CN1759533A - 可切换增益的放大器 - Google Patents

Abstract

提供一种在移动通信设备中使用的可切换增益的放大器，其包含：具有第一增益的第一放大级，与该第一放大级并联连接的第二放大级。该第一和第二放大级具有不同的增益，并且与该第一放大级和第二放大级连接的增益控制器，每次仅使能该多个放大级的其中之一。

Description

可切换增益的放大器

发明领域

本发明通常涉及放大器领域，尤其涉及可切换增益的放大器。

背景技术

无线通信的最容易体会到的好处之一是给予无线通信的使用者的移动性。具有无线电话技术的移动手持机可以在各种环境中使用，例如，室内、室外或者当在汽车或其它车辆中移动时。

但是，无线通信装置的移动使用可能导致由无线通信装置接收的射频(RF)信号的信号强度的较大的变化。依赖移动手持机相对于基站的位置，以及在传播途径中的障碍物，无论在何处在天线上所接收的RF信号可以在非常宽的信号强度范围之内。当信号相对较弱时，需要在无线电中的更大的放大。当信号强时，需要较小的放大。相应地，已经给无线通信装置提供用于RF信号的低噪音放大器(LNA)，其具有可以响应所接收的RF信号的强度而调整的增益。

无线通信的一些标准相对于其他的标准对于信号强度的变化更为敏感。例如，码分多址(CDMA)技术对RF信号强度的变化特别敏感。因此，对于CDMA信号，非常需要高的线性地放大，因为其没有常数包络线(constant envelope)。但是无论如何，RF信号强度变化或多或少都会影响无线通信的其他格式，并且本发明不一定局限于任何特定的通信格式。

先前的给低噪声滤波器(LNA)提供可调整的增益的解决方案，包括分立的衰减器或者仅仅关闭LNA。例如，一个公知的解决方案使用选择性地被切换与LNA的输入端相串联的分立的衰减器。当所接收的RF信号强时，接入衰减器，于是接收的信号在进入LNA之前被衰减。当所接收的信号相对较弱时，不接入衰减器。但是分立的衰减器存在额外的材料成本、额外的在无线装置的电路板上所需的面积、以及即便当不接入衰减器时在LNA的输入上额外的负载的缺点，因而降低了噪声性能。

简单地关闭LNA也有缺点。通常将LNA的RF信号输出解调成基带信号用于进一步的处理。下变频器的驱动电路的一个有益使用是将该驱动电路用作LNA的偏置电流吸收器(biasing current sink)。当出现强信号时关闭或者旁路LNA将不允许再将下变频器的驱动器用作LNA的电流吸收器。

发明内容

通过使用两个并联连接的放大级实现在移动通信设备中使用的可切换增益的放大器。第一放大级具有第一增益而第二放大级具有比第一增益小的第二增益。耦合到该第一放大级和该第二放大级的增益控制器在给定的时间使能该放大级的其中之一。该增益控制器可以包括增益控制输入、电流开关、以及响应该增益控制输入的第一和第二偏置电流电路，并且可以包括第一电流使能输出以及第二电流使能输出以分别控制第一偏置电流电路和第二偏置电流电路。在一个实施例中，第二增益可以大约为0dB，而第一增益超出第二增益至少10dB。

在可切换增益的放大器的另一个实施例中，可以使用双极晶体管技术。第一放大级可以包括第一双极晶体管，其具有与构成第二放大级的第二双极晶体管的对应的元件相耦合的集电极、基极和发射极。在这个实施例中，增益控制器可以包括与第一晶体管的基极相连的第一偏置电流信号，以及与第二晶体管的基极相连的第二偏置控制信号。第二发射极可以比第一发射极衰减更大。此外，第一基极可以通过隔直流元件和阻抗匹配电路耦合到第二基极。

基于以下附图的和详细描述，本发明的其他系统、方法、特性以及优点对于本领域人员将更清楚。所有这样的其它系统、方法、特性以及优点应当包括在该描述中，应当在本发明的范围之内并且由所附权利要求书所保护。

附图简述

附图中的元件不需要按比例画出，重点在于举例说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的参考数字表示所有不同的视图中的相应部分。

图1为举例说明可切换增益的放大器的例子的电路模块图。

图2为举例说明可切换增益的放大器的例子的电路示意图。

图3为举例说明增益控制电路的例子的电路示意图。

发明详述

图1为举例说明可切换增益的低噪声放大器10的一个实施例的电路模块图。可切换增益的低噪声放大器10包括第一放大级12以及第二放大级14。放大级12、14可以是具有适合于期望的应用的特性的任何放大器。第一放大级12和第二放大级14最好提供期望的功率增益、噪声系数以及线性度，而不需要分立的衰减器的负载。第一和第二放大级可以是，但不要求是，大体上物理地一致。第一放大级与第二放大级的区别可以包括功率增益、线性度以及噪音性能。在图1所举例说明的实施例中，第一放大级12配置为大致13.5dB的增益，而第二放大级14可以配置为大致0dB的增益，但是，这些增益值是用于举例说明的目的，可以为任何目的或期待的应用而改变。

在图1中第一和第二放大级12、14与公共的输入端和输出端并联连接。RF信号优选阻抗匹配到第一放大级12并且从RF输入端16耦合到第一和第二放大级12、14。但是，第二放大级14可以具有不同于第一放大级12的输入阻抗，并且当第一放大级12关闭而第二放大级14打开时，输入阻抗可以改变。因此，在一个实施例中，阻抗匹配电路18可以包括在第一和第二放大级之间，使得当放大器从高增益切换到低增益时，可以将低噪音放大器10的输入阻抗的任何变化最小化。

在一个实施例中第一放大级12和第二放大级14可以共享相同的电流吸收器20。在一个实施例中，电流吸收器20可以执行RF驱动器的额外功能，其将信号推进具有关联的本地振荡器(LO)23的下变频器22。

增益控制输入端24与增益控制器26连接。增益控制器26提供第一增益使能信号28给第一放大级12以及提供第二增益使能信号30到第二放大级14。因此，增益控制器26可以是任何控制电路，例如，数字或者模拟控制电路，其响应增益控制输入提供适当的使能信号给放大级12、14。例如，当在增益控制输入端24的被施加电压为低时，增益控制器26可以将第一增益使能信号施加28到第一放大级12并且禁止第二增益使能信号30施加到第二放大级14。在这种情况下，使能第一放大级12而禁止第二放大级14。因此，当在增益控制输入端24的电压为低时，低噪声放大器10的总增益为第一放大级12的增益。在这个例子中，当在增益控制输入端24的被施加电压为高时，增益控制器26禁止将第一增益使能信号28施加到第一放大级12，并且将第二放大增益使能信号30施加到第二放大级14。在这种情况下，禁止第一放大级12而使能第二放大级14。因此，当在增益控制输入端24的电压为高时，低噪声放大器10的总增益为第二放大级14的增益。

在图1举例说明的实施例中，第一放大级12和第二放大级14的输出端耦合到SAW(表面声波)滤波器32。SAW滤波器是有用的，因为它们通常具有非常窄的带宽以及具有在预期的带宽外的尖锐的滚降(roll off)。SAW滤波器32通过期望的射频信号而大幅度衰减信号的镜像频率。可以使用具有适合于应用的特性的任何其他滤波器类型。SAW滤波器32的输出端在图1的实施例中施加到电流吸收器20的基极。在图1所举例说明的实施例中，电流吸收器20还可以起到下变频器22的RF驱动器的功能。电流吸收器20的集电极耦合到下变频器22。

图2是可切换增益的低噪声放大器100的实现的另一实施例的举例说明。这个实施例采用了使用双极型器件制造工艺的集成电路。通常，双极电路优选用于可以在无线通信中使用的频率上工作的低噪声放大器。但是，本发明不需要局限于集成电路实施例或者双极型器件制造工艺。例如，BiCMOS、CMOS工艺和非集成工艺也可以用于无线通信中。

在图2举例说明的可切换增益的低噪声放大器100的实施例中，第一放大级112和第二放大级114为双极晶体管放大级。第一和第二双极晶体管放大级可以是，但不要求是，大体上物理地一致。差别可以包括功率增益、线性度、以及噪声性能。在图2举例说明的实施例中，将第一放大级112配置为13.5dB的增益，而将第二放大级114配置为0dB的增益。例如，可以通过在第二放大级114的发射极部分包括额外的电感来实现第二放大级的增益的减少。该电感可以用作负反馈电感(degeneration inductor)134。为简单起见，将负反馈电感134举例说明为与第二级114的集电极串联的电感。其他本领域公知的技术也可以用于提供期望的衰减。第二放大级114还可以配置为高线性度。第二放大级114的高线性度是恰当的，因为第二级通常处理比第一放大级强的RF信号。第二放大级114的发射极在一个实施例中可以充分地衰减到+15dBm的三阶截止点。第一放大级112，例如，可以具有+7-8dBm三阶截止点。第二放大级114可以具有比第一放大级高的噪声系数。

第一和第二放大级112、114与公共的输入端和输出端并联连接。在该举例说明的实施例中，使用双极性工艺，第一放大级112的集电极与第二放大级114的集电极连接，并且第一放大级112的发射极耦合到第二放大级114的发射极。在图2的实施例中，第一放大级112的基极经由隔直流电容142和阻抗匹配电路118耦合到第二放大级114的基极。当然，使用诸如CMOS或者BiCMOS这样的不同的制造工艺时，第一和第二放大级可以具有或可以不具有“基极”、“集电极”或者“发射极”。例如，场效应晶体管放大器可以具有“栅极”、“漏极”以及“源极”。应该想到，经过适当的本领域人员公知的调整本发明可以用这样的替代制造工艺进行制造。同样，虽然为了清楚起见单端电路被举例说明，但是包括差分放大级的其他配置也被考虑了。

RF信号由天线136接收，并且在图2举例说明的实施例中经由阻抗匹配电路138和隔直流电容140耦合到第一放大级112和第二放大级114的基极。阻抗匹配电路138和隔直流电容140可以是被选择用来通常匹配第一放大级112的阻抗的外部元件。但是，第二放大级114可以具有不同于第一放大级112的输入阻抗，并且当关闭第一放大级112而打开第二放大级114时，输入阻抗可以变化。因此，阻抗匹配电路118可以包括在第一和第二放大级之间，使得当放大器从高增益切换到低增益时，将低噪声放大器100的输入阻抗的任何改变最小化。

第一放大级112和第二放大级的发射极共享公共的电流吸收器120。在举例说明的实施例中，该电流吸收器120可以执行RF驱动器的额外功能，其将信号推进具有关联的本地振荡器(LO)123的下变频器122。

增益控制输入端124如图2所示耦合到增益控制器126。增益控制器126以偏置电流的形式向第一放大级112的基极提供第一增益使能信号128，以及以偏置电流的形式向第二放大级114的基极提供第二增益使能信号130。隔直流电容考虑了分开的偏置电流信号。

在图2举例说明的实施例中，公共的输出负载144由第一放大级112和第二放大级114的集电极共享。在第一和第二放大级的共同输出端中出现的已放大的信号通过隔直流电容146和阻抗匹配电路148耦合到SAW滤波器132。SAW滤波器132的输出端施加到电流吸收器120的基极。电流吸收器120的集电极与下变频器122连接。

参考图3，举例说明了增益控制器226的另一实施例的简化示意图。在图3的举例说明的实施例中，增益控制输入端24通过电阻250耦合到差分放大器252的控制输入端。差分放大器252的参考输入端与参考电压254连接。参考电压254，例如，可以配置成在增益控制输入端24的高电压与低电压之间的大致一半的电压。在该举例说明的实施例中，参考电压254可以为电源电压的大致一半。对差分放大器252进行配置，使得输出跟随输入变化。在该举例说明的实施例中，同相输入端为控制输入，反相输入端为参考输入，并且同相输出端为输出。电流源256，其在一个实施例中可以被PTAT(正比于绝对温度)补偿，提供电流给差分放大器252。PTAT补偿在例如-30摄氏度到80摄氏度的很宽的温度范围上帮助保持低噪声放大器的通常恒定的偏置电流以及增益。

在图3的实施例中，差分放大器252的输出端与电流开关258的控制输入端连接。电流源260提供电流给电流开关258，并且参考电压262提供参考电压给电流开关258的参考输入端。电流开关258可以为，例如，差分PNP电流开关。依赖于控制输入端相对于参考输入端的状态，电流开关258将来自电流源260的电流切换到第一输出端259或者第二输出端261。在该举例说明的实施例中，反相输入端为控制输入端，同相输入端为参考电压，反相输出端为第一输出端259而同相输出端为第二输出端261。

电流开关258的第一输出端259在图3的实施例中与第一偏置电流反射镜264连接。第一电流反射镜264的输出为第一偏置电流信号228。第一偏置电流信号228的电压由跟随偏置参考电压268的电压跟随器266来稳定。为了保持第一放大级(例如，图2中的级112)的稳定的偏置电压，偏置参考电压268可以是，例如，正比于分立的偏置电池所参考的绝对温度，以补偿温度变化。

电流开关258的第二输出端261在图3所举例说明的实施例中与第二偏置电流反射镜270连接。第二偏置电流反射镜270的输出是第二偏置电流信号230。第二偏置电流信号230的电压由跟随偏置参考电压268的电压跟随器272来稳定。

在工作时，当增益控制输入24为低(例如，低于诸如地这样的参考电压254)时，使能第一偏置电流反射镜264而禁止第二偏置电流反射镜。因此，在输出端228上产生第一增益使能信号以施加偏置电流到第一放大级(例如，将信号128施加到在图2中的级112的基极)，而第二增益使能信号输出端230没有施加任何有效的偏置电流到第二放大级(例如，将信号130施加到在图2中的级114的基极)。因此，只有第一放大级是激活的，并且低噪声放大器处在高增益状态。当增益控制输入24为高(例如，高于诸如电源电压这样的参考电压254)时，禁止第一偏置电流反射镜264而使能第二偏置电流反射镜270。因此，没有有效的偏置电流通过第一增益使能信号输出端228施加到第一放大级上，而第二增益使能信号输出端230将偏置电流施加到第二放大级上。因此，只有第二放大级(例如，在图1以及图2中的14或者114)是激活的，并且低噪声放大器处在低增益状态。

虽然已经描述本发明的各种实施例，但是对于本领域人员很显而易见，在本发明的范围内的更多实施例和实施方式是可能的。

Claims (26)

1、一种可切换增益的放大器包括：

a)具有第一增益的第一放大级；

b)与该第一放大级并联连接的第二放大级，该第二放大级具有

第二增益，其中该第一增益比该第二增益大；以及

c)增益控制器，与该第一放大级和该第二放大级连接；该增益

控制器每次使能该第一放大级或者该第二放大级。

2、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中所述第一放大级和所述第二放大级共享公共的电流吸收器。

3、根据权利要求2所述的可切换增益的放大器，其中所述电流吸收器还起RF驱动器的作用。

4、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中阻抗匹配电路耦合在所述第一放大级与所述第二放大级之间。

5、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中所述第二放大级具有比所述第一放大级更高的线性度。

6、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中所述第二放大级具有比所述第一放大级更高的噪声系数。

7、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中所述第一和第二放大级进一步包括差分放大器。

8、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中滤波器耦合到所述第一放大级和所述第二放大级。

9、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中：

a)所述第一放大级进一步包括具有第一集电极、第一基极和第一发射极的第一双极晶体管；

b)所述第二放大级进一步包括具有第二集电极、第二基极和第二发射极的第二双极晶体管；以及

c)所述增益控制器进一步包括与该第一基极连接的第一偏置电流信号，以及与该第二基极连接的第二偏置控制信号；

其中，该第一集电极耦合到该第二集电极，该第一发射极耦合到该第二发射极，以及该第一基极耦合到该第二基极。

10、根据权利要求9所述的可切换增益的放大器，其中所述第一基极通过隔直流元件和阻抗匹配电路耦合到所述第二基极。

11、根据权利要求9所述的可切换增益的放大器，其中所述第二双极晶体管的所述发射极进一步包括负反馈电感，所述第二双极晶体管在其它方面大体上与所述第一双极晶体管物理地一致。

12、根据权利要求1所述的可切换增益的放大器，其中所述增益控制器进一步包括

a)增益控制输入；

b)响应该增益控制输入的电流开关，具有第一电流使能输出和第二电流使能输出；

c)响应该第一电流使能输出的第一偏置电流电路，该第一偏置电流电路产生第一偏置电流信号；以及

d)响应该第二电流使能输出的第二偏置电流电路，该第二偏置电流电路产生第二偏置电流信号。

13、根据权利要求12所述的可切换增益的放大器，其中所述增益控制器进一步包括温度补偿偏置参考电压，其耦合到所述第一偏置电流电路以及所述第二偏置电流电路。

14、一种在移动通信设备中使用的可切换增益的放大器，包括：

a)第一双极晶体管，具有第一集电极、第一基极和第一发射极并且提供第一增益；

b)第二双极晶体管，具有第二集电极、第二基极和第二发射极并且提供不同于该第一增益的第二增益；以及

c)增益控制器，具有与该第一基极连接的第一偏置电流信号，以及与该第二基极连接的第二偏置电流信号，该增益控制器每次施加该第一偏置电流信号或者该第二偏置电流信号。

15、根据权利要求14所述的可切换增益的放大器，其中所述第一增益超过所述第二增益至少10dB。

16、根据权利要求14所述的可切换增益的放大器，其中所述第一基极通过隔直流电容和阻抗匹配电路耦合到所述第二基极。

17、根据权利要求14所述的可切换增益的放大器，其中所述增益控制器进一步包括：

a)增益控制输入；

b)响应该增益控制输入的电流开关，具有第一电流使能输出以及第二电流使能输出；

c)响应该第一电流使能输出的第一偏置电流电路，该第一偏置电流电路产生所述第一偏置电流信号；以及

d)响应该第二电流使能输出的第二偏置电流电路，该第二偏置电流电路产生所述第二偏置电流信号。

18、在移动通信设备中使用的具有天线、射频驱动器和下变频器的无线接收机中，一种可切换增益的低噪声放大器包括：

a)具有第一增益的第一放大级，该第一放大级包括具有第一集电极、第一基极和第一发射极的第一双极晶体管；

b)具有第二增益的第二放大级，该第二放大级进一步包括具有第二集电极、耦合到该第一基极和天线的第二基极以及第二发射极的第二双极晶体管；

c)增益控制器，具有与该第一基极连接的第一偏置电流信号，以及与该第二基极连接的第二偏置控制信号，该增益控制器每次使能该第一放大级或者该第二放大级；以及

d)耦合到该第一和第二集电极的带通滤波器，该带通滤波器耦合到该射频驱动器，以及该射频驱动器耦合到该下变频器。

19、根据权利要求18所述的低噪声放大器，其中所述射频驱动器进一步耦合到所述第一和第二发射极，向所述第一放大级和所述第二放大级提供电流吸收器电路。

20、一种在移动通信设备中使用的可切换增益的放大器，包括：

a)用于放大的第一装置，具有第一增益；

b)用于放大的第二装置，与该用于放大的第一装置并联连接，该用于放大的第二装置具有第二增益，其中该第一增益比该第二增益大；以及

c)用于每次使能该用于放大的第一装置或者该用于放大的第二装置的装置，该用于使能的装置与该用于放大的第一装置和该用于放大的第二装置相连。

21、根据权利要求20所述的可切换增益的放大器，其中所述用于使能的装置进一步包括：

a)增益控制输入；

b)用于切换电流的装置，响应该增益控制输入，具有第一电流使能输出和第二电流使能输出；

c)用于产生偏置电流电路的第一装置，响应该第一电路使能输出并且耦合到所述第一放大级；以及

d)用于产生偏置电流的第二装置，响应该第二电流使能输出并且耦合到所述第二放大级。

22、根据权利要求20所述的可切换增益的放大器，其中：

所述用于放大的第一装置具有第一信号输入端、第一信号输出端以及第一控制输入端；

所述用于放大的第二装置具有耦合到该第一信号输入端的第二信号输入端、耦合到该第一信号输出端的第二信号输出端、以及第二控制输入端；以及

所述用于使能的装置具有耦合到该第一控制输入端的第一控制输出端以及耦合到该第二控制输入端的第二控制输出端。

23、根据权利要求22所述的可切换增益的放大器，其中所述第二信号输入端通过隔直流装置和阻抗匹配装置耦合到所述第一信号输入端。

24、在移动通信设备中使用的具有天线、射频驱动器以及下变频器的无线接收机中，一种可切换增益的低噪声放大器包括：

a)用于放大的第一装置，具有第一增益、耦合到该天线的第一信号输入端、第一信号输出端、以及第一控制输入端；

b)用于放大的第二装置，与该用于放大的第一装置并联连接，该用于放大的第二装置具有第二增益、耦合到该第一信号输入端的第二信号输入端、耦合到该第一信号输出端的第二信号输出端、以及第二控制输入端，其中该第一增益比该第二增益大。

c)用于每次使能该用于放大的第一装置或者该用于放大的第二装置的装置，该用于使能的装置具有耦合到该第一控制输入端的第一控制输出端以及耦合到该第二控制输入端的第二控制输出端；以及

d)用于带通滤波的装置，耦合到该第一和第二信号输出端；其中该用于带通滤波的装置耦合到该该射频驱动器，并且该射频驱动器耦合到该下变频器。

25、一种切换移动通信设备中的放大器的增益的方法，该放大器包含具有第一增益的第一放大级以及具有第二增益的第二放大级，其中该第一增益比该第二增益大，该第一和第二放大级并联耦合，包括：

a)对于高增益放大提供第一增益控制信号给该第一放大级并且禁止第二增益控制信号送给该第二放大级；以及

b)对于低增益放大提供该第二增益控制信号给该第二放大级并且禁止该第一增益控制信号送给该第一放大级。

26、根据权利要求25所述的方法，其中所述提供第一增益控制信号并且禁止第二增益控制信号的步骤进一步包括提供第一偏置电流给所述第一放大级并且禁止第二偏置电流送给所述第二放大级的步骤，以及其中所述提供第二增益控制信号并且禁止第一增益控制信号的步骤进一步包括提供第二偏置电流给所述第二放大级并且禁止第一偏置电流送给所述第一放大级的步骤。

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