TWI595745B

TWI595745B - 放大器

Info

Publication number: TWI595745B
Application number: TW105109629A
Authority: TW
Inventors: 陳智聖; 陳長億
Original assignee: 立積電子股份有限公司
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-08-11
Also published as: US20170279417A1; CN107241068B; US20180294778A1; US10027289B2; TW201735528A; CN107241068A; US10326412B2

Description

放大器

本發明係關於一種放大器，尤指一種可改善旁通模式之操作效能的放大器。

於無線通訊領域，當輸入訊號的強度較低時，可使用放大器予以放大，例如低雜訊放大器(low noise amplifier；LNA)；而當輸入訊號強度較高時，可進入旁通模式且使放大器處於非操作模式，從而節省耗電。

為了達成上述操作，可將旁通電路耦接於放大器之輸入端與輸出端之間，且安裝控制開關於放大器之輸出端，並於輸入訊號強度較高時截止該控制開關，以使輸入訊號改經由旁通電路輸出。然而，當輸入訊號強度較高，放大器內的電晶體其接面仍可能發生非預期的導通現象，而影響旁通電路的線性度。

本發明一實施例揭露一種放大器，包含一輸入端、一輸出端、一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第一電容、一偏壓電路、一第四電晶體及一第五電晶體。該輸入端係用以接收一輸入訊號。該輸出端係用以輸出對應於該輸入訊號之一輸出訊號。該第一電晶體包含一控制端、一第一端、及一第二端。該第二電晶體包含一第一端耦接於該第一電晶體之該第二端、一控制端、及一第二端。該第三電晶體包含一第一端耦接於該第二電晶體之該第二端、一控制端、及一第二端。該第一電容包含一第一端耦接於該第三電晶體之該控制端、及一第二端耦接於該第三電晶體之該第二端。該偏壓電路包含一第一端耦接於該第三電晶體之該第一端、及一第二端，用以提供該第三電晶體之該第一端一偏壓。該第四電晶體係用以提供一旁通路徑，包含一第一端耦接於該輸入端、及一第二端耦接於該輸出端。該第五電晶體，包含一第一端耦接於該第一電晶體之該第一端、一控制端、及一第二端耦接於該輸出端。

本發明另一實施例揭露一種放大器，包含一輸入端、一輸出端、一第一電晶體、一第二電晶體、一第六電晶體、一第四電晶體及一第五電晶體。該輸入端係用以接收一輸入訊號。該輸出端係用以輸出對應於該輸入訊號之一輸出訊號。該第一電晶體包含一控制端、一第一端、及一第二端。該第二電晶體包含一第一端耦接於該第一電晶體之該第二端、一控制端、及一第二端。該第六電晶體包含一第一端耦接於一參考位準、一控制端、及一第二端耦接於該第一電晶體之該控制端。該第四電晶體包含一第一端耦接於該輸入端、及一第二端耦接於該輸出端。該第五電晶體包含一第一端耦接於該第一電晶體之該第一端、一控制端、及一第二端耦接於該輸出端。

下述各圖中的本發明實施例之放大器、或放大器的局部電路，係當輸入訊號的強度較高時，本發明實施例的放大器由第一模式（例如放大模式，LNA mode）進入第二模式（例如旁通模式，bypass mode）的操作情況。輸入訊號的強度較高可為輸入訊號之強度大於一門檻值，該門檻值可視需求或產品規格制定。下述各圖中所示端點耦接於3伏特或0伏特，係分別用以舉例示意元件端點耦接於高位準或低位準。其僅用以說明本發明的原理，而非用以限制本發明之範圍或操作電壓。使用者可依照元件之規格特性調整操作電壓，從而應用本發明的教導。

第1圖係本發明一實施例中的放大器100的示意圖。放大器100可包含輸入端Pi，用以接收輸入訊號Si、輸出端Po，用以輸出輸出訊號So、放大單元110，具有端點P1耦接於輸入端Pi，及端點P2、電晶體140，耦接於端點P2及輸出端Po之間、及電晶體150，耦接於輸入端Pi與輸出端Po之間，並可與電晶體140並聯。放大單元110可為疊接（cascode）架構之放大電路，其可包含電晶體120及電晶體130，其中電晶體120可為共閘（common gate）電晶體，且電晶體130可為共源（common source）電晶體。第1圖所示之電容Ca至Cd可選擇性地安裝於放大器100，電容Ca至Cd可用以交流耦合（AC coupling），從而濾除訊號的直流部份及相關雜訊。當輸入訊號Si強度較低時，放大器100操作於第一模式，此時可導通電晶體140及截止電晶體150，使輸入訊號Si透過路徑Pt1進入放大單元110而被放大。當輸入訊號Si強度較高時，放大器100操作於旁通模式，此時則可導通電晶體150且截止電晶體140，以使輸入訊號Si透過旁通路徑Pt2經由電晶體150傳至輸出端Po，作為輸出訊號So被輸出。若以N型電晶體為例，當輸入訊號Si強度較高時，可將電晶體120、140之控制端耦接於地端或低電壓端，以截止電晶體120、140，且可將電晶體150之控制端耦接於高電壓端V _D（例如3伏特），以導通電晶體150。理想上，截止電晶體120應可使放大單元110進入非操作模式，然而若輸入訊號Si較高，則可能於電晶體120、130之接面發生非預期的導通現象，例如於路徑U1、U2、U3發生接面導通，從而影響旁通模式的線性度。

第2圖係本發明另一實施例之放大器200的示意圖。放大器200可包含輸入端Pi、輸出端Po、電晶體120至160、電容C1及偏壓電路170。輸入端Pi係用以接收輸入訊號Si。輸出端Po係用以輸出對應於輸入訊號Si之輸出訊號So。電晶體120包含控制端、第一端、及第二端。電晶體130包含第一端耦接於電晶體120之第二端、控制端、及第二端。電晶體160包含第一端耦接於電晶體130之第二端、控制端、及第二端。電容C1包含第一端耦接於電晶體160之控制端、及第二端耦接於電晶體160之第二端。偏壓電路170包含第一端耦接於電晶體160之第一端、及第二端，偏壓電路170可用以提供電晶體160之第一端一偏壓。電晶體150係用以提供旁通路徑Pt2，包含第一端耦接於輸入端Pi、及第二端耦接於輸出端Po。電晶體140包含第一端耦接於電晶體120之第一端、控制端用以接收控制電壓、及第二端耦接於輸出端Po。電晶體120及130可構成疊接架構之放大單元110。當收訊情況良好故輸入訊號Si之強度較高時，放大器200由放大模式進入旁通模式，此時可使電晶體120、140、160實質上截止，使偏壓電路170及電晶體150實質上導通。電晶體140截止可阻隔放大單元110之輸出並防止路徑U3之非預期的接面導通，電晶體160截止可防止路徑U2之非預期的接面導通。偏壓電路170導通可提供偏壓（如3伏特）於電晶體130的第二端，從而提高電晶體130之閘極-源極的逆偏程度，使電晶體130更不易導通。於本案一實施例中，偏壓單元170可為電晶體170a，並於電晶體170a的控制端施加低電位的控制電壓（如0伏特）以導通電晶體170a。電容C1耦接於電晶體160的閘極與源極之間，可用於交流耦合，從而使電晶體160於交流域之閘極-源極的跨壓實質上短路而截止電晶體160。根據本案一實施例，電晶體120、130、160可為N型金氧半電晶體（N-MOS），偏壓電路170之電晶體170a可為P型金氧半電晶體（P-MOS），且偏壓電路170之第二端可用以接收高位準訊號，如3伏特，作為提供給電晶體130之偏壓。於本發明一實施例中，偏壓電路170可為二極體（如第3圖所示），其中偏壓電路170之第一端係二極體之陰極，偏壓電路170之第二端係二極體之陽極。於本發明一實施例中，可將阻抗單元Ra耦接於偏壓電路170之第一端及電晶體160之第一端之間，以調節偏壓電路170提供之偏壓。

第3圖係本發明另一實施例之放大器300的示意圖。放大器300與放大器200電路相同處不重述。相較於第2圖，第3圖之偏壓電路170係為二極體。放大器300更包含電晶體180，其包含第一端耦接於參考位準Vr、控制端用以接收控制電壓、及第二端耦接於電晶體120之控制端。當輸入訊號Si強度較高時，放大器300由放大模式進入旁通模式，此時可使電晶體120、180係實質上截止，從而防止路徑U1之非預期的接面導通。根據本發明一實施例，當電晶體120、130係N型金氧半電晶體，電晶體180可為P型金氧半電晶體。根據本案一實施例，可將匹配單元L2耦接於電晶體160之第二端及參考位準Vr之間，用以改善放大器300的回波耗損（return loss）。上述的參考位準Vr可為地端，或其他適宜的參考位準。

第4圖係本發明另一實施例之放大器400的示意圖。放大器400可包含輸入端Pi、輸出端Po、電晶體120、130、140、150及180。其中電晶體120、130可為放大單元110之疊接構造，當輸入訊號Si強度較高時，放大器400由放大模式進入旁通模式，此時電晶體150可實質上導通以提供旁通路徑Pt2，電晶體140可實質上截止以阻絕放大單元110之輸出，電晶體180可實質上截止以防止路徑U1之非預期的接面導通。根據本發明一實施例，第4圖之放大器400可更包含偏壓單元410，耦接於電晶體120之第一端，用以提供偏壓（例如3伏特）給電晶體120之第一端，從而提高電晶體120的逆偏程度，使電晶體120更不易導通。在第4圖的實施例中，電晶體120可為N型金氧半電晶體，偏壓單元410可包含P型金氧半電晶體190，電晶體190包含第一端耦接於電晶體120之第一端、控制端用以接收控制電壓、及第二端耦接於高位準訊號（例如3伏特）。在旁通模式下，偏壓單元410內之電晶體190可實質上被導通，以使電晶體120的第一端被提供高位準之偏壓。根據本發明另一實施例，放大器400可更包含匹配單元L2，匹配單元L2可耦接於電晶體130之第二端及參考位準Vr之間，用以改善放大器400的回波耗損。

第5圖係本發明一實施例之放大器500的局部電路示意圖。第5圖敘述電晶體120的控制端之控制電路，及偏壓單元410。根據本案一實施例，偏壓單元410可更包含阻抗單元Rc及/或匹配單元L3，第5圖係阻抗單元Rc及匹配單元L3皆有之實施例。阻抗單元Rc可調整偏壓單元410提供之偏壓，匹配單元L3可耦接於電晶體190的第一端及電晶體120的第一端之間。本案之放大器可更包含第5圖所示之電容C3及/或阻抗單元Rb。電容C3可耦接於參考位準Vr與電晶體180的第一端之間，用以達成交流耦合。阻抗單元Rb可耦接於電晶體180之第二端，用以提供一電壓至電晶體120之控制端與電晶體180之第二端。以第5圖為例，阻抗單元Rb可耦接於0伏特的位準，故可截止電晶體120，並提供低電壓位準給電晶體180的第二端，由於電晶體180係P型金氧半電晶體且其控制端在旁通模式時耦接於3伏特的控制電壓，故電晶體180之閘極-源極的逆偏程度可增加而更不易導通，從而更可防止非預期的接面導通。

第6圖係本發明另一實施例的放大器600的示意圖。放大器600包含控制單元610，控制單元610包含電晶體191、偏壓單元192及電容C2。電晶體191包含第一端耦接於電晶體130之控制端、控制端用以接收控制電壓、及第二端耦接於輸入端Pi。偏壓單元192耦接於電晶體191之第二端，用以提供電晶體191之第二端一偏壓，例如3伏特。於旁通模式下，電晶體191可實質上截止以防止路徑U1的非預期之接面導通，偏壓單元192可實質上導通以提供偏壓（如3伏特）至電晶體191的第二端，從而提高電晶體191的逆偏程度，以使電晶體191更不易導通。電容C2可耦接於電晶體191之第二端及輸入端Pi之間，用以隔離直流雜訊。

第7圖係本發明另一實施例的放大器700的示意圖。第7圖的實施例中，偏壓單元192包括電晶體192a，電晶體192a包含第一端耦接於電晶體191之第二端、控制端用以接收控制電壓、及第二端用以接收高位準訊號（如3伏特）。電晶體191可為N型金氧半電晶體，電晶體192a可為P型金氧半電晶體。根據本發明實施例，控制單元610可更包含阻抗單元Rd。阻抗單元Rd可耦接於電晶體191的第二端及偏壓單元192之間，用以調節偏壓單元192提供的偏壓。

第8圖係本發明一實施例之放大器800的示意圖。放大器800可包含偏壓單元810，耦接於電晶體120之第二端，用以提供一偏壓（例如3伏特）至電晶體120之第二端、以及電晶體130之第一端。當輸入訊號Si強度較高而使放大器800進入旁通模式，偏壓單元810可實質上導通，以提高電晶體120、130之逆偏程度，使電晶體120、130更不易導通。第9圖係本發明一實施例之放大器的局部電路示意圖。如第9圖所示，偏壓單元810可包含電晶體810a，電晶體810a包含第一端耦接於電晶體120之第二端、一控制端用以接收控制電壓、及第二端用以接收高位準訊號，例如3伏特，從而可提供偏壓。當電晶體120、130係N型金氧半電晶體，電晶體810a可為P型金氧半電晶體。本發明之實施例中的放大器可更包含阻抗單元Re，耦接於偏壓單元810及電晶體120的第二端之間，用以調節偏壓單元810提供的偏壓。

第10圖係本發明另一實施例之放大器1000的示意圖。放大器1000可包含上述第1至9圖之各元件，原理相同處不再重述。放大器1000另包含其他元件，茲敘述如下。如第1至10圖所示，根據本發明之實施例，電晶體130之控制端可直接或間接地耦接於輸入端Pi。如第10圖的放大器1000所示，本發明之實施例的放大器1000可更包含匹配單元L1及/或電容C5，其中匹配單元L1可耦接於輸入端Pi，用以減少回波耗損以改善訊號處理之效果，電容C5可耦接於輸出端Po。如放大器1000所示，上述之旁通路徑Pt2的電晶體150亦可置換為電晶體150a、150b等複數個電晶體。放大器1000可更包含電容C6耦接於電晶體150b與輸出端Po之間、電容C4耦接於電晶體120及140之間，以濾除直流部份。

經採用本發明實施例之放大器，當輸入訊號Si的強度較高，例如無線通訊裝置的訊號較強時，可藉由電晶體的截止、及提高電晶體的逆偏程度，從而確實防止非預期的接面導通，從而避免放大器中須被截止的元件被導通，對於改善放大器之省電功效，實有助益。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、200、300、400、500、600、700、800、1000‧‧‧放大器

110‧‧‧放大單元

120、130、140、150、160、150a、150b、170a、180、190、191、192a、810a‧‧‧電晶體

170‧‧‧偏壓電路

Vr‧‧‧參考位準

V_D‧‧‧高電壓端

192、410、810‧‧‧偏壓單元

U1至U3、Pt1‧‧‧路徑

Pt2‧‧‧旁通路徑

Si‧‧‧輸入訊號

So‧‧‧輸出訊號

Pi‧‧‧輸入端

Po‧‧‧輸出端

P1、P2‧‧‧端點

Ca至Cd、C1至C6‧‧‧電容

Ra至Re‧‧‧阻抗單元

L1至L3‧‧‧匹配單元

610‧‧‧控制單元

第1圖係本發明一實施例之放大器的示意圖。第2圖係本發明一實施例之放大器的示意圖。第3圖係本發明一實施例之放大器的示意圖。第4圖係本發明一實施例之放大器的示意圖。第5圖係本發明一實施例之放大器的局部電路示意圖。第6圖係本發明一實施例的放大器的示意圖。第7圖係本發明一實施例的放大器的示意圖。第8圖係本發明一實施例之放大器的示意圖。第9圖係本發明一實施例之放大器的局部電路示意圖。第10圖係本發明一實施例之放大器的示意圖。

1000‧‧‧放大器