改进的射频低噪声放大器负载电路的制作方法
【专利说明】改进的射频低噪声放大器负载电路
[0001]相关申请案交叉申请
[0002]本发明要求2013年3月11日由Lawrence Connell等人递交的发明名称为“改进的射频低噪声放大器负载电路(Improved Rad1 Frequency Low Noise Amplifier LoadCircuit) ”的第13/793033号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引用的方式并入本文本中，如全文再现一般。
[0003]关于由联邦政府赞助
[0004]研宄或开发的声明
[0005]不适用。
[0006]参考缩微胶片附录
[0007]不适用。
【背景技术】
[0008]模拟前端接收器可在多个无线通信应用和设备(包括蜂窝、W1-Fi和蓝牙应用和设备)中使用。模拟前端接收器的其中一个部件可以为放大器(有时称为低噪声放大器或LNA)。LNA提出了许多设计挑战，尤其是在增益可调整或可编程的蜂窝收发器中。例如，LNA可能需要具有高增益以产生低噪声系数(NF)。此外，对于高增益的跨导LNA，当LNA以足够高的输出共模电压运行时，可能需要高阻抗负载电路。
【发明内容】
[0009]在一项实施例中，本发明包含一种电路，所述电路包括跨导体放大器以及连接到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管。
[0010]在另一项实施例中，本发明包含一种无线接收器，所述无线接收器包括天线、混频器以及连接所述天线和所述混频器的放大器电路，其中所述放大器电路包括跨导体放大器以及耦合到所述跨导体放大器的负载，其中所述负载包括无源偏置的负载晶体管。
[0011]在又一项实施例中，本发明包含一种方法，所述方法包括在输入处接收差分射频(RF)电压信号，以及由跨导体放大器将所述电压信号转换成差分RF电流信号，其中所述跨导体放大器连接到负载，并且所述负载包括负载晶体管以及直接连接到所述负载晶体管的栅极和漏极的电阻器。
[0012]结合附图和权利要求书，可从以下的详细描述中更清楚地理解这些和其它特征。
【附图说明】
[0013]为了更完整地理解本发明，现在参考以下结合附图和详细描述进行的简要描述，其中相同参考标号表不相同部分。
[0014]图1是接收器的实施例的示意图。
[0015]图2是放大器电路的实施例的示意图。
[0016]图3是具有直流电(DC)偏置电路的放大器电路的实施例的示意图。
[0017]图4是使用LNA电路的系统的示意图。
[0018]图5是用于放大信号的方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0019]最初应理解，尽管下文提供一个或多个实施例的说明性实施方案，但可使用任意数目的当前已知或现有的技术来实施所公开的系统和/或方法。本发明决不应限于下文所说明的所述说明性实施方案、图式和技术，包含本文所说明并描述的示范性设计和实施方案，而是可以在所附权利要求书的范围以及其均等物的完整范围内修改。
[0020]本文揭示了一种耦合到负载电路的跨导体放大器，该负载电路在以足够高的输出共模电压下运行时能够具有高阻抗。负载电路可构成无线收发器中的放大器电路的一部分。放大器电路可以是在无线通信系统中有用的高增益跨导体放大器。负载电路可使用低复杂性、无源偏置的有源负载设备以最大化给定的所需最小输出共模电压的输出负载阻抗(并从而最大化增益)。
[0021]图1是接收器100的实施例的示意图。接收器100可用作无线通信设备(例如手机、智能手机或平板电脑)的一部分。接收器100包括天线110、声表面(SAW)滤波器或双工器120、匹配网络130、LNA140、射频(RF)混频器150以及基带滤波器160，它们如图1所示进行配置。天线110可用于接收RF信号并生成信号作为对SAW滤波器或双工器120的输入。SAW滤波器或双工器120和匹配网络130可分别进行过滤和阻抗匹配。LNA140可包括差分跨导体放大器，用于接收来自匹配网络130的差分电压以及用于从差分电压生成差分电流以作为对混频器150的输入。混频器150可将相对高频RF输入信号转换为低频或中频(IF)信号或基带信号用于后续处理。混频器150可在给定的频率下耦合到差分本地振荡器(LO)以帮助进行所描述的频率转换。在接收器100中，混频器150的后面是提供信号用于基带处理的基带滤波器160。本领域普通技术人员将认识到，接收器100仅仅是一个可使用LNA (例如LNA140)的可能配置或实施例。
[0022]图2是放大器电路200的实施例的示意图。放大器电路200可形成LNA(例如LNA140)的一部分。放大器电路200包括η型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管Μ3-Μ6、电感器LI和L2、以及负载构造或电路210，它们如图2所示进行配置。放大器电路200用于接收差分RF输入，对于“正”和“负”输入分别标记为RFin P和RF ΙΝ Μ，如图2中所示。放大器电路200用于生成差分RF输出，对于“正”和“负”输出分别标记为RFqut P和RF QUT Μ，如图2中所示。晶体管Μ3-Μ6可具有可编程增益值，这样放大器电路200可在如自适应增益控制(AGC)级中使用。因此，放大器电路200可具有可编程增益。
[0023]放大器电路200可用作跨导体级，其将差分RF输入电压转换成差分RF输出电流。晶体管Μ5和Μ6将输入电压转换为电流。负载电路210具有高阻抗，因而晶体管Μ5和Μ6中生成的大部分电流被传送到输出，极少数电流进入负载电路210。晶体管M3和Μ4是共源共栅晶体管，它们提供检查(looking into)这些晶体管的输出的高阻抗。Vcas。是固定的DC电压，用于DC偏置共源共栅晶体管M3和M4。
[0024]负载电路210包括P型MOS(PMOS)晶体管Ml和M2，以及电阻器Rl和R2，它们如图2所示进行配置。电阻器R3是可选的，但如果使用则按图2所示进行配置。尽管R3示为连接到接地端，但R3还可连接到非零电压电位。vdd是DC源极电压。晶体管Ml和M2可视为有源负载设备。有源负载Ml和M2随着电阻器Rl和R2(以及R3，如果存在的话)无源偏置，如图所示。例如，电阻器Rl可直接连接到Ml的栅极和漏极。根据Ml和M2的漏极和源级之间的小信号电阻至少部分确定负载电路210的阻抗。电阻器Rl和R2可感知输出直流电(DC)共模电压。电阻器R3可提供栅极偏置和输出DC共模电压之间的偏移电压。优化Rl、R2和R3的相对值能够为给定的所需输出共模电压产生最大负载阻抗。在一项实施例中，Rl等于R2。在一项实施例中，放大器电路200具有值如下的部件，这带来了高增益和低噪声:L1 = L2 = 0.5 毫微亨(nH)，Rl = R2 = 60 千欧姆(k)，R3 = 120k，M3-M6的宽度和长度可分别为300微米(microns)和0.lmicrons, Ml和M2的宽度和长度分别为150microns和 0.25microns。
[0025]晶体管M5和M6与共源共栅晶体管M3和M4以及电感器LI和L2可以说是构成了差分跨导体放大器，该差分跨导体放大器将小的RF输入电压信号转换成大的RF输出电流信号。放大器电路200可实现RF输出处的高阻抗。
[0026]本领域普通技术人员将认识到，晶体管Ml和M2可以替换为NMOS晶体管，晶体管M3-M6可以替换为PMOS晶体管。如果是这种情况，当前在图2中标记的接地端可以替换为源级电压vdd，当前在图2中标记的vdd可以替换为接地端。此外，放大器电路200是双端或差分电路。本领域普通技术人员将认识到，可通过移除部件M2、R2、M4、M6和L2形成单端电路。单端电路可接收单一输入并产生单一输出。
[0027]图3是具有DC偏置电路320的放大器电路200的示意图。系统300包括放大器电路200和DC偏置电路320，它们如图3所示进行配置。为了简明起见，不再描述放大器电路200。DC偏置电路320包括电流源IBIAS、晶体管M7以及电阻器RBIAS，它们如图3所示进行配置。电流源IBIAS、晶体管M7和电阻器Rbias用于提供放大器电路200的DC电流偏置。M7、M5和M6的连接形成了电流镜，该电流镜可设置M5和M6的漏极电流为M7 (Ibias)中的漏极电流的换算值。电阻器&^可用于为RF输入信号提供RF隔离。LNA(例如LNA140)可包括系统300。
[0028]图4是使用放大器电路200的系统400的示意图。系统400包括放大器电路200、DC偏置电路320、电容器Cl和C2、RF混频器410以及基带滤波器420，它们如图4所示进行配置。先前已经描述了放大器电路200和DC偏置电路320，因此无需再次描述这些电路。电容器Cl和C2可以是DC阻隔电容器，它们将放大器电路200的DC偏置与混频器的DC偏置隔离。
[0029]如前所述，晶体管M5和M6与共源共栅晶体管M3和M4 (连同电感器LI和L2) —起可形成差分跨导体放大器，该差分跨导体放大器将小RF输入电压信号转换成大RF输出电流信号。对于最大增益，需要最大化进入混频器410并随后进入滤波器420的RF输出电流信号。这要求检查混频器410/滤波器420的阻抗小于负载电路210的阻抗。因此，高增益需要高负载阻抗和低混频器/滤波器输入阻抗。负载电路210实现了高负载阻抗。
[0030]本文揭示了当维持最小所需共模输出电压时对RF LNA的有源