TWI571048B - High Power Additional Efficiency RF Power Amplifier - Google Patents

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TWI571048B TW105119050A TW105119050A TWI571048B TW I571048 B TWI571048 B TW I571048B TW 105119050 A TW105119050 A TW 105119050A TW 105119050 A TW105119050 A TW 105119050A TW I571048 B TWI571048 B TW I571048B
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Van-Kien Nguyen
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Nat Chi Nan Univ
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Description

高功率附加效率的射頻功率放大器
本發明是有關於一種放大器，特別是指一種射頻功率放大器。
現有功率放大器為了達到較高的放大功率而採用三-五族技術，如砷化鎵(GaAs)製程，但將導致較高的成本，而為了降低製程成本採用互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，以下簡稱：CMOS)製程技術，則有放大功率不如砷化鎵製程的缺點，因此，為了以CMOS製程來降低成本，並同時兼顧高輸出功率、高功率附加效率(power added efficiency)等性能指標，是現有射頻功率放大器設計的研究重點。
因此，本發明之目的，即在提供一種使用正回授電路架構的技術手段，而可用於CMOS製程降低成本且兼顧高功率附加效率的射頻功率放大器。
於是，本發明射頻功率放大器，包含至少一第一放大級，且該第一放大級包括一反相放大單元，及一回授單元。
該反相放大單元具有一輸入端及一輸出端，該反相放大單元的輸入端接收一第一輸入信號及一回授信號且加總成一加總信號，該反相放大單元將該加總信號進行相位反相與振幅放大，而產生一反相信號，該反相放大單元的輸出端輸出該反相信號。
該回授單元具有一電連接該反相放大單元的輸出端以接收該反相信號的輸入端、一電連接該反相放大單元的輸入端以輸出該回授信號的第一輸出端，及一第二輸出端，該回授單元將該反相信號的相位進行反相產生該回授信號，該回授信號的相位等同於該輸入信號的相位，且該回授單元的第二輸出端輸出一大小正比於該反相信號的第一輸出信號。
本發明之功效在於：在射頻功率放大器所屬技術領域中，首先提出以回授單元及反相放大單元電連接為正回授方式來達到高功率附加效率。
1‧‧‧第一放大級
11‧‧‧反相放大單元
12‧‧‧回授單元
13‧‧‧第一阻抗匹配單元
2‧‧‧第一放大級
21‧‧‧反相放大單元
22‧‧‧回授單元
23‧‧‧第一阻抗匹配單元
3‧‧‧第二放大級
31‧‧‧功率放大單元
311‧‧‧第一輸入微帶線
312‧‧‧第一分配微帶線
313‧‧‧第一結合微帶線
314‧‧‧第一輸出微帶線
32‧‧‧第二阻抗匹配單元
33‧‧‧第三阻抗匹配單元
4‧‧‧第三放大級
41‧‧‧功率放大單元
411‧‧‧第二輸入微帶線
412‧‧‧第二分配微帶線
413‧‧‧第三分配微帶線
414‧‧‧第二結合微帶線
415‧‧‧第三結合微帶線
416‧‧‧第二輸出微帶線
42‧‧‧第四阻抗匹配單元
43‧‧‧第五阻抗匹配單元
RFin‧‧‧射頻輸入信號
RFout‧‧‧射頻輸入信號
Si1、Si1’‧‧‧第一輸入信號
SFB、SFB’‧‧‧回授信號
SA、SA’‧‧‧加總信號
SB、SB’‧‧‧反相信號
So1、So1’‧‧‧第一輸出信號
Si2‧‧‧第二輸入信號
S2’‧‧‧分流信號
S2”‧‧‧放大後的分流信號
So2‧‧‧第二輸出信號
So2’‧‧‧第二放大級的輸出信號
Si3‧‧‧第三輸入信號
S3’‧‧‧分流信號
S3”‧‧‧放大後的分流信號
So3‧‧‧第三輸出信號
V1、V1’‧‧‧第一電壓
V2、V2’‧‧‧第二電壓
V3‧‧‧第三電壓
V4‧‧‧第四電壓
V5‧‧‧第五電壓
V6‧‧‧第六電壓
C2、C4‧‧‧第一電容
C1、C3‧‧‧第二電容
C5‧‧‧第三電容
C6‧‧‧第四電容
C7‧‧‧第五電容
Cby2‧‧‧第一旁路電容
Cby1‧‧‧第二旁路電容
Cby4‧‧‧第三旁路電容
Cby3‧‧‧第四旁路電容
Cby5‧‧‧第五旁路電容
Cby6‧‧‧第六旁路電容
Cby7‧‧‧第七旁路電容
Cby8‧‧‧第八旁路電容
TL1、TL6‧‧‧第一匹配微帶線
TL2、TL7‧‧‧第二匹配微帶線
TL3、TL8‧‧‧第一微帶線
TL4、TL9‧‧‧負載微帶線
TL5、TL10‧‧‧第二微帶線
TL11‧‧‧第三匹配微帶線
TL12‧‧‧第四匹配微帶線
TL13‧‧‧第五匹配微帶線
TL14‧‧‧第六匹配微帶線
TL15‧‧‧第七匹配微帶線
TL16‧‧‧第八匹配微帶線
TL17‧‧‧第九匹配微帶線
TL18‧‧‧第十匹配微帶線
M1~M2‧‧‧電晶體
M3~M4‧‧‧第一電晶體
M5~M8‧‧‧第二電晶體
VG1‧‧‧第二電壓源
VG2‧‧‧第四電壓源
VG3‧‧‧第五電壓源
VG4‧‧‧第七電壓源
VD1‧‧‧第一電壓源
VD2‧‧‧第三電壓源
VD3‧‧‧第六電壓源
VD4‧‧‧第八電壓源
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是一方塊圖，說明本發明射頻功率放大器的一實施例； 圖2是一電路圖，輔助圖1說明該實施例的第一個第一放大級；圖3是一電路圖，輔助圖1說明該實施例的第二個第一放大級；圖4是一電路圖，輔助圖1說明該實施例的一第二放大級；圖5是一電路圖，輔助圖1說明該實施例的一第三放大級；圖6是一散射參數圖，說明本發明射頻功率放大器之S11、S12、S21、S22的參數特性；圖7是一模擬結果圖，說明本發明射頻功率放大器的功率附加效率及飽和功率隨頻率變化的趨勢；圖8是一模擬結果圖，說明本發明射頻功率放大器的功率附加效率與射頻輸入信號功率之間的關係；圖9是一模擬結果圖，說明本發明射頻功率放大器的射頻輸出信號功率、功率附加效率隨圖5所示之第三放大級的電晶體的閘極根數的變化情形；圖10是本發明射頻功率放大器之第二實施例的一電路圖；圖11是本發明射頻功率放大器之第三實施例的一電路圖；及圖12是本發明射頻功率放大器之第四實施例的一電路圖。
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。
<第一實施例>
參閱圖1，本發明射頻功率放大器之第一實施例，包含N個依序串接的第一放大級1~2(在本實施例中為方便說明，只畫出二個，但不以此數目為限)、一第二放大級3，及一第三放大級4。該射頻功率放大器例如應用於通訊系統的無線收發機中，適於接收並放大來自一前級電路(圖未示)的一射頻輸入信號RFin，以產生並輸出一射頻輸出信號RFout至一後級負載(圖未示)。該前級電路例如可以是混頻器(mixer)，也可以是另一個功率放大器；該後級負載例如可以是天線。
以下為方便說明起見，將該二個第一放大級1~2分別稱為第一個第一放大級1，及第二個第一放大級2。圖2顯示第一放大級1的實施態樣，圖3顯示第二個第一放大級2的實施態樣。
參閱圖2，第一個第一放大級1包括一反相放大單元11、一回授單元12、一負載微帶線TL4，及一第一阻抗匹配單元13。
該反相放大單元11具有一輸入端及一輸出端，該反相放大單元11的輸入端接收一正比於該前級電路(圖未示)的射頻輸入信號RFin的第一輸入信號Si1及一回授信號SFB且加總成一加總信號SA，該反相放大單元11將該加總信號SA進行相位反相與振幅放大，而產生一反相信號SB，該反相放大單元11的輸出端輸出該反相信號SB。
在本實施例中，該反相放大單元11包括一電晶體M1，具有一電連接該反相放大單元11的輸入端以接收該加總信號SA的控制端、一電連接反相放大單元11的輸出端以輸出該反相信號SB的第一端，及一接地的第二端。在本實施例中，該電晶體M1為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體，且該控制端為閘極，該第一端為汲極，該第二端為源極。
該回授單元12具有一電連接該反相放大單元11的輸出端以接收該反相信號SB的輸入端、一電連接該反相放大單元11的輸入端以輸出該回授信號SFB的第一輸出端，及一第二輸出端，該回授單元12將該反相信號SB的相位進行反相產生該回授信號SFB，該回授信號SFB的相位等同於該第一輸入信號RFin的相位，且該回授單元12的第二輸出端輸出一大小正比於該反相信號SB的第一輸出信號So1。
在本實施例中，該回授單元12包括一第一電容C2、一第一微帶線TL3，及一第二微帶線TL5。該第一電容C2具有一電連接該回授單元12的第一輸出端的第一端，及一第二端。該第一微帶線TL3具有一電連接該第一電容C2的第二端的第一端，及一電連接該回授單元12的第二輸出端的第二端。該第二微帶線TL5具有一電連接該回授單元12的第二輸出端的第一端，及一電連接該回授單元12的輸入端的第二端。其中，該回授單元的第一微帶線TL3具有一 第一電氣長度，該第二微帶線TL5具有一第二電氣長度，且該第一與第二電氣長度之和為λ/2，其中，λ為工作頻率的波長。以工作頻率為94GHz而言，該第一微帶線TL3與該第二微帶線TL5加總之電氣長度λ/2為861μm。
該負載微帶線TL4具有一電連接該回授單元12的第二輸出端的第一端，及一接收一第一電壓V1的第二端。該第一電壓V1經由該負載微帶線TL4與該第二微帶線TL5傳送至該電晶體M1的第一端，該第一電壓V1例如來自一第一電壓源VD1，具有一電連接該負載微帶線TL4的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第一電壓源VD1可並聯一第一旁路電容Cby2，具有一電連接該負載微帶線TL4的第二端的第一端，及一接地的第二端，用以避免測試焊盤(test pad)的寄生效應，以確保該第一電壓源VD1在射頻操作頻段中的訊號等效為短路。
該第一阻抗匹配單元13具有一輸入端及一輸出端，該第一阻抗匹配單元13的輸入端電連接該前級電路(圖未示)，該第一阻抗匹配單元13的輸出端電連接該反相放大單元11的輸入端與該回授單元12的第一輸出端，用來將從該反相放大單元11的輸入端所看到一阻抗與從該回授單元12的輸出端所看到一阻抗所並聯的一等效阻抗進行阻抗轉換，以使從該第一阻抗匹配單元13的輸入 端看到的一阻抗匹配於該前級電路(圖未示)的一阻抗。該前級電路的阻抗例如是50Ω。
詳細而言，該第一阻抗匹配單元13包括一第二電容C1、一第一匹配微帶線TL1、一第二匹配微帶線TL2。該第二電容C1具有一電連接該第一阻抗匹配單元13的輸入端的第一端，及一第二端，並可用以避免來自該前級電路(圖未示)的直流洩漏。該第一匹配微帶線TL1具有一電連接該第二電容C1的第二端的第一端，及一第二端，用以提供一電感量。該第二匹配微帶線TL2具有一電連接該第一匹配微帶線TL1的第一端的第一端，及一電連接該第一阻抗匹配單元13的輸出端並接收一第二電壓V2的第二端，用以提供一電感量。該第二電壓V2經由該第一匹配微帶線TL1與該第二匹配微帶線TL2傳送至該電晶體M1的控制端，該第二電壓V2例如來自一第二電壓源VG1，具有一電連接該第一匹配微帶線TL1的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第二電壓源VG1可並聯一第二旁路電容Cby1，具有一電連接該第一匹配微帶線TL1的第二端的第一端，及一接地的第二端。
以下對第一個第一放大級1進行回授電路分析。將該反相放大單元11的輸出端與輸入端之間從電晶體M1的控制端(即，閘極)切開時，該反相放大單元11提供的開迴路增益為：
其中，參數Go1為該反相放大單元11提供的開迴路增益(即該反相信號SB與該加總信號SA之電壓比)，參數gm1為該反相放大單元11的電晶體M1所提供的一轉導增益，參數Zout為從該回授單元12的第二輸出端看到的一後級阻抗，參數L4為該負載微帶線TL4所提供的電感量，參數L3’為該回授單元12的第二輸出端所提供的等效電感量(主要與該第一微帶線TL3有關)，參數L5為該第二微帶線TL5所提供的電感量，參數Cds1為一電連接在該電晶體M1的第一端與第二端的寄生電容，參數Rds1為一電連接在該電晶體M1的第一端與第二端的寄生電阻。
將(1)式中的開迴路增益進一步整理，可以得到 在實際情況下，該反相放大單元11的輸出端的該反相信號SB會經由該回授單元12所提供的回授路徑，並從該回授單元12的第一輸出端輸出該回授信號SFB，周而復始在此迴路中傳遞，故考量這些信號在迴路中的情形時，該反相放大單元11的閉迴路增益為：
將(3)式代入(4)式重新整理可以得到 其中，參數Gf1為該反相放大單元11的閉迴路增益，參數K為該回授單元12的在上述開迴路分析中的該回授信號SFB與該反相信號SB之電壓比，主要與該回授單元12的第一電容C2、該第一微帶線TL3及該第二微帶線TL5有關。另外，K與該電晶體M1的尺寸、該第一匹配微帶線TL1、該第二匹配微帶線TL2、該負載微帶線TL4，及從該回授單元12的第二輸出端看到的後級阻抗Zout亦有關。以工作頻率為94GHz來看，在本實施例中，該第一微帶線TL3及第二微帶線TL5之寬度皆採用7μm(對應於微帶線特徵阻抗50Ω)，以達到最小的傳輸損耗及反射損耗，如此，可得K的大小約為-0.364(推導詳見第0031段)，也就是說該反相信號SB的電壓有36.4%透過該第一微帶線TL3及第二微帶線TL5回授到該回授信號SFB，其餘63.6%為傳輸損耗與反射損耗。
因此，就第一個第一放大級1而言，該第一輸出信號So1對於該第一輸入信號Si1的電壓增益如下所示：
參閱圖3，第二個第一放大級2包括一反相放大單元21、一回授單元22、一負載微帶線TL9，及一第一阻抗匹配單元23。第二個第一放大級2的電路結構與第一個第一放大級1相同，兩者差別在於，第二個第一放大級2的第一阻抗匹配單元23的輸入端電連接第一個第一放大級1的回授單元12的第二輸出端以接收該第一輸出信號So1，且該第一阻抗匹配單元23的輸出端電連接該反相放大單元21的輸入端，以輸出正比於該第一輸出信號So1的第一輸入信號Si1’至該反相放大單元21。且第二個第一放大級2的回授單元22的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號So1，正比於且大於第一個第一放大級1的回授單元12的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號So1。為便於區分第二個第一放大級2與第一個第一放大級1，兩者採用不同的符號標示，以下針對第二個第一放大級2的實施態樣再作說明。
在本實施例中，第二個第一放大級2的該反相放大單元21的輸入端接收該第一輸入信號Si1’與該回授信號SFB’所加總出的該加總信號SA’，該反相放大單元21的輸出端輸出該反相信號SB’。該反相放大單元21包括一電晶體M2，具有一電連接該反相放大單元21的輸入端的控制端、一電連接反相放大單元21的輸出端 的第一端，及一接地的第二端。該電晶體M2為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體，且該控制端為閘極，該第一端為汲極，該第二端為源極。
第二個第一放大級2的回授單元22的輸入端接收該反相放大單元21的反相信號SB’，該第一輸出端輸出該回授信號SFB’，該第二輸出端輸出該第一輸出信號So1’。該回授單元22包括一第一電容C4、一第一微帶線TL8，及一第二微帶線TL10。該第一電容C4具有一電連接該回授單元22的第一輸出端並輸出該回授信號SFB’的第一端，及一第二端。該第一微帶線TL8具有一電連接該第一電容C4的第二端的第一端，及一電連接該回授單元22的第二輸出端的第二端。該第二微帶線TL10具有一電連接該回授單元22的第二輸出端的第一端，及一電連接該回授單元22的輸入端的第二端。其中，該回授單元22的第一微帶線TL8具有一第一電氣長度，該第二微帶線TL10具有一第二電氣長度，且該第一與第二電氣長度之和為λ/2，其中，λ為工作頻率的波長。
該負載微帶線TL9具有一電連接該回授單元22的第二輸出端的第一端，及一接收一第一電壓V1’的第二端。該第一電壓V1’例如來自一第三電壓源VD2，具有一電連接該負載微帶線TL9的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第三電壓源VD2可並聯 一第三旁路電容Cby4，具有一電連接該負載微帶線TL9的第二端的第一端，及一接地的第二端。
該第一阻抗匹配單元23包括一第二電容C3、一第一匹配微帶線TL6、一第二匹配微帶線TL7。該第二電容C3具有一電連接該第一阻抗匹配單元23的輸入端的第一端，及一第二端。該第一匹配微帶線TL6具有一電連接該第二電容C3的第二端的第一端，及一第二端，用以提供一電感量。該第二匹配微帶線TL7具有一電連接該第一匹配微帶線TL6的第一端的第一端，及一電連接該第一阻抗匹配單元23的輸出端並接收一第二電壓V2’的第二端，用以提供一電感量。該第二電壓V2’例如來自一第四電壓源VG2，該第四電壓源VG2具有一電連接該第一匹配微帶線TL6的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第四電壓源VG2可並聯一第四旁路電容Cby3，具有一電連接該第一匹配微帶線TL6的第二端的第一端，及一接地的第二端。
因此，第二個第一放大級2提供的電壓增益，亦即第二個第一放大級2的回授單元22所輸出的第一輸出信號So1’與第一個第一放大級1的回授單元12所輸出的第一輸出信號So1之電壓比，可表示如下：
其中，參數Go2為該反相放大單元21提供的開迴路增益(即該反相信號SB’與該加總信號SA’之電壓比)，參數gm2為電晶體M2所提供的一轉導增益，參數L8’為該回授單元22的第二輸出端所提供的等效電感量(主要與該第一微帶線TL8有關)，參數L9為該負載微帶線TL9所提供的電感量，參數L10為該回授單元22的第二微帶線TL10所提供的電感量，參數Cds2為一電連接在該電晶體M2的第一端與第二端的寄生電容，參數Rds2為一電連接在該電晶體M2的第一端與第二端的寄生電阻，參數K為該回授單元22的開迴路分析中該回授信號SFB’與該反相信號SB’之電壓比。
因此，就第二個第一放大級1而言，該第一輸出信號So1’對於該第一輸入信號Si1’的電壓增益如下所示：
本發明該射頻功率放大器藉由第一個第一放大級1及第二個第二放大級2提供高電壓增益，可以提升該射頻輸入信號RFin的功率，並且得到高功率的第一輸出信號So1’，此外因為 由(11)式可知，當功率增益增加，功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)也會隨之增加，因此對於相同的射頻交流輸出功率Pout，所需之直流電源功率PDC較少，較具節能競爭力。在本實施例中，第一個第一放大級1、第二個第一放大級2分別從(3)式及在(7)式中得到之開迴路增益的大小約為-1.4(相當於該等第一放大級1~2的功率增益分別為2.9dB)，從(6)式及(8)式得到之閉迴路增益的大小約為-2.86(相當於該等第一放大級1~2的功率增益分別為9.1dB)。將開迴路增益的大小-1.4與閉迴路增益的大小-2.86代入(4)式可以得到 故K=-0.364………(13)式可看出第一個第一放大級1的Go1K=(-1.4)(-0.364)≒0.51，開迴路增益與回授因子的乘積會小於1。由於第一個第一放大級1與第二個第一放大級2的功率增益皆可增加6.2dB(亦即，9.1dB-2.9dB)，故可提供高功率增益，該兩個第一放大級1~2提供的功率增益約為20.5dB。
參閱圖4，該第二放大級3包括一功率放大單元31、一第二阻抗匹配單元32，及一第三阻抗匹配單元33。
該功率放大單元31具有一接收一正比於該第一輸出信號So1’的第二輸入信號Si2的輸入端，及一輸出端，該功率放大單元31將該第二輸入信號Si2進行功率分配以產生二個分流信號S2’，且分別將該二個分流信號S2’進行功率放大，再將放大後的二個分流信號S2”進行結合，以產生一第二輸出信號So2，且該功率放大單元31的該輸出端輸出該第二輸出信號So2。
在本實施例中，該功率放大單元31包括一個第一輸入微帶線311、二個第一分配微帶線312、二個第一電晶體M3~M4、二個第一結合微帶線313，及一個第一輸出微帶線314。
該第一輸入微帶線311具有一電連接該功率放大單元31的輸入端的輸入端，及一輸出端。
每一第一分配微帶線312具有一輸入端及一輸出端，且該二第一分配微帶線312的輸入端一起電連接至該第一輸入微帶線311的輸出端，以接收該第二輸入信號Si2並進行功率分配，而該二第一分配微帶線312的輸出端分別輸出該二分流信號S2’。
每一第一電晶體M3~M4具有一控制端、一第一端及一接地的第二端，該二第一電晶體M3~M4的控制端分別電連接該二第一分配微帶線312的輸出端，以分別接收該二分流信號S2’，且進 行功率放大。在本例中，每一第一電晶體M3~M4皆為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，且該控制端為閘極，該第一端為汲極，該第二端為源極。
每一第一結合微帶線313具有一輸入端及一輸出端，且該二第一結合微帶線313的輸入端分別電連接該等第一電晶體M3~M4的第一端，以分別接收功率放大後的該二分流信號S2”。
該第一輸出微帶線314具有一輸入端及一輸出端，該第一輸出微帶線314的輸入端與該等第一結合微帶線313的輸出端電連接在一起，該第一輸出微帶線314的輸出端電連接該功率放大單元31的輸出端，以將放大後的該二分流信號S2”進行結合並輸出該第二輸出信號So2至該輸出端。
該第二阻抗匹配單元32具有一輸入端及一輸出端，該第二阻抗匹配單元32的輸入端電連接第二個第一放大級2的回授單元22的第二輸出端以接收來自該回授單元22的第一輸出信號So1’，該第二阻抗匹配單元32的輸出端電連接該功率放大單元31的輸入端以輸出該第二輸入信號Si2，用來將從該功率放大單元31的輸入端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第二阻抗匹配單元32的輸入端看到的一阻抗匹配於從該回授單元22的第二輸出端所看到的一阻抗。
在本實施例中，該第二阻抗匹配單元32包括一第三電容C5、一第三匹配微帶線TL11，及一第四匹配微帶線TL12。該第三電容C5具有一電連接該第二阻抗匹配單元32的輸入端的第一端，及一第二端。該第三匹配微帶線TL11具有一電連接該第三電容C5的第二端的第一端，及一電連接該第二阻抗匹配單元32的輸出端的第二端，用以提供一電感量。該第四匹配微帶線TL12具有一電連接該該第二阻抗匹配單元32的輸出端的第一端，及一接收一第三電壓V3的第二端，用以提供一電感量。該第三電壓V3例如來自一第五電壓源VG3，該第五電壓源VG3具有一電連接該第四匹配微帶線TL12的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第五電壓源VG3可並聯一第五旁路電容Cby5，具有一電連接該第四匹配微帶線TL12的第二端的第一端，及一接地的第二端。
該第三阻抗匹配單元33具有一電連接該功率放大單元31的輸出端以接收來自該功率放大單元31的第二輸出信號So2的輸入端，及一電連接一後級電路以輸出一正比於該第二輸出信號So2的輸出信號So2’的輸出端，並用來將從該功率放大單元31的輸出端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第三阻抗匹配單元33的輸出端看到的一阻抗匹配於該後級電路的一阻抗。
在本實施例中，第三阻抗匹配單元33包括一第五匹配微帶線TL13，及一第六匹配微帶線TL14。該第五匹配微帶線TL13 具有一電連接該第三阻抗匹配單元33的輸入端的第一端，及一接收一第四電壓V4的第二端。該第四電壓V4例如來自一第六電壓源VD3，該第六電壓源VD3具有一電連接該五匹配微帶線TL13的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第六電壓源VD3可並聯一第六旁路電容Cby6，具有一電連接該五匹配微帶線TL13的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第六匹配微帶線TL14具有一電連接該第五匹配微帶線TL13的第一端的第一端，及一電連接該第三阻抗匹配單元33的輸出端的第二端。
當經過上述的兩個第一放大級1~2的功率放大後，第二個第一放大級2達到增益飽和而無法再放大訊號時，該第二放大級3可再藉由兩路功率分配、放大與結合，再提高第二個第一放大級2的該第一輸出信號So1’與該第二放大級3的輸出信號So2’之電壓比： 其中，參數gm3為該功率放大單元31的第一電晶體M3~M4所提供的一轉導增益，參數RL為該第二放大級3的第三阻抗匹配單元31的輸入阻抗之一表示為實部的電阻，參數LL為該第二放大級3的第三阻抗匹配單元31的輸入阻抗之一表示為虛部的電感，參數Cds3為一電連接在該電晶體M3的第一端與第二端的寄生電容，參數Rds3為一電連接在該電晶體M3的第一端與第二端的寄生電阻。其中，參數RL、 參數LL與該五匹配微帶線TL13、該第六匹配微帶線TL14及該第三阻抗匹配單元31所電連接的該後級電路的阻抗有關。
參閱圖5，在本實施例中，該第三阻抗匹配單元33所電連接的該後級電路為該第三放大級4。該第三放大級4包括一功率放大單元41、一第四阻抗匹配單元42，及一第五阻抗匹配單元43。
該功率放大單元41具有一接收一正比於該第二放大級3的輸出信號So2’的第三輸入信號Si3的輸入端，及一輸出端，該功率放大單元將該第三輸入信號Si3進行功率分配以產生四個分流信號S3’，且分別將該四個分流信號S3’進行功率放大，再將放大後的四個分流信號S3”進行結合，以產生一第三輸出信號So3，且該功率放大單元41的該輸出端輸出該第三輸出信號So3。
在本實施例中，該功率放大單元41包括一個第二輸入微帶線411、二個第二分配微帶線412、四個第三分配微帶線413、四個第二電晶體M5~M8、四個第二結合微帶線414、二個第三結合微帶線415，及一個第二輸出微帶線416。
該第二輸入微帶線411具有一電連接該功率放大單元41的輸入端的輸入端，及一輸出端。
每一第二分配微帶線412具有一輸入端及一輸出端，且該二第二分配微帶線412的輸入端一起電連接至該第二輸入微帶線411的輸出端，以接收該第三輸入信號Si3並進行功率分配。
每一第三分配微帶線413具有一輸入端及一輸出端，且其中二個第三分配微帶線413的輸入端電連接該等第二分配微帶線412的其中之一的輸出端，另二個第三分配微帶線413的輸入端電連接另一個第二分配微帶線412的輸出端，且該四個第三分配微帶線413的輸出端輸出該四個分流信號S3’。
每一第二電晶體M5~M8具有一控制端、一第一端及一接地的第二端，該四個第二電晶體M5~M8的控制端分別電連接該四個第三分配微帶線413的輸出端，以分別接收該四個分流信號S3’，且進行功率放大。在本例中，該等第二電晶體M5~M8皆為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，且該控制端為閘極，該第一端為汲極，該第二端為源極。
每一第二結合微帶線414具有一輸入端及一輸出端，且該二第一結合微帶線414的輸入端分別電連接該等第二電晶體M5~M8的第一端，以分別接收功率放大後的該四個分流信號S3”。
每一第三結合微帶線415具有一輸入端及一輸出端，該等第三結合微帶線415的其中之一的輸入端電連接其中二個第二結合微帶線414的輸出端，另一第三結合微帶線415的輸入端電連接另二個第二結合微帶線414的輸出端，並接收放大後的該四個分流信號S3”以進行功率結合。
該第二輸出微帶線416具有一輸入端及一輸出端，該第二輸出微帶線416的輸入端與該等第三結合微帶線415的輸出端電連接在一起，該第二輸出微帶線416的輸入端電連接該功率放大單元41的輸出端，以將放大後的該四個分流信號S3”進行結合並輸出該第三輸出信號So3至該功率放大單元41的輸出端。
該第四阻抗匹配單元42具有一電連接該第三阻抗單元33的輸出端以接收來自該第二放大級3的輸出信號So2’的輸入端，及一電連接該功率放大單元41的輸入端以輸出該第三輸入信號Si3的輸出端，並用來將從該功率放大單元41的輸入端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第四阻抗匹配單元42的輸入端看到的一阻抗匹配於從該第三阻抗匹配單元33的輸出端所看到的一阻抗。
在本實施例中，該第四阻抗匹配單元42包括一第四電容C6、一第七匹配微帶線TL15，及一第八匹配微帶線TL16。該第四電容C6具有一電連接該第四阻抗匹配單元42的輸入端的第一端，及一第二端。該第七匹配微帶線TL15具有一電連接該第四電容C6的第二端的第一端，及一電連接該第四阻抗匹配單元42的輸出端的第二端，用以提供一電感量。該第八匹配微帶線TL16具有一電連接該第七匹配微帶線TL15的第二端的第一端，及一接收一第五電壓V5的第二端，用以提供一電感量。該第三電壓V3例如來自一第七電壓源VG4，該第七電壓源VG4具有一電連接該第八匹配微帶線 TL16的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第七電壓源VG4可並聯一第七旁路電容Cby7，具有一電連接該第八匹配微帶線TL16的第二端的第一端，及一接地的第二端。
該第五阻抗匹配單元43具有一電連接該功率放大單元41的輸出端以接收來自該功率放大單元41的第三輸出信號So3的輸入端，及一電連接該後級負載(圖未示)以輸出該射頻輸出信號RFout的輸出端，並用來將從該功率放大單元41的輸出端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第五阻抗匹配單元43的輸出端看到的一阻抗匹配於該後級負載(圖未示)的一阻抗。該後級負載的阻抗例如是50Ω。
在本實施例中，第五阻抗匹配單元43包括一第九匹配微帶線TL17、一第十匹配微帶線TL18，及一第五電容C7。該第九匹配微帶線TL17具有一電連接該第五阻抗匹配單元43的輸入端的第一端，及一接收一第六電壓V6的第二端。該第六電壓V6例如來自一第八電壓源VD4，該第八電壓源VD4具有一電連接該第九匹配微帶線TL17的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第八電壓源VD4可並聯一第八旁路電容Cby8，具有一電連接該第九匹配微帶線TL17的第二端的第一端，及一接地的第二端。該第十匹配微帶線TL18具有一電連接該第九匹配微帶線TL17的第一端的第一端，及一第二端。該第五電容C7具有一電連接該第十匹配微帶線TL18的 第二端的第一端，及一電連接該第五阻抗匹配單元43的輸出端的第二端。
如此，該第三放大級4可再藉由四路功率分配、放大及結合，更提高該第二輸出信號So2’與該第三輸出信號So3的電壓比，使最終輸出的該射頻輸出信號RFout具有高輸出功率： 其中，參數gm5為該功率放大單元的電晶體M5~M8所提供的一轉導增益，參數RL為該第三放大級4的第五阻抗匹配單元43的輸入阻抗之一表示為實部的電阻，參數LL為該第三放大級4的第五阻抗匹配單元43的輸入阻抗之一表示為虛部的電感，Cds5為一電連接在該第二電晶體M5的第一端與第二端的寄生電容，Rds5為一電連接在該第二電晶體M5的第一端與第二端的寄生電阻。其中，參數RL、參數LL與該第九匹配微帶線TL17、該第十匹配微帶線TL18及該第五電容C7有關。
參閱圖6至圖8，圖6說明工作頻率為94GHz時，本發明射頻功率放大器所輸出該射頻輸出信號RFout與該射頻輸入信號RFin在該第一阻抗匹配模組13的輸入端與該第五阻抗匹配模組43的輸出端的反射、傳遞情形，其散射參數S11、S12、S21、S22的模擬結果圖。圖7說明該射頻功率放大器的功率附加效率PAE及 飽和功率Psat隨頻率變化的趨勢。圖8為說明該射頻功率放大器的功率附加效率與射頻輸入信號RFin的功率之間的關係。
參閱圖9，在本實施例中，電晶體M5~M8的每一根閘極之閘極寬度(gate width per finger)採用2μm。圖9顯示利用負載拉移模擬得到的不同的閘極根數(gate finger number)下，電晶體M5-M8的最大輸出功率電路及功率附加效率PAE之值。於本實施例中，電晶體M5~M8的閘極根數為6，該射頻輸出信號RFout的功率達11.5dBm(電晶體M5-M8四路放大後的分流信號S3”加總的功率達17.5dBm)，PAE達23.1%。需注意的是，如果電路架構並非採用如本發明的第三放大級4的四路放大結構，而是採用一路放大器，但閘極寬度為4倍(亦即，閘極根數為24根的情形)，該射頻輸出信號RFout的僅為8.1dBm，PAE達2.2%，遠遜於拆成4路放大器，這說明了為何採用四路放大的原因。
<第二實施例>
參閱圖10，本發明射頻功率放大器之第二實施例，與第一實施例的差別在於：只包括一個第一放大級1。該第一放大級1接收來自該前級電路(圖未示)的射頻輸入信號RFin，並進行功率放大以提供該高輸出功率的第一輸出信號So1，並提供高功率附加效率。
<第三實施例>
參閱圖11，本發明射頻功率放大器之第三實施例，與第一實施例的差別在於：包括一個第一放大級1及一個第二放大級3。該第一放大級1接收來自該前級電路(圖未示)的射頻輸入信號RFin並進行功率放大，以提高功率附加效率。該第二放大級3接收來自該第一放大級1的輸出信號並進行兩路功率分配、放大及結合後，進一步再提升該輸出信號So2’之輸出功率。
<第四實施例>
參閱圖12，本發明射頻功率放大器之第四實施例，與第一實施例的差別在於：包括N個第一放大級1~2及一個第二放大級3。也就是說，該第一放大級1~2的數目並不以兩個為限，也可以是一個、…、i個、…、N個，N為正整數且N≧2，i為正整數且i=2~N。其中，第i個第一放大級的反相放大單元的輸入端所接收的該第一輸入信號是第i-1個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號，且第i個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號正比於第i-1個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號。N的最大值為該第N個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號到達增益飽和。
綜上所述，本發明射頻功率放大器的優點如下。
1.如上述公式6、8、11可知，本發明在射頻功率放大器所屬技術領域中，創新地提出以回授單元11及反相放大單元12電連接為正回授方式來達到高功率附加效率。由於開迴路增益與回授因子的乘積GoK<1(如0031段所述)，因此透過該第一微帶線TL3與該第二微帶線TL5的λ/2回授路徑，使該回授信號SFB的相位等同於該第一輸入信號Si1可以疊加，但又不會發散(變成無窮大)，而為一有限值，故使微小的射頻輸入信號RFin經過該第一放大級1~2產生穩定的放大訊號。如此，藉以改善現有CMOS製程中所遭遇功率放大效率不佳的問題，在降低製程成本同時也兼顧高功率附加效率。
2.該第二放大級3的功率放大單元31以概呈Y型之微帶線對所接收的信號進行兩路功率分配、放大及結合，以便再提升功率增益，進而使本發明射頻功率放大器所輸出的該射頻輸出信號RFout具有高輸出功率。而本發明更提出第三放大級4的功率放大單元41對所接收的信號以四路功率分配、放大及結合，提升功率增益。
3.該第三放大級4之第五阻抗匹配單元43的該第九匹配微帶線TL17及該第十匹配微帶線TL18可經過調整，使從該第五阻抗匹配單元43可將輸出端所看到後級負載的阻抗50Ω作阻抗轉換，以致從該第五阻抗匹配單元43的輸入端所看到的阻抗包括一表示實部的電感與一表示虛部的電阻(電阻值9.68Ω，電感值19.69 pH)，如此即可使該功率放大單元41的該等第二結合微帶線412、該等第三結合微帶線413的長度達到最短。同理，該功率放大單元41的該等第二及第三分配微帶線、以及該第二放大級3的功率放大單元31的該第一分配微帶線及結合分配微帶線、皆可以同樣的方式達到長度縮短的效果。因此，確實可達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是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‧‧‧第一放大級
2‧‧‧第一放大級
3‧‧‧第二放大級
4‧‧‧第三放大級
RFin‧‧‧射頻輸入信號
So1‧‧‧第一輸出信號
So1’‧‧‧第一輸出信號
So2’‧‧‧第二放大級的輸出信號
RFout‧‧‧射頻輸出信號

Claims (15)

  1. 一種高功率附加效率的射頻功率放大器，包含：N個且彼此依序串接的第一放大級，N為正整數且N≧2，每一個第一放大級包括一反相放大單元，具有一輸入端及一輸出端，該反相放大單元的輸入端接收一第一輸入信號及一回授信號且加總成一加總信號，該反相放大單元將該加總信號進行相位反相與振幅放大，而產生一反相信號，該反相放大單元的輸出端輸出該反相信號，及一回授單元，具有一電連接該反相放大單元的輸出端以接收該反相信號的輸入端、一電連接該反相放大單元的輸入端以輸出該回授信號的第一輸出端，及一第二輸出端，該回授單元將該反相信號的相位進行反相產生該回授信號，該回授信號的相位等同於該第一輸入信號的相位，且該回授單元的第二輸出端輸出一大小正比於該反相信號的第一輸出信號，其中，第i個第一放大級的反相放大單元的輸入端所接收的該第一輸入信號是第i-1個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號，且第i個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號正比於第i-1個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號， N的最大值為第N個第一放大級的回授單元的第二輸出端所輸出的該第一輸出信號到達增益飽和，其中，i為正整數且i=2~N。
  2. 如請求項第1項所述的射頻功率放大器，其中，該反相放大單元包括一電晶體，具有一電連接該反相放大單元的輸入端的控制端、一電連接反相放大單元的輸出端的第一端，及一接地的第二端。
  3. 如請求項第1項所述的射頻功率放大器，其中，該回授單元包括一第一電容，具有一電連接該回授單元的第一輸出端的第一端，及一第二端，一第一微帶線，具有一電連接該第一電容的第二端的第一端，及一電連接該回授單元的第二輸出端的第二端，及一第二微帶線，具有一電連接該回授單元的第二輸出端的第一端，及一電連接該回授單元的輸入端的第二端。
  4. 如請求項第3項所述的射頻功率放大器，其中，該回授單元的第一微帶線具有一第一電氣長度，該第二微帶線具有一第二電氣長度，且該第一與第二電氣長度之和為λ/2，其中，λ為工作頻率的波長。
  5. 如請求項第1項所述的射頻功率放大器，其中，該第一放大級還包括一負載微帶線，具有一電連接該回授單元的第二輸出端的第一端，及一接收一第一電壓的第二端。
  6. 如請求項第1項所述的射頻功率放大器，適於電連接一前級電路，其中，該第一放大級還包括一第一阻抗匹配單元，該第一阻抗匹配單元具有一輸入端及一輸出端，該第一阻抗匹配單元的輸入端電連接該前級電路，該第一阻抗匹配單元的輸出端電連接該反相放大單元的輸入端與該回授單元的第一輸出端，用來將從該反相放大單元的輸入端所看到一阻抗與從該回授單元的第一輸出端所看到一阻抗所並聯的一等效阻抗進行阻抗轉換，以使從該第一阻抗匹配單元的輸入端看到的一阻抗匹配於該前級電路的一阻抗。
  7. 如請求項第6項所述的射頻功率放大器，其中，該第一阻抗匹配單元包括一第二電容，具有一電連接該第一阻抗匹配單元的輸入端的第一端，及一第二端，一第一匹配微帶線，具有一電連接該第二電容的第二端的第一端，及一第二端，用以提供一電感量，一第二匹配微帶線，具有一電連接該第一匹配微帶線的第一端的第一端，及一電連接該第一阻抗匹配單元的輸出端並接收一第二電壓的第二端，用以提供一電感量。
  8. 如請求項第1項所述的射頻功率放大器，還包含一第二放大級，包括一功率放大單元，具有一接收一正比於該第一輸出信號的第二輸入信號的輸入端，及一輸出端，該功率放大單 元將該第二輸入信號進行功率分配以產生兩個分流信號，且分別將該兩個分流信號進行功率放大後再進行結合，以產生一第二輸出信號，且該功率放大單元的該輸出端輸出該第二輸出信號，一第二阻抗匹配單元，具有一電連接該第一放大級的回授單元的第二輸出端以接收來自該回授單元的第一輸出信號的輸入端及一電連接該功率放大單元的輸入端以輸出該第二輸入信號的輸出端，用來將從該功率放大單元的輸入端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第二阻抗匹配單元的輸入端看到的一阻抗匹配於從該回授單元的第二輸出端所看到的一阻抗，及一第三阻抗匹配單元，具有一電連接該功率放大單元的輸出端的輸入端，及一電連接一後級電路的輸出端，用來將從該功率放大單元的輸出端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第三阻抗匹配單元的輸出端看到的一阻抗匹配於該後級電路的一阻抗。
  9. 如請求項第8項所述的射頻功率放大器，其中，該第二放大級的第二阻抗匹配單元包括一第三電容，具有一電連接該第二阻抗匹配單元的輸入端的第一端，及一第二端，一第三匹配微帶線，具有一電連接該第三電容的第二端的第一端，及一電連接該第二阻抗匹配單元的輸出端的第二端，用以提供一電感量， 一第四匹配微帶線，具有一電連接該該第二阻抗匹配單元的輸出端的第一端，及一接收一第三電壓的第二端，用以提供一電感量。
  10. 如請求項第8項所述的射頻功率放大器，其中，該第二放大級的功率放大單元包括一個第一輸入微帶線，具有一電連接該功率放大單元的輸入端的輸入端、及一輸出端，二個第一分配微帶線，每一第一分配微帶線具有一輸入端及一輸出端，且該二第一分配微帶線的輸入端一起電連接至該第一輸入微帶線的輸出端，以接收該輸出信號並進行功率分配，而該二第一分配微帶線的輸出端分別輸出該二分流信號，二個第一電晶體，每一第一電晶體具有一控制端、一第一端及一接地的第二端，該二第一電晶體的控制端分別電連接該二第一分配微帶線的輸出端，以分別接收該二分流信號，且進行功率放大，二個第一結合微帶線，每一第一結合微帶線具有一輸入端及一輸出端，且該二第一結合微帶線的輸入端分別電連接該等第一電晶體的第一端，以分別接收功率放大後的該等分流信號，及一個第一輸出微帶線，具有一輸入端及一輸出端，該第一輸出微帶線的輸入端與該等第一結合微帶線的輸出端電連接在一起，該第一輸出微帶線的輸出端電連接該功 率放大單元的輸出端，以將該等放大後的分流信號進行結合並輸出該第一輸出信號至該輸出端。
  11. 如請求項第8項所述的射頻功率放大器，其中，該第二放大級的第三阻抗匹配單元包括一第五匹配微帶線，具有一電連接該第三阻抗匹配單元的輸入端的第一端，及一接收一第四電壓的第二端，一第六匹配微帶線，具有一電連接該第五匹配微帶線的第一端的第一端，及一電連接該第三阻抗匹配單元的輸出端的第二端。
  12. 如請求項第8項所述的射頻功率放大器，還包含一第三放大級，其中，該第二放大級的第三阻抗匹配單元的輸出端所電連接的該後級電路為該第三放大級，且該第三放大級包括一功率放大單元，具有一接收一正比於該第二輸出信號的第三輸入信號的輸入端，及一輸出端，該功率放大單元將該第三輸入信號進行功率分配以產生四個分流信號，且分別將該四個分流信號進行功率放大後再進行結合，以產生一第三輸出信號，且該功率放大單元的該輸出端輸出該第三輸出信號，一第四阻抗匹配單元，具有一電連接該第三阻抗匹配單元的輸出端的輸入端，及一電連接該功率放大單元的輸入端以輸出該第三輸入信號的輸出端，用來將從該功率放大單元的輸入端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該 第四阻抗匹配單元的輸入端看到的一阻抗匹配於從該第三阻抗匹配單元的輸出端所看到的一阻抗，及一第五阻抗匹配單元，具有一電連接該功率放大單元的輸出端的輸入端，及一電連接一後級負載的輸出端，用來將從該功率放大單元的輸出端所看到的一阻抗進行阻抗轉換，以使從該第三阻抗匹配單元的輸出端看到的一阻抗匹配於該後級負載的一阻抗。
  13. 如請求項第12項所述的射頻功率放大器，其中，該第三放大級的功率放大單元包括一個第二輸入微帶線，具有一電連接該第三放大級的功率放大單元的輸入端的輸入端，及一輸出端，二個第二分配微帶線，每一第二分配微帶線具有一輸入端及一輸出端，且該二第二分配微帶線的輸入端一起電連接至該第二輸入微帶線的輸出端，以接收該第三輸入信號並進行功率分配，四個第三分配微帶線，每一第三分配微帶線具有一輸入端及一輸出端，且其中二個第三分配微帶線的輸入端電連接該等第二分配微帶線的其中之一的輸出端，另二個第三分配微帶線的輸入端電連接另一個第二分配微帶線的輸出端，且該四個第三分配微帶線的輸出端輸出該四個分流信號，四個第二電晶體，每一第二電晶體具有一控制端、一第一端及一接地的第二端，該四個第二電晶體的控制端分 別電連接該四個第三分配微帶線的輸出端，以分別接收該四個分流信號，且進行功率放大，四個第二結合微帶線，每一第二結合微帶線具有一輸入端及一輸出端，且該二第一結合微帶線的輸入端分別電連接該等第二電晶體的第一端，以分別接收功率放大後的該四個分流信號，二個第三結合微帶線，每一第三結合微帶線具有一輸入端及一輸出端，該等第三結合微帶線的其中之一的輸入端電連接其中二個第二結合微帶線的輸出端，另一第三結合微帶線的輸入端電連接另二個第二結合微帶線的輸出端，並接收放大後的該四個分流信號以進行功率結合，及一個第二輸出微帶線，具有一輸入端及一輸出端，該第二輸出微帶線的輸入端與該等第三結合微帶線的輸出端電連接在一起，該第二輸出微帶線的輸入端電連接該功率放大單元的輸出端，以將放大後的該四個分流信號進行結合並輸出該第三輸出信號至該功率放大單元的輸出端。
  14. 如請求項第12項所述的射頻功率放大器，其中，該第四阻抗匹配單元包括一第四電容，具有一電連接該第四阻抗匹配單元的輸入端的第一端，及一第二端，一第七匹配微帶線，具有一電連接該第四電容的第二端的第一端，及一電連接該第四阻抗匹配單元的輸出端的第二端，用以提供一電感量，及 一第八匹配微帶線，具有一電連接該第七匹配微帶線的第二端的第一端，及一接收一第五電壓的第二端，用以提供一電感量。
  15. 如請求項第12項所述的射頻功率放大器，其中，該第五阻抗匹配單元包括一第九匹配微帶線，具有一電連接該第五阻抗匹配單元的輸入端的第一端，及一接收一第六電壓的第二端，一第十匹配微帶線，具有一電連接該第九匹配微帶線的第一端的第一端，及一第二端，及一第五電容，具有一電連接該第十匹配微帶線的第二端的第一端，及一電連接該第五阻抗匹配單元的輸出端的第二端。
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