放大器、衰减模块以及用来衰减射频信号之方法.pdf

本发明揭示了一种放大器、衰减模块以及用来衰减射频信号之方法。其中放大器，包含一放大模块以及一衰减模块，该放大模块耦接于一输入节点。该衰减模块包含一衰减电阻以及一阻抗补偿单元，该衰减电阻耦接于该输入节点。该阻抗补偿单元耦接于该输入节点，用来于一输入射频信号被该衰减模块衰减时，补偿一输入阻抗。本发明提供的放大器可提高接收灵敏度，而且具有整体系统的功率消耗下降的优点。

1.  一种放大器，其特征在于包含：
一放大模块，耦接于一输入节点；以及
一衰减模块，包含：一衰减电阻，耦接于所述输入节点；以及一阻抗补偿单元，耦接于所述输入节点，用来于一输入射频信号被所述衰减模块衰减时，补偿一输入阻抗。

2.  如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述阻抗补偿单元包含一开关单元以及一电阻，所述电阻耦接于所述开关单元。

3.  如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述开关单元是一晶体管。

4.  如权利要求2所述的放大器，其特征在于，所述阻抗补偿单元另包含一电容，该电容耦接于所述电阻与该输入节点间。

5.  如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述放大器运作于一第一增益模式时，透过所述放大模块放大所述输入射频信号；运作于一第二增益模式时，透过所述衰减模块补偿所述输入射频信号。

6.  如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述放大模块包含一第一晶体管以及一第二晶体管。

7.  如权利要求6所述的放大器，其中所述第一晶体管以及所述第二晶体管于一第二增益模式时关闭。

8.  如权利要求1所述的放大器，其中所述衰减模块包含一第三晶体管。

9.  如权利要求8所述的放大器，其中所述第三晶体管于一第一增益模式时关闭。

10.  如权利要求1所述的放大器，其特征在于另包含一输入阻抗匹配模块，耦接于所述放大模块。

11.  如权利要求10所述的放大器，其特征在于所述输入阻抗匹配模块是一电感，或者是由一电感和一电容组成。

12.  如权利要求1所述的放大器，其特征在于另包含一输出阻抗匹配模块，其包含至少一个输出端，所述输出阻抗匹配模块透过一阻抗电路耦接于所述放大器。

13.  一种衰减模块，其特征在于包含：
一晶体管；
一衰减电阻，耦接于所述晶体管之一输入端；以及
一阻抗补偿单元，耦接于所述衰减电阻，用来于一输入射频信号被所述衰减模块衰减时，补偿一输入阻抗。

14.  如权利要求13所述的衰减模块，其特征在于，所述阻抗补偿单元包含一开关单元以及一电阻，所述电阻耦接于所述开关单元。

15.  如权利要求14所述的衰减模块，其特征在于，所述开关单元是一晶体管。

16.  如权利要求14所述的衰减模块，其特征在于，所述阻抗补偿单元另包含一电容，上述电容耦接于所述开关单元以及所述电阻之间。

17.  一种用来衰减射频信号的方法，其特征在于包含：
利用一衰减电阻衰减所述输入射频信号的振幅；以及
利用一阻抗补偿单元，补偿一输入阻抗，其中所述阻抗补偿单元包含一开关单元以及一电阻，所述电阻耦接于所述开关单元。

18.  如权利要求17所述的衰减射频信号的方法，其特征在于，所述阻抗补偿单元另包含一电容，所述电容与所述开关单元以及所述电阻串联。

放大器、衰减模块以及用来衰减射频信号之方法
技术领域
本发明涉及一种用于射频电子装置的放大器、衰减模块以及用来衰减射频信号之方法。
背景技术
随着无线通信技术不断的快速发展，在无线通讯设备之间几乎成功地做到无所不在的连接。射频(Radio Frequency，RF)收发器是无线通信装置的重要组成部分。用在无线通信设备的大部分射频集成电路运用的是砷化镓或硅双载子(silicon bipolar)技术。近年来，互补式金属-氧化物-半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，CMOS)技术将金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)晶体管的截止频率(f_T)提高到几十千兆赫(GHz)的能力，这些射频集成电路也能够利用CMOS制造技术来加以实现。利用CMOS的射频收发器的其中一个好处是让数字化功能更容易实现。也因此，使用低成本的单一芯片生产的无线设备系统也成为趋势。低噪声放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)是前端的无线通信设备之中最重要的组件之一，并已广泛应用于各种不同设备，例如无线射频通讯设备，诸如无线计算器网络和移动电话等等。对低噪声放大器来说，信号的增益线性度(gain linearity)是一个重要的操作特征。基本上低噪声放大器除了必须同时满足低噪声、高线性度的特性外，由低噪声放大器本身产生的噪声需远小于输入信号以致到可忽略不计的程度。事实上，低噪声放大器的线性度一直都是考虑效能的最重要因素。增益线性度一般是与输入级放大器的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)的转导值(transconductance)有关。举例来说，当输入信号操作在低频时，操作在饱和区的MOSFET的转导值为常数，当输入信号操作在高频时，转导值则可能依据输入信号的函数特性而变动，导致输入信号非线性地放大。为了解决非线性放大的问题，在输入级晶体管使用低掺杂源极(source degeneration)以增加放大器的线性度。传统上，使用电感器也是一个达到低掺杂源极的方式。不过，由于电感器的面积较大，其阻抗随其操作频率变动。此外，如果不加以适当的控制，低噪声放大器于实际应用中增益也会随着制造工艺和温度而变化。
发明内容
为了放大微弱的射频信号，以提高接收灵敏度，本发明之一目的在于提供一种放大器，其特征在于包含：一放大模块，耦接于一输入节点；以及一衰减模块，包含：一衰减电阻，耦接于所述输入节点；以及一阻抗补偿单元，耦接于所述输入节点，用来于一输入射频信号被所述衰减模块衰减时，补偿一输入阻抗。
本发明之另一目的在于提供一种衰减模块，其包含一晶体管、一衰减电阻以及一阻抗补偿模块。所述衰减电阻耦接于所述晶体管之一输入端。所述阻抗补偿单元耦接于所述衰减电阻，用来于一输入射频信号被所述衰减模块衰减时，补偿一输入阻抗。
本发明之又一目的提供一种用来衰减射频信号的方法，其包含利用一衰减电阻衰减所述输入射频信号之振幅；以及利用一阻抗补偿单元，补偿一输入阻抗，其中所述阻抗补偿单元包含一开关单元以及一电阻，所述电阻耦接于所述开关单元。
本发明的低噪声放大器提供一个高增益放大模块用来放大微弱的射频信号，以提高接收灵敏度，此外，本发明的低噪声放大器另提供一低增益衰减模块，用来衰减强烈射频输入信号并降低后续电路区块对线性度的要求。低噪声放大器不论在高、低增益条件下都能提供适当的阻抗匹配，并减少低增益模式时的消耗功率，所以整体系统的功率消耗得以下降。
为让本发明之上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，配合所附图式，在下文作详细说明。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的低噪声放大器的电路示意图。
图2绘示外部输入阻抗匹配模块和输出阻抗匹配模块与图1的低噪声放大器配合运作的电路示意图。
图3是图1的低噪声放大器操作于高增益模式和低增益模式的关系示意图。
具体实施方式
在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的“包含”是为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此为包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
请参考图1，图1是根据本发明一实施例的低噪声放大器10的电路示意图。低噪声放大器10包括一放大模块、一直流偏压产生单元14、以及一衰减模块，上述组件皆集成于一单一集成电路(Integrated Circuit，IC)芯片，其中放大模块可由高增益放大模块12所实施、衰减模块可由低增益衰减模块16所实施。低增益衰减模块16包括一衰减电阻R3和一阻抗补偿单元17。此外，低噪声放大器10可与外部的一输入阻抗匹配模块26(参见图2)和一输出阻抗匹配模块28配合运作，以分别作为低噪声放大器10的输入和输出阻抗，其运作方式将详述如下。
请参阅图1以及图2，图2绘示外部输入阻抗匹配模块26和输出阻抗匹配模块28与图1的低噪声放大器10配合运作的电路示意图。如图1所示，低噪声放大器10可交替运作于高增益模式和低增益模式。当低噪声放大器10运作于高增益模式时，来自射频输入端，即输入节点，RF_in的射频输入信号20会由高增益放大模块12和直流偏压产生单元14放大以产生一射频输出信号22并于射频输出端，即输出节点，RF_out输出。当低噪声放大器10运作于低增益模式时，直流偏压产生单元14会停止运作，但低增益衰减模块16则会启动。射频输入信号20并不经过高增益放大模块12，而是经由输入低增益衰减模块16以补偿射频输出信号22。使用上述方式，当接收到一高功率且不需放大的射频输入信号20时，可节省额外的功率耗损。另外，输出阻抗匹配模块28包含至少一个输出端，如图2所示输出阻抗匹配模块28包含两个输出端OUT+与OUT-，输出端OUT+与OUT-可作为下一级电路方块的交流双输入端，同时输出端OUT+与OUT-可通过电感L4，L5，L6以及电容C4耦接到射频输出端RF_out。
请继续参阅图1，高增益放大模块12包括电感L1及双极性晶体管Q0和Q1(亦可称为第一晶体管和一第二晶体管)。在一实施例中，双极性晶体管Q0和Q1的规格是以实现高增益和低噪声作为考虑。其中双极性晶体管Q0的基极(base)耦接到射频输入端RF_in，并同时耦合到直流偏压产生单元14以形成一电流镜。双极性晶体管Q1的射极(emitter)是连接到双极性晶体管Q0的集极(collector)，双极性晶体管Q1的基极则耦接于偏压V_bias，偏压V_bias可以由偏压电路25根据增益控制信号加以控制。当低控制模式信号启动时，偏压V_bias会停止输出，因此，双极性晶体管Q1关闭(OFF)。较佳地，电感L1是耦接于接地电压和双极性晶体管Q1的射极之间，其目的是用以改善高增益放大模块12的线性度。直流偏压产生单元14包括一双极性晶体管Q4，其基极透过电阻R1和R2耦接于高增益放大模块12，其集极则接收直流参考电流I_ref。在最佳实施例中，直流参考电流I_ref由一带隙基准电路23产生以确保能产生不受温度和供电电压大小影响的稳定直流参考电流。电阻R1和R2的电阻值会决定该电流镜的电流增益，从而决定流过双极性晶体管Q0的电流大小。当低噪声放大器10处于高增益模式下，流经双极性晶体管Q0、Q1、电感L1和芯片外部的输入阻抗匹配模块26(见图2)的电流会决定射频输入信号20的增益。
当低噪声放大器10处于高增益模式下，增益控制信号24会停止输出，同时偏压电路25会提供偏压V_bias至高增益放大模块12以开启双极性晶体管Q1，同时直流参考电流I_ref亦会产生，从而启动直流偏压产生单元14。直流参考电流I_ref会由双极性晶体管Q0、Q1所放大，从而放大在晶体管Q0基极的射频输入信号20以产生射频输出信号22。
在最佳实施例中，低增益衰减模块16包括衰减电阻R3、电阻R4、双极性晶体管Q5以及电流源I_bias。衰减电阻R3的一端透过电容C1耦接于射频输入端RF_in，另一端透过双极性晶体管Q5耦接于射频输出端RF_out，双极性晶体管Q5的基极则耦接于偏压V_bias。双极性晶体管Q5的功能可以等效为电流随耦器(current follower)。电阻R4的一端透过电容C1耦接于射频输入端RF_in，另一端透过电容C2耦接于开关单元SW。开关单元SW是使用一晶体管加以实现。开关单元SW在低噪声放大器10运行在低增益模式时是开启(ON)的。低增益衰减模块16中的电容C1(亦可称为第一电容C1)和电容C2(亦可称为第二电容C2)，可以用来阻挡射频输入信号20的直流电压成份输入。开关单元SW和电流源I_bias亦耦接于增益控制信号24。当增益控制信号24启动而进入低增益模式时，开关单元SW和晶体管Q5会开启，而晶体管Q1则是处于关闭状态(OFF)，此时射频输入信号20会通过低增益衰减模块16馈入至射频输出端RF_out，同时电阻R3、R4即作为补偿输入和输出阻抗。因此，衰减电阻R3允许低噪声放大器10的操作频宽增加且使得操作频率范围更为平缓。此外，直流偏压电流I_ref在低增益模式下可以关闭，以节约电能消耗。
在低噪声放大器10具有由高增益模式切换至低增益模式的要求，因此电阻R3、R4阻值的选取是以保持大致固定的输入反射系数(input reflection coefficient)为目标。在一实施例中，晶体管Q5的等效输入阻抗、电阻R3、R4与芯片外部的输入阻抗匹配模块26结合，以达到匹配为50欧姆(Ω)(或75欧姆，这取决于设计要求)的输入阻抗。在这种情况下，当低噪声放大器10在高增益模式下，考虑到双极性晶体管Q0、Q1的阻抗，仅输入阻抗匹配模块26即可用来提供所要的50欧姆(或75欧姆)输入阻抗。当低噪声放大器10切换至低增益模式时，连接到射频输入端RF_in的电阻R3、R4仍可以提供保持相对固定的输入反射系数。
为了达到较佳的输入阻抗以及输出阻抗匹配，例如50欧姆或75欧姆，输入阻抗匹配模块26和输出阻抗匹配模块28内部各组件的阻抗值可依据低噪声放大器10的操作频率范围进行调整。此外，为适合图1所示的低噪声放大器的10切换不同频带的应用，输入阻抗匹配模块26和输出阻抗匹配模块28内部各组件的阻抗值也应作适度的变动。图2所示之输入/输出阻抗匹配电感L3、L4的阻抗值会随同低噪声放大器10操作频带的不同而做切换，举例来说，低噪声放大器10可以操作于PCS频带(1.96GHz)和DCS频带(1.84GHz)之间。请继续参阅图2，输入阻抗匹配模块26可以实施为电感L3，输出阻抗匹配模块28包括电容C4和电感L4，不过，其他可用于输入阻抗匹配模块26和输出阻抗匹配模块28的阻抗匹配配置仍属于本发明之范畴，例如，输入阻抗匹配模块26也可以由电感和电容组成。
本发明虽然以如上的实施例来作说明，但是其技术内容并不以此为限，熟悉此项领域者亦可以依实际设计需求而有不同的变化设计。举例来说，直流偏压产生单元14不仅限于图1所示的结构，亦可采用已知的偏压电路配置以形成搭配双极性晶体管Q0的电流镜结构。此外高增益放大模块12亦可用共射极晶体管放大器或是单一晶体管配置来加以实现。
请参考图3，图3是图1的低噪声放大器10操作于高增益模式和低增益模式的关系示意图。依据图3，低噪声放大器10的线性度和压缩点在低增益模式下有相当的改善。
请注意，图1所示之所有组件可以集成于单一集成电路芯片之中。
综上所述，本发明的低噪声放大器提供一个高增益放大模块用来放大微弱的射频信号，以提高接收灵敏度，此外，本发明的低噪声放大器另提供一低增益衰减模块，用来衰减强烈射频输入信号并降低后续电路区块对线性度的要求。低噪声放大器不论在高、低增益条件下都能提供适当的阻抗匹配，并减少低增益模式时的消耗功率，所以整体系统的功率消耗得以下降。低噪声放大器可以具有一个或多个输出端，例如图2所示的OUT+和OUT-可以交流耦合至下一级电路方块，如混波器(mixer)，它可以过滤掉由低噪声放大器所产生的低频失真。低增益衰减模块有两个电阻并联，其中第一电阻是用来衰减射频输入信号，而并联的两电阻，则是用于补偿输入和输出阻抗，并用来于低噪声放大器处于低增益模式下保持一个稳定的输入反射系数(input reflection coefficient)。
虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种之更动与修改，因此本发明之保护范围当视后附之权利要求所界定者为准。