多模低噪聲放大器的裝置和方法
【專利摘要】在本文中提供用于多模式的低噪聲放大器(LNA)的裝置和方法。在某些配置中，射頻(RF)系統(tǒng)包括多模式LNA，所述多模式LNA包括至少級聯(lián)電連接的第一放大級和第二放大級。RF系統(tǒng)還包括模式控制電路，它接收模式選擇信號，并基于所述模式選擇信號控制第一和第二放大級的偏置。模式控制電路在多個模式操作多模式LNA，包括其中所述LNA工作在更高增益和更好的噪聲系數(shù)的第一模式，以及其中所述LNA操作在更低增益和更高線性的第二模式。使用模式選擇信號控制多模式LNA的模式允許多模式LNA有利地實現(xiàn)低噪聲指數(shù)和高線性度的優(yōu)勢。
【專利說明】
多模低噪聲放大器的裝置和方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明的實施例涉及電子系統(tǒng)，更具體地涉及低噪聲放大器(LNA)。
【背景技術(shù)】
[0002] 某射頻(RF)系統(tǒng)可包括一個或多個低噪聲放大器(LNA)。例如，諸如RF前端的RF系 統(tǒng)可包括LNA，以放大經(jīng)過天線接收的相對較弱的信號。LNA可以作為RF系統(tǒng)的接收路徑的 第一放大級，并且可以通過提高小振幅的接收信號，同時加入或引入相對少量的噪聲而改 進RF系統(tǒng)的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在一個方面，提供一種低噪聲放大系統(tǒng)。低噪聲放大系統(tǒng)包括:包括兩個或多個放 大級的多模式低噪聲放大器(LNA)。兩個或多個放大級包括級聯(lián)電連接的第一放大級和第 二放大級。低噪聲放大系統(tǒng)進一步包括配置成接收模式選擇信號的模式控制電路。模式控 制電路被配置成:基于模式選擇信號的狀態(tài)，控制多模式LNA為從多個模式中選擇的選中模 式。該多種模式包括第一模式和第二模式。相對于第二模式，多模式LNA在第一模式中工作 在更低的噪聲系數(shù)和更大的總增益，相對于第一模式，多模式LNA在第二模式中操作更高線 性。
[0004] 在另一個方面，提供一種射頻(RF)系統(tǒng)。RF系統(tǒng)包括:包括兩個或多個放大級的多 模式低噪聲放大器(LNA)。兩個或多個放大級包括級聯(lián)電連接的第一放大級和第二放大級。 RF系統(tǒng)進一步包括經(jīng)配置成接收模式選擇信號的模式控制電路，以及該模式控制電路被配 置為:根據(jù)模式選擇信號的狀態(tài)，控制多模式LNA為從多個模式選擇的選中模式。該多種模 式包括第一模式和第二模式。模式控制電路被配置為控制所述第一放大級的增益為第一模 式中的第一高增益量，以及第二模式下的第一低增益量。另外，模式控制電路被進一步配置 為控制所述第二放大級的增益為第一模式中的第二低增益量，以及第二模式中的第二高增 益量。第一高增益量大于第一低增益量，和第二高增益量大于第二低增益量。
[0005] 在另一個方面中，提供一種低噪聲放大的方法。該方法包括:基于模式選擇信號的 狀態(tài)，產(chǎn)生多個控制信號，并使用多個控制信號控制多模式低噪聲放大器(LNA)為從多個模 式中選擇的選中模式。多模式LNA包括級聯(lián)電連接的多個放大級，并且所述多個模式包括第 一模式和第二模式。此外，控制多模式LNA為選中模式包括:使用所述多個控制信號，控制多 個放大級的偏置，使得相對于第二模式，多模式LNA在第一模式中操作更低的噪聲系數(shù)和更 大的總增益，并且使得相對于第一模式，多模式LNA在第二模式中操作更高線性。
【附圖說明】
[0006] 圖1是根據(jù)一個實施例包括多模式低噪聲放大器(LNA)的射頻(RF)系統(tǒng)的一個實 施例的示意圖。
[0007] 圖2是根據(jù)一個實施例的多模式LNA系統(tǒng)的示意圖。
[0008]圖3是根據(jù)一個實施例的RF子系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。
[0009]圖4是根據(jù)一個實施例的多模式LNA的第一 LNA級的電路圖。
[0010] 圖5是根據(jù)一個實施例的多模式LNA的第二LNA級的電路圖。
[0011] 圖6是多模式LNA的增益對頻率的一個示例的曲線圖。
[0012]圖7是多模式LNA的噪聲系數(shù)(NF)對頻率的一個示例的曲線圖。
[0013] 圖8是多模式LNA的增益對輸入功率的一個示例的曲線圖。
[0014] 圖9是根據(jù)另一實施例的多模式LNA的第一級的電路圖。
【具體實施方式】
[0015] 某些實施例的以下詳細描述中提出本發(fā)明的具體實施例的各種描述。然而，本發(fā) 明可以以許多不同方式體現(xiàn)，如由權(quán)利要求書定義和涵蓋。在本描述中，參考了附圖，其中 類似的參考數(shù)字可以指示相同或功能相似的元件。
[0016] 低噪聲放大器(LNA)用于放大相對較弱的信號，諸如由天線捕捉的射頻(RF)信號。 噪聲系數(shù)和線性是LNA的重要性能特征。噪聲系數(shù)是LNA的性能的度量，其以信號-噪聲比表 征。線性度也是LNA的性能的重要指標，因為線性可影響失真。LNA的線性可以各種不同的方 式測量，其中包括例如使用壓縮點和/或截點。
[0017] LNA可固有受到噪聲系數(shù)和線性之間的折衷。然而，噪聲系數(shù)和線性可以是期望的 參數(shù)。
[0018] 當射頻(RF)輸入信號功率電平相對較低時，例如低于-30dBm，也可以期望LNA操作 更高的增益和更好的噪聲系數(shù)。然而，當RF輸入功率電平是比較高時，例如大于20dBm，也可 以期望LNA操作較低增益和較高的線性以防止飽和。
[0019] 因此，需要一種低噪聲放大器，其包括較低噪聲操作的模式和較高線性操作的模 式。
[0020] 本文提供用于多模式低噪聲放大器(LNA)的裝置和方法。在某些配置中，射頻(RF) 系統(tǒng)包括多模式LNA，包括至少級聯(lián)電連接的第一放大級和第二放大級。RF系統(tǒng)進一步包括 模式控制電路，它接收模式選擇信號，并基于所述模式選擇信號控制第一和第二放大級的 偏置。模式控制電路操作多個模式之一的多模式LNA，包括其中LNA操作在更高增益和低噪 聲指數(shù)的第一模式，以及其中LNA操作在更低增益和更高線性的第二模式。使用模式選擇信 號控制多模式LNA的模式允許多模式LNA有利地實現(xiàn)低噪聲指數(shù)和高線性度的優(yōu)勢。在某些 配置中，LNA的模式可以是基于數(shù)字模式選擇信號的狀態(tài)而數(shù)字可選擇的。
[0021] 該模式控制電路可以操作在不同模式下具有不同偏置條件的多模式LNA的放大 級，以通過模式選擇獲得低噪聲和高線性度。在一個實施例中，模式控制電路控制第一放大 級的增益為第一模式中的第一高增益量和第二模式中的第一低增益量，并控制第二放大級 的增益為第一模式中的第二低增益量和第二模式中的第二高增益量。
[0022]圖1是根據(jù)一個實施例包括多模式低噪聲放大器(LNA)4的射頻系統(tǒng)10的一個實施 例的示意圖。
[0023]盡管RF系統(tǒng)10示出包括多模式LNA的電子系統(tǒng)的一個示例，多模式LNA可以用于電 子系統(tǒng)的其它配置。另外，雖然組件的具體配置示于圖1，RF系統(tǒng)可適于或修改為各種各樣 的方式。例如，RF系統(tǒng)10可以包括更多或更少的接收和/或發(fā)送路徑。此外，RF系統(tǒng)10可以被 修改成包括更多或更少的組件和/或組件的不同布置，包括例如另外的多模式LNA。
[0024] 在圖示的結(jié)構(gòu)中，RF系統(tǒng)10包括基帶處理器1、I/Q調(diào)制器2、I/Q解調(diào)器3、過濾器5、 功率放大器6、天線開關(guān)模塊7、多模式低噪聲放大器4、模式控制電路8和天線9。
[0025]如圖1所示，基帶處理器1產(chǎn)生同相（I)發(fā)送信號和正交相位(Q)發(fā)送信號，該信號 被提供給I/Q調(diào)制器2。另外，基帶處理器1從I/Q解調(diào)器3接收I接收信號和Q接收信號。I和Q 發(fā)射信號對應于的正弦波的信號分量或特定幅度、頻率和相位的發(fā)射信號。例如，I發(fā)射信 號和Q發(fā)射信號分別表示同相正弦分量和正交相位正弦分量，可以是發(fā)射信號的等效表示。 此外，I和Q接收信號對應于特定幅度、頻率和相位的接收信號的信號分量。
[0026]在某些實施方式中，I發(fā)射信號、Q發(fā)射信號、I接收信號和Q接收信號可以是數(shù)字信 號。另外，基帶處理器1可以包括數(shù)字信號處理器、微處理器或它們的組合，用于處理數(shù)字信 號。
[0027] I/Q調(diào)制器2從基帶處理器1接收I和Q發(fā)射信號并處理它們，以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的RF信 號。在某些配置中，I/Q調(diào)制器2可以包括:DAC，經(jīng)配置成將所述I和Q信號轉(zhuǎn)換成模擬格式； 混頻器，用于上變頻I和Q發(fā)射信號至射頻；以及信號組合器，用于組合經(jīng)上變頻的I和Q信號 到調(diào)制的RF信號。
[0028]過濾器5從I/Q調(diào)制器2接收調(diào)制的RF信號，并提供經(jīng)濾波的RF信號到功率放大器6 的輸入端。在某些配置中，過濾器5可以是經(jīng)配置以提供帶過濾的帶通濾波器。然而，取決于 應用，過濾器5可以是低通濾波器、帶通濾波器或高通濾波器。
[0029]功率放大器6可以放大濾波后的RF信號，以生成放大的RF信號，該信號被提供給天 線開關(guān)模塊7。天線開關(guān)模塊7進一步電連接到天線9和到多模式LNA 4的輸入。天線開關(guān)模 塊7可用于選擇性地連接天線9到功率放大器6的輸出或多模式LNA 4的輸入。
[0030] 在圖示的配置中，多模式LNA 4包括第一LNA級4a和第二LNA級4b上。在圖示的配置 中，第一和第二LNA級4a和4b級聯(lián)電連接，使得階段共同提供低噪聲放大。雖然圖1示出多模 式LNA包括兩個階段的結(jié)構(gòu)，但多模式LNA可包括其它數(shù)量的級。
[0031] 使用模式控制電路8,多模式LNA 4可操作在多個操作模式的一種。在圖示的配置 中，第一LNA段4a從模式控制電路8接收第一控制信號，以及第二LNA級4b從模式控制電路8 接收第二控制信號。第一和第二控制信號分別控制第一和第二LNA級4a和4b的偏置。在某些 配置中，通過模式控制電路8提供的第一和第二控制信號是數(shù)字信號，并且基于所述第一和 第二控制信號的狀態(tài)設置多模式LNA 4的操作模式。
[0032]多模式LNA 4對從天線開關(guān)模塊7的接收信號提供放大。在第一或低噪聲模式中， 第一 LNA級4a可被偏壓以操作更高的增益，而第二LNA級4b可偏置以在較低的增益工作。以 這種方式控制多模式LNA 4可以提供優(yōu)越的噪聲系數(shù)，適于放大具有相對低的輸入功率電 平的接收信號，例如低于_30dBm。此外，在第二或高線性模式下，第一 LNA段4a可被偏壓以在 較低的增益操作，而第二LNA級4b可被偏壓以在較高的增益工作。以這種方式控制多模式 LNA 4可提供改進的線性度，適于放大具有相對較高的輸入功率電平的接收信，例如大于-20dBm〇
[0033] I/Q解調(diào)3可用于產(chǎn)生I接收信號和Q接收信號，如前面所描述。在某些配置中，I/Q 解調(diào)器3可以包括一對混頻器，用于混合衰減的接收信號和大約90度異相的一對時鐘信號。 此外，混頻器可以產(chǎn)生下變頻信號，其可以被提供到用于產(chǎn)生I和Q接收信號的ADC。
[0034] RF系統(tǒng)10可用于使用多種通信標準發(fā)送和/或接收RF信號，其中例如包括全球移 動通信系統(tǒng)(GSM)、碼分多址(CDMA)、寬帶CDMA(W-CDMA)、長期演進(LTE)、36、36??、46和/或 增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進(EDGE)以及其它專有和非專有的通信標準。
[0035]在一個實施例中，RF系統(tǒng)10包括雷達傳感器芯片，諸如在運動傳感器應用中所用 的那些。
[0036]圖2是根據(jù)一個實施例的多模式LNA系統(tǒng)200的示意圖。如圖2所示，多模式LNA系 統(tǒng)200包括多模式LNA 202，它放大在輸入端口RFirJ:接收的的信號，并在輸出端口上產(chǎn)生放 大信號RFcmt。此外，多模式LNA系統(tǒng)200包括模式控制電路210，它根據(jù)模式控制信號MODE控 制多模式LNA 202的偏置。
[0037]在某些配置中，模式控制信號MODE可以是定義兩種狀態(tài)的二進制信號，高線性模 式和低噪聲的模式。在其它配置中，模式控制信號MODE可以是限定三個或更多狀態(tài)的多比 特數(shù)字信號或控制矢量。例如，可存在對應于高線性模式、一個或多個中間模式和低噪聲模 式的狀態(tài)。在一個實施例中，在中間模式下操作的多模式LNA具有高線性模式和低噪聲模式 之間的線性，和高線性模式和低噪聲模式之間的噪聲系數(shù)。
[0038]相應地，多模式LNA系統(tǒng)200可用于提供關(guān)噪聲性能和線性性能之間的所需均衡， 它在某些實施例中可以是數(shù)字選擇的。因此，多模式LNA系統(tǒng)200可具有可控噪聲與線性特 性。以這種方式配置的多模式LNA系統(tǒng)200允許多模式LNA系統(tǒng)200用于和各種不同的噪聲或 線性度指標關(guān)聯(lián)的應用，這反過來又可以通過避免為具有特定噪聲或線性度規(guī)范的每個應 用制造單獨的LNA系統(tǒng)而降低制造和/或設計成本。
[0039]在一個實施例中，多模式LNA系統(tǒng)200包括可編程存儲器，并且判定多模式LNA工作 哪個模式是基于在可編程存儲器中存儲的數(shù)據(jù)。例如，在特定的配置中，可編程存儲器可以 是易失性存儲器，經(jīng)編程以在加電或打開期間包括對應于選中LNA工作模式的數(shù)據(jù)和/或在 操作期間編程數(shù)據(jù)。在其它配置中，可編程存儲器可以是非易失性存儲器，包括例如閃速存 儲器，只讀存儲器(R0M)，熔絲和/或抗熔絲實現(xiàn)的存儲器，和非易失性存儲器可以在制造過 程中以數(shù)據(jù)進行編程。在該配置中，包括多模式LNA系統(tǒng)200的集成電路可以通過編程可編 程存儲器具有適合于特殊應用的特定噪聲與線性性能而用于各種不同的應用。
[0040]在其它的配置中，基于期望的噪聲對線性特性，多模式LNA系統(tǒng)200的操作模式可 以隨著時間動態(tài)地改變。例如，功率檢測器可用于檢測輸入信號功率電平，和多模式LNA系 統(tǒng)200的操作模式可以基于所檢測的信號功率電平進行設置。例如，當輸入信號功率電平相 對較低時，多模式LNA系統(tǒng)200的操作模式可以被設置，以提供更高增益和更好的噪聲系數(shù)。 此外，當RF輸入功率電平相對高時，多模式LNA系統(tǒng)200的操作模式可以被設置，以提供較低 的增益和更高的線性。
[0041 ] 在圖示的配置中，多模的LNA 202包括第一LNA級204、第二LNA級206和串聯(lián)在多模 式LNA 202的輸入端口和輸出端口之間的第三LNA級208。如圖2所示，第一LNA級204從模式 控制電路210接收第一控制信號，第二LNA級從模式控制電路210接收第二控制信號，第三 LNA級從模式控制電路210接收第三控制信號。雖然圖2示出多模式LNA 202包括級聯(lián)電連接 的三個階段的結(jié)構(gòu)，本文的教導可應用于配置使用更多或更少的級。
[0042]多模式LNA系統(tǒng)200提供具有可控增益的低噪聲放大，適合于輸入信號RFin的功率 電平?；谀Ｊ娇刂齐娐?10的控制信號的狀態(tài)，每個所述LNA級可偏壓以具有高增益或用 低增益。控制信號用于控制多模式LNA級的偏壓以改變集體或總增益，且用于控制多模式 LNA 202的總增益的自由度可以基于控制信號的數(shù)量。
[0043]在一個實施例中，多模式LNA包括第一階段和第二階段，并且模式控制信號MODE是 二進制信號，用于設置多模式LNA或在低噪聲/高總增益模式或高線性/低總增益模式。在低 噪聲模式時，控制信號偏置所述多模式LNA的階段，使得第一級具有高增益和第二級具有低 增益，從而改進噪聲系數(shù)。在高線性模式中，控制信號偏置多模式LNA的階段，使得第一級具 有低增益和第二級具有高增益，從而改進線性度。
[0044] 雖然多模式LNA系統(tǒng)200示出多模式LNA 202具有第一級204、第二級206和第三級 208,但具有更多或更少級的其它構(gòu)造也是可能的。另外，根據(jù)到LNA級的數(shù)量，模式控制電 路210可以向多模式LNA 202提供更多或更少的控制信號。雖然圖2示出其中每個LNA的階段 具有可控制偏置的結(jié)構(gòu)，但在特定的配置中，多模式LNA包括具有固定或恒定偏壓的一個或 多個階段。
[0045]圖3是根據(jù)一個實施例的射頻子系統(tǒng)300的一個實施例的示意圖。射頻(RF)子系統(tǒng) 300包括多模式LNA 302、模式控制電路308和I/Q解調(diào)器312。多模式LNA 302放大由RF子系 統(tǒng)接收的輸入信號RFin 300，并提供差分輸出到I/Q解調(diào)器312。
[0046] 如圖3所示，多模式LNA 302包括第一LNA級304 (LNAl)和第二LNA級306 (LNA2)。第 一和第二LNA級304、306被布置為級聯(lián)，并用于放大由所述RF子系統(tǒng)300接收的RF輸入信號 RFin AF輸入信號RFin可對應于例如通過圖1的天線接收的天線接收信號。
[0047] 在一個實施例中，RF子系統(tǒng)300包括RF前端的一部分。例如，RF子系統(tǒng)300可對應于 微波雷達傳感器芯片的RF前端電路的部分，諸如在運動傳感器應用中使用的那些。
[0048] 在圖示的配置中，第一和第二LNA級304、306共同提供低噪聲放大。雖然圖3示出包 括兩級LNA結(jié)構(gòu)，本文的教導可適用于使用不同數(shù)目的階段的LNA。
[0049]多模式LNA 302可在多個操作模式中的一個進行操作。在圖示的配置中，模式可以 使用模式控制信號MODE數(shù)字化選擇。模式控制信號MODE可用于控制該第一和第二LNA級 304、306的偏置。
[0050]所示出的模式控制電路308包括逆變器310,使得第一和第二LNA級304、306接收模 式控制信號MODE的邏輯反轉(zhuǎn)的版本。模式控制電路308在逆變器310的輸入端接收模式控制 信號MODE。如圖所示，模式控制電路308提供第一控制信號給第一 LNA級304,并提供第二控 制信號給第二LNA級306。在所示實施例中，第一控制信號是模式選擇信號MODE，而第二控制 信號是模式選擇信號MODE的邏輯NOT。然而，其他配置是可能的。
[0051 ] 在圖示的配置中，第一LNA級304包括單端輸入和單端輸出，和第二LNA級306包括 單端輸入和差分輸出，提供放大的輸出信號RF+和放大的輸出信號RF-。然而，其他配置是可 能的。
[0052]在圖示的構(gòu)造中，第二LNA級306操作為平衡-不平衡變換器，其產(chǎn)生被提供給I/Q 解調(diào)器312的差分輸出信號。I/Q解調(diào)器312可用于下變頻差分輸出信號。例如，在一個實施 例中，I/Q解調(diào)器312包括接收本機振蕩器信號和通過多模式LNA 302生成的差分輸出信號 的混頻器。雖然圖3示出其中多模式LNA 302的第二低噪聲放大器級306提供放大的信號到 I/Q解調(diào)器的結(jié)構(gòu)，其他配置是可能的。例如，在另一個實施例中，多模式LNA提供經(jīng)放大的 輸出信號RF+和放大的輸出信號RF-到平衡混頻器，諸如吉爾伯特有源混頻器。
[0053]圖3中所示的多模式LNA 302可以在低噪聲模式和高線性模式之間控制。雖然圖3 示出其中多模式LNA 302在兩種模式之間是可配置的結(jié)構(gòu)，本文的教導也適用于使用附加 模式或設置操作的多模式LNA。
[0054]當模式控制信號MODE為邏輯低時，多模式LNA 302可被控制在低噪聲模式下操作。 例如，第一控制信號可以偏壓第一 LNA級304以操作相對高的偏置電流和高增益，而第二控 制信號可偏壓第二LNA級304以操作具有相對低的偏置電流和低增益。在低噪聲模式中，第 一和第二LNA級304、306的組合提供了相對高的總增益和更好的總噪聲系數(shù)。
[0055]當模式控制信號MODE為邏輯高時，多模式LNA 302可經(jīng)控制以在高線性模式下操 作。例如，在高線性模式，第一控制信號偏壓第一 LNA級304以操作相對低的偏置電流和低增 益，并且第二控制信號可以偏壓第二LNA級304以操作相對高的偏置電流和高增益。在高線 性模式中，第一和第二LNA級304、306的組合提供了相對低的總增益和更好的整體線性度。 [0056] RF子系統(tǒng)300的另外細節(jié)可以類似于之前所描述的那些。
[0057]圖4是根據(jù)一個實施例的多模式LNA的第一LNA級400的電路圖。第一LNA級400可對 應于第一 LNA級的一個實施例，用于圖1-3的多模式LNA，諸如圖3的第一 LNA級304。但是，多 模式LNA可以使用其他LNA級的配置實施。
[0058] 第一 LNA級400包括偏置電路402和共源共柵LNA芯404。配置電路402接收模式控制 信號MODE，它可以用于控制級聯(lián)LNA芯404的偏置。
[0059] 偏置電路402包括電阻器418,二極管412,電阻器410和串聯(lián)電連接在接地或電源 低電源Vl和電源高電源Vcc之間的電阻器408。電阻器408電連接在電源高電源Vcc和電阻器 的第一端之間410。電阻器410的第二端被電連接到二極管412的陽極，其被連接到配置為接 收輸入信號RFIN的輸入端口。此外，電阻器418電連接在電源低電源Vl和二極管412的陰極 之間。
[0060] 偏置電路402還包括η型場效應晶體管(NFET)416,電阻器406和電阻器414。電阻器 406電連接在被配置成接收控制信號MODE的控制輸入端口和NFET 416的柵極之間。以這種 方式，模式控制信號MODE控制NFET 416的柵極電壓。此外，如圖4所示，電阻器414電連接在 NFET 416的漏極和二極管412的陰極之間，和NFET 416的源極電連接到電源低電源Vl。當 NFET 416的柵極控制為高時，NFET 416導通，使得電阻器414并聯(lián)電阻器418工作。當NFET 416的柵極控制為低，該NFET 416是打開的，使得電阻器414不并聯(lián)于電阻418。
[0061 ]因此，模式控制信號MODE的狀態(tài)控制二極管412的陰極和功率低電源Vl之間的電 阻的量，從而控制第一 LNA級400的偏置。雖然已示出使用一個模式控制信號控制偏壓的一 個實施方式，可以以各種各樣的方式進行控制LNA級的偏置。
[0062] 該級聯(lián)LNA芯404包括電感器432、電感器422、電阻器434、電阻器420、電阻器424、 電容器436、電容器426、NPN雙極結(jié)晶體管(NPN BJT)428和NPN雙極結(jié)晶體管(NPN BJT)430。 雖然第一LNA級400使用共源共柵的LNA芯404，其他配置是可能的。如本領域的普通技術(shù)人 員可理解的，第一LNA級400可以使用其它的配置來設計，諸如未經(jīng)級聯(lián)的公共源或公共漏 極配置。
[0063]此外，如本領域的普通技術(shù)人員可以理解:級聯(lián)LNA芯的電路元件可被選擇以滿足 性能規(guī)范，包括阻抗匹配、穩(wěn)定性和/或增益要求嗎，和示出的電路元件的組合不是限制性 的。在非限制性的例子中，電感器422和432可以被替換或設計有帶狀線。
[0064] 如圖4所示，電感器422和電阻器420串聯(lián)電連接在電源高電源Vcc和NPN 428的集 電極之間。電容器426電連接在NPN BJT 428和集電極之間，輸出端口被配置為提供層疊 LNA 芯404的輸出信號RFcmt。另外，電阻器424電連接在NPN BJT 428的基極和電阻410的第一端。 再有，電容器436被電連接在電阻410的第一端和功率低電源Vl之間。另外，如圖所示，電感 432和電阻器434串聯(lián)電連接在NPN BJT 430的發(fā)射極和低電源Vl之間。
[0065] 繼續(xù)參考圖4，NPN BJT 430和NPN BJT 428級聯(lián)電連接NPN BJT 428的發(fā)射極，其 電連接NPN BJT430的集電極。NPN BJT430的基極電連接到輸入端口，使得NPN BJT430操作 作為有效放大設備，接收低噪聲放大器級聯(lián)芯404內(nèi)的輸入信號RFin JPN 428的基極接收 來自電阻器的第一端的偏置電壓410,使得NPN 428操作為共源共柵設備。
[0066] 另外，如圖4所示，偏置電路402可控制在NPN BJT 430和NPN BJT 428的DC電平工 作點。如本領域的普通技術(shù)人員可理解的，當描述NPN BJT 430和NPN BJT 428的DC電平工 作點時，參考也可以使"偏置電平"、"偏壓"、"偏壓"和/或"偏置電流"。
[0067] 二極管412的陽極的電壓用于控制NPN BJT 430的基極的偏壓。當NPN BJT 430的 基極的偏壓比較高時，NPN BJT 430可以操作高偏置電流和相應的高增益。相反，當NPN BJT 430的基極的偏置電壓是比較低時，NPN BJT 430可以操作低偏置電流和相應的低增益。 [0068]控制偏壓（也被稱為"偏置"）在本實施例中通過模式控制信號實現(xiàn)，其控制NFET 416以作為開關(guān)操作。當模式控制信號MODE為邏輯低時，第一NFET 416被關(guān)斷，且偏置電路 402偏壓NPN BJT 430的基極以操作高偏置電流和高增益工作。然而，當模式控制信號MODE 為邏輯高時，第一NFET 416被接通，并且電阻器414與第一電阻器并聯(lián)操作。降低二極管412 的陰極和功率低電源Vl之間的電阻操作以降低NPN BJT 430的基極偏置電壓，從而降低第 一 LNA級400的偏置電流和增益。
[0069] 雖然圖4示出用于多模式LNA級的增益控制的一個實施例，其它配置是可能的。
[0070] 圖5是根據(jù)一個實施例500的多模式LNA的第二LNA級的電路圖。
[0071] 第二LNA級500對應于第二LNA級的一個實施例，用于圖1-3的多模式LNA，諸如圖3 的第二LNA級306。然而，多模式LNA可以使用LNA級的其它配置實現(xiàn)。
[0072] 第二LNA級500包括偏置電路502,和差分LNA芯504。偏壓電路502接收模式控制信 號MODE，它可用于控制差分級聯(lián)LNA芯504的電壓偏置。
[0073] 偏置電路502包括電阻器518、二極管512、電阻器511、電阻器510和串聯(lián)電連接在 接地或電源低電源Vl和電源高電源Vcc之間的電阻器508。電阻器508電連接在功率高電源 Vcc和電阻器510的第一端之間。電阻器511電連接在電阻器510的第二端和二極管512的陽 極之間。另外，電阻器518電連接在電力低電源Vl和二極管512的陰極之間。
[0074] 偏置電路502進一步包括η型場效應晶體管(NFET)516,電阻器506和電阻器514。電 阻器506電連接在經(jīng)配置為接收模式控制信號MODE的控制輸入口和NFET 516的柵極之間。 以這種方式，模式控制信號MODE控制NFET 516的柵極。同樣，如圖5所示，電阻器514電連接 在NFET 516的漏極和二極管512的陰極之間；和NFET 516的源極被電連接到功率低電源VI。 當NFET 516的柵極電壓被控制為高時，NFET 516導通，使得電阻器514并聯(lián)電阻器518工作。 當NFET 516的柵極電壓被控制為低時，NFET 516是打開的，使得電阻器514不并聯(lián)電阻518。 [0075]因此，模式控制信號MODE的狀態(tài)控制二極管512的陰極和功率低電源Vl之間的電 阻的量，從而500。雖然已示出使用模式控制信號控制偏壓的一個實施方式，LNA級的偏置可 以以各種各樣的方式進行控制。
[0076] 該級聯(lián)LNA芯504包括電阻器534、電阻器524、電阻器525、電阻器520、電阻器521、 電容器536、NPN雙極結(jié)晶體管（NPN BJT)528、NPN BJT 529、NPN BJT 530、NPN BJT 531 和 NPN BJT 532。雖然第二LNA級500使用差分LNA芯504,其他配置是可能的。如本領域的普通 技術(shù)人員可理解的，第二LNA級500可以使用其它的配置來設計，諸如共發(fā)射極或公共的集 電極配置。
[0077] 如圖5中所示，NPN BJT 530和NPN BJT 531被連接為差分對；還如示出，NPN BJT 530的基極電連接到所述第二LNA級500的輸入端口，并且被配置為接收輸入信號RFin。在 NPN BJT 528和NPN BJT 529以共源共柵結(jié)構(gòu)電連接差分對，從而可以改進差分增益。NPN BJT 528的集電極電連接到反相輸出端口，而NPN BJT 529的發(fā)射極電連接到NPN BJT 530 的集電極。類似地，NPN BJT 529的集電極電連接到非反相輸出端，而NPN BJT 531的發(fā)射極 電連接到NPN BJT 531的集電極。以這種方式，差分輸出信號被提供作為在非反相輸出口的 輸出信號OUT+和在反相輸出端的輸出信號OUT-之間的差。電阻器520電連接電源高電源Vcc 和反相輸出端口之間的負載電阻器，而電阻器521電連接電源高電源Vcc和非反相輸出端之 間的負載電阻。
[0078] 另外，如圖5所示，NPN BJT 532和電阻器534串聯(lián)電連接在差動對與低電源Vl之 間，從而提供尾電流偏置。NPN BJT 530的發(fā)射極和NPN BJT 531的發(fā)射極電連接到NPN 532 的集電極，而電阻器534電連接在NPN 532的發(fā)射極和電源低電源Vl之間。
[0079] 偏置電路502連接到差分級聯(lián)LNA芯504,以便控制配置或差分共射共基LNA芯504 的DC電平工作點。
[0080]在此實施例中，偏壓是通過連接到每個NPN BJT的基極實現(xiàn)。如圖5所示，NPN BJT 528的基極和NPN BJT 529的基極電連接到電阻器510的第一端。以這種方式，電阻器510的 第一端提供偏置電壓Vbl到NPN BJT 528和529的基極。在本實施例中，偏置BJT NPN 530和 NPN BJT 531通過電阻器524和電阻器525實現(xiàn)。電阻524電連接在電阻510的第二端和NPN BJT 530的基極之間，而電阻器525電連接在電阻器510的第二端和NPN BJT 531的基極之 間。以這種方式，電阻器510的第二端提供偏置電壓Vb2到NPN BJT 530和531的基極。也如圖 所示，電容器536電連接在NPN 531的基極和低電源Vl之間。此外，NPN BJT 532的基極電連 接到二極管512的陽極，以實現(xiàn)與NPN BJT530和531的差分對關(guān)聯(lián)的尾電流偏置。以這種方 式，二極管的陽極512提供偏置電壓Vb3到NPN 532的基極。
[0081 ] 偏置電壓Vbl-VB3可通過模式控制信號MODE控制，其控制NFET 516作為開關(guān)操作。 當模式控制信號MODE為邏輯低時，第一NFET 516被關(guān)閉，和偏置電壓Vbl-VB3被提供給差分 級聯(lián)LNA芯504,使得在NPN BJT528-532操作高偏置電流。以這種方式，差動級聯(lián)LNA芯操作 高增益。然而，當模式控制信號為邏輯高時，第一NFET 516被接通，和第四電阻器514與第一 電阻器并聯(lián)操作。降低二極管512的陰極和功率低電源Vl之間的電阻操作以減小偏置電壓 Vbl-Vb3。以這種方式，偏置電流被降低，和差分級聯(lián)LNA芯504操作更低的增益。
[0082]雖然圖5示出用于第二LNA級500的增益控制的一個實施例，其它配置是可能的。如 本領域的普通技術(shù)人員可理解的，差分級可以使用包括差分級而不包括共射共基或具有附 加電路元件(諸如，電感)的其他配置來設計。
[0083 ]圖6是使用如圖4所示的第一 LNA級的圖3的多模式LNA和圖5所示的第二LNA級的一 個實施方式的增益與頻率的一個示例的曲線圖600。曲線圖600對應于多模式LNA的一個實 施例的電路仿真的的結(jié)果。然而，其他的結(jié)果是可能的。
[0084]該圖600包括：多模式LNA的高線性模式的增益對頻率的曲線圖602,以及多模式 LNA的低噪聲模式的增益對頻率的曲線圖604。如圖6所示，多模式LNA的增益隨著模式變化。 此外，相對于高線性模式，多模式LNA的總增益大于低噪聲模式。
[0085]圖7是多模的LNA的噪聲指數(shù)(NF)與頻率的一個示例的曲線圖700。圖700對應于與 圖6相關(guān)的多模式LNA的電路模擬的結(jié)果。然而，其他結(jié)果都是可能的。
[0086]該圖700包括:在多模式LNA的高線性模式中噪聲系數(shù)對頻率的曲線圖702，和在多 模式LNA的低噪聲模式中噪聲系數(shù)對頻率的曲線圖704。如圖7所示，相對于高線性模式，多 模式LNA的噪聲系數(shù)在低噪聲模式中較低。
[0087]如由6和圖7的圖600和700的比較所示，多模式LNA是在和低噪聲系數(shù)和更高增益 相關(guān)聯(lián)的低噪聲模式以及和高噪聲系數(shù)和低增益相關(guān)聯(lián)的高線性模式之間可配置的。因 此，在該配置中，多模式LNA的噪聲系數(shù)和增益可以進行數(shù)字選擇或控制。
[0088]圖8是多模式LNA的增益對輸入功率的一個示例的曲線圖800。曲線圖800對應于電 路仿真的結(jié)果，用于與圖6和7相關(guān)聯(lián)的多模式LNA。然而，其他結(jié)果是可能的。
[0089]該圖包括:多模式LNA的高線性模式的增益與輸入功率的圖804,和多模式LNA的低 噪聲模式的增益與輸入功率的曲線802。如圖8所示，多模式LNA的1分貝增益壓縮點隨著模 式變化。因此，多模式LNA在高線性模式相對于所述低噪聲模式具有更好的線性度。
[0090] 在這個例子中，高線性模式的1分貝增益壓縮點808為約8.5dB，高于低噪聲模式的 1分貝增益壓縮點806。
[0091] 如設計LNA的普通技術(shù)人員可以理解地，圖6-8的結(jié)果特定于一個示例實施方式， 和取決于實現(xiàn)，其他結(jié)果是可能的。
[0092] 僅為了說明的目的，與圖6-8相關(guān)聯(lián)的多模式LNA的電流的一個示例示于下表1。
[0093] 表格 1
[0095]該表包括階段的多模式LNA的電流的細目。例如，"LNA1"可對應于多模式LNA的第 一 LNA級的模擬電流，和"LNA2"可對應于多模式LNA的第二LNA級的模擬電流。如示于表1，相 對于高線性模式，多模式LNA在低噪聲模式具有更高的總電流。另外，第一級的偏置電流在 低噪聲模式中高于在高線性模式中。此外，第二級的偏置電流在高線性模式中高于在低噪 聲模式中。
[0096]如由圖6-8和表1的比較示出，LNA的模式可以被設置為第一模式以提供高的總增 益和更好的總噪聲系數(shù)，或到第二模式以提供較低的總增益和更好的整體線性度。
[0097]雖然圖6-8和表1示出其中多模式LNA是兩種模式之間可配置的結(jié)構(gòu)，本文的教導 也適用于操作附加模式或設置的多模式LNA。
[0098]圖9是根據(jù)另一實施例的多模式LNA 900的第一級的電路圖。多模式LNA級900包括 偏置電路902、低噪聲放大器級聯(lián)芯904和模式控制電路905。偏置電路902和共源共柵LNA芯 904相似于圖4的偏置電路402和共射共基LNA芯404。在圖9的實施例中，多模式LNA級900類 似于圖4的多模式LNA級，所不同的是，多模式LNA級900包括NPN BJT 430的發(fā)射極和電源低 電源Vl之間的阻抗的不同配置。
[0099] 例如，如圖9所示，電阻器931、電感器932和電感器933串聯(lián)電連接在NPN BJT 430 的發(fā)射極和電源低電源Vl之間。此外，NFET 938并聯(lián)電連接電感器933。如圖9所示，NFET 938的漏極電連接到電感器933的第一端，和NFET 938的源極被電連接至電感器933的第二 端。
[0100]另外，多模式LNA 900包括模式控制電路905。模式控制電路905包括逆變器940,其 具有電連接到NFET 416的柵極的輸入和電連接到柵極NFET 938的輸出。以這種方式，逆變 器使用模式控制信號MODE的反相版本控制所述NFET 938的柵極。
[0101] 因此，當模式控制信號MODE為邏輯高時，NFET 938可以關(guān)閉，并且電感器933可在 NPN BJT 430的發(fā)射極和電源低電源Vl之間的電路徑中進行操作。然而，當模式控制信號是 邏輯低時，NFET 938可以打開以繞過電感器933。
[0102] 因此，圖示的配置提供多模式LNA級，其中發(fā)射極退化阻抗的電感值隨著模式變 化。通過切換NPN BJT 430的發(fā)射極退化阻抗的電感值，高線性模式的增益可以被降低，從 而在高線性模式中改進1分貝增益壓縮點(PldB的)和線性。
[0103] 盡管對NPN BJT 430的射極負反饋阻抗示出為使用電感器和電阻器，其它配置是 可能的。
[0104] 應用
[0105] 采用上述多模式LNA的設備可以實施為各種電子設備。電子設備的示例可以包括 (但不限于)消費電子產(chǎn)品、消費者電子產(chǎn)品的部分、電子測試設備等。電子設備的例子也可 以包括光網(wǎng)絡或其它通信網(wǎng)絡的電路。消費電子產(chǎn)品可包括(但不限于)汽車、攝像機、照相 機、數(shù)碼相機、便攜式存儲器芯片、洗衣機、烘干機、洗衣機/干衣機、復印機、傳真機、掃描 儀、多功能外圍設備等。此外，電子設備可以包括未完成的產(chǎn)品，包括用于工業(yè)、醫(yī)療和汽車 應用。
[0106] 前面的描述和權(quán)利要求中可以指元件或特征為被"連接"或"耦合"在一起。如本文 所使用的，除非明確聲明，否則，"連接"意指一個元件/特征是直接或間接地連接到另一元 件/特征，并且不一定是機械連接。同樣地，除非明確聲明，否則"耦合"意指一個元件/特征 直接或間接地耦合到另一個元件/特征，并且不一定是機械連接。因此，盡管圖中所示的各 種原理圖描繪元件和組件的示例布置，附加中間元件、設備、特征或可以存在于實際的實施 例中（假設所描繪的電路的功能性沒有被不利影響）。
[0107] 盡管已經(jīng)在某些實施例中描述本發(fā)明，對于普通技術(shù)人員是顯而易見的其他實施 例也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，包括不提供本文所闡述的所有特征和優(yōu)點的實施例。此外，上述 的各種實施方式可被組合以提供進一步的實施方式。此外，在一個實施例的上下文中所示 的某些特征可以也合并到其他實施例中。因此，本發(fā)明的范圍僅通過參考所附權(quán)利要求限 定。
【主權(quán)項】
1. 一種低噪聲放大系統(tǒng)，包括： 多模式低噪聲放大器(LNA)，包括兩個或更多個放大級，其中所述兩個或更多個放大級 包括以級聯(lián)電連接的第一放大級和第二放大級;和 模式控制電路，配置成接收模式選擇信號，其中，所述模式控制電路被配置為基于所述 模式選擇信號的狀態(tài)控制所述多模式LNA為從多個的模式中選擇的選中模式，其中所述多 個模式包括第一模式和第二模式， 其中，相對于第二模式，多模式LNA在第一模式中操作在更低的噪聲系數(shù)和更大的總增 益，和 其中，相對于第一模式，多模式LNA在第二模式中操作在更高的線性。2. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大系統(tǒng)，其中，所述模式控制電路被配置為通過控制所 述第一放大級的偏置條件和通過控制所述第二放大級的偏置條件來控制多模式LNA為選中 模式。3. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大系統(tǒng)，其中，所述多模式LNA包括電連接在級聯(lián)多模 式LNA的輸入和多模式LNA的輸出之間的至少三個放大級。4. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大系統(tǒng)，其中，所述多個模式進一步包括第三模式，其 中，相對于第二模式，所述多模式LNA在第三模式中操作更低的噪聲系數(shù)，其中，相對于第三 模式，所述多模式LNA在第一模式中操作較低的噪聲系數(shù)，其中，相對于第一模式，所述多模 式LNA在第三模式中操作在更高的線性，其中，相對于第三模式，所述多模式LNA在第二模式 中操作在更高的線性。5. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大系統(tǒng)， 其中，所述第一放大級包括第一雙極型晶體管， 其中，所述模式控制電路被進一步配置成基于所選擇的模式改變所述第一雙極晶體管 的偏置電流。6. 如權(quán)利要求5所述的低噪聲放大系統(tǒng)， 其中，所述第一放大級包括第二雙極型晶體管， 其中，所述模式控制電路被進一步配置成基于選中模式改變第二雙極晶體管的偏置電 流。7. 如權(quán)利要求5所述的低噪聲放大系統(tǒng)，其中，所述第一放大級進一步包括電連接到第 一雙極晶體管的發(fā)射極的變性阻抗，其中，所述模式控制電路被進一步配置為基于選中模 式控制所述發(fā)射極負反饋阻抗的阻抗值。8. 如權(quán)利要求5所述的低噪聲放大系統(tǒng)，其中，所述模式控制電路被進一步配置以基于 控制電連接在第一雙極晶體管的發(fā)射極和第一電壓之間的電感量而控制阻抗值。9. 如權(quán)利要求5所述的低噪聲放大系統(tǒng)，其中，所述第一放大級還包括在共源共柵電連 接所述第一雙極晶體管的第二雙極晶體管。 I 〇. -種射頻(RF)系統(tǒng)，包括： 包括兩個或更多個放大級的多模式低噪聲放大器(LNA)，其中所述兩個或多個放大級 包括級聯(lián)電連接的第一放大級和第二放大級;和 模式控制電路，配置成接收模式選擇信號，其中，所述模式控制電路被配置為基于所述 模式選擇信號的狀態(tài)而控制所述多模式LNA為從多個模式選擇的選中模式，其中所述多個 模式包括第一模式和第二模式， 其中，所述模式控制電路被配置為控制所述第一放大級的增益為第一模式中的第一高 增益量和在第二模式中的第一低增益量，以及其中，所述模式控制電路被進一步配置為控 制第二放大級的增益為第一模式中的第二低增益量和在第二模式中的第二高增益量，其 中，所述第一高增益量大于所述第一低增益量，并且其中所述第二高增益量大于所述第二 低增益量。11. 如權(quán)利要求10所述的RF系統(tǒng)，其中，相對于所述第二模式，所述多模式LNA在第一模 式下操作較低的噪聲系數(shù)。12. 如權(quán)利要求11所述的RF系統(tǒng)，其中，相對于第一模式，所述多模式LNA在第二模式中 操作更高的線性。13. 如權(quán)利要求12所述的RF系統(tǒng)，其中，相對于第二模式，所述多模式LNA在第一模式中 操作更高的總增益。14. 如權(quán)利要求10所述的RF系統(tǒng)，其中，所述多模式LNA包括級聯(lián)電連接在多模式LNA的 輸入和多模式LNA的輸出之間的至少三個放大級。15. 如權(quán)利要求10所述的RF系統(tǒng)， 其中，第一放大級包括第一雙極型晶體管， 其中，所述模式控制電路被進一步配置成基于選中模式改變第一雙極晶體管的偏置電 流。16. 如權(quán)利要求15所述的RF系統(tǒng)， 其中，所述第一放大級包括第二雙極型晶體管， 其中，所述模式控制電路被進一步配置成基于選中模式改變第二雙極晶體管的偏置電 流。17. 如權(quán)利要求15所述的RF系統(tǒng)，其中，所述第一放大級進一步包括電連接到第一雙極 晶體管的發(fā)射極的變性阻抗，其中，所述模式控制電路被進一步配置為基于選中模式控制 所述發(fā)射極負反饋阻抗的阻抗值。18. 如權(quán)利要求15所述的RF系統(tǒng)，其中，所述模式控制電路被進一步配置以基于控制電 連接在第一雙極晶體管的發(fā)射極和第一電壓之間的電感量而控制阻抗值。19. 如權(quán)利要求15所述的RF系統(tǒng)，其中，所述第一放大級還包括在共源共柵電連接所述 第一雙極晶體管的第二雙極晶體管。20. -種低噪聲放大的方法，包括： 基于模式選擇信號的狀態(tài)，產(chǎn)生多個控制信號;和 使用所述多個控制信號，控制多模低噪聲放大器(LNA)為從多個模式選擇的選中模式， 其中，所述多模式LNA包括級聯(lián)電連接的多個放大級，其中，所述多個模式包括第一模式和 第二模式， 其中，控制所述多模式LNA為選中模式包括:使用多個控制信號，控制所述多個放大級 的偏置，使得相對于所述第二模式所述多模式LNA在第一模式中操作在更低的噪聲系數(shù)和 更大的總增益，并且使得相對于第一模式，所述多模式LNA在第二模式操作更高的線性。
【文檔編號】H03F1/26GK105915184SQ201610093328
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月19日
【發(fā)明人】C·張
【申請人】美國亞德諾半導體公司