放大器的制造方法
放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及放大器。根据本技术的一方面公开了一种增益增强放大器。增益增强可以用于改善放大器的噪声系数，并且可以通过向放大器中的多个晶体管的栅极馈送输入信号来实现，其中每个晶体管提供有助于放大器的总电流增益的电流增益。放大器还可以包括用于增加放大器的驱动能力的输出驱动器级。放大器还可以包括反馈电阻器和输入电阻器以获得高线性度增益。
【专利说明】放大器
【技术领域】
[0001]本描述总体涉及放大器，更具体地，涉及折叠式共源共栅放大器。
【背景技术】
[0002]低噪声放大器(LNA)可以在系统的前端接收器中用来放大输入信号，并且将所放大的信号输出至系统中的其他电路(例如，调谐器、解调器等)，用于进行进一步处理。为了让系统实现高输入灵敏度，LNA具有低噪声和高线性度是很重要的。
[0003]在传统LNA中，线性度由gm*Ro限制，其中gm是LNA的跨导并且Ro是LNA的输出阻抗。结果，传统LNA需要高电流，因此需要高功率，从而实现高线性度。在传统LNA中，感应器可以用于实现低噪声。然而，感应器占据较大的芯片面积，显著增大了 LNA的大小。
实用新型内容
[0004]本实用新型解决如下问题:输入端参考噪声大，噪声系数大。
[0005]( I) 一种放大器，包括:
[0006]第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；
[0007]第二电流增益晶体管，具有经由第一增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；
[0008]第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；
[0009]第三电流增益晶体管，具有经由第二增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及
[0010]第二共源共栅晶体管，具有与所述第三电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第二 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
[0011](2)根据(I)所述的放大器，其中，所述第一增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的第一电容器，并且所述第二增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第三电流增益晶体管的栅极之间的第二电容器。
[0012]( 3 )根据(2 )所述的放大器，进一步包括:
[0013]第一电阻器，耦接在所述第二电流增益晶体管的栅极与第三DC偏置电压之间；以及
[0014]第二电阻器，耦接在所述第三电流增益晶体管的栅极与第四DC偏置电压之间。
[0015](4)根据(I)所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极，以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
[0016]( 5 )根据(4 )所述的放大器，进一步包括:
[0017]反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及
[0018]输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
[0019](6) 一种放大器,包括:
[0020]第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；
[0021]第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及
[0022]共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极。
[0023](7)根据(6)所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极，以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
[0024](8)根据(7)所述的放大器，进一步包括:
[0025]反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及
[0026]输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
[0027](9) 一种放大器，包括:
[0028]第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；
[0029]第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；
[0030]第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第
一DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；以及
[0031]第二共源共栅晶体管，具有与所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第
二DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
[0032](10)根据(9)所述的放大器，其中，所述增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的电容器。
[0033]本实用新型提供的放大器，增益增强明显较少了输入端参考噪声，由此改善了噪声系数。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]在所附权利要求中陈述了本技术的某些特征。然而，为了阐述目的，在下图中陈述了本技术的几个实施方式。
[0035]图1示出了折叠式共源共栅放大器的实例。
[0036]图2示出了根据本实用新型的一方面的增益增强示例性折叠式共源共栅放大器。
[0037]图3示出了根据本实用新型的一方面的增益增强示例性折叠式共源共栅放大器和输出驱动器级。
[0038]图4示出了根据本实用新型的一方面的示例性放大器。
[0039]图5示出了根据本实用新型的一方面的放大器的噪声模型的实例。
[0040]图6示出了根据本实用新型的一方面的示例性系统。【具体实施方式】
[0041]下面陈述的【具体实施方式】旨在作为本技术的各个配置的描述并且不旨在仅表示可以实施本技术的配置。附图并入本文中并构成【具体实施方式】的一部分。出于对本技术提供彻底理解的目的，【具体实施方式】包括具体细节。然而，本技术不限于本文中陈述的具体细节并且可以在没有一点或多点具体细节的情况下实施。在某些情况下，以框图形式示出结构和组件以免淡化本技术的概念。
[0042]图1示出了传统的差分折叠式共源共栅放大器100的实例。放大器100被配置为放大包括第一输入信号vin和第二输入信号vip的差分输入信号，并输出包括第一输出信号VOUtp和第二输出信号VOUtn的差分输出信号。放大器100包括形成差分输入对的第一输入晶体管M3和第二输入晶体管M8，以及配置为提供偏置电流的电流偏置晶体管M4，该偏置电流在第一和第二输入晶体管M3和M8之间分流。晶体管M4的栅极偏置DC电压vbiasp3。
[0043]放大器100进一步包括与第一输入晶体管M3耦合的第一增益级115。总的看来，第一输入晶体管M3和第一增益级115形成放大器100的右半部分。第一增益级115耦合在电源总线Vdd和Vss之间。第一增益级115包括以共源共栅配置连接的P沟道晶体管M16，M17和η沟道晶体管Ml5和MlI，其中晶体管Μ16，Ml7，Ml5和Mll的栅极分别偏置DC电压vbiaspl, vbiasp2, vbiasn2和vbiasnl。晶体管M15和M17是共栅极共源共栅晶体管,该等共栅极共源共栅晶体管在第一增益级115的输出端提供高阻抗，并因此在第一增益级115的输出端提供高电压增益。
[0044]当向第一输入晶体管M3的栅极馈送第一输入信号vin时，第一输入晶体管M3在其漏极输出vin*gm3的信号电流。晶体管M3的几乎所有输出信号电流都流入第一增益级115的晶体管M15，由此产生大约vin*gm3的输出电流增益。这是因为晶体管M15以共栅极配置连接，并因此在其源极具有低输入阻抗。
[0045]在放大器100的右半部分中，最嘈杂的源是晶体管M3，Mll和M16。来自主要噪声源晶体管(即，晶体管M3，Ml I和M16 )的总噪声电流为:Ιη—_—_ε=ν8η—Μ:^πι3+Ιη—^Vgn-M11*gml 1+In—M11+Vgn—M16*gml6+In—M16 (I)
[0046]其中，In tjut s_是输出端的总噪声电流，Vgn是各个晶体管的栅极的噪声电压，1?是各个晶体管的电流噪声，并且gm是各个晶体管的跨导。如上所讨论的，放大器100的右半部分具有大约gm3*vin的输出电流增益。结果，放大器的右半部分的输入端参考噪声为:
[0047]Vninputrefer=Inoutstage/gm3(2)
[0048]其中Vn input _是输入端参考噪声。
[0049]放大器100还包括与第二输入晶体管M8耦合的第二增益级120。总的看来，第二输入晶体管M8和第二增益级120形成放大器100的左半部分。第二增益级120包括以共源共栅配置连接的η沟道晶体管Μ21，Μ23和ρ沟道晶体管Μ20和Μ25，其中晶体管Μ21，Μ23，Μ20和Μ25的棚极分别偏置DC电压vbiasnl, vbiasn2,vbiasp2和vbiaspl。晶体管M23和M20是共栅极共源共栅晶体管，这些共栅极共源共栅晶体管在第二增益级120的输出端提供高输出阻抗，并因此在第二增益级120的输出端提供高电压增益。放大器100的左半部分具有与放大器的右半部分类似的输入端参考噪声，这种情况通过按照放大器100的左半部分的上述分析来证明。[0050]图2示出了根据本实用新型的一方面的增益增强示例性差分折叠式共源共栅放大器200 (或“放大器”)。与图1中的放大器100相比，增益增强明显减少了输入端参考噪声，由此改善噪声系数，如下面进一步讨论的。
[0051]放大器200的右半部分包括增益增强电容器C2和C4以及电阻器Rl和R3。电容器C2和C4将第一输入信号vin从放大器200的第一输入端205分别传递至晶体管Mll和M16的栅极，同时分别阻断来自放大器200的第一输入端205的DC偏置电压vbiasnl和vbiaspl。因此，电容器C2和C4提供从放大器200的第一输入端205分别至第一增益级215的晶体管Mll和M16的增益通路。在某些实现中，电容器C2和C4中的任一个或两个可以具有例如大约4pF的电容。
[0052]电阻器Rl和R3将DC偏置电压vbiaspl和vbiasnl分别传递至晶体管M16和Mll的栅极。另外，电阻器Rl和R3分别防止晶体管M16和Mll的栅极被短接至信号地面，从而允许第一输入信号vin的电压分别施加给晶体管M16和Mll的栅极。在某些实现中，电阻器Rl和R3中的任一个或两个可以具有例如大约660ΚΩ的电阻或其他电阻。
[0053]来自晶体管Mll的输出电流增益大约为vin*gmll，其中gmll是晶体管Mll的跨导。这是因为晶体管Mll的几乎所有输出信号电流都流入共栅极共源共栅晶体管M15的低阻抗输入端。来自晶体管M16的输出电流增益大约为vin*gml6,其中gml6是晶体管M16的跨导。因此，放大器的右半部分的总输出电流增益大约为vin*(gm3+gmll+gml6)。结果,放大器200的右半部分的输入端参考噪声为:
[0054]Vn input refer=In rat stage/(gm3+gmll+gml6)(3)
[0055]其明显小于图1中的放大器100的输入端参考噪声。输入端参考噪声减少到gm3/(gm3+gmll+gml6)。例如,如果gm3=gmll=gml6,则输入端参考噪声减少到1/3并且增益增加3倍。因此，根据本技术的增 益增强可以明显改善放大器200的噪声系数。
[0056]在这方面，晶体管M3，Mll和M16有助于放大器200的右半部分的总电流增益，并且因此可以被视为电流增益晶体管。
[0057]放大器200的左半部分包括增益增强电容器CO和Cl以及电阻器RO和R2。电容器CO和Cl将第二输入信号Vip从放大器200的第二输入端210分别传递至晶体管M25和M21的栅极，同时分别阻断来自放大器200的第二输入端210的DC偏置电压vbiaspl和vbiasnl。因此，电容器CO和Cl将提供从放大器200的第二输入端210分别至第二增益级220的晶体管M25和M21的增益通路。在某些实现中，电容器CO和Cl中的一个或两个可以具有例如大约4pF的电容。
[0058]电阻器RO和R2将DC偏置电压vbiaspl和vbiasnl分别传递至晶体管M25和M21的栅极。另外，电阻器RO和R2分别防止晶体管M25和M21的栅极被短接至信号地面，从而允许第二输入信号ViP的电压分别施加给晶体管M25和M21的栅极。在某些实现中，电阻器RO和R2中的一个或两个可以具有例如大约660ΚΩ的电阻。
[0059]来自晶体管M25的输出电流增益大约为vip*gm25，并且来自晶体管M21的输出电流增益大约为vip*gm21，其中gm25和gm21分别是晶体管M25和M21的跨导。因此，放大器的左半部分的总输出电流增益大约为vip*(gm8+gm21+gm25)。结果,与图1中的放大器100相比，放大器200的左半部分的输入端参考噪声减少到gm8/(gm8+gm21+gm25)。
[0060]在这方面，晶体管M8，M21和M25有助于放大器200的左半部分的总电流增益，并且因此可以被视为电流增益晶体管。
[0061]如上所讨论的，放大器200的第一增益级215具有由于共源共栅晶体管M15和M17导致的高输出阻抗。类似地，放大器200的第二增益级220具有由于共源共栅晶体管M23和M20导致的高输出阻抗。例如，每个增益级可以具有大约500 Ω的输出阻抗。结果，放大器200可能不能良好驱动低电阻负载(例如，具有大约100Ω的电阻的负载)。这是因为当与电阻明显小于放大器200的输出阻抗的负载耦合时，可以明显降低放大器200的高增益。为了驱动低电阻负载，根据本技术的一方面，可以对放大器进行修改，如图3所示。
[0062]在这方面，放大器300的右半部分进一步包括与第一增益级215的输出端225耦合的第一输出驱动器级315。第一输出驱动器级315包括晶体管M18和M19。晶体管M19以源极跟随器(即，共漏极)配置连接，其中晶体管M19的栅极与第一增益级215的输出端225率禹合，并且源极与输出VOUtp的放大器300的第一输出端305 f禹合。晶体管M19在放大器300的第一输出端305提供低输出阻抗(例如，大约10 Ω )，从而允许放大器300的右半部分驱动低电阻负载(例如，具有大约100Ω的电阻的负载)。晶体管M19还向第一增益级215提供高输入阻抗，并因此保持第一增益级215提供的高电压增益。晶体管M18为晶体管M19建立偏置电流，其中晶体管M18的栅极偏置DC电压vbiasn3。
[0063]类似地，放大器300的左半部分进一步包括与第二增益级220的输出端230耦合的第二输出驱动器级320。输出驱动器级320包括晶体管M24和M22。晶体管M24以源极跟随器(即，共漏极)配置连接，其中晶体管M24的栅极与第二增益级220的输出端230耦合，并且源极与输出voutn的放大器300的第二输出端310耦合。晶体管M24在放大器300的第二输出端310提供低输出阻抗(例如，大约10 Ω )，从而允许放大器300的左半部分驱动低电阻负载(例如，具有大约100Ω的电阻的负载)。晶体管M24还向第二增益级220提供高输入阻抗，并因此保持第二增益级220提供的高电压增益。晶体管M22为晶体管M24建立偏置电流，其中晶体管M22的栅极偏置DC电压Vbiasn3。
[0064]图4示出了能够实现高线性度的示例性放大器400。放大器400可以包括图3中所示的折叠式共源共栅放大器300，与放大器300的每个输入端耦合的输入电阻器Re以及耦合在放大器300的每个输出端和对应输入端之间的反馈电阻器Rf。因为放大器300具有高增益(例如，至少一个大于&/&)的数量级)，所以放大器400具有大约RF/Re的线性增益。因此，放大器400可以在不使用感应器的情况下实现高线性度，从而允许放大器400集成在较小的芯片面积(例如，大约为具有感应器的放大器的芯片面积的二分之一)内。
[0065]在一个方面，每个输入电阻器Re可以具有低电阻。例如，放大器400可以从低阻抗源极(例如，同轴电缆)接收输入信号，并且每个输入电阻器Re可以具有低电阻(例如，在50 Ω至100Ω的范围内)以便提供与低阻抗源极的阻抗匹配。结果，每个反馈电阻器Rf也可以具有相对较低的电阻。例如，对于6dB的增益而言,每个输入电阻器Rg可以具有50 Ω的电阻并且每个反馈电阻器&可以具有100Ω的电阻。在该实例中，放大器400具有100Ω的差分输入电阻Zin。
[0066]因为放大器300的输出驱动器级315和320具有低输出阻抗(例如，大约10 Ω )，所以这些输出驱动器级315和320具有高驱动能力(即，能够驱动低电阻负载)。这使得放大器300能够良好驱动低电阻反馈电阻器Rf。应理解的是，放大器300不限于在图4中所示的放大器400中使用，并且可以在其他放大器设计(包括使用低电阻反馈电阻器的其他放大器设计)中使用。
[0067]放大器400例如可以在机顶盒的前端接收器或电缆调制解调器中用来放大来自电缆的宽带信号。在某些实现中，宽带信号可以具有50MHz至IGHz的频率范围。在其他实现中，可以使用其他频率范围。宽带信号可以源自电缆服务提供商或与电缆的另一端耦合的天线。如上所讨论的，放大器400的每个输入电阻器Re可以具有低电阻(例如，50Ω)以便提供与低阻抗电缆的阻抗匹配。阻抗匹配最小化电缆与放大器400之间的信号损失。由此产生的放大信号可以输出至其他电路(例如，调谐器、解调器等)，便于进行进一步信号处理。应理解的是，放大器400不限于上述实例应用，并且可以在要求信号放大的其他应用中使用。
[0068]放大器400可以进一步包括与每个反馈电阻器Rf耦合的电容器CF，以及与每个输入电阻器Re耦合的电容器Cib和电阻器Rib以便在不使用感应器的情况下对放大器400的带宽进行控制，如图4所示。在这方面，每个电容器Cf可以与各个反馈电阻器Rf并联耦合以便形成具有大约为以下的截止频率的低通滤波器:
[0069]fc=l/(2 π RfCf)(4)
[0070]低通滤波器的目的在于在放大的信号的频率范围内提供相对恒定的增益，同时降低较高频率信号的增益。例如，放大的信号可以是来自频率范围为50MHz至IGHz的电缆的宽带信号。在该实例中，低通滤波器可以具有大约IOGHz的截止频率。使截止频率高于宽带信号的最大频率。这是因为低通滤波器在达到截止频率之前开始降低增益。将低通滤波器的截止频率置于远离宽带信号的最大频率帮助确保增益在宽带信号的频率范围内基本上保持持平。在该实例中，每个反馈电阻器&可以具有100Ω的电阻并且每个电容器(^可以具有150fF的电容。
[0071]每个电容器Cib和各个电阻器Rib形成与各个输入电阻器Re并联耦合的高通滤波器。结果，放大器400的每个输入端的输入电阻可以大约为低于截止频率的Re并且大约为等于或高于截止频率(例如，IGHz)的Re| I Rib，其中截止频率大约为:
[0072]fc=l/(2Π (Rib+RG)Cib)(5)
[0073]因此，将输入电阻降至等于或高于截止频率的Re| Ribo降低的输入电阻可以用于以截止频率周围的频率补偿放大器400中的增益损失。增益损失可能是由于放大器300中的增益损失、来自低通滤波器的增益损失和/或其他增益损失导致的。
[0074]例如，截止频率(例如，IGHz )周围的增益损失可以通过损耗因子GF量化，其中截止频率和GF周围的GF〈1大约是以截止频率以下的频率的一个。因此，截止频率周围的增益可以大约为RF/Re| |Rib*GF，并且较低频率的增益可以大约为RF/Re。在该实例中，Rib的电阻可以经选择使得RF/Re| |Rib*GF大约等于％/1^，以便增益在放大的宽带信号的频率范围内大约持平。在该实例中，在没有高通滤波器的情况下，增益降至截止频率(例如，IGHz)周围的大约RF/Re*GF。在该实例中，每个电阻器Rib可以具有400 Ω的电阻并且每个电容器Cib可以具有400fF的电容。高通滤波器是任选的并且可以被省略，例如，当放大的信号的频率范围内没有明显的增益损失时。
[0075]如上所讨论的，增益增强减少了放大器的输入端参考噪声，由此改善放大器的噪声系数。为了说明这一点，图5示出了具有输入和反馈电阻器的放大器400的噪声模型。在图5中，eF和ee分别表不来自电阻器Rf和Rg的噪声，Vn input refer是放大器的右半部分的输入端参考噪声，Rs是表示源端口的电阻的电阻器，并且eF表示来自电阻器Rs的噪声。 [0076] 使用图5中的噪声模型，放大器400的噪声系数（NF)可以由下式给出：
【权利要求】
1.一种放大器，包括:第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；第二电流增益晶体管，具有经由第一增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；第三电流增益晶体管，具有经由第二增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及第二共源共栅晶体管，具有与所述第三电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第二 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述第一增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的第一电容器，并且所述第二增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第三电流增益晶体管的栅极之间的第二电容器。
3.根据权利要求2所述的放大器，进一步包括:第一电阻器，耦接在所述第二电流增益晶体管的栅极与第三DC偏置电压之间；以及第二电阻器，耦接在所述第三电流增益晶体管的栅极与第四DC偏置电压之间。
4.根据权利要求1所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
5.根据权利要求4所述的放大器，进一步包括:反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
6.一种放大器，包括:第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极。
7.根据权利要求6所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
8.根据权利要求7所述的放大器，进一步包括:反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
9.一种放大器，包括:第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；以及第二共源共栅晶体管，具有与所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第二 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
10.根据权利要求9所述的放大器，其中，所述增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的电容器。
【文档编号】H03F1/26GK203457107SQ201320555227
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】谢明宏 申请人:美国博通公司
【专利摘要】本实用新型涉及放大器。根据本技术的一方面公开了一种增益增强放大器。增益增强可以用于改善放大器的噪声系数，并且可以通过向放大器中的多个晶体管的栅极馈送输入信号来实现，其中每个晶体管提供有助于放大器的总电流增益的电流增益。放大器还可以包括用于增加放大器的驱动能力的输出驱动器级。放大器还可以包括反馈电阻器和输入电阻器以获得高线性度增益。
【专利说明】放大器
【技术领域】
[0001]本描述总体涉及放大器，更具体地，涉及折叠式共源共栅放大器。
【背景技术】
[0002]低噪声放大器(LNA)可以在系统的前端接收器中用来放大输入信号，并且将所放大的信号输出至系统中的其他电路(例如，调谐器、解调器等)，用于进行进一步处理。为了让系统实现高输入灵敏度，LNA具有低噪声和高线性度是很重要的。
[0003]在传统LNA中，线性度由gm*Ro限制，其中gm是LNA的跨导并且Ro是LNA的输出阻抗。结果，传统LNA需要高电流，因此需要高功率，从而实现高线性度。在传统LNA中，感应器可以用于实现低噪声。然而，感应器占据较大的芯片面积，显著增大了 LNA的大小。
实用新型内容
[0004]本实用新型解决如下问题:输入端参考噪声大，噪声系数大。
[0005]( I) 一种放大器，包括:
[0006]第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；
[0007]第二电流增益晶体管，具有经由第一增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；
[0008]第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；
[0009]第三电流增益晶体管，具有经由第二增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及
[0010]第二共源共栅晶体管，具有与所述第三电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第二 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
[0011](2)根据(I)所述的放大器，其中，所述第一增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的第一电容器，并且所述第二增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第三电流增益晶体管的栅极之间的第二电容器。
[0012]( 3 )根据(2 )所述的放大器，进一步包括:
[0013]第一电阻器，耦接在所述第二电流增益晶体管的栅极与第三DC偏置电压之间；以及
[0014]第二电阻器，耦接在所述第三电流增益晶体管的栅极与第四DC偏置电压之间。
[0015](4)根据(I)所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极，以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
[0016]( 5 )根据(4 )所述的放大器，进一步包括:
[0017]反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及
[0018]输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
[0019](6) 一种放大器,包括:
[0020]第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；
[0021]第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及
[0022]共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极。
[0023](7)根据(6)所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极，以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
[0024](8)根据(7)所述的放大器，进一步包括:
[0025]反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及
[0026]输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
[0027](9) 一种放大器，包括:
[0028]第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；
[0029]第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；
[0030]第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第
一DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；以及
[0031]第二共源共栅晶体管，具有与所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第
二DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
[0032](10)根据(9)所述的放大器，其中，所述增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的电容器。
[0033]本实用新型提供的放大器，增益增强明显较少了输入端参考噪声，由此改善了噪声系数。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]在所附权利要求中陈述了本技术的某些特征。然而，为了阐述目的，在下图中陈述了本技术的几个实施方式。
[0035]图1示出了折叠式共源共栅放大器的实例。
[0036]图2示出了根据本实用新型的一方面的增益增强示例性折叠式共源共栅放大器。
[0037]图3示出了根据本实用新型的一方面的增益增强示例性折叠式共源共栅放大器和输出驱动器级。
[0038]图4示出了根据本实用新型的一方面的示例性放大器。
[0039]图5示出了根据本实用新型的一方面的放大器的噪声模型的实例。
[0040]图6示出了根据本实用新型的一方面的示例性系统。【具体实施方式】
[0041]下面陈述的【具体实施方式】旨在作为本技术的各个配置的描述并且不旨在仅表示可以实施本技术的配置。附图并入本文中并构成【具体实施方式】的一部分。出于对本技术提供彻底理解的目的，【具体实施方式】包括具体细节。然而，本技术不限于本文中陈述的具体细节并且可以在没有一点或多点具体细节的情况下实施。在某些情况下，以框图形式示出结构和组件以免淡化本技术的概念。
[0042]图1示出了传统的差分折叠式共源共栅放大器100的实例。放大器100被配置为放大包括第一输入信号vin和第二输入信号vip的差分输入信号，并输出包括第一输出信号VOUtp和第二输出信号VOUtn的差分输出信号。放大器100包括形成差分输入对的第一输入晶体管M3和第二输入晶体管M8，以及配置为提供偏置电流的电流偏置晶体管M4，该偏置电流在第一和第二输入晶体管M3和M8之间分流。晶体管M4的栅极偏置DC电压vbiasp3。
[0043]放大器100进一步包括与第一输入晶体管M3耦合的第一增益级115。总的看来，第一输入晶体管M3和第一增益级115形成放大器100的右半部分。第一增益级115耦合在电源总线Vdd和Vss之间。第一增益级115包括以共源共栅配置连接的P沟道晶体管M16，M17和η沟道晶体管Ml5和MlI，其中晶体管Μ16，Ml7，Ml5和Mll的栅极分别偏置DC电压vbiaspl, vbiasp2, vbiasn2和vbiasnl。晶体管M15和M17是共栅极共源共栅晶体管,该等共栅极共源共栅晶体管在第一增益级115的输出端提供高阻抗，并因此在第一增益级115的输出端提供高电压增益。
[0044]当向第一输入晶体管M3的栅极馈送第一输入信号vin时，第一输入晶体管M3在其漏极输出vin*gm3的信号电流。晶体管M3的几乎所有输出信号电流都流入第一增益级115的晶体管M15，由此产生大约vin*gm3的输出电流增益。这是因为晶体管M15以共栅极配置连接，并因此在其源极具有低输入阻抗。
[0045]在放大器100的右半部分中，最嘈杂的源是晶体管M3，Mll和M16。来自主要噪声源晶体管(即，晶体管M3，Ml I和M16 )的总噪声电流为:Ιη—_—_ε=ν8η—Μ:^πι3+Ιη—^Vgn-M11*gml 1+In—M11+Vgn—M16*gml6+In—M16 (I)
[0046]其中，In tjut s_是输出端的总噪声电流，Vgn是各个晶体管的栅极的噪声电压，1?是各个晶体管的电流噪声，并且gm是各个晶体管的跨导。如上所讨论的，放大器100的右半部分具有大约gm3*vin的输出电流增益。结果，放大器的右半部分的输入端参考噪声为:
[0047]Vninputrefer=Inoutstage/gm3(2)
[0048]其中Vn input _是输入端参考噪声。
[0049]放大器100还包括与第二输入晶体管M8耦合的第二增益级120。总的看来，第二输入晶体管M8和第二增益级120形成放大器100的左半部分。第二增益级120包括以共源共栅配置连接的η沟道晶体管Μ21，Μ23和ρ沟道晶体管Μ20和Μ25，其中晶体管Μ21，Μ23，Μ20和Μ25的棚极分别偏置DC电压vbiasnl, vbiasn2,vbiasp2和vbiaspl。晶体管M23和M20是共栅极共源共栅晶体管，这些共栅极共源共栅晶体管在第二增益级120的输出端提供高输出阻抗，并因此在第二增益级120的输出端提供高电压增益。放大器100的左半部分具有与放大器的右半部分类似的输入端参考噪声，这种情况通过按照放大器100的左半部分的上述分析来证明。[0050]图2示出了根据本实用新型的一方面的增益增强示例性差分折叠式共源共栅放大器200 (或“放大器”)。与图1中的放大器100相比，增益增强明显减少了输入端参考噪声，由此改善噪声系数，如下面进一步讨论的。
[0051]放大器200的右半部分包括增益增强电容器C2和C4以及电阻器Rl和R3。电容器C2和C4将第一输入信号vin从放大器200的第一输入端205分别传递至晶体管Mll和M16的栅极，同时分别阻断来自放大器200的第一输入端205的DC偏置电压vbiasnl和vbiaspl。因此，电容器C2和C4提供从放大器200的第一输入端205分别至第一增益级215的晶体管Mll和M16的增益通路。在某些实现中，电容器C2和C4中的任一个或两个可以具有例如大约4pF的电容。
[0052]电阻器Rl和R3将DC偏置电压vbiaspl和vbiasnl分别传递至晶体管M16和Mll的栅极。另外，电阻器Rl和R3分别防止晶体管M16和Mll的栅极被短接至信号地面，从而允许第一输入信号vin的电压分别施加给晶体管M16和Mll的栅极。在某些实现中，电阻器Rl和R3中的任一个或两个可以具有例如大约660ΚΩ的电阻或其他电阻。
[0053]来自晶体管Mll的输出电流增益大约为vin*gmll，其中gmll是晶体管Mll的跨导。这是因为晶体管Mll的几乎所有输出信号电流都流入共栅极共源共栅晶体管M15的低阻抗输入端。来自晶体管M16的输出电流增益大约为vin*gml6,其中gml6是晶体管M16的跨导。因此，放大器的右半部分的总输出电流增益大约为vin*(gm3+gmll+gml6)。结果,放大器200的右半部分的输入端参考噪声为:
[0054]Vn input refer=In rat stage/(gm3+gmll+gml6)(3)
[0055]其明显小于图1中的放大器100的输入端参考噪声。输入端参考噪声减少到gm3/(gm3+gmll+gml6)。例如,如果gm3=gmll=gml6,则输入端参考噪声减少到1/3并且增益增加3倍。因此，根据本技术的增 益增强可以明显改善放大器200的噪声系数。
[0056]在这方面，晶体管M3，Mll和M16有助于放大器200的右半部分的总电流增益，并且因此可以被视为电流增益晶体管。
[0057]放大器200的左半部分包括增益增强电容器CO和Cl以及电阻器RO和R2。电容器CO和Cl将第二输入信号Vip从放大器200的第二输入端210分别传递至晶体管M25和M21的栅极，同时分别阻断来自放大器200的第二输入端210的DC偏置电压vbiaspl和vbiasnl。因此，电容器CO和Cl将提供从放大器200的第二输入端210分别至第二增益级220的晶体管M25和M21的增益通路。在某些实现中，电容器CO和Cl中的一个或两个可以具有例如大约4pF的电容。
[0058]电阻器RO和R2将DC偏置电压vbiaspl和vbiasnl分别传递至晶体管M25和M21的栅极。另外，电阻器RO和R2分别防止晶体管M25和M21的栅极被短接至信号地面，从而允许第二输入信号ViP的电压分别施加给晶体管M25和M21的栅极。在某些实现中，电阻器RO和R2中的一个或两个可以具有例如大约660ΚΩ的电阻。
[0059]来自晶体管M25的输出电流增益大约为vip*gm25，并且来自晶体管M21的输出电流增益大约为vip*gm21，其中gm25和gm21分别是晶体管M25和M21的跨导。因此，放大器的左半部分的总输出电流增益大约为vip*(gm8+gm21+gm25)。结果,与图1中的放大器100相比，放大器200的左半部分的输入端参考噪声减少到gm8/(gm8+gm21+gm25)。
[0060]在这方面，晶体管M8，M21和M25有助于放大器200的左半部分的总电流增益，并且因此可以被视为电流增益晶体管。
[0061]如上所讨论的，放大器200的第一增益级215具有由于共源共栅晶体管M15和M17导致的高输出阻抗。类似地，放大器200的第二增益级220具有由于共源共栅晶体管M23和M20导致的高输出阻抗。例如，每个增益级可以具有大约500 Ω的输出阻抗。结果，放大器200可能不能良好驱动低电阻负载(例如，具有大约100Ω的电阻的负载)。这是因为当与电阻明显小于放大器200的输出阻抗的负载耦合时，可以明显降低放大器200的高增益。为了驱动低电阻负载，根据本技术的一方面，可以对放大器进行修改，如图3所示。
[0062]在这方面，放大器300的右半部分进一步包括与第一增益级215的输出端225耦合的第一输出驱动器级315。第一输出驱动器级315包括晶体管M18和M19。晶体管M19以源极跟随器(即，共漏极)配置连接，其中晶体管M19的栅极与第一增益级215的输出端225率禹合，并且源极与输出VOUtp的放大器300的第一输出端305 f禹合。晶体管M19在放大器300的第一输出端305提供低输出阻抗(例如，大约10 Ω )，从而允许放大器300的右半部分驱动低电阻负载(例如，具有大约100Ω的电阻的负载)。晶体管M19还向第一增益级215提供高输入阻抗，并因此保持第一增益级215提供的高电压增益。晶体管M18为晶体管M19建立偏置电流，其中晶体管M18的栅极偏置DC电压vbiasn3。
[0063]类似地，放大器300的左半部分进一步包括与第二增益级220的输出端230耦合的第二输出驱动器级320。输出驱动器级320包括晶体管M24和M22。晶体管M24以源极跟随器(即，共漏极)配置连接，其中晶体管M24的栅极与第二增益级220的输出端230耦合，并且源极与输出voutn的放大器300的第二输出端310耦合。晶体管M24在放大器300的第二输出端310提供低输出阻抗(例如，大约10 Ω )，从而允许放大器300的左半部分驱动低电阻负载(例如，具有大约100Ω的电阻的负载)。晶体管M24还向第二增益级220提供高输入阻抗，并因此保持第二增益级220提供的高电压增益。晶体管M22为晶体管M24建立偏置电流，其中晶体管M22的栅极偏置DC电压Vbiasn3。
[0064]图4示出了能够实现高线性度的示例性放大器400。放大器400可以包括图3中所示的折叠式共源共栅放大器300，与放大器300的每个输入端耦合的输入电阻器Re以及耦合在放大器300的每个输出端和对应输入端之间的反馈电阻器Rf。因为放大器300具有高增益(例如，至少一个大于&/&)的数量级)，所以放大器400具有大约RF/Re的线性增益。因此，放大器400可以在不使用感应器的情况下实现高线性度，从而允许放大器400集成在较小的芯片面积(例如，大约为具有感应器的放大器的芯片面积的二分之一)内。
[0065]在一个方面，每个输入电阻器Re可以具有低电阻。例如，放大器400可以从低阻抗源极(例如，同轴电缆)接收输入信号，并且每个输入电阻器Re可以具有低电阻(例如，在50 Ω至100Ω的范围内)以便提供与低阻抗源极的阻抗匹配。结果，每个反馈电阻器Rf也可以具有相对较低的电阻。例如，对于6dB的增益而言,每个输入电阻器Rg可以具有50 Ω的电阻并且每个反馈电阻器&可以具有100Ω的电阻。在该实例中，放大器400具有100Ω的差分输入电阻Zin。
[0066]因为放大器300的输出驱动器级315和320具有低输出阻抗(例如，大约10 Ω )，所以这些输出驱动器级315和320具有高驱动能力(即，能够驱动低电阻负载)。这使得放大器300能够良好驱动低电阻反馈电阻器Rf。应理解的是，放大器300不限于在图4中所示的放大器400中使用，并且可以在其他放大器设计(包括使用低电阻反馈电阻器的其他放大器设计)中使用。
[0067]放大器400例如可以在机顶盒的前端接收器或电缆调制解调器中用来放大来自电缆的宽带信号。在某些实现中，宽带信号可以具有50MHz至IGHz的频率范围。在其他实现中，可以使用其他频率范围。宽带信号可以源自电缆服务提供商或与电缆的另一端耦合的天线。如上所讨论的，放大器400的每个输入电阻器Re可以具有低电阻(例如，50Ω)以便提供与低阻抗电缆的阻抗匹配。阻抗匹配最小化电缆与放大器400之间的信号损失。由此产生的放大信号可以输出至其他电路(例如，调谐器、解调器等)，便于进行进一步信号处理。应理解的是，放大器400不限于上述实例应用，并且可以在要求信号放大的其他应用中使用。
[0068]放大器400可以进一步包括与每个反馈电阻器Rf耦合的电容器CF，以及与每个输入电阻器Re耦合的电容器Cib和电阻器Rib以便在不使用感应器的情况下对放大器400的带宽进行控制，如图4所示。在这方面，每个电容器Cf可以与各个反馈电阻器Rf并联耦合以便形成具有大约为以下的截止频率的低通滤波器:
[0069]fc=l/(2 π RfCf)(4)
[0070]低通滤波器的目的在于在放大的信号的频率范围内提供相对恒定的增益，同时降低较高频率信号的增益。例如，放大的信号可以是来自频率范围为50MHz至IGHz的电缆的宽带信号。在该实例中，低通滤波器可以具有大约IOGHz的截止频率。使截止频率高于宽带信号的最大频率。这是因为低通滤波器在达到截止频率之前开始降低增益。将低通滤波器的截止频率置于远离宽带信号的最大频率帮助确保增益在宽带信号的频率范围内基本上保持持平。在该实例中，每个反馈电阻器&可以具有100Ω的电阻并且每个电容器(^可以具有150fF的电容。
[0071]每个电容器Cib和各个电阻器Rib形成与各个输入电阻器Re并联耦合的高通滤波器。结果，放大器400的每个输入端的输入电阻可以大约为低于截止频率的Re并且大约为等于或高于截止频率(例如，IGHz)的Re| I Rib，其中截止频率大约为:
[0072]fc=l/(2Π (Rib+RG)Cib)(5)
[0073]因此，将输入电阻降至等于或高于截止频率的Re| Ribo降低的输入电阻可以用于以截止频率周围的频率补偿放大器400中的增益损失。增益损失可能是由于放大器300中的增益损失、来自低通滤波器的增益损失和/或其他增益损失导致的。
[0074]例如，截止频率(例如，IGHz )周围的增益损失可以通过损耗因子GF量化，其中截止频率和GF周围的GF〈1大约是以截止频率以下的频率的一个。因此，截止频率周围的增益可以大约为RF/Re| |Rib*GF，并且较低频率的增益可以大约为RF/Re。在该实例中，Rib的电阻可以经选择使得RF/Re| |Rib*GF大约等于％/1^，以便增益在放大的宽带信号的频率范围内大约持平。在该实例中，在没有高通滤波器的情况下，增益降至截止频率(例如，IGHz)周围的大约RF/Re*GF。在该实例中，每个电阻器Rib可以具有400 Ω的电阻并且每个电容器Cib可以具有400fF的电容。高通滤波器是任选的并且可以被省略，例如，当放大的信号的频率范围内没有明显的增益损失时。
[0075]如上所讨论的，增益增强减少了放大器的输入端参考噪声，由此改善放大器的噪声系数。为了说明这一点，图5示出了具有输入和反馈电阻器的放大器400的噪声模型。在图5中，eF和ee分别表不来自电阻器Rf和Rg的噪声，Vn input refer是放大器的右半部分的输入端参考噪声，Rs是表示源端口的电阻的电阻器，并且eF表示来自电阻器Rs的噪声。 [0076] 使用图5中的噪声模型，放大器400的噪声系数（NF)可以由下式给出：
【权利要求】
1.一种放大器，包括:第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；第二电流增益晶体管，具有经由第一增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；第三电流增益晶体管，具有经由第二增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及第二共源共栅晶体管，具有与所述第三电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第二 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述第一增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的第一电容器，并且所述第二增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第三电流增益晶体管的栅极之间的第二电容器。
3.根据权利要求2所述的放大器，进一步包括:第一电阻器，耦接在所述第二电流增益晶体管的栅极与第三DC偏置电压之间；以及第二电阻器，耦接在所述第三电流增益晶体管的栅极与第四DC偏置电压之间。
4.根据权利要求1所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
5.根据权利要求4所述的放大器，进一步包括:反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
6.一种放大器，包括:第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；以及共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极和所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极。
7.根据权利要求6所述的放大器，进一步包括源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有与所述放大器的所述增益输出端耦接的栅极以及与所述放大器的驱动器输出端耦接的源极。
8.根据权利要求7所述的放大器，进一步包括:反馈电阻器，耦接在所述放大器的所述驱动器输出端与所述放大器的所述输入端之间；以及输入电阻器，耦接至所述放大器的所述输入端。
9.一种放大器，包括:第一电流增益晶体管，具有与所述放大器的输入端耦接的栅极；第二电流增益晶体管，具有经由增益通路与所述放大器的所述输入端耦接的栅极；第一共源共栅晶体管，具有与所述第一电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第一 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的增益输出端耦接的漏极；以及第二共源共栅晶体管，具有与所述第二电流增益晶体管的漏极耦接的源极、与第二 DC偏置电压耦接的栅极以及与所述放大器的所述增益输出端耦接的漏极。
10.根据权利要求9所述的放大器，其中，所述增益通路包括耦接在所述放大器的所述输入端与所述第二电流增益晶体管的栅极之间的电容器。
【文档编号】H03F1/26GK203457107SQ201320555227
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】谢明宏 申请人:美国博通公司
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