TWI495259B - 低雜訊放大器 - Google Patents

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TWI495259B TW101125828A TW101125828A TWI495259B TW I495259 B TWI495259 B TW I495259B TW 101125828 A TW101125828 A TW 101125828A TW 101125828 A TW101125828 A TW 101125828A TW I495259 B TWI495259 B TW I495259B
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Description

低雜訊放大器
本發明係關於無線通訊領域，特指一種用於接收器中之低雜訊放大器。
在無線通訊系統中，接收器需要透過低雜訊放大器(low noise amplifier,LNA)，將自天線所接收的無線訊號進行放大，供後續的解調器進行解調處理。低雜訊放大器在設計上必須考量很多層面，尤其重要的就是自身造成的雜訊。如果在放大無線訊號的過程中，將過多的雜訊帶入至無線訊號中，會導致解調器產生出錯誤的解調結果。也就是說，低雜訊放大器在設計上必須具備足夠低的雜訊指數(noise figure)，才能確保資料傳輸的正確性。另一方面，在積體電路微縮化的趨勢下，低雜訊放大器的設計也必須考量如何在有限的電路面積中，將低雜訊放大器效能最佳化。因此，如何設計出兼具較小電路面積以及較佳抗雜訊能力的低雜訊放大器便成為無線通訊系統中的重要一環。
有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種擁有較小電路面積的低雜訊號放大器，其主要透過將放大器中的部分元件整合來達成。另外，本發明之另一目的在於利用輸入端的變壓器來降低放大器本 身可能帶來的雜訊，達成良好的雜訊抑制效果。
本發明之實施例提供一種放大器，該放大器包含：一變壓器與一第一級增益電路。該變壓器具有一主要線圈與一次要線圈，並且該主要線圈用以接收一輸入訊號。該第一級增益電路具有一第一輸入埠，該第一輸入埠耦接於該主要線圈。並且，該第一級增益電路用以提供一增益給該輸入訊號來產生一第一輸出。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，其係為本發明放大器之一實施例的電路架構圖。如圖所示，放大器100可提供一增益給一輸入訊號S_in，以產生一輸出訊號S_out。放大器100包含一變壓器120與一第一級增 益電路140。變壓器120包含有一主要線圈122與一次要線圈124。主要線圈122之第一端與主要線圈122之第二端分別耦接於第一級增益電路140之一第一輸入埠的第一輸入端N1與第二輸入端N2。再者，次要線圈124之第一端與次要線圈124之第二端分別耦接於第一級增益電路140之一第二輸入埠的第三輸入端N3與第四輸入端N4。當單端形式的輸入訊號S_in透過主要線圈122的第一端(或是說輸入端N1)輸入至變壓器120時，基於冷次定律，主要線圈122的第二端(或是說輸入端N2)將會產生與輸入訊號S_in反相的訊號，如此一來，便能在第一級增益電路140之第一輸入埠上形成一組差動訊號。再者，透過變壓器120所提供的訊號耦合效果，可將主要線圈122兩端所形成的差動輸入訊號耦合至第一級增益電路140之第二輸入埠的第三輸入端N3與第四輸入端N4，如此一來，第一級增益電路140中之電晶體M1與M2的等效轉導將被提高，進而抑制當第一級增益電路140對該組差動訊號進行放大時所帶來的通道雜訊。
於本發明的一實施例中，主要線圈122又具有一抽頭端(tap)X5，係耦接於一第一參考電壓(如：接地電壓GND)，其中抽頭端X5可能為一中央抽頭端(center tap)。另外，次要線圈124亦具有一抽頭端X6，係耦接於一第二參考電壓(如：偏壓電壓Vbias1)之間，其中抽頭端X6可能為一中央抽頭端。然而，以上所述的特定連接關係以及第1圖所示的連接方式並非為本發明的限制。
此外，第一級增益電路140包含有第一場效電晶體M1以及第二場效電晶體M2，其中電晶體各個電極與變壓器120的連接關係如下。第一場效電晶體M1的控制電極(如：閘極)以及第二場效電晶體M2的控制電極係分別用來作為第一級增益電路140之第二輸入埠的第三輸入端N3與第四輸入端N4，並且耦接於次要線圈124。另外，第一場效電晶體M1的第一電極(如：源極)以及第二場效電晶體M2的第一電極係分別用來作為第一級增益電路140之第一輸入埠的第一輸入端N1與第二輸入端N2，並且耦接於主要線圈122。透過以上的連接方式，抑制了通道雜訊，因此第一級增益電路140可產生具有較少雜訊或不具雜訊的一輸出訊號S_out_ini。
於本發明之一實施例中，放大器100又包含有一第二級增益電路160，用以提供一增益給自第一級增益電路140所輸出的輸出訊號S_out_ini，產生輸出訊號S_out，並將輸出訊號S_out提供給後續的訊號處理電路。然而，此非本發明之限制，在本發明的其他實施例中，放大器100可能僅包含有第一級增益電路140，而放大器100則因此直接提供輸出訊號S_out_ini給後續的訊號處理電路。其中，第二級增益電路160包含有一第三場效電晶體M3以及一第四場效電晶體M4，詳細的連接關係如第1圖所示，第三場效電晶體M3以及第四場效電晶體M4之控制電極係分別連接於一偏壓電壓Vbias2，其中，偏壓電壓Vbias2可能相同或不同於偏壓電壓Vbias1。第三場效電晶體M3之第二電極(如：汲極)以及第四場效電晶體M4之第二電極上將產生差動型式的輸出訊號S_out。另外，於本發明 之一實施例中，第三場效電晶體M3之第二電極以及第四場效電晶體M4之第二電極可能如第1圖所示般，連接至一第三線圈180的兩端，其中，第三線圈180係用來作為放大器100之一電感性負載。
請注意，儘管以上所提及之實施例中的場效電晶體M1、M2、M3、M4均為N型場效電晶體，然而，此非本發明之限制，於本發明其他實施例中，亦可採用P型場效電晶體或者是N型場效電晶體與P型場效電晶體的組合來實現第一級增益電路140與第二級增益電路160。
為了能達到抗雜訊的良好效果，於本發明之一實施例中，主要線圈122與次要線圈124係具有如第2圖所示般的極性。第2圖係基於點法則(dot convention)來標示線圈端點的訊號極性。如圖所示，主要線圈122的第一端(或者說是端點N1)係為電壓/電流的進入方向，次要線圈124的第二端(或者說是端點N4)係為電壓/電流的輸出方向，也就是說，主要線圈122的第一端(或者說是端點N1)與次要線圈124的第一端(或者說是端點N3)具有不同的訊號極性。如此一來，主要線圈122與次要線圈124便能透過耦合效應來減少場效電晶體(M1、M2、M3、M4)所造成的通道雜訊或者是其他可能的雜訊，達到雜訊抑制的效果。然而，應當注意的是，第2圖所示的極性配置方式並非本發明唯一的可能實施方式，於本發明其他實施例中，仍可能有其他的極性配置方式，來達到降雜訊的效果。
關於變壓器120於電路佈局上的一可能繞線方式請參考第3圖。如圖所示，主要線圈122的兩端分別耦接於第一級增益電路140的第一輸入端N1以及第二輸入端N2，而次要線圈124的兩端則分別耦接於第一級增益電路140的第三輸入端N3以及第四輸入端N4。再者，主要線圈122的抽頭端X5係耦接於接地電壓GND，而次要線圈124的抽頭端X6係耦接於偏壓電壓Vbias1。另外，主要線圈122與次要線圈124的繞線係由圖示中的傳導路徑所組成。請注意，第3圖中所示的繞線方式並非本發明變壓器120之唯一可能的繞線方式，任何其他可達成與變壓器120相同效果的繞線方式均屬本發明的範疇。
以上文中所提及之「一實施例」代表針對該實施例所描述之特定特徵、結構或者是特性係包含於本發明之至少一實施方式中。換言之，文中不同段落中所出現之「一實施例」並非代表相同的實施例。因此，儘管以上對於不同實施例描述時，分別提及了不同的結構特徵或是方法性的動作，但應當注意的是，這些不同特徵可透過適當的修改而同時實現於同一特定實施例中。
在實際應用上，訊號增益電路100可以於一無線接收器，以作為該接收器中之一低雜訊放大電路，而變壓器120則可由一平衡-非平衡變壓器(balun)來實現之。一般來說，低雜訊放大器需透過平衡-非平衡變壓器(balun)來進行單端/差動輸入訊號的轉換(由於天線所接收的無線訊號通常為單端型式)，並且也可能同時需要透過電感 性元件來提供一高輸入阻抗(通常設置於電晶體之源極與接地端之間)。由於電感性元件在電路佈局上通常佔了相當可觀的空間，因此這樣的架構往往具有相當大的電路面積。本發明則透過平衡-非平衡變壓器的主要線圈122來進行單端/差動輸入訊號的轉換，並且亦透過主要線圈122提供高輸入阻抗給放大器100，因此，可將放大器100的電路面積維持在一個理想大小。另外，本發明將變壓器120的次要線圈124連接至放大器之第一級增益電路140中之電晶體(M1,M2)的閘極，如此一來，在便透過線圈與線圈之間的訊號耦合效應，來消除雜訊，最終可在有效的電路面積中，實現具有良好特性的低雜訊放大器。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧放大器
120‧‧‧變壓器
140、160‧‧‧增益電路
122、124、180‧‧‧線圈
M1~M4‧‧‧電晶體
第1圖係為本發明放大器之一實施例的電路架構圖。
第2圖係繪示本發明放大器中之變壓器的端點極性。
第3圖係繪示本發明放大器中之變壓器的一實施繞線方式。
100‧‧‧放大器
120‧‧‧變壓器
140、160‧‧‧增益電路
122、124、180‧‧‧線圈
M1~M4‧‧‧電晶體

Claims (8)

  1. 一種放大器，包含：一變壓器，具有一主要線圈與一次要線圈，該主要線圈用以接收一輸入訊號；以及一第一級增益電路，具有一第一輸入埠，該第一輸入埠耦接於該主要線圈，該第一級增益電路用以提供一增益給該輸入訊號來產生一第一輸出，該第一級增益電路包含一第一電晶體與一第二電晶體，並且每一電晶體包含有一控制電極、一第一電極與一第二電極；其中該第一級增益電路的該第一輸入埠包含有：一第一輸入端，耦接於該主要線圈之一第一端；以及一第二輸入端，耦接於該主要線圈之一第二端；其中該第一電晶體之第一電極與該第二電晶體之第一電極係分別作為該第一輸入端與該第二輸入端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該第一級增益電路另具有一第二輸入埠，並且該第二輸入埠包含有：一第三輸入端，耦接於該次要線圈之一第一端；以及一第四輸入端，耦接於該次要線圈之一第二端；其中該第一電晶體之控制電極與該第二電晶體之控制電極係分別作為該第三輸入端與該第四輸入端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之放大器，其中該主要線圈之該第一 端之極性與該次要線圈之該第一端之極性不同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該變壓器係一平衡-不平衡(balun)轉換器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該主要線圈包含有一抽頭端耦接至一第一參考電壓準位，以及該次要線圈包含有一抽頭端耦接至一第二參考電壓準位。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，另包含有：一第二級增益電路，耦接於該第一級增益電路，用以接收該第一輸出，並產生一第二輸出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之放大器，另包含有：一第三線圈，耦接於該第二級增益電路，用以作為一電感性負載。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其係設置於一接收器中。
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