TWI475800B - 改良低頻率效率和雜訊指數之修改式分散放大器 - Google Patents

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Description

改良低頻率效率和雜訊指數之修改式分散放大器
本發明係關於具有改良之低頻率效率及雜訊指數之改良分散放大器系統。
一傳統分散放大器系統係用以建置一廣頻放大器之一經證實方式。GaAs基板上之分散放大器的典型頻寬可大約在10 kHz至10 GHz。一共射共基(cascode)分散放大器被廣泛地認為是改良一非共射共基分散放大器之增益及頻寬的方式。分散放大器系統之利益係藉由將電晶體之寄生效應併入於放大器(薄片)之間的匹配網路中而實現。系統之輸入電容及輸出電容可分別與閘極線(輸入傳輸電路)及汲極線(輸出傳輸電路)電感結合，以使傳輸線實際上透通，排除傳輸線損耗。藉由實現此，放大器系統之增益應僅受限於互導，而非受限於寄生效應。此僅發生在如果向下行進閘極線(輸入傳輸電路)的信號與向下行進汲極線(輸出傳輸電路)的信號同相，使得每一放大器之(薄片之)輸出電壓與先前放大器之(薄片之)輸出同相地相加時。行進至輸出之信號將建設性干擾，使得信號沿著汲極線(輸出傳輸電路)增長。任何反向波將由於此等信號將非同相而破壞性干擾。閘極線(輸入傳輸電路)終端被納入以吸收未被耦合至放大器電晶體之閘極之任何信號。汲極線(輸出傳輸電路)終端被納入以吸收可破壞性干擾輸出信號之任何反向行進波。傳統分散放大器系統遭受差的效率與鏈中未最佳匹配功率的放大器一樣多。大約15%的效率典型是在GHz範圍。典型地，當描述此等部分時，P1 dB及PAE(功率附加效率)之圖表僅繪示在GHz範圍。然而，當設計必須操作在MHz至GHz的一部分時，GHz範圍以下將變得重要。傳統分散放大器系統將展現相對於輸入功率線性輸入增加的功率輸出壓縮1 dB(P1 dB)，且功率附加效率(PAE)將變糟。在傳統分散放大器中，MHz範圍的信號將均等地流向汲極線(輸出傳輸電路)終端及RF輸出負載。因此，至多僅一半的可用功率被傳遞至輸出，且另一半將被浪費在輸出電路終端。在GHz範圍中，行進至輸出之信號將建設性干擾及增長，同時任何反向波將破壞性地擾及減少，使得非常少的功率被吸收至輸出傳輸電路終端中。為此，輸出傳輸電路終端在較高頻率對輸出功率具有較小影響，但是在較低頻率具有非常大的影響。理想上，在低頻率，汲極線不應包含比RF輸出多的任何額外負載，一般是50歐姆。如果輸出傳輸電路終端被簡單地移除，輸出匹配變得不可用(-2 dB)。此外，增益在低頻率展現尖峰信號(spike)。更多的可參見：2004年第2版本Thomas Lee的《THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS》章節9.7.5「THE DISTRIBUTED AMPLIFIER」；1982年7月《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》第MTT-30卷第7號第976-981頁Yalcin Ayasli等人的「A MONOLITHIC GaAs 1-13 GHz TRAVELING-WAVE AMPLIFIER」；及1984年3月《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》第MTT-32卷第3號第268-275頁James B.Beyer等人的「MESFET DISTRIBUTED AMPLIFIER DESIGN GUIDELINES」，該等文獻之全文以引用的方式併入本文中。
因此，本發明之目的係提供一種改良分散放大器系統。
本發明之另一目的係提供具有改良之低頻率效率之此一改良分散放大器系統。本發明之另一目的係提供具有改良之低頻率雜訊指數之此一改良分散放大器系統。
本發明之另一目的係提供此一稗改良分散放大器系統，其維持系統之預先決定之阻抗，同時改良低頻率效率及雜訊指數。
本發明之另一目的係提供此一改良分散放大器系統，其在一單一晶片提供一延伸頻寬上的更佳效能。
本發明由具有改良低頻率及雜訊指數之改良分散放大器系統之實現產生，其藉由下列方式達成：將輸出終端回饋連接至輸入傳輸電路，藉此允許輸出終端電阻將被增加，而引起相對於輸出終端導致較佳低頻率效率，輸入信號較佳沿著輸出傳輸電路傳播，同時回饋連接至輸入傳輸電路導致輸出阻抗保持在一預先決定位準，且進一步允許輸入終端電阻增加以減少雜訊指數，同時使輸入阻抗維持在一預先決定位準。
然而，在其他實施例中，本發明不需要達成所有此等目的及其申請專利範圍不應限於能夠達成此等目的之結構或方法。
本發明特徵為一種具有預先決定之輸入及輸出阻抗之分散放大器系統，其包含一輸入傳輸電路、一輸出傳輸電路、及連接在輸入傳輸電路與輸出傳輸電路之間的至少兩個放大器。在輸入傳輸電路上存在一輸入終端，及在連接回至輸入傳輸電路之輸出傳輸電路上存在一回饋輸出終端，用於減少低頻率損耗同時維持預先決定之輸出阻抗及輸入阻抗。
在一較佳實施例中，複數個放大器可包含兩個放大器。放大器可包含共射共基放大器。輸入終端可包含串聯連接至接地之一輸入阻抗及一輸入電容。輸出終端可包含串聯連接之一輸出阻抗及一輸出電容。輸出電阻可實質上大於預先決定之輸出阻抗。輸入電阻可係預先決定之輸出阻抗之至少二倍。輸出電阻可在預先決定之輸出阻抗之二至二十倍之範圍。輸入電阻可實質上大於預先決定之輸入阻抗，用於減少放大器系統之整體雜訊指數。回饋輸出終端可被回饋至輸入傳輸電路之輸入。在輸出傳輸電路與輸入傳輸電路之間可存在一個以上回饋輸出終端連接。
除下文揭示之較佳實施例或實施例外，本發明可具有其他實施例，且可以各種方式實踐或執行。因此，應瞭解本發明並不限於下述描述或圖式中圖解陳述之元件之結構及配置之詳細應用。如果本文僅描述一實施例，本發明申請專利範圍非限於此實施例。而且，本發明申請專利範圍將不被限制性地理解，除非存在清晰且令人信服之證據表明一定排除、限制或放棄。
圖1繪示先前技術分散放大器系統10，其包含複數個(至少兩個)薄片或放大器12-1至12-N，每一薄片或放大器被互連於一輸入傳輸電路14及一輸出傳輸電路16之間。每一薄片或放大器12-1至12-N包含場效應電晶體(FET)18，場效應電晶體(FET)18具有汲極20、源極22及閘極24。每一汲極20被連接至輸出傳輸電路16，而每一閘極24被連接至輸入傳輸電路14。每一源極22被連接至接地。輸入傳輸電路14包含一輸入26、傳輸線28及一輸入終端30，輸入終端30包含串聯連接至接地36之電阻32及電容34。輸出傳輸電路16包含輸出38、傳輸線40及輸出終端42，輸出終端42包含串聯連接至接地48之電阻44及電容46。Vdd電源供應器50通常係+5伏特，而Vgg電源供應器52可以係-1伏特，操作在1 MHz至10 GHz之範圍，且系統阻抗係50歐姆。電阻32及44通常係50歐姆，且電容34及46可由三個電容器(一10 ρf、一100 ρf及一0.01 μf電容器)所組成。與各薄片或放大器12-1至12-N相關聯的寄生電容係諸如約係0.3 ρf之電容54及約0.1 ρf之電容56。傳統分散放大器系統10之利益之一係傳輸線阻抗40及28可被製成與寄生電容54及56平衡以有效地變得透通。分散放大器系統10以傳統方式操作，輸入26移動通過輸入傳輸電路14至各種放大器或薄片12-1至12-N至輸出傳輸電路16，其中其被加總。一問題是在MHz範圍中信號流動將等於輸出終端42及輸出38，因此至多僅一半可用功率被傳遞至輸出，且另一半將被浪費在輸出傳輸電路終端42。對於分散放大器系統之更多操作請參見：2004年第2版本Thomas Lee的《THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS》章節9.7.5「THE DISTRIBUTED AMPLIFIER」；1982年7月《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》第MTT-30卷第7號第976-981頁Yalcin Ayasli等人的「A MONOLITHIC GaAs 1-13 GHz TRAVELING-WAVE AMPLIFIER」；及1984年3月《IEEE Transactions on Microwae Theory and Technique》第MTT-32卷第3號第268-275頁James B.Beyer等人的「MESFET DISTRIBUTED AMPLIFIER DESIGN GUIDELINES」，該等文獻之全文以引用的方式併入本文中。
根據本發明，圖2，分散放大器系統10a包含輸出終端42a，輸出終端42a未連接至接地，而是如48a所示，以一反饋迴路連接回至輸入傳輸電路14a。如果此係以有大電阻/電容組合完成，則可達成平坦增益、良好輸出返回損耗及改良功率與效率之所要結果。電容46a阻擋施加至FET電晶體18a之汲極之偏壓。電阻44a比所要預先決定之50歐姆輸出負載阻抗大(例如)2至20倍，大部分功率被導引至輸出而不是通過輸出終端42a。電容46a之一典型值與圖1討論之相同，亦即10 ρf、100 ρf及0.01 μf。然而，現在電阻44a典型範圍係自約100歐姆至10000歐姆。此導致更佳低頻率效率，並且回饋使得輸出阻抗大約保持在所要預先決定之阻抗，諸如一輸出阻抗50歐姆。此亦允許在輸入終端30a中之電阻32a被製成較大，以減少低頻率雜訊指數，同時仍維持一所要預先決定之輸入阻抗，例如50歐姆。在此情況下，電阻32a可在50歐姆至10000歐姆之範圍，且電容34a再次可係三個電容器10 ρf、100 ρf及0.01 μf。運用本發明獲得之改良效率及雜訊指數，分散放大器系統10a可伺服更寬之頻率頻帶(例如，1 MHz至10 GHz)，分散放大器系統10a佈置在一單一晶片上，而非兩個或兩個以上分離電路佈置在分離晶片上以處置延伸頻帶之不同部分。輸入傳輸電路14a被稱為閘極線，輸入終端30a通常可稱為閘極終端。同樣地，輸出傳輸電路16a通常被稱為汲極線，輸出終端42a可被稱為汲極終端。
至此，儘管輸出終端42a被個別繪示，且回饋電路係在輸出終端電路16a與輸入終端電路14a之輸入26a之間，但是其不是本發明之必要限制。例如，如圖3繪示，分散放大器系統10b可具有連接在輸出傳輸電路16b與輸入傳輸電路14b之間的任一點之一輸出終端電路42bb。且可存在一個以上此類終端電路42b、42bb-42bn。
儘管圖2及圖3中已將本發明之分散放大器系統繪示為包含複數個(兩個以上)薄片或放大器12a-1至12a-N，本發明亦設想具有複數個(僅兩個)薄片或放大器12c、12cc之一簡單版本，圖4。
此外，放大器不必是簡單的單電晶體式放大器(如至此所示)，而非可係(例如)共射共基放大器12d、12dd，圖5，其中在每一放大器中使用兩個FET 18d及18dd並且附加額外電源供應器Vgg1 60，且當然此共射共基放大器建構或其他放大器建構可應用於圖2、圖3及圖4繪示之兩個以上複數個薄片或放大器實施方案。
分散放大器之雜訊指數主要係由貢獻閘極或輸入終端電阻器及電晶體所貢獻。在低頻率，閘極或輸入終端電阻器之熱雜訊支配電晶體之雜訊。在GHz頻率範圍，當輸入信號被耦合至電晶體輸入時，閘極或輸入終端電阻器基本上係透通，並且雜訊指數係由電晶體所支配。理想地，在低頻率，意欲使閘極終端電阻器也透通。移除問題類似移除汲極或輸出終端，其係不佳的返回損耗(return loss)及增益平坦度(gain flatness)。在一典型分散放大器中，如果閘極或輸入終端電阻器高於50歐姆，則輸入匹配及增益平坦度降級。然而，根據本發明運用在汲極線(輸出傳輸電路)與閘極線(輸入傳輸電路)之間附加回饋，於低頻率輸入匹配將係良好，同時使閘極終端電阻器增加高於100歐姆；此將使其更接近變得透通。此較大閘極終端電阻將減少低頻率中的整體雜訊指數。參考可明瞭本發明提供之改良效能，圖6、圖7及圖8比較根據本發明分散放大器系統之效能與先前技術分散放大器系統之效能。圖6係相對於輸入功率線性輸入增加的功率輸出壓縮1 dB(亦稱為P1dB)之標繪圖。可看出，根據本發明之分散放大器系統之改良回應相對於一傳統系統之回應72，其中從約10 kHz至超過1 GHz之整個範圍存在顯著改良。圖7繪示自約29至30 dB至31 dB之類似改良。參考圖7，亦可看出功率附加效率(PAE)具有優於相同頻率範圍的顯著改良，其中在P1 dB之功率附加效率係藉由曲線74繪示並且明顯地比一傳統系統之回應76高自約10 kHz至超過1 GHz。從圖8亦可看出亦改良在1 MHz至2 GHz範圍之雜訊指數，其中與一傳統系統之回應80比較，本發明之分散放大器系統之雜訊指數係相當低的，如78指示。此外，雜訊指數將保持粗略恆定，直至達到電晶體之閃爍雜訊角頻率。
儘管在一些圖式中繪示本發明之特定特徵且在另一些圖式中沒有繪示，但是為便利起見，根據本發明僅每一特徵可與另一特徵之任一或所有組合。本文使用之詞「包含」、「包含」「具有」及「具有」被廣泛全面地解釋而不限於任一實體互連。而且，本發明揭示之任一實施例不應看作是獨特可能實施例。
此外，於專利申請案之履行期間對於本專利提出的任何修訂案非對申請之申請案中提出的任一元件之放棄；熟悉此項技術者不應合理地照字面意義包含所有可能均等物而擬定一請求項，在修訂案時多個均等物係不可預知的且超出所被放棄之一定解釋(若有的話)，修訂案的原理基礎不負擔與多個均等物無關之關係，及/或存在多個原因,不可期望申請案描述一定無實質替代修正之任一請求項元素。
熟悉此項技術者將想起其他實施例且在下述申請專利範圍之範疇內。
10．．．先前技術分散放大器系統
10b．．．分散放大器系統
12-1．．．薄片或放大器
12-N．．．薄片或放大器
12a-1．．．薄片或放大器
12a-N．．．薄片或放大器
12c．．．薄片或放大器
12cc．．．薄片或放大器
12a-N．．．薄片或放大器
12d．．．共射共基放大器
12dd．．．共射共基放大器
14．．．輸入傳輸電路
14a．．．輸入傳輸電路
14b．．．輸入傳輸電路
16．．．輸出傳輸電路
16a．．．輸出傳輸電路
16b．．．輸出傳輸電路
18．．．場效應電晶體(FET)
18a．．．FET電晶體
18d．．．FET
18dd．．．FET
20．．．汲極
22．．．源極
24．．．閘極
26．．．輸入
26a．．．輸入
28．．．傳輸線
30a．．．輸入終端
30．．．輸入終端
32a．．．電阻
32．．．電阻
34a．．．電容
34．．．電容
36．．．接地
38．．．輸出
40．．．傳輸線
42．．．輸出終端
42a．．．輸出終端
42b．．．終端電路
42bb．．．終端電路
44．．．電阻
44a．．．電阻
46．．．電容
46a．．．電容
48．．．接地
48a．．．反饋回路
50．．．Vdd電源供應器
52．．．Vgg電源供應器
54．．．寄生電容
56．．．寄生電容
60．．．額外電源供應器Vgg1
72．．．傳統系統之回應
74．．．曲線
76．．．傳統系統之回應
80．．．傳統系統之回應
圖1係先前技術分散放大器系統之概略圖；圖2係根據本發明之一分散放大器系統之概略圖，其具有複數個(至少兩個)放大器/薄片連同連接至輸入傳輸電路之輸入的輸出終端；圖3係類似於圖2之視圖，其圖解除至輸入傳輸電路之輸入外可採用回饋輸出終端，並且存在一個以上回饋輸出終端可被採用回饋輸出終端；圖4係類似於圖2之視圖，具有兩個放大器；圖5係類似於圖4之共射共基放大器之分散放大器系統之概略圖；圖6圖解對於先前技術分散放大器系統之相對於輸入功率線性輸入增加的功率輸出壓縮1 dB(P1dB)特性及根據本發明之分散放大器系統之相對於輸入功率線性輸入增加的功率輸出壓縮1 dB(P1dB)特性；圖7圖解先前技術分散放大器系統之功率附加效率(PAE)特性及根據本發明之分散放大器系統之功率附加效率(PAE)特性；及圖8圖解先前技術分散放大器系統之雜訊指數及根據本發明之分散放大器系統之雜訊指數。
12a-1．．．薄片或放大器
12a-N．．．薄片或放大器
14a．．．輸入傳輸電路
16a．．．輸出傳輸電路
18a．．．FET電晶體
26a．．．輸入
30a．．．輸入終端
32a．．．電阻
34a．．．電容
42a．．．輸出終端
44a．．．電阻
46a．．．電容
48a．．．反饋回路

Claims (15)

  1. 一種具有一預先決定之輸出阻抗及輸入阻抗之分散放大器系統，其包含：一輸入傳輸電路；一輸出傳輸電路；連接在該輸入傳輸電路與該輸出傳輸電路之間的至少兩個放大器；該輸入傳輸電路上之一輸入終端；及耦合在該輸出傳輸電路及該輸入傳輸電路之間之一回饋輸出終端，該回饋輸出終端包括一輸出電阻及一輸出電容，其經組態以使得該輸出電阻及該輸出電容係足夠大到以減少低頻率損耗，同時維持該預先決定之輸出阻抗及輸入阻抗。
  2. 如請求項1之分散放大器系統，其中該複數個放大器包含兩個放大器。
  3. 如請求項1之分散放大器系統，其中該放大器包含共射共基放大器。
  4. 如請求項1之分散放大器系統，其中該輸入終端包含串聯連接至接地之一輸入電阻及一輸入電容。
  5. 如請求項1之分散放大器系統，其中該輸出終端之高通濾波器包含串聯連接之一輸出電阻及一輸出電容。
  6. 如請求項5之分散放大器系統，其中該輸出電阻實質上大於該預先決定之輸出阻抗。
  7. 如請求項6之分散放大器系統，其中輸出電阻係該預先 決定之輸出阻抗的至少兩倍。
  8. 如請求項7之分散放大器系統，其中該輸出電阻在該預先決定之輸出阻抗之兩倍至二十倍的範圍。
  9. 如請求項4之分散放大器系統，其中該輸入電阻實質上大於該預先決定之輸入阻抗，用於減少該放大器系統之整體雜訊指數。
  10. 如請求項1之分散放大器系統，其中該回饋輸出終端被回饋至該輸入傳輸電路之輸入。
  11. 如請求項1之分散放大器系統，其中在該輸出傳輸電路與該輸入傳輸電路之間存在一個以上回饋輸出終端連接。
  12. 如請求項1之分散放大器系統，其中耦合在該輸出傳輸電路及該輸入傳輸電路之間之該回饋輸出終端僅包括被動元件。
  13. 一種具有一預先決定之輸出阻抗及輸入阻抗之分散放大器系統，其包含：一輸入傳輸電路；一輸出傳輸電路；連接在該輸入傳輸電路與該輸出傳輸電路之間的至少兩個放大器；該輸入傳輸電路上之一輸入終端；及連接返回至該輸入傳輸電路之該輸出傳輸電路上之二個以上回饋輸出終端，用於減少低頻率損耗，同時維持該預先決定之輸出阻抗及輸入阻抗。
  14. 如請求項13之分散放大器系統，其中每一輸出終端包含串聯連接之一輸出電阻及一輸出電容。
  15. 如請求項13之分散放大器系統，其中耦合在該輸出傳輸電路及該輸入傳輸電路之間之該回饋輸出終端僅包括被動元件。
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