专利名称：低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及低噪声放大器，本发明尤其涉及用于硅调谐器和要 求低噪声系数的传输链中的低噪声放大器。
背景技术：
低噪声放大器(LNA)包括电子放大器，它通常用于对天线所接 收到的弱信号进行放大。LNA通常但不限于位于天线处，并且被放置 在接收器系统的射频(RF)部分的前端。已知的是，接收器前端的整 个噪声系数是由接收器的前几级支配的。噪声系数是器件的输出噪声 功率与其中由于标准噪声温度(通常为290K)下的输入终端的热噪声而产生的噪声部分之间的比值。在系统中，例如在这些包含分立元 件的系统中，附加至系统的每个元件都会引入噪声，这会导致热噪声 或约翰逊(Johnson)噪声、散粒噪声或闪烁噪声。此外，输入信号 中所包含的噪声信号也会增加噪声。但是，噪声系数通常是由于LNA 的输入端的Rc热噪声而被引入的，它可被描述为4kTB/Rc，它与Rc 成反比。利用LNA，接收器的后面的级的噪声可由LNA的增益引入，并且 LNA的噪声被直接注入所接收的信号。因此，LNA必须提高所希望的 信号功率并同时加入尽量少的噪声和失真，以便能在系统后面的级中 重获该信号。LNA通常被设计成在对接收到的信号进行放大的同时将最少量 的热噪声引入接收到的信号。LNA可被用于系统级封装(SiP)装置。SiP使多个元件集成至 单个封装中。通常，这种装置使得诸如CPU、逻辑功能、模拟功能和 存储器功能进行混合，从而降低了整个系统尺寸。利用SiP能够降低 系统板空间，而这终将导致降低的器件尺寸。但是，已知的LNA，尤其是利用SiP装置实现的LNA会呈现有限 的噪声降低系数。到目前为止，通常，用于TV调谐器的传统LNA所 实现的最佳噪声系数大约为4dB。本发明旨在提供低噪声放大器，其具有好于已知的这种放大器 的优势。发明内容根据本发明，提供了一种低噪声放大器，其包括变压器、第一 放大器和电阻性元件，变压器包括初级和次级，其中次级与第一放大 器的输入端连接，并且通过反馈连接的方式利用电阻性元件将第一放 大器的输出端连接至所述变压器的初级。于是，在保持恒定的增益因子的同时，相比较于现有技术装置 而言，根据本发明的低噪声放大器提供了降低的噪声系数。噪声系数 的降低使得极小或极弱的输入信号能够被检测到，否则这些信号将淹 没在噪声之中。优选地，低噪声放大器进一步包括第二放大器，该第二放大器 与变压器的次级以及第一放大器串联连接。变压器的次级的中点接 地。随后，低噪声放大器的输出端可被布置在所述第一和第二放大器 的输出端之间。此外，低噪声放大器可在系统级封装上实现。所以，本发明的 低噪声放大器可在降低的系统板空间上实现，这终将导致降低的装置 大小。
参考附图，下文将仅以示例的方式对本发明进行进一步描述，其中图1示出了用于根据现有技术的低噪声放大器的电路图；图2示出了用于图1的低噪声放大器的噪声系数计算的等效电路图；图3图示说明了根据本发明第一实施例的对称低噪声放大器的电路图；图4a和4b图示说明了用于图3的根据本发明实施例的低噪声 放大器的输入阻抗计算的等效电路图；图5a、 5b和5c进一步图示说明了用于图3的根据本发明实施 例的低噪声放大器的噪声系数计算的等效电路图；以及图6图示说明了图3的根据本发明实施例的对称低噪声放大器 的实施的电路图；以及图7示出了根据本发明其它实施例的非对称LNA装置。
具体实施方式
图1中示出了一种已知的装置，其包括具有变压器组合101的 LNA，并且例如可进一步包括被布置成电压跟随器的晶体管102。变 压器包括圈数比为l: n的初级和次级绕组，其中n对应于次级绕组 数，并且n大于1。假设变压器作为理想变压器，那么它提供电压增益而不提供任 何功率增益。功率P由下式给出P = V. I 等式1己知功率恒定Pin = P。ut使用等式1，那么Vin- Iin - Vout- lout或者以阻抗表示v' 7zln = V。ut2/Rc变压器的电压增益由下式给出 Vout = n. VinLNA的输入阻抗由下式给出z"n 2n其中n是变压器的次级绕组上的圈数，电阻器R。与变压器的次 级绕组并联。参照输入阻抗Z,广Rs，电压增益G4俞入阻抗由下式给出 Gv= 20Log(2V。ut/Vs) 等式7等式2等式3等式4等式5等式6其中Vs是输入至LNA的输入电压信号，V。ut是从LNA得到的输出电压。等式7可重写为Gv = 20Log{2n[Zin/(Zin+Rs)]} 等式8参见图2中的等效电路，LNA的噪声系数可由下式给出NF = 10Log[l+(Nadded/Nin)] 等式9其中，Naddsd是由于LNA元件而引入的噪声，l是由输入信号引入的噪声。可以用Boltzraanns常数k、噪声温度T、和信号的带宽B对等式9进行重写NF = 10Log[l+((4kTB)/Zi )/((4kTB)/Rs)] 等式10 按照由等式6给出的LNA的输入阻抗，并假设Zi。二Rs，从而给出以元件值Rs、 R。和^表示的噪声系数NF-10.Logfl + ^^〗 等式11通过示例的方式，并采用元件值Rs =75Q， n = 2以及R。二650Q， 由等式6、 10和11得出输入阻抗Zm =162.5Q、增益Gv二8. 7dB并且 噪声系数NF = 1. 65dB。总的看来，并参见图3，根据本发明第一实施例的LNA 300包括 两个电压放大器301、 302，它们均具有增益Gv。其中还包括具有初 级绕组303和次级绕组304的变压器305。将要放大的信号Vs并联至 初级绕组。第一放大器301的输入端与次级绕组304的第一端连接，而第 二放大器302的输入端与次级绕组304的第二端连接。此外，次级绕 组304包括布置的中央分接头，以便绕组的每个端的输出电压都是 Vln.n/2。优选地，中央分接头接地。在为LNA提供第一输出终端的同时，第二放大器302的输出端 经由反馈电阻器R。被反馈至初级绕组303的第一端。第一放大器301 的输出端提供了 LNA的第二输出终端。利用串联输入电阻器Rs，将要 被放大的输入信号并联至所述初级绕组的第一端。相对于变压器的次级绕组的阻抗而言，第一和第二放大器301 和302均具有高输入阻抗，它们都可以是由分立元件形成的晶体管类型的放大器或者任何合适的集成电路运算放大器，这都是本领域技术 人员可以理解的。当本发明是利用运算放大器实现的时候，反馈机制是从运算放 大器的负输出端引出的负反馈。由于每个放大器的输入阻抗都较高，所以从变压器的次级绕组 获取的电流将接近0。这就防止了变压器的负载，并且LNA的输出端 上的电压将正比于变压器上的电压。变压器305定义了电压增益n，该增益取决于初级和次级绕组的 圈数比。此外，初级和次级绕组的输入阻抗较高，为了便于计算，假 设它们为无限大。LNA的输入阻抗Z^由变压器、电阻器R。和放大器302实现，它们组成了有源系统，并且为了便于计算，该有源系统理想地被认为是 无噪声的。于是，对于具有与本发明相同的输入阻抗Z^和增益的传统现有 技术LNA电路，噪声系数将低于本发明的情况，这将在随后的电路分 析中进行论证。图4a和4b示出了图3的等效电路，该图用于导出根 据本发明的LNA的输入阻抗。由于变压器的初级绕组303的阻抗较高，并且为了便于分析而 假设该阻抗为无限大，那么将没有电流流经该绕组，并可以在随后的 分析中忽略其影响。由于第一和第二放大器301、 302的输入阻抗相 等，所以放大器301、 302的每个输入端上的电压可分别由(n/2).Vin 和(-n/2). Vj合出。于是，图3的电路可由图4a所示的等效电路表示。由于放大器 302提供了增益Gv，因此可由(-n/2).Gv.V.给出输出电压。于是，图 4a的电路可进一步简化成图4b所示的电路。假定LNA的输入阻抗由 下式给出Zin= Iin/Vin 等式12并且Iin= Vin. (l+(n/2)Gv)/Rc 等式13因此，根据本发明的LNA的输入阻抗由下式给出Zin= R。/(l+(n/2)Gv) 等式14为了计算噪声系数，图5a、 5b和5c图示了图3的电路的等效 电路。由于分立元件造成的以及由输入信号引入的热噪声或Johnson 噪声通常由表达式4kTB描述。因此，对等式4给出的噪声系数采用 该通用表达式，则用于本发明的噪声系数由下式给出NF = lO.Log化简得到 NF = lO.Log<formula>formula see original document page 8</formula>等式15<formula>formula see original document page 8</formula>等式16例如，利用元件值R,75Q， n = 2以及R。- 500Q，根据等式6、 10和16分别得出输入阻抗Zi^l62.5Q，增益"=8. 8dB，以及NF =0. 61dB。在这种情况下，选择R。的值，以实现正确的输入阻抗Z,n， 并与图1中的现有技术示例作比较。因此，可以看出，利用比现有技 术示例的阻值大的R。，可以实现相同的增益和输入阻抗，并且产生了 更低的噪声系数。图6图示了根据本发明第一实施例的对称LNA装置600。通过反 馈电阻R。将第一晶体管602的输出终端反馈至变压器601的初级绕 组603的第一终端。初级绕组的第二终端接地。次级绕组604的第一 终端与第一晶体管602的输入端相连，其中第一晶体管602被布置成 一个电压跟随器。次级绕组604的第二终端与第二晶体管605的输入 终端连接，第二晶体管605被布置成一个电压跟随器。分别在第一和 第二晶体管602、 605的输出终端上测量LNA的输出。遵循与图3的实施例相类似的分析，得出的噪声系数的表达式 为等式16的表达式。从等式11所给出的现有技术示例的噪声系数与等式16所给出 的本发明第一实施例的LNA的噪声系数的比较结果中，可以看出，本 发明的噪声系数低于所描述的现有技术LNA的噪声系数。在与所描述的现有技术LNA进行比较时，通过利用等式14，该噪声系数低l+[(n/2).Gv. Rj/[Re + Rj倍的因数。
图7示出了根据本发明另一实施例的非对称LNA装置。对于第 一实施例，通过反馈电阻R。将变压器702的输出终端反馈至初级绕 组703的第一终端。初级绕组703的第二终端接地。次级绕组704 的第一终端与晶体管702的输入端相连，其中晶体管702被布置成一 个电压跟随器。次级绕组的第二终端接地。
同样，遵循与图3的实施例相类似的分析，得出的噪声系数的 表达式为等式16的表达式。此外，从等式11所给出的现有技术示例 的噪声系数和等式16所给出的本发明另一实施例的LNA的噪声系数 的比较结果中，可以看出，本发明的噪声系数低于所描述的现有技术 LNA的噪声系数l+[n. Gv. R,]/[R。 + Rj倍的因数。
如果用n/2代替n，那么对称装置中的噪声系数和输入阻抗将等 于非对称实施例中的噪声系数和输入阻抗。
对称装置提供了良好的对地弹噪声的抗扰性，并且改进了诸如 二阶交调截止(intermodulation interc印t)或IP2之类的二阶线 性度。此外，两个对称输出端是独立的并且还可以被用作两个非对称 输出端。
所以，在保持恒定的增益因子或输入阻抗的同时，相比较于现 有技术器件而言根据本发明的低噪声放大器提供了降低的噪声系数。 噪声系数的降低使能够检测到极小或极弱的输入信号，否则这些信号 将淹没在噪声之中。
权利要求
1.一种低噪声放大器，其包括变压器、第一放大器和电阻性元件，所述变压器包括初级和次级，其中所述次级与所述第一放大器的输入端连接，并且通过反馈连接的方式，利用所述电阻性元件将所述第一放大器的输出端连接至所述变压器的初级。
2. 如权利要求1所述的低噪声放大器，进一步包括第二放大器， 该第二放大器与所述变压器的次级以及所述第一放大器串联连接。
3. 如权利要求2所述的低噪声放大器，其中，在所述第一和第 二放大器的输出端之间提供所述低噪声放大器的输出端。
4. 如权利要求2或3所述的低噪声放大器，其中所述第二放大 器具有高输入阻抗。
5. 如前述任一权利要求所述的低噪声放大器，其中所述第一放 大器具有高输入阻抗。
6. 如前述任一权利要求所述的低噪声放大器，其中所述变压器 的次级的中点接地。
7. 如前述任一权利要求所述的低噪声放大器，在系统级封装上 实现该放大器。
8. 如权利要求1和7所述的低噪声放大器，其中所述变压器处 于所述系统级封装实现的外部。
9. 一种调谐器，其包括如权利要求1至8中的任意一个或多个 权利要求所述的低噪声放大器。
全文摘要
本发明涉及一种低噪声放大器，该放大器包括变压器、第一放大器和反馈电阻器，该变压器包括初级和次级。次级与第一放大器的输入端连接，并且第一放大器的输出端与反馈电阻器和所述变压器的初级串联连接。
文档编号H04B1/10GK101317334SQ200680044752
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月28日 优先权日2005年12月2日
发明者奥利维尔·克朗 申请人:Nxp股份有限公司