推拉式低噪声放大器以及放大器的制作方法

专利名称：推拉式低噪声放大器以及放大器的制作方法
技术领域：
本发明相关于一低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)，尤指一种具有可变增益、共栅极偏压电路以及辅助匹配机制的低噪声放大器。
背景技术：
低噪声放大器是无线接收器(wireless receiver)中的重要元件，尤其对于寻求精简化以及节省功率效能的系统而言。为了达到精简化的目的，无线全球移动通讯系统 (Global System for Mobile communications,GSM)接收器需要应用高线性度的低噪声放大器以避免使用面积占用量较大的表面声波(surface acoustic wave, SAW)滤波器。而为了达到高线性度，先前技术的低噪声放大器会应用电感作为负载以及源极退化(source degeneration)，以同时达到线性度以及匹配，然而，电感的面积占用量较大且无法随着半导体制程的进步而加以缩小。此外，一些先前技术的接收器为了达到宽频(wideband)应用的目的，往往会需要具有可变增益范围。在此前提之下，现有的低噪声放大器通常会应用并联-并联反馈 (shunt-shunt feedback)的方式，以最大增益值为代价来达到可变增益范围的目的。反馈信号量会大幅影响到输入匹配以及线性度，也就是说，当先前技术的低噪声放大器在改变增益时，便可能会产生以上的问题。再者，并联-并联反馈是基于电压模式(voltage mode) 而运作，而由于线性度问题，电压模式并不适合应用在无表面声波滤波器(SAWless)的低噪声放大器之中。

发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有可变增益以及高线性度的低噪声放大器。本发明的一第一实施例提供了一种具有可变增益的推拉式低噪声放大器 (push-pull low noise amplifier,push-pull LNA),包含有至少一放大器单兀(amplifier block)。每一放大器单元包含有一旁通级(bypass stage)以及至少一增益单元。该旁通级具有一第一节点以及一第二节点。该至少一增益单元具有一输入端以及一输出端，并包含有一负载级以及一驱动级。该负载级具有耦接于该输出端点的一输出节点、耦接于该旁通级的该第一节点的一第一节点，以及耦接于该旁通级的该第二节点的一第二节点。该驱动级具有耦接于该输入端的一输入节点、耦接于该负载级的该第一节点的一第一驱动节点， 以及耦接于该负载级的该第二节点的一第二驱动节点。其中当该推拉式低噪声放大器在一第一增益模式时，该负载级被启动，而该旁通级被关闭；以及当该推拉式低噪声放大器在一第二增益模式时，该负载级被关闭，而该旁通级被启动。本发明的一第二实施例提供了一种具有共栅极偏压电路的推拉式低噪声放大器， 包含有至少一增益单元以及至少一共栅极(common gate)偏压电路。该至少一增益单元具有一输入端以及一输出端，包含有一负载级以及一驱动级。该负载级具有耦接于该输出端点的一输出节点、一第一节点以及一第二节点。该驱动级具有耦接于该输入端的一输入节点、耦接于该负载级的该第一节点的一第一驱动节点，以及耦接于该负载级的该第二节点的一第二驱动节点。该至少一共栅极偏压电路包含有一共栅极晶体管、一共栅极电阻以及一直流阻隔(direct current choke,DC choke)元件。该共栅极晶体管具有用以接收一偏压电压的一控制节点、用以接收一第一偏压电流的一第一节点以及一第二节点。该共栅极电阻具有耦接于该共栅极晶体管的该第二节点的一第一节点以及耦接于该增益单元的该输出端的一第二节点。该直流阻隔元件具有耦接于该共栅极晶体管的该第一节点的一第一节点，以及耦接于该驱动级中至少一晶体管的一控制节点的一第二节点。本发明的一第三实施例提供了一种具有辅助匹配的放大器，包含有至少一放大器单元以及至少一辅助匹配电路。该至少一放大器单元具有一输入端以及一输出端。该至少一辅助匹配电路具有耦接于放大器单元的该输入端的一匹配节点，包含有一增益单元以及一反馈单元。该增益单元具有耦接于该辅助匹配电路的该匹配节点的一第一节点以及一第二节点。该反馈单元具有耦接于该增益单元的第二节点的一第一节点，以及耦接于该辅助匹配电路的该匹配节点的一第二节点。其中该增益单元的第二节点的一信号以及该反馈单元的该第一节点的一信号与该放大器单元的该输出端的一信号为各自独立。上述具有可变增益的推拉式低噪声放大器、具有共栅极偏压电路的推拉式低噪声放大器以及具有辅助匹配的放大器，能够具有可变增益以及高线性度。


图1为依据本发明的一实施例所实现的一推拉式低噪声放大器的结构示意图；图2为依据本发明的另一实施例所实现的一推拉式低噪声放大器的结构示意图；图3为本发明的一实施例中的一推拉式低噪声放大器的电路示意图；图4为依据本发明的再一实施例所实现的一推拉式低噪声放大器的结构示意图；图5为依据本发明的又一实施例所实现的一差动推拉式低噪声放大器的结构示意图；图6为依据本发明的一实施例所实现的一推拉式低噪声放大器的范例示意图；图7为本发明的一实施例中一差动推拉式低噪声放大器应用共栅极偏压电路与来偏压的范例示意图；图8为依据本发明的一实施例所实现的一放大器的范例示意图；图9A为本发明一实施例中的一放大器的结构示意图；图9B为简易实施一辅助匹配电路的另一结构示意图；图9C为本发明一实施例中一辅助匹配电路的简化电路模型示意图；图10为依据本发明的另一实施例所实现的一差动推拉式低噪声放大器的范例示意图；图11为依据本发明的一实施例所实现的一推拉式低噪声放大器与辅助匹配电路的范例示意图；图12为本发明的一实施例中具有可变增益与电感退化的差动放大器的范例示意图。
具体实施方式
在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成 「包含但不限定于」。此外，「耦接/电性连接」一词在此为包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置电性连接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。请参照图1，其为依据本发明的一实施例所实现的推拉式低噪声放大器 (push-pull low noise amplifier, push-pull LNA) 1000 的结构示意图。如图 1 所示，推拉式低噪声放大器1000包含有(但不限定于)一放大器单元(amplifier block) 1100。放大器单元1100包含有一旁通级(bypass stage) 1110以及一增益单元1120。请注意，在其他的实施例中，放大器单元1100中亦可包含有多个增益单元，这些设计上的选择可依据不同的规格要求而作出变化。旁通级1110具有一第一节点NBl以及一第二节点NB2，增益单元1120具有用以接收一输入信号Sin的一输入端Pin以及用以传送出一输出信号Sout的一输出端Pout，并包含有一负载级1121以及一驱动级1122。负载级1121具有耦接于输出端点Pout的一输出节点Nlout、耦接于旁通级1110的第一节点NBl的一第一节点附1，以及耦接于旁通级1110的第二节点NB2的一第二节点N12。驱动级1122具有耦接于输入端 Pin的一输入节点Ndin、耦接于负载级1121的第一节点Nll的一第一驱动节点Ndl，以及耦接于负载级1121的第二节点N12的一第二驱动节点Nd2。当推拉式低噪声放大器1000在一第一增益模式(例如一高增益模式)时，负载级1121会被启动，而旁通级1110会被关闭，驱动级1122便传送一驱动电流给负载级1121以产生输出信号Sout ；以及当推拉式低噪声放大器1000在一第二增益模式(例如一低增益模式)时，负载级1121会被关闭，而旁通级1110会被启动，而驱动级1122所生的该驱动电流则传送给旁通级1110，是故不会对输出信号Sout造成影响。由于不论推拉式低噪声放大器1000是在高增益模式或是低增益模式，所有的直流电流均会传导至一负载元件，因此推拉式低噪声放大器1000可达到电流再利用(current reuse)的目的。推拉式低噪声放大器1000可依据不同的目的而包含有多个放大器单元，以提供多样的增益选择。举例来说，请参照图2，其为依据本发明的另一实施例所实现的推拉式低噪声放大器2000的结构示意图。推拉式低噪声放大器2000包含有(但不限定于)一放大器单元2100，而放大器单元2100包含有一旁通级2110以及多个增益单元2120a、2120b、 2120c以及2120d。增益单元2120a,2120b,2120c以及2120d的功能与结构本质上与图1 所示的增益单元1120相同，而旁通级2110的运作则与图1中的旁通级1110相同，为简明起见，相关的细节在此便不再赘述。在图2的范例中，四个增益单元2120a、2120b、2120c以及2120d共用一旁通级2110。当推拉式低噪声放大器2000在一低增益模式中时，每一增益单元中的负载级均被关闭，而旁通级2110则会开启以导通所有的驱动电流；当推拉式低噪声放大器2000在一高增益模式中时，每一增益单元中的负载级均被开启，而旁通级2110则会关闭。图3为本发明的一实施例中的推拉式低噪声放大器1000的电路示意图。驱动级 1122包含有一上推(pushing)元件(例如一 P型晶体管MPl)以及一下拉(pulling)元件(例如一 N型晶体管丽1)。上推元件(P型晶体管MPl)具有耦接于驱动级1122的输入节点Ndin的一第一输入节点(P型晶体管MPl的栅极控制节点GMP1)，以及耦接于驱动级 1122的第一驱动节点Ndl的一第一输出节点(P型晶体管MPl的漏极节点DMP1)。下拉元件(N型晶体管丽1)具有耦接于1122驱动级的输入节点Ndm的一第二输入节点(N型晶体管MNl的栅极控制节点GMN1)，以及耦接于驱动级1122的第二驱动节点Nd2的一第二输出节点(N型晶体管丽1的漏极节点DMN1)。在此实施例中，负载级1121包含有一 P型晶体管MP2以及一 N型晶体管丽2。P 型晶体管MP2包含有耦接于一第一偏压电压Vbl的一控制节点(亦即栅极控制节点GMP2)、 耦接于负载级1121的输出节点Nlout的一第一节点(亦即漏极节点DMP2)，以及耦接于旁通级1110的第一节点NBl的一第二节点(亦即源极节点SMP2)。N型晶体管丽2包含有耦接于一第二偏压电压Vb2的一控制节点(亦即栅极控制节点GMN》、耦接于负载级1121的输出节点Nlout的一第一节点(亦即漏极节点DMN2)，以及耦接于旁通级1110的第二节点 NB2的一第二节点(亦即源极节点SMN2)。其中第一偏压电压Vbl以及第二偏压电压Vb2 是用以分别控制P型晶体管MP2以及N型晶体管丽2的开关运作。请注意，这个实施例中采用了包含有P型晶体管MP2以及N型晶体管丽2的动态负载(active load)来作为负载级1121 ；然而，这并非用来限定本发明的范围。负载级1121亦可应用其他的负载元件(例如被动元件的电阻)来加以实现。请再回到图3。在此实施例中，旁通级1110在实作上的结构与负载级1121相似， 是故为了简明起见，相关细节便不再赘述。旁通级1110包含有一 P型晶体管MP3以及一 N 型晶体管MN3，而两个控制电压Vcl以及Vc2会传送给旁通级1110来分别控制P型晶体管 MP3以及N型晶体管丽3的开关运作。当推拉式低噪声放大器1000转换到高增益模式之后，偏压电压Vbl与Vb2会设定成高电位来将驱动信号经由P型晶体管MPl以及N型晶体管丽1从驱动级1122传送至输出端Pout，而控制电压Vcl与Vc2则设定为低电位来将旁通级1110与驱动级1122隔离；当推拉式低噪声放大器转换至低增益模式时，偏压电压Vbl 与Vb2会设定成低电位来将负载级1121与驱动级1122隔离，而控制电压Vcl与Vc2则设定为高电位来将驱动信号从驱动级1122旁通(bypass)。请注意，在图3中，旁通级1110具有一偏压端Pd (其与负载级1121的输出节点Nlout相对应)，而偏压端Pd经由一直流阻隔 (direct current choke, DC choke)元件耦接于负载级1121的输出节点Nlout ；在此实施例中，该直流阻隔元件是以一电阻Rl所实现；然而，这并非用来限定本发明的范围。该直流阻隔元件亦可使用其他电路元件来加以实现，例如一电感。请参照图4，其为依据本发明的再一实施例所实现的推拉式低噪声放大器4000的结构示意图。相较于图3中的推拉式低噪声放大器1000，推拉式低噪声放大器4000中的增益单元4120多了一个额外的基本增益单元4123，用以提供一固定增益，而推拉式低噪声放大器4000中的其他元件均与推拉式低噪声放大器1000相同。有了基本增益单元4123，不论是在负载级4121与旁通级4110之间如何切换，推拉式低噪声放大器4000皆可提供一最小增益。请注意，在图4的范例中，基本增益单元4123的结构与驱动级4122和负载级4121 的组合结构相似；然而，这并非用来限定本发明的范围，基本增益单元4123亦可依不同的设计需求而应用不同的放大器架构来加以实现。除了单端(single-ended)结构之外，图3与图4所示的推拉式低噪声放大器还可应用在差动(differential)架构上。请参照图5，其为依据本发明的再一实施例所实现的一差动推拉式低噪声放大器5000的结构示意图。差动推拉式低噪声放大器5000包含有两个放大器单元5100a与5100b。放大器单元5100a(其具有与放大单元1100相同的结构) 包含有一旁通级5110a以及一增益单元5120a。在放大器单元5100a中的这些元件与放大单元1100中相对应的元件分别具有相同的功能，相关细节在此便不再赘述。旁通级5110a 具有一参考节点Nrl，而旁通级5110b则具有一对应的参考节点Nr2。在图5的范例中，参考节点Nrl与参考节点Nr2是连接一起以形成一共同参考节点Nr来提供一虚拟接地电位 (virtual ground)。具体来说，一电容C会设置在差动推拉式低噪声放大器5000之中以将共同参考节点Nr连接至一参考接地电位。如此一来，当差动推拉式低噪声放大器5000所接收的差动信号Sinl与Sin2出现不平均(imbalance)的现象时，不平均的信号会经由从共同参考节点Nr到该参考接地电位的传输路径旁通，以得到较佳的效能。此外，差动推拉式低噪声放大器5000应用了两个电阻Rrl与Rr2 (电阻Rrl将增益单元5120a的输出节点耦接至参考节点Nrl，而电阻Rr2将增益单元5120b的输出节点耦接至参考节点Nrf)来分别将旁通级5110a与5110b的偏压状况维持成与增益级5120a与5120b中的负载级本质上相同。当输入差动推拉式低噪声放大器5000的差动输入信号具有不平均的成分时，电阻Rrl 与Rr2以及电容C会在偶模(even mode)形成一低阻抗路径，是故不平均的问题可以获得舒缓。本发明的另一实施例进一步提供了一共栅极(common gate, CG)偏压电路来供给推拉式低噪声放大器。请参照图6，其为依据本发明的又一实施例所实现的一推拉式低噪声放大器6000的结构示意图。推拉式低噪声放大器6000包含有一增益单元6100以及一共栅极偏压电路6200。增益单元6100包含有一负载级6110以及一驱动级6120 ；请注意， 增益单元6100与图4所示的增益单元4120本质上具有相同的结构，相关叙述在此便不再赘述；然而，这并非用来限定本发明的范围，增益单元6100亦可依不同的设计需求而以其他的架构来实现。共栅极偏压电路6200包含有用以提供一第一偏压电流Il的一第一电流源、一共栅极晶体管MCG、一电阻RCG、一电压偏压电路6210以及一直流阻隔元件6220。共栅极晶体管MCG具有用以接收来自电压偏压电路6210的一偏压电压Vbias的一控制节点 GMCG (亦即，栅极控制节点)、用以接收第一偏压电流Il的一第一节点DMCG (亦即，漏极节点)以及一第二节点SMCG (亦即，源极节点)。电阻RCG具有耦接于共栅极晶体管MCG的第二节点SMCG的一第一节点NRCGl以及耦接于增益单元6100的输出端Pout的一第二节点 NRCG2。共栅极晶体管MCG于是经由电阻RCG接收输出信号Sout，并产生一偏压信号Vcg， 而直流阻隔元件6220在此实施例中是以一电阻所实现，其将共栅极晶体管MCG的第一节点 DMCG连接至驱动级6120中至少一晶体管的一控制节点。在此实施例中，直流阻隔元件6220 耦接至驱动级6120中一 P型晶体管的一控制节点以提供一偏压状态；然而，在经过适当的修改之后，共栅极偏压电路6200亦可用来为驱动级6120中的一 N型晶体管提供一偏压状态。请注意，在此实施例中，共栅极晶体管MCG与增益单元6100中的P型晶体管会形成一封闭回路以稳定该偏压状态。图6中所示的电压偏压电路6210包含有一第二电流源、一参考电阻Rref以及一参考晶体管Mref。参考晶体管Mref具有耦接于共栅极晶体管MCG的控制节点GMCG的一控制节点(亦即，栅极控制节点)、接收来自该第二电流源的一第二参考电流12的一第一节点(亦即，漏极节点)，以及一第二节点(亦即，源极节点)。参考电阻Rref具有耦接于参考晶体管Mref的该第二节点的一第一节点，以及耦接至一参考接地电位的一第二节点。请注意，在此实施例中，共栅极偏压晶体管MCG的栅极-源极电压Vgs-CG设计上会与参考晶体管Mref的栅极-源极电压Vgs-ref相同，而电阻RCG与参考电阻Rref则在设计上具有同样的掺杂型态(doping type)，也就是说，电阻RCG与参考电阻Rref会具有相同的温度变化常数。由图6可推导出下列的方程式Sout = (12XRref+Vgs_ref)-(IlXRCG+Vgs_CG) (1)由于Vgs_ref在设计成与Vgs_CG相同，方程式(1)可简化如下Sout = (12XRref)-(IlXRCG) (2)请注意，此处的输出信号Sout为一电压信号。Il与12均是由一稳定的带隙 (bandgap)电压 Vbg 所得到，举例来说，Il = Vbg/Rbgl，12 = Vbg/Rbg2，其中 Rbgl 与 Rbg2 为具有与电阻RCG、参考电阻Rref相同掺杂型态的电阻。在此条件之下，Rbgl与Rref的温度变化常数会彼此抵消，而同样地，Rbg2与RCG的温度变化常数驻会彼此抵消。于是，增益单元6100的输出电压Sout在遭遇到制程、电压、温度(process，voltage，temperature, PVT)波动时，仍旧能保持稳定。此外，共栅极偏压电路6200亦可应用在差动架构上。请参照图7，其为本发明的一实施例中一差动推拉式低噪声放大器7000应用共栅极偏压电路7200与7400来偏压的范例示意图。差动推拉式低噪声放大器7000包含有两个放大器单元7100与7300，分别用以接收一第一输入信号Sinl与一第二输入信号Sin2，差动推拉式低噪声放大器7000并包含有用以分别偏压放大器单元7100与7300的共栅极偏压电路7200与7400。偏压放大器单元7100与7300以及共栅极偏压电路7200、7400分别与增益单元6100以及共栅极偏压电路6200相同，在此便不重复说明。共栅极偏压电路7200由偏压放大器单元7100接收一第一输出信号Soutl，以产生一第一偏压电压Vbl给偏压放大器单元7100中的一 P型晶体管。 此外，图7的范例应用了两个单独的共栅极偏压电路7200、7400来偏压差动推拉式低噪声放大器7000，即使差动推拉式低噪声放大器7000因平衡-不平衡器(Balim)的匹配错误 (mismatch)而导致其差动输入有着不平均的现象，由于两个差动分支是单独分开偏压，差动推拉式低噪声放大器7000仍会具有定义清楚(well-defined)的共模电压(common mode voltage)。而共栅极偏压电路6200亦可在经过适当修改后，提供一偏压状态给放大器单元 7100中的N型晶体管。本发明的又另一实施例则在一放大器中提供了一辅助匹配电路。请参照图8，其为依据本发明的一实施例所实现的一放大器8000的范例示意图。放大器8000包含有一放大器单元8100以及一辅助匹配电路8200。放大器单元8100具有用以接收一输入信号 Sin的一输入端Pin_a以及用以传出一输出信号Sout的一输出端Pout_a。辅助匹配电路 8200具有耦接于放大器单元8100的输入端Pin_a的一匹配节点Nmatch，并包含有一增益单元8210以及一反馈单元8220。增益单元8210具有耦接于辅助匹配电路8200的匹配节点 Nmatch的一第一节点Ngl以及一第二节点Ng2。反馈单元8220具有耦接于增益单元8210 的第二节点Ng2的一第一节点Nfbl，以及耦接于辅助匹配电路8200的匹配节点Nmatch的一第二节点Nfb2，其中增益单元8210的第二节点Ng2的一信号以及反馈单元8220的第一节点Nfbl的一信号与放大器单元8100的输出端Pout_a的一信号为各自独立，也就是说，放大器单元8100的输出信号Sout不会被辅助匹配电路8200的运作所影响。图9A为本发明一实施例中的放大器8000的结构示意图。如图所示，放大器单元8100是以一推拉式放大器以及主动式负载来实现，而增益单元8210则是以一互补式 (complementary)推拉式放大器来实现，然而，这并非用来限定本发明的范围。不论是放大器单元8100或是增益单元8210，均可用任意形式的放大器来加以实现。图9B则展示了简易实施辅助匹配电路8200的另一结构示意图。在图9B中，增益单元8210中的N型晶体管以及反馈单元8220形成了一封闭回路，而其中的P型晶体管则提供了额外的增益。除此之外， 由于推拉式放大器具有极高的输入阻抗以及较小的输出阻抗，图9A中所示的放大器元件 8100适合用于电流模式(current mode)，在输入端Pin_a接收一输入电流信号Sin，并在输出端Pout_a传出一输出电流信号Sout。在此范例中，反馈单元8220是以一反馈电阻串接一反馈电容所实现。请注意，该反馈电阻可以一可变电阻来实现，并且可依据不同的设计需求而加以调整，亦即，当设置放大器8000于一宽频系统中时，该反馈电阻可任意调整以符合各种不同的通讯协定规范。举例来说，单单使用一个放大器8000便可轻易符合2G无表面声波滤波器、3G无表面声波滤波器以及分时同步分码多工存取(time division-synchronous code division multiple access, TD-SCDMA)等多个无线协定的规范。图9C为本发明一实施例中一辅助匹配电路的简化电路模型示意图，其中Cin代表从该辅助匹配电路的一匹配节点(例如图8中的匹配节点Nmatch)看进去的等效电容， Rfb则代表反馈电阻，Rout代表等效输出负载，而Gmb则代表一压控电流源。图9C中的简化电路模型的输入导纳(admittance)可表示如下
「M41l Yin = S-Cin+l + gmb'R°Ut
_1」Rout + RJb⑶在进一步的推导之后，可得知其匹配功能与Rout、Rfb以及该辅助匹配电路本身的增益有关。相较于传统应用电感退化(inductor degeneration)的低噪声放大器，该辅助匹配电路的阻抗匹配以及噪声匹配均与源极电感或是增益单元本身的增益无关，这些特点使得本发明不单可提供一面积精简的低噪声放大器设计，亦可提供极佳的效能。除了单端结构之外，图8以及图9A所示的放大器结构亦可应用在差动结构上。请参照图10，其为依据本发明的另一实施例所实现的差动推拉式低噪声放大器10000的范例示意图。一差动放大器单元10100接收差动输入信号Sinl与Sin2，并产生差动输出信号 Soutl与Sout2。辅助匹配电路10200与10300 (两者均具有与图8所示的辅助匹配电路 8200相似的结构)分别连接至差动放大器单元10100的两个输入端。在此条件之下，辅助匹配电路10200与10300可在一段宽频带中提供合适的匹配给差动放大器单元10100，且不会对差动放大器单元10100的输出效能造成影响。图8与图9A、9B所示的结构亦可用在低噪声放大器之中，并可在辅助匹配电路 8200的帮助之下，在宽频带中达到良好的匹配。相较之下，传统的低噪声放大器应用了芯片上电感来达到匹配，放大器8000可同时达到精简化面积以及宽频匹配的目的。前述实施例所揭露的电路结构均可独立应用或是整合在一起。举例来说，图5所示的推拉式低噪声放大器5000可与图6所示的共栅极偏压电压6200、图8所示的辅助匹配电路8200或是上述两者同时整合在一起。请参照图11，其为依据本发明的一实施例所实现的推拉式低噪声放大器11000与辅助匹配电路11200、11300的范例示意图。差动放大器单元11000接收差动输入信号Sinl与Sin2，并产生差动输出信号Soutl与Sout2。推拉式放大器11100 (其包含有具有增益GmPl、GmP2、GmNl与GmN2的驱动级)与图5中所示的差动放大器5000相同，而辅助匹配电路11200、11300则与图8所示的辅助匹配电路8200相同。当差动放大器单元11000处于一高增益模式时，差动放大器单元11000中所有驱动级会输出驱动电流给负载以产生输出信号Soutl与Sout2，也就是说该些驱动级提供了一增益总和GmPl+GmP2+GmNl+GmN2 ；当差动放大器单元11000处于一低增益模式时，差动放大器单元11000中的部分驱动级(例如具有增益GmPl与GmNl的驱动级)会输出驱动电流给负载以提供一增益总和GmPl+GmNl，而其他的驱动级(例如具有增益GmP2与GmN2的驱动级)则会将驱动电流传送至旁通级且不会对负载造成影响。此外，图6所示的共栅极偏压电路6200亦可轻易地整合进图11所示的电路结构之中。请参照图12，其为本发明的一实施例中具有可变增益与电感退化的差动放大器的范例示意图。图12所示的差动放大器应用了电感来达到输入匹配，并应用了两个旁通级来达到可变增益，差动分支均具有一运算放大器(OP amplifier)来接收一参考电压Vref、一输出信号，并输出一偏压电压来作为偏压之用，请注意，每一差动分支中的运算放大器与P 型晶体管均形成一封闭回路，以稳定偏压状态。这一类的设计亦落在本发明的范畴之内。综上所述，本发明的实施例提供了一种在制程、电压、温度变动下具有稳定效能与可变增益的推拉式低噪声放大器，一种在制程、电压、温度变动下具有稳定表现的共栅极偏压电路，以及一种应用反馈机制来提供宽频匹配且不会影响固有输出信号的辅助匹配电路。上述电路均可独立使用或是整合在一起来提供宽频运作以及精简化面积的功能。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明说明书所做的均等变化与修饰， 皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种具有可变增益的推拉式低噪声放大器，包含有 至少一放大器单元，每一该放大器单元包含有一旁通级，具有一第一节点以及一第二节点；以及至少一增益单元，具有一输入端以及一输出端，每一该增益单元包含有 一负载级，具有耦接于该输出端点的一输出节点、耦接于该旁通级的该第一节点的一第一节点，以及耦接于该旁通级的该第二节点的一第二节点；以及一驱动级，具有耦接于该输入端的一输入节点、耦接于该负载级的第一节点的一第一驱动节点，以及耦接于该负载级的第二节点的一第二驱动节点；其中当该推拉式低噪声放大器在一第一增益模式时，该负载级会被启动，而该旁通级会被关闭；以及当该推拉式低噪声放大器在一第二增益模式时，该负载级会被关闭，而该旁通级会被启动。
2.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，其中该驱动级包含有一上推元件，具有耦接于该驱动级的该输入节点的一第一输入节点，以及耦接于该驱动级的该第一驱动节点的一第一输出节点；以及一下拉元件，具有耦接于该驱动级的该输入节点的一第二输入节点，以及耦接于该驱动级的该第二驱动节点的一第二输出节点。
3.如权利要求2所述的推拉式低噪声放大器，其中该上推元件包含有一第一 P型晶体管，具有耦接于该上推元件的该第一输入节点的一控制节点，以及耦接于该上推元件的该第一输出节点的一上推节点；以及该下拉元件包含有一第一 N型晶体管，具有耦接于该下拉元件的该第二输入节点的一控制节点，以及耦接于该下拉元件的该第二输出节点的一下拉节点。
4.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，其中该负载级包含有一第二 P型晶体管，具有耦接于一第一偏压电压的一控制节点、耦接于该负载级的该输出节点的一第一节点，以及耦接于该旁通级的第一节点的一第二节点；以及一第二 N型晶体管，具有耦接于一第二偏压电压的一控制节点、耦接于该负载级的该输出节点的一第一节点，以及耦接于该旁通级的第二节点的一第二节点。
5.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，其中该旁通级包含有一第三N型晶体管，具有耦接于一第一控制电压的一控制节点、一第一节点以及耦接于该负载级的第一节点的一第二节点；以及一第三P型晶体管，具有耦接于一第二偏压电压的一控制节点、耦接于该第三N型晶体管的第一节点的一第一节点，以及耦接于该负载级的第二节点的一第二节点。
6.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，其中该旁通级具有一偏压端，该偏压端经由一直流阻隔元件耦接于该负载级的该输出节点。
7.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，其中该增益单元另包含有一基本增益单元，分别耦接于该驱动级与负载级，用以提供一固定增益，该基本增益单元的结构与驱动级和负载级的组合结构相似。
8.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，另包含有 一共栅极偏压电路，包含有一共栅极晶体管，具有用以接收一偏压电压的一控制节点、用以接收一第一偏压电流的一第一节点以及一第二节点；一电阻，具有耦接于该共栅极晶体管的第二节点的一第一节点以及耦接于该增益单元的该输出端的一第二节点；一直流阻隔元件，具有耦接于该共栅极晶体管的第一节点的一第一节点，以及耦接于该驱动级中至少一晶体管的控制节点的一第二节点；以及一电压偏压电路，具有耦接于该共栅极晶体管的控制节点的一输出节点，以提供该偏压电压，该电压偏压电路包含有一参考晶体管，具有一耦接于该共栅极晶体管的控制节点的控制节点，一第一节点以接收一第二偏压电流，以及一第二节点；以及一参考电阻，具有耦接于该参考晶体管的第二节点的一第一节点，以及耦接于一参考接地电位的一第二节点。
9.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，另包含有一辅助匹配电路，具有耦接于该增益单元的该输入端的一匹配节点，包含有 一增益元件，具有耦接于该辅助匹配电路的该匹配节点的一第一节点以及一第二节点；以及一反馈元件，具有耦接于该辅助匹配电路的该增益元件的第二节点的一第一节点，以及耦接于该辅助匹配电路的该匹配节点的一第二节点；其中该辅助匹配电路的该增益元件的第二节点以及该反馈元件的第一节点与该增益单元的输出端为电气隔离。
10.如权利要求1所述的推拉式低噪声放大器，其中该推拉式低噪声放大器包含有多个放大器单元；其中每一旁通级另包含有一参考节点，而所述旁通级的所述参考节点均耦接于一共同参考节点。
11.如权利要求10所述的推拉式低噪声放大器，其中该共同参考节点经由一电容耦接于一参考接地电位。
12.—种具有共栅极偏压电路的推拉式低噪声放大器，包含有 至少一增益单元，具有一输入端以及一输出端，包含有一负载级，具有耦接于该输出端的一输出节点、一第一节点以及一第二节点；以及一驱动级，具有耦接于该输入端的一输入节点、耦接于该负载级的第一节点的一第一驱动节点，以及耦接于该负载级的第二节点的一第二驱动节点；以及至少一该共栅极偏压电路，包含有一共栅极晶体管，具有用以接收一偏压电压的一控制节点、用以接收一第一偏压电流的一第一节点以及一第二节点；一共栅极电阻，具有耦接于该共栅极晶体管的第二节点的一第一节点以及耦接于该增益单元的该输出端的一第二节点；以及一直流阻隔元件，具有耦接于该共栅极晶体管的第一节点的一第一节点，以及耦接于该驱动级中至少一晶体管的控制节点的一第二节点。
13.如权利要求12所述的推拉式低噪声放大器，其中该直流阻隔元件以一偏压电阻所实现。
14.如权利要求12所述的推拉式低噪声放大器，其中该共栅极偏压电路另包含有一电压偏压电路，具有耦接于该共栅极晶体管的控制节点的一输出节点，以提供该偏压电压，该电压偏压电路包含有一参考晶体管，具有一耦接于该共栅极晶体管的控制节点的控制节点，一第一节点以接收一第二偏压电流，以及一第二节点；以及一参考电阻，具有耦接于该参考晶体管的第二节点的一第一节点，以及耦接于一参考接地电位的一第二节点。
15.如权利要求14所述的推拉式低噪声放大器，其中该共栅极偏压电路的栅极-源极电压对应至该参考晶体管的栅极-源极电压，而该共栅极电阻与该参考电阻具有同样的掺杂型态。
16.如权利要求12所述的推拉式低噪声放大器，其中该增益单元包含有一第一增益单元，具有用以接放一第一输入信号的一第一输入端，以及用以输出一第一输出信号的一第一输出端；以及一第二增益单元，具有用以接放一第二输入信号的一第二输入端，以及用以输出一第二输出信号的一第二输出端；以及该共栅极偏压电路包含有一第一共栅极偏压电路，耦接于该第一增益单元，用以接收该第一输出信号以提供一第一偏压信号给该第一增益单元；以及一第一共栅极偏压电路，耦接于该第二增益单元，用以接收该第二输出信号以提供一第二偏压信号给该第一增益单元；其中该第一输入信号以及该第二输入信号为差动信号。
17.一种具有辅助匹配的放大器，包含有至少一放大器单元，具有一输入端以及一输出端；以及至少一辅助匹配电路，具有耦接于放大器单元的输入端的一匹配节点，包含有 一增益单元，具有耦接于该辅助匹配电路的该匹配节点的一第一节点以及一第二节点；以及一反馈单元，具有耦接于该增益单元的第二节点的一第一节点，以及耦接于该辅助匹配电路的该匹配节点的一第二节点；其中该增益单元的第二节点的一信号以及该反馈单元的第一节点的一信号与该放大器单元的输出端的一信号为各自独立。
18.如权利要求17所述的放大器，其中该放大器单元以一推拉式放大器以及主动式负载予以实现。
19.如权利要求17所述的放大器，其中该增益单元以一互补式推拉放大器予以实现。
20.如权利要求17所述的放大器，其中该反馈单元包含有一反馈电阻串接一反馈电容，耦接于该反馈单元的第一节点以及第二节点之间。
21.如权利要求17所述的放大器，其中该放大器单元包含有一第一放大器单元，具有用以接收一第一输入信号的一第一输入端；以及一第二放大器单元，具有用以接收一第二输入信号的一第二输入端；该辅助匹配电路包含有一第一辅助匹配电路，具有耦接于该第一放大器单元的第一输入端的一第一匹配节点；以及一第二辅助匹配电路，具有耦接于该第二放大器单元的第二输入端的一第二匹配节点；其中该第一输入信号与该第二输入信号为差动信号。
22.如权利要求20所述的放大器，其中该反馈电阻为一可变电阻。
23.如权利要求17所述的放大器，其中该放大器包含有多个该放大器单元，当所述放大器单元处于一高增益模式时，该放大器提供由所有该放大器单元的增益总和组成的一增益；当该些放大器单元处于一低增益模式时，该放大器提供由部分该放大器单元的增益总和组成的一增益。
24.如权利要求17所述的放大器，其中该放大器以电流模式运作，并在该输入端接收一输入电流信号，并在输出端输出一输出电流信号。
全文摘要
本发明提供一种推拉式低噪声放大器，包含有至少一放大器单元。每一放大器单元包含一旁通级以及至少一增益单元。该旁通级具有一第一节点、一第二节点。该至少一增益单元具有一输入端、一输出端，并包含有一负载级、一驱动级。该负载级具有耦接于该输出端点的一输出节点、耦接于该旁通级的该第一节点的一第一节点，以及耦接于该旁通级的该第二节点的一第二节点。该驱动级具有耦接于该输入端的一输入节点、耦接于该负载级的该第一节点的一第一驱动节点，以及耦接于该负载级的该第二节点的一第二驱动节点。当该推拉式低噪声放大器在一第一增益模式时，该负载级被启动，而该旁通级被关闭；当其在一第二增益模式时，该负载级被关闭，而该旁通级被启动。本发明的推拉式低噪声放大器，能够具有可变增益以及高线性度。
文档编号H03F1/26GK102545791SQ20111033115
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年12月15日
发明者林育信, 蔡明达 申请人:联发科技股份有限公司