TWI286878B - Variable gain low-noise amplifier for a wireless terminal - Google Patents

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TWI286878B
TWI286878B TW091106312A TW91106312A TWI286878B TW I286878 B TWI286878 B TW I286878B TW 091106312 A TW091106312 A TW 091106312A TW 91106312 A TW91106312 A TW 91106312A TW I286878 B TWI286878 B TW I286878B
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load
capacitor
transistor
pull
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Seung-Wook Lee
Won-Seok Lee
Joon-Bae Park
Kyeong-Ho Lee
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Description

1286878
ULti 本申請案申明對申請曰為2001年3月29日，序號為 60/279,451之美國臨時申請案有優先權，其全部揭露以引用 方式併入本文，以供參考。 1·發明蓺吟 本發明一般相關於一種用以在低雜訊放大或預放 大器中控制增益的電路，更特別相關於增益控制電路設計 ’用於無線通訊系統所使用之LNa或預放大器中。 1.相關技藝昔景 在無線通訊中’在一終端單元（如一聽筒）的入射信號，依 無線電波廣播的環境（包括終端與基地台間的距離）而具有不 同振幅。從一傳送終端強力發射的信號，有助於遠端台的 接收，但對鄰近站臺則較無用處。此類強信號可在鄰近發 射台的外國終端上強加不想要的偽信號，及浪費發射器的 電池。此外，在接收終端的放大電路，可阻斷其大振幅輸 入之輸出信號，並使其失真。 通常，在終端中往内及往外信號，係由接收區塊的低雜 訊放大器及傳送區塊的預放大|§各別加以放大。為了壓抑 在下一階段失真，必須達成一優良線型性。為了避免LNA 阻斷其大輸入的輸出信號，LN Α增益必須是可控制的（對大 輸入信號壓低增益）。同理，傳送器的預放大器增益亦須加 以控制，俾能不浪費電池，且不過度驅動下一階段，即功 率放大器。 圖1說明一相關技藝低雜訊放大器，其執行電流分割增益 -4- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)
裝 訂
!286878 五、發明説明（2 控2技術。在相關技藝增益控制系統中，係藉由減少Lna 負貝增歪的次電路（即位差放大器階段）的汲極偏電流（即藉 由降低閘極偏壓），而降低LNA增益。如輸入信號的振幅超 過某些指定位準，即完全不理LNA而無放大發生。不幸地 ,不預期切斷驅動電晶體而造成線型性劣化，即會伴隨發 生偏電流減少。在繞道操作中固定存在LNA增益的突兀改 交，使得優良線型性及想要的雜訊效能很難同時達成。因 此’需，要新方法以控制增益。 發明總結 本發明目的是為至少解決上述問題及/或缺點，並至少在 以下提供其優點。 本务明另一目的是為提供一種方法及裝置，可用以在低 雜δίΐ放大裔或傳送器預放大器中控制增益。 本發明另一目的是為提供一低雜訊放大器，及在接收大 輸出信號時，操作該放大器而減少或避免切斷其輸出信號 的方法。 本發明另一目的是為提供一種方法及裝置，可控制傳送 态預放大态的增益，俾使不浪費電池，亦不過度驅動其下 一階段（功率放大器）。 本發明一較佳實例中，一可變增益放大器至少部分包括 一具有控制電極的第一電晶體、一第一電極、一第二電極 及一 /及極’其中一輸入信號轉合至控制電極，一第一來考 電壓耦合至第一電極及一輸出信號耦合至第二電極；一負 載電感器在第二參考電壓與第一電晶體的第二電極間耦合 ，一負載電谷器耦合至第一電晶體的第二電極及一可變電 本紙張尺度適财S g家標準(CNS) Α4規格(2l〇x 297公爱) 裝 訂 線 •5. 1286878 五、發明説明（3 阻裔並聯耦合至負載電感器。 在本發明另一較佳實例φ 一呈有调朽pm s ，一夕頻放大器至少部分包括 具有源極、閘極及汲極的驅 =輸入h輸入一輸入信號’源極麵合至一參考電壓源， 及：：合至沒極的輸出端輸出—輪出信號； 耦合在功率電壓源和輸出端 ^ 口口 夂老雷斤W 人· 之間一負载電容器在輸出端與 多考電I /原間輕合，一可變雷阳哭—兩 ^ 〇σ I 支尾阻裔在電壓源與並聯負載雷 感态的輸出端間耦合；及至少 、冤 器並聯而展開，其中各至少一上步+ 、貝戟電感 „ ^ ^ 上拉式電容器可由複數個開 關獨立選取，該開關耦合久 關祸^各至少一電容器與負載電感器。 本發明其他更多的優點、曰Μ η & μ ^目的及特點，一部分將在以下 說明中加以闡述，而對一船1拉 另又…ό日此藝者，其他部分將可透 過以下說明或本發明的實作中，㊉更加明朗化。本發明的 目的和優點可參考後附的申請專利範圍而實現和達成。 Μ-!!簡單說明 以下將參考附圖詳細說明本發明，其中相似參考數字相 應至相似元件，其中： 圖1根據相關技藝，以雷？欠国口 又π以冤路圖祝明一具有電流分割增益控 制技術的LNA ; 以電路圖說明一在窄頻帶中具有 以電路圖說明圖2(a)中放大器的 以電路圖說明PMOS電晶體作為 本紙張尺度適财® ®豪標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公爱) 裝 訂 圖2(a)根據本發明實例 想要增益的低雜訊放大器 圖2 (b)根據本發明實例 實例； 圖2 (c)根據本發明實例 一具導通電阻的開關而操作； .線 1286878 、發明説明（4 導本發明實例’以電路圖說明，藉由提供-可變 計出減少電力消耗的電路，參胸藉分二 驅動電晶體MN1成分開的1^1^〇3電 ° 成· 电日日體MN[1]〜MN[n]而達 圖（b)根據本發明貫例，以電路圖說明開關，其 NMOS電晶體MC[1]〜MC[n]導通及截止； 圖4⑷根據本發明實例，以電路圖說明—種能在兩譜 率間切換的電路；及 貝 圖4(b)根據本發明實例，以電路圖說明圖3⑷的通用版本 ，可使用一單一驅動電晶體MN1進行多頻帶操作。 輕佳實例詳細說明 根據本發明較佳實例，將說明一種在無線通訊系統中用 於低雜訊放大器（如調諧器）及預放大器的增益控制方法及裝 置。例如，一增益控制方法及裝置的實例可適用於無線終 端的電路設計，並在一 LNA或預放大器中實作。惟本發明 並非侷限於此，本發明尚可應用於任何型式的裝置工業技 術，如雙極接合電晶體（BJT)或結合場效電晶體（JFET)等。 為了說明目的，將使用金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)工業技術，在以下說明根據本發明的實例。 圖2(a)根據本發明，以圖說明放大器的一較佳實例，圖 2(a)說明一調諧LNA，其在一窄頻帶中具有想要的增益。 LNA可由一 n通道M〇s(nm〇S)電晶體MN1 200及一載入建構 而成’其中載入包括一電容器Cp 205、一電感器Lp 210及 一電阻器Rp 215。可在共用源NMOS電晶體（MN1)200的閘 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 裝 訂 線 1286878
極節點施加一輸入信號，且在汲極節點212出現或耦合至一 輸出終端214。電阻器Rp 215及電感器Lp 210最好在電源供 應電壓216(即Vdd)與汲極節點212間耦合，及電容器Cp 2〇5 在接地端21 8與汲極節點212間耦合。電容器Cp 205可對下 一階段（如混合器）的輸入電容，及/或輸出節點上的寄生電 容有所貢獻。電感器Lp 210最好與電容器cp 205形成一並 聯諧振電路，並將LNA增益調至一想要的頻率，將增益峰 值置於諧振頻率上。電感器Lp 210可使用一螺旋或搭接線 電感器實作（或藉由使用一外部電感器）。 根據本發明一實例，為了適當控制LNA增益，及避免輸 入#號使其輸出失真（藉由飽和或切斷），電阻器Rp215為可 變動的。為了降低增益以增加輸入信號振幅，減少汲極偏 電流（即圖2(a)中iD之直流電零組件）會省電，但可能由不想 要的MN1 200切斷操作而引起線型性劣化。惟減少圖2(幻中 Rp 2 1 5的值以壓低增益，並不影響lna的線型性。因此， 假若線型性比減少耗能更重要的話，為了改變增益，可控 制Rp 2 1 5而非控制汲極偏電流。 增益與在諧振頻率的Rp2成比例，因此，由於諧振載入的 口口貝因數Q直接與Rp 21 5成比例，對Cp 205及Lp 2 1 0的固定 值而s，增盈與譜振電路的品質因數Q2亦成比例（即與增益 峰值的尖銳成比例）： 愿 (公式υ 因此’對Cp 205及Lp 210的固定值而言，控制Rp 215等於 控制Q。 -8 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1286878 A7 B7 五、發明説明（6 ) 圖2(b)說明圖2(a)放大器電路實作的較佳實例，圖2(b)所 示可變電阻器或一可變電阻，以並聯成直線的P通道 MOS(PMOS)電晶體 MP[1]〜MP[n](220、225、230)實作。使 各PMOS電晶體在導通時（即當其閘壓降低時），於其線形區 域中操作，所以可如圖2(c)所示，作為一具導通電阻的開關 。閘信號ctrl[l]〜ctrl[n](23 5、240、." 245)的邏輯控制淨電 阻，藉由一個一個地控制這些PMOS開關，即可漸次地調整 放大器增益。當這些PMOS開關全導通時，放大器即具有最 小增益（藉由降低其全部閘電壓）。 加入一共用閘NMOS電晶體MCI 250，以進一步隔籬輸入 與輸出，以減低密勒效應。偏壓產生區塊BIAS_GEN1 255 藉由將MCI 250維持在飽和區域，而使MCI 250的操作保持 不受或少受輸出信號的擺動影響。 減少載入的Q的確比減少直流電偏壓電流較少劣化線型性 ，但卻須比其他方法花費更高的耗能。為了維持圖2(b)的電 路線型性，必須維持汲極偏壓電流，並伴隨一定直流電耗 能。因為MN1 200的電傳導參數k(與閘極寬度成比例），對 圖2(b)中的電路而言是固定的，所以不可能減少放大器的直 流電耗能。如果要減少直流電耗能，就需要新的增益控制 方法。 為了藉由令k可變動而減少耗能，可使用圖3(a)中根據本 發明較佳實例的電路。如圖3 (a)所示，將一驅動電晶體MN1 200分割成分開的NMOS電晶體MN[1]〜MN[n](如3〇〇、3〇5 、…310。這些電晶體由對應NMOS電晶體MC[lj〜 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 裝 訂
1286878 A7 ____B7 五、發明説明（7 ) (如315、320、325)加以控制，在圖3(b)中亦以範例說明， 這些對應NMOS電晶體各別由其對應pm〇s開關330、335、 •••340導通及截止。當輸出的振幅增大時，最好可增加圖 3(a)中具BIAS 一 GEN2 345信號的閘極偏壓，以維持線型性。 為了同時減少增益及直流電耗能，最好可以比增加閘極偏 壓更快的比率減少k值。此處由於k的快速變動會引起增益 P白梯加寬間隙’須在減少耗能與增益控制的平順性間尋求 一平衡。有利地，如果令上拉式電阻（Rp) 35(ΗσΙΙρ 215般可 變動，即得到較平順的增益控制。在一實例中，可以圖2(b) 中的p通道MOS(PMOS)實作可變電阻。 圖3(a)的電路亦可在無線終端單中作為一傳送器的預放大 器；但在此情形中，須放置一低容量載入作為其輸出，乃 因一典型預放大器驅動功率放大器，功率放大器的輸入阻 抗可設定為50 Ω (微波工程中標準阻抗）。 如圖4(a)所示，一上拉式電容器Cp，4〇〇可並聯上拉式電感 器Lp 410,並由其串聯開關4〇5導通及截止。對本發明此一 貫例’實作開關405可補充一 MOSFET(CMOS)，，傳輸閘”，如 此即可相稱地將譜振頻率轉下及轉上。如果放大器功能在 另一轉換頻帶是穩定的，則可將諧振頻率落在此一想要的 頻可上。雙頻操作的例子可以是無線通訊的放大器，可用於 仃動電話的頻帶約為8〇〇MHZ，用於pcs者約為18〇〇mhz(對 分時多工而言）。可藉由控制CMOS開關的一外部信號選取 想要的頻帶，可藉由執行圖4(b)的電路完成額外頻帶選取， 其中圖4(b)的電路為圖4(a)電路的另一較佳實例。圖4(b)的 -10- 張尺度適财S a冢標準(CNS) A4規格(⑽x 297公爱)-----— A7 B7 1286878 五、發明説明（8 ) 較佳實例可以一單一驅動電晶體MN1 415完成多頻操作， 操作中，電容器CpJU-CpIn](如420、425、…430)可由對 應的串聯開關（如435、440、…445)(如CMOS傳輸閘開關之 類）個別地或共同地導通及截止。 如上述，在無線通訊中用於增益控制的方法及裝置的較 佳實例具有多種優點，為了避免一積體預放大器或執行 MOSFET科技（如無線通訊的終端單元）的低雜訊放大器的輸 出#號受阻失真，根據較佳實例，可在上拉式載入中併用 可變電阻器，而令增盈成為可調整的。可如圖2(^)所示 使用分開的PMOS電晶體在線性區操作而實作可變電阻器 在一較佳實例中亦可將一驅動電晶體分割成可個別導通及 截止的分開電晶體，以獲取直流電耗能的可控制性，以及 增益的可控制性。此外，在一較佳實例中，可選擇耦合一 外加電容器或其他如.並聯一負載電感器之類的作法，調整 一諧振頻率及/或實作一多頻操作。 。正 以上實例及優點僅為範例，並非用以揭限本發明 導說明可輕易應用於其他型式的裝置。本發明心明^ 並非用以偈限申請專利的範圍:; 許多選擇、改良及變化。在申請專利範圍 能的子句想要涵蓋其中所說明作為、加上3 非僅是結構上相等，且是相同的結構。引用功能的結構 -11 -

Claims (1)

  1. 六、申請專利範園 1 · 一種可變增益放大器，包括： 一第一電晶體，具有一控制電極、一第一電極及一第 二電極，其中一輸入信號耦合至控制電極，一第一參考 電壓耦合至第一電極，及一輸出信號耦合至第二電極； 負載電感裔’在一第一參考電壓與第一電晶體之第 二電極間輕合； 一負载電容器耦合至第一電晶體之第二電極，·及 一可變電阻器並聯耦合至負載電感器。 2·如申請專利範圍第1項之可變增益放大器，其中可變電 阻器包括至少一電晶體與負載電感器並聯，及耦合至一 控制線路網路。 3·如申請專利範圍第1項之可變增益放大器，尚包括一隔 離電晶體在第一電晶體之第二電極與負載電容器間耦合。 4. 如申請專利範圍第1項之可變增益放大器，尚包括複數 個第二電晶體，其耦合至一第一網路對應閘極控制線路 ’其中各第二電晶體並聯耦合至第一電晶體。 5. 如申請專利範圍第4項之可變增益放大器，尚包括複數 個第三電晶體，各在第一及第二電晶體之對應第二電極 與負載電容器間耦合。 6· 如申請專利範圍第5項之可變增益放大器，其中第三電 晶體耦合至第二對應閘極控制線路網路。 7. 如申請專利範圍第1項之可變增益放大器，尚包括至少 一上拉式電容器並聯耦合至負載電感器。 8. 如申請專利範圍第1項之可變增益放大器，尚包括複數 77600-960622.doc _卜 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1286878 as B8 C8 __________ D8 六、申請專利範圍 個上拉式電容器並聯耦合至負載電感器，其中上拉式電 容1§可由複數個開關獨立選擇，各開關耦合一對應上拉 式電容器與負載電感器。 9·如申請專利範圍第8項之可變增益放大器，其中在cM〇s 技藝中實作這些開關。 10.如申請專利範圍第8項之可變增益放大器，其中依上拉 式電容器之選擇，而選取上拉式電容器與一可變電阻器 之負載電阻及負載電感形成一諧振電路。 11·如申請專利範圍第10項之可變增益放大器，其中電路係 在800百萬赫（MHz)或18〇〇百萬赫諧振。 12·如申請專利範圍第6項之可變增益放大器，其中可變電 阻包括複數個負載電晶體並聯耦合至負載電感器，其中 各負載電晶體具有一閘極耦合至第三控制線路網路之對 應網路。 13.如申請專利範圍第12項之可變增益放大器，尚包括複數 個上拉式電容器並聯耦合至負載電感器，其中上拉式電 容器由複數個開關獨立選取，各開關耦合對應之上拉式 電容器與負載電感器。 14·如申請專利範圍第12項之可變增益放大器，尚包括： 複數個第二電晶體，其耦合至一第一對應閘極控制線 路網路，其中各第二電晶體並聯耦合至第一電晶體； 複數個第三電晶體，其在第一及第二電晶體之對應第 二電極與負載電容器間耦合，其中第三電晶體耦合至一 第二對應閘極控制線路網路；及
    8 8 8 8 ABCD 1286878 六、申請專利範圍 一隔離電晶體，在第一電晶體之第二電極與負載電容 器間耦合。 15·如申請專利範圍第14項之可變增益放大器，尚包括複數 個上拉式電容器並聯耦合至負載電感器’其中上拉式電 容器由.複數個開關獨立選取，各開關耦合對應之上拉式 電容器與負載電感器。 16· —種多頻放大器，包括： 一驅動電晶體，具有一源極、閘極及汲極，其中由耦 合至閘極之輸入端輸入一輸入信號，源極耦合至一參考 電壓源，及由耦合至汲極之輸出端輸出一輸出信號； 一負載電感器，在一電壓源與輸出端間耦合； 一負載電容器，在輸出端與參考電壓源間耦合； 一可變電阻器，在電壓源與並聯至負載電感器之輸出 端間耦合；及 至少一上拉式電容器，與負載電感器並聯展開，其中 各至少一上拉式電容器由複數個開關獨立選取，各開關 耦合各至少一電容器與負載電感器。 17·如申請專利範圍第16項之多頻放大器，尚包括一隔離電 晶體，在驅動電晶體之汲極與負載電容器間耦合。 18.如申請專利範圍第16項之多頻放大器，尚包括·· 複數個附加驅動電晶體，各並聯耦合至驅動電晶體， 其中驅動電晶體之閘極接收一可變偏壓；及 複數個隔離電晶體，在驅動電晶體之汲極與負載電容 器間耦合，其中複數個隔離電晶體選擇性耦合至一閘極 77600-960622.doc _ 3 _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210χ297公釐） 1286878 - C8 D8 六、申請專利範圍 控制線路網路。 19.如申請專利範圍第18項之多頻放大器，其中可變電阻器 包括複數個負載電晶體並聯耦合至負載電感器，及其中 各負載電晶體具有一閘極耦合一第三控制線路網路之一 對應網路。 20·如申請專利範圍第16項之多頻放大器，其中可變電阻器 包括複數個負載電晶體並聯耦合至負載電感器，及其中 各負載電晶體具有一閘極耦合一第三控制線路網路之對 應網路。 21·如申請專利範圍第16項之多頻放大器，其中依上拉式電 容器之選擇，而選取上拉式電容器與負載電阻及負載電 感形成一諧振電路。 22.如申請專利範圍第19項之多頻放大器，其中電路係在 800百萬赫（MHz)或1800百萬赫諧振，及其中在CMOS技 藝中實作這些開關。 -4 77600-960622.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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