ITVA980004A1 - Amplificatore differenziale integrato a basso rumore per segnali ac - Google Patents

Description

“AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE INTEGRATO A BASSO RUMORE PER SEGNALI AC”

La presente invenzione concerne gli amplificatori analogici e più in particolare gli amplificatori RF di ricevitori supereterodinici integrati di apparecchi alimentati con batterie a basso voltaggio.

Molti ricevitori interamente integrati per radiocomunicazioni digitali e/o analogiche impiegano amplificatori a basso rumore (LNA) nello stadio di ingresso per aumentare la sensibilità del sistema ricevitore.

Spesso Γ amplificatore a basso rumore (LNA) rappresenta l’interfaccia tra il sistema integrato sul silicio e la circuiteria esterna (antenna, filtri, ecc.) operante ad alta frequenza.

Tipicamente nelle applicazioni a radio frequenza (RF) i blocchi circuitali standard hanno un’impedenza di ingresso e/o di uscita di 50Ω. Dato che in sistemi integrati su silicio le lunghezze di percorso di segnale sono trascurabili rispetto alla lunghezza d’onda, lo stadio di ingresso deve avere solo l’impedenza di ingresso di 50Ω in quanto l’uscita dell' amplificatore RF a basso rumore (LNA) viene direttamente alimentata allo stadio di miscelazione integrato.

Le caratteristiche di elevato guadagno e di basso rumore in amplificatori per alta frequenza integrati difficilmente si accompagnano ad una figura di perdite di ritorno accettabile. Ciò impone l’uso di una rete esterna di adattazione di impedenza che incide in modo non trascurabile sul costo nonché sulla complessità dell’intero sistema.

Un’applicazione assai comune è quella di un ricevitore supereterodina e a questa importante applicazione verrà fatto riferimento nella descrizione che segue. La tipica catena funzionale di un ricevitore supereterodina usato in apparecchi radiomobili, è illustrata sottoforma di schema a blocchi in Fig. 1.

Il segnale RF, captato dall’antenna, viene miscelato con una certa frequenza generata da un oscillatore locale (LO). Comunemente, il segnale di antenna passa preliminarmente attraverso un filtro preselettore per ridurre il rumore a frequenza fuori banda.

L’amplificatore a basso rumore (LNA) aumenta quindi il livello del segnale RF all’ampiezza adatta all’operazione di conversione del segnale a frequenza intermedia. Lo stadio mescolatore o “mixer” mescola il segnale RF di antenna con il segnale prodotto dall’oscillatore locale LO producendo un segnale a frequenza intermedia (IF).

In un sistema appropriatamente progettato, la prestazione in termini di rumore dipende in larga misura dalle caratteristiche del primo stadio di amplificazione e dalle perdite che intervengono a monte di quest’ultimo. Ciò significa che l’LNA deve possedere un alto guadagno e caratteristiche di bassa rumorosità, mentre qualsiasi filtro e/o rete che sia presente a monte dell’ingresso dell’LNA deve dar luogo a perdite di inserzione le più basse possibili.

Il rumore introdotto dall’amplificatore LNA dipende primariamente dalla geometria di integrazione dei dispositivi attivi, dalla corrente di riposo e dall’impedenza di ingresso. Pertanto, nel progettare amplificatori integrati per segnali AC a basso rumore, un’area di particolare attenzione è quella afferente l’ingresso.

Il requisito di figura di rumore (NF), normalmente fissato dalle specifiche di sistema, determina l’area dei transistori di ingresso e la loro corrente di collettore (le).

Amplificatori a basso rumore normalmente danno luogo a perdite di ritorno al loro ingresso piuttosto deficitarie.

Allo scopo di migliorare questa caratteristica intrinseca degli amplificatori integrati, si ricorre all’ impiego di reti esterne di accoppiamento di impedenza le quali a loro volta sono causa di perdite di inserzione, secondo lo schema illustrato in Fig. 1.

Un altro problema tipico di un ricevitore interamente integrato nasce dal fatto che i blocchi circuitali analogici (amplificatori), essendo elettricamente prossimi all’oscillatore locale, comunemente un oscillatore integrato a controllo di tensione (VCO) e quindi a blocchi funzionali digitali operanti in banda base, subiscono l’iniezione di un rumore di commutazione indotto dai circuiti logici operanti a livelli elevati attraverso il substrato comune e le linee di alimentazione. Questo tipo di rumore può compromettere seriamente le prestazioni in termini di rumore dei blocchi analogici del ricevitore e a evitare ciò si rende necessario adottare una configurazione interamente differenziale dei blocchi analogici più seriamente influenzati dal rumore di commutazione.

Inoltre, secondo le prevalenti richieste del mercato, i ricevitori interamente integrati quasi sempre sono costituiti da blocchi circuitali in grado di funzionare a tensioni di alimentazione particolarmente basse (>2,5V) per applicazioni in apparecchi portatili alimentati a batteria. La tensione di alimentazione relativamente bassa restringe il campo dinamico di funzionamento e rende più critiche le condizioni di polarizzazione in un LNA. Conseguentemente diventa ancor più difficile soddisfare sia le specifiche per un elevato guadagno e bassa figura di rumore impiegando le consuete configurazioni circuitali di questi amplificatori a basso rumore.

Si conoscono numerose soluzioni circuitali per realizzare un amplificatore integrato a basso rumore. Negli amplificatori a basso rumore interamente integrati per applicazioni RF è comune l’uso di carichi resistivi al posto di carichi induttivi, per ottenere un elevato guadagno, che sono fortemente dipendenti dalla frequenza di funzionamento da precisi valori del Q. Un carico resistivo consente invece un più agevole controllo del guadagno.

Un tipico schema circuitale di LNA interamente differenziale è illustrato in Fig. 2 in cui sono riportati la tensione di rumore equivalente intrinseca e il valore della sorgente di corrente.

Il circuito ha una struttura “cascodata” per assicurare una migliore risposta in frequenza.

E’ facile notare che i parametri principali dell’amplificatore della Fig. 2, quali la figura di rumore, l’impedenza di ingresso ed il guadagno sono rispettivamente dati da:

Rs è la resistenza di sorgente (tipicamente di è la transconduttanza dei transistori della coppia di ingresso è la resistenza di base degli stessi transistori Q1 e Q2 (tipicamente di circa

è il tempo di transito di Q1 e Q2 (tipicamente intorno a 6 picosecondi), Av è il guadagno di tensione (tipicamente di circa 20 dB).

Ad esempio, risolvendo l’equazione (1) per un tipico valore di Ic=2mA, si ottengono:

Questi dati mostrano che la figura di rumore ha un valore eccellente, ma ciò è ottenuto a spese di un disaccoppiamento di ingresso relativamente alto.

In pratica, pilotando direttamente l’amplificatore, senza l’impiego di una rete di accoppiamento di impedenza, la perdita di ritorno L, a 1GHz può essere facilmente calcolata intorno al valore di 0,5 dB che rappresenta decisamente un valore molto scarso.

Per incrementare il valore di perdita di ritorno, deve essere impiegata una rete di accoppiamento esterna, la quale a sua volta aumenta la figura di rumore oltre a rappresentare un elemento di maggiore complessità e di costo del sistema.

Inoltre la sopra commentata tipica configurazione circuitale è influenzata anche dalla caduta in continua sulle resistenze di carico Re che limita le possibilità dell’amplificatore di essere soddisfacentemente impiegato anche a bassa tensione di alimentazione. Infatti, la corrente continua che scorre attraverso la coppia di transistori di ingresso Q1 e Q2, relativamente elevata per garantire una figura di rumore sufficientemente bassa, scorre anche attraverso Re causando una conseguente elevata caduta di tensione.

Di fronte a queste limitazioni e svantaggi dei circuiti noti è stato ora trovato un circuito di amplificatore interamente differenziale a basso rumore LNA in cui si sfrutta la retroazione per ottenere un’impedenza di ingresso di valore vicino all’impedenza di sorgente , almeno per la parte resistiva di essa e tale da evitare la necessità di impiegare reti di accoppiamento di impedenza esterne, relativamente complesse. In pratica l’uso di un semplice baloon all’ingresso dell’LNA consente di ottenere un valore di perdita di ritorno sufficientemente elevato.

Secondo un aspetto fondamentale del circuito di amplificatore differenziale integrato a basso rumore dell’invenzione, la corrente di polarizzazione attraverso i transistori della coppia di ingresso è forzata attraverso di essi iniettandola direttamente sul nodo di collettore del rispettivo transistore di ingresso senza che essa nè attraversi il transistore di cascodatura né il carico.

Il nodo comune di emettitore dei transistori della coppia di ingresso è preferibilmente collegato al nodo comune di alimentazione attraverso una resistenza, anziché attraverso un più convenzionale generatore di corrente, rendendo in tal modo l’amplificatore in grado di funzionare anche a tensioni di alimentazione particolarmente basse, ad esempio inferiori a 2V.

La corrente di polarizzazione iniettata direttamente sul collettore dell’amplificatore di ingresso, a “valle” del transistore di cascodatura e del carico, può essere stabilita da una resistenza o impiegando un generatore di corrente.

I rispettivi nodi di uscita delio stadio differenziale di ingresso a cascode, pilotano ciascuno uno stadio di uscita costituito da un transistore in configurazione a collettore comune e tra il nodo di uscita (nodo di emettitore del transistore di uscita) ed il rispettivo nodo di ingresso dell’ amplificatore è collegata una linea di retroazione costituita da una resistenza e da una capacità in serie tra loro.

I diversi aspetti e vantaggi del circuito dell’invenzione risulteranno più evidenti attraverso la seguente descrizione ed analisi di una forma preferita di realizzazione e facendo riferimento ai disegni allegati in cui:

la Figura 1 è, come anzidett, lo schema di un ricevitore supereterodina;

la Figura 2 mostra, come anzidetto, lo schema circuitale tipico di un amplificatore interamente differenziale a basso rumore secondo la tecnica nota;

la Figura 3 è uno schema circuitale di un amplificatore interamente differenziale a basso rumore integrato, realizzato secondo la presente invenzione.

Con riferimento allo schema della Fig. 3, F amplificatore LNA integrato dell’invenzione si basa su uno stadio differenziale cascodato, composto dai transistori Q1, Q2, Q3 e Q4 e dai rispettivi carichi resistivi Re e dai rispettivi stadi di uscita costituiti dai transistori Q5 e Q6 in configurazione a collettore comune.

Le due reti di retroazione, ciascuna costituita dalla resistenza RF e dal condensatore CF, realizzano una configurazione di retroazione AC di tipo “shunt-shunt”.

Il guadagno dell’amplificatore viene elevato pur evitando di ridurre la dinamica di uscita, impiegando due distinti mezzi di imposizione di una certa corrente di polarizzazione tali da determinare una corrente di polarizzazione attraverso i transistori Q1 e Q2 della coppia di ingresso più elevata della corrente che attraversa le rispettive resistenze di carico Re.

I due distinti generatori di corrente possono e sono preferibilmente sostituiti nella loro funzione da due semplici resistenze di valore identico e tale da determinare una corrente di polarizzazione attraverso Q1 e Q2 di livello desiderato.

Più generalmente la corrente di riposo attraverso i due rami dell’amplificatore differenziale è stabilita impiegando una tensione di riferimento a bandgap Alle basi dei transistori Q1 e Q2 è applicata la tensione di bandgap così da stabilire correnti di polarizzazione PTAT attraverso la resistenza connessa tra il nodo comune di emettitore dei due transistori di ingresso Q1 e Q2 e il nodo di massa virtuale del circuito.

Il contestuale uso di una resistenza e di distinti elementi di iniezione di corrente rende l’amplificatore perfettamente in grado di funzionare con tensioni di alimentazione che possono scendere fino a circa 2 V.

Nonostante che sia in questo modo evitata un’apprezzabile caduta di tensione sui carichi Re, si ottengonocomunque elevati valori di gm e di Av.

Inoltre Γ impiego di una resistenza al posto di un tradizionale generatore di corrente tra il nodo comune di emettitore della coppia di transistori di ingresso Q1 e Q2 e massa, riduce il rumore di modo comune che in parte si trasforma in rumore differenziale a causa di disuniformità di comportamento dei transistori della coppia differenziale di ingresso ad alta frequenza.

E’ facile dimostrare che con buona approssimazione la resistenza differenziale di ingresso dell’amplificatore è data da:

è la transconduttanza della coppia ad accoppiamento di

emettitore di transistori di ingresso Q1 e Q2.

Per assicurare un alto accoppiamento di impedenza di ingresso, è stabilita uguale alla resistenza differenziale di sorgente

Dato che la corrente attraverso il transistore Q1 e il transistore Q2 è una corrente PTAT e dal fatto che si impiegano resistenze di polisilicio, Rj ha una precisione intorno a 15% e un coefficiente di temperatura di circa 0,07%/°C. Ciò può essere considerato, alla luce delle tecnologie di fabbricazione attuali, il miglior risultato per una realizzazione integrata del circuito dell’amplificatore dell’invenzione.

Il guadagno di tensione ad anello chiuso Av è dato da:

In virtù delle correnti di polarizzazione PTAT attraverso i transistori Q1 e Q2, il guadagno Av è determinato dalla tensione di bandgap e dal rapporto tra le resistenze in polisilicio e le aree di emettitore, consentendo così un’alta precisione ed una elevata stabilità in termini di temperatura.

Trascurando alcune contribuzioni minori ad alta frequenza, il fattore di rumore è dato approssimativamente da:

Ad esempio, polarizzando Γ amplificatore con una corrente di collettore e ponendo Rc di valore tale da fornire un guadagno di tensione ad anello chiuso si ottengono:

Da ciò risulta comprovato il risultato di assicurare una perdita di ritorno (L) di valore appropriato senza impiegare reti di accoppiamento di impedenza esterne al circuito integrato. La figura di rumore risulta marginalmente più elevata di quella del circuito convenzionale della Fig. 1, ma rimane perfettamente idonea a soddisfare gran parte delle specifiche per applicazioni RF.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Amplificatore differenziale integrato a basso rumore per segnali AC comprendente uno stadio differenziale a cascode (Q1, Q2, Q3, Q4, Rc, Rc) fornito di mezzi di polarizzazione forzanti una determinata corrente attraverso i due rami dello stadio differenziale e due stadi di uscita (Q5, Q6) ciascuno costituito da un transistore in configurazione a collettore comune da un generatore di corrente di polarizzazione (I) e da una linea di retroazione, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di polarizzazione consistono di due distinti mezzi di polarizzazione forzanti ciascuno una corrente soltanto attraverso il rispettivo transistore di una coppia di transistori di ingresso (Q1, Q2) di detto stadio differenziale a cascoda, iniettandola direttamente sul collettore del rispettivo transistore, ed una resistenza connessa tra un nodo comune di emettitore di detta coppia di transistori di ingresso (Q1, Q2) ed un nodo comune di massa virtuale (VEE) del circuito.
2. 2. L’amplificatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti due distinti mezzi di polarizzazione (Ipump) sono due generatori di corrente.
3. 3. L’amplificatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti due distinti mezzi di polarizzazione sono due resistenze integrate.
4. 4. L’amplificatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette due linee di retroazione comprendono una resistenza (RF) ed un condensatore (CF) elettricamente in serie tra loro.
5. 5. L’amplificatore integrato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la corrente a riposo attraverso i due rami di detto stadio differenziale di ingresso a cascode è stabilita applicando una tensione di bandgap alle basi dei transistori di detta coppia di ingresso (Q 1 , Q2), così da stabilire correnti di polarizzazione PTAT attraverso detta resistenza (REE) connessa tra il nodo comune di emettitore ed nodo comune di massa virtuale del circuito.