低噪聲放大器及其運作方法

專利名稱：低噪聲放大器及其運作方法
技術領域：
本發明有關于一種低噪聲放大器及其運作方法，尤指一種多輸入且寬頻帶的可切換式低噪聲放大器及其運作方法。
背景技術：
隨著科技進步，人與人之間的聯系或溝通方式已由以往的有線傳輸進步到無線傳輸，使得各種無線通訊技術(WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGY)蓬勃發展。關于無線通訊系統的電路設計中，射頻前端電路(RF FRONT END)會對通訊系統產生影響。例如，在無線通訊系統的接收器(RECEIVER)中，低噪聲放大器(LOW NOISEAMPLIFIER, LNA)是射頻電路最前端的組件，其決定了整個接收端的噪聲特性，對信號傳輸質量有很大的影響，使得接收端具有高增益(GAIN)、低噪聲的特性，如此才能確保整個無線通訊系統有較佳的性能。因此，設計一個良好的低噪聲放大器對無線通訊接收系統來說極為重要。此外，無線通訊網絡除了提供包括語音、數據、圖像傳輸等服務外，更重要的是與互聯網的結合。隨著人們對于無線通訊數據量的需求提高，增加操作頻寬可增大傳輸的數據量，因而提出有不少無線局域網絡(WIRELESS LOCAL AREA NETWORK ;WLAN)標準，例如，IEEE 802.1lA即是規范在5.2GHZ的下的無線局域網絡標準。再者，目前無線通訊系統4G技術使用多頻帶系統，而通常于通訊芯片中設置多個獨立的通訊模塊，例如藍牙模塊、WLAN802.1lA模塊、WLAN 802.11B/G/N模塊、2G模塊、3G模塊等。然而，這些獨立的模塊會導致通訊系統的成本及功率消耗的提高。美國第7，084，707號專利案提供一種低噪聲放大器，其利用一共柵級放大器來執行寬頻帶信號阻抗的匹配。其雖可適用于寬頻帶通訊模塊，但仍無法達到噪聲匹配和輸入阻抗的最佳化。此外，前揭專利案無法同時提供多種不同頻帶信號的輸入，仍需逐一針對各種頻帶設計各種放大器模塊，導致接收器的體積較大且成本較高。

發明內容
鑒于先前技術需針對不同頻帶的信號需設計不同的放大器，導致接收器體積大、成本高的問題，本發明的主要目的在于揭露一種低噪聲放大器及其運作方法，可依據輸入信號的頻帶調整其電路的負載，以切換低噪聲放大器的操作頻帶。本發明所提供的低噪聲放大器，包括:一多輸入匹配電路，用以接收多頻帶的多個輸入信號，且對該輸入信號進行噪聲及阻抗匹配，以產生一匹配信號；及一頻帶切換電路，耦接該多輸入匹配電路，通過負載切換以調整對應該匹配信號的操作頻帶，以產生低噪聲的輸出信號。此外，本發明的低噪聲放大器還包括一第一晶體管，其柵極用以接收第一直流電壓源，其源極用以接收該多輸入匹配電路所輸出的匹配信號，其漏極耦接該頻帶切換電路。其次,本發明的低噪聲放大器的多輸入匹配電路包括多個信號輸入單兀，各該信號輸入單元還包括:一第二晶體管，其柵極用以接收該匹配信號，其漏極用以輸出該匹配信號；一第一電感器及一第二電感器，該第一電感器的第一端用以接收一偏壓源，該第一電感器的第二端耦接該第二電感器的第一端，該第二電感器的第二端耦接該第二晶體管的柵極，該第一電感器及該第二電感器用以增加該輸入信號的阻抗匹配的頻寬；及一第一電容器，其第一端用以接收該輸入信號，其第二端耦接該第一電感器的第二端以及該第二電感器的第一端。再次，本發明的低噪聲放大器的頻帶切換電路還包括:一負載單元，其耦接該第一晶體管的漏極，具有對應該匹配信號的頻寬的負載，其中，該負載單元還包括一主負載及與該主負載串聯的至少一組次負載；以及至少一組切換單元，其對應耦接該至少一組次負載，用以切換該主負載與該次負載的連接，以調整該頻帶切換電路的負載。另外，上述的切換單元包括:一第三晶體管，其柵極用以接收控制開關電壓，其源極耦接該次負載的第二端，其漏極耦接該次負載的第一端；一組并聯的第二電容器及第三電容器，其分別耦接該第三晶體管的漏極和源極；及一高阻抗組件，其第一端用以接收該控制開關電壓，其第二端耦接該組并聯的第二電容器及第三電容器。本發明又提供一種低噪聲放大器的運作方法，該低噪聲放大器包括具有多個信號輸入單元的多輸入匹配電路以及具有至少一組切換單元、一主負載及與該主負載串聯的至少一組次負載的頻帶切換電路，該低噪聲放大器的運作方法包括以下步驟:令該多個信號輸入單兀的其中一個接收一輸入信號并對該輸入信號進行噪聲及阻抗匹配，以產生一匹配信號；以及令該切換單元通過切換該主負載與該次負載之間的連接，以調整該頻帶切換電路的負載來改變對應該匹配信號的操作頻帶。上述多輸入匹配電路的設計可提供多頻帶信號的輸入，并使噪聲匹配和輸入阻抗達到最佳化。且于上述頻帶切換電路的切換單元中，該次負載和該切換單元的數量相等，且其數量少于該多個信號輸入單元的數量，如此可依據輸入信號的頻帶調整其電路的負載，以切換低噪聲放大器的操作頻帶。此外，本發明的低噪聲放大器更避免了以往針對不同頻率的信號需設計不同的放大 器所導致的接收器體積大、成本高等問題。


圖1為本發明的低噪聲放大器的架構方塊圖；圖2A繪示一實施例，其為本發明的低噪聲放大器的多輸入匹配電路的電路圖；圖2B繪示一實施例，其為本發明的低噪聲放大器的頻帶切換電路的電路圖；圖3繪示一實施例，其為本發明的低噪聲放大器的電路圖；圖4繪示另一實施例，其為本發明的低噪聲放大器的電路圖；以及圖5為本發明的低噪聲放大器的運作方法的流程圖。主要組件符號說明I多輸入匹配電路la、lb、lc、ld信號輸入單元2頻帶切換電路21負載單元22切換單元Ml第一晶體管M2a、M2b第二晶體管M3第三晶體管Lla, Llb第一電感器L2a、L2b第二電感器
Cla、Clb第一電容器C2第二電容器C3第三電容器Zl主負載Z2、Z2a、Z2b、Z2c次負載CLl第一負載電容器CL2第二負載電容器LLl第一負載電感器LL2第二負載電感器RB高阻抗組件VDDl第一直流電壓源VDD2第二直流電壓源Vsff開關電壓VBa、VBb偏壓源RF_IN、RF_I Na、RF_INb、RF_INc、RF_INd 輸入信號RF_IN’匹配信號RF_0UT輸出信號S31 S32 步驟。
具體實施方式
以下借由舉例的具體實施例說明本發明的實施方法，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。當然，本發明也可借由其它不同的具體實施例加以施行或應用。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉本領域技術人員的了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如「第一」、「第二」及「第三」等用語，也僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，也當視為本發明可實施的范疇。請參閱圖1，其為本發明的低噪聲放大器的一實施例的方塊圖。多輸入匹配電路1，用以接收多頻帶的信號。多輸入匹配電路I接收一輸入信號RF_IN并輸出一匹配信號RF_IN’，其中，輸入信號RF_IN可為藍牙、WLAN 802.11A、WLAN802.11B/G/N、2G、3G等通訊頻帶的任一種信號。輸入信號RF_IN自多輸入匹配電路I輸入，經多輸入匹配電路I進行噪聲匹配、阻抗匹配或電流增益等而輸出匹配信號RF_IN’。頻帶切換電路2，耦接多輸入匹配電路1，用以調整頻帶切換電路2的負載，來切換對應匹配信號RF_IN’的操作頻帶，以將輸入信號RF_IN放大而輸出一低噪聲的輸出信號RF_0UT。此外，如圖1所示，多輸入匹配電路I和頻帶切換電路2皆耦接至第一晶體管M1，其中，第一晶體管Ml的柵極用以接收第一直流電壓源VDD1，其源極用以接收多輸入匹配電路I所輸出的匹配信號RF_IN’，其漏極耦接頻帶切換電路2。第一晶體管Ml可視為共柵極放大器。借此，通過第一晶體管Ml耦接多輸入匹配電路I和頻帶切換電路2，可達到根據輸入信號RF_IN的頻率，切換本發明的低噪聲放大器的操作頻帶的目的。接著請參閱圖2A，其為本發明的低噪聲放大器的多輸入匹配電路的電路示意圖。如圖2A所示，多輸入匹配電路I可包括多個信號輸入單元Ia和lb。于圖2A所示的實施例中，僅顯示兩個信號輸入單元Ia和lb，惟本發明并不限制信號輸入單元的數量。
各信號輸入單兀Ia和Ib可包括:第二晶體管M2a和M2b、第一電感器Lla和Lib、第二電感器L2a和L2b與第一電容器Cla和Clb。第二晶體管M2a和M2b，其柵極可用以分別接收匹配信號，其漏極用以分別輸出匹配信號，其源極分別耦接至地。第二晶體管M2a和M2b可視為共源極放大器。第一電感器Lla和Llb，其第一端可用以接收偏壓源VBa和VBb。第二電感器L2a和L2b，其第二端耦接第二晶體管M2a和M2b的柵極。第一電感器Lla和Llb的第二端與第二電感器L2a和L2b的第一端耦接。第一電容器Cla和Clb,其第一端可用以接收輸入信號RF_INa和RF_INb,其第二端耦接第一電感器Lla和Llb的第二端以及第二電感器L2a和L2b的第一端。第一電容器Cla和Clb可視為直流阻隔電容。需說明者,輸入信號RF_INa通過多輸入匹配電路I的信號輸入單兀Ia輸入,而輸入信號RF_INb通過多輸入匹配電路I的信號輸入單元Ib輸入，然而，多輸入匹配電路I僅選擇一輸入信號RF_INa或RF_INb進行處理。此外，輸入信號RF_INa和RF_INb通過信號輸入單兀Ia和Ib時，第一電感器Lla和Llb及第二電感器L2a和L2b可用以增加輸入信號RF_INa和RF_INb的阻抗匹配的頻寬。故實際運作時，多輸入匹配電路I 一次僅輸出一匹配信號。接著請參閱圖2B，其為本發明的低噪聲放大器的頻帶切換電路的示意圖。頻帶切換電路2可包括負載單元21和一個或一個以上的切換單元22。負載單元21，耦接第一晶體管Ml的漏極，用以根據匹配信號的頻帶提供相對應的負載，其中，負載單元21還可包括主負載Zl及與主負載Zl串聯的一個或一個以上的次負載Z2。此外，主負載Zl的第一端耦接第一晶體管Ml的漏極，而一個或一個以上的次負載Z2的第一端用以接收第二直流電壓源VDD2，且一個或一個以上的次負載Z2的第二端與主負載Zl的第二端耦接。一個或一個以上的切換單元22，分別耦接一個或一個以上的次負載Z2，用以切換主負載Zl與一個或一個以上的次負載Z2的連接，以調整頻帶切換電路2的負載。于負載單兀21中，主負載Zl可包括第一負載電容器CLl和與第一負載電容器CLl并聯的第一負載電感器LU。一個或一個以上的次負載Z2的每一個可包括第二負載電容器CL2和與第二負載電容器CL2并聯的第二負載電感器LL2。此外，第一負載電感器LLl和第二負載電感器LL2可組成變壓器，用以增進消防噪聲能力。另外，一個或一個以上的切換單元22的每一個可包括第三晶體管M3、并聯的第二電容器C2及第三電容器C3、及高阻抗組件RB。第三晶體管M3，其柵極用以接收控制開關電壓Vsw，其源極耦接一個或一個以上的次負載Z2的第二端，其漏極耦接一個或一個以上的次負載Z2的第一端。并聯的第二電容器C2及第三電容器C3，其第二端分別耦接第三晶體管M3的漏極和源極。高阻抗組件RB，其第一端用以接收控制開關電壓VSW，其第二端耦接并聯的第二電容器C2及第三電容器C3的第二端。并聯的第二電容器C2及第三電容器C3以及高阻抗組件RB可用以抑制切換單元22的噪聲。
請參閱圖3，其繪示低噪聲放大器的一實施例的電路圖標意圖，即為圖2A及圖2B所示的多輸入匹配電路及頻帶切換電路的電路示意圖的組合。由圖3可知，一個或一個以上的次負載Z2和一個或一個以上的切換單元22的數量相等，且其數量少于多個信號輸入單元的數量(如圖式中少一個)。信號輸入單元的數量并不限圖3所示，如圖4用于顯示具有四個信號輸入單元的低噪聲放大器，則次負載和切換單元的數量即為三組。具體而言，于圖3中，當信號輸入單元Ia接收一輸入信號RF_INa時，頻帶切換電路2利用主負載Zl提供對應輸入信號RF_INa的負載，以放大輸入信號RF_INa。當信號輸入單元Ib接收一輸入信號RF_INb時，頻帶切換電路2利用主負載Zl和次負載Z2的結合(也就是串聯的主負載Zl和次負載Z2)提供對應輸入信號RF_INb的負載。 另外，如圖4所示，當信號輸入單元Ic接收一輸入信號RF_INc時，頻帶切換電路2利用主負載Zl和次負載Z2a及Z2b的結合提供對應輸入信號RF_INc的負載，以產生低噪聲的輸出信號。當信號輸入單元Id接收一輸入信號RF_INd時，頻帶切換電路2利用主負載Zl和次負載Z2a、Z2b及Z2c的結合提供對應輸入信號RF_INd的負載。因此，無論輸入信號的頻帶為何，低噪聲放大器僅需通過切換單元切換其電路負載，即可提供對應該頻帶的負載，以達到使該輸入信號放大的功效。相較于現有技術，無須針對每一頻帶設計一組放大器或電路，因而可減少電路體積、降低功率消耗且降低成本。其次，本發明提供一種低噪聲放大器的運作方法，請參閱圖5。于此方法中，低噪聲放大器包括具多個信號輸入單元的多輸入匹配電路以及具一個或一個以上的切換單元、一主負載及與該主負載串聯的一個或一個以上的次負載的頻帶切換電路。于步驟S31中，令該多個信號輸入單兀的其中一個接收一輸入信號，并進行噪聲及阻抗的匹配以增加該輸入信號的阻抗匹配的頻寬，從而輸出一匹配信號。需說明者，多輸入匹配電路可用以接收多頻帶信號，其中，多個信號輸入單元的設計乃針對該各種輸入信號，例如，若輸入信號為藍牙頻帶，則進入如圖4所示的信號輸入單元Ia ;若輸入信號為WIMAX頻帶，則進入圖4所示的信號輸入單元lc。另外，信號輸入單元接收一輸入信號后可對該輸入信號執行阻抗及/或噪聲的匹配和電流增益。接著進至步驟S32。于步驟S32中，令該一個或一個以上的切換單元，通過切換該主負載與該一個或一個以上的次負載之間的連接，以調整該頻帶切換電路的負載來切換對應該匹配信號的操作頻帶。詳言之，該主負載可不連接任何次負載而單獨提供對應該匹配信號的負載，或可連接一個或一個以上的次負載以形成對應該匹配信號的負載，端視多輸入匹配電路所接收的輸入信號進入哪一個信號輸入單元(何種頻帶的信號)來決定。綜上所述，本發明的低噪聲放大器主要包括多輸入匹配電路和頻帶切換電路，多輸入匹配電路可提供多頻帶信號的輸入，且可對所接到的輸入信號進行噪聲或阻抗的匹配，而頻帶切換電路可針對多輸入匹配電路所接收的一輸入信號提供相對應負載，以達到切換低噪聲放大器的操作頻帶切換的功效。因此，本發明的低噪聲放大器可提供多頻帶信號的輸入、可切換頻帶，并具有較佳化的設計。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何本領域技術人員均可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明的權利要求保護范圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種低噪聲放大器,包括: 一多輸入匹配電路，用以接收多頻帶的多個輸入信號，且對該輸入信號進行噪聲及阻抗匹配，以產生一匹配信號 '及 一頻帶切換電路，耦接該多輸入匹配電路，通過負載切換以調整對應該匹配信號的操作頻帶，以產生低噪聲的輸出信號。
2.根據權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，該低噪聲放大器，還包括一第一晶體管，其柵極用以接收第一直流電壓源，其源極用以接收該多輸入匹配電路所輸出的匹配信號，其漏極耦接該頻帶切換電路。
3.根據權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，該多輸入匹配電路包括多個信號輸入單兀，該多個信號輸入單兀的每一個還包括: 一第二晶體管，其柵極用以接收該匹配信號，其漏極用以輸出該匹配信號； 一第一電感器及一第二電感器，該第一電感器的第一端用以接收一偏壓源，該第一電感器的第二端耦接該第二電感器的第一端，該第二電感器的第二端耦接該第二晶體管的柵極，且該第一電感器及該第二電感器用以增加該輸入信號的阻抗匹配的頻寬；及 一第一電容器，其第一端用以接收該輸入信號，其第二端耦接該第一電感器的第二端以及該第二電感器的第一端。
4.根據權利要求3所述的低噪聲放大器,其特征在于,該信號輸入單兀的每一個的第二晶體管的源極耦接至地。
5.根據權利要求3所述的低噪聲放大器，其特征在于，該多個信號輸入單元所分別接收的輸入信號為不同頻帶的信號，且該多輸入匹配電路僅選擇該多個信號輸入單元的其中一個的匹配信號輸入至 該頻帶切換電路。
6.根據權利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，該頻帶切換電路還包括: 一負載單元，其耦接該第一晶體管的漏極，具有對應該匹配信號的頻寬的負載，其中，該負載單元還包括一主負載及與該主負載串聯的至少一組次負載；以及 至少一組切換單元，其對應耦接該至少一組次負載，用以切換該主負載與該次負載的連接，以調整該頻帶切換電路的負載。
7.根據權利要求6所述的低噪聲放大器,其特征在于，該主負載的第一端稱接該第一晶體管的漏極，該次負載的第一端用以接收第二直流電源，該次負載的第二端耦接至該主負載的第二端。
8.根據權利要求6所述的低噪聲放大器,其特征在于，該主負載包括第一負載電容器及與該第一負載電容器并聯的第一負載電感器，且該次負載包括第二負載電容器及與該第二負載電容器并聯的第二負載電感器。
9.根據權利要求6所述的低噪聲放大器，其特征在于，該切換單元包括: 一第三晶體管，其柵極用以接收控制開關電壓，其源極耦接該次負載的第二端，其漏極耦接該次負載的第一端； 一組并聯的第二電容器及第三電容器，其分別耦接該第三晶體管的漏極和源極；及一高阻抗組件，其第一端用以接收該控制開關電壓，其第二端耦接該組并聯的第二電容器及第三電容器。
10.根據權利要求6所述的低噪聲放大器，其特征在于，該至少一組次負載和該至少一組切換單元的數量相等，且其數量少于該多個信號輸入單元的數量。
11.一種低噪聲放大器的運作方法，該低噪聲放大器包括具有多個信號輸入單兀的多輸入匹配電路以及具有至少一組切換單元、一主負載及與該主負載串聯的至少一組次負載的頻帶切換電路，該低噪聲放大器的運作方法包括以下步驟: 1)令該多個信號輸入單兀的其中一個接收一輸入信號并對該輸入信號進行噪聲及阻抗匹配，以產生一匹配信號；以及 2)令該切換單元通過切換該主負載與該次負載之間的連接，以調整該頻帶切換電路的負載來改變對應該匹配信號的操作`頻帶。
全文摘要
一種低噪聲放大器及其運作方法，包括具多個信號輸入單元的多輸入匹配電路、以及具有切換單元、主負載及次負載的頻帶切換電路。該低噪聲放大器通過以下方法運作令多個信號輸入單元的其中一個接收一輸入信號并產生匹配信號，接著令該切換單元借由調整頻帶切換電路的負載來切換對應該匹配信號的操作頻帶，以產生低噪聲的輸出信號。
文檔編號H03F1/26GK103166577SQ20121007974
公開日2013年6月19日 申請日期2012年3月23日 優先權日2011年12月13日
發明者黃哲揚, 洪崇智 申請人:財團法人工業技術研究院