在扩展动态范围内具有线性增益的低噪音放大器的制造方法
【专利说明】在扩展动态范围内具有线性増益的低噪音放大器
[0001] 相关申请案的夺叉参考
[0002] 本申请书涉及下列待审申请案，所有这些申请案的内容已全部并入本文作为参 考：2013年3月15日提出申请的名称为"极坐标接收器结构和信号处理方法"的美国申请 案第13/840, 478号；2013年3月15日提出申请的名称为"极坐标接收器信号处理装置和 方法"的美国申请案第13/839, 557号；2013年3月15日提出申请的名称为"在扩展动态范 围内具有线性增益的低噪音放大器"的美国申请案第13/839, 557号；以及2013年3月15 日提出申请的名称为"数控注入锁定振荡器"的美国申请案第13/840, 379号；以及2013年 3月15日提出申请的名称为"单比特直接调制发送器"的美国申请案。
【背景技术】
[0003] 低噪音放大器（Low Noise Amplifiers，LNA)是用来放大弱信号的电路，如那些通 过天线接收的信号。考虑到接收信号的功率等级很弱，它们不会引进大量噪音，这很重要。 否则，进行数据恢复时，信号的信噪比（signal to noise ratio, SNR)将无法接受。LNA的 增益会使注入噪音的影响减小。因此，需要对LNA进行改良，包括直接转换收发器中使用的 那些LNA。
【附图说明】
[0004] 附图与下文的【具体实施方式】一起被并入本说明书，构成本说明书的一部分，用来 进一步阐述包括本发明在内的概念的实施例，并解释这些实施例的各种原理和优点。在单 独视图中，相同的数字代表相同或功能上相似的元件。
[0005] 图1是根据一些实施例所提出的一种低通滤波器架构的框图。
[0006] 图2是根据一些实施例所提出的LNA的频率响应图。
[0007] 图3是根据一些实施例所提出的一种可配置低通滤波器的框图。
[0008] 图4是根据一些实施例所提出的一种可调节低通滤波器级的电路图。
[0009] 图5是根据一些实施例所提出的用来提供数控可变增益的单元的实现方式。
[0010] 图6是根据一些实施例所提出的一种缓冲器的电路图。
[0011] 图7和图8是根据一些实施例所提出的电容器组的实现方式。
[0012] 图9是根据一些实施例所提出的电阻器组的实现方式。
[0013] 图10是根据一些实施例的可变增益数值图。
[0014] 图11是根据一些实施例的显示Q值的信号图。
[0015] 图12是根据一些实施例所提出的一种控制LNA的控制电路。
[0016] 图13和图14是根据一些实施例所提出的一种LNA控制方法的流程图。
[0017] 本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的， 而且不一定是按比例绘制的举例而言，为了有助于更好地理解本发明的实施例，图中一些 元件的尺寸可能相对于其他元件被放大。
[0018] 这些装置和方法组件已在图中适当之处用常用符号做了表示，仅示出那些与理解 本发明之实施例有关的具体细节，这样就不会因为那些对熟悉本专业的技术人员而言明显 易懂的细节，而弄不明白本说明书所披露的内容，这有利于本文的叙述。
【具体实施方式】
[0019] 请看图1，下面将阐述根据一些实施例所提出的一种低噪音放大器的一个实施例。 接收信号（如通过天线接收的信号）被匹配网络102接收。匹配网络的输出被提供给第一 LNA级（stage) 104,第一 LNA级104的输出经由缓冲器106而连接到第二LNA级108。缓冲 电路绘示于图6中。
[0020] 级联LNA级的输出在接收器（如极坐标接收器110)中被进一步处理。关于极坐 标接收器的其他细节，可查阅2013年3月15日提出申请的名称为"极坐标接收器信号处理 和架构"的待审申请（代理人案卷号第71601. US. 01号）。也可使用其他众所周知的接收 器架构。两级LNA 104、108中的每一级可通过调谐来显示带通响应。分别来自每一级LNA 的两个中心频率可发生偏移来提供较宽的总频带宽度，同时离带（off-band)选择性强，能 够抑制相邻信道。
[0021] 请参考图2,第一级的频率响应绘示于图102中，而频率错开的各级的总的响应绘 示于图104中。
[0022] 请参考图3,图302和图304均表示第一级的响应。图3绘示为滤波器的中心频率 可以在最差工艺条件下的所需频带上进行调谐。
[0023] 请参考图4,其绘示为可调谐LNA级。可变增益级经配置以提供可变跨导增益来驱 动带通滤波器负载，其包括差分对（differential pair) Ml、M2和用控制器的比特信号进行 控制的控制场效应晶体管（FETs)M3、M4。LNA级可包括多个可切换跨导单元，如图5所示。 控制器可使用二进制代码来调节增益，其中每个单元所提供的增益是前一单元的二倍。此 外，或者另一个方案是，增益级单元的一部分或全部可提供等量增益，且可由温度计码控制 信号来进行控制。
[0024] 再次参考图4,作为跨导增益级负载的带通滤波器包括带频率控制（Freq CTRL) 的可调节或可调谐振荡回路。此振荡回路可以是如图所示之LC振荡回路，也可以是RC振 荡回路。可调电容器可采用电容器组的形式，如图7和图8所示。每个电容器可用各自的 比特来单独控制，从而控制其对应的开关。电容器组中的电容器可采用相同的电容值或不 同的电容值，这样每个比特就能够控制电容比例更大的电容单元。如电容器组实施例的几 个示例所述，通过以不同方式来配置串联和/或并联的电容器，通过使用不同尺寸的装置， 或者通过使用不同的偏压，可以实现电容的变化。
[0025] 带通滤波器也包括交叉耦合晶体管M6、M7,以得到带通负载。请注意交叉耦合补 偿晶体管对（pair)M8、M9。这些交叉親合补偿晶体管被施以亚阈值（sub-threshold)范围 的偏压。
[0026] 亦/1、偿马分拓1由流λ Mfim)和層^ 的W个由流WTS成.
[0027]
[0028]
[0029]其中 gnw、gmM6,2、gmM6,3、gniMm gmMS,2和 别是晶体管 Μ6 和 Μ8 的电流的泰 勒展开式中的第一项、第二项和第三项。一阶项对应于规则的小信号gm。对于被施以饱和 偏压的晶体管，三阶项为负值。故，当输入信号的幅度增大时，电流开始缩减。相反，对于被 施以亚阈值范围偏压的晶体管，三阶项为正值。故，当输入信号的幅度增大时，电流随之增 大。在图4中，M6和M7被施以饱和偏压，而M8和M9被施以亚阈值范围偏压。所以，使用 适当的晶体管尺寸和偏压，就有可能得到gm M6,3= -gmMS,3。如此一来，每条分支的总电流得 出：
[0030]
[0031 ]由于施加在两个分支上的信号有差异，所以二阶项+ @被 抵消。如此一来，交叉耦合晶体管对M6、M7的线性范围被交叉耦合补偿晶体管对M8、M9扩 展。
[0032] 带通负载的品质因数Q也可以调节。在一个实施例中，晶体管MlO上的偏压被调 整。可以使用很高的品质因数Q，甚至高达400或500,同时保持输出摆幅很高（IOOmVp)时 带通负载的线性响应。高Q振荡回路或带通负载对跨导增益级具有较大阻抗，因此会以小 电流信号产生较大的增益。也请注意，高Q的频带选择性窄，抑制相邻频带或信道的能力 强。在LNA控制电路的控制下在振荡回路中选择性地插入电阻，也可以降低品质因数Q。此 类电阻器组可如图9所示。
[0033] 由于高品质因数Q对交叉耦合晶体管对的跨导值-g"/2极为敏感，所以gni的小小 变化也会导致Q发生很大的变化。故，通过插入亚阈值偏压交叉耦合补偿晶体管对来使M6 和M7的跨导线性化可大大增加 LNA级的动态范围。如果没有这种补偿，输出摆幅大而导致 的品质因数Q降低会减小增益，增大响应带宽，导致相邻信道抑制减小。
[0034] 也请注意，虽然增加交叉耦合补偿晶体管对会产生一些额外的噪音，但是补偿晶 体管对是负载的一部分