TWI690153B - 用於毫米波裝置之功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露可在具有較小尺寸、較少電力消耗的毫米波裝置中提供功率放大的設備及使用此等設備的方法。一種此設備包含輸入變壓器；注入電晶體之第一差分對，包含第一電晶體與第二電晶體；第一後閘極電壓源，經組態以向該第一電晶體提供第一後閘極電壓；第二後閘極電壓源，經組態以向該第二電晶體提供第二後閘極電壓；振盪器核心電晶體之第二差分對，包含第三電晶體與第四電晶體，其中該第三電晶體與該第四電晶體係交叉耦接；第三後閘極電壓源，經組態以向該第三電晶體提供第三後閘極電壓；第四後閘極電壓源，經組態以向該第四電晶體提供第四後閘極電壓；以及輸出變壓器。

Description

用於毫米波裝置之功率放大器
一般而言，本發明關於精密的半導體裝置，且具體而言，關於用於毫米波裝置的功率放大器。
使用毫米波(mm-wave)訊號的裝置已存在著許多發展。涉及毫米波應用的半導體裝置，包括基於無線電波帶頻率(介於約30吉赫(GHz)至約300GHz的範圍中)之電磁光譜來操作的裝置。毫米波裝置具有介於1毫米(mm)至約10mm的範圍中之波長，其對應30GHz至約300GHz之無線電頻率。此頻率波帶有時稱為極高頻率(EHF)頻率波帶範圍。應用毫米波之例子包括雷達裝置、高速通訊裝置(例如，無線吉位元(WiGig)裝置)等。雷達裝置已經實施在各種應用，諸如車輛安全與自動化應用。
針對此類應用來設計電路時，實施毫米波應用產生許多挑戰，對於設計功率放大器，需給予特別考慮。實質上，功率放大在包括毫米波裝置的所有電子裝置中存在著必要性。鑒於對降低裝置尺寸及/或電力消耗持續的競爭，已知的功率放大器具有使用在目前裝置中不佳的 高電力消耗與不佳的大尺寸。對於毫米波裝置(諸如車用雷達裝置，5G電信裝置、及類似者)，此等問題特別地明顯。
改良功率放大器的嘗試已包括各種注入鎖定式(injection locked)功率放大器。設計者在習知裝置中已藉由實施多種可程式電流源來推行注入鎖定式的設計，以在此類實施方案中調整注入電流。再者，設計者已實施AC耦接技術以對輸出變壓器之電感器來解耦DC。然而，提供多種可程式電流源消耗相對大量的電力，且導致來自多種可程式電流的增頻轉換雜訊。AC耦合降低電路之功率放大，從而需要較大的輸入功率來產生較佳的輸出功率位準。
有著可允許較小尺寸、較少的電力消耗、或增加的操作頻率中之一或多者的功率放大器，將是較佳的。
以下內容呈現本發明之簡化概要，以提供對本發明之態樣的基礎瞭解。此概要並非本發明的詳細概觀。其並非意圖提出本發明之關鍵或重要元件、或勾畫本發明之態樣。其唯一的目的係以一簡化的形式來呈現一些概念，以作為在稍後討論之更詳細說明的引言。
在實施例中，本發明關於設備，包含：輸入變壓器；注入電晶體之第一差分對，包含第一電晶體與第二電晶體；第一後閘極電壓線，經組態以向該第一電晶體提供第一後閘極電壓；第二後閘極電壓線，經組態以向 該第二電晶體提供第二後閘極電壓；振盪器核心電晶體之第二差分對，包含第三電晶體與一第四電晶體，其中該第三電晶體與該第四電晶體係交叉耦接；第三後閘極電壓線，經組態以向該第三電晶體提供第三後閘極電壓；第四後閘極電壓線，經組態以向該第四電晶體提供第四後閘極電壓；以及輸出變壓器。
在實施例中，本發明關於方法，包含：判定差值，介於包含振盪器核心電晶體之功率放大器的差分輸出之第一組件之第一功率與該差分輸出之第二組件之第二功率之間；回應於該第一功率與該第二功率之差值等於或大於第一臨界值，而調整第一振盪器核心電晶體之後閘極電壓；回應於該後閘極電壓被調整為最大值，而將該第一振盪器核心電晶體之該後閘極電壓設定為預設值；回應於該第一振盪器核心電晶體之該後閘極電壓被設定為該預設值，而再次判定該第一功率與該第二功率之差值；回應於介於該第一功率與該第二功率之間的再次判定差值等於或大於一第二臨界值，而改變第二振盪器核心電晶體之後閘極電壓。
在實施例中，本發明關於製造系統，經組態以製造如以上所描述的設備。
本文中的實施例可提供功率放大器電路，具有較小尺寸、較少的電力消耗、或增加的操作頻率中之一或多者。
100‧‧‧系統
110‧‧‧毫米波裝置、雷達裝置
120‧‧‧雷達前端單元
130‧‧‧天線單元
140‧‧‧控制器單元
150‧‧‧訊號處理單元
170‧‧‧資料庫
180‧‧‧馬達控制器
210‧‧‧記憶體單元
212‧‧‧RAM
214‧‧‧非揮發記憶體
220‧‧‧邏輯單元
230‧‧‧處理器單元
310‧‧‧訊號產生單元
320‧‧‧發射器單元
330‧‧‧接收器單元
410a‧‧‧一階發射器
410b‧‧‧二階發射器
410n‧‧‧N階發射器
410‧‧‧發射器
510a‧‧‧一階接收器
510b‧‧‧二階接收器
510n‧‧‧N階接收器
510‧‧‧接收器
610‧‧‧類比過濾器單元
620‧‧‧A/D轉換器
630‧‧‧DSP單元
640‧‧‧記憶體
710‧‧‧傳輸天線
715‧‧‧傳輸天線部分
720‧‧‧接收天線
725‧‧‧接收天線部分
810‧‧‧調頻連續波產生器、FMCW產生器
812‧‧‧參考訊號產生器
820‧‧‧數位鎖相迴路、DPLL
825‧‧‧數位控制振盪器、DCO
827‧‧‧低釋放調節器、LDO調節器
830‧‧‧一階頻率倍增器、頻率倍增器
832‧‧‧二階頻率倍增器、頻率倍增器
835‧‧‧三階頻率倍增器、頻率倍增器
840‧‧‧功率放大器
850‧‧‧貝楞電路
852‧‧‧前置放大器
860‧‧‧混頻器
865‧‧‧ABB
868‧‧‧自動增益控制與過濾器電路、AGC/過濾器電路
870‧‧‧A/D轉換器
872‧‧‧飽和偵測電路
900‧‧‧功率放大器電路、電路、功率放大器
910‧‧‧輸入變壓器、差分輸入變壓器
920‧‧‧第一差分對
921‧‧‧第一電晶體、電晶體
922‧‧‧第二電晶體、電晶體
925‧‧‧後閘極電壓控制單元
926‧‧‧第一後閘極電壓源、後閘極電壓源
927‧‧‧第二後閘極電壓源、後閘極電壓源
930‧‧‧第二差分對
933‧‧‧第三電晶體
934‧‧‧第四電晶體
938‧‧‧第三後閘極電壓源、後閘極電壓源
939‧‧‧第四後閘極電壓源、後閘極電壓源
940‧‧‧輸出變壓器
951‧‧‧後閘極
952‧‧‧後閘極
960‧‧‧功率偵測器
1010‧‧‧單端型輸入變壓器、輸入變壓器
1140‧‧‧單端型輸出變壓器、輸出變壓器
1200‧‧‧方法
1300‧‧‧系統
1310‧‧‧半導體裝置處理系統
1312‧‧‧介面
1314‧‧‧處理工具
1315‧‧‧積體電路、裝置、物件
1316‧‧‧度量衡工具
1320‧‧‧處理控制器
1340‧‧‧積體電路設計單元
1350‧‧‧輸送機構
藉由配合隨附圖式來參考下列說明可瞭解本發明，其中相似元件符號代表相似元件，且其中：第1圖根據本文中的實施例，描繪一雷達系統的一風格化方塊代表圖；第2圖根據本文中的實施例，描繪控制器單元140的一風格化方塊說明圖；第3圖根據本文中的實施例，描繪第1圖之雷達前端單元的一風格化方塊示意圖；第4圖根據本文中的實施例，描繪第3圖之發射器單元的一風格化方塊圖；第5圖根據本文中的實施例，描繪第3圖之接收器單元的一風格化方塊圖；第6圖根據本文中的實施例，描繪第1圖之訊號處理單元的一風格化方塊示意圖；第7圖根據本文中的實施例，描繪第1圖之天線單元的一風格化方塊示意圖；第8圖根據本文中的實施例，描繪第1圖之系統之一舉例性雷達應用的一風格化方塊示意圖；第9圖根據本文中的實施例，描繪一功率放大器電路；第10圖根據本文中的實施例，描繪一輸入變壓器；第11圖根據本文中的實施例，描繪一輸出變壓器； 第12圖根據本文中的實施例，描繪一方法；以及第13圖根據本文中的實施例，描繪用於製作一半導體裝置的系統的一風格化示意圖。
雖然本中文所揭露的標的可順應各種修改與替代形式而改變，但其具體實施例已在圖式中以舉例的方式顯示且詳細描述在本文中。然而，應瞭解的是，本文中對具體實施例的說明並非意圖將本發明限制為所揭露的特定形式，反之，本發明涵蓋所有落於如隨附申請專利範圍所定義的本發明之範疇內的修改例、均等例以及替代例。此外，圖式中所描繪的風格化示意圖並非以正確比例來繪製。
以下描述本發明之各種說明性實施例。為了簡潔，在此說明書中未描述所有實際實施方案之特徵。當然，應瞭解的是，任何此等實際實施例之發展中，各式各樣具體實施方案的考量必須達到創作者的具體目標，諸如符合不同實施方案間之系統相關與商業相關的限制。此外，應瞭解的是，此發展的代價可能是複雜且消耗時間的，但儘管如此，其亦係為了所屬技術領域中具有通常知識者因本發明而獲益所作的日常事務。
本發明標的現將參考附加之圖式而描述。僅為了解釋的目的而在圖式中以示意的方式來繪製各種結構、系統、及裝置，並且不以所屬技術領域中具有通常知 識者所知悉的細節而使本發明隱晦難懂。儘管如此，以附加之圖式來描述並解釋本發明之說明性例子。本文中所使用的詞彙與詞組應瞭解並解讀為，所屬相關技術領域中具有通常知識者所理解之詞彙與詞組的意義。無特殊定義之詞語與詞組(即為，與所屬技術領域中具有通常知識者所理解之通常與慣用的含意不同的定義)，意圖透過本文中之詞語與詞組之一貫用途來表示。對於意圖具有特殊的含意之詞語與詞組(即為，由所屬技術領域中具有通常知識者所理解之外的含意)，此特殊定義將明白地闡述在說明書中，以一定義式的方式直接且明確地提供該詞語與詞組之特殊定義。
本文中之實施例提供毫米波(mm-wave)功率放大器，具有較小尺寸、較少的電力消耗、及/或改良的輸出對稱性中之一或多者。本文中之實施例提倡利用一或多個電晶體之後閘極偏壓，來改良毫米波功率放大器之性能。本文中之實施例提倡使用後閘極偏壓用於調整注入電流，以及振盪器核心電流，其中以獨立方式來執行此等調整。
再者，本文中之實施例之差分對放大器之兩部分可藉由控制該等部分之後閘極電壓來單獨調整。依此方式，較小的裝置可用於執行功率放大、降低輸入負載、並且從而降低電力消耗且允許較高的操作頻率，其係對毫米波應用有用處的特徵。可將本文中之實施例之後閘極偏壓實施至具有不同科技的半導體裝置中，該等半導體裝置 允許電晶體之後閘極偏壓，例如，完全空乏矽絕緣體(fully depleted silicon-on-insulator)(FDSOI)裝置。
為了便於說明，以一雷達裝置之本質來繪製本文中之實施例，然而，所屬技術領域中具有通常知識者將輕易地瞭解本文中所揭露之概念可實施在其他種類之裝置中，諸如高速通訊裝置、網路裝置、高解析度視訊裝置等。現參考第1圖，根據本文中之實施例，描繪了毫米波系統的風格化方塊代表圖。
系統100可包含毫米波裝置110、資料庫170、及一馬達控制器180。毫米波裝置110可為一雷達系統、無線通訊裝置、資料網路裝置、視訊裝置、或類似者。為了說明性目的且為了簡潔與便於說明，以一雷達應用之本質來描述毫米波裝置110；如是，以下毫米波裝置110亦可稱為雷達裝置110。然而，因本發明而獲益之所屬技術領域中具有通常知識者將理解本文中所描述之概念可應用在各種類型之毫米波應用，包括使用雷達訊號的車輛應用、無線網路應用、資料網路應用、視訊與音訊應用等。
雷達裝置110能夠傳輸雷達訊號、接收由雷達訊號反射所產生之反射訊號、處理該反射訊號、及基於該反射訊號來提供用於執行一或多項動作的狀態資料及/或反射資料。在一實施例中，該狀態資料可包括目標之狀態，該反射接收自該目標。再者，馬達控制器180可控制一或多個馬達之操作。馬達之例子可包括執行制動功能、駕駛功能、齒輪變速功能、加速功能、警示功能、及/或其 他功能(與道路車輛、飛機、及/或船隻之操作相關)的裝置。馬達控制器180可使用反應資料及/或狀態資料來執行此等控制功能。馬達控制器180可包含一或多個控制器，能夠控制執行道路車輛、飛機、及/或船隻之各種操作的複數個裝置。
雷達裝置110可包含雷達前端單元120、天線單元130、控制器單元140、及訊號處理單元150。雷達前端單元120可包含複數個組件、電路、及/或模組，且能夠傳送、接收、處理、及對雷達訊號作出反應。在一實施例中，雷達裝置110可涵蓋至一訊號積體電路(IC)晶片中。在一些實施例中，雷達裝置110可形成在複數個積體電路上，該等積體電路定位在一單一IC晶片上。在其他實施例中，雷達裝置110可形成在單一積體電路上，其被覆蓋至一IC晶片中。
雷達前端單元120能夠提供雷達訊號。在一實施例中，雷達訊號由雷達裝置110所處理的頻率範圍可在約10GHz至約90GHz之範圍中。雷達前端單元120能夠在一預定頻率範圍產生雷達訊號、且將雷達訊號導向至一預定目標區域。雷達前端單元120亦能夠基於雷達訊號之反射而接收一反射訊號，且處理該反射訊號以判定複數個性質，諸如目標之方向、目標之速度、目標之相對距離、及/或類似者。第3圖與以下隨附說明提供雷達前端單元120之更詳細說明。
在一替代實施例中，120可為一網路通訊前 端單元，而不是雷達前端單元。在此實施例中，裝置110可針對各種類型之通訊應用來處理網路通訊，諸如封包資料網路通訊、無線(例如，蜂巢式通訊、IEEE 802.11ad WiGig科技等)資料通訊等，而不是接收、傳輸、及/或處理雷達訊號。本文中以雷達應用之本質所揭露的概念亦可利用於其他種類之應用，諸如網路通訊、無線通訊、高解析度視訊等。
繼續參考第1圖，天線單元130亦可包含傳輸天線及/或接收天線。再者，傳輸與接收天線可各自包含子部分(sub-portions)以形成天線之陣列。傳輸天線用於傳輸雷達訊號，而接收天線用於接收由雷達訊號反射所產生之反射訊號。第7圖與以下隨附說明提供天線單元130之更詳細說明。
繼續參考第1圖，雷達裝置110亦可包含訊號處理單元150。訊號處理單元能夠執行訊號之各種類比及/或數位處理，其由雷達裝置110所傳輸及/或接收。例如，由雷達裝置所傳輸的傳送雷達訊號可在其傳輸前予以放大。再者，由雷達裝置110所接收之反射訊號可透過一或多個類比過濾器階段來傳送。在訊號處理單元150中，該反射訊號可接著由一或多個類比轉數位轉換器(ADC)轉換成數位訊號。數位訊號處理(DSP)可在數位化之訊號上予以執行。第6圖與以下隨附說明提供訊號處理單元150之更詳細說明。
繼續參考第1圖，雷達裝置100亦可包含 控制器單元140。控制器單元140可執行雷達裝置110之各種控制操作。此等功能包括產生雷達訊號、傳輸雷達訊號、接收反射訊號、處理該反射訊號、及基於該反射訊號執行一目標之一或多個位置、方向、速度等的判斷。控制器單元140能夠產生上述的狀態資料與反應資料。
現參考第2圖，根據本文中的實施例，提供了描繪控制器單元140的一風格化方塊說明圖。控制器單元140可包含處理器單元230，能夠控制雷達裝置110之各種功能。處理器單元230可包含一微處理器、一微控制器、一現場可程式閘陣列(FPGA)、一特殊應用積體電路(ASIC)、及/或類似者。
控制器單元140亦可包含邏輯單元220。邏輯單元220可包含能夠依據輸入資料(data_in)與輸出資料(data_out)而執行各種邏輯操作、接收資料、及/或執行介面功能的一電路。輸入資料的訊號可表示由處理並分析該反應訊號所導出的資料。輸出資料的訊號可表示執行一或多個任務所產生的資料，該等一或多個任務係來自雷達訊號傳輸與該反射訊號。例如，輸出資料訊號可用於基於雷達訊號傳輸與接收反射訊號而執行動作。
控制器單元140亦可包含記憶體單元210。記憶體單元210可包含非揮發記憶體214與隨機存取記憶體(RAM)212。非揮發記憶體214可包含快閃記憶體及/或可程式唯讀(PROM)裝置。記憶體單元210能夠儲存用於控制雷達裝置110之操作的操作參數。再者，記憶體單元210 可儲存上述的狀態資料與反應資料。記憶體單元210亦可儲存資料，該等資料用於編程在雷達裝置110中之任何FPGA裝置。如是，記憶體單元210可再分(subdivided)至一程式資料記憶體、一狀態資料記憶體、及一反應資料記憶體中。此再分操作可以邏輯操作、或實體操作的方式來執行。
現參考第3圖，根據本文中的實施例，描繪了雷達前端單元120的一風格化方塊示意圖。雷達前端單元120可包含訊號產生單元310、發射器單元320、及接收器單元330。訊號產生單元310能夠在一預定頻率產生雷達訊號。例如，可產生約70GHz至約85GHz範圍內之訊號。訊號產生單元310可包含一真差分(true differential)倍頻器(FD)。該倍頻器可以雙推式(push-push)組態而形成。訊號產生單元310能夠針對傳輸而提供雷達訊號。以下提供訊號處理單元310之更詳細說明。
繼續參考第3圖，由訊號產生單元310向發射器單元320提供處理與傳輸之訊號。發射器單元320可包含複數個過濾器、訊號調節電路、緩衝器、放大器等，處理來自訊號產生單元310的訊號。發射器單元320提供雷達訊號用以傳輸至天線單元130。
第4圖根據本文中的實施例，描繪發射器單元320的一風格化方塊圖。同時參考第3圖與第4圖，發射器單元320可包含複數個相似的發射器，即為一階發射器410a、二階發射器410b、直至N階發射器410n(整體 稱為「410」)。在一實施例中，一階發射器直至N階發射器410可各自處理來自訊號產生單元310之訊號，並向一或多個天線提供輸出傳輸訊號。在另一實施例中，訊號產生單元310可向所有N階發射器410提供複數個訊號。例如，訊號產生單元310可針對各發射器410提供訊號傳輸訊號，或替代地，針對一第一組發射器410提供一階傳輸訊號且針對一第二組發射器410提供二階傳輸訊號。
繼續參考第3圖，向接收器單元330提供一接收訊號(即為，由一目標之雷達訊號的反應所產生的反應訊號)。接收器單元330能夠接收來自訊號處理單元130的處理後之接收訊號。接收器單元330能夠執行類比轉數位(A/D)轉換、訊號緩衝、DSP等。在一些實施例中，訊號處理單元130可執行A/D轉換與DSP；然而，在其他實施例中，此等任務可由接收器單元330來執行。接收器單元330能夠將輸出資料導向至控制器單元140。
第5圖根據本文中的實施例，描繪接收器單元320的一風格化方塊圖。同時參考第3圖與第5圖，接收器單元320可包含複數個相似的接收器，即為一階接收器510a、二階接收器510b、直至N階接收器510n(整體稱為「510」)。在一實施例中，一階接收器直至N階接收器510可各自處理來自訊號產生單元310之訊號，並向一或多個控制器單元140提供訊號。在另一實施例中，天線單元130可向一階接收器直至N階接收器510提供複數個訊號。例如，天線單元130可向各接收器510提供訊號， 或替代地，針對一第一組接收器510提供一階接收訊號且針對一第二組接收器510提供二階接收訊號。
現參考第6圖，根據本文中的實施例，描繪了訊號處理單元150的一風格化方塊示意圖。訊號處理單元150可包含類比過濾器單元610、A/D轉換器620、DSP單元630、及記憶體640。類比過濾器單元610能夠執行過濾以及類比毫米波訊號之放大，該類比毫米波訊號由訊號處理單元150所接收。在執行類比毫米波訊號之放大前，可由類比過濾器單元610來執行雜訊過濾。
A/D轉換器620能夠將經過濾及/或經放大之類比訊號轉換成數位訊號。A/D轉換器620能夠執行預定或變化的精確度轉換。例如，A/D轉換器620可具有12位元、24位元、36位元、48位元、64位元、96位元、128位元、512位元、1024位元之準確度，或更大的精確度。經轉換之數位毫米波訊號被提供至DSP單元630。
DSP單元630能夠在數位毫米波訊號上執行各種DSP操作。例如，數位毫米波之數位過濾可由DSP單元630來執行。舉一例子而言，預定精確度範圍外之訊號組分(例如，70Ghz至約85GHz)可過濾成較低的振幅。在其他情況中，諸如快速傅立葉轉換(FFT)的數學函數可在毫米波訊號上執行。來自DSO單元630處理後之數位輸出可傳送至控制器單元140用以分析。在其他情況中，數位輸出可緩衝或儲存至記憶體640中。在其他案例中，記憶體640可為先進先出(FIFO)記憶體。在其他案例中，來自 DSO單元630處理後之數位輸出可儲存至控制器單元140之記憶體單元210中。
現參考第7圖，根據本文中的實施例，描繪了第1圖之天線單元的一風格化方塊示意圖。欲傳送之毫米波訊號(例如，雷達訊號、網路資料訊號、無線通訊訊號等)可由發射器單元320(第3圖)向傳輸天線710提供。在一實施例中，傳輸天線710可包含複數個傳輸天線部分715。傳輸天線部分715以一預定圖案(例如，如第7圖中所例示之陣列矩陣)來配置。
欲被接收之毫米波訊號(例如，雷達訊號、網路資料訊號、無線通訊訊號等)可由接收天線720來擷取。接收天線720向接收器單元330(第3圖)提供所接收之毫米波訊號。在一實施例中，接收天線720可包含複數個接收天線部分725。接收天線部分725亦以一預定圖案(例如，如第7圖中所例示之陣列矩陣)來配置。
現參考第8圖，根據本文中的實施例，描繪了系統100之舉例性雷達應用的一風格化方塊示意圖。第8圖顯示一舉例性實施方案，其係訊號產生單元310(第3圖)、以及發射器單元320與接收器單元330之舉例性部分。
訊號產生單元310產生欲傳輸至並導向至一目標區域(例如，朝向在車輛前方之區域)的一訊號(例如，雷達訊號)。調頻連續波(FMCW)產生器810提供在約20GHz範圍中之毫米波訊號。FMCW產生器810可經組態以 提供低速斜坡(LSR)訊號或高速斜坡(HSR)訊號。在一替代實施例中，FMCW產生器810可由一脈衝列產生器所替換，用於應用脈衝都卜勒雷達系統。
再者，由參考訊號產生器812來提供參考訊號。來自FMCW產生器810的毫米波訊號與參考訊號兩者被傳送至數位鎖相迴路(DPLL)820。DPLL 820將來自FMCW產生器810的毫米波訊號之相位與參考訊號之相位鎖住。DPLL 820之輸出被傳送至數位控制振盪器(DCO)825。DCO之輸出被回饋至該DPLL。因此，DCO 825能夠提供穩定的DCO訊號。在一實施例中，該DCO訊號係約20GHz。
複數個低釋放(LDO)調節器827，可包含一參考電壓、一誤差放大器、一回饋電壓分壓器、及複數個導通元件(例如，電晶體)。LDO調節器827經組態以向第8圖之電路之各種部份提供一經調節之電壓供應。一般而言，此調節之電壓供應較該供應電壓低。
在一些實施例中，在車輛雷達應用中，傳輸80GHz訊號係較佳的。DCO 825提供20GHz訊號，因此兩個倍頻器可用以對20GHz訊號作乘法而提供40GHz，且接著對40GHz訊號作乘法而提供80GHz訊號予以傳輸。從而，一階頻率倍增器830用以將20GHz乘上二倍而產生40GHz訊號。二階頻率倍增器832用以將40GHz乘上二倍而產生80GHz訊號。二階頻率倍增器832之輸出被提供至功率放大器840。功率放大器840之輸出可被提供 至用於傳輸的天線。功率偵測器842可偵測功率放大器840之輸出功率，且可提示回饋調整以維持該傳輸訊號之一預定功率位準。
可由第8圖中所顯示之電路來處理所接收之訊號。該接收訊號(例如，來自訊號處理單元150)被提供至貝楞(balun)電路850。該貝楞可包含一變壓器，且提供前置放大器852之一差分輸出。執行該接收訊號之預放大(pre-amplification)之後，來自前置放大器852之輸出被提供至混頻器(mixer)860。
混頻器860能夠組合來自前置放大器852的接收訊號與來自三階頻率倍增器835的輸出訊號。三階頻率倍增器835之輸出係40GHz訊號來自一階頻率倍增器的兩倍訊號版本。即為，三階頻率倍增器835之輸出係一80GHz的參考訊號。混頻器860接收參考80GHz訊號，且在一實施例中，對其作乘法至該接收訊號，其係由來自該傳輸訊號之反射所產生的一反射或回波(echo)訊號。混頻器之輸出可用以判定關於反射出該傳輸訊號之一物體的各種性質，包括方向、位置、軌跡、及/或物體之速度。
一階、二階、及三階頻率倍增器830、832、835可各自係一完全差分雙推式倍頻器。下文進一步詳細描述由頻率倍增器830、832、835所採用的倍頻器。
混頻器860之輸出被提供至ABB 865。ABB 865之輸出被提供至自動增益控制(AGC)與過濾器電路868。飽和偵測電路872可偵測由AGC/過濾器電路868所處理 之訊號的任何飽和，並執行回應性調整。AGC/過濾器電路868之輸出被提供至A/D轉換器870。A/D轉換器870之輸出可提供至控制器單元140用以進一步的處理與回應性動作。
第9圖根據本文中的實施例，繪製一功率放大器電路900。可將功率放大器電路900實施在與訊號產生單元310(第3圖)相關聯的各種電路中。功率放大器單元900可以任何較佳的電力供應電壓AVDD來操作。在一實施例中，功率放大器電路900可以0.5V電力供應來操作。功率放大器電路900包含輸入變壓器910。如第9圖中所繪製，輸入變壓器910可為一差分變壓器，接收輸入訊號RFINP與RFINM。在其他實施例中，可利用一單端型輸入。第10圖顯示單端型輸入變壓器1010(接收輸入訊號RFIN)，可替換在功率放大器電路900之各種實施例中的差分輸入變壓器910。不論單端型或差分型，輸入變壓器910或輸入變壓器1010可向功率放大器電路900之其他元件來提供一差分訊號。
功率放大器電路900亦包含具有第一電晶體921與第二電晶體922的注入電晶體的第一差分對920。如所繪製，由輸入變壓器910或輸入變壓器1010所提供之差分訊號的一端(+ or「P」)控制第一電晶體921之閘極，且由輸入變壓器910或輸入變壓器1010所提供之差分訊號的其他端(- or「M」)控制第二電晶體922之閘極。
第一電晶體921與第二電晶體922可為由 第一電晶體921與第二電晶體922含有一後閘極架構所提供的任何場效電晶體(FET)，諸如金屬氧化物半導體FET(MOSFET)。在一實施例中，第一電晶體921可為完全空乏矽絕緣體(FDSOI)電晶體。替代地或額外地，第二電晶體922可為FDSOI電晶體。在其他實施例中，第一電晶體921、第二電晶體922、或兩者可為深N阱(deep n-well)電晶體。
如所繪製，第一電晶體921與第二電晶體922可為NMOS電晶體，而在其他實施例中(未顯示)，第一電晶體921與第二電晶體922可為PMOS電晶體。第一電晶體921與第二電晶體922各自包含後閘極節點，其可用以執行電晶體921、922之後閘極偏壓。
功率放大器電路900亦包含第一後閘極電壓源926，經組態以向第一電晶體921之後閘極951提供第一後閘極電壓。功率放大器電路900額外地包含第二後閘極電壓源927，經組態以向第二電晶體922之後閘極952提供第二後閘極電壓。在一些實施例(未顯示)中，單一電壓源可充當第一後閘極電壓源926與第二後閘極電壓源927兩者。
在一實施例中，第一後閘極電壓源926與第二後閘極電壓源927各自能夠向第一電晶體921與第二電晶體922之後閘極提供一範圍之電壓。此等電壓可以一預定的方式來設定，及/或替代地，可動態地編程或改變。例如，第一後閘極電壓源926與第二後閘極電壓源927可經改變以變更由注入電晶體之第一差分對920所提供的注 入電流。(在其他實施例中，由注入電晶體之第一差分對920所提供的注入電流可藉由修改電壓VGB_IL來改變，如所屬技術領域中具有通常知識者所知悉)。替代地或額外地，第一後閘極電壓源926與第二後閘極電壓源927可經改變以變更注入電晶體之第一差分對920之鎖定範圍。於鎖定或接近鎖定，可降低第一後閘極電壓源926與第二後閘極電壓源927以最小化功率放大器電路900之電力消耗。
第一後閘極電壓源926與第二後閘極電壓源927可分別向電晶體921與電晶體922兩者之後閘極提供相同電壓，或其等可向電晶體921與電晶體922兩者之後閘極提供不同電壓。在其中向第一電晶體921與第二電晶體922兩者之後閘極提供不同電壓的實施例中，可調整電壓以平衡差分輸出之兩端之振幅。
第一電晶體921可使其閘極由來自輸入變壓器910或輸入變壓器1010之差分訊號的P端所控制，且可向功率放大器電路900之其他組件提供差分訊號之一P端。第二電晶體922可使其閘極由來自輸入變壓器910或輸入變壓器1010之差分訊號的M端所控制，且可向功率放大器電路900之其他組件提供差分訊號之一M端。
繪製於第9圖中的功率放大器電路900亦包括振盪器核心電晶體之第二差分對930，包含第三電晶體933與第四電晶體934。一般而言，注入電晶體之第一差分對920將振盪器核心電晶體之第二差分對930之頻率 鎖定在VINPINJ與VINMINJ上所載送的該差分訊號之頻率。在第二差分對930中，第三電晶體933與第四電晶體934係交叉耦接，據此意味著第三電晶體933使其閘極由第一差分對920所提供之差分訊號的一端(例如，M)所控制，並向功率放大器電路900之其他組件提供差分訊號之其他端(例如，P)；並且第四電晶體934使其閘極由第一差分對920所提供之差分訊號的相對端(例如，P)所控制，並向功率放大器電路900之其他部件提供差分訊號之相對端(例如，M)。
第三電晶體933與第四電晶體934可為由第三電晶體933與第四電晶體934含有一後閘極架構所提供的習知FET，諸如MOSFET。在一實施例中，第三電晶體933與第四電晶體934可各自係一FDSOI電晶體。在另一實施例中，第三電晶體933、第四電晶體934、或兩者可為深N阱電晶體。
如所繪製，第三電晶體933與第四電晶體934可為NMOS電晶體，而在其他實施例中(未顯示)，第三電晶體933與第四電晶體934可為PMOS電晶體。
功率放大器電路900包含第三後閘極電壓源938，經組態以向第三電晶體933提供第三後閘極電壓，且亦包含第四後閘極電壓源939，經組態以向第四電晶體934提供第四後閘極電壓。在一些實施例(未顯示)中，單一電壓源可充當第三後閘極電壓源938與第四後閘極電壓源939兩者。
在一實施例中，第三後閘極電壓源938與第四後閘極電壓源939各自能夠向第三電晶體933與第四電晶體934之後閘極提供一範圍之電壓。例如，第三後閘極電壓源938與第四後閘極電壓源939可用以增加第二差分對930之電流，且從而增加功率放大器電路900之輸出功率。替代地或額外地，第三後閘極電壓源938與第四後閘極電壓源939可經調整以針對通過第二差分對930的電流波動來補償，其可能在功率放大器電路900之一或多個部件、操作溫度、或其他屬技術領域中具有通常知識者所知悉的電流波動來源中的製造變化出現。
第三後閘極電壓源938與第四後閘極電壓源939可各自向第三電晶體933與第四電晶體934之後閘極提供相同電壓。第三後閘極電壓源938與第四後閘極電壓源939可各自向第三電晶體933與第四電晶體934之後閘極提供不同電壓。在其中向第三電晶體933與第四電晶體934兩者之後閘極提供不同電壓的實施例中，可調整電壓以平衡差分輸出之兩端之振幅。
功率放大器電路900復包含後閘極電壓控制單元925。後閘極電壓控制單元925包含電路系統，據此由各後閘極電壓源926、927、938、及939所提供並且到第一電晶體直至第四電晶體921、922、933、及934之後閘極的電壓可根據操作者輸入或一演算法(諸如由第12圖之流程圖所表示的演算法)之輸出來調整。藉由向第一差分對920(注入電晶體)與第二差分對930(振盪器核心)兩者 提供不同的且可控制的後閘極電壓，可將注入電流對振盪器電流之比例保持在一常數值。藉由向第一電晶體921與第二電晶體922兩者、或向第三電晶體933與第四電晶體934兩者提供不同的且可控制的後閘極電壓，可改良一或多種上述針對功率放大器電路900的各種較佳性質。
在一些實施例中，後閘極電壓源926、927、938、及939可靠近電路900而定位。後閘極電壓源926、927、938、及939可經由各別後閘極電壓線(如第9圖中所例示)而電性耦接至第一電晶體直至第四電晶體921、922、933、及934。在其他實施例中，後閘極電壓源可在與電路900分離的位置中。例如，電路900可在一第一晶片上，而後閘極電壓源926、927、938、及939可定位在一分離的第二晶片上，經由各別後閘極電壓線(如第9圖中所示)透過該第一與第二晶片之輸入/輸出接腳而電性耦接至第一電晶體直至第四電晶體921、922、933、及934。(未顯示)。
功率放大器電路900亦包含輸出變壓器940。如第9圖中所繪製，輸出變壓器940可為一差分變壓器，提供輸出訊號RFOUTP與RFOUTM。在一替代實施例中，可使用單端型輸出變壓器來提供單端型輸出。第11圖顯示單端型輸出變壓器1140(提供輸出訊號RFOUT)，可替換在功率放大器電路900之各種實施例中的輸出變壓器940。
不論單端型或差分型，輸出變壓器940或輸出變壓器1140可向一裝置包含功率放大器電路900的後 續階段來提供一輸出訊號。此裝置可為如上所指出的一毫米波雷達裝置、5G電信裝置、高解析度視訊裝置、或類似者。
在一實施例中，其他輸出變壓器940提供一差分輸出，功率放大器電路900可包含功率偵測器960。功率偵測器960可經組態以偵測由輸出變壓器940所提供之差分輸出之各端的功率。替代地或額外地，功率偵測器960可經組態以僅測量或偵測由輸出變壓器940所提供之差分輸出之各端上的功率差值。功率偵測器960可經組態以僅偵測漏泄，且可鎖定與載送來自輸出變壓器940的RFOUTP與RFOUTM之線的直接實體連接。在一些實施例中，基於來自功率偵測器960之訊號，可在電路900之操作中進行一或多項調整，例如，施加至上述一或多個後閘極的調整。
第12圖根據本文中的實施例，提供方法1200的流程圖。如所繪製，方法1200包含判定(於1210)一差值，介於一功率放大器包含振盪器核心電晶體的一差分輸出之一第一部件之一第一功率與該差分輸出之一第二部件之一第二功率之間。該第一部件可為該差分輸出之一P部件，且該第二部件可為該差分輸出之一M部件。
在一實施例中，功率放大器可為如第9圖中所繪製的功率放大器900。在一實施例中，該差分輸出之部件之間的功率差值可由功率偵測器來判定(於1210)，諸如第9圖中所繪製的功率偵測器960。在其他實施例中， 該差分輸出之部件之間的功率差值可由後閘極電壓控制單元來判定(於1210)，諸如第9圖中所繪製之基於由(例如)功率偵測器960所偵測的功率位準或功率差值之後閘極電壓控制單元925。
雖然該差值可藉由測量輸出之第一與第二部件之絕對功率並由一者減去另一者來判定(於1210)，但在實施例中，功率判定可為相對的，意味著僅直接判定第一功率與第二功率之間的差值，且不判定第一功率與第二功率本身。
如所繪製，方法1200接著判定(於1220)第一功率與第二功率之差值是否等於或大於一第一臨界值。在一實施例中，第一臨界值係0.1dB。若第一功率與第二功率之差值不等於或不大於該第一臨界值，方法1200退出(於1299)。為了方便，在本文中以方便性來使用詞彙「差值」，而非以在數學上非常精確之詞組「差值之絕對值」來使用。然而，後者的詞語係本文中所意指。
在其他方面，若第一功率與第二功率之差值等於或大於該第一臨界值，方法1200包含調整(於1230)第一振盪器核心電晶體之後閘極電壓。
方法1200可復包含判定(於1240)經改變之後閘極電壓是否係一最大值。若該改變之後閘極電壓係小於該最大值，流程轉向判定(於1210)。
然而，若該改變之後閘極電壓係該最大值，方法1200可額外地包含將後閘極電壓設定(於1250)為一 預設值。預設值可根據裝置包含功率放大器的使用意圖來選擇。方法1200亦可包含再次判定(於1260)介於第一功率與第二功率之間的一差值。方法1200可接著包含判定(於1270)介於第一功率與第二功率之間的經再次判定之差值是否等於大於一第二臨界值。在一實施例中，第二臨界值係0.1dB。在實施例中，再次判定功率差值可為相對的，意味著僅再次判定第一功率與第二功率之間的差值，且不判定第一功率與第二功率本身。
若介於第一功率與第二功率之間的該再次判定之差值小於該第二臨界值，方法1200退出(於1299)。
替代地，若第一功率與第二功率之間的該再次判定之差值等於或大於該第二臨界值，方法1200可復包含改變(於1280)振盪器核心之第二電晶體之後閘極電壓。流程可接著返回再次判定(於1260)。
藉由執行方法1200，可修正功率放大器電路900之差分輸出之功率中的不平衡，及/或可增加功率放大器電路900之輸出功率。可動態地或自動地執行此等修正(例如，不需人類干涉且人類無法做到但僅有電腦可做到的速度、時間、及效率)。
方法1200可由一或多個邏輯電路來執行，諸如功率放大器電路900之後閘極電壓控制單元925。
方法1200可在裝置之操作期間中以任何較佳的時間次數來執行。在一實施例中，方法1200在裝置之各操作前來執行，對該裝置而言，差分輸出訊號之不平衡 修正係較佳的。例如，若該裝置係諸如裝置100的毫米波雷達裝置，方法1200可在功率斜坡操作前來執行。
現參考第13圖，根據本文中的實施例，描繪了用於製作半導體裝置組件之包含功率放大器電路之系統1300的風格化示意圖。第13圖之系統1300可包含半導體裝置處理系統1310與積體電路設計單元1340。半導體裝置處理系統1310可基於由積體電路設計單元1340所提供的一或多種設計來製造積體電路裝置。
半導體裝置處理系統1310可包含各種處理站，諸如蝕刻處理站、光刻處理站、CMP處理站等。各處理站可包含一或多種處理工具1314及或度量衡工具1316。基於來自度量衡工具1316的資料之回饋可用以修改一或多項由處理單元1314所使用的處理參數，用於執行處理步驟。
半導體裝置處理系統1310亦可包含介面1312，能夠提供處理工具1314與度量衡工具1316之間的通訊、以及諸如處理控制器1320的控制器。由半導體裝置處理系統1310所執行的一或多個處理步驟可由處理控制器1320來控制。處理控制器1320可為工作站、桌上型電腦、膝上型電腦、平板電腦、或任何其他種類之計算裝置，包含一或多個軟體，能夠控制處理、接收處理回饋、接收測試結果資料、執行學習週期調整、執行處理調整等。
半導體裝置處理系統1310可在一介質(諸如矽晶圓)上產生積體電路。更具體而言，半導體裝置處理 系統1310可產生積體電路，包含功率放大器電路，諸如第9圖中所繪製的功率放大器電路900。
藉由半導體裝置處理系統1310之積體電路的生產可為基於由積體電路設計單元1340所提供的電路設計。半導體裝置處理系統1310可在輸送機構1350(諸如一輸送帶系統)上提供經處理之積體電路/裝置1315。在一些實施例中，該輸送帶系統可為精密的無塵室輸送系統，能夠輸送半導體晶圓。在一實施例中，半導體裝置處理系統1310可實施複數個處理步驟，例如，上述且繪製在第12圖中之方法1200的該等步驟。
在一些實施例中，標號「1315」的物件可表示個別的晶圓，且在其他實施例中，物件1315可表示一組半導體晶圓，例如一「批量」的半導體晶圓。積體電路或裝置1315可包含電晶體、電容器、電阻器、記憶體單元、處理器、及/或類似者。
系統1300之積體電路設計單元1340能夠提供可由半導體裝置處理系統1310所製造的電路設計。此可包括關於下列資訊：輸入變壓器是否係單端型或差分型的資訊；輸出電壓器是否係單端型或差分型；一對注入電晶體有無接收來自相同來源或來自不同來源的後閘極電壓；一對振盪器核心電晶體有無接收來自相同來源或來自不同來源的後閘極電壓；等。
積體電路設計單元1340可能夠判定欲放置在裝置組件中的裝置(例如，處理器、記憶體裝置等)的數 量。基於裝置之此等細節，積體電路設計單元1340可判定欲製造的裝置之規格。基於此等規格，積體電路設計單元1340可提供用於製造本文中所述之半導體裝置組件的資料。
系統1300可能夠執行分析並製造涉及各種科技的各種產品。例如，系統1300可接收用於製造下列裝置的設計與生產資料：CMOS科技裝置、快閃科技裝置、BiCMOS科技裝置、功率裝置、記憶體裝置(例如，DRAM裝置)、NAND記憶體裝置、及/或各種其他半導體裝置科技裝置。此資料可由製作本文中所述之半導體裝置的系統1300所使用。
上述之特定實施例僅係說明性，因為可以因本文中之教示而獲益之所屬技術領域中具有通常知識者所明白之不同但均等的方式，來修改並實行本發明。例如，以上所闡述之過程步驟可以不同順序來執行。再者，除了如以下申請專利範圍所描述者之外，本文中所示之構造或設計之細節並非意圖產生限制。因此，顯而易見的是，可變更或修改上述之特定實施例，且此等變化係在本發明之範疇與精神內。從而，本文中所尋求之保護係闡述於以下申請專利範圍中。
1200‧‧‧方法

Claims (18)

  1. 一種功率放大器，包含：注入電晶體之第一差分對，包含用於接收變壓器訊號的第一電晶體與第二電晶體；第一後閘極電壓線，經組態以向該第一電晶體之後閘極節點提供第一後閘極電壓；第二後閘極電壓線，經組態以向該第二電晶體提供第二後閘極電壓；振盪器核心電晶體之第二差分對，包含第三電晶體與第四電晶體且可操作地耦接至該第一差分對，其中，該第三電晶體與該第四電晶體係交叉耦接；第三後閘極電壓線，經組態以向該第三電晶體提供第三後閘極電壓；第四後閘極電壓線，經組態以向該第四電晶體提供第四後閘極電壓；第一後閘極電壓源，可操作地耦接至該第一後閘極電壓線且經組態以提供該第一後閘極電壓；第二後閘極電壓源，可操作地耦接至該第二後閘極電壓線且經組態以提供該第二後閘極電壓；第三後閘極電壓源，可操作地耦接至該第三後閘極電壓線且經組態以提供該第三後閘極電壓；以及第四後閘極電壓源，可操作地耦接至該第四後閘極電壓線且經組態以提供該第四後閘極電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大器，其中，該第 一後閘極電壓、該第二後閘極電壓、該第三後閘極電壓、以及該第四後閘極電壓係可各自調整的。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之功率放大器，其中，該第一後閘極電壓源與該第二後閘極電壓源經組態以執行增加該第一後閘極電壓與該第二後閘極電壓以減少該第一差分對之鎖定時間以及降低該第一後閘極電壓與該第二後閘極電壓以減少功率消耗之至少一者。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之功率放大器，其中，該第三後閘極電壓源與該第四後閘極電壓源經組態以執行增加該第三後閘極電壓與該第四後閘極電壓以增加輸出功率以及調整該第三後閘極電壓與該第四後閘極電壓以補償電流波動之至少一者。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大器，復包含輸入變壓器，經組態以接收輸入訊號，其中，該輸入係差分輸入或單端輸入之至少一者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大器，復包含輸出變壓器，經組態以提供輸出訊號，其中，該輸出訊號係差分輸出。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之功率放大器，復包含功率偵測器，經組態以偵測由該輸出變壓器所提供之該差分輸出之各端的功率。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大器，其中，該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、以及該第四電晶體係FDSOI電晶體。
  9. 一種用於操作功率放大器之方法，該方法包含：判定差值，該差值介於包含振盪器核心電晶體之功率放大器的差分輸出之第一部件之第一功率與該差分輸出之第二部件之第二功率之間；回應於該第一功率與該第二功率之該差值等於或大於第一臨界值，而調整第一振盪器核心電晶體之後閘極電壓；回應於該後閘極電壓被調整為最大值，而將該第一振盪器核心電晶體之該後閘極電壓設定為預設值；回應於該第一振盪器核心電晶體之該後閘極電壓被設定為該預設值，而再次判定該第一功率與該第二功率之該差值；回應於介於該第一功率與該第二功率之間的再次判定差值等於或大於第二臨界值，而改變第二振盪器核心電晶體之後閘極電壓；第一後閘極電壓源，可操作地耦接至第一後閘極電壓線且經組態以提供該第一振盪器核心電晶體之該後閘極電壓；以及第二後閘極電壓源，可操作地耦接至第二後閘極電壓線且經組態以提供該第二振盪器核心電晶體之該後閘極電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，該第一臨界值係0.1dB。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，該第二臨界 值係0.1dB。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，測量該第一功率與該第二功率包含測量該第一差分輸出與該第二差分輸出之漏泄。
  13. 一種用於製造功率放大器之系統，該系統包含：半導體裝置處理系統，製造半導體裝置；以及處理控制器，操作地耦接至該半導體裝置處理系統，該處理控制器經組態以控制該半導體裝置處理系統之操作；其中，半導體裝置處理系統經調適以：形成輸入變壓器；形成注入電晶體之第一差分對，包含第一電晶體與第二電晶體；形成第一後閘極電壓源，經組態以向該第一電晶體提供第一後閘極電壓；形成第二後閘極電壓源，經組態以向該第二電晶體提供第二後閘極電壓；形成振盪器核心電晶體之第二差分對，包含第三電晶體與第四電晶體，其中，該第三電晶體與該第四電晶體係交叉耦接；形成第三後閘極電壓源，經組態以向該第三電晶體提供第三後閘極電壓；形成第四後閘極電壓源，經組態以向該第四電晶體提供第四後閘極電壓；以及 形成輸出變壓器。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之系統，其中，該半導體裝置處理系統經調適以形成該輸入變壓器以接收差分輸入。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之系統，其中，該半導體裝置處理系統經調適以形成該輸出變壓器以提供差分輸出。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中，該半導體裝置處理系統復經調適以形成功率偵測器，經組態以偵測由該輸出變壓器所提供之該差分輸出之各端的功率。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中，該半導體裝置處理系統復經調適以形成一或多個邏輯元件，經組態以執行方法，該方法包含：測量該差分輸出之第一端之第一功率與該差分輸出之第二端之第二功率；以及回應於該經測量之第一功率與該經測量之第二功率之差值等於或大於第一臨界值，而改變該第三後閘極電壓與該第四後閘極電壓之至少一者。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之系統，其中，該半導體裝置處理系統經調適以將該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、以及該第四電晶體形成FDSOI電晶體。
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