专利名称：具有自动线性增强的增益可控制低噪声放大器及其方法
技术领域：
本发明通常涉及低噪声放大器，特别是涉及用于射频(RF)接收机的放大器。
现代通信接收机经常要求在较大的动态范围内工作。
图1表示了典型的现有技术接收机结构。为了符合系统动态范围的要求，接收机将采用增益可控制放大器以使接收机增益适应各种各样的信号情况。本领域技术人员将认识到在出现强的信道内(on-channel)或信道外(off-channel)信号时希望增加系统线性以避免在有用信号通带内生成交叉调制(IM)产物。典型地，可以通过在达到IM限制放大级之前降低增益来改进系统线性。对于某些系统，希望使用具有连续可变增益的放大器来优化所需的增益降低。最好的情况下，许多连续可变增益的放大器在其增益控制范围内具有恒定的三阶阻断(third orderintercept)(IM3)，并且在最坏的情况下，三阶阻断随衰减的增大而恶化。
增益可控制放大器通常放在接收机中邻近射频(RF)或中频(IF)带的前端，因此当增益减小时，允许改进系统的交叉调制。对于需要大增益降低的大信号，可调的增益放大器经常成为接收机IM性能的限制因素。在这些情况下，放大级的设计者需要设计具有对于强信号情况所需的足够IM性能的放大器。高频电路设计的技术人员将认识到对于更高的IM性能需要更大的电耗。在高度线性不重要的弱信号情况下这导致过多的电耗。
因此，需要提供一种低噪声放大器(LNA)系统的拓扑结构，这样的LNA只需要较小动态范围，从而能降低电耗。这产生的整体影响在于当集成入接收机IC封装件时，提供一种能够能以相对小的电耗处理宽信号电平范围的更有效的放大器。
图1是表示射频接收机一部分的方框图。
图2是表示根据本发明具有线性增强的增益可控制低噪声放大器的方框图。
图3是表示根据本发明一具有线性增强的增益可控制低噪声放大器对于需要降低增益而不牺牲接口或降低性能的强信号情况，本发明在导致线性性能增强的增益可控制放大级附近采用反馈机理。对于不需要或只需要较少增益降低(弱信号)的情况，本发明允许放大器设置低偏置电流。这样，只有在需要增强的线性性能时才允许增强的线性性能及其相关的电耗损失，因此允许能够节省电耗而不牺牲线性性能。而且，本发明提供一种不需要集成电感器的完全集成解决方案并使用MOSFETS的独特拓扑结构用于改进性能。本发明用作低噪声放大器/可变增益放大器(LNA/VGA)，它们通常实现为中频(IF)或直接转换接收机(DCR)RF处理部件中的一个级。
现在参见图2，具有自动线性增强的增益可控制低噪声放大器(LNA)系统200利用射频(RF)输入工作，该输入馈送给并有反馈级或环路205的放大级203。可以通过对反馈级205增加控制电流Icont来增加放大器系统200的线性。
正如本领域技术人员所熟知的，可以用等式y=xa1+x2a2+x3a3+…表示反馈环路205的增益，其中x表示输入信号，y表示输出信号，系数a2、a3表示非线性分量，在放大级具有无限的动态范围的最佳情况下，这些系数等于零。如果事情真是这样那么y=xa1并且本放大级将完全线性。为了控制LNA 200的线性，可以通过动态调整反馈环路205的偏置来改变非线性系数a2和a3。本领域技术人员将认识到RF放大器的系统线性只能和其反馈线性一样好。因为由反馈环路205支配非线性，所以可以通过改变提供给反馈环路205的电流来改变线性，并且因此可以通过反馈环路205动态地调整LNA 200的线性。
利用接收放大级203的输出的可变增益放大器(VGA)207来实现反馈环路205的动态偏置调整，该输出在放大级207放大并传送到AGC系统211。AGC系统211用于提供与输入信号强度分贝(DB)成正比的AGC信号。偏置控制器利用由AGC系统211提供的AGC信号向反馈环路205提供动态控制的输入偏置。因此，通过监控AGC系统同时利用独特的偏置控制来调整反馈环路205的控制电流，进行对反馈环路205的偏置控制。在VGA 207的输出提供LNA 200的RF输出219。
本领域技术人员将认识到任何根据系统中AGC衰减量调整LNA200偏置电流的电路都会使控制电流随AGC衰减增加而增加。此结果对于更高幅度的输入信号改进了LNA 200的线性。此实现方案还采用了一个限制功能，用来设置控制电流增加量的上限并提供了在检测到高信号情况时实现需要高线性的增益级的附加灵活性。此拓扑结构提供对反馈环路205偏置电流的连续调整，从而获得了所需的性线度改进而不存在信号非连续的问题，信号非连续会导致现有技术中已知的分级切换的偏置和/或衰减器网络。
另外，LNA 200利用开关215和分级衰减器217以控制进入VGA 207的RF信号幅度。当启动时，输入信号旁路放大级203并通过分级衰减器217直接传到VGA 207。分级衰减器217用于增加允许强信号通过系统的放大级203的输入压缩点。通常，IC分级衰减器包括在LNA之前的一个可编程连接电阻电路，从而减低在LNA的输入信号电平。因为使用同一个LNA此方法不降低电流。本发明的分级衰减器217通过编程IC重新电建立LNA 200的结构。实际上可能存在两种工作模式，即正常模式和分级衰减器模式。在分级衰减器模式中，对于给定的RF情况和期望的性能，以允许相比较正常工作模式显著降低电流的方式重新建立电路的结构。对于该强信号情况，电路的噪声系数并不关键。LNA电路200被重新建成利用了这一事实的拓扑结构。但是，电路拓扑结构的折衷在于降低了电耗但增加了噪声系数。因此，在给定的情况下，通过LNA 200的可编程性可以实现显著减少电耗而不损失性能图3说明表示根据本发明一实施例的LNA 300的电路图。工作中，源信号Vs301通过源电阻303施加到LNA 300。然后由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)305和负载电阻Rl315放大输入电压信号。晶体管307通过电阻309提供对输入的反馈，同时用作包含以共基结构连接的晶体管304和晶体管306的可变增益放大器(VGA)的缓冲器。晶体管307将信号转换为电流，然后电流模式信号经过VGA到输出电阻R0313。电流Ibias提供VGA的直流电，因此在输出Vout319设置直流(DC)电压偏移。通过电源电压或负荷电阻Rl315控制通过MOSFET305的电流。对于给定的噪声系数(NF)、放大器增益(GP)、三阶失真产物(IP3)、和输入阻抗(Zin)组合，可以选择并优化Ibias、反馈电阻Rfb309、发射极电阻Re311、负荷电阻Rl315、和MOSFET 305的值。
本领域技术人员将会明白，晶体管307位于反馈环路并充当射极跟随器。输入到VGA的DC和AC电压变化都独立于反馈环路Ifb。这用于将输出RF信号与RF输入信号隔离并且更重要的是在于提供了通过输出电阻R0313独立控制偏置电流的途径。独立控制是集成电阻313的关键。在现有技术已知的以前LNA中，由通过有源输入器件提供的偏置来确定偏置。此偏置通常较大以帮助有源器件实现必要的动态范围。本发明提供一种独立于输入有源器件的偏置来控制电流的系统和方法。因为输出电阻R0313通常较大以帮助降低下一级的噪声系数并增加LNA300的增益，加在输出电阻R0313两端的直流电压可以变的很大，除非通过独立的控制降低该电流。本发明提供对该问题的解决方案。而且，有源反馈提供优化NF、GP、Ip3和Zin之间相互作用的额外的自由度。通常，输入阻抗(Zin)和增益(GP)随反馈电阻309的增加而增加，同时交叉调制恶化和噪声系数(NF)将提高。显然，反过来，当反馈电阻309减小时也成立。
通过使用MOSFET 305而不是具有电阻简并(resistivedegeneration)的双极面结型晶体管(BJT)作为有源增益器件，只需要较少的电流就能得到相同的动态范围。对于大信号工作，MOSFET305产生的三阶交叉调制(Ip3)项小于具有相同电流的BJT实现的Ip3项。相应地，对于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实现存在较大的寄生现象，因为几何尺寸比BJT实现大的多。为了降低由于寄生导致的密勒效应，与MOSFET一起使用诸如晶体管317的栅地阴地放大器级(ascoded stage)。使用晶体管317的栅地阴地放大级降低MOSFET 305从栅极到漏极的电压增益并提供漏极寄生到模拟接地的低阻抗点，从而增加工作带宽。应该注意到图3所示的栅地阴地放大器对噪声系数和动态范围的影响非常小。MOSFET 305的栅极到源极的寄生可以很容易地作为外部匹配的一部分，因此对高频操作只会有有限的影响。
本发明的关键在于保持两种工作模式(正常和分级衰减器模式)之间的恒定的输入阻抗和增益比。因为LNA电路200/300集成在同一IC衬底上，可利用匹配帮助保持恒定的输入阻抗和功率增益比。保持相同的输入阻抗是重要的，以便不影响对任何滤波器的RF匹配(如图1所示)。匹配变化将改变不希望的滤波器响应。另外，保持部分到部分的功率增益比恒定是重要的，可以使分级衰减量没有变化。此补偿与LNA分级衰减217无关并在部分与部分之间恒定，因此正常和分级操作间的增益比必定会恒定。
总的来说，以前的IC LNA结构典型地使用IC外的电感器以便在输出提供偏置和匹配。这里定义的本发明既不需要外部又不需要集成电感器。在输出使用电阻代替电感器。当尝试对大的偏置电流使用大电阻时出现问题。加在输出的直流电压变得太大，电路不能工作。具有共基极或共发射极类的LNA，可得到的RF性能是有限的，因为电流太大而输出电阻太小。利用图3所示的拓扑结构，可以很容易地解决这个缺点。另外，本发明的LNA结构相对现有技术的共基极或共发射极结构具有额外的自由度。对于期望的NF、GP、IP3和Zin规定，可以独立地调整反馈电阻Rfb309和Ibias。最后，对于期望的给定电耗，LNA使用MOSFET装置以增强动态范围。本领域技术人员将认识到电流的变化不影响LNA的输入阻抗，因为由反馈阻抗支配该值。同样对反馈放大级的噪声系数的影响也达到最小。
虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但是很明显本发明不会受限于此。本领域技术人员将出现很多修改、改变、变化、替代和等效变换而不偏离所附权利要求定义的本发明的精神和范围。
权利要求
1．一种具有自动线性增强的增益可控制低噪声放大器(LNA)，包括用于放大射频(RF)输入信号的放大级；用于向反馈放大器提供负反馈的动态可控制反馈环路放大级；和耦合到动态可控制反馈环路放大级的偏置控制器，用于监控接收机自动增益控制(AGC)系统并向反馈环路放大级提供动态偏置以在出现强的信道内和信道外信号情况下改进LNA的线性。
2．如权利要求1所述的增益可控制LNA，进一步包括至少一个可变增益放大器，用于放大第一反馈放大器级的输出和提供RF输出信号；和用于控制LNA增益并用于为偏置控制提供一个成比例的偏置电压的AGC控制系统。
3．如权利要求2所述的增益可控制LNA，其中至少一个VGA向偏置控制器提供反馈信号用于优化LNA的电耗。
4．如权利要求1所述的增益可控制LNA，进一步包括至少一个用于衰减提供给反馈环路放大级的RF输入信号的分级衰减器。
5．如权利要求1所述的增益可控制LNA，其中反馈放大器放大级包括至少一个MOSFET器件。
6．具有自动线性增强的增益可控制射频(RF)放大器，包括用于放大RF输入信号的第一放大级；用于向放大级的输入提供反馈以增加放大器线性的反馈环路；用于放大第一放大级的输出和提供RF输出的第二放大级；用于根据第二放大级的输出信号提供控制偏置的接收机自动增益控制(AGC)系统；用于根据根据AGC系统的控制偏置动态改变反馈环路偏置的连接到反馈环路的偏置控制器；和其中在出现强的信道内和信道外信号情况下由偏置控制器动态控制LNA的线性和电流消耗。
7．如权利要求6所述的增益可控制射频放大器，其中第一放大级利用MOSFET器件。
8．如权利要求6所述的增益可控制射频放大器，其中第二放大级是可变增益放大器(VGA)。
9．如权利要求6所述的增益可控制LNA，进一步包括一种用于衰减提供给第一放大级的RF输入信号的分级衰减器。
10．如权利要求9所述的增益可控制射频放大器，其中分级衰减器与放大级并行连接。
全文摘要
具有自动线性增强的增益可控制低噪声放大器(LNA)(200),利用用于放大射频(RF)输入信号的放大级(203)和用于向反馈放大器提供负反馈的动态可控制反馈环路放大级(205)。偏置控制器(213)耦合到动态可控制反馈环路放大级(203),动态可控制反馈环路放大级(203)用于监视接收机自动增益控制(AGC)系统(211)并给反馈环路放大级(205)提供动态偏置以在出现强的信道内和信道外信号情况下改进LNA的线性。
文档编号H03G1/00GK1312612SQ0110498
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月26日 优先权日2000年2月29日
发明者丹尼尔·E.布鲁斯克, 戴维·J.·格雷汉姆 申请人:摩托罗拉公司