专利名称：放大器以及信号放大方法
技术领域：
本发明有关于高速通信，特别有关于高速通信的放大器以及方法。
背景技术：
近年来，对高速通信系统的需求一直很高。高速通信系统中的放大器需要满足严格的要求，例如宽带输入匹配，高增益值(gain)，较宽的频宽以及低噪声度。除此之外，由于更倾向于使用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,以下简称CMOQ技术实现放大器以获得更高程度的集成，因此设计电路时会遭遇CMOS的较差的射频(以下简称RF)特征所带来的影响，例如，较大的寄生电容，低跨导以及低供电电压等。在低噪声放大器(low noise amplifier,以下简称LNA)装置中，要求最严格的参数为噪声度(noise figure)以及线性度(linearity)。噪声度可以定义为10Log(SNRin/ SNR。ut)，其中SNIiin以及SNR。ut分别为输入以及输出的信号噪声比。低噪声放大器通常会在天线之后包含匹配网络以改善噪声度。线性度可以由第三阶输入截断点定义，表示在第三阶时的功率所在点以及基本质量截断。分别被称做共栅极(commen gate)以及电阻并联反馈电路(resistive shunt feedback)的两种通常的阻抗匹配技术，用以构成LNA装置中的输入阻抗匹配，提供宽带阻抗匹配。但是这两种技术均会受到晶体管信道热噪声的影响，晶体管信道热噪声在LNA装置的噪声中占主导地位。因此，需要一种可对输入信号进行放大，但不会引入噪声到放大后的信号中的放大器。
发明内容
为了解决现有技术中的以上技术问题，本发明提供了一种放大器以及信号放大方法。本发明提供一种放大器，用以放大输入信号以产生输出电流，该放大器包含第一跨导电路，具有第一跨导系数，耦接至第一晶体管，接收第一噪声电压以产生第一噪声电流；第二跨导电路，具有第二跨导系数，与该第一跨导电路并联耦接，接收第二噪声电压以产生第二噪声电流，使得该第一噪声电流以及该第二噪声电流相互抵消以降低该输出电流中的噪声成分；以及其中，该第一跨导电路和该第二跨导电路运作于电流模式。本发明还提供一种信号放大方法，用以将输入信号进行放大以在放大器中产生输出电流，该方法包含使用具有信道热噪声的第一晶体管建立第一噪声电压；接收该信道热噪声以建立第二噪声电压；使用具有第一跨导系数的第一跨导电路接收该第一噪声电压以产生第一噪声电流；以及使用具有第二跨导系数的第二跨导电路接收该第二噪声电压以产生第二噪声电流，使得该第一噪声电流以及该第二噪声电流相互抵消以降低该输出电流中的噪声成分；其中，该第一跨导系数与该第二跨导系数具有相反的符号，以及该第一跨导电路和该第二跨导电路运作于电流模式。
与现有技术相比，本发明可以有效的减少输出电流中的噪声成分。
图1为根据本发明实施例的直接转换接收器的方块图。图2为根据本发明的低噪声放大器的实施例。图3为图2中跨导电路的一实施例的电路图。图4为图2中的跨导电路的另一实施例的电路图。图5为图2中的跨导电路的另一实施例的电路图。图6为图2中的跨导电路的另一实施例的电路图。图7为传统电阻并联反馈跨导电路的方块图。
具体实施例方式图1为根据本发明实施例的直接转换接收器的方块图。直接转换接收器包含天线100，RF滤波器102，LNA 104，混频器106，滤波器108，放大器110以及模数转换器 (analog-to-digital converter,以下简称 ADC) 112。天线 100 耦接至 RF 滤波器 102，LNA 104，混频器106，滤波器108，放大器110以及ADC 112。天线100接收输入信号RFin，输入信号RFin经由RF滤波器102滤波后将频带之外的信号进行移除，再经由LNA 104进行放大，然后于混频器106利用本地振荡信号(local oscillation signal) L0_I以及L0_Q进行调制以产生同相正交输出信号&以及SQ，同相正交输出信号&以及&按顺序由滤波器108进行滤波，由放大器110进行放大，再由ADC 112 进行转换以产生数字数据D1以及Dq，用以执行后续的基频操作。输入信号RFin包含同相以及正交成分，并且可以是单端信号(single ended signal)或是差分信号对。本地振荡信号 L0_I以及L0_Q由本地振荡器(未显示)提供，本地振荡器包含锁相环(未显示)，并且本地振荡信号L0_I以及L0_Q的相位相差为90度。对应于输入信号RFin,本地振荡信号L0_ I以及L0_Q也可以是单端信号或是差分信号对，且振荡频率大致等于输入信号RFin的中心频率。滤波器108可以是可选择通道的滤波器，当位于中间频率时进行信道选择。放大器 110可以是可编程增益放大器(programmable gain amplifier，以下简称PGA)改变放大器的增益值以放大滤波后的信号。LNA 104可以是可变增益放大器用以放大微弱的输入信号RFin以在不引入噪声的情况下产生放大后的RF信号。混频器106包含吉尔伯特混频器(Gilbert Cell mixer)，吉尔伯特混频器包含跨导阶段用以将放大后的RF信号转换成电流信号，且包含正交转换阶段用以将电流信号与本地振荡信号L0_I以及L0_Q进行混频。图7为传统电阻并联反馈(shunt feedback)跨导电路的方块图，包含反馈电阻 Ri,负载电阻&，以及晶体管Qto。反馈电阻Ri耦接至晶体管Qto的漏极以与栅极之间。负载电阻&耦接至晶体管Q7tl用以提供放大后的输出电压V。ut。跨导电路7具有负增益-A以及输入阻抗Ri/ (1+A)。晶体管Q7tl的信道热噪声直接使得放大后的输出电压V。ut中加入噪声成分。图2为根据本发明的低噪声放大器的实施例。包含跨导电路22耦接至阻抗匹配电路20。
阻抗匹配电路20包含第一电阻&，第二电阻Rf，电流源I2tltl,以及第一晶体管％。。。 第一电阻&耦接至第二电阻&以及第一晶体管( ·。第二电阻&与第一晶体管Acitl的漏极并联耦接。阻抗匹配电路20为增益值为-A的并联反馈电路，接收输入信号Sin用以执行阻抗匹配并产生第一输出电压\。第一电阻&通常选用50欧姆以提供输入阻抗匹配至输入信号Sin并且产生匹配后的输入信号Vit5输入信号Vi包含第一信号电压Vg,s以及第一噪声电压Vg, n，并且输出电压Vs包含第二信号电压Vd, s以及第二噪声电压Vd, n。第二电阻&在第一晶体管Acltl的漏极与栅极之间提供反馈路径。第一晶体管Acltl为NPN型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，第一晶体管Acitl在栅极接收第一信号电压Vg, s以在漏极建立信号电流id,s以及第二信号电压vd,s。第一晶体管Acitl具有由载体的随机热运动以及偏移所引起的固有信道热噪声Id,n，其为阻抗匹配电路20的主要噪声源。固有信道热噪声Id,n在第一晶体管Acltl的栅极建立第一噪声电压vg,n并在第一晶体管Acitl的漏极建立第二噪声电压 Vd, n。跨导电路22包含第一跨导放大器电路222以及第二跨导放大器电路220互相并联耦接。第一跨导放大器电路222具有正跨导系数^，第二跨导放大器电路220具有负跨导系数-S 2。第一跨导放大器电路222接收输入电压Vi,第二跨导放大器电路220接收输出电压Vs，共同通过(ViXsill-VsXgll2)建立输出电流IQUT。输出电流1_也包含信号成分I。ut,s 以及噪声成分I。ut,n。由于阻抗匹配电路20具有负增益值-A，第一信号电压Vg,s以及第二信号电压Vd,s具有相反的符号，第二信号电压Vd,s等于_(Vg,sΧΑ)，这样导致信号成分I。ut,s等于(IsXS^lsXAXsn2),有所增强。相反的，第一噪声电压Vg,n以及第二噪声电压Vd, 具有相同的符号，用(id,nxig表示Vg,n以及用(Id,nX (Rs+Rf))表示Vd,n，产生的噪声成分I。ut,n 等于α^χκχ^α-ι^χα^+ι^χ^)，有所减弱。来自第一跨导放大器电路222的第一噪声电流(Id,nX&Xgml)以及来自第二跨导放大器电路220的第二电流(Id,nX (Rs+Rf) Xgm2) 可以根据等式(1)通过选择跨导系数互相抵消gml/gm2 = 1+Rf/Rs (1)通过上述方式可以使得Iot中的噪声成分I。ut,n* 0，或者是无噪声输出电流。在此实施例中，第一跨导系数^lll为正，第二跨导系数^ll2为负，图2中LNA的适当的电路变化只要不背离本发明的思想，任何本领域的技术人员应该可以了解，第一跨导系数^ll为负、第二跨导系数S112为正也可实现在输出电流Iot中降低噪声成分的目的。图3为图2中跨导电路的一实施例的电路图。包含跨导电路32耦接至阻抗匹配电路20。图3中的阻抗匹配电路20与图2中的阻抗匹配电路相同，跨导电路32包含晶体管仏20，Q322 ' Q324'电流源132。，以及电容C32Q。晶体管(^4可以提供图2中的第一跨导放大器的正跨导系数gml，且晶体管Q32tl, Qm可以提供图2中第二跨导放大器的负跨导系数^。输出电流Iot中的信号成分为(Vg, SXS^lsXAXgll2),根据等式⑴选择第一以及第二跨导系数‘以及^l2移除噪声成分。图4为图2中的跨导电路的另一实施例的电路图。包含跨导电路42耦接至阻抗匹配电路20。图4中的阻抗匹配电路20与图2中的阻抗匹配电路相同，跨导电路42包含晶体管A2。，Q422，电流源I42。，以及电容C42Q。晶体管Qu2可以提供图2中的第一跨导放大器的正跨导系数‘，且晶体管可以提供图2中第二跨导放大器的负跨导系数g 2。因为提供正跨导系数^ll的晶体管(^2以及提供负跨导系数gm2的晶体管Q42tl共享一输出负载I42tl,所以跨导电路42可以比图3中的跨导电路32提供更好的匹配。根据等式⑴选择第一以及第二跨导系数‘以及^l2移除噪声成分。图5为图2中的跨导电路的另一实施例的电路图。包含跨导电路52耦接至阻抗匹配电路20。跨导电路52提供可变增益控制以放大输出电流IQUT。图5中的阻抗匹配电路20与图2中的阻抗匹配电路相同，跨导电路52包含晶体
管 A2。，Q522 ' Q524' Q526'电流源 ι52。，以及电容 c52Q。晶体管Q5ai可以提供图2中的第一跨导放大器的正跨导系数‘，且晶体管Q524可以提供图2中第二跨导放大器的负跨导系数g 2。控制信号Irantral控制晶体管Q52tl以及Q522 以提供可变增益控制以放大输出电流U。当控制信号I。。ntMl将晶体管Q52tl打开，输出电流 Itm降低，以提供一种低增益模式。根据等式⑴选择第一以及第二跨导系数Sd1以及Sd2移除噪声成分。图6为图2中的跨导电路的另一实施例的电路图。包含跨导电路62耦接至阻抗匹配电路60。跨导电路62通过差分电路而实施，选择差分输入对Sin以提供放大后的输出
^iZiIL I OUT 0跨导电路62包含晶体管Gj62tla,b以及Q622a,b，电流源I62Q，以及电容C62tla,b。晶体管Q622a, Q622b可以提供图2中的第一跨导放大器的正跨导系数‘，且晶体管 Q620a, Q620b可以提供图2中第二跨导放大器的负跨导系数g 2。根据等式(1)选择第一以及第二跨导系数Snl以及S112移除噪声成分。
权利要求
1.一种放大器，用以放大输入信号以产生输出电流，该放大器包含第一跨导电路，具有第一跨导系数，耦接至第一晶体管，接收第一噪声电压以产生第一噪声电流；第二跨导电路，具有第二跨导系数，与该第一跨导电路并联耦接，接收第二噪声电压以产生第二噪声电流，使得该第一噪声电流以及该第二噪声电流相互抵消以降低该输出电流中的噪声成分；以及其中，该第一跨导电路和该第二跨导电路运作于电流模式。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于该第一晶体管具有第一栅极，第一漏极以及第一源极；该第一跨导电路包含第二晶体管，该第二晶体管具有第二栅极耦接至该第一栅极，第二漏极以及第二源极接地； 该第二跨导电路包含第三晶体管，具有第三栅极耦接至该第一漏极，第三漏极耦接至电压源，第三源极耦接至电流源；以及第四晶体管，具有第四栅极，该第四栅极通过电容接地，第四漏极耦接至该第二漏极， 以及第四源极耦接至该第三源极以及该电流源。
3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于进一步包含第三跨导电路，其中 该第一晶体管具有第一栅极，第一漏极以及第一源极；该第二跨导电路包含第二晶体管，该第二晶体管具有第二栅极耦接至该第一栅极，第二漏极，第二源极耦接至电流源；以及该第三跨导电路包含第三晶体管，该第三晶体管具有第三栅极耦接至该第一漏极，第三漏极耦接至电压源，以及第三源极耦接至该第二源极以及该电流源。
4.根据权利要求3所述的放大器，其特征在于，更包含第四晶体管，该第四晶体管具有第四栅极，第四漏极耦接至该电压源，以及第四源极耦接至该第二漏极；以及第五晶体管，具有第五栅极，第五漏极，以及第五源极耦接至该第二漏极。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，该输入信号为差分信号对，该跨导电路由晶体管对构成。
6.根据权利要求2、4或5所述的放大器，其特征在于进一步包含阻抗匹配网络，耦接于该第一跨导电路与该第二跨导电路，用以接收该输入信号以执行阻抗匹配，该阻抗匹配网络包含第一电阻，用以接收该输入信号以产生匹配后的信号； 该第一晶体管，耦接于该第一电阻，具有信道热噪声以建立第一噪声电压； 第二电阻，耦接至该第一电阻以及该第一晶体管，用以接收该信道热噪声以建立第二噪声电压；以及
7.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，该阻抗匹配网络可由晶体管对构成。
8.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，该第一电阻具有第一电阻值&，该第二电阻具有第二电阻值&，当该第一跨导系数S111以及该第二跨导系数gm2满足以下关系时该跨导电路无噪声成分产生gml/gm2 = 1+ / °
9.根据权利要求6所述的放大器，其特征在于，该第一晶体管更接收该匹配后的信号以产生放大后的信号，该放大后的信号具有负增益值，该第一跨导电路接收该匹配后的信号以产生第一信号电流，该第二跨导电路接收该放大后的信号以产生第二信号电流，当将该第一信号电流以及该第二信号电流进行相加时可以增加该输出电流中的信号成分。
10.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，该第一跨导系数为正且该第二跨导系数为负。
11.一种信号放大方法，用以将输入信号进行放大以在放大器中产生输出电流，该方法包含使用具有信道热噪声的第一晶体管建立第一噪声电压； 接收该信道热噪声以建立第二噪声电压；使用具有第一跨导系数的第一跨导电路接收该第一噪声电压以产生第一噪声电流；以及使用具有第二跨导系数的第二跨导电路接收该第二噪声电压以产生第二噪声电流，使得该第一噪声电流以及该第二噪声电流相互抵消以降低该输出电流中的噪声成分；其中，该第一跨导系数与该第二跨导系数具有相反的符号，以及该第一跨导电路和该第二跨导电路运作于电流模式。
12.根据权利要求11所述的信号放大方法，其特征在于，更包含使用该第一晶体管根据具有负增益值的该输入信号以产生放大后的信号； 使用该第一跨导电路根据该输入信号以产生第一信号电流；以及使用该第二跨导电路根据该放大后的信号以产生第二信号电流，使得该第一信号电流以及该第二信号电流进行相加时可以增加该输出电流中的信号成分。
13.根据权利要求11所述的信号放大方法，其特征在于，该第一跨导系数为正并且该第二跨导系数为负。
14.根据权利要求11所述的信号放大方法，其特征在于将该第一跨导电路中的第二晶体管的第二栅极耦接至该第一晶体管的第一栅极，并将该第二晶体管的第二源极接地；将该第二跨导电路中的第三晶体管的第三栅极耦接至该第一晶体管的第一漏极，将该第三晶体管的第三漏极耦接至电压源，并将该第三晶体管的第三源极耦接至电流源；以及将该第二跨导电路中的第四晶体管的第四栅极通过电容接地，将该第四晶体管的第四漏极耦接至该第二晶体管的该第二漏极，以及将该第四晶体管的第四源极耦接至该第三晶体管的该第三源极以及该电流源。
15.根据权利要求11所述的信号放大方法，其特征在于将该第二跨导电路中的第二晶体管的第二栅极耦接至该第一晶体管的第一栅极，以及将该第二晶体管的第二源极耦接至电流源； 该信号放大方法更包括将第三跨导电路中的第三晶体管的第三栅极耦接至该第一晶体管的该第一漏极，将该第三晶体管的第三漏极耦接至电压源，以及将该第三晶体管的第三源极耦接至该第二晶体管的该第二源极以及该电流源。
16.根据权利要求15所述的信号放大方法，其特征在于，更包含将第四晶体管的第四漏极耦接至该电压源，以及将该第四晶体管的第四源极耦接至该第二晶体管的第二漏极；以及将第五晶体管的第五源极耦接至该第二晶体管的该第二漏极。
17.根据权利要求11所述的信号放大方法，其特征在于，该输入信号为差分信号对，使用晶体管对构成该跨导电路。
18.根据权利要求11所述的信号放大方法，其特征在于，该方法进一步包含使用第一电阻接受该输入信号以产生匹配后的信号，其中，该匹配后的信号具有负增益值。
19.根据权利要求18所述的信号放大方法，其特征在于，该第一电阻具有第一电阻值 Rs,该第二电阻具有第二电阻值&，当该第一跨导系数Sd1以及该第二跨导系数Sd2满足以下关系时该跨导电路无噪声成分产生gml/gm2 = 1+RF/RS°
全文摘要
本发明涉及一种放大器，用以放大输入信号以产生输出电流，包含第一跨导电路，具有第一跨导系数，耦接至第一晶体管，接收第一噪声电压以产生第一噪声电流；第二跨导电路，具有第二跨导系数，与该第一跨导电路并联耦接，接收第二噪声电压以产生第二噪声电流，使得该第一噪声电流以及该第二噪声电流相互抵消以降低该输出电流中的噪声成分；以及其中，该第一跨导电路和该第二跨导电路运作于电流模式。与现有技术相比，本发明可以有效的减少输出电流中的噪声成分。
文档编号H03F1/26GK102299685SQ201110141698
公开日2011年12月28日 申请日期2008年3月18日 优先权日2007年12月26日
发明者詹景宏 申请人:联发科技股份有限公司