專利名稱：低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，特別是涉及一種寬帶可調增益差動低噪聲放大器。
背景技術：
圖1是現有的寬帶可調增益差動低噪聲放大器的單端電路圖。請參照圖1，低噪聲放大器100包括雙反饋(Dual Feedback)放大器110、并-并反饋(Shunt-shunt Feedback)放大器120以及增益控制單元130。雙反饋放大器110采用Kukeilka結構，其包括N型金屬氧化物半導體(N-type Metal OxideSemiconductor，NMOS)晶體管M1、M2及Mf1。晶體管M1的柵極接收射頻輸入訊號RF_IN，且晶體管M1的漏極經由電阻R1耦接至操作電壓Vdd，例如是1.8V。晶體管M2的柵極耦接至晶體管M1的漏極，晶體管M2的漏極經由電阻R2耦接至操作電壓Vdd，且晶體管M2的漏極用以輸出第一輸出訊號S1。晶體管Mf1的柵極與漏極共同耦接至晶體管M2的源極，并經由電阻Rf1耦接至晶體管M1的柵極。此外，晶體管M2的柵極與漏極間耦接電阻Rf2，用來調整雙反饋放大器110的輸出阻抗，進而影響其增益與線性度。而晶體管M2的漏極耦接一電容Cb1，使得晶體管M2的輸出直流電平不影響下一級并-并反饋放大器的偏壓情況。
并-并反饋放大器120包括NMOS晶體管M3，晶體管M3經由電容Cb1耦接至晶體管M2的漏極，用以接收第一輸出訊號S1，且晶體管M3用以輸出射頻輸出訊號RF_OUT。晶體管M3的漏極經由電阻R3耦接至Vdd，且晶體管M3的柵極與漏極間耦接電阻Rf3。另外，增益控制單元130包括直流電源Vctrl以及NMOS晶體管Mc1。晶體管Mc1的漏極耦接至晶體管M3的柵極，且直流電源Vctrl經由電阻Rc1耦接至晶體管Mc1的柵極，用以調整晶體管Mc1的電阻值，其中直流電源Vctrl提供0～Vdd(1.8V)的直流電壓。
一般當輸入訊號RF_IN的訊號強度不大時，增益控制單元130的直流電源Vctrl調整至雙反饋放大器110以及并-并反饋放大器120操作在正常工作區，以提供所需的電壓增益。然而，當輸入訊號RF_IN的訊號增強時，為了避免低噪聲放大器100飽和，通常會提高直流電源Vctrl的輸出電壓(接近1.8V)，使得低噪聲放大器100的操作模式切換至低增益模式(Low GainMode)。然而，不論是高增益模式或低增益模式，低噪聲放大器100的訊號輸出線性度并無明顯改善，無法有效提高低噪聲放大器100對大訊號的忍受度。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種低噪聲放大器，在最后一級放大器的輸出晶體管的輸入端上耦接增益控制單元，用以切換低噪聲放大器的輸出訊號增益，并于高增益模式切換至低增益模式時，可在不改變輸出阻抗的同時提高其輸出訊號的線性度。
根據本發明的目的，提出一種低噪聲放大器，包括第一級訊號放大器、第二級訊號放大器以及增益控制單元。第一級訊號放大器用以接收一輸入訊號，并據以輸出一第一輸出訊號。第二級訊號放大器耦接第一級訊號放大器，用以根據第一輸出訊號，輸出第二輸出訊號，其中第二級訊號放大器包括第一輸出晶體管，用以輸出第二輸出訊號。增益控制單元則包括第一可變電阻組件，且第一可變電阻組件耦接于第一輸出晶體管的輸入端，用以調整第二輸出訊號的電壓增益。
為使本發明的上述目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并結合附圖詳細說明如下。
圖1是現有的寬帶可調增益差動低噪聲放大器的單端電路圖。
圖2示出了依照本發明一較佳實施例的一種寬帶可調增益差動低噪聲放大器的單端電路圖。
附圖符號說明100、200低噪聲放大器110、210雙反饋放大器120、220并-并反饋放大器
130、230增益控制單元具體實施方式
請參照圖2，其示出了依照本發明一較佳實施例的一種寬帶可調增益差動低噪聲放大器的單端電路圖。低噪聲放大器200包括第一級訊號放大器210、第二級訊號放大器220以及增益控制單元230。第一級訊號放大器210例如是一種雙反饋放大器，其包括NMOS晶體管M1、M2及Mf1。晶體管M1的柵極接收射頻輸入訊號RF_IN，且晶體管M1的漏極經由電阻R1耦接至操作電壓Vdd，例如1.8V。晶體管M2的柵極耦接至晶體管M1的漏極，晶體管M2的漏極經由電阻R2耦接至操作電壓Vdd，且晶體管M2的漏極用以輸出第一輸出訊號S1。晶體管M2的柵極與漏極間耦接電阻Rf2。另外，晶體管Mf1的柵極與漏極共同耦接至晶體管M2的源極，并經由電阻Rf1耦接至晶體管M1的柵極。
第二級訊號放大器220例如是一種并-并反饋放大器，其包括NMOS晶體管M3。晶體管M3的柵極經由電容Cb1耦接至晶體管M2，用以接收第一輸出訊號S1，晶體管M3的漏極經由電阻R3耦接至操作電壓Vdd，且晶體管M3的漏極用以輸出射頻輸出訊號RF_OUT。晶體管M3的柵極與漏極間耦接電阻Rf3。
本實施例所披露的低噪聲放大器200與現有的低噪聲放大器100最大的不同處在于低噪聲放大器200除了NMOS晶體管Mc1以及直流電源Vctrl以外，還包括PMOS晶體管Mc2及Mc3，且晶體管Mc1的漏極是耦接至晶體管M3的源極。直流電源Vctrl經由電阻Rc1耦接至晶體管Mc1的柵極，其中直流電源Vctrl輸出0～Vdd(1.8V)直流電壓。晶體管Mc2的源極耦接于晶體管M3的漏極，且晶體管Mc2的源極經由電阻Rc2耦接至晶體管M3的柵極。另外，晶體管Mc3的漏極耦接于晶體管M2的漏極，且晶體管Mc3的源極經由電阻Rc3耦接至晶體管M2的柵極。
為了改善現有的低增益模式線性度不足的缺點，本實施例低噪聲放大器200的電路設計是將增益控制單元230耦接至晶體管M3的源極，在低增益模式操作(Vctrl→1.8V)時，藉由改變晶體管M3的源極退化(SourceDegeneration)程度，以降低輸出訊號RF_OUT的電壓增益同時增加其增益線性度。
當輸入訊號RF_IN為小訊號時，增益控制單元230的直流電源Vctrl提供的直流電壓為1.8V，此時晶體管Mc1導通，使得晶體管M3的源極接地，且低噪聲放大器200處于高增益模式操作，以提供具有較佳增益的輸出訊號RF_OUT。而當輸入訊號RF_IN為大訊號時，為了避免低噪聲放大器200進入飽和狀態，調整增益控制單元230的直流電源Vctrl提供0V的直流電壓，使得低噪聲放大器200處于低增益模式操作，同時提高輸出訊號RF_OUT的增益線性度。由于直流電源Vctrl輸出的電壓為0V時，晶體管Mc1不導通，將導致低噪聲放大器200的輸出阻抗變大。為了不使其輸出阻抗在低增益模式時變化太大，因此如上所述，在晶體管M3的漏極與柵極之間配置晶體管Mc2與電阻Rc2，以調整其輸出阻抗。另外，在晶體管M2的漏極與柵極間也配置晶體管Mc3與Rc3，以增加輸出訊號RF_OUT的增益可調范圍。因此，本實施例的低噪聲放大器200當切換至低增益模式時可在不改變輸出阻抗的同時提供輸出訊號的增益線性度。
根據實際對現有的低噪聲放大器100與本發明低噪聲放大器200進行增益線性度的量測數據顯示當射頻輸入訊號RF_IN的頻率為40～900MHz，操作電壓Vdd為1.8V，且低噪聲放大器100及200的輸出/輸入阻抗皆為75Ω時，現有的低噪聲放大器100在高增益模式及低增益模式操作的增益線性度(輸入P1dB值)分別為-19.5～-20.3dBm以及-16.8～-20.7dBm，兩者差不多。而本發明改進的低噪聲放大器200在高增益模式及低增益模式操作的增益線性度分別為-19.8～22.7dBm以及-11～13.6dBm。也就是說，本發明的低噪聲放大器200在切換至低增益模式時，輸出訊號的增益線性度有明顯的改善，而與現有的低噪聲放大器100的低增益模式線性度比較起來甚至可提高10dB。
如上所述，本發明的低噪聲放大器200雖以增益放大單元230包括NMOS晶體管Mc1、直流電源Vctrl以及PMOS晶體管Mc2與Mc3，且第一訊號放大器210與第二訊號放大器220分別包括NMOS晶體管M2及M3為例作說明，但是晶體管M2、M3、Mc1可以是PMOS晶體管，而晶體管Mc2及Mc3為NMOS晶體管，或者是使用其它形式(例如是BJT)的晶體管M2、M3、Mc1、Mc2及Mc3。或者增益控制單元230亦可包括第一可變電阻組件、第二可變電阻組件以及第三可變電阻組件，其中第一可變電阻組件耦接于晶體管Mc1的源極，第二可變電阻組件耦接于晶體管M3的柵極與漏極之間，而第三可變電阻組件耦接于晶體管M2的柵極與漏極之間。另外，只要第一可變電阻組件可用于改變晶體管M3的源極(輸入端)退化程度，且第二及第三可變電阻組件可用于調整低噪聲放大器的輸出阻抗，以達到提高低增益模式操作線性度的目的，皆不脫離本發明的技術范圍。
本發明上述實施例所披露的低噪聲放大器的優點在于將增益控制單元耦接至最后一級放大器的輸出晶體管的輸入端上，使得低噪聲放大器由高增益模式切換至低增益模式時，在不改變輸出阻抗的同時提高其輸出訊號的增益線性度，以增加低噪聲放大器對大訊號輸入的忍受度。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發明。本領域的技術人員在不脫離本發明的精神和范圍的前提下可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍以本發明的權利要求為準。
權利要求
1.一種低噪聲放大器，包括一第一級訊號放大器，用以接收一輸入訊號，并據以輸出一第一輸出訊號；一第二級訊號放大器，耦接該第一級訊號放大器，用以根據該第一輸出訊號，輸出一第二輸出訊號，其中該第二級訊號放大器包括一第一輸出晶體管，用以輸出該第二輸出訊號；以及一增益控制單元，包括一第一可變電阻組件，耦接于該第一輸出晶體管的一輸入端，用以調整該第二輸出訊號的電壓增益。
2.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其中該第一輸出晶體管根據該第一輸出訊號的控制而輸出該第二輸出訊號。
3.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其中該第一輸出晶體管為一金屬氧化物半導體晶體管，且該第一輸出晶體管的該輸入端為一源極。
4.如權利要求3所述的低噪聲放大器，其中該第一可變電阻組件用以改變該第一輸出晶體管的源極退化程度。
5.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其中該第一級訊號放大器還包括一第二輸出晶體管，用以輸出該第一輸出訊號，該增益放大單元還包括一第二可變電阻組件，耦接于該第二輸出晶體管的一控制端以及一輸出端之間，用以調整該第二輸出訊號的電壓增益范圍；以及一第三可變電阻組件，耦接于該第一輸出晶體管的一控制端以及一輸出端之間，用以調整該低噪聲放大器的輸出阻抗。
6.如權利要求5所述的低噪聲放大器，其中該第一可變電阻組件、該第二可變電阻組件以及該第三可變電阻組件皆為一晶體管，且該增益控制單元還包括一直流電源，耦接至各該些晶體管的一控制端，用以調整各晶體管的電阻值。
7.如權利要求6所述的低噪聲放大器，其中該第一輸出晶體管、該第二輸出晶體管以及該第一可變電阻組件皆為一NMOS晶體管，且該第二可變電阻組件以及該第三可變電阻組件皆為一PMOS晶體管。
8.如權利要求6所述的低噪聲放大器，其中當該低噪聲放大器操作于一高增益模式時，該第一可變電阻組件為一導通狀態，且當該低噪聲放大器操作于一低增益模式時，該第一可變電阻組件為一不導通狀態。
9.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其中該第一級訊號放大器為一雙反饋放大器，且該第二級訊號放大器為一并-并反饋放大器。
10.如權利要求1所述的低噪聲放大器，為一差動放大器。
11.如權利要求1所述的低噪聲放大器，為一寬帶低噪聲放大器。
全文摘要
一種低噪聲放大器，包括第一級訊號放大器、第二級訊號放大器以及增益控制單元。第一級訊號放大器用以接收一輸入訊號，并據以輸出一第一輸出訊號。第二級訊號放大器耦接第一級訊號放大器，用以根據第一輸出訊號，輸出第二輸出訊號，其中第二級訊號放大器包括第一輸出晶體管，用以輸出第二輸出訊號。增益控制單元則包括第一可變電阻組件，且第一可變電阻組件耦接于第一輸出晶體管的輸入端，用以調整第二輸出訊號的電壓增益。
文檔編號H03F1/26GK1835390SQ20061000908
公開日2006年9月20日 申請日期2006年2月17日 優先權日2005年2月18日
發明者黃大榮, 莊惠如, 朱元凱 申請人:財團法人成大研究發展基金會, 奇景光電股份有限公司