TW201630332A - 低雜訊放大器 - Google Patents
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Abstract
一種低雜訊放大器，適用於電連接一信號產生器，該信號產生器產生一輸入信號，且該低雜訊放大器包含一第一T型匹配電路、一電連接該第一T型匹配電路的第一放大器，及一電連接該第一放大器的第二放大器。該第一T型匹配電路具有一電連接該信號產生器以接收該輸入信號的輸入端，並輸出一相關於該輸入信號的轉換信號，且該輸入端的一等效輸入阻抗可等效於一濾波器並匹配於該信號產生器的一等效輸出阻抗，再經由該第一放大器和該第二放大器將該轉換信號逐級進行增益放大而產生一高增益且低雜訊的輸出信號。
Description
本發明是有關於一種放大器，特別是指一種低雜訊放大器。
一般放大器常藉由多級的放大單元組合的設計架構來達到高增益之功效，因此所需要的元件也就越多，如此一來雜訊自然也就提高，且放大器的動作原理通常為直接輸入一輸入信號於該放大器，再藉由該多級的放大單元加以放大而成一放大輸出信號，但該放大輸出信號常常夾雜了許多雜訊於其中，這是因為隨著該多級放大單元的信號放大，常常也一併地將該輸入信號所夾雜的該等雜訊也隨之放大，因此，高增益和低雜訊往往無法兼顧。
一般而言，在高頻狀態的雜訊指數通常較不理想，如下表1所示，下述的文獻([1]Millimeter-Wave Chip Set for 77-81 GHz Automotive Radar Application、[2]A Low-Power Linear SiGe BiCMOS Low-Noise Amplifier for Millimeter-Wave Active Imaging、[3]A 77 GHz CMOS Low Noise Amplifier for Automotive Radar Receiver和[4]A 60 to 77 GHz Switchable LNA in an RF-MEMS Embedded BiCMOS Technology)之放大器大多可操作於66GHz以上，
但，其雜訊比(NF)最少也要6.9dB以上，很明顯地表現都不是相當的理想，再加上3-dB頻寬也不夠大，因此會影響到整體的品質指數(FOM)，所以，習知的低雜訊放大器不僅無法兼顧高增益和低雜訊比，更無法有良好的品質指數。
因此，本發明之目的，即在提供一種能提高增益又能降低雜訊的低雜訊放大器。
於是本發明低雜訊放大器，適用於電連接一信號產生器，該信號產生器產生一輸入信號，且該低雜訊放大器包含一第一T型匹配電路、一第一放大器，及一第二放大器。
該第一T型匹配電路具有一電連接該信號產生器以接收該輸入信號的輸入端，並輸出一相關於該輸入信號的轉換信號，且該輸入端的一等效輸入阻抗匹配於該信號產生器的一等效輸出阻抗並可濾除雜訊。
該第一放大器電連接於該第一T型匹配電路以接收該轉換信號，並將該轉換信號進行增益放大而產生一放大信號。
該第二放大器電連接於該第一放大器以接收該放大信號，並將該放大信號進行增益放大而產生一輸出信號。
本發明之功效在於可藉由該第一T型匹配電路達到良好的阻抗匹配且能濾除該輸入信號所參雜的雜訊，再藉由該第一放大器和該第二放大器的增益放大，而產生具有高增益且低雜訊的該輸出信號。
1‧‧‧第一T型匹配電路
11‧‧‧輸入端
2‧‧‧第一放大器
21‧‧‧第二T型匹配電路
3‧‧‧第二放大器
31‧‧‧第三T型匹配電路
32‧‧‧第四T型匹配電路
C1‧‧‧第一耦合電容
C2‧‧‧第二耦合電容
C3‧‧‧第三耦合電容
Cby1‧‧‧第一旁路電容
Cby2‧‧‧第二旁路電容
Cby3‧‧‧第三旁路電容
Cby4‧‧‧第四旁路電容
Cby5‧‧‧第五旁路電容
Cgs1‧‧‧寄生電容
Cgs1e‧‧‧第二等效轉換電容
Cin‧‧‧等效電容
Cine‧‧‧第一等效轉換電容
L1‧‧‧第一等效電感
L2‧‧‧第二等效電感
L3‧‧‧第三等效電感
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
Rf‧‧‧等效輸入阻抗
Sin‧‧‧輸入信號
Sout‧‧‧輸出信號
TL‧‧‧傳輸線
TL1‧‧‧第一傳輸線
TL2‧‧‧第二傳輸線
TL3‧‧‧第三傳輸線
TL4‧‧‧第四傳輸線
TL5‧‧‧第五傳輸線
TL6‧‧‧第六傳輸線
TL7‧‧‧第七傳輸線
TL8‧‧‧第八傳輸線
TL9‧‧‧第九傳輸線
TL10‧‧‧第十傳輸線
TL11‧‧‧第十一傳輸線
TL12‧‧‧第十二傳輸線
TL13‧‧‧第十三傳輸線
TL14‧‧‧第十四傳輸線
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
V3‧‧‧第三電壓
Zin‧‧‧等效輸入阻抗
Zout‧‧‧等效輸出阻抗
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是一電路圖，說明本發明低雜訊放大器的一實施例；圖2是一電路圖，說明本發明低雜訊放大器的該第一實施例的一第一T型匹配電路轉換成一T型小訊號等效電路；圖3是一電路圖，說明本發明低雜訊放大器的該第一實施例的該T型小訊號等效電路轉換成一π型等效電路；圖4是一電路圖，說明本發明低雜訊放大器的該第一實施例的該π型等效電路轉換成一濾波器；及圖5是一曲線圖，說明本發明低雜訊放大器的一S11模擬圖。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明低雜訊放大器之一實施例，適用於電連接一信號產生器(圖未示)，該信號產生器產生一輸入信號Sin，且該低雜訊放大器包含一第一T型匹配電路1、一第一放大器2、一第二放大器3、一第一旁路電容Cby1、一第二旁路電容Cby2、一第三旁路電容Cby3、一第四旁路電容Cby4，及一第五旁路電容Cby5。
該第一T型匹配電路1具有一電連接該信號產生器以接收該輸入信號Sin的輸入端11，並輸出一相關於該輸入信號Sin的轉換信號(圖未示)，且該輸入端11的一等效輸入阻抗Zin匹配於該信號產生器的一等效輸出阻抗Zout並可濾除雜訊，其中，該第一T型匹配電路1包括一第一耦合電容C1、一第一傳輸線TL1、一第二傳輸線TL2，及一第三傳輸線TL3。
該第一耦合電容C1具有一電連接該輸入端11以接收該輸入信號Sin的第一端，及一第二端
該第一傳輸線TL1具有一電連接該第一耦合電容C1的第二端的第一端，及一第二端。
該第二傳輸線TL2具有一電連接該第一傳輸線TL1的第二端的第一端，及一電連接一第一電壓V1的第二端。
該第三傳輸線TL3具有一電連接該第一傳輸線
TL1的第二端的第一端，及一電連接該第一放大器2且輸出該轉換信號的第二端。
該第一放大器2電連接於該第一T型匹配電路1以接收該轉換信號，並將該轉換信號進行增益放大而產生一放大信號(圖未示)，其中，該第一放大器2包括一第一電晶體M1、一傳輸線TL，及一第二T型匹配電路21。
該第一電晶體M1具有一第一端、一第二端，及一電連接該第三傳輸線TL3的第二端以接收該轉換信號的控制端。
該傳輸線TL具有一電連接該第一電晶體M1的第二端的第一端，及一接地的第二端。
該第二T型匹配電路21接收一第二電壓V2並電連接於該第一電晶體M1的第一端和該第二放大器3之間，並輸出該放大信號，其中，該第二T型匹配電路21具有一第四傳輸線TL4、一第五傳輸線TL5，及一第六傳輸線TL6。
該第四傳輸線TL4具有一第一端，及一電連接該第一電晶體M1的第一端的第二端。
該第五傳輸線TL5具有一接收該第二電壓V2的第一端，及一電連接該第四傳輸線TL4的第一端的第二端。
該第六傳輸線TL6具有一電連接該第四傳輸線TL4的第一端的第一端，及一輸出該放大信號的第二端。
該第二放大器3電連接該第一放大器2以接收
該放大信號，並將該放大信號進行增益放大而產生一輸出信號Sout，其中，該第二放大器3包括一第三T型匹配電路31、一第二電晶體M2、一第十傳輸線TL10、一第三電晶體M3、一第十一傳輸線TL11，及一第四T型匹配電路32。
該第三T型匹配電路31具有一第二耦合電容C2、一第七傳輸線TL7、一第八傳輸線TL8，及一第九傳輸線TL9，該第二耦合電容C2具有一電連接該第六傳輸線TL6的第二端以接收該放大信號的第一端，及一第二端。該第七傳輸線TL7具有一電連接該第二耦合電容C2的第二端的第一端，及一第二端。該第八傳輸線TL8具有一電連接該第七傳輸線TL7的第二端的第一端，及一接收一第三電壓V3的第二端。該第九傳輸線TL9具有一電連接該第七傳輸線TL7的第二端的第一端，及一電連接該第二電晶體M2的控制端的第二端。
該第二電晶體M2具有一第一端、一接地的第二端，及一電連接該第三T型匹配電路31的控制端。
該第十傳輸線TL10具有一第一端，及一電連接該第二電晶體M2的第一端的第二端。
該第三電晶體M3具有一第一端、一電連接該第十傳輸線TL10的第一端的第二端，及一控制端。
該第十一傳輸線TL11具有一電連接該第三電晶體M3的控制端的第一端，及一接收一第四電壓V4的第二端。
該第四T型匹配電路32電連接該第三電晶體M3的第一端，並具有一第十二傳輸線TL12、一第十三傳輸線TL13、一第十四傳輸線TL14，及一第三耦合電容C3。該第十二傳輸線TL12具有一第一端，及一電連接該第三電晶體M3的第一端的第二端。該第十三傳輸線TL13具有一接收一第五電壓V5的第一端，及一電連接該第十二傳輸線TL12的第一端的第二端。該第十四傳輸線TL14具有一電連接該第十二傳輸線TL12的第一端的第一端，及一第二端。該第三耦合電容C3具有一電連接該第十四傳輸線TL14的第二端的第一端，及一輸出該輸出信號Sout的第二端。
該第一旁路電容Cby1具有一接收該第一電壓V1的第一端，及一接地的第二端。該第二旁路電容Cby2具有一接收該第三電壓V3的第一端，及一接地的第二端。第三旁路電容Cby3具有一接收該第二電壓V2的第一端，及一接地的第二端。該第四旁路電容Cby4具有一接收該第四電壓V4的第一端，及一接地的第二端。該第五旁路電容Cby5具有一接收該第五電壓V5的第一端，及一接地的第二端。
上述實施例的該第一電晶體M1~該第三電晶體M3的每一者皆為一N型金屬氧化物半導體(NMOS)場效電晶體，且該第一端是汲極、該第二端是源極，及該控制端是閘極。而本發明該低雜訊放大器的主要架構是藉由該第一放大器2以共源極(common source)的結構和該第二放大器3以疊接(cascode)電路的結構來組合而成，以達到有效
地提升增益。
本發明低雜訊放大器在架構的設計上不同於習知，即為增加該第一T型匹配電路1於該信號產生器和該第一放大器2之間，其目的除了欲使該輸入端11的該等效輸入阻抗Zin匹配於該信號產生器的該等效輸出阻抗Zout，於小訊號分析時更能等效於一濾波器，使該輸入信號Sin進入至該第一放大器2之前先將參雜於該輸入信號Sin的多數雜訊濾除，而避免該等雜訊會隨著該輸入信號Sin進入至後級的該第一放大器2和該第二放大器3而放大影響到本實施例之功效。以下更進一步地加以說明，本實施例的該第一T型匹配電路1在小訊號分析時可以等效成如圖2所示的一T型小訊號等效電路，其中，一第一輸入等效電容Cin為由該輸入端11看入至該第一電晶體M1的該控制端的等效電容且具有一電容值cin，第一寄生電容Cgs1為該第一電晶體M1的該控制端(閘極)和第二端(源極)間的寄生電容且具有一電容值cgs1，一等效阻抗Rf則為由該第一電晶體M1的該控制端看入的等效輸入阻抗，而該第一傳輸線TL1~第三傳輸線TL3的阻抗值分別為tl1~tl3。
同時參閱圖3，並經由電路分析轉換將該T型小訊號等效電路轉換為一π型等效電路，而該π型等效電路的第一等效電感L1、第二等效電感L2和第三等效電感L3的等效阻抗值轉換公式如下(公式1)~(公式3)所示：
同時參閱圖4，更由於圖3的該π型等效電路在W-band頻帶(75~110GHz)時，該第一等效電感L1會與部分的第一等效電容Cin成共振開路而形成一第一等效轉換電容Cine，且該第三等效電感L3會與部分的第一寄生電容Cgs1成共振開路而形成一第二等效轉換電容Cgs1e，使得圖4的電路架構圖類似於一濾波器的等效電路，所以能使本發明的該輸入信號Sin在還未進入到該第一放大器2前就先濾除參雜於該輸入信號Sin內的該等雜訊，使得該輸出信號Sout所參雜的該等雜訊大大地降低而達到低雜訊成分放大器之功效，其中，該第一等效轉換電容Cine和該第二等效轉換電容Cgs1e的阻抗值轉換如下公式(公式4)~(公式5)所示：
參閱圖5的S11模擬圖可觀察出由於上述的該第一T型匹配電路1，及利用設計過的傳輸線電感來取代一般的高頻電感，使得本發明能達良好的阻抗匹配及高頻帶之特性，更能操作於57-61GHz和77-81GHz的雙頻帶之應用。
特別值得一提的是，在上述實施例中所包含的該第一旁路電容Cby1~該第五旁路電容Cby5，主要是為了避免漏電流之問題，因此在其他實施例中，本發明雜訊放
大器也可以不包含該第一旁路電容Cby1~該第五旁路電容Cby5。
綜上所述，上述實施例具有以下之優點：
1.提高增益：藉由該第一T型匹配電路1的該等效輸入阻抗Zin和該信號產生器的該等效輸出阻抗Zout做阻抗匹配，以達到減少功率損耗，更藉由該第一放大器2和該第二放大器3的組合使得增益大大地提升。
2.降低雜訊：將該第一T型匹配電路1設計為可等效成該濾波器，使得該輸入信號Sin內所參雜的該等雜訊在進入該第一放大器2之前即被該第一T型匹配電路1等效的濾波器濾除，而不會影響到該輸出信號Sout。
3.操作於高頻帶：由於高頻容易有寄生電容的問題，所以本發明更利用設計過的傳輸線電感來取代該一般高頻電感，使其在高頻帶能有更良好的匹配效果而有更好的表現。
4.整體品質指數(FOM)能有良好之表現：由於本發明能兼顧高增益及低雜訊，因此，整體的品質指數即能維持於一定的水準，而使其特性及功效更優於習知的傳統放大器，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，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。
1‧‧‧第一T型匹配電路
11‧‧‧輸入端
2‧‧‧第一放大器
21‧‧‧第二T型匹配電路
3‧‧‧第二放大器
31‧‧‧第三T型匹配電路
32‧‧‧第四T型匹配電路
C1‧‧‧第一耦合電容
C2‧‧‧第二耦合電容
C3‧‧‧第三耦合電容
Cby1‧‧‧第一旁路電容
Cby2‧‧‧第二旁路電容
Cby3‧‧‧第三旁路電容
Cby4‧‧‧第四旁路電容
Cby5‧‧‧第五旁路電容
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
Sin‧‧‧輸入信號
Sout‧‧‧輸出信號
TL‧‧‧傳輸線
TL1‧‧‧第一傳輸線
TL2‧‧‧第二傳輸線
TL3‧‧‧第三傳輸線
TL4‧‧‧第四傳輸線
TL5‧‧‧第五傳輸線
TL6‧‧‧第六傳輸線
TL7‧‧‧第七傳輸線
TL8‧‧‧第八傳輸線
TL9‧‧‧第九傳輸線
TL10‧‧‧第十傳輸線
TL11‧‧‧第十一傳輸線
TL12‧‧‧第十二傳輸線
TL13‧‧‧第十三傳輸線
TL14‧‧‧第十四傳輸線
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
V3‧‧‧第三電壓
Zin‧‧‧等效輸入阻抗
Zout‧‧‧等效輸出阻抗
Claims (8)
- 一種低雜訊放大器，適用於電連接一信號產生器，該信號產生器產生一輸入信號，且該低雜訊放大器包含：一第一T型匹配電路，具有一電連接該信號產生器以接收該輸入信號的輸入端，並輸出一相關於該輸入信號的轉換信號，且該輸入端的一等效輸入阻抗匹配於該信號產生器的一等效輸出阻抗並可濾除雜訊；一第一放大器，電連接於該第一T型匹配電路以接收該轉換信號，並將該轉換信號進行增益放大而產生一放大信號；及一第二放大器，電連接於該第一放大器以接收該放大信號，並將該放大信號進行增益放大而產生一輸出信號。
- 如請求項1所述的低雜訊放大器，其中，該第一T型匹配電路包括：一第一耦合電容，具有一電連接該輸入端以接收該輸入信號的第一端，及一第二端；一第一傳輸線，具有一電連接該第一耦合電容的第二端的第一端，及一第二端；一第二傳輸線，具有一電連接該第一傳輸線的第二端的第一端，及一電連接一第一電壓的第二端；及一第三傳輸線，具有一電連接該第一傳輸線的第二端的第一端，及一電連接該第一放大器且輸出該轉換信號的第二端。
- 如請求項2所述的低雜訊放大器，其中，該第一放大器包括：一第一電晶體，具有一第一端、一第二端，及一電連接該第三傳輸線的第二端以接收該轉換信號的控制端；一傳輸線，具有一電連接該第一電晶體的第二端的第一端，及一接地的第二端；及一第二T型匹配電路，接收一第二電壓並電連接於該第一電晶體的第一端和該第二放大器之間，並輸出該放大信號。
- 如請求項3所述的低雜訊放大器，其中，該第二T型匹配電路具有：一第四傳輸線，具有一第一端，及一電連接該第一電晶體的第一端的第二端；一第五傳輸線，具有一接收該第二電壓的第一端，及一電連接該第四傳輸線的第一端的第二端；及一第六傳輸線，具有一電連接該第四傳輸線的第一端的第一端，及一輸出該放大信號的第二端。
- 如請求項4所述的低雜訊放大器，其中，該第二放大器包括：一第三T型匹配電路，電連接於該第六傳輸線的第二端以接收該放大信號；一第二電晶體，具有一第一端、一接地的第二端，及一電連接該第三T型匹配電路的控制端； 一第十傳輸線，具有一第一端，及一電連接該第二電晶體的第一端的第二端；一第三電晶體，具有一第一端、一電連接該第十傳輸線的第一端的第二端，及一控制端；一第十一傳輸線，具有一電連接該第三電晶體的控制端的第一端，及一接收一第四電壓的第二端；及一第四T型匹配電路，電連接該第三電晶體的第一端，以輸出該輸出信號。
- 如請求項5所述的低雜訊放大器，其中，該第三T型匹配電路具有：一第二耦合電容，具有一電連接該第六傳輸線的第二端以接收該放大信號的第一端，及一第二端；一第七傳輸線，具有一電連接該第二耦合電容的第二端的第一端，及一第二端；一第八傳輸線，具有一電連接該第七傳輸線的第二端的第一端，及一接收一第三電壓的第二端；及一第九傳輸線，具有一電連接該第七傳輸線的第二端的第一端，及一電連接該第二電晶體的控制端的第二端。
- 如請求項6所述的低雜訊放大器，其中，該第四T型匹配電路具有：一第十二傳輸線，具有一第一端，及一電連接該第三電晶體的第一端的第二端；一第十三傳輸線，具有一接收一第五電壓的第一端 ，及一電連接該第十二傳輸線的第一端的第二端；一第十四傳輸線，具有一電連接該第十二傳輸線的第一端的第一端，及一第二端；及一第三耦合電容，具有一電連接該第十四傳輸線的第二端的第一端，及一輸出該輸出信號的第二端。
- 如請求項1所述的低雜訊放大器，還包含：一第一旁路電容，具有一接收該第一電壓的第一端，及一接地的第二端；一第二旁路電容，具有一接收該第三電壓的第一端，及一接地的第二端；一第三旁路電容，具有一接收該第二電壓的第一端，及一接地的第二端；一第四旁路電容，具有一接收該第四電壓的第一端，及一接地的第二端；及一第五旁路電容，具有一接收該第五電壓的第一端，及一接地的第二端。
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