TW201001903A - Modified distributed amplifier to improve low frequency efficiency and noise figure - Google Patents

Description

201001903 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於具有改良之低頻率效率及雜訊指數之改良 分散放大器系統。 【先前技術】 一傳統分散放大器系統係用以建置一廣頻放大器之一經 證實方式。GaAs基板上之分散放大器的典型頻寬可大約在 10 kHz至1〇 GHz。一共射共基（cascode)分散放大器被廣泛 地認為是改良一非共射共基分散放大器之增益及頻寬的方 式。分散放大器系統之利益係藉由將電晶體之寄生效應併 入於放大器（薄片）之間的匹配網路中而實現。系統之輸入 電容及輸线料分別與閘極線（輸人傳輸電路）及汲極線 (輸出傳輸電路）電感結合，以使傳輸線實際上透通，排除 傳輸線損耗。藉由實現此，放大器系統之增益應僅受限於 互導，而非受限於寄生效應。此僅發生在如果向下行進閉 極線（輸入傳輸電路）的 ^ 則。唬與向下仃進汲極線（輸出傳輸電 =)的h叫目，使得每__放大器之（薄片之）輸出電壓血先 :放大器之(薄片之)輸出同相地相加時。行進至輸出之作 號將建設性干擾，使彳I ° 具^ 使侍彳§唬沿者汲極線（輸出傳輸電路）增 長。任何反向波將由於此箄 寺彳5唬將非同相而破壞性干_。 閘極線（輸入傳輸電 丨王卞馒 器電晶體之心）、，…皮納入以吸收未被耦合至放大 "甲^之任何信號。汲極線（輸出傳輪電路）故端 被納入以吸收可破壞 包路）、、、-知 值c ^生干擾輸出信號之任何反向行進油。 傳統为散放大器系统请為 進/皮 又差的效率與鏈中未最佳匹配功率 139866.doc 201001903 的放大器一樣多。大約1 5%的效率典型是在GHz範圍。典 型地，當描述此等部分時，P1 dB及PAE(功率附加效率）之 圖表僅繪示在GHz範圍。然而，當設計必須操作在MHZ至 GHz的一部分時，GHz範圍以下將變得重要。傳統分散放 大器系統將展現相對於輸入功率線性輸入增加的功率輸出 壓縮1 dB(Pl dB)，且功率附加效率（PAE)將變糟。在傳統 分散放大器中，MHz範圍的信號將均等地流向汲極線（輸 出傳輸電路）終端及RF輪出負載。因此，至多僅一半的可 用功率被傳遞至輸出，且另一半將被浪費在輸出電路終 端。在GHz範圍中，行進至輸出之信號將建設性干擾及增 長’同時任何反向波將破壞性地擾及減少，使得非常少的 功率被吸收至輸出傳輸電路終端中。為此，輸出傳輸電路 終端在較高頻率對輸出功率具有較小影響，但是在較低頻 率具有非常大的影響。理想上，在低頻率，汲極線不應包 含比RF輸出多的任何額外負載，一般是50歐姆。如果輸出 傳輸電路終端被簡單地移除，輸出匹配變得不可用（-2 dB)。此外，增益在低頻率展現尖峰信號（spike)。更多的 可參見：2004年第2版本Thomas Lee的《THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS}章 節 9.7.5「THE DISTRIBUTED AMPLIFIER」；1982年 7月 《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》 第 MTT-30卷第 7號第 976-981 頁 Yalcin Ayasli 等人的「A MONOLITHIC GaAs 1-13 GHz TRAVELING-WAVE AMPLIFIER」；及 1984 年 3 月《IEEE Transactions on 139866.doc 201001903

MiCrowae Theory and Technique> 第 MTT_32卷第 3 號第

268-275 頁 James B. Beyer等人的「MESFET DISTRIBUTED AMPLIFIER DESIGN GUIDELINES」，該等文獻之全文以 引用的方式併入本文中。 【發明内容】 因此’本發明之目的係提供一種改良分散放大器系統。 本發明之另一目的係提供具有改良之低頻率效率之此一 改良分散放大器系統。

C 本發明之另-目的係提供具有改良之低頻率雜訊指數之 此一改良分散放大器系統。 稗改良分散放大器系統， 同時改良低頻率效率及雜 本發明之另一目的係提供此一 其維持系統之預先決定之阻抗， 訊指數。 本發明之另一目的係裎 ^ s 係棱么、此一改良分散放大器系統，其 一晶片提供一延伸頻寬上的更佳效能。 本發明由具有改$ 系統之實現產Γ=雜訊指數之改良分散放大器 連接至fa 了列方式達成：豸輸出終端回饋 運接至輸入傳輸電路， 3匕允卉輪出終端電阻將被增加， 而弓丨起相對於輸出終端導致 佳沿荖鈐Φ佶认 低頻率效率，輸入信號較 者輸出傳輸電路傳播， 導致輸纽抗料在—縣+〜饋連接域人傳輸電路 終端電阻增加以@ 弋位準，且進一步允許輸入 日加以減少雜訊指數，同 預先決定位準。 、吏輸入阻抗維持在一 然而，在其他實施例 月不需要達成所有此等目 139866.doc 201001903 的及其申請真λ^Αγ rst 專利軌圍不應限於能夠 方法。 夺目的之結構或 本發明特徵為 a . ^ , 為—種具有預先決定之輪入及轸ψ,, 散放大器系統， 及輸出阻抗之分 一匕3 —輸入傳輸電路、— 路、及連接在輪λ神认& 輸出傳輸電 在輪入傳輸電路與輸出傳輪 個放大器。在妗λ席认& 塔之間的至少兩 珣專輸電路上存在一輸入 :至輸人傳輪電路之輸㈣輸電路上存^ ^連接 立而，用於減少低頻率損耗同時維㈣出終 輸入阻抗。 之輸出阻抗及 在車乂佳實施例中，複數個放大器可包含 放大器可包含共射丘A放 個放大器。 ，、基放大益。輸入終端可 至接地之一輸入阻抗及—輸入 匕3串^連接 連接之—輪出阻^ Μ 終端可包含串聯 』出阻抗及-輸出電容。輸出電阻可實 預先決定之輸出阻抗。輸入電阻：：上大於 之位认丨 頂无决疋之輸出阻抗 /彳„。輸出電阻可在預先決定之輪出 十倍之範圍。輸入電阻可實質上大於預 二至- 抗，用於減少放大器系統整 、 1入阻 正趙濰甙ί日數。回饋輪夂 :被回饋至輸人傳輸電路之輸人。在輸幻幹 傳輸料之間可存在-㈣切賴W料接、輸入 【貫施方式】 除下文揭示之較佳實施例或實施例外，本發明可 :實施例，且可以各種方式實踐或執行。因此，應瞭解^ 發明並不限於下述描述或圖式中圖解陳述之元件 配置之詳細應用。如果本文僅描述—實施例，本發明申請 139866.doc 201001903 專利範圍非限於此實施例。而且，本發明申請專利範圍將 不被限制性地理解，除非存在清晰且令人信服之證據表明 一定排除、限制或放棄。 u 、圖1繪示先前技術分散放大器系統10,其包含複數個（至 乂兩個)薄片或放大器12-1至12-N，每一薄片或放大器被 ^連於一輪入傳輸電路14及一輸出傳輸電路16之間。每一 薄片或放大益12-1至12-N包含場效應電晶體（FET)18，場 效應電晶體（FET)18具有汲極2〇、源極22及閘極Μ。每一 汲極20被連接至輸出傳輸電路16，而每一閘極^被連接至 輸入傳輸電路14。每一源極22被連接至接地。輸入傳輸電 路14包含一輸入26、傳輸線28及一輸入終端3〇，輸入終端 30包含串聯連接至接地36之電阻32及電容34。輸出傳輸電 路16包含輸出38、傳輸線4〇及輸出終端&輸出終端㈣ 含串聯連接至接地48之電阻44及電容46。福電源供應器 50通常係+ 5伏特’而Vgg電源供應器52可以係」伏特，操 作在i mhg10GHz之範圍，且系統阻抗係5〇歐姆。電阻 32及44通常係50歐姆，且電容⑽仏可由三個電容器（一 10 pf、- 100 pf及-〇·〇1 μΓ電容器）所組成。與各薄片或 放大器12-1至12-Ν相關聯的寄生電容係諸如約係〇 3 ^之 電容54及狀丨Pf之電容56。傳統分散放大以統1〇之利 益之-係傳輸線阻抗40及28可被製成與寄生電容“及％平 衡以有效地變得透通。分散放大HW傳統方式操 作，輸入26移動通過輸入傳輸電路14至各種放大器或薄片 12-1至12-N至輸出傳輪電路16，其中其被加總一問題是 139866.doc 201001903 在MHz範圍中信號流動將等於輸出終端42及輸出38，因 此至多僅一半可用功率被傳遞至輸出，且另一半將被浪費 在輸出傳輸電路終端42。對於分散放大器系統之更多操作 請參見：2004年第2版本Thomas Lee的《THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS》章 節 9.7.5「THE DISTRIBUTED AMPLIFIER」；1982年 7 月 《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》 第 MTT-30 卷第 7 號第 976-981 頁 Yalcin Ayasli 等人的「A MONOLITHIC GaAs 1-13 GHz TRAVELING-WAVE AMPLIFIER」；及 1984 年 3 月《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》第 MTT-32卷第 3號第 268-275 頁 James B. Beyer 等人的「MESFET DISTRIBUTED AMPLIFIER DESIGN GUIDELINES」，該等文獻之全文以 引用的方式併入本文中。 根據本發明，圖2，分散放大器系統1 〇a包含輸出終端 42a，輸出終端42a未連接至接地，而是如48a所示，以一 反饋迴路連接回至輸入傳輸電路14a。如果此係以有大電 阻/電容組合完成，則可達成平坦增益、良好輸出返回損 耗及改良功率與效率之所要結果。電容46a阻擋施加至FET 電晶體1 8a之汲極之偏壓。電阻44a比所要預先決定之5 0歐 姆輸出負載阻抗大（例如）2至20倍，大部分功率被導引至輸 出而不是通過輸出終端42a。電容46a之一典型值與圖1討 論之相同’亦即10 pf、100 pf及0,01 μί。然而，現在電阻 44a典型範圍係自約100歐姆至10000歐姆。此導致更佳低 139866.doc 201001903 =率效率，並且回饋使得輪出阻抗大約保持在所要預先決 疋之阻抗，諸如-輸出阻抗50歐姆。此亦允許在輸入終端 3士〇a中之電阻32a被製成較大，以減少低頻率雜訊指數，同 時仍維持—所要預先決定之輸入阻抗，例如50歐姆。在此 電阻32a可在50歐姆至1〇〇〇〇歐姆之範圍，且電容 3乜再-人可係三個電容器10 Pf ' 1〇〇 pf及0.01 μί。運用本 發明獲得之改良效率及雜訊指數，分散放大器系統心可 c Λ. 伽更寬之頻率頻帶（例如，1 MHz至Π) GHz)，分散放大 益系，先10a佈置在_單一晶片上，而非兩個或兩個以上分 離电路佈置在分離晶片上以處置延伸頻帶之不同部分。輸 傳輸包路14a被稱為閘極線，輸入終端他通常可稱為間 極終端。同樣地’輸出傳輸電路—通常被稱為汲極線， 輸出終端42a可被稱為汲極終端。 U g輸出終知42a被個別繪示，且回饋電路係在 ，出終端電路16a與輸入終端電路Ma之輸入施之間，但 疋ί不疋本發明之必要限制。例如，#圖3繪示，分散放 Α °°系、、4⑽可具有連接在輸出傳輸電路16b與輸入傳輸電 路14 b之間的任—赴αχ , 』之一輸出終端電路42bb。且可存在一 個以上此類終端電路42b、42以_42匕。 儘管圖2及圖3中ρ ϋ、 已將本發明之分散放大器系統繪示為包 含複數個（兩個以上）薄片或放大器叫至12a_N，本發明 亦設想具有複數個（僅兩個）薄片或放大器A、心之 單版本，圖4。 曰 此外纟大态不必是簡單的單電晶體式放大器(如至此 139866.doc 201001903 所不）’而非可係（例如）共射共基放大器i2d、Η如，圖5， 其中在每一放大器中使用兩個？£丁 18(1及18如並且附加額 外電源供應器Vggl 6G，且當^此共射共基放大器建構或 其他放大态建構可應用於圖2、圖3及圖4繪示之兩個以上 複數個薄片或放大器實施方案。 刀政放大益之雜訊指數主要係由貢獻閘極或輸入終端電 阻器及電晶體所貢獻。在低頻率，間極或輸人終端電阻器 =熱雜訊支配電晶體之雜訊。在GHz頻率範圍，當輸二 信號被耗合至電晶體輸人時，閘極或輸人終端電阻器基本 上係透通，並且雜訊指數係由電晶體所支配。理想地，在 低頻率，意欲使閘極終端電阻器也透通。移除問題類似移 除汲極或輸出終端’其係不佳的返回損耗（return叫及增 益平坦度（gain flatness)。在一典型分散放大器中，如果^ 極或輸入終端電阻器高於50歐姆，則輸入匹配及增益平坦 度降級 '然而’根據本發明運用在祕線（輸出傳輸電路） 與閘極線（輸入傳輸電路）之間附加回饋，於低頻率輸入匹 配將係良好，同時使閘極終端電阻器增加高於1〇〇歐姆； 此將使其更接近變得透通。此較大閘極終端電阻將減少低 頻率中的整體雜訊指數。參考可明瞭本發明提供之改良效 能，圖6、圖7及圖8比較根據本發明分散放大器系統之效 能與先前技術分散放大器系統之效能。圖6係相對於輸入 功率線性輸入增加的功率輸出壓縮i dB(亦稱為}51(1"之標 繪圖。可看出，根據本發明之分散放大器系統之改良回應 相對於一傳統系統之回應72 其申從約1 0 kHz至超過1 139866.doc -10- 201001903 GHz之整個㈣存在顯著改良^圖7繪示自㈣至π犯至 之頦似改良。參考圖7，亦可看出功率附加效率 (ΑΕ)/、有優於相同頻率範圍的顯著改良，其中在η犯之 功率附加效率係藉由曲線滑示並且明顯地比一傳統系統 之回應76高自約1() kHz至超過i GHz。從圖8亦可看出亦改 至2 GHz範圍之雜訊指數，其中與一傳統系統 之回應8〇比較，本發明之分散放大器系統之雜訊指數係相 當低的，如78指示。此外，雜訊指數將保持粗略恆定，直 至達到電晶體之閃爍雜訊角頻率。 、':在些圖式中繪示本發明之特定特徵且在另一些圖 工 有B不但疋為便利起見，根據本發明僅每一特徵 ί':特人徵之「任一或所有組合。本文使用之詞「包 :」、「包含」「具有」及「具有」被廣泛全面地解釋而 限於任一實體互連。而且，太.明植一 應看作是獨特可能實施例。“之任-實施例不 ί ./ γ此^於專利f請案之履行期間對於本專利提出的任何 2盯案非對中請之中請案中提出的任—㈣之放棄；孰杰 擬定一… 地…子面意義包含所有可能均等物而 出所^杳、’在修訂案時多個均等物係不可預知的且超 出所被放棄之一定解釋(若有的話)，修訂案的原理 :擔與：個均等物無關之關係，及/或存在多個原：，不可 4望申請案描述-定無實質替代修正之任一請求項元辛 熟悉此項技術者將想起其他實施例且 圍之範_内。 n月專利範 I39866.doc 201001903 【圖式簡單說明】 圖1係先前技術分散放大器系統之概略圖； 圖2係根據本發明之一分散放大器系統之概略圖，其呈 有複數個（至少兩個）放大器/薄片連同連接至 二>、 得輸電路 之輸入的輸出終端； 圖3係類似於圖2之視圖，其圖解除至輸入傳輸兩 . 电塔之輸 入外可採用回饋輸出終端，並且存在一個以上回饋輸出終 端可被採用回饋輸出終端； 圖4係類似於圖2之視圖，具有兩個放大器； 圖5係類似於圖4之共射共基放大器之分散放大器系統之 概略圖； 圖6圖解對於先前技術分散放大器系統之相對於輸入功 率線性輸入增加的功率輸出壓縮1 dB(p丨dB)特性及根據本 發明之分散放大器系統之相對於輸入功率線性輸入增加的 功率輸出壓縮1 dB(PldB)特性； 圖7圖解先前技術分散放大器系統之功率附加效率（PAE) 特性及根據本發明之分散放大器系統之功率附加效率 (PAE)特性；及 圖8圖解先前技術分散放大器系統之雜訊指數及根據本 發明之分散放大器系統之雜訊指數。 【主要元件符號說明】 10 10b 12-1 先前技術分散放大器系統 分散放大器系統 薄片或放大器 I39866.doc 201001903 12-N 薄片或放大器 12a-l 薄片或放大器 12a-N 薄片或放大器 12c 薄片或放大器 12cc 薄片或放大器 12a-N 薄片或放大器 12d 共射共基放大器 12dd 共射共基放大器 14 輸入傳輸電路 14a 輸入傳輸電路 14b 輸入傳輸電路 16 輸出傳輸電路 16a 輸出傳輸電路 16b 輸出傳輸電路 18 場效應電晶體（FET) 18a FET電晶體 18d FET 18dd FET 20 汲極 22 源極 24 閘極 26 輸入 26a 輸入 28 傳輸線 139866.doc -13 - 201001903 30a 輸入終端 30 輸入終端 32a 電阻 32 電阻 34a 電容 34 電容 36 接地 38 輸出 40 傳輸線 42 輸出終端 42a 輸出終端 42b 終端電路 42bb 終端電路 44 電阻 44a 電阻 46 電容 46a 電容 48 接地 48a 反饋回路 50 Vdd電源供應器 52 Vgg電源供應器 54 寄生電容 56 寄生電容 60 額外電源供應器Vggl 139866.doc · 14- 201001903 72 傳統系統之回應 74 曲線 76 傳統系統之回應 80 傳統系統之回應 139866.doc -15-

Claims (1)

1. 201001903 七申清專利範園： :其::決定之輪一一之分散放大 一輸入傳輪電路； 一輸出傳輸電路； 連接在該輸入傳輸電 兩個放大器； …⑽出傳輸電路之間的至少 該輪入傳輪雷u 、 、、坪勒電路上之—輸入終端；及 連接返回至該輸入傳 回饋輸出终端，…… 輸出傳輸電路上之- 決定之輸出Mh # 羊扣耗’同時維持該預先 鞠出阻柷及輸入阻抗。 2. 如明求項丨之分散放大器系統 含兩個放大器。 干4禝數個放大器包 3. 如#求項1之分散放大器系统 共基放大器。 八中5亥放大器包含共射 》 月长項1之分散放大器，其中該輪 接至接地之_輸入電阻及一輪八電1 s端包含串聯連 5. 如請求们之分散放大器系統， 聯連接之一輸出電阻及一輸出H ^出終端包含串 6. 如請求項5之分散放大器系统， 大於該預先決定之輸出阻抗。〃〜輸出電阻實質上 7. 如請求項6之分散放大器系統，直 決定之輪出阻抗的至少兩倍。〃"出電阻係該預先 8. 如請求項7之分散放大器 其中，出電阻在該預 139866.doc 201001903 9. 先決定之輸出阻抗之兩倍至 如請求項4之分散放大器系 大於該預先決定之輸入阻抗 整體雜訊指數。 二十倍的範園。 統，其中該輪入電阻實質上 ’用於減少該放大器系統之 1 〇.如叫求項1之分散放大器系統 回饋至該輸入傳輸電路之輸入 】】·如請求項】之分散放大器系統 -、亥輪入傳輪電路之間接。 其中該回饋輪 出终端被 其中在該輪出 個以上回饋輪 傳輪電路 出終端連 139866.doc