专利名称：单端电路的快速设定的低功率的偏置装置和方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件，尤其涉及单端电路的快速设定的低功率的偏置电路。
背景技术：
射频(RF)接收机包括在频率变频处理之前升高入射信号电平的前置放大器。通过极大地干扰信号而产生的相互调制乘积的存在折衷了接收机处理很弱信号的能力。这就是通常称为减敏作用的。当不同频率的两个干扰信号在放大器中合并时，三阶相互调制发生三阶非线性度，产生接近于所要求信号的相互调制乘积。
当存在单个大的干扰信号(即阻塞器或电气干扰台)时也会发生减敏作用。灵敏度的降低是通过两个分别的机制产生的。第一，增益压缩由电路中三阶非线性性引起，允许放大器和混频器中现有噪声源施加更大影响，因此使整个噪声性能下降。第二个机制，电路中的二阶非线性促进放大器中相对较低频率的噪声源与干扰信号之间混合。结果，低频噪声被上变频到所要求的信号频率，该频率降低电路噪声性能。有关阻塞和减敏作用的研究的更详细情况可以在R.G.Meyer和A.K.Wong著的“RF放大器中的阻塞和减敏作用”中看到，IEEE(1995)，这里通过参考将其引入。
具体地，减敏作用发生在单端电路中，如无线接收机的单端的前端低噪声放大器(LNA)中，由于在电路的输出上噪声本底和增益压缩的增大，它们在存在电气干扰中工作。本质上，电路中的畸变引起低频噪声上变频到感兴趣的频带中。这个附加的噪声增大了电路的噪声本底，以致在存在大幅度电气干扰中引起在放大器的输出端上信噪比(SNR)相当大的降低。
低频噪声的主要来源是在单端电路的偏置电路中产生的噪声。图1a给出了降低传统LNA电路中偏置噪声的一种新技术。所示的偏置电路阻止减敏的发生。这一单个晶体管LNA电路包括一个晶体管Qin，作为其主要增益器件。正如图所示，电源Ps对电路施加一电压输入。在输出节点Pout观察到一个输出。偏置电路由晶体管Q1和Q2组成，其作用为镜面器件。如果晶体管Qin和Q1的器件面积分别是Ain和A1，那么流过晶体管Qin的电流是Iref(Ain/A1)。增加一个电阻器Rx1，与偏置电路串联，以保证入射的射频(RF)功率不被转向到偏置电路中而主要提供给晶体管Qin用作适当放大。由于基极电流流入晶体管Qin中，在电阻器Rx1上形成静态电压降。为了平衡这个电压降，增加一个电阻器Rx2，与晶体管Q1的基极相串联。注意晶体管Qin内的基极电流等于晶体管Q1的基极电流乘以Ain/A1。因此为了平衡基极电流降，电阻器Rx2必须等于Rx1(Ain/A1)。
实际上，可以将由Vacos(ωt)表示的RF信号施加到LNA电路的输入端，同时可以将强度Va′cos((ω+Δω)t)的电气干扰信号也施加到LNA的输入端。在大多数无线标准下电气干扰比入射的RF信号大得多。例如，全球通信系统(GSM)标准要求LNA在存在-23dBm电气干扰中在输出SNR中不应经受任何退化，电气干扰频率离入射RF信号3MHz处，其功率电平为-98dBm。有了这个电气干扰信号电平，正如以上说明的，能够对低频噪声作上变频。在节点1，存在来自偏置电路输出端的低频噪声。由于LNA中固有的二阶谐波畸变，电气干扰音调以频率Δω与低频噪声相拍，并将噪声向上转换到ω+Δω+Δω和ω+Δω-Δω。后一项处于与所需信号相同的频率下。因此，在所需输出频率下的SNR比受损。应当注意，这一效应随电气干扰的强度而按比例变化，以致于对于更大的电气干扰强度，SNR退化越大。这一效应示于图1b和1c中。
以下的噪声源影响着偏置电路中低频下的总噪声a)参考偏置(Iref)的噪声；b)偏置电阻器Rx2的噪声；c)晶体管Q1的基极散粒噪声；和d)晶体管Q1的集电极散粒噪声。然而，其他几种噪声源会出现在LNA电路中，还有，它们的影响是可以忽略不计的。由于由晶体管Q1和Q2和电阻器Rx2形成的强耦合反馈回路的结果，由参考电流源Iref看到的阻抗具有晶体管Q1的跨导gm的倒数的量级。在大多数偏置电路中这是一个小量。因此，参考偏置电路的噪声在其输出端，节点X上是小的。另外，作为一个结果，晶体管Q1的集电极散粒噪声被减轻。在以上b)和c)中注明的其余噪声源是图1a所示的LNA电路中的主要噪声源，因为这一电路呈现这些噪声源在晶体管Q1的基极上具有相对较高的阻抗。因此在这个节点上的噪声电流形成较大的噪声电压，它被晶体管Q1在其集电极节点有效地放大。由于晶体管Q2放置有相邻元件，使得它代表电压跟随器电路，在其基极上的任何噪声出现在其发射机上，几乎没有衰减。因此，大的噪声电压在晶体管Qin的基极上形成。正如以上说明的，能够将这一低频噪声上变频到RF频率。
已经被用于减轻噪声上变频的一种方法是在LNA电路的输入节点处或者在晶体管Q1的集电极上使用外部无源LC滤波器，正如图2所示。所表示的包括电感器Ln和Cn的LC电路在等于电气干扰与信号频率之差的频率下在频域中产生一个陷波缺口。因此，偏置线上的任何噪声在这一频率下被滤除。陷波的LC滤波器是如此设计的，即它在射频下表现为超高阻抗，因此对电路性能具有极少影响。LC陷波电路在降低电气干扰的影响中是有效的。
然而，这个方法具有几方面缺点。首先，它需要使用外部的电感器和电容器元件，增加该办法的总成本。其次，在陷波滤波器中的电容器的值相对较高，因为滤波作用需要在低频下。结果，当给放大器通电时，它需要长时间以建立其稳定状态，通常在几百毫秒的量级上，这在整个系统中可能是不能接受的。第三，由大的外部元件引入的寄生性会退化RF性能。
还应当指出，利用施加在放大器输入端的已调谐串联LC电路的解决办法除了在抑制偏置电路的噪声外还在抑制电阻器Rx1的噪声和晶体管Qin的基极散粒噪声中也是非常有效的。然而，如上所述的这一实施办法存在几方面实际问题，即由于附加了外部元件而成本增加、导通时间缓慢，由于外部储能电路元件的附加寄生性造成的变差的RF性能。如果将噪声滤波器用在晶体管Q1的集电极，它将显示出由于来自电阻器Rx1的噪声和晶体管Qin的基极散粒噪声而造成的同样少量增大。
因此，需要一种单端电路的快速设定的低功率的偏置技术。
发明内容
为了解决以上讨论的单端电路的偏置电路的缺陷，本发明提出一种单端电路的快速设定的低功率的偏置电路和方法。具体地，按照的本发明的LNA包括一个输入功率匹配电路、一个输出晶体管、一个偏置电路、一个简并电感和一个负载阻抗。输入功率匹配电路和偏置电路耦合到提供放大的输出晶体管。简并电感和负载阻抗分别耦合到输出晶体管的发射极和集电极。偏置电路被配置成消除输出晶体管(产生放大作用)的基极散粒噪声。按照本发明的偏置电路还消除包含在该偏置电路内的偏置电阻器的噪声。
具体地说，偏置电路包括一电流镜面电路、一电流参考源、一偏置电阻器和一射极跟随器电路。电流参考源和射极跟随器电路被连接到电流镜面电路，它连接到偏置电阻器。这一偏置电路能够实施在类别广泛的单端电路中。
这一设计的优点包括完全集成方案，消除了由于存在电气干扰信号而造成的上变频噪声，但不局限于这。由于按照本发明的LNA电路能够被完全集成在芯片上，附加的成本可忽略不计，因此是可以接受的。此外，电路的导通时间短，在大多数系统中是可以接受的。
为了更全面地理解本发明及其优点，现在参照以下结合附图给出的描述，在附图中相似的参考号表示相似的特征，附图中图1a是低噪声放大器(LNA)的一个已知实施例。
图1b是存在电气干扰信号的情况下输入功率与噪声的频率和上变频噪声的关系图。
图1c是存在更大电气干扰信号的情况下输入功率与噪声的频率和上变频噪声的关系图。
图2是LNA的另一个已知实施例。
图3是按照本发明的LNA的一个实施例。
图4是存在电气干扰信号的情况下电容器的电容Cm与频率的关系图。
图5是LNA的另一个实施例。
图6是LNA的再一个实施例。
具体实施例方式
提议的偏置装置300和技术，正如图3所示，可以在类别广泛的单端电路中实施。按照本发明的诸如LNA(300)的单端电路包括一个输入功率匹配电路(310)和连接于一个提供放大的输出晶体管(Qin)的一个偏置电路(305)。再生电感(Le)和负载阻抗(Lo)分别耦合于输出晶体管(Qin)的发射极和集电极。
偏置电路(305)被配置成消除产生放大的输出晶体管(Qin)的基极散粒噪声。按照本发明的偏置电路(305)还消除包含在偏置电路(305)内的偏置电阻器(Rx1)的噪声。具体而言，偏置电路(305)包括电流参考源(Iref)和射极跟随器电路(315)，两者连接于电流镜面电路(Q1、Q2、Rx2)，镜面电路连接于偏置电阻器(Rx1)。偏置电路(305)能够在类别广泛的单端电路中实施。
更具体地说，设计由一个电容器Cm和一个射极跟随器电路构成，电容器能够利用已知集成电路(IC)工艺技术集成在芯片上，其值约为5-20pf，射极跟随器电路由晶体管Qm构成，这里用十分之一毫安量级的小电流(Im)对晶体管Qm进行偏置。将晶体管Qm置于射极跟随器结构中，连接于晶体管Q1的集电极。由于射极跟随器是理论上增益为一的电压缓冲器，节点X和节点Y理论上处于相同电位。实际上，在1/2πRx2Cm的频率下引入低频极点。由于电阻器Rx2通常为大电阻，要求芯片上的电容Cm的值小并能够集成在芯片上(对多数应用在5-20pF量级上)。响应于注入到晶体管Q1的基极中的任何电流噪声ibn，在基极上产生的电压由下式给出υbn2≈ibn2((Rx221+ω2Rx22Cm2)/(gm1Rc1)2)]]>式中电阻Rc1是晶体管Q1集电极上看到的总负载。在晶体管Q1集电极上以及因此在节点X上的电压由下式给出υbn2≈ibn2((Rx221+ω2Rx22Cm2))]]>正如所示的，电容器Cm显著地衰减了噪声。如果-3dB角频以上，例如1MHz，那么3MHz频偏处噪声将被衰减到十分之一或者衰减10dB。以类似方式，上变频噪声也将被衰减10dB。另一个值得注意的特征是衰减随频率而增大。
由于规定了大多数系统中电气干扰处于与所需RF信号相比的固定偏移量下，通过模拟或者手工分析，能够控制电容器Cm的尺寸以提供上变频噪声的适当衰减。
图4示出在放大器的输出端的电流噪声，具有-90dBm功率输入(没有电气干扰)和具有-23dBm功率输入(有电气干扰)，有和没有这里提出的噪声滤波电路。采用SpectreRF频谱仪用于图示的模拟例子。已经假设了以下各分量值Iref＝0.2mA、Rx2＝32kΩ、Rx1＝2kΩ。示出了电容器Cm的三个值，包括-5pF、10pF和20pF。
在输入端没有应用电气干扰，在3MHz偏移量下的噪声约为82pA/√Hz。由于早先详细描述的噪声上变频过程，没有这里提出的方案，噪声增大到约390pA/√Hz。总之，电路使这一噪声降低到约120pA/√Hz。注意由于噪声本底以及来自电阻器Rx1和晶体管Qin的低频噪声的的少量增加，与没有电气干扰的情况相比，噪声电平仍然有少许增大。然而，增加的水平在大多数系统中是可以接受的，因为在多数无线系统中，应用了电气干扰，噪声本底的少量增大是可以接受的。这一实施办法能够被电路设计人员采纳以满足系统要求。
这一设计的优点包括可完全集成化的解决方案，这消除了由于存在电气干扰信号而造成的上变频噪声，但不限于这些。由于按照本发明的LNA电路能够完全集成在芯片上，附加的成本可忽略不计，因此是可以接受的。此外，电路的导通时间短，在多数系统中是可以接受的。
如图5所示的第二实施例是通过在节点B与地之间放置一电容器而降低由电阻器Rx2的热噪声和晶体管Q1的基极散粒噪声造成的噪声。然而，要注意，由于通过绕Rx2的晶体管Q1和Q2形成的强反馈回路，节点B的净阻抗约为电阻Rx2除以反馈回路的环增益。环增益可以是一个大的量，因为它主要是由晶体管Q1的跨导gm1设定的。因此，节点B的有效阻抗是小的。因此，为了有效滤波在晶体管Q1基极上所要求的电容太大，因而是不能被集成的。
第三实施例正如图6所示，包括一种通过在节点B与X之间放置一电容器而滤除噪声的方法。虽然这是有效的，但是它引出一个新的问题。在无线电频率下，这个电容器具有小的阻抗。因此，从Iref到RF输入端的隔离被这个电容器严重地折衷了。
读者的注意力要放在与本说明书同时提交的并与本说明书一起对公众检查开放的所有文献和文件上，所有这些文献和文件的内容在此通过参考而引入。
本说明书(包括任何所附的权利要求书、摘要和附图)中揭示的所有特征可以被其他的起相同、等同或类似用途作用的特征所替代，除非另有其他表述。因此，除非另有其他表述外，所揭示的每个特征仅仅是等同或类似一组通用特征的一个例子。
在以上说明书中已经采用的术语和表示这里被用作描述性的术语而非限制性的术语，不期望用这些术语和表示来排除已表明和已描述的特征或其部分的等同表示，应当认识到本发明的范围仅仅由随后的权利要求书来限定和限制。
权利要求
1.一种具有一个输入节点和一个输出节点的低噪声放大器，其特征在于包括一个输入功率匹配电路，它包括一个滤波器和一个隔直流电容器，该所述输入节点被耦合到所述滤波器，所述滤波器被耦合到所述隔直流电容器；一个具有基极、集电极和发射极的输出晶体管，基极被耦合到隔直流电容器，集电极被耦合到输出节点；具有一个偏置电阻器的偏置电路，偏置电路被耦合到输出晶体管的基极，使得偏置电路消除输出晶体管的基极散粒噪声和偏置电阻器的噪声；耦合到输出晶体管的发射极的简并电感；以及耦合到输出节点的负载阻抗。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，滤波器包括一电容器和一电感器，电容器被耦合到输入节点，电感器被耦合到隔直流电容器。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，偏置电路包括一电流镜面电路、电流参考源、偏置电阻器和射极跟随器电路，电流参考源被耦合到电流镜面电路，射极跟随器电路被耦合到电流镜面电路，电流镜面电路被耦合到偏置电阻器。
4.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，射极跟随器电路包括电流源、电容器和具有基极、集电极和发射极的第一晶体管，电流源和电容器被耦合到第一晶体管的发射极。
5.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，电流镜面电路包括第二电阻器、第一和第二电流镜面晶体管，每个晶体管具有各自的基极、集电极和发射极，第一电流镜面晶体管的基极和第二电流镜面晶体管的集电极被耦合到参考电流源，第二电阻器被耦合在第二电流镜面晶体管的基极与第一电流镜面晶体管的发射极之间，第一电流镜面晶体管的发射极被耦合到偏置电阻器。
6.一种具有一个输入节点、一个输出节点、一个电源线和地的单端电路，其特征在于包括(a)耦合于输入节点的第一电感器；(b)耦合在第一电阻器与地之间的第一电容器；(c)串联耦合于第一电感器的隔直流电容器；(d)偏置电路，包括(i)具有基极、发射极和集电极的第一晶体管，第一晶体管的集电极被耦合到电源线；(ii)耦合在第一晶体管的发射极与地之间的第一电流源；(iii)耦合在电源线与第一晶体管基极之间的参考电流源；(iv)具有基极、发射极和集电极的第二晶体管，第二晶体管的集电极被耦合到参考电流源，而第二晶体管的发射极被耦合到地；(v)耦合在第一晶体管的发射极与第二晶体管的基极之间的第二电容器；(vi)具有基极、发射极和集电极的第三晶体管，集电极被耦合到电源线，基极被耦合到第一晶体管的集电极；及(vii)耦合在第二晶体管的基极与第三晶体管的发射极之间的第二电阻器；(e)耦合在第二电阻器与隔直流电容器之间的第三电阻器；(f)具有基极、发射极和集电极的第四晶体管，基极被耦合到第三晶体管，集电极被耦合到输出节点；(g)耦合在第四晶体管的发射极与地之间的第二电感器；以及(h)耦合在电源线与输出节点之间的第三电感器。
7.一种滤除噪声的偏置电路，其特征在于包括(a)射极跟随器电路，包括(i)具有基极、集电极和发射极的第一晶体管；(ii)耦合在第一晶体管的发射极与地之间的电流源；(iii)耦合到第一晶体管的发射极的电容器；(b)耦合到射极跟随器电路的电流镜面电路，该电流镜面电路包括(i)具有基极、集电极和发射极的第二晶体管，第二晶体管的集电极耦合到电源线，第二晶体管的基极耦合到第一晶体管的基极；(ii)具有基极、集电极和发射极的第三晶体管，第三晶体管的集电极耦合到第二晶体管的基极，第三晶体管的基极耦合到电容器，第三晶体管的发射极耦合到地；(iii)耦合在第二晶体管的发射极与第三晶体管的基极之间的电阻器；(c)耦合在电源线与第二和第三晶体管的基极之间的电流参考源。
全文摘要
按照本发明的单端电路,如LNA(300)包括一个输入功率匹配电路(310)和一个偏置电路(305),两者连接到提供放大的输出晶体管(Q
文档编号H03F1/30GK1357969SQ0113747
公开日2002年7月10日 申请日期2001年11月15日 优先权日2000年11月16日
发明者R·加尔普里, G·西纳 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司