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TWI422146B - 可變的動態範圍放大器 - Google Patents

可變的動態範圍放大器 Download PDF

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TWI422146B
TWI422146B TW097105068A TW97105068A TWI422146B TW I422146 B TWI422146 B TW I422146B TW 097105068 A TW097105068 A TW 097105068A TW 97105068 A TW97105068 A TW 97105068A TW I422146 B TWI422146 B TW I422146B
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TW
Taiwan
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transistor
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signal
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switch
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Application number
TW097105068A
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English (en)
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TW200845567A (en
Inventor
Kittichai Phansathitwong
Henrik Sjoland
Original Assignee
Ericsson Telefon Ab L M
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Publication date
Application filed by Ericsson Telefon Ab L M filed Critical Ericsson Telefon Ab L M
Publication of TW200845567A publication Critical patent/TW200845567A/zh
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Description

可變的動態範圍放大器
本發明係關於放大器領域。更特定而言，本發明係關於一種放大裝置及包含此一放大裝置之一種無線收發器及一種無線電發射裝置。
在射頻低雜訊放大器(LNA)中，雜訊及線性係兩個重要因素。然而，兩者不能容易地組合。一高增益放大器可能具有低雜訊，但由此犧牲線性；而一低增益放大器將具有一較佳線性，但雜訊卻較高。放大器之雜訊及線性效能可藉由動態範圍量化，其係受雜訊限定之最低可偵測信號強度與其中將發生因非線性所致之1 dB壓縮之最高信號強度之比。
在無線通信領域(例如，行動電話)中，端視一無線終端機相對於該網絡之無線存取點之位置對低雜訊放大器具有不同之要求。例如，若一無線終端機經定位距一無線存取點很遠，則雜訊應盡可能低以能夠接收弱信號係重要。另一方面，若來自其他無線終端機之干擾信號強，則該線性應高以避免該接收機之減敏或阻塞。
因此，提供一能夠根據環境選擇性地提供一良好線性或一低雜訊及高增益之低雜訊放大裝置係有利。這正變得日益重要，並非僅因為可降低電力消耗，還因為由於現代半導體製程之電源電壓不斷降低，導致在達成一涵蓋該兩種情況之充分高動態範圍方面出現困難。
傳統地，藉由在該輸出處接入不同電阻負荷而採用簡單之控制增益減少已解決此問題。然而，由此使動態範圍之效能降級。
在無線收發器中，實現一高動態範圍與耗費功率之間總是存在一權衡問題。在低電源電壓之情形下實現一高動態範圍尤其困難。
因此，存在一提供一能夠根據環境提供一良好線性或一低雜訊及高增益之經改良低雜訊放大裝置的需要。
本發明旨在實現在一放大裝置中選擇性地提供高增益及低雜訊或良好線性。
本發明之一項目的係提供一放大裝置，其能夠選擇性地提供一良好線性或一低雜訊及高增益。
根據本發明之第一態樣，此藉由一種放大裝置予以實現，該放大裝置包含：一第一電晶體，其具有一連接至一第一輸入信號源用於接收一輸入信號之一第一半之源極、一連接至一偏壓電位之閘極及一連接至一第一信號輸出之汲極，在該第一信號輸出處提供一輸出信號之一第一半；一第一可斷開支路，其連接於第一電晶體之源極與汲極之間且包含一第二電晶體，一第三電晶體，該第三電晶體具有一連接至一第二輸入信號源用於接收一輸入信號之一第二半之源極、一連接至一偏壓電位之閘極及一連接至一第二信號輸出之汲極，在 該第二信號輸出處提供一輸出信號之一第二半的；一第二可斷開支路，其連接於第三電晶體之源極及汲極之間且包含一第四電晶體；一第三可斷開支路，其包含連接於第一電晶體之源極與第三電晶體之閘極之間的一第一電容器及一第一開關；及一第四可斷開支路，其包含連接於第三電晶體之源極與第一電晶體之閘極之間的一第二電容器及一第二開關；其中第一電晶體及第二電晶體經佈置用於接收一第一開關信號以提供該放大裝置之一電容交叉耦合運作模式，且第一可斷開支路及第二可斷開支路經佈置以接收一第二開關信號，用於在選擇該放大裝置之標準非交叉耦合共閘極運作模式時，使第二電晶體並聯連接於第一電晶體且使第四電晶體並聯連接於第三電晶體。
該放大裝置可有利地提供於一無線收發器以及一無電線傳輸裝置(例如，一無線存取點或一無線終端機)內。
術語閘極、源極及汲極此處旨在涵蓋等效術語，例如，基極、射極及集極。
本發明具有如下優點：其提供一種可選擇性地提供高增益及低雜訊或良好線性之裝置。可在低電源電壓且不降級動態範圍之情形下進行此操作。實際上，兩種運作模式之組合確實提高該放大裝置之有效動態範圍。
應強調，本說明書中所使用之術語"包含/包括"應解釋為說明所述特徵或組件之存在，而非排除一個或多個其他特徵、組件或其組群之存在或增加。
本發明係關於一種放大裝置，其可有利地用於無線通信，乃因其提供良好之線性或低雜訊及高增益，將其在無線網路中不同通信情形下使用係有利的。
因此，本發明係關於提供一種放大器，其可運作以在兩種組態之間切換以提供良好線性或低雜訊及高增益。該放大裝置有利地係一射頻低雜訊放大裝置。
根據本發明一第一實施例之此一放大裝置10顯示於圖1中之一電路圖中。放大裝置10包括一第一對電晶體，其包含一第一電晶體M1及一第二電晶體M2。此處第一電晶體M1之汲極連接至一提供一輸出信號之一第一半部分之第一信號輸出O＋。第一電晶體M1之汲極亦藉由一第一輸出阻抗ZO1(在該實施例中其係一電感)連接至信號接地。第一電晶體M1之閘極經佈置用於接收一偏壓電位，在該第一實施例中此係籍助將該閘極藉由一第一偏壓電阻RB1連接至一偏壓電位VB而實現。第一電晶體M1之源極連接至一第一輸入信號源IN＋之一第一端，其自該端接收一輸入信號之第一半。第一輸入信號源IN＋之第二端連接至信號接地。並聯於輸入信號源IN＋提供有一第一輸入阻抗ZI1，在該實施例中其係一電感器。並聯於第一電晶體M1提供有一第一可斷開支路B1，其連接於第一電晶體M1之源極與汲極之間。支路B1包括第二電晶體M2並將第二電晶體M2之汲極連接至第一電晶體之汲極且將第二電晶體M2之源極連接至第一電晶體M1之源極。在第一實施例中，第 二電晶體M2之閘極亦藉由一形式為一第一偏壓電阻RB1之偏壓阻抗連接至偏壓電位VB。
低雜訊放大裝置10亦包括一第二對電晶體，其包含一第三及一第四電晶體M3及M4。此處第三電晶體M3之汲極連接至一第二信號輸出O－，其提供一輸出信號之一第二半。第三電晶體M3之源極亦藉由一第二輸出阻抗ZO2(在該實施例中其係一電感)連接至信號接地。第三電晶體M3之閘極藉由一第二偏壓電阻RB2連接至偏壓電位VB，且第三電晶體M3之源極連接至一第二輸入信號源IN－之一第一端，其自該端接收一輸入信號之一第二半。第二輸入信號源IN－之第二端連接至信號接地。並聯於輸入信號源IN－提供有一第二輸入阻抗ZI2，在該實施例中其亦係一電感器。並聯於第三電晶體M3提供有一第二可斷開支路B2，其連接於第三電晶體M3之源極與汲極之間。支路B2包括第四電晶體M4並將第四電晶體M4之汲極連接至第三電晶體M3之汲極且將第四電晶體M4之源極連接至第三電晶體M3之源極。第四電晶體M4之閘極經佈置用於接收一偏壓電位，在第一實施例中，其亦係藉由將該閘極籍助一形式為一第二偏壓電阻RB2之偏壓阻抗連接至偏壓電位VB而實現。第一及第二偏壓電阻RB1及RB2之電阻應相等。第一與第二輸出阻抗ZO1及ZO2之電感亦應相等。第一與第二輸入阻抗ZI1及ZI2之電感亦應相等。
此外，根據本發明在第一電晶體M1之源極與第三電晶體M3之閘極之間提供一第三可斷開支路B3。第三支路B3 包含一第一電容器C1及一第一開關SW1。在該實施例中，第一開關SW1作為一電晶體提供，其源極及汲極連接在第三支路B3內且電晶體SW1之閘極連接至一第一開關信號C_SW。此外，在第三電晶體M3之源極與第一電晶體M1之閘極之間提供一第四可斷開支路B4。第四可斷開支路B4包含一第二電容器C2及一第二開關SW2。在該實施例中，第二開關SW2亦作為一電晶體提供，其源極及汲極連接在第四支路B4內且電晶體SW2之閘極連接至第一開關信號C_SW。
根據第一實施例，第一支路B1此外還包含一作為一電晶體提供之第三開關SW3，其源極及汲極連接在第一支路B1內且電晶體SW3之閘極連接至一第二開關信號TR_SW。此處開關SW3之源極朝向第一電晶體M1之源極，且該汲極朝向第一電晶體M1之汲極。最後，第二支路B2包含一第四開關SW4，在該實施例中其作為一電晶體提供，其源極及汲極連接在第二支路B2內且電晶體SW4之閘極亦連接至第二開關信號TR_SW。此處開關SW4之源極朝向第三電晶體M3之源極，且該汲極朝向第三電晶體M3之汲極。
在該實施例中，電晶體M1、M2、M3及M4及開關SW1、SW2、SW3及SW4都作為MOSFET電晶體提供。
可見，根據第一實施例之放大裝置10係作為一差動放大器提供，其放大一輸入源IN＋及IN－提供之輸入信號供藉由輸出O＋及O－提供一經放大之輸出信號。在第一實施例中，第二電晶體M2及第四電晶體M4接收一啟動信號，此 處其係偏壓電位VB。此外，開關SW1、SW2、SW3及SW4提供該裝置在兩種不同放大模式之間的切換：一電容交叉耦合運作模式及一標準共閘極運作模式。進行該切換旨在獲得一良好線性行為或低雜訊及高增益。
若期望獲得良好之線性行為，則藉由施加第一開關信號C_SW之一低電壓位凖斷開第一開關SW1及第二開關SW2，同時藉由施加第二開關信號TR_SW之一高電壓位凖閉合第三開關SW3及第四開關SW4。由此第三支路B3及第四支路B4斷開，且因此第一電容器C1及第二電容器C2對該運作無影響。因該切換，第二電晶體M2及第四電晶體M4此外還並聯於第一電晶體M1及第三電晶體M3地連接，且因此獲得放大裝置10之標準共閘極組態，其提供該合意之線性行為。
當期望獲得低雜訊及高增益時，藉由施加第一開關信號C_SW之一高電壓位凖閉合第一開關SW1及第二開關SW2，同時藉由施加第二開關信號TR_SW之一低電壓位凖斷開第三開關SW3及第四開關SW4。然後使第三支路B3及第四支路B4連接於第一電晶體M1與第三電晶體M3之間，且因此第一電容器C1及第二電容器C2確實影響放大裝置10之運作。因此，獲得該放大裝置之一電容交叉耦合組態，其提供合意之低雜訊及高增益。因此，斷開第三開關SW3及第四開關SW4，藉此減小該有效組合輸入電晶體之大小，致使在兩種運作模式中均可實現一良好輸入匹配。相較於該標準共閘極，交叉耦合模式需要其大約一半之互 導值。
圖2顯示根據本發明一第二實施例之一低雜訊放大裝置10之電路圖。第二實施例類似於第一實施例。第二實施例與第一實施例之不同之處在於：第一支路B1及第二支路B2不包括第三開關及第四開關；而是由第二電晶體M2及第四電晶體M4之閘極直接接收第二開關信號。此處用於第二電晶體M2及第四電晶體M4之啟動信號因此係第二開關信號TR_SW。
以與第一實施例中之該裝置相同之方式運作根據第二實施例之裝置，以獲得同樣之最終結果。
然而，在第二實施例中，第二開關信號TR_SW之高電壓位凖對應於偏壓電位VB以能夠進行標準共閘極運作。在第一實施例中此非係必需。
放大裝置之雜訊及線性效能可藉由該動態範圍予以量化，其係受該雜訊限定之最低可偵測信號強度與其中將發生因非線性所致之1 dB壓縮之最高信號強度之比。
功率放大裝置10之上述操作具有若干優點。其提供一種可選擇性地提供高增益及低雜訊或良好線性之裝置。可在低電源電壓且不降級動態範圍之情形下進行該操作。事實上，根據本發明之該放大裝置提高該動態範圍之範圍。
在該等所述實施例中，該等輸入及輸出阻抗係作為電感器提供。應瞭解，其可替代為電阻。第一、第二、第三及第四電晶體亦作為MOSFET電晶體提供。應瞭解，其可係任何類型之電晶體，例如JFET及PNP電晶體。因此，亦應 瞭解，術語閘極應涵蓋等效術語基極，術語汲極應涵蓋等效術語集電極且術語源極應涵蓋等效術語發射極。所使用之該等開關以MOSFET電晶體之形式實現。應瞭解，其可係任何類型之電晶體，例如JFET及PNP電晶體。事實上，該等開關並不限於電晶體，其而是可藉由任何可基於一開關信號實施切換之裝置實現。開關及電容器在第三及第四支路中之提供順序對於本發明之功能並非至關緊要。該等開關及電晶體在第一實施例中之第一支路及第二支路中之提供順序對於本發明之功能亦並非至關緊要。在該等所述實施例中，電晶體M1至M4已作為N型提供，但將設計轉變為使用P型亦沒有問題。在該等所述實施例中，第一電晶體及第三電晶體之閘極此外還藉由呈偏壓電阻形式之偏壓阻抗連接至該偏壓電位。應瞭解，該等偏壓阻抗亦可係例如電感器。第二電晶體及第四電晶體之閘極此外亦可藉由一共用偏壓阻抗連接至該偏壓電位或甚至直接地連接至該偏壓電位。
根據本發明之該放大裝置可在一無線存取點(如，一基地台)或一無線終端機(如，一行動台)或兩者內提供。圖3示意性地顯示此一基地台12，其包括一包含根據本發明之低雜訊放大裝置之無線收發器14。無線收發器14又連接至一用於與一廣域網路N內之行動台18通信之天線16。該行動台可係一行動電話，如圖4中所示。
當該行動台遠離基地台12時，則該放大裝置經運作以根據該電容交叉耦合組態進行組態；同時若存在很多干擾， 則該放大裝置經運作以根據該標準共閘極組態進行組態。
儘管已結合具體實施例闡述了本發明，但本發明並不意欲受限於本文中所陳述之具體形式。而是，本發明之範疇僅受隨附申請專利範圍限制。
10‧‧‧放大裝置
12‧‧‧基地台；無線電傳輸裝置；無線存取點
14‧‧‧無線收發器
16‧‧‧天線
18‧‧‧行動台；無線電傳輸裝置；無線終端機
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
M4‧‧‧第四電晶體
B1‧‧‧第一可斷開支路
B2‧‧‧第二可斷開支路
B3‧‧‧第三可斷開支路
B4‧‧‧第四可斷開支路
C1‧‧‧第一電容器
C2‧‧‧第二電容器
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
SW3‧‧‧第三開關
SW4‧‧‧第四開關
C_SW‧‧‧第一開關信號
TR_SW‧‧‧第二開關信號
ZO1‧‧‧第一輸出阻抗
ZO2‧‧‧第二輸出阻抗
O＋‧‧‧第一信號輸出
O－‧‧‧第二信號輸出
VB‧‧‧偏壓電位
RB1‧‧‧第一偏壓電阻
RB2‧‧‧第二偏壓電阻
IN＋‧‧‧第一輸入信號源
IN－‧‧‧第二輸入信號源
ZI1‧‧‧第一輸入阻抗
ZI2‧‧‧第二輸入阻抗
已關於該等隨附圖式更詳細地描述了本發明，其中：圖1顯示根據本發明之一第一實施例之一放大裝置之電路圖，圖2顯示根據本發明之一第二實施例之一放大裝置之電路圖，圖3示意性地顯示兩個互相通信之無線電傳輸裝置，一基地台及一行動台，其中每一者均可包括一根據本發明之放大裝置，及圖4顯示形式為一行動電話之一無線終端機之前視圖。
10‧‧‧放大裝置
B1‧‧‧第一可斷開支路
B2‧‧‧第二可斷開支路
B3‧‧‧第三可斷開支路
B4‧‧‧第四可斷開支路
C1‧‧‧第一電容器
C2‧‧‧第二電容器
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
SW3‧‧‧第三開關
SW4‧‧‧第四開關
C_SW‧‧‧第一開關信號
TR_SW‧‧‧第二開關信號
ZO1‧‧‧第一輸出阻抗
ZO2‧‧‧第二輸出阻抗
O＋‧‧‧第一信號輸出
O－‧‧‧第二信號輸出
VB‧‧‧偏壓電位
RB1‧‧‧第一偏壓電阻
RB2‧‧‧第二偏壓電阻
IN＋‧‧‧第一輸入信號源
IN－‧‧‧第二輸入信號源
ZI1‧‧‧第一輸入阻抗
ZI2‧‧‧第二輸入阻抗
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
M4‧‧‧第四電晶體

Claims (18)

  1. 一種放大裝置(10)，其包含：一第一電晶體(M1)，其具有一連接至一第一輸入信號源(IN+)用於接收一輸入信號之一第一半之源極、一經佈置以接收一偏壓電位(VB)之閘極及一連接至一第一信號輸出(O+)之汲極，在該第一信號輸出處提供一輸出信號之一第一半，一第一可斷開支路(B1)，其連接於該第一電晶體(M1)之該源極與汲極之間且包含一第二電晶體(M2)；一第三電晶體(M3)，其具有一連接至一第二輸入信號源(IN-)用於接收一輸入信號之一第二半之源極、一經佈置以接收一偏壓電位(VB)之閘極及一連接至一第二信號輸出(O-)之汲極，在該第二信號輸出(O-)處提供一輸出信號之一第二半，一第二可斷開支路(B2)，其連接於該第三電晶體(M3)之該源極與汲極之間且包含一第四電晶體(M4)；一第三可斷開支路(B3)，其包含連接於該第一電晶體(M1)之該源極與該第三電晶體(M3)之該閘極之間的一第一電容器(C1)及一第一開關(SW1)，及一第四可斷開支路(B4)，其包含連接於該第三電晶體(M3)之該源極與該第一電晶體(M1)之該閘極之間的一第二電容器(C2)及一第二開關(SW2)，其中該第一開關SW1及該第二開關SW2(SW1、SW2)經佈置以接收一第一開關信號(C_SW)，用以提供該放大裝 置(10)之一電容交叉耦合運作模式，且該第一可斷開支路及該第二可斷開支路(B1、B2)經佈置以接收一第二開關信號(TR_SW)，用於使該第二電晶體(M2)並聯連接於該第一電晶體(M1)且用於使該第四電晶體(M4)並聯連接於該第三電晶體(M3)，以提供該放大裝置(10)之一標準共閘極運作模式。
  2. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該第一可斷開支路(B1)將該第二電晶體(M2)之該汲極連接至該第一電晶體(M1)之該汲極且將該第二電晶體(M2)之該源極連接至該第一電晶體(M1)之該源極，且該第二可斷開支路(B2)將該第四電晶體(M4)之該汲極連接至該第三電晶體(M3)之該汲極且將該第四電晶體(M4)之該源極連接至該第三電晶體(M3)之該源極。
  3. 如請求項1或2之放大裝置(10)，其中該第一輸入信號源(IN+)並聯於一第一輸入阻抗(ZI1)連接於該第一電晶體(M1)之該源極與信號接地之間，且該第二輸入信號源(IN-)並聯於一第二輸入阻抗(ZI2)連接於該第三電晶體(M3)之該源極與信號接地之間。
  4. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該第一電晶體(M1)之該汲極經由一第一輸出阻抗(ZO1)連接至信號接地，且該第三電晶體(M3)之該汲極經由一第二輸出阻抗(ZO2)連接至信號接地。
  5. 如請求項1之放大裝置，其中該第一電晶體及該第三電晶體(M1、M3)之該等閘極經由至少一個偏壓阻抗 (RB1、RB2)連接至該偏壓電位(VB)。
  6. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該第二電晶體及該第四電晶體(M2、M4)之該等閘極經佈置以接收一啟動信號(VB；TR_SW)。
  7. 如請求項6之放大裝置(10)，其中該啟動信號係該偏壓電位(VB)，該第一支路(B1)包含一第三開關(SW3)，且該第二支路(B2)包含一第四開關(SW4)，該第三開關及該第四開關(SW3、SW4)經佈置以接收該第二開關信號(TR_SW)。
  8. 如請求項6之放大裝置(10)，其中該啟動信號係該第二開關信號(TR_SW)，其具有一對應於該偏壓電位(VB)用以使該第二電晶體及該第四電晶體(M2、M4)並聯連接於該第一電晶體及該第三電晶體(M1、M3)之電位。
  9. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該等電晶體係提供作為MOSFET電晶體。
  10. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該等電晶體係提供作為JFET電晶體。
  11. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該等電晶體係提供作為雙極電晶體。
  12. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該等開關係以MOSFET電晶體之形式提供。
  13. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該等開關係以JFET電晶體之形式提供。
  14. 如請求項1之放大裝置(10)，其中該等開關係以雙極電晶 體之形式提供。
  15. 一種無線收發器(14)，其包含如請求項1-14中之任一項之至少一個放大裝置(10)。
  16. 一種無線電傳輸裝置(12、18)，其包含如請求項1-14中之任一項之至少一個放大裝置(10)。
  17. 如請求項16之無線電傳輸裝置，其中其係一無線存取點(12)。
  18. 如請求項16之無線電傳輸裝置，其中其係一無線終端機(18)。
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