DE102016221644A1

DE102016221644A1 - Steuerung für optimalen strom für cmos-kaskodenverstärker

Info

Publication number: DE102016221644A1
Application number: DE102016221644.9A
Authority: DE
Inventors: Winfried Bakalski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2017-05-04
Also published as: CN107026619A; US9698729B2; KR101903613B1; CN107026619B; KR20170054292A; US20170126180A1

Abstract

Ein CMOS-Kaskodenverstärker umfasst eine Kaskodenschaltung, die mehrere parallele Zweige umfasst, wobei jeder Zweig einen ersten Transistor und einen zweiten schaltbaren, in Reihe verbundenen Transistor umfasst, die ein Kaskodenpaar bilden, wobei die Kaskodenschaltung zum Verstärken eines Eingangssignals ausgelegt ist. Der CMOS-Kaskodenverstärker umfasst weiterhin eine Biasschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Kaskodenschaltung vorzuspannen, indem dem ersten Transistor in jedem der mehreren Zweige in der Kaskodenschaltung ein Biassignal bereitgestellt wird. Zusätzlich umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker eine Schaltsteuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Ruhestrom in der Kaskodenschaltung auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Zweige zu steuern, indem ein Schaltsteuersignal bereitgestellt wird, das den zweiten schaltbaren Transistor in dem einen oder den mehreren aktivierten Zweigen einschaltet.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf CMOS-Kaskodenverstärker und insbesondere auf eine Architektur und ein Verfahren zum Einstellen von Ruhestrom in CMOS-Kaskodenverstärkern.
STAND DER TECHNIK
Kaskodenverstärker sind zweistufige Verstärker, die aus einem Transkonduktanzverstärker gefolgt von einem Strompuffer mit hoher Potentialtrennung Eingang zu Ausgang, hoher Eingangsimpedanz, hoher Ausgangsimpedanz, hoher Verstärkung usw. zusammengesetzt sind. CMOS-Kaskodenverstärker werden üblicherweise als Teil einer HF-Front-End-Einrichtung verwendet, zum Beispiel bei rauscharmen CMOS-HF-Verstärkern (LNA, Low Noise Amplifiers).
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Einige Beispiele für Schaltungen, Vorrichtungen und/oder Verfahren werden im Folgenden lediglich als Beispiel beschrieben. In diesem Kontext wird Bezug auf die zugehörigen Figuren genommen.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines CMOS-Kaskodenverstärkers 100 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 200 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
3 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 300, der einen ersten Transistor 322 und einen zweiten Transistor schaltbaren 320 umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
4 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines Transistorschalters 400 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
5 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 500, der mehrere Kaskodenpaare umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
6 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 600, der für mehrere Frequenzbänder optimiert ist, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
7 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 700, der für mehrere Frequenzbänder optimiert ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.
8 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 800, der für mehrere Frequenzbänder optimiert ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zum Umsetzen einer Steuerung für optimalen Ruhestrom in CMOS-Kaskodenverstärkern gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Kaskodenverstärker weisen einen mit ihnen verknüpften Ruhestrom auf, der ein stationärer Strom in einem Kaskodenverstärker ist, wenn kein Eingangssignal an seinem Eingangsanschluss angelegt ist. Die Ruheströme haben einen direkten Einfluss auf die Ausgangsleistung, die Verstärkung, die optimale Ausgangsimpedanzanpassung usw. des Kaskodenverstärkers. In einigen Beispielen wird der Ruhestrom des Kaskodenverstärkers eingestellt, um die Verstärkung, den Leistungsverlust usw. einzustellen. Der Ruhestrom kann durch einen Referenzstrom eingestellt werden, zum Beispiel unter Verwendung einer Stromspiegel-Biasschaltung. Stromspiegel-Biasschaltungen ermöglichen das Einstellen des Ruhestroms auf Basis eines einstellbaren Referenzstroms. Der Ruhestrom steht allerdings direkt in Beziehung zu einer Größe des Transistors, und für eine gegebene Transistorgröße weist der Ruhestrom einen optimalen Bereich auf. Das Betreiben des Kaskodenverstärkers außerhalb des optimalen Bereichs des Ruhestroms kann zu unerwünschten Ausgaben führen. Zum Beispiel kann ein zu geringer Ruhestrom für eine gegebene Transistorgröße starke Nichtlinearitäten, eine Rauschzunahme und große Temperaturabhängigkeiten bewirken. Daher wird der Ruhestrom typischerweise nur innerhalb des optimalen Bereichs für eine gegebene Transistorgröße eingestellt, was die Möglichkeit, den Ruhestrom einzustellen, um die Verstärkung, den Leistungsverlust usw. in Kaskodenverstärkern einzustellen, deutlich beschränkt.
In einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein CMOS-Kaskodenverstärker eine Kaskodenschaltung, die mehrere parallele Zweige umfasst, wobei jeder Zweig einen ersten schaltbaren Transistor und einen zweiten, in Reihe verbundenen Transistor umfasst, die ein Kaskodenpaar bilden, wobei die Kaskodenschaltung zum Verstärken eines Eingangssignals ausgelegt ist. Der Kaskodenverstärker umfasst weiterhin eine Biasschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Kaskodenschaltung vorzuspannen, indem dem zweiten Transistor in jedem der mehreren Zweige in der Kaskodenschaltung eine Biasspannung bereitgestellt wird. Zusätzlich umfasst der Kaskodenverstärker eine Schaltsteuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Ruhestrom in der Kaskodenschaltung auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Zweige zu steuern, indem ein Schaltsteuersignal bereitgestellt wird, das den ersten schaltbaren Transistor in dem einen oder den mehreren aktivierten Zweigen einschaltet.
In einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst eine Kaskodeneinrichtung eine Kaskodenschaltung, die eine erste schaltbare Schaltung und eine zweite, in Reihe verbundene Schaltung umfasst, die dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu verstärken. Die Kaskodeneinrichtung umfasst weiterhin eine Biasschaltung, die dazu ausgelegt ist, der Kaskodenanordnung eine Biasspannung bereitzustellen, und eine Schaltsteuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Schaltsteuersignal bereitzustellen, das die Kaskodenschaltung selektiv aktiviert.
In einer anderen Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Stromsteuerung in einem CMOS-Kaskodenverstärker das Bereitstellen einer Kaskodenschaltung, die mehrere parallele Zweige umfasst, wobei jeder Zweig einen ersten Transistor und einen zweiten, in Reihe verbundenen Transistor umfasst, die ein Kaskodenpaar bilden. Das Verfahren umfasst weiterhin das Vorspannen der Kaskodenschaltung durch Bereitstellen einer Biasspannung für den zweiten Transistor in jedem der mehreren der Zweige in der Kaskodenschaltung unter Verwendung einer Biasschaltung und Steuern eines Ruhestroms in der Kaskodenschaltung auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Zweige, indem der erste Transistor in dem einen oder den mehreren aktivierten Zweigen durch Verwenden einer Schaltsteuerschaltung eingeschaltet wird.
Die vorliegende Offenbarung wird jetzt unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungsfiguren beschrieben werden, wobei durchweg gleiche Referenznummern verwendet werden, um auf gleiche Elemente Bezug zu nehmen, und wobei die veranschaulichten Strukturen und Einrichtungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Wie sie hier verwendet werden, sollen die Begriffe „Schaltung”, „Komponente”, „System”, „Einheit”, „Element” und ähnliche sich auf eine zu einem Computer in Beziehung stehende Instanz, Hardware, Software (z. B. in der Ausführung) und/oder Firmware beziehen. Zum Beispiel können eine Schaltung oder ein ähnlicher Begriff ein Prozessor, ein auf einem Prozessor laufender Prozess, eine Steuerung, ein Objekt, ein ausführbares Programm, eine Speichereinrichtung und/oder ein Computer mit einer Verarbeitungseinrichtung sein. Ein Satz Elemente oder ein Satz anderer Einheiten kann hier beschrieben werden, wobei der Begriff „Satz” als „eines oder mehrere” verstanden werden kann.
Als ein anderes Beispiel kann eine Schaltung oder ein ähnlicher Begriff eine Vorrichtung mit spezifischer Funktionalität sein, die durch mechanische Teile bereitgestellt wird, die von elektrischen oder elektronischen Schaltkreisen betrieben werden, wobei die elektrischen oder elektronischen Schaltkreise durch eine Software-Anwendung oder eine Firmware-Anwendung betrieben werden können, die von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Der eine oder die mehreren Prozessoren können in der Vorrichtung intern oder extern von ihr sein und wenigstens einen Teil der Software- oder Firmware-Anwendung ausführen. Als noch ein anderes Beispiel kann eine Einheit eine Vorrichtung sein, die spezifische Funktionalität durch elektronische Komponenten ohne mechanische Teile bereitstellt; die elektronischen Komponenten können einen oder mehrere Prozessoren darin enthalten, um Software und/oder Firmware auszuführen, die wenigstens zum Teil die Funktionalität der elektronischen Komponenten ausmacht bzw. ausmachen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, dieses mit dem anderen Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass zwischengeschaltete Elemente vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden” oder „direkt gekoppelt bezeichnet wird, sind keine zwischengeschalteten Elemente vorhanden. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer gleichen Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen” versus „direkt zwischen”, „angrenzend” versus „direkt angrenzend” usw.).
Mit der Verwendung des Worts beispielhaft sollen Konzepte in einer konkreten Weise dargestellt werden. Die hier verwendete Begrifflichkeit dient lediglich dem Zweck, besondere Beispiele zu beschreiben, und soll Beispiele nicht beschränken. Es ist beabsichtigt, dass Singularformen „ein” und „der”, „die”, „das”, wie sie hier verwendet werden, die Pluralformen ebenso aufweisen, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes an. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweist” und/oder „aufweisend”, wenn sie hier verwendet werden, das Vorhandensein angegebener Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten definieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus ausschließen.
In der folgenden Beschreibung werden mehrere Details dargelegt, um eine gründlichere Erklärung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute wird allerdings offensichtlich sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden können. In anderen Beispielen werden bekannte Strukturen und Einrichtungen in Form eines Blockschaltbilds anstatt im Detail gezeigt, um zu vermeiden, Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unverständlich zu machen. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen, hier nachstehend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werde, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Wie oben angegeben ist, haben Ruheströme einen Einfluss auf die Ausgangsleistung, die Verstärkung, die optimale Ausgangsimpedanzanpassung usw. eines Kaskodenverstärkers. Der Ruhestrom kann eingestellt werden, um die Verstärkung, die Leistungsaufnahme usw. in Kaskodenverstärkern einzustellen. Zum Beispiel muss in drahtlosen Kommunikationseinrichtungen, wenn sich ein Mobiltelefon kontinuierlich bewegt und seinen Abstand zur Basisstation ändert, die Leistung zum Aufrechterhalten der Kommunikation mit der Basisstation möglicherweise erhöht werden, weil sich der Abstand zwischen der Basisstation und dem Mobiltelefon erhöht. Andererseits kann, wenn das Mobiltelefon näher an der Basisstation ist, die Ausgangsleistung für die Kommunikation im näheren Bereich reduziert werden. Ruheströme in Kaskodenverstärkern werden typischerweise durch Verwendung von Stromspiegel-Biasschaltungen eingestellt, die einen einstellbaren Referenzstrom aufweisen. Weil Transistoren in den Kaskodenverstärkern für ein spezielles Breiten-Längen-(W/L)-Maß konzipiert sind, kann der Ruhestrom auf einen Wert eingestellt sein, der für diese spezielle W/L-Größe nicht optimal ist, was potentiell starke Nichtlinearitäten, Rauschzunahme, große Temperaturabhängigkeiten und sogar Beschädigung der Transistoren bewirkt. In dieser Offenbarung wird eine Architektur für optimales Steuern des Ruhestroms in CMOS-Kaskodenverstärkern vorgeschlagen. Insbesondere wird die Ruhestromsteuerung durch Integrieren einer Schalterfunktion in den Kaskodenverstärker erreicht, statt durch Einstellen des Referenzstroms in den Stromspiegel-Biasschaltungen.
In der folgenden Beschreibung werden Beispiele in Hinsicht auf Ruhestromsteuerung in CMOS-Kaskodenverstärkern ausführlicher beschrieben und erklärt. Insbesondere wird in einer Ausführungsform ein Kaskodenverstärker beschrieben, der einen schaltbaren Transistor umfasst.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines CMOS-Kaskodenverstärkers 100 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen kann der CMOS-Kaskodenverstärker 100, zum Beispiel der rauscharme CMOS-HF-Verstärker (LNA, Low Noise Amplifier), Teil eines HF-Front-Ends einer drahtlosen Kommunikationseinrichtung sein. In einigen Ausführungsformen ist der CMOS-Kaskodenverstärker 100 dazu ausgelegt, ein Eingangssignal 112 an einem Eingangs-Port 113 des CMOS-Kaskodenverstärkers 100 zu empfangen und ein Ausgangssignal 118, das normalerweise eine verstärkte Version des Eingangssignals 112 ist, an einem Ausgangs-Port 117 des CMOS-Kaskodenverstärkers 100 bereitzustellen. In einer Ausführungsform umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker 100 eine Eingangsanpassungsschaltung 102, eine Kaskodenschaltung 104 und eine Ausgangsschaltung 106. Weiterhin umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker 100 eine Biasschaltung 108, eine Schaltsteuerschaltung 110 und einen Induktor (nicht dargestellt), der mit der Kaskodenschaltung 104 gekoppelt ist. Die Eingangsanpassungsschaltung 102 ist dazu ausgelegt, das Eingangssignal 112 zu empfangen und ein angepasstes Eingangssignal 114 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen ist die Eingangsanpassungsschaltung 102 dazu ausgelegt, Eingangsimpedanzanpassung bereitzustellen.
Die Kaskodenschaltung 104 ist dazu ausgelegt, das angepasste Eingangssignal 114 zu empfangen und ein verstärktes Eingangssignal 116 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Kaskodenschaltung 104 einen Kaskodenverstärker, der eine zweistufige Schaltung ist, die einen Transkonduktanzverstärker gefolgt von einem Pufferverstärker umfasst, die ein Kaskodenpaar bilden. In einigen Umsetzungsformen ist die Eingangsstufe der Kaskodenschaltung 104 ein Verstärker in FET-Source-Schaltung, und eine Eingangsspannung, zum Beispiel das angepasste Eingangssignal 114, wird an sein Gate angelegt. Die Ausgangsstufe ist ein Verstärker in FET-Gate-Schaltung, die von der Eingangsstufe angesteuert wird. In einigen Ausführungsformen umfassen die Eingangsstufe und die Ausgangsstufe der Kaskodenschaltung 104 jeweils einen einzelnen Transistor, die in Reihe miteinander verbunden sind und ein Kaskodenpaar bilden. In einigen Ausführungsformen ist eine Schalterfunktionalität in der Ausgangsstufe der Kaskodenschaltung 104 integriert, das heißt, eine Schalterfunktionalität ist innerhalb des Verstärkers in FET-Gate-Schaltung aktiviert, die ihn auf Basis eines Steuersignals schaltbar macht. Weiterhin ist in einigen Ausführungsformen eine Gesamt-Transistorgröße des Kaskodenpaars, das den Verstärker in FET-Source-Schaltung und den Verstärker in FET-Gate-Schaltung umfasst, in Teile unterteilt, wodurch mehrere Kaskodenpaare mit kleineren Transistorbreiten gebildet werden. In einigen Ausführungsformen umfasst jeder der Transistoren innerhalb eines Kaskodenpaars einen einzelnen Transistors, allerdings kann in anderen Ausführungsformen jeder der Transistoren innerhalb eines Kaskodenpaars einen gestapelten Transistor umfassen, der mehrere in Reihe verbundene Transistoren umfasst. Die Kaskodenschaltung 104 weist einen mit ihr verknüpften optimalen Ruhestrom auf, der auf Basis der Gesamt-Transistorgröße der Kaskodenschaltung bestimmt wird.
Die Ausgangsschaltung 106 ist dazu ausgelegt, das verstärkte Eingangssignal 116 aus der Kaskodenschaltung 104 zu empfangen und das Ausgangssignal 118 zu erzeugen, das normalerweise eine verarbeitete Version des verstärkten Eingangssignals 116 ist. In einigen Ausführungsformen ist die Ausgangsschaltung 106 mit einem Drain-Anschluss der Ausgangsstufe gekoppelt, d. h. dem Verstärker in FET-Gate-Schaltung der Kaskodenschaltung 106. In einigen Ausführungsformen ist die Ausgangsschaltung 106 dazu ausgelegt, Ausgangsimpedanzanpassung bereitzustellen. Die Biasschaltung 108 ist dazu ausgelegt, der Kaskodenschaltung 104 ein Biassignal 120 bereitzustellen, um die Kaskodenschaltung 104 auf einen optimalen Arbeitspunkt vorzuspannen, zum Beispiel den optimalen oder vorbestimmten Wert des Ruhestroms für eine gegebene Transistorgröße. In einigen Ausführungsformen umfasst die Biasschaltung 108 eine Stromspiegelschaltung, die einen mit der Eingangsstufe der Kaskodenschaltung 104 gekoppelten Stromspiegeltransistor umfasst. In einigen Ausführungsformen weist der Stromspiegeltransistor einen einstellbaren Referenzstrom auf, der mit ihm verknüpft ist, der dazu eingestellt werden kann, den Ruhestrom einzustellen bzw. zu setzen. In einigen Ausführungsformen kann der Stromspiegeltransistor einen gestapelten Transistor umfassen, der mehrere in Reihe verbundene Transistoren umfasst.
Die Schaltsteuerschaltung 110 ist dazu ausgelegt, ein Schaltsteuersignal 122 bereitzustellen, um den schaltbaren Verstärker in FET-Gate-Schaltung in der Kaskodenschaltung 104 selektiv ein- und auszuschalten. In einigen Ausführungsformen ist die Schaltsteuerschaltung 110 dazu ausgelegt, einem Gate-Anschluss des Verstärkers in FET-Gate-Schaltung das Schaltsteuersignal 122 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen ist die Schaltsteuerschaltung 110 weiterhin dazu ausgelegt, das Schaltsteuersignal 122 bereitzustellen, um die von der Eingangsanpassungsschaltung 102 bereitgestellte Eingangsimpedanz einzustellen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schaltsteuerschaltung 110 eine Pegelumsetzerschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Logiksignal in eine positive oder negative Spannung zu übersetzen.
2 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 200 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Der CMOS-Kaskodenverstärker 200 umfasst eine Eingangsanpassungsschaltung 202, eine Kaskodenschaltung 204 und eine Ausgangsschaltung 206. Weiterhin umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker 200 eine Biasschaltung 208 und eine Schaltsteuerschaltung 210, die mit der Kaskodenschaltung 204 gekoppelt ist. Die Eingangsanpassungsschaltung 202 ist dazu ausgelegt, das Eingangssignal 212 zu empfangen und ein angepasstes Eingangssignal 218 zu erzeugen. In einer Ausführungsform umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 202 einen Induktor L_MATCH 214 in Reihe mit einem Kondensator C_DCBLOCK 216, allerdings sind andere Umsetzungsformen der Eingangsanpassungsschaltung 202 ebenfalls möglich. In einigen Ausführungsformen ist die Eingangsanpassungsschaltung 202 dazu ausgelegt, Eingangsimpedanzanpassung bereitzustellen.
Die Kaskodenschaltung 204 ist dazu ausgelegt, das angepasste Eingangssignal 218 zu empfangen und ein verstärktes Eingangssignal 219 zu erzeugen. Die Kaskodenschaltung 204 umfasst eine erste Schaltung 222, die dazu ausgelegt ist, das angepasste Eingangssignal 218 an einem Eingang der ersten Schaltung 222 zu empfangen, und eine zweite schaltbare Schaltung 220, die dazu ausgelegt ist, ein verstärktes Eingangssignal 219 an einem Ausgang der zweiten schaltbaren Schaltung 220 auf Basis des angepassten Eingangssignals 218 bereitzustellen. In einigen Umsetzungsformen umfasst die erste Schaltung 222 der Kaskodenschaltung 204 einen ersten Transistor, und die zweite schaltbare Schaltung 220 der Kaskodenschaltung 204 umfasst einen zweiten schaltbaren Transistor, die ein Kaskodenpaar bilden. In einigen Umsetzungsformen umfasst der erste Transistor einen Transistor in einer Source-Schaltungs-(CS-, Common Source-)Konfiguration, und der zweite Transistor umfasst einen Transistor in einer Gate-Schaltungs-(CG-, Common Gate-)Konfiguration. In einigen Ausführungsformen wird eine Gesamt-Transistorgröße des Kaskodenpaars, das den ersten Transistor und den zweiten schaltbaren Transistor umfasst, in Teile aufgeteilt, wodurch mehrere Kaskodenpaare in parallelen Zweigen gebildet werden, wobei jeder Zweig ein Kaskodenpaar umfasst, das einen ersten Transistor und einen zweiten schaltbaren Transistor mit kleineren Transistorbreiten umfasst. In einigen Ausführungsformen weisen die Kaskodenpaare, die den ersten Transistor und den zweiten schaltbaren Transistor umfassen, gleiche W/L-Größen in jedem der Zweige auf. In anderen Ausführungsformen weisen die Kaskodenpaare, die den ersten Transistor und den zweiten schaltbaren Transistor umfassen, eine gewichtete W/L-Größe in jedem der Zweige auf. Der CMOS-Kaskodenverstärker 200 umfasst weiterhin einen Induktor L_DEG 236, der mit der Kaskodenschaltung 204 gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, Verstärkung und Rauschverhalten des CMOS-Kaskodenverstärkers 200 zu verbessern. In einigen Ausführungsformen ist der Induktor I_DEG 236 mit der ersten Schaltung 222 der Kaskodenschaltung 204 gekoppelt.
Die Ausgangsschaltung 206 ist dazu ausgelegt, das verstärkte Eingangssignal 219 aus der Kaskodenschaltung 204 zu empfangen und das Ausgangssignal 228 zu erzeugen, das normalerweise eine verarbeitete Version des verstärkten Eingangssignals 219 ist. In einigen Ausführungsformen ist die Ausgangsschaltung 206 mit einem Ausgangsanschluss der zweiten schaltbaren Schaltung 220 gekoppelt, zum Beispiel einem Drain-Anschluss des zweiten schaltbaren Transistors der Kaskodenschaltung 206. In einer Ausführungsform umfasst die Ausgangsschaltung 206 einen Induktor L_TANK 224 und einen Kondensator C_TANK 226, die miteinander gekoppelt sind. Allerdings kann die Ausgangsschaltung 206 in anderen Ausführungsformen anders umgesetzt sein. In einigen Ausführungsformen ist die Ausgangsschaltung 206 dazu ausgelegt, Ausgangsimpedanzanpassung bereitzustellen.
Die Biasschaltung 208 ist dazu ausgelegt, der Kaskodenschaltung 204 ein Biassignal 217 bereitzustellen, um die Kaskodenschaltung 204 auf einen optimalen Arbeitspunkt vorzuspannen, zum Beispiel einen optimalen Wert eines Ruhestroms für eine gegebene Transistorgröße. Die Biasschaltung 208 umfasst eine Stromspiegelschaltung, die einen mit der ersten Schaltung 222 der Kaskodenschaltung 204 gekoppelten Stromspiegeltransistor 209 umfasst. Weiterhin umfasst die Biasschaltung 208 einen ersten Widerstand R1 234 und einen zweiten Widerstand R2 232, die mit einem Signalpfad des Biassignals 217 gekoppelt sind. Der Stromspiegeltransistor 209 weist einen einstellbaren Referenzstrom 230 auf, der mit ihm verknüpft ist, der dazu eingestellt werden kann, den Ruhestrom auf einen optimalen Wert zu setzen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Stromspiegeltransistor 209 einen einzelnen Transistor, allerdings kann der Stromspiegeltransistor 209 in anderen Ausführungsformen einen gestapelten Transistor umfassen, der mehrere in Reihe verbundene Transistoren umfasst. Alternativ kann die Biasschaltung 208 in anderen Ausführungsformen anders umgesetzt sein.
Die Schaltsteuerschaltung 210 ist dazu ausgelegt, ein Schaltsteuersignal 211 bereitzustellen, um die zweite schaltbare Schaltung 220 in der Kaskodenschaltung 204 selektiv ein- und auszuschalten, wodurch die Kaskodenschaltung 204 aktiviert und deaktiviert wird. Die Schaltsteuerschaltung 210 ist dazu ausgelegt, den CMOS-Kaskodenverstärker 200 in zwei Modi zu betreiben, nämlich einem EIN-Modus und einem AUS-Modus. Im EIN-Modus ist die zweite schaltbare Schaltung 220 EIN geschaltet, wodurch die Kaskodenschaltung 204 aktiviert ist. Im AUS-Modus ist die zweite schaltbare Schaltung 220 AUS geschaltet, wodurch die Kaskodenschaltung 204 deaktiviert ist.
3 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 300, der einen ersten Transistor 322 und einen zweiten Transistor schaltbaren 320 umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Der CMOS-Kaskodenverstärker 300 in 3 ist ähnlich dem CMOS-Kaskodenverstärker 200 in 2, wobei die Kaskodenschaltung 204 durch eine Kaskodenschaltung 304 ersetzt wird, die einen ersten Transistor 322 und einen zweiten schaltbaren Transistor 322 umfasst. Der CMOS-Kaskodenverstärker 300 umfasst eine Eingangsanpassungsschaltung 302, eine Kaskodenschaltung 304 und eine Ausgangsschaltung 306. Weiterhin umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker 300 eine Biasschaltung 308 und eine Schaltsteuerschaltung 310, die mit der Kaskodenschaltung 304 gekoppelt ist. Die Eingangsanpassungsschaltung 302 ist dazu ausgelegt, das Eingangssignal 312 zu empfangen und ein angepasstes Eingangssignal 318 zu erzeugen. In einer Ausführungsform umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 302 einen Induktor L_MATCH 314 in Reihe mit einem Kondensator C_DCBLOCK 316, allerdings sind andere Umsetzungsformen der Eingangsanpassungsschaltung 302 ebenfalls möglich.
Die Kaskodenschaltung 304 ist dazu ausgelegt, das angepasste Eingangssignal 318 zu empfangen und ein verstärktes Eingangssignal 319 zu erzeugen. Die Kaskodenschaltung 304 umfasst einen ersten Transistor 322 in einer Source-Schaltungs-(CS-)Konfiguration, die dazu ausgelegt ist, das angepasste Eingangssignal 318 an einem Gate-Anschluss 321 des ersten Transistors 322 zu empfangen. Weiterhin umfasst die Kaskodenschaltung 304 einen zweiten schaltbaren Transistor 320 in einer Gate-Schaltungs-Konfiguration in Reihe mit dem ersten Transistor 322, die ein Kaskodenpaar bilden und dazu ausgelegt sind, ein verstärktes Eingangssignal 319 an einem Drain-Anschluss 323 des zweiten schaltbaren Transistors 320 auf Basis des angepassten Eingangssignals 318 bereitzustellen. Der CMOS-Kaskodenverstärker 300 umfasst weiterhin einen Induktor L_DEG 336, der mit dem Source-Anschluss 325 des ersten Transistors 322 der Kaskodenschaltung 304 gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, Verstärkung und Rauschverhalten des CMOS-Kaskodenverstärkers 300 zu verbessern.
Die Ausgangsschaltung 306 ist dazu ausgelegt, das verstärkte Eingangssignal 319 aus der Kaskodenschaltung 304 zu empfangen und das Ausgangssignal 328 zu erzeugen, das normalerweise eine verarbeitete Version des verstärkten Eingangssignals 319 ist. Die Ausgangsschaltung 306 ist mit dem Drain-Anschluss 323 des zweiten schaltbaren Transistors 320 der Kaskodenschaltung 304 gekoppelt. In einer Ausführungsform umfasst die Ausgangsschaltung 306 einen Induktor L_TANK 324 und einen Kondensator C_TANK 326, die miteinander gekoppelt sind. Allerdings kann die Ausgangsschaltung 306 in anderen Ausführungsformen anders umgesetzt sein. In einigen Ausführungsformen ist die Ausgangsschaltung 306 dazu ausgelegt, Ausgangsimpedanzanpassung bereitzustellen. Die Biasschaltung 308 ist dazu ausgelegt, der Kaskodenschaltung 304 ein Biassignal 317 bereitzustellen, um die Kaskodenschaltung 304 auf einen optimalen Arbeitspunkt vorzuspannen, zum Beispiel einen optimalen Wert eines Ruhestroms. Die Biasschaltung 308 umfasst eine Stromspiegelschaltung, die einen mit dem Gate-Anschluss 321 des ersten Transistors 322 der Kaskodenschaltung 304 gekoppelten Stromspiegeltransistor 309 umfasst. Weiterhin umfasst die Biasschaltung 308 einen ersten Widerstand R1 334 und einen zweiten Widerstand R2 332, die mit einem Signalpfad des Biassignals 317 gekoppelt sind. Der Stromspiegeltransistor 309 weist einen einstellbaren Referenzstrom 330 auf, der mit ihm verknüpft ist, der dazu eingestellt werden kann, den Ruhestrom auf den optimalen Wert zu setzen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Stromspiegeltransistor 309 einen einzelnen Transistor, allerdings kann der Stromspiegeltransistor 309 in anderen Ausführungsformen mehrere gestapelte Stromspiegeltransistoren umfassen. Alternativ kann die Biasschaltung 308 in anderen Ausführungsformen anders umgesetzt sein, wie zum Beispiel ein gestapelter Stromspiegel oder ein Wilson-Stromspiegel.
Die Schaltsteuerschaltung 310 ist dazu ausgelegt, ein Schaltsteuersignal 311 bereitzustellen, um den zweiten schaltbaren Transistor 320 in der Kaskodenschaltung 304 selektiv ein- und auszuschalten, wodurch die Kaskodenschaltung 304 aktiviert und deaktiviert wird. Die Schaltsteuerschaltung 310 ist dazu ausgelegt, den CMOS-Kaskodenverstärker 300 in zwei Modi zu betreiben, nämlich einem EIN-Modus und einem AUS-Modus. Im EIN-Modus ist der zweite schaltbare Transistor 320 EIN geschaltet, wodurch die Kaskodenschaltung 304 aktiviert ist. Im AUS-Modus ist der zweite schaltbare Transistor 320 AUS geschaltet, wodurch die Kaskodenschaltung 304 deaktiviert ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schaltsteuerschaltung 310 eine Pegelumsetzerschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Logiksignal in eine positive oder negative Spannung zu übersetzen.
4 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines Transistorschalters 400 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen kann der zweite schaltbare Transistor 320 in 3 ähnlich dem Transistorschalter 400 in 4 umgesetzt sein. Der Transistorschalter 400 umfasst einen Transistor, zum Beispiel einen NMOS-Transistor, der einen Gate-Anschluss 402, einen Source-Anschluss 404, einen Drain-Anschluss 406 und einen Bulk-Anschluss 408 umfasst. Um die Schalterfunktionalität des Transistorschalters 400 zu aktivieren, werden die Bulk-Substrat-Dioden Ddb 410 und Dsb 412 deaktiviert, indem dem Bulk-Anschluss 408 eine negative Spannung bereitgestellt wird. Das Deaktivieren der Bulk-Substrat-Dioden Ddb 410 und Dsb 412 reduziert die parasitären Kapazitanzen des Transistorschalters 400 und ermöglicht auch das Verwenden von gestapelten Hochfrequenz-(HF-)Transistoren. In einigen Ausführungsformen umfasst der Transistorschalter 400 einen gestapelten Transistor, der mehrere in Reihe verbundene Transistoren umfasst. Weiterhin wird der Transistorschalter 400 AUS geschaltet, indem zum Beispiel dem Gate-Anschluss 402 eine negative Spannung bereitgestellt wird, und der Transistorschalter 400 wird EIN geschaltet, indem dem Gate-Anschluss 402 eine positive Spannung bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann der Transistorschalter 400 durch einen Silicon-on-Insulator-(SOI-)Prozess umgesetzt werden, bei dem der Body des Transistorschalters 400 anstelle des Bulk vorgespannt wird.
5 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 500, der mehrere Kaskodenpaare umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Der CMOS-Kaskodenverstärker 500 in 5 ist ähnlich dem CMOS-Kaskodenverstärker 300 in 3, wobei eine Gesamt-Transistorgröße des Kaskodenpaars, das den ersten Transistor 322 und den zweiten schaltbaren Transistor 320 umfasst, in Teile aufgeteilt ist, wodurch mehrere Kaskodenpaare gebildet werden, wobei jedes Kaskodenpaar einen ersten Transistor und einen zweiten schaltbaren Transistor mit kleineren Transistorbreiten umfasst. In der Ausführungsform von 5 umfasst die Kaskodenschaltung 504 3 Kaskodenpaare, nämlich C1, C2 und C3, in anderen Ausführungsformen kann die Kaskodenschaltung 504 allerdings irgendeine Anzahl von Kaskodenpaaren umfassen. Der CMOS-Kaskodenverstärker 500 umfasst eine Eingangsanpassungsschaltung 502, eine Kaskodenschaltung 504 und eine Ausgangsschaltung 506. Weiterhin umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker 500 eine Biasschaltung 508 und eine Schaltsteuerschaltung 510, die mit der Kaskodenschaltung 504 gekoppelt ist. Die Eingangsanpassungsschaltung 502 ist dazu ausgelegt, das Eingangssignal 512 zu empfangen und ein angepasstes Eingangssignal 518 zu erzeugen. In einer Umsetzungsform umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 502 einen Induktor L_MATCH 514 in Reihe mit einem Kondensator C_DCBLOCK 516, allerdings sind andere Umsetzungsformen der Eingangsanpassungsschaltung 502 ebenfalls möglich.
Die Kaskodenschaltung 504 ist dazu ausgelegt, das angepasste Eingangssignal 518 zu empfangen und ein verstärktes Eingangssignal 519 zu erzeugen, das die verstärkte Version des angepassten Eingangssignals 518 ist. Die Kaskodenschaltung 504 umfasst ein erstes Kaskodenpaar C1, das einen ersten Transistor 522a in einer Source-Schaltungs-(CS-)Konfiguration, die dazu ausgelegt ist, das angepasste Eingangssignal 518 an einem Gate-Anschluss des ersten Transistors 522a zu empfangen, und einen zweiten schaltbaren Transistor 520a in einer Gate-Schaltungs-(CG-)Konfiguration in Reihe mit dem ersten Transistor 522a umfasst. Die Kaskodenschaltung 504 umfasst weiterhin ein zweites Kaskodenpaar C2, das einen ersten Transistor 522b in einer CS-Konfiguration, die dazu ausgelegt ist, das angepasste Eingangssignal 518 an einem Gate-Anschluss des ersten Transistors 522b zu empfangen, und einen zweiten schaltbaren Transistor 520b in einer CG-Konfiguration in Reihe mit dem ersten Transistor 522b umfasst. Zusätzlich umfasst die Kaskodenschaltung 504 ein drittes Kaskodenpaar C3, das einen ersten Transistor 522c in einer CS-Konfiguration, die dazu ausgelegt ist, das angepasste Eingangssignal 518 an einem Gate-Anschluss des ersten Transistors 522c zu empfangen, und einen zweiten schaltbaren Transistor 520c in einer CG-Konfiguration in Reihe mit dem ersten Transistor 522c umfasst. In einigen Ausführungsformen sind die Kaskodenpaare C1, C2 und C3 in parallelen Zweigen angeordnet. In einigen Ausführungsformen weisen die Kaskodenpaare C1, C2 und C3 die gleiche W/L-Größe auf. In anderen Ausführungsformen weisen die Kaskodenpaare C1, C2 und C3 eine gewichtete W/L-Größe auf. Der CMOS-Kaskodenverstärker 500 umfasst weiterhin einen Induktor L_DEG 536, der mit den Source-Anschlüssen 325 jedes der ersten Transistoren 522a, 522b bzw. 522c der Kaskodenschaltung 504 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen ist der Induktor L_DEG 536 dazu ausgelegt, eine Verstärkung und ein Rauschverhalten des CMOS-Kaskodenverstärkers 500 zu verbessern.
Die Ausgangsschaltung 506 ist dazu ausgelegt, das verstärkte Eingangssignal 519 aus der Kaskodenschaltung 504 zu empfangen und das Ausgangssignal 528 zu erzeugen, das normalerweise eine verarbeitete Version des verstärkten Eingangssignals 519 ist. Die Ausgangsschaltung 506 ist mit den Drain-Anschlüssen jedes der zweiten schaltbaren Transistoren 520a, 520b bzw. 520c der Kaskodenschaltung 506 gekoppelt. In einer Ausführungsform umfasst die Ausgangsschaltung 506 einen Induktor L_TANK 524 und einen Kondensator C_TANK 526, die miteinander gekoppelt sind. Allerdings kann die Ausgangsschaltung 506 in anderen Ausführungsformen anders umgesetzt sein. In einigen Ausführungsformen ist die Ausgangsschaltung 506 dazu ausgelegt, Ausgangsimpedanzanpassung bereitzustellen.
Die Biasschaltung 508 ist dazu ausgelegt, den Gate-Anschlüssen jedes der ersten Transistoren 522a, 522b bzw. 522c der Kaskodenschaltung 504 ein Biassignal 517 bereitzustellen, um die Kaskodenschaltung 504 auf einen vorbestimmten (z. B. einen optimalen) Arbeitspunkt vorzuspannen, zum Beispiel einen optimalen Wert eines Ruhestroms. In einigen Ausführungsformen umfasst die Biasschaltung 508 eine Stromspiegelschaltung, die einen mit den Gate-Anschlüssen jedes der ersten Transistoren 522a, 522b bzw. 522c der Kaskodenschaltung 504 gekoppelten Stromspiegeltransistor 509 umfasst. Weiterhin umfasst die Biasschaltung 508 einen ersten Widerstand R1 534 und einen zweiten Widerstand R2 532, die mit einem Signalpfad des Biassignals 517 gekoppelt sind. Der Stromspiegeltransistor 509 weist einen einstellbaren Referenzstrom I_REF 530 auf, der in einer Ausführungsform mit ihm verknüpft ist. In einigen Ausführungsformen ist der einstellbare Referenzstrom 530 dazu eingestellt, einen optimalen/vorbestimmten Ruhestrom für eine vollständige Transistorbreite aller der Kaskodenpaare zu setzen. Jedes der Kaskodenpaare in der Kaskodenschaltung 504 weist einen optimalen Ruhestrom auf, der mit ihm verknüpft ist, abhängig von der Transistorbreite des jeweiligen Kaskodenpaars. Weil die ersten Transistoren 522a, 522b und 522c in jedem der Kaskodenpaare C1, C2 bzw. C3 das gleiche Biassignal 517 empfangen, ist der Ruhestrom für jedes Kaskodenpaar entsprechend seiner individuellen Breite skaliert. In solchen Ausführungsformen wird der Ruhestrom des CMOS-Kaskodenverstärkers 500 durch selektives Deaktivieren der Kaskodenpaare C1, C2 und C3 eingestellt, weil das Ausschalten eines oder mehrerer Kaskodenpaare die übrigen Kaskodenpaare weiter im gleichen Betriebsmodus hält. Daher kann der Ruhestrom in solchen Ausführungsformen durch selektives Ausschalten der zweiten schaltbaren Transistoren 520a, 520b und 520c in jedem der Kaskodenpaare C1, C2 bzw. C3 eingestellt werden, anstatt durch Einstellen des Referenzstroms I_REF 530, wie es bei konventionellen Ansätzen erfolgt. In einigen Ausführungsformen umfasst der Stromspiegeltransistor 509 einen einzelnen Transistor, allerdings kann der Stromspiegeltransistor 509 in anderen Ausführungsformen einen gestapelten Transistor umfassen, der mehrere in Reihe verbundene Transistoren umfasst. Alternativ kann die Biasschaltung 508 in anderen Ausführungsformen anders umgesetzt sein.
Die Schaltsteuerschaltung 510 ist dazu ausgelegt, die Schaltsteuersignale 511a, 511b und 511c bereitzustellen, um die zweiten schaltbaren Transistoren 520a, 520b bzw. 520c in der Kaskodenschaltung 504 selektiv ein- und auszuschalten, wodurch die jeweiligen Kaskodenpaare C1, C2 und C3 der Kaskodenschaltung 504 individuell aktiviert und deaktiviert werden. Das selektive Einschalten der zweiten schaltbaren Transistoren 520a, 520b und 520c umfasst das individuelle Einschalten eines oder mehrerer der zweiten schaltbaren Transistoren 520a, 520b und 520c in den Kaskodenpaaren C1, C2 bzw. C3. Die Schaltsteuerschaltung 510 ist dazu ausgelegt, jedes der Kaskodenpaare C1, C2 und C3 des CMOS-Kaskodenverstärkers 500 in zwei Modi individuell zu betreiben, nämlich einem EIN-Modus und einem AUS-Modus. Im EIN-Modus ist der zweite schaltbare Transistor eines jeweiligen Kaskodenpaars EIN geschaltet, wodurch das jeweilige Kaskodenpaar aktiviert ist. Im AUS-Modus ist der zweite schaltbare Transistor eines jeweiligen Kaskodenpaars AUS geschaltet, wodurch das jeweilige Kaskodenpaar deaktiviert ist.
6 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 600, der für mehrere Frequenzbänder optimiert ist, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Der CMOS-Kaskodenverstärker 600 in 6 ist ähnlich dem CMOS-Kaskodenverstärker 500 in 5 und umfasst eine Eingangsanpassungsschaltung 602, eine Kaskodenschaltung 604 und eine Ausgangsschaltung 606. Weiterhin umfasst der CMOS-Kaskodenverstärker 600 eine Biasschaltung 608, eine Schaltsteuerschaltung 610 und einen Induktor L_DEG 636, der mit der Kaskodenschaltung 604 gekoppelt ist. Der CMOS-Kaskodenverstärker 600 ermöglicht die adaptive Einstellung der Transistorgröße in Bezug auf eine Betriebsfrequenz. Zum Beispiel erfordern niedrigere Frequenzbänder größere Transistorbreiten für optimalen Betrieb, und höhere Frequenzbänder erfordern kleinere Transistorbreiten für optimalen Betrieb. Daher ermöglicht selektives Ausschalten eines oder mehrerer Kaskodenpaare auf Basis der Schaltsteuersignale 611a, 611b und 611c, wie in Bezug auf 5 erklärt worden ist, den Betrieb des CMOS-Kaskodenverstärkers 600 in verschiedenen Frequenzbändern. Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen eine Eingangsimpedanz des CMOS-Kaskodenverstärkers 600 eingestellt werden, um in den unterschiedlichen Frequenzbändern zu passen. In einigen Ausführungsformen wird die Abstimmung der Eingangsimpedanz durch Verwendung einer abstimmbaren Eingangsanpassungsschaltung erreicht, zum Beispiel der Eingangsanpassungsschaltung 602 aus 6, die die selektierbaren Kondensatoren 616a und 616b in parallelen Zweigen umfasst. In einigen Ausführungsformen werden die Kondensatoren 616a und 616b selektiv aktiviert, indem die Schalter 617a bzw. 617b auf Basis der Schaltsteuersignale, zum Beispiel 611b und 611c aus der Schaltsteuerschaltung 610, selektiv eingeschaltet werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 602 weiterhin zusätzliche Kondensatoren 619a und 619b, die dazu ausgelegt sind, eine gleichspannungsfreie Drain-/Source-Spannung für die Schalter 617a bzw. 617b bereitzustellen. Die zusätzlichen Kondensatoren 619a und 619b sind nur erforderlich, wenn es im Eingangssignal 612 einen Gleichspannungsanteil gibt. Weiterhin wird in einigen Ausführungsformen zum Optimieren des CMOS-Kaskodenverstärkers 600 für verschiedene Frequenzbänder der Induktor L_DEG 636 mit mehreren Abgriffen T1, T2, T3 usw. bereitgestellt, wobei jeder Abgriff einem Source-Anschluss eines jeweiligen Kaskodenpaars der mehreren Kaskodenpaare entspricht.
7 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 700, der für mehrere Frequenzbänder optimiert ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung. Der CMOS-Kaskodenverstärker 700 in 7 ist ähnlich dem CMOS-Kaskodenverstärker 600 in 6 mit einer alternativen Umsetzungsform für die Eingangsanpassungsschaltung 602. Die Eingangsanpassungsschaltung 702 in 7 umfasst mehrere in Reihe verbundene selektierbare Kondensatoren, zum Beispiel 716a und 716, die selektiv aktiviert werden, indem die Schalter 717a bzw. 717b auf Basis der Schaltsteuersignale, zum Beispiel 711c und 711b aus der Schaltsteuerschaltung 710, selektiv ausgeschaltet werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 702 weiterhin einen zusätzlichen Kondensator 716c, der dazu ausgelegt ist, eine gleichspannungsfreie Drain-/Source-Spannung für die Schalter 717a und 717b bereitzustellen. Der zusätzliche Kondensator 716c ist nur erforderlich, wenn es im Eingangssignal 712 einen Gleichspannungsanteil gibt. In anderen Ausführungsformen sind auch alternative Umsetzungsformen der Eingangsanpassungsschaltung 702 möglich.
8 zeigt ein Umsetzungsbeispiel eines CMOS-Kaskodenverstärkers 800, der für mehrere Frequenzbänder optimiert ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung. Der CMOS-Kaskodenverstärker 800 in 8 ist ähnlich dem CMOS-Kaskodenverstärker 700 in 7 mit einer alternativen Umsetzungsform für die Eingangsanpassungsschaltung 702. Die Eingangsanpassungsschaltung 802 in 8 umfasst einen abstimmbaren Induktor L_MATCH 814, der dazu ausgelegt ist, eine variable Induktanz auf Basis von Abgreifen des Induktors 814 bereitzustellen. Weiterhin umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 802 mehrere selektierbare Kondensatoren in Reihe, zum Beispiel 816a, 816b und 816c, die selektiv aktiviert werden, indem die Schalter 817a, 817b bzw. 817c auf Basis der Schaltsteuersignale, zum Beispiel 811c, 811b und 811a aus der Schaltsteuerschaltung 810, selektiv ausgeschaltet werden. In einigen Ausführungsformen entspricht der Induktorabgriff T des abstimmbaren Induktors L_MATCH 814 einem Eingangsanschluss 819 der mehreren der selektierbaren Kondensatoren in Reihe. In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingangsanpassungsschaltung 802 weiterhin einen zusätzlichen Kondensator 816, der dazu ausgelegt ist, eine gleichspannungsfreie Drain-/Source-Spannung für die Schalter 817a, 817b und 817c bereitzustellen. Der zusätzliche Kondensator 816 ist nur erforderlich, wenn es im Eingangssignal 812 einen Gleichspannungsanteil gibt. Die Eingangsanpassungsschaltung 802 zeigt eine nicht einschränkende Umsetzungsform des abstimmbaren Induktors 814, allerdings sind in anderen Ausführungsformen auch alternative Umsetzungsformen des abstimmbaren Induktors 814 möglich.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zum Umsetzen einer Steuerung für optimalen Ruhestrom in CMOS-Kaskodenverstärkern gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Das Verfahren 900 wird hier in Bezug auf den CMOS-Kaskodenverstärker 500 von 5 beschrieben. In 902 wird eine Kaskodenschaltung 504 bereitgestellt, die mehrere parallele Zweige umfasst, wobei jeder Zweig ein Kaskodenpaar umfasst, das einen ersten Transistor, zum Beispiel 522a, 522b und 522c, und einen zweiten schaltbaren Transistor, zum Beispiel 520a, 520b und 520, umfasst, die in Reihe miteinander verbunden sind. In 904 wird die Kaskodenschaltung 504 auf einen optimalen Arbeitspunkt vorgespannt, um zum Beispiel einen vorbestimmten Ruhestrom zu gewinnen, indem dem ersten Transistor, zum Beispiel 522a, 522b und 522c, des Kaskodenpaars in jedem der mehreren Zweige in der Kaskodenschaltung 504 ein Biassignal 517 unter Verwendung einer Biasschaltung 508 bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen wird der vorbestimmte Ruhestrom auf Basis einer Gesamt-Transistorgröße der Transistoren aller Kaskodenpaare C1, C2 und C3 bestimmt. In 906 wird ein Ruhestrom in der Kaskodenschaltung 504 auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Zweige gesteuert, die die Kaskodenpaare umfassen, indem der zweite schaltbare Transistor, zum Beispiel 520a, 520 und 520c, in einem oder mehreren aktivierten Zweigen unter Verwendung einer Schaltsteuerschaltung 510 eingeschaltet wird.
Während die Verfahren nachstehend als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben werden, versteht es sich, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Vorgänge oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn interpretiert werden soll. Zum Beispiel geschehen einige Vorgänge möglicherweise in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen, außer denjenigen, die hierin veranschaulicht und/oder beschrieben worden sind. Zusätzlich sind möglicherweise nicht alle veranschaulichten Vorgänge erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Offenbarung hier umzusetzen. Weiterhin kann einer oder mehrere der hier gezeigten Vorgänge in einem oder mehreren separaten Vorgängen und/oder in einer oder mehreren separaten Phasen ausgeführt werden.
Obwohl die Erfindung in Hinsicht auf eine oder mehrere Umsetzungsformen veranschaulicht und beschrieben worden ist, werden möglicherweise Änderungen und/oder Modifikationen an den veranschaulichten Beispielen vorgenommen, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten und Strukturen (Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systemen usw.) ausgeführt werden, ist beabsichtigt, sofern nicht anders angezeigt, dass die Begriffe (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel”), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (die z. B. funktionell gleichwertig ist), sogar wenn sie der offenbarten Struktur nicht strukturell gleichwertig ist, die die Funktion in den hierin veranschaulichten Umsetzungsbeispielen der Erfindung ausführt.
Verschiedene veranschaulichende Logiken, Logikblöcke, Module und Schaltungen, die in Verbindung mit hier offenbarten Aspekten beschrieben werden, können mit einem Allzweckprozessor, einem Digital-Signal-Prozessor (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem Field Programmable Gate Array (FPGA) oder einer anderen programmierbaren Logikeinrichtung, diskreter Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardwarekomponenten oder irgendeiner Kombination daraus, die zum Durchführen von hier beschriebenen Funktionen konzipiert ist, umgesetzt oder durchgeführt werden. Ein Allzweckprozessor kann ein Mikroprozessor sein, aber in Alternativen kann der Prozessor irgendein konventioneller Prozessor, ein Controller, ein Mikrocontroller oder ein Zustandsautomat sein.
Die vorstehende Beschreibung von veranschaulichten Ausführungsformen der gegenständlichen Offenbarung, einschließlich dessen, was in der Zusammenfassung beschrieben wird, soll nicht vollständig sein oder die offenbarten Ausführungsformen auf die genauen offenbarten Formen beschränken. Während spezifische Ausführungsformen und Beispiele hier zur Veranschaulichung beschrieben sind, sind verschiedene Modifikationen möglich, die als innerhalb des Schutzbereichs solcher Ausführungsformen und Beispiele betrachtet werden, wie Fachleute erkennen können.

Claims

CMOS-Kaskodenverstärker, der Folgendes umfasst: eine Kaskodenschaltung, die mehrere parallele Zweige umfasst, wobei jeder Zweig einen ersten Transistor und einen zweiten schaltbaren Transistor umfasst, die in Reihe geschaltet sind und ein Kaskodenpaar bilden, wobei die Kaskodenschaltung zum Verstärken eines Eingangssignals ausgelegt ist; eine Biasschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Kaskodenschaltung vorzuspannen, indem sie dem ersten Transistor in jedem der mehreren Zweige in der Kaskodenschaltung ein Biassignal bereitstellt; und eine Schaltsteuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, einen Ruhestrom in der Kaskodenschaltung auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Zweige zu steuern, indem sie ein Schaltsteuersignal bereitstellt, das den zweiten schaltbaren Transistor in dem einen oder den mehreren aktivierten Zweigen einschaltet.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die Kaskodenschaltung weiterhin dazu ausgelegt ist, das Eingangssignal an einem Gate-Anschluss des ersten Transistors in jedem der mehreren Zweige der Kaskodenschaltung zu empfangen.
Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Biasschaltung einen dritten Transistor umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen Stromspiegel mit der Kaskodenschaltung zu bilden.
Verstärker nach Anspruch 3, wobei das Biassignal an die Kaskodenschaltung angelegt wird, um einen vorbestimmten Ruhestrom in der Kaskodenschaltung zu gewinnen.
Verstärker nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte Ruhestrom durch Einstellen eines Referenzstroms in der Stromspiegelschaltung gewonnen wird.
Verstärker nach Anspruch 4 oder 5, wobei der vorbestimmte Ruhestrom auf Basis einer Gesamt-Transistorbreite des ersten Transistors und des zweiten schaltbaren Transistors in jedem der mehreren parallelen Zweige in der Kaskodenschaltung bestimmt wird.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltsteuerschaltung eine Pegelumsetzerschaltung umfasst, die dazu ausgelegt ist, einem Gate-Anschluss des zweiten schaltbaren Transistors eine positive Spannung oder eine negative Spannung auf Basis des Schaltsteuersignals bereitzustellen.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kaskodenpaare, die den ersten Transistor und den zweiten schaltbaren Transistor in jedem der Zweige umfassen, eine gleiche Breite-Länge-(W/L)-Größe aufweisen.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kaskodenpaare, die den ersten Transistor und den zweiten schaltbaren Transistor in jedem der Zweige umfassen, eine gewichtete W/L-Größe aufweisen.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der weiterhin eine Eingangsanpassungsschaltung umfasst, die mit einem Eingangssignalpfad der Kaskodenschaltung gekoppelt ist, der dazu ausgelegt ist, eine Eingangsimpedanz der Kaskodenschaltung abzustimmen, wobei die Eingangsanpassungsschaltung eine Eingangsinduktanz in Reihe mit einem variablen kapazitiven Element umfasst, das mehrere selektierbare Kondensatoren umfasst.
Verstärker nach Anspruch 10, wobei die Schaltsteuerschaltung weiterhin dazu ausgelegt ist, selektiv einen oder mehrere der mehreren selektierbaren Kondensatoren auf Basis des Schaltsteuersignals zu aktivieren.
Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der weiterhin eine Degradationsinduktanz umfasst, die mit der Kaskodenschaltung gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, eine Verstärkung der Kaskodenschaltung einzustellen, wobei die Degradationsinduktanz mehrere Abgriffe umfasst, wobei jeder Abgriff mit einem Source-Anschluss des ersten Transistors eines jeweiligen Zweigs gekoppelt ist.
Kaskodeneinrichtung, die Folgendes umfasst: eine Kaskodenschaltung, die eine erste Schaltung und eine zweite schaltbare Schaltung, die in Reihe geschaltet sind, umfasst und die dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu verstärken; eine Biasschaltung, die dazu ausgelegt ist, der Kaskodenanordnung ein Biassignal bereitzustellen; und eine Schaltsteuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Schaltsteuersignal bereitzustellen, das die Kaskodenschaltung selektiv aktiviert.
Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste Schaltung einen ersten Transistor umfasst und die zweite schaltbare Schaltung einen zweiten schaltbaren Transistor umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die Biasschaltung einen dritten Transistor umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen Stromspiegel mit der Kaskodenschaltung, die den ersten Transistor und den zweiten schaltbaren Transistor umfasst, zu bilden.
Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Biasschaltung dazu ausgelegt ist, einem Gate-Anschluss des ersten Transistors das Biassignal bereitzustellen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Schaltsteuerschaltung dazu ausgelegt ist, die Kaskodenschaltung durch Einschalten des zweiten schaltbaren Transistors auf Basis des Schaltsteuersignals zu aktivieren.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die erste Schaltung mehrere erste Transistoren umfasst und die zweite schaltbare Schaltung mehrere zweite schaltbare Transistoren umfasst, wobei jeder der mehreren ersten Transistoren in Reihe mit einem jeweiligen zweiten schaltbaren Transistor der mehreren zweiten schaltbaren Transistoren verbunden ist, um mehrere parallele Kaskodenpaare zu bilden.
Einrichtung nach Anspruch 18, wobei die Biasschaltung dazu ausgelegt ist, Gate-Anschlüssen jedes der mehreren ersten Transistoren die Biasspannung bereitzustellen.
Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Schaltsteuerschaltung dazu ausgelegt ist, die Kaskodenanordnung auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Kaskodenpaare durch Einschalten des zweiten schaltbaren Transistors in dem einen oder den mehreren aktivierten Kaskodenpaaren zu aktivieren.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, die weiterhin eine Eingangsanpassungsschaltung umfasst, die mit einem Eingangssignalpfad der Kaskodenschaltung gekoppelt ist, der dazu ausgelegt ist, eine Eingangsimpedanz der Kaskodenschaltung abzustimmen, wobei die Eingangsanpassungsschaltung eine Eingangsinduktanz in Reihe mit einem variablen kapazitiven Element umfasst, das mehrere selektierbare Kondensatoren umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 21, wobei die Schaltsteuerschaltung weiterhin dazu ausgelegt ist, selektiv einen oder mehrere der mehreren selektierbaren Kondensatoren auf Basis des Schaltsteuersignals zu aktivieren.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, die weiterhin eine Degradationsinduktanz umfasst, die mit der Kaskodenschaltung gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, eine Verstärkung der Kaskodenschaltung einzustellen, wobei die Degradationsinduktanz mehrere Abgriffe umfasst, wobei jeder der Abgriffe mit einem Source-Anschluss des ersten Transistors eines jeweiligen Kaskodenpaars gekoppelt ist.
Verfahren zur Stromsteuerung in einem CMOS-Kaskodenverstärker, das Folgendes umfasst: eine Kaskodenschaltung bereitzustellen, die mehrere parallele Zweige umfasst, wobei jeder Zweig einen ersten Transistor und einen zweiten schaltbaren Transistor umfasst, die in Reihe geschaltet sind und ein Kaskodenpaar bilden; die Kaskodenschaltung vorzuspannen, indem dem ersten Transistor in jedem der mehreren Zweige in der Kaskodenschaltung eine Biasspannung unter Verwendung einer Biasschaltung bereitgestellt wird; und einen Ruhestrom in einer Kaskodenschaltung auf Basis von selektivem Aktivieren der mehreren Zweige zu steuern, indem der zweite schaltbare Transistor in dem einen oder den mehreren aktivierten Zweigen unter Verwendung eines Schaltsteuersignals aus einer Schaltsteuerschaltung eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei das Vorspannen der Kaskodenschaltung umfasst, der Kaskodenschaltung eine Biasspannung bereitzustellen, um einen vorbestimmten Ruhestrom in der Kaskodenschaltung zu gewinnen.