專利名稱：具有低噪聲系數(shù)和電壓可變增益的功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有低噪聲和電壓可變增益的功率放大器，該功率放大器可以在用于無線移動通信基礎(chǔ)設(shè)施的基站的寬頻帶(例如從700MHz到2. 6GHz)上使用。
背景技術(shù)：
在射頻信號發(fā)射/接收系統(tǒng)中，按照公知的方式，接收序列包括接收被發(fā)送至接 收機的放大電路的信號的天線，該放大電路的功能是過濾并放大表示所發(fā)送信息的信號。放大器的主要作用在于通過減少信噪比的降低和放大有用信號所提供的失真，將信號調(diào)整至用于解調(diào)電路的適當(dāng)水平。在用于無線通信基礎(chǔ)設(shè)施的接收機中，主要需要高線性、極低噪聲放大器。此外，這些放大器必須能夠適應(yīng)不同接收機制造商的需求，因為這些接收機并不總是需要相同的性能折衷。另外，各種地形特征使得易調(diào)節(jié)的性能成為必不可少的，以便解決大多數(shù)情況。例如，連接置干天線桿或架線塔頂部的天線與置于基站內(nèi)的殼體中的接收機的電纜內(nèi)的信號損耗取決于該電纜的長度。又例如，濾波器的特性可因制造商的不同而不同。接收機必須具有低噪聲系數(shù)(或“NF”)和可調(diào)節(jié)的功率増益，以便在解調(diào)器的輸入處調(diào)節(jié)信號水平以及針對地形特征適當(dāng)?shù)卮_保盡可能寬的增益變化范圍。為此，緊隨天線、電纜和濾波器之后，將低NF的可變增益放大器插入接收序列中?？紤]到貫穿整個變化范圍，來自放大器的噪聲必須足夠低，以便在接收鏈中增加很少的噪聲，并且放大器必須展示出這樣的線性度和輸出功率，即足以能夠無失真地同時放大高電平和低電平幅度信號。此外，在一些制造商中，調(diào)節(jié)放大器増益的選擇使得可以補償接收序列內(nèi)的溫度變化，以便保持基本恒定的増益值。ー種目前公知的特別用于電視調(diào)諧器中的方案由線性可變衰減器、之后的可變增益放大級以及混頻器組成，其中，可變增益放大級置于低噪聲固定増益放大器之后。該方案利用MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)技術(shù)，使得可以在限制噪聲系數(shù)降低的同時具有恒定的輸出增益水平。這適合于用于接收電視信號的應(yīng)用。然而，通過這種方案可達(dá)到的性能并不適合移動通信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的需要。當(dāng)今，例如在約900MHz范圍內(nèi)，用于基站的低噪聲可變增益放大器的性能通常具有小于IdB的噪聲系數(shù)、約30dB的增益以及在其輸入處約為3的互調(diào)產(chǎn)物(intermodulation product),在整個溫度范圍內(nèi)并且對于約15_20dB的增益變化范圍，該互調(diào)產(chǎn)物在OdBm以上
發(fā)明內(nèi)容
因此，カ圖利用硅基微電子技術(shù)獲得一種低噪聲、可變增益、高線性度的放大器，其能夠被集成并且能夠低成本地批量生產(chǎn)，以便降低基站接收機的成本。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須是可修改的，以滿足諸如射頻的高頻應(yīng)用的需要。還カ圖通過極低振幅步幅(例如小于O. IdB)實現(xiàn)功率増益的變化，以便達(dá)到更為精確的增益值，在整個增益變化范圍內(nèi)、在整個頻帶內(nèi)以及對于所有的溫度，該增益值盡可能地接近期望的増益值。本發(fā)明的目的在于提供ー種集成的低噪聲系數(shù)可變增益放大器，所述放大器包括共源共基(cascode)放大級，所述共源共基放大級包括串聯(lián)連接的以下部件被安裝為公共源極的低電壓MOSFET晶體管，以及之后的被安裝為公共基極的雙極型高擊穿電壓晶體管，所述高擊穿電壓至少為所述MOSFET晶體管的電壓的兩倍。電阻器置于雙極型晶體管的集電極和共源共基級的MOSFET晶體管的柵極之間，并且共源共基級通過扼流圈(choke)來供電。集成放大器是ー種可以采用微電子半導(dǎo)體技術(shù)構(gòu)造的放大器，微電子半導(dǎo)體技術(shù)使得可以將實現(xiàn)功能所需的大多數(shù)有源和無源組件集成。 共源共基(“級聯(lián)到陰極(cascade to cathode) ”的縮寫)級如增益可連續(xù)改變幾個分貝的放大級那樣工作。其_在不降低噪聲系數(shù)的情況下，確保線性度并使得盡可能小的增益變化間隔成為可能。增大線性度和功率涉及增大電壓和電流偏離。大約3V(例如約3V-3. 3V)的低電壓MOSFET晶體管與雙極型高擊穿電壓晶體管的組合使用，導(dǎo)致了很好的放大器線性度。該組合是以公知為BiCMOS(雙極型互補金屬氧化物半導(dǎo)體)的技術(shù)實現(xiàn)的。共源MOSFET晶體管使得可以改善放大器的線性度，雙極型晶體管的高擊穿電壓(至少為MOSFET晶體管電壓的兩倍)増大了共源共基級輸出處的電壓偏差，因而使得可以改善放大器的線性度。具有高擊穿電壓的共基雙極型晶體管的使用，使得頻率性能略微降低，這使得可以減小所使用的晶體管的大小。在第一實施方式中，放大器可進(jìn)ー步包括至少ー個位于共源共基級的輸出處的可切換衰減器。為了實現(xiàn)期望的增益變化范圍(數(shù)量級為15_20dB)，一個或多個高線性、低損耗的、可切換衰減器可以加入到共源共基級的輸出處。該可切換衰減器引入了損耗，但如果放大器的増益是足夠的，那么幾乎不會增大噪聲值。另ー方面，該放大器的線性度必須較高，以便保持整個接收機的線性度。此外，無論衰減水平如何，該可切換衰減器都在共源共基級的輸出處展示出恒定的阻杭。在第二實施方式中，放大器可進(jìn)ー步包括位于共源共基級的輸入處的至少ー個可切換衰減器。由于增加了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與可置于共源共基級的輸出處的可切換衰減器類似的輸入衰減器，因此可以在不利于噪聲系數(shù)的低增益設(shè)置下改善線性度。位于輸入處的該可切換衰減器使得可以將電路的使用擴(kuò)展至所有地形特征，或者可以接收可具有很高水平的無線電信號。在第三實施方式中，可切換衰減器的命令電路的輸入處所需的電源電壓，具有與共源共基級的電源電壓相同的數(shù)量級，可切換衰減器的MOSFET晶體管的源極和漏極處需要低于共源共基級的電源電壓的電壓，其中，所述命令電路的輸入連接到MOSFET晶體管的柵極。在第四實施方式中，放大器可進(jìn)ー步包括置于雙極型晶體管的集電極和共源共基級的MOSFET晶體管的柵極之間的電阻器。該電阻器的作用在于改善線性度和帶寬，以及在雙極型晶體管的基極電壓發(fā)生變化時減少共源共基級的輸入和輸出處的阻抗變化。在第五實施方式中，放大器可進(jìn)ー步包括接ロ電路，用于根據(jù)將要獲得的增益來控制雙極型晶體管的基極電壓。接ロ電路宮在控制共源共基級的共基雙極型晶體管的基極電壓，而不引起噪聲的實質(zhì)性降低。第一増益分貝的命令為模擬命令，該模擬命令通過改變共源共基級的共基雙極型晶體管的基極電壓進(jìn)行操作。所施加的基極電壓優(yōu)先受到調(diào)節(jié)電壓的接ロ電路的限制，以便保持低噪聲值和共源共基級的輸入線性度。在第六實施方式中，接ロ電路可進(jìn)ー步包括與電容器相關(guān)聯(lián)的電阻器，以便過濾掉傳送至放大器的外部噪聲，該外部噪聲是在其他地方生成并經(jīng)由共源共基級的電源電路傳送的。在第七實施方式中，放大器可進(jìn)ー步包括至少ー個用于數(shù)字地控制放大器的數(shù)模 轉(zhuǎn)換器。接ロ電路由8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(或“ DAC”)驅(qū)動，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器使得可以通過數(shù)字輸入來控制增益。共源共基級和接ロ電路使得可以利用約2dB的增益變化范圍達(dá)到規(guī)范。因而實現(xiàn)了一種低噪聲可變增益集成放大器，該放大器可具有寬帶寬；該放大器被設(shè)計為覆蓋從700MHz到2. 6GHz以上的大多數(shù)通信標(biāo)準(zhǔn)，但不受該頻率范圍的限制，并且可覆蓋其他無線電應(yīng)用。本發(fā)明的另ー優(yōu)點尤其在于，通過將低噪聲放大、増益控制和衰減功能集成到單個電路中，減少了接收機中離散電子組件的數(shù)量。接收機應(yīng)用板所占用的表面面積由此減少了 5倍以上。由于在放大器內(nèi)増加了數(shù)字輸入控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因而方便了廠內(nèi)増益調(diào)節(jié)。在精確度高于O. IdB的整個變化范圍內(nèi)獲得了數(shù)字增益控制裝置。


通過閱讀下面對以非限制性實施例的方式自然給出的一個實施方式的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將會變得明顯，并且在附圖中，其中-圖I是基站的接收序列的ー個具體實施方式
的示意圖，-圖2是具有低噪聲系數(shù)和可變增益的集成放大器的一個實施方式的示意圖，-圖3是共源共基級的ー個具體實施方式
的示意圖，-圖4是用于控制基極電壓的接ロ電路的一個實施方式的示意圖，-圖5是可切換衰減器的一個實施方式的示意圖。
具體實施例方式圖I示出了基站的接收序列。天線接收RF信號100，以進(jìn)行放大。連接天線與前端發(fā)射機/接收機101的電纜將信號100發(fā)送至雙エ濾波器102，雙エ濾波器102使得可以對頻率接收范圍以外的信號進(jìn)行嚴(yán)重衰減的同時對有用信號進(jìn)行第一濾波。濾波后的信號100進(jìn)入接收機103，接收機103使得可以在將來自雙エ濾波器102的濾波后的信號100發(fā)送至解調(diào)電路104之前調(diào)整濾波后的信號100，其中，解調(diào)電路104包括混頻器和解調(diào)器。接收機103包括第一極低噪聲固定增益放大器105(被稱為“11^”(し0 Noise Amplifier,低噪聲放大器))、之后的第二極低噪聲可變增益放大器106 (被稱為“VGA”(Variable GainAmplifier，可變增益放大器))以及隨后的功率分配器107。功率分配器107使得可以在解調(diào)電路104內(nèi)對放大的RF信號100進(jìn)行分配。數(shù)字處理器108特別使得可以命令第二放大器106。具有極低噪聲和可變增益的第二 VGA放大器106，被設(shè)計為在整個增益變化范圍內(nèi)具有恒定的輸入線性度。第一 LNA放大器105或前置放大器的增益約為20dB，以便當(dāng)增益最小時確保接收序列內(nèi)的低噪聲系數(shù)?；诠潭ㄔ鲆媲爸梅糯笃?05的20dB數(shù)量級的增益變化范圍和噪聲系數(shù)，針對第二可變增益放大器106確定期望的性能。在這種情況下，具有極低噪聲和可變增益的第二 VGA放大器106具有約12dB的增益、5dB的最大噪聲系數(shù)以及在輸入處約為3的互調(diào)產(chǎn)物，對于約15-20dB的調(diào)節(jié)范圍，該互調(diào)產(chǎn)物大于25dBm。首先，增大第一 LNA放大器105的增益將會需要降低第二 VGA放大器106的增益并增大第二VGA放大器106的消耗，以便保持線性度。其次，降低第一 LNA放大器105的增益將使得極難以在整個增益變化范圍內(nèi)確保第二可變增益VGA放大器106的噪聲系數(shù)。需要增益變化間隔(例如小于O. ldB，或者甚至小于O. 5dB)的高精確度，以便達(dá)到接收機103的增益值，該增益值盡可能的精確并接近期望的增益值。圖2不出了低噪聲系數(shù)可變增益功率放大器I的BiCMOS技術(shù)的一個具體實施方 式的圖(良好線性度)。功率放大器是一種具有依據(jù)線性度和功率的輸出特性的放大器，使得三階互調(diào)產(chǎn)物大于I瓦特且輸出功率遠(yuǎn)大于O. I瓦特(20dBm)。放大器I包括位于輸入2和輸出3之間的共源共基放大級4。根據(jù)第一實施方式，放大器I可進(jìn)一步包括通過鏈路6連接到共源共基級4的接口電路5，用于控制共源共基級4的基極電壓，其中，鏈路6包括點B。在第二實施方式中，放大器I可進(jìn)一步包括接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)8的數(shù)模轉(zhuǎn)換器7。轉(zhuǎn)換器7將該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)8轉(zhuǎn)換為模擬電壓，該模擬電壓通過包括點A的鏈路9發(fā)送到接口電路5。接口電路5調(diào)整該電壓以獲得共源共基級4上期望的電壓，由此使得可以達(dá)到較小間隔的增益變化，例如O. IdB或者更小。在第三實施方式中，放大器I可進(jìn)一步包括一個或多個可切換衰減器10a、10b、…10i，該可切換衰減器被增加至共源共基級4的輸出處，以便在不降低放大器的噪聲和線性度的情況下增大增益變化范圍。包括點C的鏈路11將可切換衰減器10a、10b、…IOi連接到共源共基級4，可切換衰減器10a、10b、一IOi從共源共基級4接收數(shù)字信號。很容易根據(jù)需要增加多個可切換衰減器10a、10b、…10i，以便達(dá)到增益變化范圍的規(guī)定。在圖3中詳細(xì)地描繪了共源共基級20。共源共基級20是利用MOSFET晶體管21及之后的雙極型晶體管22構(gòu)造的，其中，MOSFET晶體管21被安裝為公共源極，雙極型晶體管22被安裝為公共基極且具有高擊穿電壓(例如約6到7伏)，兩個晶體管21、22串聯(lián)連接，以便優(yōu)化共源共基放大級20的線性度和輸入/輸出隔離?？梢赃x擇具有這樣的擊穿電壓的雙極型晶體管22，該擊穿電壓根據(jù)期望的性能和可用的電源電壓而更高或更低。雙極型晶體管22的擊穿電壓優(yōu)選具有至少為MOSFET晶體管21的電壓值兩倍的值?！肮苍垂不卑惭b的使用，使得可以改善具有大尺寸和高電流、采用晶體管21、22的共源共基級20的線性度，而不顯著降低無線性能。電容器23置于MOSFET晶體管21和放大器的輸入2之間。MOSFET晶體管21的柵極電壓Vgg限定了通過共源共基級20的電流。該電流通過高值電阻器24被極化，以便不降低共源共基級20的噪聲系數(shù)。通過扼流圈25，以6V數(shù)量級的電壓V。。給共源共基級20供電，以便在限制扼流圈25的接線端處的電勢降低的同時確保直流電流和RF信號之間的去耦。這使得能夠?qū)τ诮o定的電源電壓，在共源共基級20的輸出處獲得盡可能大的電壓偏差。包括具有高擊穿電壓的雙極型晶體管22的共源共基級20的使用，使得可以增大極化電壓，并因此增大共源共基級20的輸出處的電壓偏差。反饋電阻器26使得可以增大帶寬，使增益曲線更加平直，以及對于給定的增益變化和給定的電壓偏差B，改善共源共基級20的線性度。反饋電阻器26還使得可以精確地限定級的最大增益并改善穩(wěn)定性。無論何時通過改變在點B處施加的電壓而改變增益，反饋電阻器26都使得可以最小化共源共基級20的輸入處的阻抗變化。電容器23以及與電阻器26串聯(lián)安裝的電容器27使得可以對連續(xù)電壓進(jìn)行去耦。無論點B處的電壓何時發(fā)生變化，MOSFET晶體管21的漏-源電壓都會發(fā)生變化，這改變放大器的增益。在給定點B處的一定電壓范圍內(nèi)，輸入處的線性度和噪聲系數(shù)幾乎不受增益變化的影響。該電壓范圍被用來獲得2dB數(shù)量級的增益變化。當(dāng)點 B處的電壓減小時，隨著雙極型晶體管22的基-集電壓極輕微地增大，可以觀察到，在無噪聲明顯降低的情況下，共源共基級20的線性度略微增大。圖4中描繪的接口電路30使得可以在不降低噪聲系數(shù)的情況下控制該增益，以及確保共源共基放大級的輸入(點B)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(點A)的輸出之間接口。對于約2dB的增益變化，噪聲系數(shù)和線性度得以保持。雙極型晶體管31使得可以跨整個服務(wù)溫度范圍保持共源共基級上的恒定極化。電阻器32連同電容器33 —起起到對來自電源的噪聲進(jìn)行濾波的作用。在沒有該濾波的情況下，可以觀察到與服務(wù)頻率和可變增益VGA放大器的去耦有關(guān)的噪聲系數(shù)的重要降低。圖5描繪了由I比特、通過連續(xù)電平移位器控制的可切換衰減器40。可切換衰減器40可以被加入至共源共基級的輸出處或輸入處，以便在增益降低時改善放大器的線性度?？汕袚Q衰減器40包括吸收式衰減器，在這種情況下，該吸收式衰減器為由電阻器41、42組成的“pi型”衰減器，其中，電阻器41、42可通過MOSFET晶體管43置于短路或開路中。吸收式衰減器41、42也可以由不同類型的衰減器替代。可切換衰減器40是采用MOSFET晶體管43 (3. 3伏特)構(gòu)造的，MOSFET晶體管43的漏極和源極在略低于MOSFET晶體管43的最大電壓的電壓下被極化(對于3. 3V的最大電壓，目前情況下為3V)，以便改善線性度和輸出電壓偏差。為了增大線性度，可能有必要修改MOSFET晶體管43的漏-源電壓。此外，MOSFET晶體管43的柵-源電壓發(fā)生移位，以便達(dá)到_1伏(M0SFET截止)和3伏(M0SFET導(dǎo)通)的柵-源電壓，從而主要地改善可切換衰減器的插入損耗40。通過采用在可切換衰減器40的控制電路45的輸入44處施加的、數(shù)值與共源共基級的電源電壓Vcc相同的電源電壓(6V)，可以降低輸出數(shù)字衰減器的損耗并增大其線性度。根據(jù)MOSFET晶體管43是與電阻器41并聯(lián)還是與電阻器42串聯(lián)，MOSFET晶體管43的大小有所不同。確定MOSFET晶體管43的大小，以便實現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)下的最小插入損耗、工作頻率和期望的線性度之間的最佳折衷。可以在導(dǎo)通狀態(tài)(最小插入損耗=X (dB))和截止?fàn)顟B(tài)(最大插入損耗=y (dB))之間切換衰減器40。兩種狀態(tài)之間的衰減差使得可以限定出截止?fàn)顟B(tài)z，使得z = (y-x)(dB)。最小插入損耗X主要是因?qū)顟B(tài)下MOSFET晶體管44的等價電阻Rm、截止?fàn)顟B(tài)下MOSFET晶體管44的等價電容Ctjff以及因失配所造成的各種寄生元件和損耗而產(chǎn)生的。在利用娃基微電子技術(shù)構(gòu)造放大器時，IGHz下的最小插入損耗X約為O. 25dB。導(dǎo)通狀態(tài)下的最大插入損耗y與電阻器41、寄生元件和失配有關(guān)。采用有限數(shù)量的衰減器來覆蓋TkL,其中，η由最小衰減間隔值ζ給出。為了確保能夠獲得期望的增益和精度，衰減間隔值ζ被選擇為小于為共源共基級限定的增益變化的范圍。此外，建立極低衰減(<0. 5dB)和精確的間隔是困難的，因為MOSFET晶體管43的Ron(等效為導(dǎo)通狀態(tài)下的晶體管的電阻)具有與吸收式衰減器的串聯(lián)電阻器42相同的數(shù)量級。因此，如果希望具有小于O. 5dB的衰減步幅，那么希望采用共源共基級來改變增益。衰減器40的輸入阻抗是恒定的，并且等于共源共基級的功率輸出阻抗，該輸出阻抗被選擇為使得共源共基級的輸出處的信號功率盡可能高。
通常，本發(fā)明不限于已描述的實施方式，而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，受本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的許多變體的約束。
權(quán)利要求
1.一種具有低噪聲系數(shù)和可變增益的集成放大器，包括共源共基放大級，所述共源共基放大級包括串聯(lián)連接的 -低電壓MOSFET晶體管，被安裝為公共源極，其后是 -雙極型晶體管，具有為所述MOSFET晶體管的電壓的至少兩倍的高擊穿電壓，所述雙極型晶體管被安裝為公共基極， -電阻器，置于所述雙極型晶體管的集電極與所述共源共基級的MOSFET晶體管的柵極之間，并且 -所述共源共基級通過扼流圈來供電。
2.如權(quán)利要求I所述的放大器，進(jìn)一步包括接口電路，用于根據(jù)將要獲得的增益來控制所述雙極型晶體管的基極電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的放大器，其中所述接口電路可進(jìn)一步包括與電容器組合的電阻器，以便過濾傳送至所述放大器的外部噪聲。
4.如權(quán)利要求I至3之一所述的放大器，進(jìn)一步包括至少一個用于數(shù)字地控制所述放大器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
5.如權(quán)利要求I所述的放大器，進(jìn)一步包括在所述共源共基級的輸出處的至少一個可切換衰減器。
6.如權(quán)利要求I至5之一所述的放大器，進(jìn)一步包括在所述共源共基級的輸入處的至少一個可切換衰減器。
7.如權(quán)利要求5和6之一所述的放大器，其中在所述可切換衰減器的命令電路的輸入處施加的電源電壓具有與所述共源共基級的電源電壓相同的數(shù)量級，低于所述共源共基級的所述電源電壓的電壓被施加于所述可切換衰減器的MOSFET晶體管的源極和漏極處。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種具有可變增益的低噪聲系數(shù)放大器，該放大器包括共源共基放大級，共源共基放大級包括串聯(lián)連接的以下部件被安裝為公共源極的低電壓MOSFET晶體管，以及之后的被安裝為公共基極的具有高擊穿電壓的雙極型晶體管。電阻器置于雙極型晶體管的集電極和共源共基級的MOSFET晶體管的柵極之間，并且共源共基級通過扼流圈來供電。
文檔編號H03G1/00GK102859867SQ201180020120
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者P·魯, Y·貝延斯, M·戈恩 申請人:阿爾卡特朗訊