TWI549423B - 具有動態偏壓之放大器 - Google Patents

Description

具有動態偏壓之放大器

本發明有關於一種放大器，尤指一種能夠改善輸入三階交調截點之放大器。

一般射頻電路之前端模組通常設置一放大器，利用放大器對於天線接收的訊號進行放大，以使訊號可以放大至一需求的功率或振幅而能夠被基頻電路所處理。

請參閱第1圖，為習用放大器之電路示意圖。如圖所示，放大器100包括一放大單元11、一功率檢測單元13及一偏壓控制單元15。

放大單元11之輸入端經由一第一電容121耦接一輸入訊號f_in。功率檢測單元13包括一N型電晶體131，電晶體131之閘極端經由一第二電容122耦接輸入訊號f_in。第一電容121及第二電容122用以隔絕輸入訊號f_in之直流電壓部分，以使放大單元11及功率檢測單元13只會接收到一交流電壓部分之輸入訊號f_in。偏壓控制單元15包括一係由兩P型電晶體151、152所組成之電流鏡、一連接成二極體形式之N型電晶體153及一電感器154。

當功率檢測單元13之閘極端接收輸入訊號f_in時，檢測輸入訊號f_in的功率以在汲極端產生一半波型之電流訊號。接著，由兩P型電晶體151、152所組成之電流鏡會將電流訊號耦合至N型電晶體153。電感器154根據電流訊號以產生一偏壓至放大電路11之輸入端111。當輸入訊號f_in的功率越大時，偏壓相對拉升，以使得放大電路11流過較多的輸出電流I_out。反之，當輸入訊號f_in的功率越小時，偏壓相對拉降，以使得放大單元11流過較少的輸出電流I_out。如此，經由檢測輸入訊號fi_n之功率大小以動態調整放大器100的輸出電流I_out而改變其增益。

或者，請參閱第2圖，為習用又一放大器之電路示意圖。如 圖所示，放大器200包括一放大單元21及一峰值檢測回授單元23。

放大單元21包括一負載電阻211及兩電晶體213、215。負載電阻211連接在電壓源V_DD與放大電路200之輸出端203間。兩電晶體213、215連接成疊接架構，其中電晶體215之閘極端連接放大電路200之輸入端201接收一輸入訊號(in)，兩電晶體213、215放大輸入訊號以在電晶體213之汲極端產生一輸出訊號(out)。

峰值檢測回授單元23包括一第一峰值檢測器231、一第二峰值檢測器233、一衰減器235及一差動放大器237。輸入訊號傳送至第一峰值檢測器231以檢測輸入訊號之功率而產生一第一偏壓訊號，第一偏壓訊號傳送至差動放大器237之正極端。輸出訊號傳送至衰減器235以根據一比例係數衰減輸出訊號，例如：放大單元21具有A倍的增益，衰減器235將對於輸出訊號衰減1/A倍的增益。衰減後之輸出訊號傳送至第二峰值檢測器233以檢測衰減後之輸出訊號之功率而產生一第二偏壓訊號，第二偏壓訊號傳送至差動放大器237之負極端。

差動放大器237比較第一偏壓訊號及第二偏壓訊號間之差異以輸出一偏壓至電晶體215的閘極端210，而決定放大單元21之增益。若輸入訊號之功率大於衰減後之輸出訊號之功率，差動放大器237將產生一較高的偏壓至電晶體215之閘極端210，以使放大單元21流過較多的輸出電流I_out。相反的，若輸入訊號之功率小於衰減後之輸出訊號之功率，差動放大器237將產生一較低的偏壓至電晶體215之閘極端210，以使放大單元21流過較少的輸出電流I_out。如此，經由比較輸入訊號與輸出訊號間之功率差異以動態調整放大電路200之輸出電流I_out而改變增益。

又，在放大器之技術領域中，三階交調截取點(third-order intercept point，IP3)為一衡量放大器之線性度或失真的重要指標。輸入三階交調截取點(input third-order intercept point，IIP3)越高，代表放大器之線性度越好，所接收的訊號被三階交調訊號(third-order inter-modulation，IM3)干擾的程度就越低。

然而，傳統放大器之電路設計在接收到較大功率的訊號(例 如：由天線所接收的輸入訊號)時，往往需要一段較長的檢測運作時間才能檢測到訊號的功率大小，且即使檢測到訊號為一較大功率，其放大器之輸出電流I_out第一時間也無法快速地進行拉升，導致無足夠的輸出功率放大訊號，訊號容易受到IM3訊號干擾而形成失真，最終使得放大器的IIP3處在較低、線性度不佳的情況。

有鑑於此，本發明將提供一創新電路架構的放大器，其接收到訊號時可以快速地拉升輸出電流，藉以取得較高的IIP3而維持較佳的增益線性度，將會是本發明欲達到的目的。

本發明之一目的在於提出一種具有動態偏壓之放大器，其放大器可以接收一輸入訊號而放大產生有一輸出訊號，對於輸出訊號之檢測以產生一偏壓訊號，並對於偏壓訊號升壓，而後，利用升壓後之偏壓訊號調整放大器的輸出電流，如此，將可以改善放大器之輸入三階交調截取點以增加線性度，進而避免輸出訊號產生失真的情況。

本發明之又一目的在於提出一種具有動態偏壓之放大器，以一跨導線性迴路作為放大器的主要電路設計架構，可以避免放大器之偏壓產生非線性改變，以提高輸出電流I_out調整上的穩定性。

為達成上述目的，本發明提供一種具有動態偏壓之放大器，包括：一供電單元，提供一供電訊號；一放大單元，包括一第一電晶體，第一電晶體之第一端透過一第一負載連接一工作電壓及產生有一輸出訊號，第二端接地，控制端經由一第一電容接收一輸入訊號，其中；及一輸出功率檢測單元，包括一第二電晶體及一第三電晶體，第二電晶體之第一端連接工作電壓，控制端經由一第二電容連接第一電晶體之第一端以接收輸出訊號，而第三電晶體之第一端連接工作電壓，第二端與第二電晶體之第二端共接且經由一第三負載元件連接至第一電晶體之控制端，控制端連接供電單元以接收供電訊號以及經由一第二負載及第二電容連接第一電晶體之第一端以接收輸出訊號；其中輸出功率檢測單元檢測輸出訊號之功率以在第三電晶體之第二端上反應出一偏壓訊號，利用偏壓訊號以調整放大 單元上所流過的電流。

本發明一實施例中，其中輸出訊號經由第二負載以偏壓至第三電晶體之控制端，輸出功率檢測單元根據輸出訊號與供電訊號之比較以檢測出輸出訊號之功率而在第三電晶體之第二端上反應出偏壓訊號。

本發明一實施例中，其中第二電容為一可變電容或一固定電容。

本發明一實施例中，其中輸出功率檢測單元尚包括一第三電容器，第三電容器連接在第三電晶體之第二端與接地間，其為一可變電容或一固定電容。

本發明一實施例中，其中供電單元包括有至少兩連接成二極體形成之供電電晶體，兩供電電晶體串接成一疊接架構，最上方之供電電晶體之第一端及控制端連接至第三電晶體之控制端。

本發明一實施例中，其中兩供電電晶體、第三電晶體及第一電晶體組成為一跨導線性迴路。

本發明一實施例中，其中供電單元包括有一供電電晶體，供電電晶體之第一端連接第三電晶體之控制端，第二端接地，控制端連接第三電晶體之第二端。

本發明一實施例中，其中第二電晶體及第三電晶體之第二端經由一第四負載元件接地。

本發明一實施例中，其中放大器之各電晶體係採用砷化鎵(GaAs)之異質接面雙載子電晶體(HBT)製程或假型高電子移動率電晶體(PHEMT)製程進行製作。

本發明一實施例中，其中放大器為一低雜訊放大器。

100‧‧‧放大器

11‧‧‧放大單元

111‧‧‧輸入端

121‧‧‧第一電容

122‧‧‧第二電容

13‧‧‧功率檢測單元

131‧‧‧電晶體

15‧‧‧偏壓控制單元

151‧‧‧電晶體

152‧‧‧電晶體

153‧‧‧電晶體

154‧‧‧電感器

200‧‧‧放大器

201‧‧‧輸入端

203‧‧‧輸出端

21‧‧‧放大單元

210‧‧‧閘極端

211‧‧‧負載電阻

213‧‧‧電晶體

215‧‧‧電晶體

23‧‧‧峰值檢測回授單元

231‧‧‧第一峰值檢測器

233‧‧‧第二峰值檢測器

235‧‧‧衰減器

237‧‧‧差動放大器

300‧‧‧放大器

301‧‧‧放大器

31‧‧‧供電單元

311‧‧‧供電電晶體

313‧‧‧供電電晶體

32‧‧‧供電單元

321‧‧‧供電電晶體

33‧‧‧放大單元

331‧‧‧第一電晶體

333‧‧‧第一負載

35‧‧‧輸出功率檢測單元

351‧‧‧第二電晶體

352‧‧‧第三電晶體

3520‧‧‧偏壓點

353‧‧‧第二電容

354‧‧‧第二負載

355‧‧‧第三電容器

356‧‧‧第三負載元件

357‧‧‧第四負載元件

371‧‧‧第一電容

第1圖：習用放大器之電路示意圖。

第2圖：習用又一放大器之電路示意圖。

第3圖：本發明具有動態偏壓之放大器一實施例之電路示意圖。

第4圖：本發明具有動態偏壓之放大器又一實施例之電路示意圖。

請參閱第3圖，為本發明具有動態偏壓之放大器一實施例之電路示意圖。本發明放大器300可以為一低雜訊放大器，其包括一供電單元31、一放大單元33及一輸出功率檢測單元35。

供電單元31包括有至少兩連接成二極體形成之供電電晶體311、313。兩供電電晶體311、313在一工作電壓V_DD/V_CC與接地間串接成一疊接的架構，提供一穩定的直流供電訊號S_P。

放大單元33包括有一第一電晶體331。第一電晶體331之第一端透過一第一負載333連接工作電壓V_DD，第二端接地，控制端經由一第一電容371接收一輸入訊號RF_in。當放大單元33接收輸入訊號RF_in時，放大輸入訊號RF_in以在第一電晶體331之第一端上產生一輸出訊號RF_out。

輸出功率檢測單元35包括一第二電晶體351及一第三電晶體352。第二電晶體351之第一端連接工作電壓V_DD，控制端經由一第二電容353連接第一電晶體331之第一端以接收輸出訊號RF_out。第三電晶體352之第一端連接工作電壓V_DD，第二端與第二電晶體351之第二端共接且經由一第三負載元件356連接第一電晶體331之控制端，控制端連接供電單元31以接收供電訊號S_P以及經由一第二負載354及第二電容353連接第一電晶體331之第一端以接收輸出訊號RF_out。

在本發明中，放大器300之各電晶體311、313、331、351、352係採用砷化鎵(GaAs)之異質接面雙載子電晶體(HBT)製程或假型高電子移動率電晶體(PHEMT)製程進行製作。各電晶體311、313、331、351、352可以為場效電晶體(FET)、金屬半電晶體(MOS)或雙載子電晶體(BJT)，其第一端為汲極端或集極端，第二端為源極端或射極端，而控制端為閘極端或基極端。此外，本發明第三電晶體352將被輸出功率檢測單元35作為檢測輸出訊號RF_out之功率大小的檢測器，其可以為一源極隨耦器或一射極隨耦器。再者，本發明電晶體311、313、331、351、352若採用場效電晶體 (FET)或金屬半電晶體(MOS)時，於第二電晶體351及第三電晶體352之第二端上將增設有一接地負載，例如：第四負載元件357。

接續，第三電晶體352之控制端係為一偏壓點3520，輸出訊號RF_out經由第二負載354以偏壓至偏壓點3520。輸出功率檢測單元35之第三電晶體352根據輸出訊號RF_out與供電訊號S_P之比較以檢測出輸出訊號RF_out之功率，而在其第二端上反應出偏壓訊號S_B。而後，輸出功率檢測單元35將偏壓訊號S_B傳送至第一電晶體331之控制端，以利用偏壓訊號S_B調整放大單元33上所流過的輸出電流I_out而改變放大單元33之輸出功率及增益。

輸出功率檢測單元35尚包括一第三電容器355，其亦可為一固定電容且連接在第三電晶體352之第二端與接地間。藉由第三電容器355之設置，偏壓訊號S_B將可以保持在一較高的電壓準位，使得放大單元35始終可以流過較多的輸出電流I_out而提高放大單元35的輸出功率。或者，本發明又一實施例中，第三電容器355亦可為一可變電容。當放大單元35接收到一較大功率的輸入訊號RF_in時，輸出功率檢測單元35調整可變電容器355之電容值，以進一步升壓偏壓訊號S_B而調整放大單元33之輸出電流I_out起來的幅度，使得放大單元33可以提供較大的輸出功率。如此電路設計，本發明放大器300始終保持較高的輸出功率，以在接收輸入訊號RF_in時，都可立刻提供足夠的輸出功率放大訊號，將可取得較高的輸入三階交調截取點(IIP3)而維持較佳的增益線性度，以降低IM3訊號量，避免放大輸出的訊號RF_out被IM3訊號干擾而失真。

此外，本發明第二電容353也可以為一可變電容，藉由改變第二電容353之電容值，以調整輸出電流I_out起來的功率點。例如：當放大單元35接收到一較大功率的輸入訊號RF_in時，可以調高第二電容353之電容值，輸出電流I_out的功率點可以提前起來，使輸出訊號RF_out之波形可以提前從負半週轉折為正半週，如此，輸出功率檢測單元35能夠儘早檢測到輸出訊號RF_out之功率大小而快速調整放大單元33之增益及輸出功率，藉以降低輸出訊號RF_out失真的機會。

再者，本發明兩供電電晶體311、313、第三電晶體352及第一電晶體組331將組成為一跨導線性迴路。則，輸出功率檢測單元35所流過之第一電流I₁及放大單元33所流過的輸出電流I_out將會跟著供電單元31所流過的輸入電流I_ref產生相對的穩定變化，例如：I _in ²=I ₁×I _OUT 。如此，將可以避免製程變動之因素而造成偏壓訊號S_B產生非線性改變，以提高放大單元33之輸出電流I_out調整上的穩定性。

請參閱第4圖，為本發明具有動態偏壓之放大器又一實施例之電路示意圖。如圖所示，本實施例放大器301之供電單元32可以只使用單一顆供電電晶體321來提供供電訊號S_P。

供電電晶體321之第一端連接第三電晶體352之控制端，第二端接地，而控制端連接第三電晶體352之第二端並經由第四負載元件357接地。於本實施例中，供電單元32之供電電晶體321、輸入功率檢測單元35之第三電晶體352及放大單元33的第一電晶體331同樣可以組成為一跨導線性迴路，致使以產生穩定的偏壓訊號S_B而提高放大單元35之輸出電流I_out調整上的穩定性。

以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

300‧‧‧放大器

31‧‧‧供電單元

311‧‧‧供電電晶體

313‧‧‧供電電晶體

33‧‧‧放大單元

331‧‧‧第一電晶體

333‧‧‧第一負載

35‧‧‧輸出功率檢測單元

351‧‧‧第二電晶體

352‧‧‧第三電晶體

3520‧‧‧偏壓點

353‧‧‧第二電容

354‧‧‧第二負載

355‧‧‧第三電容器

356‧‧‧第三負載元件

357‧‧‧第四負載元件

371‧‧‧第一電容

Claims (10)

1. 一種具有動態偏壓之放大器，包括：一供電單元，提供一供電訊號；一放大單元，包括一第一電晶體，第一電晶體之第一端透過一第一負載連接一工作電壓及產生有一輸出訊號，第二端接地，控制端經由一第一電容接收一輸入訊號，其中；及一輸出功率檢測單元，包括一第二電晶體及一第三電晶體，第二電晶體之第一端連接工作電壓，控制端經由一第二電容連接第一電晶體之第一端以接收輸出訊號，而第三電晶體之第一端連接工作電壓，第二端與第二電晶體之第二端共接且經由一第三負載元件連接至第一電晶體之控制端，控制端連接供電單元以接收供電訊號以及經由一第二負載及第二電容連接第一電晶體之第一端以接收輸出訊號；其中輸出功率檢測單元檢測輸出訊號之功率以在第三電晶體之第二端上反應出一偏壓訊號，利用偏壓訊號以調整放大單元上所流過的電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該輸出訊號經由該第二負載以偏壓至該第三電晶體之控制端，該輸出功率檢測單元根據該輸出訊號與該供電訊號之比較以檢測出該輸出訊號之功率而在該第三電晶體之第二端上反應出該偏壓訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該第二電容為一固定電容或一可變電容。
4. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該輸出功率檢測單元尚包括一第三電容器，該第三電容器連接在該第三電晶體之第二端與接地間，其為一固定電容或一可變電容。
5. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該供電單元包括有至少兩連接成二極體形成之供電電晶體，該兩供電電晶體串接成一疊接架構，最上方之該供電電晶體之第一端及控制端連接至該第三電晶體之 控制端。
6. 如申請專利範圍第5項所述之放大器，其中該兩供電電晶體、該第三電晶體及該第一電晶體組成為一跨導線性迴路。
7. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該供電單元包括有一供電電晶體，該供電電晶體之第一端連接該第三電晶體之控制端，第二端接地，控制端連接該第三電晶體之第二端。
8. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該第二電晶體及該第三電晶體之第二端經由一第四負載元件接地。
9. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該放大器之各電晶體係採用砷化鎵(GaAs)之異質接面雙載子電晶體(HBT)製程或假型高電子移動率電晶體(PHEMT)製程進行製作。
10. 如申請專利範圍第1項所述之放大器，其中該放大器為一低雜訊放大器。