双电压切换分支低噪声放大器架构的制作方法

本技术涉及放大器。具体地，本技术涉及包括堆叠晶体管的多个分支的多分支放大器架构的关断和保护，堆叠晶体管的多个分支被配置成在断开时容许比分支的晶体管的可靠性限制更高的电压，从而实现与在较低电压下操作时实现的性能类似的在较高电压下操作时的性能。

背景技术：

1、近年来，使用多个堆叠布置的晶体管(堆叠的晶体管)的堆叠级联放大器在诸如以下的射频(rf)应用中已成为主流：例如，在rf前端模块的发射机部分中的功率放大器(pa)，或在rf前端模块的接收机部分中的低噪声放大器(lna)。由于堆叠中的晶体管的数目较多，所以放大器的电压处置能力增加，从而允许较高功率、较高电压输出。由于堆叠的晶体管包括单独的低压晶体管(其可以容许基本上低于放大器的输出电压的)，所以重要的是偏置堆叠的低压晶体管，使得堆叠的晶体管将操作维持在它们的可容许电压范围内(例如，小于最大可容许电压)。在放大器可以在不同操作模式——例如，活动(放大、接通、激活)模式和不活动(无放大、断开、去激活)模式——下操作的情况下，在每种操作模式期间必须保持堆叠的低压晶体管的这样的电压顺应性。

2、图1示出了堆叠级联放大器(100)的现有技术配置，该堆叠级联放大器包括用于接收输入rf信号rfin的输入晶体管m1，输入晶体管m1与用于输出输入rf信号的放大版本rfout的级联输出晶体管m2串联连接。dc阻断电容器cin用于相对于rfin信号阻断提供给输入晶体管m1的dc偏置电压，而电容器cout用于输出匹配以及相对于rfout端口阻断供电电压vdd。供电电压vdd通过电感器ld耦合至输出晶体管m2的漏极，并且参考接地vgnd(例如，gnd或ac接地)通过任选电感器l1(例如，退化电感器)耦合至输入晶体管m1的源极。与电感器ld并联的可选电阻器rd可以用于控制输入rf信号rfin和/或q的放大量，并且因此影响输出匹配的带宽。应注意，堆叠的晶体管的数目p可以是大于或等于二的任何整数，并且可以是供电电压的电平、晶体管(m1、m2、……、mp)的可容许电压(例如，处置电压)范围及晶体管mp的漏极端子处的ac电压摆动的函数。

3、在图1的现有技术放大器(100)中，可以通过经由相应串联电阻器rb1和rb2耦合至晶体管的栅极的相应偏置电压vbias1和vbias2提供晶体管m1和m2的偏置。耦合至级联晶体管m2的栅极的分流栅极电容器cb2被配置成在放大器(100)的操作频率(例如，rf信号的频率)下使m2的栅极短路，以便提供级联晶体管m2的共栅极配置。在某些情况下，例如在功率放大器中，共栅极装置的栅极上的电容器(例如cb2)可以具有较小的电容值，以便在操作频率下向栅极提供电容性阻抗。另一方面，在放大器(100)的操作频率下，输入晶体管m1的源极直接(无任选电感器l1)或通过任选电感器l1耦合至参考接地，以便提供输入晶体管的共源极配置。

4、一般来说，本公开内容中所描述的堆叠级联放大器包括共源极输入晶体管和一个或更多个共栅极级联晶体管。应当注意，所属领域的技术人员非常了解堆叠级联放大器(100)的操作原理，包括级联晶体管(例如，图1的m2)的偏置，用于在由作为共源极放大器操作的输入晶体管驱动时进行有效电流放大/缓冲。级联晶体管(例如，图1的m2)的这样的偏置将级联晶体管配置成在其相应的饱和操作区域(即，不同于三极管操作区域)中操作，并且因此主动参与输入rf信号(例如，图1的rfin)的放大。

5、图1的现有技术放大器(100)可以根据至少两种操作模式即活动模式和非活动模式操作，在活动模式中，m1和m2两者被偏置为接通(即，导通)，并且通过将输入rf信号转换成流经ld并在晶体管m2的漏极端子处生成ac电压摆动的rf电流来放大输入rf信号，在非活动模式中，两个晶体管都被关断，并且因此不发生放大。对根据活动模式或非活动模式操作的放大器(100)的控制可以经由偏置电压vbias1和vbias2提供。例如，通过将vbias1和vbias2设置成电压值使得输入晶体管m1的栅极至源极电压及漏极至源极电压分别大于输入晶体管m1的阈值电压vth和饱和电压vsat，输入rf信号rfin由晶体管m1转换为电流且传导到ld以在晶体管m2的漏极端子处生成电压摆动。另一方面，通过设置vbias1和vbias2使得输入晶体管m1的栅极至源极电压分别小于输入晶体管m1的阈值电压vth，没有电流流过放大器(100)，并且因此不提供放大。本领域技术人员非常了解偏置电路的实现设计，用于根据两种模式操作生成偏置电压vbias1和vbias2，同时考虑例如在活动模式期间的放大器(100)性能、在非活动模式期间的功耗、在活动模式和非活动模式两者期间晶体管的电压顺应性以及例如由它们各自的i-v曲线提供的堆叠晶体管的电流-电压特性。例如，也可以通过将vbias2设置成诸如零伏的低电压来将放大器置于非活动模式。

6、在图1的现有技术放大器(100)的操作的活动模式期间，输出晶体管m2的漏极承载a)dc分量和b)交流分量v0的电压组合，dc分量可以高达供电电压vdd的电平，ac分量的峰值电压取决于ld的阻抗cout和在操作频率下rfout处的端口阻抗。因此，共栅极级联晶体管m2的漏极至栅极电压vdg_m2可以由以下表达式提供：vdg_m2＝(vdd-vbias2)+v0。因为vbias2通常接近vdd，所以在操作的活动模式期间不存在实质上的dc分量，且因此vdg_m2由ac分量v0支配。另一方面，在操作的非活动模式期间，在输出晶体管m2的漏极处不存在ac分量，并且因此输出晶体管m2的漏极仅携载可以高达供电电压vdd的电平的dc分量。因此，在操作的非活动模式期间，共栅极级联晶体管m2的漏极至栅极电压vdg_m2可以由以下表达式提供：vdg_m2＝(vdd-vbias2)，其在vbias2＝0伏的(极端)情况下变为vdg_m2＝vdd。由于电压v0(的峰值)通常低于供电电压vdd的电平，因此通过选择输出晶体管m2的类型以承受其漏极端子与栅极端子之间的供电电压vdd的电平，可以获得输出晶体管m2在两种操作模式期间的安全操作。在供电电压vdd的电平为约1.2伏的示例性情况下，可以使用可以耐受跨越晶体管的任何两个端子的高达1.32伏的电压电平(例如，最大可容许电压)的薄氧化物晶体管作为输入晶体管m1和作为输出级联晶体管m2，以获得放大器(100)的改善性能(例如，线性度、增益、噪声系数)。本领域技术人员非常了解对于给定的制造工艺，薄氧化物晶体管(例如，厚度为约2.5nm的栅极氧化物)与厚氧化物晶体管(例如，厚度为约7.5nm的栅极氧化物)相比所提供的性能差异，包括薄氧化物晶体管的较好rf性能(例如，线性度、增益、噪声系数)和厚氧化物晶体管的较高电压容限(例如，约3.4伏)。

7、在多分支放大器实现中，其中与图1所示的一个分支类似的多个分支被选择性地和独立地激活和/或去激活，去激活分支的晶体管的保护可能导致与使用厚氧化物晶体管作为去激活分支的级联晶体管或者使用电平被限制在去激活分支的薄氧化物晶体管的可容许电压范围内的供电电压相关联的放大器的性能退化。根据本公开内容的教导克服了这样的性能退化。

技术实现思路

1、根据本公开内容的第一方面，提出了一种多分支级联放大器，该多分支级联放大器包括多个堆叠级联放大器分支和保护电路，每个分支包括共源极输入晶体管和包括输出晶体管的一个或多个共栅极级联晶体管，所述多个堆叠级联放大器分支中的第一分支被配置成根据用于耦合至第一分支的输入晶体管的输入rf信号的放大的接通状态和不用于输入rf信号的放大的断开状态来操作，该保护电路耦合至第一分支，该保护电路包括：第一开关布置，该第一开关布置串联连接在第一分支的输出晶体管的漏极与多分支级联放大器的公共输出节点之间；以及第二开关布置，该第二开关布置耦合至第一分支的输出晶体管的漏极，其中：在第一分支的断开状态和多个堆叠级联放大器分支的一个或更多个其他分支的接通状态期间，第一开关布置被配置成选择性地将第一分支的输出晶体管的漏极从公共输出节点去耦合，以及第二开关布置被配置成选择性地将参考电压耦合至第一分支的输出晶体管的漏极以将第一分支的输入晶体管和一个或更多个级联晶体管的操作维持在第一分支的输入晶体管和一个或更多个级联晶体管的相应的最大可容许电压内。

2、根据本公开内容的第二方面，提出了一种多分支级联放大器，该多分支级联放大器包括多个堆叠级联放大器分支和保护电路，每个分支包括耦合在多分支级联放大器的公共输出节点与参考接地之间的多个晶体管，多个堆叠级联放大器分支中的至少一个分支被配置成根据用于至少一个分支的输入rf信号的放大的接通状态和不用于输入rf信号的放大的断开状态来操作，该保护电路耦合至至少一个分支，该保护电路包括：第一开关布置，该第一开关布置与至少一个分支的多个晶体管串联连接；以及第二开关布置，该第二开关布置耦合至至少一个分支，其中：在至少一个分支的断开状态和多个堆叠级联放大器分支的一个或更多个其他分支的接通状态期间，该第一开关布置被配置成：将至少一个分支的低侧段从公共输出节点去耦合，从而提供至少一个分支的耦合至公共输出节点的高侧段，其中，至少一个分支的多个晶体管被包括在分支的低侧段和高侧段的组合中，以及该第二开关布置被配置成选择性地将低侧参考电压耦合至低侧段并且将高侧参考电压耦合至高侧段，以将至少一个分支的多个晶体管的操作维持在至少一个分支的多个晶体管的相应的最大可容许电压内。

3、根据本公开内容的第三方面，提出了一种用于关断多分支级联放大器的分支的方法，该方法包括：i)通过以下操作导通多分支级联放大器的多个分支：向多个分支中的每个分支提供至分支的晶体管的相应栅极偏置电压以用于使分支在分支的相应接通状态期间作为放大器操作，分支的晶体管包括共源极输入晶体管及一个或更多个共栅极级联晶体管，以及基于提供，在多分支级联放大器的公共输出节点处输出放大的信号；以及ii)通过以下操作关断多个分支中的至少一个分支：经由第一开关布置将至少一个分支从公共输出节点去耦合，从而获得去耦合的分支，并且经由第二开关布置将参考电压耦合至去耦合的分支的输出晶体管的漏极节点，从而将去耦合的分支的晶体管的操作维持在去耦合的分支的晶体管的相应的最大可容许电压内。

4、根据本公开内容的第四方面，一种用于关断多分支级联放大器的分支的方法，该方法包括：导通多分支级联放大器的多个分支，每个分支包括耦合在多分支级联放大器的公共输出节点与参考接地之间的多个晶体管，以及通过以下操作关断多个分支中的至少一个分支：经由第一开关布置将至少一个分支的低侧段从公共输出节点去耦合，基于去耦合，获得至少一个分支的耦合至公共输出节点的高侧段，其中，所述分支的晶体管在所述低侧段与高侧段之间共享，以及选择性地将低侧参考电压耦合至低侧段并且将高侧参考电压耦合至高侧段，从而将至少一个分支的晶体管的操作维持在至少一个分支的晶体管的相应最大可容许电压内。