CN101431313B

CN101431313B - 利用栅极非线性电容提高线性度的放大电路及其方法

Info

Publication number: CN101431313B
Application number: CN 200710185063
Authority: CN
Inventors: 王柏之
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: CN101431313A

Abstract

一种放大装置，用来放大一输入信号，该输入信号对应一操作频率，该装置包含一第一放大电路以及一第一共振电路。该第一放大电路用来放大该输入信号以产生一第一输出信号，其中该第一放大电路包含一第一输入晶体管，其第一输入栅极端用来接收该输入信号。该第一共振电路耦接于该第一输入栅极端，其中该第一共振电路的一第一共振频率不等于该预定操作频率。

Description

利用栅极非线性电容提高线性度的放大电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种功率放大电路，尤其涉及一种提高线性度的功率放大电路与其方法。

背景技术

功率放大器的应用范围越来越广泛。一般而言，影响放大器效能优劣的因素有最大功率增益的大小以及线性度的好坏，其中线性度的好坏就是输入功率与输出功率之间失真程度的对比。此外，由于CMOS工艺技术的进步，以及系统芯片(SOC)时代的来临，使用CMOS工艺来制作全芯片无线发送器已成为目前射频电路设计的课题。请参考已知技术C.Wang，M.Vaidyanathan，and L.E.Larson，“A Capacitance Compensation Technique for ImprovedLinearity in CMOS Class-AB Power amplifiers，”IEEE-J.Solid-State-Circuits，vol.39，no.11，pp.1927-1937，Nov.2004。一般来说，CMOS功率放大器的非线性来源主要分为两部分，一为晶体管本身的跨导值(transconductance，Gm)，其决定了晶体管本身的线性度的好坏，另一则为晶体管栅极端的非线性电容C_gate，其为前级电路的输出负载，因此决定了前级电路输出端信号的线性度，在上述的已知技术中已提出一电容补偿方法来改善晶体管栅极端的非线性电容C_gate所造成的非线性效应，但是在上述的已知技术中仅适用于AB级(Class-AB)架构的CMOS功率放大器，并且其将影响功率增益以及需要较大的芯片面积。但对于需要很高线性度的正交分频复用系统(OFDM)(如802.11g规格的线性度要求需达P1dB为25dBm)，只有A级(Class A)功率放大器成为较可实现的架构，而A级功率放大器也往往遭受上述非线性电容的影响使其线性度变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率放大电路与其方法，以解决上述问题。

本发明的目的在于提供一种功率放大电路与其方法，其可利用晶体管输入端的非线性电容来做前置失真以补偿该功率放大电路的跨导增益的衰减。

本发明的目的在于提供一种功率放大电路与其方法，可改善输出信号的线性度。

简言之，本发明披露一种功率放大装置，该装置包含：一第一放大电路，用来放大该输入信号以产生一第一输出信号，该第一放大电路包含一第一晶体管，其栅极用来接收该输入信号；一第一共振电路，耦接于该第一放大电路，该第一共振电路的一第一共振频率不等于该操作频率；一第二放大电路，耦接于该第一放大电路，用来放大该第一输出信号以产生一第二输出信号，该第二放大电路包含一第二晶体管，其栅极接收该第一输出信号；以及一第二共振电路，耦接于该第二放大电路，该第二共振电路的一第二共振频率不等于该操作频率。

简言之，本发明披露一种放大方法，用来改善一放大装置的非线性转换特性，该方法包含：提供一第一放大电路与一第一共振电路，该第一放大电路与该第一共振电路相耦接，该第一共振电路具有一第一共振频率；提供一第二放大电路与一第二共振电路，该第二放大电路与该第二共振电路相耦接，该第二共振电路具有一第二共振频率；接收一输入信号，该输入信号对应一操作频率；以及使用该第一放大电路以及该第二放大电路来放大该输入信号以输出一放大信号；其中，该第一共振频率不等于该操作频率，该第二共振频率不等于该操作频率。

附图说明

图1为本发明放大装置的一实施例的示意图

图2为图1所示的放大装置的频率-特性转换示意图。

图3为由一NMOS晶体管所代表的放大电路的示意图。

图4为图3所示的输入电容相对于栅极电压的特性曲线图。

图5为图3所示的跨导增益相对于栅极电压的特性曲线图。

附图符号说明

100	放大装置
		102、106	放大电路
104、108	共振电路

具体实施方式

图1为本发明放大装置100的一实施例的示意图。放大装置100用来放大一输入信号S_i，且输入信号S_i对应至少一操作频率f_o，放大装置100包含有一第一放大电路102、一第一共振电路104、一第二放大电路106以及一第二共振电路108。在不影响技术披露之下，仅将与本发明有关的组件显示于图1。第一放大电路102用来放大输入信号S_i以产生一第一输出信号S_o1，第一放大电路102包含一第一晶体管M₁，其栅极N₁用来接收输入信号S_i。请注意，本实施例中的第一放大电路102为一AB级(Class AB)放大电路。第一共振电路104包含一电感L₁和一电容C₁并联，耦接于栅极N₁，第一共振电路104的一第一共振频率f_soc1低于操作频率f_o。第二放大电路106用来放大第一输出信号S_o1以产生一第二输出信号S_o2，且第二放大电路106包含一第二晶体管M₂，其栅极N₂用来接收第一输出信号S_o1请注意，本实施例中的第二放大电路106为一A级(Class A)放大电路。第二共振电路108包含一电感L₂和一电容C₂并联，耦接于栅极N₂，其中第二共振电路108的一第二共振频率f_soc2高于操作频率f_o。本领域技术人员也可依据其设计所需来利用一电容、一电感以及一电阻的至少两者以上的并联、串联连接以实现上述共振电路，此也为本发明的范畴所在。

放大装置100的第一共振频率f_soc1可依据公式(1)求得：

f_soc1＝1/(2π(L₁C₁)^1/2) (1)

第二共振频率f_soc2可依据公式(2)求得：

f_soc2＝1/(2π(L₂C₂)^1/2) (2)

在实际操作时，输入信号S_i可来自一前级电路，例如一混波器(未显示)，而第二输出信号S_o2会被转送至一下级电路，例如一天线模块(未显示)；由于输入信号S_i的产生与第二输出信号S_o2的应用均是已知技术，因此在此不多加赘述。为了方便描述，上述所提到的电感L₁、L₂和电容C₁、C₂均包含有分别在栅极N₁和栅极N₂处所看到的寄生电感和电容。请参考图2，图2为图1所示的放大装置100的频率-特性转换示意图。曲线201放大装置100的输入信号S_i至第二输出信号S_o2的频率-特性转换曲线，而从图2中可以得知，曲线201由曲线202和曲线203相加而成，然而，本领域技术人员应可了解曲线202放大装置100的输入信号S_i至第一输出信号S_o1的频率-特性转换曲线，以及而曲线203是放大装置100的第一输出信号So1至第二输出信号S_o2的频率-特性转换曲线；此外，如图所示，曲线202的最高点的频率对应至第一共振电路104的第一共振频率f_soc1，以及曲线203的最高点的频率对应至第二共振电路108的第二共振频率f_soc2。

由于本发明放大装置100所接收的输入信号S_i的功率(振幅)会随系统需求而改变，因此当第一放大电路102的第一输入晶体管M₁的第一输入栅极端N₁的等效电容C₁会随着输入信号S_i的振幅呈现非线性的变化；同理，第二输入栅极端N₂的等效电容C₂也会随着第一输出信号S_o1的振幅呈现非线性的变化。为了方便描述，放大装置100中的A级放大电路和AB级放大电路可简化为一N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)。请参考图3，图3为一个由一NMOS晶体管所代表的放大电路的示意图。该NMOS晶体管的栅极端具有一输入电容C_gate，其中该栅极端的电压为V_gate，且该NMOS晶体管的跨导增益为G_m。由于该NMOS晶体管的输入电容C_gate在该NMOS晶体管处于载止、饱和区和三极区状态时分别为WC_ov、(2/3)WLC_ox+WC_ov、WLC_ox+WC_ov；W为该NMOS晶体管的有效宽度，L为该NMOS晶体管的有效长度，C_ov为每单位宽度的叠加电容(Overlap Capacitance)，以及C_ox为氧化层电容。根据该NMOS晶体管的输入电容C_gate的变化可以得出图4，图4所示为图3所示的输入电容C_gate相对于栅极端的电压V_gate的特性曲线图。在图4中，曲线401可分为三个部分，即载止区、饱和区和三极区，且输入电容C_gate为递增的状态。一般上，A级放大电路和AB级放大电路的偏压点会落于饱和区的范围，如图4所示，差别在于AB级放大电路的偏压VB_AB 较接近载止区，A级放大电路的偏压VB_A较接近三极区。请同时参考图5，图5所示为图3所示的跨导增益G_m相对于栅极端的电压V_gate的特性曲线图。在图5中，曲线501也可分为三个部分，即载止区、饱和区和三极区，且跨导增益G_m为倒碗状的状态。相对于图4的偏压点，如图5所示，A级放大电路的偏压点会落于曲线501的最高平缓区，而AB级放大电路的偏压点会落于曲线501的接近最高平缓区的饱和区且不会使晶体管载止的范围中。

综合以上所述，若放大装置100中的AB级放大电路(亦即第一放大电路102)的输入信号S_i的振幅慢慢增加时，进入载止区的振幅会比进入三级区的振幅来得大，其等效上会造成该AB级放大电路(亦即第一放大电路102)的第一输入晶体管M₁率先接近载止的状态，而当输入信号S_i的振幅继续增加使得最终大部分的振幅处于载止区时，从图4及图5可以得知，输入电容C_gate会下降使得第一输入栅极端N₁上的电容下降，而该AB级放大电路的跨导增益G_m也下降(此即已知线性度变差的原因)。但是由于本发明放大装置100的第一共振电路104的第一共振频率f_soc1低等于预定操作频率f_o，因此当输入信号S_i的振幅增加造成输入电容C_gate下降时，根据公式(1)可知第一共振频率f_soc1反而会上升而更接近预定操作频率f_o。然而，本领域技术人员应可以了解在图2的曲线202也会同时向预定操作频率f_o方向接近，即曲线204。同理，若放大装置100中的该A级放大电路(亦即第二放大电路106)所接收的第一输出信号S_o1的振幅慢慢增加时，进入三极区的振幅会比进入载止区的振幅来得大，等效上会造成该A级放大电路(亦即第二放大电路106)的第二输入晶体管M₂率先接近三极区的状态，而当第一输出信号S_o1的振幅继续增加使得最终大部分的振幅处于三极区时；从图4及图5可以得知，其输入电容C_gate会先上升后下降使得第二输入栅极端N₂上的电容先上升后下降，而该A级放大电路的跨导增益G_m则下降(此即已知线性度变差的原因)。由于本发明放大装置100的第一共振电路104的第一共振频率f_soc1高于预定操作频率f_o，因此当输入信号S_i的振幅增加造成输入电容C_gate上升时，根据公式(2)可知第一共振频率f_soc1反而会下降而更接近预定操作频率f_o。然而，本领域技术人员应可以了解在图2的曲线202也会同时向预定操作频率f_o方向接近，即曲线205。最后放大装置100的输入信号S_i至第二输出信号S_o2的频率-特性转换曲线会变成曲线206，即由曲线204和曲线205相加而成。从图2可以得知，预定操作频率f_o处的信号转换特性提高了，因此刚好补偿了当输入信号S_i的振幅增加时造成该A级放大电路和AB级放大电路的跨导增益G_m下降的部分，因此，本发明放大装置100便改善了已知非线性转换特性的问题。

当然，该第一放大电路102与第二放大电路106的前后耦接关系相对调，其输出结果应仍实质上相同。

同上述内容轻易明了，本发明也披露了一种信号放大方法，该信号放大方法为提供本发明图1的放大装置并进行信号放大的步骤。该步骤包括有：提供一第一放大电路102与一第一共振电路104，该第一放大电路102与该第一共振电路104相耦接，该第一共振电路具有一第一共振频率；提供一第二放大电路106与一第二共振电路108，该第二放大电路106与该第二共振电路108相耦接，该第二共振电路具有一第二共振频率；接收一输入信号S_i，该输入信号S_i对应一操作频率；以及使用该第一放大电路102以及该第二放大电路106来放大该输入信号Si以输出一放大信号S_O2；其中，该第一共振频率不等于该操作频率，该第二共振频率不等于该操作频率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种放大装置，用来放大一输入信号，该输入信号对应一操作频率，该装置包含：

一第一放大电路，用来放大该输入信号以产生一第一输出信号，该第一放大电路包含一第一输入晶体管，其栅极用来接收该输入信号；

一第一共振电路，耦接于该第一放大电路的该第一输入晶体管的栅极，该第一共振电路的一第一共振频率不等于该操作频率；

一第二放大电路，耦接于该第一放大电路，用来放大该第一输出信号以产生一第二输出信号，该第二放大电路包含一第二输入晶体管，其栅极接收该第一输出信号；以及

一第二共振电路，耦接于该第二放大电路的该第二输入晶体管的栅极，该第二共振电路的一第二共振频率不等于该操作频率；

其中，当该输入信号的振幅增加时，该第一共振频率、该第二共振频率会接近该操作频率。

2.如权利要求1所述的放大装置，其中该第一放大电路为一AB级放大电路，该第一共振频率低于该操作频率，该第二放大电路为一A级放大电路，该第二共振频率高于该操作频率。

3.如权利要求2所述的放大装置，其中该输入信号对应一操作频带，该第一共振频率低于该操作频带的一中心频率，以及该第二共振频率高于该中心频率。

4.如权利要求1所述的放大装置，其中该第一放大电路为一A级放大电路，该第一共振频率高于该操作频率，该第二放大电路为一AB级放大电路，该第二共振频率低于该操作频率。

5.如权利要求4所述的放大装置，其中该输入信号对应一操作频带，该第一共振频率高于该操作频带的一中心频率，该第二共振频率低于该中心频率。

6.一种放大方法，该方法包含：

提供一第一放大电路与一第一共振电路，该第一放大电路的一第一输入晶体管的栅极与该第一共振电路相耦接，该第一共振电路具有一第一共振频率；

提供一第二放大电路与一第二共振电路，该第二放大电路的一第二输入晶体管的栅极与该第二共振电路相耦接，该第二共振电路具有一第二共振频率；

接收一输入信号，该输入信号对应一操作频率；以及

使用该第一放大电路放大该输入信号以输出第一输出信号，并使用该第二放大电路放大该第一输出信号以输出一放大信号；

其中，该第一共振频率不等于该操作频率，该第二共振频率不等于该操作频率，且当该输入信号的振幅增加时，该第一、该第二共振频率会接近该操作频率。

7.如权利要求6所述的放大方法，其中，该第一放大电路为一AB级放大电路，该第一共振频率低于该操作频率。

8.如权利要求6所述的的放大方法，其中该第一放大电路为一A级放大电路，该第一共振频率高于该操作频率。

9.如权利要求6所述的放大方法，当该输入信号的振幅增加时，该第一共振频率会接近该操作频率。

10.如权利要求6所述的放大方法，其中，该第一放大电路为一AB级放大电路以及该第二放大电路为一A级放大电路时，则该第一共振频率低于该操作频率且该第二共振频率高于该操作频率。

11.如权利要求6所述的放大方法，其中，该第一放大电路为一A级放大电路以及该第二放大电路为一AB级放大电路时，则该第一共振频率高于该操作频率且该第二共振频率低于该操作频率。