專利名稱：帶有自動增益控制的射頻低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及放大器，尤其涉及在射頻裝置等中使用的低噪聲放大器。
背景射頻(RF)設備通過將信息信號移動到一個更高的頻率范圍來從一點向另一點發(fā)送該信息信號，該更高的頻率范圍更適于在所使用的介質(zhì)中傳輸。這種處理已知為上變頻。在此所使用的“射頻信號”表示承載有有用信息的并具有大約3千赫茲(kHz)到幾千千兆赫茲(GHz)的頻率(不考慮這樣的信號穿過的介質(zhì))的電信號。這樣，RF信號可通過空氣、自由空間、同軸電纜、光纖電纜等發(fā)送。RF發(fā)射機將所需要的信號(已知為基帶信號)與RF載波頻率進行混頻，以在所選擇的介質(zhì)中傳輸。RF接收機隨后將信號與載波頻率混頻以將信號恢復至它們的原始頻率。
在標準RF接收機中，RF信號是由天線接收的，隨后使用固定增益放大器對信號進行放大，并通過具有特征阻抗的傳輸線傳輸至接收機電路。因為已接收的RF信號強度可以有非常大的變化(取決于接收機和發(fā)射機之間的距離)，RF接收機通常包括自動增益控制(AGC)電路。AGC對接收機的操作是有幫助的，因為它幫助將已接收的RF信號的能級保持在接近最優(yōu)化級別。在傳輸線另一端的信號在被從RF變化到基帶之前一般在可變增益低噪聲放大器(LNA)中被放大，可變增益低噪聲放大器的增益受到AGC電路的控制。
一個已知的AGC方法是使用可變電阻器T形網(wǎng)路。該T形網(wǎng)絡包括電阻值可以被一起改變的多個電阻。T形網(wǎng)絡允許在信號適當衰減時將傳輸線末端子阻抗保持在所希望的值，這導致近似最優(yōu)化功率傳送。然而，電阻器T形網(wǎng)絡作為離散組件，將增加系統(tǒng)的成本。此外，當被實現(xiàn)在常規(guī)的低成本CMOS集成電路中時，電阻器T形網(wǎng)絡不是非常精確的。因此，希望提供一種新的能夠集成的但其性能可比于或好于目前已知的離散電路的RF電路。
簡要概述在一個形式中，一種低噪聲放大器包括第一和第二跨導設備、第一和第二負載設備、以及衰減設備。第一跨導設備具有用于接收第一輸入信號的控制電極，以及第一電流電極。第一負載設備具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子，以及耦合到第一跨導設備的第一電流電極并在其上形成第一輸出電壓信號的第二端子。第二跨導設備具有用于接收第二輸入信號的控制電極，以及第二電流電極。第二負載設備具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子，以及耦合到第一跨導設備的第一電流電極并在其上形成第二輸出電壓信號的第二端子。衰減設備耦合在第一跨導設備的第一電流電極和第二跨導設備的第一電流電極之間，并具有用于在其上接收控制電壓的控制輸入端子。
在該低噪聲放大器的一個特定實施例中，衰減設備較好地包括多個指數(shù)加權衰減設備。指數(shù)加權衰減設備可由耦合到多個指數(shù)加權衰減設備中對應設備的多個控制信號來控制，這多個控制信號一起構成了控制信號。
在另一個特定實施例中，一種低噪聲放大器包括第一到第四電感器、第一到第四晶體管、以及衰減設備。第一電感器具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子，以及在其上形成第一輸出電壓信號的第二端子。第一晶體管具有耦合到第一電感器的第二端子的第一電流電極、耦合到第一電源電壓端子的控制電極、以及第二電流電極。第二晶體管具有耦合到第一晶體管的第二電流電極的第一電流電極、用于接收第一輸入信號的控制電極、以及第二電流電極。第二電感器具有耦合到第二晶體管的第二電流電極的第一端子、以及耦合到第二電源電壓端子的第二端子。第三電感器具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子、以及在其上形成第二輸出電壓信號的第二端子。第三晶體管具有耦合到第三電感器的第二端子的第一電流電極、耦合到第一電源電壓端子的控制電極、以及第二電流電極。第四晶體管具有耦合到第三晶體管的第二電流電極的第一電流電極、用于接收第二輸入信號的控制電極、以及第二電流電極。第四電感器具有耦合到第四晶體管的第二電流電極的第一端子、以及耦合到第二電源電壓端子的第二端子。衰減設備耦合在第一晶體管的第一電流電極和第三MOS晶體管的第一電流電極之間，并具有用于在其上接收控制電壓的控制輸入端子。
在另一個形式中，一種低噪聲放大器包括放大器和偏置電路。放大器具有用于接收第一輸入信號的第一輸入端子、用于提供第一輸出信號的第一輸出端子、以及用于接收控制電壓的反饋輸入端子，其中控制電壓確定了放大器的增益。偏置電路具有用于接收控制信號的輸入端子、以及耦合到放大器第一輸入端子的輸出端子，用于向其提供偏置電壓。偏置電路響應于控制信號而工作在第一和第二模式中的一種。在第一模式中，偏置電路偏置放大器以工作在基本恒定跨導模式，而在第二模式中，偏置電路偏置放大器以工作在基本恒定飽和電壓模式。
在本發(fā)明的還有一個形式中，提供了一種用于操作帶有自動增益控制的低噪聲放大器的方法。確定低噪聲放大器的輸出信號的能級。響應于該能級提供一控制電壓。響應于低于預定電壓的控制電壓，將低噪聲放大器偏置以工作在恒定跨導模式。響應于高于預定電壓的控制電壓，將低噪聲放大器偏置以工作在恒定飽和電壓模式。
在還有一個形式中，一種集成電路接收機包括第一和第二布線塊。第一布線塊包括低噪聲放大器和第一跨導設備，低噪聲放大器具有用于接收輸入信號的輸入端子以及提供基本正比于輸入信號的第一已放大電壓的第一輸出端子，第一跨導設備具有耦合到低噪聲放大器第一輸出端子的輸入端子以及用于提供第一電流信號的輸出端子。第二布線塊具有耦合到第一跨導設備輸出端子的輸入端子，以及用于提供第一已調(diào)信號的輸出端子，第一已調(diào)信號在與輸入信號不同的頻率上具有極大的信號能量，其中第一跨導設備和第二布線塊一起起到集成電路接收機的混頻器的作用。
附圖簡述在此將結(jié)合下述附圖描述本發(fā)明，其中類似的標號表示相同的元件，以及

圖1以部分框圖和部分示意圖的形式示出了本領域公知的射頻接收機；圖2以部分框圖和部分示意圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的射頻接收機的一部分；圖3以部分框圖和部分示意圖的形式示出了圖2中的低噪聲放大器；圖4以示意圖形式示出了圖3的衰減設備的實現(xiàn)；圖5以部分框圖和部分示意圖的形式示出了與圖4中衰減設備一起使用的電壓轉(zhuǎn)換電路；圖6示出了圖5中電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓圖；圖7以示意圖形式示出了圖3中偏置電流源的實現(xiàn)；圖8示出了與圖7中偏置電流源實現(xiàn)有關的各種參數(shù)圖；圖9示出了使用圖3中低噪聲放大器的集成電路射頻接收機的一部分的平面圖。
詳細描述下面的詳細描述僅僅是示例性質(zhì)的并且不旨在限制本發(fā)明或本申請以及本發(fā)明的使用。此外，不受在前述技術領域、背景、簡要概述或以下詳細描述中所提出的或暗示的理論的約束。
圖1以部分框圖和部分示意圖的形式示出了本領域公知的射頻接收機100。接收機100是超外差接收機，通常包括天線102、標示為“LNA”的低噪聲放大器104、RF到IF混頻器106、帶通濾波器112、IF到基帶混頻器114、標示為“PGA”的可編程增益放大器120、低通濾波器122。放大器104具有連接到天線102的輸入端子、以及輸出端子，并對在天線102上接收到的寬帶信號進行放大，以向放大器輸出端子提供放大信號?；祛l器106將放大信號混頻到IF，如下所示。混頻器106包括乘法器108以及可調(diào)振蕩器110。乘法器108具有連接到放大器104輸出端子的第一輸入端子、第二輸入端子、以及輸出端子。可調(diào)振蕩器110具有可調(diào)輸入端子和輸出端子，輸出端子提供以地電壓為參考的RF本地振蕩(LO)信號，地電壓從可調(diào)振蕩器的接地端子接收。由可調(diào)輸入選擇RF LO信號使得所期望的信號被從RF混頻至所選擇的IF，該頻率也是帶通濾波器112的中心頻率。帶通濾波器112具有連接到乘法器108輸出端子的輸入端子，以及輸出端子，輸出端子用于在以所選擇的IF為中心的通帶中提供具有極大信號能量，并在通帶以外的阻帶中具有極大信號能量衰減的輸出信號。
在帶通濾波器112輸出的信號隨后在混頻器114中被混頻到基帶?；祛l器114具有乘法器116和振蕩器118。乘法器116具有連接到帶通濾波器112輸出端子的第一輸入端子、第二輸入端子、以及輸出端子。振蕩器118提供在其輸出端子和接地端子接收到的地級之間的IF LO信號。IF LO信號被選擇為具有一輸出頻率，該輸出頻率被選為將所選擇的IF信號混頻到基帶，乘法器116隨后在基帶提供它的輸出信號。放大器120被提供為將該信號放大至所希望的能級，并具有連接到放大器116輸出端子的輸入端子、以及輸出端子。濾波器122具有連接到放大器120輸出端子的輸入端子、以及用于提供接收機100輸出信號的輸出端子，輸出信號被標示為“基帶輸出”(BASEBAND OUT)。
圖2以部分框圖和部分示意圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的射頻接收機200的一部分。射頻接收機200通常包括天線102、第一LNA 202、傳輸線204、以及包括射頻接收機的集成電路210。LNA 202物理上臨近于天線102，并具有連接到天線202的輸入端子，以及連接到傳輸線204最接近于天線102的第一端的輸出端子。集成電路210連接到傳輸線204相對于天線102的第二端，并包括LNA 212、乘法器214、以及功率測量塊216。LNA 212具有連接到傳輸線204第二端的輸入端子、用于接收標示為“VCNTL”的控制電壓的增益控制輸入端子、以及輸出端子。乘法器214具有連接到LNA 212輸出端子的第一輸入端子、用于接收RF L0信號的第二輸入端子(沒有示出)、以及輸出端子。功率測量塊216具有連接到乘法器214輸出端子的輸入端子，以及連接到LNA 212增益控制輸入端子的輸出端子，用于提供控制電壓VCNTL。
在操作中，由天線102接收到的RF信號被分兩部分放大，第一部分由固定增益LNA 202放大，第二部分由可變增益LNA 212放大。兩個放大器由具有50歐姆特征阻抗的傳輸線分離開。因為信號強度可能在一個較寬的范圍內(nèi)改變(取決于接收機有多接近于發(fā)射機)，片內(nèi)LNA必須提供增益或衰減。在示出的射頻接收機中，LNA 212具有范圍為15分貝(dB)到-25dB的可變增益，但可以理解的是該增益范圍在其它實施例中可以有改變。為了提供適當量的增益，LNA 212是由乘法器214和功率測量塊216組成的自動增益控制(AGC)回路的一部分。在其它實施例中，功率測量塊216可測量LNA 212輸出的功率。然而，因為接收機的超外差設計，功率測量塊216較佳地測量被混頻到固定IF的乘法器214輸出的功率，這簡化了功率測量塊216的設計。AGC回路工作，通過提供控制電壓(VCNTL)作為到LNA 212的反饋信號將乘法器214輸出的功率保持為恒量。如下文的參考附圖3-9的討論，LNA 212相比于已知的LNA，具有多個優(yōu)點。
圖3以部分框圖和部分示意圖的形式示出了圖2的低噪聲放大器212。LNA212通常包括輸入部分300、偏置電路310、放大器320、衰減設備340、第一輸出跨導部分350、第二輸出跨導部分360。輸入部分300通常包括非平衡變壓器302、電感器304、以及電容器306和308。非平衡變壓器302具有連接到傳輸線204第二端的第一輸入端子、連接到地電源電壓端子(通常為0伏特)的第二輸入端子、以及第一和第二輸出端子。電感器304具有第一和第二端子，分別連接在非平衡變壓器302的第一和第二輸出端子之間。電容器306具有連接到非平衡變壓器302第一輸出端子的第一端子、以及用于提供第一輸入信號的第二端子。電容器308具有連接到非平衡變壓器302第二輸出端子的第一端子、以及用于提供第二輸入信號的第二端子。第一和第二輸入信號形成了到放大器320的差分信號對，對應于傳輸線204第二端處的信號。
偏置電路310包括電阻器312和314、電流源316、以及N溝道MOS晶體管318。電阻器312具有連接到電容器306第二端子的第一端子，以及第二端子。電阻器314具有連接到電容器308第二端子的第一端子，以及連接到電阻器312第二端子的第二端子。電流源316具有連接到正電源電壓端子(在MOS集成電路中通常定義為“VDD”)的第一端子，以及第二端子。注意雖然在此總體上定義VDD，可以假設不同的電路具有不同的值，例如對于偏置電路為5.0伏特、對于LNA 212為2.5伏特。晶體管318具有連接到電流源316第二端子和電阻器312、314第二端子的漏極，連接到其漏極的柵極、以及接地的源極。
放大器320包括電感器322、N溝道MOS晶體管324和326、電感器328、電感器332、N溝道MOS晶體管334和336、以及電感器338。電感器322具有連接到VDD的第一端子、以及第二端子。晶體管324具有連接到電感器322第二端子的漏極、連接到VDD的柵極、以及源極。晶體管326具有連接到晶體管324源極的漏極、連接到電容器306第二端子的用于接收第一輸入信號的柵極、以及源極。電感器328具有連接到晶體管326源極的第一端子、以及接地的第二端子。電感器332具有連接到VDD的第一端子、以及第二端子。晶體管334具有連接到電感器332第二端子的漏極、連接到VDD的柵極、以及源極。晶體管336具有連接到晶體管334源極的漏極、連接到電容器308第二端子的用于接收第二輸入信號的柵極、以及源極。電感器338具有連接到晶體管336源極的第一端子、以及接地的第二端子。
衰減設備340被示出為N溝道MOS晶體管，具有連接到電感器322第二端子的第一源極/漏極端子、用于接收控制信號VCNTL的柵極、以及連接到電感器332第二端子的第二源極/漏極端子。正如將在下文中結(jié)合附圖4所描述的，晶體管340可較佳地實現(xiàn)為一系列由對應的控制信號切換的并聯(lián)連接的指數(shù)加權晶體管，以提供較好的對數(shù)線性(log-linearity)。如在此使用的，對數(shù)線性意為對于控制信號VCNTL的線性變化的增益的對數(shù)變化。
第一輸出跨導部分50包括N溝道晶體管352、電容器354、以及電阻器356。晶體管352具有用于提供第一輸出電流(標記為“IMIXN”)的漏極、柵極、以及接地的源極。電容器354具有連接到電感器322第二端子的第一端子、以及連接到晶體管352柵極的第二端子。電阻器356具有用于接收中間偏置電壓(標記為“VB”)的第一端子、以及連接到晶體管352柵極的第二端子。第二輸出跨導級360包括N溝道晶體管362、電容器364、以及電阻器366。晶體管362具有用于提供第一輸出電流(標記為“IMIXP”)的漏極、柵極、以及接地的源極。電容器364具有連接到電感器332第二端子的第一端子、連接到晶體管362柵極的第二端子。電阻器366具有用于接收VB的第一端子、以及連接到晶體管362柵極的第二端子。
如圖3所示，輸入部分在集成電路210外部，但其它組件在片內(nèi)實現(xiàn)。因為LNA 212必須終止50歐姆傳輸線，放大器320使用具有源極退化電感器的MOS晶體管。50歐姆傳輸線輸入至非平衡變壓器302的一端，用于轉(zhuǎn)換為差分信號。電感器304和電容器306、308形成阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡將非平衡變壓器302的200歐姆特征輸出阻抗轉(zhuǎn)換為向設備觀察的阻抗。晶體管326和336形成增益設備對，電感器328和338形成從匹配網(wǎng)絡向晶體管326和336的柵極觀察的部分實阻抗。
使用電流源316和連接有二極管的晶體管318將晶體管對326和336偏置。晶體管318漏極的鏡像電壓串聯(lián)有大阻值電阻器312和314，以設定通過晶體管326和336的恒定電流(DC)。在共射共基放大器晶體管324和334的漏極處的放大器320輸出是被負載阻抗轉(zhuǎn)換為電壓的電流。這些電壓被輸入至輸出跨導部分350和360，跨導部分350和360形成乘法器314的前端電路，具有標稱容性輸入。為了提供額外增益，電感器322和332被定規(guī)格為與該電容(在RF信號的載波頻率附近)諧振。
在放大器的可選配置中，兩個源極退化電感器可將它們的第一端子分別連接到晶體管326和336的源極，并將第二端子一起串聯(lián)尾電流源到接地。在該可選實施例中，晶體管318的漏極可以連接到起到尾電流源作用的具有合適規(guī)格的MOS晶體管的柵極。然而，放大器320相比于該可選放大器，具有些許更大的線性度，并且具有更大的上升空間，這些優(yōu)點在特定應用中是重要的。
放大器320的輸出使用電容器354和364以AC耦合到晶體管352和362，晶體管352和362是跨導(gm)設備。作為MOS設備，晶體管352和362具有極大的柵極-源極電容(Cgs)，該電容提供了大部分的從晶體管324和334的漏極看入的容性負載。如果從晶體管324或晶體管334的漏極看入的總?cè)菪载撦d等于CTOT，那么電感器322和332的電感LL將被選擇為滿足以下等式2πf0=1LLCIOT---[1]]]>其中f0是所希望的工作頻率帶的中心頻率(即，載波頻率)。雖然理想電感器和電容器將提供無限量的阻抗并因此在f0具有無限的電壓增益，在LL和Cgs中的串聯(lián)電阻將最大阻抗減小到大約幾百歐姆。
衰減元件340通過在放大器320的兩個引腳之間提供阻性差分負載來提供AGC回路中使用的可變衰減。衰減元件340可進一步將負載中的阻抗從幾百歐姆減少至幾歐姆，這將總體增益減少了大約40dB。對于完全增益，控制電壓VCNTL被設置為零伏特。對于完全衰減，控制電壓VCNTL被設置為最大可能值。
圖4以示意圖形式示出了圖3中在增益和控制電壓VCNTL之間提供對數(shù)線性的衰減設備340的實現(xiàn)。衰減設備340包括一組并聯(lián)的指數(shù)規(guī)模的N溝道MOS晶體管，包括代表性的晶體管402、404和406。晶體管402具有提供衰減設備340第一電流電極的第一源極/漏極端子、用于接收控制信號(標記為“VAGC
”)的柵極、以及提供衰減設備340第二電流電極的第二源極/漏極端子。晶體管404具有連接到晶體管402第一源極/漏極端子的第一源極/漏極端子、用于接收控制信號(標記為“VAGC[1]”)的柵極、以及連接到晶體管402第二源極/漏極端子的第二源極/漏極端子。晶體管406具有連接到晶體管402第一源極/漏極端子的的第一源極/漏極端子、用于接收控制信號(標記為“VAGC[N]”)的柵極、以及連接到晶體管402第二源極/漏極端子的第二源極/漏極端子。在2和N之間的額外晶體管存在于衰減設備340中，但在圖4上略去。每個晶體管k具有的寬長比(W/L)是晶體管402的W/L的2k倍。因此，如果晶體管402具有定義為MA的W/L，則晶體管404具有21＝2倍MA，晶體管406具有2N倍MA的區(qū)域?？倕^(qū)域等于2N+1倍MA。
圖5以部分框圖和部分示意圖的形式示出了與圖4中衰減設備340一起使用的電壓轉(zhuǎn)換電路500。電壓轉(zhuǎn)換電路500具有輸入級501和對應于衰減設備340的N個晶體管中每一個的N個轉(zhuǎn)換電路，其中包括代表性的轉(zhuǎn)換電路510、520和530，分別提供電壓VAGC
、VAGC[1]和VAGC[N]。輸入級501包括運算放大器502、電阻器504和506、電壓源508。運算放大器502具有用于通過電阻器504接收控制電壓VCNTL的負輸入端子、正輸入端子、以及通過電阻器506連接到負輸入端子的輸出端子。電壓源508具有連接到運算放大器512的正輸入端子的正端子以及接地的負端子，并在正端子和負端子之間提供參考電壓(標記為“VDC”)。每個轉(zhuǎn)換電路都是類似設置的。轉(zhuǎn)換電路510包括運算放大器512、電阻器514和516、電壓源518。運算放大器512具有通過電阻器514連接到運算放大器502輸出端子的負輸入端子、正輸入端子、以及通過電阻器516連接到負輸入端子并提供控制信號VAGC
的輸出端子。電壓源518具有連接到運算放大器512正輸入端子的正端子、以及接地的負端子，并在其正端子和負端子之間提供參考電壓(標記為“VDC
”)。轉(zhuǎn)換電路520包括運算放大器522、電阻器524和526、和電壓源528。運算放大器522具有通過電阻器524連接到運算放大器502輸出端子的負輸入端子、正輸入端子、以及通過電阻器526連接到負輸入端子并提供控制信號VAGC[1]的輸出端子。電壓源528具有連接到運算放大器522正輸入端子的正端子、以及接地的負端子，并在其正端子和負端子之間提供參考電壓(標記為“VDC[1]”)。轉(zhuǎn)換電路530包括運算放大器532、電阻器534和536、電壓源538。運算放大器532具有通過電阻器534連接到運算放大器502輸出端子的負輸入端子、正輸入端子、以及通過電阻器536連接到負輸入端子并提供控制信號VAGC[N]的輸出端子。電壓源538具有連接到運算放大器532正輸入端子的正端子、以及接地的負端子，并在其正端子和負端子之間提供參考電壓(標記為“VDC[N]”)。
為了生成所需要的對數(shù)線性效果，每個VAGC[k]都是控制電壓VCNTL的增益上升、DC偏移形式的控制信號。每個控制信號VAGC[k]都經(jīng)過不同量(由VDC[k]確定)的DC偏移，這樣每個晶體管都在控制電壓VCNTL的不同值上激活。這樣，控制電壓VCNTL可以被認為是包括或?qū)谝唤Mk＝0到N的VAGC[k]控制信號。
圖6示出了圖5中電壓轉(zhuǎn)換電路500的輸出電壓圖600。在圖6中，垂直軸表示k＝0到N的控制信號VAGC[k]的電壓，而水平軸表示控制電壓VCNTL(單位是伏特)。這樣，在圖6中，多條曲線在VCNTL的不同值上互相疊加。當控制電壓VCNTL上升時，連續(xù)控制信號VAGC[k]從低電壓向高電壓平滑躍遷。圖6所示是代表性控制信號VAGC
、VAGC[1]、VAGC[2]和VAGC[N]。后續(xù)信號從控制電壓VCNTL附近的電壓開始躍遷，控制電壓VCNTL是上一個控制信號VAGC完成其躍遷的電壓。然而通過選擇合適的VDC[k]值，躍遷周期將稍微交迭，以使關于VCNTL的衰減特征更加的對數(shù)線性化。
簡要地回到圖3，注意通過晶體管326和336的DC偏置電流是由電流源316所設置的，電流源316提供偏置電流IB通過連接二極管的晶體管318。為了最小化制造過程和溫度變化時輸入阻抗、噪聲系數(shù)、和增益的改變量，需要一種恒量跨導偏置方案。該特征在AGC回路需要完全增益時尤其重要。恒量跨導偏置方案提供了偏置電流IB以在預期的處理和溫度變化中將晶體管326和336的跨導保持在基本恒量。
然而，一旦當輸入信號強度增加時，因為AGC回路的工作而使增益開始下降，增益和噪聲系數(shù)的連貫性就變得不那么重要。在較小的增益條件下，增益連貫性僅僅需要是單調(diào)的(并且是粗略的對數(shù)線性的，如上所述)，這樣閉環(huán)回路AGC可將混頻器輸出保持在恒定功率。當信號變得非常大并且增益進一步減小時，LNA的線性度則變?yōu)橹饕紤]的。為了最大化線性度，晶體管326和336的飽和電壓(VDSAT)需要被最大化。不幸的是，恒量跨導偏置方案無法最大化VDSAT，反而是，VDSAT通常在低溫的快速處理部分和高溫的低速處理部分之間變化2-3倍。
為了在操作的這些低增益區(qū)域中提高線性度，同時將所需要的恒量跨導偏置特性保持在高增益，發(fā)明人增加了一種被稱為恒量VDSAT模式的新的偏置模式。在恒量VDSAT模式中，偏置電流源316提供偏置電流IB以在預期的處理和溫度變化中將晶體管326和336的飽和電壓保持在基本恒量。將結(jié)合圖7來描述該模式，圖7以示意圖形式示出了圖3中偏置電流源316的實現(xiàn)。偏置電流源316通常包括電流鏡700、第一電流源710、第二電流源720、以及N溝道晶體管730。電流鏡700包括P溝道MOS晶體管702和704。晶體管702具有連接到VDD的源極、柵極、以及連接到其源極并作為電流鏡輸入的漏極。晶體管704具有連接到VDD的源極、連接到晶體管702漏極的柵極、以及提供電流鏡700和電流源316的輸出并從中提供電流IB的漏極。
電流源710具有連接到晶體管702漏極的第一端子、以及連接到VSS的第二端子。電流源710導出與之相關聯(lián)的電流(標記為“Iogm”)以使LNA 212工作于基本恒量的跨導。
電流源720包括電流源722和724。電流源722具有連接到VDD的第一端子以及第二端子，并導出等于ICGM的電流。電流源724具有連接到電流源722第二端子的第一端子，以及接地的第二端子，并導出標記為“ICVDSSAT”的電流。晶體管730具有連接到晶體管702漏極的漏極、用于接收控制信號(標記為“VAGC[j]”)的柵極、以及連接到電流源724第一端子的源極。
結(jié)合圖8將更好地理解電流源316的工作。圖8示出了與圖7中偏置電流源316的實現(xiàn)有關的各種參數(shù)的圖800。在圖800中，水平軸表示控制電壓VCNTL(單位為伏特)。圖8在垂直軸上的分離區(qū)域中示出了兩個量度，第一區(qū)域是gm(單位是歐姆)，第二區(qū)域是VDSAT(單位是伏特)。VCNTL-gm區(qū)域包括第一組特征曲線810，表示處理和溫度變化中的正常變化，并包括曲線812、814、816和818。對于低的VCNTL(高增益)，gm在處理和溫度變化中是相對恒量并且放大器320表現(xiàn)出良好的增益連貫性。然而，當VCNTL進一步增加時，曲線812、814、816和818分散在差的增益連貫性區(qū)域中。VCNTL-VDSAT區(qū)域包括第二組特征曲線820，包括曲線822、824、826和828。對于高的VCNTL，VDSAT表現(xiàn)出良好的線性度，并且在處理和溫度變化中是相對恒量。然而，當VCNTL減小時，曲線822、824、826和828分散在差的線性區(qū)域中。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)基于AGC回路所要求的增益量來動態(tài)改變放大器的偏置模式是非常有好處的。當AGC回路使LNA 212工作在高增益時，選擇恒量跨導模式以提供良好的增益連貫性。當AGC回路使LNA 212工作在低增益時，選擇恒量VDSAT模式以提供良好的線性度。通過使用VAGC控制信號(表示為VAGC[j])中合適的一個可以容易地實現(xiàn)在恒量跨導模式和恒量飽和電壓模式之間的切換。在其它實施例中，衰減設備340不是分離的，而控制信號VCNTL自身就可被用于在兩個模式中進行改變?，F(xiàn)在再參考圖7，在恒量跨導模式中晶體管730是非傳導的，并且偏置電路316提供恒定電流ICGM，作為IB。在恒量飽和電壓模式中，晶體管730是傳導的，并且提供電流ICVDSSAT作為IB。
圖9示出了使用圖3中低噪聲放大器212的集成電路射頻接收機900的一部分的平面圖。部分900占據(jù)了集成電路的一個部分并且略去了其它電路、焊盤、等等。部分900通常包括第一布線塊910和第二布線塊920。布線塊910包括LNA212以及混頻器級的晶體管352和354。布線塊920包括形成混頻器所需的所有其它元件。例如，在混頻器布線塊920的模擬實現(xiàn)中，可能包括非線性設備，其響應于混頻信號將從晶體管352和354的漏極導出的差分電流進行相乘。在相應的混頻器布線塊920的數(shù)字實現(xiàn)中，可能包括二元加權電流開關，由數(shù)字化本地振蕩信號進行切換。然而，這兩個例子僅僅是示例性的。
為了最大化放大器的增益，負載的質(zhì)量因子(Q)必須被保持在盡可能的高。晶體管352和362柵極的串聯(lián)電阻將嚴重地減小Q。因為這些設備功能上是混頻器的一部分，根據(jù)常規(guī)電路布線技術，它們將物理上分離于LNA 212的輸出，這樣就增加了因為在相對長的距離中信號路由的寄生損耗所引起的串聯(lián)電阻。為了減少這種效應，將晶體管352和362與LNA 212的其余部分組合并放置于鄰近晶體管324和334的漏極，以充分減小路由寄生。另一方面，在晶體管352和362漏極提供的電流IMIXN和IMIXP被輸入至低阻抗混頻器節(jié)點，在這些節(jié)點上可以較好地承受因為信號路由導致的寄生阻抗。
集成電路接收機900的重要優(yōu)點是晶體管352和354的柵極被放置在盡可能的鄰近于LNA 212的輸出，以避免通過寄生路由電阻引起的有效負載的Q的衰減。然而，信號IMIXN和IMIXP在布線塊910和920之間路由，因為后續(xù)操作對于寄生電阻是不敏感的。這樣，形成接收機的混頻器的電路元件較佳地分布在兩個不同的模塊布線塊之間。
這樣，相較于已知的放大器，LNA 212提供了至少四個明顯的優(yōu)點。第一，它包括兩個放大器級之間的差分負載，為AGC回路的操作提供了合適的衰減。第二，混頻器gm級物理上鄰近于LNA輸出，以最大化諧振負載的Q。第三，衰減設備被分散為多個指數(shù)規(guī)模的元件，以連同對AGC控制電壓進行增益并能級偏移所產(chǎn)生的控制電壓一起產(chǎn)生所希望的對數(shù)線性特征。第四，根據(jù)相對增益使用用于高增益的恒量gm偏置方案以及用于低增益的恒量VDSAT偏置方案，并使用由AGC控制電壓確定的切換點來改變放大器晶體管偏置。
在其它實施例中，MOS晶體管的極性可以被反轉(zhuǎn)。雖然示出了MOS晶體管，但在合適的情況下也可使用其它合適的晶體管類型。此外，提供任何上述優(yōu)點的電路可以被單獨使用或使用在各種組合中以獲得所期望的效果。
雖然在上文中已經(jīng)提出了至少一個示例性實施例，可以被理解的是存在有大量的改動情況。也可以理解的是一個或多個示例性實施例僅僅是示例的，并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應用或配置。相反，上述描述向本領域熟練技術人員提供了方便的指導說明以實現(xiàn)該一個或多個示例性實施例?？梢员焕斫獾氖窃诓幻撾x附加權利要求和其法律上等同變換所提出的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在功能上和元件的安排上做出各種改動。
權利要求
1.一種低噪聲放大器(212)，包括放大器(320)，具有用于接收第一輸入信號的第一輸入端子、用于提供第一輸出信號的第一輸出端子、以及用于接收控制電壓的反饋輸入端子，其中所述控制電壓確定所述放大器(320)的增益；以及偏置電路(310)，具有用于接收控制信號的輸入端子，以及耦合到所述放大器(320)第一輸入端子的用于向所述放大器(320)提供偏置電壓的輸出端子，其中所述偏置電路(310)響應于所述控制信號而工作在第一模式和第二模式中的一個中，在所述第一模式中，所述偏置電路(310)偏置所述放大器(320)以工作在基本恒量跨導模式，而在所述第二模式中，所述偏置電路(310)偏置所述放大器(320)以工作在基本恒量飽和電壓模式。
2.如權利要求1所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述偏置電路(310)包括電流源(316)，具有用于在所述第一模式中提供第一電流并在所述第二模式中提供第二電流的輸出端子；晶體管(318)，具有耦合到所述電流源(316)輸出端子的第一電流電極、耦合到所述晶體管(318)第一電流電極的控制電極、以及耦合到電源電壓端子的第二電流電極；第一電阻器(312)，具有耦合到所述晶體管(318)第一電流電極的第一端子，以及耦合到所述放大器(320)第一輸入端子的第二端子；以及第二電阻器(314)，具有耦合到所述晶體管(318)第一電流電極的第一端子，以及耦合到所述放大器(320)第二輸入端子的第二端子。
3.如權利要求2所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述第二電流大于所述第一電流。
4.如權利要求1所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述放大器(320)是差分放大器，具有用于接收所述第一輸入信號的所述第一輸入端子以及用于接收第二輸入信號的第二輸入端子，并具有用于提供所述第一輸出信號的所述第一輸出端子以及用于提供第二輸出信號的第二輸出端子，其中所述第一和第二輸入信號和所述第一和第二輸出信號各包括差分信號對。
5.如權利要求4所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述放大器(320)包括第一跨導設備(326)，具有用于接收所述第一輸入信號的控制電極，以及第一電流電極；以及第一負載設備(322)，具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子，以及耦合到所述第一跨導設備(326)第一電流電極并在其上形成第一輸出信號的第二端子。
6.如權利要求5所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述第一負載設備(322)包括第一電感器。
7.如權利要求6所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述放大器(320)還包括位于所述第一跨導設備(326)第二電流電極和第二電源電壓端子之間的第二電感器(328)。
8.如權利要求5所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述第一跨導設備(326)的第一電流電極通過共射共基放大器連接的MOS晶體管(324)耦合到所述第一負載設備(322)的第二端子。
9.如權利要求5所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述第一跨導設備(326)包括MOS晶體管。
10.如權利要求5所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述放大器(320)還包括第二跨導設備(336)，具有用于接收所述第二輸入信號的控制電極，以及第一電流電極；以及第二負載設備(332)，具有耦合到所述第一電源電壓端子的第一端子，以及耦合到所述第二跨導設備(336)第一電流電極并在其上形成所述第二輸出信號的第二端子。
11.如權利要求10所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述放大器(320)還包括衰減設備(340)，耦合在所述第一跨導設備(326)的第一電流電極與所述第二跨導設備(336)的第一電流電極之間，并具有用于在其上接收所述控制電壓的控制輸入端子。
12.如權利要求11所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述衰減設備(340)包括多個指數(shù)加權衰減設備(402、404、406)。
13.如權利要求12所述的低噪聲放大器(212)，其特征在于，所述控制電壓包括多個控制信號，耦合到所述多個指數(shù)加權衰減設備(402、404、406)中的對應設備。
14.一種操作具有自動增益控制的低噪聲放大器(212)的方法，包括如下步驟確定低噪聲放大器(212)輸出信號的能級；響應于所述能級，提供控制電壓；響應于所述控制電壓小于預定電壓，偏置所述低噪聲放大器(212)以工作在恒量跨導模式；以及響應于所述控制電壓大于預定電壓，偏置所述低噪聲放大器(212)以工作在恒量飽和電壓模式。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，所述確定能級的步驟包括如下步驟通過測量混頻器(214)輸出端子的功率來確定所述低噪聲放大器(212)的輸出信號的能級，所述混頻器還具有耦合到所述低噪聲放大器(212)輸出端子的輸入端子。
16.如權利要求14所述的方法，其特征在于，所述偏置所述低噪聲放大器(212)以工作在恒量跨導模式的步驟包括提供第一偏置電流的步驟，所述偏置所述低噪聲放大器(212)以工作在恒量飽和電壓模式的步驟包括提供第二偏置電流的步驟，所述第二偏置電流高于所述第一偏置電流。
17.一種集成電路接收機(900)，包括第一布線塊(910)，包括低噪聲放大器(212)和第一跨導設備(352)，所述低噪聲放大器(212)具有用于接收輸入信號的輸入端子以及用于提供基本正比于所述輸入信號的第一已放大電壓的第一輸出端子，所述第一跨導設備(352)具有耦合到所述低噪聲放大器(212)第一輸出端子的輸入端子，以及用于提供第一電流信號的輸出端子；以及第二布線塊(920)，具有耦合到所述第一跨導設備(352)輸出端子的輸入端子，以及用于提供第一已調(diào)信號的輸出端子，所述第一已調(diào)信號在與所述輸入信號不同的頻率上具有極大的信號能量，所述第一跨導設備(352)和所述第二布線塊(920)一起起到集成電路接收機(900)的混頻器的作用。
18.如權利要求17所述的集成電路接收機(900)，其特征在于，所述低噪聲放大器(212)還具有用于提供第二已放大電壓的第二輸出端子，所述第一和第二已放大電壓形成差分電壓對，所述第一布線塊(910)還包括第二跨導設備(362)，第二跨導設備(362)具有用于接收所述第二已放大電壓的輸入端子，以及用于向所述第二布線塊(920)提供第二電流信號的輸出端子。
19.如權利要求17所述的集成電路接收機(900)，其特征在于，所述第一跨導設備(352)的輸入端子通過耦合電容器(354)耦合到所述低噪聲放大器(212)的第一輸出端子。
20.如權利要求19所述的集成電路接收機(900)，其特征在于，所述第一布線塊(910)還包括電阻器(356)，所述電阻器(356)具有用于接收偏置電壓的第一端子，以及耦合到所述第一跨導設備(352)控制電極的第二端子。
全文摘要
一種低噪聲放大器(500)包括第一跨導設備(326)，具有用于接收第一輸入信號的控制電極以及第一電流電極；第一負載設備(322)，具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子以及耦合到第一跨導設備(326)第一電流電極并在其上形成第一輸出電壓信號的第二端子；第二跨導設備(336)，具有用于接收第二輸入信號的控制電極以及第二電流電極；第二負載設備(332)，具有耦合到第一電源電壓端子的第一端子以及耦合到第二跨導設備(336)第一電流電極并在其上形成第二輸出信號的第二端子；以及衰減設備(340)，耦合在第一(326)與第二跨導設備(336)的第一電流電極之間，并具有用于在其上接收所述控制電壓的控制輸入端子。
文檔編號H03F1/26GK1918790SQ200580004622
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權日2004年2月11日
發(fā)明者A·W·克朗 申請人:硅實驗室股份有限公司