TW200522335A - Wireless output chip and related producing method with power detector - Google Patents

Description

200522335 五、發明說明α) 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種整合有功 及相關製造方法，尤指一種 程來整合功率偵測電路與功 關製造方法。 ^ 率偵測電路的射頻輸出晶片 以低成本之雙載子-金#氧半製 率放大電路之輸出晶片及相 【先前技術】 在網路建設日漸普及的現代資訊社會，各種知識、資 訊、數據、資料都能在網路中快速地傳輸、交換。尤其 疋在無線網路（像是無線區域網路’ wireless local area network，WLAN)中，使用者還能擺脫網路傳輸線 的束缚，隨時隨地存取網路資源。要收發網路通訊的電 子訊號、存取網路資源，必需使用相關的硬體電路，像 是功率放大之輸出晶片等等。為了使網路資源更能為社 會大眾普遍利用，如何降低相關硬體電路的製造成本， 也就成為網路建設發展所需考量的重點之一。 請參考圖一。圖一為一典贺網路電路1 0中以習知配置 之功率放大晶片及功率偵測晶片來發送訊號之功能方塊 示意圖。網路電路1 〇可以是〆無線網路之網路界面卡 (Network Interface Card)，其設有一存取電路 12， 並配合一習知的功率放大晶片1 4、一功率偵測晶片1 8及

200522335 五、發明說明（2) -功率控制電路〗9,以透過盔 ^^ 至無f網路上。存取電路12用、來二,天線〗6將訊 Γ =電路10要將-筆資料路電路10的ί 時，存2會對該筆資料進2J送至無線網J 讯號调k，成為功率放大晶片1 4的/裝、編碼及必要的 功率放大晶片14對輪入訊號Sip ^入^號Sipe射的 訊號Sop’就能傳輪至天，放大後成輪 至無線網路。 線電訊號的形式^ ί 為了要維持無線網路資源存取的正 功率放大晶片14能正常、穩定地進運作’就要確保 路電路10發出訊號的功率維持穩定 $放=，使得網 可能會使功率放大晶片14運作不不^道有數種因素 Sop的功率過大或太小。舉例來說' 是而田導致輸出訊號 作條件（像是偏壓及電晶體特性）你Α玄日^ 4的運 的運作失常…，= 片14 片士力率放大日日片1 4輸出的輸出訊號s〇p中，有一部份 會交成輸出汛號Sop2而傳輸至功率偵測晶片i 8。功率偵 測晶片>18即可偵測輸出訊號s〇p2的訊號功率，產生對應 的偵測说说Vpd作為偵測結果，並將偵測訊號Vpd傳輸至 功率控制電路1 9，由功率控制電路丨9迴授控制功率放大 晶片1 4的運作情形。舉例來說，若功率放大晶片1 4使輸 出訊號Sop的功率過大，連帶地輸出訊號s〇p2的功率也會 200522335 五、發明說明（3) 較 大，而功率偵測曰 大的情形。根據偵^ %窄，會以偵測訊號Vpd反應功率過 功率放大晶片14的運二，Vpd，功率控制電路19就會改變 率放大晶片1 4減少复功^ =(像是改變其偏壓），使功 功率回復正常。"率放大的程度，讓輸出訊號Sop的 其谓測晶片⑽電路示意圖， 功能就是一.值保7 fRp及一電容Cp，基本上其 訊號Sop2之峰值，成‘ P^a =〇lder)，能保持交流輸出 代表輸出m ft f近乎直&的電壓偵測訊號¥1)(1，以 f之振幅與功率。請參考圖二。圖二即 圖；各波形之橫軸為2相關讯號波形時序的示意 號S〇P2之電麼比#測^ 2 v 當為厂訊號大小。當輸入訊 之油报/1 電而儲存電荷；當輸人訊號 電阻Rp緩慢放電，等效上就I以立3Z = Cp^會透過 號νηΗΦ 士祕从位处/ 尤 其儲存的電荷在偵測訊 VPd的電壓大小來表示輸出訊號以“的功率大。虎 及功率般現行的網路電路1〇中，功率放大晶片14 率偵測Β曰片1 8是分別製造、封裝於不同之晶片，再 電路10的電路板上。然而，此種習知作 法會使網路電路10生產、製造的成本較高，不利於網路 200522335 五、發明說明（4) 建設的普及。 率放大之電路 效降低。由於 要以雙載子接 Transistor， 載子接面電晶 接面電晶體製 率偵測之電路 要考慮要以何 砷化鎵雙載子 由於此種製程 面，若以砷化 之電路，另以 路，此兩種製 另一方面 整合於同 不同種類 面電晶體 B J T )來構 體之製程 程）來製 和功率放 種製程來 接面電晶 的成本較 鎵雙載子 金氧半電 •程不相同 ，即使有將功率债測之電路與功 一晶片之技術，其成本亦未能有 電晶體本身的物理特性，通常都 (Bipolar Junction 成功率放大的電路，故需使用雙 (像是碎化鎵，GaAs，之雙載子 造功率放大的電路。但若要將功 大的電路整合於同一晶片中，就 製造功率偵測之電路。若同樣以 體製程來形成功率彳貞測之電路， 高，故其成本無法降低。另一方 接面電晶體製程來形成功率放大 晶體之製程來實現功率偵測電 ’其成本仍然無法降低。 容 内 明 發 一.於習功 子現服持 栽，實克維 雙合以能 以整，也 能路法時 種電方同 1測造， 出偵製本 提率關成 是功相的 即及及片 ，路片晶 的電晶出。 目大出輸作 要放輸低運 主率路降常 .之功網，正 明將的點的 發來中缺路 本程片的電 ，製晶術大 此半一技放 因氧同知率 電 測 偵 率 功 的 現 實 體 晶 ^¾ 半 氧 金 用 採 係 中 明 發 本 在 200522335 五、發明說明（5) 路，其内設有一受控電流源、一參考電流源及一儲存電 荷的電容，以根據功率放大電路輸出訊號之訊號功率， 產生一對應的偵測訊號。受控電流源可提供一充電電 流，其電流大小受控於輸出訊號及偵測訊號間的電壓 差。參考電流源則用來產生一定值的參考電流。充電電 流、參考電流對電容充放電累積電荷，該電荷對應之電 壓即可作為偵測訊號，代表功率放大電路輸出訊號的功 率大小。 由於本發明採用了金氧半電晶體的功率偵測電路，就 能和雙載子接面電晶體之功率放大電路整合以同一個雙 載子-金氧半製程製造出來。由於雙載子-金氧半製程已 發展成熟，其成本低廉，故本發明能以較低的成本將功 率偵測電路、功率放大電路整合於同一輸出晶片中，降 低網路電路的成本，使網路資源能更普遍地為大眾所利 用。 【實施方式】 請參考圖三。圖三即為本發明輸出晶片2 0—實施例功能 方塊的示意圖。輸出晶片2 0可使用於網路電路中，對要 發送至網路（如無線網路）的訊號（像是射頻訊號）做 功率放大。輸出晶片20中整合有一功率放大電路2 4及一 功率偵測電路2 8。要傳輸至網路的訊號可作為功率放大

第10頁 200522335 五、發明說明（6) 電路2 4的輸入訊號S i，而功率放大電路2 4就可對其進行 功率放大，成為輸出訊號So，將此輸出訊號So傳輸至天 線（未示於圖三），就可以無線電的方式將訊號發送至 網路。另外，功率放大電路2 4也會有一部份的輸出訊號 成為第二輸出訊號So2而傳輸至功率偵測電路28，功率偵 測電路28可偵測輸出訊號So2的功率，產生對應的偵測訊 號Vde，使此偵測訊號Vde的電壓大小可代表輸出訊號So2 (乃至於輸出訊號So)的功率大小。就如前面討論過 的，根據偵測訊號Vde，就可迴授控制功率放大電路24的 運作情形，維持輸出訊號正常的輸出功率。 直半偏 於氧流 壓金直 偏二 8 2 有， 2 路設2 電内源 測其 偵， 率間考 功之參 的 一 用壓， 採電源 明端流 發地電 本是控 ，像受 示C 一 G 所文為 三DA作 V Μ 圖 卩壓體 ★電晶 流電 流 電 晶 電 電充 一其 為而

為 作 個 1 及 以 端 入 輸 一 為 作 極 閘 的 電Μ 壓體 路 之； Ξ接 用 充 中 2 L ο 其S ο號 C 容 訊 出 其 而' 極 達t， 電 流 可 端财電 制體充 控晶一 一電為為，W 作壓I 則跨流 極的電 源間一 11 N 點 3” 點 節 點 皂節 亦味 其容 ，電 源。 d T1 電流 定電 一的 為定 則固 2 2 小 源大 壓流 於 接 a N節 極通電 源導考 、間參 極極， 集源外據慎另 根 no 電 生 rjtj 可 IX N 點 的 視 可 端 電 放 充 號一 訊供 測提 伯極 為閘 作之 I可Μ c"v IC/aQ 壓 ^ t t 電一對 $ ^ ^ mV 1 s Ν節_ 點在Ί 節 路 荷. —Dw^& 可 壓 C的爲 容積心 電累、b ，所直 ο 端電 id 壓放 直

第11頁 200522335 五、發明說明（7) 流的偏壓。 功率偵測電路2 8之工作原理可敘述如下。在實際實現 功率偾測電路28時，參考電壓源22可用一或多個金氧半 電晶體來實現，再加上等效輸出阻抗的效應，就相當於 有一等效的電阻Req存在於參考電壓源22的兩端之間，如 圖三中所示。電晶體Μ及參考電壓源22中作為電流源的金 氧半電晶體會被偏壓運作於飽和區（saturation region);當輸出訊號So2的位準為零時，電晶體Μ之閘極 偏壓可使電晶體Μ導通之電流相當於電流（I d + I e q )。當輸 出訊號So2之位準向上升高時，就會帶動電晶體μ的閘極 電流升高，使電晶體Μ導通之電流增加而向電容c充電， 並使偵測訊號Vde之電壓隨充電而升高。當輸出訊號s〇2 之電壓升高至峰值後而開始降低時，電容C就會緩慢經由 電阻Req放電，大致地維持峰值，如此便能以偵測訊號 Vde之電壓大小代表輸出訊號s〇2 (乃至於輸出訊號So) 之功岸大小。 請參考圖四（並一併參考圖三）。圖四即為本發明中 功率偵測電路2 8在實際實現時一實施例之電路示意圖。 功率放大電路的輸出訊號So2可經由一電容C 合\電晶 體Μ，而直流偏壓電路3 0可以用電阻架構出的分壓器來$ 現，以提供一直流偏壓Vg。作為充電單元的電容◦可由一

第12頁 200522335 五、發明說明（8) 或多個電容串聯而成。經過電阻R〇、電容Co就可輪出偵 測訊號Vde。參考電流源28則可用η型金氧半電晶體Qa Q5架構出來，其偏壓於直流電壓VD2及G之間，以電流鏡 之組態配置出一定電流源，而電晶體Q1之閘極則偏壓於 直流偏壓電路32提供之偏壓電壓Vg2。類似於直流偏壓電 路3 0，直流偏壓電路32也可使用電阻之分壓器來實現。 而圖五則顯示了功率偵測電路2 8輸出入訊號間的關係， 其橫軸為功率放大電路2 4輸出訊號之功率，其單位可為 業界較常使用的分貝微瓦（dBm);而其縱軸則為偵測訊號 ^de的電壓大小，其單位可為伏（v〇lt)。由圖五可知，^ 著功f放大電路輸出訊號功率之改變，偵測訊號之電壓思 t會隨之改變，使功率偵測電路28可用偵測訊號Vde之電 ，大小來指示功率放大電路24輸出的功率。利用偵測訊 號Vde，就能迴授控制功率放大電路24的輸出功、， 輸出功率雉持穩定。 由於本發明採用了金氧半電晶體為主的功率 :二雙載子電晶體為主之功率放大以以 程中整合；；：幹金出氧曰半(Bi=上製J來將兩者在同-製 成金氧半電晶體接金氧半製程能同時形 單-製程，就：J 5:ί面電晶體，故本發明只要以 功率放大電路，b降：輸』U f做：功率偵測電路及 力丰放大電路主要使用雙載子-金氧半製：中製造雙

200522335 五、發明說明（9) 載子接面電_晶體之流程來形成，功率偵測電路則主要以 雙載子-金氧半製程中製造金氧半電晶體之流程來形成。 在本發明之較.佳實施例中，可採用矽—鍺雙載子-金氧半 製私（S i G e B i C Μ 0 S)來形成輪出晶片，並採用混合接面雙 載子電日日體（heterojunction bipolar transistor， HBT)來架構功率放大電路。經過實做的測試，發現本發

明以雙載子-金氧半製程製造出來的整合輸出晶片具有良 好的特性；在功率偵測電路部分，隨著功率放大電路輸 出功率、Jl化於0至1 8分貝微瓦之間’债測訊號v d e之電羞 會對應地在〇 · 4 5至1 · 2伏之間改變，以反應功率放大電路 輸出功率的大小，而功率偵測電路的反應時間大約為 〇 · 1 u s ( 1 u s為百萬分之一秒）。 相較於習知技術，本發明係採用以金氧半電晶體架構 出的功率偵測電路，故可使用低成本的雙載子一金氧$製 程’以單一製程將功率偵測電路及功率放大電路整合形 成於同一輸出晶片中。這樣一來，就能降低輸出晶^ ^ 至於網路電路·整體的成本，還能以功率偵測電路^測訊 说之迴授控制兼顧網路通訊的品質’使網路資源^妒為

第14頁 200522335 圖式簡單說明 圖式之簡單說明 圖一 為 一 典 型 網 路 電 路 之 功 能 方 塊示 意 圖 〇 圖二 為 圖 _ — 中 功 率 偵 測 晶 片 運 作 時各 相 關 訊 號 波 形時 的示 意 圖 〇 圖三 為 本 發 明 將 功 率 放 大 電 路 及 功率 偵 測 電 路 整 合於 一輸 出 晶 片 之 示 意 圖 〇 圖四 為 圖 三 中 功 率 偵 測 電 路 一 實 施例 的 電 路 示 意 圖。 圖五 為 圖 三 中 功 率 偵 測 電 路 各 訊 號間 關 係 的 示 意 圖。 圖式 之 符 號 說 明 10 網 路 電 路 12 存 取 電 路 14 功 率 放 大 晶 片 16 天 線 18 功 率 偵 測 晶 片 19 功 率 控 制 電 路 2 0 輸 出 晶 片 22 參 考電 流 源 24 功 率 放 大 電 路 28 功 率. 偵 測 電 路 30> 32 直 流 偏 壓. 電 路 Vg、 Vg2 直流偏壓 S i p、S i 輸入訊號

Sop、Sop2 、So 〜So2 輸出訊號 Vpd、 Vde 偵測訊號 Cp、 C、Co 電 容 Dp 二極體 Rp、 Req、Ro 電阻 M、Q卜Q5 電晶體 N1 節點 I c、I d、I e q 電流 VD、G、VD2 直流電壓

第15頁

Claims (1)

1. 200522335 六、申請專利範圍 1. 一種輸出晶片，其包含有： 一功率放大電路，其可對一輸入訊號進行功率放大以產 生一對應的輸出訊號，並根據該輸出訊號產生一對應的 第二輸出訊號；以及 一功率偵測電路，其可根據該第二輸出訊號提供一對應 之偵測訊號，使該偵測訊號之訊號大小對應於該輸出訊 號之平均功率；而該功率偵測電路包含有： 一受控電流源，其設有一輸入端及一控制端，該輸入端 電連於該功率放大電路，用來接收該第二輸出訊號；而 該受控電流源可提供一充電電流，並使該充電電流的電 流大小對應於該輸入端及該控制端間的訊號差異； 一參考電流源，用來提供一參考電流；以及 一充電單元，其具有一電壓端，電連於該控制端；該充 電早7L可儲存該充電電流及該參考電流提供的電何’並 由該電壓端輸出該偵測訊號，使該偵測訊號之訊號大小 對應於該充電單元儲存的電荷。 2. 如申請專利範圍第1項之輸出晶片，其中該受控電流 源係為一金氧半電晶體，該輸入端為該金氧半電晶體之 閘極（gate)，而該控制端為該金氧半電晶體之源極 (source) 〇 3. 如申請專利範圍第1項之輸出晶片，其中該參考電流 源係由至少一金氧半電晶體組成。

   第16頁 200522335 ， 六、申請專利範圍 4. 如申請專利範圍第1項之輸出晶片，其中該充電單元 包含有至少一電容。 5. 如申請專利範圍第1項之輸出晶片，其中該輸出訊號 為一射頻（radio frequency)之訊號。 6. 如申請專利範圍第1項之輸出晶片，其中該功率放大 電路包含有至少一雙載子接面電晶體。 7. 如申請專利範圍第1項之輸出晶片，其中該功率放大 電路及該功率偵測電路係於同一雙載子-金氧半（BiCMOS) 製程中形成。 8. —種製造一輸出晶片的方法，其包含有： 以一雙載子-金氧半製程形成該晶片中的一個功率放大電 路，使該功率放大電路可對一輸入訊號進行功率放.大以 產生一對應的輸出訊號，並根據該輸出訊號產生一對應 的第二輸出訊號；以及 在形成該功率放大電路時，同時以該雙載子-金氧半製程 進行一第二流程，以於該晶片中形成一功率偵測電路， 而該第二流程中包含有： 形成一受控電流源，使其具有一輸入端及一控.制端，並 使該受控電流源可提供一充電電流；其中該輸入端電連

   第17頁 200522335 六、申請專利範圍 於該功率放大器，用來接收該參考訊號，而該充電電流 的電流大小係對應於該輸入端及該控制端間的訊號差 異； 形成一參考電流源，使其可提供一參考電流；以及 形成一個可儲存電荷的充電單元，使其具有一個電連於 該控制端的電壓端，並使該充電單元可儲存該充電電流 及該參考電流提供的電荷，再由該電壓端輸出該偵測訊 號，使該偵測訊號之訊號大小對應於該充電單元儲存的 電荷。 9.如申請專利範圍第8項之方法，其中在進行該第二流 程時，係以該雙載子金氧半製程中製造金氧半電晶體之 流程來形成該受控電流源，使該輸入端為一金氧半電晶 體之閘極（gate)，而該控制端為該金氧半電晶體之滹 極（source) 〇 1 0.如申請專利範圍第8項之方法，其中在進行該第二流 程時，係以該雙載子-金氧半製程中製造金氧半電晶體之 流程來形成該參考電流源。 1 1.如申請專利範圍第8項之方法，其中在進行該第二流 程時，係以該雙載子-金氧半製程中形成電容的流程來形 成該充電單元。

   第18頁 200522335 六、申請專利範圍 1 2.如申請專利範圍第8項之方法，其中該方法係用來製 造一射頻（radio frequency)訊號之輸出晶片。 1 3.如申請專利範圍第8項之方法，其係以該雙載子-金 氧半製程中製造雙載子接面電晶體的流程來形成該功率 放大電路。 1 4.如申請專利範圍第8項之方法，其中該雙載子-金氧 半製程係為一矽鍺（SiGe)雙載子-金氧半製程。