TW550881B - Mimic driver amplifier having zig-zag RF signal flow - Google Patents

Description

550881 五、發明說明（1) 發明領域： 本發明係與射頻信號放大器的系統及其方法有關，特 別疋早片微波積體電路驅動放大器（driver amplifier)有 關。更特別的是，本發明係與具有鋸齒形（Zig-Zag)信號 流的單片微波積體電路驅動放大器系統及其方法有關。 發明背景： 單片微波積體電路（Μ Μ I C)放大器一般係用於放大高頻 射頻信號，以及/或者是微波信號。要放大或提高放大 器’像是單片微波積體電路驅動放大器的射頻增益，一般 需要增加放大級（amplification stage)的級數，這可經 由增加電晶體數目來達成。不幸的是，提昇放大率與設計 成本之間有高度正向（sharp correlation)的關係，這主 要是因為提昇放大率的同時，裸晶上需要用來放大的空間 也會增加，使得裸晶的尺寸也必須隨著增加。因此如何能 夠提昇驅動放大器的信號放大率而不會增加裸晶尺寸，成 為當務之急。 因此’我們需要較小裸晶尺寸的驅動放大器，此外， 我們也品要低成本的驅動放大器，而具有更高增益與更高 效率的較佳驅動放大器將可符合市場需求。 發明概要： 本發明係揭示一種驅動放大系統及其方法，其中放大

550881 五、發明說明（2) 器具有複數個放大級，被安排在裸晶（d i e)上，讓射頻信 號流由一個放大級流至下一個放大級，而信號流具有鋸齒 形的特性。此外，驅動放大器具有集中在裸晶上直流偏壓 電路，提供每一個放大級所需要的偏壓輸入（bias feed) ° 在另一實施例中，本發明中的一種驅動放大器包含被 安排為堆疊組態的放大級，而鄰近的放大級為朝向相反的 方向。 在另一個實施例中，本發明中的一種驅動放大器包含 級間匹配網路（interstage matching network)，由直流 偏壓電路的直流偏壓輸入以及一個直流隔絕電容所組成。 還有在另外一個實施例中，本發明中的一種驅動放大 器包含至少由兩個以上的放大級共享的源級導孔（s〇urce via) 〇 本發明亦揭示製造驅動放大器的方法，其中包括將複 數個放大級安排在裸晶上，讓射頻信號流實際上是以鋸齒 形流動。此外，直流偏壓電路係安排在裸晶的一個周圍上 (perimeter)，而傳輸線（transmission line)則連接在介 於直流偏壓電路與每一個放大級之間。傳輸線可經過修 正’用來匹配放大級間的信號。

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發明詳細說明： 本發明提供具有較佳放 號流的單片微波積體電路驅 是’本發明提供具有較小裸 數的單片微波積體電路驅動 提供一個單片微波積體電路 以籍由以下方法，比如說將 的信號流、集中偏壓電路、 及讓放大級間共享導孔的方 的0 大級幾何配置（geometry)與信 動放大器系統及其方法。特別 晶尺寸、較高增益與較少元件 放大器。更特別的是，本發明 驅動放大器系統及其方法，可 放大級配置為可以流過鋸齒形 減少級間匹配所需額外元件以 式’達到精簡裸晶尺寸的目 本發明所揭示的驅動放大器特別適合和κ頻帶 (K-band)驅動器與媒介功率放大器（medium ampiifier)搭配使用，同時場效應電晶體（fet)驅動放大 器也可應用於本發明中，不過，劾籴l ^ ^ ^ # 个心熟悉此技藝者應當感受並 m截ΐϊ不同的電晶體如雙載子接面電晶體（bjt)與 =载：電晶體_，或者是不同的頻率也可以應用 =明巾。以下的敘述並非用來限制本發明的使用或應 用棘圍，只是用來完整的描述—個較佳實施例而已。 圖1所示為根據本發明的 ,._ _ -. 個貫施例所繪示的單片微 波積體電路驅動放大器100的佈局（layout)圖例，以方塊 圖表現。單片微波積體電路驅動放大器100包括6級

550881 五、發明說明（4) (stage)的放大器i〇la —丨〇1 f，其中所用的電晶體可以是場 效電晶體、異質雙載子電晶體或任何適合的主動式元件， 端視操作頻率而定（在本圖中並沒有標示出這些主動元 件）。要注意的是放大器的級數，還有每一級所用的場效 電晶體數目都可依特定應用的功率需求而變化。 圖1中以虛線表示獨特的鋸齒形（z i g-zag)信號流流經 放大器1 0 0的每一級的情形，儘管在圖中並沒有清楚的標 示出輸出與輸入端，但是放大器1〇〇的每個放大級都有包 括合適的射頻信號輸出與輸入端。在操作中，射頻信號輸 入放大器第一級101的輸入端，然後從101&流至第二級 1 0 1 b ’並以此類推，直到射頻信號通過最後一個放大級， 也就是圖1中的1 〇 1 f。根據每一級與其他級的相對位置， 射頻彳0號〃IL顯然疋以鋸齒形或者是S型的曲折形式通過這 個放大器。在這個情況下，本實施例將鄰近的放大級配置 為「堆疊（stacked)」的型態，而一個放大級的輸入靠近 下一級的輸出。在此要注意的是，我們可以利用其他的方 式，產生類似的鋸齒形信號流。 本發明中的單片微波積體電路驅動放大器丨〇 〇並進一 步包括直流偏壓電路1〇4與106，由於直流偏壓電路的構造 與操作方式已經為人所熟知，因此不再贅述。在本發明 中，放大級的配置方式讓偏壓電路可以有組織地放^在距 離放大級較遠的地方。舉例來說，偏壓電路1〇4與1〇6可位

550881 五、發明說明（5) 於晶片的周圍（p e r i m e t e r)，利用傳輸線連到放大級。根 據同在sa片上的射頻元件的位置關係來決定直流元件的位 置’可以達到幾種優點，像是直流與射頻信號分離，偏壓 容易輸送到晶片的周圍，還有把直流偏壓電路集合起來， 可以將使用的元件與電路數目降至最低。 從偏壓電路1 0 4與1 〇 6連到各個放大級的是路徑線 (trace line)，每一個放大級都會接收閘極偏壓（gate bias)與汲極偏壓（drain bias)(如果不是使用場效電晶體 的話也有等效的電路）。在本實施例中包括6個放大級 101a-101f，因此也有對應的閘極偏壓1〇6a-1〇6f與汲極偏 壓104a-104f。此外，電容i〇8a —108e被放置在每一級之 間，提供直流隔絕等功能。 如如所述，在本發明中射頻與直流元件在晶片上的放 置方式’可協助降低晶片的整體尺寸，此外，本發明中的 級間匹配網路（interstage matching network)可協助進 一步降低晶片上使用的元件數目，進而縮小晶片的尺寸。 繼續參考圖1，圖中一個由3元件組成的匹配網路，即並聯 L—串聯C 一並聯L (shunt L - series c 一 Shunt L)，可以匹 配放大級間的阻抗，而不需要外加其他的元件。舉例來 說，汲極偏壓輸入l〇4a可以經過適當的調整成為並聯射頻 e周整元件（tuning element)，也就是shunt L，電容i〇8a可 經過調整成為串聯電容（series C)，而閘極偏壓可以經過

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調整成為並聯射頻調整元件， 況下’調整這些已經在位的元 以達到級間匹配，不須犧牲掉 能。在業界熟悉此技藝人士一 技術，知道如何決定特定元件 此不再贊述。 也就是shunt L。在這種情 件以及/或者是傳輸線就可 有用的晶片空間與放大器效 般都會知道各種信號匹配的 數值與進行數值的計算，因 u 考圖2 ’圖2所不為本發明的一個實施例中的驅動 放=益200的早片微波積體電路佈局。射頻信號從驅動放 大益200的輸入埠（input port)2〇4進入由多個場效電晶 體放大級加以放大，最後一個放大級的輸出則是輸出埠 206。在本實施例中可以看出本發明的架構，比如說堆疊 式放大級配置與集中化的直流偏壓電路。 驅動放大器2 0 0可以在任何合適的單片微波積體電路 基座（substrate) 202，也就是晶片或是裸晶上製造，半導 體材料可以是矽（Si)、砷化鎵（GaAs)、鍺（Ge)、碟化銦 (I nP )或者是以上的混合，如混合矽與鍺、混合矽與碳， 以及類似的物質。 如前所述’本發明的架構可降低單片微波積體電路的 整體尺寸。舉例來說，一個示範的驅動放大器2 0 0可以包 括6級的Ka頻帶（Ka-band)單片微波積體電路放大器，增益 大概是30dB ’尺寸大約疋1·5 ππη2 (1·15 *1·3ϋΐπι)。相較

550881 五、發明說明（7) 之下，一個傳統的3級30GHZ單片微波積體電路放大器的 增益大概在16_18dB之間，而裸晶尺寸大概是3·42 fflm2 (/2· 85 * 1 · 2mm)。因此，在本發明中的單片微波積體電路 系統及其方法所使用的裸晶面積可以比傳統放大器減少5 6 %，同時又可增加放大級數目與增益。 要注意的是，放大級數目以及/或者是每一個放大級 的場效電晶體手指（finger)數目，即佈局時將場效電晶體 畫成手指狀的數目，可視特定應用的需求而有變化。如圖 所示，示範的驅動放大器2〇〇包括6個放大級，其中每一個 場效電晶體具有2個手指，只有最後一個場效電晶體具有4 個手指。 根據本發明，本實施例的其他特徵包括某一些或全部 的放大級共享導孔（via)。舉例來說，前面提到了放大級 可月b排列為堆疊組態，因此每一級的源級導孔可以合併在 一起。業界熟悉此技藝人士可以馬上看得出來，如果合併 源級導孔，將可減少所需的源級導孔數目。因此，採用本 發明的架構，導孔數目可以降低約50 %，達到降低晶片整 體尺寸與維持晶片整合度（integrity)的目標。 在本發明中，裸晶尺寸縮減讓處理裸晶與組裝 (assembly)的過程變得更容易，此外，較小的裸晶面積也 可降低裸晶内發生缺陷的比率，並且減少在黏合（attach)

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過程中多餘的焊 構，也就是堆疊 片本身趨近實質 (stress point) 裸晶很薄，很容 率也就越高。熟 寸所帶來的好處 已。本發明的許 思的疋’根據同 如1-mil 、 4-mil

點（s ο 1 d e r v 〇 i d )。此外，本發明的架 的放大級與集中化的直流電路，可以讓羞 上，=方形的形狀，有助於減少應力點曰£ ，提幵良率。由於2iil，也就是5〇//ιηόί 易夂到損害，而晶片尺寸越大，損害的相 悉此技藝人士可以馬上了解到縮減裸晶只 ，並不侷限於使用薄裸晶可提昇良率而 多優點是以2-mi 1裸晶為範例，不過要注 樣的理由’本發明用於其他裸晶尺寸，你 、811 1或者是類似的尺寸也相當有利。 圖3所示為本發明另一實施例中的單片微波積體電路 驅動放大|§ 3 0 0的佈局。射頻信號從驅動放大器3 〇 〇的輸入 埠（input P〇rt) 304進入，由多個場效電晶體放大級加以 放大，最後一個放大級的輸出則是輸出埠3 〇 6。驅動放大 器3 0 0包括與前面的實施例相近的架構，也就是堆疊的放 大級組態、鋸齒形射頻信號流與集中化的直流元件，只不 過在本實施例中所示為一個4級、3〇dB增益、Ku頻帶的單 片微波積體電路放大器。在這個實施例中，因為放大級數 目減少’所以導孔可旎沒有共享，不過要注意的是，在另 外的實施例中，鄰近放大級的導孔可以共享。 值得注意的是’在本發明中，各種特殊的配置是用來 闡述不同的實施例及其最佳模式，並非用來限定本發明的

第12頁 550881 —五、發明說明⑼ — - 1哭备二7來呪’此處所描述的單片微波積體電路驅動放 動^杜1 /、方法是以場效電晶體來做說明，但是其他的主 僂^可適用。而為了節省篇幅，用來信號處理、資料 ^ ^汛以及網路控制的傳統技術，還有其他各種系統 工；，包括系統中獨立操作元件内的元件，在此不逐一 处二二此外’在不同圖示中所用的連接線段是用來示範功 '關係以及/或者是各種元件之間^體搞合方式 mtc〇upHng)。要注意的是，在實際的通訊系統 ^、可能會有許多替代或額外的功能關係，或實體連接 儘苔本發月的原則已經配合所附圖示與實施例加以 明，但是熟悉本技藝者立即可明瞭，在不違背本發明的眉 則下，可以針對結才冓、安排、比例、元件、材料等，根擔 特定環境與操作需求，做各種其他修正、變化或加強。、言 類的變更與修正應涵蓋在本發明的範疇内，並利用以下= 專利申請範圍加以界定。 的

第13頁 550881 圖式簡單說明 、本=明所揭示的功能、外觀與優點可參考以下的敘 述、申請專利範圍以及圖示達到更深入的了解，其中： 圖1係以方塊圖形式繪示本發明的一個實施例中的單 片微波積體電路驅動放大器。 、圖2與圖3係根據本發明的不同實施例所繪示的單片微 波積體電路驅動放大器的佈局（)。 元件符號說明： 100 單片微波積體電路驅動放大器 l〇la»101f 放大器 104 ί歩極偏壓電路 1〇6閘極偏壓電路 104a-104f 汲極偏壓 l〇6a-106f 閘極偏壓 108a-108e 電容 2〇〇 驅動放大器 202 單片微波積體電路基座 204 300 304 輸入璋 206 輸出埠 單片微波積體電路驅動放大器 輸入埠 306 輸出埠

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Claims (1)

1. 550881 六、申請專利範圍 1. 一種驅動放大器（driver amplifier)，包含複數個放大 級（amplification stage)，每一該放大級具有一射頻信 號輸入與一射頻信號輸出，該放大級被安排為一堆疊組態 (stacked configuration)，讓鄰近的該放大級朝相反的 方向，使得一個該放大級的輸出靠近一鄰近該放大級的輸 入，而流過所有該放大級的一射頻信號流（signal f l〇w) 具有一鑛齒形（zig-zag)的特性。 2 · —種驅動放大器包含： 複數個放大級排列在裸晶（die)上，讓一射頻信號從 一個該放大級流到下個該放大級，而該信號流具有一鋸齒 形（zig-zag)的特性；以及 一直流偏壓電路（bias circuitry)集中在該裸晶上， 該電路（circuitry)提供一偏壓輸入（bias feed)給該放大 級的每一級。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之驅動放大器，其中在該裸 晶上的該放大級被安排為鄰近該放大級朝相反的方向。 4 ·如申請專利範圍第2項所述之驅動放大裔，其中在該裸 晶上的該放大級被安排為〆個該放大級的輸出靠近一鄰近 該放大級的輸入。 5 ·如申請專利範圍第2項所述之驅動放大斋，其中該直流

   第15頁 550881 六、申請專利範圍 偏壓電路集中在該裸晶的〆周圍（peri me ter)上。 6 ·如申請專利範圍第2項戶斤述之驅動放大器，其中至少兩 個該放大級被安排為共享〆源級導孔（source via)。 7 ·如申請專利範圍第2項所述之驅動放大器，更進一步包 含一級間匹配網路（interstage matching network)，該 網路包含該直流偏壓輸入與一直流隔絕電容（blocking capacitor) 〇 8 ·如申請專利範圍第2項所述之驅動放大器，其中該裸晶 包含一 2-密爾（mii)裸晶。 9· 一種單片微波積體電路驅動放大器，包含： 複數個場效電晶體放大級，每一個該放大級擁有一射 頻信號輸入與一射頻信號輸出，在一裸晶上的該放大級被 安排為鄰近的該放大級朝相反的方向，使得一個該放大級 的輸出靠近一鄰近該放大級的輸入，而流過所有該放大級 的一射頻信號流（signal flow)具有一锯齒形（zig-zag)的 特性； —直流偏壓電路（bias circuitry)集中在該裸晶上， 邊電路（circuitry)提供一偏壓輸入（bias feed)給該放大 級的每一級；以及 —級間匹配網路（interstage matching network)，

   第16頁 550881 六、申請專利範圍 該網路包含該直流偏壓輸入與一直流隔絕電容（blocking capacitor) ° I 0 ·如申請專利範圍第9項所述之單片微波積體電路驅動放 大器，該放大器係用於一K頻帶（K band fre(luency)。 II ·如申請專利範圍第9項所述之單片微波積體電路驅動放 大器，該放大器係用於一Ka頻帶（Ka band frequency)。 1 2 ·如申請專利範圍第9項所述之單片微波積體電路驅動放 大器，該放大器係用於一Ku頻帶（Ku band frequency)。 1 3 ·如申請專利範圍第9項所述之單片微波積體電路驅動放 大器，其中該直流偏壓電路集中在該裸晶的一周圍 (perimeter)上。 1 4 ·如申請專利範圍第9項所述之單片微波積體電路驅動放 大器，其中至少兩個該放大級被安排為共享一源級導孔 (source via) 〇 1 5 · —種驅動放大的方法，包含： 在一裸晶上安排複數個放大級，讓一鋸齒形射頻信號 流經所有該放大級；以及 從集中在該裸晶的一周圍上之一直流偏壓電路，提供

   550881 六、申請專利範圍 一直流偏壓至該放大級的每/級。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項所述之驅動放大方法’其中包 含安排鄰近的該放大級朝相反的方向。 1 7 ·如申請專利範圍第1 5項所述之驅動放大方法，其中包 含安排鄰近的該放大級，讓/個該放大級的輸出靠近一鄰 近該放大級的輸入。 1 8.如申請專利範圍第1 5項所述之驅動放大方法，更進一 步包含至少兩個該放大級之間分享源級導孔（source via) 〇 1 9 ·如申請專利範圍第1 5項所述之驅動放大方法，更進一 步包含調整一直流偏壓輸入（bias feed)與調整每一該放 大級的一電容，藉以匹配該放大級的信號。 20· —種製造單片微波積體電路功率放大器的方法，包 含： 在一裸晶上安排複數個放大級，讓流經所有該放大級 的一射頻信號流實質上為一鋸齒形； 在該裸晶的一周圍上安排一直流偏壓電路； 在该直流偏壓電路與該放大級每一級之間連接一傳輸 線；以及

   第18頁 550881 六、申請專利範圍 更改該傳輸線以匹配該放大級間的信號。 第19頁 III··