[發明專利]可編程的低噪聲放大器及方法

有效

• 申請號: 200580018055.4
• 申請日: 2005-07-13
• 公開（公告）號: CN101427461A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發明（設計）人: 邁倫·J·科恩;哈里什·文卡塔拉曼
• 申請（專利權）人: 德州儀器公司
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 王允方;劉國偉

技術領域

本發明大體而言涉及低噪聲放大器，且更具體而言涉及具有可編程的增益的低噪聲放大器。

背景技術

作為背景技術，一對以差動方式耦合的MOSFET(金屬氧化物半導體場效晶體管)的源電極之間的串聯電阻是在差動放大器中引起噪聲的主要原因。圖1中所示的現有技術電路顯示一極低噪聲的差動放大器1，其包括一P溝道電流源晶體管Q1，所述P溝道電流源晶體管Q1將其漏極在一節點2處直接連接至一對P溝道輸入晶體管Q2、Q3的源極。輸入晶體管Q2、Q3的漏極在輸出節點3、4處連接至電阻為RL的負載晶體管5、6。對輸入晶體管Q2、Q3的柵極分別施加輸入電壓Vin+、Vin-，且在輸出導體3、4的漏極處的節點3、4處分別產生輸出電壓Vout-、Vout+。放大器1的噪聲極低的原因在于在晶體管Q2、Q3的共同耦合的源電極之間未連接電阻器。

放大器1的增益表示為：

方程式(1)：增益＝Gm×RL，

其中Gm是該對差動連接的輸入晶體管Q2、Q3的跨導且表示為：

方程式(2)：Gm＝SQR{μ·Cox·(W/L)·I}，

其中SQR表示括弧內表達式的平方根，μ為輸入晶體管Q2、Q3的溝道區域中多數載流子的遷移率，Cox為由每一輸入晶體管Q2、Q3的柵極及溝道區域所形成的電容，W/L為每一輸入晶體管Q2、Q3的溝道寬度對溝道長度之比率，且I為流過每一輸入晶體管Q2、Q3的電流。

現有技術低噪聲放大器1略呈非線性并會引起失真，然而在某些應用中這是可以接受的。如果所述失真令人無法接受，則可按例如在Koen的名稱為“低噪聲差動輸入、差動輸出放大器及方法(Low?Noise?Differential?Input，Differential?Output?Amplifier?AndMethod)”的第6,118,340中所解釋的各種方式來降低失真。

通常，電流源晶體管Q1中的尾電流I0是恒定的，以便使放大器1能夠獲得一特定的輸出電壓擺動。因此，由于W/L之比率固定不變，因而現有技術低噪聲放大器1的增益是不可變的或者不可編程的。然而，在許多種應用中卻非常希望放大器具有可編程的增益。

對于必須以低的失真來處理例如超聲波等具有極寬動態范圍的信號的系統而言，常常需要降低低噪聲放大器的輸入的增益。還非常希望能夠通過電子方法來降低放大器增益，因為當可用于調整增益的電極到達半導體封裝的邊緣時常常會形成寄生阻抗。這些寄生阻抗常常使增益不精確并可能會造成電路振蕩。通過能夠降低放大器增益，與其中放大級配置成僅具有高的增益的情形相比，可處理更大幅值的輸入信號。高的增益設定值對于實現最低的噪聲而言是可取的但將因強的輸入信號而造成“過載”。允許降低增益會導致噪聲升高，但放大器可處理更大幅值的輸入信號。

存在各種已知的用于提供可編程增益放大器的技術，其中某些技術涉及到在輸入晶體管(例如Q2，Q3)的源極之間接入及/或斷開具有不同值的增益電阻器，其他現有的可編程增益放大器則利用各種技術以可控方式調整或改變耦合于輸入晶體管(例如Q2，Q3)的源極之間的增益電阻器的電阻。遺憾的是，連接于輸入晶體管Q2，Q3之間的任何電阻均會引入噪聲，且因此與圖1所示的基本的現有技術低噪聲放大器1的噪聲相比，此種類型的現有技術可編程增益放大器內在地具有相對高的噪聲。(耦合于差動耦合的輸入晶體管(例如Q2，Q3)的源極之間的電阻R所引入的噪聲近似等于4·k·T·B·R的平方根，其中k為玻爾茲曼(Boltzmann)常數，T為以開爾文度數為單位的絕對溫度，且B為帶寬)。

使用外部開關選擇性地切換外部電阻器來控制放大器增益的現有技術成本較高并因實體尺寸較大而不方便，且還會因存在與外部電阻器及開關相關聯的寄生電容而降低電路的性能。

因此，人們對低噪聲、可編程增益放大器的需要尚未得到滿足。

人們對可擴展能以低的失真來放大的信號的動態范圍的低噪聲、可編程增益MOS或CMOS放大器的需要也尚未得到滿足。

人們對可擴展能以低的失真來放大的輸入信號的動態范圍的低噪聲、可編程增益MOS或CMOS放大器的需要也尚未得到滿足。

人們對一種無需使用外部增益控制電阻器及所述外部增益控制電阻器在印刷電路板上所需的相關聯的大的面積量并消除與其相關聯的成本的低噪聲、可編程增益MOS或CMOS放大器的需要也尚未得到滿足。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種適合使用MOS或CMOS半導體制作工藝來制作的低噪聲、可編程增益放大器。