CN1835390B - 低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

一种低噪声放大器，包括第一级讯号放大器、第二级讯号放大器以及增益控制单元。第一级讯号放大器用以接收一输入讯号，并据以输出一第一输出讯号。第二级讯号放大器耦接第一级讯号放大器，用以根据第一输出讯号，输出第二输出讯号，其中第二级讯号放大器包括第一输出晶体管，用以输出第二输出讯号。增益控制单元则包括第一可变电阻组件，且第一可变电阻组件耦接于第一输出晶体管的输入端，用以调整第二输出讯号的电压增益。

Description

低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，特别是涉及一种宽带可调增益差动低噪声放大器。
背景技术
图1是现有的宽带可调增益差动低噪声放大器的单端电路图。请参照图1，低噪声放大器100包括双路反馈(Dual Feedback)放大器110、并联-并联反馈(Shunt-shunt Feedback)放大器120以及增益控制单元130。双路反馈放大器110采用Kukeilka结构，其包括N型金属氧化物半导体(N-type MetalOxide Semiconductor，NMOS)晶体管M1、M2及Mf1。晶体管M1的栅极接收射频输入讯号RF_IN，且晶体管M1的漏极经由电阻R1耦接至操作电压Vdd，例如是1.8V。晶体管M2的栅极耦接至晶体管M1的漏极，晶体管M2的漏极经由电阻R2耦接至操作电压Vdd，且晶体管M2的漏极用以输出第一输出讯号S1。晶体管Mf1的栅极与漏极共同耦接至晶体管M2的源极，并经由电阻Rf1耦接至晶体管M1的栅极。此外，晶体管M2的栅极与漏极间耦接电阻Rf2，用来调整双路反馈放大器110的输出阻抗，进而影响其增益与线性度。而晶体管M2的漏极耦接一电容Cb1，使得晶体管M2的输出直流电平不影响下一级并联-并联反馈放大器的偏压情况。
并联-并联反馈放大器120包括NMOS晶体管M3，晶体管M3经由电容Cb1耦接至晶体管M2的漏极，用以接收第一输出讯号S1，且晶体管M3用以输出射频输出讯号RF_OUT。晶体管M3的漏极经由电阻R3耦接至Vdd，且晶体管M3的栅极与漏极间耦接电阻Rf3。另外，增益控制单元130包括直流电源Vctrl以及NMOS晶体管Mc1。晶体管Mc1的漏极耦接至晶体管M3的栅极，且直流电源Vctrl经由电阻Rc1耦接至晶体管Mc1的栅极，用以调整晶体管Mc1的电阻值，其中直流电源Vctrl提供0～Vdd(1.8V)的直流电压。
一般当输入讯号RF_IN的讯号强度不大时，增益控制单元130的直流电源Vctrl调整至双路反馈放大器110以及并联-并联反馈放大器120操作在正常工作区，以提供所需的电压增益。然而，当输入讯号RF_IN的讯号增强时，为了避免低噪声放大器100饱和，通常会提高直流电源Vctrl的输出电压(接近1.8V)，使得低噪声放大器100的操作模式切换至低增益模式(LowGain Mode)。然而，不论是高增益模式或低增益模式，低噪声放大器100的讯号输出线性度并无明显改善，无法有效提高低噪声放大器100对大讯号的忍受度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种低噪声放大器，在最后一级放大器的输出晶体管的输入端上耦接增益控制单元，用以切换低噪声放大器的输出讯号增益，并于高增益模式切换至低增益模式时，可在不改变输出阻抗的同时提高其输出讯号的线性度。
根据本发明的目的，提出一种低噪声放大器，包括第一级讯号放大器、第二级讯号放大器以及增益控制单元.第一级讯号放大器包括：一第一晶体管，包括一栅极，用以接收一射频输入讯号；一第二晶体管，包括一漏极，用以输出一第一输出讯号；一第一反馈电路，耦接于该第二晶体管的一源极以及该第一晶体管的该栅极之间；以及一第二反馈电路，耦接于该第二晶体管的栅极与漏极之间.第二级讯号放大器包括：一输出晶体管，包括一栅极以及一漏极，其中该栅极耦接至该第二晶体管的该漏极，且该输出晶体管的漏极用以根据该第一输出讯号而输出一第二输出讯号；以及一第三反馈电路，耦接于该输出晶体管的该漏极与该栅极之间.增益控制单元则包括第一可变电阻组件，且第一可变电阻组件耦接于输出晶体管的该源极，用以改变该输出晶体管的源极退化程度.
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1是现有的宽带可调增益差动低噪声放大器的单端电路图。
图2示出了依照本发明一较佳实施例的一种宽带可调增益差动低噪声放大器的单端电路图。
附图符号说明
100、200：低噪声放大器
110、210：双路反馈放大器
120、220：并联-并联反馈放大器
130、230：增益控制单元
具体实施方式
请参照图2，其示出了依照本发明一较佳实施例的一种宽带可调增益差动低噪声放大器的单端电路图。低噪声放大器200包括第一级讯号放大器210、第二级讯号放大器220以及增益控制单元230。第一级讯号放大器210例如是一种双路反馈放大器，其包括NMOS晶体管M1、M2及Mf1。晶体管M1的栅极接收射频输入讯号RF_IN，且晶体管M1的漏极经由电阻R1耦接至操作电压Vdd，例如1.8V。晶体管M2的栅极耦接至晶体管M1的漏极，晶体管M2的漏极经由电阻R2耦接至操作电压Vdd，且晶体管M2的漏极用以输出第一输出讯号S1。晶体管M2的栅极与漏极间耦接电阻Rf2。另外，晶体管Mf1的栅极与漏极共同耦接至晶体管M2的源极，并经由电阻Rf1耦接至晶体管M1的栅极。
第二级讯号放大器220例如是一种并联-并联反馈放大器，其包括NMOS晶体管M3。晶体管M3的栅极经由电容Cb1耦接至晶体管M2，用以接收第一输出讯号S1，晶体管M3的漏极经由电阻R3耦接至操作电压Vdd，且晶体管M3的漏极用以输出射频输出讯号RF_OUT。晶体管M3的栅极与漏极间耦接电阻Rf3。
本实施例所披露的低噪声放大器200与现有的低噪声放大器100最大的不同处在于低噪声放大器200除了NMOS晶体管Mc1以及直流电源Vctrl以外，还包括PMOS晶体管Mc2及Mc3，且晶体管Mc1的漏极是耦接至晶体管M3的源极。直流电源Vctrl经由电阻Rc1耦接至晶体管Mc1的栅极，其中直流电源Vctrl输出0～Vdd(1.8V)直流电压。晶体管Mc2的源极耦接于晶体管M3的漏极，且晶体管Mc2的源极经由电阻Rc2耦接至晶体管M3的栅极。另外，晶体管Mc3的漏极耦接于晶体管M2的漏极，且晶体管Mc3的源极经由电阻Rc3耦接至晶体管M2的栅极。
为了改善现有的低增益模式线性度不足的缺点，本实施例低噪声放大器200的电路设计是将增益控制单元230耦接至晶体管M3的源极，在低增益模式操作(Vctrl→1.8V)时，藉由改变晶体管M3的源极退化(SourceDegeneration)程度，以降低输出讯号RF_OUT的电压增益同时增加其增益线性度。
当输入讯号RF_IN为小讯号时，增益控制单元230的直流电源Vctrl提供的直流电压为1.8V，此时晶体管Mc1导通，使得晶体管M3的源极接地，且低噪声放大器200处于高增益模式操作，以提供具有较佳增益的输出讯号RF_OUT。而当输入讯号RF_IN为大讯号时，为了避免低噪声放大器200进入饱和状态，调整增益控制单元230的直流电源Vctrl提供0V的直流电压，使得低噪声放大器200处于低增益模式操作，同时提高输出讯号RF_OUT的增益线性度。由于直流电源Vctrl输出的电压为0V时，晶体管Mc1不导通，将导致低噪声放大器200的输出阻抗变大。为了不使其输出阻抗在低增益模式时变化太大，因此如上所述，在晶体管M3的漏极与栅极之间配置晶体管Mc2与电阻Rc2，以调整其输出阻抗。另外，在晶体管M2的漏极与栅极间也配置晶体管Mc3与Rc3，以增加输出讯号RF_OUT的增益可调范围。因此，本实施例的低噪声放大器200当切换至低增益模式时可在不改变输出阻抗的同时提供输出讯号的增益线性度。
根据实际对现有的低噪声放大器100与本发明低噪声放大器200进行增益线性度的量测数据显示：当射频输入讯号RF_IN的频率为40～900MHz，操作电压Vdd为1.8V，且低噪声放大器100及200的输出/输入阻抗皆为75Ω时，现有的低噪声放大器100在高增益模式及低增益模式操作的增益线性度(输入P1dB值)分别为-19.5～-20.3dBm以及-16.8～-20.7dBm，两者差不多。而本发明改进的低噪声放大器200在高增益模式及低增益模式操作的增益线性度分别为-19.8～22.7dBm以及-11～13.6dBm。也就是说，本发明的低噪声放大器200在切换至低增益模式时，输出讯号的增益线性度有明显的改善，而与现有的低噪声放大器100的低增益模式线性度比较起来甚至可提高10dB。
如上所述，本发明的低噪声放大器200虽以增益放大单元230包括NMOS晶体管Mc1、直流电源Vctrl以及PMOS晶体管Mc2与Mc3，且第一讯号放大器210与第二讯号放大器220分别包括NMOS晶体管M2及M3为例作说明，但是晶体管M2、M3、Mc1可以是PMOS晶体管，而晶体管Mc2及Mc3为NMOS晶体管，或者是使用其它形式(例如是BJT)的晶体管M2、M3、Mc1、Mc2及Mc3。或者增益控制单元230亦可包括第一可变电阻组件、第二可变电阻组件以及第三可变电阻组件，其中第一可变电阻组件耦接于晶体管M3的源极，第二可变电阻组件耦接于晶体管M3的栅极与漏极之间，而第三可变电阻组件耦接于晶体管M2的栅极与漏极之间。另外，只要第一可变电阻组件可用于改变晶体管M3的源极(输入端)退化程度，且第二及第三可变电阻组件可用于调整低噪声放大器的输出阻抗，以达到提高低增益模式操作线性度的目的，皆不脱离本发明的技术范围。
本发明上述实施例所披露的低噪声放大器的优点在于将增益控制单元耦接至最后一级放大器的输出晶体管的输入端上，使得低噪声放大器由高增益模式切换至低增益模式时，在不改变输出阻抗的同时提高其输出讯号的增益线性度，以增加低噪声放大器对大讯号输入的忍受度。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明.本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作各种的更动与润饰.因此，本发明的保护范围以本发明的权利要求为准.

Claims (11)

1.一种低噪声放大器，包括：
一第一级讯号放大器，包括：
一第一晶体管，包括一栅极，用以接收一射频输入讯号；
一第二晶体管，包括一漏极，用以输出一第一输出讯号；
一第一反馈电路，耦接于该第二晶体管的一源极以及该第一晶体管的该栅极之间；以及
一第二反馈电路，耦接于该第二晶体管的栅极与漏极之间；
一第二级讯号放大器，包括：
一输出晶体管，包括一栅极以及一漏极，其中该栅极耦接至该第二晶体管的该漏极，且该输出晶体管的漏极用以根据该第一输出讯号而输出一第二输出讯号；以及
一第三反馈电路，耦接于该输出晶体管的该漏极与该栅极之间；以及
一增益控制单元，包括一第一可变电阻组件，耦接于该输出晶体管的该源极，用以改变该输出晶体管的源极退化程度。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该增益控制单元还包括一第二可变电阻组件，耦接于该第二晶体管的该漏极与该栅极。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该增益控制单元还包括一第三可变电阻组件，耦接于该输出晶体管的该漏极与该栅极。
4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该增益控制单元还包括：
一第二可变电阻组件，耦接于该第二晶体管的该漏极与该栅极之间；以及
一第三可变电阻组件，耦接于该输出晶体管的该漏极与该栅极之间。
5.如权利要求1、2、3或4所述的低噪声放大器，其中该第一可变电阻组件包括一第一控制晶体管，该第一控制晶体管包括：
一漏极，耦接至该输出晶体管的该源极；以及
一栅极，耦接至一直流控制电压。
6.如权利要求2或4所述的低噪声放大器，其中该第二可变电阻组件包括一第二控制晶体管，该第二控制晶体管包括：
一源极以及一漏极，耦接至该第二晶体管的该漏极与该栅极；以及
一栅极，耦接至一直流控制电压。
7.如权利要求3或4所述的低噪声放大器，其中该第三可变电阻组件包括一第三控制晶体管，该第三控制晶体管包括：
一源极以及一漏极，耦接至该输出晶体管的该漏极与该栅极；以及
一栅极，耦接至一直流控制电压。
8.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该第一级讯号放大器为一双路反馈放大器，且该第二级讯号放大器为一并联-并联反馈放大器。
9.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该第一反馈电路包括：
一反馈晶体管，包括一栅极以及一漏极，共同耦接至该第二晶体管的该源极；
一第一反馈电阻，耦接于该第二晶体管的该源极以及该第一晶体管的该栅极之间；以及
一第一反馈电容，耦接至该第二晶体管的该源极。
10.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该第二反馈电路为一电阻，耦接于该第二晶体管的该漏极与该栅极之间。
11.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中该第三反馈电路为一电阻，耦接于该输出晶体管的该漏极与该栅极之间。
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