具体实施方式

定义

术语“电流增益块”在本文中是指放大输入信号，从而生成用以驱动输出负载的电流的电子电路。

术语“折叠式架构”在本文中是指以下LNA架构，其在电流增益级和负载级中使用负极金属氧化物(NMOS)晶体管和正极金属氧化物(PMOS)晶体管的组合，以支持由设计要求施加的较小的可用电源电压余量。

描述

提出了根据本公开内容的方法和设备，所述方法和设备提供了使得能够更易于对频带输入和支持的输出的数目进行修改的LNA设计。这样的方法和设备：

·提供频带捷变，利用一个LNA覆盖尽可能多的频带

·旨在通过针对每个同时输出使用一个LNA来减小尺寸

·支持用于高增益状态下的低噪声系数(NF)和低增益状态下的高线性度的步进可变增益。

图1示出了根据本公开内容的实施方式的接收器前端(100)。接收器前端(100)包括天线(110)，天线(110)通过天线开关(111)连接至多个频带滤波器(112)。多个频带滤波器(112)对应于频带(例如，f1、……、f4)。接收器前端(100)还包括两个频带开关(113、114)，所述两个频带开关(113、114)分别经由耦接电感器(115、116)连接至所述两个频带开关(113、114)对应的电流增益块(117、118)。根据本公开内容的实施方式，电流增益块(117、118)可以各自被配置成同时驱动两个负载(119、120)并且因此在输出(out1、out2)处生成输出信号。电流增益块(117)可以被配置成支持频带(f1、f2)中的任意一个，并且类似地，电流增益块(118)可以被配置成支持频带(B3、B4)中的任意一个。因此，接收器前端(100)可以支持四个输入频带和两个输出负载。通过示例的方式并且根据设计要求，可以调谐电流块(117、118)以分别支持频带(f1、f3)。在同一实施方式中，频带开关(113、114)可以被配置成分别选择频带(f1、f3)。本领域技术人员将理解，根据设计要求，除了移至期望的频带之外，将不需要对电流增益块的设计进行较大改变，并且这将使得能够在不经历冗长的设计周期的情况下适应各种设计要求。进一步参照图1，本领域技术人员还将理解，例如，电流增益块(117)与负载(119、120)中的每一个的组合可以被视为单独的LNA。由于分开了电流增益块和负载，因此可以实现同一电流增益块同时重用于多个输出负载，从而减少了占地面积，以解决如前所述的严格降低尺寸的要求。进一步参照图1，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以使实施方式支持任意数目的频带，并且使用任意数目的电流增益块和输出负载。

图2示出了根据本公开内容的实施方式的RF接收器前端(210)的图(200)，该图(200)示出了电流增益块和输出负载可以如何布置在同一芯片或裸片上。这是简化图，其中未示出各种元件如何互连的细节，以避免所述图被互连细节淹没(overwhelming)。如图2所示，RF接收器前端(210)包括多个电流增益块(gm1、……、gm6)和输出负载(LD1、……、LD4)。换句话说，图2中示出的实施方式支持6个LNA输入(每个LNA输入可以支持由相应滤波器限定的多个子频带输入，其中多个子频带输入可以通过开关或其他方法组合在一起)和4个输出。类似于就图1的接收器前端(100)所描述的，电流增益级(gm1、……、gm6)可以被配置成调谐至各种频带。此外，根据本公开内容的另一实施方式，并且取决于应用要求，电流增益块(gm1、……、gm6)中的每一个可以连接至输出负载(LD1、……、LD4)中的一个或更多个。这提供了接收器前端(210)针对强加不同要求的不同应用的灵活性、可扩展性和可重用性的益处。换句话说，提供了通用的平面图，其中，通过实现对一个或更多个电流增益级及相关的与负载的互连的微小改变和/或定制，前端接收器(210)可以适应于新的应用/需求而无需经历这样的接收器前端的新的完整设计周期。为了进一步阐明这点，参照图3的表(300)，所述表(300)示出了图2的电流增益块(gm1、……、gm6)的频率覆盖。表(300)还示出了电流增益块(gm1、……、gm6)中的每一个连接至哪个输出负载。例如，电流增益块(gm5)被配置成支持包括2.5GHz的频带并且连接至输出负载(LD1、……、LD4)。继续相同的示例，本领域技术人员将理解，电流增益块(gm2)可以被设计成可重新配置(即时编程)成支持多个频带。附加地，根据本公开内容的实施方式，还可以设想每频带具有不同的gm块的设计。对于该示例并且基于应用要求，将电流增益块(gm5)调谐至包括2.5GHz的中心频率的频带。作为另一示例，电流增益块(gm1)可以被配置成支持包括1.5GHz的中心频率的频带，并且同时连接至输出负载(LD1、LD2、LD3)。鉴于上述，可以根据本公开内容设想以下实施方式，其中，多个输入频带被支持并且每个电流增益块可以同时驱动一个或更多个输出负载。换句话说，由于电流增益块和输出负载是分开且独立的，因此通过本公开内容的教导使得具有支持各种频带的能力的可扩展设计成为可能。

进一步参照图2至图3，本领域技术人员将理解，在执行一些调整/定制之后，接收器前端(200)在如图2所示那样布置之后可以被重用于具有类似形式因素要求的不同应用。通过示例的方式并且参照图3的表(300)，如果新应用不要求将电流增益(gm3)连接至输出负载(load2)，则可以实现包括断开相关金属并且将其接地的定制，以消除这样的连接，并且因此使图2的接收器前端(200)适于新的应用。本领域技术人员将理解，与整个接收器前端的完整重新设计相比，这样的定制更易于实现并且更直接地实现。此外，可以对布局进行设计使得基础层被配置成支持一定范围的匹配部件尺寸并且支持各种频带。鉴于此，本公开内容的教导通过降低用于添加/去除频带输入和同时输出的时间和精力来提供设计灵活性。

进一步参照图3并且根据本公开内容的一些实施方式，输出负载(LD1、……、LD4)是可调谐的，以支持频带，包括由相应电流增益块支持的频带的组合。根据本公开内容的另一实施方式，与特定输出负载连接的电流增益块中的一个或更多个电流增益块可以是不激活的，而与特定输出负载连接的其他电流增益块是激活的。更特别地，并且根据本公开内容的其他实施方式，连接至特定负载的电流增益块是一次仅激活一个的。作为示例并且参照图3，电流增益块(gm1、……、gm5)连接至负载LD2。在操作条件下，电流增益块(gm1)驱动负载(LD1)，而其他电流增益块(gm2、……、gm5)可以为不激活/关闭，这意味着电流未被电流增益块(gm2、……、gm5)驱动至负载(LD1)。根据本公开内容的另一实施方式，可以一次激活多个负载，每个负载具有一个激活且操作的增益块。

图4示出了根据本公开内容的实施方式的可以由接收器前端支持的频带的示例。如图4所示，可以将电流增益块(gm1、……、gm5)分别调谐至1.2GHz、1.8GHz至1.9GHz、2.2GHz至2.3GHz、2.5GHz至2.6GHz以及3.5GHz至3.8GHz。根据本公开内容的另一实施方式，与电流增益块相比，与电流增益块(gm1、……、gm5)连接的任何输出负载可以被设计成支持更宽的频带。作为示例并且进一步参照图4，可以将输出负载设计成支持范围1.2GHz至3.8GHz。

图5A至图5B的组合示出了包括电流增益块(gm1、……、gm6)(图5A)和输出负载(LD1、……、LD4)(图5B)的接收器输入级(500AB)。电流增益块(gm1、……、gm6)从它们的相应输入端子(in1、……、in6)接收输入信号。如图5A所示，电流增益块(gm1、……、gm6)中的每一个可以通过连接点(load1、……、load4)连接至输出负载(LD1、……、LD4)中的任意一个。作为示例，将(图5A的)电流增益块gm2的连接点load1连接至(图5B的)输出负载LD1的连接点load1。换句话说，接收器输入级(500A)可以从端子(in1、……、in6)接收六个不同的输入，并且电流增益块(gm1、……、gm6)中的每一个可以同时驱动输出负载(LD1、……、LD4)中的一个或更多个(图5B，500B)，以在输出端子(out1、……、out4)处提供输出信号。参照2017年12月18日提交的题为“Switchless Multi Input Stacked Transistor Amplifier TreeStructure”的申请第15/846,055号的图2示出了分离的LNA，所述申请的全部内容通过引用并入本文，其中，共源共栅分离可以应用于图5A的电流增益块(gm1、……、gm6)中的每一个，从而使输出连接至输出负载(LD1、……、LD4)中的一个或者连接至这样的输出负载中的两个(如果使用以上并入的参考文献的图2的开关(235)连接电流增益块)。

参照图5A，电流增益块(gm1、……、gm6)具有类似的功能并且基于类似的概念进行操作，尽管从尺寸和/或性能参数的立足点来看每个电流增益块的相应组成可能不同。为了清楚起见并且为了避免淹没所述图，在图5A中示出了与电流增益块中的仅一个电流增益块(例如，gm1)的组成元件相对应的附图标记。类似地，并且参照图5B，输出负载(LD1、……、LD4)基于相同的概念进行操作并且具有类似的功能。因此，为了清楚和易于阅读起见，在图5B中仅示出了与输出负载(LD1)的组成元件相对应的附图标记。根据本公开内容的实施方式，并且类似于就图5A的电流增益块(gm1、……、gm6)所描述的，输出负载(LD1、……、LD4)中的每一个的相应组成元件可以彼此不同，参考例如尺寸、性能参数、类型(例如，电感与电容)或者它们是否存在。此外，还可以设计实施方式，其中，输出负载中的每一个输出负载的组成可以包括一个或更多个电感或电容或其组合。

参照图5A的电流增益块(gm1)，输入信号通过耦接电容C1和耦接电感L1而耦接至增益晶体管(T1、T2)。电流增益块(gm1)包括相对于增益晶体管(T1、T2)的两对共源共栅晶体管(T3、T4)和(T5、T6)。共源共栅晶体管(T3、T4)使它们的源极与相应增益晶体管T1的漏极耦接，并且共源共栅晶体管(T3、T4)的漏极在连接点(load1、load2)处耦接至图5B的相应输出负载(LD1、LD2)。类似地，共源共栅对(T5、T6)的源极连接至相应增益晶体管(T2)的漏极，并且共源共栅对(T5、T6)的漏极在连接点(load3、load4)处连接至图5B的输出负载(LD3、LD4)。电流增益块(gm1)还包括可变电容器(Cgs)和可变电感器(Ls)，该可变电容器(Cgs)和可变电感器(Ls)的组合用于优化RF性能的调谐目的。根据本公开内容的实施方式，可以使用相同或不同的组成来构建电流增益级(gm1、……、gm6)。通过示例的方式，从一个电流增益块至另一电流增益块的相应晶体管可以具有相同或不同的尺寸。根据本公开内容的其他实施方式，将偏置电压(图5A中未示出)提供至共源共栅晶体管(T3、T4)和(T5、T6)中是每一个共源共栅晶体管的栅极。根据需要施加至共源共栅晶体管(T3、……、T6)的栅极的偏置电压值可以彼此全部相同或不同。在操作条件期间并且根据偏置电压值，共源共栅晶体管(T3、……、T6)中的一个或更多个可以为不激活/关断，因此不会将任何电流驱动至相应输出负载。更具体地，当电流增益块通过共源共栅晶体管中的一个共源共栅晶体管连接至特定负载时，其他共源共栅晶体管的偏置电压使得没有其他输入流向该特定负载。为了进一步阐明这点并且参照图5A，当电流增益块(gm1)被激活并且向输出load1(LD1)提供电流时，不通过电流增益块(gm2、……、gm6)向输出load1(LD1)提供其他输入。这通过调整电流增益块(gm2、……、gm6)的共源共栅晶体管(T3)的栅极的偏置电压值来实现。换句话说，各个电流增益块中的仅一个电流增益块通过相应共源共栅晶体管连接至所选择的输出负载。

继续参照图5A，并且类似于就图1至图2的实施方式所描述的，电流增益块(gm1、……、gm6)可以被设计成可调谐至一个或更多个频带。根据特定的应用要求，每个电流增益块(gm1、……、gm6)可以被选择成调谐至特定频带，并且每个电流增益块可以被调谐成远离每个块可以调谐至的多个频带其中之一。可以根据下式计算图5A的电流增益块(gm1)的输入阻抗(Zin)：

其中，项“Re”表示实部，以及ω是角频率。以上提及的式可以用于设置适于给定频带的期望增益和阻抗。如之前所提及的，每个电流增益块(gm1、……、gm6)可以被设计成具有与各种频带相对应的各种状态。取决于接收器的要求，可以选择调谐至这样的频带中的一个频带。对于不同的应用，可以使用不同的参数值来支持潜在的新的且不同的频带。

参照图5B，输出负载(LD1)包括：两个堆叠晶体管(T7、T8)；RF扼流圈(L3)，其将供应电压(Vdd)连接至晶体管(T7)的源极；以及可变电感器(L4)和可变电容器(C2)，该可变电感器(L4)和可变电容器(C2)的组合用于将输出负载(LD1)调谐至期望的频带。可变电感器(L4)的第一端连接至可变电容器(C2)和晶体管(T8)的漏极，而可变电感器(L4)的第二端可以连接至参考电压或接地。根据本公开内容的实施方式，图5A的晶体管(T1、……、T6)是NMOS晶体管，以及晶体管(T7、T8)是PMOS晶体管。根据本公开内容的实施方式，RF扼流圈(L3)用于驱动电流，并且对期望的频带设计的影响可忽略。因此，RF扼流圈(L3)可以在金属化的情况下做得足够大，使得其分流阻抗不影响负载阻抗。此外，根据本公开内容的实施方式，RF扼流圈(L3)可以为电流源或者为在RF频率下表现出高阻抗的元件。进一步参照图5A，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以设想根据本公开内容的各种实施方式，其中，晶体管(T1、……、T6)中的每一个包括多个堆叠晶体管。图5C示出了用于示出这样的实施方式的电流增益块(500C)。换句话说，晶体管对(T1、T1’)、……、晶体管对(T6、T6’)中的每一对表示堆叠晶体管。

返回参照图5A，本领域技术人员将理解，可以设计具有一个或更多个输入、一个或更多个输出并且支持一个或更多个频带的根据本公开内容的另一实施方式。为了进一步说明此，图5D示出了具有两个输入(in1、in2)和两个输出(out1、out2)的示例性接收器前端(500D)。接收器前端(500D)还包括经由连接点(load1、load2)连接至输出负载(LD1、LD2)的电流增益级(gm1、gm2)。如图5D所示，电流增益级(gm1)可以用于驱动一个负载(例如，LD1)，而电流增益级(gm2)可以用于同时驱动两个负载(LD1、LD2)或仅驱动一个负载。根据本公开内容的实施方式，电流增益级(gm1、gm2)均可以被设计成可调谐至一个或更多个任意频带。继续相同的示例，用虚线示出了表示图5D的电流增益级(gm1、gm2)的示意部分。这是为了将图5D的电流增益(gm1、gm2)与图5A中的电流增益的相应部分进行比较，并且为了示出图5A的被去除以用于设计图5D的电流增益(gm1、gm2)的电流增益部分。

图6A示出了根据本公开内容的实施方式的包括电流增益块(610)和输出负载(611)的LNA(650)。进一步参照图5A至图5B，并且考虑到就接收器输入级(500A和500B)所描述的，LNA(650)实质上表示接收器输入级(500A)的电流增益块(gm1、……、gm6)中的任意电流增益块和接收器输入级(500B)的输出负载(LD1、……、LD4)中的任意输出负载的组合。根据本公开内容的实施方式，晶体管(T61、T62)是NMOS晶体管以及晶体管(T64、T63)是PMOS晶体管。本领域技术人员将理解，LNA(650)具有折叠式架构，使得能够适应可能的严格电压余量要求。由于针对晶体管对(T61、T62)和(T63、T64)使用不同的晶体管类型，因此可以支持施加较小可用电压余量的设计要求。根据本公开内容的实施方式，输出负载(611)可以包括一个或更多个共源共栅晶体管。

图6B示出了根据本公开内容的另一实施方式的LNA(651)。类似于图6A的LNA(650)，LNA(651)包括电流增益块(610)。LNA(651)还包括输出负载(621)，该输出负载(621)包括以堆叠配置布置的晶体管对(T63’、T64’)。根据本公开内容的实施方式，晶体管(T63’、T64’)是NMOS晶体管。根据本公开内容的实施方式，输出负载(621)可以包括一个或更多个共源共栅晶体管。

如前所述，本公开内容的教导提供了用于支持高增益状态下的低噪声系数(NF)和低增益状态下的高线性度的步进可变增益的方法和设备。图7示出了根据本公开内容的实施方式的LNA(700)，其在下述三个不同的增益状态下进行操作：高增益状态、中增益状态和低增益状态。LNA(700)的操作的原理类似于之前就图6A的LNA(650)所描述的操作的原理。LNA(700)还包括开关(S1、……、S6)，所述开关(S1、……、S6)的状态将指示LNA(700)被配置成在哪种增益状态下进行操作。图7示出了输入信号从输入端子(in)行进至输出端子(out)的三个不同的信号路径(710、711、712)。当LNA(700)处于中增益状态时，开关(S1、S3)闭合并且所有其他开关断开。从输入端子(in)进入的输入信号将通过路径(710)至输出端子(out)。换句话说，在中增益状态下，旁路晶体管(T1、T2)，并且输入信号通过基于晶体管(T3、T4)的公共栅极配置经历增益。信号路径(711)对应于高增益状态。在这种状态下，开关(S2、S6)闭合并且所有其他开关断开。因此，输入信号通过下述经历增益：首先，通过穿过被配置为公共源极的晶体管(T1、T2)；并且然后，通过穿过被配置为公共栅极的晶体管(T3、T4)。当在低增益状态时，开关(S4、S5)闭合并且所有其他开关断开。在对应于信号路径(712)的该状态下，旁路所有晶体管，并且输入信号在从输入端子(in)行进至输出端子(out)时实际上没有经历增益。本领域技术人员将理解，开关(S2、S6)是可选的，并且主要用于隔离目的。换句话说，开关(S2)或开关(S6)在它们对应的开关对(S1、S3)或开关对(S4、S5)断开时闭合。此外，可以设计根据本公开内容的仅具有串联开关而没有开关(S2、S3、S4、S6)的实施方式。根据本公开内容的其他实施方式，可以根据期望的隔离要求来配置开关网络。

图8示出了被设计成在第一增益状态、第二增益状态和第三增益状态下进行操作的LNA(800)。LNA(800)的操作原理基于与就图7的LNA(700)所描述的概念相类似的概念，所述LNA(800)包括开关(S81、……、S86)。在第一增益状态下，开关(S81、S83)闭合并且所有其他开关断开。因此，旁路晶体管(T1、T2)，并且从输入端子(in)行进至输出端子(out)的输入信号将通过穿过被配置为公共栅极的晶体管(T3、T4)经历第一增益状态。在第二增益状态下，开关(S84、S86)闭合并且所有其他开关断开。因此，旁路晶体管(T3、T4)，并且从输入端子行进至输出端子的输入信号将通过穿过被配置为公共源极的晶体管(T1、T2)经历第二增益状态。在第三增益状态下，开关(S81、S83、S84、S86)闭合并且开关(S82、S85)断开。因此，通过所有晶体管(T1、T2、T3、T4)。第一增益状态、第二增益状态和第三增益状态分别对应于图8中用虚线示出的信号路径(810、811、812)。根据设计要求，如上所说明的公共源极和公共栅极配置可以用于支持两个不同的增益。本领域技术人员将理解，开关(S82、S85)是可选的并且主要用于隔离目的。换句话说，开关(S82)或开关(S85)在它们对应的开关对(S81、S83)或开关对(S84、S86)断开时闭合。参照图7至图8，可以将根据本公开内容的实施方式设计成使用多个一个或更多个开关来支持多个一个或更多个增益状态。参照图8，本领域技术人员将理解，在电流增益级(包括晶体管(T1、T2))与负载部分(包括晶体管(T3、T4))之间仅存在一个连接点。这允许与例如图7所示的设计相比更模块化方法，从而产生更简单的布局配置。通过示例的方式，在包括若干个电流增益级和若干个负载的设计中，与需要多于一个连接以将每个电流增益级连接至每个相应负载的设计相比，由于在每个电流增益级与每个负载之间仅需要一个连接，因此可以使布局配置变得更容易。

已经描述了本发明的多个实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，上述一些步骤可以与顺序无关，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。此外，上述一些步骤可以是可选的。可以以重复、串行或并行的方式执行就以上识别的方法描述的各种活动。

应当理解，前述描述旨在说明而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定，并且其他实施方式在权利要求的范围内。(注意，用于权利要求元素的括号标记是为了易于引用这样的元素，而其本身并不指示元素的特定所需顺序或列举；此外，这样的标记可以在从属权利要求中重复使用作为对附加元素的引用，而不被认为是开始进行有冲突的标记序列)。