ITVA980013A1 - Amplificatore rf a basso rumore a frequenza e guadagno programmabile - Google Patents

Description

“AMPLIFICATORE RF A BASSO RUMORE A FREQUENZA E GUADAGNO PROGRAMMABILE”

SCENARIO TECNOLOGICO

I moderni amplificatori a basso rumore (LNA) per applicazioni RF multi- standard devono poter operare su bande diverse di frequenza e con dinamiche di segnale d’ingresso che possono essere anche superiori a 90 dB. Se si vuole evitare la soluzione molto costosa di utilizzare più amplificatori, ciascuno 'con il suo ingresso, ed un commutatore di segnale esterno al chip, bisogna far fronte ad un gran numero di problemi derivanti sia dalle diverse frequenze di lavoro che dalle ampie dinamiche di segnale. Infatti, al fine di garantire un rapporto di onde stazionarie (VSWR) accettabile, ciascun amplificatore necessita di una sua specifica rete di adattamento in ingresso. Tale rete di adattamento opera infatti a banda stretta ed è ottimizzata per una ben precisa frequenza di lavoro. Un discorso diverso vale per l’adattamento in uscita in quanto, non essendoci contributi di rumore significativi provenienti da essa, l’adattamento viene frequentemente realizzato in maniera resistiva e quindi a larga banda. Oltre al problema menzionato, bisogna considerare che le differenti specifiche di guadagno e linearità di ciascuna applicazione necessitano scelte progettuali diverse per ciascun amplificatore, il che rende solitamente impossibile non solo la condivisione di una stessa rete di adattamento, ma anche l’utilizzo dello stesso circuito attivo.

Per ciò che riguarda i problemi di guadagno e linearità collegati all’ampia dinamica d’ingresso, una tipica soluzione è quella di rendere l’amplificatore a guadagno variabile. La variazione del guadagno, comunque, se in qualche modo risolve i problemi di linearità relativi alla sezione di uscita, in quanto i segnali in uscita possono essere ridotti in ampiezza, non risolve i problemi di linearità relativi all’ ingresso che sono inerenti alla caratteristica tensione-corrente non-lineare dei transistori sia MOS che bipolari.

E’ da sottolineare che solitamente negli LNA, dovendo preservare la specifica di basso rumore, si preferisce una programmazione del guadagno per step discreti (due o tre step), riservando la programmazione in maniera continua e su più ampia dinamica aH’amplificatore a guadagno variabile (VGA) posto a valle del mixer.

DISCUSSIONE DELLA TECNICA NOTA

Attualmente, un circuito di LNA utilizzato per garantire l’adattamento in ingresso e la programmabilità del guadagno, è quello mostrato in Fig. 1.

Il generatore di corrente IPTAT e lo specchio di corrente Q1-Q2 fissano la corrente di lavoro in Q2 in maniera tale da garantire un guadagno stabile in temperatura. Una parte della corrente di segnale, generata da Q2, raggiunge il carico resistivo RL attraverso Q3. Quella che invece fluisce in Q4 si disperde attraverso l’alimentazione. La presenza dei resistori RA ed RB ha la finizione di ridurre il contributo di rumore proveniente dalla rete di polarizzazione e di permettere una più semplice applicazione del segnale tramite il condensatore di accoppiamento C.

La corrente di segnale sulla resistenza di carico dipende dalla tensione sul terminale di controllo Ve. Se Ve è molto minore di VB (VB>VC+4VT) tutta la corrente di segnale di Q2 va in Q3 e si trasforma in tensione sulla resistenza RL, producendo il guadagno massimo. Nel caso opposto, se la tensione Ve è molto maggiore di la corrente fluisce tutta in Q4 ed il guadagno è nullo. In linea di principio, fissando opportunamente Ve è possibile ottenere qualunque valore di guadagno.

In realtà, come accennato precedentemente, al fine di non deteriorare la figura di rumore, il guadagno non può essere abbassato al disotto di un valore minimo, il che comporta un controllo accurato della tensione Ve- La realizzazione pratica di un controllo sufficientemente preciso è assai difficoltosa, data la relazione esponenziale tensione- corrente nella coppia Q3-Q4.

Gli induttori LE ed LQ nel circuito di Fig. 1 attuano l’adattamento, rispettivamente, della parte reale e della parte immaginaria dell’impedenza d’ingresso, Zin. Si può dimostrare che, nell’ipotesi in cui la condizione per l’adattamento dell’impedenza d’ingresso,

comporta la scelta dei valori LE ed LB tali da soddisfare le seguenti equazioni

Va sottolineato il fatto che la linearità nella trasformazione tensionecorrente attraverso Q2 è migliorata dalla presenza di LE che attua una degenerazione di emettitore. Pertanto un modo di migliorare la linearità in presenza di ampi segnali d’ingresso è quello di aumentare LE a discapito dell’adattamento della parte reale. Un peggioramento dell’adattamento a favore della linearità è comunque accettabile quando i segnali sono ampi.

SCOPO E SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è di fornire un amplificatore a basso rumore (LNA) per applicazioni RF in cui sia possibile, programmabilmente, selezionare la frequenza di lavoro assicurando il mantenimento di una combinazione ottimale della linearità e dell’adattamento di ingresso e selezionare il fattore di guadagno in modo a gradino per ciascuna configurazione selezionata.

Questo importante risultato è ottenuto, secondo l’invenzione, selezionando una particolare configurazione dello stadio di ingresso dell 'amplificatore, ciascuna definente una rete di adattamento di ingresso specificamente adatta per lavorare ad una data frequenza RF ed in cui ad un unico induttore di ingresso del segnale RF sono selettivamente associati un condensatore di accoppiamento di ingresso ed un secondo induttore di degenerazione in emettitore (o source) di un transistore di guadagno dello stadio di ingresso di valore diverso. La selezione di una determinata configurazione avviene mediante una pluralità di interruttori attraverso i quali un apposito generatore di corrente è commutabile sullo stadio di ingresso programmabilmente selezionato, attraverso il quale viene forzata una corrente di polarizzazione.

Ad uno stadio di ingresso così selettivamente configurabile in funzione della frequenza di lavoro e di una combinazione ottimizzante dei parametri di linearità e di accoppiamento di ingresso è accoppiato un rispettivo buffer di corrente di uscita in cui una pluralità di transistori, sono controllati da tensioni di polarizzazione il cui valore consente la selezione di uno tra due valori predefiniti di guadagno.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La Figura 1 mostra il circuito usato per realizzare un amplificatore a basso rumore per applicazioni RF con rete di adattamento di ingresso e stadio di controllo del guadagno.

La Figura 2 mostra uno schema funzionale del'amplificatore a basso rumore per applicazioni RF configurabile dell’ invenzione.

La Figura 3 mostra in dettaglio il circuito di ciascun blocco di uscita dello schema della Fig. 2.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE

Di seguito viene descritto un amplificatore a basso rumore con guadagno e frequenza di lavoro programmabili a step discreti. Grazie all’utilizzo dell’architettura circuitale innovativa dell’invenzione, il circuito può essere contemporaneamente utilizzato per applicazioni multi-standard o per una stessa applicazione che, come nel caso GSM, necessita, oltre al requisito di basso rumore, un’elevata prestazione di linearità.

Sebbene come esempio realizzativo è stata utilizzata una tecnologia bipolare, la stessa soluzione può facilmente essere adattata ad una tecnologia CMOS o BiCMOS.

In Fig. 2 è illustrato uno schema di principio del circuito dell’amplificatore dell’invenzione, per il caso di una realizzazione con un processo di fabbricazione di transistori bipolari a giunzione. Ovviamente il circuito potrà anche essere realizzato con un processo CMOS con transistori MOS.

Il circuito è stato generalizzato al caso di una applicazione multistandard con N diverse frequenze di lavoro.

I transistori Q21-Q2N rappresentano gli elementi di guadagno dello stadio di ingresso selettivamente configurabile dell’amplificatore definito dagli interruttori Si. Il transistore Q2i che risulta selezionato è attivato grazie all’effetto di specchio di corrente esercitato dal corrispondente transistore Qli di ciascuna coppia di transistori così selezionati.

I resistori RAi ed RBi hanno la stessa funzione di limitazione del rumore proveniente dalla rete di polarizzazione del circuito che avevano nel circuito di Fig. 1.

I blocchi Ai rappresentano altrettanti buffer di corrente di uscita il cui guadagno può assumere due diversi valori a seconda del valore della tensione di controllo Vc.

II resistore RL e gli induttori Lgi svolgono la stessa funzione che svolgevano nel circuito di Fig. 1.

In particolare, nel caso di bassi livelli del segnale RF d’ingresso ed elevato guadagno, in cui il requisito di linearità dipende unicamente dalla dinamica di uscita, gli induttori LEi potranno essere scelti uguali è dimensionati secondo la formula (1).

Ciò non può valere anche per l’induttore LB ed i condensatori Ci, in quanto l’adattamento della parte immaginaria dipende dalla specifica frequenza di lavoro, ω.

Ipotizzando, per esempio, un uso del circuito per un’applicazione multistandard in cui sia richiesto un adattamento programmabile alle diverse frequenze RF di lavoro, i condensatori Ci diventano parte integrante della rete di adattamento. Infatti, supponendo di attivare il ramo i la formula (2) si trasforma in

Quindi fissati i valori di LEi e LB è possibile agire su Ci per ottenere l’adattamento della parte immaginaria alla frequenza desiderata. Chiaramente

LB va fissata in riferimento alla frequenza di lavoro più bassa che è quella che richiede il valore di LB più alto.

Pertanto è possibile adattare il circuito per operare su frequenze di lavoro diverse dimensionando opportunamente i condensatori C, e impiegando un unico induttore LB di ingresso del segnale RF.

Il circuito configurabile dall’ amplificatore dell’invenzione permette di far fronte contemporaneamente all’esigenza di operare con diverse frequenze di lavoro (diversi standard) e con livelli di segnale di ampia dinamica. Infatti, rimanendo sull’ingresso, per una data frequenza di lavoro è possibile associare più rami con induttanze LEi diverse da selezionare dinamicamente tramite gli interruttori Sj a seconda dell’ampiezza del livello d’ingresso.

Per esempio, si possono associare tre rami per il GSM ed altri tre rami per il DCS.

Chiaramente, come precedentemente affermato, il conseguimento di un’accentuata linearità tenderà a non consentire di avere nello stesso tempo il migliore adattamento della parte reale.

Un’ulteriore funzionalità del circuito è fornita dalla particolare implementazione del buffer di corrente di uscita dei vari stadi di ingresso selezionabili e rappresentati dai blocchi Aj.

Come mostrato in Fig. 3, ciascun buffer di corrente di uscita è costituito da K+1 transistori e da K resistori.

I resistori REi sono introdotti per migliorare il matching tra i transistori

Q4i·

E’ possibile impostare il guadagno massimo, se O un qualsiasi altro valore di guadagno se Vc è molto maggiore di VB

In quest’ultimo caso il valore di guadagno dipenderà dal numero di rami dei transistori Q4I-Q4K che sono stati connessi sul nodo di uscita.

Nell’esempio illustrato in Fig. 3, solo il ramo di Q4I è stato collegato sul nodo di uscita.

Ciascun blocco A, definisce due valori prefissati di guadagno: ad esempio il guadagno massimo ed un qualsiasi altro valore ridotto di guadagno.

I blocchi Ai permettono quindi di associare due differenti guadagni al circuito selezionato con gli interruttori Si, svolgendo cosi un’efficace funzione di programmazione di guadagno a step accurati, che molte applicazioni RF richiedono.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Amplificatore a basso rumore (LNA) comprendente uno stadio di ingresso costituito da un secondo transistore (Q2i) in configurazione ad emettitore o source comune e formante con un primo transistore (Qli) uno specchio di corrente, un generatore di corrente (IPTAT) accoppiato a detto primo transistore (Qli) forzante una corrente di polarizzazione attraverso il secondo transistore (Q2i), una coppia di resistenze (RAi, RBi) di limitazione del rumore collegate in serie tra loro tra i nodi di base o di gate di detto primo e secondo transistore, una rete di adattamento di ingresso comprendente un induttore di ingresso (LB), un condensatore di accoppiamento di ingresso (Ci), un secondo induttore (LEÌ) collegato tra gli emettitori o le source di detti transistori (Qli, Q2i), e un buffer di corrente di uscita (Aj) fornito di mezzi di controllo del guadagno, caratterizzato dal fatto che comprende una pluralità di stadi di ingresso (Qli, Q2i, RBi, LB, Ci, LEi), ciascuno accoppiato ad un rispettivo buffer di corrente di uscita (A,) ed impiegante uno stesso induttore di ingresso (LB); un equivalente numero di interruttori di selezione (Si) di uno di detti stadi di ingresso commutanti detto generatore di corrente (IPTAT) sul primo transistore (Qli) dello stadio di ingresso selezionato; ciascun buffer di corrente di uscita (Ai) essendo costituito da uno stadio composto da un terzo transistore (Q3) e una pluralità di transistori (Q4i) tutti in configurazione ad emettitore o source comune, ciascun transistore di detta pluralità (Q4i) avente una resistenza di degenerazione di emettitore o di source (REi) collegata tra l’emettitore o la source del rispettivo transistore ed un nodo di ingresso accoppiato al collettore o al drain di detto secondo transistore (Q2i) del rispettivo stadio di ingresso, il collettore di uno o più transistori di detta pluralità di transistori (Q4i) essendo collegato in comune col collettore o drain di detto terzo transistore (Q3) al nodo di uscita dell 'amplificatore e i collettori o drain dei rimanenti transistori (Q4i) di detta pluralità essendo accoppiati al nodo di alimentazione del circuito, alla base o al gate di detto terzo transistore (Q3) essendo applicata una prima tensione di polarizzazione (Vc) e alle basi o al gate dei transistori di detta pluralità (Q4i) essendo applicata una seconda tensione di polarizzazione (VB).