TW201325076A - 低雜訊放大器及其運作方法 - Google Patents

Abstract

一種低雜訊放大器及其運作方法，包括具複數個訊號輸入單元的多輸入匹配電路、以及具有切換單元、主負載及次負載之頻帶切換電路。該低雜訊放大器係透過以下方法運作：令複數個訊號輸入單元之其中一者接收一輸入訊號並產生匹配訊號，接著令該切換單元藉由調整頻帶切換電路的負載來切換對應該匹配訊號的操作頻帶，俾產生低雜訊之輸出訊號。

Description

低雜訊放大器及其運作方法

本揭露有關於一種低雜訊放大器及其運作方法，尤指一種多輸入且寬頻帶之可切換式低雜訊放大器及其運作方法。

隨著科技進步，人與人之間的聯繫或溝通方式已由以往的有線傳輸進步到無線傳輸，使得各種無線通訊技術(WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGY)蓬勃發展。

關於無線通訊系統的電路設計中，射頻前端電路(RF FRONT END)會對通訊系統產生影響。例如，在無線通訊系統的接收器(RECEIVER)中，低雜訊放大器(LOW NOISE AMPLIFIER,LNA)是射頻電路最前端的元件，其決定了整個接收端的雜訊特性，對訊號傳輸品質有很大的影響，使得接收端具有高增益(GAIN)、低雜訊的特性，如此才能確保整個無線通訊系統有較佳的性能。因此，設計一個良好的低雜訊放大器對無線通訊接收系統來說極為重要。

此外，無線通訊網路除了提供包括語音、數據、影像傳輸等服務外，更重要的是與網際網路之結合。隨著人們對於無線通訊資料量的需求提高，增加操作頻寬可增大傳輸的資料量，因而提出有不少無線區域網路(WIRELESS LOCAL AREA NETWORK;WLAN)標準，例如，IEEE 802.11A即是規範在5.2GHZ之下的無線區域網路標準。再者，目前無線通訊系統4G技術係使用多頻帶系統，而通常於通訊晶片中設置多個獨立的通訊模組，例如藍牙模組、WLAN 802.11A模組、WLAN 802.11B/G/N模組、2G模組、3G模組等。然而，這些獨立的模組會導致通訊系統的成本及功率消耗的提高。

美國第7,084,707號專利案提供一種低雜訊放大器，其利用一共閘級放大器來執行寬頻帶訊號阻抗的匹配。其雖可適用於寬頻帶通訊模組，但仍無法達到雜訊匹配和輸入阻抗的最佳化。此外，前揭專利案無法同時提供多種不同頻帶訊號之輸入，仍需逐一針對各種頻帶設計各種放大器模組，導致接收器的體積較大且成本較高。

鑒於先前技術需針對不同頻帶的訊號需設計不同的放大器，導致接收器體積大、成本高的問題，本揭露供一種低雜訊放大器及其運作方法。

本揭露係提供一種低雜訊放大器，包括：一多輸入匹配電路，用以接收多頻帶的複數輸入訊號，且對該輸入訊號進行雜訊及阻抗匹配，以產生一匹配訊號；及一頻帶切換電路，耦接該多輸入匹配電路，係透過負載切換以調整對應該匹配訊號的操作頻帶，俾產生低雜訊之輸出訊號。

此外，本揭露之低雜訊放大器係復包括一第一電晶體，其閘極用以接收第一直流電壓源，其源極用以接收該多輸入匹配電路所輸出的匹配訊號，其汲極係耦接該頻帶切換電路。

其次，本揭露之低雜訊放大器之多輸入匹配電路係包括複數個訊號輸入單元，各該訊號輸入單元復包括：一第二電晶體，其閘極用以接收該匹配訊號，其汲極用以輸出該匹配訊號；一第一電感器及一第二電感器，該第一電感器的第一端用以接收一偏壓源，該第一電感器的第二端耦接該第二電感器的第一端，該第二電感器的第二端耦接該第二電晶體的閘極，該第一電感器及該第二電感器係用以增加該輸入訊號的阻抗匹配的頻寬；及一第一電容器，其第一端用以接收該輸入訊號，其第二端耦接該第一電感器的第二端以及該第二電感器的第一端。

復次，本揭露之低雜訊放大器之頻帶切換電路復包括：一負載單元，係耦接該第一電晶體的汲極，具有對應該匹配訊號的頻寬之負載，其中，該負載單元復包括一主負載及與該主負載串聯之至少一組次負載；以及至少一組切換單元，係對應耦接該至少一組次負載，用以切換該主負載與該次負載之連接，以調整該頻帶切換電路的負載。

再者，上述之切換單元係包括：一第三電晶體，其閘極用以接收控制開關電壓，其源極耦接該次負載的第二端，其汲極耦接該次負載的第一端；一組並聯的第二電容器及第三電容器，係分別耦接該第三電晶體的汲極和源極；及一高阻抗元件，其第一端用以接收該控制開關電壓，其第二端耦接該組並聯的第二電容器及第三電容器。

本揭露又提供一種低雜訊放大器之運作方法，該低雜訊放大器包括具有複數個訊號輸入單元的多輸入匹配電路以及具有至少一組切換單元、一主負載及與該主負載串聯之至少一組次負載之頻帶切換電路，該低雜訊放大器的運作方法係包括以下步驟：令該複數個訊號輸入單元之其中一者接收一輸入訊號並對該輸入訊號進行雜訊及阻抗匹配，以產生一匹配訊號；以及令該切換單元透過切換該主負載與該次負載之間的連接，以調整該頻帶切換電路的負載來改變對應該匹配訊號的操作頻帶。

上述多輸入匹配電路之設計可提供多頻帶訊號的輸入，並使雜訊匹配和輸入阻抗達到最佳化。且於上述頻帶切換電路的切換單元中，該次負載和該切換單元的數量係相等，且其數量少於該複數個訊號輸入單元的數量，如此可依據輸入訊號的頻帶調整其電路的負載，以切換低雜訊放大器的操作頻帶。此外，本揭露之低雜訊放大器更避免了以往針對不同頻率的訊號需設計不同的放大器所導致之接收器體積大、成本高等問題。

以下藉由舉例之具體實施形態說明本揭露之實施方法，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點與功效。當然，本揭露亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本揭露可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本揭露所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本揭露所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「第一」、「第二」及「第三」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本揭露可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本揭露可實施之範疇。

請參閱第1圖，其為本揭露之低雜訊放大器之一實施形態的方塊圖。

多輸入匹配電路1，係用以接收多頻帶的訊號。多輸入匹配電路1係接收一輸入訊號RF_IN並輸出一匹配訊號RF_IN’，其中，輸入訊號RF_IN可為藍芽、WLAN 802.11A、WLAN 802.11B/G/N、2G、3G等通訊頻帶的任一種訊號。輸入訊號RF_IN自多輸入匹配電路1輸入，經多輸入匹配電路1進行雜訊匹配、阻抗匹配或電流增益等而輸出匹配訊號RF_IN’。

頻帶切換電路2，係耦接多輸入匹配電路1，用以調整頻帶切換電路2的負載，來切換對應匹配訊號RF_IN’的操作頻帶，以將輸入訊號RF_IN放大而輸出一低雜訊之輸出訊號RF_OUT。

此外，如第1圖所示，多輸入匹配電路1和頻帶切換電路2係皆耦接至第一電晶體M1，其中，第一電晶體M1的閘極用以接收第一直流電壓源VDD1，其源極用以接收多輸入匹配電路1所輸出的匹配訊號RF_IN’，其汲極係耦接頻帶切換電路2。第一電晶體M1可視為共閘極放大器。

藉此，透過第一電晶體M1耦接多輸入匹配電路1和頻帶切換電路2，可達到根據輸入訊號RF_IN的頻率，切換本揭露之低雜訊放大器的操作頻帶之目的。

接著請參閱第2A圖，其為本揭露之低雜訊放大器之多輸入匹配電路的電路示意圖。

如第2A圖所示，多輸入匹配電路1可包括複數個訊號輸入單元1a和1b。於第2A圖所示之實施形態中，係僅顯示兩個訊號輸入單元1a和1b，惟本揭露並不限制訊號輸入單元的數量。

各訊號輸入單元1a和1b可包括：第二電晶體M2a和M2b、第一電感器L1a和L1b、第二電感器L2a和L2b與第一電容器C1a和C1b。

第二電晶體M2a和M2b，其閘極可用以分別接收匹配訊號，其汲極用以分別輸出匹配訊號，其源極分別耦接至地。第二電晶體M2a和M2b可視為共源極放大器。

第一電感器L1a和L1b，其第一端可用以接收偏壓源VBa和VBb。第二電感器L2a和L2b，其第二端耦接第二電晶體M2a和M2b的閘極。第一電感器L1a和L1b的第二端係與第二電感器L2a和L2b的第一端耦接。

第一電容器C1a和C1b，其第一端可用以接收輸入訊號RF_INa和RF_INb，其第二端耦接第一電感器L1a和L1b的第二端以及第二電感器L2a和L2b的第一端。第一電容器C1a和C1b可視為直流阻隔電容。

需說明者，輸入訊號RF_INa係透過多輸入匹配電路1的訊號輸入單元1a輸入，而輸入訊號RF_INb係透過多輸入匹配電路1的訊號輸入單元1b輸入，然而，多輸入匹配電路1僅選擇一輸入訊號RF_INa或RF_INb進行處理。此外，輸入訊號RF_INa和RF_INb通過訊號輸入單元1a和1b時，第一電感器L1a和L1b及第二電感器L2a和L2b可用以增加輸入訊號RF_INa和RF_INb的阻抗匹配的頻寬。故實際運作時，多輸入匹配電路1一次僅輸出一匹配訊號。

接著請參閱第2B圖，其為本揭露之低雜訊放大器之頻帶切換電路的示意圖。頻帶切換電路2可包括負載單元21和一個或一個以上的切換單元22。

負載單元21，係耦接第一電晶體M1的汲極，用以根據匹配訊號的頻帶提供相對應的負載，其中，負載單元21復可包括主負載Z1及與主負載Z1串聯之一個或一個以上的次負載Z2。此外，主負載Z1的第一端耦接第一電晶體M1的汲極，而一個或一個以上的次負載Z2的第一端用以接收第二直流電壓源VDD2，且一個或一個以上的次負載Z2的第二端與主負載Z1的第二端耦接。

一個或一個以上的切換單元22，係分別耦接一個或一個以上的次負載Z2，用以切換主負載Z1與一個或一個以上的次負載Z2之連接，以調整頻帶切換電路2的負載。

於負載單元21中，主負載Z1可包括第一負載電容器CL1和與第一負載電容器CL1並聯之第一負載電感器LL1。一個或一個以上的次負載Z2的每一者可包括第二負載電容器CL2和與第二負載電容器CL2並聯之第二負載電感器LL2。此外，第一負載電感器LL1和第二負載電感器LL2可組成變壓器，用以增進消防雜訊能力。

另外，一個或一個以上的切換單元22的每一個可包括第三電晶體M3、並聯的第二電容器C2及第三電容器C3、及高阻抗元件RB。

第三電晶體M3，其閘極用以接收控制開關電壓V_SW，其源極耦接一個或一個以上的次負載Z2的第二端，其汲極耦接一個或一個以上的次負載Z2的第一端。

並聯的第二電容器C2及第三電容器C3，其第二端分別耦接第三電晶體M3的汲極和源極。

高阻抗元件RB，其第一端用以接收控制開關電壓VSW，其第二端耦接並聯的第二電容器C2及第三電容器C3的第二端。

並聯的第二電容器C2及第三電容器C3以及高阻抗元件RB可用以抑制切換單元22的雜訊。

請參閱第3圖，其繪示低雜訊放大器的一實施形態的電路圖示意圖，即為第2A及2B圖所示之多輸入匹配電路及頻帶切換電路之電路示意圖之組合。由第3圖可知，一個或一個以上的次負載Z2和一個或一個以上的切換單元22的數量係相等，且其數量少於複數個訊號輸入單元的數量(如圖式中係少一個)。訊號輸入單元的數量並不限第3圖所示，如第4圖係顯示具有四個訊號輸入單元的低雜訊放大器，則次負載和切換單元的數量即為三組。

具體而言，於第3圖中，當訊號輸入單元1a接收一輸入訊號RF_INa時，頻帶切換電路2利用主負載Z1提供對應輸入訊號RF_INa之負載，以放大輸入訊號RF_INa。當訊號輸入單元1b接收一輸入訊號RF_INb時，頻帶切換電路2利用主負載Z1和次負載Z2之結合(亦即串聯的主負載Z1和次負載Z2)提供對應輸入訊號RF_INb之負載。

再者，如第4圖所示，當訊號輸入單元1c接收一輸入訊號RF_INc時，頻帶切換電路2利用主負載Z1和次負載Z2a及Z2b之結合提供對應輸入訊號RF_INc之負載，以產生低雜訊之輸出訊號。當訊號輸入單元1d接收一輸入訊號RF_INd時，頻帶切換電路2利用主負載Z1和次負載Z2a、Z2b及Z2c之結合提供對應輸入訊號RF_INd之負載。

因此，無論輸入訊號的頻帶為何，低雜訊放大器僅需透過切換單元切換其電路負載，即可提供對應該頻帶的負載，以達到使該輸入訊號放大之功效。相較於習知技術，無須針對每一頻帶設計一組放大器或電路，因而可減少電路體積、降低功率消耗且降低成本。

其次，本揭露提供一種低雜訊放大器之運作方法，請參閱第5圖。於此方法中，低雜訊放大器係包括具複數個訊號輸入單元的多輸入匹配電路以及具一個或一個以上的切換單元、一主負載及與該主負載串聯之一個或一個以上的次負載之頻帶切換電路。

於步驟S31中，令該複數個訊號輸入單元之其中一者接收一輸入訊號，並進行雜訊及阻抗之匹配以增加該輸入訊號之阻抗匹配的頻寬，從而輸出一匹配訊號。需說明者，多輸入匹配電路可用以接收多頻帶訊號，其中，複數個訊號輸入單元之設計乃針對該各種輸入訊號，例如，若輸入訊號為藍芽頻帶，則進入如第4圖所示之訊號輸入單元1a；若輸入訊號為WIMAX頻帶，則進入第4圖所示之訊號輸入單元1c。另外，訊號輸入單元接收一輸入訊號後可對該輸入訊號執行阻抗及/或雜訊之匹配和電流增益。接著進至步驟S32。

於步驟S32中，令該一個或一個以上的切換單元，透過切換該主負載與該一個或一個以上的次負載之間的連接，以調整該頻帶切換電路的負載來切換對應該匹配訊號的操作頻帶。詳言之，該主負載可不連接任何次負載而單獨提供對應該匹配訊號的負載，或可連接一個或一個以上的次負載以形成對應該匹配訊號的負載，端視多輸入匹配電路所接收的輸入訊號係進入哪一個訊號輸入單元(何種頻帶之訊號)來決定。

綜上所述，本揭露的低雜訊放大器主要包括多輸入匹配電路和頻帶切換電路，多輸入匹配電路可提供多頻帶訊號的輸入，且可對所接到的輸入訊號進行雜訊或阻抗的匹配，而頻帶切換電路可針對多輸入匹配電路所接收的一輸入訊號提供相對應負載，以達到切換低雜訊放大器之操作頻帶切換的功效。因此，本揭露的低雜訊放大器可提供多頻帶訊號的輸入、可切換頻帶，並具有較佳化之設計。

惟，上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1．．．多輸入匹配電路

1a、1b、1c、1d．．．訊號輸入單元

2．．．頻帶切換電路

21．．．負載單元

22．．．切換單元

M1．．．第一電晶體

M2a、M2b．．．第二電晶體

M3．．．第三電晶體

L1a、L1b．．．第一電感器

L2a、L2b．．．第二電感器

C1a、C1b．．．第一電容器

C2．．．第二電容器

C3．．．第三電容器

Z1．．．主負載

Z2、Z2a、Z2b、Z2c．．．次負載

CL1．．．第一負載電容器

CL2．．．第二負載電容器

LL1．．．第一負載電感器

LL2．．．第二負載電感器

RB．．．高阻抗元件

VDD1．．．第一直流電壓源

VDD2．．．第二直流電壓源

V_SW．．．開關電壓

VBa、VBb．．．偏壓源

RF_IN、RF_INa、RF_INb、RF_INc、RF_INd．．．輸入訊號

RF_IN’．．．匹配訊號

RF_OUT．．．輸出訊號

S31~S32．．．步驟

第1圖係為本揭露之低雜訊放大器之架構方塊圖；

第2A圖繪示一實施形態，係為本揭露之低雜訊放大器的多輸入匹配電路的之電路圖；

第2B圖繪示一實施形態，係為本揭露之低雜訊放大器的頻帶切換電路的電路圖；

第3圖繪示一實施形態，係為本揭露之低雜訊放大器的電路圖；

第4圖繪示另一實施形態，係為本揭露之低雜訊放大器的電路圖；以及

第5圖係為本揭露之低雜訊放大器的運作方法之流程圖。

1．．．多輸入匹配電路

2．．．頻帶切換電路

M1．．．第一電晶體

RF_IN．．．輸入訊號

RF_IN’．．．匹配訊號

RF_OUT．．．輸出訊號

VDD1．．．第一直流電壓源

Claims (11)

1. 一種低雜訊放大器，包括：一多輸入匹配電路，用以接收多頻帶的複數輸入訊號，且對該輸入訊號進行雜訊及阻抗匹配，以產生一匹配訊號；及一頻帶切換電路，耦接該多輸入匹配電路，係透過負載切換以調整對應該匹配訊號的操作頻帶，俾產生低雜訊之輸出訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，復包括一第一電晶體，其閘極用以接收第一直流電壓源，其源極用以接收該多輸入匹配電路所輸出的匹配訊號，其汲極係耦接該頻帶切換電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中，該多輸入匹配電路係包括複數個訊號輸入單元，該複數個訊號輸入單元的每一者復包括：一第二電晶體，其閘極用以接收該匹配訊號，其汲極用以輸出該匹配訊號；一第一電感器及一第二電感器，該第一電感器的第一端用以接收一偏壓源，該第一電感器的第二端耦接該第二電感器的第一端，該第二電感器的第二端耦接該第二電晶體的閘極，且該第一電感器及該第二電感器係用以增加該輸入訊號的阻抗匹配的頻寬；及一第一電容器，其第一端用以接收該輸入訊號，其第二端耦接該第一電感器的第二端以及該第二電感器的第一端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之低雜訊放大器，其中，該訊號輸入單元的每一者的第二電晶體的源極係耦接至地。
5. 如申請專利範圍第3項所述之低雜訊放大器，其中，該複數個訊號輸入單元所分別接收的輸入訊號係不同頻帶之訊號，且該多輸入匹配電路僅選擇該複數個訊號輸入單元的其中一者之匹配訊號輸入至該頻帶切換電路。
6. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中，該頻帶切換電路復包括：一負載單元，係耦接該第一電晶體的汲極，具有對應該匹配訊號的頻寬之負載，其中，該負載單元復包括一主負載及與該主負載串聯之至少一組次負載；以及至少一組切換單元，係對應耦接該至少一組次負載，用以切換該主負載與該次負載之連接，以調整該頻帶切換電路的負載。
7. 如申請專利範圍第6項所述之低雜訊放大器，其中，該主負載的第一端耦接該第一電晶體的汲極，該次負載的第一端用以接收第二直流電源，該次負載的第二端耦接至該主負載的第二端。
8. 如申請專利範圍第6項所述之低雜訊放大器，其中，該主負載係包括第一負載電容器及與該第一負載電容器並聯之第一負載電感器，且該次負載係包括第二負載電容器及與該第二負載電容器並聯之第二負載電感器。
9. 如申請專利範圍第6項所述之低雜訊放大器，其中，該切換單元係包括：一第三電晶體，其閘極用以接收控制開關電壓，其源極耦接該次負載的第二端，其汲極耦接該次負載的第一端；一組並聯的第二電容器及第三電容器，係分別耦接該第三電晶體的汲極和源極；及一高阻抗元件，其第一端用以接收該控制開關電壓，其第二端耦接該組並聯的第二電容器及第三電容器。
10. 如申請專利範圍第6項所述之低雜訊放大器，其中，該至少一組次負載和該至少一組切換單元的數量係相等，且其數量少於該複數個訊號輸入單元的數量。
11. 一種低雜訊放大器的運作方法，該低雜訊放大器包括具有複數個訊號輸入單元的多輸入匹配電路以及具有至少一組切換單元、一主負載及與該主負載串聯之至少一組次負載之頻帶切換電路，該低雜訊放大器的運作方法係包括以下步驟：(1)令該複數個訊號輸入單元之其中一者接收一輸入訊號並對該輸入訊號進行雜訊及阻抗匹配，以產生一匹配訊號；以及(2)令該切換單元透過切換該主負載與該次負載之間的連接，以調整該頻帶切換電路的負載來改變對應該匹配訊號的操作頻帶。