CN103703677A - 通信系统中的射频放大器及控制其的方法 - Google Patents

Abstract

提供了通信系统中的射频(RF)放大器以及用于控制所述RF放大器的方法。所述RF放大器包括：输入单元，用于接收RF信号；共射共基放大器单元，用于根据所述RF放大器的增益来放大所述RF信号并且用于输出放大后的RF信号；负载单元，其连接到所述共射共基放大器单元；以及增益控制器，用于通过将基带中的阻抗转换成从RF频带观察到的阻抗来控制增益，所述增益控制器并联连接到所述负载单元。

Description

通信系统中的射频放大器及控制其的方法

技术领域

本发明涉及通信系统中的射频(RF)放大器及控制所述RF放大器的方法。更具体地，本发明涉及用于执行精细增益控制的RF放大器以及控制所述执行精细增益控制的RF放大器的方法。

背景技术

放大器应该提供适合于通过无线通信系统中的天线接收到的信号的增益，并且共同使用低噪声放大器(LNA)以提供适合的增益。

所述低噪声放大器可以是用于放大通过无线通信系统中的天线接收到的RF信号的放大器，并且所述低噪声放大器放大所接收到的信号从而可以在所期望的射频(RF)信号中产生较少噪声的同时获得期望的RF信号。为了获得所期望的RF信号，所述低噪声放大器应该提供充分可变的增益。下文中，将参照图1到图3描述在相关技术中的在低噪声放大器中提供可变增益的方法。

图1示意地图示了根据相关技术的通信系统中的低噪声放大器的内部结构。

参照图1，所述低噪声放大器包括输入单元110、共射共基放大器单元(cascode unit)120以及负载单元130。

诸如正(+)信号和负(－)信号的差分RF信号通过天线(未示出)被输入单元110接收且根据负载单元130的阻抗值而被放大，并且放大后的差分RF信号(+，－)通过共射共基放大器单元120输出。即，输入端101和103分别接收所述低噪声放大器的差分输入信号中的一个，并且输出端141和143输出放大后的差分输入信号。下文中，应当理解输入方中的“+”和“－”对应于所述输入端并且输出方中的“+”和“－”对应于输出端。

如上所述，为了从所接收到的RF信号获得期望的RF信号，所述低噪声放大器应该包括充分可变的增益，并且可以通过共射共基放大器单元120或者负载单元130的电路的改进来实现用于提供充分可变的增益的增益控制，如参照图2和图3更详细地描述的。

图2是根据相关技术的用于描述使用共射共基放大器单元的增益控制方法的电路图。

参照图2，更详细地示出图1的低噪声放大器的共射共基放大器单元120的示例。用于通过共射共基放大器单元120执行增益控制的低噪声放大器包括：晶体管端121，用于根据连接并施加到输入单元110和负载单元130的偏置电压(VBias)执行放大操作；第一增益控制器122a，其连接到晶体管端121的一端；以及第二增益控制器122b，其连接到晶体管端121的另一端。

第一增益控制器122a和第二增益控制器122b中的每一个包括涉及增益控制的N个晶体管TR_GC0到TR_GC(N-1)。在图2中示出的电路图中，RF信号被传送到根据外部电路(未示出)的控制选择的一个或多个晶体管，从而控制增益，因此可以确定RF输出信号的大小。

图3是根据相关技术的用于描述通过负载单元的增益控制方法的电路图。

参照图3，更详细地示出图1的低噪声放大器的负载单元130。用于通过负载单元130执行增益控制的低噪声放大器包括：第三增益控制器132a，其连接到共射共基放大器单元120的一端以控制RF信号的增益，并且所述低噪声放大器也包括：第四增益控制器132b，其连接到共射共基放大器单元120的另一端以控制所述RF信号的增益。第三增益控制器132a和第四增益控制器132b中的每一个包括：涉及增益控制的N个晶体管TR_GC0到TR_GC(N-1)；以及电阻器，R₀到R_(N-1)，所述电阻器中的每一个分别连接到晶体管TR_GC0到TR_GC(N-1)中的每一个的一端。

在图3中示出的电路图中，RF信号被传送到根据外部电路(未示出)的控制选择的至少一个晶体管，并且根据连接到至少一个所选择的晶体管的一端的相应电阻的电阻值来控制增益，因此可以确定RF输出信号的大小。

发明内容

技术问题

参照图2和图3所述的相关技术中的增益控制方法将N-1个附加的晶体管用于N个级的增益控制。因此，可能生成与多个增加的晶体管相对应的寄生分量，并且所生成的寄生分量可能导致RF放大器的频率特性、噪声特性、线性及其它特性的恶化。

因此，存在对于在不出现RF放大器能力的下降的同时控制增益的系统及方法的需要。

技术方案

本发明的各方面是至少解决上述问题和/或缺点，并至少提供下述的优点。因此，本发明的一个方面是提供通信系统中的射频(RF)放大器及控制它的方法。

此外，本发明的方面是提供能够在没有由于通信系统中的RF放大器内的寄生分量所导致的能力下降的情况下控制增益的RF放大器及控制它的方法。

此外，本发明的一个方面是提供能够在没有通信系统中的RF放大器能力的下降的情况下执行精细增益控制的RF放大器及控制它的方法。

可以通过下列示例性实施例和描述来理解要解决的其它技术问题。

依据本发明的一个方面，提供一种通信系统中的RF放大器，其包括用于接收RF信号的输入单元。所述放大器包括：共射共基放大器单元，用于根据RF放大器的增益来放大所述RF信号并且用于输出放大后的RF信号；负载单元，其连接到所述共射共基放大器单元；以及增益控制器，用于通过将基带中的阻抗转换成从RF频带观察到的阻抗来控制所述增益，所述增益控制器并联连接到所述负载单元。

依据本发明的另一个方面，提供一种控制通信系统中的RF放大器的方法。所述方法包括接收RF信号以及根据增益来放大所述RF信号，其中，通过将基带中的阻抗转换成从RF频带观察到的阻抗来控制所述增益。

根据本发明的一个方面，可以减少和/或避免由于寄生电容分量所导致的RF放大器能力的下降，并且可以实现通过执行从基带到RF带的阻抗转换的精细增益控制。

从以下结合附图的、公开了本发明的示例性实施例的详细描述中，本发明的其它方面、优点以及显著的特征对于本领域技术人员来说将变得明显。

有益技术效果

本发明的示例性实施例使得能够在任意适当的RF带中执行的精细增益控制。因为在基带中生成了可以忽略的寄生电容分量，所以更加精细或者颗粒度(granular)的阻抗控制是可能的，并且因此，放大器的精细的或者颗粒度的总增益控制是可能的。

附图说明

从下列结合附图的描述，本发明的某些示例性实施例的上述和其它方面、特征和优点将更加明显，附图中：

图1示意地图示了根据相关技术的通信系统中的低噪声放大器的内部结构；

图2是用于描述根据相关技术的使用共射共基放大器单元的增益控制方法的电路图；

图3是用于描述根据相关技术的通过负载单元的增益控制方法的电路图；

图4图示了根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器；

图5图示了根据本发明的示例性实施例的增益控制器；

图6图示了根据本发明的示例性实施例的可变电阻单元；

图7是图示根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器的电路图；以及

图8是示出根据本发明的示例性实施例的精细增益控制效果的模拟结果的示图。

贯穿附图，应注意到同样的参考数字用来描绘相同或类似的元件、特征和结构。

具体实施方式

提供下列参照附图的描述来帮助全面理解权利要求及其等效物所限定的本发明的示例性实施例。下列描述包括各种具体细节来帮助理解，但这些具体细节应被看作仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不会偏离本发明的范围和精神。此外，为清楚和简洁起见，可能省略对公知功能和构造的描述。

下列描述及权利要求中使用的术语和词汇不局限于文献学含义，发明人使用这些术语和词汇仅仅是为了使得能够清楚和一致地理解本发明。因此，对本领域技术人员来说，以下是明显的：下列对本发明示例性实施例的描述仅仅是出于举例说明的目的而提供的，并非为了对权利要求及其等效物所限定的发明进行限制。

应当理解，单数形式“一”、“一个”也包括复数指代，除非上下文明确地给出相反指示。因而，例如，当提到“一个组件表面”时，包括了一个或多个这样的表面。

本发明的示例性实施例描述了通信系统中的射频(RF)放大器及控制它的方法。根据本发明的示例性实施例所述的RF放大器可以被实现为低噪声放大器(LNA)、RF可变增益放大器(RFVGA)、激励放大器(Driver Amplifier，DA)或者任意其它适当类型的RF放大器。此外，虽然本发明的示例性实施例在这里被描述为低噪声放大器，但是本发明不局限于此。

如参照图2和图3所述，根据其中共射共基放大器单元或者负载单元控制低噪声放大器的增益的相关技术，低噪声放大器的性能特性可能被多个晶体管生成的寄生电容分量降低，这是因为在RF频带中生成相当大的寄生电容分量。同时，与所述RF频带比较，当考虑基带时，在基带中由于晶体管所导致的寄生电容分量是可以忽略的，并且本发明的示例性实施例包括通过使用基带中这样的特性来控制低噪声放大器的增益的方法。为此，本发明的示例性实施例通过将用于增益控制的电路配置为使得电路在基带中操作，并且通过将基带中的阻抗显现为或者好像是从RF频带观察到的阻抗来执行放大而不降低性能特性。

图4图示了根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器。

参照图4，所述低噪声放大器包括输入单元110、共射共基放大器单元120、负载单元130以及增益控制器140。

增益控制器140可以通过使用基带和RF频带之间的阻抗转换特性来控制增益。即，增益控制器140被配置成在所述基带中操作，并且通过控制基带中的阻抗来控制RF频带中的增益。换句话说，增益控制器140可以通过使用如从RF频带中观察到的、基带中的阻抗来控制增益。此外，总增益根据如从RF频带中观察到的、基带中的阻抗以及根据并联连接到所述增益控制器的负载单元的阻抗来确定。

如上所述，因为以可以忽略的水平生成了基带中的寄生电容分量，并且因此，由于所述寄生电容分量所导致的性能特性的恶化很小，即使用于精细增益控制的电阻阵列变大也是这样。根据本发明的示例性实施例，虽然多个增益控制级(step)被用于增益控制，但是可以执行更加精细的增益控制。下文中，将参照图5更详细地描述根据本发明的示例性实施例的用于控制低噪声放大器的增益的增益控制器140。

图5图示了根据本发明的示例性实施例的增益控制器。

参照图5，如图4中所示的根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器的增益控制器140被分离地图示，因为输入单元110、共射共基放大器单元120和负载单元130可以具有如参照图1到图4所述的结构，或者可以具有在相关技术中使用的任意适当的结构，并且这里将省略对它们的详细描述。

参照图5，增益控制器140包括无源混频器141以及可变电阻单元142。无源混频器141与有源混频器不同，不生成反向隔离，并且因此，在无源混频器141中，RF频带信号和基带信号相互影响。因此，当从边界线A1-A2观察时，基带中的阻抗好像被转换成当从无源混频器141的RF频带观察时的RF带中的阻抗。例如，当被输入到无源混频器141的本振信号LO1到LO4具有25%的占空比时，则作为从边界线A1-A2的下侧观察到的阻抗Z_in的RF频带中的阻抗可以被表示为如数学式1中所示。

[数学式1]

$Z_{\mathrm{in}}\left(s\right)=R_{\mathrm{sw}}+\frac{2}{{\mathrm{\π}}^2}\{Z_{\mathrm{BB}}(S-{\mathrm{jw}}_{\mathrm{LO}})+Z_{\mathrm{BB}}(s+{\mathrm{jw}}_{\mathrm{LO}})$

此时，R_SW表示无源混频器的导通电阻(on-resistance)，Z_BB表示基带阻抗，并且“s”表示包括包含在RF信号中的I信号和Q信号在内的复信号。同时，基带阻抗(Z_BB)可以被表示为如数学式2中所示。下文中，符号∥表示并联，R_BB表示可变电阻单元142的电阻值，并且C_BB表示用于滤波的电容。

[数学式2]

Z_BB＝R_BB//C_BB

参照数字式1，可以示出，如从RF频带观察到的阻抗Z_in根据基带阻抗Z_BB而改变。即，可以示出，当改变基带阻抗Z_BB时，如从RF频带观察到的阻抗Z_in根据基带阻抗Z_BB的改变而改变。

此外，如参照图4所述，因为增益控制器140并联连接到负载单元130，所以低噪声放大器的总阻抗Z_load可以被表示为如数学式3中所示。

[数学式3]

Z_load＝R_RF//Z_in

此时，R_RF表示负载单元130的电阻分量，并且Z_in表示如从RF频带观察到的阻抗。接下来，将参照图6更详细地描述根据本发明的示例性实施例的可变电阻单元142。

图6图示了根据本发明的示例性实施例的可变电阻单元。

参照图6，可变电阻单元142包括：彼此并联连接的N个电阻器，R₀到R_(N-1)；以及切换端142a，用于执行切换操作以从电阻器R₀到R_(N-1)之中选择一个或多个电阻器。切换端142a包括N个晶体管TR_GC0到TR_GC(N-1)，并且N个晶体管中的每一个分别串联连接到所述N个电阻器中的一个。切换端142a的切换操作通过从外部电路(未示出)施加的控制信号来执行。

可变电阻单元142的阻抗Z_BB通过根据切换端142a的切换操作所选择的一个或多个电阻器的电阻值和数学式2来确定。因此，可以计算可变电阻单元142的确定阻抗以及基带中的阻抗，即如从RF频带观察到的阻抗Z_in。所计算的阻抗Z_in被用来使用数学式3计算放大器的总阻抗Z_load，并且下面将进行描述。下文中，将参照图7更详细地描述根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器的整个结构。

图7是用于描述根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器的电路图。

参照图7，根据本发明的示例性实施例的低噪声放大器包括放大器111和增益控制器140。已经参照图5和图6描述了增益控制器140，所以这里将省略对它的详细描述。虽然图7中未示出，但是放大器111包括输入单元110、共射共基放大器单元120和负载单元130，如图4中所示，并且可以通过如参照图1到图4所述的一般电路来配置。

对于放大器111，IN+和IN－是I信道和Q信道的信号作为差分输入信号分别输入到的输入端，其中，所述I信道和所述Q信道被包括在通过天线(未示出)接收到的RF信号中。M1和M2是通过公共源极操作的晶体管，并且M3和M4是通过公用栅极操作的晶体管。同时，OUT+和OUT－是用于输出放大后的RF信号的输出端，并且R_RF是低噪声放大器的负载阻抗。

如上所述，增益控制器140中的阻抗转换导致基带阻抗Z_BB被转换成如从RF频带观察到的阻抗Z_in。因此，如从RF频带观察到的阻抗Z_in可以通过使用如数学式1中所示的基带阻抗Z_BB来表示。附加地，低噪声放大器的总阻抗Z_load通过使用阻抗Zin和负载单元130的电阻器R_RF的电阻值来如数学式3中所示地计算。所计算的总阻抗Z_load被用来根据数学式4计算放大器的总增益LNA_gain。

[数学式4]

LNA_gain＝G_m×(R_RF//Z_in)

此时，G_m指的是作为晶体管M1和M2的RF信号输入端的跨导。如上所述，根据本发明的示例性实施例，总阻抗通过使用如从基带阻抗所转换的RF带中的阻抗以及负载单元的电阻值来计算。因此，放大器的总增益通过使用所计算的总阻抗而获得。

图8是示出根据本发明的示例性实施例的精细增益控制效果的模拟结果的示图。

参照图8，在所期望的900MHz的RF频带中执行精细增益控制。然而，本发明不局限于此，并且可以在任意适当的RF频带中执行精细增益控制。因为在基带中生成了可以忽略的寄生电容分量，所以更加精细或者颗粒度的阻抗控制是可能的，并且因此，放大器的精细的或者颗粒度的总增益控制是可能的。图8中图示了根据本发明的示例性实施例的精细增益控制的结果。

尽管已经参照本发明的某些示例性实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，可以对本发明进行形式和细节上的各种改变，而不会脱离权利要求及其等效物所限定的本发明的精神和范围。因此，不能与本发明的技术想法或者方面分离地解释各种修改。

Claims (11)

1.一种通信系统中的射频(RF)放大器，所述RF放大器包括：

输入单元，用于接收RF信号；

共射共基放大器单元，用于根据增益放大所述RF信号并且用于输出放大后的RF信号；

负载单元，其连接到所述共射共基放大器单元；以及

增益控制器，用于通过将基带中的阻抗转换成从RF频带观察到的阻抗来控制所述增益，所述增益控制器并联连接到所述负载单元。

2.如权利要求1所述的RF放大器，其中，所述增益控制器控制基带中的阻抗以便控制所述增益。

3.如权利要求2所述的RF放大器，其中，所述增益根据如从RF频带观察到的、基带中的阻抗和所述负载单元的电阻值来确定。

4.如权利要求3所述的RF放大器，其中，所述增益根据公式LNA_gain＝G_m×(R_RF//Z_in)来确定，其中，LNA_gain表示增益，G_m表示RF信号输入端的跨导，R_RF表示所述负载单元的电阻值，并且Z_in表示基带中的阻抗。

5.如权利要求1所述的RF放大器，其中，所述增益控制器包括：

无源混频器，用于将本振信号和从所述输入单元接收到的RF信号进行混频；以及

一个或多个可变电阻单元，其具有由所述无源混频器的切换操作确定的电阻值。

6.如权利要求5所述的RF放大器，其中，所述可变电阻单元包括并联连接的N个电阻器从而N个级的增益控制是可能的，

其中，所述N个电阻器中的每一个分别对应于所述N个级中的一个。

7.如权利要求6所述的RF放大器，其中，所述可变电阻单元包括切换端，以用于执行从所述N个电阻器当中选择至少一个电阻器的切换操作。

8.一种控制通信系统中的射频(RF)放大器的方法，所述方法包括：

接收RF信号；以及

根据增益来放大所述RF信号，

其中，所述增益通过将基带中的阻抗转换成从RF频带观察到的阻抗来控制。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述增益通过控制基带中的阻抗来控制。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述增益根据从RF频带观察到的、基带中的阻抗和电阻值来确定。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述增益根据公式LNA_gain＝G_m×(R_RF//Z_in)来确定，其中，LNA_gain表示增益，G_m表示RF信号输入端的跨导，R_RF表示负载单元的电阻值，并且Z_in表示基带中的阻抗。

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