低噪聲放大器電路的制作方法
【專利摘要】用于將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)的放大器(300)。該放大器(300)包括第一晶體管(301)、第二晶體管(302)、第三晶體管(303)和第四晶體管(304)。以共源極或共發(fā)射極模式配置的第一晶體管(301)接收單端輸入信號(hào)并且生成差分輸出信號(hào)的第一部分。以共源極或共發(fā)射極模式配置的第二晶體管(302)生成差分輸出信號(hào)的第二部分。第三和第四晶體管(303，304)電容性交叉耦合。放大器(300)還包括電感退化，使得第一晶體管(301)的源極或發(fā)射極連接至第一電感器(321)并且第二晶體管(302)的源極或發(fā)射極連接至第二電感器(322)。
【專利說(shuō)明】
低噪聲放大器電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本文中的實(shí)施例設(shè)及放大器。特別地，實(shí)施例設(shè)及無(wú)線通信設(shè)備中用于將單端輸 入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)的低噪聲放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在無(wú)線通信設(shè)備(例如現(xiàn)代蜂窩電話）中采用的收發(fā)器通常高度地集成有被集成 在射頻集成電路(RFIC)上的大部分收發(fā)器功能，該收發(fā)器通常包括發(fā)射器和接收器。高度 集成的RFIC減小了電話的印刷電路板(PCB)面積、復(fù)雜性和功耗，同時(shí)降低了部件的成本。 另外，在高端移動(dòng)電話和膝上型電腦中使用的蜂窩接收器需要在多個(gè)頻帶操作，并且蜂窩 接收器必須支持若干無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，諸如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、寬帶碼分多址(WCDMA)和長(zhǎng) 期演進(jìn)化TE)等。
[0003] 由于每個(gè)接收頻帶通常需要在天線與RFIC之間的其自身的預(yù)選擇濾波器，所W RFIC的接收器輸入的數(shù)目基本上由需要支持的頻帶的數(shù)目確定。實(shí)際上，現(xiàn)有技術(shù)的RFIC 具有10到30個(gè)接收器輸入。另外，由于差分信號(hào)處理被認(rèn)為對(duì)共模擾動(dòng)和干擾更加不敏感 并且具有魯棒性，所W通常針對(duì)接收器RFIC采用差分輸入。自然，RFIC接收器的對(duì)應(yīng)的第一 級(jí)一一通常為低噪聲放大器化NA)-一也被實(shí)現(xiàn)為差分輸入、差分輸出放大器。不幸的是， 由于每個(gè)差分LNA需要兩個(gè)輸入封裝引腳，所W在假定需要支持大量頻帶時(shí)，接收器輸入所 消耗的RFIC封裝引腳的數(shù)目將顯著增加。例如，在20個(gè)差分接收器輸入的情況下，在RFIC中 一共需要40個(gè)用于接收器輸入的封裝引腳。另外，在RFIC與包含預(yù)選擇濾波器等的前端模 塊(FEM)之間的PCB上路由20個(gè)差分射頻(RF)跡線變得非常有挑戰(zhàn)性。出于運(yùn)一原因，非常 有益的是，LNA具有單端輸入W降低接收器所需要的RFIC封裝引腳的數(shù)目。另外，運(yùn)簡(jiǎn)化了 陽(yáng)Μ與RFIC之間的PCB路由，并且還降低了對(duì)應(yīng)路由所需要的PCB面積和足跡。另一方面，由 于電氣性能原因，非常有益的是，實(shí)現(xiàn)下變頻混頻器，其在接收器下游在LNA之后作為雙平 衡電路，因此LNA需要具有差分輸出。因此，需要單端到差分LNA。
[0004] 單端到差分放大器可W使用單端放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，單端放大器即具有單端輸入和輸 出的放大器，其之后是無(wú)源或有源己倫電路，己倫電路將放大器的單端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為差 分信號(hào)。不幸的是，單端放大器對(duì)差地建模的接地和電源寄生效應(yīng)非常敏感，電源寄生效應(yīng) 諸如是寄生電感，其可W降低放大器增益、輸入匹配、噪聲圖（NF)等，并且在一些極端情況 下可能引起電路振蕩。由于單端放大器設(shè)計(jì)需要對(duì)接地和電源寄生效應(yīng)的非常準(zhǔn)確的建 模，因此由于更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期而存在對(duì)上市時(shí)間的懲罰的風(fēng)險(xiǎn)。另外，在包含RFIC的產(chǎn)品 中，客戶或另一子承包商可W設(shè)計(jì)PCB，因此，可W有益的是，使用對(duì)PCB寄生效應(yīng)(例如電源 和接地電感)不敏感的LNA。最后，不可避免的接地和電源寄生回路也可W充當(dāng)不期望的虛 假信號(hào)的磁性禪合的犧牲回路。
[0005] 通常，無(wú)源己倫電路被實(shí)現(xiàn)為感應(yīng)變壓器。然而，在放大器輸出處使用的無(wú)源己倫 電路或變壓器電路通常比對(duì)應(yīng)的差分電感器具有更低的品質(zhì)因子，運(yùn)導(dǎo)致功耗懲罰。另外， 有源己倫電路通過(guò)引入噪聲和非線性而降低了接收器的性能，同時(shí)也增加了接收器的功 耗。
[0006] 通過(guò)采用己倫電路來(lái)實(shí)現(xiàn)單端到差分放大器也是可能的，該己倫電路之后是差分 放大器，即具有平衡的或差分的輸入和輸出的放大器。己倫電路將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差 分放大器的差分信號(hào)。傳統(tǒng)的己倫電路可W被實(shí)現(xiàn)為忍片上或忍片外感應(yīng)變壓器。然而，由 于己倫電路的損耗關(guān)于接收器W非常關(guān)鍵，所W己倫電路通常實(shí)現(xiàn)為具有高品質(zhì)因子(Q因 子)和低損耗的忍片外部件。
[0007] 不幸的是，由于每個(gè)RFIC接收器輸入需要其自己的己倫電路并且外部己倫電路幾 乎與預(yù)選擇濾波器一樣昂貴，所W解決方案由于高成本而不太吸引人，并且消耗大的PCB面 積。
[000引US 6366171公開了單端到差分LNA，其可W集成在娃上，但是在該技術(shù)中，需要補(bǔ) 償電路W改善差分信號(hào)相位不平衡。另外，生成差分輸出信號(hào)所需要的輔助支路生成大量 噪聲和非線性。
[0009] 在US 7646250和CHOI,J.等人的A Low Noise and Low Power RF 化ont-End for 5.8-GHz DSRC Receiver in 0.1Sum CMOS,Journal of Semiconductor Technology and Science,Vol. 11，No.l，March，2011中公開了具有類型拓?fù)涞膯味说讲罘中盘?hào)轉(zhuǎn)換器，該拓 撲能夠響應(yīng)于單端輸入電壓而提供良好平衡的輸出電流。圖1中示出了如下拓?fù)?，其中單?到差分轉(zhuǎn)換器包括第一晶體管化和第二晶體管M2,每個(gè)晶體管被配置為共源放大器。另外， 電容性交叉禪合的晶體管對(duì)M3和M4禪合至第一和第二晶體管化和M2的輸出。Zl是在轉(zhuǎn)換器的 輸出處禪合的IX諧振器電路。不幸的是，由于運(yùn)一電路具有電容性或虛輸入阻抗，所W其輸 入阻抗不能匹配真阻抗，諸如50 Ω，甚至是在忍片外匹配網(wǎng)絡(luò)的情況下。因此，圖1所示的單 端到差分轉(zhuǎn)換器在圖2所示并且在W下描述的無(wú)線接收器中不能用作LNA，在圖2中LNA輸入 阻抗需要匹配在LNA前面的帶通濾波器的特征阻抗，該特征阻抗通常為50 Ω。
[0010] 在圖2所示的無(wú)線接收器中，需要RF濾波器或帶通濾波器W執(zhí)行所接收的RF頻帶 的預(yù)選擇。在沒(méi)有RF濾波器的情況下，接收器的線性要求是壓倒性的并且是不實(shí)際的。另一 方面，如果RF濾波器的終端阻抗明顯不同于規(guī)定的特征阻抗，則會(huì)在RF濾波器的通帶中引 起大的波紋(ripple)和損耗并且使RF濾波器的過(guò)渡頻帶惡化。運(yùn)樣的大的損耗需要避免， 因?yàn)樗鼈兝缈赡軐?dǎo)致接收器NF和靈敏度的懲罰。因此，非常重要的是，LNA針對(duì)RF濾波器 呈現(xiàn)足夠準(zhǔn)確的終端阻抗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 因此，本文中的實(shí)施例的第一目的是提供具有改進(jìn)的性能的單端到差分放大器。
[0012] 根據(jù)本文中的實(shí)施例的第一方面，該目的通過(guò)用于將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸 出信號(hào)的放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器包括第一晶體管，第一晶體管W共 源極或共發(fā)射極模式配置W接收單端輸入信號(hào)并且生成差分輸出信號(hào)的第一部分。放大器 還包括第二晶體管，第二晶體管W共源極或共發(fā)射極模式配置W生成差分輸出信號(hào)的第二 部分。放大器還包括第Ξ晶體管和第四晶體管，第Ξ晶體管和第四晶體管交叉禪合并且按 照W下方式連接至第一和第二晶體管：
[0013] 第一晶體管的漏極或集電極經(jīng)由第一電容器禪合至第四晶體管的柵極或基極；
[0014] 第二晶體管的漏極或集電極經(jīng)由第二電容器禪合至第Ξ晶體管的柵極或基極；W 及
[0015] 第一晶體管的漏極或集電極連接至第Ξ晶體管的源極或發(fā)射極，第二晶體管的漏 極或集電極連接至第四晶體管的源極或發(fā)射極。
[0016] 另外，第一晶體管的漏極或集電極直接地或者經(jīng)由第Ξ電容器禪合至第二晶體管 的柵極或基極。
[0017] 放大器還包括退化電感，使得第一晶體管的源極或發(fā)射極連接至第一電感器并且 第二晶體管的源極或發(fā)射極連接至第二電感器
[0018] 本文中的實(shí)施例的第二目的是提供具有改進(jìn)的性能的多頻帶接收器。
[0019] 根據(jù)本文中的實(shí)施例的一方面，該目的通過(guò)在多個(gè)頻帶操作的接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該 接收器包括被配置成接收單端輸入信號(hào)并且生成單端輸出信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器。 接收器還包括一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本文中的實(shí)施例的被配置成將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸 出信號(hào)的放大器，該單端輸入信號(hào)是從射頻濾波器生成的單端輸出信號(hào)。另外，一個(gè)或多個(gè) 放大器的輸入阻抗被配置成分別匹配一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器在操作頻率處的輸出阻抗。
[0020] 根據(jù)本文中的實(shí)施例的另一方面，該目的通過(guò)在接收器中的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該接收 器用于在多個(gè)頻帶操作。該方法包括在一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器中接收單端輸入信號(hào)并且生 成單端輸出信號(hào)。該方法還包括在一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器中接收所生成 的單端輸出信號(hào)并且在一個(gè)或多個(gè)放大器中將所接收的單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信 號(hào)。另外，一個(gè)或多個(gè)放大器的輸入阻抗被配置成分別匹配一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器在操作 頻率處的輸出阻抗。
[0021] 根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器具有若干優(yōu)點(diǎn)。第一，由于放大器包括作為電感退 化的共源極或共發(fā)射極晶體管的第一晶體管、連同輸入匹配電路，因此其能夠提供良好定 義和良好調(diào)節(jié)的輸入阻抗。第二，由于放大器能夠提供良好定義和良好調(diào)節(jié)的輸入阻抗，其 輸入阻抗可W被設(shè)計(jì)成匹配RF濾波器的特征阻抗，因此放大器適合用作無(wú)線通信設(shè)備中的 接收器中的低噪聲放大器。第Ξ，由于放大器包括交叉禪合并且連接至第一和第二晶體管 的第Ξ晶體管和第四晶體管，因此放大器能夠提供良好平衡的差分輸出信號(hào)。另外，由于交 叉禪合的第Ξ和第四晶體管，所W由放大器中的第二晶體管引起的噪聲和非線性在良好平 衡的差分輸出信號(hào)處被消除。因此，第二晶體管對(duì)整個(gè)放大器噪聲和線性性能具有可忽略 的影響。
[0022] 因此，本文中的實(shí)施例提供在輸入阻抗匹配、噪聲和線性方面具有改進(jìn)的性能的 單端到差分放大器。另外，本文中的實(shí)施例還提供由于使用根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器 作為接收器中的低噪聲放大器而具有改進(jìn)的性能的多頻帶接收器。由于放大器的在輸入阻 抗匹配、噪聲和非線性方面的改進(jìn)的性能，在例如噪聲和線性方面的整個(gè)接收器性能得到 了改進(jìn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 參考附圖更詳細(xì)地描述本文中的實(shí)施例的示例，在附圖中：
[0024] 圖1是圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有電容交叉禪合的晶體管對(duì)的單端到差分放大器的 示意圖。
[0025] 圖2是圖示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有單端到差分LNA的直接轉(zhuǎn)換接收器的示意圖。
[0026] 圖3是圖示根據(jù)本文中的實(shí)施例的單端到差分放大器的示意圖。
[0027] 圖4是圖示圖3所示的單端到差分放大器的分析模型的示意圖。
[0028] 圖5是圖示本文中的實(shí)施例能夠在其中實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信設(shè)備的框圖。
[0029] 圖6是描繪根據(jù)本文中的實(shí)施例的接收器中的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 當(dāng)今，無(wú)線通信設(shè)備中的大多數(shù)接收器基于直接轉(zhuǎn)換或零中頻(零IF)架構(gòu)，因?yàn)?運(yùn)些接收器拓?fù)湓试S非常高水平的集成和低成本。零IF接收器還允許多模式、多頻帶接收 器的有效集成。
[0031] 圖2示出了具有單端到差分LNA 210的直接轉(zhuǎn)換接收器200的簡(jiǎn)化框圖。天線220向 RF濾波器230饋送所接收的RF模擬信號(hào)，RF濾波器230執(zhí)行所接收的RF頻帶的預(yù)選擇并且傳 遞所選擇的RF模擬信號(hào)。LNA 210放大所選擇的RF模擬信號(hào)并且驅(qū)動(dòng)下變頻混頻器240(簡(jiǎn) 稱為混頻器），下變頻混頻器240對(duì)放大的RF模擬信號(hào)進(jìn)行下變頻。下變頻后的模擬信號(hào)在 低通濾波器和模擬基帶(ABB)250的增益級(jí)中被濾波和放大，并且然后在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 260中被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如圖2所示，LNA 210輸入處的所選擇的RF信號(hào)是單端的，但是在 ADC 260之前的其余信號(hào)處理利用差分信號(hào)來(lái)執(zhí)行。
[0032] 在集成的直接轉(zhuǎn)換接收器中使用的混頻器240實(shí)際上總是基于單平衡或雙平衡電 路拓?fù)洹Ｈ绻祛l器使用差分本振化0)信號(hào)和單端RF信號(hào)操作，則其被稱為單平衡。然而， 如果混頻器使用差分RF和L0信號(hào)二者，則其稱為雙平衡。
[0033] 與單平衡混頻器相比，雙平衡混頻器生成較少的偶數(shù)階失真并且提供更好的端口 到端口隔離。另外，單平衡拓?fù)涓资躄0信號(hào)的噪聲的影響。出于運(yùn)些原因，雙平衡混頻器 拓?fù)涫莾?yōu)選的，并且LNA 210需要為雙平衡混頻器提供差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖2所示。本文中的 實(shí)施例提供改善接收器200的性能的LNA電路。
[0034] 根據(jù)本文中的實(shí)施例，圖3示出了用于將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)的單 端到差分放大器300。圖3是簡(jiǎn)化的示意圖，其中省略了所有偏置細(xì)節(jié)。放大器300可W用作 圖2中的接收器中的LNA210。
[00巧]如圖3所示，放大器300包括第一晶體管301 Ml、第二晶體管302 M2、第Ξ晶體管303 M3和第四晶體管304 M4。雖然圖3所示的晶體管是具有柵極、漏極和源極運(yùn)樣的端子名稱的 金屬氧化物半導(dǎo)體(M0S)晶體管，然而也可W使用其他類型的晶體管，例如具有基極、集電 極和發(fā)射極運(yùn)樣的對(duì)應(yīng)端子名稱的雙極結(jié)晶體管(BJT)。
[0036] W共源極或共發(fā)射極模式配置的第一晶體管301接收單端輸入信號(hào)并且生成差分 輸出信號(hào)的第一部分，即輸出電流i〇uT+。也W共源極或共發(fā)射極模式配置的第二晶體管302 生成差分輸出信號(hào)的第二部分，即輸出電流iouT-。第Ξ和第四晶體管303、304電容交叉禪合 并且連接至第一和第二晶體管301、302。
[0037] 另外，如圖3所示，第一、第二、第Ξ和第四晶體管301、302、303、304的具體連接是： 第一晶體管301的漏極或集電極經(jīng)由第一晶體管311 Cl禪合至第四晶體管304的柵極或基 極;第二晶體管302的漏極或集電極經(jīng)由第二電容器312 C2禪合至第Ξ晶體管303的柵極或 基極；另外，第一晶體管301的漏極或集電極經(jīng)由第Ξ電容器313 C3禪合至第二晶體管302 的柵極或基極;并且另外，第一晶體管301的漏極或集電極連接至第Ξ晶體管303的源極或 發(fā)射極，第二晶體管302的漏極或集電極連接至第四晶體管304的源極或發(fā)射極。
[0038] 根據(jù)一些實(shí)施例，第Ξ電容器C3可W用短路來(lái)代替。在運(yùn)種情況下，第二晶體管 302的柵極或基極直接連接至第一晶體管301的漏極或集電極。
[0039] 放大器300還包括電感退化(degeneration),使得第一晶體管301的源極或發(fā)射器 連接至第一電感器321 Lsi，并且第二晶體管302的源極或發(fā)射極連接至第二電感器322 Ls2〇
[0040] 根據(jù)一些實(shí)施例，退化電感器321和322,即Lsi和Ls2,也可W使用單個(gè)差分電感器 來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，放大器300包括差分退化電感，使得第一晶體管301的源極或發(fā)射極連接至差 分電感器的第一端子并且第二晶體管302的源極或發(fā)射極連接至差分電感器的第二端子。 取決于差分電感器拓?fù)洌罘蛛姼衅鞯闹虚g接入端子可W接地。
[0041] 放大器300還包括匹配電路330。第一晶體管301的柵極或基極通過(guò)匹配電路330禪 合至單端輸入信號(hào)。在圖3中，Zgnd表示寄生接地阻抗，理想情況下Zgnd = 0 Ω。匹配電路330通 常使用忍片外高品質(zhì)(高Q)無(wú)源部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。最普遍的是，一個(gè)或兩個(gè)無(wú)源部件足W將感興 趣的頻率處的放大器輸入阻抗與RF濾波器的阻抗(例如50 Ω)進(jìn)行匹配。匹配電路330可W 包括(比如從第一晶體管301的柵極開始)在放大器300輸入端子（即稱為ViN的端子)與地之 間的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。在圖3中，第一、第二和第Ξ電容器311、312、313(即Ci、C2和C3)被 假定充當(dāng)感興趣的操作頻率處的短路。
[0042] 在感興趣的頻率處，輸入匹配電路330連同第一晶體管301(其是電感退化的共源 晶體管化)將放大器300輸入阻抗與RF濾波器230的特征阻抗進(jìn)行匹配。第一晶體管301還放 大第一晶體管301的柵極-源極的輸入電壓ViN。下面，第一晶體管301化將輸入電壓ViN的經(jīng) 放大的版本或其柵極-源極電壓Vcsi轉(zhuǎn)換成差分輸出電流的第一部分iouT+。第二晶體管302 (其是共源晶體管M2)負(fù)責(zé)將其柵極-源極電壓VGS2轉(zhuǎn)換成差分輸出電流的第二部分iouT-，即 差分輸出電流的互補(bǔ)。另外，由于交叉禪合的第Ξ和第四晶體管303、304,即M3和M4,輸出電 流i 0UT+和i OUT-得W很好地平衡。
[0043] 總之，作為單端到差分放大器的放大器300將輸入信號(hào)、經(jīng)由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)330向 第一晶體管301 Ml的柵極或基極施加的電壓VIN轉(zhuǎn)換成在交叉禪合的第Ξ和第四晶體管 303.304--M3和M4--的漏極或集電極可用的差分輸出信號(hào)，即輸出電流iout = iουτ+- iouT-，其中1眶+ = -1日11了-。在放大器300的輸出處，可^根據(jù)需要通過(guò)負(fù)載阻抗孔將差分輸出 電流轉(zhuǎn)換成差分輸出電壓νουτ = ZL*i〇UT。
[0044] 現(xiàn)在，描述放大器300中的單端到差分轉(zhuǎn)換的詳細(xì)操作。通過(guò)圖3中的放大器300的 檢驗(yàn)，輸出電流可W被書寫為：
[0045] i〇UT+ = gm3(v2-Vl) (1)
[0046] i〇uT- = gm4(vrv2) (2)
[0047] 其中V1和V 2是節(jié)點(diǎn)1和2處的電壓，gm3和gm4分別是第S晶體管M3和第四晶體管M4的 跨導(dǎo)。通過(guò)選擇gm3 = gm4
[004引 i0uT- = gm3(Vl-V2)=-gm3(V2-Vl)=-i0UT+ (3)
[0049] 因此，獲得了良好平衡的輸出電流。
[0050] 在感興趣的頻率fo處，放大器300的輸入阻抗ZiN被設(shè)計(jì)成匹配特征RF預(yù)選擇濾波 器阻抗Rs，其也被稱為源極電阻，通常Rs = 50 Ω :
[0051] Zin(w〇)=Rs (4)
[0052] 其中ω〇 = 2地)。另外，在操作頻率fo處，當(dāng)阻抗匹配時(shí)，即放大器300的輸入阻抗與 源極電阻匹配時(shí)，或者滿足等式(4)中的條件，差分輸出電流的幅度可W近似為：
[005；3] I i〇uT( ω〇) I = I i〇uT+-iouT-| =2| iouT+l =2gmi|vGsi| =2gmiQviN (5)
[0054]其中g(shù)ml是第一晶體管化的跨導(dǎo)，VGSl是第一晶體管化的柵極-源極電壓，Q是輸入匹 配電路330的品質(zhì)因子(Q因子)并且表示為：
[0058] 可見(jiàn)，等式(7)描述如何將單端輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換成差分輸出電流iouT并且在跨導(dǎo)方 面的轉(zhuǎn)換增益是2gmiQ。
[0059] 另外，當(dāng)阻抗在感興趣的頻率處匹配時(shí)，放大器300的輸入電流幅度被表示為：
[0060]
[0061]因此，由（5)給出的放大器300輸出電流被書寫為：
[006^ I iouT( ω0) I =2gmiQviN = 2gmiQRs I iiN( ω0) I (9)
[0063] 因此，阻抗匹配處的放大器300的電流增益W下式給出：
[0064]
(10)
[00化]在實(shí)踐中，2抑邊私>>1并且因此
[0066] I iouT( ω 0) I > > I iiN( ω 0) I (11)
[0067] 在阻抗匹配處使用等式（11)中表示的近似，針對(duì)節(jié)點(diǎn)3的基爾霍夫電流定律可W 被書寫為：
[00側(cè)
（12 )
[0069] 其中V3是寄生接地阻抗Zgnd上的電壓。由于1眶+ = -1贈(zèng)-，因此
[0073]因此，寄生接地阻抗Zgnd上的電壓接近零。換言之，實(shí)際上在操作頻率fo下沒(méi)有電 流流過(guò)Zgnd。在單端到差分放大器300中流過(guò)寄生接地阻抗Zgnd的殘余RF電流是由等式(8)中 表示的輸入電流引起的。與經(jīng)由真實(shí)單端電感退化的共源放大器中的接地阻抗流動(dòng)的電流 相比，根據(jù)本文中的實(shí)施例的單端到差分放大器300中的寄生接地RF電流是更小的因子 2gmiQRs，即等式(10)中表示的電流增益。因此，在單端到差分放大器300中，寄生接地阻抗例 如對(duì)等效跨導(dǎo)、輸入匹配和輸入阻抗僅具有較小影響。運(yùn)是有益的，因?yàn)椴粶?zhǔn)確地建模的集 成電路(IC)封裝接地引腳等現(xiàn)在對(duì)放大器300的性能有不可忽略的影響。因此，根據(jù)本文中 的實(shí)施例的放大器300由于增強(qiáng)的設(shè)計(jì)周期而會(huì)降低上市時(shí)間，如W上討論的。
[0074]在本文中的放大器300中，由第二晶體管M2引起的噪聲和非線性在輸出電流處被 消除。圖4示出了放大器300的分析模型，圖3中使用的相同的附圖標(biāo)記在圖4中用于相同的 部件。如圖4所示，由第二晶體管M2引起的噪聲或弱的非線性用電流源in2表示。另外，Zgnd表 示寄生接地阻抗，Rs是源極電阻，通常Rs = 50 Ω。
[00對(duì)為了分析由于in2而產(chǎn)生的輸出電流i0UT+，放大器300輸入經(jīng)由源極電阻器Rs接地。 現(xiàn)在，輸出電流由下式給出：
[0076] 1〇11了+ =抑3(>2-￥1)=抑1￥日51 (15)
[0077] i〇UT-=in2+gm2VGS2 = gm4(Vl-V2) (16)
[007引在此，VI和V2是節(jié)點(diǎn)1和2處的電壓，VGS1和VGS2是化和M2的柵極-源極電壓，抑i是晶體 管i Ml的跨導(dǎo)，其中1 = 1、2、3、4。另外，節(jié)點(diǎn)3的基爾霍夫電流定律可^被書寫為：
[0079]
[0080] 其中等式（15)和（16)已經(jīng)被使用，并且抑3 = gm4。因此，再次發(fā)現(xiàn)V3>0并且因此in2 沒(méi)有引起流經(jīng)接地阻抗Zgnd的電流。因此，VGS1 = 0并且i0UT+ = 0，運(yùn)意味著i0UT+ = 0，因?yàn)?br>[0081] i〇uT+ =抑3(V2_vi) =0 (18)
[0082] 因此，根據(jù)等式（16)，iouT- = 0。因此，放大器300輸出電流表明沒(méi)有由輔助支路中 的第二晶體管M2的噪聲或弱的非線性引起的分量。運(yùn)是根據(jù)本文中的實(shí)施例的單端到差分 放大器300的明顯的優(yōu)點(diǎn)。
[0083] 如【背景技術(shù)】部分中討論的，通過(guò)在無(wú)線通信設(shè)備的接收器中采用單端輸入LNA，可 W減小RFIC所需要的封裝引腳的數(shù)目，并且可W簡(jiǎn)化陽(yáng)Μ與RFIC之間的PCB路由。因此，可W 減小PCB面積和占位面積(f00化rint)。因此，可W實(shí)現(xiàn)更低的成本和物料清單(Β0Μ)。根據(jù) 本文中的實(shí)施例的放大器300具有單端輸入，因此放大器300實(shí)現(xiàn)了 W上優(yōu)點(diǎn)。
[0084] 另外，根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器300在電感退化的晶體管(諸如第一和第二晶 體管Ml和M2)的接地節(jié)點(diǎn)W及電源節(jié)點(diǎn)二者處最小化感興趣的頻率處的信號(hào)電流。因此，非 理想接地和電源阻抗對(duì)放大器300的轉(zhuǎn)換增益、輸入阻抗、噪聲圖等的影響得W最小化。因 此，放大器300的使用可W降低由于增強(qiáng)的設(shè)計(jì)周期而導(dǎo)致的上市時(shí)間。
[0085] 根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器300將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分輸出信號(hào)。單端到 差分轉(zhuǎn)換W如下方式來(lái)執(zhí)行:該方式使得其對(duì)放大器噪聲或線性性能具有最小影響。運(yùn)是 由于W下事實(shí)：由生成互補(bǔ)的輸出信號(hào)所需的放大器300的第二或輔助支路而引起的噪聲 和非線性在差分輸出信號(hào)處被消除。因此，根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器300適合用作無(wú)線 通信設(shè)備的接收器中的LNA，如圖5所示，因?yàn)槠漭斎胱杩箍蒞準(zhǔn)確地匹配RF預(yù)選擇濾波器 的特征阻抗。如圖5所示，無(wú)線通信設(shè)備500包括接收器510,其中放大器300能夠在接收器 510中實(shí)現(xiàn)。無(wú)線通信設(shè)備500還包括發(fā)送器520、存儲(chǔ)器530和處理單元540。另外，放大器 300可W與接收器510的其余部分集成在相同的RFIC上，并且其在放大器300的輸入處不需 要任何昂貴的忍片外電感式己倫電路并且在放大器300的輸出處不需要任何集成的己倫電 路。
[0086] 根據(jù)本文中的實(shí)施例的放大器300也適于多頻帶接收器，因?yàn)閱味说讲罘洲D(zhuǎn)換本 身是寬帶的，而放大器300的輸入阻抗可W被配置成匹配在感興趣的頻率處的RF濾波器輸 出阻抗。根據(jù)一些實(shí)施例，用于在多個(gè)頻帶操作的多頻帶接收器可w包括被配置成接收單 端輸入信號(hào)并且生成單端輸出信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器。多頻帶接收器還可W包括根 據(jù)本文中的實(shí)施例的用于將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分輸出信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)放大器300， 單端輸入信號(hào)是從射頻濾波器生成的單端輸出信號(hào)。另外，一個(gè)或多個(gè)放大器300的輸入阻 抗被配置成分別匹配一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器在操作頻率處的輸出阻抗。
[0087] 現(xiàn)在參考圖6描述用于在多個(gè)頻帶操作的接收器中的方法的對(duì)應(yīng)實(shí)施例。如W上 提及的，接收器包括一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器W及一個(gè)或多個(gè)放大器300。方法包括W下動(dòng) 作：
[0088] 動(dòng)作 601
[0089] -個(gè)或多個(gè)射頻濾波器接收單端輸入信號(hào)。
[0090] 動(dòng)作 602
[0091] -個(gè)或多個(gè)射頻濾波器生成單端輸出信號(hào)。
[0092] 動(dòng)作 603
[0093] -個(gè)或多個(gè)放大器300接收所生成的單端輸出信號(hào)。
[0094] 動(dòng)作 604
[00M] -個(gè)或多個(gè)放大器300將所接收的單端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分輸出信號(hào)。
[0096] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，雖然WN溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(醒0S)器件對(duì)放大器 300進(jìn)行描述，但是放大器300可W包括任何其他類型的設(shè)備或晶體管，諸如雙極結(jié)晶體管 (BJT)、P通道M0S(PM0S)器件、互補(bǔ)M0S(CMOS)器件等。在使用詞語(yǔ)"包括(compri se ?；?包 括(comprising)"時(shí)，其應(yīng)當(dāng)解釋為非限制，即表示"至少包巧'。
[0097] 本文中的實(shí)施例不限于W上描述的優(yōu)選實(shí)施例?？蒞使用各種替選、修改和等同 方案。因此，W上實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)被理解為限制由所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)的放大器(300)，所述放大器(300)包 括： 第一晶體管(301)，以共源極或共發(fā)射極模式被配置，以接收所述單端輸入信號(hào)并且生 成所述差分輸出信號(hào)的第一部分； 第二晶體管(302)，以共源極或共發(fā)射極模式被配置，以生成所述差分輸出信號(hào)的第二 部分； 第三晶體管（303)和第四晶體管（304 )，并且其中所述第三晶體管（303)和所述第四晶 體管(304)交叉耦合并且連接至所述第一晶體管和所述第二晶體管(301，302)以使得： 所述第一晶體管（301)的漏極或集電極經(jīng)由第一電容器(311)耦合至所述第四晶體管 (304)的柵極或基極； 所述第二晶體管（302)的漏極或集電極經(jīng)由第二電容器（312)耦合至所述第三晶體管 (303)的柵極或基極；以及 所述第一晶體管（301)的所述漏極或集電極連接至所述第三晶體管（303)的源極或發(fā) 射極，所述第二晶體管(302)的所述漏極或集電極連接至所述第四晶體管(304)的源極或發(fā) 射極;并且進(jìn)一步地 所述第一晶體管（301)的所述漏極或集電極直接地或者經(jīng)由第三電容器(313)耦合至 所述第二晶體管(302)的柵極或基極； 所述第一晶體管（301)的源極或發(fā)射極連接至第一電感器(321)并且所述第二晶體管 (302)的源極或發(fā)射極連接至第二電感器(322)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器(300)，其中所述放大器(300)還包括匹配電路(330)， 并且其中所述第一晶體管（301)的柵極或基極通過(guò)所述匹配電路(330)耦合至所述單端輸 入信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2中的任一項(xiàng)所述的放大器(300)，其中所述第一電感器和所述第二 電感器(321，322)包括單個(gè)差分電感器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的放大器(300)，其中所述放大器(300)的輸入阻 抗被配置成匹配射頻濾波器的輸出阻抗。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的放大器(300)，其中所述第一電感器和所述第二 電感器(321，322)經(jīng)由寄生阻抗(340)耦合至地。6. -種無(wú)線通信設(shè)備(500)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的一個(gè)或多個(gè)放大 器(300)〇7. -種用于在多個(gè)頻帶操作的接收器(510)，所述接收器包括： 一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器，被配置成接收單端輸入信號(hào)并且生成單端輸出信號(hào)； 一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的放大器(300)，被配置成將作為從所述 射頻濾波器生成的所述單端輸出信號(hào)的單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào);并且其中 所述一個(gè)或多個(gè)放大器(300)的輸入阻抗被配置成分別匹配所述一個(gè)或多個(gè)射頻濾波 器在操作頻率處的輸出阻抗。8. -種在接收器(510)中的方法，所述接收器(510)用于在多個(gè)頻帶操作，所述方法包 括： 在一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器中接收(601)單端輸入信號(hào)， 在所述一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器中生成(602)單端輸出信號(hào)； 在一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的放大器(300)中接收(603)生成的所 述單端輸出信號(hào)； 在所述一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的放大器(300)中將接收的所述 單端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為(604)差分輸出信號(hào)，其中所述一個(gè)或多個(gè)放大器(300)的輸入阻抗被 配置成分別匹配所述一個(gè)或多個(gè)射頻濾波器在操作頻率處的輸出阻抗。
【文檔編號(hào)】H03F3/193GK106063125SQ201580010971
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2015年2月23日
【發(fā)明人】P·希沃南, J·賈西拉, S·維爾奧南
【申請(qǐng)人】瑞典愛(ài)立信有限公司