TWI706631B - 應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器 - Google Patents

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Abstract

一種低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器，包含一輸入端，係輸入一輸入訊號；一輸出端，係輸出一輸出訊號；一放大單元；一閘極線電路，係分別連接該輸入端與一第一負載電路、該放大單元；一第二負載電路；一汲極線電路，係分別連接該第二負載電路與該放大單元、該輸出端；以及一偏壓電路，係連接於該汲極線電路與該輸出端，其中該偏壓電路包括：一電壓源；一電感，係連接該電壓源與該汲極線電路之一端；以及一電容倍增器，係連接該電感、該汲極線電路與該輸出端。本發明更改其供電位置及產生電流方向，使供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。且本發明通過修改其供電方式解決消耗功率較高的問題，達到減少消耗功率。

Description

應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器
本發明係有關於一種分散式放大器，特別是一種低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器。本發明應用於全晶片式高速通訊之分散式放大器。
調變器驅動電路在光傳輸前端電路中負責將數位調變訊號做放大，來驅動馬赫曾德爾調變器去對雷射光做調變，將電訊號調變為光訊號。而由於馬赫曾德爾調變器需要較大的調變訊號才能夠操作，因此調變器驅動電路必須具有高速、高輸出振福的特性以滿足馬赫曾德爾調變器的需求。
分散式放大器由於具有良好的增益平坦度、優秀的頻率響應的特性，因此適合用來設計寬頻放大器。但其電路結構會造成較高的消耗功率。
傳統的分散式放大器供應電源的位置是在終端電阻的後方，所以當放大器的電流越大，供應電壓就需要越高，進而提高消耗功率。傳統分散式放大器降低消耗功率的方法有減少內部放大單元消耗電流的技術和使用並連電感的技術兩種，其一減少內部放大單元會增加電路複雜度，另一則是使用並聯電感會增加晶片面積。
由於分散式放大器的電路特性導致需要使用較高的供應電壓，從而提高電路整體的消耗功率並提高晶片溫度，晶片溫度過高又會影響其他周邊電路正常運作以及增加散熱所需的能源。傳統分散式放大器的偏壓電路在負載電阻端，因此當大電流經過電阻時會在電阻上產生跨壓，導致汲極線上的電壓下降，若不提高偏壓電路電壓放大單元就會因為汲極線的電壓下降而降低其性能，但若要維持汲極線上的電壓就必須提高偏壓電路電壓，當偏壓電路電壓被提高時電路的消耗功率也會大幅提高。
本發明之目的在提供一種應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器，係通過修改其供電方式解決消耗功率較高的問題，達到減少消耗功率。
本發明之又一目的在提供一種應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器，係更改其供電位置及產生電流方向，使供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。
本發明提出一種應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器，該分散式放大器包括：一輸入端，係輸入一輸入訊號；一輸出端，係輸出一輸出訊號；一放大單元；一閘極線電路，係分別連接該輸入端與一第一負載電路、該放大單元；一第二負載電路；一汲極線電路，係分別連接該第二負載電路與該放大單元、該輸出端；以及一偏壓電路，係連接於該汲極線電路與該輸出端，其中該偏壓電路包括：一電壓源；一電感係連接該電壓源與該汲極線電路之一端；以及一電容倍增器，係連接該電感、該汲極線電路與該輸出端。本發明更改其供電位置及產生電流方向，使供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。且本發明通過修改其供電方式解決消耗功率較高的問題，達到減少消耗功率。
在一實施例中，其中該放大單元包括有一第一電晶體連接該汲極線電路與該閘極線電路；以及一第二電晶體連接該汲極線電路與該閘極線電路。
在一實施例中，其中該汲極線電路包括有一第一電感分別連接該第二負載電路與一第二電感，及一第三電感分別連接該第二電感與該電感。
在一實施例中，其中該第一電晶體之汲極連接該汲極線電路之該第一電感與該第二電感，及該第二電晶體之汲極連接該汲極線電路之該第二電感與該第三電感。
在一實施例中，其中該閘極線電路包括有一第四電感分別連接該輸入端與一第五電感，及一第六電感分別連接該第五電感與該第一負載電路。
在一實施例中，其中該第一電晶體之閘極連接該閘極線電路之該第四電感與該第五電感，及該第二電晶體之閘極連接該閘極線電路之該第五電感與該第六電感。
在一實施例中，其中該第一負載電路包括有一第一電阻與一閘極偏壓，該第一電阻連接該閘極線電路與該閘極偏壓連接接地。
在一實施例中，其中該第二負載電路包括有一第二電阻分別連接該汲極線電路與一接地。
在一實施例中，其中該電容倍增器包括有一第三電阻之第一端連接該電感與一第三電晶體之汲極，該第三電阻之第二端連接該第三電晶體之閘極與一電容，該電容之第一端連接該第三電晶體的閘極，該電容之第二端連接一第四電阻與一第五電阻。該第四電阻之第一端連接該第三電晶體之源極與該輸出端，該第五電阻之第一端連接該第四電阻，該第五電阻之第二端連接接地。
本發明應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器係透過修改偏壓電路位置來避免大電流經過負載電阻產生電壓差導致偏壓電路電壓提高，藉通過改善供應電壓變高的問題，解決消耗功率較高的問題，達到減少消耗功率。本發明藉更改其供電位置、產生電流方向以及加入電容倍增器，使供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之分散式放大器及包含此分散式放大器之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
本發明透過修改偏壓電路位置與引入電容倍增器(電容放大單元)，使用一種新的偏壓方式，有效降低消耗功率，可達全晶片之設計。同時，本發明改變偏壓電路位置來降低VD電壓，增加電容倍增器(電容放大單元)來使寬頻信號通過以利達成全晶片級設計，降低VD電壓，達到降低消耗功率。
本發明分散式放大器透過修改偏壓電路位置來避免大電流經過負載電阻產生電壓差導致偏壓電路電壓提高。再者，本發明透過引入電容倍增器(電容放大單元)來達到全晶片級的設計。此電路的等效電容相當於電容乘以電晶體的增益gm，效果相當於電容容量被電晶體放大了gm倍。
請參閱第1及2圖，其係為本發明應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器之架構示意圖及電路示意圖。本發明應用於全晶片式高速通訊之分散式放大器10，包括一輸入端12、一閘極線電路14、一放大單元16、一汲極線電路18、一第一負載電路20、一第二負載電路22、一輸出端24及一偏壓電路26。該輸入端12輸入一輸入訊號及該輸出端24輸出一輸出訊號。該閘極線電路14係分別連接該輸入端12與該第一負載電路20、該放大單元16。該汲極線電路18係分別連接該第二負載電路22與該放大單元16、該輸出端24。該偏壓電路26係連接於該汲極線電路18與該輸出端24，其中該偏壓電路26包括：一電壓源262；一電感264係連接該電壓源262與該汲極線電路18之一端；以及一電容倍增器266，係連接該電感264、該閘極線電路14與該輸出端24。
當電壓訊號自該輸入端12輸入，經該閘極線電路14進入該第一負載電路20，並進入該放大單元16放大訊號後，經該汲極線電路18至該第二負載電路22與該偏壓電路26。該電壓源262之電流流經該電感264至該汲極線電路18進入該第二負載電路22，以及該電流至該偏壓電路26。其中該第一負載電路20包括有一第一電阻R1與一閘極偏壓VG，該第一電阻R1連接該閘極線電路14與該閘極偏壓VG及該閘極偏壓VG連接接地。該第二負載電路22包括有一第二電阻R2分別連接該汲極線電路18與接地。因此，本發明藉改變偏壓電路位置來降低電壓源262電壓，並增加一個電容倍增器266來使寬頻信號通過以利達成全晶片級設計，降低電壓源262電壓，達到降低消耗功率。
在一實施例中，該放大單元16包括有一第一電晶體162連接該汲極線電路18與該閘極線電路14，及一第二電晶體164連接該汲極線電路18與該閘極線電路14。
在一實施例中，該汲極線電路18包括有一第一電感182分別連接該第二負載電路22與一第二電感184，及一第三電感186分別連接該第二電感184與該偏壓電路26。其中該第一電感182連接該第二負載電路22之第二電阻R2。
在一實施例中，該第一電晶體162之汲極連接該汲極線電路18之該第一電感182與該第二電感184，及該第二電晶體164之汲極連接該汲極線電路18之該第二電感184與該第三電感186。
在一實施例中，該閘極線電路14包括有一第四電感142分別連接該輸入端12與一第五電感144，及一第六電感146分別連接該第五電感144與該第一負載電路20。其中該第六電感146連接該第一負載電路20之第一電阻R1。
在一實施例中，該第一電晶體162之閘極連接該閘極線電路14之該第四電感142與該第五電感144，及該第二電晶體164之閘極連接該閘極線電路14之該第五電感144與該第六電感146。其中該第一電晶體162及該第二電晶體164之源極分別連接接地。
在一實施例中，該電容倍增器266包括有一第三電阻R3之第一端連接該電感264與一第三電晶體M1之汲極，該第三電阻R3之第二端連接該第三電晶體M1之閘極與一電容C1，該電容C1之第一端連接該第三電晶體M1的閘極，該電容C1之第二端連接一第四電阻R4與一第五電阻R5。該第四電阻R4之第一端連接該第三電晶體M1之源極與該輸出端24，且該第四電阻R4之第二端連接該第五電阻R5。該第五電阻R5之第一端連接該第四電阻R4，該第五電阻R5之第二端連接接地。
該電壓源262之電流流至該汲極線電路18與該電容倍增器266，而經該輸出端24輸出該輸出訊號。其中該電壓源262之電流流至該汲極線電路18經該放大單元26之源極接地。該電壓源262之電流流至該汲極線電路18至該第二負載電路22之第二電阻R2，使該電阻R2電流增大。
請參閱第3A-3D圖 係為傳統分散式放大器與本發明之分散式放大器的模擬示意圖。如第3A圖所示，傳統分散式放大器之電壓源VD的位置設置在分散式放大器的左邊，因此電流自左流動至汲極線電路進入放大單元與自輸出端輸出訊號。且電容與電感佔很大面積，導致無法晶片化。如第3B圖所示，本發明之分散式放大器的電壓源262加上電容倍增器266設置在分散式放大器的右邊，因此電流改變流動方向，電流自右經該汲極線電路18流動至左到該放大單元16以及該第二負載電路22之電阻R2，使電阻R2電流變大。電感264(Lchock)為一扼流電感，可防止高頻訊號自該汲極線電路18流到電壓源262。該電容倍增器266阻擋直流電到該輸出端24，而且該電容倍增器266面積變小，適於全晶片化設計。再者該第三電阻R3使電壓方波加快訊號上升時間(rise time)，因此使波形變好。如第3C圖所示，經模擬測試，本發明之分散式放大器之電壓源的電壓Vdd(V)與功率Pdc(W)都比傳統分散式放大器減少功率與電壓降低，而第二負載電路22之電阻R2電流變大。如第3D圖所示，本發明改善消耗功率，使電路增益。本發明之分散式放大器與傳統分散式放大器改善前後趨於一致，增益不會降低。本發明之分散式放大器藉更改其供電位置、產生電流方向以及加入電容倍增器，使供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。
請參閱第4A-4D圖 係為傳統偏壓電路與本發明之偏壓電路之面積對照示意圖及測試波形圖。如第4A圖所示，為傳統偏壓電路，電容420與電感410的面積都很大，無法全晶片化設計。如第4B圖所示，本發明之偏壓電路使用電容倍增器266來使寬頻信號通過以利達成全晶片級設計，可以看出本發明之電容倍增器266的面積變小。且供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。由第4C-4D圖的波形圖，可以看出傳統偏壓電路與本發明之偏壓電路的輸出訊號均無太大變化。
綜上所述，本發明應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器係透過修改偏壓電路位置來避免大電流經過負載電阻產生電壓差導致偏壓電路電壓提高，藉通過改善供應電壓變高的問題，解決消耗功率較高的問題，達到減少消耗功率。本發明藉更改其供電位置、產生電流方向以及加入電容倍增器，使供應電壓無需提高即可有相同的性能且不需要增加晶片面積。
以上所述為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。
10:分散式放大器 12:輸入端 14:閘極線電路 142:第四電感 144:第五電感 146:第六電感 16:放大單元 162:第一電晶體 164:第二電晶體 18:汲極線 182:第一電感 184:第二電感 186:第三電感 20:第一負載電路 22:第二負載電路 24:輸出端 26:偏壓電路 262:電壓源 264:電感 266:電容倍增器 410:電感 420:電容 R1:第一電阻 R2:第二電阻 R3:第三電阻 M1:第三電晶體 C1:電容 R4:第四電阻 R5:第五電阻
第1圖 係為本發明應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器之架構示意圖。 第2圖 係為本發明之應用於全晶片式高速通訊之低供應電壓和低消耗功率的分散式放大器之電路示意圖。 第3A-3D圖 係為傳統分散式放大器與本發明之分散式放大器的模擬示意圖。 第4A-4D圖 係為傳統偏壓電路與本發明之偏壓電路之面積對照示意圖及測試波形圖。
10:分散式放大器
12:輸入端
14:閘極線電路
16:放大單元
18:汲極線電路
20:第一負載電路
22:第二負載電路
24:輸出端
26:偏壓電路

Claims (8)

  1. 一種分散式放大器，包括：一輸入端，係輸入一輸入訊號；一輸出端，係輸出一輸出訊號；一放大單元；一閘極線電路，係分別連接該輸入端與一第一負載電路、該放大單元；一第二負載電路；一汲極線電路，係分別連接該第二負載電路與該放大單元、該輸出端；以及一偏壓電路，係連接於該汲極線電路與該輸出端，其中該偏壓電路包括：一電壓源；一電感，係連接該電壓源與該汲極線電路之一端；以及一電容倍增器，係連接該電感、該汲極線電路與該輸出端；其中，該電容倍增器包括有一第三電阻之第一端連接該電感與一第三電晶體之汲極，該第三電阻之第二端連接該第三電晶體之閘極與一電容，該電容之第一端連接該第三電晶體的閘極，該電容之第二端連接一第四電阻與一第五電阻，該第四電阻之第一端連接該第三電晶體之源極與該輸出端，該第四電阻之第二端連接該第五電阻，該第五電阻之第一端連接該第四電阻，該第五電阻之第二端連接接地。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之分散式放大器，其中該放大單元包括有一第一電晶體連接該汲極線電路與該閘極線電路；以及一第二電晶體連接該汲極線電路與該閘極線電路。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之分散式放大器，其中該汲極線電路包括有一第一電感分別連接該第二負載電路與一第二電感，及一第三電感分別連接該第二電感與該偏壓電路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之分散式放大器，其中該第一電晶體之汲極連接該汲極線電路之該第一電感與該第二電感，及該第二電晶體之汲極連接該汲極線電路之該第二電感與該第三電感。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之分散式放大器，其中該閘極線電路包括有一第四電感分別連接該輸入端與一第五電感，及一第六電感分別連接該第五電感與該第一負載電路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之分散式放大器，其中該第一電晶體之閘極連接該閘極線電路之該第四電感與該第五電感，及該第二電晶體之閘極連接該閘極線電路之該第五電感與該第六電感。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之分散式放大器，其中該第一負載電路包括有一第一電阻與一閘極偏壓，該第一電阻連接該閘極線電路與該閘極偏壓，該閘極偏壓連接接地。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之分散式放大器，其中該第二負載電路包括有一第二電阻分別連接該汲極線電路與接地。
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