專利名稱：低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低噪聲放大器(LNA)，具體涉及一種適用于大動態(tài)范 圍操作的LNA結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
LNA的輸入端通常必須與驅(qū)動該LNA的信號源的電阻匹配。通常采 用的用于產(chǎn)生所需輸入電阻的方法是電感源極退化。圖1中示出了共射 共基放大器差分MOS LNA的輸入級。在圖中，M0SFET M3和M4分別作為 M0SFET M1和M2的共射共基放大器，而且其柵極連接到恒定偏壓。
當以柵極驅(qū)動時，純粹的MOSFET的輸入阻抗主要為電容性。因此， 需要采用某種形式的反饋，以便在使用以柵極驅(qū)動的MOSFET時產(chǎn)生實 輸入阻抗。圖l中的電路的RF+輸入的阻抗具有實分量，因為MOSFET在 其柵極和源極之間表現(xiàn)出相位滯后。因此，在M1的柵極看來，Ml的源 極處的電感的相位貢獻減少了90'。對圖l中電路的小信號模型進行分 析，產(chǎn)生針對M1的輸入阻抗的如下結(jié)果(為簡便起見，這里忽略了M1 的柵-漏電容的影響。由于MOSFET是共射共基放大器，因此忽略Cgd,不 會對如下結(jié)果有太大的改變)
源極退化電感U,的影響(90°相位超前)被看作大小為I^i的實
輸入電阻(無相位超前)。上式中表示的LNA的輸入電阻不純粹為電阻 性的，包含電抗性成分。該電抗性成分在LNA的諧振頻率上消失。
在上述論據(jù)和電路圖中，所使用的有源器件是MOSFET。應(yīng)當指出， 即使當LNA使用雙極性晶體管時，上述所有論據(jù)也成立。即使雙極性器
件已經(jīng)具有其自身的實輸入電阻(與MOSFET情況下的電容性相對)，通 常其仍需要使用電感退化以提供該器件的輸入電阻并改進電路的線性 度。這導(dǎo)致與圖l所示相似的電路，但所有的MOSFET都被雙極性晶體管 所取代。
通常LNA必須能夠處理寬動態(tài)范圍的信號。當輸入信號較小時， LNA應(yīng)當具有高增益和低噪聲指數(shù)，而線性度并不那么重要。當輸入信 號較大時，LNA應(yīng)當具有低增益和高線性度，而噪聲指數(shù)并不那么重要。 這提出了對M1和M2的跨導(dǎo)(上式中的gj的設(shè)計的相沖突的要求。
為了獲得良好的增益和噪聲指數(shù)，g^應(yīng)當以小的柵-源過驅(qū)動而 最大化。這限制了電路的線性度?？梢允褂秒娐分幸呀?jīng)存在的電感退 化，以助于稍許改進線性度。然而，為了獲得很高的線性度和低增益， gm,應(yīng)當以大的柵-源過驅(qū)動而最小化。因此，能夠?qū)?amp;進行修改、以 便為了高動態(tài)范圍操作而針對噪聲指數(shù)或線性度對LAN進行優(yōu)化是重要的。
如果通過修改M1的偏置電流而改變&，則電路的輸入電阻也會立 即改變。這通過上式對Z^進行預(yù)測。這破壞了LNA的輸入阻抗匹配。 輸入阻抗匹配是很重要的，特別是在LNA由SAW濾波器驅(qū)動的情況下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的LNA結(jié)構(gòu)，其保持大動態(tài)范圍上的 輸入阻抗匹配。期望使LNA的增益、噪聲指數(shù)和線性度在大動態(tài)范圍上 最優(yōu)化。
LNA以唯一的方式提供了若干粗糙的AGC設(shè)置(增益模式)，其保 持這些增益模式下的輸入阻抗匹配。每一種增益模式可以最優(yōu)化，以 提供特定的增益、噪聲指數(shù)和線性度，同時在所有情況下維持輸入阻 抗匹配。新的結(jié)構(gòu)在單個級中實現(xiàn)了很高性能的LNA，這節(jié)省了功率。
本發(fā)明提供了一種具有多種增益模式的放大器，包括與輸入相 連的、并行設(shè)置的多個共射共基放大器輸入晶體管；與所述輸入晶體 管相連、并具有可變阻抗的退化級；以及開關(guān)裝置，用于通過使所述 輸入晶體管中的一個或更多個截止并改變所述退化級的阻抗而在所述
放大器的不同模式之間切換。
所述退化級可以包括多個退化元件，而且所述開關(guān)裝置通過旁路 一個或更多個所述退化元件而可操作地改變所述退化級的阻抗。所述 多個退化元件可以串聯(lián)地設(shè)置。
所述開關(guān)裝置可被設(shè)置為使得所述退化級的阻抗與截止的輸入 晶體管的個數(shù)有關(guān)。
所述放大器可被設(shè)置為使得其輸入阻抗與截止的輸入晶體管的 個數(shù)以及所述退化級的阻抗有關(guān)，而且優(yōu)選地，所述開關(guān)裝置被設(shè)置 為使得所述退化級的阻抗隨著截止的輸入晶體管的個數(shù)而變化，從而 所述放大器的輸入阻抗在每種增益模式下大致相同。
所述開關(guān)裝置可包括晶體管，該晶體管可以是MOSFET或雙極性 晶體管。
所述退化元件可以是電感元件。所述電感元件可包括沿其長度而 抽頭以提供兩個電感器部分的電感器。 所述退化元件可以是電阻元件。
所述輸入晶體管可從包括MOSFET和雙極性晶體管的組中選擇。
在實施例中，提供了一種放大器電路，包括接收各個輸入信號的 第一對共射共基放大器輸入晶體管；與所述輸入晶體管的各個晶體管 相連的第一退化元件并相應(yīng)地與所述第一退化元件相連；與所述第一 對共射共基放大器輸入晶體管并聯(lián)設(shè)置的第二對共射共基放大器輸入 晶體管；與所述第一退化元件中各個元件串聯(lián)設(shè)置的第二對退化元件； 以及開關(guān)，用于旁路所述第二退化元件，其中，當所述第二輸入晶體 管導(dǎo)通時，所述第二退化元件被所述開關(guān)旁路。
用于所述輸入晶體管的共射共基放大器可以是晶體管。輸入晶體 管及其共射共基放大器可以是MOSFET，輸入晶體管在其柵極接收輸入 信號，并在其漏極連接至共射共基放大器晶體管，以及在其源極連接 至所述退化元件。該共射共基放大器晶體管可以在其漏極連接至臨近 的共射共基放大器晶體管。
所述開關(guān)可以是晶體管，該晶體管通過其漏極連接在各個退化元 件對之間，并連接至第二對輸入晶體管的共射共基放大器的柵極。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的共射共基放大器差分M0S LNA的輸入級；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的共射共基放大器差分M0S LNA的輸入級； 圖3示出了抽頭電感器螺線； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的放大器的一般情況。
具體實施例方式
公開了一種用于在放大前處理信號的裝置。在下文描述中，示出 多個特定細節(jié)以提供對本發(fā)明實施例的徹底理解。然而明顯的是，對 于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，不一定非要采用這些特定細節(jié)來實踐本發(fā)明。
圖2所示的LNA具有兩種增益模式-高增益模式和低增益模式。高增
益模式提供了低線性度的良好增益和噪聲指數(shù)-其對于小輸入信號是 好的。低增益模式提供了較低增益和較高噪聲指數(shù)的良好線性度-其對 于大輸入信號是好的。通過數(shù)字信號LNU每LNA切入任一增益模式。 在該電路中，晶體管M9純粹作為開關(guān)。盡管其被描述為MOS晶體管，然 而M9可使用任何種類的開關(guān)器件。
當LNA—e處于適合的高電壓時，LNA被設(shè)置為高增益模式。晶體管 M7和M8導(dǎo)通并用作M5和Me的共射共基放大器。晶體管M9也導(dǎo)通，并且其 使得電感器U和Ls4短路。LNA的輸入信號由M,+M5和M2+M6的并行組合來 處理。這個設(shè)置給出了良好的組合輸入跨導(dǎo)，其導(dǎo)致高增益和低噪聲 指數(shù)。由于在高增益模式下輸入器件(晶體管M,、 Ms和M2、 M6)具有大 的組合寬度，所以它們需要較低的柵-源過驅(qū)動，這會導(dǎo)致與下文所述 的低增益模式相比較低的線性度。高增益模式下的輸入電阻由下式給 出
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中g(shù)m和g^是M,和M5的跨導(dǎo)，"s,和Cgss是M,和M5的柵源電容，以及Ls, 是L的電感。
當LNA,"處于OV時，LNA被設(shè)為低增益模式。晶體管M7和M8截止，
這會阻止M5和M6的導(dǎo)通。此外，M9也截止，而且電感器Ls,和Ls3串聯(lián)出 現(xiàn)，同時Ls2和U串聯(lián)出現(xiàn)。輸入信號由晶體管M,和M2來處理，該晶體 管M,和M2受到L,-Ls3以及U- Ls4的串聯(lián)組合的退化。LNA現(xiàn)在看起來類 似于圖l中所示的現(xiàn)有技術(shù)。
由于在低增益模式下輸入器件(晶體管M,和M2)具有較低的寬度(只 有M1而不是M1和M5并行)，所以輸入跨導(dǎo)減小。如果電路的偏置電流維 持與高增益模式下相同，則輸入器件的柵-源過驅(qū)動也增大(由于減小 的有效輸入器件寬度)。這導(dǎo)致像期望的那樣的較低增益和較高噪聲指 數(shù)的高線性度。低增益模式下的輸入電阻由下式給出<formula>formula see original document page 7</formula>
其中g(shù)ml是Ml的跨導(dǎo)，U和Ls3是L,和Ls3的電感值，以及Cw和C^是 M,和Ms的柵源電容。
通過選擇用于&、 &、 L,和L3的適合值，可以將LNA在低增益模式 下的輸入電阻和跨導(dǎo)設(shè)計為與高增益模式下的相同-
二 ; Sm5 A。
LNA的模式有效地用作粗糙的自動增益控制(AGC)。在每一個模式 中，LNA的增益可通過另一AGC而進一步連續(xù)控制。
串聯(lián)電感器對Ls,-U以及Ls2- Ls4不需要實現(xiàn)為兩個分離的電感器。
為了節(jié)省面積，它們可以實現(xiàn)為沿螺線在中間抽頭的單個電感器。這 在圖3中示出。
右側(cè)的電感器螺線在節(jié)點2處沿其長度抽頭。因此，節(jié)點1和2之間 的電感器片等效于圖2中的U，而節(jié)點2和3之間的電感器片等效于圖 中的U?？梢詮墓?jié)點1至3的總螺線電感器獲得I^和U的串聯(lián)組合。圖 3的左側(cè)示出了該電感器螺線的等效電路圖。
圖2所示的LNA使用電感退化。在較低頻率上，電阻退化比電感退 化更為優(yōu)選。下面的圖4示出了新的LNA結(jié)構(gòu)的更加一般的情況。
在圖4中，圖2中的電感被電阻器Zs,至Zs4所取代。在圖4的實施例中，
可使用電感器或電阻器來實現(xiàn)退化。在較高頻率處，電感器有助于設(shè)
置輸入電阻。在較低頻率處，電阻器有助于設(shè)置電路所需的線性度， 而切換增益模式提供了對LNA的增益的粗糙控制。
圖2和4中所示的LNA具有兩種增益模式。LNA無需被限制為僅具有 兩種增益模式。如果對于較高的動態(tài)范圍操作需要更多的增益模式， 那么可以并行地增加更多的共射共基放大器對。對于并行添加的每一 個共射共基放大器對，源極退化中需要額外的串聯(lián)電感器。還需要單 獨的開關(guān)晶體管和模式信號LNA一"，以旁路(bypass)另外的串聯(lián)電 感器，并使各個并行晶體管截止。如果源極退化電感器通過如圖3所示 的抽頭電感器布局來實現(xiàn)，那么針對每一個附加的增益模式，需要電 感器中額外的抽頭。
權(quán)利要求
1.一種具有多種增益模式的放大器，包括與輸入相連的、并行設(shè)置的多個共射共基放大器輸入晶體管；與所述輸入晶體管相連、并具有可變阻抗的退化級；以及開關(guān)裝置，用于通過使所述輸入晶體管中的一個或更多個截止并改變所述退化級的阻抗而在所述放大器的不同模式之間切換。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中，所述退化級包括多個 退化元件，而且所述開關(guān)裝置通過旁路一個或更多個所述退化元件而 可操作地改變所述退化級的阻抗。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其中，所述多個退化元件串 聯(lián)地設(shè)置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的放大器，其中，所述 開關(guān)裝置被設(shè)置為使得所述退化級的阻抗依賴于截止的輸入晶體管的 個數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的放大器，其中，所述 放大器被設(shè)置為使得其輸入阻抗依賴于截止的輸入晶體管的個數(shù)以及 所述退化級的阻抗，而且優(yōu)選地，所述開關(guān)裝置被設(shè)置為使得所述退 化級的阻抗隨著截止的輸入晶體管的個數(shù)而變化，從而所述放大器的 輸入阻抗在每種增益模式下大致相同。
6、 根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的放大器，其中，所述開關(guān) 裝置包括晶體管。
7、 根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的放大器，其中，所述退化 元件是電感元件。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的放大器，其中，所述電感元件包括沿 其長度而抽頭以提供兩個電感器部分的電感器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的放大器，其中，所述 退化元件是電阻元件。
10、 根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的放大器，其中，所述輸入 晶體管從包括MOSFET和雙極性晶體管的組中選擇。
全文摘要
一種具有多種增益模式的放大器，包括與輸入相連的、并行設(shè)置的多個共射共基放大器輸入晶體管；與所述輸入晶體管相連、并具有可變阻抗的退化級；以及開關(guān)裝置，用于通過使所述輸入晶體管中的一個或更多個截止并改變所述退化級的阻抗而在所述放大器的不同模式之間切換。
文檔編號H03F3/45GK101375504SQ200780003407
公開日2009年2月25日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者克里斯塔朋·里拉瓦塔娜農(nóng), 加勒西·凱恩雷山 申請人:英國福威科技有限公司