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TWI509985B - Ultra - Wideband Low Noise Low Power Loss Amplifier Circuit - Google Patents

Ultra - Wideband Low Noise Low Power Loss Amplifier Circuit Download PDF

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TWI509985B
TWI509985B TW102129301A TW102129301A TWI509985B TW I509985 B TWI509985 B TW I509985B TW 102129301 A TW102129301 A TW 102129301A TW 102129301 A TW102129301 A TW 102129301A TW I509985 B TWI509985 B TW I509985B
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Univ Nat Chi Nan
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Description

超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路
本發明是有關於一種放大器電路，特別是指一種應用於射頻接收機中的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路。
由於現今無線通訊的蓬勃發展，對於訊號及資料的接收與傳輸需求日益增加，在一般的射頻(Radio Frequency)接收機中，放大器通常為第一級的元件，用以降低雜訊及放大訊號以供後續使用，而如何有效提升放大器增益(gain)、降低放大器功率損耗(Power Consumption)、降低雜訊，則為目前研究的首要目標之一。
於文獻「C. Y. Cha, S. G. Lee “A Low Power High Gain LNA Topology”, 2nd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), PP.420-423,2000.」提出一種疊接放大器，但其缺失在於放大器增益及功率損耗不能同時兼得，當增益提升時會導致功率損耗亦大幅增加。
於文獻「Yueh-Hua Yu; Wei-Hong Hsu; Chen, Y.-J.E.; ”A Ka-Band Low Noise Amplifier Using Forward Combining Technique”, Microwave and Wireless Components Letters, IEEE Volume: 20, Jssue: 12 Digital Object Identifier: 10.1109/LMWC.2010.2085425 Publication Year: 2010, Page(s): 672-674」提出一種疊接放大器，其缺失在於正導向耦合對(Forward Combining)技術中，無法依靠單一電感及單一電阻來達到相位轉移之精準性。
習知的放大器中亦有藉由使用多個電源來提升放大器增益的技術，然而同時使用多個電源同樣會導致功率損耗增加的問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種有效提升增益的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路。
於是本發明超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，包含：一輸入端、一輸出端、一電源端、一接地端、一疊接放大模組，及一輸出向耦合對模組。
該輸入端適用於接收一無線射頻訊號，該輸出端適用於輸出經處理放大後的無線射頻訊號。
該電源端及該接地端分別用以提供電源及一地電壓。
該疊接放大模組電連接該輸入端、該電源端及該接地端，並包括：一第一電晶體、一第二電晶體、一基底電阻，及一匹配電感。
該第一電晶體及該第二電晶體串接於該電源端 與該接地端間，該第一電晶體及該第二電晶體分別具有一第一端、一第二端、一第三端，及一控制端。
該基底電阻具有一接收一自順向基底偏壓的第一端，及一電連接於該第二電晶體的第三端的第二端。
該匹配電感電連接於該輸入端與該第二電晶體的控制端間。
該輸出向耦合對模組電連接該第一電晶體的第一端、該第二電晶體的第二端，及該輸出端，分別對該第一電晶體第一端的訊號及該第二電晶體第二端的訊號進行相位移轉以輸出至該輸出端。
本發明之功效在於：藉由設置該輸出向耦合對模組，可以增加相位調整上的精準性，以提升輸出振幅，進而提高增益。
Gnd‧‧‧接地端
Lo‧‧‧輸出電感
RFin‧‧‧輸入端
RFout‧‧‧輸出端
TLs1‧‧‧傳輸線匹配電感
Vdd‧‧‧電源端
2‧‧‧疊接放大模組
C1‧‧‧穩壓電容
Cc‧‧‧耦合電容
Cp‧‧‧旁路電容
Ld1‧‧‧第一疊接電感
Ld2‧‧‧第二疊接電感
Lg‧‧‧連接電感
Lm‧‧‧匹配電感
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
Rb‧‧‧基底電阻
Rd‧‧‧第二穩壓電阻
Rf‧‧‧迴授電阻
Rg‧‧‧第一穩壓電阻
3‧‧‧輸出向耦合對模組
C2‧‧‧輸出耦合電容
L1‧‧‧輸出耦合電感
R1‧‧‧第一耦合電阻
R2‧‧‧第二耦合電阻
M‧‧‧電晶體
Zs1‧‧‧阻抗
Zs2‧‧‧阻抗
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路之一較佳實施例的電路示意圖；圖2是該較佳實施例於直流分析的示意圖；圖3是該較佳實施例於交流分析的示意圖；圖4是一示意圖，說明該較佳實施例的一輸出向耦合對模組的相位移轉；及圖5是一示意圖，說明該較佳實施例的自順向基底偏壓。
參閱圖1，本發明超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路之較佳實施例包含：一輸入端RFin、一輸出端RFout、一電源端Vdd、一接地端Gnd、一疊接放大模組2、一輸出向耦合對模組3、一傳輸線匹配電感TLs1，及一輸出電感Lo。
該輸入端RFin適用於接收一無線射頻訊號，該輸出端RFout適用於輸出經處理放大後的無線射頻訊號。
該電源端Vdd及該接地端Gnd分別用以提供電源及一地電壓。
該疊接放大模組2電連接該輸入端RFin、該電源端Vdd及該接地端Gnd，包括：一第一電晶體M1、一第二電晶體M2、一第一疊接電感Ld1、一旁路電容Cp、一基底電阻Rb、一匹配電感Lm、一迴授電阻Rf、一連接電感Lg、一耦合電容Cc、一第一穩壓電阻Rg、一穩壓電容C1、一第二疊接電感Ld2及一第二穩壓電阻Rd。
該第一電晶體M1及該第二電晶體M2串接於該電源端Vdd與該接地端Gnd間，且分別具有一第一端、一第二端、一第三端，及一控制端。
於本實施例中，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2使用N型金屬氧化物半導體場效電晶體(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫為MOSFET)，且該第一端、第二端、第三端及控制端分別為汲極(Drain)、源極(Source)、基極(Bulk或Body) 及閘極(Gate)，但不限於此。
該第一疊接電感Ld1具有一電連接該第一電晶體M1的第二端的第一端，及一電連接該第二電晶體M2的第一端的第二端。
該旁路電容Cp電連接於該第一電晶體M1的第二端與該接地端Gnd間。
該基底電阻Rb具有一電連接於該第一電晶體M1的第一端與第三端以接收一自順向基底偏壓的第一端，及一電連接於該第二電晶體M2的第三端的第二端。
該匹配電感Lm電連接於該輸入端RFin與該第二電晶體M2的控制端間。
該迴授電阻Rf電連接於該輸入端RFin與該第二電晶體M2的第一端間。
該連接電感Lg及該耦合電容Cc依序串聯於該第一電晶體M1的控制端與該第二電晶體M2的第一端間。
該第一穩壓電阻Rg具有一電連接於該電源端Vdd的第一端，及一電連接該連接電感Lg及該耦合電容Cc的連接點的第二端。
該穩壓電容C1電連接於該電源端Vdd與該接地端Gnd間。
該第二疊接電感Ld2及該第二穩壓電阻Rd依序串接於該電源端Vdd與該第一電晶體M1的第一端間。
該輸出向耦合對模組3電連接該第一電晶體M1的第一端，及該第二電晶體M2的第二端，並透過該輸出 電感Lo電連接至該輸出端RFout，分別對該第一電晶體M1第一端的訊號及該第二電晶體M2第二端的訊號進行相位移轉以輸出至該輸出端RFout，並包括依序串聯於該第一電晶體M1的第一端與該第二電晶體M2的第二端間的一輸出耦合電感L1、一第一耦合電阻R1、一第二耦合電阻R2，及一輸出耦合電容C2。
其中，該輸出耦合電感L1及該第一耦合電阻R1用以接收該第一電晶體M1第一端的訊號並作相位移轉正九十度後輸出至該輸出端RFout，該第二耦合電阻R2及該輸出耦合電容C2用以接收該第二電晶體M2第二端的訊號並作相位移轉負九十度後輸出至該輸出端RFout。
該傳輸線匹配電感TLs1電連接於該第二電晶體M2的第二端與該接地端Gnd間，用以達成阻抗匹配(Impedance matching)。
該輸出電感Lo電連接於該第一耦合電阻R1與該第二耦合電阻R2的連接點及該輸出端RFout間。
參閱圖1及圖2，圖2所示為該疊接放大模組2於直流分析下的示意圖，由於在直流分析時電感元件可視為短路，因此分析簡化後的電路圖如圖2所示，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2位於同樣的電流路徑(如圖2所示電流I的虛線路徑)上，因此可以達到電流共享(current-sharing)，進而減少電流消耗，亦即可降低功率損耗。
參閱圖1及圖3，圖3所示為該疊接放大模組2 於交流分析下的示意圖，由於在交流分析時電容元件可視為短路，因此該耦合電容Cc、該旁路電容Cp短路，且該第一疊接電感Ld1與該第一電晶體M1的寄生電容形成共振開路，該匹配電感Lm與該第二電晶體M2的寄生電容形成共振開路，如此可消除電路中電容的影響。
分析簡化後的電路圖如圖3所示，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2可形成兩級串接的共源極(common source)放大器，如此可進一步提升增益(gain)。
參閱圖1及圖4，為方便解說該輸出向耦合對模組3的作用，將圖1的電路簡化為如圖4所示，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2簡化為以單一電晶體M作為示意，電路阻抗則分別以串接於該電晶體M的汲極與電源端Vdd間的阻抗Zs1及串接於該電晶體M的源極與接地端Gnd間的阻抗Zs2作為示意。
一般當訊號輸入電晶體M後，在電晶體M的汲極及源極所產生的訊號會有180度的相位差異，由於相位不同，因此無法將其重疊應用，理論上而言，電感為具有相位移轉正九十度特性的元件，電容則是具有相位移轉負九十度特性的元件，然而實際應用上，如習知技術中所提及，單使用電感及電阻並無法達到相位轉移所需的精準性，因此於本實施例中提出加入串聯的電阻(該第一耦合電阻R1及該第二耦合電阻R2)進行調整以符合相位移轉所需的精準性，經由該輸出耦合電感L1及該第一耦合電阻R1、該第二耦合電阻R2及該輸出耦合電容C3分別將電晶 體M的汲極訊號及源極訊號作相位移轉正/負九十度後，即可將被調整為相同相位的訊號連接至輸出端RFout，如圖4所示，此時輸出端RFout所得到的訊號振幅約為原本在電晶體M的汲極及源極訊號的兩倍，故可知輸出振幅能被有效提升，進而提高增益。
參閱圖1及圖5，為方便解說自順向基底偏壓(self-forward body bias，簡寫為SFBB)，將圖1的電路簡化為如圖5所示，並分別將該第一電晶體M1及該第二電晶體M2以小訊號模型表示，其源極、汲極、基極、閘極之端點分別表示為S1、D1、B1、G1與S2、D2、B2、G2，閘極與汲極間之電容分別表示為Cgd1、Cgd2，閘極與源極間之電容分別表示為Cgs1、Cgs2，該第二電晶體M2的基極與源極之電壓差為V BS 2 ，並可將該基底電阻Rb的相關式表示如下：
其中，I d 為流經該第二穩壓電阻Rd的電流，I S 2 為該第二電晶體M2的基極與源極間P-N介面的反向偏壓漏電流(reverse-bias leakage current)，η為理想因子(ideality factor)，V T 為熱電壓(Thermal Voltage)，e 為自然對數，如此，藉由運用上述公式，即可藉由選擇該基底電阻Rb的值來調整該第二電晶體M2的基極與源極P-N介面的電壓差(即V BS 2 )以得到低功耗的自偏壓迴圈。
經由以上的說明，可將本實施例的優點歸納如 下：
一、藉由使用輸出向耦合對(Output combining)技術，並加入該第一耦合電阻R1及該第二耦合電阻R2以增加相位調整上的精準性，可以提升輸出振幅進而提高放大器增益。
二、藉由在該第一電晶體M1及該第二電晶體M2的第三端(基極)間加入該基底電阻Rb，並電連接至該第一電晶體M1的第一端(汲極)，可以形成自順向基底偏壓，以降低門檻電壓(threshold voltage，簡寫為Vth，亦稱為臨界電壓)，進而降低該第一電晶體M1及該第二電晶體M2導通所需的驅動電壓(閘極-源極電壓，通常以Vgs表示)，而能有效減少功率損耗。
三、相較於部分習知電路中需要藉由多個電源來提高增益，本實施例中只需使用單一個電源即可供應整個電路使用，並可維持增益表現，故可達到在不犧牲電路表現的情況下降低功率損耗。
四、藉由加入該第一疊接電感Ld1及該耦合電容Cc，在直流分析下，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2可以達到電流共享以降低功率損耗，在交流分析下，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2則可形成兩級串接的共源極放大器而能提升放大器增益。
五、藉由使用電感峰化(inductive peaking)技術，設置適當電感值的該匹配電感Lm於該第二電晶體M2的控制端(閘極)，令該匹配電感Lm與該第二電晶體M2的 寄生電容共振開路，可避免電路操作在高頻率時受寄生電容影響而使頻寬降低、輸入輸出阻抗不匹配50歐姆(傳輸線阻抗)，而產生不必要的雜訊，故藉由設置該匹配電感Lm於該第二電晶體M2的控制端(閘極)，可以將輸入阻抗進一步匹配輸入端RFin的特性阻抗，以協助同時達到寬頻阻抗匹配及寬頻雜訊最佳化，及延伸頻寬範圍。
六、藉由設置該迴授電阻Rf電連接該第二電晶體M2的第一端與輸入端RFin，可以形成迴授而能提升頻寬及降低雜訊。
綜上所述，本發明可以提升輸出振幅、減少功率損耗、提升增益、延伸頻寬及降低雜訊，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
Gnd‧‧‧接地端
Lo‧‧‧輸出電感
RFin‧‧‧輸入端
RFout‧‧‧輸出端
TLs1‧‧‧傳輸線匹配電感
Vdd‧‧‧電源端
2‧‧‧疊接放大模組
C1‧‧‧穩壓電容
Cc‧‧‧耦合電容
Cp‧‧‧旁路電容
Ld1‧‧‧第一疊接電感
Ld2‧‧‧第二疊接電感
Lg‧‧‧連接電感
Lm‧‧‧匹配電感
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
Rb‧‧‧基底電阻
Rd‧‧‧第二穩壓電阻
Rf‧‧‧迴授電阻
Rg‧‧‧第一穩壓電阻
3‧‧‧輸出向耦合對模組
C2‧‧‧輸出耦合電容
L1‧‧‧輸出耦合電感
R1‧‧‧第一耦合電阻
R2‧‧‧第二耦合電阻

Claims (10)

  1. 一種超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，包含：一輸入端及一輸出端，該輸入端適用於接收一無線射頻訊號，該輸出端適用於輸出經處理放大後的無線射頻訊號；一電源端及一接地端，分別用以提供電源及一地電壓；一疊接放大模組，電連接該輸入端、該電源端及該接地端，並包括：一第一電晶體及一第二電晶體，串接於該電源端與該接地端間，該第一電晶體及該第二電晶體分別具有一第一端、一第二端、一第三端，及一控制端，一基底電阻，具有一接收一自順向基底偏壓的第一端，及一電連接於該第二電晶體的第三端的第二端，及一匹配電感，電連接於該輸入端與該第二電晶體的控制端間；及一輸出向耦合對模組，電連接該第一電晶體的第一端、該第二電晶體的第二端，及該輸出端，分別對該第一電晶體第一端的訊號及該第二電晶體第二端的訊號進行相位移轉以輸出至該輸出端。
  2. 如請求項1所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該疊接放大模組還包括： 一第一疊接電感，具有一電連接該第一電晶體的第二端的第一端，及一電連接該第二電晶體的第一端的第二端。
  3. 如請求項2所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該輸出向耦合對模組包括：一輸出耦合電感及一第一耦合電阻，串聯於該第一電晶體的第一端與該輸出端間，用以接收該第一電晶體第一端的訊號並作相位移轉正九十度後輸出至該輸出端，及一輸出耦合電容及一第二耦合電阻，串聯於該第二電晶體的第二端與該輸出端間，用以接收該第二電晶體第二端的訊號並作相位移轉負九十度後輸出至該輸出端。
  4. 如請求項3所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中：該基底電阻的第一端電連接於該第一電晶體的第一端與第三端。
  5. 如請求項4所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該疊接放大模組還包括：一連接電感，串接於該第一電晶體的控制端與該第二電晶體的第一端間。
  6. 如請求項5所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該疊接放大模組還包括：一迴授電阻，電連接於該輸入端與該第二電晶體的 第一端間。
  7. 如請求項6所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該疊接放大模組還包括：一旁路電容，電連接於該第一電晶體的第二端與該接地端間。
  8. 如請求項7所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該疊接放大模組還包括：一耦合電容，與該連接電感一起串接於該第一電晶體的控制端與該第二電晶體的第一端間。
  9. 如請求項8所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，其中，該疊接放大模組還包括：一第一穩壓電阻，具有一電連接於該電源端的第一端，及一電連接該連接電感的第二端；一第二疊接電感及一第二穩壓電阻，串接於該電源端與該第一電晶體的第一端間；及一穩壓電容，電連接於該電源端與該接地端間。
  10. 如請求項9所述的超寬頻低雜訊低功率損耗放大器電路，還包含：一傳輸線匹配電感，電連接於該第二電晶體M2的第二端與該接地端間；及一輸出電感，電連接於該輸出向耦合對模組與該輸出端間。
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