TWI499201B - 應用於射頻接收器的低雜訊放大器 - Google Patents

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Description

應用於射頻接收器的低雜訊放大器
本發明是關於一種低雜訊放大器，且特別是關於一種應用於射頻接收器的低雜訊放大器。
在進行頻率轉換前，射頻(radio frequency，簡稱為RF)接收器內的低雜訊放大器(low-noise amplifier，簡稱為LNA)被用於來提升輸入射頻信號的強度，這對於防止混頻器的雜訊影響整體前端(front-end)的雜訊表現相當重要。
典型的射頻接收器必須能在受到強烈干擾時，處理微弱的目標信號。單一而強烈的干擾會使射頻接收器內的低雜訊放大器達到飽和狀態，導致目標信號的增益受到限制。這種情形稱為屏蔽(blocking)，且這種單一而強烈干擾稱為屏蔽干擾(blocker)。
再者，由於低雜訊放大器的非線性特性，這些干擾會在信號通道產生非預期的調變分量。使得射頻接收器處理目標信號時不可避免地一併處理這些調變分量，而產生後續影響。這些都是接收器的靈敏度(處理非常微弱信號的能力)被影響而導致鈍化/衰減(desensitization)的例子。
為了解決由調變分量與屏蔽干擾所產生的信號鈍化(desensitization)問題，通常會使用表面聲波濾波器(surface acoustic wave filter，簡稱為SAW)。表面聲 波濾波器是一種經常被用在射頻接收器的帶通濾波器，據以防止干擾影響低雜訊放大器。
但是，表面聲波濾波器無法被整合於晶片內部，且其製造成本相當昂貴。因此，為了減少製造成本，如何在設計射頻接收器時，避免使用表面聲波濾波器成為一個相當重要的議題。
本發明之一方面係為一種低雜訊放大器，包含：複數個放大器模組，耦接並共用一共同輸出節點，該複數個放大器模組包含該複數個放大器模組透過交流方式或直流方式耦接的一共同輸入端，用以接收一頻段內射頻信號，其中，該複數個放大器模組係根據不同的偏壓而運作。
本發明之另一方面係為一種低雜訊放大器，包含：複數個放大器模組，具有一共同輸入端，用以接收一輸入射頻信號，並輸出一電流至一共同輸出節點；其中，該複數個放大器模組透過交流方式或直流方式耦接至該共同輸入端，相較於以交流方式耦接至共同輸入端的該複數個放大器模組之一，該複數個放大器模組之一可接收較大電壓範圍的輸入射頻信號。
本發明之再一方面係為一種不具表面聲波濾波器的接收器，包含一天線；一低雜訊放大器，包含：複數個放大器模組，具有一共同輸入端，其係使該複數個放大器模組透過交流方式或直流方式耦接，該複數個放大器模組係自該天線接收一輸入射頻信號，並輸出一放大射頻信號至 一共同輸出節點；其中，該複數個放大器模組係根據不同的偏壓運作；以及，一混頻器，其降轉(down converting)該放大射頻信號的一總和。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下將說明本發明構想所舉出將低雜訊放大器應用於接收器的例子。僅管下述的例子是將本發明應用至不具表面聲波濾波器的射頻接收器或傳送器的情形，但是本發明亦可被應用於各種廣義的通訊領域、雷達、輻射學應用(radiometry application)等。
是故，本發明的構想不應被侷限於此處所舉出的例子，而可由本技術領域中具有通常知識者所靈活應用於其他用途。
請參見第1圖，其係根據本發明構想之較佳實施例，而舉出之零差(homodyne)無線接收器之方塊圖。在此圖式中，射頻接收器100包含：天線102、低雜訊放大器104，以及一對降轉混頻器106、108。
降轉混頻器106、108接收具有90度相位差的本地端震盪信號L0，據此對低雜訊放大器204輸出的放大射頻信號進行降頻。
根據前述說明可以得知，在天線102至低雜訊放大器104的信號路徑中，並未使用表面聲波濾波器，因此，射頻接收器100是一個不具表面聲波濾波器的接收器。
在另一實施例中，射頻接收器100則包含了一個表面聲波濾波器，其係於低雜訊放大器104前端提供帶通濾波的功能。
低雜訊放大器104與降轉混頻器106、108可被整合於同一個積體電路晶片。
若低雜訊放大器104是一個差動放大器時，射頻接收器100可更包含一個平衡-不平衡器(BALanced UNbalanced，簡稱為balun)。利用平衡-不平衡器將由天線102所接收的不平衡的輸入射頻信號轉換為平衡的輸入射頻信號。之後，再將轉換得出的結果輸入至低雜訊放大器204的不同輸入端。
關於如何將本發明構想之較佳實施例應用於其他類型的射頻接收器100與其他接收器及/或傳送器，屬於本領域習知技術之人所知悉的。
請參見第2圖，其係根據本發明構想之較佳實施例所提出之低雜訊放大器的方塊圖。低雜訊放大器200包含兩個彼此並聯耦接的互導放大器202、204，這兩個互導放大器202、204均用於將頻段內射頻信號的電壓VIN 轉換為輸出端的電流。互導放大器202、204也可被視為放大器模組。
一個電容214以交流(alternative current，AC)方式耦接於互導放大器202、204間。此外，互導放大器202以直流(direct-current，DC)方式耦接至共同輸入端206。而共同輸入端206以交流方式耦接至互導放大器204的輸入端208。
由於互導放大器202、204共用共同輸出節點210，互導放大器202、204輸出的電流被加總以作為低雜訊放大器的放大輸出電流IOUT 。
根據本發明構想之一實施例，第2圖中的互導放大器202、204最好為不同的放大器。在此實施例中，互導放大器202是一個A類放大器；此外，互導放大器204則是一個B類放大器。
對於小信號而言，A類放大器具有良好的線性放大特性與雜訊指數(noise figure，簡稱為NF)。然而，A類放大器卻容易因為屏蔽干擾而產生增益壓縮的現象。特別是在不使用表面聲波濾波器的情況，由於屏蔽干擾導致低雜訊放大器飽和的緣故，低雜訊放大器往往無法提供目標信號所需的增益。
相對地，B類放大器對輸入信號具有較大的電壓餘度，使得B類放大器較不容易產生增益壓縮的現象。但是，對於小訊號而言，B類放大器的放大線性與雜訊指數相對較差。
換言之，當屏蔽干擾小時，A類放大器較為理想；當屏蔽干擾大時，B類放大器較為理想。從另一個角度來看，也可解讀成：當目標信號較強時，應該選用A類放大器；當目標信號較弱時，則應使用B類放大器。
如第2圖所說明的，互導放大器202、204以並聯方式耦接。因此，根據輸入信號之大小，選用不同類型的互導放大器，使低雜訊放大器200能夠根據屏蔽干擾的功率變化而調整其運作。
請參見第3圖，其係根據本發明構想之一實施例的差動低雜訊放大器之示意圖。差動低雜訊放大器300包含兩個具有相同規格的差動互導放大器302、304。
以差動互導放大器302為例，差動互導放大器302包含一對共源極放大器。在差動互導放大器302中，NMOS電晶體M2P 與M2N 的源極分別透過電感LP 、LN 接地。
NMOS電晶體M2P 與M2N 的閘極被當作差動互導放大器302的非反向端與反相端，並且透過電容CP 與CN 而以交流方式耦接，用以當該輸入射頻信號的電壓介於一預設範圍內時，接收差動輸入信號VINP 與VINN 。
提供給NMOS電晶體M2P 與M2N 的偏壓BIAS2P 與BIAS2N ，實質決定了差動互導放大器302的類別。偏壓BIAS2P 與BIAS2N 之間可能具有些微的差異，用以降低二階交越調變(second order intermodulation，簡稱為IM2)。
NMOS電晶體M2P 、M2N 將差動輸入電壓VINP 與VINN 轉換成差動電流IOUT2N 與IOUT2P ，分別由NMOS電晶體M2P 與M2N 的汲極輸出。互導放大器304的運作可以類推互導放大器302的運作方式。
須留意的是，NMOS電晶體M1P 的閘極以交流方式耦接至NMOS電晶體M2P 的閘極，其係使NMOS電晶體M1P 與M2P 在不同的偏壓下運作。分別由互導放大器302與304輸出的電流IOUT2N 與電流IOUT1N ，被加總後形成輸出電流IOUT-N 。
同理，電流IOUT2P and IOUT1P 被加總後形成輸出電流IOUT-P 。輸出電流IOUT-P 與IOUT-N 形成差動低雜訊放大器300的差動輸出電流。
換言之，輸出電流IOUT1N 、IOUT2N 、IOUT1P 與IOUT2P 可分別被視為一個放大的射頻信號，一併形成差動低雜訊放大器300的差動輸出電流。差動輸出電流相當於無線接收器中，被混頻器降轉的放大射頻信號的總和。
在一實施例中，互導放大器302被當作B類或AB類放大器偏壓，而互導放大器304被當作A類放大器偏壓。舉例來說，偏壓BIAS2P and BIAS2N 被設計為大於或等於NMOS電晶體M2P 、M2N 的臨界電壓，使得互導放大器302成為B類放大器或AB類放大器。
通常，因為積體電路製程的緣故，NMOS電晶體M1P 、M2P 、M1N 、M2N 實質具有相同的臨界電壓VNTH 。由於最大電壓VNTOP 是NMOS的飽和電壓，如果偏壓BIAS1P 與BIAS1N 大約介於臨界電壓VNTH 與最大電壓VNTOP 中央時，互導放大器304可作為A類放大器運作之。亦即，若將最大電壓VNTOP 施加於NMOS電晶體的閘極時，將使NMOS電晶體趨於飽和。
因此，互導放大器302對於輸入信號的電壓餘度相當於VNTOP 與VNTH 的差值，且大約是互導放大器304的輸入信號的電壓餘度的兩倍。
因為互導放大器302對於輸入電壓具有較大的電壓餘度，如果一個屏蔽干擾產生於差動輸入信號(輸入電壓VINP 與VINN )，互導放大器304可能會產生增益壓縮(gain compression)的現象，而互導放大器302卻不會。
請參見第4圖，其係差動低雜訊放大器300的模擬結果。曲線402、404、406分別對應於互導放大器301、互導放大器304，以及差動低雜訊放大器300的增益(互導)。
在此圖式中，屏蔽干擾的功率介於-40dBm至20dBm間。當屏蔽干擾較弱時，差動低雜訊放大器300的增益主要取決於互導放大器304。當屏蔽干擾的功率較高時，互導放大器304的增益因為增益壓縮的緣故而明顯地減小。但是，對於互導放大器302而言，因為其具有較大的電壓餘度，因此差動低雜訊放大器300的增益由互導放大器302主導。
也就是說，當屏蔽干擾的功率大於-5dBm，導致差動低雜訊放大器300的增益減少時，其增益減少的幅度並不會像互導放大器304的增益所減少的幅度一樣顯著。互導放大器302與304可以根據各自的增益與偏壓而進行最佳化調整，使得差動低雜訊放大器300能夠在具有較大的屏蔽干擾時，提供足夠的增益。因此，此種作法特別適用於不具表面聲波濾波器的接收器。
請參見第5圖，其係根據本發明構想之一實施例之低雜訊放大器500之示意圖。與第3圖的差動低雜訊放大器300不同的是，第3圖使用一對輸入端與一對輸出端，而第5圖的低雜訊放大器500僅具有一個輸入端與一個輸出端。
兩個互導放大器502、504以並聯方式耦接，彼此共用一個輸出節點，並以交流方式耦接至共同輸入端，用以接收輸入射頻信號VIN 。其中，電容CP 將互導放大器504耦接於該共同輸入端，使得當輸入射頻信號VIN 的電壓介於一預設範圍內時，互導放大器504接收該輸入射頻信號。互導放大器502與504具有相同的放大器規格，亦即， 兩者均為共源極放大器。
由於第5圖的低雜訊放大器500與第3圖的差動低雜訊放大器300的左側相似，低雜訊放大器500的運作方式對於本領域習知技藝人士來說，可以根據第3圖的說明而類推得出。
綜上所述，雖然本發明已以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‧‧‧射頻接收器
102‧‧‧天線
104‧‧‧低雜訊放大器
106、108‧‧‧降轉混頻器
200、500‧‧‧低雜訊放大器
202、204、502、504‧‧‧互導放大器
210‧‧‧共同輸出節點
214‧‧‧電容
206‧‧‧共同輸入端
208‧‧‧輸入端
300‧‧‧差動低雜訊放大器
302、304‧‧‧差動互導放大器
402、404、406‧‧‧曲線
第1圖，其係根據本發明構想之一實施例，而舉出零差(homodyne)無線接收器之方塊圖。
第2圖，其係根據本發明構想之一實施例所提出之低雜訊放大器的方塊圖。
第3圖，其係根據本發明構想之一實施例的差動低雜訊放大器之示意圖。
第4圖，其係差動低雜訊放大器的模擬結果。
第5圖，其係根據本發明構想之一實施例，所提供的低雜訊放大器之示意圖。
200‧‧‧低雜訊放大器
202、204‧‧‧互導放大器
210‧‧‧共同輸出節點
214‧‧‧電容
206‧‧‧共同輸入端
208‧‧‧輸入端

Claims (16)

  1. 一種低雜訊放大器，包含：複數個放大器模組，耦接並共用一共同輸出節點，該複數個放大器模組包含該複數個放大器模組透過交流方式(AC)或直流方式(DC)耦接的一共同輸入端，用以接收一頻段內射頻信號；其中，該複數個放大器模組係根據不同的偏壓而運作，且該複數個放大器模組所輸出的電流被加總後輸出至該共同輸出節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中該複數個放大器模組包含一A類放大器，以及一B類放大器與一AB類放大器其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，更包含一電容，用以將該等放大器模組之一者耦接於該共同輸入端，當該輸入射頻信號的電壓介於一預設範圍內時，耦接於該電容之該放大器模組將接收該輸入射頻信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中該複數個放大器模組為互導放大器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中該等放大器模組具有差動電路配置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊放大器，其中該複數個放大器模組為共源極放大器。
  7. 一種低雜訊放大器，包含：複數個放大器模組，具有一共同輸入端，用以接收一輸入射頻信號，且該複數個放大器模組所輸出的電流被加 總後輸出至一共同輸出節點；其中，該複數個放大器模組透過交流方式或直流方式耦接至該共同輸入端，相較於以交流方式耦接至共同輸入端的該複數個放大器模組之一，該複數個放大器模組之一可接收較大電壓範圍的輸入射頻信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器，其中，該複數個放大器模組包含一A類放大器，以及一B類放大器與一AB類放大器其中之一。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器，更包含一電容，用以將該等放大器模組之一者耦接於該共同輸入端，當該輸入射頻信號的電壓介於一預設範圍內時，耦接於該電容之該放大器模組將接收該輸入射頻信號。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器，其中該複數個放大器模組具有差動電路結構。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊放大器，其中該等放大器模組為共源極放大器。
  12. 一種不具表面聲波濾波器的接收器，包含一天線；一低雜訊放大器，包含：複數個放大器模組，具有一共同輸入端，其係使該複數個放大器模組透過交流方式或直流方式耦接，該複數個放大器模組係自該天線接收一輸入射頻信號，並輸出一放大射頻信號至一共同輸出節點；其中，該複數個放大器模組係根據不同的偏壓運作；以及一混頻器，其降轉(down converting)該複數個放大 器模組所輸出之該放大射頻信號的一總和。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之接收器，其中該複數個放大器模組包含一A類放大器，以及一B類放大器與一AB類放大器其中之一。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之接收器，該低雜訊放大器更包含一電容，用以將該等放大器模組之一者耦接於該共同輸入端，當該輸入射頻信號的電壓介於一預設範圍內時，耦接於該電容之該放大器模組將接收該輸入射頻信號。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之接收器，其中該複數個放大器模組具有差動電路結構。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之接收器，其中該等放大器模組為共源極放大器。
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