專利名稱：用于改進放大器線性的技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路(IC)設計，且更特定來說，涉及用于使用級聯(lián)配置改進IC放大器的線性的技術。
背景技術：
放大器經(jīng)設計以將增益提供到輸入信號以產(chǎn)生經(jīng)放大的輸出信號。在集成電路中，一種常見放大器設計使用以級聯(lián)配置耦合的晶體管。級聯(lián)放大器通常在特定線性操作范圍內將增益提供到輸入信號。如果輸入信號的量值落在線性操作范圍外，那么放大器輸出中可出現(xiàn)例如三階互調失真(third-order inter-modulation distortion, IMD3)分量等不良非線性分量。一種減輕級聯(lián)放大器輸出中IMD3的電平的方法為提供與主要級聯(lián)信號路徑并聯(lián)耦合的輔助信號路徑。所述輔助路徑可經(jīng)設計以產(chǎn)生輔助電流來在所述輔助電流與主要級聯(lián)電流組合時消除輸出電流中的IMD3分量。參見(例如)2006年7月IEEE固態(tài)電路期刊(IEEE Journal of Solid-State Circuits)第 41 卷第 7 期，金南秀(Kim, Namsoo)等人的“使用有效后失真線性化的蜂窩帶CDMA 0. 25-μ m CMOS LNA (A Cellular-Band CDMA 0. 25-μ m CMOS LNA Linearized Using Active Post—Distortion)”。利用此輔助路徑的技術的一個限制為級聯(lián)放大器的信號增益可能與IMD3分量一起顯著減少。將希望提供在不顯著減少放大器信號增益的情況下減少級聯(lián)放大器的輸出信號中的IMD3分量的技術。


圖1描繪級聯(lián)放大器的先前技術實施方案。圖2描繪使用IMD3消除的級聯(lián)放大器的先前技術實施方案。圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的使用IMD3消除技術的放大器的示范性實施例。圖4描繪根據(jù)本發(fā)明的替代示范性實施例，其中在輔助分支中提供額外晶體管 M6。圖5描繪根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，其中提供相移網(wǎng)絡的特定實施方案。圖6描繪根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實施例。
具體實施例方式以下結合附圖闡明的詳細描述希望作為對本發(fā)明的示范性實施例的描述，且不希望表示可實踐本發(fā)明的唯一示范性實施例。在此描述各處所使用的術語“示范性”意味著 “充當實例、例子或說明”且應不必被理解為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。出于提供對本發(fā)明的示范性實施例的徹底理解的目的，所述詳細描述包括特定細節(jié)。所屬領域的技術人員將顯而易見可在無這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的示范性實施例。在一些情況下，以框圖形式展示眾所周知的結構和裝置以免使本文中所呈現(xiàn)的示范性實施例的新穎性模糊。圖1描繪級聯(lián)放大器100的先前技術實施方案?？蓪⒎糯笃?00用作(例如)用于通信接收器的低噪聲放大器(LNA)，但本發(fā)明的技術無需限于LNA的設計。在圖1中，經(jīng)由匹配網(wǎng)絡110將輸入電壓Vin供應到晶體管Ml的柵極，其中DC偏壓電路120對晶體管Ml的柵極施加偏壓。將Ml的漏極耦合到晶體管M2的源極，通過電壓 VBl對晶體管M2的柵極施加偏壓。共同地，將晶體管Ml和M2配置為此項技術中眾所周知的級聯(lián)放大器，其中將M2的輸出電流i_main提供到負載130以產(chǎn)生輸出電壓Vout。將電感Ls進一步耦合到晶體管Ml的源極以為放大器提供源極退化(source degeneration)。所屬領域的一般技術人員將了解，限制級聯(lián)放大器100的性能的一個因素為在 Vin足夠大時在輸出電壓Vout中出現(xiàn)的三階互調失真(IMD3)分量的存在。此IMD3可歸因于(例如)在存在大的柵極電壓的情況下晶體管Ml的非線性跨導。在不使IMD3減輕的情況下，IMD3使輸入信號的經(jīng)放大型式失真，且可使接收器的線性顯著降級。圖2描繪使用IMD3消除的級聯(lián)放大器200的先前技術實施方案。在圖2中，晶體管Ml和M2形成主要級聯(lián)分支，且以與圖1的放大器100中的對應晶體管類似的方式配置晶體管Ml和M2并對其施加偏壓。節(jié)點Xl(或“級聯(lián)節(jié)點”)處的信號經(jīng)由耦合電容器Cl耦合到晶體管M3的柵極。晶體管M3和M4形成輔助級聯(lián)分支，其響應于從節(jié)點Xl取樣的信號產(chǎn)生電流i_aux。將輔助級聯(lián)分支的信號電流i_aux與主要級聯(lián)分支的信號電流i_main 組合以產(chǎn)生放大器200的總輸出電流i_out，再次在負載130處產(chǎn)生輸出電壓Vout。所屬領域的一般技術人員將了解，通過選擇放大器200的晶體管M1、M2、M3、M4之間的相對跨導，可選擇i_main與i_aux之間的關系，使得可顯著減少存在于輸出電壓Vout 中的IMD3，同時減少某部分的信號增益Vout/Vin。參見(例如)本文較早參考的Kim等人。雖然可將放大器200設計為具有優(yōu)于放大器100的線性特性，但所屬領域的一般技術人員將了解，必須連同IMD3—起消除某一量的所要經(jīng)放大的信號分量(此不良地減少放大器增益)的事實仍然限制放大器200中IMD3消除的有效性。特定來說，假設(例如) 輸入電壓Vin升高(即，變成更高的正電壓)，其使流過由Ml和M2形成的主要級聯(lián)分支的電流i_main增大。歸因于晶體管Ml的共源極配置的反相本質(inverting nature)，節(jié)點 Xl處的電壓相應地降低(即，變成更高的負電壓)。這使晶體管M3的柵極處的電壓降低， 從而使流經(jīng)由M3和M4形成的級聯(lián)的電流i_aux減小。因為總放大器200的輸出電流i_ out由i_out = i_main+i_aux給定，所以將歸因于升高的Vin的i_main的增大視為通過 i_aux的對應減小而抵消。因此，對于晶體管Ml和M2的相同配置和偏壓，將放大器200的信號增益Vout/Vin視為小于放大器100的信號增益。將希望提供不顯著減少級聯(lián)放大器的信號增益的用于IMD3消除的技術。圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的使用IMD3消除技術的放大器300的示范性實施例。在圖3 中，節(jié)點Xl處的信號經(jīng)由相移網(wǎng)絡耦合到晶體管M5的源極，將晶體管M5配置為共柵極放大器。歸因于放大器300中信號的極性，可在不顯著減少所要信號增益的情況下實現(xiàn)IMD3 消除。特定來說，所屬領域的一般技術人員將了解，通過相對于其它晶體管選擇晶體管 M5的偏壓電壓VB2和/或大小，可以類似于針對放大器200所描述的方式消除輸出電壓 Vout中的IMD3分量。另一方面，為說明所要信號的狀態(tài)，再次假設(例如)信號輸入電壓Vin升高。這使流過由Ml和M2形成的主要級聯(lián)分支的電流i_main增大，從而使節(jié)點Xl處的電壓降低。節(jié)點Xl處的電壓經(jīng)由(非反相)相移網(wǎng)絡310耦合到晶體管M3的源極。因為將晶體管M3配置為共柵極放大器，所以晶體管M3的源極電壓的降低(歸因于節(jié)點Xl處的電壓降低)使輔助分支的電流i_aux增大。因為總放大器300的輸出電流 out = i_main+i_aux給定，所以將歸因于升高的Vin的i_main的增大視為與i_aux的增大耦合。因此，與圖2中的放大器200的IMD3消除架構對比，將i_main和i_aux中的所要信號分量視為加性組合以增加信號增益。所屬領域的一般技術人員將了解，可設計相移網(wǎng)絡310使得所要信號經(jīng)受低損耗，同時使IMD3分量(其可處于(例如)比所要信號高得多的頻率)相移以使得能夠在放大器輸出端處充分消除IMD3。舉例來說，由相移網(wǎng)絡310引入的相移的量可使得輸出電流 i_out中的IMD3分量通過i_main與以下各者的總組合而最小化1)來自耦合到相移網(wǎng)絡 310且接著耦合到共柵極放大器M5的主要級聯(lián)分支的失真分量；加上2、從共柵極放大器 M5本身出現(xiàn)的任何失真。在示范性實施例中，可選擇晶體管M5的大小和偏壓使得M5的增加的消耗功率相對于總級聯(lián)放大器來說并不顯著。圖4描繪根據(jù)本發(fā)明的替代示范性實施例，其中在輔助分支中提供額外晶體管 M6。所屬領域的一般技術人員將了解，M6的偏壓電壓和/或大小可在設定輔助分支的IMD3 消除/增益特性時提供額外自由度。圖5描繪根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，其中給定相移網(wǎng)絡510的特定實施方案。在圖5中，電容器C2直接將節(jié)點Xl處的電壓耦合到晶體管M5的源極，而電感器Ll將M5的源極耦合到接地。所屬領域的一般技術人員將了解，可選擇C2和Ll的值使得信號經(jīng)受低損耗，同時使IMD3分量(其可處于(例如)比信號高得多的頻率)相移以使得能夠在放大器輸出端處充分消除IMD3?？?例如)經(jīng)由電路模擬通過在候選值范圍內掃描C2和Ll而獲取適當值。注意，圖5中所展示的示范性實施例僅出于說明的目的，且并不意圖將本發(fā)明的范圍限于所展示的任何特定相移網(wǎng)絡實施方案。圖6描繪根據(jù)本發(fā)明的方法600的示范性實施例。注意，僅出于說明的目的展示所述方法，且并不意圖將本發(fā)明的范圍限于所揭示的任何特定方法。在框610中，級聯(lián)放大器接受輸入電壓。在框620中，基于輸入電壓產(chǎn)生主要級聯(lián)電流。在框630中，經(jīng)由相移網(wǎng)絡將級聯(lián)節(jié)點處的信號耦合到共柵極放大器的源極。在框640中，使用共柵極放大器產(chǎn)生輔助級聯(lián)電流。在框650中，對共柵極放大器施加偏壓以消除主要級聯(lián)電流中的失真分量。在框660中，將輔助級聯(lián)電流與主要級聯(lián)電流組合以產(chǎn)生級聯(lián)放大器輸出電流。所屬領域的一般技術人員將了解，雖然本文已描述單端放大器配置的各種示范性實施例，但所揭示的技術也可應用于全差分放大器配置。預期此類示范性實施例在本發(fā)明的范圍內。在本說明書中且在權利要求書中，應理解，當一元件被稱為“連接”或“耦合”到另一元件時，其可直接連接或耦合到另一元件，或可存在介入元件。作為對比，當一元件被稱
6為“直接連接到”或“直接耦合到”另一元件時，不存在介入元件。所屬領域的技術人員應理解，可使用多種不同技術和技藝中的任一者來表示信息和信號。舉例來說，可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁粒子、光場或光粒子，或其任何組合來表示可貫穿以上描述所引用的數(shù)據(jù)、指令、命令、信息、信號、位、符號和碼片。所屬領域的技術人員將進一步了解，可將結合本文中所揭示的示范性實施例而描述的各種說明性邏輯塊、模塊、電路和算法步驟實施為電子硬件、計算機軟件或兩者的組合。為清楚地說明硬件與軟件的此可互換性，上文已大體上在功能性方面描述了各種說明性組件、塊、模塊、電路和步驟。將此功能性實施為硬件還是軟件視特定應用和強加于整個系統(tǒng)的設計約束而定。熟練的技術人員可針對每一特定應用以不同方式來實施所描述的功能性，但此類實施決策不應被解釋為導致偏離本發(fā)明的示范性實施例的范圍。可用通用處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其它可編程邏輯裝置、離散門或晶體管邏輯、離散硬件組件或其經(jīng)設計以執(zhí)行本文中所描述的功能的任何組合來實施或執(zhí)行結合本文中所揭示的示范性實施例而描述的各種說明性邏輯塊、模塊和電路。通用處理器可為微處理器，但在替代方案中，處理器可為任何常規(guī)處理器、控制器、微控制器或狀態(tài)機。還可將處理器實施為計算裝置的組合，例如，DSP與微處理器的組合、多個微處理器的組合、結合DSP核心的一個或一個以上微處理器，或任何其它此類配置。結合本文中所揭示的示范性實施例而描述的方法或算法的步驟可直接體現(xiàn)于硬件中、由處理器執(zhí)行的軟件模塊中或所述兩者的組合中。軟件模塊可駐存于隨機存取存儲器(RAM)、快閃存儲器、只讀存儲器(ROM)、電子可編程ROM(EPROM)、電子可擦除可編程 ROM(EEraOM)、寄存器、硬盤、可裝卸盤、⑶-ROM或此項技術中已知的任何其它形式的存儲媒體中。將示范性存儲媒體耦合到處理器，使得所述處理器可從所述存儲媒體讀取信息和將信息寫入到所述存儲媒體。在替代方案中，存儲媒體可與處理器成一體式。處理器和存儲媒體可駐存于ASIC中。ASIC可駐存于用戶終端中。在替代方案中，處理器和存儲媒體可作為離散組件而駐存于用戶終端中。在一個或一個以上示范性實施例中，所描述的功能可以硬件、軟件、固件或其任何組合來實施。如果以軟件實施，那么可將所述功能作為一個或一個以上指令或代碼存儲于計算機可讀媒體上或經(jīng)由計算機可讀媒體來發(fā)射。計算機可讀媒體包括計算機存儲媒體和通信媒體兩者，通信媒體包括促進將計算機程序從一處傳送到另一處的任何媒體。存儲媒體可為可由計算機存取的任何可用媒體。借助實例且非限制，此計算機可讀媒體可包含 RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲裝置、磁盤存儲裝置或其它磁性存儲裝置，或可用于載運或存儲呈指令或數(shù)據(jù)結構的形式的所要程序代碼且可由計算機存取的任何其它媒體。并且，將任何連接適當?shù)胤Q作計算機可讀媒體。舉例來說，如果使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字訂戶線(DSL)或例如紅外線、無線電和微波等無線技術從網(wǎng)站、服務器或其它遠程源發(fā)射軟件，那么同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或例如紅外線、無線電和微波等無線技術包括于媒體的定義中。如本文中所使用，磁盤(Disk)和光盤(disc)包括壓縮光盤(CD)、激光光盤、光學光盤、數(shù)字多功能光盤(DVD)、軟性磁盤和藍光光盤，其中磁盤通常以磁性方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而光盤使用激光以光學方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述各物的組合也應包括在計算機可讀媒體的范圍內。
提供所揭示的示范性實施例的先前描述以使所屬領域的任何技術人員能夠制作或使用本發(fā)明。所屬領域的技術人員將易于了解對這些示范性實施例的各種修改，且在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，本文中定義的一般原理可應用于其它示范性實施例。 因此，本發(fā)明不希望限于本文中所展示的示范性實施例，而是應被賦予與本文所揭示的原理和新穎特征一致的最廣范圍。
權利要求
1.一種用于改進級聯(lián)放大器的線性的方法，所述方法包含 接受輸入電壓；基于所述輸入電壓產(chǎn)生主要級聯(lián)電流；經(jīng)由相移網(wǎng)絡將所述放大器的級聯(lián)節(jié)點處的信號耦合到共柵極放大器的源極； 使用所述共柵極放大器產(chǎn)生輔助級聯(lián)電流；對所述共柵極放大器施加偏壓以消除所述主要級聯(lián)電流中的失真分量；以及將所述輔助級聯(lián)電流與所述主要級聯(lián)電流組合以產(chǎn)生所述級聯(lián)放大器的輸出電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，所述產(chǎn)生所述輔助級聯(lián)電流包含將由所述共柵極放大器產(chǎn)生的所述電流耦合到第二共柵極放大器；所述方法進一步包含對所述第二共柵極放大器施加偏壓以進一步消除所述主要級聯(lián)電流中的所述失真分量。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，所述相移網(wǎng)絡包含串聯(lián)電容器和電感器，所述共柵極放大器的所述源極耦合到所述電感器。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包含將所述級聯(lián)放大器輸出電流耦合到負載，所述級聯(lián)放大器的輸出電壓源自所述負載。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，所述共柵極放大器經(jīng)調整大小以消除所述主要級聯(lián)電流中的失真分量。
6.一種具有改進的線性的級聯(lián)放大器設備，所述設備包含第一主要晶體管和第二主要晶體管，所述晶體管以級聯(lián)配置耦合，所述第一和第二主要晶體管形成主要級聯(lián)分支，所述主要級聯(lián)分支具有輸出端和級聯(lián)節(jié)點； 相移網(wǎng)絡，其耦合到所述級聯(lián)節(jié)點；以及共柵極放大器，其具有耦合到所述相移網(wǎng)絡的輸出端的輸入端，所述共柵極放大器的輸出端耦合到所述主要級聯(lián)分支的所述輸出端。
7.根據(jù)權利要求6所述的設備，其進一步包含第二共柵極放大器，其具有耦合到所述共柵極放大器的所述輸出端的輸入端，所述第二共柵極放大器的輸出端耦合到所述主要級聯(lián)分支的所述輸出端。
8.根據(jù)權利要求6所述的設備，所述主要級聯(lián)分支的所述輸出端耦合到負載。
9.根據(jù)權利要求6所述的設備，所述相移網(wǎng)絡包含串聯(lián)電容器和電感器，所述共柵極放大器的源極耦合到所述電感器。
10.根據(jù)權利要求6所述的設備，所述共柵極放大器經(jīng)調整大小以消除所述主要級聯(lián)電流中的失真分量。
11.根據(jù)權利要求7所述的設備，所述第二共柵極放大器經(jīng)調整大小以消除所述主要級聯(lián)電流中的失真分量。
12.—種具有改進的線性的級聯(lián)放大器設備，所述設備接受輸入電壓，所述設備包含 用于基于所述輸入電壓產(chǎn)生主要級聯(lián)電流的裝置；用于產(chǎn)生輔助級聯(lián)電流的裝置，所述輔助級聯(lián)電流耦合到所述主要級聯(lián)電流以產(chǎn)生輸出電流；以及用于將所述放大器的級聯(lián)節(jié)點處的信號耦合到所述用于產(chǎn)生輔助級聯(lián)電流的裝置的直ο
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，所述用于產(chǎn)生主要級聯(lián)電流的裝置包含以級聯(lián)配置耦合的第一和第二主要晶體管。
14.根據(jù)權利要求12所述的設備，所述用于耦合所述放大器的級聯(lián)節(jié)點處的信號的裝置包含串聯(lián)電容器和電感器。
15.根據(jù)權利要求12所述的設備，所述用于產(chǎn)生輔助級聯(lián)電流的裝置包含至少一個共柵極放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供用于改進級聯(lián)放大器的線性的技術。在示范性實施例中，與主要級聯(lián)分支(M2)并聯(lián)地提供輔助共柵極放大器(M5)。所述輔助共柵極放大器(M5)對所述主要級聯(lián)分支(M2)中的級聯(lián)節(jié)點(X1)進行取樣。所述輔助共柵極放大器(M5)產(chǎn)生電流，所述電流在與由所述主要級聯(lián)分支(M2)產(chǎn)生的電流組合時，消除失真分量以產(chǎn)生具有改進的線性特性的輸出電流。在示范性實施例中，相移網(wǎng)絡(310)將所述級聯(lián)節(jié)點(X1)耦合到所述輔助共柵極放大器(M5)，且可包括(例如)耦合到電感器的電容器。
文檔編號H03F3/19GK102246411SQ200980149817
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權日2008年12月12日
發(fā)明者李孝勇, 李桑奧, 科馬克·S·康羅伊 申請人:高通股份有限公司