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CN106982032A - 用于载波聚集的具有基于变压器的信号分路的低噪声放大器 - Google Patents

用于载波聚集的具有基于变压器的信号分路的低噪声放大器 Download PDF

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CN106982032A CN201710202115.2A CN201710202115A CN106982032A CN 106982032 A CN106982032 A CN 106982032A CN 201710202115 A CN201710202115 A CN 201710202115A CN 106982032 A CN106982032 A CN 106982032A
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Abstract

公开了用于载波聚集的具有基于变压器的信号分路的低噪声放大器。在示例性设计中，一种装置(例如，无线设备、集成电路等)包括放大器电路、变压器、以及多个下变频器。该放大器电路接收并放大输入射频(RF)信号并提供经放大RF信号。该输入RF信号包括在处于不同频率的多个载波上发送给无线设备的传输。该变压器包括耦合到该放大器电路的初级线圈和提供多个输出RF信号的多个次级线圈。该多个下变频器用处于不同频率的多个本地振荡器(LO)信号对这多个输出RF信号进行下变频。每一下变频器包括接收一个输出RF信号和一个LO信号并为正被接收的一个载波集提供同相和正交经下变频信号的混频器对。

Description

用于载波聚集的具有基于变压器的信号分路的低噪声放大器
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2013/042748，国际申请日为2013年5月24日，进入中国国家阶段的申请号为201380026623.X，名称为“用于载波聚集的具有基于变压器的信号分路的低噪声放大器”的发明专利申请的分案申请。
根据35U.S.C.§119的优先权要求
本专利申请要求于2012年5月25日提交的题为“LOW NOISE AMPLIFIERS FORCARRIER AGGREGATION(用于载波聚集的低噪声放大器)”美国临时申请S/N.61/652,064[案卷号121973P1]的优先权，该临时申请被转让给本申请受让人并通过援引明确纳入于此。
技术领域
本公开一般涉及电子器件，尤其涉及低噪声放大器(LNA)。
背景技术
无线通信系统中的无线设备(例如，蜂窝电话或智能电话)可发送和接收数据以进行双向通信。无线设备可包括用于数据传输的发射机和用于数据接收的接收机。对于数据传输，发射机可用数据来调制射频(RF)载波信号以获得经调制RF信号，放大经调制RF信号以获得具有恰当输出功率电平的经放大RF信号，并经由天线将该经放大RF信号发送到基站。对于数据接收，接收机可经由天线获得收到RF信号并且可放大和处理该收到RF信号以恢复由基站发送的数据。
无线设备可支持载波聚集，其是多个载波上的同时操作。载波可指被用于通信的频率范围并且可与某些特性相关联。例如，载波可与描述该载波上的操作的系统信息相关联。载波也可被称为分量载波(CC)、频道、蜂窝小区等。由无线设备高效地支持载波聚集是期望的。
附图说明
图1示出了无线设备与无线系统通信。
图2A到2D示出了载波聚集(CA)的四个示例。
图3示出了图1中的无线设备的框图。
图4示出了支持CA的接收机。
图5到10示出了具有基于变压器的信号分路以支持CA的CA LNA的各种示例性设计。
图11示出了具有多个次级线圈以支持CA的变压器的示例性设计。
图12示出了用于执行信号放大的过程。
具体实施方式
以下阐述的详细描述旨在作为本公开的示例性设计的描述，而无意表示可在其中实践本公开的仅有设计。术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何设计不必被解释为优于或胜过其他设计。本详细描述包括具体细节以提供对本公开的示例性设计的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，没有这些具体细节也可实践本文描述的示例性设计。在一些实例中，公知的结构和器件以框图形式示出以免湮没本文中给出的示例性设计的新颖性。
本文公开了用于载波聚集的具有基于变压器的信号分路的LNA。这些LNA可被用于各种类型的电子设备，诸如无线通信设备。
图1示出了无线设备110与无线通信系统120通信。无线系统120可以是长期演进(LTE)系统、码分多址(CDMA)系统、全球移动通信(GSM)系统、无线局域网(WLAN)系统或某些其他无线系统。CDMA系统可实现宽带CDMA(WCDMA)、时分同步CDMA(TD-SCDMA)、cdma2000、或某一其他版本的CDMA。出于简明起见，图1示出了包括两个基站130和132以及一个系统控制器140的无线系统120。一般来说，无线系统可包括任何数目的基站以及任何网络实体集。
无线设备110也可被称为用户设备(UE)、移动站、终端、接入终端、订户单元、站等。无线设备110可以是蜂窝电话、智能电话、平板计算机、无线调制解调器、个人数字助理(PDA)、手持式设备、膝上型计算机、智能本、上网本、无绳电话、无线本地环路(WLL)站、蓝牙设备等。无线设备110可以能够与无线系统120通信。无线设备110还可以能够接收来自广播站(例如广播站134)的信号、来自一个或多个全球导航卫星系统(GNSS)中的卫星(例如，卫星150)的信号。无线设备110可以支持用于无线通信的一种或多种无线电技术，诸如LTE、cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA、GSM、802.11等等。
无线设备110可以支持载波聚集，其是多个载波上的操作。载波聚集也可被称为多载波操作。无线设备110可以能够在从698兆赫兹(MHz)到960MHz的低频带、从1475MHz到2170MHz的中频带、和/或从2300MHz到2690MHz以及从3400MHz到3800MHz的高频带中操作。低频带、中频带和高频带指的是三组频带(或频带组)，其中每个频带组包括数个频率带(或简称为“频带”)。每个频带可以覆盖至多200MHz并且可以包括一个或多个载波。每个载波可以在LTE中覆盖至多20MHz。LTE版本11支持35个频带，这些频带被称为LTE/UMTS频带并且在3GPP TS 36.101中列出。在LTE版本11中，无线设备110可以配置有一个或两个频带中的至多5个载波。
一般而言，载波聚集(CA)可以被分类为两种类型—带内CA和带间CA。带内CA是指在同一频带中的多个载波上操作。带间CA是指在不同频带中的多个载波上操作。
图2A示出了毗连带内CA的示例。在如图2A所示的示例中，无线设备110配置有在同一频带(其是低频带中的频带)中的四个毗连载波。无线设备110可以接收同一频带内的多个毗连载波上的传输。
图2B示出了非毗连带内CA的示例。在如图2B所示的示例中，无线设备110配置有在同一频带(其是低频带中的频带)中的四个非毗连载波。载波可以由5MHz、10MHz或者其他数量来分开。无线设备110可以接收同一频带内的多个非毗连载波上的传输。
图2C示出了在同一频带组中的带间CA的示例。在如图2C所示的示例中，无线设备110配置有在同一频带(低频带)组中的两个频带中的四个载波。无线设备110可以接收在同一频带(例如，图2C中的低频带)组中不同频带中的多个载波上的传输。
图2D示出了在不同频带组中的带间CA的示例。如图2D中所示的示例中，无线设备110配置有在不同频带组中两个频带中的四个载波，其包括在低频带中一个频带中的两个载波和在中频带中另一个频带中的两个附加载波。无线设备110可以接收在不同频带(例如，图2D中的低频带和中频带)组中不同频带中的多个载波上的传输。
图2A到2D示出了载波聚集的四个示例。也可以支持针对频带和频带组的其它组合的载波聚集。例如，可以支持低频带和高频带、中频带和高频带、高频带和高频带等的载波聚集。
图3示出了图1中的无线设备110的示例性设计的框图。在这一示例性设计中，无线设备110包括耦合至主天线310的收发机320、耦合至副天线312的接收机322、以及数据处理器/控制器380。收发机320包括多(K)个接收机330aa至330ak和多(K)个发射机360a至360k以支持多个频带、载波聚集、多种无线电技术等。接收机322包括多(M)个接收机330ba到330bm以支持多个频带、载波聚集、多种无线电技术、接收分集、从多个发射天线到多个接收天线的多输入多输出(MIMO)传输，等等。
在图3中示出的示例性设计中，每个接收机330包括输入电路332、LNA 340、以及接收电路342。对于数据接收，天线310接收来自基站和/或其他发射机站的信号并提供收到RF信号，该收到RF信号通过天线接口电路324路由并被提供给选定接收机。天线接口电路324可以包括开关、双工器、发射滤波器、接收滤波器等。以下描述假定接收机330aa是选定接收机。在接收机330aa内，收到RF信号被传递通过输入电路332aa，其将输入RF信号提供给LNA340aa。输入电路332aa可以包括匹配电路、接收滤波器等。LNA 340aa将输入RF信号放大并提供输出RF信号。接收电路342aa对输出RF信号进行放大、滤波并将其从RF下变频到基带，并且将模拟输入信号提供给数据处理器380。接收电路332aa可包括混频器、滤波器、放大器、匹配电路、振荡器、本地振荡器(LO)生成器、锁相环(PLL)等。收发机320中的每个剩余接收机330以及接收机322中的每个接收机330可按与收发机320中的接收机330aa类似的方式操作。
在图3中示出的示例性设计中，每个发射机360包括发射电路362、功率放大器(PA)364、以及输出电路366。对于数据传送，数据处理器380处理(例如，编码和调制)要传送的数据，并且将模拟输出信号提供给选定发射机。以下描述假定发射机360a是选定发射机。在发射机360a内，发射电路362a对该模拟输出信号进行放大、滤波并将其从基带上变频到RF，并且提供经调制RF信号。发射电路362a可包括放大器、滤波器、混频器、阻抗匹配电路、振荡器、LO发生器、PLL等等。PA 364a接收并且放大经调制RF信号，并且提供具有恰当输出功率电平的发射RF信号。发射RF信号传递经过输出电路366a，通过天线接口电路324来路由，并且经由天线310被发送。输出电路366a可包括匹配电路、发射滤波器、定向耦合器等。
图3示出了接收机330和发射机360的示例性设计。接收机和发射机也可包括图3中未示出的其他电路，诸如滤波器、匹配电路等。收发机320和接收机322的全部或部分可实现在一个或多个模拟集成电路(IC)、RF IC(RFIC)、混频信号IC等上。例如，LNA 340、接收电路342、以及发射电路362可实现在一个模块上，该模块可以是RFIC等等。天线接口电路324和326、输入电路332、输出电路366、以及PA 364可实现在另一模块上，该另一模块可以是混合模块等。接收机330和发射机360中的这些电路也可按其他方式来实现。
数据处理器/控制器380可为无线设备110执行各种功能。例如，数据处理器380可对经由接收机330接收到的数据以及经由发射机360发送的数据执行处理。控制器380可控制天线接口电路324和326、输入电路332、LNA 340、接收电路342、发射电路362、PA 364、输出电路366或其组合的操作。存储器382可存储用于数据处理器/控制器380的程序代码和数据。数据处理器/控制器380可实现在一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或其他IC上。
图4示出了具有CA LNA 440的CA接收机400的示例性设计的框图。CA LNA 440可被用于图3中的一个或多个LNA 340。CA LNA 440包括信号输入和多(M)个输出，且可被称为1xM LNA，其中M>1。
在CA接收机400内，输入匹配电路432接收接收机输入信号RXin，并向CA LNA 440提供输入RF信号RFin。匹配电路432针对感兴趣的频带执行CA LNA 440与天线接口电路或天线之间的阻抗和/或功率匹配。匹配电路432可以是图3中的输入电路332之一的一部分。
在图4所示的示例性设计中，CA LNA 440包括放大器电路(Amp Ckt)450和变压器470。放大器电路还可被称为放大器级、输入级、增益电路等。放大器电路450放大来自匹配电路432的输入RF信号并提供经放大RF信号。变压器470接收经放大RF信号并将M个输出RF信号提供给M个下变频器480a到480m。输入RF信号可包括M个载波集上的传输，其中每一集包括一个或多个载波。CA LNA 440提供该M个载波集的M个输出RF信号，针对正被接收的每一载波集有一个输出RF信号。
在图4所示的示例性设计中，每一下变频器480包括两个混频器482和484。在下变频器480a内，混频器482a接收来自变压器470的第一输出RF信号RFout1，并且接收处在用于第一载波集的第一混频用频率处的同相LO信号ILO1。混频器482a用ILO1信号将第一输出RF信号下变频，并且提供同相(I)经下变频信号。混频器484a接收来自变压器470的第一输出RF信号，并且接收处在第一混频用频率处的正交LO信号QLO1。混频器484a用QLO1信号将第一输出RF信号下变频，并且提供正交(Q)经下变频信号。
基带电路490a到490m分别耦合到下变频器480a到480m。每一基带电路490可包括滤波器492和494以及放大器496和498。在基带电路490a内，滤波器492a和494a分别接收并滤波来自混频器482a和484a的I和Q经下变频信号，并提供I和Q经滤波信号。放大器496a和498a放大I和Q经滤波信号并提供针对第一载波集的I和Q基带信号。
下变频器480a到480m可被启用以接收M个载波集上的传输。每一下变频器480可以接收来自变压器470的相应输出RF信号，用处在合适的混频用频率处的相应LO信号来将其输出RF信号下变频，以及提供针对一个载波集的I和Q经下变频信号。下变频器480a到480m可以用处在用于正被接收的M个载波集的不同混频用频率处的M个LO信号将它们的M个输出RF信号下变频。
图4示出了下变频器480和基带电路490的示例性设计。下变频器和基带电路还可包括不同和/或附加的电路。例如，下变频器可包括耦合在混频器之前的放大器。基带电路可包括滤波器之前的放大器，或包括附加混频器以将I和Q经下变频信号从中频(IF)进一步下变频到基带，或包括其他电路。
图4示出了具有一个放大器电路450和一个变压器470的CA LNA 440的示例性设计。CA LNA还可包括多个放大器电路和/或多个变压器。例如，CA LNA可包括耦合到多个变压器的一个放大器电路。每一变压器可以提供一个或多个输出RF信号。
图4中的CA LNA 440可以用各种电路架构来实现。以下描述CA LNA 440的一些示例性设计。CA LNA 440也可以用各种类型的晶体管来实现。以下描述用N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管实现的CA LNA 440的一些示例性设计。
图5示出了具有电感性负反馈和基于变压器的信号分路的CA LNA 440a的示例性设计的示意图。CA LNA 440a是图4中的CA LNA 440的一种示例性设计。CA LNA 440a包括放大器电路450a和变压器470a，它们是图4中的放大器电路450和变压器470的一种示例性设计。
在图5所示的示例性设计中，放大器电路450a包括源极负反馈电感器552、增益晶体管554、以及共源共栅晶体管556。增益晶体管554使其栅极接收输入RF信号并且使其源极耦合到电感器552的一端。电感器552的另一端耦合到电路接地。共源共栅晶体管556使其源极耦合到增益晶体管554的漏极，使其栅极接收控制信号Vctrl，且使其漏极耦合到变压器470a。增益晶体管554和共源共栅晶体管556可以如图5所示用NMOS晶体管，或者可以用其他类型的晶体管来实现。
在图5所示的示例性设计中，变压器470a包括初级线圈572和两个次级线圈574a和574b。线圈也可被称为电感器线圈、绕组、导体，等等。初级线圈572的一端耦合至共源共栅晶体管556的漏极，并且另一端耦合至电源VDD。次级线圈574a和574b被磁耦合到初级线圈572。次级线圈574a向下变频器480a提供针对第一载波集的第一差分输出RF信号。次级线圈574b向下变频器480b提供针对第二载波集的第二差分输出RF信号。在示例性设计中，次级线圈574a和574b可以关于彼此对称。
图5示出了其中放大器电路450a和下变频器480a及480b(并且没有其他电路组件)耦合到变压器470a的示例性设计。在另一示例性设计中，电容器可与初级线圈572并联耦合。作为替换或补充，电容器可与每一次级线圈574或只与一个次级线圈574并联耦合。每一电容器可具有合适的值，该值可基于各种因素来选择，诸如期望工作频带或频率、与电容器并联耦合的线圈的电感，等等。
在图5所示的示例性设计中，电感性负反馈式的放大器电路450a放大输入RF信号并向变压器470a的初级线圈572提供RF电流。次级线圈574a和574b与初级线圈572磁耦合并向两个下变频器480a和480b提供两个输出RF信号。因为变压器470a担当放大器电路450a的负载，所以信号分路在该负载处达成。每一下变频器480用“混频器482和484对”在基于正由该下变频器接收的载波集确定的频率处将相应输出RF信号下变频。这两个下变频器480a和480b用处在不同频率处的LO信号将这两个输出RF信号下变频。
非CA接收机可包括耦合到单个下变频器的3-线圈变压器。该3-线圈变压器可包括初级线圈和两个次级线圈。下变频器可包括I混频器和Q混频器。一个次级线圈可被耦合到I混频器且可向I混频器提供第一输出RF信号。另一次级线圈可被耦合到Q混频器且可向Q混频器提供第二输出RF信号。I和Q混频器可以分别用处在同一频率处的ILO和QLO信号将这两个输出RF信号下变频。
图4和5中的CA接收机400与上述非CA接收机在若干方面是不同的。第一，CA接收机400中的两个次级线圈574a和574b激励两个下变频器480a和480b，其中每一下变频器480包括I和Q混频器。相反，非CA接收机中的两个次级线圈激励单个下变频器。第二，来自CA接收机400中的次级线圈574a和574b的这两个输出RF信号是用处在用于正被接收的两个载波集的不同频率处的LO信号来下变频的，其中每一LO信号包括具有90度相位差的ILO和QLO信号。相反，来自非CA接收机中的这些次级线圈的两个输出RF信号是用包括处在同一频率处的ILO和QLO信号的单个LO信号来下变频的。
图6示出了具有电感性负反馈、基于变压器的信号分路、以及反馈的CA LNA440b的示例性设计的示意图。CA LNA 440b是图4中的CA LNA 440的另一示例性设计。CA LNA 440b包括与图5中的CA LNA 440a类似的放大器电路450a和变压器470a。CA LNA 440b进一步包括耦合在共源共栅晶体管556的漏极与增益晶体管554的栅极之间(即，放大器电路450a的输入和输出之间)的反馈电路540。
在图6所示的示例性设计中，反馈电路540包括串联耦合的开关542、电阻器544以及电容器546。电容器546的底部端子耦合到增益晶体管554的栅极。开关542耦合在共源共栅晶体管556的漏极与电阻器544的顶部端子之间。开关542可被闭合以将反馈电路540连接到放大器电路450a，或可被开路以将反馈电路540从放大器电路450a断开。反馈电路540还可包括一个或多个有源电路，诸如晶体管。在一示例性设计中，反馈电路540可被启用且被用于低频带来提供输入功率匹配。对于中频带和高频带，反馈电路540可被禁用，并且源极负反馈电感器552可与输入匹配电路432一起用于输入功率匹配。反馈电路540也可按其他方式来使用。
反馈电路540可帮助进行输入匹配。具体而言，CA LNA 440b的输入匹配可以用围绕放大器电路450a的反馈电路540以及用源极负反馈电感器552来实现。
反馈电路540还可改善放大器电路450a的线性度。具体而言，放大器电路450a可(i)在反馈电路540被选中的情况下，由源极负反馈电感器552和反馈电路540两者来线性化或(ii)在反馈电路540未被选中的情况下，只由源极负反馈电感器552来线性化。在反馈电路540的辅助下，较小电感器552可被用来获得放大器电路450a的期望线性度。
图7示出了不具有源极负反馈电感器但具有基于变压器的信号分路的CA LNA440c的示例性设计的示意图。CA LNA 440c是图4中的CA LNA 440的又一示例性设计。CALNA 440c包括放大器电路450b和变压器470a。
衰减电路530接收输入RF信号并将经衰减的输入RF信号提供给CA LNA440c。衰减电路530包括(i)耦合在衰减电路530的输入与输出之间的电阻器532以及(ii)耦合在衰减电路530的输出与电路接地之间的可变电阻器534。AC耦合电容器538耦合在衰减电路530的输出与放大器电路450b的输入之间。
放大器电路450b包括增益晶体管564和共源共栅晶体管566。增益晶体管564使其栅极耦合到AC耦合电容器538且使其源极耦合到电路接地(如图7所示)或耦合到源极负反馈电感器(图7中未示出)。共源共栅晶体管566使其栅极接收Vctrl信号，使其源极耦合到增益晶体管564的漏极，且使其漏极耦合到变压器470a。
CA LNA 440c可有利地用在以下场景中：输入RF信号包括扰乱，它们是在频率上靠近期望信号的很大的不期望信号。衰减电路530可以是可编程的(例如，如图7所示)或可以是固定的(图7中未示出)。衰减电路530可以用于衰减输入RF信号中的干扰以及向CA LNA440c提供良好输入匹配的双重目的。
图8示出了具有高增益和低增益放大器电路以及基于变压器的信号分路的CA LNA440d的示例性设计的示意图。CA LNA 440d是图4中的CA LNA 440的又一示例性设计。CALNA 440d包括高增益放大器电路450a、低增益放大器电路450b、以及变压器470a。输入RF信号被提供给放大器电路450a内的增益晶体管554的栅极。输入RF信号还被提供给衰减电路536，它将经衰减的输入RF信号提供给增益晶体管564的栅极。衰减电路536可包括图7中的衰减电路530和AC耦合电容器538。
在输入RF信号很小且期望高增益时，放大器电路450a可被选中以放大输入RF信号并将经放大RF信号提供给变压器470a。如果其收到功率小于第一阈值，则输入RF信号可被认为是小的。在输入RF信号很大和/或存在干扰且期望低增益时，放大器电路450b可被选中以放大输入RF信号并将经放大RF信号提供给变压器470a。如果其收到功率大于第二阈值，则输入RF信号可被认为是大的。第二阈值可以(i)在不期望有迟滞的情况下等于第一阈值或(ii)高于第一阈值以提供迟滞。迟滞可被用来避免或减轻在输入RF信号的收到功率接近第一和/或第二阈值时放大器电路450a与450b之间的持续切换。
图9示出了具有基于变压器的信号分路的CA LNA 940的示例性设计的示意图。CALNA 940可以支持在一个或多个频带中的多个载波集上的CA。每一个载波集可以包括一个频带中的一个或多个载波。CA LNA 940包括用于N个LNA输入的N个放大器电路950a到950n和提供用于M个LNA输出的M个输出RF信号的变压器970，其中M>1且N>1。
N个输入匹配电路932a到932n接收N个接收机输入信号RXin1到RXinN，并且分别向放大器电路950a到950n提供N个输入RF信号RFin1到RFinN。匹配电路932a到932n可以是图3中一个或多个输入电路332的一部分。每一个匹配电路932为一个或多个感兴趣频带执行CALNA 940与天线接口电路或天线之间的阻抗和/或功率匹配。RXin1到RXinN信号可以用于不同频带和/或不同天线。例如，RXin1到RXinN信号可以是来自一个天线的同一信号，并且匹配电路932a到932n可为不同频带执行输入匹配。作为另一示例，RXin1到RXinN信号可以是来自不同天线的不同信号，并且匹配电路932a到932n可为同一频带或不同频带执行输入匹配。
在图9所示的示例性设计中，每一放大器电路950包括增益晶体管954、共源共栅晶体管956、以及源极负反馈电感器952，它们按与图5中增益晶体管554、共源共栅晶体管556、以及电感器552类似的方式耦合。增益晶体管954和共源共栅晶体管956可以如图9所示用NMOS晶体管来实现，或可以用其他类型的晶体管来实现。放大器电路950a到950n可具有用于增益晶体管954和共源共栅晶体管956的相同或不同的晶体管大小、相同或不同的偏置电流、以及相同或不同的偏置电压。放大器电路950a到950n还可具有用于源极负反馈电感器952的相同或不同的大小。
增益晶体管954a到954n接收分别来自输入匹配电路932a到932n的RFin1到RFinN信号。共源共栅晶体管956a到956n分别接收控制信号Vctrl1到VctrlN。每一放大器电路950可通过在控制信号上提供合适电压来被启用，或可通过在控制信号上提供低电压来被禁用。每一放大器电路950在该放大器电路被启用时放大其输入RF信号并提供经放大RF信号。在任何给定时刻可以启用一个放大器电路950。
在图9所示的示例性设计中，变压器970包括初级线圈972和M个次级线圈974a到974m。初级线圈972的一端耦合至共源共栅晶体管956a到956n的漏极，并且另一端耦合至VDD电源。次级线圈947a到974m被磁耦合到初级线圈972并且还被分别耦合到M个下变频器980a到980m。每一次级线圈974为正被接收到相关联的下变频器980的不同载波集提供差分输出RF信号。每一下变频器980在该下变频器被选中时用处在合适频率处的LO信号将其输出RF信号下变频。这M个下变频器980a到980m可以用处在不同频率处的M个LO信号将它们的M个输出RF信号下变频并且提供用于M个载波集的M对I和Q经下变频信号。
图9示出了具有耦合到提供M个输出RF信号的单个变压器的N个放大器电路的CALNA 940的示例性设计。CN LNA 940可被称为N×M LNA。这N个放大器电路可被耦合到N个输入匹配电路，这些输入匹配电路可被设计成用于不同频带和/或可被耦合到不同天线。一个放大器电路可被选中并启用以激励变压器。
在另一示例性设计中，CA LNA可包括耦合到K个变压器的N个放大器电路，其中N>1且K>1。每一变压器可以提供一个或多个输出RF信号。这N个放大器电路可被耦合到这N个输入匹配电路。可从这N个放大器电路中选择K个放大器电路以激励这K个变压器，其可合而提供M个输出RF信号。例如，K组放大器电路可被耦合到K个变压器。每一组放大器电路可被耦合到一个变压器且可包括任何数量的放大器电路。每一组中的一个放大器电路可被选中以激励相关联的变压器。多个放大器电路(例如，不同组中的多个放大器电路)中的多个增益晶体管可以共享同一源极负反馈电感器以减少电感器的总数。
图10示出了具有基于变压器的信号分路的CA LNA 1040的示例性设计。CA LNA1040包括耦合到变压器1070的放大器电路1050。放大器电路1050接收来自输入匹配电路1032的输入RF信号并提供经放大RF信号。放大器电路1050可以用图5中的放大器电路450a、图7中的放大器电路450b或其他某个放大器电路来实现。
变压器1070包括初级线圈1072和两个次级线圈1074a及1074b。初级线圈1072使其中心抽头接收经放大RF信号并使其两端耦合到VDD电源。次级线圈1074a和1074b被磁耦合到初级线圈1072。次级线圈574a向下变频器1080a提供针对第一载波集的第一差分输出RF信号。次级线圈1074b向下变频器1080b提供针对第二载波集的第二差分输出RF信号。在一示例性设计中，次级线圈1074a和1074b可以关于彼此对称。
在图10所示的示例性设计中，可变电容器(变抗器)1076a与初级线圈1072的上半部并联耦合，且该组合形成第一谐振电路。变抗器1076b与初级线圈1072的下半部并联耦合，且该组合形成第二谐振电路。通过改变变抗器1076a和1076b的值，第一和第二谐振电路就可被调谐到感兴趣频带。
具有单个初级线圈和多个次级线圈的变压器可以用各种方式来实现。初级和次级线圈可以用各种模式来实现以获得期望电感和耦合。初级和次级线圈也可被制造在一个或多个导电层上。
图11示出了包括初级线圈1172和两个次级线圈1174a及1174b的变压器1170的示例性设计的3维(3-D)视图。在图11的示例性设计中，初级线圈1172被制造在RFIC或电路模块的第一导电层上。初级线圈1172关于中心抽头对称且包括位于中心抽头左侧的左半部和位于中心抽头右侧的右半部。初级线圈1172包括第一端(X)和第二端(Y)，它们可如图5或10中所示地耦合。次级线圈1174a和1174b被制造在第二导电层上且分别与初级线圈1172的左半部和右半部交叠。
图11示出了其中初级和次级线圈用螺旋模式实现的示例性设计。初级线圈1172的左半部和次级线圈1174a可被形成在第一方向上(例如，在图11中是顺时针)。初级线圈1172的右半部和次级线圈1174b可被形成在与第一方向相对的第二方向上(例如，在图11中是逆时针)。在彼此相反的方向上形成次级线圈1174a和1174b可降低这两个次级线圈之间的互耦合，这可改善这两个输出RF信号之间的隔离。一般而言，不同的拓扑、布局模式、以及制造技术可以提供用于具有单个初级线圈和多个次级线圈的变压器的不同优点。
图11示出了其中初级线圈1172和次级线圈1174a及1174b被堆叠且制造在两个导电层上的示例性设计。该堆叠拓扑可以允许变压器1170被制造在较小管芯面积上且也可造成来自次级线圈1174a和1174b的这两个输出RF信号之间的更好匹配。在另一示例性设计中，变压器的初级和次级线圈可被并排制造在单个导电层上。与堆叠拓扑相比，该并排拓扑可在初级和次级线圈之间具有较小电容。较小电容可能是期望的以便达成变压器的较高自谐振频率(SRF)以用于高频操作。在又一示例性设计中，变压器的初级和次级线圈可被制造在三个或更多个导电层上。例如，初级线圈可被制造在第一导电层上，第一次级线圈可被制造在第一导电层上方的第二导电层上，且第二次级线圈可被制造在第一导电层下方的第三导电层上。
一般而言，变压器的初级和次级线圈可以用各种导电材料来制造，诸如低损耗金属(例如，铜)、更为有损的金属(例如，铝)、或其他某种材料。对于制造在低损耗金属层上的线圈可实现较高品质因子(Q)。较小尺寸的线圈可被制造在有损金属层上，因为不同的IC设计规则可以适用。
在示例性设计中，一种装置(例如，无线设备、IC、电路模块等)可包括放大器电路、变压器、以及多个下变频器，例如如图4或5所示。放大器电路(例如，图5中的放大器电路450a)可以接收并放大输入RF信号(其包括在处于不同频率处的多个载波上发送给无线设备的传输)，并且可提供经放大RF信号。变压器(例如，图5中的变压器470a)可包括耦合到放大器电路的初级线圈(例如，初级线圈572)和提供多个输出RF信号的多个次级线圈(例如，次级线圈574)。这多个下变频器(例如，图5中的下变频器480a和480b)可以用处在不同频率处的多个LO信号来将这多个输出RF信号下变频。
在示例性设计中，初级线圈可具有接收经放大RF信号的第一端、和耦合到电源的第二端，例如，如图5所示。在另一示例性设计中，初级线圈可具有接收经放大RF信号的中心抽头、和耦合到电源的两端，例如，如图10所示。这多个次级线圈可以用多个导体来实现，对于每一次级线圈有一个导体。每一导体可与其余导体电绝缘(即，不与之连接)。在示例性设计中，变压器可包括分别提供第一和第二输出RF信号的第一和第二次级线圈。第一和第二次级线圈可具有对称布局，例如如图11所示。在示例性设计中，输入RF信号可以包括单端信号，并且每一个输出RF信号可以包括差分信号。
在示例性设计中，每一下变频器可包括接收一个输出RF信号和一个LO信号并提供针对一个载波集的I和Q经下变频信号对的混频器对(例如，图5中的混频器482和484)。每一LO信号可以是包括I和Q LO信号的正交信号，如图5所示。这多个下变频器可包括第一和第二下变频器。第一下变频器(例如，图5中的下变频器480a)可包括用处于第一频率处的第一LO信号对第一输出RF信号进行下变频的第一对混频器。第二下变频器(例如，图5中的下变频器480b)可包括用处于与第一频率不同的第二频率处的第二LO信号对第二输出RF信号进行下变频的第二对混频器。
放大器电路可以用各种方式来实现。在一个示例性设计中，放大器电路包括增益晶体管、共源共栅晶体管、以及电感器。增益晶体管(例如，图5中的增益晶体管554)可以接收输入RF信号。共源共栅晶体管(例如，共源共栅晶体管556)可被耦合到增益晶体管并且可提供经放大RF信号。电感器(例如，电感器552)可被耦合在增益晶体管的源极与电路接地之间。在另一示例性设计中，放大器电路可包括增益晶体管和共源共栅晶体管。增益晶体管(例如，图7中的增益晶体管564)可使其源极耦合到电路接地，并且可接收输入RF信号。共源共栅晶体管(例如，共源共栅晶体管566)可被耦合到增益晶体管并且可提供经放大RF信号。放大器电路也可以用其他电路设计来实现。
在一示例性设计中，反馈电路(例如，图6中的反馈电路540)可被耦合在放大器电路的输出和输入之间。反馈电路可包括电阻器、电容器、晶体管、其他某种电路组件、或其组合。
在示例性设计中，输入匹配电路可被耦合到放大器电路，例如，如图4所示。在另一示例性设计中，衰减电路可被耦合到放大器电路，例如，如图7所示。衰减电路可接收输入RF信号并将经衰减输入RF信号提供给放大器电路。衰减电路可以是可调整的(例如，如图7所示)或可以是固定的(图7中未示出)。
该装置可进一步包括耦合到变压器电路的第二放大器电路。在示例性设计中，第二放大器电路可接收输入RF信号或经衰减的输入RF信号并且可以提供第二经放大RF信号，例如，如图8所示。放大器电路(例如，图8中的放大器电路450a)可具有比第二放大器电路(例如，图8中的放大器电路450b)更高的增益。在另一示例性设计中，第二放大器电路(例如，图9中的放大器电路950n)可接收第二输入RF信号并提供第二经放大RF信号。对于这两个示例性设计，变压器电路的初级线圈可由该放大器电路或第二放大器电路来激励。
图12示出了用于在无线系统中执行信号放大的过程1200的示例性设计。过程1200可由无线设备或其他某个实体来执行。包括在处于不同频率处的多个载波上发送给无线设备的传输的输入RF信号可被放大以获得经放大RF信号(框1212)。经放大RF信号可以用包括初级线圈和多个次级线圈的变压器来变换，以获得多个输出RF信号(框1214)。可以用处于不同频率处的多个LO信号来将这多个输出RF信号下变频(框1216)。每一LO信号可包括用于正交下变频的ILO和QLO信号，例如，如图5所示。
在一个示例性设计中，这多个输出RF信号可包括第一和第二输出RF信号，且这多个LO信号可包括第一和第二LO信号。对于框1216，第一输出RF信号可以使用处在第一频率处的第一LO信号用第一对混频器来下变频。第二输出RF信号可以使用处在与第一频率不同的第二频率处的第二LO信号用第二对混频器来下变频。
本文中描述的LNA可在IC、模拟IC、RFIC、混合信号IC、ASIC、印刷电路板(PCB)、电子设备等上实现。LNA也可以用各种IC工艺技术来制造，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)、NMOS、PMOS、双极结型晶体管BJT、双极-CMOS(BiCMOS)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)、异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、绝缘体上覆硅(SOI)等。
实现本文中所描述的LNA的装置可以是自立设备或者可以是较大设备的一部分。设备可以是(i)自立的IC，(ii)一个或多个IC的集合，其可包括用于存储数据和/或指令的存储器IC，(iii)RFIC，诸如RF接收机(RFR)或RF发射机/接收机(RTR)，(iv)ASIC，诸如移动站调制解调器(MSM)，(v)可嵌入在其他设备内的模块，(vi)接收机、蜂窝电话、无线设备、手持机、或者移动单元，(vii)其他等等。
在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的，盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的普适原理可被应用于其他变形而不会脱离本公开的范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (18)

1.一种涉及载波聚集低噪声放大器的装置，包括：
放大器电路，其被配置成接收并放大包括在处于不同频率处的多个载波上发送给无线设备的传输的输入射频(RF)信号并提供经放大RF信号；
变压器，其包括耦合到所述放大器电路的初级线圈和提供多个输出RF信号的多个次级线圈；以及
多个下变频器，其被配置成用处于不同频率处的多个本地振荡器(LO)信号将所述多个输出RF信号下变频，
其中所述多个下变频器中的每一下变频器包括被配置成接收所述多个输出RF信号之一和所述多个LO信号之一并提供用于一个载波集的同相(I)和正交(Q)经下变频信号对的混频器对。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器包括分别提供第一和第二输出RF信号的第一次级线圈和第二次级线圈。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述初级线圈具有接收所述经放大RF信号的第一端和耦合到电源的第二端。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述初级线圈具有接收所述经放大RF信号的中心抽头和耦合到电源的两端。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个次级线圈是用多个导体来实现的，对于每一次级线圈用一个导体，每一导体是与所述多个导体中的其余导体电绝缘的。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个下变频器包括：
第一下变频器，其包括被配置成用处于第一频率处的第一LO信号将第一输出RF信号下变频的第一对混频器；以及
第二下变频器，其包括被配置成用处于与所述第一频率不同的第二频率处的第二LO信号将第二输出RF信号下变频的第二对混频器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器电路包括：
增益晶体管，所述增益晶体管被配置成接收所述输入RF信号；
共源共栅晶体管，其耦合到所述增益晶体管并被配置成提供所述经放大RF信号；以及
电感器，其耦合在所述增益晶体管的源极与电路接地之间。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器电路包括：
增益晶体管，其具有耦合到电路接地的源极并被配置成接收所述输入RF信号；以及
共源共栅晶体管，其耦合到所述增益晶体管并被配置成提供所述经放大RF信号。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
耦合在所述放大器电路的输出与输入之间的反馈电路。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反馈电路包括电阻器、电容器或晶体管中的至少一者。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
衰减电路，其耦合到所述放大器电路并被配置成接收所述输入RF信号并将经衰减的输入RF信号提供给所述放大器电路。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入RF信号包括单端信号，且所述多个输出RF信号中的每一输出RF信号包括差分信号。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
第二放大器电路，其耦合到所述变压器电路并被配置成接收所述输入RF信号或经衰减的输入RF信号并提供第二经放大RF信号，所述放大器电路具有比所述第二放大器电路更高的增益。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
第二放大器电路，其耦合到所述变压器电路并被配置成接收第二输入RF信号并提供第二经放大RF信号。
15.一种涉及载波聚集低噪声放大器的方法，包括：
放大包括在处于不同频率处的多个载波上发送给无线设备的传输的输入射频(RF)信号以获得经放大RF信号；
用包括初级线圈和多个次级线圈的变压器来变换所述经放大RF信号以获得多个输出RF信号；以及
用处于不同频率处的多个本地振荡器(LO)信号将所述多个输出RF信号下变频，
其中所述下变频包括接收所述多个输出RF信号之一和所述多个LO信号之一并提供用于一个载波集的同相(I)和正交(Q)经下变频信号对。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述下变频包括：
使用处于第一频率处的第一LO信号以第一对混频器将第一输出RF信号下变频；以及
使用处于与所述第一频率不同的第二频率处的第二LO信号以第二对混频器将第二输出RF信号下变频。
17.一种涉及载波聚集低噪声放大器的设备，包括：
用于放大包括在处于不同频率处的多个载波上发送给无线设备的传输的输入射频(RF)信号以获得经放大RF信号的装置；
用于变换所述经放大RF信号以获得多个输出RF信号的装置；以及
用于用处于不同频率处的多个本地振荡器(LO)信号将所述多个输出RF信号下变频的装置，
其中所述用于下变频的装置包括用于接收所述多个输出RF信号之一和所述多个LO信号之一的装置以及用于提供用于一个载波集的同相(I)和正交(Q)经下变频信号对的装置。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述用于下变频的装置包括：
用于以处于第一频率处的第一LO信号将第一输出RF信号下变频的第一装置；以及
用于以处于与所述第一频率不同的第二频率处的第二LO信号将第二输出RF信号下变频的第二装置。
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