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低噪声放大器以及利用低噪声放大器将单端输入信号放大为差动输出信号的方法

阅读：38发布：2021-02-14

IPRDB可以提供低噪声放大器以及利用低噪声放大器将单端输入信号放大为差动输出信号的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供的低噪声放大器于输入端口接收一单端输入信号，于输出端口提供差动输出信号。该放大器中的一对晶体管各自具有一对输入端与一对输出端。该对输入端与该对输出端共享一共同端点。一反馈电路连接于该对晶体管中的一闭路晶体管的该非共同输出端与该非共同输入端间，且并未连接于该对晶体管中的一开路晶体管的任两端点间。该输入端口具有一信号承载输入端与一接地端。该信号承载输入端连接至该对晶体管各自的非共同输入端。该输出端口具有一正端与一负端。该正端连接至该开路晶体管的该共同端点。该负端连接至该闭路晶体管的非共同输出端。，下面是低噪声放大器以及利用低噪声放大器将单端输入信号放大为差动输出信号的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低噪声放大器，包含：

一对晶体管，包含闭路晶体管以及开路晶体管，每一晶体管具有：一对输入端，输入电压信号提供于该对输入端之间；以及一对输出端，与该输入电压信号成比例的电流流经该对输出端；其中，该对输入端与该对输出端共享共同端点，该对输入端与该对输出端各自包含相对应的非共同端点；

反馈电路，电性连接于该闭路晶体管的该非共同输出端与该非共同输入端间；

输入端口，包含用以接收单端输入信号的信号承载输入端与接地端，该信号承载输入端电性连接至该对晶体管各自的该非共同输入端；以及输出端口，包含用以提供差动输出信号的正端与负端，该正端电性连接至该开路晶体管的该共同端点，该负端电性连接至该闭路晶体管的该非共同输出端。

2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该反馈电路包含至少一电阻。

3.如权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，响应于增益控制信号，该电阻的阻值为可调整的。

4.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，该反馈电路不包含被动电路元件。

5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，进一步包含：额外晶体管，具有：

一对输入端；以及

一对输出端，该对输入端与该对输出端共享共同端点，该对输入端与该对输出端各自包含该共同端点与相对应的非共同端点，该额外晶体管的该非共同输入端电性连接至该闭路晶体管的该非共同输入端与该开路晶体管的该非共同输入端，该额外晶体管的该非共同输出端电性连接至该闭路晶体管的该非共同输出端且未直接电性连接至该开路晶体管的任一端点；

至少一电阻，电性连接至该额外晶体管的该共同端点；以及多个切换元件，分别耦接于该闭路晶体管的该对输出端以及该额外晶体管的该对输出端，回应于增益控制信号，使得该多个切换元件被切换为导通状态或非导通状态，以选择性地提供偏压电流至该闭路晶体管和该额外晶体管其中之一。

6.如权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，该增益控制信号包含一组路径控制信号，用以控制该多个切换元件将该闭路放大级或该另一闭路放大级启动；该增益控制信号亦包含一组反馈控制信号，用以控制该反馈电路的电阻值。

7.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，该闭路晶体管的该共同端点为金氧半场效晶体管MOSFET的漏极，该开路晶体管的该共同端点为金氧半场效晶体管的源极。

8.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，该闭路晶体管为n型MOSFET，该开路晶体管为p型MOSFET。

9.一种低噪声放大器，包含：

闭路增益级，包含：

闭路晶体管，具有：

共同端点；

非共同输入端，与该共同端点构成一对输入端，输入电压信号提供于该两输入端之间；

以及

非共同输出端，与该共同端点构成一对输出端，与该输入电压信号成比例的电流流经该对输出端；以及反馈电路，电性连接于该闭路晶体管的该非共同输出端与该非共同输入端间；

开路增益级，包含：

开路晶体管，具有：

共同端点；

非共同输入端，与该共同端点构成一对输入端；以及非共同输出端，与该共同端点构成一对输出端；

输入端口，包含用以接收单端输入信号的输入端与接地端，该输入端口的该输入端电性连接至该闭路晶体管的该非共同输入端与该开路晶体管的该非共同输入端；以及输出端口，包含用以提供差动输出信号的正输出端与负输出端，该输出端口的该正输出端电性连接至该开路晶体管的该共同端点，该输出端口的该负输出端电性连接至该闭路晶体管的该非共同输出端。

10.如权利要求9所述的低噪声放大器，其特征在于，该反馈电路包含至少一电阻。

11.如权利要求10所述的低噪声放大器，其特征在于，响应于增益控制信号，该电阻的阻值为可调整的。

12.如权利要求11所述的低噪声放大器，其特征在于，进一步包含：另一闭路放大级，包含：

额外晶体管，具有：

共同端点，电性连接至该闭路晶体管的该共同端点与该开路晶体管的该共同端点；

非共同输入端；以及

非共同输出端，与该共同端点构成一对输出端，电性连接至该闭路晶体管的该非共同输出端且未直接电性连接至该开路晶体管的任一端点；以及至少一电阻，电性连接至该额外晶体管的该共同端点；以及路径选择电路，包含多个切换元件，分别耦接于该闭路晶体管的该对输出端以及该额外晶体管的该对输出端，该多个切换元件响应于增益控制信号，被切换为导通状态或非导通状态，以选择性地启动该闭路晶体管与该额外晶体管其中之一，以施加闭路增益于该输入信号。

13.如权利要求12所述的低噪声放大器，其特征在于，该增益控制信号包含一组路径控制信号，用以控制该路径选择电路将该闭路放大级或该另一闭路放大级启动；该增益控制信号亦包含一组反馈控制信号，用以控制该反馈电路的电阻值。

14.如权利要求13所述的低噪声放大器，其特征在于，进一步包含：控制器，用以根据该输入电压信号的信号强度产生该增益控制信号。

15.如权利要求9所述的低噪声放大器，其特征在于，该闭路晶体管的该共同端点为金氧半场效晶体管的漏极，该开路晶体管的该共同端点为金氧半场效晶体管的源极。

16.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，该闭路晶体管为n型金氧半场效晶体管，该开路晶体管为p型金氧半场效晶体管。

17.一种利用低噪声放大器将单端输入信号放大为差动输出信号的方法，该方法包含：根据放大规则，选择用以放大该单端输入信号的增益；

根据被选出的该增益，产生增益控制信号，以针对该放大器中至少一闭路放大级建立反馈电阻，该反馈电阻构成该闭路放大级的闭路增益；

施加该闭路增益于提供至该闭路放大级的输入端的输入信号；

施加开路增益于提供至该放大器中开路放大级的输入端的输入信号；以及于该开路放大级的输出端与该闭路放大级的输出端间，提供该差动输出信号。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，产生该增益控制信号包含：产生该增益控制信号，以启动多个闭路放大级其中之一，该多个闭路放大级皆连接至该反馈电路，各闭路放大级使用该反馈电路外的不同电阻，能与该反馈电路组成可变电阻范围，进而定义增益范围，与其他闭路放大级的该增益范围至少部分不重迭。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，施加该闭路增益包含：施加该闭路增益于提供至该主动闭路放大级的输入端的输入信号。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包含：评估该输入信号的信号强度；以及

选择该增益，使得具有被评估出的信号强度的该输入信号被放大为符合该放大规则。

说明书全文

低噪声放大器以及利用低噪声放大器将单端输入信号放大

为差动输出信号的方法

技术领域

[0001] 本发明与射频通讯装置中的低噪声放大器相关。

背景技术

[0002] 在射频接收器中，低噪声放大器往往是整个信号处理程序的第一环。抵达低噪声放大器的输入端的信息承载信号通常是微弱且遭受噪声破坏的。优良的低噪声放大器应提高输入信号的能量，并最小化放大器对放大后信号造成的负面影响，例如因放大器产生的噪声和失真。因此，除了在操作频带中具有线性增益、稳定性和阻抗匹配等性质，良好的低噪声放大器亦应有低噪声系数(noise figure,NF)，及高相互调变(intermodulation)与压缩点。

[0003] 接收链的前端通常会连接一条不平衡的接地信号传输线，导致其与采用差动信号架构的射频接收器间的接口问题。在差动信号架构中，目标信号的振幅是两个会随时间变化的信号间的电压差异；这种做法的好处不少，例如可消除共模噪声。若欲将单端信号系统(例如一不平衡的传输线)连接至采用差动信号架构的接收器，一种常见的方案是在接口上或接口附近设置一不平衡转换器，通称为匹配器(balun)。然而，此方案不仅增加了接收器的尺寸、复杂度及价钱，多数匹配器的带宽亦相当有限。因此，当接收器必须接收分布在较宽带带中的信号时，便可能需要多个匹配器，每一匹配器各自负责目标频谱中的一个区段。举例而言，传统的电视调谐器操作在特高频(very-high frequency,VHF)电视广播频段(在美国为54兆赫至216兆赫)以及超高频(ultra-high frequency,UHF)电视广播频段(470兆赫至806兆赫)。此类电视调谐器中的输入电路通常会针对VHF和UHF频段使用不同的电路，其中各有各的匹配器、低噪声放大器以及降频转换器。

[0004] 综上所述，目前在无线前端领域中，有一个重要的需求是以最小的尺寸和最低的价格实现适用于单端信号转换至差动信号接口的宽带低噪声放大器。

发明内容

[0005] 一低噪声放大器中的一对晶体管各自具有用以接收一输入电压信号的一对输入端。该对晶体管亦各自具有一对输出端；流经该对输出端的一电流与该输入电压信号成比例。该对输入端与该对输出端共享一共同端点。该对输入端与该对输出端各自包含该共同端点与一相对应的非共同端点。

[0006] 一反馈电路电性连接于该对晶体管中的一闭路晶体管的该非共同输出端与该非共同输入端间，且并未电性连接于该对晶体管中的一开路晶体管的任两个端点间。一单端输入信号系提供至该放大器的一输入端口。该输入端口包含一信号承载输入端与一接地端。该信号承载输入端系电性连接至该对晶体管各自的该非共同输入端。该放大器的输出端口包含一正端与一负端，且输出一差动输出信号。该正端系电性连接至该开路晶体管的该共同端点，该负端系电性连接至该闭路晶体管的该非共同输出端。

附图说明

[0007] 图1呈现根据本发明的一实施例中的低噪声放大器的示意图。

[0008] 图2(A)～图2(G)呈现与本发明的实施例相关的数个信号波形。

[0009] 图3呈现本发明的一实施例中的可变-增益低噪声放大器的示意图。

[0010] 图4呈现本发明的一实施例中的放大程序的流程图。

[0011] 图5系用以证明本发明的放大器具有良好的线性度。

[0012] 图6系用以证明本发明的放大器具有良好的宽带阻抗匹配。

附图说明

[0013]

[0014] 100：低噪声放大器 101：信号源

[0015] 103：输入端口 103i：输入端

[0016] 103g：接地端 107：输出端口

[0017] 107p：输出端口正端 107m：输出端口负端

[0018] 110：闭路放大级 112：电流源

[0019] 115：输出端 117：闭路晶体管

[0020] 117s：闭路晶体管源极 117g：闭路晶体管栅极

[0021] 117d：闭路晶体管漏极 120：开路放大级

[0022] 122：电流源 125：输出端

[0023] 127：开路晶体管 127s：开路晶体管源极

[0024] 127g：开路晶体管栅极 127d：开路晶体管漏极

[0025] 130：反馈电路 132：电路节点

[0026] 142：高电压端 144：高电压端

[0027] 146：低电压端 148：低电压端

[0028] 210：信息承载信号 220：噪声信号

[0029] 230：噪声信号 240：信息承载信号

[0030] 250：信息承载信号成分 260：信息承载输出信号

[0031] 270：M0噪声信号 280：M0噪声输出信号

[0032] 300：低噪声放大器 303：输入端口

[0033] 307：输出端口 310：闭路放大级

[0034] 312：晶体管 313：路径控制电路

[0035] 313a：开关 313b：开关

[0036] 313c：开关 315：输出端

[0037] 317：闭路晶体管 318：电流源电路

[0038] 320：开路放大级 322：晶体管

[0039] 325：输出端 327：晶体管

[0040] 328：电流源电路 330：反馈电路

[0041] 332：电阻电路 334：旁通电路

[0042] 340：闭路放大级 342：晶体管

[0043] 345：输出端 347：闭路晶体管

[0044] 348：电流源电路 352：高电压端

[0045] 354：低电压端 370：控制器

[0046] 372：感应导线 374：控制信号输出端

[0047] 375a～375e：控制信号导线 400：放大程序

[0048] 410～435：流程步骤

具体实施方式

[0049] 以下各实施例及其相关图式可充分说明本申请案的发明概念。各图式中相似的元件编号系对应于相似的功能或元件。须说明的是，此处所谓本发明一辞系用以指称该等实施例所呈现的发明概念，但其涵盖范畴并未受限于该等实施例本身。此外，本揭露书中的数学表示式系用以说明与本发明的实施例相关的原理和逻辑，除非有特别指明的情况，否则不对本发明的范畴构成限制。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，有多种技术可实现该等数学式所对应的物理表现形式。

[0050] 本发明提供的技术与射频接收器中用以接收单端输入信号(例如透过一条不平衡的传输线或单一导线)、产生差动输出信号(例如透过一平衡的传输线或差动导线对)的低噪声放大器相关。以下说明主要以电视接收器前端为例，但本发明的范畴不以此为限。根据此揭露书的内容，本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，其他放大器亦可能实现本发明的概念；本发明的范畴涵盖该等变型态样。

[0051] 图1呈现根据本发明的一实施例中的低噪声放大器100的示意图。举例而言，低噪声放大器100可被整合进电视接收器中，例如电视本身或其相关装置(例如机顶盒)，用以放大特高频(VHF)和超高频(UHF)电视频段中的信号。在这个情况下，低噪声放大器100可被设计为用以放大频率范围大约在50兆赫至900兆赫间的信号。低噪声放大器100于输入端口103接收单端输入信号vIN(t)，并于输出端口107产生差动输出信号vOUT(t)。因此，低噪声放大器100兼有放大器和匹配器的功能。须说明的是，若低噪声放大器100为多级放大器，其中可不使用级间(inter-stage)电容，以降低放大器的尺寸和成本。电子领域中具有通常知识者皆知，VHF/UHF电视调谐器等中高频应用中的旁路(bypass)电容或耦合电容体积相当庞大。

[0052] 输入端口103包含做为一信号承载导线的输入端103i以及连接至一适当接地导线的接地端103g。于一实施例中，输入端口103为一同轴电缆插口，其中的输入端103i被连接至中央导线，而输入端103g被连接至同轴电缆的外围导线。在这个情况下，低噪声放大器100的输入阻抗ZIN可被设定为匹配传输线(例如前述同轴电缆)的阻抗ZS。

[0053] 差动输出信号vOUT(t)系透过输出端口107送出。输出端口107可被电性连结至一对各自承载相对应差动信号的差动导线。在某些实施例中，该对差动导线构成一平衡的传输线，亦即两导线相对于接地端及/或其他电路具有相同的特征阻抗，但本发明的范畴并不以此为限。输出端口107可包含提供差动信号成分vOUTP(t)的一正端107p与提供差动信号成分vOUTM(t)的一负端107m。在输出端口107会随时间变化的差动输出信号vOUT(t)为正端107p和负端107m间的电压差，亦即vOUT(t)＝vOUTP(t)-vOUTM(t)。

[0054] 低噪声放大器100包含一对晶体管M0、M1(或称晶体管117、127)。晶体管117、127各自具有一对输入端，用以接收输入电压信号。晶体管117的输入端为端点117g和端点
117s，输入电压即为其栅极-源极电压Vgs。晶体管127的输入端为端点127s和端点127g，输入电压即为其源极-栅极电压Vsg。晶体管117、127也各自具有一对输出端，其间流过的电流与输入电压信号成比例。晶体管117的输出端为端点117d和端点117s，流经其间的为其漏极电流Ids。晶体管127的输出端为端点127s和端点127d，流经其间的为其漏极电流Isd。在低噪声放大器100中，晶体管117、127各自的输入端和输出端具有一共同端点。易言之，一晶体管的输入端和输出端包含一个共同端点，并且各自另有一相对应的非共同端点。
晶体管117中的共同端点为源极117s，非共同输入端端点为栅极117g，非共同输出端端点为漏极117d。晶体管127中的共同端点为漏极127d，非共同输入端端点为栅极127g，非共同输出端端点为源极127s。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，晶体管117具有一并联回馈共源极(shunt-feedback共同source,SF-CS)组态，而晶体管127具有一共漏极(共同drain)或称源极随耦(source-follower)组态。须说明的是，本发明的范畴并未限定于该等组态。为避免混淆，晶体管117被称为闭路晶体管117，而晶体管127被称为开路晶体管127。

[0055] 在图1呈现的范例中，晶体管117、127为金氧半场效晶体管(MOSFET)，但本发明的范畴不以此为限。透过此揭露书，本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解其他类型的晶体管亦能实现本发明。

[0056] 低噪声放大器100包含一反馈电路130，电性连接于闭路晶体管117的漏极117d和栅极117g之间。晶体管117、127的栅极117g、127g间为短路；反馈电路130与开路晶体管127间并未有其他连结，亦即反馈电路130并未连接于开路晶体管127的任两端点间。

[0057] 晶体管117、127各自被包含于一放大级中。如图1所示，闭路晶体管117为放大级110(以下称闭路放大级110)中的元件，开路晶体管127为放大级120(以下称开路放大级
120)中的元件。放大级110、120各自被连接于一组供应电压端间；闭路放大级110系连接于高/低电压端点142、146间，开路放大级120系连接于高/低电压端点144、148间。如图1所示，高电压端142、144的电压不必相等，低电压端146、148亦然。此外，高电压端142和低电压端146间的电压差异不需要等于高电压端144和低电压端148间的电压差异。电压端点142、144、146、148的电压可根据其实际应用被适当地选择。放大级110、120亦包含用以产生偏压电流IB1、IB2的适当电路(在图1中被标示为电流源112、122)。本发明的范畴并未限定于特定的偏压技术，本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解各种偏压机制对于小信号增益、输入和输出阻抗等特性的影响，其细节不再赘述。

[0058] 放大级110、120具有各自的输出端115、125。输出端115电性连接至闭路晶体管117的漏极117d，而输出端125电性连接至开路晶体管127的源极127s。放大级110、120同时接收输入信号vIN(t)、各自提供增益给输入信号vIN(t)，并同时分别于输出端115、125提供输出信号vOUTM(t)、vOUTP(t)。

[0059] 放大级110的闭路增益被标示为符号G0，放大级120的开路增益被标示为符号G1。因此，vOUTP(t)＝G1vIN(t)，vOUTM(t)＝G0vIN(t)，vOUT(t)＝[G1–G0]·vIN(t)。具有SF-CS组态的放大级110的闭路增益G0可被近似为：

[0060]

[0061] 而具有源极随耦(source follower)组态的放大级120的开路增益G1可被近似为：

[0062]

[0063] 其中RF代表反馈电阻，gm0和g m1分别为晶体管 117、127的互导(transconductance)，rO0和rO1分别为晶体管117、127对应于通道长度调变的输出电阻。
RD0为漏极117d所见的负载阻抗，其中包含该放大器的目标负载阻抗以及电流源112构成的阻抗。RS1为源极127s所见的负载阻抗，其中包含该放大器的目标负载阻抗以及电流源122构成的阻抗。运算符号“||”代表将多个电阻并联后计算其电阻值。藉由适当选择RF和RD0便能决定增益G0，进而决定晶体管117的偏压点；晶体管117的物理结构和偏压点决定了rO0和gm0。藉由选择RS1和晶体管127的偏压点可决定增益G1；晶体管127的偏压点会影响rO1和gm1。须说明的是，闭路放大级110的闭路增益G0为负值，而放大级120的开路增益G1为正值且接近1。因此，在输出信号vOUT(t)中，差异[G1–G0]·vIN(t)将使得目标信号成分vOUTM(t)、vOUTP(t)被相加性地互相结合，而内部产生的噪声被相消性地相互结合。此外，藉由将反馈电阻RF设计为可变电阻，增益G0可被提高或降低(例如透过一控制器指令)，以将差异[G1–G0](亦即低噪声放大器100的整体增益)调高或调低。

[0064] 低噪声放大器100于输入端口103的输入阻抗为闭路放大级110的输入阻抗并联开路放大级120的输入阻抗。然而，开路放大级120的输入阻抗非常大(即为开路晶体管127的栅极阻抗)。因此，低噪声放大器100的输入阻抗几乎由放大级110主导(在晶体管
127的各种寄生效应被纳入考虑后)。具有SF-CS组态的闭路放大级110的输入阻抗可被近似为：

[0065]

[0066] 藉由选择RF和晶体管117的偏压点，输入阻抗ZIN可被设定为匹配于阻抗ZS。

[0067] 输出端口107系电性连接至放大级110的输出端115和放大级120的输出端125；输出端口107的正端117p系电性连接至开路放大级120的输出端125，输出端口117的负端117m系电性连接至闭路放大级110的输出端115。如上所述，差动输出信号vOUT(t)系出现在输出端口117的正端117p和负端117m之间。

[0068] 低噪声放大器100中的晶体管117、127系由互补式工艺制作而成；闭路晶体管117为一n型MOSFET，开路晶体管127为一p型MOSFET，本发明的范畴不以此为限。于一实施例中，闭路晶体管117为一p型MOSFET，开路晶体管127为一n型MOSFET。放大器设计领域中具有通常知识者可理解，此外亦有其他不背离本发明精神的电路组态。

[0069] 图2(A)～图2(E)(统称图二)系用以呈现与本发明的实施例相关的数个信号波形。图2(A)呈现由广播电视信号简化而成的一信息承载信号210，做为一输入信号范例vIN(t)。须说明的是，“信息承载信号”一辞仅做为说明范例，本发明的范畴并未限定于需承载信息的信号。信息承载信号210，亦可用符号vIS(t)表示，可接收自图1中的下游(downstream)信号源101。信号源101提供一信号v0(t)＝V0(t)sin(2πfCt)，其中fC代表一广播电视频道的载波频率，V0(t)为一振幅调变函数，信息系编码于该载波中。须说明的是，本发明的范畴不以振幅调变为限。抵达输入端口103的信息承载信号为vIS(t)＝VI(t)sin(2πfCt)，传送过程中的相位偏移被忽略不计。VI(t)系由电源阻抗ZS(在图1中标示为电阻RS)的实部与输入阻抗ZIN(亦称为输入电阻RIN)的实部将V0(t)分压后产生。

[0070] 闭路晶体管117产生的M0噪声包含闪变噪声(亦称为1/f噪声)，热致(thermally-induced)通道噪声，来自电阻性基板的热致噪声，以及来自源极/漏极的p-n接面的散射噪声(shot noise)。这些噪声都会造成流经闭路晶体管117的漏极电流的波动；该电流的行进路径为自漏极117d通过反馈电路130、电源电阻RS后，进入信号源101的接地端。反馈电阻RF和电源电阻RS构成该漏极电流路径上的一分压器，因此，输出端115会出现噪声电压vND0(t)，于图2(C)中被标示为噪声信号230，而电路节点132会出现噪声信号vNG0(t)＝ADIV·vND0(t)，其中ADIV为与分压器RS、RF相关的比例因子；ADIV＝RS/(RF+RS)。
M0噪声信号vNG0(t)于图2(B)中被标示为噪声信号220。低噪声放大器100的输入端口
103的电压为信息承载信号210和噪声信号220的总和，亦即vIN(t)＝vIS(t)+vNG0(t)＝vIS(t)+ADIV-·vND0(t)。

[0071] 图2(D)呈现信号vOUTP(t)的一信息承载信号240，亦称为vO1(t)。图2(E)呈现信号vOUTM(t)的一信息承载信号成分250，亦称为vO0(t)。vOUT(t)的信息承载成分，或表示为符号vOS(t)，在图2(F)中与信号vO1(t)、vO0(t)并陈，被标示为信息承载输出信号260。由图2(F)可看出，在差异vOS(t)＝vO1(t)-vO0(t)中，信号vO1(t)和vO0(t)为相加性地结合。

[0072] 图2(G)呈现重迭于信号vOUTP(t)、vOUTM(t)的M0噪声成分上的M0噪声输出信号280，亦称为信号vON(t)。信号vOUTM(t)的M0噪声成分为闭路放大级110的输出端115的M0噪声电压，亦即vND0(t)。信号vOUTP(t)的M0噪声成分，在图2(G)中被标示为M0噪声信号
270，始于与电路节点132链接的开路晶体管127的栅极的M0噪声vNG0(t)。噪声信号vNG0(t)影响了晶体管127中的源极电流，因而于输出端125产生M0噪声信号vNS1(t)＝G1vNG0(t)。
于输出端口107，M0噪声电压vON(t)＝vNS1(t)-vND0(t)＝(ADIV·G1-1)·vND0(t)。须说明的是，M0噪声信号不会受到放大级110的闭路增益G0的影响，因此不会反相翻转。在差异vOUTP(t)–vOUTM(t)中，噪声成分vNS1(t)和vND0(t)为相消性地结合，相较于未采用本发明概念的单端输入-单端输出SF-CS放大器，采用本发明概念的低噪声放大器的M0噪声被大幅消除。

[0073] 图3呈现本发明的一实施例中的可变-增益低噪声放大器300的示意图。低噪声放大器300包含用以接收单端输入信号vIN(t)的输入端口303，以及提供差动输出信号vOUT(t)的输出端口307。输入端口303和输出端口307可被实现为类似于图1中的输入端口103和输出端口107。低噪声放大器300包含闭路放大级310、340与开路放大级320。闭路放大级310、340的运作可相似于图1中的闭路放大级110，而开路放大级320的运作可相似于图1中的开路放大级120，其间差异容后详述。

[0074] 放大级310、320、340都连接至同一个高电压端352与同一个低电压端354。放大级310、320、340中的偏压电流系分别由电流源电路318、328、348提供(包含晶体管312、322、342和电阻R1、R2、R3)。晶体管312、322、344的栅极都被连接至控制器370的控制信号输出端374，接收一偏压电流控制信号VB。晶体管312、322、342的栅极电压被维持为一共同电压VB，晶体管312、322、342的源极电压则是与电阻R1、R2和R3相关。电阻R1-R3可被适当选择，藉此决定晶体管312、322、342各自的源极-栅极电压VSG，进而决定电流源电路318、
328和348各自的电流量。

[0075] 低噪声放大器300包含一反馈电路330，其中采用了可变电阻RF，使闭路增益G0如先前所述为可调整的。反馈电路330包含电阻电路332(包含串联的电阻RF0-RF2)以及一可选择性开启/关闭的旁通电路334(包含串联的开关SW1-SW2)。如图3所示，电阻电路332和旁通电路334系电性连接于介于串联的开关SW1-SW2和串联的电阻RF0-RF2间的电路节点。响应于由控制器370产生且透过控制信号导线375a-375b传递的反馈控制信号FB1、FB2，开关SW1-SW2可被设定为导通或不导通。须说明的是，虽然反馈电路330包含三个电阻和两个开关，但本发明的范畴不以此为限。该可变电阻结构包含的开关和电阻数量可依实际需求有所调整。此外，本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，在不背离本发明精神的情况下，有其他可实现反馈电路330中的可变电阻的机制。

[0076] 闭路放大级310、340都连接至反馈电路330。低噪声放大器300包含一路径控制电路313，用以选择闭路放大级310、340其中之一来提供闭路增益G0给vIN(t)，并提供差动信号成分vOUTM(t)至输出端口307。路径控制电路313包含闭路放大级310中的开关313a、313b，以及闭路放大级340中的开关313c。响应于由控制器370产生且透过控制信号导线
375c-375e传递的路径控制信号PC1-PC3，开关313a-313c可被设定为导通或不导通。在某些实施例中，路径控制电路313被控制器370设定为：在任何时刻，闭路放大级310、340两者仅有一个被启动，以提供vOUTM(t)至输出端口307。举例而言，若欲启动闭路放大级310，控制器370可产生合适的路径控制信号PC1-PC3，将开关313a、313b设定为导通，将开关313c设定为不导通。在这个情况下，电流源348不会提供电流至闭路晶体管347。由于闭路晶体管317系透过反馈电路330自行偏压(self-biased)，且因电阻R4的存在，晶体管347亦不会自电流源318取得足够的启动电流。若欲启动闭路放大级340，控制器370可产生合适的路径控制信号PC1-PC3，将开关313a、313b设定为不导通，将开关313c设定为导通。不导通的开关313b可避免晶体管317透过输出端315、345间的连结自电流源348接收漏极电流，因而能保持晶体管317不被启动。

[0077] 在仅包含单一闭路放大级310的实施例中，路径控制电路313可被省略。在这个情况下，低噪声放大器300的结构和功能皆相似于低噪声放大器，而其可变增益系由可变电阻RF达成。

[0078] 藉由电阻R4，闭路放大级340实现了晶体管347的电阻性源极退化(source degeneration)。电子放大器领域中具有通常知识者可理解，此类源极退化会降低闭路放大级340的增益(相较于无源极退化的放大级，例如闭路放大级310)。因此，在低噪声放大器300中，藉由改变电阻RF，当闭路放大级310被启动，其闭路增益系落在某一范围内，而当闭路放大级340被启动，其闭路增益系落在另一范围内。

[0079] 在某些实施例中，偏压电路318、348可被结合为单一偏压电路，受单一开关的控制(取代开关SW3、SW4)。在这个情况下，如先前所述，路径控制电路313b可被用以选择启动放大级310或放大级340。此外，当放大级310、340的所有偏压电流都被移除，例如使开关SW3和SW4(或结合这两个开关功能的单一开关)皆为开路，且令RF的电阻值够高，信号vOUTM(t)便可大致等于零伏特，且差动输出电压vOUT(t)＝vOUTP(t)-vOUTM(t)＝vIN(t)-0＝vIN(t)。

[0080] 控制器370可透过合适电路来实现，以完成低噪声放大器300中的增益控制功能。控制器370可为模拟电路、数字电路，或是模拟电路和数字电路的组合，亦可为将模拟信号转介至数字电路的中间电路，反之亦然。控制器370可包含固定式及/或可编程的逻辑电路，例如但不限于可编程逻辑门阵列、针对特定应用的集成电路、微控制器、微处理器、数字信号处理器。此外，控制器370可被设计为透过执行一存储器(未绘示)中所储存的处理器指令，来完成多种任务。实务上，控制器370可为一更大控制电路的一部份；该更大控制电路可用于控制低噪声放大器300所隶属的接收器。

[0081] 图4呈现一放大程序范例400，以进一步说明低噪声放大器300的运作方式。步骤410为评估输入信号vIN(t)的信号强度。举例而言，图3中的低噪声放大器300包含一感应导线372，用以监测vIN(t)，其监测结果信号VSENSE被提供至控制器370中的电压侦测电路，例如峰值侦测器、波封侦测器。须说明的是，虽然图3中的VSENSE系自输入端口303取得，但仅为一范例情况。若为避免感应电路造成输入负载，亦可自其他电路节点取得VSENSE，例如开路放大级320的输出端325 of，或是闭路放大级310、340的输出端315、345，或是低噪声放大器300所属系统中的其他电路节点。本发明所属技术领域中具有通常知识者可理解，在不背离本发明精神的情况下，另有多种监测输入电压高低的机制。

[0082] 随后，步骤415为在符合某个放大规则的情况下(例如在无失真的情况下最大化信号振幅)，选择用以放大vIN(t)的一增益设定。在步骤420中，控制器370产生一增益控制信号，以实现被选择的该增益。此处所谓增益控制信号可包含透过控制信号导线375a-375e传递的路径控制信号PC1-PC3和反馈控制信号FB1-FB2。该增益控制信号会启动闭路放大级310、340两者之一，并透过开关SW1-SW2建立反馈电阻RF。步骤425为将选出的闭路增益G0施加于提供至闭路放大级310或340的输入端的信号vIN(t)。步骤430为施加开路增益G1于提供至开路放大级320的输入端的信号vIN(t)。在步骤435中，差动输出信号vOUT(t)系提供于开路放大级320的输出端与启动的闭路放大级310或340的输出端(于图3中为一共同连接的电路节点)之间。须说明的是，放大程序400可被连续地重复执行，以针对信号强度会随时间改变的输入信号vIN(t)动态调整该增益。

[0083] 由图5可看出，相较于同等级的单端输入单端输出(SISO)SF-CS放大级或SISO源极随耦(source follower)组态放大级，根据本发明建立的一单端输入差动输出(SIDO)低噪声放大器的表现更为线性。曲线组510代表SISO放大级与根据本发明的一SIDO低噪声放大器实施例的基本响应。曲线组520代表与相同放大级的三阶响应相关的输出。须说明的是，SIDO低噪声放大器的三阶截止点(third-order intercept point,IP3)大约为2dB高于仅有SISO SF-CS放大器的三阶截止点。

[0084] 图6呈现根据本发明的一SIDO低噪声放大器的输入反射损耗，该放大器连接ZIN＝75Ω。图6的量测频段涵盖VHF和UHF电视频段。如图6所示，在整个目标频率范围内，阻抗匹配的程度都是可接受的。

[0085] 本发明的实施例的概念所呈现的功能性元件可被编码并储存为计算机可读取媒体中的处理器指令，以进行制造、运输、营销及/或贩卖。无论该等处理器指令被执行的处理平台为何，亦无论该等处理器指令的编码方式为何，本发明的概念皆可被实现。须说明的是，只要储存于其中的指令可被一处理器依序撷取、解码、执行，上述计算机可读取媒体可为任一种非瞬时媒体。非瞬时计算机可读取媒体包含但不限于：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和其他电子储存装置、CD-ROM、DVD和其他光学储存装置、磁带、软盘、硬盘及其他磁性储存装置。该等处理器指令可利用各种程序语言实现本发明。

[0086] 藉由以上较佳具体实施例的详述，系希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

标题	发布/更新时间	阅读量
用于输出信号的内窥镜-专利编号CN103892788B	2020-05-11	1015
输出信号生成装置-专利编号CN101346875B	2020-05-11	883
输出信号驱动电路及驱动输出信号的方法-专利编号CN101211654A	2020-05-13	804
TDI CCD输出信号处理器-专利编号CN102740010A	2020-05-12	1002
输出信号调节系统-专利编号CN101964649B	2020-05-13	472
编码器的输出信号监视系统和编码器的输出信号监视方法-专利编号CN103364022B	2020-05-13	267
用于输出信号的内窥镜-专利编号CN103892788A	2020-05-12	992
输出信号调节系统-专利编号CN101964649A	2020-05-11	543
输出信号生成装置-专利编号CN101346875A	2020-05-11	875
输出信号生成电路-专利编号CN107765759A	2020-05-12	332

低噪声放大器以及利用低噪声放大器将单端输入信号放大为差动输出信号的方法

低噪声放大器以及利用低噪声放大器将单端输入信号放大

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