專利名稱：低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及低噪聲放大器，本發明尤其涉及用于硅調諧器和要 求低噪聲系數的傳輸鏈中的低噪聲放大器。
背景技術：
低噪聲放大器(LNA)包括電子放大器，它通常用于對天線所接 收到的弱信號進行放大。LNA通常但不限于位于天線處，并且被放置 在接收器系統的射頻(RF)部分的前端。已知的是，接收器前端的整 個噪聲系數是由接收器的前幾級支配的。噪聲系數是器件的輸出噪聲 功率與其中由于標準噪聲溫度(通常為290K)下的輸入終端的熱噪聲而產生的噪聲部分之間的比值。在系統中，例如在這些包含分立元 件的系統中，附加至系統的每個元件都會引入噪聲，這會導致熱噪聲 或約翰遜(Johnson)噪聲、散粒噪聲或閃爍噪聲。此外，輸入信號 中所包含的噪聲信號也會增加噪聲。但是，噪聲系數通常是由于LNA 的輸入端的Rc熱噪聲而被引入的，它可被描述為4kTB/Rc，它與Rc 成反比。利用LNA，接收器的后面的級的噪聲可由LNA的增益引入，并且 LNA的噪聲被直接注入所接收的信號。因此，LNA必須提高所希望的 信號功率并同時加入盡量少的噪聲和失真，以便能在系統后面的級中 重獲該信號。LNA通常被設計成在對接收到的信號進行放大的同時將最少量 的熱噪聲引入接收到的信號。LNA可被用于系統級封裝(SiP)裝置。SiP使多個元件集成至 單個封裝中。通常，這種裝置使得諸如CPU、邏輯功能、模擬功能和 存儲器功能進行混合，從而降低了整個系統尺寸。利用SiP能夠降低 系統板空間，而這終將導致降低的器件尺寸。但是，已知的LNA，尤其是利用SiP裝置實現的LNA會呈現有限 的噪聲降低系數。到目前為止，通常，用于TV調諧器的傳統LNA所 實現的最佳噪聲系數大約為4dB。本發明旨在提供低噪聲放大器，其具有好于已知的這種放大器 的優勢。發明內容根據本發明，提供了一種低噪聲放大器，其包括變壓器、第一 放大器和電阻性元件，變壓器包括初級和次級，其中次級與第一放大 器的輸入端連接，并且通過反饋連接的方式利用電阻性元件將第一放 大器的輸出端連接至所述變壓器的初級。于是，在保持恒定的增益因子的同時，相比較于現有技術裝置 而言，根據本發明的低噪聲放大器提供了降低的噪聲系數。噪聲系數 的降低使得極小或極弱的輸入信號能夠被檢測到，否則這些信號將淹 沒在噪聲之中。優選地，低噪聲放大器進一步包括第二放大器，該第二放大器 與變壓器的次級以及第一放大器串聯連接。變壓器的次級的中點接 地。隨后，低噪聲放大器的輸出端可被布置在所述第一和第二放大器 的輸出端之間。此外，低噪聲放大器可在系統級封裝上實現。所以，本發明的 低噪聲放大器可在降低的系統板空間上實現，這終將導致降低的裝置 大小。
參考附圖，下文將僅以示例的方式對本發明進行進一步描述，其中圖1示出了用于根據現有技術的低噪聲放大器的電路圖；圖2示出了用于圖1的低噪聲放大器的噪聲系數計算的等效電路圖；圖3圖示說明了根據本發明第一實施例的對稱低噪聲放大器的電路圖；圖4a和4b圖示說明了用于圖3的根據本發明實施例的低噪聲 放大器的輸入阻抗計算的等效電路圖；圖5a、 5b和5c進一步圖示說明了用于圖3的根據本發明實施 例的低噪聲放大器的噪聲系數計算的等效電路圖；以及圖6圖示說明了圖3的根據本發明實施例的對稱低噪聲放大器 的實施的電路圖；以及圖7示出了根據本發明其它實施例的非對稱LNA裝置。
具體實施方式
圖1中示出了一種已知的裝置，其包括具有變壓器組合101的 LNA，并且例如可進一步包括被布置成電壓跟隨器的晶體管102。變 壓器包括圈數比為l: n的初級和次級繞組，其中n對應于次級繞組 數，并且n大于1。假設變壓器作為理想變壓器，那么它提供電壓增益而不提供任 何功率增益。功率P由下式給出P = V. I 等式1己知功率恒定Pin = P。ut使用等式1，那么Vin- Iin - Vout- lout或者以阻抗表示v' 7zln = V。ut2/Rc變壓器的電壓增益由下式給出 Vout = n. VinLNA的輸入阻抗由下式給出z"n 2n其中n是變壓器的次級繞組上的圈數，電阻器R。與變壓器的次 級繞組并聯。參照輸入阻抗Z,廣Rs，電壓增益G4俞入阻抗由下式給出 Gv= 20Log(2V。ut/Vs) 等式7等式2等式3等式4等式5等式6其中Vs是輸入至LNA的輸入電壓信號，V。ut是從LNA得到的輸出電壓。等式7可重寫為Gv = 20Log{2n[Zin/(Zin+Rs)]} 等式8參見圖2中的等效電路，LNA的噪聲系數可由下式給出NF = 10Log[l+(Nadded/Nin)] 等式9其中，Naddsd是由于LNA元件而引入的噪聲，l是由輸入信號引入的噪聲。可以用Boltzraanns常數k、噪聲溫度T、和信號的帶寬B對等式9進行重寫NF = 10Log[l+((4kTB)/Zi )/((4kTB)/Rs)] 等式10 按照由等式6給出的LNA的輸入阻抗，并假設Zi。二Rs，從而給出以元件值Rs、 R。和^表示的噪聲系數NF-10.Logfl + ^^〗 等式11通過示例的方式，并采用元件值Rs =75Q， n = 2以及R。二650Q， 由等式6、 10和11得出輸入阻抗Zm =162.5Q、增益Gv二8. 7dB并且 噪聲系數NF = 1. 65dB。總的看來，并參見圖3，根據本發明第一實施例的LNA 300包括 兩個電壓放大器301、 302，它們均具有增益Gv。其中還包括具有初 級繞組303和次級繞組304的變壓器305。將要放大的信號Vs并聯至 初級繞組。第一放大器301的輸入端與次級繞組304的第一端連接，而第 二放大器302的輸入端與次級繞組304的第二端連接。此外，次級繞 組304包括布置的中央分接頭，以便繞組的每個端的輸出電壓都是 Vln.n/2。優選地，中央分接頭接地。在為LNA提供第一輸出終端的同時，第二放大器302的輸出端 經由反饋電阻器R。被反饋至初級繞組303的第一端。第一放大器301 的輸出端提供了 LNA的第二輸出終端。利用串聯輸入電阻器Rs，將要 被放大的輸入信號并聯至所述初級繞組的第一端。相對于變壓器的次級繞組的阻抗而言，第一和第二放大器301 和302均具有高輸入阻抗，它們都可以是由分立元件形成的晶體管類型的放大器或者任何合適的集成電路運算放大器，這都是本領域技術 人員可以理解的。當本發明是利用運算放大器實現的時候，反饋機制是從運算放 大器的負輸出端引出的負反饋。由于每個放大器的輸入阻抗都較高，所以從變壓器的次級繞組 獲取的電流將接近0。這就防止了變壓器的負載，并且LNA的輸出端 上的電壓將正比于變壓器上的電壓。變壓器305定義了電壓增益n，該增益取決于初級和次級繞組的 圈數比。此外，初級和次級繞組的輸入阻抗較高，為了便于計算，假 設它們為無限大。LNA的輸入阻抗Z^由變壓器、電阻器R。和放大器302實現，它們組成了有源系統，并且為了便于計算，該有源系統理想地被認為是 無噪聲的。于是，對于具有與本發明相同的輸入阻抗Z^和增益的傳統現有 技術LNA電路，噪聲系數將低于本發明的情況，這將在隨后的電路分 析中進行論證。圖4a和4b示出了圖3的等效電路，該圖用于導出根 據本發明的LNA的輸入阻抗。由于變壓器的初級繞組303的阻抗較高，并且為了便于分析而 假設該阻抗為無限大，那么將沒有電流流經該繞組，并可以在隨后的 分析中忽略其影響。由于第一和第二放大器301、 302的輸入阻抗相 等，所以放大器301、 302的每個輸入端上的電壓可分別由(n/2).Vin 和(-n/2). Vj合出。于是，圖3的電路可由圖4a所示的等效電路表示。由于放大器 302提供了增益Gv，因此可由(-n/2).Gv.V.給出輸出電壓。于是，圖 4a的電路可進一步簡化成圖4b所示的電路。假定LNA的輸入阻抗由 下式給出Zin= Iin/Vin 等式12并且Iin= Vin. (l+(n/2)Gv)/Rc 等式13因此，根據本發明的LNA的輸入阻抗由下式給出Zin= R。/(l+(n/2)Gv) 等式14為了計算噪聲系數，圖5a、 5b和5c圖示了圖3的電路的等效 電路。由于分立元件造成的以及由輸入信號引入的熱噪聲或Johnson 噪聲通常由表達式4kTB描述。因此，對等式4給出的噪聲系數采用 該通用表達式，則用于本發明的噪聲系數由下式給出NF = lO.Log化簡得到 NF = lO.Log<formula>formula see original document page 8</formula>等式15<formula>formula see original document page 8</formula>等式16例如，利用元件值R,75Q， n = 2以及R。- 500Q，根據等式6、 10和16分別得出輸入阻抗Zi^l62.5Q，增益"=8. 8dB，以及NF =0. 61dB。在這種情況下，選擇R。的值，以實現正確的輸入阻抗Z,n， 并與圖1中的現有技術示例作比較。因此，可以看出，利用比現有技 術示例的阻值大的R。，可以實現相同的增益和輸入阻抗，并且產生了 更低的噪聲系數。圖6圖示了根據本發明第一實施例的對稱LNA裝置600。通過反 饋電阻R。將第一晶體管602的輸出終端反饋至變壓器601的初級繞 組603的第一終端。初級繞組的第二終端接地。次級繞組604的第一 終端與第一晶體管602的輸入端相連，其中第一晶體管602被布置成 一個電壓跟隨器。次級繞組604的第二終端與第二晶體管605的輸入 終端連接，第二晶體管605被布置成一個電壓跟隨器。分別在第一和 第二晶體管602、 605的輸出終端上測量LNA的輸出。遵循與圖3的實施例相類似的分析，得出的噪聲系數的表達式 為等式16的表達式。從等式11所給出的現有技術示例的噪聲系數與等式16所給出 的本發明第一實施例的LNA的噪聲系數的比較結果中，可以看出，本 發明的噪聲系數低于所描述的現有技術LNA的噪聲系數。在與所描述的現有技術LNA進行比較時，通過利用等式14，該噪聲系數低l+[(n/2).Gv. Rj/[Re + Rj倍的因數。
圖7示出了根據本發明另一實施例的非對稱LNA裝置。對于第 一實施例，通過反饋電阻R。將變壓器702的輸出終端反饋至初級繞 組703的第一終端。初級繞組703的第二終端接地。次級繞組704 的第一終端與晶體管702的輸入端相連，其中晶體管702被布置成一 個電壓跟隨器。次級繞組的第二終端接地。
同樣，遵循與圖3的實施例相類似的分析，得出的噪聲系數的 表達式為等式16的表達式。此外，從等式11所給出的現有技術示例 的噪聲系數和等式16所給出的本發明另一實施例的LNA的噪聲系數 的比較結果中，可以看出，本發明的噪聲系數低于所描述的現有技術 LNA的噪聲系數l+[n. Gv. R,]/[R。 + Rj倍的因數。
如果用n/2代替n，那么對稱裝置中的噪聲系數和輸入阻抗將等 于非對稱實施例中的噪聲系數和輸入阻抗。
對稱裝置提供了良好的對地彈噪聲的抗擾性，并且改進了諸如 二階交調截止(intermodulation interc印t)或IP2之類的二階線 性度。此外，兩個對稱輸出端是獨立的并且還可以被用作兩個非對稱 輸出端。
所以，在保持恒定的增益因子或輸入阻抗的同時，相比較于現 有技術器件而言根據本發明的低噪聲放大器提供了降低的噪聲系數。 噪聲系數的降低使能夠檢測到極小或極弱的輸入信號，否則這些信號 將淹沒在噪聲之中。
權利要求
1.一種低噪聲放大器，其包括變壓器、第一放大器和電阻性元件，所述變壓器包括初級和次級，其中所述次級與所述第一放大器的輸入端連接，并且通過反饋連接的方式，利用所述電阻性元件將所述第一放大器的輸出端連接至所述變壓器的初級。
2. 如權利要求1所述的低噪聲放大器，進一步包括第二放大器， 該第二放大器與所述變壓器的次級以及所述第一放大器串聯連接。
3. 如權利要求2所述的低噪聲放大器，其中，在所述第一和第 二放大器的輸出端之間提供所述低噪聲放大器的輸出端。
4. 如權利要求2或3所述的低噪聲放大器，其中所述第二放大 器具有高輸入阻抗。
5. 如前述任一權利要求所述的低噪聲放大器，其中所述第一放 大器具有高輸入阻抗。
6. 如前述任一權利要求所述的低噪聲放大器，其中所述變壓器 的次級的中點接地。
7. 如前述任一權利要求所述的低噪聲放大器，在系統級封裝上 實現該放大器。
8. 如權利要求1和7所述的低噪聲放大器，其中所述變壓器處 于所述系統級封裝實現的外部。
9. 一種調諧器，其包括如權利要求1至8中的任意一個或多個 權利要求所述的低噪聲放大器。
全文摘要
本發明涉及一種低噪聲放大器，該放大器包括變壓器、第一放大器和反饋電阻器，該變壓器包括初級和次級。次級與第一放大器的輸入端連接，并且第一放大器的輸出端與反饋電阻器和所述變壓器的初級串聯連接。
文檔編號H04B1/10GK101317334SQ200680044752
公開日2008年12月3日 申請日期2006年11月28日 優先權日2005年12月2日
發明者奧利維爾·克朗 申請人:Nxp股份有限公司