專利名稱：具有有源后失真線性化的差動(dòng)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及電路，且更具體來(lái)說(shuō)，涉及一種適合于無(wú)線通信和其它應(yīng)用的放大器。
背景技術(shù)：
放大器通常用于各種電子裝置中以提供信號(hào)放大。此外，不同類型的放大器可用于不同用途。舉例來(lái)說(shuō)，無(wú)線裝置可包括用于雙向通信的發(fā)射器和接收器，且發(fā)射器可利用功率放大器(PA)且接收器可利用低噪聲放大器(LNA)和可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。
LNA通常用于接收器中以放大經(jīng)由通信信道而接收的低振幅信號(hào)。LNA常為由經(jīng)接收信號(hào)遇到的第一有源電路且因此在若干關(guān)鍵區(qū)域中對(duì)接收器的性能有較大影響。第--，LNA對(duì)接收器的總噪聲指數(shù)有較大影響，因?yàn)長(zhǎng)NA的噪聲直接注入經(jīng)接收信號(hào)中且LNA的增益有效地減少后續(xù)級(jí)的噪聲。第二， LNA的線性對(duì)接收器中后續(xù)級(jí)的設(shè)計(jì)和接收器性能均有較大影響。LNA輸入信號(hào)通常包括各種非所要信號(hào)分量，其可能來(lái)自外部干擾源和從共同定位的發(fā)射器的泄漏。LNA中的非線性致使非所要信號(hào)分量進(jìn)行混合且產(chǎn)生交叉調(diào)制失真(XMD)，其可能處于所要信號(hào)帶寬內(nèi)。交叉調(diào)制失真的振幅是通過(guò)LNA中的非線性量來(lái)確定。處于所要信號(hào)帶寬內(nèi)的交叉調(diào)制失真分量充當(dāng)使所要信號(hào)的信噪比(SNR)降級(jí)的噪聲。由LNA非線性造成的SNR的降級(jí)影響后續(xù)級(jí)的設(shè)計(jì)(且通常對(duì)后續(xù)級(jí)施加更嚴(yán)格的需求)，以便滿足用于接收器的總SNR規(guī)格。因此，具有更線性的LNA可減輕對(duì)其它級(jí)的性能需求，其可導(dǎo)致接收器的較低功率消耗和較小電路區(qū)域。
因此，此項(xiàng)技術(shù)中需要一種具有良好線性和噪聲性能的放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本文中描述使用有源后失真(APD)而線性化的差動(dòng)放大器的各種實(shí)施例。放大器在設(shè)計(jì)方面較簡(jiǎn)單、具有良好的線性和噪聲性能，且適合于無(wú)線通信和其它高頻應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，放大器可在無(wú)線裝置中用作用于接收器的LNA。有源后失真還可用于線性化其它有源電路(例如，混頻器)。
在一實(shí)施例中，差動(dòng)放大器(例如，LNA)包括第一側(cè)，第一側(cè)包括第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管(例如，N-FET)以及電感器。第一和第二晶體管被耦合為第一共發(fā)共基放大器對(duì)，且第三和第四晶體管被耦合為第二共發(fā)共基放大器對(duì)。第一晶體管使其源極耦合到電感器且使其柵極接收差動(dòng)輸入信號(hào)的第一輸入(電壓)。第二晶體管使其源極耦合到第一晶體管的漏極且使其漏極提供差動(dòng)輸出信號(hào)的第一輸出(電流)。第三晶體管使其柵極耦合到第二晶體管的源極。第四晶體管使其源極耦合到第三晶體管的漏極且使其漏極耦合到第二晶體管的漏極。第一晶體管提供信號(hào)放大。第二晶體管提供負(fù)載隔離且進(jìn)一步產(chǎn)生用于第三晶體管的中間信號(hào)。第三晶體管接收中間信號(hào)且產(chǎn)生用于抵消由第一晶體管產(chǎn)生的三階失真分量的失真分量。第四晶體管提供負(fù)載隔離。電感器提供用于第一晶體管的源極退化且改進(jìn)三階失真的抵消。差動(dòng)放大器還可包括第二側(cè)，第二側(cè)以類似于第一側(cè)的方式起作用以接收差動(dòng)輸入信號(hào)的第二輸入且產(chǎn)生差動(dòng)輸出信號(hào)的第二輸出。在其它實(shí)施例中，可省略第四晶體管，且可將第三晶體管的漏極耦合到第一或第二晶體管的漏極。可選擇第二和第三晶體管的尺寸以減少放大器的增益損失且抵消盡可能多的三階失真。
下文更詳細(xì)地描述本發(fā)明的各個(gè)方面和實(shí)施例。


根據(jù)下文結(jié)合圖式而陳述的詳細(xì)描述將容易明白本發(fā)明的特征和性質(zhì)，在圖式中，相同參考符號(hào)始終對(duì)應(yīng)地識(shí)別。
圖1展示無(wú)線裝置的射頻(RF)部分。
圖2A、圖2B和圖2C分別展示來(lái)自天線的經(jīng)接收信號(hào)、LNA輸入信號(hào)和LNA輸
出信號(hào)。
圖3展示具有有源后失真線性化的LNA的示意圖。
圖4A和圖4B分別展示針對(duì)低頻和高頻的LNA的IIP3的曲線。
圖5展示LNA的等效電路。
圖6展示說(shuō)明有源后失真抵消的向量圖。
圖7A和圖7B展示具有有源后失真線性化的LNA的兩個(gè)額外實(shí)施例的示意圖。
圖8展示具有有源后失真線性化和多個(gè)增益設(shè)置的LNA的示意圖。
圖9展示用P-FET實(shí)施的LNA的示意圖。
圖IO展示具有有源后失真線性化的差動(dòng)LNA的示意圖。
圖IIA和圖11B展示具有有源后失真線性化的差動(dòng)LNA的兩個(gè)額外實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
本文中使用詞語(yǔ)"示范性"以指"充當(dāng)實(shí)例、例子或說(shuō)明"。本文中描述為"示范性"的任何實(shí)施例或設(shè)計(jì)不一定被解釋為比其它實(shí)施例或設(shè)計(jì)優(yōu)選或有利。
本文中所描述的放大器和其它線性化有源電路可用于各種應(yīng)用，例如，通信、聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算、消費(fèi)者電子器件等。這些線性化有源電路可用于無(wú)線通信系統(tǒng)中，例如，碼分多址(CDMA)系統(tǒng)、時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)系統(tǒng)、高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)(AMPS)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)、正交頻分多路復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)、正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)、單載波FDMA(SC-FDMA)系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等。放大器可用作LNA、 VGA、 PA等。為了清晰起見，下文中描述用于CDMA系統(tǒng)的無(wú)線裝置的接收器中的LNA。 CDMA系統(tǒng)可實(shí)施cdma2000、寬帶CDMA (W-CDMA)和/或其它CDMA無(wú)線電接入技術(shù)。
圖1展示無(wú)線裝置100的射頻(RF)部分的框圖。無(wú)線裝置IOO可為蜂窩式電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器卡或用于無(wú)線通信的某一其它裝置。無(wú)線裝置100包括提供雙向通信的發(fā)射器和接收器。
在發(fā)射路徑上，功率放大器(PA) UO接收和放大發(fā)射(TX)經(jīng)調(diào)制信號(hào)且提供發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)經(jīng)由雙工器120被路由且經(jīng)由天線130被發(fā)射到一個(gè)或一個(gè)以上服務(wù)基站。發(fā)射信號(hào)的一部分還經(jīng)由雙工器120而耦合或泄漏到接收路徑。TX泄漏量取決于雙工器120的發(fā)射端口與接收端口之間的隔離，其對(duì)于蜂窩帶處的表面聲波(SAW)雙工器來(lái)說(shuō)可為約50分貝(dB)。較低TX-RX隔離導(dǎo)致較高水平的TX泄漏。
在接收路徑上，含有所要信號(hào)和可能含有干擾(jammer)的經(jīng)接收信號(hào)經(jīng)由天線130被接收、經(jīng)由雙工器120被路由，且被提供到LNA140。 LNA140還接收來(lái)自發(fā)射路徑的TX泄漏信號(hào)。LNA140的輸入處的輸入信號(hào)因此可包括所要信號(hào)、TX泄漏信號(hào)和干擾。LNA放大輸入信號(hào)且提供經(jīng)放大RF信號(hào)。SAW濾波器150對(duì)經(jīng)放大RF信號(hào)進(jìn)行濾波以移除帶外分量(例如，TX泄漏信號(hào))且提供經(jīng)濾波RF信號(hào)?；祛l器160用本地振蕩器(LO)信號(hào)對(duì)經(jīng)濾波RF信號(hào)進(jìn)行下變頻轉(zhuǎn)換且提供經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換信號(hào)。
圖2A展示來(lái)自天線130的經(jīng)接收信號(hào)，其包括所要信號(hào)210和干擾220。干擾220為非所要信號(hào)且可對(duì)應(yīng)于(例如)AMPS系統(tǒng)中由附近基站發(fā)射的信號(hào)。干擾在振幅上可能比所要信號(hào)高得多且在頻率上可能定位成接近于所要信號(hào)。
圖2B展示LNA 140的輸入處的輸入信號(hào)。輸入信號(hào)含有經(jīng)接收信號(hào)中的所要信號(hào)210和干擾220以及來(lái)自發(fā)射路徑的TX泄漏信號(hào)230。 TX泄漏信號(hào)相對(duì)于所要信號(hào)來(lái)說(shuō)可能較大，尤其在無(wú)線裝置IOO遠(yuǎn)離服務(wù)基站且需要以高功率電平進(jìn)行發(fā)射以便到達(dá)基站時(shí)。圖2C展示LNA 140的輸出處的信號(hào)。LNA 140中的非線性可致使TX泄漏信號(hào)230上的調(diào)制與窄帶干擾220相互作用且產(chǎn)生圍繞干擾的交叉調(diào)制失真240。以陰影展示的交叉調(diào)制失真的部分250可處于所要信號(hào)頻帶內(nèi)。部分250充當(dāng)使接收器的性能降級(jí)的額外噪聲。所述噪聲還使接收器靈敏度降級(jí)，使得可由接收器可靠地檢測(cè)到的最小所要信號(hào)需要具有較大振幅。
圖3展示具有有源后失真(APD)線性化的LNA 140a的實(shí)施例的示意圖。LNA 140a具有良好線性和噪聲性能且可用于圖1中的LNA 140。 LNA 140a包括四個(gè)N溝道場(chǎng)效晶體管(N-FET) 310、 320、 330和340、電感器350和電容器352。 N-FET310使其源極耦合到電感器350的一端、使其柵極接收輸入電壓"，且使其漏極耦合到N-FET 320的源極。電感器350的另一端耦合到電路接地。N-FET 320使其柵極接收偏置電壓、。,且使其漏極耦合到輸出節(jié)點(diǎn)。N-FET 330使其源極耦合到電路接地、使其柵極耦合到電容器352的一端，且使其漏極耦合到N-FET 340的源極。電容器352的另一端耦合到N-FET 320的源極。N-FET 340使其柵極接收偏置電壓vfc,。,且使其漏極耦合到輸出節(jié)點(diǎn)。輸出節(jié)點(diǎn)提供用于LNA140a的輸出電流!。w。
N-FET 310與320形成用于信號(hào)放大的主要信號(hào)路徑的第一共發(fā)共基放大器對(duì)。N-FET 310提供信號(hào)放大。N-FET 320提供用于N-FET 310的負(fù)載隔離且進(jìn)一步產(chǎn)生用于N-FET330的中間電壓V2。 N-FET 330與340形成第二共發(fā)共基放大器對(duì)，其用于產(chǎn)生用于失真抵消的交叉調(diào)制失真的輔助信號(hào)路徑。N-FET 330產(chǎn)生交叉調(diào)制失真，且N-FET 340提供用于N-FET 330的負(fù)載隔離。電感器350提供源極退化且進(jìn)一步提供觀察N-FET 310的柵極的50歐姆匹配。電感器350還用于有源后失真線性化且改進(jìn)失真抵消。電容器352提供AC耦合。
N-FET 310具有小信號(hào)跨導(dǎo)g!，其是通過(guò)各種因數(shù)來(lái)確定，例如，N-FET310的尺寸(例如，長(zhǎng)度和寬度)、用于N-FET 310的偏置電流、N-FET 310的柵極到源極電壓Vg,等。N-FET 320具有小信號(hào)跨導(dǎo)gi/"，其中幼N-FET 310的跨導(dǎo)與N-FET 320的跨導(dǎo)的比率。因數(shù)cdl常是通過(guò)N-FET 310的寬度與N-FET 320的寬度的比率來(lái)確定。N-FET 330具有小信號(hào)跨導(dǎo)g!/j5，其中"為N-FET 310的跨導(dǎo)與N-FET 330的跨導(dǎo)的比率。因數(shù)》通常是通過(guò)N-FET 310的寬度與N-FET 330的寬度的比率來(lái)確定?？扇缦挛乃枋鰜?lái)選擇因數(shù)W口々。
可如下在低頻下實(shí)現(xiàn)使用有源后失真的LNA 140a的線性化。在低頻下，電感器350不會(huì)開始起作用且被有效地短接，且輸入電壓w等于用于N-FET 310的iv電壓?？赏ㄟ^(guò)冪級(jí)數(shù)而將N-FET310的漏極電流"表示為A(、》-gr、,+g2曙v(+g3.!^+…' 等式(1)
其中g(shù)2為界定二階非線性的強(qiáng)度的系數(shù)；g3為界定三階非線性的強(qiáng)度的系數(shù)；且
"^)為N-FET310的作為 的函數(shù)的漏極電流。
為了簡(jiǎn)單起見，等式(1)中忽略高于三階的非線性。系數(shù)g、g2和&是通過(guò)用于N-FET 310的裝置尺寸和偏置電流來(lái)確定。系數(shù)g3控制低信號(hào)電平下的三階互調(diào)失真(IMD3)且因此確定三階輸入截取點(diǎn)(1IP3)，其為通常用于指定放大器的線性的量度。
可假定N-FET320為線性的。在此情況下，可將N-FET310的漏極電壓v2 (其也為N-FET330的vv電壓)表達(dá)為
等式(2)
等式(2)指示由N-FET 320產(chǎn)生的電壓w取決于"。可通過(guò)冪級(jí)數(shù)將N-FET 330的漏極電流/3表示為
"v2) = *(grv2 + g2.v22 + g3^+ )。 等式(3)
等式(3)指示用于N-FET 330的系數(shù)和用于N-FET 310的系數(shù)通過(guò)，相關(guān)?？蓪⒌仁?2)代入等式(3)中，使得可將N-FET 330的漏極電流,'3表達(dá)為N-FET310的漏極電流"的函數(shù)。接著可將等式(1)代入等式(3)中，使得可將N-EFT 330的漏極電流!'3表達(dá)為N-FET310的^,電壓的函數(shù)。歸因于等式(1)中的冪級(jí)數(shù)與等式(3)中的冪級(jí)數(shù)之間的相互作用，經(jīng)擴(kuò)展的等式(3)包括用于每一階非線性的多個(gè)項(xiàng)。組合N-FET 310和330的漏極電流以產(chǎn)生輸出電流z'。w，如下
<formula>formula see original document page 9</formula>其中g(shù)^和g2S分別為輸出電流!'。w的一階和三階冪級(jí)數(shù)系數(shù)且可表達(dá)為:
7
，禾口
等式(5)
g3E — §3
1_ or a
3、
+
2g22.a2
〃々」 0
等式(6)
可忽略等式(4)中的項(xiàng)^s，因?yàn)閮H基頻和三階非線性是所關(guān)注的。
等式(5)表示LNA 140a的總增益且展示由于使用有源后失真線性化而產(chǎn)生的增益 損失。具有失真抵消的LNA 140a的總增益為g^，而不具有失真抵消的LNA的增益為 g"增益損失(l-W/ )直接與wn々相關(guān)，且可通過(guò)相對(duì)于^l每々選擇為較大而使所述增 益損失保持較小。較大的/ 導(dǎo)致較少增益損失，但不一定意味著較少失真抵消。等式(6) 表示輸出電流C中經(jīng)組合的三階失真。等式(6)中的第一項(xiàng)表示來(lái)自三階非線性的貢 獻(xiàn)，且等式(6)中的第二項(xiàng)表示來(lái)自二階非線性的貢獻(xiàn)。
圖4A展示在低頻下具有失真抵消(其中連接了 N-FET 330和340)的LNA 140a的 IIP3的曲線410和不具有失真抵消(其中省略了 N-FET330和340)的LNA 140a的IIP3 的曲線420。對(duì)于給定裝置寬度和功率消耗，可求解等式(6)，使得三階失真分量接近 零。選擇々的值以防止過(guò)多增益損失。對(duì)于特定示范性設(shè)計(jì)，將/ 選擇為等于8，且1.35 的a值提供良好的失真抵消。由于等式(6)中的二階非線性，失真抵消取決于偏置電壓， 所述偏置電壓為用于N-FET310的操作iv電壓。
LNA 140a可用于高頻應(yīng)用，例如無(wú)線通信。在高頻下，例如電容器和電感器等無(wú) 功元件影響線性性能且進(jìn)一步造成性能取決于頻率。
圖5展示用于圖3中的LNA 140a的簡(jiǎn)化等效電路500的示意圖。對(duì)于圖5所示的 實(shí)施例，分別用理想電流源510、 520、 530和540且分別用寄生柵極到源極電容器512、 522、 532和542來(lái)模型化N-FET 310、 320、 330和340。 N-FET 310、 320、 330和340
分別具有柵極到源極電容c^、(^2、c^3禾n c^，且進(jìn)一步分別具有柵極到源極電壓vgH、
2、 iV3和iV4。用理想電感器550來(lái)模型化電感器350。電路508模型化N-FET 310
的輸入阻抗&。
為了簡(jiǎn)單起見，針對(duì)等效電路500進(jìn)行以下假定
除了每一N-FET的C^之外，所有寄生電容均為可忽略的； 寄生電阻為零；
N-FET的本體效應(yīng)是可忽略的；且
LNA 140a以小輸入信號(hào)Vl而在弱非線性區(qū)域中操作, 可將電流源510、 520和530的漏極電流表達(dá)為
d V "2 i+& i '
等式(7a)
Z =lL.v ，且
等式(7b)
1z 2 3 、
= ^化'VW + g2 ' 3 + +g3 Vs,3 )
等式(7c)
其中^="^3=—v^。為了簡(jiǎn)單起見，僅考慮N-FET 310和330的非線性，且假定 N-FET 320和340為線性的，如由等式(7b)所指示。
可將等效電路500在弱非線性區(qū)域中的輸出電流",表達(dá)為
等式(8)
其中C"d，…， )為針對(duì)!。",的n階沃特拉核心(Volterra kernei)的拉普拉斯變換， 其常被稱為n階非線性函數(shù)； ^-J'"為拉普拉斯變量；
A，…， 為由n階沃特拉核心所操作的頻率；且 "° "表示《的每一頻率分量與c""i，…'的復(fù)數(shù)乘法。
等式(8)針對(duì)于常用于非線性分析的沃特拉級(jí)數(shù)。沃特拉級(jí)數(shù)包括用于每一階非
線性的沃特拉核心。n階非線性對(duì)應(yīng)于項(xiàng)《且產(chǎn)生"個(gè)頻率分量。n階沃特拉核心為對(duì) 由n階非線性產(chǎn)生的n個(gè)頻率分量操作的n個(gè)系數(shù)的集合。每一沃特拉核心的系數(shù)可通
過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)或某其它手段來(lái)確定。在等式(8)中，三階沃特拉核心^(^，、，^)確定所 關(guān)注的高頻下的三階非線性?？蓪-FET 310的柵極到源極電壓v^表達(dá)為輸入電壓v!的函數(shù)，如下
、i =AO)°vi+42(^X2)°^+^3"1，&,&)，3' 等式(9)
其中ACV…， )為針對(duì)Vgil的n階沃特拉核心的拉普拉斯變換。 N-FET 310基于輸入電壓v!而產(chǎn)生非線性電流如等式(7a)和(9)所示。！'^ 電流的一部分通過(guò)N-FET 320且產(chǎn)生v2電壓。v2電壓產(chǎn)生通過(guò)N-FET 330的非線性電流 &,3，如等式(7c)所示。輸出電流z'。^等于z'^電流與&3電流的總和。
可評(píng)估等式(8)以確定所有失真分量。所關(guān)注的失真分量為影響1IP3的失真分量。
將由N-FET310的三階非線性產(chǎn)生的失真分量表示為"i?？蓪⒂蒒-FET 330的非線性 產(chǎn)生的失真分量分類如下
《由N-FET310的二階和三階非線性產(chǎn)生且衰減^^々倍的失真分量；
^ :由N-FET 310的二階非線性乘以N-FET 330的二階非線性產(chǎn)生的失真分量；
以及
A:由N-FET330的三階非線性產(chǎn)生的失真分量。
在有源后失真線性化的情況下，項(xiàng)^、 A和^是用N-FET 330有源地產(chǎn)生且用于
抵消來(lái)自N-FET 310的項(xiàng)。
項(xiàng)^'包括由N-FET310的二階和三階非線性產(chǎn)生的失真分量。舉例來(lái)說(shuō)，N-FET310 的源極處的二次諧波(2w)可與N-FET310的柵極處的基頻(w)混合以產(chǎn)生三階互調(diào)
失真。二次諧波是歸因于N-FET310的二階非線性，其對(duì)應(yīng)于等式(7a)中的項(xiàng)&'v:1。 基頻還可歸因于N-FET310的三階非線性(其對(duì)應(yīng)于等式(7a)中的項(xiàng)&'、")而產(chǎn)生 三階互調(diào)失真。來(lái)自N-FET310的這些失真分量由N-FET330經(jīng)由等式(7c)中的g1 'V"3 項(xiàng)而放大，且通過(guò)N-FET320和330的組合而衰減"Z^倍。
項(xiàng)^包括由N-FET310和330的二階非線性產(chǎn)生的失真分量。舉例來(lái)說(shuō)，由N-FET 310的二階非線性產(chǎn)生的二次諧波可與歸因于N-FET 330的二階非線性(其對(duì)應(yīng)于等式
(7c)中的項(xiàng)&'v")的基頻混合以產(chǎn)生三階互調(diào)失真。項(xiàng)"包括由N-FET330的三階非線性產(chǎn)生的失真分量。來(lái)自N-FET310的基頻可歸
因于N-FET 330的三階非線性(其對(duì)應(yīng)于等式(7c)中的項(xiàng)&'、")而產(chǎn)生三階互調(diào) 失真。
可將N-FET310和330的非線性項(xiàng)表達(dá)為
d = g！ 化,52，53) + 2g2' A2(、 s2) + g3車02) 仏)' 等式(IO)
Ml
等式(ll)
等式(12)
等式U3)
其中
A(一
1
等式U4)
，且
等式(15)
a3 (^, &, ^ ) =' V a,2 Cs). i A W i:
等式(16)
等式(14)、 (15)和(16)指示電感器350的電感L,包括于組成^、 ^和A的各 個(gè)中間項(xiàng)中。在高頻下，電感器350改進(jìn)由N-FET 310產(chǎn)生的三階失真的抵消。
在上述等式中，5 = >/"、 ^-7"n 、=>2和^ = 7'"3為不同的緊密間隔的信
號(hào)頻率，其中"""'-"2-"3，使得厶"="2—"'遠(yuǎn)小于"'和""將等式(14)、 (15)和(16)代入等式(10)、 (11)、 (12)和(13)中，且假定在CD下共軛匹配，則可
將輸出電流!'，中的總的三階失真JM^表達(dá)為"、—1 or3 —
g3'2 yff —or
2
〃'&
1
2 々—or
等式(n)
等式(17)中的服3￡對(duì)應(yīng)于等式(8)中的三階沃特拉核心C3"，^，A)。
在等式(17)中，第一行中的項(xiàng)表示三階非線性，第二行中的項(xiàng)表示具有二階諧波 的二階非線性，且第三行中的項(xiàng)表示二階非線性。可選擇WB"的值，使得這三個(gè)失真分 量盡可能多地抵消，將總的三階失真最小化，且實(shí)現(xiàn)用于LNA140a的最高可能的IIP3。
圖6展示說(shuō)明有源后失真的失真抵消機(jī)制的向量圖。項(xiàng)《、"和^取決于信號(hào)頻
率(5 = ^'")、 N-FET的系數(shù)gi、 g2和&和退化電感"。項(xiàng)《、A和^在給定頻率下
可具有不同振幅和相位，如由用于這三個(gè)項(xiàng)的三個(gè)向量所示。三個(gè)項(xiàng)《、"和^的總
和由虛線向量展示，虛線向量在振幅上應(yīng)與用于^"的向量相同但在相位上與其相反， 使得總失真最小化。
圖4B展示在高頻下具有失真抵消的LNA 140a的IIP3的曲線430和不具有失真抵 消的LNA 140a的IIP3的曲線440。對(duì)于給定裝置寬度和功率消耗，可求解等式(17) 以使三階失真分量接近零。選擇々的值以防止過(guò)多增益損失。對(duì)于特定示范性設(shè)計(jì)，將/ 選擇為等于8，且1.77的a值提供良好的失真抵消。在高頻下使失真最小化的a值可與在 低頻下的crft不同。對(duì)于高頻的不同a是歸因于由與二次諧波相互作用的二階非線性(其 對(duì)應(yīng)于等式(17)中的第二行)產(chǎn)生的失真分量。
LNA 140a的噪聲性能通過(guò)有源后失真線性化而略有下降。來(lái)自N-FET 310的噪聲 與來(lái)自常規(guī)電感性退化的LNA的噪聲大致相同。在有源后失真線性化的情況下，由 N-FET 330以柵極感應(yīng)噪聲和漏極噪聲的形式產(chǎn)生額外噪聲?？赏ㄟ^(guò)增加々來(lái)減少這兩個(gè) 額外噪聲源，其導(dǎo)致較小增益損失和噪聲指數(shù)的較小降級(jí)。
圖7A展示具有有源后失真線性化的LNA140b的實(shí)施例的示意圖。LNA140b包括 如上文針對(duì)圖3所描述而耦合的N-FET310、 320和330、電感器350和電容器352。然 而，N-FET 330的漏極直接耦合到輸出節(jié)點(diǎn)。LNA140b中省略了 N-FET340。 LNA 140b的線性和噪聲性能類似于圖3中的LNA 140a的線性和噪聲性能。省略了 N-FET 340主 要影響用于N-FET 330的負(fù)載隔離。
圖7B展示具有有源后失真線性化的LNA 140c的實(shí)施例的示意圖。LNA 140c包括 如上文針對(duì)圖3所描述而耦合的N-FET310、 320和330、電感器350和電容器352。然 而，N-FET 330的漏極直接耦合到N-FET 320的源極。LNA 140c中省略了 N-FET 340。 LNA 140c的線性和噪聲性能類似于圖3中的LNA 140a的線性和噪聲性能。
圖8展示具有有源后失真線性化和多個(gè)增益設(shè)置的LNA 140d的實(shí)施例的示意圖。 LNA 140d包括以分別與圖3中的N-FET 310、 320、 330和340、電感器350和電容器 352相同的方式而耦合的N-FET810、 820、 830和840、電感器850和電容器852。 LNA 140d進(jìn)一步包括提供偏置、增益控制和阻抗匹配的額外電路。
用于LNA 140d的偏置電路包括電流源858、 N-FET 860和電阻器862、 864、 866 和868。電流源858使一端耦合到電源VDD且使另一端耦合到N-FET 860的漏極。N-FET 860經(jīng)二極管連接，且使其源極耦合到電路接地且使其柵極耦合到其漏極。電阻器862 使一端耦合到N-FET 810的柵極且使另一端耦合到N-FET 860的柵極。電阻器864使一 端耦合到N-FET 830的柵極且使另一端耦合到N-FET 860的柵極。用于N-FET 810的偏 置電流是通過(guò)(1)由電流源858提供的電流和(2) N-FET 810的寬度與N-FET 860的 寬度的比率來(lái)確定的。類似地，用于N-FET 830的偏置電流是通過(guò)(1)由電流源858 提供的電流和(2) N-FET 830的寬度與N-FET 860的寬度的比率來(lái)確定的。電阻器866 使一端耦合到VDD電源且使另一端耦合到N-FET 820和840的柵極。電阻器868使一端 耦合到電路接地且使 另一端耦合到N-FET 820和840的柵極。電阻器866和868確定用 于N-FET 820和840的柵極偏置電壓，其不需要被精確設(shè)置。
用于LNA 140d的增益控制電路包括N-FET 870和880、電容器872和電阻器882、 884和886。N-FET 870和880使其源極耦合到N-FET 810的柵極且使其柵極接收兩個(gè)增 益控制信號(hào)。電容器872使一端耦合到N-FET 820和840的漏極且使另 一端耦合到N-FET 870的漏極。電阻器882與884串行耦合。電阻器882使一端耦合到N-FET 880的漏極 且使另一端耦合到電阻器884和886。電阻器884的另一端耦合到N-FET 820和840的 漏極，且電阻器886的另一端耦合到電路接地。
N-FET 810、 820、 830和840形成增益信號(hào)路徑，N-FET 870形成通過(guò)信號(hào)路徑， 且N-FET 880形成衰減信號(hào)路徑?；趦蓚€(gè)增益控制信號(hào)而隨著任一給定時(shí)刻來(lái)選擇三 個(gè)信號(hào)路徑中的一者。如果接通N-FET 870且選擇通過(guò)信號(hào)路徑，則輸入信號(hào)通過(guò)N-FET 870和AC耦合電容器872到LNA輸出。如果接通N-FET 880且選擇衰減信號(hào)路徑，則輸入信號(hào)通過(guò)N-FET 880且被電阻器網(wǎng)絡(luò)衰減。
輸入阻抗匹配電路890耦合于RF輸入與N-FET 810的柵極之間。輸出阻抗匹配電 路892耦合于RF輸出與VoD電源之間。每一阻抗匹配電路可包括一個(gè)或一個(gè)以上電感 器、電容器、帶狀線等。匹配電路892還提供用于N-FET 810、 820、 830、 840和880
的偏置電流。
圖9展示具有有源后失真線性化的LNA140e的實(shí)施例的示意圖。LNA140e包括四 個(gè)P溝道FET (P-FET) 910、 920、 930和940、電感器950，和電容器952。 P-FET 910 使其源極耦合到電感器950的一端、使其柵極接收輸入電壓Vi，且使其漏極耦合到P-FET 920的源極。電感器950的另一端耦合到VDD電源。P-FET 920使其柵極接收偏置電壓 v^,且使其漏極耦合到輸出節(jié)點(diǎn)。P-FET 930使其源極耦合到VoD電源、使其柵極耦合 到電容器952的一端，且使其漏極耦合到P-FET940的源極。電容器952的另一端耦合 到P-FET 920的源極。P-FET 940使其柵極接收偏置電壓vfc,。,且使其漏極耦合到輸出節(jié) 點(diǎn)。輸出節(jié)點(diǎn)提供用于LNA 140e的輸出電流
圖10展示具有有源后失真線性化的差動(dòng)LNA 300的實(shí)施例的示意圖。LNA 300以 類似于圖3所示的LNA 140a的方式操作，但LNA 300具有差動(dòng)電路結(jié)構(gòu)以使得LNA 300 具有額外N-FET 410、 420、 430和440、電感器450和電容器452。 LNA 300接收差動(dòng) 輸入且輸出差動(dòng)輸出。N-FET 310的柵極接收輸入電壓Vl+ (差動(dòng)輸入的第一輸入)且 N-FET 410的柵極接收輸入電壓v廣(差動(dòng)輸入的第二輸入)。LNA 300具有用于提供差 動(dòng)輸出的兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)1。m+和I。ut-。LNA300的左半部具有與圖3中的LNA140a相同的 電路結(jié)構(gòu)且從輸出節(jié)點(diǎn)1。ut+提供輸出電流，且LNA 300的右半部具有是左半部的相 反部分(鏡像)的電路結(jié)構(gòu)。LNA300通過(guò)使用有源后失真來(lái)改進(jìn)線性，如上文針對(duì)LNA 140a所闡釋。
N-FET410使其源極耦合到電感器450的一端、使其柵極接收輸入電壓且使其 漏極耦合到N-FET 420的源極。電感器450的另一端耦合到電路接地。N-FET 420使其 柵極接收偏置電壓v^。,且使其漏極耦合到輸出節(jié)點(diǎn)I。ut-。 N-FET 430使其源極耦合到電 路接地、使其柵極耦合到電容器452的一端，且使其漏極耦合到N-FET440的源極。電 容器452的另一端耦合到N-FET420的源極。N-FET 440使其柵極接收偏置電壓vfc,a,且 使其漏極耦合到輸出節(jié)點(diǎn)I。ut-。輸出節(jié)點(diǎn)1。ut-提供用于LNA300的輸出電流Z。 f.。
圖IIA展示差動(dòng)LNA 301，其具有使用圖7A中所示的LNA 140b的電路的差動(dòng)電 路結(jié)構(gòu)。除了 LNA 301使用以差動(dòng)形式的LNA 140b之外，以類似于LNA 300的方式來(lái) 構(gòu)造LNA 301。除了 LNA 301具有差動(dòng)電路結(jié)構(gòu)以使得LNA 301具有額外N-FET 410、420和430、電感器450和電容器452之外，LNA 301以類似于圖7A所示的LNA 140b 的方式操作。LNA 301通過(guò)使用有源后失真來(lái)改進(jìn)線性，如上文針對(duì)LNA 140b所闡釋。
圖11B展示差動(dòng)LNA 302，其具有使用圖7B所示的LNA 140c的電路的差動(dòng)電路 結(jié)構(gòu)。除了 LNA 302使用以差動(dòng)形式的LNA 140c之外，以類似于LNA 300的方式來(lái)構(gòu) 造LNA 302。除了 LNA 302具有差動(dòng)電路結(jié)構(gòu)以使得LNA 302具有額外N-FET 410、 420 和430、電感器450和電容器452之外，LNA 302以類似于圖7B所示的LNA 140c的方 式操作。LNA302通過(guò)使用有源后失真來(lái)改進(jìn)線性，如上文針對(duì)LNA 140c所闡釋。
如上文所述，用于使用有源后失真來(lái)線性化有源電路的技術(shù)可用于各種類型的有源 電路，例如，放大器、混頻器等。用于有源電路的主要信號(hào)路徑歸因于主要信號(hào)路徑中 的電路元件的非線性而產(chǎn)生失真。輔助信號(hào)路徑有源地產(chǎn)生用于抵消由主要信號(hào)路徑產(chǎn) 生的失真分量的失真分量。
本文中所描述的放大器和其它經(jīng)線性化有源電路可用于各種頻率范圍，包括基頻、 中頻(IF)、 RF等。舉例來(lái)說(shuō)，這些經(jīng)線性化有源電路可用于通常用于無(wú)線通信的頻帶， 例如
從824到894 MHz的蜂窩帶，
從1850到19卯MHz的個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS)帶，
從1710到1880 MHz的數(shù)字蜂窩式系統(tǒng)(DCS)帶，
從890到960 MHz的GSM卯O帶，
從1920到2170 MHz的國(guó)際移動(dòng)電信2000 (IMT-2000)帶，以及
從1574.4到1576.4 MHz的全球定位系統(tǒng)(GPS)帶。
本文中所描述的放大器和其它經(jīng)線性化有源電路可實(shí)施于集成電路(IC)、 RF集成 電路(RFIC)、專用集成電路(ASIC)、.印刷電路板(PCB)、電子裝置等中。這些經(jīng)線 性化有源電路還可以各種IC工藝技術(shù)來(lái)制造，例如，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、 N溝道MOS (N-MOS)、 P溝道MOS (P-MOS)、雙極結(jié)晶體管(BJT)、雙極CMOS (BiCMOS)、鍺化硅(SiGe)、砷化鎵(GaAs)等。
提供所揭示實(shí)施例的先前描述以使所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠制作或使用本發(fā) 明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易明白對(duì)這些實(shí)施例的各種修改，且可在不脫離本發(fā)明的 精神或范圍的情況下將本文中所界定的一般原理應(yīng)用于其它實(shí)施例。因此，不希望本發(fā) 明限于本文中所展示的實(shí)施例，而是將賦予其與本文中所揭示的原理和新穎特征一致的 最廣范圍。
權(quán)利要求
1.一種集成電路，其包含第一晶體管，其電耦合到第一電感器以接收和放大差動(dòng)輸入信號(hào)的第一輸入；第二晶體管，其電耦合到所述第一晶體管，所述第二晶體管產(chǎn)生第一中間信號(hào)且提供差動(dòng)輸出信號(hào)的第一輸出；第三晶體管，其電耦合到所述第二晶體管且操作以接收所述第一中間信號(hào)且產(chǎn)生用于抵消由所述第一晶體管產(chǎn)生的失真分量的失真分量；第四晶體管，其電耦合到第二電感器以接收和放大所述差動(dòng)輸入信號(hào)的第二輸入；第五晶體管，其電耦合到所述第四晶體管，所述第五晶體管產(chǎn)生第二中間信號(hào)且提供所述差動(dòng)輸出信號(hào)的第二輸出；以及第六晶體管，其電耦合到所述第五晶體管且操作以接收所述第二中間信號(hào)且產(chǎn)生用于抵消由所述第四晶體管產(chǎn)生的失真分量的失真分量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其中所述第一和第二晶體管被耦合為共發(fā)共基放 大器對(duì)，且所述第四和第五晶體管被耦合為共發(fā)共基放大器對(duì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的集成電路，其中所述第三晶體管操作以產(chǎn)生用于抵消由所述 第一晶體管產(chǎn)生的三階失真分量的失真分量，且其中所述第六晶體管操作以產(chǎn)生用于抵消由所述第四晶體管產(chǎn)生的三階失真分量的失真分量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的集成電路，其進(jìn)一步包含第七晶體管，其電耦合到所述第二和第三晶體管且操作以提供負(fù)載隔離；以及 第八晶體管，其電耦合到所述第六和第五晶體管且操作以提供負(fù)載隔離。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其中所述第三晶體管具有電耦合到所述第二晶體 管的漏極的漏極，且其中所述第六晶體管具有電耦合到所述第五晶體管的漏極的漏 極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其中所述第三晶體管具有電耦合到所述第一晶體 管的漏極的漏極，且所述第六晶體管具有電耦合到所述第四晶體管的漏極的漏極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的集成電路，其中所述第一、第二和第三晶體管分別具有第一、 第二和第三增益，其中所述第一增益和第二增益通過(guò)第一因數(shù)而相關(guān)，且其中所述 第一增益和第三增益通過(guò)第二因數(shù)而相關(guān)，且其中所述第四、第五和第六晶體管分 別具有所述第一、第二和第三增益。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成電路，其中所述第二因數(shù)經(jīng)選擇以減少增益損失，且其 中所述第一因數(shù)經(jīng)選擇以抵消由所述第一和第四晶體管產(chǎn)生的所述失真分量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成電路，其中所述第二因數(shù)大于l，且其中所述第三增益 是所述第一增益的分?jǐn)?shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的集成電路，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六 晶體管為N溝道場(chǎng)效晶體管(N-FET)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的集成電路，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六 晶體管為P溝道場(chǎng)效晶體管(P-FET)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六 晶體管為雙極結(jié)晶體管(BJT)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的集成電路，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六 晶體管形成低噪聲放大器(LNA)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其中所述差動(dòng)輸入信號(hào)為碼分多址(CDMA)信 號(hào)。
15. —種放大器，其包含第一電感器，其操作以提供源極退化；第一晶體管，其具有電耦合到所述第一電感器的源極和接收差動(dòng)輸入信號(hào)的第一輸入的柵極，所述第一晶體管操作以提供信號(hào)放大；第二晶體管，其具有提供差動(dòng)輸出信號(hào)的第一輸出的漏極和電耦合到所述第一晶體管的漏極的源極，所述第二晶體管操作以產(chǎn)生第一中間信號(hào)；第三晶體管，其具有電耦合到所述第二晶體管的所述源極的柵極，所述第三晶體 管操作以接收所述第一中間信號(hào)且產(chǎn)生用于抵消由所述第一晶體管產(chǎn)生的失真分 量的失真分量；第二電感器，其操作以提供源極退化；第四晶體管，其具有電耦合到所述第二電感器的源極和接收所述差動(dòng)輸入信號(hào)的 第二輸入的柵極，所述第四晶體管操作以提供信號(hào)放大；第五晶體管，其具有提供所述差動(dòng)輸出信號(hào)的第二輸出的漏極和電耦合到所述第 四晶體管的漏極的源極，所述第五晶體管操作以產(chǎn)生第二中間信號(hào)；以及第六晶體管，其具有電耦合到所述第五晶體管的所述源極的柵極，所述第六晶體 管操作以接收所述第二中間信號(hào)且產(chǎn)生用于抵消由所述第四晶體管產(chǎn)生的失真分 量的失真分量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的放大器，其進(jìn)一步包含-第七晶體管，其具有電耦合到所述第三晶體管的漏極的源極和電耦合到所述第二 晶體管的所述漏極的漏極；以及第八晶體管，其具有電耦合到所述第六晶體管的漏極的源極和電耦合到所述第五 晶體管的所述漏極的漏極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有良好線性和噪聲性能的差動(dòng)放大器(300)，其包括第一側(cè)，所述第一側(cè)包括第一晶體管(310)、第二晶體管(320)、第三晶體管(330)和第四晶體管(340)以及電感器(350)。所述第一晶體管(310)和第二晶體管(320)被耦合為第一共發(fā)共基放大器對(duì)，且所述第三晶體管(330)和第四晶體管(340)被耦合為第二共發(fā)共基放大器對(duì)。所述第三晶體管(330)使其柵極耦合到所述第二晶體管(320)的源極，且所述第四晶體管(340)使其漏極耦合到所述第二晶體管(320)的漏極。所述第一晶體管(310)提供信號(hào)放大。所述第二晶體管(320)提供負(fù)載隔離且產(chǎn)生用于所述第三晶體管(330)的中間信號(hào)。所述第三晶體管(330)產(chǎn)生用于抵消由所述第一晶體管(310)產(chǎn)生的三階失真分量的失真分量。所述電感器(350)提供用于所述第一晶體管(310)的源極退化且改進(jìn)失真抵消。所述第二晶體管(320)和第三晶體管(330)的尺寸經(jīng)選擇以減少增益損失且實(shí)現(xiàn)所述放大器的良好線性。所述差動(dòng)放大器還可包括第二側(cè)，所述第二側(cè)以類似于所述第一側(cè)的方式起作用。
文檔編號(hào)H03F1/32GK101647196SQ200880010430
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月5日
發(fā)明者弗拉迪米爾·阿帕林, 肯尼斯·查爾斯·巴尼特, 金南秀 申請(qǐng)人:高通股份有限公司