TWI238595B - Bandpass amplifier - Google Patents

Description

1238595 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種單石微波積體電路(MjyQC)，其特別有關於一種具 有增益及帶通功效的放大H，其可用於微波到毫米波的無線通訊系統< (wireless communication system)。 【先前技術】 在微波及毫米波頻帶之間，單石微波積體電路的高整合性係被大量需求 於廣泛之應用，例如無線寬通帶系統(wireless br〇adband systems)、頻帶、 40GHz到60GHz的行動通訊系統(mobile _municati〇n辦咖）、頻帶籲 59GHz到62GHz的高速毫米波區域網路以及頻帶24GHz到77GHz的汽車 感測器(automotive sensors)。在典型的無線電收發系統中，單石微波積體電 路晶片和晶片外濾波器(filters)係被需求於獲得最大功效及最低成本。但是 包含通帶選擇濾波器及鏡像消除濾波器(image_rejecti〇n他ers)之晶片外淚 波器通常是塊狀的，且相對高價格使得成本難以降低。一般習知之帶通放.*

大器的設計概念，如由Nguyen等人發表於IEEE J.Solid-State Circuits、第·· 27期、第123-127頁、1992年1月，”一矽基雙極單石射頻帶通放大器（a別 bipolar monolithic RF bandpass amplifier) ”，其揭示通帶響應係由以附加的電 感器和基射極電容所形成的多餘(resultant)並聯共振器所造成。該通帶響應鲁 顯示中心頻率為1.5GHZ、增益為8dB以及雜訊指數為6_4dB。一互補式金 屬氧化物半導體(CMOS)帶通放大器，如由Wu等人發表於ieEE J

Solid-State Circuits、第 32 期、第 159-168 頁，1997 年 2 月，，一 3 伏特 900MHz 之互補式金屬氧化物半導體帶通放大器之設計(The design 〇f a 3_v · 900-MHz CMOS bandpass amplifier)”，藉由正回饋且提高品質因素Q的技術· 可被得頻帶869-893 MHz之間。對於全球衛星定位系統之應用，一 16GHz 之互補式金屬氧化物半導體帶通放大器，如由Hernandez等人發表於2000 Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems 5 1238595

Digest、第33-37頁、2000年4月，，-應用於全球衛星定位系統之3伏特且 1.6GHz之差動互補式金屬氧化物半導體帶通放大器電路(A 3 v，L6 GRz differential CMOS bandpass amplifier chain for a GPS receiver) “，係被設計 ‘ 出’其利用合併電感-電容(LC)共振器於沒極端以產生一通帶效應。雖然上 · 述結果成功的呈現出整合具帶通濾波器與具增益的放大器於單一晶片，但 是其頻帶的範圍被限制在數GHz的應用。在毫米波頻帶中，一種利用假型 高速電子遷移率電晶體(PHEMT)實現之帶通放大器，如由Sasaki等人發表· 於 2001 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp· Dig.、第 1〇67_1918 頁，2001 年 6月使用緊密且平坦增益的假型高速電子遷移率電晶體之2〇GHz至30 · GHz之寬通帶單石微波積體電路功率放大器(2〇-3〇 GHz broadband MMIC籲 power amplifiers with compact flat gain PHEMT cells)，，，其在通帶 20GHz 到 30 GHz之間的頻帶範圍中具有21dB的增益及22-dBm的匕犯壓縮點。一種 具有巴特沃茲(Butterworth)或柴比雪夫(Chebyshev)濾波器形式的4GHz低通 放大态係被揭示於由Rooney等人所發表之2002 IEEE MTT-S Int.

Microwave Symp· Dig·、第 1915-1918 頁、2002 年 ό 月，，一應用於設計多頻， f之寬通V微波放大器之滤波器合成技術(A filter synthesis technique . applied to the design of multistage broadband microwave amplifiers) ”。 見於美國專利第4,984,292，頒給Millen，標題為“帶通放大器及使用帶通 放大器的接收器（5奶办⑽明er and receiver using ό咖· amp/诉er)”，其揭示一種主動帶通放大器。該主動帶通放大器其包含一單級 運算放大器，一在於該放大器的負回授路徑之橋式(bridged)T型網路單頻消 除慮波益，及一相移校正電容，其連接於橋式(bridgedyp型網路單頻消除滤 波器以影響一足夠相位移動量以維持一適當的回授，使得該放大器係能穩 定。關於在積體電路中之電路能力與相移量之該橋式(bridged)T型網路單頻、 消除遽波器產生一相移’以造成該放大器振|，當該網路被置於回饋路徑， 且校正電容影響一校正相位變動以提供放大器的穩定。如此的帶通放大器 提供一高增益且高品質因素，且該增益高於傳統信號的放大器。該傳統單 級放大器之增益典型近似於5且品質因素近似於25。在本發明中之帶通放 1238595 大器’能貫現增盈高於ίο且相當高的品質因素。這樣的一個放大器有利於 用在接收機及^號系統。在該接收器用於一信號系統中的一部分時，該接 收器的咼增盈能力在一個微小環境中特別有利。又如美國專利第 、 20030184378，由Segawa申請，標題為“具有通帶選擇性之混頻器及差動放· 大 ασ {Mixer and differential amplifier having bandpass frequency selectivity) ’’，其揭示一種使用簡單電路結構形成的混頻器及差動放大器,， 因此這樣的截止頻率能夠簡單的被改變。每一個混頻器及差動放大器各包 含-個N型金屬氧化物半導體電晶體，其中_L(>信號及_L〇+信號分別-由本地振盪器輸入至N型金屬氧化物半導體電晶體，且兩個平行共振電· 路，其中母一個皆作為輸出負載且其包含有一主動電感、電容以及電阻。 然而’在先前的技術中，沒有任何單晶片帶通放大器設計在微波到毫米波_ 的頻帶之間。繁於以上問題，有需要提供一種新型放大器或濾波器結構， 其可克服先前技術的缺點。 【發明内容】 本發明之目的在提供一種帶通放大器，其製作於單一晶片上且可用於微I· 波至毫米波頻帶。 本發明之另一目的在提供一種具有正增益之濾波電路，其製作於單一晶 片上且可用於微波至毫米波頻帶。 本發明之又一目的在提供一種不須使用被動帶通濾波器之射頻接收修 機’因此可以減少晶片尺寸及製造成本。 為達上述及其他目的’本發明提出一種二端(three terminals)放大器，具 有一贡通特性。該放大器包含一輸入匹配單元；一第一偏壓單元，電性地 連接至該輸入匹配單元；一增益級，電性地連接至該第一偏壓單元；一第 、 一偏壓單元，電性地連接至該增益級；及一輸出匹配單元，電性地連接至 該第二偏壓單元。 · 該輸入匹配單元係用於匹配該放大器之增益且具有一第一濾、波之特 性。該第一偏壓單元係用於驅動該放大器之第一端且具有一第一高通濾波 7 1238595 Π。該職域用於提供該放大器之平坦增益。該第二偏堡單元係用 ;驅該放大為之第_端且具有一第二高通遽波之特性；及 配⑽ 元係用於匹配該放大器之增益且具有波之特性。出匹配早 根據本發明之放大器之—特徵，其中該第—驗之特性 f Ϊ之躲，域第二波之特⑽為-第二低職波之娜，且該輸i 配早兀與該輸出匹配早凡係分別為包含電感器與電容器之—第— 網=與-第二τ型網路，其係用於匹配該放大器之增益，且 一濾波之特性與一第二濾波之特性。 ,弟 根據本發明之放大器之_特徵，其中該第—驗單元與該第 係分別為包含電感器與電容器之K型網路與_第4_路，= ^=動2放大器之第-端與第二端，且分別具有—第_高職波之特性 與一第一局通遽波之特性。 為達上述及其他目的，本發明另提出一種具有一增益之遽波器電路。該 濾、波器電路包含-第-τ型網路；―第―L型網路，地連接至該第一 T型網路；-第二L型網路；_第二τ型網路，連接至該第二[型網路； 及-三端放大裝置，具有-第_端電性地連接至該第_ l型網路，一第二 端電性地連接至該第二L型網路H三端連接至—接地面，其係用: 提供該帶通電路之平坦增益。該第_ τ型網路包含—具有第—低通渡波器 特性之電感器及電容器。該第—L型網路包含—具有第_高通舰器特性 之電感器及電容ϋ。該第二L型網路，包含-具有第二高通濾波器特性之 ，感器=電容ϋ。該第二Τ型網路包含—具有第二低通濾波器特性之電感 器及電容器。該三端放大裝置係用於提供該帶通電路之平坦增益。並且， 該第- Τ 鱗與該帛二τ型匹隨放Α裝置之增益且該第—l型網路驅 動該放大裝置之第一端且該第二L型網路驅動該放大裝置之第二端。 為達上述及其他目的，本發明又提出一種接收機，其包含一天線，一第 一啰通放大器，一具有本地震盪器之混頻器，一第二帶通放大器，及一選 擇接收特殊信號之檢波器。其中根據本發明之該第一及第二帶通放大器皆 1238595 包含-輸人匹配單it;-第-偏壓單元，電性地連接至該輸人匹配單元； -增益級，電性地連接至該第-偏壓單元；一第二偏壓單元，電性地連接 至該增益級；及一輸出匹配單元，電性地連接至該第二偏壓單元。 【實施方式】 雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明 者係為本發明可之紐實關，並請了解本文所揭*者係考量為本發明之 -範例，且並«圖肋將本發赚制於圖示及域所描述之特定實施例中。 為了了解本發明之精神，傳統技術之單級放大器係先介紹。請參考第 π圖’其顯不-傳統單級放大器之構造圖。該放大器3〇〇主要包含一輸入 匹配皁7G 310 ; -偏壓單元32〇 ; _增益級33()及一輸出匹配單元。該 輸述配單元310與該輸出匹配單元34〇係用於匹配該增益級33〇之增益， ^係以傳輸㈣實現，其傳輸狀設計參數獅史_圖(3祿—)所計 算。該增益級330及-輸出匹配單元34G。該偏壓單元32() 於鷄該放 大器300於適當偏壓條件，且在該偏壓單元32〇之一電容器322係用於直 ^^^(blocking) 324#^^^^&p.(ch〇cMng^ 0 根據本發明，-具有帶賴波！!之增益放Α||之整合係由於將該匹配網 路以-低通紐器處理且將該偏壓網路以_高通濾、波器來處理。現請參考 第1圖，其係顯不根據本發明第—實施例之單級帶通放大器之構造圖。該 放大器5其包含-輸人匹配單元1() ; _第_偏壓單元⑼，電性地連接至該 ^匹配單元；-增益級3G，雜鱗接㈣第_偏壓單元；—第二偏壓 單元4〇，電性地連接至該增益級；及—輸出匹配單ϋ電性地連接至該 第二偏壓單元。 名輸入匹配單元10係用於匹配與最大化(⑽心㈣該放大器之增益且 具有-第-低通舰之特性。該第一偏壓單元20係用於驅動該放大器之第 j(terminal)且具有-第_高通濾波之特性。該增益級3〇係用於提供該放 大印之平:t—增I 4第_偏壓單元4G _於驅動該放大器之第二端且具有 1238595 二第二高通紐之特性；及該輸组配單元5()係祕匹配與最大化該放大 器5之增益且具有一第二低通濾波之特性。 。需注意該使用低通T型結構之輸人匹配單元㈣選用以得到該帶通放 大器5之輸人增迦配與最尬且使之產生—第―低補波響應。接續的 該第-偏解元20是飢鶴騎職A|| 5至適#偏壓條件且不改動射 頻信號傳輸，並且其濾、波特性係具有—第一高通濾波響應。因此，串接該 輸入匹配單元1G之該第-低通舰響應及該第_偏壓單元％之該第一高 通響應2卩產生-第-帶通響應。同理的方式應用至該輸出匹配單元％及該 第二偏壓單元40中，且串接該輸出匹配單元5〇之該第二低通遽波響獻 該第二偏壓單元⑽之該第二高通響應即產生—第二帶通響應。需注意該第 一帶通響應之中心頻率及該第二帶通響之中心頻率須達到一致，當入 匹配單元10之該第一低通響應並不限於與該輸出匹配單元5〇之第二低通 響應相同，且麟-偏鮮元2G之該第-高通響應不限於與該第二偏壓單 元40之第二高通響應相同。所以，該帶通放大器5之帶通濾波轉應在通 帶邊緣具有複數個傳輸零點以造成高衰減率及寬截止帶。該增益級3〇之設 汁在於提供該通帶範圍上之平坦增益。在該增益級3〇中，該電路係適當地 最佳化以提供低雜訊、中等至高增益或高輸出功率。 因此該帶通放大器5可看作為一濾波器鍊，其係由多重濾波器單元，例 如該輸入匹配單元10，該第一偏壓單元20，該第二偏壓單元4〇及該輸出 匹配單元50，等疊接而成。根據New York，McGraw Hill，1980，作者為G L· Matthaei ’ 書名為 “Microwave Fiiters，Impedance-Maching Netwwks _

Coupling structures”所提到之鏡像參數濾波器法可用於決定該輸入匹配單 元1〇，該第一偏壓單元20，該第二偏壓單元4〇及該輸出匹配單元5〇之組 成疋件，此係由於其具有簡化一高階濾波器為數個初級濾波晶胞的優點， 以至於其特性可由所有晶胞的矩陣乘積得到。 現請參考第2圖，其顯示根據本發明第一實施例中，第1圖之該輸入匹配 單元10之等效電路。該輸入匹配單元1〇係為一包含電感器，£^2及電容器 1238595 /…值仔“的疋，該弟—τ型網路之輸入及輸 如仏、，其表示錄人匹配單元1Q之左右部分之·阻抗％ === ，通滅波響紅截止角頻率及吻係為該第一低賴波響應之傳輸零點之 角頻率’其由該第一τ都綱敗夕光窗絲a 士 …' 表不成· ω〇Τ = 1 ^{Lx+L2)C2 (1) ωζΤ = 1 V^2^2 ⑺ 在第丁型網路中，為該電感器Li、L2之電感值與該電容器Cl之電容值 可由該第-低職、波雜之截止鮮及傳輸零點之辭，與—第―鏡像阻 抗所決定。第-T型網路之該第一鏡像阻抗匹配了該第一丁型網路之輸入及 輸出阻抗以達到該帶通放大器5之增益。 該傳輸零點之存在係特別有用於加強該帶通放大器之止帶衰減率。因此 該傳輸零關率~可選擇#近該截止解•减生大鮮的轉變或是選 (3)

擇干擾存在之辭。鋪止頻和滅傳輸零點鮮啦可表示成—因子卿： mT 為了匹配該放大器5之增益去同時滿足輸入及輸出端條件，Ζ01必須等 於該輸入匹配單元10之輸入阻抗4且z。2亦需等於該輸入匹配單元1〇之 輸出阻抗zout。因此，所謂的第一鏡像阻抗可以該式表示之： Z, ⑷ 其中$ σΓ

iT

係為直流之鏡像阻抗。由方程式(1)到(4)，該電路單元 可由ωα ωζΓ及及#計算之，其表示為： 11 1238595

L 1 =mT ω〇τ (5) l2 一 1 - mT RnT mT ωοτ ⑹ C2 = 1 =^r—— ⑺ ① cT^oT ι參照第3圖，根據本發明之第—實_卿為f i圖巾之該第一偏壓 〇之等效電路。該第-偏壓單兀2()係為-包含該電❹L3、電容器 =C4之第-L型網路，其係驅動該放大器之第—端且具有該第一高 〜波之特性。需注意的是’該第—L型網路之輸入端之阻抗π。〗及輸出 4之阻抗Z，Q2 ’表示該第—偏壓單元2G之左右部分之等效阻抗。在該第一 型網路之該電« 電紐及該電容器Q之電容值，係由在該 L型網路之該第一高通濾波特性之截止頻率叫及傳輪零點之頻率咐，與 一第二鏡像阻抗所共同決定。且^^可以表示成： ω^ίΐ¥ΐ} ⑻ ω

zL (9) 該第-L型網路之該第二鏡像阻抗匹配至該第_L型網路之輸入及輸出 P且抗以驅動該放大器之第—端UO別域第—高通濾波響應之截 止角頻率及傳輸零點角頻率，由該第一L型網路之分支上的串聯共振所產 生。該傳輸零點畴在係制有麟加強該帶通濾波&之止帶衰減率。該 截止頻率〇^L及傳輸零點頻率可表示成一因子饥^ : mL=^T-〇)2cL/co2zL (1〇) 為了匹配該放大态5之增盈，Z’0l必需等於至該第一偏壓單元2〇之輸 入阻抗z，out a z，02必需等於至該第-偏壓單元20之輸出阻抗z，⑽。因此別 所謂的第二鏡像阻抗心可以表示為： 12 1238595 7j in out = ^iL - 及' 1 ο V ω：τ 其中= 係為直流之鏡像阻抗。由方程式(8)到(li) ’該電路單元可由 ®cL，C〇zL及尺^計算之，其表示為： Q : 1 1 mL COcL^oL (12) Q: mL 1 _ l - m2L 〇)cLRoi (13) - 1 R〇l :----- mL co〇l (14) • 該增益級30係被設計於能夠在所希望的通帶範圍内提供平坦的增益。該 增益級的電晶體形式可以被下列種類實現：雙載子電晶體(BJT)，異質接面 雙載子電晶體(HBT) ’局電子移動率電晶體(HEMT)，假型高電子移動率電 晶體(PHEMT)，互補式金屬氧化半導場效電晶體(CM0S)以及側面擴散式金 ’ 屬氧化半導場效電晶體(LDMOS)。其中，假型高電子移動率電晶體係適用·-於微波至釐米波範圍的該增益級30。用於該帶通放大器5之半導體基板材料 包含有：矽、絕緣層上矽(soi)、矽鍺化合物(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦 (InP)與矽鍺-碳化合物。該增益級30較佳係以製作在Ai4n_GaAs化合物基板着 之電阻性並聯回授假型高電子移動率電晶體來設計。該增益級3〇可以是一 級或是多級電晶體組成，主要是由所需要的增益值來決定。在本較佳實施 例中，由該第-偏壓單元2〇驅動的該帶通放大器5的第一端係為閘極且由該 第二偏壓單元40驅_該帶通放大n5的第三端係為錄，_以上並未限* 定而是由放大器的設計需求所決定。 . 現請參考第-圖，該帶通放大器5具有一電阻性並聯回授網路，其中該 電容32係用於汲極至閘級的直颇隔，且其與電㈣之組合提供示當的回 授相位。該帶通放放大器5實際上會包含多個回授路徑。其中之一係經由電 13 1238595

容32、電感34與電阻36的外部回授路徑 回授路控：。該異右炙

回义位該具有多回授路控的帶通放大器$，其源極與負載的阻抗分別為 心s與^，且其散射參數可由小訊號模型與心參數％^所推 ^02L [(1 + , )(1 + ^22 ) - S]2S2{] (l^Sn)(^S22) + Sl2S2l (11) 該輸出匹配單元50之等效電路係近似於第2圖巾該輸人匹配單元1〇之等 放電路.亥輸出匹配單元5〇係為一包含電感器及電容器之一第二丁型網路， 其可達到随與最大傾放A||5之增益且具有該第二低誠波響應。在第 T型網路巾’為該賴||之電感值與該電容器之電容值可由該第二低通渡 波特性之截止辭及傳輸零點之解，與1三鏡雜抗所決定。第二丁型 j路之該第三鏡像阻抗匹配了該第二丁型網路之輸入及輸出阻抗以達到該 贡通放大器5之增益。值得注意的是，該輸入匹配單元1〇與該輸出匹配單元 50亦可以設計成具有帶通濾波的響應，雖然會增加更多的組成元件，如更 夕的電谷器與電感器等。而為了達到帶通濾波的響應 ，該輸入匹配單元10 與該輸出匹配單元_組成元件亦域容器與電感器，且該賴器之電感 值與該電容m容值可㈣想要之帶通航特性讀止解及傳輸零點 之頻率，與對應的鏡像阻抗所共同決定。 該第二偏壓單元40之等效電路係近似於第2圖中該第一偏壓單元2〇之等 政電路。該第一偏壓單元4〇係為一包含電感器及電容器之一第二l型網路， 其可驅動該放大器5之第二端且具有該第二高通濾波響應。在第二[型網路 中’為該電感器之電感值與該電容器之電容值可由該第二高通濾波特性之 截止頻率及傳輸零點之頻率，與一第四鏡像阻抗所決定。第二L型網路之該 第四鏡像阻抗匹配了該第二T型網路之輸入及輸出阻抗以驅動該帶通放大 器5之第二端。 先請參考第4圖，其顯示根據本發明第二實施例之兩級帶通放大器之構 14 1238595 造圖。該帶通放大器105包含一輸入匹配單元11〇 ; 一第一偏壓單元丨加，電 性地連接至該輸入匹配單元110 ; 一增益級13〇，電性地連接至該第一偏壓 單儿120 ; 一第二偏壓單元140，電性地連接至該增益級130 ;及一輸出匹配 單元150:電性地連接至該第二偏鮮元14〇。在第獨中的該輸入匹配單元 110、該第一偏壓單元120、該第二偏壓單元14〇與該輸出匹配單元15〇係近 似於在第1®巾的該輸人匹配單元1G、該第—偏壓單元Μ、該第二偏壓單元 4〇與該輸出匹配單元5G。該第—實施例與第二實施例的主要差別係該增益 級13〇具有兩增益級132與I%喊得高通帶增益。該帶通放大㈣5可以用 傳輸矩陣的乘積來表示： [Thndpass amp = (12) 其中咴，心—卿，I”，[Γ]㈣，吨，& 別為該輸入匹配單元110、該第一偏壓單元12〇、該增益級ΐ32、ΐ34、該第 二偏壓單元140與該輸出匹配單元15〇的傳輸矩陣。 在本發明的-具體實施例中，根據本發明的一個兩級的帶通放大器係設 計在2〇到4〇GHz範圍有一個浦的通帶，並具有抑制在7及57GHz的 非理心的干擾。該π通放大器准許在該設計的通帶邊緣頻率範圍為Μ到 4〇GHZ。其低截止頻率係選擇在18GHz且高截止頻率選在44服。其傳輸 零點的，率正確地選擇落在丨8驰錢57服。鱗輸人匹配單元以及輸 出匹配單元之〇·64及mi=G 92係被設定。在巾^解㈣qgHz，所有 的輸匹配單元、輸出匹配單元以及偏壓單元係皆5⑽匹配，因此根據方 程式(4)及(11)得到凡成3沿以及^62 5Ω。接著根據方程式⑺到⑺， 具有m尸〇.64的輸入匹配單元u〇 _總元件值可以估算上产〇16沾、 Α 〇·23 nH及q— 0.033 pf。同樣地根據方程式(13)到(15)，第一偏壓單元 ^元件值為有C3-0.153 pF、C4= 0.86 pF以及i4=() 6G nH。串聯兩個阻 抗回授的假型高電子移鱗電晶雜ΗΕΜΤ)作為增益級能提供足夠的增 益。 在本無明的-具體實施例中，根據本發明的一個兩級的帶通放大器係被 15 1238595 5又汁與製造。現在請參照圖5，其顯示使用理想集總式元件之雙級帶通放大 器之功率增益(Sn)與插入損特性(Su與S22)，其中角頻率等於2 7Γ乘上頻率， 亦即ω==2ττ/。禁止帶的傳輸零點如要求地出現在7以及57GHz。其通帶增 益在20到4〇GHz為l5.4dB並具有土 1.4dB的增益漣波。為了實現單石微波 積體電路，該集總式電感通常以具有高阻抗短路微帶線來實現，其電子長 度θ== 2 tan·1 (ωΖΖ/〇，以及該集總式電容通常以放射狀的開路樁來取代，在 這Θ係微帶線的電子長度，Zh係高阻抗微帶線之阻抗值。然而，集總式電 感亦能以其他集總形式，例如螺旋電感來實現，以及集總式電容亦能以其 他集總形式，例如指插式電容或是金屬-絕緣_金屬的絕緣電容器(MM)來實 現。此外，佈局寄生效應，如微帶線τ型接面、轉折以及穿孔連接亦被考 慮。整體電路係被最佳化來實現所設計的通帶增益及禁止帶的衰減。藉此， 根據發明之兩級帶通放大器係被製造。製造所用之半導體基板係為 AlGaAs/InGaAs/GaAs化合物。假型高電子移動率電晶體元件(ρΗΕΜΤ)係用 來作增证級，其中在2V;及極偏壓時，該元件大致上具有超過1〇〇GHz之單 位電流增益_止辭⑹，與超過25GGHz的最大振麵特_)。實作後 之該帶通放大器之晶片尺寸為3xl mm2。 現在請參照第6圖、第7圖與第8圖，其分別顯示根據本發明第二實施 例之雙級帶通放大器之功率增益(p〇wer gain補插入損 、insertion loss)、輸 入返回損(input return l〇ss)與輸出返回損(〇utpm retum i〇ss)之模擬與實測 圖。模擬結果顯示從20到40 GHz具有良好的帶通特性，其通帶增益為 13.9土0.7dB且其返簡失大於祕。模擬賴止帶衰減量在驗以下係 4 dBc且及k 57到75 GHz係64-dBc。實際量測結果顯示從2〇到4〇 〇Ηζ 該通帶增益係14細dB，而織係略小於模擬值…個低頻侧邊的 2輸零點⑺楚地洛在7GHz ’其與難值相符。高侧邊的兩個傳輸零點之 夏測值分別在62以及75 GHz，與模擬值略不_致。儘管不_致，從2到 9GHz以及從57到75GHz，該等傳輸零點有效地給予禁止帶5邊的衰 減，此與模擬的酬非常—致。實__簡失大社無擬值有相 16 1238595 觸塾的dB。這應是操作晶圓上制時，探針尖端接觸及接 見在請參照第9圖，其顯示根據本發明第二實施例之雙 7雜訊指數(nGise %ure)之模擬與實麵。該實際量測的雜訊 " 至,H〇GHz係在2·7到3.她的範圍内，稍高於模擬值。因此可以 ^庙根據本發明之帶通放大討、具有低_減，極適合於低雜訊放大 斋的應用。 在過去，射頻被動濾波器係由電容器、電感器、電阻器之組合來構成， 而已傳輸線的方式來實現。射紐誠波器只有造成損失且其增益少· dB。為了得到正的增益，射頻被域波器_般皆會配合_微波主動積體電 路來得到增益響應與最減本。軸本發明之帶通放大 電路元件，須注意的是本發明之第—實施例亦可當成一個做:單== 有正增益響應之主動濾波器。 現請參考第帽，其係不須被動帶通紐器之—接收機。該接收機2〇〇 包含-天線21G、-第-帶通放大n，、—具有本地震盘器鳩之混頻器 230 第一 f通放大器250與用於決定一特定信號是否接收之檢測裝置260 所接收，，其中該第一帶通放大器220與該第二帶通放大器25〇係根據本發 明之實施例所述之帶通放大器。信號由天線210所接收並通過該第一帶通放 大器220。經過濾波且放大之信號進入該混頻器23〇，且由該本地震盛器24〇 所產生之一本地震盪信號所混頻而得上通帶信號與下通帶信號。該上通帶 信號接著被該第二帶通放大器250所濾波及放大。該第二帶通放大器25〇之 輸出被檢測裝置260所接收並檢測已進入後續的信號處理元件。 根據本發明之較佳實施例，該帶通放大器之優點係其可製作於單一晶片 上且可用於彳政波至宅米波頻帶，因此本發明能有效降低晶片尺寸與製作成 本0 該帶通放大器之另一優點係該帶通放大器之濾波響應可以被精確地預 測，此係由於電感器之電感值與電容器之電容值係以封閉形式(cl〇sedf〇rm) 表示。 17 1238595 该帶通放大器之另一優點係該帶通放大器之其傳輸零點的頻率可以落 在所想要的位置以加強該帶通放大器之止帶衰減。 該τ通放大ϋ之另-優點係提供—種具有正增益之濾波電路，其製作於單 一晶片上且可用於微波至毫米波頻帶。 雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何 熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與 修改。如上述的解釋，關於每一層之金屬片之相對位置與距離、耦合電 谷之耦合量控制以及傳輸零點之位置控制等等都可以作各型式的修正 與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之 申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本 發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。 第1圖顯示根據本發明第一實施例之單級帶通放大器之構造圖； 第2醜示根據本發明第一實施例之第„圖中，該輸入匹配單元之等效 電路圖； 第3圖顯示根據本發明第一實施例之第一圖中，該第一偏壓單元之等效 電路圖； 第4圖顯示根據本發明第二實施例之雙級帶通放大器之構造圖； 第5圖顯π使用理想集總式元件之雙級帶通放大器之功率增益與插 損特性； 第6圖顯示根據本發明第二實施例之雙級帶通放大器之功率增益之 擬與實測圖； ' 第7圖顯不根據本發明第二實施例之雙級帶通放大器之輸入返回損 (input return loss)之模擬與實測圖； 、 第8圖顯示根據本發明第二實施例之雙級帶通放大器之輸出返回損之 18 1238595 模擬與實測圖； 第9圖顯示根據本發明第二實施例之雙級帶通放大器之雜訊指數之模 擬與實測圖； 第10圖係不須被動帶通濾波器之一接收機；以及 第11圖顯示一傳統單級放大器之構造圖。 圖號說明： 5放大器 10輸入匹配單元 20第一偏壓單元 30增益級 32電容 34電感 36電阻 40第二偏壓單元 50輸出匹配單元 105放大器 110輸入匹配單元 120第一偏壓單元 130增益級 132增益級 134增益級 140第二偏壓單元 150輸出匹配單元 200接收機 210天線 220第一帶通放大器 230混頻器 240本地震盪器 250第二帶通放大器 260檢測裝置 300放大器 310輸入匹配單元 320偏壓單元 322電容器 324電感器 330增益級 340輸出匹配單元 19

Claims (1)

1238595 拾、申請專利範圍： 1.一種三端放大器，具有一帶通特性，其包含： =輸入匹配單元’制於匹g谋放A|§之增益且具有U波之特化 -第-偏壓單元，電性地連接錢輸人匹配單元，其制於驅動該放大 姦之第一端且具有一第一高通濾波之特性； -增益級’紐連接至該第—碰單元，其制於提縣放大器之平 坦增益； -第二偏壓單元，電性地連接至該增益級，其制於驅麟放大器之第 二端且具有一第二高通濾波之特性；及 輸出匹配單元，電性地連接至該第二偏壓單元，其係用於匹配該放大 器之增益且具有一第二濾波之特性。 2·如專利申睛範圍第1項之三端放大器，其中該輸入匹配單元係為包含 電感器與電容器之一第一 τ型網路，其係用於匹配該放大器之增益且具有 該第一濾波之特性。 3·如專利申請範圍第2項之三端放大器，其中該第一濾波之特性係為一 第一低通濾波之特性，且在該第一 T型網路中，該電感器之電感值及該電 各器之電容值係由該第一低通濾波特性之截止頻率及傳輸零點之頻率，與 一第一鏡像阻抗所決定。 4·如專利申請範圍第3項之三端放大器，其中該第一 τ型網路之該第一 鏡像阻抗係匹配至該第一 T型網路之輸入及輸出阻抗以匹配該放大器之 增益。 1238595 5·'如專利申請範圍第丨項之三端放大器，其中該第一偏壓單元係為包 感器及電容器之K型網路，其伽於驅動該放Ail之第—端且呈 該第一高通濾波之特性。 /、 6.如。專利中請範圍第5項之三端放大器，其中在該第一 l型網路中，該 電感為之賴值及電容器之電容值係由係該第—高通濾波器特性之截止 頻率及傳輸零點之頻率，與該第—L型網路之_第二鏡像阻抗所決定。 7·如專利申請範圍第6項之三端放大器，其中該第一 L型網路之第二鏡像 阻抗係匹配至該第-L型網路之輸人及輸&阻抗以驅動該放大器之第一 端0 8.如專利巾請範圍第丨項之三端放大n，其中該輸出匹配單元係為包含電 感器及電容器之一第二T型網路，其係用於匹配該放大器之增益且呈 第二濾波之特性。 ' Λ 9·如專射請範圍第8項之三端放大n，其中該第二系皮之特性係為一第 二低通濾波之特性，且在該第二Τ型網路中，該電感器之電感值及該電容 器之電谷值係由該第二低通濾波器特性之截止頻率及傳輸零點之頻率，與 一第三鏡像阻抗所決定。 10·如專利申睛範圍苐9項之二端放大器’其中該第二丁型網路之第三鏡 像I1 且抗係匹配至該第一 Τ型網路之輸入及輸出阻抗以匹配該放大器之增 益。 曰 21 1238595 11.如專利申請範圍第1項之三端放大器，其中該第二偏壓單元係為包含 電感器及電容器之一第二L型網路，其係用於驅動該放大器之第二端且具 有該第二高通濾波之特性。 12·如專利申請範圍第11項之三端放大器，其中在該第二L型網路中，該 電感器之電感值及該電容器之電容值係由該第二高通濾波器特性之截止 頻率及傳輸零點之頻率，與一第四鏡像阻抗所決定。 13·如專利申請範圍第12項之三端放大器，其中該第二L型網路之第四鏡 像阻抗係匹配至第二L型網路之輸入及輸出阻抗以驅動該放大器之第二 端。 14·如專利申請範圍第1項之三端放大器，其中該增益級係為一假型高速 電子移動電晶體。 15.—種具有一增益之濾波器電路，包含·· 一第一 T型網路，包含一具有第一濾波器特性之電感器及電容器； 一第一L型網路，電性地連接至該第一丁型網路，包含一具有第一高通 濾波器特性之電感器及電容器； -第二1^_路’包含—具有第二高通濾波n特性之電㈣及電容器； -第二T型網路’連接至該第二[型網路，包含—具有第二纽器特性 之電感器及電容器；及 一三端放大裝置，具有一第一端電性地連接至該第一L型網路，一第二 端電性地連接至該第二L型網路，且一第三端連接至_接地面，其係用於 提供該帶通電路之平坦增益； 22 1238595 其中 該第一T型網路與該第二T型匹配該放大裝置之增益；且 該第一L型網路驅動該放大裝置之第一端且該第二L型網路驅動該放大 裝置之第二端。 μ 16.如專利申請範圍第15項之具有一增益之濾波器電路，其中該第一濾波 之特性係為一第一低通濾波之特性，且在該第一 τ型網路中，該電感器之 電感值及該電容器之電容值係由該第一低通濾波特性之截止頻率及傳輸 零點之頻率，與一第一鏡像阻抗所決定。 17·如專利申請範圍第15項之具有一增益之濾波器電路，其中在該第_l 型網路中，該電感器之電感值及該電容器之電容值系由該第一高通渡波特 性之截止頻率及傳輸零點之頻率，與一第二鏡像阻抗所決定。 18·如專利申請範圍第15項之具有一增益之濾波器電路，其中該第二溏波 之特性係為一第二低通濾、波之特性，且在該第二T型網路中，該電感器之 電感值及該電容器之電容值系由該第二低通濾波特性之截止頻率及傳輸 零點之頻率，與一第三鏡像阻抗所決定。 19·如專利申請範圍第15項之具有一增益之濾波器電路，其中在該第二乙 型網路中，該電感器之電感值及該電容器之電容值系由該第二高通遽波特 性之截止頻率及傳輸零點之頻率，與一第四鏡像阻抗所決定。 20.如專利申請範圍第15項之具有一增益之濾波器電路，其中該三端放大 裝置係為一假型高速電子移動電晶體。 23 1238595 種^接收機’其包含—天線’―第—帶通放大器，—具有本地震盡器 之此頻器’-第二帶通放大器，及__選擇接收特殊信號之檢波器， 其中該第一及第二帶通放大器皆包含： =輸述配單元，伽祕輯放All之增Μ具有波之特性; 一第-偏壓單元，電性地連接至職人匹配單元，其侧於驅動該放大 器之第一端且具有一第一高通濾波之特性； -增益級，概地連接第__單元，其制於提傾放大器 坦增益； 山第一偏壓單％ ’電性地連接至該增益級，其細於鶴該放大器之第 二端且具有一第二高通濾波之特性；及 押-輸出匹配單元，電性地連接至該第二偏壓單元，其_祕配該放大 器之增盃且具有一第二濾波之特性。 請顧第21項之接收機，其中該輸入匹配單元係為包含電 in谷為之第一τ型網路，其係用於匹配該放大器之增益且具有該 二波之特性，且其中該輸出匹配單元係為包含電感器與電容器之一第 - 51網路’其係用於匹配該放大器之增益域有―第二濾、波之特性。 23=專/Γ嫌圍第21項之接收機，其中該第一紐之特性係為一第 一低通纽之雜，且該第二濾波之触係為1二倾舰之特性。第 範圍第23項之接收機，其中在該第一 τ型網路中，剛 電容值箱轉—低«麟性之截止頻= 傳輸零點之頻率，與-第一鏡像阻抗所決定，且在該第二Τ型網路中，該 24 1238595 電感器之電感值及該電容器之電容值係由該第二低通濾波特性之截止頻 率及傳輸零點之頻率，與一第三鏡像阻抗所決定。 25.如專利申請範圍第24項之接收機，其中該第一 τ型網路之該第一鏡像 阻抗匹配至該第一 Τ型網路之輸入及輸出阻抗以匹配該放大器之增益，又 該第二Τ型網路之該第三鏡像阻抗匹配至該第二τ型網路之輸入及輸出 阻抗以匹配該放大器之增益。 26·如專利申請範圍第21項之接收機，其中該第一偏壓單元係為包含電感 器及電容器之一第一 L型網路，係用於驅動該放大器之第一端及具有該第 一高通濾波特性，且該第二偏壓單元係為包含電感器及電容器之一第二L 型網路，係用於驅動該放大器之第二端及具有該第二高通濾波器特性。 27.如專利申請範圍第26項之接收機，其中在該第一 l型網路中，該電咸 器之電感值及該電容|§之電容值系由該第一高通濾波特性之截止頻率及 傳輸零點之頻率，與一第三鏡像阻抗所決定，且在該第二乙型網路中，該 電感器之電感值及該電容器之電容值係由該第二高通濾波特性之截止= 率及傳輸零點之頻率，與一第四鏡像阻抗所決定。 28·如專利申請範圍第27項之接收機，其中該第一 l型網路之該第一鏡像 阻抗匹配至該第一 L型網路之輸入及輸出阻抗以驅動該放大器之第一 端，又該第二L型網路之該第四鏡像阻抗匹配至該第二l型網路之輪入 及輸出阻抗以驅動該放大器之第二端。 25 1238595 29.如專利申請範圍第21項之接收機，其中該增益級係為一假型高速電 子移動電晶體。 26