen Ausführungsformen als Anpassungsnetz mit hohem Q-Ausgang.
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In einigen Fällen hat der Ausgangskopplungskondensator 235 einen relativ niederen Wert für die bestimmte Frequenz. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform, die bei etwa 2 GHz arbeitet, 1pF verwendet. Somit ist es möglich, das Umgehungsnetz direkt mit dem Modulausgang zu verbinden. In dieser Ausführungsform führt ein Implementieren der Verstärkerausgangsanpassung unter Verwendung eines CMOS-Schalter-Dies zu einer verringerten Anzahl von Chip-Zwischenverbindungen und verringert die daraus resultierende Zahl parasitärer Kopplungen.
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2c zeigt ein LNA-Modul 240 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie dargestellt, enthält das LNA-Modul 240 eine schalterintegrierte Schaltung 242 und eine LNA-integrierte Schaltung 244. Wie dargestellt, enthält die schalterintegrierte Schaltung 242 einen Drosselinduktor 246, der als eine Komponente mit relativ niederem Q implementiert sein kann. In einigen Ausführungsformen wird der Drosselinduktor 246 zur DC-Vorspannung verwendet und kann eine Induktanz zwischen etwa 10 nH und etwa 15 nH haben. Alternativ können Werte außerhalb dieses Bereichs verwendet werden. In einer Ausführungsform wird eine Ausgangsanpassung des LNA-Transistors 124 unter Verwendung eines Serienresonanznetzes erreicht, das einen Induktor 237 und einen Kondensator 239 enthält, die auf der LNA-integrierten Schaltung 244 angeordnet und an den Ausgang des LNA-Transistors 124 gekoppelt sind. In einigen Ausführungsformen kann der Ausgangskopplungskondensator 235 auch als Teil des Ausgangsanpassungsnetzes angesehen werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform hat der Ausgangskopplungskondensator 235 eine Kapazität zwischen etwa 0,5 pF und etwa 2 pF, der Induktor 237 hat eine Induktanz zwischen etwa 3 nH und etwa 6 nH, und der Kondensator 239 hat ein Kapazität zwischen etwa 10 pF und etwa 20 pF. Es sollte klar sein, dass in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch Werte außerhalb dieser Bereiche verwendet werden können.
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2d zeigt ein LNA-Modul 250 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, enthält 250 eine schalterintegrierte Schaltung 232 wie oben beschrieben und enthält eine LNA-integrierte Schaltung 254, die einen LNA-Transistor 124, einen Degenerationsinduktor 126, einen Transistor 136, Widerstände 138 und 140 und eine Stromquelle 248 enthält, die zum Beispiel unter Verwendung von Widerständen implementiert werden können. In einer Ausführungsform kann der Strom, der dem LNA-Transistor 124 zugeleitet wird, durch Regulieren der Spannung beim Leistungsversorgungs-Pin VDD gesteuert werden. Durch Anordnen der Stromquelle 248 auf der LNA-integrierten Schaltung 254 kann die Schnittstelle zwischen der schalterintegrierten Schaltung 232 und 254, wie dargestellt, auf nur zwei Pins verringert werden.
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3a zeigt ein LNA-Modul 300 gemäß einer Ausführungsform, das eine schalterintegrierte Schaltung 302 und eine LNA-integrierte Schaltung 304 enthält. Wie dargestellt, enthält die LNA-integrierte Schaltung 304 einen einzelnen LNA-Transistor 124, der an einen Degenerationsinduktor 126 gekoppelt ist, und es sind nur zwei Schnittstellen zwischen der schalterintegrierten Schaltung 302 und der LNA-integrierten Schaltung 304 gemäß einer Ausführungsform vorhanden. Wie dargestellt, enthält die schalterintegrierte Schaltung 302 einen Vorspannungsgenerator 308, der eine Vorspannung für den LNA-Transistor 124 bereitstellt, wenn der LNA-Transistor 124 in einem aktiven Modus ist und der Umgehungsschalter 214 ausgeschaltet ist.
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In einigen Ausführungsformen kann der Vorspannungsgenerator 308 auch unter Verwendung einer Kollektorstromerfassungsschaltung implementiert werden, die einen Eigenantrieb durch das RF-Signal verringern und die Linearität des LNA-Moduls 300 verbessern kann, wenn der LNA-Transistor 124 aktiv ist. Ein Beispiel einer solchen Kollektorstromerfassungsschaltung ist in 3d dargestellt, die eine Kollektorstromerfassungsschaltung 370 zeigt. Wie dargestellt, enthält die Kollektorstromerfassungsschaltung PMOS-Transistoren 356 und 358, die mit Widerstand 352 bzw. 354 degeneriert sind. Zusätzlich enthält die Kollektorstromerfassungsschaltung 370 eine Stromquelle 362 und einen Widerstand 360. In einer Ausführungsform ist der Kollektor des Transistors 124 an den Kollektoranschluss an der Source des Transistors 358 gekoppelt, während die Basis des Transistors 124 an den Basianschluss beim Widerstand 360 gekoppelt ist. Der Widerstand 360 hält den Scheinwiderstand an der Basis des Transistors 124 ausreichend hoch, so dass das Eingangssignal nicht nennenswert abgeschwächt wird, was eine gute Rauschleistung garantiert.
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Während des Betriebs erfasst der Kollektoranschluss den Strom, der durch den Kollektor des Transistors 124 fließt. Wenn die Spannung an den Kollektoranschluss auf eine geringere Spannung fällt, nimmt der Source-Drain-Strom des Transistors 358 ab, wodurch der Basisstrom abnimmt, der dem Transistor 124 zur Verfügung steht. Da der Basisstrom zum Transistor 124 abnimmt, nimmt die Menge an Kollektorstrom ab, wodurch die Spannung an den Kollektoranschluss erhöht wird, die an die Source des Transistors 358 gekoppelt ist. Daher steuert eine negative Rückkopplungsschleife den Kollektorstrom durch den Transistor 124. In einer Ausführungsform ist der Strom der Stromquelle 362 auf etwa 500 nA gestellt und der Widerstand 360 hat einen Widerstand von etwa 1 KQ. Alternativ können andere Werte für den Strom der Stromquelle 362 und den Wert des Widerstands 306 verwendet werden.
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Es sollte klar sein, dass die gezeigte Kollektorstromerfassungsschaltung 370 nur ein Beispiel vieler möglicher Strukturen ist, die zur Implementierung des Vorspannungsgenerators 308 verwendet werden können. In alternativen Ausführungsformen können andere Vorspannungsgenerierungsschaltungen, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, ebenso verwendet werden.
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In Ausführungsformen wird der LNA-Transistor 124 umgangen, wenn ein Eingangssignal, wie ein Antennensignal stark ist. In einigen Fällen kann ein starkes Eingangssignal Linearitätsprobleme in Bezug auf den LNA-Transistor 124 bereiten. Selbst wenn zum Beispiel der LNA-Transistor 124 umgangen wird, ist der Basis-Emitter-Übergang des LNA-Transistors 124 noch parallel mit dem Umgehungsschalter 214 gekoppelt. Bei hohen Signalpegeln besteht eine Möglichkeit, dass ein nicht lineares Verhalten entstehen kann, da das Eingangssignal mit diesem Basis-Emitter-Übergang interagiert. In einer Ausführungsform wird eine negative DC-Spannung an die Basis des LNA-Transistors 124 über die negative Spannungsquelle 314 angelegt, die an die Basis des LNA-Transistors 124 über den Widerstand 316 und den Wählschalter 306 gekoppelt ist. Durch umgekehrtes Vorspannen des Basis-Emitter-Übergangs des LNA-Transistors 124 können höhere Signalpegel mit weniger Verzerrung unterstützt werden, wenn der Umgehungsschalter 214 aktiviert wird. In einer Ausführungsform kann eine negative Spannungsquelle 314 unter Verwendung einer Ladungspumpe oder anderen negativen Spannungsquelle, die nach dem Stand der Technik bekannt ist, implementiert werden. Der Wählschalter 306 kann zum Wählen zwischen der negativen Spannungsquelle 314, wenn der LNA-Transistor 124 inaktiv ist, und dem Vorspannungsgenerator 308, wenn der LNA-Transistor 124 aktiv ist, verwendet werden. Zur Sicherstellung, dass der Umgehungsschalter 214 eine positive Vorspannung hat, wenn Transistor 124 umgangen wird, ist der Kopplungskondensator 303 zwischen der Basis des Transistors 124 und dem Eingang des Umgehungsschalters 214 gekoppelt. Daher wird der DC-Pegel des Umgehungsschalters 214 durch seine Verbindung mit dem Ausgangsanschluss OUT erstellt.
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In einer Ausführungsform sind die schalterintegrierte Schaltung 302 und LNA-integrierte Schaltung 304 unter Verwendung von nur zwei Schnittstellen-Pins verbunden. In einigen Ausführungsformen sind der Degenerationsinduktor 126 und der Induktor 236 unter Verwendung von hohen Q-Komponenten implementiert. Alternativ können niedere Q-Induktoren für die Induktoren 126 und 236 verwendet werden und eine LC-Resonanzreihenschaltung kann an den Ausgang des LNA-Transistors 124 gekoppelt sein, wie in 2c dargestellt.
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3b zeigt ein LNA-Modul 320 gemäß einer weiteren Ausführungsform, in welchem ein Kollektoranpassungsinduktor 236 wieder als Anpassungsnetzkomponente verwendet wird, wenn der Umgehungsschalter 214 aktiviert ist. Wie dargestellt, enthält das LNA-Modul 320 eine schalterintegrierte Schaltung 322, wobei der Umgehungsschalter 214 über den Kopplungskondensator 324 an den Kollektor des LNA-Transistors 124 gekoppelt ist und nicht direkt an den Ausgang des LNA-Moduls 320. In einigen Ausführungsformen wird der Ausgangskopplungskondensator 326 so gewählt, dass er einen relativ geringen Scheinwiderstand hat, zum Beispiel weniger als 10 Ohm für die bestimmte Arbeitsfrequenz. Zum Beispiel hat in einer Ausführungsform der Ausgangskopplungskondensator 326 einen Wert von etwa 20 pF für eine Arbeitsfrequenz von etwa 1 GHz. Alternativ können andere Kapazitätswerte verwendet werden. Daher kann der Induktor 236 zum Anpassen des Ausgangs des Umgehungsschalters 214 verwendet werden, wenn der LNA-Transistor 124 umgangen wird, und kann zum Anpassen des Ausgangs des LNA-Transistors 124 verwendet werden, wenn der LNA-Transistor 124 aktiv ist.
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4 zeigt ein passives Modell der Ausführungsform des Signalwegs, die in 3b dargestellt ist, wenn der Umgehungsschalter aktiviert ist. Der Widerstand 402 und der Kondensator 410 stellen den Ein-Widerstand und die Parallelkapazität des RF-Wählschalters 108 dar, der Kondensator 412 stellt die Eingangskapazität des LNA-Transistors 124 dar, die Widerstände 404 und 406 stellen die Widerstände von RF-Schalter 208 bzw. 206 dar, der Kondensator 414 stellt die parasitäre Aus-Kapazität des RF-Schalters 210 dar, der Kondensator 416 stellt die Kollektorkapazität des LNA-Transistors 124 dar, der Induktor 420 stellt die Ausgangsinduktanz des Induktors 236 dar und der Kondensator 408 stellt die Kapazität des Ausgangskopplungskondensators dar.
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5 zeigt einen herkömmlichen RF-Schalter 400, der zum Implementieren des Wählschalters, RF-Wählschalters 108, verschiedener hier beschriebener Ausführungsformen verwendet werden kann. Wie dargestellt, enthält jedes parallele RF-Schaltnetz 502, 504 und 506 einen RF-Reihenschalter 510, einen RF-Parallelschalter 512 und einen Schaltertreiber 514. Während des Betriebs wird ein gewählter RF-Weg gebildet, wenn der Treiber 514 den RF-Reihenschalter 510 einschaltet und den RF-Parallelschalter 512 ausschaltet. Ebenso wird ein RF-Weg durch Ausschalten des RF-Reihenschalters 510 und Einschalten des RF-Parallelschalters 512 abgewählt. Zum Beispiel kann der Eingang RF1 durch Aktivieren des RF-Schalters 510 und Deaktivieren des RF-Schalters 512 im RF-Schaltnetz 502 gewählt werden, während gleichzeitig der RF-Schalter 510 deaktiviert und der RF-Schalter 512 im RF-Schaltnetz 504 und 506 aktiviert wird. Ebenso kann der Eingang RF2 durch Aktivieren des RF-Schalters 510 und Deaktivieren des RF-Schalters 512 im RF-Schaltnetz 504 gewählt werden, während gleichzeitig der RF-Schalter 510 deaktiviert und der RF-Schalter 512 in RF-Schaltnetzen 502 und 506 aktiviert wird.
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Jeder RF-Schalter 510 und 512 ist unter Verwendung einer Reihe von Transistoren 520 implementiert, die in Reihe miteinander verbunden sind. Die Source und der Drain jedes Transistors 520 werden unter Verwendung von Widerstand 525 vorgespannt und das Gate jedes Transistors 520 hat einen seriellen Gate-Widerstand 522. Wie dargestellt, sind die Transistoren 520 gestapelt, um hohen Spannungen zu widerstehen. Die Anzahl gestapelter Transistoren kann gemäß der besonderen verwendeten Halbleitertechnologie und der erwarteten Betriebsumgebung variieren. Es sollte klar sein, dass der RF-Schalter 500 einer von vielen beispielhaften Wählschaltern ist, die zum Implementieren des RF-Wählschalters 108 verwendet werden können.
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6 zeigt ein RF-System 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, enthält das RF-System 600 eine Antenne 602, die an einen RF-Empfänger 606 durch das LNA-Modul 604 der Ausführungsform gekoppelt ist, das zumindest gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen implementiert sein kann. Die Umgehungs- und Anpassungssteuerung 608 ist zum Bereitstellen von Moduswähldaten für das LNA-Modul 604 basierend auf einen Eingang vom RF-Empfänger 606 oder einer anderen Steuerung konfiguriert. Wenn zum Beispiel der RF-Empfänger 606 erfasst, dass das Eingangssignal von Antenne 602 bei einem hohen Pegel ist, kann er die Umgehungssteuerung 608 anweisen, den Umgehungsmodus zu wählen.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 700 der Ausführungsform, das sich auf den Betrieb eines Moduls bezieht, das einen rauscharmen Verstärkertransistor, der auf einer ersten integrierten Schaltung angeordnet ist, einen einpoligen Wechselschalter (SPMT), der auf einer zweiten integrierten Schaltung angeordnet ist, die mehrere Moduleingangsanschlüsse an einen Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors koppelt, und einen Umgehungsschalter, der zwischen einem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, aufweist. Der Umgehungsschalter enthält einen ersten Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Zwischenknoten gekoppelt ist, einen zweiten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen dritten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist.
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In Schritt 702 des Verfahrens wird eine Bestimmung vorgenommen, ob das LNA-Modul in einem aktiven Modus betrieben werden soll, in dem der LNA aktiv ist, oder in einem Umgehungsmodus. Wenn bestimmt wird, dass das LNA-Modul in einem aktiven Modus betrieben werden soll, werden der erste und zweite Schalter in Schritt 704 ausgeschaltet und der dritte Schalter wird in Schritt 706 eingeschaltet. Wenn andererseits bestimmt wird, dass das LNA-Modul im Umgehungsmodus betrieben werden soll, werden der erste und zweite Schalter in Schritt 708 eingeschaltet und der dritte Schalter wird in Schritt 710 eingeschaltet.
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Gemäß einer Ausführungsform enthält eine Schaltung einen rauscharmen Verstärkertransistor, der auf einer ersten integrierten Schaltung angeordnet ist, einen einpoligen Wechselschalter (SPMT), der auf einer zweiten integrierten Schaltung angeordnet ist, und einen Umgehungsschalter, der zwischen einem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist. Der SPMT-Schalter koppelt mehrere Moduleingangsanschlüsse an einen Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und der Umgehungsschalter enthält einen ersten Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Zwischenknoten gekoppelt ist, einen zweiten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen dritten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist. Die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung sind auf einem Substrat angeordnet.
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In verschiedenen Ausführungsformen enthält die Schaltung ferner eine Steuerschaltung, die zum Ausschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters und Einschalten des dritten Schalters in einem aktiven Modus konfiguriert ist. Die Steuerschaltung ist ferner zum Einschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters und Ausschalten des dritten Schalters in einem Umgehungsmodus konfiguriert.
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Der Umgehungsschalter kann auf der ersten integrierten Schaltung angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen enthält die erste integrierte Schaltung einen als Diode geschalteten Transistor, der an den Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und die zweite integrierte Schaltung enthält eine Stromquelle, die an den als Diode geschalteten Transistor gekoppelt ist. Die erste integrierte Schaltung kann einen ersten Kopplungskondensator enthalten, der zwischen dem SPMT-Schalter und dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen enthält die Schaltung ferner eine digitale Schnittstellenschaltung, die auf der zweiten integrierten Schaltung angeordnet ist, wobei die digitale Schnittstellenschaltung einen Eingangsanschluss hat, der dazu konfiguriert ist, an einen digitalen Bus gekoppelt zu werden, und einen ersten Ausgangsanschluss, der an einen Steueranschluss des Umgehungsschalters gekoppelt ist. Die digitale Schnittstelle kann zum Empfangen serieller digitaler Befehle vom digitalen Bus konfiguriert sein.
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In einigen Ausführungsformen ist der Umgehungsschalter auf der zweiten integrierten Schaltung angeordnet. Die erste integrierte Schaltung kann einen als Diode geschalteten Transistor enthalten, der an den Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gebildet ist, und die zweite integrierte Schaltung kann eine Stromquelle enthalten, die an den als Diode geschalteten Transistor gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen enthält die zweite integrierte Schaltung einen ersten Kopplungskondensator, der zwischen dem SPMT-Schalter und dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen zweiten Kopplungskondensator, der zwischen dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und dem Ausgangsknoten des Moduls gekoppelt ist.
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Die erste integrierte Schaltung kann ferner eine serielle LC-Schaltung enthalten, die zwischen einem Ausgang des rauscharmen Verstärkertransistors und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist. Die serielle LC-Schaltung enthält einen ersten Induktor, der in einigen Ausführungsformen in Reihe mit einem ersten Kondensator gekoppelt ist. Die erste integrierte Schaltung kann ferner einen als Diode geschalteten Transistor enthalten, der an den Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und eine Stromquelle, die zwischen einem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und dem als Diode geschalteten Transistor gekoppelt ist.
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In einer Ausführungsform enthält die zweite integrierte Schaltung ferner einen ersten Kopplungskondensator, der zwischen dem SPMT-Schalter und dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen zweiten Kopplungskondensator, der zwischen dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Ausgangsanschluss des Moduls gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter des Umgehungsschalters mit dem Ausgangsanschluss des Moduls verbunden ist. Die zweite integrierte Schaltung kann auch eine Vorspannungsschaltung enthalten, die an den Steuerknoten und an den Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen enthält die zweite integrierte Schaltung ferner einen ersten Kopplungskondensator, der zwischen dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und dem ersten Schalter des Umgehungsschalters gekoppelt ist.
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In einer Ausführungsform ist der zweite Schalter des Umgehungsschalters mit einem Ausgangsknoten des Moduls verbunden und die zweite integrierte Schaltung enthält ferner einen zweiten Kopplungskondensator, der zwischen dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und dem Ausgangsknoten des Moduls gekoppelt ist. Die zweite integrierte Schaltung kann ferner einen zweiten Kopplungskondensator enthalten, der zwischen dem zweiten Schalter des Umgehungsschalters und dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen dritten Umgehungskondensator, der zwischen dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Ausgangsknoten des Moduls gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen enthält die Schaltung ferner einen zweiten Induktor, der zwischen einem Referenzknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist. Der rauscharme Verstärkertransistor kann unter Verwendung eines bipolaren Transistors implementiert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform betrifft ein Verfahren ein Betreiben eines Moduls, das einen rauscharmen Verstärkertransistor, der auf einer ersten integrierten Schaltung angeordnet ist, einen einpoligen Wechselschalter (SMPT), der auf einer zweiten integrierten Schaltung angeordnet ist, und einen Umgehungsschalter, der zwischen einem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, enthält. Der SPMT-Schalter koppelt mehrere Moduleingangsanschlüsse an einen Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und der Umgehungsschalter enthält einen ersten Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des rauscharmen Verstärkertransistors und einem Zwischenknoten gekoppelt ist, einen zweiten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und dem Ausgangsknoten des rauscharmen Verstärkertransistors gekoppelt ist, und einen dritten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, wobei die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung auf einem Substrat angeordnet sind. Das Verfahren enthält, in einem aktiven Modus, ein Ausschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters, und ein Einschalten des dritten Schalters. Das Verfahren enthält ferner ein Einschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters, und ein Ausschalten des dritten Schalters in einem Umgehungsmodus.
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In einigen Ausführungsformen ist der Umgehungsschalter auf der ersten integrierten Schaltung angeordnet, während in anderen Ausführungsformen der Umgehungsschalter auf der zweiten integrierten Schaltung angeordnet ist. Das Modul kann ferner einen zweiten Kopplungskondensator mit einem ersten Anschluss enthalten, die an den Umgehungsschalter und an einen Ausgangsanschluss des Moduls gekoppelt ist, und einen zweite Anschluss, der an den Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält ein Modul einen bipolaren Transistor-Chip, der einen bipolaren Transistor und einen ersten Induktor enthält, der zwischen einem Emitter des bipolaren Transistors und einem Referenzanschluss gekoppelt ist, und einen CMOS-Chip, der einen einpoligen Wechselschalter (SPMT) mit mehreren Moduleingangsanschlüsse und einen Umgehungsschalter enthält, der zwischen einem Ausgangsknoten des SPMT-Schalters und einem Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist. Der Umgehungsschalter enthält einen ersten Schalter, der zwischen dem Ausgangsknoten des SPMT-Schalters und einem Zwischenknoten gekoppelt ist, einen zweiten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und dem Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist, und einen dritten Schalter, der zwischen dem Zwischenknoten und einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist. Der CMOS-Chip enthält ferner einen Vorspannungsgenerator, der zwischen einem Basisanschluss und einem Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist, und enthält einen ersten Kopplungskondensator mit einem ersten Anschluss, der an den Ausgangsknoten des SPMT-Schalters und an den Umgehungsschalter gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der an den Basisanschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist.
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Das Modul kann ferner einen zweiten Kopplungskondensator mit einem ersten Anschluss, der an den Umgehungsschalter und an einem Ausgangsanschluss des Moduls gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der an den Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist, enthalten. In einer Ausführungsform enthält das Modul ferner einen zweiten Kopplungskondensator mit einem ersten Anschluss, der an den Umgehungsschalter gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der an dem Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gekoppelt ist, und einen dritten Kopplungskondensator mit einem ersten Anschluss, der an den Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gebildet, und einen zweiten Anschluss, der an einen Ausgangsanschluss des Moduls gekoppelt ist.
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In einigen Ausführungsformen enthält der CMOS-Chip einen zweiten Induktor, der zwischen dem Vorspannungsgenerator und einem Kollektoranschluss des bipolaren Transistors gebildet ist. Der CMOS-Chip kann ferner einen Negativ-Spannungsgenerator enthalten, mit einem Ausgangsanschluss, der dazu konfiguriert ist, an den Basisanschluss des bipolaren Transistors gekoppelt zu werden, wenn der Umgehungsschalter aktiviert ist.
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Vorteile einiger LNA-Module der Ausführungsform enthalten die Möglichkeit einer Umgehung eines LNA, wenn ein RF-Eingangssignal eine hohe Amplitude hat. In einer solchen Situation kann eine Umgehung des LNA Strom sparen. Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen, die einen „T“ Umgehungsschalter enthalten, der einen parasitären Rückkopplungsweg verringert und/oder eliminiert, ist die Fähigkeit, eine Schaltung bereitzustellen, die einen LNA umgehen kann, während ein stabiler Betrieb im aktiven Modus aufrechterhalten wird. In Ausführungsformen, in welchen keine Schalter in Reihe mit dem Eingang des LNA gekoppelt sind, wird eine bessere Rauschleistung erreicht, da eine Abschwächung, die durch den Widerstand solcher Reihenschalter verursacht wird, die Rauschleistung des Systems nicht verschlechtert. Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen enthält eine bessere Linearität.
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Weitere Vorteile einiger Ausführungsformen senken aufgrund der Möglichkeit, den LNA unter Verwendung eines relativ kostengünstigen Bipolarprozesses zu implementieren, die Kosten.
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Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht in einschränkendem Sinn auszulegen. Verschiedene Modifizierungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen, wie auch andere Ausführungsformen der Erfindung sind für Fachleute auf dem Gebiet unter Bezugnahme auf die Beschreibung offensichtlich.
