TW517449B - A fast-settling, low power, biasing apparatus and method for single-ended circuits - Google Patents

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517449 A7 r—________ Β7 五、發明説明（1 ) 發明範圍 本發明係關於半導體裝置，尤其是關於一單端電路之快 速設定，低功率，加偏壓電路。 發明背景 射頻（RF)接收機包括前置放大器在頻率轉換過程之前提 向輸入化號強度。因大干擾信號所產生之相互調變後果之 存在會損及接收機之處理甚弱信號之能力。此即習用上熟 知為不敏感。當在不同頻率處兩種干擾信號聯合在放大器 第三級非直線性内以產生接近所需信號之一相互調變後 果時第三級相互調變即發生。 當單一之大干擾信號（即一阻隔信號或擾亂信號）存在 時，不敏感化亦可發生❶經由兩單獨結構減少靈敏度即會 發生。由電路内之第三級非直線性可引起第一增益壓縮， 讓放大器和混波器内之現存雜音源產生影響，因此使全盤 雜音性能退化。第二結構，電路内之第二級非直線性，可 促進在放大器之相當低頻雜音源與干擾信號間之混波。因 此，低頻雜音係向上轉換至可使電路雜音性能退化之所需 信號頻率。在併入本文參考之“ rF放大器之阻隔及不敏感 化 ” ，R.G· Meyer 與 Α·Κ· Wong，ΙΕΕΞ (1995)内可發現更多 有關對阻隔及不敏感之研究。 尤其是，不敏感發生在單端電路内，諸如無線接收機之 單端前端低雜音放大器（LNAs)，其中由於在電路輸出及增 益壓縮處增加雜音最低額，故在干擾信號存在時即可操 作。本質上，電路失真會引起低頻雜音向上轉換成相關之 -4- ^紙張尺度適用中® S家料(CNS) A4規格(21G X 297公釐) " ' 517449 A7 B7 五、發明説明（2 ) 波段。此種增加之雜音會增大電路之雜音最低額，其可引 起在放大器輸出處之信號對雜音比（SNR)在大波幅之干擾 信號存在時退化相當大。 一主要低頻雜音源係雜音乃產生在單端電路之偏壓電 路内。在圖la内顯現在習用LNA電路内可減少偏壓雜音之 新技術。顯示之偏壓電路可防止不敏感發生。此單一電晶 體LNA電路包括一電晶體Qin為其主要增益裝置。如圖示， 電源供應器？5可加一電壓輸入至電路。在輸出節點卩咖處 可觀察一輸出。此偏壓電路係包括作用為反射鏡裝置之電 晶體（^及Q2。若電晶體Qin& Qi之裝置面積分別是Ain及 Αι，然而流經電晶體Qini電流是IreKAin/AD。增加一電阻 器Rxl與偏壓電路串聯，以確保輸入射頻（RF)功率並未被轉 移入偏壓電路内且主要係供給至適當放大器之電晶體 Qin。因一基極電流流入電晶體Qin内’一靜電壓降產生在 電阻器Rxl兩端。欲平衡此電壓降，增加一電阻器Rx2與電 晶體Qi之基極串聯。應注意電晶體Qin内之基極電流等於 電晶體Q!之基極電流，乘以Ain/A!。因此欲平衡基極電流， 電阻器Rx2必須等於RxKAin/Ai)。 實際上，由Vac〇s(0t)所代表之一 RF信號係被施加至 LNA電路之輸入，同時強度Va’C0S((6； +△ ω )t)之干擾信號 亦係加至LNA之輸入。干擾信號按大多數無線標準係遠大 於輸入RF信號。例如，全球行動通訊系統（GSM)標準要求 LNA在一 -23dBm干擾信號存在中在輸出SNR内不應遭受任 何退化，此干擾信號係在頻率3MHz處不在有-98dBm功率 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 517449 A7 B7 五 、發明説明（3 強度之輸入RF信號。以此干擾信號之強度，如上述可向上 轉換低頻雜音。在節點1處，即存在來自偏壓電路輸出之 低頻雜音。由於LNA内固有之第二級諧波失真，則干擾音 調與在頻率△ω處之低頻雜音組合，且向上轉換雜音至ω + △ ω +△ ω及ω +△ ω -△ ω。後者術語係在與所需信號之 相同頻率處。因之，在所需輸出頻率處之SNR比即受損。 應注意此效果係隨干擾信號之強度按比例變動，如此即 SNR對較大干擾信號強度更退化。在圖lb及lc内顯示此效 以下雜音源在偏壓電路内之低頻處可衝擊總雜音：a)基 準偏壓（Iref)之雜音，b)偏壓電阻器Rx2之雜音，c)電晶體Qj 之基極散射雜音，及d)電晶體（^之集極散射雜音^然而幾 種其他雜音源仍會存在於LNA電路内；但是其衝擊是可忽 略。因為由電晶體(^及Q2與電阻器Rx2所形成之緊耦合反饋 環路之結果，由基準電流源Iref所顯示之阻抗係屬電晶體 Qi之轉移電導gm之逆向級。此係大多偏壓電路内之一小數 量。因此，基準偏壓電路之雜音在其輸出，節點X處係小 量。此外，因此，而可減輕電晶體（^之集極散射雜音。在 上述b)及c)内所提示之其餘雜音源係圖la内所示LNA電路 内之主要雜音源，因為此電路顯現此等雜音源在電晶體 基極處有相當高阻抗。因此，在此節點處之雜音電流可產 生一大雜音電壓，此電壓在其集極節點處由電晶體予以 有效放大之。因電晶體Q2之安置與鄰近元件係如此致使其 代表一電壓隨耦器電路，在其基極處之任何雜音出現在其 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂

線 517449 A7 B7 五、發明説明 射極上有少量衰減。因之，一大雜音電壓產生在電晶體 基極處。如上述，此低頻雜音係向上轉換至RF頻率。 、現已使用一以減輕雜音向上轉換之方法，係在lna電路 二節點處使用外部感性LC濾波器，或在圖2内顯示在 % w Q1之集極處使用此濾波器。包括感應器Ln及電容器

Cn之指示LC電路，可產生在頻率等於在干擾信號與信號頻 率間不同處在頻率網域内之一凹口。因此，任何在偏壓線 路上之雜音係在此頻率處被濾除掉。凹口 LC濾波器係如此 設T使其在射頻處出現為一甚高阻抗，且因而對電路性能 有最小衝擊。LC凹口電路在減少干擾信號之影響係有效。 、然此方法有幾項缺點。第-，t需要使用可增加解決辦 法總成本之外部感應器與電容器元件。第二，在凹口濾波 益内電谷斋足值係相當高，因在低頻處需要濾波作用。因 此，當放大器係電源接通時，它需要一長時間以設定至其 穩定狀態，常按數百微秒之等級，此狀態在全盤 無法接受。第三，由大量外部組成件所引進之寄生現象會 使RF性能退化。 曰 亦需要指出者：使用在放大器輸入處所施加之一調諧串 聯LC電路之解決法除了抑制偏壓電路之雜音外，在抑制電 阻器Rxl之雜音與電晶體Qin之基極散射雜音方面亦十分有 效。然而，對此項實施尚有幾項實質問題，如上述就是增 加成本因增加外部組成件，故延緩電源接通時間，惡化^ 性能由於外槽組成件之增大寄生現象。若在電晶體之集 極處使用一雜音濾波器，它會顯示相同之小量增加由於來 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

線 517449 A7 B7 五、發明説明（5 ) 自電阻器Rxl之雜音與電晶體Qin之基極散射雜音。 因此，對一單端電路之快速設定，低功率，加偏壓技術 即有存在需要。 發明概要 為解決單端電路之加偏壓複合電路之以上論述缺點，本 發明即提倡準單端電路之一快速設定，低功率加偏壓電路 及方法。特別是，依照本發明之一 LNA包括一輸入功率配 合電路，一輸出電晶體，一偏壓電路，一退化電感，及一 負載阻抗。輸入功率配合電路及偏壓電路可耦合至可提供 放大之輸出電晶體。退化電感及負載阻抗可分別耦合至輸 出電晶體之射極及集極。偏壓電路係予適當配置以消除可 產生放大之輸出電晶體之基極散射雜音。按照本發明之偏 壓電路亦可消除係包括在偏壓電路以内之偏壓電阻器之 雜音。 明確地，偏壓電路包括一電流反射鏡電路，一電流基準 源，偏壓電阻器，與一射極隨耦器電路。電流基準源與射 極隨耦器電路係連接至可接加於偏壓電阻器之電流反射 鏡電路。在單端電路之一寬級内可執行此加偏壓電路。 此設計之優點包括但不限於一種完全可整體解決辦 法，即由於干擾信號之存在可消除向上轉換之雜音。因為 依據本發明之一 LNA電路可在晶片上係完全整合，額外 成本係微不足道，因此是可以接受。而且，電路之接通時 間係短，且係在多數系統内係可接受。 附圖簡述 -8- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 517449 A7 B7 五、發明説明（6 ) 為更完整了解本發明及其優點，現可參閱連同附圖之以 下說明，圖中相同參考號碼指示相同特徵，其中： 圖la係低雜音放大器（LNA)之一已知實施例； 圖lb係輸入功率對在干擾信號存在中雜音和向上轉換 雜音之頻率電路圖； 圖lc係輸入功率對在一較大干擾信號存在中雜音和向 上轉換雜音之頻率電路圖； 圖2係LNA之另一已知實施例； 圖3係依照本發明LNA之一實例； 圖4係電容器Cm之電容量對在干擾信號存在中之頻率電 路圖； 圖5係LNA之一替用實例；及 圖6係LNA之一替用實例。 較佳實例詳述 在單端電路之寬級内可執行如圖3所示之建議加偏壓裝 置300與執行。一單端電路，諸如LNA (300)，依據本發明 包括一輸入功率配合電路（3 10)及一連接至可提供放大器 之輸出電晶體（Qin)之一偏壓電路（305)。一退化電感器（Le) 和負載阻抗（L。）可分別耦合至輸出電晶體（Qin)之射極與集 極。 偏壓電路（305)係予適當配置，以消除可產生放大器之輸 出電晶體（Qin)的基極散射雜音。按照本發明之偏壓電路 (305)亦可消除係包含在偏壓電路（305)以内偏壓電阻器 (Rxl)之雜音。特性上，偏壓電路（305)包括一電流準源（Iref) -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 517449 A7 B7 五 、發明説明（7 ) 和一射極隨耦器電路（3 15)被連接至可連接於一偏壓電阻 器（Rxl)之一電流反射鏡電路（Ql5 Q2, Rxl)。可在單端電路之 寬級内執行此偏壓電路（305)。 尤其是，此設計包括一電容器Cm其值可使用己知積體電 路（1C)製程（〜5-20pf)能在晶片上予以整合，與由電晶體Qm 所組成之射極隨耦器其中電晶體Qm係加偏壓同一毫安（Im) 十分之一級小電流。電晶體Qm係按可連接至電晶體Qi集極 之一射極隨耦器構型放置。因射極隨耦器理想上係一致性 增益電壓緩衝器，故節點X及節點Y在相同電位處係合乎 理想。事實上，在頻率1/2 7Γ尺以“處可引進一低頻磁極。 因電阻器Rx2通常係一大電阻值，晶片上所需之電容量Cm 值係小量且能整合在晶片上（按多數應用之5-20pF之等 級）。為回應任何電流雜音，i b η ’注入在電晶體Q 1基極内， 在基極處所產生之電壓係由下式提供： \ if

Lbn / 其中電阻量Rel係在電晶體Qi集極集極處所示之總負載。 在電晶體Q!集極處和因此在節點X處之電壓係由下式提 供： (r R] lbn

如式中所示，電容器Cm可有效地衰減雜音。若以上-3dB -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 517449 A7 B7 五、發明説明（8 ) 隱蔽頻率係，例如，1MHz，然後在3MHz補償處，雜音被 衰減為10之因數或1 OdB。按相似方式，向上轉換雜音亦被 衰減1 OdB。另外一顯著特徵係衰減度係隨頻率而增加。 因大多數系統内之干擾信號係在與所需RF信號比較之 固定補償處確定，電容器Cm係按一定大小製造以提供向上 轉換雜音之適當衰減度，即經由模擬，或來源分析。

圖4係說明在放大器輸出處之電流雜音，有-90dBm輸入 (無干擾信號）和-23dBm輸入（有干擾信號），有和沒有此處 所建議之雜音濾波電路。頻譜RF曾使用於所示之模擬範 例。已價定以下組成件值：Iref=0.2mA，Rx2 = 32kQ，Rxl = 2kQ。可顯示電容器Cm之三值，包括-5pF，10pF，及20pF ο 當在輸入處未加上干擾信號時，在3MHz之一補償處之雜 音係約82 pA/sqrt Hz。沒有本處所建議之解決法，雜音會 增加至約390 pA/sqrt Hz，由以上稍早詳述之雜音向上轉換 過程。最後，電路可減少此雜音至約120 pA/sqrt Hz。應注 意與沒有干擾信號之情況相比較仍然有一反射鏡增加雜 音強度由於小量增加雜音最低頻及來自電阻器Rxl與電晶 體Qin之低頻雜音。但增加之強度在大多數系統内是可以接 受，因在大多數無系統内，一小量增加雜音之最低額係對 一所施加之干擾信號是可接受的。由一電路設計者能適合 此項執行以符合系統需求。 本設計之優點包括但不限於由於干擾信號之存在可消 除向上轉換雜音之一完全可整合之解決辦法。因為按照本 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝 訂

517449 A7 B7_._ 五、發明説明（9 ) 發明之LNA電路係能完全整合在晶片上，額外增加成本係 可忽略且因此而可以接受。而且電路之接通時間係短，且 在大多數系統内係可接受。 如圖5所示之第二實例係可減少雜音之一種方法，因為 藉放置一電容器在節點B與通地之間，減少電阻器Rx2之熱 效雜音與電晶體Q!之基極散射雜音。然而，應注意因為繞 Rx2由電晶體Ql及Q2所形成之緊反饋迴路，故在節點B處之 純阻抗係約電阻值Rx2除以反饋迴路之迴路增益。迴路增 益可為一大數值，因其係主要由電晶體之跨導gml予以 設定。因之，在節點B處之有效阻抗係小量。因此，在電 晶體Qi基極處所需之電容量對有效濾波係太大且不能予 以整合。 第三實例包括如圖6所示藉放置一電容器在節點B與X之 間濾除此雜音之一種方法。雖此法係有效，但其可引進一 新問題。在射頻處，此電容器有一小阻抗值。因此，自電 流Iref至RF輸入埠口之隔離係因此電容器而嚴重受損害。 讀者之注意係指向於與此規格同時提出且與此規格公 開供公共檢查之所有證件及文件，且所有此種證件及文件 之内容係合併於本文而參考。 在此規格内（包括任何所附專利申請，摘要及附圖）所揭 示之所有特徵可藉作為相同，相等或相似目的之替用特徵 替代之，除非另有顯明顯說明。因此，除非另有明顯說明， 否則所示之每一特徵係屬相等或相似特徵一般系列之唯 —範例。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝 訂

線 517449 A7 B7 五 、發明説明（1〇) 可使用本文内在上述規格内已應用之名詞及措詞為說 明並非限制之名詞，且並無意排除使用所示與所述或其部 分之特徵同義語之此種名詞及措詞。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

Claims (1)

1. 517449 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 · 一種低雜音放大器，具有一輸入節點及一輸出節點，包 括· 一輸入功率配合電路，其具有一濾波器及一阻隔電容 器，該輸入節點被耦合至該濾波器，該濾波器被耦合至 該阻隔電容器； 一輸出電晶體，其具有一基極，集極及射極，該基極 被耦合至阻隔電容器，集極被耦合至輸出節點； 一偏壓電路，具有一偏壓電阻器，此偏壓電路被耦合 至輸出電晶體之基極，如此使偏壓電路可消除輸出電晶 體之基極散射雜音與偏壓電阻器之雜音； 一退化電感器，被耦合至輸出電晶體射極；以及 一負載阻抗，被搞合至輸出節點。 2·如申請專利範圍第1項之低雜音放大器，其中濾波器包括 一電容器及一電感器，電容器被耦合至輸入節點，電感 器被耦合至阻隔電容器。 3 ·如申請專利範圍第1項之低雜音放大器，其中偏壓電路 包括一電流反射鏡電路，一電流基準源，偏壓電阻器， 與一射極隨耦器電路，電流基準源被耦合至電流反射鏡 電路，射極隨耦器電路被耦合至電流反射鏡電路，電流 反射鏡電路被耦合至偏壓電阻器。 4 ·如申請專利範圍第3項之低雜音放大器，其中射極隨搞 器電路包括一電流源，一電容器，與具有一基極，一集 極及一射極之第一電晶體，電流源及電容器被耦合至第 一電晶體之射極。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------·---.--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A B c D 517449 六、申請專利範圍 5 ·如申請專利範圍第3項之低雜音放大器，其中電流反射 鏡電路一第二電阻器，一第一及第二電流反射鏡電晶體 如有一分別之基極，集極及射極，第一電流反射鏡電晶 體之基極與第二電流反射鏡電晶體之集極被耦合至基 準電流源，第二電阻器被耦合在第二電流反射鏡電晶體 之基極與弟一電流反射鏡電晶體之射極間，第一電流反 射鏡電晶體之射極被耦合至偏壓電阻器。 6 · —種單端電路，具有一輸入節點，一輸出節點，一電源 供給軌及接地，包括： (a) 被耦合至輸入節點之一第一電感器； (b) 被耦合在第一電阻器.與接地間之一第一電容器； (c) 被串聯耦合至第一電感器之一阻隔電容器； (d) 一偏壓電路包括： (i) 一第一電晶體，具有一基極，射極及集極，第 一電晶體之集極被耦合至電源供給器軌； (ii) 一第一電流源被耦合在第一電晶體之射極與 通地之間； (iii) 一基準電流源被耦合在電源供給器軌與第一 電晶體基極之間， (iv) —第二電晶體，具有一基極，射極及集極， 第二電晶體之集極被耦合至基準電流源，與第二電晶體 射極被耦合至通地； (V) —第二電容器被耦合在第一電晶體射極與第 二電晶體基極之間； -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 517449 A B c D 六、申請專利範圍 (vi) 一第三電晶體’具有一基極，射極及集極，集 極被搞合至電源供給器軌，基極被摘合至第一電晶體之 集極；與 (vii) ·弟-—電晶體被搞合在弟二電晶體基極與第 三電晶體射極之間； (e) —第三電阻器被耦合在第二電阻器與阻隔電容器 之間； (f) 一第四電晶體，具有一基極，射極及集極，基極被 耦合至第三電晶體，集極被耦合至輸出節點； (g) 一第二電感器被耦合在第四電晶體射極與通地之 間，與 (h) —第三電感器被耦合在電源供給器軌與輸出節點 之間。 7. —種滤除雜音之一偏壓電路，包括·· (a) 一射極隨耦器電路包括 (i) 一第一電晶體具有一基極，集極及射極； (ii) 一電流源被耦合在第一電晶體射極與通地之 間；及 (iii) 一電容器被耦合至射極隨耦器電路，電源反射 鏡電路包括： (b) —電流反射鏡電路被耦合至射極隨耦器電路，電流 反射鏡電路包括 (i) 一弟二電晶體具有一基極，集極及射極，第二 電晶體集極被耦合至電流供給器軌，第二電晶體基極被 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

   A B c D 517449 六、申請專利範圍 幸禹合至弟'一電晶體基極；及 (π)—第三電晶體具有一基極，集極及射極，第三 電晶體集極被搞合至弟二電晶體基極，第三電晶體基極 被搞合至電容器’弟二電晶體射極被賴合至通地；與 (iii) 一電阻器被镇合在第二電晶體射極與第三電 晶體基極；與 (c) 一電流基準源被耦合在電源供給器軌與第二及第 三電晶體基極之間。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)