TWI388131B - 具有低電力消耗的接收器 - Google Patents

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Description

具有低電力消耗的接收器
本發明係關於一種通信系統的接收器，特別是有關於一種具有低電力消耗的接收器，係根據自動增益控制器控制可變增益放大器的增益，藉由電流調節單元使增益頻帶寬最佳化，以調節提供至所述可變增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)的運算放大器(Operational Amplifier)的電流，使電力消耗達到最小化。
請參閱第1圖，習知技術中具有可變增益放大器105的接收器100的方塊圖。接收器100包括天線101、低雜訊放大器(Low Noise Amplifier,LNA)102、頻率變換器103、頻道選擇濾波器(Channel Selection Filter,CSF)104、以及可變增益放大器(PGA)105。
習知的接收器100透過天線101接收超高頻信號，並將接收的高頻信號通過低雜訊放大器(LNA)102進行放大之後，在頻率變換器103降低信號的頻率。並且在頻道選擇濾波器(CSF)104中將不需要的干擾信號進行濾波之後，在可變增益放大器(PGA)105中進行放大，並以一定大小輸出到輸出端106。
另外，所述接收器100還包括射頻自動增益控制器(Radio Frequency Automatic Gain Control,RF AGC)107以及中頻自動增益控制器(Intermediate Frequency Automatic Gain Control,IF AGC)108。射頻自動增益控制器(RFAGC)107用於自動調節所述低雜訊放大器(LNA)102和頻率變換器103中的增益，以維持通過頻道選擇濾波器(CSF)104以前的超高頻信號於一定大小；中頻自動增益控制器(IF AGC)108用於自動調節所述頻道選擇濾波器(CSF)104和可變增益放大器(PGA)105中的增益，以維持通過頻道選擇濾波器(CSF)104以後的輸出端的信號於一定大小。
所述可變增益放大器(PGA)105根據來自中頻自動增益控制器108所施加的控制信號，當輸入至可變增益放大器(PGA)105中的信號過小時，調節成較大的增益(gain)，當輸入至可變增益放大器(PGA)105中的信號過大時，調節成較小的增益，以維持輸出於一定的大小。
請參閱第2圖，習知技術中利用運算放大器的可變增益放大器105的方塊圖。所述可變增益放大器105包括第一運算放大器(Operational Amplifier)201、第二運算放大器202、以及若干電阻R201、R202、R203、R204，且所述可變增益放大器105的傳達函數可以如公式1表示。
【公式1】
其中Vo=Vop-Vom,Vi=Vip-Vim，可變增益放大器(PGA)105對通信系統中與輸入信號成反比的增益進行映射(mapping)，亦即，在可變增益放大器(PGA)105中較大的輸入訊號對應于較小的增益，較小的輸入訊號對應于較大的增益，因而不管輸入信號的大小，使輸出信號維持於一定大小，並且能使得頻帶寬幅(Bandwidth，BW)、雜訊特性、1dB的輸出增益壓縮點(1dB Output Gain Compression Point)、三階輸出截止點(3rd Output Intercept Point,OIP3)等特性符合通信系統所期待的性能。
在一般情況下，若可變增益放大器(PGA)105需運作在高增益(high gain)的情況下，則需要利用具有高增益頻帶寬(Gain Bandwidth Product)的運算放大器來實現才能充分滿足一定的頻帶寬幅(BW)要求，但若需運作在低增益(low gain)的情況下，具有低增益頻帶寬的運算放大器就能充分滿足一定的頻帶寬幅(BW)要求。請參閱第5圖，習知技術中可變增益放大器(PGA)105的增益和頻帶寬幅之間關係示意圖。可變增益放大器(PGA)105的增益和頻帶寬幅之間關係的圖式，增益(Gain)和頻帶寬幅(BW)的變化關係如公式2，以反比例關係表現。
【公式2】
如上所述，對於使用同一運算放大器而言，可變增益放大器(PGA)105的增益越大，頻帶寬幅(BW)越小。現有的可變增益放大器(PGA)105為了滿足通信系統的性能，尤其是為了滿足頻帶寬幅而如下設計。假設在最壞的(worst)條件下，並以可變增益放大器(PGA)105為高增益(high gain)的情況作為基準，再決定運算放大器的增益頻帶寬。
為了得到高增益頻帶寬，將可變增益放大器(PGA)105為高增益的情況作為基準，提供較大電流至運算放大器，因此在可變增益放大器(PGA)105僅需要低增益的情況下，或者在輸出信號以維持一定大小的情況下，也都統一提供較大電流至運算放大器，而存在消耗不必要電力的問題。
另外，儘管因輸入信號非常微弱而需要可變增益放大器(PGA)105以高增益來工作的情況不多，但仍為了高增益頻帶寬而必須提供較大的電流。而且可變增益放大器的增益範圍還需要預留一定邊限(margin)的設計，因此提供給運算放大器的電流比實際工作領域中所需電流還更多，因此存在消耗不必要電力的問題。
本發明的目的在於提供一種具有低電力消耗的接收器，係根據自動增益控制器控制可變增益放大器的增益，利用電流調節單元使增益頻帶寬最佳化，並據以調節施加於兩級放大器中第一級的基準電流，藉以根據不同的增益而實施充分的增益頻帶寬，也能顯著減少因不必要的電流引起的電力消耗。
為了達到上述目的，本發明具有低電力消耗的接收器包括低雜訊放大器、頻率變換器、頻道選擇濾波器、可變增益放大器、以及中頻自動增益控制器，所述低雜訊放大器用於放大由天線接收的超高頻信號，所述頻率變換器用於降低所述超高頻信號的頻率，所述頻道選擇濾波器用於濾除所述低頻率信號的干擾信號，所述可變增益放大器將被濾波後的信號進行放大後以一定大小輸出，所述中頻自動增益控制器根據輸入信號產生中頻自動增益控制資訊來調節所述可變增益放大器的增益，本發明具有低電力消耗的接收器主要包括電流調節單元，分別連接於所述中頻自動增益控制器和所述可變增益放大器，用於接收所述中頻自動增益控制資訊後，根據所述中頻自動增益控制資訊，以決定所述可變增益放大器的最佳化增益頻帶寬，並根據所述最佳化增益頻帶寬，調節提供於所述可變增益放大器的電流，其中所述最佳化增益頻帶寬包括第一增益頻帶寬以及第二增益頻帶寬，所述第一增益頻帶寬係大於所述第二增益頻帶寬。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參閱第6圖，根據本發明實施例中具有增益頻帶寬的最佳化來降低電力消耗的電流調節單元的接收器600。所述接收器600包括天線601、低雜訊放大器(LNA)602、頻率變換器603、頻道選擇濾波器(CSF)604、可變增益放大器(PGA)605、射頻自動增益控制器(RF AGC)607、以及中頻自動增益控制器608，所述低雜訊放大器(LNA)602用於放大由天線601接收的超高頻信號，所述頻率變換器603用於降低所述超高頻信號的頻率，所述頻道選擇濾波器(CSF)604用於濾除所述低頻率信號的干擾信號，所述可變增益放大器(PGA)605將被濾波後的信號進行放大後以一定大小輸出至輸出端606，所述中頻自動增益控制器608根據輸入信號產生中頻自動增益控制資訊來調節所述可變增益放大器(PGA)605的增益。所述接收器600還包括電流調節單元700，所述電流調節單元700分別連接於所述中頻自動增益控制器(IF AGC)608和可變增益放大器(PGA)605，用於接收所述中頻自動增益控制資訊後，根據所述中頻自動增益控制資訊，以決定所述可變增益放大器(PGA)605的最佳化增益頻帶寬，並根據所述增益頻帶寬，調節提供於所述可變增益放大器(PGA)605的電流，其中所述最佳化增益頻帶寬包括第一增益頻帶寬以及第二增益頻帶寬，所述第一增益頻帶寬大於所述第二增益頻帶寬。
請參閱第7圖，根據本發明實施例中電流調節單元700的結構圖。所述電流調節單元700包括中頻自動增益控制資訊接收模組710、增益頻帶寬映射模組720以及基準電流控制模組730。所述中頻自動增益控制資訊接收模組710連接於所述中頻自動增益控制器(IF AGC)608，用於接收所述中頻自動增益控制資訊，其中所述中頻自動增益控制資訊是一增益控制信號，係根據所述可變增益放大器(PGA)605的輸入信號來調節所述增益控制信號；所述增益頻帶寬映射模組720根據接收的中頻自動增益控制資訊，決定實現所述可變增益放大器(PGA)605的運算放大器的增益頻帶寬的大小；基準電流控制模組730用於形成相對應於所述最佳化增益頻帶寬的基準電流，以提供所述基準電流至所述可變增益放大器(PGA)605。
隨後，請參閱第3圖，根據本發明實施例中實現可變增益放大器605的兩級運算放大器的示意圖，並且第3圖參照第2圖作為本發明的一實施例。可變增益放大器(PGA)605包括第一運算放大器201及第二運算放大器202，由兩級放大器(2 Stage Operational Amplifier，2 Stage OP AMP)構成。所述兩級放大器包括輸入信號(Vip、Vim)、以及由電容(C301)和電阻(R301)構成的回饋電路，所述輸入信號(Vip、Vim)直接輸入於第一級(1st stage)電路；由電容(C301)和電阻(R301)構成的回饋電路從第二級(2nd stage)電路形成輸出信號(Vop、Vom)。另外，在所述第一級電路施加第一基準電流(iref1)，並於第二級電路施加第二基準電流(iref2)。
請參閱第4圖，根據本發明實施例中兩級運算放大器的電路圖，並且第4圖參照第3圖作為本發明的電路的一實施例。在所述兩級放大器中，第一三級管至第五三級管M1、M2、M3、M4、M5構成電流鏡(current mirror)，所述兩級放大器還包括第六三級管M6以及第七三級管M7。所述第一三級管M1和第二三級管M2的共同端子連接第五三級管M5的一個端子，其中所述第五三級管M5的閘極受到偏置電壓(Vbias)控制。另外，第二三級管M2的另一端子連接於第六三級管M6的閘極，所述第六三級管M6的閘極和第六三級管M6的一個端子之間設置一電容(Cc)，亦即所述電容(Cc)的一端與第六三級管M6的一端連接，所述偏置電壓(Vbias)施加於第七三級管M7的閘極。
從下述的公式3所知，如上所述的兩級放大器(2 Stage OP AMP)的增益頻帶寬與第一三級管M1的跨導(transconductance)gm 成正比，從下述的公式4所知，所述跨導gm 與通過第五三級管M5的電流I以開平方根的倍數成正比。
【公式3】
【公式4】
接著，根據公式3以及公式4，減少兩級放大器的增益頻帶寬能減少通過運算放大器的不必要電流(I)，也能減少接收器所消耗的電力。
雖然減少所述兩級放大器的第一級(1st stage)的增益頻帶寬時，放大器的整體增益變小，但從上述公式1可以知道，可變增益放大器(PGA)的傳達函數是由多個電阻的比例式來表示，故與運算放大器的增益無關，因此在不影響所述可變增益放大器(PGA)的整體性能，還能減少電力的消耗。
繼續參閱第6圖以及第7圖，在所述電流調節單元700中，可變增益放大器(PGA)605利用中頻自動增益控制資訊所控制的增益，以決定達到最佳增益頻帶寬的基準電流，並且所述基準電流控制模組730提供所述基準電流至實現所述可變增益放大器(PGA)605的兩級放大器的第一級放大器。
所述中頻自動增益控制資訊接收模組710接收包括中頻自動增益控制資訊，所述中頻自動增益控制資訊代表可變增益放大器(PGA)605的增益(gain)值。根據可變增益放大器(PGA)605的輸入信號大小，中頻自動增益控制器(IF AGC)608控制所述可變增益放大器(PGA)605的增益(gain)值。即，在輸入信號具有較小值的情況下，使得可變增益放大器(PGA)605具有較大的增益；在輸入信號具有較大值的情況下，使得可變增益放大器(PGA)605具有較小的增益；在輸入信號及輸出信號維持一定大小的情況下，由於所述中頻自動增益控制器(IF AGC)608不工作，因此可變增益放大器(PGA)605在一定的增益下繼續工作。這樣，根據輸出信號及輸入信號的變化，接收高增益(high gain)、低增益(low gain)、或者維持一定增益的中頻自動增益控制資訊。
所述增益頻帶寬映射模組720，根據可變增益放大器(PGA)605所要實現的增益來映射(mapping)，以決定出最佳的增益頻帶寬。根據所述中頻自動增益控制資訊，在所述可變增益放大器(PGA)605具有高增益的情況下，所述增益頻帶寬映射模組720映射出所述第一增益頻帶寬；在所述可變增益放大器(PGA)605具有低增益的情況下，，所述增益頻帶寬映射模組720映射出所述第二增益頻帶寬，由於僅以較小的增益頻帶寬就已足夠就能充分滿足一定的頻帶寬幅(BW)要求。因此適當地進行增益與增益頻帶寬的映射。
進一步來說，所述基準電流控制模組730用於控制提供至所述兩級放大器的第一級的基準電流，當在所述增益頻帶寬映射模組720映射出需要較大的第一增益頻帶寬的情況下，所述基準電流控制模組730將較大的電流作為基準電流而提供至兩級放大器的第一級放大器，其中所述較大的電流係根據增益和頻帶寬幅運算出來，亦即所述基準電流能夠滿足增益頻帶寬。當在所述增益頻帶寬映射模組720映射出需要較小的第二增益頻帶寬的情況下，將較小值的電流作為基準電流而提供至兩級放大器的第一級放大器。
如上所述，根據輸入至可變增益放大器(PGA)605的輸入信號，自動控制所述可變增益放大器(PGA)605的增益，以決定最佳的增益頻帶寬，並為了實現所決定的增益頻帶寬，調節施加於兩級放大器中第一級的基準電流，藉以根據不同的增益而實施出充分的增益頻帶寬，也能顯著減少因不必要的電流引起的電力消耗。
雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．接收器
101．．．天線
102．．．低雜訊放大器
103．．．頻率變換器
104．．．頻道選擇濾波器
105．．．可變增益放大器
106．．．輸出端
107．．．射頻自動增益控制器
108．．．中頻自動增益控制器
600．．．接收器
601．．．天線
602．．．低雜訊放大器
603．．．頻率變換器
604．．．頻道選擇濾波器
605．．．可變增益放大器
606．．．輸出端
607．．．射頻自動增益控制器
608．．．中頻自動增益控制器
700．．．電流調節單元
710．．．中頻自動增益控制資訊接收模組
720．．．增益頻帶寬映射模組
730．．．基準電流控制模組
第1圖是習知技術中具有可變增益放大器的接收器的方塊圖；
第2圖是習知技術中利用運算放大器的可變增益放大器的方塊圖；
第3圖係根據本發明實施例中構成可變增益放大器的兩級運算放大器的方塊圖；
第4圖係根據本發明實施例中兩級運算放大器的電路圖；
第5圖是習知技術中可變增益放大器的增益和頻帶寬幅之間關係示意圖；
第6圖係根據本發明實施例中具有電流調節單元的接收器的方塊圖；以及
第7圖係根據本發明實施例中電流調節單元的結構圖。
600．．．接收器
601．．．天線
602．．．低雜訊放大器
603．．．頻率變換器
604．．．頻道選擇濾波器
605．．．可變增益放大器
606．．．輸出端
607．．．射頻自動增益控制器
608．．．中頻自動增益控制器

Claims (5)

  1. 一種具有低電力消耗的接收器，所述接收器包括一低雜訊放大器、一頻率變換器、一頻道選擇濾波器、一可變增益放大器、以及一中頻自動增益控制器，所述低雜訊放大器用於放大由天線接收的一超高頻信號，所述頻率變換器用於降低所述超高頻信號的頻率，所述頻道選擇濾波器用於濾除所述低頻率信號的一干擾信號，所述可變增益放大器將被濾波後的信號進行放大後以一定大小輸出，所述中頻自動增益控制器根據輸入信號產生一中頻自動增益控制資訊來調節所述可變增益放大器的增益，所述接收器包括：一電流調節單元，分別連接於所述中頻自動增益控制器和所述可變增益放大器，用於接收所述中頻自動增益控制資訊後，根據所述中頻自動增益控制資訊，以決定所述可變增益放大器的一最佳化增益頻帶寬，並根據所述最佳化增益頻帶寬，調節提供於所述可變增益放大器的電流，其中所述最佳化增益頻帶寬包括一第一增益頻帶寬以及一第二增益頻帶寬，所述第一增益頻帶寬大於所述第二增益頻帶寬。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有低電力消耗的接收器，其中所述電流調節單元還包括：一中頻自動增益控制資訊接收模組，連接於所述中頻自動增益控制器，用於接收所述中頻自動增益控制資訊，其中所述中頻自動增益控制資訊是一增益控制信號，係根據所述可變增益放大器的一輸入信號來調節所述增益控制信號；一增益頻帶寬映射模組，根據所述中頻自動增益控制資訊，決定所述最佳化增益頻帶寬；以及一基準電流控制模組，用於形成相對應於所述最佳化增益頻帶寬的一基準電流，以提供至所述可變增益放大器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具有低電力消耗的接收器，其中係根據所述中頻自動增益控制資訊，所述可變增益放大器具有高增益的情況下，所述增益頻帶寬映射模組映射出所述第一增益頻帶寬，且所述基準電流控制模組依據所述第一增益頻帶寬提供較大的電流作為所述基準電流至所述可變增益放大器。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之具有低電力消耗的接收器，其中係根據所述中頻自動增益控制資訊，所述可變增益放大器具有低增益的情況下，所述增益頻帶寬映射模組映射出所述第二增益頻帶寬，且所述基準電流控制模組依據所述第二增益頻帶寬提供較小的電流作為所述基準電流至所述可變增益放大器。
  5. 如申請專利範圍第2、3或4項所述之具有低電力消耗的接收器，其中將所述基準電流提供至構成所述可變增益放大器的兩級放大器中的第一級放大器。
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