CN112803903B - 应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器 - Google Patents

应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器 Download PDF

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Abstract

一种低供应电压和低消耗功率的分散式放大器，包含一输入端，是输入一输入信号；一输出端，是输出一输出信号；一放大单元；一栅极线电路，是分别连接该输入端与一第一负载电路、该放大单元；一第二负载电路；一漏极线电路，是分别连接该第二负载电路与该放大单元、该输出端；以及一偏压电路，是连接于该漏极线电路与该输出端，其中该偏压电路包括：一电压源；一电感，是连接该电压源与该漏极线电路的一端；以及一电容倍增器，是连接该电感、该漏极线电路与该输出端。本发明更改其供电位置及产生电流方向，使供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。且本发明通过修改其供电方式解决消耗功率较高的问题，达到减少消耗功率。

Description

应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散 式放大器
技术领域
本发明是有关于一种分散式放大器，特别是一种低供应电压和低消耗功率的分散式放大器。本发明应用于全晶片式高速通讯的分散式放大器。
背景技术
调变器驱动电路在光传输前端电路中负责将数位调变信号做放大，来驱动马赫曾德尔调变器去对激光做调变，将电信号调变为光信号。而由于马赫曾德尔调变器需要较大的调变信号才能够操作，因此调变器驱动电路必须具有高速、高输出振福的特性以满足马赫曾德尔调变器的需求。
分散式放大器由于具有良好的增益平坦度、优秀的频率响应的特性，因此适合用来设计宽频放大器。但其电路结构会造成较高的消耗功率。
传统的分散式放大器供应电源的位置是在终端电阻的后方，所以当放大器的电流越大，供应电压就需要越高，进而提高消耗功率。传统分散式放大器降低消耗功率的方法有减少内部放大单元消耗电流的技术和使用并连电感的技术两种，其一减少内部放大单元会增加电路复杂度，另一则是使用并联电感会增加晶片面积。
由于分散式放大器的电路特性导致需要使用较高的供应电压，从而提高电路整体的消耗功率并提高晶片温度，晶片温度过高又会影响其他周边电路正常运作以及增加散热所需的能源。传统分散式放大器的偏压电路在负载电阻端，因此当大电流经过电阻时会在电阻上产生跨压，导致漏极线上的电压下降，若不提高偏压电路电压放大单元就会因为漏极线的电压下降而降低其性能，但若要维持漏极线上的电压就必须提高偏压电路电压，当偏压电路电压被提高时电路的消耗功率也会大幅提高。
发明内容
本发明的目的在提供一种应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器，是通过修改其供电方式解决消耗功率较高的问题，达到减少消耗功率。
本发明的又一目的在提供一种应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器，是更改其供电位置及产生电流方向，使供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。
本发明提出一种应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器，该分散式放大器包括：一输入端，是输入一输入信号；一输出端，是输出一输出信号；一放大单元；一栅极线电路，是分别连接该输入端与一第一负载电路、该放大单元；一第二负载电路；一漏极线电路，是分别连接该第二负载电路与该放大单元、该输出端；以及一偏压电路，是连接于该漏极线电路与该输出端，其中该偏压电路包括：一电压源；一电感是连接该电压源与该漏极线电路的一端；以及一电容倍增器，是连接该电感、该漏极线电路与该输出端。本发明更改其供电位置及产生电流方向，使供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。且本发明通过修改其供电方式解决消耗功率较高的问题，达到减少消耗功率。
在一实施例中，其中该放大单元包括有一第一晶体管连接该漏极线电路与该栅极线电路；以及一第二晶体管连接该漏极线电路与该栅极线电路。
在一实施例中，其中该漏极线电路包括有一第一电感分别连接该第二负载电路与一第二电感，及一第三电感分别连接该第二电感与该电感。
在一实施例中，其中该第一晶体管的漏极连接该漏极线电路的该第一电感与该第二电感，及该第二晶体管的漏极连接该漏极线电路的该第二电感与该第三电感。
在一实施例中，其中该栅极线电路包括有一第四电感分别连接该输入端与一第五电感，及一第六电感分别连接该第五电感与该第一负载电路。
在一实施例中，其中该第一晶体管的栅极连接该栅极线电路的该第四电感与该第五电感，及该第二晶体管的栅极连接该栅极线电路的该第五电感与该第六电感。
在一实施例中，其中该第一负载电路包括有一第一电阻与一栅极偏压，该第一电阻连接该栅极线电路与该栅极偏压连接接地。
在一实施例中，其中该第二负载电路包括有一第二电阻分别连接该漏极线电路与一接地。
在一实施例中，其中该电容倍增器包括有一第三电阻的第一端连接该电感与一第三晶体管的漏极，该第三电阻的第二端连接该第三晶体管的栅极与一电容，该电容的第一端连接该第三晶体管的栅极，该电容的第二端连接一第四电阻与一第五电阻。该第四电阻的第一端连接该第三晶体管的源极与该输出端，该第五电阻的第一端连接该第四电阻，该第五电阻的第二端连接接地。
本发明应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器是透过修改偏压电路位置来避免大电流经过负载电阻产生电压差导致偏压电路电压提高，通过改善供应电压变高的问题，解决消耗功率较高的问题，达到减少消耗功率。本发明通过更改其供电位置、产生电流方向以及加入电容倍增器，使供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。
附图说明
图1是为本发明应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器的架构示意图；
图2是为本发明的应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器的电路示意图；
图3A-图3D是为传统分散式放大器与本发明的分散式放大器的模拟示意图；
图4A-图4D是为传统偏压电路与本发明的偏压电路的面积对照示意图及测试波形图。
【符号说明】
10 分散式放大器 12 输入端
14 栅极线电路 142 第四电感
144 第五电感 146 第六电感
16 放大单元 162 第一晶体管
164 第二晶体管 18 漏极线
182 第一电感 184 第二电感
186 第三电感 20 第一负载电路
22 第二负载电路 24 输出端
26 偏压电路 262 电压源
264 电感 266 电容倍增器
410 电感 420 电容
R1 第一电阻 R2 第二电阻
R3 第三电阻
M1 第三晶体管 C1 电容
R4 第四电阻 R5 第五电阻
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明的分散式放大器及包含此分散式放大器的实施例，为了清楚与方便附图说明之故，附图中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现。在以下描述及/或权利要求书中，当提及元件“连接”或“耦合”至另一元件时，其可直接连接或耦合至该另一元件或可存在介入元件；而当提及元件“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在介入元件，用于描述元件或层之间的关系的其他字词应以相同方式解释。为使便于理解，下述实施例中的相同元件是以相同的符号标示来说明。
本发明透过修改偏压电路位置与引入电容倍增器(电容放大单元)，使用一种新的偏压方式，有效降低消耗功率，可达全晶片的设计。同时，本发明改变偏压电路位置来降低VD电压，增加电容倍增器(电容放大单元)来使宽频信号通过以利达成全晶片级设计，降低VD电压，达到降低消耗功率。
本发明分散式放大器透过修改偏压电路位置来避免大电流经过负载电阻产生电压差导致偏压电路电压提高。再者，本发明透过引入电容倍增器(电容放大单元)来达到全晶片级的设计。此电路的等效电容相当于电容乘以晶体管的增益gm，效果相当于电容容量被晶体管放大了gm倍。
请参阅图1及图2，其是为本发明应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器的架构示意图及电路示意图。本发明应用于全晶片式高速通讯的分散式放大器10，包括一输入端12、一栅极线电路14、一放大单元16、一漏极线电路18、一第一负载电路20、一第二负载电路22、一输出端24及一偏压电路26。该输入端12输入一输入信号及该输出端24输出一输出信号。该栅极线电路14是分别连接该输入端12与该第一负载电路20、该放大单元16。该漏极线电路18是分别连接该第二负载电路22与该放大单元16、该输出端24。该偏压电路26是连接于该漏极线电路18与该输出端24，其中该偏压电路26包括：一电压源262；一电感264是连接该电压源262与该漏极线电路18的一端；以及一电容倍增器266，是连接该电感264、该栅极线电路14与该输出端24。
当电压信号自该输入端12输入，经该栅极线电路14进入该第一负载电路20，并进入该放大单元16放大信号后，经该漏极线电路18至该第二负载电路22与该偏压电路26。该电压源262的电流流经该电感264至该漏极线电路18进入该第二负载电路22，以及该电流至该偏压电路26。其中该第一负载电路20包括有一第一电阻R1与一栅极偏压VG，该第一电阻R1连接该栅极线电路14与该栅极偏压VG及该栅极偏压VG连接接地。该第二负载电路22包括有一第二电阻R2分别连接该漏极线电路18与接地。因此，本发明藉改变偏压电路位置来降低电压源262电压，并增加一个电容倍增器266来使宽频信号通过以利达成全晶片级设计，降低电压源262电压，达到降低消耗功率。
在一实施例中，该放大单元16包括有一第一晶体管162连接该漏极线电路18与该栅极线电路14，及一第二晶体管164连接该漏极线电路18与该栅极线电路14。
在一实施例中，该漏极线电路18包括有一第一电感182分别连接该第二负载电路22与一第二电感184，及一第三电感186分别连接该第二电感184与该偏压电路26。其中该第一电感182连接该第二负载电路22的第二电阻R2。
在一实施例中，该第一晶体管162的漏极连接该漏极线电路18的该第一电感182与该第二电感184，及该第二晶体管164的漏极连接该漏极线电路18的该第二电感184与该第三电感186。
在一实施例中，该栅极线电路14包括有一第四电感142分别连接该输入端12与一第五电感144，及一第六电感146分别连接该第五电感144与该第一负载电路20。其中该第六电感146连接该第一负载电路20的第一电阻R1。
在一实施例中，该第一晶体管162的栅极连接该栅极线电路14的该第四电感142与该第五电感144，及该第二晶体管164的栅极连接该栅极线电路14的该第五电感144与该第六电感146。其中该第一晶体管162及该第二晶体管164的源极分别连接接地。
在一实施例中，该电容倍增器266包括有一第三电阻R3的第一端连接该电感264与一第三晶体管M1的漏极，该第三电阻R3的第二端连接该第三晶体管M1的栅极与一电容C1，该电容C1的第一端连接该第三晶体管M1的栅极，该电容C1的第二端连接一第四电阻R4与一第五电阻R5。该第四电阻R4的第一端连接该第三晶体管M1的源极与该输出端24，且该第四电阻R4的第二端连接该第五电阻R5。该第五电阻R5的第一端连接该第四电阻R4，该第五电阻R5的第二端连接接地。
该电压源262的电流流至该漏极线电路18与该电容倍增器266，而经该输出端24输出该输出信号。其中该电压源262的电流流至该漏极线电路18经该放大单元26的源极接地。该电压源262的电流流至该漏极线电路18至该第二负载电路22的第二电阻R2，使该电阻R2电流增大。
请参阅图3A-图3D是为传统分散式放大器与本发明的分散式放大器的模拟示意图。如图3A所示，传统分散式放大器的电压源VD的位置设置在分散式放大器的左边，因此电流自左流动至漏极线电路进入放大单元与自输出端输出信号。且电容与电感占很大面积，导致无法晶片化。如图3B所示，本发明的分散式放大器的电压源262加上电容倍增器266设置在分散式放大器的右边，因此电流改变流动方向，电流自右经该漏极线电路18流动至左到该放大单元16以及该第二负载电路22的电阻R2，使电阻R2电流变大。电感264(Lchock)为一扼流电感，可防止高频信号自该漏极线电路18流到电压源262。该电容倍增器266阻挡直流电到该输出端24，而且该电容倍增器266面积变小，适于全晶片化设计。再者该第三电阻R3使电压方波加快信号上升时间(rise time)，因此使波形变好。如图3C所示，经模拟测试，本发明的分散式放大器的电压源的电压Vdd(V)与功率Pdc(W)都比传统分散式放大器减少功率与电压降低，而第二负载电路22的电阻R2电流变大。如图3D所示，本发明改善消耗功率，使电路增益。本发明的分散式放大器与传统分散式放大器改善前后趋于一致，增益不会降低。本发明的分散式放大器藉更改其供电位置、产生电流方向以及加入电容倍增器，使供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。
请参阅图4A-图4D是为传统偏压电路与本发明的偏压电路的面积对照示意图及测试波形图。如图4A所示，为传统偏压电路，电容420与电感410的面积都很大，无法全晶片化设计。如图4B所示，本发明的偏压电路使用电容倍增器266来使宽频信号通过以利达成全晶片级设计，可以看出本发明的电容倍增器266的面积变小。且供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。由图4C-图4D的波形图，可以看出传统偏压电路与本发明的偏压电路的输出信号均无太大变化。
综上所述，本发明应用于全晶片式高速通讯的低供应电压和低消耗功率的分散式放大器是透过修改偏压电路位置来避免大电流经过负载电阻产生电压差导致偏压电路电压提高，通过改善供应电压变高的问题，解决消耗功率较高的问题，达到减少消耗功率。本发明通过更改其供电位置、产生电流方向以及加入电容倍增器，使供应电压无需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面积。
以上所述为举例性，而非为限制性者。其它任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应该包含于所附的权利要求书中。

Claims (8)

1.一种分散式放大器，其特征在于，包括：
一输入端，是输入一输入信号；
一输出端，是输出一输出信号；
一放大单元；
一栅极线电路，是分别连接该输入端与一第一负载电路、该放大单元；
一第二负载电路；
一漏极线电路，是分别连接该第二负载电路与该放大单元、该输出端；以及
一偏压电路，是连接于该漏极线电路与该输出端，其中该偏压电路包括：
一电压源；
一电感，是连接该电压源与该漏极线电路的一端；以及
一电容倍增器，是连接该电感、该漏极线电路与该输出端；
其中，该电容倍增器包括有一第三电阻的第一端连接该电感与一第三晶体管的漏极，该第三电阻的第二端连接该第三晶体管的栅极与一电容，该电容的第一端连接该第三晶体管的栅极，该电容的第二端连接一第四电阻与一第五电阻，该第四电阻的第一端连接该第三晶体管的源极与该输出端，该第四电阻的第二端连接该第五电阻，该第五电阻的第一端连接该第四电阻，该第五电阻的第二端连接接地。
2.根据权利要求1所述的分散式放大器，其特征在于，该放大单元包括有一第一晶体管连接该漏极线电路与该栅极线电路；以及一第二晶体管连接该漏极线电路与该栅极线电路。
3.根据权利要求2所述的分散式放大器，其特征在于，该漏极线电路包括有一第一电感分别连接该第二负载电路与一第二电感，及一第三电感分别连接该第二电感与该偏压电路。
4.根据权利要求3所述的分散式放大器，其特征在于，该第一晶体管的漏极连接该漏极线电路的该第一电感与该第二电感，及该第二晶体管的漏极连接该漏极线电路的该第二电感与该第三电感。
5.根据权利要求2所述的分散式放大器，其特征在于，该栅极线电路包括有一第四电感分别连接该输入端与一第五电感，及一第六电感分别连接该第五电感与该第一负载电路。
6.根据权利要求5所述的分散式放大器，其特征在于，该第一晶体管的栅极连接该栅极线电路的该第四电感与该第五电感，及该第二晶体管的栅极连接该栅极线电路的该第五电感与该第六电感。
7.根据权利要求1所述的分散式放大器，其特征在于，该第一负载电路包括有一第一电阻与一栅极偏压，该第一电阻连接该栅极线电路与该栅极偏压，该栅极偏压连接接地。
8.根据权利要求1所述的分散式放大器，其特征在于，该第二负载电路包括有一第二电阻分别连接该漏极线电路与接地。
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