Способ достижения высокой избирательности во входных rf каскадах приемника
Изобретение относится к схемам для улучшения избирательности входных каскадов приемников, подходящих для беспроводной связи. Техническим результатом изобретения является улучшение избирательности входных каскадов приемника, подходящих для беспроводной связи. Устройство усиления сигнала, содержащее усилитель, при этом усилитель содержит: выходной каскад, сформированный из положительной выходной клеммы, предоставляющей положительное выходное напряжение, и отрицательной выходной клеммы, предоставляющей отрицательное выходное напряжение; нагрузочный резонансный контур, соединенный параллельно с выходным каскадом и сконфигурированный для фильтрации сигналов, принимаемых в усилителе; и блок отрицательного сопротивления, соединенный параллельно с выходным каскадом и нагрузочным резонансным контуром и имеющий настраиваемое отрицательное сопротивление. Способ описывает работу данного устройства. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к схемам и более конкретно к улучшению избирательности входных каскадов приемника, подходящих для беспроводной связи и других приложений.
Уровень техники.
В конструкции маломощного беспроводного приемника главная проблема представлена присутствием мощных (т.е. с относительно высокой амплитудой) блокирующих устройств или источников помех, работающих на частотах, схожих с частотами желаемого сигнала. Например, приемник глобальной системы позиционирования (GPS), работающий на приблизительно 1575 МГц, может принять значительные помехи от системы беспроводной связи CDMA, работающей около 1700 МГц. Эти блокирующие устройства могут влиять на конструкцию нескольких значительных аспектов приемника, например, линейность, фазовый шум гетеродина (LO), допуск рассогласования, энергопотребление и т.д. Для конструкций приемопередатчика с нулевой промежуточной частотой (IF) и низкой IF сигналы мощных помех, близкие по частоте к желаемому сигналу, могут смешиваться с шумовыми боковыми полосами LO для создания нежелательных шумовых составляющих, которые могут ухудшить производительность приемника, феномен, известный как обратное преобразование шумов.
Часть беспроводного приемника, используемую для преобразования принимаемых радиочастотных (RF) сигналов в соответствующие IF сигналы, называют входным RF каскадом. Входные RF каскады обычно включают в себя малошумящие усилители (LNA), смесители и зачастую дополнительный каскад с активной межэлектродной проводимостью или управляемым усилением.
Фиг.1 иллюстрирует примерную традиционную схему входного RF каскада. Как показано, схема 10 входного RF каскада включает в себя LNA 12, каскад 14 с активной межэлектродной проводимостью (gm) и каскад 16 LO. Схема 10 входного RF каскада принимает RF сигналы в LNA 12 от внешней схемы 5 согласования, причем внешняя схема согласования сформирована из конденсаторов и катушек индуктивностей, чтобы предоставить некоторое подавление нежелательных внеполосных RF сигналов. LNA 12 предоставляет относительное малошумящее усиление принимаемых RF сигналов и выводит усиленные квадратурные сигналы I и Q в каскад 14 gm. Каскад 14 gm и каскад 16 LO могут включать в себя множество устройств с активной межэлектродной проводимостью и множество смесительных устройств, соответственно, для манипуляции квадратурных сигналов I и Q, чтобы предоставить соответствующие IF сигналы.
Мощные блокирующие устройства и источники помех обычно подавляются в аналоговых схемах основной полосы приемника после преобразования с понижением частоты. Однако из-за их близости в частотном спектре к представляющей интерес полосе обычно не существует значительного ослабления в RF частотах. Поэтому хотя и возможно предоставить избирательность в аналоговой схеме основной полосы и облегчить требования к линейности и динамическому диапазону там, то требования к линейности входного RF каскада и требования к фазовому шуму LO по-прежнему остаются жесткими.
Один способ ослабления мощных блокирующих устройств во входном RF каскаде состоит в использовании индуктивно-емкостного (LC) режекторного фильтра, настроенного на одну частоту блокирующих устройств на входе или выходе LNA. Эта методика может уменьшить проблемы конструкции, представленные сигналом блокирующего устройства с относительно высокой мощностью, либо включая, либо исключая LNA в зависимости от того, где расположен режекторный LC-фильтр. Однако, при использовании на входе LNA, режекторному фильтру требуются дополнительные компоненты согласования, и он может значительно ухудшить коэффициент шума схемы, который является традиционной мерой ухудшения отношения сигнал-шум (SNR), обусловленного компонентами в цепи RF сигнала. Чтобы предотвратить ухудшение коэффициента шума, режекторный LC-фильтр можно поместить в кристалле на выходе LNA, однако, будет трудно достигнуть высокой добротности (Q-фактор или просто “Q”) в режекторном фильтре и получить значительное ослабление на близлежащих частотах блокирующих устройств. Добротность предоставляет сравнение частоты, на которой система совершает колебания, к скорости, с которой она рассеивает энергию. Более высокая Q поэтому указывает на более низкую скорость рассеивания энергии относительно частоты колебаний, так что колебания затухают более медленно, приводя к желаемой высокой Q для узкополосных применений, таких как режекторный LC-фильтр, описанный выше. Однако, даже если высокодобротные катушки индуктивности в кристалле и реализуемы, они обычно недопустимо большие.
Чтобы достигнуть высокодобротной индуктивности в кристалле без использования большой области кристалла, часто используются активные схемы катушек индуктивности на основе гиратора. Эти схемы гиратора используют для моделирования индуктивного элемента в интегральной схеме (IC), использующей активные устройства, которые обычно требуют меньшего пространства в кристалле, чем настоящие катушки индуктивности. Существует несколько хорошо известных примеров модифицированных гираторов, которые можно использовать, чтобы некоторым образом управлять добротностью схемы, тем самым достигая произвольно острого профиля затухания на заданной частоте блокирующих устройств. Однако, характеристика шума таких активных схем является обычно более широкополосной, особенно характеристика шума, сгенерированная из-за обратного частотного преобразования шума с повышением частоты. Этот дополнительный шум приводит к значительному ухудшению коэффициента шума в полосе желаемого сигнала.
Другой подход к предоставлению избирательности входных RF каскадов использует преимущество схем резонансных контуров (или нагрузочных резонансных контуров), иногда используемых в дифференциальных LNA.
Фиг.2 иллюстрирует традиционный дифференциальный LNA, имеющий нагрузочный резонансный контур. Как показано, LNA 200 включает в себя входной (или с активной межэлектродной проводимостью) каскад 210, каскад 220 токового буфера, нагрузочный резонансный контур 230 и источник 250 хвостового тока. Входной каскад 210 включает в себя первое и второе устройства 212 и 214 с активной межэлектродной проводимостью (например, N-канальные МОП транзисторы). Каскад 220 токового буфера включает в себя пару каскодных транзисторов 222 и 224 (например, N-канальных МОП транзисторов). Нагрузочный резонансный контур 230 сформирован из катушки 232 индуктивности резонансного контура и конденсатора 234 резонансного контура. Нагрузочный резонансный контур 230 также включает в себя сопротивление Rtank 236, которое может быть физическим резистором или может просто представлять реальный импеданс другого элемента в нагрузочном резонансном контуре 230. В дополнение к сопротивлению Rtank 236 нагрузочного резонансного контура выходное сопротивление LNA 200 проиллюстрировано как Rout-LNA 270, а входное сопротивление следующего каскада, подаваемое посредством LNA 200 (например, каскад 14 с активной межэлектродной проводимостью по Фиг.1) проиллюстрировано как Rin-next 240 на Фиг.2.
Входной каскад 210 сконфигурирован для приема RF сигналов от внешней схемы 5 согласования, как описано выше со ссылкой на Фиг.1. Каскад 250 источника хвостового тока сконфигурирован для предоставления тока во входной каскад 210 и может быть реализован различными образами, как хорошо известно в уровне техники. LNA 200 является смещенным по постоянному току посредством напряжения VDD смещения, а каскодные устройства 222 и 224 смещены на напряжение Vcasc смещения каскода. Как показано, выходной сигнал генерируется в выходном каскаде 280 посредством предоставления положительного выходного напряжения Vout+ на верхней клемме (т.е. на стороне нагрузочного резонансного контура) каскодного устройства 222, и предоставления отрицательного выходного напряжения Vout- на соответствующей верхней клемме другого каскодного устройства 224. Элементы или представления элементов, соединенных параллельно с выходным каскадом 280 (т.е. через положительные и отрицательные выходы Vout+ и Vout- у LNA 200) являются рассматриваемой частью «выходной цепи» LNA 200.
Нагрузочный резонансный контур 230 позволяет LNA 200 предоставлять настраиваемую частотную характеристику, тем самым подавляя в некоторой степени внеполосные сигналы. Однако, величина избирательности, достигаемой с помощью этого подхода, обычно ограничивается конечной Q элементов в выходной цепи LNA 200. Особенно, добротность LNA 200 зависит от эквивалентного реальной части импеданса Req-LNA выходной цепи, где Req-LNA можно определить следующим образом:
Req-LNA=Rtank||Rout-LNA||Rin-next.
Таким образом, в теории, высокая добротность может быть достигнута посредством удержания эквивалентного сопротивления Req-LNA высоким. Однако в обычных технологиях обработки, даже с использованием высокодобротных конденсаторов и катушек индуктивности с относительно низким сопротивлением Rtank 236 нагрузочного резонансного контура, оказывается трудным получить эквивалентную Q в 8 или более от такой цепи, и поэтому подавление внеполосных блокирующих устройств ограничено лишь несколькими децибелами (дБ).
Сущность изобретения
Примерные варианты осуществления изобретения направлены на схемы, системы и способы улучшения избирательности входных каскадов приемника, подходящих для беспроводной связи и других применений.
Соответственно, один вариант осуществления может включать в себя устройство, содержащее усилитель, при этом усилитель содержит: выходной каскад, сформированный из положительной выходной клеммы, предоставляющей положительное выходное напряжение, и отрицательной выходной клеммы, предоставляющей отрицательное выходное напряжение; нагрузочный резонансный контур, соединенный параллельно с выходным каскадом и сконфигурированный для фильтрации сигналов, принимаемых в усилителе; и блок отрицательного сопротивления, соединенный параллельно с выходным каскадом и нагрузочным резонансным контуром.
Другой вариант осуществления может включать в себя способ усиления сигнала, при этом способ содержит этапы, на которых: принимают входной сигнал во входном каскаде; предоставляют выходной сигнал, включающий в себя положительное выходное напряжение на положительной выходной клемме и отрицательное выходное напряжение на отрицательной выходной клемме, в ответ на входной сигнал; фильтруют входной сигнал на положительной и отрицательной выходных клеммах; и предоставляют отрицательное сопротивление между положительной и отрицательной выходными клеммами.
Другой вариант осуществления может включать в себя усилитель, содержащий: средство для приема входного сигнала; средство для предоставления выходного сигнала, включающего в себя положительное выходное напряжение на положительной выходной клемме и отрицательное выходное напряжение на отрицательной выходной клемме, в ответ на входной сигнал; средство для фильтрации входного сигнала на положительной и отрицательной выходных клеммах; и средство для предоставления отрицательного сопротивления между положительной и отрицательной выходными клеммами.
Краткое описание чертежей
Сопроводительные чертежи представлены для помощи в описании вариантов осуществления изобретения и предоставлены исключительно для иллюстрации вариантов осуществления, а не ограничения их.
Фиг.1 иллюстрирует примерную традиционную схему входного RF каскада.
Фиг.2 иллюстрирует традиционный дифференциальный LNA, имеющий нагрузочный резонансный контур.
Фиг.3 иллюстрирует выходную цепь LNA с добавленным отрицательным сопротивлением в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.
Фиг.4 иллюстрирует примерный блок отрицательного сопротивления в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 иллюстрирует примерный блок отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.6 иллюстрирует примерный блок отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.7 иллюстрирует примерный блок отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.8 иллюстрирует примерный блок отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.9 иллюстрирует примерный блок отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.10 является графиком, иллюстрирующим подавление сигнала в присутствии сигналов мощных помех с использованием блока отрицательного сопротивления в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.
Фиг.11 является схемой последовательности операций, иллюстрирующей способ усиления принимаемых сигналов в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание
Аспекты изобретения раскрываются в последующем описании и соответственных чертежах, направленных на конкретные варианты осуществления изобретения. Альтернативные варианты осуществления могут быть разработаны, не выходя за объем данного изобретения. Кроме того, хорошо известные элементы изобретения не будут описываться подробно или будут пропущены, так чтобы не затруднять понимание значимых подробностей изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе для обозначения «служащий в качестве примера, частного случая или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в данном документе как «примерный», необязательно должен толковаться как предпочтительный или преимущественный над другими вариантами осуществления. Подобным образом термин «варианты осуществления изобретения» не требуют того, чтобы все варианты осуществления изобретения включали в себя обсуждаемые признаки, преимущества или режимы работы.
Терминология, используемая в данном документе, присутствует в целях описания частных вариантов осуществления и не предназначена ограничивать варианты осуществления изобретения. Используемые в данном документе единичные формы «один», «одна», «одно» и «упомянутый» предназначены включать в себя также и множественные формы, если контекст очевидным образом не указывает обратного. Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в данном документе, задают присутствие определенных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не препятствуют присутствию или дополнению одного или более других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
Дополнительно, многие варианты осуществления описаны исходя из последовательностей действий, которые следует выполнять, например, элементами вычислительного устройства. Следует понимать, что различные аспекты изобретения можно осуществить в нескольких различных формах, все из которых предполагаются находящимися в пределах объема заявленного объекта изобретения. В дополнение, для каждого из вариантов осуществления, описанных в данном документе, соответствующая форма любого такого варианта осуществления может быть описана в данном документе в качестве, например, «логической схемы, сконфигурированной для» выполнения описанного действия.
Как обсуждалось выше в уровне техники, величина избирательности, достигаемой в традиционном дифференциальном LNA, обычно ограничивается конечной Q нагрузочного резонансного контура, выходным импедансом, входным импедансом следующего каскада, наблюдаемых в выходной цепи LNA. Хотя в теории высокая добротность может быть достигнута посредством удержания реальной части импеданса этих элементов относительно низкой, приводя к относительно высокому эквивалентному сопротивлению Req-LNA выходной цепи, на практике это дает относительно малое улучшение Q. В противоположность варианты осуществления изобретения предоставляют дополнительный блок отрицательного сопротивления во входной цепи, чтобы улучшить Q посредством увеличения Req-LNA. Например, при добавлении блока отрицательного сопротивления с сопротивлением -Rneg к выходной цепи эквивалентное сопротивление Req согласно вариантам осуществления изобретения можно определить следующим образом:
Как можно видеть из уравнения (2), эквивалентное сопротивление у LNA можно произвольно увеличивать на коэффициент 1/(1 - Req-LNA/Rneg), что приводит к произвольно высокой добротности. До тех пор пока Rneg держится выше Req-LNA, Req будет положительным и система будет устойчивой. Соответственно, может быть достигнута более высокая положительная эквивалентная реальная часть импеданса Req-LNA, увеличивая Q выходной характеристики до желаемого уровня и, следовательно, улучшая избирательность входного RF каскада приемника.
Фиг.3 иллюстрирует выходную цепь LNA 300 с добавленным отрицательным сопротивлением согласно различным вариантам осуществления изобретения.
Как показано, подобно LNA 200, LNA 300 включает в себя каскад 220 токового буфера и нагрузочный резонансный контур 230. Каскад 220 токового буфера включает в себя пару каскодных транзисторов 222 и 224 (например, N-канальных МОП транзисторов). Нагрузочный резонансный контур 230 сформирован из катушки 232 индуктивности резонансного контура и конденсатора 234 резонансного контура. Нагрузочный резонансный контур 230 также включает в себя сопротивление Rtank 236, которое может быть фактическим резистором или может просто представлять реальную часть импеданса других элементов в нагрузочном резонансном контуре 230. В дополнение к сопротивлению Rtank 236 нагрузочного резонансного контура выходное сопротивление LNA 200 проиллюстрировано в качестве Rout-LNA 270, а входное сопротивление следующего каскада, подаваемое от LNA 200 (например, каскад 14 с активной межэлектродной проводимостью с Фиг.1) проиллюстрировано как Rin-next 240 на Фиг.3.
LNA 300 является смещенным по постоянному току посредством напряжения VDD смещения, а каскодные устройства 222 и 224 смещены на напряжение Vcasc смещения каскода, подобно смещению, проиллюстрированному на Фиг.2. Также подобно выходному сигналу с Фиг.2, как показано на Фиг.3, выходной сигнал генерируется в выходном каскаде 280 посредством предоставления положительного выходного напряжения Vout+ на верхней клемме (т.е. на стороне нагрузочного резонансного контура) каскодного устройства 222 и предоставления отрицательного выходного напряжения Vout- на соответствующей верхней клемме другого каскодного устройства 224. Следует понимать, что оставшиеся элементы LNA 200, не проиллюстрированные на Фиг.3 (например, входной каскад, источник хвостового тока и т.д.), могут быть реализованы существенно схожим образом соответствующим элементам, показанным на Фиг.2.
LNA 300 дополнительно включает в себя блок 350 отрицательного сопротивления, соединенный параллельно с нагрузочным резонансным контуром 230 и выходным каскадом 280 (т.е. через положительный и отрицательный выходы Vout+ и Vout-). Как обсуждалось выше, блок 350 отрицательного сопротивления предоставляет отрицательное сопротивление -Rneg в выходную цепь LNA 300 для увеличения всего эквивалентного сопротивления Rneg.
Следует понимать, что блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.3 можно реализовать множеством способов. Как будет описано более подробно ниже, следующие Фиг.4-9 показывают различные примерные конструкции блока 350 отрицательного сопротивления согласно различным вариантам осуществления изобретения. Следует понимать, однако, что примерные конструкции, показанные на Фиг.4-9, предоставлены только в иллюстративных целях и не предназначены представлять исчерпывающий список возможных вариантов осуществления.
Фиг.4 иллюстрирует примерный блок 350 отрицательного сопротивления согласно одному варианту осуществления изобретения.
Как показано, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.4 включает в себя первое и второе устройства 402 и 404 с активной межэлектродной проводимостью (gm) (например, N-канальные МОП транзисторы), перекрестно соединенные с выходом LNA 300. То есть устройство 402 gm соединено на первой клемме (например, стоке) с положительным выходом Vout+ LNA 300 и соединено на второй клемме (например, затворе) с отрицательным выходом Vout- LNA 300. В противоположность этому устройство 404 gm соединено на первой клемме (например, стоке) с отрицательным выходом Vout- LNA 300 и соединено на второй клемме (например, затворе) с положительным выходом Vout+ LNA 300. Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.4 дополнительно включает в себя источник Vtune 450 напряжения настройки, соединенный с третьей клеммой (например, истоком) каждого устройства 402 и 404 gm. Vtune 450 сконфигурирован для предоставления желаемого уровня напряжения и будет описан более подробно ниже.
Реализация блока 350 отрицательного сопротивления по Фиг.4 является одной из класса схем отрицательного сопротивления, относящихся к схемам с отрицательной gm. В общем, схемы с отрицательной gm предоставляют отрицательное сопротивление -Rneg, обратно пропорциональное активной межэлектродной проводимости одного или более содержащихся активных устройств, причем активная межэлектродная проводимость основывается на режиме смещения схемы. Например, абсолютное значение отрицательного сопротивления |Rneg| схемы с отрицательной gm по Фиг.4 равно 2/gm, где gm здесь является активной межэлектродной проводимостью каждого из устройств 402 и 404 gm. Vtune можно регулировать смещением устройств 402 и 404 gm на желаемый уровень, тем самым сдвигая падение напряжения со второй клеммы к третьей клемме (например, Vgate - Vsource) каждого устройства 402 и 404 gm, которое определяет активную межэлектродную проводимость каждого. Таким образом, gm можно установить на произвольно желаемое значение, и поэтому Rneg можно регулировать как угодно согласно специфическим системным требованиям применения и т.д.
Фиг.5 иллюстрирует примерный блок 350 отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Как показано, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.5 включает в себя первое и второе устройства 402 и 404 gm (например, N-канальные МОП транзисторы), перекрестно соединенные с выходом LNA 300, как описано выше со ссылкой на Фиг.4. Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.5 дополнительно включает в себя источник 550 тока настройки, соединенный с третьей клеммой (например, истоком) каждого устройства 402 и 404 gm. Источник 550 тока настройки проиллюстрирован в качестве токового зеркала, принимающего ток Itune настройки и предоставляющего ток зеркала для смещения устройств 402 и 404 gm. Itune может быть, например, программируемым источником тока, который хорошо известен в уровне техники, и может предоставляться схемой, внешней к LNA 300 (не показано).
Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.5 также рассматривается как схема с отрицательной gm, и абсолютное значение отрицательного сопротивления |Rneg| схемы 350 с отрицательной gm по Фиг.5 также обратно пропорционально ее активной межэлектродной проводимости. Подобно Vtune по Фиг.4, Itune управляет активной межэлектродной проводимостью схемы с отрицательной gm, и поэтому, значением отрицательного сопротивления -Rneg.
Конструкция по Фиг.5 предоставляет простую, малошумящую схему с отрицательной gm, где активной межэлектродной проводимостью управляют током Itune смещения. Однако один из недостатков этой конструкции состоит в том, что величина отрицательного сопротивления существенным образом фиксируется внешним током Itune смещения. Другой недостаток представляет собой введение дополнительных нелинейностей. Соответственно, эта конструкция может подходить для применений, которым требуются схемы с меньшей сложностью (для резервирования пространства и т.д.), при этом допускающих ограниченную линейность.
Фиг.6 иллюстрирует примерный блок 350 отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Как показано, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.6 включает в себя первое и второе устройства 402 и 404 gm (например, N-канальные МОП транзисторы), перекрестно соединенные с выходом LNA 300, как описано выше со ссылкой на Фиг.4. а также источник 550 тока настройки, соединенный с третьей клеммой (например, истоком) каждого устройства 402 и 404 gm, как описано выше со ссылкой на Фиг.5. Кроме того, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.6 дополнительно включает в себя переменные резисторы 602 и 604, соединенные между третьими клеммами устройств 402 и 404 gm соответственно и источником 550 тока настройки.
Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.5 также рассматривается как схема с отрицательной gm, и абсолютное значение отрицательного сопротивления |Rneg| схемы 350 с отрицательной gm по Фиг.6 также обратно пропорционально ее активной межэлектродной проводимости. Схожим образом с Фиг.5 Itune управляет активной межэлектродной проводимостью схемы с отрицательной gm и поэтому значением отрицательного сопротивления -Rneg. Однако так как устройства 402 и 404 gm каждое резистивным образом соединены с источником 550 тока настройки в конструкции по Фиг.6, то активная межэлектродная проводимость каждого устройства 402 и 404 gm может быть дополнительно настроена для предоставления отрицательного сопротивления, как желательно, посредством регулировки значений сопротивления переменных резисторов 602 и 604 для управления смещением. В отличие от конструкции по Фиг.5 конструкция по Фиг.6 предоставляет настройку отрицательного сопротивления отдельно от настройки предоставляемого внешним образом тока Itune настройки.
Соответственно, конструкция по Фиг.6 предоставляет дополнительную возможность настройки по сравнению с конструкцией по Фиг.5 и также позволяет разработчику выбрать оптимальное соотношение линейности для желаемой величины отрицательного сопротивления -Rneg. Однако один из недостатков этой конструкции состоит в том, что добавленное сопротивление переменных резисторов 602 и 604 требует более высокого тока для надлежащей функциональности, а также дополнительный резерв функциональности в интегральной схеме. Таким образом, эта конструкция может подходить для применений, которые требуют больше гибкости и при этом имеют возможность приспосабливаться к дополнительной сложности.
Фиг.7 иллюстрирует примерный блок 350 отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Как показано, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.7 включает в себя первое и второе устройства 402 и 404 gm (например, N-канальные МОП транзисторы), перекрестно соединенные с выходом LNA 300, как по существу описано выше со ссылкой на Фиг.4. Однако, в отличие от предыдущих конструкций по Фиг.4-6, устройство 402 gm емкостным образом соединено (также это называется соединением по переменному току) на своей второй клемме (например, затворе) с отрицательным выходом Vout- LNA 300 через первый конденсатор 712, а устройство 404 gm емкостным образом соединено на своей второй клемме (например, затворе) с положительным выходом Vout+ LNA 300 через второй конденсатор 714. Дополнительно, в отличие от предыдущих конструкций по Фиг.5 и 6, блок 350 отрицательного сопротивления по фиг.7 включает в себя источник 750 тока настройки, резистивным образом соединенный со второй клеммой (например, затвором) каждого устройства 402 и 404 gm через резисторы 702 и 704 соответственно. В этой конструкции вторые клеммы устройств 402 и 404 gm (например, затвор) также емкостным образом соединены с землей через третий конденсатор 740, и третьи клеммы устройств 402 и 404 gm (например, исток) соединены прямо с землей.
Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.7 также рассматривается как схема с отрицательной gm, и абсолютное значение отрицательного сопротивления |Rneg| схемы с отрицательной gm по Фиг.6 также обратно пропорционально ее активной межэлектродной проводимости. Однако эта конструкция позволяет больше управлять конструкцией, чем конструкция по Фиг.6, потому что емкостное соединение позволяет затвору и стоку устройств 402 и 404 gm быть смещенными по постоянному току на разных напряжениях.
Соответственно, конструкция по Фиг.7 предоставляет хорошую линейность и малый шум, в то же время позволяя разработчику более точно устанавливать желаемую величину отрицательного сопротивления -Rneg. Однако одним из недостатков этой конструкции является введение паразитной емкости от соединяющих конденсаторов 702 и 704. Таким образом, эта конструкция может подходить для применений, которым требуется более точная настройка и при этом имеют возможность эффективно регулировать нежелательные паразитные эффекты.
Фиг.8 иллюстрирует примерный блок 350 отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Как показано, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.8 включает в себя первый и второй каскады 810 и 820 с отрицательной gm, которые по существу являются схожими со схемой с отрицательной gm по Фиг.7. В частности, каждый каскад 810 и 820 с отрицательной gm включает в себя первое и второе устройства 402 и 404 gm (например, N-канальные МОП транзисторы), перекрестно соединенные с выходом LNA 300, как описано выше со ссылкой на Фиг.4, первый конденсатор 712 соединения по переменному току, соединяющий устройство 402 gm на его второй клемме (например, затворе) с отрицательным выходом Vout- LNA 300, второй конденсатор 714 соединения, соединяющий устройство 404 gm на его второй клемме (например, затворе) с положительным выходом Vout+ LNA 300, и резисторы 702 и 704, резистивным образом соединяющие вторую клемму каждого устройства 402 и 404 gm соответственно с током смещения (не показано). Первый каскад 810 с отрицательной gm перекрестно соединен с выходом LNA 300, как описано выше со ссылкой на Фиг.4, тогда как второй каскад 820 с отрицательной gm перекрестно соединен с выходом первого каскада 810 с отрицательной gm на третьих клеммах (например, стоках) первого каскада устройств 402 и 404 gm тем же самым образом. В дополнение к первому и второму каскадам 810 и 820 с отрицательной gm блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.8 дополнительно включает в себя два источника 830 и 840 тока, соединенных с выходами второго каскада 820 с отрицательной gm на третьих клеммах (например, стоке) второго каскада устройств 402 и 404 gm, и резистор R 850, соединенный параллельно выходу второго каскада 820 с отрицательной gm.
Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.7 также рассматривается как транслинейная схема отрицательного сопротивления, где абсолютное значение отрицательного сопротивления |Rneg| равно сопротивлению резистора R 850. Эта конструкция предоставляет хорошую линейность и смещение соединения по переменному току схемы дает существенный резерв функциональности. Однако дополнительная сложность схемы включает в себя шум и требует большего тока для работы. Таким образом, эта конструкция может подходить для применений, которые требуют больше линейности и при этом имеют возможность приспосабливаться к дополнительной сложности и требованиям по току.
Предшествующие Фиг.4-8, каждая, иллюстрируют блоки отрицательного сопротивления как смещенные извне на основе настройки схемы отрицательного сопротивления. Однако блок отрицательного сопротивления не ограничивается только этими типами схем отрицательного сопротивления и может быть реализован в качестве любого подходящего устройства, схемы или системы отрицательного сопротивления. Например, блок 350 отрицательного сопротивления альтернативно может быть реализован в качестве двойного токового зеркала с переменным выходным резистором, как будет обсуждаться более подробно ниже.
Фиг.9 иллюстрирует примерный блок 350 отрицательного сопротивления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Как показано, блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.9 включает в себя первое и второе токовые зеркала 910 и 920. Первое токовое зеркало 910 соединено с выходом LNA 300 через первые клеммы (например, сток) своих устройств gm (например, N-канальных МОП транзисторов) и соединено со вторым токовым зеркалом 920 через третьи клеммы (например, исток) первого токового зеркала и первые клеммы (например, сток) второго токового зеркала. Блок 350 отрицательного сопротивления по Фиг.9 дополнительно включает в себя выходной переменный резистор R 930, который равен по абсолютному значению отрицательному сопротивлению |Rneg|, предоставляемому схемой. Таким образом, переменный резистор R 930 можно регулировать, чтобы предоставить желаемое сопротивление. В этой конструкции токовые зеркала 910 и 920 имеют относительно высокие активные межэлектродные проводимости, что поддерживает требуемую точность, но может потребовать большего тока для работы. Следует понимать, что эту конструкцию можно использовать для предоставления отрицательного сопротивления не только в применениях дифференциальных схем, но также и в применениях с несимметричными выходами.
Конструкции по предшествующим фигурам предоставляют производительность с переменной линейностью и шумом. Линейность схемы можно охарактеризовать посредством точки (IIP3) пересечения составляющих третьего порядка и входного сигнала. IIP3 является теоретической точкой, где желаемый выходной RF сигнал и производные третьего порядка становятся равными по амплитуде. IIP3 является экстраполированным значением, поскольку активное устройство входит в режим искажений до того, как достигается точка IIP3. Как обсуждалось вкратце в разделе уровень техники, шум схемы можно охарактеризовать посредством коэффициента шума (NF). NF является мерой снижения отношения (SNR) сигнал-шум, вызванного составляющими в цепи RF сигнала.
Таблица 1 предоставляет примерные данные моделирования, сравнивающие IIP3 и NF по нескольким выбранным конструкциям в целях иллюстрации. Данные в таблице 1 представлены в виде разностей относительно конструкции традиционного LNA без добавленного отрицательного сопротивления (например, конструкция по Фиг.3).
| Таблица 1 | ||
| Конструкция | IIP3 (дБм) | NF (дБ) |
| Фиг.5 | -8 | +0,08 |
| Фиг.6 | -4 | +0,13 |
| Фиг.7 | -4 | +0,08 |
| Фиг.8 | -3 | +0,20 |
Фиг.10 является графиком, иллюстрирующим подавление сигнала в присутствии сигналов мощных помех с использованием блока отрицательного сопротивления в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.
Данные моделирования показаны для примерного приемника, работающего приблизительно на 1575 МГц (например, приемник GPS), и примерного мощного блокирующего устройства, работающего около 1700 МГц (например, система беспроводной связи CDMA), где подавление приемника было усовершенствовано согласно методикам, представленным в данном документе. Проиллюстрированы усовершенствования подавления в зависимости от значений отрицательного сопротивления в примерном диапазоне от -1000 Ом до -5000 Ом. Следует понимать, что этот примерный диапазон предоставлен только в иллюстративных целях, и методики, представленные в данном документе, применимы к широкому диапазону любой величины отрицательного сопротивления в зависимости от требований применения конкретной конструкции. Как показано, дополнительное усиление внутри полосы приблизительно в 17 дБ достигается для желаемого сигнала для более маленького значения проиллюстрированного отрицательного сопротивления, тогда как только дополнительное усиление приблизительно в 1 дБ является результирующей на частоте блокирующего устройства. Таким образом, Фиг.10 иллюстрирует, что значительное улучшение в избирательности приемника при присутствии сигналов мощных помех может быть достигнуто благодаря использованию блока отрицательного сопротивления согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Ввиду вышесказанного следует понимать, что варианты осуществления изобретения могут включать в себя способы для выполнения функций, последовательностей действий и/или алгоритмов, описанных в данном документе. Например, Фиг.11 является схемой последовательности операций, иллюстрирующей способ усиления принимаемых сигналов в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Как показано, способ может включать в себя прием входного сигнала во входном каскаде (блок 1110), предоставление выходного сигнала, включающего в себя положительное выходное напряжение на положительной выходной клемме и отрицательное выходное напряжение на отрицательной выходной клемме, в ответ на входной сигнал (блок 1120), фильтрацию входного сигнала на положительной и отрицательной выходных клеммах (блок 1130) и предоставление отрицательного сопротивления между положительной и отрицательной выходными клеммами (блок 1140).
В одном или более примерных вариантах осуществления описанные функции могут быть реализованы в аппаратном обеспечении, программном обеспечении, программно-аппаратном обеспечении или любой их комбинации. При реализации в программном обеспечении, функции можно хранить или передавать в виде одной или более команд или кода на компьютерно-читаемом носителе. Компьютерно-читаемый носитель включает в себя как компьютерные носители информации, так и среду передачи, включая любой носитель, который способствует переносу компьютерной программы из одного места в другое. Носитель информации может быть любым доступным носителем, к которому можно осуществить доступ посредством компьютера. В качестве примера, а не ограничения, такой компьютерно-читаемый носитель может содержать RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM или другое запоминающее устройство на оптическом диске, запоминающее устройство на магнитном диске или другие магнитные запоминающие устройства, или любой другой носитель информации, который может быть использован для переноса или хранения необходимого программного кода в виде команд или структур данных, и к которому можно осуществить доступ посредством компьютера. Также любое подключение следует называть компьютерно-читаемым носителем. Например, если программное обеспечение передается с веб-страницы, сервера или другого удаленного источника с использованием коаксиального кабеля, оптоволоконного кабеля, витой пары, цифровой абонентской линии (DSL) или беспроводной технологии, такой как инфракрасная, радио или микроволновая, то коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель, витая пара, DSL, или беспроводная технология, такая как инфракрасная, радио или микроволновая, включены в определение носителя информации. Магнитный диск (disk) и оптический диск (disc), используемые в данном документе, включают в себя компакт-диск (CD), лазерный диск, оптический диск, цифровой универсальный диск (DVD), гибкий магнитный диск и диск blu-ray, где магнитные диски (disk) обычно воспроизводят данные магнитным образом, тогда как оптические диски (disc) воспроизводят данные оптическим образом при помощи лазеров. Комбинации вышеупомянутого должны также быть включены в объем компьютерно-читаемого носителя информации.
Хотя вышеизложенное раскрытие показывает иллюстративные варианты осуществления изобретения, необходимо отметить, что различные изменения и модификации могли бы быть сделаны в данном документе, не выходя за объем изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Функции, этапы и/или действия пунктов способа в соответствии с вариантами осуществления изобретения, описанного в данном документе, необязательно выполнять в каком-то конкретном порядке. Кроме того, хотя элементы изобретения могут быть описаны и заявлены в единственном числе, подразумевается и множественное число, если ограничение до единственного числа не указано явным образом.
1. Устройство усиления сигнала, содержащее усилитель, при этом усилитель содержит: выходной каскад, сформированный из положительной выходной клеммы, предоставляющей положительное выходное напряжение, и отрицательной выходной клеммы, предоставляющей отрицательное выходное напряжение; нагрузочный резонансный контур, соединенный параллельно с выходным каскадом и сконфигурированный для фильтрации сигналов, принимаемых в усилителе; и блок отрицательного сопротивления, соединенный параллельно с выходным каскадом и нагрузочным резонансным контуром и имеющий настраиваемое отрицательное сопротивление.
2. Устройство по п.1, в котором блок отрицательного сопротивления является схемой с отрицательной активной межэлектродной проводимостью, сконфигурированной для предоставления отрицательного сопротивления на основе режима смещения одного или более активных устройств, включенных в схему.
3. Устройство по п.1, в котором блок отрицательного сопротивления содержит: первое устройство с активной межэлектродной проводимостью с первой клеммой, соединенной с положительной выходной клеммой выходного каскада, и второй клеммой, соединенной с отрицательной выходной клеммой выходного каскада; и второе устройство с активной межэлектродной проводимостью с первой клеммой, соединенной с отрицательной выходной клеммой выходного каскада, и второй клеммой, соединенной с положительной выходной клеммой выходного каскада.
4. Устройство по п.3, в котором блок отрицательного сопротивления дополнительно содержит: источник напряжения настройки, соединенный с третьей клеммой первого устройства с активной межэлектродной проводимостью и соединенный с третьей клеммой второго устройства с активной межэлектродной проводимостью, причем источник напряжения настройки сконфигурирован для предоставления напряжения смещения к первому и второму устройствам с активной межэлектродной проводимостью.
5. Устройство по п.3, в котором блок отрицательного сопротивления дополнительно содержит: источник тока настройки, соединенный с третьей клеммой первого устройства с активной межэлектродной проводимостью и соединенный с третьей клеммой второго устройства с активной межэлектродной проводимостью, причем источник тока настройки сконфигурирован для предоставления тока смещения к первому и второму устройствам с активной межэлектродной проводимостью.
6. Устройство по п.5, в котором источник тока настройки является токовым зеркалом, принимающим внешний ток настройки и предоставляющим ток зеркала.
7. Устройство по п.5, в котором каждая из третьих клемм первого и второго устройств с активной межэлектродной проводимостью резистивным образом соединена с источником тока настройки для предоставления желаемого смещения первого и второго устройств с активной межэлектродной проводимостью.
8. Устройство по п.3, в котором вторые клеммы первого и второго устройств с активной межэлектродной проводимостью емкостным образом соединены с отрицательной выходной клеммой выходного каскада и положительной выходной клеммой выходного каскада, соответственно, и каждая из вторых клемм первого и второго устройств с активной межэлектродной проводимостью резистивным образом соединена с источником тока настройки.
9. Устройство по п.8, в котором вторые клеммы первого и второго устройств с активной межэлектродной проводимостью емкостным образом соединены с землей, и третьи клеммы первого и второго устройств с активной межэлектродной проводимостью соединены с землей.
10. Устройство по п.8, в котором блок отрицательного сопротивления дополнительно содержит: третье устройство с активной межэлектродной проводимостью с первой клеммой, соединенной с третьей клеммой первого устройства с активной межэлектродной проводимостью, второй клеммой, емкостным образом соединенной с третьей клеммой второго устройства с активной межэлектродной проводимостью, и третьей клеммой, соединенной с первым источником тока настройки: четвертое устройство с активной межэлектродной проводимостью с первой клеммой, соединенной с третьей клеммой второго устройства с активной межэлектродной проводимостью, второй клеммой, емкостным образом соединенной с третьей клеммой первого устройства с активной межэлектродной проводимостью, и третьей клеммой, соединенной со вторым источником тока настройки; и резистор, соединенный с третьими клеммами третьего и четвертого устройств с активной межэлектродной проводимостью.
11. Устройство по п.3, в котором устройства с активной межэлектродной проводимостью являются n-канальными МОП-транзисторами, которые включают в себя первую клемму в качестве истока транзистора, вторую клемму в качестве затвора транзистора и третью клемму в качестве стока транзистора.
12. Устройство по п.1, в котором блок отрицательного сопротивления содержит: первое и второе токовые зеркала, соединенные друг с другом, причем первое токовое зеркало соединено с положительной выходной клеммой выходного каскада на одной клемме и соответственно соединено с отрицательной выходной клеммой выходного каскада на другой клемме.
13. Устройство по п.1, в котором блок отрицательного сопротивления предоставляет отрицательное сопротивление в диапазоне от -1000 Ом до -5000 Ом включительно.
14. Устройство по п.1, в котором нагрузочный резонансный контур сформирован из нагрузочной катушки индуктивности и нагрузочного конденсатора.
15. Устройство по п.1, дополнительно содержащее: пару каскадных устройств, соединенных с выходным каскадом и сконфигурированных для буферизации тока в усилителе.
16. Устройство по п.1, причем усилитель дополнительно содержит: каскад с активной межэлектродной проводимостью, сконфигурированный для приема входного напряжения; и источник тока, сконфигурированный для предоставления тока в каскад с активной межэлектродной проводимостью.
17. Устройство по п.1, причем устройство является малошумящим усилителем (LNA).
18. Устройство по п.1, причем устройство является беспроводным приемником.
19. Устройство по п.1, причем устройство является приемником GPS.
20. Способ усиления сигнала, причем способ содержит этапы, на которых:
принимают входной сигнал во входном каскаде; предоставляют выходной сигнал, включающий в себя положительное выходное напряжение на положительной выходной клемме и отрицательное выходное напряжение на отрицательной выходной клемме, в ответ на входной сигнал; фильтруют входной сигнал на положительной и отрицательной выходных клеммах; и предоставляют настраиваемое отрицательное сопротивление между положительной и отрицательной выходными клеммами.
21. Способ по п.20, в котором этап предоставления отрицательного сопротивления содержит этап, на котором: пропускают ток через одно или более активных устройств, причем отрицательное сопротивление основано на активной межэлектродной проводимости одного или более активных устройств.
22. Способ по п.21, в котором этап предоставления отрицательного сопротивления дополнительно содержит этап, на котором:
смещают одно или более активных устройств, чтобы установить активную межэлектродную проводимость на желаемое значение.
23. Способ по п.20, в котором предоставляемое отрицательное сопротивление находится в диапазоне от -1000 Ом до -5000 Ом включительно.
24. Усилитель, содержащий:
средство для приема входного сигнала;
средство для предоставления выходного сигнала, включающего в себя положительное выходное напряжение на положительной выходной клемме и отрицательное выходное напряжение на отрицательной выходной клемме, в ответ на входной сигнал;
средство для фильтрации входного сигнала на положительной и отрицательной выходных клеммах; и
средство для предоставления настраиваемого отрицательного сопротивления между положительной и отрицательной выходными клеммами.
25. Усилитель по п.24, в котором средство для предоставления отрицательного сопротивления содержит: средство с активной межэлектродной проводимостью для пропускания тока, причем отрицательное сопротивление основано на активной межэлектродной проводимости средства с активной межэлектродной проводимостью.
26. Усилитель по п.25, в котором средство для предоставления отрицательного сопротивления дополнительно содержит: средство для смещения средства с активной межэлектродной проводимостью, чтобы установить активную межэлектродную проводимость на желаемое значение.
27. Усилитель по п.24, в котором предоставляемое отрицательное сопротивление находится в диапазоне от -1000 Ом до -5000 Ом включительно.
