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CN108270415B - 利用baw谐振器的并联谐振的带通滤波器 - Google Patents

利用baw谐振器的并联谐振的带通滤波器 Download PDF

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CN108270415B CN201711452774.8A CN201711452774A CN108270415B CN 108270415 B CN108270415 B CN 108270415B CN 201711452774 A CN201711452774 A CN 201711452774A CN 108270415 B CN108270415 B CN 108270415B
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Abstract

本发明揭示一种电路(100)，其包含具有接收交流AC波形的输入(120)及经由偏置电阻器(150)耦合到电源(140)的输出(130)的放大器(110)。体声波BAW谐振器(160)经由所述电源(140)及所述放大器输出(130)并联耦合到所述偏置电阻器(150)。所述BAW谐振器(160)及所述放大器输出(130)形成带通滤波器以对在所述放大器输入(120)处接收到的所述AC波形进行滤波，并且在所述放大器输出(130)处提供经滤波的AC波形。

Description

利用BAW谐振器的并联谐振的带通滤波器
技术领域
本发明涉及滤波器电路，且更特定来说，涉及采用体声波谐振器的并联谐振来改进滤波器的品质因数的带通滤波器电路。
背景技术
滤波器形成任何无线收发器的组成部分。滤波器可分布在各种收发器架构的连续级中，例如分布在收发器的基带(BB)、中频(IF)及射频(RF)组件中。典型接收器(RX)块中的RF滤波器抑制带外(OOB)频率/封锁器(blocker)。在收发器的发射器(TX)块中，RF滤波器将产生的OOB发射最小化。为实现此抑制及缩减，应选择高品质因数(Q)滤波器，因为高Q性能提供合适抑制能力。举例来说，通常不能够使用芯片上电感器/电容器(LC)储能器来实现此类型的性能。一般来说，使用外部表面声波(SAW)滤波器来实现期望的抑制能力。然而，归因于构成滤波器的组件的大小，此类SAW型滤波器通常不能集成在集成芯片实施方案上。
发明内容
本发明涉及一种带通滤波器电路，其采用体声波谐振器的并联谐振来改进滤波器的品质因数。在一个实例中，一种电路包含具有接收交流AC波形的输入及经由偏置电阻器耦合到电源的输出的放大器。体声波BAW谐振器经由所述电源及所述放大器输出并联耦合到所述偏置电阻器。所述BAW谐振器及所述放大器输出形成带通滤波器以对在所述放大器输入处接收的所述AC波形进行滤波，并且在所述放大器输出处提供经滤波的AC波形。
在另一实例中，一种电路包含至少一个放大器，其具有接收交流(AC)波形的输入及经由偏置电阻器耦合到电源的输出。匹配阻抗网络将所述AC波形耦合到所述放大器的所述输入。体声波(BAW)谐振器经由所述电源及所述放大器输出并联耦合到所述偏置电阻器。所述BAW谐振器对在所述放大器输入处接收的所述AC波形进行滤波，并提供在所述放大器的所述输出处被带通滤波的经放大的AC波形。
在又一实例中，一种系统包含经由一或多个收发器级来发射或接收交流(AC)波形的收发器。所述收发器中的至少一个放大器级提供所述AC波形的滤波。所述放大器级包含具有接收所述AC波形的输入及经由偏置电阻器耦合到电源的输出的低噪声放大器(LNA)晶体管装置。匹配阻抗网络将所述AC波形耦合到所述LNA的所述输入。体声波(BAW)谐振器，其经由所述电源及所述LNA输出并联耦合到所述偏置电阻器，以提供在所述LNA的所述输出处被带通滤波的经放大的AC波形。
附图说明
图1说明利用体声波谐振器的并联谐振来提供带通滤波的电路的实例示意性框图。
图2说明具有匹配网络以利用体声波谐振器的并联谐振来提供带通滤波的电路的实例电路图。
图3说明体声波谐振器的实例电模型。
图4说明具有匹配网络及偏置电路以利用体声波谐振器的并联谐振来提供带通滤波的电路的实例电路图。
图5说明具有多个级以利用体声波谐振器的并联谐振来提供带通滤波的收发器的实例示意性框图。
图6说明说明利用体声波谐振器的并联谐振的带通滤波器的AC响应的实例信号图。
具体实施方式
本发明涉及一种采用并联谐振器来改进滤波器的品质因数的带通滤波器电路。例如低噪声放大器(LNA)的放大器电路可在射频(RF)收发器系统中操作，以在收发器的初始级或在一或多个中间放大器级提供RF信号的带通滤波。放大器电路包含接收交流(AC)波形(例如，RF信号)的输入及经由偏置电阻器耦合到电源的输出。举例来说，如果晶体管装置被用作放大器，那么偏置电阻器可操作为装置(例如，FET或双极装置)的漏极或集电极节点到装置的相应电源的上拉(pull-up)。还可提供匹配阻抗网络以将AC波形耦合到放大器的输入。
体声波(BAW)谐振器可经由电源及放大器输出并联耦合到偏置电阻器。BAW谐振器在放大器输出与电源之间包含至少两个网络路径。网络路径充当与放大器偏置电阻器并联的谐振结构，以在放大器的输出处提供对AC波形的带通滤波。与利用与AC波形串联的BAW电路来提供带通滤波的先前电路相比，本文揭示的电路利用放大器级的输出处的BAW的并联谐振。通过在放大器的输出处将BAW谐振器操作为与串联通过电路相反的并联电路，带通滤波器的品质因数可相对于串联配置得到显著改进(例如，对滤波器的通带区之外的信号的抑制能力的约2到4倍)。
图1说明利用并联谐振器来提供带通滤波的电路100的实例。如本文所使用，举例来说，术语电路可包含执行电路功能的有源及/或无源元件的集合，例如模拟电路或控制电路。额外地或替代地，举例来说，术语电路可包含集成电路，其中电路元件的全部及/或部分被制造在共用衬底上。
如在图1的实例中所展示，电路100包含放大器110，其具有接收交流(AC)电压波形(例如，来自天线或先前级)的输入120及经由偏置电阻器150耦合到电源140的输出130。体声波(BAW)谐振器160经由电源140及放大器输出130并联耦合到偏置电阻器150。BAW谐振器160及放大器输出130形成带通滤波器以对在放大器输出120处接收的AC波形进行滤波，并在放大器输出130处提供经滤波的AC波形。举例来说，放大器输出130处的经滤波的AC波形可被传递到另一中间级或收发器的天线。
在一个实例中，放大器110可为低噪声放大器(LNA)晶体管装置，其在晶体管装置的输入120处接收AC波形，并在晶体管装置的输出130处提供经滤波的AC波形。如本文中所使用，术语LNA是放大低功率信号而不显著降低其信噪比(SNR)的放大器。放大器增加在其输入处存在的信号及噪声两者的功率。相比之下，LNA可经设计以最小化额外噪声。其它降噪组件可包含阻抗匹配网络并且提供下文参考图2及4说明及描述的低噪声偏置电路。举例来说，LNA可用于无线电通信系统、医疗仪器及电子装备中。典型的LNA可供应100(20分贝(dB))的电力增益，同时将信噪比降低小于两倍(3dB噪声指数(NF))。
BAW谐振器160可包含放大器输出130与电源140之间的至少两个网络路径，以在放大器110的输出130处提供带通滤波。BAW谐振器160是机械装置，其电特性是经由图3中所描绘的模型来描述。如以下将参照图5说明及描述，电路100可具有收发器，其包含至少一个放大器级以放大收发器中的信号或对收发器中的信号进行滤波。放大器级中的至少一者可包含本文描述的放大器110及BAW谐振器160。因此，在一些情况下，可通过将电路100耦合到随后放大器/滤波器级的输出来提供如本文所述的N级带通滤波器。
与利用与AC波形120串联的BAW电路以提供带通滤波的其它电路相比，BAW谐振器160在放大器110的输出处充当并联谐振电路。通过将BAW谐振器160操作为与串联通过电路相反的在放大器110的输出处的并联电路，相对于串联配置可显著地改进带通滤波器的品质因数(例如，对滤波器的通带区之外的信号的抑制能力的约二到四倍)。
图2说明具有匹配网络210以利用并联谐振器来提供带通滤波的实例电路200。电路200包含放大器220(例如，FET放大器)，其具有从匹配网络210接收交流(AC)波形的输入230。放大器220提供经由偏置电阻器250并通过BAW谐振器270耦合到电源VDD的输出240。匹配网络210将来自此实例中的天线260的AC波形耦合到放大器220的输入230。在其它实例中，例如在图5的实例中所展示，匹配网络210可将来自先前级的信号耦合到放大器220的输入230。
如所展示，BAW谐振器270可经由电源VDD及放大器输出240并联耦合到偏置电阻器250。如将在下文参考图3所说明及描述，BAW谐振器270在放大器输出240与电源VDD之间具有至少两个并联的网络路径，其中并联路径在放大器220的输出处形成谐振储能电路。匹配网络210可包含一或多个电容器/电感器串联网络来提供与天线阻抗匹配。此外，可提供偏置网络来控制放大器220的输入230处的电压，如将在下文参考图4说明及描述。
图3说明体声波谐振器的实例电路300。电路300表示为电信号提供谐振操作的机械装置的BAW谐振器的近似电模型。如所展示，BAW谐振器电路300包含展示为路径1及路径2的两个并联网络路径，其可连接在上文参考图1及2所描述的放大器输出与电源之间以在放大器的输出处提供带通滤波。举例来说，模型的网络路径可包含展示为具有串联电阻器RO及电容器CO的路径1的第一路径。展示为路径2的第二路径可包含串联电阻器RM、电容器CM及电感器LM。路径(路径1及路径2)作为储能电路操作，以在本文所描述的放大器的输出处提供输入AC波形的带通滤波。
串联电阻器RS耦合到电路300的公共点310。当谐振器基于施加到电路300的相应输入频率而朝向低阻抗模式驱动时，可提供电阻器RS以限制电流。在针对电路300的约为2.4GHz的峰值阻抗下，实例电路值可包含约为2.2欧姆的RS、约为0.925欧姆的RM、约为83毫微亨利的LM、约为54E-15法拉的CM、约为0.1欧姆的RO及约为2.2皮法拉的CO。各种其它值及操作频率是可能的。
图4说明具有匹配网络410及偏置电路420以利用展示为BAW 430的并联谐振器来提供带通滤波的实例电路400。电路400包含放大器M1，其具有接收交流(AC)波形的输入440及经由偏置电阻器R1耦合到电源VDD的输出450。体声波(BAW)谐振器430经由被建模为LBW1及LBW2的集成电路结合电感而并联耦合到偏置电阻器R1。BAW谐振器430及来自M1的放大器输出450形成带通滤波器，以对在放大器输入440处接收的AC波形进行滤波，并在M1的放大器输出处提供经滤波的AC波形。
在一个实例中，放大器M1可为低噪声放大器(LNA)晶体管装置，其在晶体管装置的输入440处接收AC波形，并在晶体管装置的输出450处提供经滤波的AC波形。可提供与LNA晶体管装置M1串联的第二晶体管M2。晶体管M2基于施加到晶体管M2的输入的预定阈值电压VBNCAS在输出450处对AC波形提供控制。
匹配阻抗网络410将天线的阻抗与晶体管装置M1的输入匹配。匹配阻抗网络410包含第一串联电容器C1及电感器LS1，其形成一对以将RF信号耦合到晶体管装置M1的输入440。匹配阻抗网络410还可包含第二串联电容器C2及电感器LS2，其形成耦合在接地电势与晶体管装置M1的输入之间的一对。可提供偏置网络420来控制晶体管装置M2的输入440处的偏置电压。偏置网络420可包含晶体管装置M12，其从电流源IBIAS被驱动以控制440处的偏置电压。可提供串联电阻器R2以将偏置网络耦合到M1的输入440。可提供输出电容器C3以将经带通滤波的信号耦合到后续收发器级。
图5说明具有多级以利用并联谐振器来提供带通滤波的收发器500的实例。在此实例中，可提供一或多个LNA及并联BAW级1到N，以提供如本文所述的带通滤波，其中N是正整数。在某些情况下，级可串联成一组，其中一个级馈入后续级。在其它收发器实例中，LNA及并联BAW级可分散在整个收发器500中。举例来说，可从中频(IF)级驱动相应LNA及BAW级，并将输出提供给收发器500的另一IF级。
图6说明说明利用BAW谐振器的并联谐振的带通滤波器的带通滤波器特性的实例信号图600。在此实例中，本文所描述的BAW谐振器在约2.4GHz处具有610处所展示的其最大阻抗，尽管其它频率可类似地通过选择具有例如上文参照图3说明及描述的BAW谐振器的不同电阻器、电容器及/或电感器值的BAW谐振器来支持。在此实例中，本文描述的在放大器的输出处利用BAW谐振器的带通滤波器提供与串联滤波器配置的品质因数相比大约四倍或更多的品质因数。在610处所展示的信号提供比在620所描绘的响应敏锐的滤波器响应。通过利用如本文所描述的并联BAW，可利用610的敏锐响应来在相关联放大器的输出处提供如本文所描述的带通滤波。这提供比串联BAW实施方案大大改进的品质因数(Q)(例如，Q因数的约二到四倍)。
以上描述的内容是实例。当然，不可能描述组件或方法的每一可能的组合，但所属领域的一般技术人员将认识到，许多进一步的组合及排列是可能的。因此，本发明希望涵盖落入本申请案(包含所附权利要求书)的范围内的所有此类改变、修改及变化。如本文所使用的，术语“包含”意味着包含但不限于。另外，在本发明或权利要求书中列举“一”、“第一”或“另一”元件或其等效物的情况下，应将其解释为包含一个或多于一个此元件，既不要求也不排除两个或两个以上此类元件。

Claims (11)

1.一种电路，其包括：
低噪声放大器LNA晶体管装置，其具有经耦合以接收交流AC波形的输入及经由偏置电阻器耦合到电源的输出；及
体声波BAW谐振器，其并联耦合到所述电源及所述LNA晶体管装置输出之间的所述偏置电阻器，所述BAW谐振器及所述LNA晶体管装置形成带通滤波器以对在所述LNA晶体管装置输入处接收到的所述AC波形进行滤波，并且在所述LNA晶体管装置输出处提供经滤波的AC波形；以及
偏置网络，其控制所述LNA晶体管装置输入处的偏置电压，所述偏置网络包含经耦合以从电流源驱动以控制所述偏置电压的第二晶体管装置。
2.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括与所述LNA晶体管装置串联耦合的第三晶体管装置，以将所述LNA晶体管装置输出耦合到所述BAW谐振器。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述第三晶体管装置具有输入，所述输入经耦合以接收预定阈值电压以控制通过所述第三晶体管装置而从所述LNA晶体管装置接收的电流。
4.根据权利要求2所述的电路，其进一步包括匹配阻抗网络以将传入射频RF信号的阻抗与所述LNA晶体管装置输入相匹配。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述BAW谐振器在所述LNA晶体管装置输出与所述电源之间包含至少两个网络路径，以在所述LNA晶体管装置输出处提供带通滤波。
6.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括收发器，所述收发器包含至少一个放大器级以放大所述收发器中的信号或对所述收发器中的信号进行滤波，其中所述放大器级包含所述LNA晶体管装置及所述BAW谐振器。
7.一种电路，其包括：
至少一个低噪声放大器LNA晶体管装置，其具有经耦合以接收交流AC波形的输入及经由偏置电阻器耦合到电源的输出；
匹配阻抗网络，其将所述AC波形耦合到所述LNA晶体管装置输入；
体声波BAW谐振器，其并联耦合到所述电源及所述LNA晶体管装置输出之间的所述偏置电阻器，以对所述LNA晶体管装置输入处接收到的所述AC波形进行滤波，并提供在所述LNA晶体管装置输出处被带通滤波的经放大的AC波形；
第二晶体管装置，其与所述LNA晶体管装置串联，以将所述LNA晶体管装置输出耦合到所述BAW谐振器；以及
偏置网络，其用以控制所述LNA晶体管装置输入处的偏置电压，所述偏置网络包含经耦合以从电流源驱动以控制所述偏置电压的第三晶体管装置。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述第二晶体管装置具有输入，所述输入经耦合以接收预定阈值电压以控制通过所述第二晶体管装置而从所述LNA晶体管装置接收的电流。
9.根据权利要求7所述的电路，其中所述BAW谐振器在所述LNA晶体管装置输出与所述电源之间包含至少两个网络路径，以在所述LNA晶体管装置输出处提供带通滤波。
10.根据权利要求7所述的电路，其进一步包括收发器，所述收发器包含至少一个放大器级以放大所述收发器中的信号或对所述收发器中的信号进行滤波，其中所述放大器级包含所述LNA晶体管装置及所述BAW谐振器。
11.一种系统，其包括：
收发器，其用于经由一或多个收发器级来发射或接收交流AC波形，所述收发器包含至少一个放大器级以对所述AC波形进行滤波，且所述至少一个放大器级包含：
低噪声放大器LNA晶体管装置，其具有经耦合以接收所述AC波形的输入及通过偏置电阻器耦合到电源的输出；
匹配阻抗网络，其将所述AC波形耦合到所述LNA晶体管装置输入；及
体声波BAW谐振器，其并联耦合到所述电源及所述LNA晶体管装置输出之间的所述偏置电阻器，以提供在所述LNA晶体管装置输出处被带通滤波的经放大的AC波形；以及
偏置网络，其用于控制所述LNA晶体管装置输入处的偏置电压，所述偏置网络包含经耦合以从电流源驱动以控制所述偏置电压的第二晶体管装置。
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