TW201404032A - 多重無線電標準的低雜訊放大器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露多重無線電標準的低雜訊放大器及相關控制方法。一種示範低雜訊放大器包含數個輸入埠、一輸出埠、數個放大級以及一退化電感器。每個放大器具有串聯連接之一增益級及一緩衝級。緩衝級選擇性地將增益級之一輸出引流至輸出埠或一電源供應部。退化電感器共同連接至每一個放大級中之增益級。

Description

多重無線電標準的低雜訊放大器
本發明揭露關於射頻(RF)接收器之設計及實行，且特別是有關於多重無線電標準的低雜訊放大器(LNA)之設計及實行。
支援多重無線電標準之單一積體電路晶片多為IC中多重電路模組之直覺簡單組合，其中每個模組支援單一無線電標準。舉例而言，GSM增強數據率(Enhanced Data Rates for GSM,EDGE)及整合封包無線電服務(General Packet Radio Services,GPRS)的頻率頻帶為850 MHz、900 MHz、1.8 GHz以及1.9 GHz，且EDGE及GPRS之習知晶片使用三個或四個獨立低雜訊放大器(LNA)與相同數目之混頻器串級，混頻器的輸出被合併在一起以饋入單一基帶電路。這種方法具有數個缺點。例如，因為每一個LNA及混頻器需要至少一感應裝置(其在尺寸上是巨大的)，所以需要相當大的半導體區域。再者，為了合併來自不同混頻器之輸出，需要能遍及大型半導體區域之長距離配線，但這種配線難以達到低信號損失、低寄生電阻以及低寄生電容。
鑒於前文，比起習知技術，提供一種在單一晶片上使用更少LNA及/或混頻器之系統及方法是受到高度期望且有利的，其能支援多重無線電標準。
於說明書中揭露一種示範低雜訊放大器，其包含複數個輸入埠、一輸出埠、複數個放大級以及一退化電感器。每個放大器具有串聯連接在其中一個輸入埠與輸出埠之間的一增益級及一緩衝級。緩衝級選擇性地將增益級之一輸出引流至輸出埠或一電源供應部。退化電感器係共同連接至每一個放大級中之增益級。
一種操作低雜訊放大器之示範方法亦被揭露。低雜訊放大器包含複數個輸入埠、一輸出埠以及複數個放大級，各放大級包含耦接在其中一個輸入埠與輸出埠之間的一增益級。在放大級之間的一第一放大級係藉由使第一放大級之增益級偏壓至一休止(OFF)狀態並將一輸出電流從第一放大級之增益級引流至一電源供應部而被禁能。在放大級之間的一第二放大級係藉由使第二放大級之增益級偏壓至一啟動(ON)狀態並將一輸出電流從第二放大級之增益級引流至輸出埠而被致能。
藉由參考附圖之後來詳細說明及例子，可更完全理解本發明。
BI1-BIn‧‧‧偏壓
BS_P1、BS_P2、BS_N2‧‧‧緩衝級
EN1-ENn‧‧‧控制信號
GS_P1-GS_Pn、GS_N1-GS_Nn‧‧‧增益級
I_P1、I_P2、I_N2‧‧‧輸出電流
IN_P1、IN_Ni‧‧‧輸入埠
inRF1、inRF2、inRFi、inRF_P1、inRF_P2、inRF_N2、inRF_Pi、inRF_Ni‧‧‧RF信號
LO‧‧‧局部振盪信號
N_N2、N_P1、N_P2‧‧‧NMOS
OUT‧‧‧共通輸出埠
OUT_N、OUT_P‧‧‧輸出埠
RP1‧‧‧電阻
VCC‧‧‧電源供應部
10‧‧‧RF接收器
12‧‧‧天線
14‧‧‧LNA
16‧‧‧混頻器
18‧‧‧基帶電路
201-20n‧‧‧阻抗匹配網路
22‧‧‧頻帶選擇器
24‧‧‧偏壓產生器
26_P1‧‧‧非反相部
26_N1‧‧‧部
261-26n‧‧‧放大級
28‧‧‧感應負載
29‧‧‧退化電感器
第1圖說明依據本發明之一實施例之一多頻段RF接收器；第2圖說明顯示於第1圖之LNA；及第3圖顯示當放大級262被致能時，第2圖之LNA中的某些結果信號路徑。
吾人應理解到本發明之技術並未受限於於此所顯示及說明的方法及設備。相反地，於其中給予教導之熟習本項技藝者將更明白在本發明之範疇之內的替代方法及設備。
第1圖說明依據本發明之一實施例之一多頻段RF接收器10。RF接收器10包含一天線12、數個阻抗匹配網路201-20n、一低雜訊放大器(LNA)14、一混頻器16、一基帶電路18、一頻帶選擇器22以及一偏壓產生器24，其中n為大於1之整數。
天線12接收第1圖中之內送RF信號inRFi，其可能在不同RF頻帶中傳送。每一個阻抗匹配網路20i(i=1，2，…，n)提供阻抗匹配給一RF頻帶中之內送RF信號。因此，一個頻率頻帶中之內送RF信號inRFi可通過一對應的阻抗匹配網路20i，同時被其他阻抗匹配網路所阻絕。LNA 14具有數個放大級261-26n。每一個被致能的放大級26i放大其對應的內送RF信號inRFi(其被對應的阻抗匹配網路20i被過濾並匹配)並在一共通輸出埠OUT產生一對應的結果以驅動一感應負載28。正如同阻抗匹配網路201-20n對應至各自的RF頻帶以供通訊用，放大級 261-26n也是這樣。
放大級261-26n共用如第2圖所示之一退化電感器29，其提供輸入阻抗之一實數部分(real part)至整個放大級261-26n之輸入埠IN1-INn。再次參見第1圖，耦接至LNA 14之混頻器16混頻輸出信號與局部振盪信號LO，以降頻LNA 14之輸出埠OUT之信號。如果需要接收一對差動信號，則混頻器16可能包含一對混頻器。混頻器16因此提供基帶信號給基帶電路18以供更進一步的信號處理用，例如類比數位轉換及解調。根據用於接收RF信號之一主動RF頻帶，頻帶選擇器22提供控制信號EN1-ENn之一，用以致能放大級261-26n之一，同時將其他放大級禁能。同樣地，根據主動RF頻帶，偏壓產生器24分別提供對應的偏壓BI1-BIn給放大級261-26n。除了供致能放大級用的偏壓以外，剩下的偏壓消除禁能放大級之增益。
第2圖說明第1圖所顯示之LNA 14之詳細構造。第2圖中之LNA 14具有放大級261-26n，每一個放大級26i係為一差動放大器，其具有兩個差動輸入埠(IN_Pi及IN_Ni)用於接收平衡內送RF信號inRF_Pi及inRF_Ni，並共享耦接至感應負載28(其更耦接至一電源供應部VCC)之兩個共同差動輸出埠(OUT_P及OUT_N)。感應負載28包含兩個電感器及兩個可調諧電容器，其共振頻率可調諧以達輸出阻抗匹配。放大級261可為具有共享退化電感器29之一部(portion)26_P1及一部26_N1之一差動放大器，退化電感器29係藉由第2圖中彼此感應耦接的兩 個電感器而被實施。以電路架構的觀點而言，所有放大級261-26n是相同的，故以下僅說明放大級261之非反相部26_P1。第2圖中放大級262-26n之其他非反相部可依此類推。
非反相部26_P1具有串聯連接在輸入埠IN_P1與輸出埠OUT_P之間的一增益級GS_P1及一緩衝級BS_P1。增益級GS_P1包含一共源極放大器，其中NMOS電晶體N_P1之源極係連接至一退化電感器29，而NMOS電晶體N_P1之閘極係經由電阻RP1耦接至偏壓BI1。由偏壓產生器24(顯示於第1圖中)所提供之偏壓BI1實質上決定NMOS電晶體N_P1之互導值，其閘極作為輸入埠IN_P1以接收來自阻抗匹配網路201(顯示於第1圖中)之內送RF信號inRF_P1，用以產生輸出電流I_P1。緩衝級BS_P1包含一共閘極放大器，用以基於控制信號EN1將輸出電流I_P1引流至輸出埠OUT_P。
當放大級261被致能時，頻帶選擇器22使控制信號EN1生效，且偏壓產生器24使偏壓BI1維持於在NMOS電晶體N_P1之臨限電壓之上的一高位準。因此，增益級GS_P1在一啟動(ON)狀態下運作，且輸出電流I_P1係反映位於NMOS電晶體N_P1之閘極之內送RF信號inRF_Pi之振幅。因為共閘極放大器中之NMOS電晶體導通，輸出電流I_P1被引流至輸出埠OUT_P。反之，當放大級261被禁能時，頻帶選擇器22使控制信號EN1失效，且偏壓產生器24將偏壓BI1轉為在NMOS電晶體N_P1之臨限電壓下之一低位準。舉例而言，偏壓BI1可以是零。當NMOS電晶 體N_P1截止時，增益級GS_P1在一休止(OFF)狀態下運作。因此，共閘極放大器截止而不提供到達輸出節點OUT_P之通道。又，因為NMOS電晶體N_P1截止，感應生成的輸出電流I_P1不存在，使得輸出埠OUT_P被另一放大級所驅動。
第3圖說明當放大級262被致能時，第2圖之LNA 14中的信號路徑。如果由平衡RF信號inRF_P2及inRF_N2所構成之內送RF信號inRF2用於通訊，則除放大級262之外的所有放大級都被禁能，這是基於控制信號EN1、EN3-ENn係失效而偏壓BI1、BI3-BIn係位於接地位準。任何通過除阻抗匹配網路202之外的阻抗匹配網路201、203-20n之干擾RF信號，皆被在增益級中閘極接地的NMOS所拒絕，或對輸出埠OUT_P及OUT_N沒有影響，輸出埠OUT_P及OUT_N與增益級GS_P1、GS_N1、GS_P3-GS_Pn以及GS_N3-GS_Nn斷開。當偏壓BI2高於NMOS電晶體N_N2及N_P2之臨限電壓時，致能的放大級262放大內送RF信號inRF2。再者，控制信號EN2允許緩衝級BS_P2及BS_N2提供從NMOS電晶體N_P2之汲極至輸出埠OUT_P之電性連接以及從NMOS電晶體N_N2之汲極至輸出埠OUT_N之電性連接。輸出電流I_P2及I_N2因此分別被引流至輸出埠OUT_P及OUT_N。
例如，如果要放大內送RF信號inRF1，則除放大級261之外，全部都被禁能。控制信號EN1生效，而控制信號EN2-ENn失效。偏壓BI1高於一NMOS臨限電壓，而偏壓BI2-BIn變成零。LNA 14之運作類似於前段說明，且為了簡潔起見而於此省略。
本發明實施例之一項優點係為實施第1圖中之多頻段RF接收器10之單一積體電路晶片有較低半導體成本。不像習知技術中不同LNA需要個別的混頻器，如第1圖所示，只需要一個混頻器16。再者，取代在不同放大級中採用數個源極退化電感器的是，由放大級261-26n所共用之單一源極退化電感器29。從而減少電感器所需要的數量與半導體成本。然而，本發明並未受限於第1圖。由本發明所涵蓋之某些其他實施例可能採用一個以上的混頻器及源極退化電感器。
又請注意LNA 14係能夠避免阻抗節點雜訊拾取。高阻抗節點係以其較高熱雜訊以及電容與感應雜訊拾取之趨勢出名。在LNA 14之任何禁能的放大級中之NMOS電晶體之汲極係連接至電源供應部VCC。而因此不是高阻抗節點。因此，可避免雜訊拾取。縱使第2圖中之每個禁能的緩衝級將輸出電流引流至電源供應部VCC，另一種實施例中之禁能緩衝級仍可將輸出電流引流至另一電源供應部(例如接地)，以避免阻抗節點雜訊拾取。
雖然已經由舉例且就較佳實施例而論說明本發明，但吾人應理解到本發明並未受限於此。相反地，其意圖涵蓋各種修改及類似配置(如熟習本項技藝者將明白的)。因此，以下申請專利範圍之範疇應該符合最寬廣的解釋，俾能包含所有這種修改及類似配置。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫 離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
BI1-BIn‧‧‧偏壓
EN1-ENn‧‧‧控制信號
IN1-INn‧‧‧輸入埠
inRF1-inRFn‧‧‧RF信號
LO‧‧‧局部振盪信號
OUT‧‧‧共通輸出埠
10‧‧‧RF接收器
12‧‧‧天線
14‧‧‧LNA
16‧‧‧混頻器
18‧‧‧基帶電路
201-20n‧‧‧阻抗匹配網路
22‧‧‧頻帶選擇器
24‧‧‧偏壓產生器
261-26n‧‧‧放大級
28‧‧‧感應負載
29‧‧‧退化電感器

Claims (13)

  1. 一種低雜訊放大器，包含：複數個輸入埠及一輸出埠；複數個放大級，各包含串聯連接之一增益級及一緩衝級，其中該緩衝級選擇性地將該增益級之一輸出引流至該輸出埠或一電源供應部；以及一退化電感器，共同連接至該複數個放大級之該些增益級。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，更包含一偏壓產生器，藉以提供一偏壓給該增益級；其中，當該緩衝級將該增益級之該輸出引流至該電源供應部時，該偏壓實質上消除該增益級之一增益。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中該增益級包含一共源極放大器，而該緩衝級包含一共閘極放大器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，更包含一感應負載，耦接在該輸出埠與該電源供應部之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中各該放大級之該增益級係耦接至一阻抗匹配網路。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中，只有些放大級之一被致能，以將該致能放大級之該增益級之該輸出引流至該輸出埠。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之低雜訊放大器，更包含一頻帶選擇器，用以提供一控制信號以控制該緩衝級。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中該輸出埠係耦接至一混頻器，以進行降頻。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中各該放大級對應一個別射頻頻帶。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，更包含一感應負載，耦接在該輸出埠與另一電源供應部之間。
  11. 一種低雜訊放大器之操作方法，該低雜訊放大器包含複數個輸入埠、一輸出埠以及複數個放大級，各放大級包含耦接在該些輸入埠之一與該輸出埠之間的一增益級，該方法包含：藉由使該第一放大級之該增益級偏壓至一休止(OFF)狀態並使一輸出電流從該第一放大級之該增益級引流至一電源供應部，以禁能在該些放大級之間的一第一放大級；以及藉由使該第二放大級之該增益級偏壓至一啟動(ON)狀態並使一輸出電流從該第二放大級之該增益級引流至該輸出埠，以致能在該些放大級之間的一第二放大級。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中各該放大級包含連接於該增益級與該輸出埠之間的一緩衝級，該方法更包含選擇性地將該增益級之一輸出引流至該輸出埠或一電源供應部。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中各該放大級之該增益級共用一退化電感器。
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