TW498610B - Gain controllable low noise amplifier with automatic linearity enhancement and method of doing same - Google Patents

Description

498610 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 技術領域 本發明一般性地與低雜訊放大器有關，更具體地，乃與 使用於射頻（RF)接收機中之放大器有關。 背景 現代的通訊接收機通常需要操作在很大的動態範圍内。 傳統接收機的架構示於圖1。接收機爲了要適順系統的動態 範圍需求，必須將增益可控制放大器併入其中隨時調整增 益以適應各種信號條件。習於此藝乂 士均知，在強開或強 關通道信號存在時，爲避免所欲之信號通帶中產生互調變 (IM)副效應’必須增加系統的線性度。在到達限定級之 前，將增益先行降低是典型加強系統線性度之方法。某些 系統會希望所使用之放大器增益乃連續可變，以便增益的 降低可達到最佳化。最好的情況是，大部分的這些連續可 變增益放大器在它們的增益控制範圍内，三階攔截（IM3)均 固定不變的，而最壞的情況則是，該三階攔截不斷地越衰 減越快。 增盈可控制放大器的位置，通常靠近接收機射頻或 中頻(IF)的前端，如此可在增益降低時，改善系統的互調變 現象。對需要降低許多增益之大信號而言，該可調增益放 大器通常會變成接收機IM效能的限制因素。在此情況中， 此放大級的設計者有必要設計出一種強信號條件所需之具 有足夠IM效能之放大器。習於高頻電路設計人士將了解欲 較高的IM效能就須汲入較大的電流。但此導致弱電流條^ 出現，高線性度不是那麼重要時，系統汲入超量的電流。 --------------------訂---------線^^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -4- A7 B7

五、發明說明（2 兑疋故’有必要提供出-種低雜訊放大器(LNA)系統架構， 之動態範圍較事，如此可僅需較少的汲入電流。此 ^供出了—種較有效率之放大器，當其整合至接 %月"路封裝時，|能力以相對没人較少之電流，廣 付較寬的範圍。 〜 圖示之簡要説明 圖1是邵分射頻接收機之方塊圖。 圖2疋本發明具強化線性度之增益可控制雜訊放大器之方 塊圖。 时圖3電路圖是本發明具強化線性度之增益可控制雜訊放大 斋其之一具體實施例。 較佳具體實施例之詳細説明 ，本發明在增益可控制放大級中加入了 一個回授機制，這 樣尤可在有強成號情況出現，需要降低增益時，於不犧牲 介面（或降低效能）的情況下，加強線性度效能。本發明可使 放大器之偏壓電流設定得較小，比沒有必要降低增益（或只 心、降低點點）時之訊號條件（弱信號）爲低。這可加強線性 度政能，且只有在需要加強該效能時，才會讓其相關電流 付出代彳貝，因此，本發^可縮減電流的汲入但無需犧牲線 性度效能。另外，本發明提供出完全整合的解決方案，無 須使用到積體電感，僅使用金氧半場效電晶體技術來增進 效叱即可。本發明之低雜訊/可變增益放大器（LNA/VGA)通 常是實施在中頻（IF)級中或直接轉換接收機（DCR)RF處理區 塊中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂--------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 498610 A7 B7 五、發明說明（3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 現參考圖2，圖所示爲一具自動線性加強之增益可控制低 雜訊放大器（LNA)200，其爲射頻（rf)輸入，且直接饋送至 加入了回授級（或迴圈）2〇5之放大器級203。增加送至該回授 級205之控制電流I。。以，可增加該放大器系統2〇〇的線性 度。 此技藝中所廣爲人知的，回授迴圈205的增益可表示爲公 式：…，其中χ代表輸入信號 ，y代表輸出信號，a 2，a 3則代表非線性成份，若欲使此 放大級具有無限大之動態範圍，則應在最佳的情況：a 2， a 3等於零。如果是此y二x a 1之情況，則此放大級會是完 全線性。爲控制LNA200的線性度，非線性係數& 2及a 3必 須是可藉由動態地調整回授迴圈205之偏壓而更動。習於此 藝人士將會了解，一個射頻放大器系統之線性度頂多與其 中之回拍:線性度相同。因爲非線性程度主要是由回授迴圈 205造成’所以吾人可藉由變更供應至回授迴圈205之電流 ，來改變線性度；是故，透過回授迴圈205，可動態地調整 LNA200之線性度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 使用可變增益放大器（VGA)207可動態地調整回授迴圈205 之偏壓。該VGA接收放大器級203之輸出，該輸出信號在 VGA中被放大，隨後送至AGC系統2 11。AGC系統2 11提供 出AGC5虎，此仏5虎之k 5虎強度在分貝（dB)上正比於輸入 k號。A G C系統2 11所供之A G C信號會爲一偏壓控制器所 取用，而提供出一動態的受控輸入偏壓至該回授迴圈205。 所以’藉由監控該AGC系統211，可對回授迴圈205進行偏 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 498610 A7 B7 五、發明說明（4 ) 壓心制’同時，再利用此獨一的偏壓控制，來調整該送至 回授迴圈205之控制電流。VGA2〇7的輸出即爲LNA200之射 頻輸出219。 習於此藝人士將了解，任何在LNA200中調整偏壓電流之 電路均是依系統中之AGC衰減量所設計，當AGC衰減增加 時，板制電流增加。此結果可爲較鬲振幅之輸入信號增進 LNA200之線性度。此貫施方式還加了 一種限定功能，爲該 控制電流設定了增加量的上限，並在偵測出有高信號條件 出現時’在實施需高線性度之增益級上提供出另種的彈性 。此架構對回授迴圈205之偏壓電流提供了連續性地調整， 因此可不必在忍受非連續性信號的情況下，依需求改善線 性度；該非連續性信號的產生起因於先前技藝中常用的步 階切換偏壓及/或衰減器網路所導致。 另外，LNA200使用了一個開關215及一步階衰減器217來 控制進入VGA207之射頻信號的振幅。當其致動時，輸入信 號繞過放大器級203，經由步階衰減器2丨7，直接進入 VGA207。步階衰減态217可增加放大器級203的輸入壓縮點 ，讓強信號可通過該系統。通常，在；lNA之前會有一個積 體電路步階衰減為’其包含一可程式之電阻連結焊墊，因 此可降低LNA之輸入信號的位準。因爲使用的是同一個 LNA，所以此法並無法降低電流。藉由寫程式該積體電路 ，本發明之步階衰減器217可在電氣上重規劃LNA200。在 實作上，可能有兩種操作模式：一般模式及步階衰減器模 式。在步階衰減為模式中，針對所給定的射頻條件及所欲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(21〇xi公釐y (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) AW----- 訂---- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498610 A7 _B7_ 五、發明說明（5 ) 之效能，電路會重規劃成其電流實質性地較一般模式時爲 低。對強信號條件而言，電路的雜訊並不重要。該LNA電 路200的架構會重規劃成取此事實之優勢。不過，在雜訊造 成汲入電流降低時，電路架構間的妥協意味就會加重。是 故，利用LNA200的可程式，吾人可在不損失效能的情況下 ，實質性地降低汲入的電流。 圖3是本發明LNA300之具体實施電路圖。電路運作時， 電源信號Vs 301會經過電源電阻303，‘被送至LNA300。隨後 該輸入信號會爲金氧半場效電晶體（MOSFET)305及負載電 阻Ri 315所構成的電路放大。電晶體307及電阻309則提供 出回授至輸入端之回授路徑，在此同時，由電晶體304與電 晶體306以基極互接的形式所構成的可變增益放大器（VGA) 則充當緩衝器。電晶體307將信號轉換成電流，然後此電流 模式信號通過VGA，到達輸出電阻R λ 3 13。電流I u . 提 供直流電流至VGA，因此爲輸出V。u t 319設定了直流（DC) 電壓補償。通過MOSFET305之電流受控於電源電壓或負載 電阻R，315。k . 値，回授電阻Rfb309，射極電阻R 311 ，負載電阻R丄315以及MOSFET305可針對所給定的雜訊度 (NF)，放大器增益（Gp)，第三階失眞（IP3)，以及輸入阻抗 (Zin)組合，來作最佳化的選擇。 對習於此藝人士應知，在回授迴圈内之電晶體307乃一射 極隨耦器。VGA輸入端處之不論是DC亦或是AC之電壓變異 ，均會爲該回授迴圈Ifb所隔離。這項工作隔離了輸出射頻 信號及射頻輸入信號，更重要的是，其提供了一個路徑， -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498610 ---—___B7___ 五、發明說明（6 ) 透過輸出電阻R。313，此路徑獨立地控制該偏壓電流。此 獨立的控制行爲是整合電阻313之關鍵。在先前技藝已知之 LNA中，偏壓乃是透過主動輸入裝置提供之偏壓所決定的 。此偏壓通常非常大以幫助該主動裝置達到所必要的動態 範圍。本發明提供出一種系統及方法，不需透過輸入主動 裝置即可控制該電流。因爲輸出電阻R。3 13通常很大，對 接於其後之電路的雜訊度的降低及LNA300的增益的增加， 有很大的幫助。除非電流可透過獨立控制而降低，否則跨 在輸出電阻R〇 313上的直流壓降基本上會很大。本發明爲 此問題提供出解決方案。另外，該主動回授爲NF，Gp，IP3 及Z in間父互作用的最佳化，提供了額外的自由度。一般性 地，增加回授電阻309値，將可提高輸入阻抗（z a)及增益 (Gp),同時也可改善互調變失眞現象及雜訊度。明顯地， 若回授電阻309値減少，上述之情況均會逆轉。 使用MOSFET3G5，由於該主動增益裝置取代了會有電阻 性衰退之雙載子電晶體（BJT)，所以只需要較少的電流就可 獲得相同的動態範圍。在大訊號操作時，M〇SFE丁3〇5所產 生出足第三階互調變（IP3)項，較在相同電流下之所產生 的爲小。於是，由於金氧半電晶體（M〇SFET)的幾何尺寸明 顯大於BJT，所以會有較大寄生效應。在m〇sfe 丁的上面再 堆疊一級（像是電晶體317)，可以降低因寄生所致之米勒 效應。使用電晶體317所形成的堆疊級會降低m〇SFET3〇w 問極到没極之電壓增益，但它卻提供了一個從汲極寄生至 類比接地之低阻抗點，進而增加了操作的頻寬。應注意的 -----------^11 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 9 · ^610 ^610 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、發明說明（7) 疋圖3所不〈堆s架構對雜訊度及動 MOSFET305閘極至湄打认、 视固們〜善很小。 βA — 原極的哥生則可很輕易地成爲外部匹配 ί 6、一部份。所以對高頻操作的影響有限。 本發明之關鍵處在於，並維丛 社万、其維持了輸入阻抗及兩操作模式 一般及步階衰減模式）間增益 ^ _ ;』曰皿比义固疋不變。因爲LNA電路 200/300乃是整合在相同之積# 基板上，所以亦有助於 、准持固足的輸入阻抗及功率增益比。維持相同的輸入阻抗 ’使不致影響射頻匹配任何的滤波器（如圖i)，是很重要的 。匹配上的變異將改變濾波器的響應，此爲所不欲的。另 外，保持每-個部份的功率增益比的固定也是很重要的， 如此，步階衰減器沒有變異量。此補償與lna步階衰減幻7 無關，各部份均同，所以一般及步階搖作間之增益比必須 固定。 ^ 摘要言之，早先的積體電路LNA結構一般是在積體電路 的外邵使用電感在輸出提供偏壓及匹配。本發明則既不需 由外部，亦不需積體電感器。在輸出端以電阻取代電感$ 可。當嘗試使用具大偏壓電流之大電阻時，會有問題產生 。輸出端的直流壓降變得太大致使電路無法運作.。使用共 基或射極型式之LNA，會限制射頻的效能表現，這是因爲 電流變得太大，輸出電阻太小。使用所提出之如圖3之架構 ，可輕易地解決這些缺點。此外，本發明之[^^八架構可較 先别技藝之共基或射極結構得到更多的自由度。回授電阻 Rfb3 09及Ibias可獨立地調整，以得到所欲之nf，〇 ， P i i 及Z in規格。近來。LNA使用MOSFET裝置針對所欲給定的 -10- 參紙張尺度適角中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------訂---------$& (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 498610 A7 B7 五、發明說明（8 ) 没入電流來加強動態範圍。習於此藝人士將了解，此電流 的異動不會影響LNA的輸入阻抗，這是因爲回授阻抗主影 響輸入阻抗値。回授級之雜訊度所帶來的衝擊也會變得 很小。 雖然本發明乃根據此具體實施例加以説明，但清楚地本 發明不欲以此爲限。習於此藝人士只要在不脱離後附專利 所界足的精神與範圍下，可以做一些修改、變更、異動、 取代以及等同物的代換。 -------------------^--------- Φ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498610 C8 -----— —__D8 ___ 六、申請專利範圍 1 · 一種具自動線性度加強之增益可控制低雜訊放大器 (LNA)，包含： 一放大器級，用以放大射頻（RF)輸入信號； 一動態可控制回授迴圈放大器，用以提供負回授至該 回授放大器；以及 一偏壓控制器，連接至該動態可控制回授迴圈放大器 級’用以監控一接收機自動增益控制（AGC)系統並提供 一動怨偏壓至該回授迴圈放大器級，以在強開-波道及關 -波道條件存在時，改善該LNA之線性度。 2.如申請專利範圍第1項之增益可控制LNA，另包含·· 至少一可變的增益放大器（VGA)以放大該第一回授放 大备級之輸出’並提供RF輸出信號；以及 一 AGC控制系統，控制LNA之增益及提供一偏壓控制 之縮放偏壓電壓。 3 ·如申請專利範圍第2項之增益可控制LNA，其中該至少一 個的VGA提供出一回授信號至偏壓控制器，以使lNA之 汲入電流達到最佳化。 4·如申請專利範圍第1項之增益可控制LNA，另包含： 至少一個步階衰減器，用以衰減該提供至回授迴圈放 大器級之RF輸入信號。 5 ·如申請專利範圍第1項之增益可控制LNA，其中； 該回授放大器級包含至少一個金氧半場效電晶體裝 置。 6. 一種具有自動線性度加強之增益可控制射頻（RF)放大器 -12- 本紙張尺度適財關家標準（CNS)A4規格（21Q X 297公爱1 --------------------訂---------線 ^一^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 498610 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 ，包含： 一第一放大器級，用以放大RF輸入信號； 一回授迴圈’用以提供回授至該放大器級之輸入端， 以增進該放大器之線性度； 一第二放大器級，用以放大該第一放大器級之輸出並 提供出一 RF輸出； 一接收機自動增益控制（AGC)系統，用以根據該第二 放大器級之輸出信號，提供控制偏壓； 一偏壓控制器，連接至該回授迴圈，用以根據該A g c 系統之控制偏壓，動態地變更送至該回授迴圈之偏壓； 以及 其中該LNA之線性度及電流消耗，在強開-波道及關_ 波道條件存在時，乃動態地受控於該偏壓控制器。 7 ·如申请專利範圍第6項之增益可控制RF放大器其中該第 一放大器級使用金氧半場效電晶體裝置。 8 ·如申请專利範圍第6項之增益可控制RF放大器，其中該 第二放大器級乃一可變增益放大器（VGA)。 9·如申請專利範圍第6項之增益可控制rf放大器，另包含： 一步階衰減器，用以衰減送至該第一放大器級之rF輸 入信號。 10·如申請專利範圍第9項之增益可控制RF放大器，其中該 步階衣減器乃與該放大器級並聯。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G x 297公爱) --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)