УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H03F1/34 

Область техники

Настоящее изобретение относится к схеме усилителя.

Уровень техники

Схемы радиоприемника используются во многих разных приложениях, таких как сотовая связь. Сигналы, принятые схемой радиоприемника, могут быть относительно слабыми и должны быть усилены. Таким образом, в схему радиоприемника, как правило, включен усилитель. Такой усилитель не должен добавлять слишком много шума к принятому сигналу. Таким образом, с этой целью часто используется так называемый малошумящий усилитель (МШУ; LNA).

В некоторых существующих системах радиосвязи, таких как системы сотовой связи четвертого поколения (4G) и пятого поколения (5G), используемая ширина полосы сигнала часто является относительно большой, например, составляет десятки или сотни МГц. Кроме того, должно быть возможно настраивать центральную частоту приемника по относительно большому диапазону частот. Одна сложная задача в конструкции усилителей приемника, таких как МШУ, состоит в том, чтобы достигнуть согласования входного импеданса при достаточной ширине полосы частот. Такое относительно широкополосное согласование входного импеданса должно быть предпочтительно получено одновременно с достижением достаточно высокой производительности с точки зрения других параметров МШУ, таких как усиление и частотная избирательность.

Сущность изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к усилителю, такому как МШУ, для схемы приемника, имеющему настраиваемый колебательный контур, такой как LC-цепь, соединенный с выходным узлом усилителя. Такой колебательный контур может обеспечить желаемую степень частотной избирательности. Варианты осуществления усилителя также содержат контур обратной связи между выходным узлом и входным узлом. Такой контур обратной связи может способствовать в обеспечении согласования входного импеданса. Автор изобретения обнаружил, что фаза выходного напряжения, сформированного в колебательном контуре, относительно резко меняет резонансную частоту колебательного контура. Относительно резко измененная фаза оказывает влияние на обратную связь и затрудняет достижение соответствия требованиям согласования входного импеданса. Например, максимальное усиление усилителя и наилучшее согласование входного импеданса могут возникнуть на разных частотах, что является нежелательным. Следовательно, необходим некоторый тип настройки. Автор изобретения обнаружил, что относительно эффективная настройка может быть получена посредством соединения цепи схемы обратной связи контура обратной связи между выходным узлом и входным узлом и посредством соединения настраиваемого конденсатора между внутренним узлом цепи схемы обратной связи и узлом опорного напряжения, таким как земля или сигнальная земля. Преимущество этого подхода состоит в том, что возможность настройки может быть получена с помощью компонентов, таких как настраиваемый конденсатор, с относительно низким значением Q (добротности). Такие компоненты обычно более простые и более дешевые при изготовлении, чем компоненты с более высоким значением Q.

В соответствии с первый аспектом обеспечен усилитель для схемы приемника. Усилитель имеет входной узел и выходной узел. Усилитель содержит настраиваемый колебательный контур, соединенный с выходным узлом. Кроме того, усилитель содержит цепь схемы обратной связи, соединенную между выходным узлом и входным узлом. Кроме того, усилитель содержит настраиваемый конденсатор, соединенный между внутренним узлом цепи схемы обратной связи и узлом опорного напряжения.

В некоторых вариантах осуществления цепь схемы обратной связи является пассивной схемой.

Цепь схемы обратной связи может содержать последовательное соединение по меньшей мере одного резистора и по меньшей мере одного конденсатора.

В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один резистор является настраиваемым. Это обеспечивает еще большую степень точности настройки входного импеданса.

В некоторых вариантах осуществления упомянутый по меньшей мере один конденсатор содержит первый конденсатор, и упомянутый по меньшей мере один резистор содержит первый резистор, соединенный между выходным узлом и первым конденсатором, и второй резистор, соединенный между первым конденсатором и входным узлом. Упомянутый внутренний узел может представлять собой узел между первым конденсатором и вторым резистором.

Усилитель может содержать первый транзистор в конфигурации с общим истоком. Кроме того, усилитель может содержать второй транзистор, соединенный в каскодной конфигурации между первым транзистором и выходным узлом.

В соответствии со вторым аспектом обеспечен дифференциальный усилитель для схемы приемника, содержащий первый и второй усилитель в соответствии с любым предыдущим пунктом. Первый и второй усилители могут совместно использовать некоторые компоненты, такие как колебательный контур.

В соответствии с третьим аспектом обеспечена схема приемника, содержащая усилитель в соответствии с первым аспектом или дифференциальный усилитель в соответствии со вторым аспектом.

В соответствии с четвертым аспектом обеспечено устройство связи, содержащее схему приемника в соответствии с третьим аспектом.

Устройство связи может представлять собой устройство беспроводной связи для сети сотовой связи. Устройство связи может представлять собой базовую радиостанцию для сети сотовой связи.

Дополнительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует подчеркнуть, что термин "содержит/содержащий", используемый в этом описании, употребляется для определения наличия изложенных признаков, целых чисел, этапов или компонентов, но не исключает наличие или добавление одного или более других признаков, целых чисел, этапов, компонентов или их групп.

Краткое описание чертежей

Дополнительные задачи, признаки и преимущества вариантов осуществления изобретения станут видны из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 иллюстрирует среду передачи.

Фиг. 2 иллюстрирует схему приемопередатчика.

Фиг. 3-7 показывают принципиальные схемы усилителя.

Фиг. 8 иллюстрирует реализацию настраиваемого резистора.

Фиг. 9 иллюстрирует реализацию настраиваемого конденсатора.

Фиг. 10 показывает результаты моделирования.

Подробное описание

Фиг. 1 иллюстрирует среду, в которой могут использоваться варианты осуществления настоящего изобретения. На фиг. 1 устройство 1 беспроводной связи осуществляет беспроводную связь с базовой станцией 2 системы сотовой связи. На фиг. 1 устройство 1 беспроводной связи проиллюстрировано как мобильный телефон. Однако это лишь один пример. Устройство беспроводной связи может представлять собой устройство любого вида, оборудованное возможностями сотовой связи, такое как компьютерный планшет, ноутбук, сотовый модем или устройство связи машинного типа (MTC). Устройство 1 беспроводной связи и базовая станция 2 являются примерами устройств, упоминаемых в этом раскрытии как устройства связи. Следует отметить, что другие устройства связи, отличающиеся от устройств сотовой связи, такие как терминалы и точки доступа для беспроводных локальных сетей (WLAN), также возможны в рамках настоящего раскрытия.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия устройство связи, такое как описанные выше, содержит схему приемника. Схема приемника может являться, например, частью схемы приемопередатчика. Фиг. 2 иллюстрирует пример такой схемы 10 приемопередатчика. На фиг. 2 схема 10 приемопередатчика содержит схему 15 приемника, расположенную с возможностью соединения с антенной 20. На фиг. 2 схема 15 приемника содержит радиочастотный (RF) фильтр 25, расположенный с возможностью соединения с антенной 20. В некоторых вариантах осуществления радиочастотный фильтр 25 является полосовым фильтром. Кроме того, на фиг. 2 схема 15 приемника содержит усилитель 30. Варианты осуществления усилителя 30 описаны более подробно ниже. Усилитель 30, например, может представлять собой МШУ. На фиг. 2 схема приемника содержит микшер 35 с понижающим преобразованием, управляемый сигналом гетеродина (LO), соединенного с выходным узлом усилителя 30. Микшер 35 с понижающим преобразованием выполнен с возможностью преобразовывать с понижением частоты радиочастотный сигнал, выдаваемый из усилителя 30, до частоты основной полосы частот или промежуточной частоты. Кроме того, на фиг. 2 схема 15 приемника содержит фильтр 40, выполненный с возможностью фильтрации нежелательных компонентов сигнала из преобразованного с понижением частоты сигнала, выданного из микшера 35. В некоторых вариантах осуществления фильтр 40 является низкочастотным фильтром. Кроме того, на фиг. 2 схема 15 приемника содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП; ADC) 45, выполненный с возможностью преобразовывать в цифровую область отфильтрованный преобразованный с понижением частоты сигнал, выданный из фильтра 40.

Как проиллюстрировано на фиг. 2, схема 10 приемопередатчика может содержать цифровой сигнальный процессор 50 (ЦСП; DSP), такой как процессор основной полосы частот, выполненный с возможностью обрабатывать цифровой сигнал, выданный из АЦП 45, например, для восстановления принятых данных.

Также, как проиллюстрировано на фиг. 2, схема 10 приемопередатчика может содержать схему 55 передатчика, расположенную с возможностью соединения с антенной 60 для передачи радиочастотных сигналов. ЦСП 50 может быть выполнен с возможностью формировать входные данные для схемы 55 передатчика.

Диаграмма схемы 15 приемника является лишь примером использования вариантов осуществления усилителя 30 в контексте. Варианты осуществления усилителя 30 также могут использоваться в других архитектурах приемника. Следует упомянуть, что варианты осуществления усилителя 30 могут быть интегрированы на интегральной схеме, например, вместе с некоторыми или всеми другими компонентами схемы 15 приемника.

Фиг. 3 иллюстрирует вариант осуществления усилителя 30. На фиг. 3 усилитель 30 имеет входной узел V_in и выходной узел V_out. Кроме того, он содержит настраиваемый колебательный контур 100, соединенный с выходным узлом V_out. Кроме того, он содержит контур 110 обратной связи между выходным узлом V_out и входным узлом V_in. Чтобы обеспечить усиление, в общем случае в усилителе используется активный элемент, такой как транзистор. Вариант осуществления усилителя 30, проиллюстрированный на фиг. 3, содержит МОП-транзистор 120 (MOS; металл-оксид-полупроводник) в конфигурации с общим истоком. На фиг. 3 вывод затвора транзистора 120 соединен со входным узлом V_in. Возможны также другие типы транзисторов, такие как биполярные транзисторы (BJT). Кроме того, на фиг. 3 усилитель 30 содержит МОП-транзистор 130, соединенный в каскодной конфигурации между транзистором 120 и выходным узлом V_out. Вывод затвора транзистора 130 соединен с узлом V_b2 напряжения смещения. В некоторых вариантах осуществления каскодно-включенный транзистор 120 может быть опущен. Другие варианты осуществления могут включать в себя более одного каскодно-включенного транзистора.

Как проиллюстрировано на фиг. 3, усилитель 30 может содержать индуктивность 140 с отрицательной обратной связью истока, соединенную между истоком транзистора 120. Он также может содержать резистор 150 смещения, соединенный между входным узлом V_in и узлом напряжения смещения V_b1. Фиг. 3 также иллюстрирует некоторые реактивные компоненты, такие как индуктивность 160 и конденсатор 170, соединенный последовательно с индуктивностью 160, между входным узлом V_in и предыдущими компонентами, такими как фильтр 25 (фиг. 2). Такие реактивные компоненты 160, 170 обеспечивают согласование входного импеданса для усилителя 30.

Автор изобретения обнаружил, что фаза выходного напряжения, сформированного в колебательном контуре, относительно резко меняет резонансную частоту колебательного контура. Относительно резко измененная фаза оказывает влияние на обратную связь и затрудняет достижение соответствия требованиям согласования входного импеданса. Это может быть особенно сложно в приложениях с относительно большой шириной полосы, например, в гигагерцовом диапазоне, и с относительно высокими несущими частотами, например, несколько десятков ГГц, что будет с большой вероятностью использоваться для 5G систем в будущем. Например, максимальное усиление усилителя и наилучшее согласование входного импеданса могут возникнуть на разных частотах, что является нежелательным. Следовательно, необходим некоторый тип настройки. Фиг. 4 иллюстрирует эффективную реализацию контура 110 обратной связи, обеспеченную автором изобретения. Она содержит цепь 200 схемы обратной связи, соединенную между выходным узлом V_out и входным узлом V_in. Кроме того, она содержит настраиваемый конденсатор 210, соединенный между внутренним узлом цепи 200 схемы обратной связи и узлом опорного напряжения, таким как земля или сигнальная земля.

Настраиваемый конденсатор 210 обеспечивает компенсацию относительно резко измененной фазы выходного напряжения вокруг резонансной частоты колебательного контура 100. Это дает возможность настроить усилитель 30 таким образом, например, чтобы максимальное усиление усилителя 30 и наилучшее согласование входного импеданса усилителя 30 могли быть настроены по частоте так, чтобы они возникали в значительной степени на одной и той же частоте. Кроме того, моделирование показало, что конденсатор 210 может быть реализован с относительно низким значением Q, по-прежнему обеспечивая эту желаемую возможность настройки. Это является преимуществом, поскольку возможность настройки может быть получена по относительно низкой цене с помощью относительно небольших компонентов.

Автор изобретения также обнаружил, что цепь 200 схемы обратной связи может быть реализована как пассивная схема. Использование пассивной схемы обратной связи путь делает относительно простым получение комбинации относительно высокого усиления и стабильности, что может являться очень сложной конструктивной целью, если бы использовалась цепь активной схемы обратной связи. Кроме того, пассивная схема обратной связи, как правило, не требует какой-либо сложной схемы смещения. Тем не менее, желаемое согласование входного импеданса может быть получено также в вариантах осуществления с активными компонентами в цепи схемы обратной связи.

Например, цепь схемы обратной связи может быть реализована с использованием последовательного соединения по меньшей мере одного резистора и по меньшей мере одного конденсатора. Это проиллюстрировано на фиг. 5 с помощью варианта осуществления, в котором упомянутый по меньшей мере один конденсатор содержит первый конденсатор 240 и упомянутый по меньшей мере один резистор содержит первый резистор 220, соединенный между выходным узлом V_out и первым конденсатором 240, и второй резистор 230, соединенный между первым конденсатором 240 и входным узлом V_in. Кроме того, на фиг. 5 внутренний узел, с которым соединен конденсатор 210, является узлом между первым конденсатором 240 и вторым резистором 230.

Как проиллюстрировано на фиг. 5, по меньшей мере один резистор (например, 220, 230) также может являться настраиваемым. Это обеспечивает дополнительную степень возможности настройки, чтобы обеспечить настройку входного импеданса, реализованную с помощью относительно дешевых и небольших компонентов.

Фиг. 6 иллюстрирует вариант осуществления настраиваемого колебательного контура 100. Как видно из фиг. 6, настраиваемый колебательный контур 100 может содержать параллельную LC-цепь, содержащую конденсатор 250, соединенный параллельно с индуктивностью 260. Как далее проиллюстрирован на фиг. 6, возможность настройки колебательного контура 100 может быть обеспечена с использованием настраиваемого конденсатора 250, посредством чего может быть настроена резонансная частота колебательного контура 100. Предпочтительно резонансная частота колебательного контура настроена приблизительно на центральную частоту желаемой частотной полосы сигнала.

Как далее проиллюстрировано на фиг. 6, колебательный контур 100 может содержать другую индуктивность 270, магнитно-связанную с индуктивностью 260 с помощью взаимной индуктивности M. Такое решение может обеспечить желаемую общую индуктивность колебательного контура с помощью меньших катушек индуктивности по сравнению с вариантами осуществления, в которых индуктивность 260 используется одна без дополнительной индуктивности 270. Индуктивности 260 и 270 формируют первичную и вторичную обмотки, соответственно, трансформатора. В иллюстративном варианте осуществления узлы S1 и S2 индуктивности 270 используются для приведения в действие последующих каскадов в схеме 15 приемника, тогда как узел S0 соединен с узлом напряжения смещения.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления два из усилителей 30 объединены в дифференциальный усилитель. Такой дифференциальный усилитель безусловно может использоваться в схеме приемника, например, как дифференциальный МШУ. Пример такого варианта осуществления проиллюстрирован на фиг. 7. Вариант осуществления дифференциального усилителя, проиллюстрированного на фиг. 7, может рассматриваться как дифференциальная версия варианта осуществления усилителя 30, проиллюстрированного на фиг. 6. Компоненты 110a, 120a, 130a, 140a, 150a, 160a, 170a, 200a и 210a, соответствуют компонентам 110, 120, 130, 140, 150,160, 170, 200 и 210 (фиг. 6) первого из двух усилителей, составляющих дифференциальный усилитель. Аналогичным образом, компоненты 110b, 120b, 130b, 140b, 150b, 160b, 170b, 200b и 210b, соответствуют компонентам 110, 120, 130, 140, 150,160, 170, 200 и 210 (фиг. 6) второго из двух усилителей, составляющих дифференциальный усилитель. На фиг. 7 дифференциальный усилитель содержит совместно используемый колебательный контур 100. Однако в других вариантах осуществления могут иметься отдельные колебательные контуры для двух усилителей, составляющих дифференциальный усилитель. Узлы V_ina и V_inb составляют дифференциальный входной порт. Аналогичным образом, выходные узлы V_inb и V_outb составляют дифференциальный выходной порт.

Фиг. 8 иллюстрирует возможную реализацию настраиваемого резистора 400. Она иллюстрирует, что настраиваемый резистор 400 может быть реализован с помощью нескольких параллельно соединенных переключаемых резисторов, каждый из которых содержит резистор 410-i, последовательно соединенный с переключателем 420-i. Посредством выбора, какие из переключателей 420-i закрыты и какие открыты, полное сопротивление настраиваемого резистора 400 может быть настроено на требуемое значение, как будет без затруднений понятно специалисту в области проектирования электронных схем. Переключателями 420-i может управлять, например цифровое управляющее слово, где каждая часть управляющего слова управляет отдельным из переключателей 420-i. Любой из настраиваемых резисторов, обсуждаемых в этом раскрытии, может быть разработан таким образом.

Аналогичным образом, фиг. 9 иллюстрирует возможную реализацию настраиваемого конденсатора. Она иллюстрирует, что настраиваемый конденсатор 500 может быть реализован с помощью нескольких параллельно соединенных переключаемых конденсаторов, каждый из которых содержит конденсатор 510-i, последовательно соединенный с переключателем 520-i. Посредством выбора, какие из переключателей 520-i закрыты и какие открыты, общая емкость настраиваемого конденсатора 500 может быть настроена на требуемое значение, как будет без затруднений понятно специалисту в области проектирования электронных схем. Переключателями 520-i может управлять, например цифровое управляющее слово, где каждая часть управляющего слова управляет отдельным из переключателей 520-i. Любой из настраиваемых конденсаторов, обсуждаемых в этом раскрытии, может быть разработан таким образом.

Фиг. 10 иллюстрирует, каким образом фаза тока обратной связи из контура 110 обратной связи во входной узел V_in меняется в зависимости от частоты и емкости C конденсатора 210 в соответствии с примером моделирования. В примере моделирования использовалась топология схемы на фиг. 5, и радиочастотный источник переменного напряжения с выходным сопротивлением 50 Ом использовался для подачи напряжения на левый узел конденсатора 170. Количественное поведение кривой естественным образом зависит от составляющих значений параметров для элементов схемы. Выбор таких составляющих значений параметров для заданной спецификации требований, например, на основе моделирования схемы, рассматривается как обычная задача для специалиста в области проектирования аналоговых радиочастотных схем и более подробно не обсуждается в настоящем документе. Интересным наблюдением в контексте этого раскрытия, которое может быть сделано из фиг. 10, является качественное поведение кривых. Одна из кривых помечена как C=0. Этот случай, когда емкость C конденсатора 210 равна 0, соответствует случаю, когда конденсатор 210 отсутствует. Можно заметить, что существует относительно резкая вариация фазы вокруг резонансной частоты колебательного контура 100, которая в этом моделировании составляет приблизительно 30 ГГц. Эта относительно резкая вариация фазы мешает достигнуть хорошего согласования входного импеданса по более относительно широкому диапазону частот. Кроме того, наилучшее согласование входного импеданса может возникнуть на другой частоте, отличающейся от резонансной частоты колебательного контура 100, в частности, в приложениях, в которых схема 15 приемника может настраиваться на разные частотные полосы, и, таким образом, колебательный контур 100 может настраиваться на разные резонансные частоты. По мере увеличения значения C можно заметить, что вариация фазы сокращается, что делает возможным согласование входного импеданса по более широкому диапазону частот. Кроме того, возможно настроить значение C таким образом, что наилучшее или по меньшей мере достаточно хорошее согласование входного импеданса обеспечивается на центральной частоте колебательного контура 100. Как упомянуто выше, такая настройка может быть получена с использованием настраиваемых компонентов с относительно низким значением Q.

Настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на конкретные варианты осуществления. Однако другие варианты осуществления, отличающиеся от описанных выше, возможны в рамках объема раскрытия. Разные признаки вариантов осуществления могут сочетаться в других комбинациях, отличающихся от описанных.

Изобретение относится к схемам усилителя. Технический результат заключается в обеспечении широкополосного согласования входного импеданса с достижением достаточно высокой производительности при усилении с частотной избирательностью. Раскрыт усилитель (30) для схемы (15) приемника. Усилитель имеет входной узел (V_in) и выходной узел (V_out). Он содержит настраиваемый колебательный контур (100), соединенный с выходным узлом (V_out), цепь (200) схемы обратной связи, соединенную между выходным узлом (V_out) и входным узлом (V_in), и настраиваемый конденсатор (210), соединенный между внутренним узлом цепи (200) схемы обратной связи и узлом опорного напряжения. Также раскрыты схема приемника и устройство связи. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Дифференциальный усилитель для схемы (15) приемника, содержащий первый и второй усилители (30), причем каждый из первого и второго усилителей (30) имеет входной узел (Vin) и выходной узел (Vout) и содержит

настраиваемый колебательный контур (100), соединенный с выходным узлом (Vout);

цепь (200) схемы обратной связи, соединенную между выходным узлом (Vout) и входным узлом (Vin); и

настраиваемый конденсатор (210), соединенный между внутренним узлом цепи (200) схемы обратной связи и узлом опорного напряжения.

2. Дифференциальный усилитель по п. 1, в котором цепь (200) схемы обратной связи является пассивной схемой.

3. Дифференциальный усилитель по п. 1 или 2, в котором цепь (200) схемы обратной связи содержит последовательное соединение по меньшей мере одного резистора (220, 230) и по меньшей мере одного конденсатора (240).

4. Дифференциальный усилитель по п. 3, в котором по меньшей мере один резистор (220, 230) является настраиваемым.

5. Дифференциальный усилитель по п. 3, в котором упомянутый по меньшей мере один конденсатор (240) содержит первый конденсатор (240), упомянутый по меньшей мере один резистор содержит первый резистор (220), соединенный между выходным узлом (Vout) и первым конденсатором (240), и второй резистор (230), соединенный между первым конденсатором (240) и входным узлом (Vin).

6. Дифференциальный усилитель по п. 5, в котором внутренний узел является узлом между первым конденсатором (240) и вторым резистором (230).

7. Дифференциальный усилитель по любому из пп. 1, 2, 4-6, содержащий первый транзистор (120) в конфигурации с общим истоком.

8. Дифференциальный усилитель по п. 7, содержащий второй транзистор (130), соединенный в каскодной конфигурации между первым транзистором (120) и выходным узлом (Vout).

9. Схема (15) приемника, содержащая дифференциальный усилитель по любому из пп. 1-8.

10. Устройство (1, 2) связи, содержащее схему (15) приемника по п. 9.

11. Устройство (1) связи по п. 10, причем устройство (1) связи является устройством (1) беспроводной связи для сети сотовой связи.

12. Устройство (2) связи по п. 10, причем устройство (2) связи является базовой радиостанцией (2) для сети сотовой связи.