变压器反馈放大器的制作方法

本发明一般性地涉及低噪声放大器，并且更具体地，涉及具有线性度控制的变压器反馈低噪声放大器。

背景技术：

全双工系统(诸如1x/宽带码分多址w-cdma)要求收发器(rx/tx)双工器滤波器来避免接收器被进入接收器的发射功率泄漏所堵塞(jammed)。在半双工系统(诸如全球移动通信系统gsm、时分同步码分多址tds-cdma和时分长期演进td-lte)中，接收器(rx)表面声波(saw)滤波器被要求以避免接收器被带外阻塞物(高至0dbm)所堵塞或去敏。

附图说明

本公开的关于它的结构和操作这两者的细节可以部分地通过对所附进一步附图的研究而被收集，在附图中相似的参考标号指代相似的部分，并且其中：

图1图示了具有接入点和用户终端的示例性无线通信系统；

图2示出了无线通信系统中的示例性用户终端的框图；

图3是根据本公开的某些方面的示例收发器前端(诸如图2中的收发器前端)的框图；

图4a是根据本公开的一个实施例的示例性低噪声放大器(lna)的示意图；

图4b是根据本公开的另一实施例的示例性lna的示意图；

图5a是根据本公开的替换性实施例的被配置在低线性度模式中的示例性lna的示意图；以及

图5b是根据本公开的另一替换性实施例的被配置在高线性度模式中的示例性lna的示意图。

具体实施方式

在半双工系统中，归因于不存在发射器的并发操作，若干技术可以被用来大幅减少rxsaw滤波器(“无saw”)。这导致对于低层次产品的大幅成本节省。然而，输入saw滤波器的移除使得具有高输入电平的堵塞物将存在于低噪声放大器(lna)输入处。进一步地，输入saw滤波器的移除使动态范围要求增大高至110db。因此，接收器优选地需要容忍非常大的带外(oob)干扰物，并且要求非常高的oob线性度，同时还满足良好的灵敏度要求。这可能对lna和混频器提出了严格的要求，以满足非常高的oob三阶截点(ip3)(例如，+19.5dbm)以及高的oob二阶截点(ip2)(例如，+70.0dbm)。

因此，无sawlna要求是更加严格的并且可以包括：(1)对于低频带(lb)从b5(869mhz)到b8(960mhz)并且从b3(1805mhz)到b34(2025mhz)的宽带匹配；(2)差分lna以满足lnaip2要求；(3)跨每个器件具有较小输入摆幅的差分lna，其导致更好的线性度(ip3、ip2)；(4)高度线性的lna以满足等于+20dbm的oobip3；(5)高线性度(hl)模式以处置20mhz处的0dbm堵塞物和等于20dbm的oobip3；以及(6)低线性度(ll)模式以在没有堵塞物存在时实现良好的噪声系数(nf)和-110dbm的灵敏度。然而，将无sawlna配置具有用于ll模式和hl模式的分离路径的困难包括两种线性度模式的阻抗上的显著差异。因此，下文的描述可能包括ll模式lna和hl模式lna的不同偏置调节，以将两种线性度模式的阻抗带到接近于彼此。

本公开的某些实施例包括：具有变压器(或巴伦)反馈的差分lna配置；栅极提升，以提供大于一的增强因子(a)；噪声和漏极失真消除性质；以及跨栅极至源极端子的负巴伦反馈，以将lna相比于独立放大器而线性化。在一个实施例中，两个不同的lna架构被配置为实施lna，该lna取决于堵塞物的存在或缺失而是高线性度(hl)和低nf的。例如，该lna在堵塞物不存在时被配置为操作在低线性度(ll)模式中，而该lna在堵塞物存在时被配置为操作在较高线性度(hl)模式中。下文阐述的详细描述意图作为本公开的示例性设计的描述，并且不意图表示本公开可以被实践在其中的仅有设计。

用语“示例性”在本文中被用来意指“用作示例、实例、或例证”。本文描述为“示例性”的任何设计不是必然被解释为相对于其他设计是优选的或有利的。该详细描述包括具体细节以用于提供对本公开的示例性设计的透彻理解的目的。对本领域的技术人员将明显的是，本文描述的示例性设计可以不具有这些具体细节而被实践。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式示出以便避免使本文提出的示例性设计的新颖性模糊不清。

本文描述的技术可以与各种无线技术组合地被使用，诸如码分多址(cdma)、正交频分复用(ofdm)、时分多址(tdma)、空分多址(sdma)、单载波频分多址(sc-fdma)、时分同步码分多址(td-scdma)，等等。多个用户终端可以经由不同的(1)用于cdma的正交代码信道、(2)用于tdma的时隙、或(3)用于ofdm的子频带来并发地发射/接收数据。cdma系统可以实施is-2000、is-95、is-856、宽带cdma(w-cdma)、或一些其他标准。ofdm系统可以实施电气和电子工程师协会(ieee)802.11(无线局域网(wlan))、ieee802.16(全球微波接入互操作性(wimax))、长期演进(lte)(例如，在时分双工(tdd)模式和/或频分双工(fdd)模式中)、或一些其他标准。tdma系统可以实施全球移动通信系统(gsm)或一些其他标准。这些各种标准在本领域中是已知的。本文描述的技术也可以被实施在使用射频(rf)技术的各种其他适合的无线系统中的任何无线系统中，包括全球导航卫星系统(gnss)、蓝牙、ieee802.15(无线个域网(wpan))、近场通信(nfc)、小小区、调频(fm)，等等。

图1图示了具有接入点和用户终端的示例性无线通信系统100。为了简单，仅一个接入点110示出在图1中。接入点(ap)一般是与用户终端进行通信的固定站，并且也可以称为基站(bs)、演进型节点b(enb)、或一些其他术语。用户终端(ut)可以是固定的或移动的，并且也可以称为移动站(ms)、接入终端、用户设备(ue)、站(sta)、客户端、无线设备、或一些其他术语。用户终端可以是无线设备，诸如蜂窝电话、个人数字助理(pda)、手持式设备、无线调制解调器、膝上型计算机、平板、个人计算机，等等。

接入点110可以在任何给定时刻在下行链路和上行链路上与一个或多个用户终端120进行通信。下行链路(即，前向链路)是从接入点到用户终端的通信链路，并且上行链路(即，反向链路)是从用户终端到接入点的通信链路。用户终端还可以端到端地与另一用户终端进行通信。系统控制器130耦合到接入点并且提供对于接入点的协调和控制。

系统100采用多个发射天线和多个接收天线用于下行链路和上行链路上的数据传输。接入点110可以被配备有数目nap个天线来实现用于下行链路传输的发射分集和/或用于上行链路传输的接收分集。一组nu个所选择的用户终端120可以接收下行链路传输并且发射上行链路传输。每个所选择的用户终端向接入点发射特定于用户的数据，和/或从接入点接收特定于用户的数据。一般而言，每个所选择的用户终端可以被配备有一个或多个天线(即，nut≥1)。nu个所选择的用户终端可以具有相同或不同数目的天线。

无线系统100可以是时分双工(tdd)系统或频分双工(fdd)系统。对于tdd系统，下行链路和上行链路可以共享相同的频带。对于fdd系统，下行链路和上行链路使用不同的频带。系统100还可以利用单个载波或多个载波用于传输。每个用户终端可以被配备有单个天线(例如，为了保持成本下降)或多个天线(例如，在附加成本可以被支持的场合)。

图2示出了无线通信系统100中的示例性用户终端120的框图。在图2的所图示的实施例中，用户终端120包括天线250、252、收发器前端(tx/rx)254、rx数据处理器270、控制器280、以及tx数据处理器290。

图3是根据本公开的某些方面的示例收发器前端300(诸如图2中的收发器前端222、254)的框图。收发器前端300包括发射(tx)路径302(也作为发射链而已知)以用于经由一个或多个天线来发射信号、以及接收(rx)路径304(也作为接收链而已知)以用于经由天线来接收信号。当tx路径302和rx路径304共享天线303时，路径可以经由接口306与天线连接，接口306可以包括各种适合的rf设备中的任何rf设备，诸如双工器、开关、双信器，等等。

从数模转换器(dac)308接收同相(i)或正交(q)基带模拟信号，tx路径302可以包括基带滤波器(bbf)310、混频器312、驱动器放大器(da)314、以及功率放大器(pa)316。bbf310、混频器312、以及da314可以被包括在射频集成电路(rfic)中，而pa316经常在rfic外部。bbf310对从dac308接收的基带信号滤波，并且混频器312将经滤波的基带信号与发射本地振荡器(lo)信号混频，以将感兴趣的基带信号变频到不同频率(例如，从基带上变频到rf)。这一频率变换过程产生lo频率与感兴趣信号的频率的和频及差频。和频及差频称为拍频。拍频通常在rf范围中，从而由混频器312输出的信号通常是rf信号，它们在由天线303进行的发射之前由da314并且由pa316放大。

rx路径304包括低噪声放大器(lna)322、混频器324、以及bbf326。lna322、混频器324、以及bbf326可以被包括在射频集成电路(rfic)中，其可以是或者可以不是包括tx路径组件的相同rfic。经由天线303接收的rf信号可以由lna322放大，并且混频器324将放大的rf信号与接收本地振荡器(lo)信号混频，以将感兴趣的rf信号变频到不同的基带频率(即，下变频)。由混频器324输出的基带信号在由模数转换器(adc)328转换为数字i或q信号用于数字信号处理之前可以由bbf326滤波。

图4a是根据本公开的一个实施例的示例性lna400的示意图。在一个实施例中，lna400被使用在图3中示出的收发器前端300的rx路径304中作为lna322。如上文所陈述的，lna400被配置作为具有变压器反馈的差分lna。进一步地，lna400的配置包括两个不同的lna架构来实施lna，该lna取决于堵塞物的存在或缺失而提供高线性度(hl)和低噪声系数(nf)或者低线性度(ll)。例如，该lna在堵塞物不存在时被配置在ll模式中，而该lna在堵塞物存在时被配置在hl模式中。图4a图示了具有以粗体线/粗线突出的在ll模式中使用的组件的lna400。在一个实施例中，lna400在ll模式或hl模式中的确定、处理和控制由处理器/控制器(类似于图2中示出的控制器280)来执行。

在图4a的所图示的实施例中，lna400包括单端rf输入节点402、输入巴伦或变压器420、输入晶体管410、412、414、416、一对共源共栅晶体管430、432以提供差分偏置信号、包括电感器442和电容器444的负载440、以及一对差分输出节点460、462。在这一实施例中，变压器被配置作为用于传送能量的部件。在图4a中，输入巴伦或变压器420被配置有初级电感器绕组422和一对次级电感器绕组424、426(一般性地是多个次级绕组)，每个次级电感器绕组424、426具有至少一个抽头。正的rf输入信号(rfin⁺)402耦合到初级电感器绕组422的第一端子。初级电感器绕组422的第二端子使用开关网络478而耦合到接地或负的rf输入信号(rfin^-)。开关470启用或禁用rf输入节点402到初级电感器绕组422的连接。开关472在开关470被禁用时提供更好的隔离。

跨导-提升(gm-提升)的lna将噪声系数(噪声匹配)与输入匹配(功率匹配)之间的紧密联系解耦。结果，噪声系数和电流消耗可以同时被减小。对于跨共栅极(cg)lna的栅极-源极端子的负反馈因子“a”，有效跨导(gm)以因子(1+a)被提升并且噪声系数以相同因子被减小。图4a中示出的实施例通过如下面在等式(1)中示出的负变压器反馈而实现gm提升：

在等式(1)中，次级绕组424和426的电感被标示为l2，而节点480与接地端子之间的电感被标示为l3。类似地，节点482与接地端子之间的电感被标示为l3。电感l2与l3之间的磁耦合因子由k标示。因为gm提升因子a取决于l2与l3的比率的平方根，所以它可以被设计为具有大于单位元(unity)的值，如电容器交叉耦合的cglna，其中gm提升因子总是小于单位元。进一步地，这一提升因子独立于工艺和温度变化。

次级电感器绕组对424、426中的每个次级电感器绕组的端子之一耦合到接地，而次级电感器绕组424、426的其他端子分别通过电容器452、456耦合到差分晶体管对410、412的栅极端子484、486。可调谐电容器454跨差分晶体管对410、412的栅极端子484、486而被耦合以在想要的rf频率处谐振，因此提供带通滤波。差分晶体管对410、412的源极端子480、482分别耦合到次级电感器绕组426、424的抽头(例如，中心抽头)。因此，从差分晶体管对410、412的源极端子480、482通过次级电感器绕组424、426到栅极端子484、486的连接经由负变压器反馈而提供gm提升，因此改进lna在ll模式中的噪声系数。应当注意，变压器反馈在极性上是负的。也就是说，反馈从晶体管410的源极端子480通过次级绕组426的抽头而被路由到晶体管412的栅极端子486，而反馈从晶体管412的源极端子482通过次级绕组424的抽头而被路由到晶体管410的栅极端子484。在这一配置中，晶体管410、412正作为用于放大的部件进行操作。

图4b是根据本公开的另一实施例的示例性lna400的示意图。图4b图示了具有以粗体线/粗线突出的在hl模式中使用的组件的lna400。

在图4b的所图示的实施例中，输入巴伦或变压器420被配置有初级电感器绕组422和一对次级电感器绕组424、426，每个次级电感器绕组424、426具有至少一个抽头。次级电感器绕组对424、426中的每个次级电感器绕组的端子之一耦合到接地，而次级电感器绕组424、426的其他端子分别通过电容器450、458耦合到差分晶体管对414、416的栅极端子485、487。可调谐电容器454跨差分晶体管对414、416的栅极端子485、487而被耦合以在想要的rf频率处谐振。差分晶体管对414、416的源极端子481、483分别耦合到次级电感器绕组426、424的抽头。因此，从差分晶体管对414、416的源极端子481、483通过次级电感器绕组424、426到栅极端子485、487的连接提供负变压器反馈，其帮助改进lna400在hl模式中的线性度，这归因于去往接地的更多源极退化电感和较少的gm提升(即，尽管a总是>1，但是它在hl模式中在量值上相比于在ll模式中的量值较小)。在这一配置中，晶体管414、416正作为用于放大的部件进行操作。

rf输入信号可以被配置作为差分信号，节点402被配置作为正输入端子以输入正rf输入信号并且节点404被配置作为负输入端子以输入负rf输入信号。图4a和图4b示出了作为差分信号的rf输入信号，节点402接收正rf输入而节点406接收负rf输入。因此，在这一配置中，节点406被配置为耦合到开关网络478，开关网络478允许rf输入在单端输入与差分输入之间被切换。例如，在一种配置中，当开关474开路并且开关476闭合时，rf输入信号被配置作为单端输入信号，节点402和节点404处的输入被接地。因此，节点404处的电势可以是负rf输入信号或接地电压。在另一配置中，当开关474闭合并且开关472、476开路时，rf输入信号被配置作为差分输入信号，在节点402处接收的输入信号为正rf输入并且在节点406处接收的输入信号为负rf输入。

在图4a(其被配置用于ll模式)中，变压器反馈的量被调节用于次级电感器绕组424、426中相比图4b中示出的hl模式较小的抽头位置(tapposition)。用于ll模式中的较小抽头位置的变压器反馈的调节像共源极配置(其中a为高)那样配置lna400，而用于hl模式中的较大抽头位置的变压器反馈的调节像共栅极配置那样配置lna400，在共栅极配置中，a相比于ll模式较低(尽管仍然大于1)。

在一个实施例中，用于图4a中示出的ll模式的lna400的配置通过偏置差分晶体管410、412的栅极端子484、486而被使得能够使用偏置电阻器492、494来激活它们，而差分晶体管414、416的栅极端子485、487被偏置以使用偏置电阻器490、496来将它们解除激活。相对照地，用于图4b中示出的hl模式的lna400的配置通过偏置差分晶体管414、414的栅极端子485、487而被使得能够使用偏置电阻器490、496来激活它们，而差分晶体管410、412的栅极端子484、486被偏置以使用偏置电阻器492、494来将它们解除激活。归因于ll模式与hl模式中的不同反馈因子(a)，lna输入阻抗在ll模式与hl模式之间显著地改变。因为外部lna输入匹配在两种模式之间是共同的，所以合意的是在阻抗平面(例如，史密斯图)上将ll模式与hl模式的阻抗带到更接近于彼此，其可以通过下文描述的替换性实施例来实现。

在替换性实施例中，用于图4a中示出的ll模式的lna400的配置通过偏置差分晶体管410、412的栅极端子484、486而被使得能够使用偏置电阻器492、494来激活它们，而差分晶体管414、416的栅极端子485、487也被偏置以使用偏置电阻器490、496在低偏置电流处激活它们。例如，ll模式中的差分晶体管414、416的低偏置(而不是将它们偏置关断)被配置为提供2％的泄放(bleed)电流并改进ll模式阻抗，并且将ll模式的阻抗带到更接近于hl模式。进一步地，用于图4b中示出的hl模式的lna400的配置通过偏置差分晶体管414、414的栅极端子485、487而被使得能够使用偏置电阻器490、496来激活它们，而差分晶体管410、412的栅极端子484、486也被偏置以使用偏置电阻器492、494在低偏置电流处激活它们。例如，hl模式中的差分晶体管410、412的低偏置(而不是将它们偏置关断)被配置为提供0％至2％的泄放电流并改进hl模式阻抗，并且将hl模式的阻抗带到更接近于ll模式。

图4a和图4b中的所有晶体管410、412、414、416、430、432被配置作为n沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(n-mosfet)。然而，晶体管410、412、414、416、430、432可以被配置作为p沟道型mosfet或作为双极晶体管。晶体管410、412、414、416也称为主晶体管，并且晶体管430、432也称为共源共栅或偏置晶体管。电感器422、424、426、442和电容器450、452、454、456、458、444是使用半导体制作工艺被形成在lna400上的集成组件。

图5a是根据本公开的替换性实施例的被配置在低线性度模式中的示例性lna500的示意图。lna500包括多个放大器510、520，其中每个放大器510或520被配置用于不同的线性度模式以用于阻抗的更好匹配。例如，放大器510被用于低线性度模式，而放大器520被用于高线性度模式。在图5a的低线性度模式中，ll放大器510大幅地被偏置(接近于100％偏置)，而hl放大器520被偏置以泄放或释放小量的偏置电流(例如，2％)。这改进了ll模式阻抗并且将它带到更接近于hl模式阻抗。像之前那样，lna输入在变压器530的初级绕组的第一端子处耦合到变压器530。初级绕组的第二端子耦合到接地。开关570启用或禁用(输入节点处的)lna输入到初级绕组的连接。开关572在开关570被禁用时提供更好的隔离。

图5b是根据本公开的另一替换性实施例的被配置在高线性度模式中的示例性lna550的示意图。在图5b中，lna550包括被用于低线性度模式的放大器510以及被用于高线性度模式的放大器520。因此，在图5b的高线性度模式中，hl放大器520大幅地被偏置(接近于100％偏置)，而ll放大器510被偏置以泄放或释放小量的偏置电流(例如，2％)。这改进了hl模式阻抗并且将它带到更接近于ll模式阻抗。

本文描述的收发器前端和lna可以被实施在ic、模拟ic、rfic、混合信号ic、专用集成电路(asic)、印刷电路板(pcb)、电子设备等上。所描述的收发器前端和lna也可以利用各种集成电路工艺技术而被制作，诸如互补金属氧化物半导体(cmos)、n沟道mos(nmos)、p沟道mos(pmos)、双极结型晶体管(bjt)、双极cmos(bicmos)、硅锗(sige)、砷化镓(gaas)、异质结双极晶体管(hbt)、高电子迁移率晶体管(hemt)、绝缘体上硅(soi)，等等。

实施本文描述的收发器前端和lna的装置可以是独立设备或者可以是更大设备的一部分。设备可以是(i)独立ic，(ii)一个或多个ic的集合，其可以包括用于存储数据和/或指令的存储器ic，(iii)rfic，诸如rf接收器(rfr)或rf发射器/接收器(rtr)，(iv)asic，诸如移动站调制解调器(msm)，(v)可以被嵌入其他设备内的模块，(vi)接收器、蜂窝电话、无线设备、手机、或移动单元，(vii)等等。

在一种或多种示例性设计中，所描述的功能可以被实施在硬件、软件、固件、或者它们的任何组合中。如果被实施在软件中，则功能可以作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码被存储或者被传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，通信介质包括促进计算机程序从一个地方到另一地方的传送的任何介质。存储介质可以是能够由计算机访问的任何可用介质。通过示例而非限制的方式，这样的计算机可读介质可以包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储设备、或者可以被用来以指令或数据结构的形式承载或存储所期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。此外，任何连接恰当地被称为计算机可读介质。例如，如果软件使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线路(dsl)、或无线技术(诸如红外、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源被传输，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或无线技术(诸如红外、无线电和微波)被包括在介质的定义中。如本文所使用的盘和碟包括紧致碟(cd)、激光碟、光碟、数字多功能碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘通常磁性地再现数据，而碟利用激光而光学地再现数据。上面的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围之内。

本公开的之前描述被提供以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域的技术人员将是容易明显的，并且本文所定义的一般原理可以被应用到其他变化而不偏离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制于本文所描述的示例和设计，而是本公开将符合于与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。