CN1338144A

CN1338144A - 具有高线性和低功耗的宽带放大

Info

Publication number: CN1338144A
Application number: CN00803198A
Authority: CN
Inventors: 约翰尼斯·J·E·M·哈格拉茨
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2002-02-27
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: ATE237885T1; US6204728B1; WO2000045505A1; JP2002536859A; AU3218800A; KR20010104334A; EP1155496B1; EP1155496A1; DE60002181T2; DE60002181D1; IL144586A0; CN1193498C; CA2356427A1

Abstract

本说明书描述了具有高线性和低功耗的宽带放大的装置和方法。一种用于放大信号的装置包括:串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管,输入晶体管定义该放大器的输入端,而输出晶体管定义该放大器的输出端。在输入端和输出端之间耦合一个反馈网络,其特征在于阻抗基本上为零电阻和非零电抗。本说明书还描述了一种放大信号的方法。在输入端接收一个输入信号;放大该输入信号以在输出端提供一个输出信号;以及通过一个阻抗基本上为零电阻和非零电抗特征的反馈网络在输入端抽样输出信号。本说明书还描述了一种制作用于放大信号的放大器的方法。

Description

具有高线性和低功耗的宽带放大

技术领域

本发明一般涉及具有高线性和低功耗的宽带放大的装置和方法。

背景技术

用于放大宽频率范围信号的宽带信号放大器和方法有许多用途。例如，诸如蜂窝电话、无绳电话、寻呼机、电视调谐器、局域网等的无线通信设备要求宽动态范围、高线性的放大器放大接收信号的强度，而不同频率之间不会失真和串话。然而遗憾的是，所有线性放大器会将要放大的信号失真某个程度。这尤其在要放大两个或多个独立信道时很麻烦。在这些情形下，放大器将生成不想要的互调分量，这些分量可能引起干扰并造成通信设备性能降低。

互调失真是根据注入接收机的两个或多个音频产生的峰值寄生电平定义的。接收机可具有称为“第三级输入截获点”(IIP3)的第三级失真品质因数的特征，其定义为创建等于输入的双音频功率的第三级失真分量所要求的输入功率(以双音频形式)。放大器的线性，以及由此造成的接收机对失真和串话的抗扰性，提高了放大器的IIP3。另一放大器品质因数等于最大微波输出功率(在一个指定的失真电平)与施加的DC功率之比。为这种品质因数指定失真电平的常规方法称为第三级分量的输出截获点(OIP3)。根据OIP3方法，仅在频率上稍有区别，而功率基本相等且可调的两个输入信号施加到放大器输入端。对基本频率输出功率和第三级互调分量功率与输入功率的关系分别制图，而且对这两个图采用线性外推法进行分析。这两个外推法的交叉点为OIP3幅度，该幅度可从输出功率(纵)轴读取(单位为dB)。

通过提高放大器增益(例如参见，Wheatley，U.S.专利申请No.5,732,341)可提高放大器的线性。然而这种方案增加了放大器的功耗，从而缩短了在电池必须充电之前，用户能操作装有这种放大器的电池供电的接收机的时间。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于放大信号的装置，包括：串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该装置的输入端，而输出晶体管定义该装置的输出端；以及在输入端和输出端之间耦合的一个反馈网络，其特征在于，阻抗基本上为零电阻和非零电抗。

实施例可包括下面的一个或多个特征。

反馈网络最好为电抗，电抗可选择用来减小在装置输出端产生的第三级互调失真。反馈网络最好包括一个反馈电容器。反馈网络最好基本上包括容性电抗。

在一个优选实施例中，在输入晶体管和一个低电压基准之间耦合一个感性反馈网络，其基本上包括感性电抗。最好在输入晶体管和该低电压基准之间耦合一个电感。感性反馈网络和容性反馈网络可有各自的电抗，该电抗可选择用于实现该装置输入端的预期阻抗。

容性反馈网络的电抗被选择用于实现该装置输入端的阻抗基本上与一个宽频率范围内的频率无关。在一个实施例中，该装置用于放大一个频率至少约为500MHZ、且基本上为线性的信号。

在一些实施例中，用于接收无线信号的接收机输入端耦合该装置的输入端，而用于产生一个表示该接收机输入端接收的无线信号的输出信号的接收机输出端，耦合于该装置的输出端。

另一方面，本发明提供一种制作用于放大信号的装置的方法，该方法包括：在衬底上形成串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该装置的输入端，而输出晶体管定义该装置的输出端；以及提供一个在输入端和输出端之间耦合的反馈网络，其特征在于阻抗基本上为零电阻和非零电抗。

再一方面，本发明提供一种用于放大信号的方法，包括：在输入端接收一个输入信号；放大该输入信号以在输出端提供一个输出信号；通过一个特征为阻抗基本上为零电阻和非零电抗的反馈网络抽样输出端的输出信号。

通过一个基本上包括容性电抗的反馈网络耦合输出端和输入端，可在输入端抽样输出信号。该方法还包括步骤：通过提供一个基本上包括感性电抗的串联反馈网络与输出阻抗匹配。

另一方面，本发明提供一种用于放大信号的装置，包括：第一和第二放大级，每级均包括串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该放大级的输入端，而输出晶体管定义该放大级的输出端；一个在输入端和输出端之间耦合的容性反馈网络，其基本上包括容性电抗；以及一个在输入晶体管和低电压基准之间耦合的感性反馈网络，其基本上包括感性电抗；其中放大级的输入端耦合在一起以形成该装置的输入端，而放大级的输出端通过一个分隔器耦合在一起。

在一个实施例中，该分隔器包括一个二极管。

下面描述本发明的优点。

本发明减少(或抵制)了非线性放大器电路中固有的互调分量。在一个给定输入电流，OIP3能改善至少3-6dB；或，以较低的功率耗散可得到相同OIP3(例如，在一个实施例中，可实现50％的电流减小)。本发明的低功率需求使得它尤其适用于无线应用。在此描述的本发明的放大器和放大方法，还能实现输入阻抗和传输特性在一个宽频率范围内(至少一个倍频程)保持平直。此外，通过简单地改变供应电流很容易调整IIP3，而无需改变其它电路参数或规范。另外，匹配一个实数的输入阻抗也相对容易实现。本发明还基本上对制造过程变化不敏感。本发明可应用于各种应用，包括各种无线电路，而无不会牺牲重要的设计参数。

附图说明

根据下面包括附图和权利要求书的描述可更清楚本发明的其它特征和优点。

图1为从发射机接收信号的无线接收机的方框图。

图2为具有并联和串联电抗性反馈网络的低功率、宽带放大器的电路图。

图3为具有利用双极性晶体管实现的容性并联反馈网络和感性串联反馈网络的低功率、宽带放大器的电路图。

图4A为具有利用场效应晶体管(FET)实现的容性并联反馈网络和感性串联反馈网络的低功率、宽带放大器的电路图。

图4B为具有利用FET和BICMOS过程制造的双极性晶体管实现的容性并联反馈网络和感性串联反馈网络的低功率、宽带放大器的电路图。

图5为从均具有一个容性并联反馈网络和一个感性串联反馈网络的两个低功率、宽带放大器形成的增益转换放大器的电路图。

具体实现方式

参考图1，用于放大信号的装置6(例如，便携式无线接收机，如蜂窝电话)包括接收机输入端8、放大器10、接收机输出端12，以及电源14(例如，电池)。接收机输入端8用于从发射机18接收一个电磁信号16(例如，频率大于100MHZ的信号，以及可能频率大于500MHZ的信号)以及产生一个电信号20。放大器10接收信号20，并发送经放大的信号22到接收机输出端12，输出端12将经放大的信号22转换为一个适当的输出信号24(例如，人声的语音表示)。

尽管在图1中只示出了一个电磁信号16，但接收机输入端8典型地可接收其它信号(不同频率)。如上所述，当接收机输入端8接收到两个或多个音频时，放大的信号22中将包含可能干扰预期的输入信号的互调分量。对放大信号22质量产生极大负面影响的互调分量为，对应由IM3表示的互调失真的第三极分量的分量，包括2f₁-f₂和f₁-2f₂频率分量，其中f₁和f₂为同时注入无线接收机6的两个单音的频率。下面将解释，放大器10设置用于减小IM3互调失真，由此提供改进的互调特性，而不牺牲放大器的噪声因子(NF)，同时使得放大器输入端与接收机输入端8的阻抗匹配相对简单。在下面描述的附图中，接收机输入端8由电源电压V_in和输出阻抗Z₀表示，而接收机输出端12由电容器C₀和负载阻抗R₀表示。也可采用其它配置。

如图2所示，放大器10包括放大级30，其由串联耦合在一起的输入双极性晶体管32(例如，异质结双极性晶体管)和输出双极性晶体管34(例如，异质结双极性晶体管)组成，输入晶体管32定义放大器10的输入端36，而输出晶体管34定义放大器10的输出端38。阻抗特征基本上为零电阻和非零电抗的并联电抗性反馈网络40，在输入端36和输出端38之间耦合。并联反馈网络40的电抗被选择用来减小在放大器10输出端38产生的互调分量。阻抗特征基本上为零电阻和非零电抗的串联电抗性反馈网络42，在输入晶体管32的发射极44和低电压基准46之间耦合。串联反馈网络42改善了放大器10的线性，而且与并联反馈网络一起确定放大器10的输入阻抗。并联反馈网络40和串联反馈网络42的电抗被选择用来使放大器10的输入阻抗与接收机输入端8的输出阻抗(Z₀)匹配。由于只有电抗性组件用于并联反馈网络40和串联反馈网络42，因此通过常规设计技术可使放大级30的噪声因子(NF)得到优化。偏压(bias)阻抗48耦合输出晶体管34的集电极到一个高电压基准50，以便为放大级30提供DC偏压。偏压网络(由V_Bias表示)将输出晶体管34的基极偏压。

参考图3，在一个实施例中，并联反馈网络40包括一个反馈电容C_F，其电容被选择用于减小在放大器10输出端38产生的互调失真。串联反馈网络42包括一个电感器L_SE，其电感被选择用于改善放大级30的线性。通过使用强感性串联反馈(例如，对约2GHZ的工作频率，L_SE的值约为1-3nH)，无需修改NF就能线性化串联反馈网络42。C_F和L_SE的值也被选择用于匹配接收机8的输出阻抗(例如，Z₀的值约为50欧姆)。在操作中，并联容性反馈C_F减小了输入阻抗的实数部分，而且也抵消了输入阻抗的负虚数部分(在某些情况下，能完全抵消输入阻抗的负虚数部分)。这使得输入阻抗很容易与接收机输入端8的输出阻抗匹配。另外，由于放大器输出端38对放大器输入端36的IM3分量的相位有利，而且通过C_F的AC电流近似等于V_out·jωC_F，因此并联反馈电容器C_F减小(或抵制)了IM3分量。偏压阻抗48包括一个电感器L_CC。

放大级30的功率增益(S₂₁)可近似为：

S_{21} = j \cdot \frac{(ω C_{F} R_{L} + \frac{R_{L}}{ω L_{SE}})}{1 + jω C_{F} R_{L}} \cdot \sqrt{\frac{Z_{0}}{R_{L}}}

这个近似已通过仿真证实。

在优化工作于频率约为2GHZ的实施例中，C_F值约为140fF，L_SE值约为1.5nH，偏压阻抗48(R_L)的阻抗约为200欧姆，C_o值约为1pF，L_CC值约为7nH，而Z₀值约为50欧姆。这些参数值可使放大器增益约为14.3dB∠70°，而与供应电流强度或使用的过程无关。

图3的实施例可利用常规半导体设备组合技术制造。例如，整个放大器电路，包括放大级30、偏压阻抗48以及偏压网络(V_Bias)，可利用常规半导体淀积和离子嵌入技术以及常规照相平版印刷术制模技术组合到半导体衬底上。双极性晶体管32、34可利用已知的双极性和异质结双极性技术形成。

其它实施例也在本权利要求书的范围内。

例如，参考图4A，在另一实施例中，放大级30由串联耦合在一起的输入场效应晶体管(FET)60和输出FET62形成。这个实施例的其它设计组件和操作类似于图3描述的相应组件和该实施例的操作。

如图4B所示，在另一实施例中，放大级30可由串联耦合在一起且利用BICMOS过程组合的输入双极性晶体管70和输出FET72形成。这个实施例的其它设计组件和操作类似于图3描述的相应组件和

实施例操作。

如图5所示，增益转换放大器80可由并联耦合的两个放大级82、84形成。放大级82包括串联耦合在一起的输入晶体管86和输出晶体管88、并联反馈电容器90以及串联反馈电感器92。放大级84包括串联耦合在一起的输入晶体管94和输出晶体管96、并联反馈电容器98以及串联反馈电感器100。输入晶体管86、94的基集耦合在一起以形成增益转换放大器80的输入端102。放大级82的输出端形成增益转换放大器80的输出端104。放大级84的输出端通过二极管106耦合输出端104，二极管106在放大级82接通时分隔并联反馈电容器98。也可使用其它技术来分隔并联反馈电容器98。例如，可用CMOS开关替代二极管106；或者，可用变容二极管替代二极管106和反馈电容器90、98。

在操作中，放大器80的增益可通过在放大级82和放大级84之间转换来改变。当放大级82接通时，输入阻抗由并联反馈电容器90和串联反馈电感器92确定。当放大级84接通时，输入阻抗由并联反馈电容器90、并联反馈电容器98以及串联反馈电感器100确定。因此，通过正确选择并联反馈电容器和串联反馈电感器，放大器80的输入阻抗可保持基本上不变。如同上述的实施例，并联反馈电容器90、98的电容可选择用于减小在放大器80的输出端104产生的IM3互调失真。

其它实施例也在本权利要求书的范围内。

Claims

1.一种用于放大信号的装置，包括：

串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该装置的输入端，而输出晶体管定义该装置的输出端；以及

在输入端和输出端之间耦合的一个反馈网络，其特征在于，该反馈网络的阻抗基本上为零电阻和非零电抗。

2.根据权利要求1的装置，其中反馈网络的电抗被选择用于减小在该装置输出端产生的第三级互调失真。

3.根据权利要求1的装置，其中反馈网络包括一个反馈电容器。

4.根据权利要求3的装置，其中反馈电容器的电容被选择用于减小在该装置输出端产生的第三级互调失真。

5.根据权利要求1的装置，其中反馈网络基本上包括容性电抗。

6.根据权利要求1的装置，还包括一个在输入晶体管和低电压基准之间耦合的电感器。

7.根据权利要求6的装置，其中电感器和反馈网络有各自的电抗，该电抗可选择用于实现在该装置输入端的预期阻抗。

8.根据权利要求1的装置，其中反馈网络的电抗被选择用于实现该装置输入端的阻抗基本上与一个宽频率范围内的频率无关。

9.根据权利要求1的装置，用于放大频率至少约为500MHZ、且基本上为线性的信号。

10.根据权利要求1的装置，还包括一个耦合该装置输入端、用于接收一个无线信号的接收机输入端，以及一个耦合该装置输出端、用于产生一个表示接收机输入端接收到的无线信号的输出信号的接收机输出端。

11.一种用于放大信号的装置，包括：

串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该装置的输入端，而输出晶体管定义该装置的输出端；

在输入端和输出端之间耦合的一个容性反馈网络，其基本上包括容性电抗；以及

在输入晶体管和低电压基准之间耦合的一个感性反馈网络，其基本上包括感性电抗。

12.根据权利要求11的装置，其中容性反馈网络的电容被选择用于减小在该装置输出端产生的第三级互调失真。

13.根据权利要求11的装置，其中感性反馈网络和容性反馈网络有各自的电抗，该电抗被选择用于实现在该装置输入端的预期阻抗。

14.一种制造用于放大信号的装置的方法，包括：

在衬底上形成串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该装置的输入端，而输出晶体管定义该装置的输出端；

以及提供一个在输入端和输出端之间耦合的反馈网络，该反馈网络的特征在于，阻抗基本上为零电阻和非零电抗。

15.一种用于放大信号的方法，包括：

在输入端接收一个输入信号；

放大该输入信号以在输出端提供一个输出信号；以及

通过一个阻抗基本上为零电阻和非零电抗特征的反馈网络来抽样输入端的输出信号。

16.根据权利要求15的方法，其中通过基本上包括容性电抗的反馈网络耦合输出端和输入端，可在输入端抽样输出信号。

17.根据权利要求15的方法，还包括通过提供基本上包括感性电抗的串联反馈网络来匹配输出阻抗。

18.一种用于放大信号的装置，包括：

第一和第二放大级，每级均包括

串联耦合在一起的一个输入晶体管和一个输出晶体管，输入晶体管定义该放大级的输入端，而输出晶体管定义该放大级的输出端；

一个在输入端和输出端之间耦合的容性反馈网络，其基本上包括容性电抗，以及

一个在输入晶体管和低电压基准之间耦合的感性反馈网络，其基本上包括感性电抗；

其中放大级的输入端耦合在一起以形成该装置的输入端，而放大级的输出端通过一个分隔器耦合在一起。

19.根据权利要求18的装置，其中分隔器包括一个二极管。