專利名稱：實現低噪聲放大器的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低噪聲放大器(LNA)，更具體地，涉及一種通過消除匹配電路來制造得體積緊湊的LNA。
噪聲是由所有電子元件以及電路的周圍環境條件(例如溫度)所產生的。噪聲可通過外部部件通入到電學系統中，也可能由電學系統本身所產生。因此，系統的本征噪聲水平決定了在存在噪聲的情況下，所能探測到的信號的下限或最小信號強度。這在接收器術語上被定義為該系統的“靈敏度”。
典型地，接收器在探測到來自于天線的入射信號的第一個動作就是放大該信號的大小，以便于后續的探測級和處理級工作。這采用一種增大信號(S)幅度，而同時將添加到所述信號中的附加噪聲(N)功率降至最低的放大器便可實現。因此希望在接收器中將信號的信噪比(S/N)提高到最高。低噪聲放大器(LNA)達到了提高信號(S)功率而同時不增加噪聲(N)功率的目的。LNA典型地以多級方式來實現，這樣每一級都包含一個或更多個放大器。
以多級方式實現LNA的理由如下。單個放大器的噪聲貢獻與諸如器件類型及其工作偏置點(operating bias-point)等許多基本參數密切相關。另外，其他需要考慮的因素，例如器件所面臨的源和負載的阻抗，對于從放大器到任何輸入信號的附加噪聲貢獻，以及輸入信號的后續增益都具有尤為強烈的影響。輸入信號大小與入射接收機的噪聲以相同的量值被放大器的增益所放大。因此任何與接收信號相重疊的附加噪聲都具有減小信噪比的總體效應。所以更傾向于以犧牲增益為代價將第一級放大器的噪聲貢獻降至最低，在附加本征噪聲效應對接收信號的完整較為無害的第二或第三級將信號放大。這樣，通過實現一種多級放大器，可以明顯地削弱噪聲效應。
在多級放大器中降低噪聲的一般技術是通過對與所述多級放大器的第一級相關的噪聲圓(noise circles)或等值線(contours)進行細致的檢查。噪聲圓(等值線)是對于給定的器件和工作點，附加噪聲大小在復阻抗平面上的軌跡。選擇產生最小附加噪聲的源阻抗點，并實現輸入匹配電路。對于給定的負載阻抗，設計類似的輸出匹配電路來最大化所述放大器的信號增益。然后添加具有類似的輸入和輸出匹配電路來進一步最大化總體電路增益的附加放大器級，同時保證滿足諸如穩定性等其它重要標準。不包括這樣的適當匹配電路經常會造成增益降低，效率下降和不穩定性。
以上所描述的設計技術要求使用集總元件(lumped element)電容器，電阻器，或電感器，或在高頻下，通過使用傳輸線的合成匹配元件(分布式)。在集成電路(IC)的應用中，為了通過增加裸片(die)/晶片(wafer)的數量和增加產量(裸片/晶片的可用數目)來減少電路的生產成本，通常希望將這些元件所占據的空間(real estate)縮減至最小。
另外，在硅集成電路的應用中，由輸入、輸出和級間匹配電路所產生的損耗可能會很嚴重。在高頻下(例如高于5GHz)，硅是一種相對低等的具有高信號損耗的半導體基底。因此通過使用這些輸入、輸出和級間匹配電路所達到的放大信號增益，可能與由這些相同部件所引進的損耗具有相似的數量級。類似地，在最小化所述第一級放大器的附加噪聲的過程中，任何由輸入匹配電路所引進的損耗可能與由未匹配的第一級放大器所產生的噪聲具有相似的重要性。因此有可能并相信存在實例證明，如果匹配元件具有高損耗，含有輸入、輸出和級間匹配電路的層疊放大器的總體的噪聲和信號增益只是勉強好于，或更糟，并不好于類似的未匹配放大器。
在該實例中，由于具有尺寸縮減的優勢，采用未匹配放大器更為可取(假設穩定性和其它功能參數均滿足)。
如上所述，多級低噪聲放大器(LNA)的總體噪聲系數受到將輸入信號耦合到第一放大器級的輸入匹配網絡，以及置于放大器級之間的級間匹配網絡的影響。在集成電路(IC)的應用中，尺寸縮減對于縮減成本來說是很重要的。因此，使用片上(on-die)匹配網絡具有誘人的可能性。但是，在更高頻率下(例如毫米(mm)波)和在有損耗的基底(硅(Si))上，由匹配網絡所產生的損耗經常會大到足以減弱它們的可用性。
圖1展示了傳統的LNA100。該傳統的LNA100包括輸入匹配網絡110、第一放大器級120、第一級間匹配網絡130、第二放大器級140、第二級間匹配網絡150、第三放大器級160和輸出匹配網絡170。如本技術領域人員所共知，所述匹配網絡110、130、150和170允許使用不同尺寸和不同增益的放大器級，在通過所述LNA100時不會經歷明顯的信號損耗。但是，正如任何電學部件都會帶來損耗一樣，所述匹配網絡110、130、150和170也向所述LNA100內引入了損耗，
因此，目前需要一種體積緊湊(即不包括匹配電路)但也具有最小總體噪聲系數的LNA。
本發明的一個示例性實施例包含一種多級放大器，該放大器包括具有至少一個第一晶體管的第一放大器級，選擇所述至少一個第一晶體管來提供最佳噪聲特性，還包括具有至少一個第二晶體管的第二放大器級，選擇所述至少一個第二晶體管來提供最佳增益特性。
本發明的一個示例性實施例還包含一種制造多級放大器的方法，包括為第一級選擇至少一個第一晶體管來提供最佳噪聲特性，和為第二級選擇至少一個第二晶體管來提供最佳增益特性的步驟。
圖1展示了包括輸入端、輸出端和級間匹配網絡的傳統LNA。
圖2展示了依照本發明的第一示例性實施例的LNA。
圖3是展示依照本發明的所述第一示例性實施例的LNA的史密斯圓圖(Smith Chart)的圖解。
圖4展示了依照本發明的第二示例性實施例的LNA。
現在將通過參照附圖示例的方式對本發明的一個實施例進行描述，其中圖2展示了依照本發明第一示例性實施例的低噪聲放大器(LNA)200。所述LNA200包括輸入匹配網絡210、第一放大器級220、第二放大器級240、第三放大器級260和輸出匹配網絡270。將會注意到，與圖1所示的傳統LNA100相比，所述LNA200不包括第一和第二級間匹配網絡130、150。
每一個放大器級220-260都包括各自數量的晶體管n1-n3。在每一個放大器級中(例如級240)對晶體管的數目(例如n2)和晶體管類型進行選擇以使得插入所述LNA200的噪聲為最小，以及使得通過該LNA的增益達到最大。特別地，改變每一級中每個晶體管的幾何形狀(geometry)來獲得通過所述LNA200的最佳噪聲特性和最大增益。如本領域技術人員所共知，晶體管的幾何形狀可以通過分別更改基極(B)，發射集(E)和集電極(C)端子的體積(即長、寬和高)來改變。
在如圖2所示的示例性實施例中，所述第一放大器級220具有n1個晶體管，選擇這些晶體管來達到最佳噪聲特性，而所述第二和第三放大器級230、240分別具有n2、n3個晶體管，選擇這些晶體管來達到最佳增益特性。在簡化的示例性實施例中，220-240中的每一級都具有一個單獨的晶體管，從而選擇所述第一級220的晶體管以達到最佳噪聲特性，而選擇所述第二和第三級230、240中每一級的各自的晶體管以達到最佳增益特性。在優選的示例性實示例中，220-240的每一級都包括一個差分晶體管對，該對中的兩個晶體管都是相同的。由于晶體管或晶體管對的輸入阻抗是偏置點和晶體管的幾何形狀(例如發射集，基極和集電極的數目，結的面積等等)的函數，所以最好單個級中的晶體管均為相同。但是，本領域技術人員將意識到本發明的原理可被應用到包含有不同類型晶體管的放大器級。
所述最佳噪聲特性(即最小噪聲系數NFopt)和最佳增益特性(即最大增益系數MGopt)可通過考查對應每級中相關晶體管的史密斯圓圖來詳細說明。例如，如果所述第一放大器級220包括兩個(即n1＝2)晶體管，對所述晶體管進行選擇(即選擇晶體管的幾何形狀)以使得對應所述第一級的史密斯圓圖在位于或靠近所述LNA220的特征源阻抗點的位置具有“最小噪聲圓(軌跡)”。繼續該例，選擇所述第二和第三放大器級230、240的晶體管(即，選擇晶體管的幾何形狀)以使得在位于或靠近所述LNA 200的第一放大器級220和第二放大器級230的輸出阻抗點的位置具有“最佳增益圓(軌跡)”。
將會注意到每個LNA(例如LNA 200)都具有最佳源阻抗(對應最小噪聲系數，NFopt)，定位于史密斯圓圖阻抗平面的一特定點上。由于源阻抗(對于給定的放大器配置)偏離這個最佳點，所以將表示噪聲系數從所述最佳點衰減(degradation)的軌跡映射到史密斯圓圖上，用遞增的半徑對應衰減0.1dB，0.5dB，1dB等等。隨著軌跡尺寸不斷增大，它們最終圍繞著所述LNA的輸入阻抗點。
例如，如果環繞線對應于從NFopt點1dB的衰減，典型地采用輸入匹配電路將所述LNA的源阻抗轉變為所述LNA的輸入阻抗，以給出具有最佳源阻抗的LNA，以此達到NFopt。但是，由于存在有損耗的匹配元件，這樣的輸入匹配電路的損耗可能會超過1dB(例如1.2dB)。因此，雖然所述LNA具有最佳源阻抗，但是實際上其噪聲系數要劣于未匹配時的情況。
繼續以上所述示例，可以選擇一種“自然”最小噪聲系數和其實數源阻抗(例如50Ω)相同的LNA，而不使用輸入匹配網絡。可以選擇具有晶體管幾何形狀與偏置點適當組合的晶體管來達到這個匹配條件，以作為第一級(例如級220)晶體管。然后可以為第二和第三級(例如級240、260)選擇具有晶體管幾何形狀和偏置點適當組合的另外的晶體管，以使得所述LNA的第二和第三級具有與所述LNA第一和第二級的輸出阻抗相同的“自然”最大增益系數MGopt。
圖3是對應示例性LNA(例如LNA 200)的史密斯圓圖300。參考數字310指明表示所述LNA的系統阻抗(例如50Ω)的史密斯圓圖300的中心。圓周320、325和330表示常噪聲系數軌跡。圓周340和345表示常增益軌跡。由此，同心圓組320、325、330的中心表示所述LNA的最小噪聲系數(NFopt)，用標號m6表示。類似地，同心增益圓組340和345的中心表示所述LNA的最大增益系數(MGopt)，用標號m5表示。增益圓和噪聲圓(例如增益圓345和噪聲圓330)的交點表示當出現在所述LNA時將產生組合增益與噪聲系數(combined gain and noise figure)的阻抗。例如，標號m13表示增益圓345和噪聲圓330的交點，和一阻抗，該阻抗即為這些噪聲和增益圓所構成的組合。為達到該點(位于標號m13)，有必要采用匹配網絡來將所述LNA的系統阻抗轉變為這個新的阻抗水平(即將標號m13所表示的交點移動到靠近史密斯圓圖的中心)。但是，將會注意到另一組噪聲與增益圓(例如噪聲圓325和增益圓340)在靠近所述史密斯圓圖300的中心處相交(即，系統阻抗點)。因此，一個充分表示所述LNA系統阻抗的噪聲與增益組合可以不需任何匹配網絡便可實現。
在最佳偏置點、最佳幾何形狀和為作出這一選擇而不得不考慮的工作頻率之間存在一種平衡，由此便需要多重晶體管，以及可變的幾何形狀。然后，可以將該思想進一步拓展到以最佳增益為目的的后續級。
通過調整器件(例如晶體管)尺寸，和/或220、240、260每一放大器級的器件數量，有可能在增益和噪聲系數之間達到折中，在該折中狀態下不需要匹配，而有效源匹配和級間匹配通過改變每級中器件的幾何形狀來提供。這也可以顯著地縮減成品LNA200的尺寸。
特別地，隨著器件參數(例如尺寸、數量、幾何形狀等等)的改變，在對應的史密斯圓圖中噪聲和增益圓也在改變。如上所述，可以改變噪聲和增益圓以使得至少一個增益圓和至少一個噪聲圓在位于或接近所述LNA系統阻抗(即所述史密斯圓圖的近似中心)的位置上相交于一點。
對于特定晶體管，其噪聲軌跡和增益軌跡的特定大小是位置與器件尺寸和偏置點的函數。通過細致地選擇特定器件尺寸和工作點，第一級放大器(例如在第一放大器級220中)的最佳噪聲軌跡可能相同或類似于系統的特性源阻抗。類似地，通過選擇后續具有適當偏置點的不同尺寸的晶體管，還可以包括也與所述適當的源阻抗相匹配的附加放大級(例如第二和第三放大器級240、260)。
因此就有可能設計一種多級低噪聲放大器，這種放大器非常緊湊(通過消除級間匹配網絡)，但是卻能提供令人滿意的增益與附加噪聲特性。仍然可以使用輸入和輸出匹配網絡210和270以使得所述多級放大器與輸入和輸出負載阻抗相兼容。也有可能采用類似的技術在適當的偏置點縮放晶體管來最小化附加匹配電路的范圍大小，該附加匹配電路用于在縮減所占據IC區域的同時進一步增強性能。
圖4展示了依照本發明第二示例性實施例的低噪聲放大器(LNA)400。所述LNA400包括第一放大器級420、第二放大器級440、第三放大器級460和輸出匹配網絡470。將會注意到，與如圖2所示的LNA 200相比，所述LNA400不包括輸入匹配網絡(例如輸入匹配網絡210)。所述輸入匹配網絡通過細致地選擇第一放大器級420的晶體管來消除。特別地，在所述第一放大器級420中選擇晶體管的數量(例如n1)和晶體管的類型以達到最佳增益特性。
就以上所述的LNA200而言，每一個放大器級420-460都包括各自數量的晶體管n1-n3。參照圖2，如上所述選擇每一個放大器級(例如級440)的晶體管數量(例如，n2)，從而在此忽略對所述方法的說明。
因此就有可能設計一種多級低噪聲放大器(例如LNA400)，這種放大器非常緊湊(通過不包含輸入和級間匹配網絡)，但是卻能提供令人滿意的增益和附加噪聲特性。可以采用輸出匹配電路(例如470)來轉變所述多級放大器的末級以便于與后續負載阻抗相兼容。還有可能使用類似的技術，在適當的偏置點縮放晶體管來最小化附加匹配電路的范圍大小，該附加匹配電路用于在縮減所占據IC區域的同時進一步增強性能。
雖然以上所描述的示例性LNA200、400都包括至少三個放大器級，但是將會注意到本發明的原理能夠應用到含有任意數目的放大器級(例如1，2，3，4等)的LNA。本領域技術人員同樣也會理解以上所描述的選擇晶體管的方法可以應用到單塊形成的晶體管，以及封裝的分立晶體管。
雖然本發明已經按照示例性實施例進行了描述，但是其本身并不僅限于此。更準確地說，應當對附加權利要求書進行廣泛地解釋以涵蓋本發明的其它變體和實施例，而這些變體和實施例可由本領域技術人員在不離開本發明等價物的范疇和領域的情況下完成。
權利要求
1.一種多級放大器，包括包括至少一個第一晶體管的第一放大器級，選擇所述至少一個第一晶體管來提供最佳噪聲特性；以及包括至少一個第二晶體管的第二放大器級，選擇所述至少一個第二晶體管來提供最佳增益特性。
2.如權利要求1所述多級放大器，還包括包括至少一個第三晶體管的第三放大器級，選擇所述至少一個第三晶體管以達到最佳增益特性。
3.如權利要求1所述多級放大器，還包括耦合到所述第一級輸入端的輸入匹配網絡。
4.如權利要求1所述多級放大器，還包括耦合到所述第二級輸出端的輸出匹配網絡。
5.如權利要求2所述多級放大器，還包括耦合到所述第三級輸出端的輸出匹配網絡。
6.如權利要求1所述多級放大器，其中所述至少一個第一晶體管包含若干個晶體管，選擇特定數目來提供最佳噪聲特性。
7.如權利要求1所述多級放大器，其中通過選擇所述至少一個第一晶體管的適當幾何形狀來提供最佳噪聲特性。
8.如權利要求1所述多級放大器，其中通過選擇所述至少一個第二晶體管的適當幾何形狀來提供最佳增益特性。
9.如權利要求2所述多級放大器，其中通過選擇所述至少一個第三晶體管的適當幾何形狀來提供最佳增益特性。
10.一種制造多級放大器的方法，包括步驟選擇第一級的至少一個第一晶體管來提供最佳噪聲特性；以及，選擇第二級的至少一個第二晶體管來提供最佳增益特性。
11.如權利要求10所述方法，還包括步驟選擇第三級的至少一個第三晶體管來提供最佳增益特性。
12.如權利要求10所述方法，其中選擇所述第一級的至少一個第一晶體管以提供最佳噪聲特性的步驟包括選擇所述至少一個第一晶體管的適當幾何形狀。
13.如權利要求10所述方法，其中選擇所述第二級的至少一個第二晶體管以提供最佳增益特性的步驟包括選擇所述至少一個第二晶體管的適當幾何形狀。
14.如權利要求11所述方法，其中選擇所述第三級的至少一個第三晶體管以提供最佳增益特性的步驟包括選擇所述至少一個第三晶體管的適當幾何形狀。
15.如權利要求10所述方法，還包括步驟選擇輸出匹配網絡，所述輸出匹配網絡被耦合到所述第二級的輸出端。
16.如權利要求11所述方法，還包括步驟選擇輸出匹配網絡，所述輸出匹配網絡被耦合到所述第三級的輸出端。
17.一種制造多級放大器的方法，包括步驟選擇至少一個第一晶體管以使得至少一個噪聲圓和至少一個增益圓在位于或靠近所述放大器的對應史密斯圓圖的中心相交；以及，選擇至少一個第二晶體管以使得至少一個噪聲圓和至少一個增益圓在位于或靠近所述對應史密斯圓圖的中心相交。
全文摘要
一種多級放大器，包括含有第一晶體管的第一放大器級，選擇所述第一晶體管來提供最佳噪聲特性，以及含有第二晶體管的第二放大器級，選擇所述第二晶體管來提供最佳增益特性。
文檔編號H03F3/189GK1879293SQ200480033212
公開日2006年12月13日 申請日期2004年10月8日 優先權日2003年10月14日
發明者羅伯特·I·格雷沙姆, 拉塔納·沃勒特, 艾倫·詹金斯 申請人:M/A-Com公司