TWI325221B - Low noise amplifier and low noise amplifying method of dynamically adjusting a bias voltage when switching gain modes to improve linearity - Google Patents

Description

1^25221 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種低雜訊放大器’尤指一種可改善線性度的 低雜訊放大器與低雜訊放大方法。 【先前技術】 在無線通訊系統的接收端架構中，低雜訊放大器是接收端的 _ 第一個放大電路’主要是負責放大所接收到的訊號。由於訊號在 空氣中傳輸的過程中會加入許多雜訊，因此低雜訊放大器除了要 - 有足夠的增益來放大接收到的微弱訊號之外，其本身不能加入太 ' 夕的雜訊，以避免訊號失真。除此之外，當接收端很靠近基地台 時’接收到的訊號振幅比較高’亦即能量較高，此時為了避免接 收電路進入飽和狀態，低雜訊放大器必需提供足夠的衰減以使訊 號達到一可接受的振幅。因此，現今的低雜訊放大器中，大部份 • 是可以隨著接收訊號的振幅大小而調整其放大增益，亦即可在高 增益運作模式和低增益運作模式之間切換。 一般低雜訊放大器在以上兩種模式之間作切換時會面臨到兩 個問題。[，當低雜訊放大器從高增益模式切換至低增益模式 時，也就是當接收訊號振幅較大時，該低雜訊放大器無法同時提 供較高的線性度，以至於所接收的訊號異於原來訊號而產生失真 :的問題；第二’當低雜訊放大器在高增益模式和低增益模式之間 ，‘作切鱗’由於喊進a眺徑可能纽㈣造成贿雜訊放大 6 器内部等效電路不-樣，因此由於穩定條件改變而使低雜訊放大 器出現振盪的問題。 明參考第1圖，第1圖為習知可切換增益式低雜訊放大器 的電路圖。低雜訊放大器100為單端輸入-差動輸出的架構，其中 單端輸入的訊號LNAw經由一内建的變壓電路(transf〇rmer)102轉 換為差動的輸入訊號，該差動的輸入訊號再經由一兩級的放大器 放大並輸出其差動訊號；其中第二級1〇4為可變增益輸出級。經由 控制訊號Gg、G〇B (G〇的反相訊號）、G2、G2B (G2的反相訊號） 來控制第二級104中電晶體的導通/非導通以調整低雜訊放大器 1〇〇的增益，以使低雜訊放大器1〇〇可以在高增益模式和低增益模 式間作切換。此一習知可切換增益式低雜訊放大器1〇〇除了具有 以上所述的線性度問題之外，該内建的變壓電路也增加了晶片的 面積。除此之外内建的變壓電路102也會對輸入訊號產生一定程 度的損耗。 請參考第2圖，第2圖為習知另一可切換增益式低雜訊放大 器200的電路圖。低雜訊放大器200為單端輸入_單端輸出的並疊 (cascade)架構，該架構具有第一輸入級2〇2、第二放大級204和切 換電路206’因此訊號在高增益模式和低增益模式會以不一樣的路 徑來進行傳遞’故容易導致振盈的發生。另一方面，當低雜訊放 大器200在高增益模式和低增益模式之間切換時，易造成輸入端 阻抗不匹配，以致於輸入訊號不能完全傳入低雜訊放大器2〇〇。相 1325221 關技術内容請參考美國專利號為6175274之美國專利。 【發明内容】 目此，本發明之主要目的在於提供—财絲調整工作偏壓 點的低雜訊放大器與低雜訊放大方法，以解決上述問題。 本發明提供-種可㈣於不同增遽式下的健訊放大器， Φ 包3有.一電壓調整電路，其於一第一增益模式時提供一第一偏 壓，以及於一第二增益模式時提供一第二偏壓，該第二偏壓係不 同於該第一偏壓；以及一放大電路，耦接於該電壓調整電路，用 來於該第一增益模式時依據該第一偏壓提供一第一線性轉換特性 以放大一輸入訊號來產生一輸出訊號，以及於該第二增益模式時 依據該第二偏壓提供一第二線性轉換特性以放大該輸入訊號來產 生該輸出訊號。 本發明提供一種可操作於不同增益模式下的低雜訊放大方 法’包含有：於一第一增益模式時提供一第一偏壓，以及於一第 二增益模式時提供一第二偏壓，該第二偏壓係不同於該第一偏 壓；以及於該第一增益模式時依據該第一偏壓提供一第一線性轉 換特性以放大一輸入訊號來產生·輸出訊號，以及於該第二增益 模式時依據該第二偏壓提供一第二線性轉換特性以放大該輪入訊 號來產生該輸出訊號。 8 1325221 【實施方式】 請參考第3圖’第3圖為本發明低雜訊放大器300操作於高 增益模式下的電路圖。低雜訊放大器3〇〇包含有一電壓調整電路 302以及一放大電路304耦接於電壓調整電路3〇2。本實施例中， 當低雜訊放大器300所接收之訊號振幅大於一第一預設值時，電 壓調整電路302會處於一低增益模式並提供一低偏壓於放大電路 304 ;而當低雜訊放大器3〇〇所接收之訊號振幅小於一第二預設值 籲 時，電壓調整電路302會處於一高增益模式並提供一高偏壓於放 大電路304。另一方面，放大電路304於低增益模式時依據該低偏 屋提供一第一線性轉換特性以放大輸入訊號來產生一低雜訊輸出 訊號，而放大電路304於該高增益模式時則依據該高偏壓提供一 第二線性轉換特性以放大輸入訊號來產生該低雜訊輸出訊號，上 述第一線性轉換特性不同於第二線性轉換特性。 φ 如第3圖所示，電壓調整電路302包含有一可控制式電流源 3021以及一電流轉電壓模組3022耦接於可控制式電流源咒以。 可控制式電流源3021包含有K個可開關直流電流源DCi〜DCk , 母一可開關直流電流源可供應K*I安培(A)之電流，且該κ個可開 關直流電流源DC广DCK為並聯且具有一共同轉接點轉接至電流轉 電壓模組3022 ’其中該電流轉電壓模組3022包含一電晶體Mc。 請注意，本實施例中，電晶體Mc的寬長比係為可調整的，而由於 如何調整寬長比的技術係為業界習知，故不另贅述於此。電流轉 電壓模組3022更包含有一電容Cc耦接於電晶體Mci閘極端，其 9 中電as體Mc之閘極端係對應一電壓Vb。放大電路304包含有一 負載3041、κ個電流路徑電晶體Ml〜MK(本實施例中，每—電流 路徑電晶體MHV[K之寬長比為W/L，然此非對本發明之限制）、κ 個冋增益電晶體開關S丨〜SK、一低增益電晶體開關Ml以及—調整 電晶體ma，其中，如圖所示，κ個電流路徑電蟲體Mi〜Mk和電 晶體Mc形成電流鏡之架構，以及κ個高增益電晶體開關&〜心、 低增ia電BB體開關ML以及調整電晶體ma均分別與κ個電流路徑 電晶體Μ^Μκ形成放大電路3〇4之架構。另一方面，一輸入端 Vin耦接於一電感元件L和κ個電流路徑電晶體Μι〜Μκ的共同耦 接點上；一輸出端V⑽耦接於負載3041之一端上。本發明實施例 更包含了一控制模組3042耦接於Κ個高增益電晶體開關和 低增益電晶體開關ml之閘極端上，用來提供控制訊號En (低邏 輯準位）與控制訊號Enb (高邏輯準位）。 請參考第3圖，在本實施例之低雜訊放大器操3⑻運作於高 增益模式時，輸入端Vin所接收到的輸入訊號強度小於一第二預設 值，即該輸入訊號為一低功率訊號，因此低雜訊放大器3〇〇必須 操作於高增益模式以將該輸入訊號線性地從輸出端乂⑽放大並輸 出。首先’可控制式電流源3021將第K個可開關直流電流源DCK 開啟，而第1〜(K-1)個可開關直流電流源dc^DCk^則關閉，因此 只有K*I安培之電流流經電晶體1^(：。同時，控制模組3042會經 由控制訊號En (低邏輯準位）開啟κ個高增益電晶體開關s^Sk 以及經由另一控制訊號Enb (高邏輯準位）來關閉低增益電晶體開 1325221 關ML，此時，電晶體Mc之寬長比於高增益模式下係設定 為K*(W/L)，而由於電晶體Mc和κ個電流路徑電晶體m〗〜Mk均 具有同樣_極端電壓Vb，因此第K個可_直流電流源％ 所提供的電流K*I會對電容Cc進行放電使電壓％下降；此時每 一流經K個電流路徑電晶體Μι〜Μκ的電流會為丨安培。從以上的 操作可以得知，在低雜訊放大器操300運作於高增益模式時，電 壓vb亦會下降；如此就會造成κ個電流路徑電晶體之問 極端和源極端之間的跨壓下降，且剛好能符合該低功率之輸入訊 號完整波型之輸入而不會產生波形失真，而且此時所個高增 益電晶體開關S广SK均開啟，造成流經負載綱的電流亦提高， 因此提供了該輸入訊號和該輸出訊號之間一高增益観特性。.由 此可知，當低雜訊放大器300接收到之輪入訊號的強度小於該第 -預叹值時，可以提供一南增益且高線性度之輸出以達到系統需 求。 除此之外’為了達到该輸入端具有和上一級之輸出端達到阻 抗匹配的目的’例如從該輸人猶看到-個50 _(〇hm)之輸入 阻抗’因此在本實施例中，低雜訊放大器3〇〇之該輸入端看入之 轉導值係設定為2〇mS。從習知技術可以得知，該每一 κ個電流路 徑電晶體Μ丨〜Μκ之轉導值gm為： gm=2*I/(Vgs.vt) 其中I為抓經每-電流路控電晶體⑽〜Μκ之電流，％為每一電流 路徑電晶體MrW之開極端和源極端間跨壓，％為每一電流路徑 11 1325221 電晶體之臨界電壓(thresho丨d voltage)。由於K個電流路徑電晶體 Ml〜Μκ為並聯關係’所以從輸入端Vin看入之轉導值為每一電流路 徑電晶體Η〜Μκ之轉導值抑^^之總和，此時，於高增益模式下，當該 輸入^看入之轉_GMi為時 就可以得到很好的輸入阻抗匹配。 請參考第4圖’第4圖為本發明低雜訊放大器3〇〇操作於低 Φ 增益模式下的電路圖。由於輸入端Vin所接收到的該輸入訊號大於 該第一預設值’因此低雜訊放大器300必須操作於低增益模式以 - 將該輸入訊號線性地從輸出端V〇ut放大並輸出。首先，可控制式 電流源3021會將K個可開關直流電流源dC^DCk全部開啟，因 此共有K*K*I安培之電流流經電晶體Mc，同時，控制模組3〇42 將關閉K個向增益電晶體開關ScSk以及開啟低增益電晶體開關 ML。此時，電晶體Me之寬長比於低增益模式下係設定為(W/L)， _ 而由於電晶體Mc和K個電流路徑電晶體Μ^Μκ均具有同樣的閘 極端電壓Vb，因此Κ個可開關直流電流源dQ-DCk所提供的電 流K*K*I會對電容Cc進行充電使電壓vb上升；此時只有第一個 電流路徑電晶體厘丨會流經電流K*K*I安培。從以上的操作可以 得知’在低雜訊放大器300操作於低增益模式時，電壓Vb會上升， 如此就會造成第一個電流路徑電晶體Μι之閘極端和源極端之間 的跨壓上升，且剛好能符合該低功率之輸入訊號完整波型之輸入 而不會產生波形失真。此外，此時所有κ個高增益電晶體開關 Sr^Sjc均關閉，使得流經負載3〇41的電流亦下降，因此提供了輸 1325221 入λ號vin和輸出訊號vout之間-低增益轉換特性，同時，經由調 整調整電晶體MA之寬長比可以控制流經負載遲的電流。由此 可知’當低雜訊放大器300所接收到之輸入訊號的強度非常強時， 其可以提供-低增益且高線性度之輸出以達到系統需求。 除此之外，如上所述，域增益模式下，輸人端看入之轉導 值GMi為gm丨+gm2...gmk=2*K*I/(Vv㈣ms。當低雜訊放大器 遍運作於低增益模式下，由於只有第一個電流路徑上的電晶體 為導通，因此從輸人端％看人的轉導值為跳哪^暑 其中、以及Vgsi=Kf+Vt，經由計算可以得知 2Κ^/(ν^)，’ 隨大請於操作於低增益模 式時亦可叫職好的輸人匹酿抗，換句槪，低雜訊放大器 不論是處於高增紐式或低增麵式，其均骑改變其輸入阻 抗，但是低增益模式下的線性度卻改善了。 八， 請參考第5圖，第5圖為本發明可操作於不 低雜訊放大綠⑽賴。麵贼切法包含有Μ步驟 步驟500:開始； 步雜：判斷增益模式，若域行高增益模式， .5〇4，若若是執行高增益模式，則進行步驟510; 步驟504 :提供一第一電流； 步驟506 :將該第一電流轉換為該第一偏壓； 13 1325221 步驟5〇8 :依據該第-偏壓提供-高增益轉換雖以放大一輸 入訊號來產生一輪出訊號，然後進行步驟510 ; 步驟510 :提供一第二電流； 步驟512 .將該第·一電流轉換為該第二偏壓； 步驟514 ·依據該第一偏壓提供一低增益轉換特性以放大一輸 入訊號來產生一輪出訊號； 步驟516:結束。 其中，該第一偏壓低於該第二偏壓。步驟5〇8以及步驟514 包含提供一放大電路，並使用該放大電路來放大該輸入訊號來產 生該輸出訊號。步驟508以及步驟514更包含有複數個第一電晶 體與至少一第二電晶體，每一電晶體與該電流轉電壓模組形成一 電流鏡，每一電晶體之源極係耦接柃該低雜訊放大器之一輸入端 以接收該輸入訊號，該第二電晶體之汲極係耦接於該負載。步驟 508控制各第一電晶體是耦接於該負載，以及步驟514控制各第 一電晶體不耦接於該負載，以使該放大電路於該高增益模式對該 輸入訊號所提供之一轉導值大致上等於該放大電路於該低增益 模式對該輸入訊號所提供之一轉導值。 於本發明另一實施例中，一低雜訊放大器包含一電壓調整電 路及一放大電路，該低雜訊放大器與前述實施例之低雜訊放大器 的不同點在於：該電壓調整電路包含有一固定電流源，用來提供 14 -參考電流，以及_可控 流源，用來於第—叫Η主轉電紐组，補於該固定電 及用來於第參考電流轉換為第―偏麗，以 ===她咐咖。上述可 ==模組之—實施例為-可調整阻抗元件，該可: 件於第—增益私時之阻抗值不·第二增益模式時之 阻抗值。糾，軸控_整電晶體MR寬舰可啸制齡 載的電流。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆朗本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知可切換增益式低雜減大n的電路圖。 第2圖為習知另一可切換增益式低雜訊放大器的電路圖。 第3圖為本發明低雜訊放大器操作於高增益模式下的電路圖。 第4圖為本發明低雜訊放大器操作於低增益模式下的電路圖。 第5圖為本發明可操作於不同增益模式下之低雜訊放大方法的流程圖。 【主要元件符號說明】 100、200、300 低雜訊放大器 1〇2 變壓電路 104 第二級 202 第一輸入級 1325221 204 第二放大級 206 切換電路 208 回授路徑 302 電壓調整電路 304 放大電路 3021 可控制式電流源 3022 電流轉電壓模組 3041 負載 3042 控制模組

Claims (1)

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9 十、申請專利範圍： 1.-種可操作於不同増紐式下的低雜訊放大^，包含有： -電壓調整電路’其於U益模式時提供—第—偏壓於一 共同輕接點，以及於一第二增益模式時提供一第二偏壓於 該共同耦接點’該第二偏壓係不同於該第一偏壓該電壓 調整電路包含有： 複數個可開關直流電流源，該複數個可開關直流電流源 為並聯且__共同减點，該複數個可_直流 電"IL源於該第一增盈模式時提供一第一電流，以及於 該第二增益模式時提供一第二電流，該第二電流係不 同於該第一電流；以及 一電流轉電壓模組，耦接於該複數個可開關直流電流源 之該共同耦接點，用來於該第一增益模式時將該第一 電流轉換為該第一偏壓，以及用來於該第二增益模式 ♦ 時將該第二電流轉換為該第二偏壓；以及 一放大電路’耦接於該電壓調整電路之該共同耦接點，用來於 該第一增益模式時依據該第一偏壓提供一第一線性轉換特 性以放大一輸入訊號來產生一輸出訊號，以及於該第二增 . 益模式時依據該第二偏壓提供一第二線性轉換特性以放大 * 該輸入訊號來產生該輸出訊號，該放大電路包含有： 一負載；以及 至少一電晶體，其耦接該電流轉電壓模組，該電晶體之 17 r =-端係輕接於該負载，用來輪出該輪出訊號，該電 晶體之第二端係耦接於該輸入訊號。 2·如申δ月專利蝴第1項所述之低雜訊放大器，其中社少-電 晶體包含有複數個第-電晶體與至少—第二電晶體^複數個第 一電晶體之閘極及該第二電晶體之閘極雜接在_起，且該放大 電路係—共閘（commongate)玫大電路。 3‘如申請專利範圍第2項所述之低雜訊放大器，其中該至少-電曰曰曰 體係包含有複數個第—電晶體與至少—第二電晶體，以及該放大 電路另包含有： 複數二固第-開關元件，分別麵接於該複數個第一電晶體之第一 端與該負載之間，每該第—開關元件_來控制相對應之一 遠第一電晶體是否輕接於該負載；以及 控制模組’輕接於該複數個第一開關元件，用來於該第一、暴 第一增益模式中，控制該複數個第-開關元件之導通狀態。 士申明專利辜ϋ圍第3項所述之低雜訊放大器’其中該放大電路 另包含有： 開關元件，輕接於該控制模組、該第二電晶體之第一端 · 與電遂源之間，用來控制該該第二電晶體是否經由該第二 開關元件以耦接於該電壓源； 嬸 18 isiym r· ζ • k . 其中該控制模組另用來於該第一、第二增益模式中，控制該第 ^ 二開關元件之導通狀態。 5. 如申请專利範圍第3項所述之低雜訊放大器，其中該放大電路 另包含有： 一第三電晶體’耦接於該負載及該第二電晶體之間，用來控制 流經該負載之電流。 6. 如申請專利範圍第5項所述之低雜訊放大器，其中該第三電晶 體之寬長比係可調的，且流經該負載之電流係與該第三電晶體之 " 寬長比相關。 7·如申請專利範圍第！項所述之低_臟大器，其中該電壓調整 電路係利用-電流齡構触至職大電路。 8.如申請翻賴第i彻述之健訊放Α||，其巾該放大電路 於該第-增益模式對該輸人訊麟提供H轉導值實質上等 於該放大電路於該第二増益模式對該輸人訊號所提供之一第二轉 導值。 -種可操作於不同増顧式下的低雜訊放大H，⑽再. 電壓調整電路，其於—第—增域式時提供—第—偏塵於一 共同祕點，以及於一第二增益模式時提供-第二偏壓於 19 9 9. 1325221 該共同輕接點，該第二偏壓係不同於該第_偏壓，該妨】 調整電路包含有： 一固疋電流源，用來提供一參考電流；以及 、 -可控制式電流轉電壓模組’輕接於該固定電流源’用1 來於該第-增益模式時將該參考電流轉換為該第— · 偏壓，以及用來於該第二增益模式時將該參考電流轉 換為該第二偏壓；以及 π 放大電路，_於該之料_無，时於 φ 該第-增益模式時依據該第一偏壓提供一第一線性轉換 特f生以放Α冑人如虎來產生—輪出訊號，以及於該第二 增益模式時依_第二偏壓提供—第二線_補_ 放大該輸入訊號來產生該輸出訊號，該放大電路包含有： 一負載；以及 至少-電晶體，其搞接該電流轉電厪模組，該電晶體之 ，端係麵接於該負载，用來輸出該輸出訊號，該電· 日日體之第二端係耦接於該輸入訊號。 ’其令該可控制式 申明專利範圍第9項所述之低雜訊放大器 電流轉電壓模可調式阻抗元件。 t 20