TWI224418B - Multi-band low-noise amplifier - Google Patents

Description

1224418 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於無線通訊系統電路，特別是有關於一 種可用於多頻帶環境之低雜訊放大器技術。 【先前技術】

多模多頻式（multi—m〇de，multi - band)接收機為未來 無線通訊發展的重要趨勢之一。所謂的多模（multii〇de) 是指同一個接收機可處理兩種以上的通信標準·例如：一 手機同時支援第三代行動通信標準（如WCDMA)與第二代行 動通信標準（如GSM)，而多頻（mu 11 i - band)則是指此接收 機必須能接收數個頻帶的信號，如目前市場上為主流的雙 頻手機，必須能同時處理1 · 8GHz及90 0MHz的訊號。至於下 一世代的WCDMA/GSM雙模式接收機所要處理的訊號頻帶包 括有2.16112、1.96112、1.861^及900^1112。 目鈾無線通§fl產品中’大多運用數個低雜訊放大器來 處理多頻帶信號，例如pCS(GSM-1900) / dcs(gsm—18〇〇)

/ GSM900三頻手機中，rf晶片組大多採用三個低雜訊放大 器使其頻帶分別設定在1 90 0MHz、1 80 0MHz、900MHz等三個 頻τ。為了能達到R F晶片組的精簡化並降低成本，無線收 發器的趨勢是將元件例如低雜訊放大器（l〇w — noise amplifier)及壓控震盪器（v〇itage controlled 〇sci 1 lat〇r)等整合到晶片内。然而，如此整合卻會使其 他電路所產生的雜訊漏到低雜訊放大器中而降低信號的品 質。為了克服這個問題，全差動（f ul ly-di f ferential)的 電路架構是改善這個問題的方法之其一。

1224418 五、發明說明（2) 第一圖為習知技術中運用全差動電路架構之低雜訊放 大器’此放大器為一全差動電路，由一對差動對丨丨，一對 共基極電晶體12，一對衰減電感（degenerating inductor) 13，一對負載電感14，一個電流源15，一組輸 入知匹配電路（matching network)(圖未示）組成。全差動 信號由天線端經過匹配電路由差動對丨丨的基極進入低雜訊 放大器’由該對共基極電晶體丨2的集極取出。 此架構的好處在於··（丨）藉由加衰減電感及輸入端匹配電 路可將差動對1 1的基極所看到的阻抗轉至前級（通常為一 帶通濾波器）所需的阻抗以達到功率匹配（p〇wer matching)的功能，並同時達到雜訊匹配（n〇i se matching)。（2)由於使用電感負載，負載元件上的直流跨 壓減少，因此可降低所需的電壓源或改善線性度。（3)可 藉由選擇負載電感的大小抵銷輸出端的寄生電容，提高電 路可達到的工作頻率。但其缺點為：（丨）晶片上電感會耗 費很大的面積。（2)此架構較適合窄頻的應用，在多頻帶 接收機中，很難用一個這樣的低雜訊放大器覆蓋數個頻 可’因此通常需要數個這樣的低雜訊放大器，使得所佔用 的面積變得更大。例如WCDMA及DCS兩頻帶的中心頻率分別 在2· 14GHz及1· 84GHz，相差了 300MHz，較難用一個如第一 圖的電路達到兩者所要求的反射係數（S11)及雜訊指數 (noise figUre)，但若用兩個這樣的低雜訊放大器總共便 需8個晶片上電感（on —chip inductor)，連帶使產品成太 增高。

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因 路架構 要求的 例如， 中之輸 來決定 帶的匹 中所描 之輸入 得此發 定0 此，為了 ，儘量共 規格。於 參見第二 入匹配電 電容23與 配電路， 述之美國 匹配電路 明在兩個 降低多頻帶接收器的成本，必須有新的電 用硬體，但需使之在數個頻帶皆能達到所 數件專利中可見所提出之各種解決方案。 圖中所描述之美國第6134427號專利，其 路21，利用控制信號（CTRL )控制開關22 電感24疋否有效’並藉此產生適合兩個頻 達到兩個頻帶的規格。又如，參見第三圖 弟5 9 9 5 8 1 4號專利中的發明，其中所使用 ’利用電容32、33及電感34、35四元件使 頻帶的反射係數得以符合通訊規格之規 由於低雜訊放大器所使用之晶片上電感（on-chip inductor)數量頗多，一個全差動低雜訊放大器最多可用 到4個電感，若以一個電感面積15〇um X i50um為例，倘若 採用數個低雜訊放大器在單一晶片上，佔面積的電感將造 成晶片上極大面積的佔用，連帶使成本巨增。因此，如何 能於不影響效能的前提下，改善低雜訊放大器設計中電感 面積佔用過大的問題，是本發明所亟欲解決的問 【發明概述】 為了能解決低雜訊放大器設計中電感面積佔用過大的 見象。又计個此接收如此寬頻訊號的低雜訊放大器但所 使用電感不佔用過大面積即為本專利欲解決的問題:因 此’本專利的目的在於提供—種可減少所需電感面積進而 降低產品成本的多頻帶低雜訊放大器。

五、發明說明（4) 勹紅本ί 1月之一目的在於提供一種多頻帶低雜訊放大器， ^曰#稷組輪入匹配電路、複數組差動對、一對共基極 ^ ζ三一對電感、一對可變電容、一對電感、以及一電 二複數組輸入匹配電路係用於分別接收來自複數個頻 Ζ 1入k唬。複數組差動對，其基極分別接到該複數組 :入匹配電路的輸出端，其射極及集極連結在一起。一對 ς ^極=晶體’其射極接到該複數對差動對的集極。一對 雷^ :二二端接到該對共基極電晶體的集極，另一端接到 搞〜=一 1可變電容，其一端接到該對共基極電晶體的集 動接到電源、。—對電感，其—端接到該複數對差 到哕斟雷;^ 3 一端接在一起。以及一電流源，其-端接 ^對電感相’接的一點，另一端接到地。 泣法i I彳’，，當接收之該信號為第k個頻帶的信號時，該電 /導：51鮮對，該複數組差動對中僅有第k對差動對 v 八餘為關閉。該對電容與該對電感形成一對丘振 腔’當所接收之該信號為第k個頻帶的信號時，可改變該 電容值使該共振腔的共振頻率等於第k個頻帶丄 頻率。經由數個頻帶的低雜訊放大器 面積及成本得以降低。 /、用便日日片 【實施方式】 π =係揭露一種可用於多頻帶環境中的低雜訊放大 益。多見第四圖，圖中所示為以第1電路架構為 發明低雜訊放大器之電路示意圖。為了黑 低雜訊放大器之面積及成本，根據本頻 ^用之 货明之多頻帶低雜訊 1224418 五、發明說明（5) =器架構，採用一全差動電路，由N對差動對⑷如 41- N、42-1〜42-N))、一對共基極電晶體42、一對衰 感43、一對負載電感44、一對可變電容45、一個 ^ 46、複數組輸入匹配電路（第四圖未示）組成。該對= 感及该對可變電容形成一對共振腔。此架構運作中，、％ 讓每個頻帶有各自的差動對（41-1〜41_N、42q〜 :共用同一組衰減電感43。在其—時刻，當接 受 苐k頻帶的信號時，只有第让個差動對的電晶體（4ι κ 42- Κ)導通，其餘差動對皆為關閉的狀態。在負載 有的頻帶共用一對負載電感44，並配合—對可改變 來調整該共振腔的共振頻率，使得當該放大写工作在第k 頻帶時，該共振腔的共振頻率等於第!^個頻帶的中心頻 率0 此架構的優點為：1)在複數（N)頻帶應用下，原本需 要4x N個電感減少到4個電感’所需的面積約為原本使用 複數個如圖1電路的1/N。2)每個頻帶的特性可藉由調整每 個差動對的電晶體大小，直流電流，及輸入端匹配電路來 作最佳化。3)由於某一時刻，當接收器要接收第k頻帶的 信號時，只有第k個差動對的電晶體導通，其餘差動對皆 為關閉的狀態。這些關閉的電晶體只會貢獻寄生 容，不影響原來的電路特性。4)在多頻帶的應心寄每】 頻帶會需要它各自的帶通渡波器，在實際運用上可能需要 一個額外的開關，選擇目前工作頻帶所對應到的帶通濾波 器，這個開關除了提高成本外，亦會影響到低雜訊放大器

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五、發明說明（6) 的雜訊指數與增益，而本發明由於同—時刻，只有第“固 差動對的電晶體導通，其餘差動對皆為關閉的狀能。自铁 提供了 —開關，省去了晶片的開關，再次節省硬^成本了 第五圖為根據本發明低雜訊放大器之較佳實施例之部 分電，圖，本實施例中，設定多頻帶環境為兩個頻帶。^ 放大器為一全差動電路，包括兩對差動對41— 1及41— 2，一 對共基極電晶體42，一對衰減電感43，一對負載電感44， · 四個電容451、452、453、454，一組M0S開關51，一、個電 流源46，四個偏壓電阻52、兩組輪入匹配電路（未示於第 _ 五圖’睛參見第六圖）。其中，41-1及41-2中的電晶體可 · 為雙載子電晶體（bipolar transistor)，互補式金氧半電 晶體（MOS transistor)或其他種類的電晶體。 本例中，設定第一頻帶的工作頻率大於第二頻帶的工 作頻率。在某一時刻，當接收機要接受第一頻帶的信號 時’控制信號B A N D會將開關5 4及5 5切到左邊，因此第一個 差動對的電晶體4 1 - 1的基極電壓接到vb而導通，第2個差 動對的電晶體41 -2的基極壓接到GND而關閉。此時電流46 全部流到第1個差動對的電晶體4 1 - 1。而在負載端，此時 BAND信號會使M0S開關5 1關閉，因此此時負載端的共振頻 率由451及44決定，為fl = l/(cl*Ll)0.5 (C1與L1分別為電 容4 51及電感44的電容值與電感值）。此時，fl等於第一 頻帶的中心頻率。 在另一時刻，當接收機要接受第二頻帶的信號時，控 制信號B A N D會將開關5 4、5 5切到右邊。因此，第2個差動

第13頁 1224418 五、發明說明（7) 對的電晶體41 -2的基極電壓接到…而導通，第一個差動對 的電晶體4 1-1的基極電壓接到㈣^而關閉。此時電流46全 部流到第2個差動對的電晶體4丨-2。而在負載端，此時會 使MOS開關51導通，因此此時負載端的共振頻率由45 1 +453 與44決定，為f2 = l/((C1+C3)*L1)〇5(C3為電容453的電容 值）。此時，f 2等於第二頻帶的中心頻率。 第六圖顯示包含本發明低雜訊放大器之⑽電路示意 — 圖，第六圖中之低雜訊放大器之全差動電路架構係以第五 圖之架構為基礎。首先，第一頻帶BAND1的信號被天線收 — 下後經過第一頻帶BAND1的帶通濾波器621(BPF1)，再經過 第一頻帶的匹配電路6 3 1後進入本發明中的第一差動對電 晶體對41-1(見第五圖），第二個頻帶的信號BAND2被天線 收下後經過第^一頻帶的帶通濾、波器6 2 2，再經過第二頻帶 的匹配電路6 3 2後進入本發明中的第2對差動對的電晶體 41 - 2 (見第五圖）。此發明的輸出則接到下一級的電路，如 混頻器。由於同一時間只有一對差動對被開啟，因此被關 閉的一組差動對可使所提出的低雜訊放大器與前級元件如 帶通渡波器隔絕，而不會影響正在工作的頻帶。 第七圖與第八圖為本實施例實際應用在WCDMA與])(^雙 頻帶環境之低雜訊放大器下之量測數據特性。其中， WCDMA 及 DCS 的頻帶分別為2· 11-2· 17 GHz 及1. 805-1. 88

GHz。WCDMA及DCS各自中心頻率距離約30 0Hz，RF晶片使用 製程為SiGe BiCMOS製程。第七、八圖為根據本發明之實 施例之低雜訊放大器反射係數（SI 1 )量測特性圖，在WCDMA

1224418 五、發明說明（8) 及DCS時量測到的S11分別為-18 &_25dB。第九圖為根 發明之實施例之低雜訊放大器之雜訊指數特性圖及電壓樺 益特性圖（這裡量測到的雜訊指數及電壓增益是包含了 9 一級混頻器的量測結果），在WCDMA &DCS時量測到的 增益皆大於32dB，雜訊指數則分別為5·4及44dB。由圖中 可見，在WCDMA及DCS兩個頻帶反射係數，電壓增益，雜訊 指數能達到接近的數值且符合系統要求，證明此發明確 能應用在雙頻帶低雜訊放大器的設計中。 綜上所述，充份顯示出本發明多頻帶低雜訊放大器在 目的及功效士均深富實施之進步性，極具產業之利用價 且為目i市面上别所未見之新發明，完全符合發明 利之要件，爰、依法提出申請。 唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 蓋ΐι ::之變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵 禱。&圍内’謹4貴審查委員明鐘，並祈惠准，是所至 _

1224418 圖式簡單說明 【圖示簡單説明 第一圖係顯示習知低雜訊放大器之電路圖； 第二圖係一電路圖顯示習知低雜訊放大 例； 〈四配電路之 配電路之另 第三圖係一電路圖顯示習知低雜訊放大器之匹 一例； 第四圖係顯示根據本發明低雜 第五圖係顯示根據本發明低雜 分電路圖； 訊放大器之電路示意圖； 訊放大器之較佳實施例之部 第六圖係顯示包含本發明低雜訊放大器之RF電 立 第七、八圖=根，本發明之實施例之低雜訊：：器反 射係數（S11 )量測特性圖；以及 第九圖係顯示為根據本發明之實施例之低雜訊放大器雜訊 指數特性圖。 【符號說明】 11差動對； 12 —對共基極電晶體； 1 3 —對衰減電感； 1 4 一對負載電感； 1 5電流源（11 ); 21輸入匹配電路； 2 2開關； 23電容; 24電感；

第16頁 1224418 圖式簡單說明 3 1輸入匹配電路； 32電容； 33電容； 34電感； 35電感； 41複數對差動對； 42 —對共基極電晶體; 4 3 —對衰減電感； 44 一對負載電感； 4 5 —對可變電容； 4 6電流源； 411第一差動對； 4 1 2第二差動對； 451電容； 452電容； 453電容； 454電容； 51M0S開關； 5 2偏壓電阻； 53控制信號BAND; 54開關SW1 ; 255開關SW。

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Claims (1)

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• 一種多頻帶低雜訊放大器，包括： 複數組輸入匹配電路，用於分別接收來自複數個 的輸入信號； f 硬數組差動對，其基極分別接到該複數組輸入匹配電 路的輸出端，其射極及集極連結在一起； 對共基極電晶體，其射極接到該複數對差動對 極； # 一對電感，其一端接到該對共基極電晶體的集極，另 一端接到電源； 一對可變電容，其一端接到該對共基極電晶體的集 極’另一端接到電源； 一對電感，其一端接到該複數對差動對的射極，另一 端接在一起；以及 一電流源’其一端接到該對電感相接的一點，另一端 接到地。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該電晶體可 為雙載子電晶體（bipolar junction transistor)，互 補式金氧半電晶體（MOS transistor)或其他種類之電晶 體。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中當接收之該 信號為第k個頻帶的信號時，該複數組差動對中僅有第k 對差動對導通，其餘為關閉。 4.如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該對電容與 該對電感形成一對共振腔，當所接收之該信號為第k個

第18頁 1224418 、申請專利範圍 頻帶的信號時，可改變該可變電容值使該共振腔的共振 頻率等於第k個頻帶的中心頻率。 5.如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中當所接收之 °號為第k個頻帶的信號時’該電流流到第k對差動 對。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中更包括一控 制訊號切換一開關使第k個差動對的電晶體基極電壓接 到一電壓偏壓（voltage bias)而導通，同時其他差動對 的基極電壓接地（ground)而關閉。

7· —種全差動電路，其包括： 複數組輸入匹配電路，用於分別接收來自複數個頻帶的 輸入信號； 複數組差動對，其基極分別接到該複數組輸入匹配電路 的輸出端’其射極及集極連結在"起； 一對共基極電晶體，其射極接到該複數對差動對的集 極； 一對電感’其一端接到該對共基極電晶體的集極，另一 端接到電源；

一對可變電容，其一端接到該對共基極電晶體的集極， 另一端接到電源，此對電容與該對電感形成一對共振 腔； '、又 一對電感’其一端接到該複數對差動對的射極，另一端 接在一起； 一電流源，其一端接到該對電感相接的一點，另一端接

1224418 六、申請專利範圍 到地。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之全差動電路，其中該電晶 體為雙載子電晶體，互補式金氧半電晶體或其他種類之 電晶體。 9 ·如申請專利範圍第7項所述之全差動電路，其中當所接 收到之該信號為第k個頻帶的信號時，該電流流到第k對 差動對，該複數組差動對中僅有第k對差動對導通其餘 關閉’該可變電容值改變使該共振腔的共振頻率等於第 k個頻帶的中心頻率。 I 0 ·如申請專利範圍第9項所述之全差動電路，其中該全差 動電路為用於多頻帶之低雜訊放大器。 II ·如申請專利範圍第7項所述之全差動電路，其中更包括 一控制訊號切換一開關使第k個差動對的電晶體基極電 壓接到一電壓偏壓而導通，同時其他差動對的基極電 壓接地而關閉。 1 2 · —種接收機，其包括： 至少一天線用於接收一信號，該信號頻帶位於第k段頻 帶； 至少一濾波器包括一輸入端接到該至少一天線之輸出 端，該濾波器用於過濾所接收之該位於第k段頻""帶信 號； 一低雜訊放大器包括複數組輸入匹配電路， 接收來自複數個頻帶的輸入信號、複數組動二， 其基極分別揍到該複數組輸入匹配電路的輸出端，

1224418 六、申請專利範圍 其射極及集極連結在一起、一對共基極電晶體，其 射極接到該複數對差動對的集極、一對電感，其一 端接到該對共基極電晶體的集極，另一端接到電 源、一對可變電容，其一端接到該對共基極電晶體 的集極，另一端接到電源、一對電感，其一端接到 4複數對差動對的射極，另一端接在一起、以及一 電W源’其一端接到該對電感相接的一點，另一端 接到地。 至少一訊號轉換器包括一輸入端接到該放大器之輸出 端，該訊號轉換器用於轉換該接收信號成為一中頻 信號。 其中’當所接收到之該信號為第k個頻帶的信號時，該 電流流到第k對差動對，該複數組差動對中僅有第k對 差動對導通其餘關閉，該可變電容值改變使該共振腔 的共振頻率等於第k個頻帶的中心頻率。 1 3 ·如申請專利範圍第丨2項所述之接收機，其中該電晶體 為雙載子電晶體，互補式金氧半電晶體或其他種類之 電晶體。 1 4 ·如申请專利範圍第1 2項所述之接收機，其中更包括一 控制訊號切換一開關使第k個差動對的電晶體基極電壓 接到一電壓偏壓而導通，同時其他差動對的基極電壓 接地而關閉。

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