專利名稱：用于低成本接收機電路的lna電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總地涉及放大器，更具體地涉及低噪聲放大器(LNA)。
背景技術(shù)：
支持多種數(shù)字電視標準的商用電視接收機和機頂盒需要能以低成本和小尺寸來處理模擬地面廣播、數(shù)字地面廣播和有線廣播的調(diào)諧器電路。這種調(diào)諧器電路可配置成處理具有范圍為54MHz至880MHz的寬帶輸入頻率的信號，并因此需要具有足夠高的線性度和充分低于3dB的低噪聲系數(shù)的寬帶LNA以獲得高靈敏度。諸如碼分多址(CDMA)、全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、短距無線接收機、地面數(shù)字多媒體廣播(T-DMB)接收機之類的窄帶接收機常見地被配置成調(diào)諧至最高頻與最低頻之比小于2的信道。與這些窄帶接收機不同，在混合式電視調(diào)諧器中，LNA的二階和三階輸入?yún)⒄战攸c(IIP2和IIP3)是重要的。LNA的IIP2和IIP3是重要的，因為在接收頻帶 (54MHz-880MHz)，存在頻率等于所期望頻率信道的一半或三分之一的干擾信道，該干擾信道能分別通過二階或三階失真而落在感興趣頻率上并敗壞畫質(zhì)。這樣的二階或三階失真產(chǎn)物分別被稱為HD2 (諧波失真2~)和HD3 (諧波失真3)。此外，在有線TV環(huán)境中，可能存在分布于接收頻帶上的若干信道。這些信道可通過二階非線性在它們之間形成互調(diào)并通過合成的二階失真(CSO)來敗壞所期望的畫質(zhì)。此外，在有線TV調(diào)諧器中存在三階非線性時，TV信道可能互調(diào)以產(chǎn)生復(fù)合三次差拍(CTB)， 這會進一步影響所期望的畫質(zhì)。因此，TV調(diào)諧器中的LNA具有高IIP2和IIP3是重要的。 因此，由于具有單端輸入和單端輸出的LNA通常具有糟糕的IIP2性能，許多調(diào)諧器采用平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(balim)連同全差分LNA或單端轉(zhuǎn)差分放大器作為接收機電路的第一級。盡管全差分LNA能在很寬范圍的頻率下提供可接受的IIP2性能，然而其一個主要的缺陷是一般需要無源變壓器來將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號。這類變壓器可能很大；因此， 這類變壓器通常被實現(xiàn)在芯片外部。此外，低損耗、外部、無源變壓器一般是昂貴的，增加了系統(tǒng)的總成本。此外，這些外部變壓器的損耗直接影響到TV調(diào)諧器的噪聲系數(shù)(NF)，噪聲系數(shù)(NF)是TV調(diào)諧器的最重要性能度量中的一個，因為NF確定在天線輸入上能接收多小的廣播TV信號。單端轉(zhuǎn)差分放大器表現(xiàn)出一種良好的集成結(jié)構(gòu)并能提供適中的IIP2性能。然而， 傳統(tǒng)單端轉(zhuǎn)差分放大器一般具有相對高的NF。遺憾的是，高NF降低了調(diào)諧器電路的靈敏性，使其難以將LNA用在寬帶調(diào)諧器中的第一級上。附圖簡述

圖1是具有平衡負載的傳統(tǒng)單端輸入、差分輸出的低噪聲放大器(LNA)的局部方框和局部示意圖。圖2是具有平衡負載和平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器電路的傳統(tǒng)差分輸入、差分輸出的LNA 的局部方框圖和局部示意圖。
圖3是可配置成用于調(diào)諧器電路的無平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器LNA電路的局部方框圖和局部示意圖。圖4是包括圖3的LNA電路的設(shè)備的一個實施例的方框圖。圖5是包含耦合于無源混頻器的圖3中的LNA電路的設(shè)備的另一實施例的圖。圖6是包含通過阻性負載耦合于混頻器的圖3的LNA的設(shè)備的又一實施例的圖。在以下的描述中，在不同附圖中使用相同的附圖標記來表示相似或相同的部件。
具體實施例方式下面描述低噪聲放大器(LNA)的一個實施例，該LNA被配置成獲得大于50dBm(dB 毫瓦)的二階輸入?yún)⒄战攸c(IIP2)，同時省去了平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器且相比傳統(tǒng)LNA將LNA 的功耗降低3/4。在下面的論述中，術(shù)語“耦合的”用來表示直接連接的或通過間接連接彼此結(jié)合或聯(lián)接的組件。應(yīng)當理解，所述實施例僅為示例目的，并且附圖中示出的直接連接可能包括未示出的元件和/或居間組件。圖1是具有平衡負載的傳統(tǒng)單輸入、差分輸出的低噪聲放大器(LNA)電路100的局部方框圖和局部示意圖。LNA電路100包括LNA 102，LNA 102耦合于信號源104和負載電路106。負載電路106可以是調(diào)諧器、混頻器的開關(guān)或其它電路。信號源104可以是天線或用來接收寬帶信號的其它電路。信號源104將天線建模作為電壓源108，電壓源108將信號施加于電阻110(例如75歐姆電阻器)。電阻器110耦合于LNA 102的引腳112。LNA 102包括引腳112和耦合于地面的第二引腳114。LNA 102還包括電阻器116 和118，晶體管126和128以及電容器120和122。電阻器116具有耦合于引腳112的第一端子和耦合于晶體管126源極的第二端子，所述晶體管1 是η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(NM0SFET)。晶體管1 包括通過電容器114而耦合于引腳114的柵極以及耦合于平衡的負載電路106的漏極。電阻器118包括耦合于引腳114的第一端子以及耦合于晶體管1 源極的第二端子。晶體管1 還包括通過電容器122而耦合于引腳112的柵極以及耦合于平衡的負載電路106的漏極。在本例中。晶體管1 和128、電容器120和122以及電阻器116和118是基本匹配的，由此提供平衡的電路。在操作中，信號源104向引腳112和耦合于地面的引腳114提供射頻(RF)信號。 引腳112側(cè)的RF輸入被施加于晶體管1 和電阻器116，并被提供給晶體管128的柵極。 小信號(高頻)電流(i)從漏極至源極流經(jīng)晶體管126。對于給定的電壓信號源(Vs)，流過晶體管1 和1 兩者的電流(i)是相同的。因此，從單端電壓輸入產(chǎn)生差分輸出電流。 本文中使用的術(shù)語“射頻”指具有在大約3kHz至幾百GHz的范圍內(nèi)的頻率的信號。高頻信號或小信號指信號的AC分量或RF分量。分析指出最佳噪聲系數(shù)是根據(jù)下面的等式得到的50Ω4 +丄(1)
gm在等式1中，變量(R)代表電阻器116、118中每一個的電阻，而變量(gm)代表晶體管1 和128中每一個的跨導(dǎo)。在該實例下，LNA 102的優(yōu)化噪聲系數(shù)高達6dB。然而， 6dB的噪聲系數(shù)對于地面應(yīng)用來說是不可接受的。此外，IIP2僅為40dBm(參照1毫瓦的功率比)，這對50daii是常見閾值的有線應(yīng)用來說是不夠的。遺憾的是，由晶體管1 代表的共源級對信號造成很大的噪聲，這負面地影響到噪聲系數(shù)(NF)以及系統(tǒng)的靈敏性，同時給予不充分的IIP2性能。盡管單端輸入避免了外部和大體積的無源變壓器的使用，但由于相對高的噪聲系數(shù)，由于結(jié)果靈敏性下降而難以將LNA 102設(shè)置在寬帶調(diào)諧器中的第一級上。傳統(tǒng)地，諸如外部變壓器之類的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器電路被用來通過電磁耦合而將單端輸入轉(zhuǎn)換成差分輸入。下面參見圖2描述了使用平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器電路的LNA電路的一個例子。圖2是傳統(tǒng)雙輸入LNA電路200的局部方框圖和局部示意圖，該LNA電路200包括圖IWLNA 102并包括平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器電路206。在該例中，用包括平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器電路206(圖示為簡單變壓器)的信號源204代替了信號源104。此外，圖1所示的電壓信號源(Vs) 108被分成輸入源208、210，每個輸入源大約為電壓信號源(Vs)的一半，即 Vs/2。信號源204包括電阻器212、214，每個電阻器大約為37. 5 Ω或圖1中的電阻器110 的電阻的一半。在工作中，信號源204使用無源變壓器206作為平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器來將平衡的、 單端輸入信號(可從天線或其它信號源接收到)分成不平衡的信號，并在引腳112、114將結(jié)果信號提供給LNA 102。小信號電壓跨晶體管1 和1 地出現(xiàn)，這造成小信號電流⑴ 從漏極流至源極流經(jīng)晶體管126并從源極流至漏極流經(jīng)晶體管128，如圖所示。圖200進一步包括示出LNA電路202的有效阻抗222的等效電路220。在該情形下，LNA 102的有效阻抗是通過將電阻器116、128的電阻加上晶體管126、128的跨導(dǎo)(gm) 的倒數(shù)而確定的，其大約為25Ω。有效阻抗是通過下面的等式2定義的。25Ω ^ + —(2)
gm對于給定的電壓信號源(Vs)，流入兩個網(wǎng)絡(luò)中的小信號電流⑴是相同的。此外， 跨有效25 Ω電阻的電壓與跨過跨導(dǎo)的電壓大致相同。在圖2的圖示實施例中，噪聲系數(shù)主要受25 Ω阻抗的影響。盡管圖2所示的全差分LNA能在很寬的頻帶上提供極好的ΙΙΡ2性能，但電路200的缺陷在于需要無源變壓器 206。這種無源變壓器通常很大而無法集成在芯片上，并且其插入損耗使接收機的噪聲系數(shù)及其靈敏性劣化。為了避免這種劣化，要使用低損耗和昂貴的外部變壓器，這既增加了電路的大小又增加了電路的成本。如下面結(jié)合圖3-8所述那樣，可提供單輸入、無平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的LNA，該LNA獲得足夠用于地面應(yīng)用的噪聲系數(shù)、ΙΙΡ2、ΙΙΡ3、增益和靈敏性，并具有降低的功耗和降低的成本。圖3是包含可配置為用于調(diào)諧器電路的單輸入、無平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的LNA 302 的實施例的局部方框圖和局部示意圖。電路300包括信號源，例如天線、寬帶連接或其它信號源。在該實例下，信號源由電壓信號源(Vs) 112表示，電壓信號源(Vs) 112將RF信號提供給LNA 302。電壓信號源作8)112分別通過電容器304、306而容性地耦合于輸入112、114， 電容器304、306工作以阻擋直流和低頻信號。相比圖2的電路200，將交叉耦合的電容器120、122移去，并將跨導(dǎo)的一半折疊至 P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PM0Q晶體管312、314。LNA 302包括直流(DC)電流源，被表示為耦合于經(jīng)穩(wěn)壓的供電電壓(V穩(wěn)壓)的電感器308。電感器308耦合于引腳112以將DC電流(Id。)注入引腳112。LNA 302還包括電阻器310，電阻器310包括耦合于引腳112的第一端子以及耦合于晶體管312的源極的第二端子，所述晶體管312包括耦合于偏置電路311 的柵極以及耦合于晶體管314源極的漏極。晶體管314還包括耦合于偏置電路311的柵極以及耦合于輸出節(jié)點321的漏極。晶體管312和314的柵極由偏置電路311適當?shù)仄珘阂允笵C電流(Ide)流過晶體管312和314。從RF信號的角度看來，晶體管312、314的柵極可視為接地的。LNA 302還包括匪OS晶體管316，該匪OS晶體管316包括耦合于輸出節(jié)點321的漏極、耦合于偏置電路311的柵極以及耦合于NMOS晶體管318漏極的源極，NMOS晶體管 318也包括耦合于偏置電路311的柵極以及通過電阻器320耦合于引腳114的源極。由電感器302表示的第二電流源將引腳114耦合于供電端子，所述供電端子可以是負極供電端子或可包括其它電路。電容器306阻擋流向電壓信號源(Vs) 108的DC電流，這迫使DC電流(Idc)流入電感器302。在所示實施例中，為簡化起見將偏置電路311的細節(jié)省去。然而，包括運算放大器、控制電路、分壓電路或其它合適電路的任何偏置電路可被用來使晶體管312、314、316 和318充分偏壓以允許電流流過這些晶體管。在所示實施例中，輸出節(jié)點321耦合于混頻器。電感器322和可變電容器3M構(gòu)成可調(diào)諧帶通LC濾波器(也被稱為跟蹤濾波器)。固定電容器3 和可變電容器3 構(gòu)成容性衰減器網(wǎng)絡(luò)，該容性衰減器網(wǎng)絡(luò)被用來在存在強信號時在混頻器之前降低增益。盡管在圖3所示的實施例中，由電阻器310、320和晶體管312、314、316和318構(gòu)成的LNA跨導(dǎo)被圖示為耦合于由電感器322和電容器324、3沈和3 構(gòu)成的跟蹤濾波器和容性衰減器，然而其它實施例也是可行的。例如，LNA跨導(dǎo)可耦合于無源混頻器的開關(guān)(如圖5所示)或耦合于簡單阻性負載(如圖6所示)。在工作中，PMOS晶體管312、314和NMOS晶體管316、318的柵極被偏置以允許DC 電流(Id。)流過。然而，晶體管312、314、316和318的柵極不接收小信號電流。由電壓信號源(Vs) 108產(chǎn)生的RF輸入信號(i輸人)流過電阻器110并大致平均地分流流入引腳112、 114。電感器302、308相對于小信號輸入(i輸入/2)而言相當于開路，這迫使小信號輸入(i λ/2)流過PMOS晶體管312、314并流過NMOS晶體管316、318至輸出節(jié)點321，輸出節(jié)點 321承載小信號輸出電流(i輸出)。在所示實施例中，NMOS晶體管316、318和PMOS晶體管312、314是并聯(lián)的。因此， LNA 302的阻抗(如從引腳112、114中看進去所觀察到的)是根據(jù)下面的等式確定的
f \ f？ λ
Z^. = 2i + — Il 2R + —(3)
I gm) V Sm)在等式3中，電阻QR)是圖1和圖2中的電路100、200中的電阻器116、118的電阻(R)的兩倍。變量(gm)代表晶體管312、316的跨導(dǎo)。等式3可如下面的等式4所示的
被簡化
權(quán)利要求
1.一種低噪聲放大器(LNA)，包括 輸入端子，用于接收輸入信號；輸出端子；第一和第二電容器，所述第一電容器包括耦合于所述輸入端子的第一電極，以及第二端子，所述第二電容器包括耦合于所述輸入端子的第一電極，以及第二電極；第一晶體管，包括耦合于所述第一電容器的第二電極的源極、被配置成接收第一直流 (DC)偏置信號的柵極、耦合于所述輸出端子的漏極；以及第二晶體管，包括耦合于所述第二電容器的第二電極的源極、被配置成接收第二 DC 偏置信號的柵極、耦合于所述輸出端子的漏極。
2.如權(quán)利要求1所述的LNA，其特征在于，所述第一晶體管具有第一寬-長比； 其中所述第二晶體管具有第二寬-長比；以及其中所述第一和第二寬-長比被配置成獲得跨工藝角的所期望的二階輸入?yún)⒄战攸c (IIP2)性能。
3.如權(quán)利要求1所述的LNA，其特征在于，還包括第一電感器，包括耦合于第一供電端子的第一端子、以及耦合于所述第一晶體管的源極的第二端子；以及第二電感器，包括耦合于第二晶體管的源極的第一端子、以及耦合于第二供電端子的Λ-Λ- ~·丄山弟一兄而子°
4.如權(quán)利要求1所述的LNA，其特征在于，所述第一和第二DC偏置信號被配置成控制所述第一和第二晶體管以允許DC電流流過。
5.如權(quán)利要求1所述的LNA，其特征在于，還包括第一電阻器，包括耦合于所述第一電容器的第二電極的第一電阻器端子，以及耦合于所述第一晶體管的源極的第二電阻器端子；以及第二電阻器，包括耦合于所述第二電容器的第二電極的第一電阻器端子，以及耦合于所述第二晶體管的源極的第二電阻器端子。
6.如權(quán)利要求1所述的LNA，其特征在于，所述LNA被配置成使用所述第一和第二晶體管的源極負反饋來降低對跨工藝角的導(dǎo)通電壓變化的靈敏度。
7.如權(quán)利要求1所述的LNA，其特征在于，還包括第三晶體管，包括耦合于所述第一晶體管的漏極的源極、被配置成接收第三DC偏置信號的柵極、以及耦合于所述輸出端子的漏極；以及第四晶體管，包括耦合于所述第二電容器的第二電極的源極、被配置成接收第四DC 偏置信號的柵極、以及耦合于所述第二晶體管的源極的漏極。
8.如權(quán)利要求7所述的LNA，其特征在于，所述第一和第三晶體管是ρ溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PM0Q器件，而所述第二和第四晶體管是η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ器件。
9.一種設(shè)備，包括輸入端子，用于從信號源接收射頻(RF)信號； 輸出端子，用于提供輸出信號；以及低噪聲放大器(LNA)電路，其包括耦合于所述輸入端子并被配置成提供第一信號路徑和第二信號路徑的容性電路；以及晶體管網(wǎng)絡(luò)，包括串聯(lián)設(shè)置的多個晶體管，所述多個晶體管包括 第一晶體管，包括耦合于所述第一信號路徑的源極、耦合于輸出端子的漏極、以及被配置成接收第一直流(DC)偏置信號的柵極；以及第二晶體管，包括耦合于所述第二信號路徑的源極、耦合于輸出端子的漏極、以及被配置成接收第二 DC偏置信號的柵極。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述LNA電路還包括第一電阻器，包括耦合于所述第一信號路徑的第一電阻器端子、以及耦合于所述第一晶體管的源極的第二電阻器端子；以及第二電阻器，包括耦合于所述第二信號路徑的第一電阻器端子、以及耦合于所述第二晶體管的源極的第二電阻器端子。
11.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述容性電路包括第一電容器，包括耦合于所述輸入端子的第一電極、以及耦合于所述第一晶體管的源極的第二電極；以及第二電容器，包括耦合于所述輸入端子的第一電極、以及耦合于所述第二晶體管的源極的第二電極；其中所述第一和第二電容器阻擋DC電流從晶體管網(wǎng)絡(luò)流至輸入端子和通過所述容性電路從第一晶體管的源極流至第二晶體管的源極。
12.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 無源混頻器電路，耦合于所述輸出端子。
13.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 混頻器電路，其耦合于所述輸出端子；以及可調(diào)諧帶通感性/容性(LC)濾波器和容性衰減器網(wǎng)絡(luò)，其耦合在所述輸出端子和所述混頻器電路之間。
14.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述多個晶體管還包括第三晶體管，包括被配置成接收第三DC偏置信號的柵極、耦合于第一晶體管的漏極的源極、以及耦合于輸出端子的漏極；以及第四晶體管，包括被配置成接收第四DC偏置信號的柵極、耦合于第二晶體管的漏極的源極、以及耦合于輸出端子的漏極。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第三晶體管包括ρ溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管；并且所述第二和第四晶體管包括η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管。
16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，還包括第一電感器，包括耦合于第一供電端子的第一端子、以及耦合于用來提供DC電流的第一晶體管的源極的第二端子；以及第二電感器，包括耦合于第二供電端子的第一端子、以及耦合于第二晶體管的源極的Λ-Λ- ~·丄山弟一兄而子°
17.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述RF信號的第一部分流過第一信號路徑和第一晶體管至輸出端子；并且所述RF信號的第二部分流過第二信號路徑和第二晶體管至輸出端子。
18.—種低噪聲放大器(LNA)電路，其包括輸入端子，用于接收射頻(RF)輸入信號；輸出端子，用來提供代表RF輸入信號的放大版本的輸出信號；P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PM0Q網(wǎng)絡(luò)，其耦合于所述輸入端子并耦合于所述輸出端子，所述PMOS網(wǎng)絡(luò)被配置成放大RF輸入信號的第一部分以將第一經(jīng)放大的部分提供給所述輸出端子；以及η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ網(wǎng)絡(luò)，其耦合于所述輸入端子并耦合于所述輸出端子，并與所述PMOS網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)耦合，所述NMOS網(wǎng)絡(luò)被配置成放大RF輸入信號的第二部分以將第二經(jīng)放大的部分提供給所述輸出端子。
19.如權(quán)利要求18所述的LNA電路，其特征在于，所述PMOS網(wǎng)絡(luò)包括第一 PMOS晶體管，包括耦合于輸入端子的源極、被配置成接收第一直流(DC)偏置信號的柵極、以及漏極；以及第二 PMOS晶體管，包括耦合于所述第一 PMOS晶體管的漏極的源極、被配置成接收第二 DC偏置信號的柵極、以及耦合于所述輸出端子的漏極。
20.如權(quán)利要求19所述的LNA電路，其特征在于，所述NMOS網(wǎng)絡(luò)包括第一 NMOS晶體管，包括耦合于輸入端子的源極、被配置成接收第三直流(DC)偏置信號的柵極、以及漏極；以及第二 NMOS晶體管，包括耦合于所述第一 NMOS漏極的源極、被配置成接收第四DC偏置信號的柵極、以及耦合于所述輸出端子的漏極。
21.如權(quán)利要求20所述的LNA電路，其特征在于，還包括第一電阻器，包括耦合于所述輸入端子的第一電阻器端子、以及耦合于所述第一 PMOS晶體管的源極的第二電阻器端子；以及第二電阻器，包括耦合于所述輸入端子的第一電阻器端子、以及耦合于所述第一 NMOS晶體管的源極的第二電阻器端子。
22.如權(quán)利要求21所述的LNA電路，其特征在于，還包括第一電感器，包括耦合于第一供電端子的第一感應(yīng)端子、以及耦合于所述第一電阻器的第一電阻器端子的第二感應(yīng)端子；以及第二電感器，包括耦合于第二供電端子的第一感應(yīng)端子、以及耦合于第二電阻器的第一阻性端子的第二感應(yīng)端子。
23.如權(quán)利要求18所述的LNA電路，其特征在于，所述LNA電路被配置成使用PMOS網(wǎng)絡(luò)和NMOS網(wǎng)絡(luò)中的至少一個的源極負反饋來使LNA電路對跨工藝角的導(dǎo)通電壓變化變得不敏感。
全文摘要
描述了用于低成本接收機電路的LNA電路。其中，一種低噪聲放大器(LNA)包括用于接收輸入信號的輸入端子；用于提供與輸入信號關(guān)聯(lián)的輸出信號的輸出端子。LNA還包括第一晶體管，該第一晶體管具有通過第一電容器耦合于輸入端子的第一源極、被配置成接收第一直流(DC)偏置信號的第一柵極、以及耦合于輸出端子的第一漏極。LNA還包括第二晶體管，該第二晶體管具有通過第二電容器耦合于輸入端子的第二源極、被配置成接收第二DC偏置信號的第二柵極、以及耦合于輸出端子的第二漏極。
文檔編號H04B1/16GK102386856SQ20111019075
公開日2012年3月21日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者A·A·拉菲 申請人:硅實驗室股份有限公司