多模低噪声放大器的装置和方法

多模低噪声放大器的装置和方法
【专利摘要】在本文中提供用于多模式的低噪声放大器(LNA)的装置和方法。在某些配置中，射频(RF)系统包括多模式LNA，所述多模式LNA包括至少级联电连接的第一放大级和第二放大级。RF系统还包括模式控制电路，它接收模式选择信号，并基于所述模式选择信号控制第一和第二放大级的偏置。模式控制电路在多个模式操作多模式LNA，包括其中所述LNA工作在更高增益和更好的噪声系数的第一模式，以及其中所述LNA操作在更低增益和更高线性的第二模式。使用模式选择信号控制多模式LNA的模式允许多模式LNA有利地实现低噪声指数和高线性度的优势。
【专利说明】
多模低噪声放大器的装置和方法
技术领域
[0001] 本发明的实施例涉及电子系统，更具体地涉及低噪声放大器(LNA)。
【背景技术】
[0002] 某射频(RF)系统可包括一个或多个低噪声放大器(LNA)。例如，诸如RF前端的RF系 统可包括LNA，以放大经过天线接收的相对较弱的信号。LNA可以作为RF系统的接收路径的 第一放大级，并且可以通过提高小振幅的接收信号，同时加入或引入相对少量的噪声而改 进RF系统的性能。

【发明内容】

[0003] 在一个方面，提供一种低噪声放大系统。低噪声放大系统包括:包括两个或多个放 大级的多模式低噪声放大器(LNA)。两个或多个放大级包括级联电连接的第一放大级和第 二放大级。低噪声放大系统进一步包括配置成接收模式选择信号的模式控制电路。模式控 制电路被配置成:基于模式选择信号的状态，控制多模式LNA为从多个模式中选择的选中模 式。该多种模式包括第一模式和第二模式。相对于第二模式，多模式LNA在第一模式中工作 在更低的噪声系数和更大的总增益，相对于第一模式，多模式LNA在第二模式中操作更高线 性。
[0004] 在另一个方面，提供一种射频(RF)系统。RF系统包括:包括两个或多个放大级的多 模式低噪声放大器(LNA)。两个或多个放大级包括级联电连接的第一放大级和第二放大级。 RF系统进一步包括经配置成接收模式选择信号的模式控制电路，以及该模式控制电路被配 置为:根据模式选择信号的状态，控制多模式LNA为从多个模式选择的选中模式。该多种模 式包括第一模式和第二模式。模式控制电路被配置为控制所述第一放大级的增益为第一模 式中的第一高增益量，以及第二模式下的第一低增益量。另外，模式控制电路被进一步配置 为控制所述第二放大级的增益为第一模式中的第二低增益量，以及第二模式中的第二高增 益量。第一高增益量大于第一低增益量，和第二高增益量大于第二低增益量。
[0005] 在另一个方面中，提供一种低噪声放大的方法。该方法包括:基于模式选择信号的 状态，产生多个控制信号，并使用多个控制信号控制多模式低噪声放大器(LNA)为从多个模 式中选择的选中模式。多模式LNA包括级联电连接的多个放大级，并且所述多个模式包括第 一模式和第二模式。此外，控制多模式LNA为选中模式包括:使用所述多个控制信号，控制多 个放大级的偏置，使得相对于第二模式，多模式LNA在第一模式中操作更低的噪声系数和更 大的总增益，并且使得相对于第一模式，多模式LNA在第二模式中操作更高线性。
【附图说明】
[0006] 图1是根据一个实施例包括多模式低噪声放大器(LNA)的射频(RF)系统的一个实 施例的示意图。
[0007] 图2是根据一个实施例的多模式LNA系统的示意图。
[0008]图3是根据一个实施例的RF子系统的一个实施例的示意图。
[0009]图4是根据一个实施例的多模式LNA的第一 LNA级的电路图。
[0010] 图5是根据一个实施例的多模式LNA的第二LNA级的电路图。
[0011] 图6是多模式LNA的增益对频率的一个示例的曲线图。
[0012]图7是多模式LNA的噪声系数(NF)对频率的一个示例的曲线图。
[0013] 图8是多模式LNA的增益对输入功率的一个示例的曲线图。
[0014] 图9是根据另一实施例的多模式LNA的第一级的电路图。
【具体实施方式】
[0015] 某些实施例的以下详细描述中提出本发明的具体实施例的各种描述。然而，本发 明可以以许多不同方式体现，如由权利要求书定义和涵盖。在本描述中，参考了附图，其中 类似的参考数字可以指示相同或功能相似的元件。
[0016] 低噪声放大器(LNA)用于放大相对较弱的信号，诸如由天线捕捉的射频(RF)信号。 噪声系数和线性是LNA的重要性能特征。噪声系数是LNA的性能的度量，其以信号-噪声比表 征。线性度也是LNA的性能的重要指标，因为线性可影响失真。LNA的线性可以各种不同的方 式测量，其中包括例如使用压缩点和/或截点。
[0017] LNA可固有受到噪声系数和线性之间的折衷。然而，噪声系数和线性可以是期望的 参数。
[0018] 当射频(RF)输入信号功率电平相对较低时，例如低于-30dBm，也可以期望LNA操作 更高的增益和更好的噪声系数。然而，当RF输入功率电平是比较高时，例如大于20dBm，也可 以期望LNA操作较低增益和较高的线性以防止饱和。
[0019] 因此，需要一种低噪声放大器，其包括较低噪声操作的模式和较高线性操作的模 式。
[0020] 本文提供用于多模式低噪声放大器(LNA)的装置和方法。在某些配置中，射频(RF) 系统包括多模式LNA，包括至少级联电连接的第一放大级和第二放大级。RF系统进一步包括 模式控制电路，它接收模式选择信号，并基于所述模式选择信号控制第一和第二放大级的 偏置。模式控制电路操作多个模式之一的多模式LNA，包括其中LNA操作在更高增益和低噪 声指数的第一模式，以及其中LNA操作在更低增益和更高线性的第二模式。使用模式选择信 号控制多模式LNA的模式允许多模式LNA有利地实现低噪声指数和高线性度的优势。在某些 配置中，LNA的模式可以是基于数字模式选择信号的状态而数字可选择的。
[0021] 该模式控制电路可以操作在不同模式下具有不同偏置条件的多模式LNA的放大 级，以通过模式选择获得低噪声和高线性度。在一个实施例中，模式控制电路控制第一放大 级的增益为第一模式中的第一高增益量和第二模式中的第一低增益量，并控制第二放大级 的增益为第一模式中的第二低增益量和第二模式中的第二高增益量。
[0022]图1是根据一个实施例包括多模式低噪声放大器(LNA)4的射频系统10的一个实施 例的示意图。
[0023]尽管RF系统10示出包括多模式LNA的电子系统的一个示例，多模式LNA可以用于电 子系统的其它配置。另外，虽然组件的具体配置示于图1，RF系统可适于或修改为各种各样 的方式。例如，RF系统10可以包括更多或更少的接收和/或发送路径。此外，RF系统10可以被 修改成包括更多或更少的组件和/或组件的不同布置，包括例如另外的多模式LNA。
[0024] 在图示的结构中，RF系统10包括基带处理器1、I/Q调制器2、I/Q解调器3、过滤器5、 功率放大器6、天线开关模块7、多模式低噪声放大器4、模式控制电路8和天线9。
[0025]如图1所示，基带处理器1产生同相（I)发送信号和正交相位(Q)发送信号，该信号 被提供给I/Q调制器2。另外，基带处理器1从I/Q解调器3接收I接收信号和Q接收信号。I和Q 发射信号对应于的正弦波的信号分量或特定幅度、频率和相位的发射信号。例如，I发射信 号和Q发射信号分别表示同相正弦分量和正交相位正弦分量，可以是发射信号的等效表示。 此外，I和Q接收信号对应于特定幅度、频率和相位的接收信号的信号分量。
[0026]在某些实施方式中，I发射信号、Q发射信号、I接收信号和Q接收信号可以是数字信 号。另外，基带处理器1可以包括数字信号处理器、微处理器或它们的组合，用于处理数字信 号。
[0027] I/Q调制器2从基带处理器1接收I和Q发射信号并处理它们，以产生经调制的RF信 号。在某些配置中，I/Q调制器2可以包括:DAC，经配置成将所述I和Q信号转换成模拟格式； 混频器，用于上变频I和Q发射信号至射频；以及信号组合器，用于组合经上变频的I和Q信号 到调制的RF信号。
[0028]过滤器5从I/Q调制器2接收调制的RF信号，并提供经滤波的RF信号到功率放大器6 的输入端。在某些配置中，过滤器5可以是经配置以提供带过滤的带通滤波器。然而，取决于 应用，过滤器5可以是低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器。
[0029]功率放大器6可以放大滤波后的RF信号，以生成放大的RF信号，该信号被提供给天 线开关模块7。天线开关模块7进一步电连接到天线9和到多模式LNA 4的输入。天线开关模 块7可用于选择性地连接天线9到功率放大器6的输出或多模式LNA 4的输入。
[0030] 在图示的配置中，多模式LNA 4包括第一LNA级4a和第二LNA级4b上。在图示的配置 中，第一和第二LNA级4a和4b级联电连接，使得阶段共同提供低噪声放大。虽然图1示出多模 式LNA包括两个阶段的结构，但多模式LNA可包括其它数量的级。
[0031] 使用模式控制电路8,多模式LNA 4可操作在多个操作模式的一种。在图示的配置 中，第一LNA段4a从模式控制电路8接收第一控制信号，以及第二LNA级4b从模式控制电路8 接收第二控制信号。第一和第二控制信号分别控制第一和第二LNA级4a和4b的偏置。在某些 配置中，通过模式控制电路8提供的第一和第二控制信号是数字信号，并且基于所述第一和 第二控制信号的状态设置多模式LNA 4的操作模式。
[0032]多模式LNA 4对从天线开关模块7的接收信号提供放大。在第一或低噪声模式中， 第一 LNA级4a可被偏压以操作更高的增益，而第二LNA级4b可偏置以在较低的增益工作。以 这种方式控制多模式LNA 4可以提供优越的噪声系数，适于放大具有相对低的输入功率电 平的接收信号，例如低于_30dBm。此外，在第二或高线性模式下，第一 LNA段4a可被偏压以在 较低的增益操作，而第二LNA级4b可被偏压以在较高的增益工作。以这种方式控制多模式 LNA 4可提供改进的线性度，适于放大具有相对较高的输入功率电平的接收信，例如大于-20dBm〇
[0033] I/Q解调3可用于产生I接收信号和Q接收信号，如前面所描述。在某些配置中，I/Q 解调器3可以包括一对混频器，用于混合衰减的接收信号和大约90度异相的一对时钟信号。 此外，混频器可以产生下变频信号，其可以被提供到用于产生I和Q接收信号的ADC。
[0034] RF系统10可用于使用多种通信标准发送和/或接收RF信号，其中例如包括全球移 动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、宽带CDMA(W-CDMA)、长期演进(LTE)、36、36??、46和/或 增强型数据速率GSM演进(EDGE)以及其它专有和非专有的通信标准。
[0035]在一个实施例中，RF系统10包括雷达传感器芯片，诸如在运动传感器应用中所用 的那些。
[0036]图2是根据一个实施例的多模式LNA系统200的示意图。如图2所示，多模式LNA系 统200包括多模式LNA 202，它放大在输入端口RFirJ:接收的的信号，并在输出端口上产生放 大信号RFcmt。此外，多模式LNA系统200包括模式控制电路210，它根据模式控制信号MODE控 制多模式LNA 202的偏置。
[0037]在某些配置中，模式控制信号MODE可以是定义两种状态的二进制信号，高线性模 式和低噪声的模式。在其它配置中，模式控制信号MODE可以是限定三个或更多状态的多比 特数字信号或控制矢量。例如，可存在对应于高线性模式、一个或多个中间模式和低噪声模 式的状态。在一个实施例中，在中间模式下操作的多模式LNA具有高线性模式和低噪声模式 之间的线性，和高线性模式和低噪声模式之间的噪声系数。
[0038]相应地，多模式LNA系统200可用于提供关噪声性能和线性性能之间的所需均衡， 它在某些实施例中可以是数字选择的。因此，多模式LNA系统200可具有可控噪声与线性特 性。以这种方式配置的多模式LNA系统200允许多模式LNA系统200用于和各种不同的噪声或 线性度指标关联的应用，这反过来又可以通过避免为具有特定噪声或线性度规范的每个应 用制造单独的LNA系统而降低制造和/或设计成本。
[0039]在一个实施例中，多模式LNA系统200包括可编程存储器，并且判定多模式LNA工作 哪个模式是基于在可编程存储器中存储的数据。例如，在特定的配置中，可编程存储器可以 是易失性存储器，经编程以在加电或打开期间包括对应于选中LNA工作模式的数据和/或在 操作期间编程数据。在其它配置中，可编程存储器可以是非易失性存储器，包括例如闪速存 储器，只读存储器(R0M)，熔丝和/或抗熔丝实现的存储器，和非易失性存储器可以在制造过 程中以数据进行编程。在该配置中，包括多模式LNA系统200的集成电路可以通过编程可编 程存储器具有适合于特殊应用的特定噪声与线性性能而用于各种不同的应用。
[0040]在其它的配置中，基于期望的噪声对线性特性，多模式LNA系统200的操作模式可 以随着时间动态地改变。例如，功率检测器可用于检测输入信号功率电平，和多模式LNA系 统200的操作模式可以基于所检测的信号功率电平进行设置。例如，当输入信号功率电平相 对较低时，多模式LNA系统200的操作模式可以被设置，以提供更高增益和更好的噪声系数。 此外，当RF输入功率电平相对高时，多模式LNA系统200的操作模式可以被设置，以提供较低 的增益和更高的线性。
[0041 ] 在图示的配置中，多模的LNA 202包括第一LNA级204、第二LNA级206和串联在多模 式LNA 202的输入端口和输出端口之间的第三LNA级208。如图2所示，第一LNA级204从模式 控制电路210接收第一控制信号，第二LNA级从模式控制电路210接收第二控制信号，第三 LNA级从模式控制电路210接收第三控制信号。虽然图2示出多模式LNA 202包括级联电连接 的三个阶段的结构，本文的教导可应用于配置使用更多或更少的级。
[0042]多模式LNA系统200提供具有可控增益的低噪声放大，适合于输入信号RFin的功率 电平。基于模式控制电路210的控制信号的状态，每个所述LNA级可偏压以具有高增益或用 低增益。控制信号用于控制多模式LNA级的偏压以改变集体或总增益，且用于控制多模式 LNA 202的总增益的自由度可以基于控制信号的数量。
[0043]在一个实施例中，多模式LNA包括第一阶段和第二阶段，并且模式控制信号MODE是 二进制信号，用于设置多模式LNA或在低噪声/高总增益模式或高线性/低总增益模式。在低 噪声模式时，控制信号偏置所述多模式LNA的阶段，使得第一级具有高增益和第二级具有低 增益，从而改进噪声系数。在高线性模式中，控制信号偏置多模式LNA的阶段，使得第一级具 有低增益和第二级具有高增益，从而改进线性度。
[0044] 虽然多模式LNA系统200示出多模式LNA 202具有第一级204、第二级206和第三级 208,但具有更多或更少级的其它构造也是可能的。另外，根据到LNA级的数量，模式控制电 路210可以向多模式LNA 202提供更多或更少的控制信号。虽然图2示出其中每个LNA的阶段 具有可控制偏置的结构，但在特定的配置中，多模式LNA包括具有固定或恒定偏压的一个或 多个阶段。
[0045]图3是根据一个实施例的射频子系统300的一个实施例的示意图。射频(RF)子系统 300包括多模式LNA 302、模式控制电路308和I/Q解调器312。多模式LNA 302放大由RF子系 统接收的输入信号RFin 300，并提供差分输出到I/Q解调器312。
[0046] 如图3所示，多模式LNA 302包括第一LNA级304 (LNAl)和第二LNA级306 (LNA2)。第 一和第二LNA级304、306被布置为级联，并用于放大由所述RF子系统300接收的RF输入信号 RFin AF输入信号RFin可对应于例如通过图1的天线接收的天线接收信号。
[0047] 在一个实施例中，RF子系统300包括RF前端的一部分。例如，RF子系统300可对应于 微波雷达传感器芯片的RF前端电路的部分，诸如在运动传感器应用中使用的那些。
[0048] 在图示的配置中，第一和第二LNA级304、306共同提供低噪声放大。虽然图3示出包 括两级LNA结构，本文的教导可适用于使用不同数目的阶段的LNA。
[0049]多模式LNA 302可在多个操作模式中的一个进行操作。在图示的配置中，模式可以 使用模式控制信号MODE数字化选择。模式控制信号MODE可用于控制该第一和第二LNA级 304、306的偏置。
[0050]所示出的模式控制电路308包括逆变器310,使得第一和第二LNA级304、306接收模 式控制信号MODE的逻辑反转的版本。模式控制电路308在逆变器310的输入端接收模式控制 信号MODE。如图所示，模式控制电路308提供第一控制信号给第一 LNA级304,并提供第二控 制信号给第二LNA级306。在所示实施例中，第一控制信号是模式选择信号MODE，而第二控制 信号是模式选择信号MODE的逻辑NOT。然而，其他配置是可能的。
[0051 ] 在图示的配置中，第一LNA级304包括单端输入和单端输出，和第二LNA级306包括 单端输入和差分输出，提供放大的输出信号RF+和放大的输出信号RF-。然而，其他配置是可 能的。
[0052]在图示的构造中，第二LNA级306操作为平衡-不平衡变换器，其产生被提供给I/Q 解调器312的差分输出信号。I/Q解调器312可用于下变频差分输出信号。例如，在一个实施 例中，I/Q解调器312包括接收本机振荡器信号和通过多模式LNA 302生成的差分输出信号 的混频器。虽然图3示出其中多模式LNA 302的第二低噪声放大器级306提供放大的信号到 I/Q解调器的结构，其他配置是可能的。例如，在另一个实施例中，多模式LNA提供经放大的 输出信号RF+和放大的输出信号RF-到平衡混频器，诸如吉尔伯特有源混频器。
[0053]图3中所示的多模式LNA 302可以在低噪声模式和高线性模式之间控制。虽然图3 示出其中多模式LNA 302在两种模式之间是可配置的结构，本文的教导也适用于使用附加 模式或设置操作的多模式LNA。
[0054]当模式控制信号MODE为逻辑低时，多模式LNA 302可被控制在低噪声模式下操作。 例如，第一控制信号可以偏压第一 LNA级304以操作相对高的偏置电流和高增益，而第二控 制信号可偏压第二LNA级304以操作具有相对低的偏置电流和低增益。在低噪声模式中，第 一和第二LNA级304、306的组合提供了相对高的总增益和更好的总噪声系数。
[0055]当模式控制信号MODE为逻辑高时，多模式LNA 302可经控制以在高线性模式下操 作。例如，在高线性模式，第一控制信号偏压第一 LNA级304以操作相对低的偏置电流和低增 益，并且第二控制信号可以偏压第二LNA级304以操作相对高的偏置电流和高增益。在高线 性模式中，第一和第二LNA级304、306的组合提供了相对低的总增益和更好的整体线性度。 [0056] RF子系统300的另外细节可以类似于之前所描述的那些。
[0057]图4是根据一个实施例的多模式LNA的第一LNA级400的电路图。第一LNA级400可对 应于第一 LNA级的一个实施例，用于图1-3的多模式LNA，诸如图3的第一 LNA级304。但是，多 模式LNA可以使用其他LNA级的配置实施。
[0058] 第一 LNA级400包括偏置电路402和共源共栅LNA芯404。配置电路402接收模式控制 信号MODE，它可以用于控制级联LNA芯404的偏置。
[0059] 偏置电路402包括电阻器418,二极管412,电阻器410和串联电连接在接地或电源 低电源Vl和电源高电源Vcc之间的电阻器408。电阻器408电连接在电源高电源Vcc和电阻器 的第一端之间410。电阻器410的第二端被电连接到二极管412的阳极，其被连接到配置为接 收输入信号RFIN的输入端口。此外，电阻器418电连接在电源低电源Vl和二极管412的阴极 之间。
[0060] 偏置电路402还包括η型场效应晶体管(NFET)416,电阻器406和电阻器414。电阻器 406电连接在被配置成接收控制信号MODE的控制输入端口和NFET 416的栅极之间。以这种 方式，模式控制信号MODE控制NFET 416的栅极电压。此外，如图4所示，电阻器414电连接在 NFET 416的漏极和二极管412的阴极之间，和NFET 416的源极电连接到电源低电源Vl。当 NFET 416的栅极控制为高时，NFET 416导通，使得电阻器414并联电阻器418工作。当NFET 416的栅极控制为低，该NFET 416是打开的，使得电阻器414不并联于电阻418。
[0061 ]因此，模式控制信号MODE的状态控制二极管412的阴极和功率低电源Vl之间的电 阻的量，从而控制第一 LNA级400的偏置。虽然已示出使用一个模式控制信号控制偏压的一 个实施方式，可以以各种各样的方式进行控制LNA级的偏置。
[0062] 该级联LNA芯404包括电感器432、电感器422、电阻器434、电阻器420、电阻器424、 电容器436、电容器426、NPN双极结晶体管(NPN BJT)428和NPN双极结晶体管(NPN BJT)430。 虽然第一LNA级400使用共源共栅的LNA芯404，其他配置是可能的。如本领域的普通技术人 员可理解的，第一LNA级400可以使用其它的配置来设计，诸如未经级联的公共源或公共漏 极配置。
[0063]此外，如本领域的普通技术人员可以理解:级联LNA芯的电路元件可被选择以满足 性能规范，包括阻抗匹配、稳定性和/或增益要求吗，和示出的电路元件的组合不是限制性 的。在非限制性的例子中，电感器422和432可以被替换或设计有带状线。
[0064] 如图4所示，电感器422和电阻器420串联电连接在电源高电源Vcc和NPN 428的集 电极之间。电容器426电连接在NPN BJT 428和集电极之间，输出端口被配置为提供层叠 LNA 芯404的输出信号RFcmt。另外，电阻器424电连接在NPN BJT 428的基极和电阻410的第一端。 再有，电容器436被电连接在电阻410的第一端和功率低电源Vl之间。另外，如图所示，电感 432和电阻器434串联电连接在NPN BJT 430的发射极和低电源Vl之间。
[0065] 继续参考图4，NPN BJT 430和NPN BJT 428级联电连接NPN BJT 428的发射极，其 电连接NPN BJT430的集电极。NPN BJT430的基极电连接到输入端口，使得NPN BJT430操作 作为有效放大设备，接收低噪声放大器级联芯404内的输入信号RFin JPN 428的基极接收 来自电阻器的第一端的偏置电压410,使得NPN 428操作为共源共栅设备。
[0066] 另外，如图4所示，偏置电路402可控制在NPN BJT 430和NPN BJT 428的DC电平工 作点。如本领域的普通技术人员可理解的，当描述NPN BJT 430和NPN BJT 428的DC电平工 作点时，参考也可以使"偏置电平"、"偏压"、"偏压"和/或"偏置电流"。
[0067] 二极管412的阳极的电压用于控制NPN BJT 430的基极的偏压。当NPN BJT 430的 基极的偏压比较高时，NPN BJT 430可以操作高偏置电流和相应的高增益。相反，当NPN BJT 430的基极的偏置电压是比较低时，NPN BJT 430可以操作低偏置电流和相应的低增益。 [0068]控制偏压（也被称为"偏置"）在本实施例中通过模式控制信号实现，其控制NFET 416以作为开关操作。当模式控制信号MODE为逻辑低时，第一NFET 416被关断，且偏置电路 402偏压NPN BJT 430的基极以操作高偏置电流和高增益工作。然而，当模式控制信号MODE 为逻辑高时，第一NFET 416被接通，并且电阻器414与第一电阻器并联操作。降低二极管412 的阴极和功率低电源Vl之间的电阻操作以降低NPN BJT 430的基极偏置电压，从而降低第 一 LNA级400的偏置电流和增益。
[0069] 虽然图4示出用于多模式LNA级的增益控制的一个实施例，其它配置是可能的。
[0070] 图5是根据一个实施例500的多模式LNA的第二LNA级的电路图。
[0071] 第二LNA级500对应于第二LNA级的一个实施例，用于图1-3的多模式LNA，诸如图3 的第二LNA级306。然而，多模式LNA可以使用LNA级的其它配置实现。
[0072] 第二LNA级500包括偏置电路502,和差分LNA芯504。偏压电路502接收模式控制信 号MODE，它可用于控制差分级联LNA芯504的电压偏置。
[0073] 偏置电路502包括电阻器518、二极管512、电阻器511、电阻器510和串联电连接在 接地或电源低电源Vl和电源高电源Vcc之间的电阻器508。电阻器508电连接在功率高电源 Vcc和电阻器510的第一端之间。电阻器511电连接在电阻器510的第二端和二极管512的阳 极之间。另外，电阻器518电连接在电力低电源Vl和二极管512的阴极之间。
[0074] 偏置电路502进一步包括η型场效应晶体管(NFET)516,电阻器506和电阻器514。电 阻器506电连接在经配置为接收模式控制信号MODE的控制输入口和NFET 516的栅极之间。 以这种方式，模式控制信号MODE控制NFET 516的栅极。同样，如图5所示，电阻器514电连接 在NFET 516的漏极和二极管512的阴极之间；和NFET 516的源极被电连接到功率低电源VI。 当NFET 516的栅极电压被控制为高时，NFET 516导通，使得电阻器514并联电阻器518工作。 当NFET 516的栅极电压被控制为低时，NFET 516是打开的，使得电阻器514不并联电阻518。 [0075]因此，模式控制信号MODE的状态控制二极管512的阴极和功率低电源Vl之间的电 阻的量，从而500。虽然已示出使用模式控制信号控制偏压的一个实施方式，LNA级的偏置可 以以各种各样的方式进行控制。
[0076] 该级联LNA芯504包括电阻器534、电阻器524、电阻器525、电阻器520、电阻器521、 电容器536、NPN双极结晶体管（NPN BJT)528、NPN BJT 529、NPN BJT 530、NPN BJT 531 和 NPN BJT 532。虽然第二LNA级500使用差分LNA芯504,其他配置是可能的。如本领域的普通 技术人员可理解的，第二LNA级500可以使用其它的配置来设计，诸如共发射极或公共的集 电极配置。
[0077] 如图5中所示，NPN BJT 530和NPN BJT 531被连接为差分对；还如示出，NPN BJT 530的基极电连接到所述第二LNA级500的输入端口，并且被配置为接收输入信号RFin。在 NPN BJT 528和NPN BJT 529以共源共栅结构电连接差分对，从而可以改进差分增益。NPN BJT 528的集电极电连接到反相输出端口，而NPN BJT 529的发射极电连接到NPN BJT 530 的集电极。类似地，NPN BJT 529的集电极电连接到非反相输出端，而NPN BJT 531的发射极 电连接到NPN BJT 531的集电极。以这种方式，差分输出信号被提供作为在非反相输出口的 输出信号OUT+和在反相输出端的输出信号OUT-之间的差。电阻器520电连接电源高电源Vcc 和反相输出端口之间的负载电阻器，而电阻器521电连接电源高电源Vcc和非反相输出端之 间的负载电阻。
[0078] 另外，如图5所示，NPN BJT 532和电阻器534串联电连接在差动对与低电源Vl之 间，从而提供尾电流偏置。NPN BJT 530的发射极和NPN BJT 531的发射极电连接到NPN 532 的集电极，而电阻器534电连接在NPN 532的发射极和电源低电源Vl之间。
[0079] 偏置电路502连接到差分级联LNA芯504,以便控制配置或差分共射共基LNA芯504 的DC电平工作点。
[0080]在此实施例中，偏压是通过连接到每个NPN BJT的基极实现。如图5所示，NPN BJT 528的基极和NPN BJT 529的基极电连接到电阻器510的第一端。以这种方式，电阻器510的 第一端提供偏置电压Vbl到NPN BJT 528和529的基极。在本实施例中，偏置BJT NPN 530和 NPN BJT 531通过电阻器524和电阻器525实现。电阻524电连接在电阻510的第二端和NPN BJT 530的基极之间，而电阻器525电连接在电阻器510的第二端和NPN BJT 531的基极之 间。以这种方式，电阻器510的第二端提供偏置电压Vb2到NPN BJT 530和531的基极。也如图 所示，电容器536电连接在NPN 531的基极和低电源Vl之间。此外，NPN BJT 532的基极电连 接到二极管512的阳极，以实现与NPN BJT530和531的差分对关联的尾电流偏置。以这种方 式，二极管的阳极512提供偏置电压Vb3到NPN 532的基极。
[0081 ] 偏置电压Vbl-VB3可通过模式控制信号MODE控制，其控制NFET 516作为开关操作。 当模式控制信号MODE为逻辑低时，第一NFET 516被关闭，和偏置电压Vbl-VB3被提供给差分 级联LNA芯504,使得在NPN BJT528-532操作高偏置电流。以这种方式，差动级联LNA芯操作 高增益。然而，当模式控制信号为逻辑高时，第一NFET 516被接通，和第四电阻器514与第一 电阻器并联操作。降低二极管512的阴极和功率低电源Vl之间的电阻操作以减小偏置电压 Vbl-Vb3。以这种方式，偏置电流被降低，和差分级联LNA芯504操作更低的增益。
[0082]虽然图5示出用于第二LNA级500的增益控制的一个实施例，其它配置是可能的。如 本领域的普通技术人员可理解的，差分级可以使用包括差分级而不包括共射共基或具有附 加电路元件(诸如，电感)的其他配置来设计。
[0083 ]图6是使用如图4所示的第一 LNA级的图3的多模式LNA和图5所示的第二LNA级的一 个实施方式的增益与频率的一个示例的曲线图600。曲线图600对应于多模式LNA的一个实 施例的电路仿真的的结果。然而，其他的结果是可能的。
[0084]该图600包括：多模式LNA的高线性模式的增益对频率的曲线图602,以及多模式 LNA的低噪声模式的增益对频率的曲线图604。如图6所示，多模式LNA的增益随着模式变化。 此外，相对于高线性模式，多模式LNA的总增益大于低噪声模式。
[0085]图7是多模的LNA的噪声指数(NF)与频率的一个示例的曲线图700。图700对应于与 图6相关的多模式LNA的电路模拟的结果。然而，其他结果都是可能的。
[0086]该图700包括:在多模式LNA的高线性模式中噪声系数对频率的曲线图702，和在多 模式LNA的低噪声模式中噪声系数对频率的曲线图704。如图7所示，相对于高线性模式，多 模式LNA的噪声系数在低噪声模式中较低。
[0087]如由6和图7的图600和700的比较所示，多模式LNA是在和低噪声系数和更高增益 相关联的低噪声模式以及和高噪声系数和低增益相关联的高线性模式之间可配置的。因 此，在该配置中，多模式LNA的噪声系数和增益可以进行数字选择或控制。
[0088]图8是多模式LNA的增益对输入功率的一个示例的曲线图800。曲线图800对应于电 路仿真的结果，用于与图6和7相关联的多模式LNA。然而，其他结果是可能的。
[0089]该图包括:多模式LNA的高线性模式的增益与输入功率的图804,和多模式LNA的低 噪声模式的增益与输入功率的曲线802。如图8所示，多模式LNA的1分贝增益压缩点随着模 式变化。因此，多模式LNA在高线性模式相对于所述低噪声模式具有更好的线性度。
[0090] 在这个例子中，高线性模式的1分贝增益压缩点808为约8.5dB，高于低噪声模式的 1分贝增益压缩点806。
[0091] 如设计LNA的普通技术人员可以理解地，图6-8的结果特定于一个示例实施方式， 和取决于实现，其他结果是可能的。
[0092] 仅为了说明的目的，与图6-8相关联的多模式LNA的电流的一个示例示于下表1。
[0093] 表格 1
[0095]该表包括阶段的多模式LNA的电流的细目。例如，"LNA1"可对应于多模式LNA的第 一 LNA级的模拟电流，和"LNA2"可对应于多模式LNA的第二LNA级的模拟电流。如示于表1，相 对于高线性模式，多模式LNA在低噪声模式具有更高的总电流。另外，第一级的偏置电流在 低噪声模式中高于在高线性模式中。此外，第二级的偏置电流在高线性模式中高于在低噪 声模式中。
[0096]如由图6-8和表1的比较示出，LNA的模式可以被设置为第一模式以提供高的总增 益和更好的总噪声系数，或到第二模式以提供较低的总增益和更好的整体线性度。
[0097]虽然图6-8和表1示出其中多模式LNA是两种模式之间可配置的结构，本文的教导 也适用于操作附加模式或设置的多模式LNA。
[0098]图9是根据另一实施例的多模式LNA 900的第一级的电路图。多模式LNA级900包括 偏置电路902、低噪声放大器级联芯904和模式控制电路905。偏置电路902和共源共栅LNA芯 904相似于图4的偏置电路402和共射共基LNA芯404。在图9的实施例中，多模式LNA级900类 似于图4的多模式LNA级，所不同的是，多模式LNA级900包括NPN BJT 430的发射极和电源低 电源Vl之间的阻抗的不同配置。
[0099] 例如，如图9所示，电阻器931、电感器932和电感器933串联电连接在NPN BJT 430 的发射极和电源低电源Vl之间。此外，NFET 938并联电连接电感器933。如图9所示，NFET 938的漏极电连接到电感器933的第一端，和NFET 938的源极被电连接至电感器933的第二 端。
[0100]另外，多模式LNA 900包括模式控制电路905。模式控制电路905包括逆变器940,其 具有电连接到NFET 416的栅极的输入和电连接到栅极NFET 938的输出。以这种方式，逆变 器使用模式控制信号MODE的反相版本控制所述NFET 938的栅极。
[0101] 因此，当模式控制信号MODE为逻辑高时，NFET 938可以关闭，并且电感器933可在 NPN BJT 430的发射极和电源低电源Vl之间的电路径中进行操作。然而，当模式控制信号是 逻辑低时，NFET 938可以打开以绕过电感器933。
[0102] 因此，图示的配置提供多模式LNA级，其中发射极退化阻抗的电感值随着模式变 化。通过切换NPN BJT 430的发射极退化阻抗的电感值，高线性模式的增益可以被降低，从 而在高线性模式中改进1分贝增益压缩点(PldB的)和线性。
[0103] 尽管对NPN BJT 430的射极负反馈阻抗示出为使用电感器和电阻器，其它配置是 可能的。
[0104] 应用
[0105] 采用上述多模式LNA的设备可以实施为各种电子设备。电子设备的示例可以包括 (但不限于)消费电子产品、消费者电子产品的部分、电子测试设备等。电子设备的例子也可 以包括光网络或其它通信网络的电路。消费电子产品可包括(但不限于)汽车、摄像机、照相 机、数码相机、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/干衣机、复印机、传真机、扫描 仪、多功能外围设备等。此外，电子设备可以包括未完成的产品，包括用于工业、医疗和汽车 应用。
[0106] 前面的描述和权利要求中可以指元件或特征为被"连接"或"耦合"在一起。如本文 所使用的，除非明确声明，否则，"连接"意指一个元件/特征是直接或间接地连接到另一元 件/特征，并且不一定是机械连接。同样地，除非明确声明，否则"耦合"意指一个元件/特征 直接或间接地耦合到另一个元件/特征，并且不一定是机械连接。因此，尽管图中所示的各 种原理图描绘元件和组件的示例布置，附加中间元件、设备、特征或可以存在于实际的实施 例中（假设所描绘的电路的功能性没有被不利影响）。
[0107] 尽管已经在某些实施例中描述本发明，对于普通技术人员是显而易见的其他实施 例也在本发明的范围之内，包括不提供本文所阐述的所有特征和优点的实施例。此外，上述 的各种实施方式可被组合以提供进一步的实施方式。此外，在一个实施例的上下文中所示 的某些特征可以也合并到其他实施例中。因此，本发明的范围仅通过参考所附权利要求限 定。
【主权项】
1. 一种低噪声放大系统，包括： 多模式低噪声放大器(LNA)，包括两个或更多个放大级，其中所述两个或更多个放大级 包括以级联电连接的第一放大级和第二放大级;和 模式控制电路，配置成接收模式选择信号，其中，所述模式控制电路被配置为基于所述 模式选择信号的状态控制所述多模式LNA为从多个的模式中选择的选中模式，其中所述多 个模式包括第一模式和第二模式， 其中，相对于第二模式，多模式LNA在第一模式中操作在更低的噪声系数和更大的总增 益，和 其中，相对于第一模式，多模式LNA在第二模式中操作在更高的线性。2. 如权利要求1所述的低噪声放大系统，其中，所述模式控制电路被配置为通过控制所 述第一放大级的偏置条件和通过控制所述第二放大级的偏置条件来控制多模式LNA为选中 模式。3. 如权利要求1所述的低噪声放大系统，其中，所述多模式LNA包括电连接在级联多模 式LNA的输入和多模式LNA的输出之间的至少三个放大级。4. 如权利要求1所述的低噪声放大系统，其中，所述多个模式进一步包括第三模式，其 中，相对于第二模式，所述多模式LNA在第三模式中操作更低的噪声系数，其中，相对于第三 模式，所述多模式LNA在第一模式中操作较低的噪声系数，其中，相对于第一模式，所述多模 式LNA在第三模式中操作在更高的线性，其中，相对于第三模式，所述多模式LNA在第二模式 中操作在更高的线性。5. 如权利要求1所述的低噪声放大系统， 其中，所述第一放大级包括第一双极型晶体管， 其中，所述模式控制电路被进一步配置成基于所选择的模式改变所述第一双极晶体管 的偏置电流。6. 如权利要求5所述的低噪声放大系统， 其中，所述第一放大级包括第二双极型晶体管， 其中，所述模式控制电路被进一步配置成基于选中模式改变第二双极晶体管的偏置电 流。7. 如权利要求5所述的低噪声放大系统，其中，所述第一放大级进一步包括电连接到第 一双极晶体管的发射极的变性阻抗，其中，所述模式控制电路被进一步配置为基于选中模 式控制所述发射极负反馈阻抗的阻抗值。8. 如权利要求5所述的低噪声放大系统，其中，所述模式控制电路被进一步配置以基于 控制电连接在第一双极晶体管的发射极和第一电压之间的电感量而控制阻抗值。9. 如权利要求5所述的低噪声放大系统，其中，所述第一放大级还包括在共源共栅电连 接所述第一双极晶体管的第二双极晶体管。 I 〇. -种射频(RF)系统，包括： 包括两个或更多个放大级的多模式低噪声放大器(LNA)，其中所述两个或多个放大级 包括级联电连接的第一放大级和第二放大级;和 模式控制电路，配置成接收模式选择信号，其中，所述模式控制电路被配置为基于所述 模式选择信号的状态而控制所述多模式LNA为从多个模式选择的选中模式，其中所述多个 模式包括第一模式和第二模式， 其中，所述模式控制电路被配置为控制所述第一放大级的增益为第一模式中的第一高 增益量和在第二模式中的第一低增益量，以及其中，所述模式控制电路被进一步配置为控 制第二放大级的增益为第一模式中的第二低增益量和在第二模式中的第二高增益量，其 中，所述第一高增益量大于所述第一低增益量，并且其中所述第二高增益量大于所述第二 低增益量。11. 如权利要求10所述的RF系统，其中，相对于所述第二模式，所述多模式LNA在第一模 式下操作较低的噪声系数。12. 如权利要求11所述的RF系统，其中，相对于第一模式，所述多模式LNA在第二模式中 操作更高的线性。13. 如权利要求12所述的RF系统，其中，相对于第二模式，所述多模式LNA在第一模式中 操作更高的总增益。14. 如权利要求10所述的RF系统，其中，所述多模式LNA包括级联电连接在多模式LNA的 输入和多模式LNA的输出之间的至少三个放大级。15. 如权利要求10所述的RF系统， 其中，第一放大级包括第一双极型晶体管， 其中，所述模式控制电路被进一步配置成基于选中模式改变第一双极晶体管的偏置电 流。16. 如权利要求15所述的RF系统， 其中，所述第一放大级包括第二双极型晶体管， 其中，所述模式控制电路被进一步配置成基于选中模式改变第二双极晶体管的偏置电 流。17. 如权利要求15所述的RF系统，其中，所述第一放大级进一步包括电连接到第一双极 晶体管的发射极的变性阻抗，其中，所述模式控制电路被进一步配置为基于选中模式控制 所述发射极负反馈阻抗的阻抗值。18. 如权利要求15所述的RF系统，其中，所述模式控制电路被进一步配置以基于控制电 连接在第一双极晶体管的发射极和第一电压之间的电感量而控制阻抗值。19. 如权利要求15所述的RF系统，其中，所述第一放大级还包括在共源共栅电连接所述 第一双极晶体管的第二双极晶体管。20. -种低噪声放大的方法，包括： 基于模式选择信号的状态，产生多个控制信号;和 使用所述多个控制信号，控制多模低噪声放大器(LNA)为从多个模式选择的选中模式， 其中，所述多模式LNA包括级联电连接的多个放大级，其中，所述多个模式包括第一模式和 第二模式， 其中，控制所述多模式LNA为选中模式包括:使用多个控制信号，控制所述多个放大级 的偏置，使得相对于所述第二模式所述多模式LNA在第一模式中操作在更低的噪声系数和 更大的总增益，并且使得相对于第一模式，所述多模式LNA在第二模式操作更高的线性。
【文档编号】H03F1/26GK105915184SQ201610093328
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月19日
【发明人】C·张
【申请人】美国亚德诺半导体公司