專利名稱：寬帶低噪聲放大器及其射頻信號放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
符合本發(fā)明的設(shè)備和方法針對低噪聲放大。更具體地講，本發(fā)明涉及一種寬帶低噪聲放大器及其射頻(RF)信號放大方法。
背景技術(shù)：
通常，需要放大器以便對當(dāng)無線通信設(shè)備發(fā)送信號時通過天線輸出的信號進行放大，或者對輸入天線的信號的幅度提供適當(dāng)?shù)脑鲆?。在前一情況下，所需的是功率放大器，在后一情況下，所需的是低噪聲放大器。
低噪聲放大器以產(chǎn)生較少噪聲的方式對由無線系統(tǒng)通過天線接收的弱射頻(RF)信號進行放大。
圖1示出包括低噪聲放大器的無線通信設(shè)備的示例。首先，將描述與發(fā)送處理有關(guān)的無線通信設(shè)備的操作。
從基帶處理器190輸出的基帶信號通過基帶放大器140進行放大。在上混頻器130中，放大的基帶信號與由振蕩器180產(chǎn)生的振蕩信號進行混合，由此產(chǎn)生RF信號。大多數(shù)傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)不是直接將基帶信號轉(zhuǎn)換成RF信號。而是，它們首先將基帶信號轉(zhuǎn)換成中頻(IF)信號，然后將IF信號轉(zhuǎn)換成RF信號。RF信號通過功率放大器120進行放大，其后通過天線110輸出。發(fā)送處理中使用的功率放大器120可由多級放大器來構(gòu)建，從而減少失真并獲得高增益。例如，無線通信設(shè)備可包括預(yù)功率放大器和功率放大器。
現(xiàn)在，將描述與接收處理有關(guān)的無線通信設(shè)備的操作。
使用低噪聲放大器150對通過天線110輸入的RF信號進行放大。放大的RF信號通過下混頻器160被轉(zhuǎn)換成基帶信號，并通過基帶放大器170進行放大。大多數(shù)當(dāng)前傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)不是直接將RF信號轉(zhuǎn)換成基帶信號；它們首先將RF信號轉(zhuǎn)換成中頻(IF)信號，其后將IF信號轉(zhuǎn)換成基帶信號。其后，放大的基帶信號被發(fā)送到基帶處理器190。低噪聲放大器150也可由多級放大器來構(gòu)建，從而減少失真并獲得高增益。
開關(guān)115在從功率放大器120輸出并將要送至天線110的RF信號和通過天線110接收并去往低噪聲放大器150的RF信號之間選擇。在全雙工模式通信系統(tǒng)中，可使用雙工器取代開關(guān)115。
如上所述，無線通信設(shè)備中使用的功率放大器或低噪聲放大器應(yīng)提供足夠的可變增益。
在圖2中示出圖1所示的無線通信設(shè)備的低噪聲放大器150的結(jié)構(gòu)。
圖2所示的低噪聲放大器具有差分級聯(lián)放大器的結(jié)構(gòu)，包括第一級聯(lián)放大器和第二級聯(lián)放大器，其中，第一級聯(lián)放大器包括共源極晶體管M1和共柵極晶體管M3；第二級聯(lián)放大器包括共源極晶體管M2和共柵極晶體管M4。
通過天線接收的RFin+信號被提供給第一級聯(lián)放大器的共源極晶體管M1的柵極。共柵極晶體管M3改善第一級聯(lián)放大器的頻率響應(yīng)。經(jīng)過第一級聯(lián)放大器的RFin+信號通過輸出端(RFout+)輸出。如圖所示，為了輸入匹配和噪聲匹配，使用電感器L1將RFin+輸入端連接至共源極晶體管M1。
同樣地，通過同一天線輸入的RFin-信號被提供給第二級聯(lián)放大器的共源極晶體管M2的柵極。共柵極晶體管M4改善第二級聯(lián)放大器的頻率響應(yīng)。經(jīng)過第二級聯(lián)放大器的RFin-信號通過輸出端(RFout-)輸出。如圖所示，為了輸入匹配和噪聲匹配，使用電感器L2將RFin-的輸入端連接至共源極晶體管M2。
增益控制部分A包括起開關(guān)作用的晶體管M5，該增益控制部分A設(shè)置有用于使晶體管M5導(dǎo)通或截止的開關(guān)信號Gtune5。負載1和負載2位于輸出端RFout+和RFout-。負載1和負載2是充當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃鞯呢撦d的電感器。
通過天線接收的RF信號經(jīng)由平衡-不平衡變換器(未示出)被轉(zhuǎn)換成差分信號，其后流入低噪聲放大器的輸入端。輸入的RF信號通過晶體管M1和M3以及晶體管M2和M4進行放大，并通過輸出端RFout+和RFout-輸出。
進行輸入匹配以減少輸入信號的損耗，進行輸出匹配以減少輸出損耗。此外，進行噪聲匹配以減少噪聲產(chǎn)生。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整晶體管M1和M2以及電感器L1和L2可實現(xiàn)輸入匹配和噪聲匹配。
如上所述，傳統(tǒng)的低噪聲放大器具有低噪聲和高增益的特性，但是它也具有阻抗匹配中窄帶的特性。
換言之，由于在負載處進行以LC諧振形式的阻抗匹配，所以低噪聲放大器在諧振頻率處具有最高增益，但是它的增益在其它頻率處降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種保持傳統(tǒng)低噪聲放大器的增益和噪聲特性的寬帶低噪聲放大器。
根據(jù)本發(fā)明的示例性方面，提供一種寬帶低噪聲放大器，其包括輸入端，通過天線接收的RF信號被輸入其中；輸出端，從中輸出放大的RF信號；至少一個增益控制部分，其與輸出端的負載并聯(lián)以調(diào)整放大的RF信號的增益；以及至少一個負載調(diào)諧部分，其與輸出端的負載諧振以調(diào)整負載阻抗的諧振頻率。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，提供一種RF信號放大方法，該方法包括將從天線接收的RF信號輸入到輸入端，對輸入的RF信號進行放大并將放大的RF信號輸出到輸出端，其中，通過與輸出端的負載并聯(lián)的開關(guān)裝置的開關(guān)操作來調(diào)整放大的RF信號的增益，根據(jù)與負載諧振的至少一個電容器的值來確定輸出端負載阻抗的諧振頻率。


通過參考附圖對本發(fā)明的示例性實施例進行詳細描述，本發(fā)明的上述和其它方面將會變得更加清楚，其中圖1是示出傳統(tǒng)的無線通信設(shè)備的示圖；圖2是示出傳統(tǒng)的低噪聲放大器的示圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的寬帶低噪聲放大器的示圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例的寬帶低噪聲放大器的示圖；以及圖5是表示根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的仿真結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更加全面地描述本發(fā)明，在附圖中示出本發(fā)明的示例性實施例。通過參照下面對示例性實施例和附圖的詳細描述，可更加容易地理解本發(fā)明的優(yōu)點和特征以及實現(xiàn)本發(fā)明的方法。然而，本發(fā)明可以按許多不同的形式來實現(xiàn)，不應(yīng)被解釋為受限于這里闡述的實施例。而是，提供這些實施例以便此公開是全面和徹底的，并向本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全傳達本發(fā)明的構(gòu)思，本發(fā)明將僅由權(quán)利要求來限定。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的寬帶低噪聲放大器的示圖。寬帶低噪聲放大器300具有差分級聯(lián)放大器的結(jié)構(gòu)，包括第一級聯(lián)放大器和第二級聯(lián)放大器，其中，第一級聯(lián)放大器包括共源極晶體管M1和共柵極晶體管M3，第二級聯(lián)放大器包括共源極晶體管M2和共柵極晶體管M4。
通過天線接收的RFin+信號被提供給第一級聯(lián)放大器的共源極晶體管M1的柵極。共柵極晶體管M3改善第一級聯(lián)放大器的頻率響應(yīng)。經(jīng)過第一級聯(lián)放大器的RFin+信號通過輸出端(RFout+)輸出。如圖所示，為了輸入匹配和噪聲匹配，電感器L1和Degen1被連接至RFin+輸入端。
同樣地，通過同一天線接收的RFin-信號被提供給第二級聯(lián)放大器的共源極晶體管M2的柵極。共柵極晶體管M4改善第二級聯(lián)放大器的頻率響應(yīng)。經(jīng)過第二級聯(lián)放大器的RFin-信號通過輸出端(RFout-)輸出。如圖所示，為了輸入匹配和噪聲匹配，電感器L2和Degen2被連接至RFin-輸入端。如現(xiàn)有技術(shù)中公知的那樣，可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整晶體管M1和M2、電感器Degen1和Degen2、電感器L1和L2來實現(xiàn)輸入匹配和噪聲匹配。
第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320位于RFout+輸出端和RFout-輸出端之間。根據(jù)第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320的開關(guān)操作可確定寬帶低噪聲放大器300的增益。
只要可進行開關(guān)操作，可以按各種形式構(gòu)建第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320。
此外，由電感器組成并充當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃鞯呢撦d的負載1和負載2位于輸出端(RFout+和RFout-)，通過將多個負載調(diào)諧部分A1 350、…、An 360，和B1 330、…、Bn 340分別與輸出端RFout+和RFout-并聯(lián)，可根據(jù)輸入的RF信號將頻率調(diào)諧至任何想要的值。通過這樣做，可獲得低噪聲放大器的寬帶特性。可以由電容器和用于進行開關(guān)操作的其它裝置的組合來實現(xiàn)負載調(diào)諧部分330、340、350和360。
通過天線接收的RF信號經(jīng)由平衡-不平衡變換器(未示出)被轉(zhuǎn)換成差分信號，其后進入低噪聲放大器300的輸入端。輸入的RF信號通過晶體管M1和M2以及晶體管M3和M4進行放大，并出現(xiàn)在輸出端RFout+和RFout-。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例的寬帶低噪聲放大器的示圖，該示圖示出在圖3中描述的第一增益控制部分G1 310和第二增益控制部分G2 320，以及多個負載調(diào)諧部分A1 350、...、An 360，和B1 330、…、Bn 340。
可由電容器和用于進行開關(guān)操作的晶體管來構(gòu)建圖4中描述的寬帶低噪聲放大器400的負載調(diào)諧部分430、440、450和460。即，與寬帶低噪聲放大器400的負載級并聯(lián)的電容器可根據(jù)輸入的RF信號的頻率被調(diào)諧至任何想要的值。
負載調(diào)諧部分An 460具有與負載調(diào)諧部分A1 450相同的結(jié)構(gòu)，并被連接至寬帶低噪聲放大器400的RFout+負載端；負載調(diào)諧部分B1 430、…、Bn440具有與負載調(diào)諧部分A1 450、…、An 460相同的結(jié)構(gòu)，并被連接至RFout-負載端。
負載調(diào)諧部分A1 450和B1 430接收相同的開關(guān)信號Ftune 1以便使負載調(diào)諧部分A1 450的晶體管MS1和負載調(diào)諧部分B1 430的晶體管MS1同時導(dǎo)通或截止。
可設(shè)置組成負載調(diào)諧部分A1450、…、An 460的電容器和晶體管的大小以便它們根據(jù)想要的帶寬而具有適當(dāng)?shù)闹怠?br> 由電容器和晶體管構(gòu)建負載調(diào)諧部分B1 430，所述電容器和晶體管的大小與負載調(diào)諧部分A1 450的電容器和晶體管的大小相同，由與負載調(diào)諧部分An 460的電容器和晶體管同樣大小的電容器和晶體管構(gòu)建負載調(diào)諧部分Bn440。
因此，當(dāng)寬帶低噪聲放大器400工作時，所有負載調(diào)諧部分A1 450至An 460以及B1 430至Bn 440的開關(guān)在RF輸入信號的頻率最高時處于斷開，寬帶低噪聲放大器400的負載在最高頻率處諧振。當(dāng)電容器和電感器是并聯(lián)諧振時，通過表達式1來表示諧振頻率f。
f=12πLC]]>因此，諧振頻率隨著負載調(diào)諧部分A1 450至An 460和B1 430至Bn 440中的電容值接近0而增大。
此外，當(dāng)RF輸入信號的頻率最低時，所有負載調(diào)諧部分A1 450至An 460以及B1 430至Bn 440的開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下工作，因此，寬帶低噪聲放大器400的負載在最低頻率處諧振?？傠娙莸扔诟鱾€電容值的和，參照表達式1，這導(dǎo)致諧振頻率的降低。
對于具有寬頻譜的RF輸入信號，通過將組成每一負載調(diào)諧部分的開關(guān)設(shè)置為導(dǎo)通/斷開狀態(tài)，負載的諧振阻抗可被設(shè)置為最大值以便適應(yīng)于輸入頻率。因此，可在輸入頻率處獲得最大增益。
自然地，負載的諧振點通過包括負載的寄生分量的負載阻抗和包括下一級的寄生分量的輸入阻抗來諧振。
由于可如上所述調(diào)整諧振頻率，所以可獲得低噪聲放大器的寬帶特性。
第一增益控制部分G1 410可由用于調(diào)整寬帶低噪聲放大器400的增益的p通道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管M5來構(gòu)建。通過開關(guān)信號Gtune 5使PMOS晶體管M5導(dǎo)通和截止。此外，可使用現(xiàn)有技術(shù)中公知的其它晶體管。
第二增益控制單元G2 420可包括用于控制寬帶低噪聲放大器400的增益的PMOS晶體管M6、以及電阻器R1和R2。通過開關(guān)信號Gtune 6使PMOS晶體管M6導(dǎo)通和截止。第二增益控制部分G2 420通過使PMOS晶體管M6導(dǎo)通/截止來改變負載阻抗，由此調(diào)整寬帶低噪聲放大器400的增益。
通常，可使用表達式2獲得圖4中描述的級聯(lián)放大器的增益G。
G＝gm*Rout其中，gm表示圖4中晶體管M1和M2的跨導(dǎo)，Rout表示負載的輸出阻抗。
參照圖4，由于寬帶低噪聲放大器400的輸出端是M3和M4的漏極端，所以作為負載阻抗的電感器負載1和負載2在工作頻率處與連接至負載的裝置諧振，由此獲得最大增益。
第一增益控制部分G1 410的Gtune 5和第二增益控制部分G2 420的Gtune 6并聯(lián)至負載1和負載2。
如果晶體管M5和M6均處于截止?fàn)顟B(tài)，則負載的總阻抗變?yōu)?負載阻抗//∞)(假設(shè)晶體管M5和M6在截止?fàn)顟B(tài)下是無窮大，“//”表示并聯(lián))。結(jié)果，負載的總阻抗變成諧振的負載阻抗，由此具有最高增益。
當(dāng)晶體管M5和M6處于導(dǎo)通狀態(tài)時，晶體管M5和M6的漏極和源極具有相同的DC電壓，電流并不流過。這時候，晶體管M5和M6工作于三極管區(qū)，漏極至源極阻抗在三極管區(qū)的導(dǎo)通狀態(tài)下減小。結(jié)果，當(dāng)晶體管M5和M6均導(dǎo)通時獲得最小增益。
參照第二增益控制單元G2 420，由于晶體管M6與電阻器R1和R2串聯(lián)，所以當(dāng)晶體管M5截止并且晶體管M6導(dǎo)通時，其以中間增益工作。
總之，當(dāng)最大增益被設(shè)置時晶體管M5和M6處于截止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)中間增益被設(shè)置時晶體管M5截止并且晶體管M6導(dǎo)通。
當(dāng)最小增益被設(shè)置時晶體管M5和M6均導(dǎo)通。這時候，可通過僅將晶體管M5設(shè)置為導(dǎo)通來設(shè)置最小增益。
在圖4中，使用兩個增益控制部分G1410和G2420可獲得22種增益模式。然而，根據(jù)該示例性實施例的寬帶低噪聲放大器的增益控制并不受限于此。
通過包括單個增益控制部分，寬帶低噪聲放大器可實現(xiàn)最大增益和最小增益，或者通過使用n個增益控制部分，寬帶低噪聲放大器可以按2n種增益模式中的任何之一來工作。
當(dāng)僅使用單個增益控制部分時，可選擇第一增益控制部分G1 410或第二增益控制部分G2 420。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的仿真結(jié)果的曲線圖。在圖4的電路圖中，在用于調(diào)諧至頻帶的負載調(diào)諧部分中，n＝2。
負載調(diào)諧部分A1 450和A2 460的電容器C1、C2，以及負載調(diào)諧部分B1 430和B2 440的電容器C1、C2(即，n＝2)互相并聯(lián)至負載，所述電容器通過負載調(diào)諧部分A1 450和A2 460的晶體管MS1和MS2以及負載調(diào)諧部分B1 430和B2 440的晶體管MS1和MS2(即，n＝2)連接到地。
曲線圖的x軸表示輸入頻率(GHz)，y軸表示增益(dB)。
B曲線表示晶體管MS1和MS2兩者的截止?fàn)顟B(tài)，其中，增益在最高頻率處最大。
A曲線表示晶體管MS1和MS2兩者的導(dǎo)通狀態(tài)，其中，增益在最低頻率處最大。
即，對于標(biāo)記A和B之間的兩條曲線，晶體管MS1和MS2分別處于導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)。這時候，可確定電容器C1和C2的值以便正確地適應(yīng)于工作頻率。
如上所述，通過使用低噪聲放大器的負載電容器和開關(guān)，本發(fā)明在擴展低噪聲放大器的頻帶方面是有效的。
此外，通過調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)，并且即使低噪聲放大器的負載的諧振點不同也將它們諧振到想要的頻率，本發(fā)明在防止增益減少方面是有效的。
通過調(diào)整增益控制單元，本發(fā)明在設(shè)置想要的增益級別方面也是有效的。
盡管已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的示例性實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)清楚的是在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可對其進行各種修改和改變。因此，應(yīng)理解，本發(fā)明從各方面而言都不是限制性的，而是示例性的。
權(quán)利要求
1.一種寬帶低噪聲放大器，該放大器包括輸入端，射頻信號被輸入其中；輸出端，從中輸出放大的射頻信號；至少一個增益控制部分，其與輸出端的負載并聯(lián)以調(diào)整放大的射頻信號的增益；以及至少一個負載調(diào)諧部分，其與輸出端的負載諧振以調(diào)整負載的阻抗的諧振頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其中，所述至少一個增益控制部分使用開關(guān)操作來工作，從而通過開關(guān)操作調(diào)整增益。
3.如權(quán)利要求2所述的寬帶低噪聲放大器，其中，所述至少一個增益控制部分包括進行開關(guān)操作的晶體管。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其中，所述至少一個增益控制部分包括電阻器和進行開關(guān)操作的晶體管，所述電阻器和晶體管是串聯(lián)的。
5.如權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其中，所述至少一個增益控制部分是多個連接至輸出端的增益控制部分。
6.如權(quán)利要求5所述的寬帶低噪聲放大器，其中，每一增益控制部分包括進行開關(guān)操作的晶體管，并且通過開關(guān)操作來確定放大的射頻信號的增益。
7.如權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其中，所述至少一個負載調(diào)諧部分包括電容器和進行開關(guān)操作的晶體管。
8.如權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其中，所述至少一個負載調(diào)諧部分是多個連接至輸出端的負載調(diào)諧部分。
9.如權(quán)利要求8所述的寬帶低噪聲放大器，其中，每一負載調(diào)諧部分包括電容器和進行開關(guān)操作的晶體管，并且諧振頻率與根據(jù)開關(guān)操作連接至地的電容器的電容值的和對應(yīng)。
10.如權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其中，射頻信號從天線輸入到輸入端。
11.一種射頻信號放大方法，該方法包括將射頻信號輸入到輸入端；以及放大輸入的射頻信號，并將放大的射頻信號輸出到輸出端，其中，通過與輸出端的負載并聯(lián)的至少一個開關(guān)裝置的開關(guān)操作來調(diào)整放大的射頻信號的增益，根據(jù)與負載諧振的至少一個電容器的值來確定負載的阻抗的諧振頻率。
12.如權(quán)利要求11所述的射頻信號放大方法，其中，開關(guān)操作由晶體管進行。
13.如權(quán)利要求11所述的射頻信號放大方法，其中，所述至少一個開關(guān)裝置是多個連接至輸出端的開關(guān)裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的射頻信號放大方法，其中，通過所述開關(guān)裝置的開關(guān)操作來確定放大的射頻信號的增益。
15.如權(quán)利要求11所述的射頻信號放大方法，其中，所述至少一個電容器被連接至晶體管，并且如果晶體管被導(dǎo)通，則所述至少一個電容器被設(shè)置為與負載諧振。
16.如權(quán)利要求11所述的射頻信號放大方法，其中，所述至少一個電容器是多個連接至輸出端的電容器。
17.如權(quán)利要求16所述的射頻信號放大方法，其中，諧振頻率與所述電容器的電容值的和對應(yīng)。
18.如權(quán)利要求11所述的射頻信號放大方法，其中，射頻信號從天線輸入到輸入端。
全文摘要
提供一種寬帶低噪聲放大器和放大方法。所述寬帶低噪聲放大器包括輸入端，通過天線接收的射頻(RF)信號被輸入其中；輸出端，從中輸出放大的RF信號；至少一個增益控制部分，其與輸出端的負載并聯(lián)以調(diào)整放大的RF信號的增益；以及至少一個負載調(diào)諧部分，其與輸出端的負載諧振以調(diào)整負載阻抗的諧振頻率。所述方法包括對輸入的RF信號進行放大并將放大的RF信號輸出到輸出端，其中，通過與輸出端的負載并聯(lián)的至少一個開關(guān)裝置的開關(guān)操作來調(diào)整放大的RF信號的增益。
文檔編號H03F1/02GK1893261SQ20061006551
公開日2007年1月10日 申請日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者金大淵, 姜賢求, 柳載永, 孫周浩, 李廷浩 申請人:三星電子株式會社