TWI823505B

TWI823505B - 功率放大器及射頻前端電路

Info

Publication number: TWI823505B
Application number: TW111129007A
Authority: TW
Inventors: 許恒通; 曹逸凡
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2023-11-21
Also published as: TW202408154A; US20240048164A1

Abstract

一種功率放大器，包含增益放大電路、回授電路及接地電容。增益放大電路至少包含第一電晶體及第二電晶體。第一電晶體之控制端用以接收輸入訊號，第二電晶體之第一端耦接於第一電晶體，第二電晶體之第二端用以產生輸出訊號。回授電路耦接於第一電晶體的控制端及第二電晶體的第二端。接地電容用以將第二電晶體的控制端耦接至接地端。當輸入訊號的頻率位於第一頻段及第二頻段之間時，輸出訊號相對於輸入訊號的放大增益實質上相同。

Description

功率放大器及射頻前端電路

本揭示內容關於一種放大訊號之電路，特別是功率放大器或射頻前端電路。

近年來，隨著半導體技術的演進，通訊系統的操作頻率範圍亦逐漸往更高頻的波段發展，例如毫米波（mmWave）或兆赫茲波段（Terahertz，THz，又稱太赫茲」，因此負責處理訊號的功率放大器也需提昇至相應的操作頻率。然而，在高頻操作中，半導體元件的「最大可用增益（Maximum available gain，MAG）將會隨操作頻率提升而急遽衰退，致使難以發揮訊號放大的效果。

本揭示內容之一態樣為一種功率放大器，包含增益放大電路、回授電路及接地電容。增益放大電路至少包含第一電晶體及第二電晶體。第一電晶體之控制端用以接收輸入訊號，第二電晶體之第一端耦接於第一電晶體，第二電晶體之一第二端用以產生輸出訊號。回授電路耦接於第一電晶體的控制端及第二電晶體的第二端。接地電容用以將第二電晶體的控制端耦接至接地端。當輸入訊號的頻率介於第一頻段及第二頻段時，輸出訊號相對於輸入訊號的放大增益實質上相同。

本揭示內容之一態樣為為一種功率放大器，包含增益放大電路、回授電路及接地電容。增益放大電路至少包含第一電晶體及第二電晶體。第一電晶體之控制端用以接收輸入訊號，第二電晶體之第一端耦接於第一電晶體，第二電晶體之第二端用以產生一輸出訊號。回授電路耦接於第一電晶體的控制端及第二電晶體的第二端。接地電容耦接於第二電晶體、回授電路及接地端。當輸入訊號的頻率介於第一頻段及第二頻段時，輸出訊號相對於輸入訊號的放大增益實質上相同。

本揭示內容之另一態樣為一種射頻前端電路，包含功率放大器及阻抗匹配電路。功率放大器包含增益放大電路、回授電路及接地電容。增益放大電路至少包含第一電晶體及第二電晶體。第一電晶體之控制端用以接收輸入訊號，第二電晶體之第一端耦接於第一電晶體，第二電晶體之一第二端用以產生輸出訊號。回授電路耦接於第一電晶體的控制端及第二電晶體的第二端。接地電容用以將第二電晶體的控制端耦接至接地端。當輸入訊號的頻率介於第一頻段及第二頻段時，輸出訊號相對於輸入訊號的放大增益實質上相同。阻抗匹配電路耦接於功率放大器，用以傳送輸入訊號至增益放大電路。阻抗匹配電路之輸出阻抗實質上與功率放大器的輸入阻抗相同。

本揭示內容利用接地電容改善元件之高頻響應特性，來突破元件製程技術本身之操作頻率限制，使功率放大器可具備更寬的頻寬，且保持增益的穩定。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

第1圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器100示意圖。在一實施例中，功率放大器100應用於射頻前端電路RFC。如圖所示，射頻前端電路RFC包含至少一個功率放大器100及至少一個阻抗匹配電路200，用以接收並放大無線射頻訊號。在部份實施例中，功率放大器還可包含用以切換接收/傳送通道的射頻開關，以及過濾發射及接收訊號的濾波器。

如圖所示，射頻前端電路RFC可包含多個功率放大器，以提昇放大增益。阻抗匹配電路200設於功率放大器100的輸入端及輸出端，用以調整功率放大器100的輸入阻抗及輸出阻抗。本揭示內容之功率放大器100並不限定應用於射頻前端電路RFC，亦可應用於其他類型之電路。

功率放大器100包含增益放大電路110、回授電路120及接地電容Cg。增益放大電路110包含複數個電晶體T1、T2。在部份實施例中，電晶體M1、M2係以疊接方式串接，例如電晶體M1為共源極，用以從控制端（閘極）接收輸入訊號Vin，並輸出訊號至電晶體M2。電晶體M2則為共閘極，其第一端（源極）接收電晶體M1輸出的訊號，其第二端（汲極）則產生放大後之輸出訊號Vout。

回授電路120耦接於電晶體M2的輸出端及電晶體M1的控制端（輸入端），用以形成回授路徑。回授電路120包含複數個阻抗元件Rim，且同時連接至供電電源Vd1/Vd2。透過電晶體M2的輸出訊號，且透過阻抗元件Rim分壓供電電源Vd1/Vd2，回授電路120將能調整電晶體M1及/或電晶體M2之控制端的電壓值。

接地電容Cg耦接於電晶體M2的控制端及接地端（或參考電位）之間，用以提昇功率放大器100於高頻響應特性中的極點頻率，且減緩功率放大器100在高頻時的增益衰減。在部份實施例中，接地電容Cg還可耦接於回授電路120。功率放大器100之內部電路及其高頻響應特性將於後續段落中詳述。

在部份實施例中，射頻前端電路RFC用以接收/發送不同頻段的無線訊號，例如：以載波聚合技術（Carrier Aggregation）傳送的訊號。在部份實施例中，不同頻段的訊號係對應於不同裝置，或者對應於不同的傳輸協議。功率放大器100可對不同頻段的輸入訊號Vin進行放大處理，並輸出為輸出訊號Vout。當輸入訊號的頻率介於第一頻段（如：15～25GHz）及第二頻段（如：35～45GHz）之間時，放大增益/增益比例（即，輸出訊號相對於輸入訊號的放大比例）實質上相同，以使功率放大器100具有寬頻的穩定增益效能。前述「實質上相同」係指功率放大器在處理不同頻率的訊號時，其增益的差異不會超過預定範圍（如：差異不超過10％）。在其他部份實施例中，功率放大器100可實現為雙頻或多頻之訊號放大電路。

請參閱第1圖所示，現有的雙頻放大器在處理不同頻段的訊號時，增益、輸出功率等特性相差過大，致使無法被利用於整合不同頻段之通訊技術上。本揭示內容透過在增益放大電路的控制端上設置接地電容Cg，以改變增益放大電路的極點頻率，減緩高頻率時的增益衰減。據此，即可以相同增益放大不同頻率的訊號，實現「寬頻」的放大效果。

第2A及2B圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器100的電路架構圖及等效模型圖。功率放大器100包含增益放大電路110、回授電路120及接地電容Cg。增益放大電路100包含第一電晶體M1及第二電晶體M2。第一電晶體M1之控制端（如：閘極）用以接收輸入訊號Vin。第二電晶體M2之第一端（如：源極）耦接於第一電晶體M1，第二電晶體M2之第二端（如：汲極）用以產生輸出訊號Vout。

回授電路120耦接於第一電晶體M1的控制端及第二電晶體M2的第二端，以形成回授路徑。在部份實施例中，回授電路120還耦接於供電電源Vd1及第二電晶體M2的控制端，且包含多個阻抗元件，例如電阻R1、R2及電感L1、L2。在一實施例中，回授電路120分別透過電感L1、L2耦接於第二電晶體M2的第二端（增益放大電路110的輸出端）及接地端。

回授電路120透過該些阻抗元件分壓供電電源Vd1及輸出訊號Vout之電壓值。換言之，回授電路120根據輸出訊號Vout及供電電壓Vd1調整第一電晶體M1的控制端電壓及/或第二電晶體M2的控制端電壓。

接地電容Cg用以將第二電晶體M2的控制端（如：閘極）耦接至接地端，且接地電容Cg耦接於第二電晶體M2的控制端的節點係位於多個電阻R1、R2之間。

在此針對第2A及2B圖所示之功率放大器100進行頻率響應特性之分析如後。透過時間常數法（time constant）分析功率放大器100的轉移函數（transfer function），可推導出功率放大器100的零點（Zero）與極點（Pole）。其中，「極點」對應於當輸入訊號Vin不為零、但輸出訊號Vout為無窮大的「頻率值」。在本實施例中，功率放大器100的頻率響應至少包含兩個極點，其中第一個極點靠近直流頻率，對高頻響應的影響相對較小，而第二個極點則可整理為下列兩個計算式：

上述計算式中，ω _{p2_TW}代表第二極點的頻率，R _i代表功率放大器100的輸入阻抗。C _gs1代表第一電晶體M1的閘極與源極之間的電容值。C _gd1代表第一電晶體M1的閘極與汲極之間的電容值。C _gs2代表第二電晶體M2的閘極與源極之間的電容值。C _gd2代表第二電晶體M2的閘極與汲極之間的電容值。g _m1代表第一電晶體M1本身的元件增益；g _m2代表第二電晶體M2本身的元件增益，在本實施例中假設第一電晶體M1及第二電晶體M2的元件增益相同，故亦以g _m表示。R’ _L代表功率放大器100的輸出阻抗理想值。R _L2代表功率放大器100的負載阻抗。C ₁代表接地電容Cg的電容值。

由前述計算式可知，第二極點ω _{p2_TW}將影響接地電容Cg的電容值C ₁。第3A圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器100的局部波德圖，縱軸為增益（分貝）、橫軸為頻率之對數尺度之十倍差距（decade）。其中ω _{p2_CS}為一種共源極放大電路（即，不包含回授電路120及接地電容Cg）的第二極點之頻率，對應之頻率約為25.3 GHz，ω _{p2_TW}則為第2A圖所示之功率放大器100的第二極點，對應之頻率約為48.9GHz。由圖可知，在設置回授電路120及接地電容Cg後，第二極點的頻率可明顯提昇，且功率放大器100的增益在頻寬範圍內皆保持一致。由於，功率放大器100的頻寬取決於兩個極點，因此，在第二極點第二極點ω _{p2_TW}提昇的情況下，功率放大器100的頻寬亦隨之提高。換言之，接地電容Cg的電容值亦將影響功率放大器100的頻寬範圍。

承上，第3B圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器100的波德圖，縱軸為增益（分貝）、橫軸為頻率。特性線301為共源極放大電路的波德圖。曲線302為第2A圖所示之功率放大器100（包含回授電路120及接地電容Cg）的波德圖。比較兩個特性線301、302可知，透過回授電路120及接地電容Cg，將可有效減緩高頻增益快速衰退的問題。

在一實施例中，若功率放大器100應用於28/38 GHz之雙頻放大器，則元件的最大可用增益（MAG）可以如下列計算式表示：

在前述計算式中，S ₁₂、S ₂₁為功率放大器100的反射係數，k則為功率放大器100之穩定因數（Stability k-factor），Δ簡稱為穩定係數。分析共源極放大電路及本實施例中的功率放大器100可知，最大可用增益（MAG）的衰退趨勢與反射係數S ₁₂、S ₂₁的衰退趨勢相近。因此，穩定係數Δ應可明顯影響最大可用增益（MAG）之平坦度。而調整接地電容Cg之電容值，將可改變穩定係數Δ的趨勢。第4A及4B圖為接地電容Cg之不同電容值所對應的最大可用增益（MAG）及穩定係數Δ，由圖可知，在一實施例中，接地電容C1的電容值為150nF時，其最大可用增益（MAG）的衰減較為平緩。

總結上列分析與實施例，本揭示內容利用接地電容改善元件之高頻響應特性，來突破元件製程技術本身之操作頻率限制。

第5A～5D圖所示為功率放大器100在不同頻率中的最大輸出功率的最佳輸出阻抗分佈圖。其中，第5A圖為源極放大電路的最佳輸出阻抗分佈圖，第5B圖為功率放大器100之接地電容為50fF時的最佳輸出阻抗分佈圖，第5C圖為功率放大器100之接地電容為150fF時的最佳輸出阻抗分佈圖，第5D圖為功率放大器100之接地電容為250fF時的最佳輸出阻抗分佈圖。第5A～5D圖中的功率點P1～P3為第一頻段（如：27～29GHz）時輸出最佳功率的位置。功率點P4～P6為第一頻段（如：37～39GHz）時輸出最佳功率的位置。第5A～5D圖中的每個圓框代表輸出功率衰退20dB的位置。因此，若每個圓框越靠近，代表功率放大器100在同時處理多個頻段的訊號時的損耗越少。由圖式可知，接地電容Cg的電容值可影響功率放大器在不同頻段之間「輸出阻抗分佈」的離散程度。例如：在本實施例中，當接地電容Cg的電容值為150fF時具有最佳的輸出效率。換言之，本揭示內容提出之功率放大器100能夠針對現今高頻段應用時，雙頻/多頻放大器之輸出效率部分進行改善，維持在一定程度功耗下之轉換效率，提升能源使用率。

第6圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的射頻前端電路RFC的示意圖。於第6圖中，與第1及2A圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第6圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。

請參閱第6圖所示，射頻前端電路RFC包含驅動級（Driver stage）功率放大器100A、輸出級（Power stage）功率放大器100B及多個阻抗匹配電路200A～200C。功率放大器100A、100B之電路結構已於前述實施例中描述，故在此不另贅述。阻抗匹配電路200A～200C分別耦接於功率放大器100A、100B的輸入端或輸出端。阻抗匹配電路200A用以傳送輸入訊號Vin至功率放大器100A；阻抗匹配電路200B用以將功率放大器100A產生的訊號輸出至功率放大器100B；阻抗匹配電路200C用以接收至功率放大器100B產生的輸出訊號Vout。

承上，阻抗匹配電路200A～200C用以調整功率放大器100A、100B的輸入阻抗或輸出阻抗，以避免因為電路間阻抗的不匹配，影響功率放大器100A～100B輸出功率。舉例而言，阻抗匹配電路200A的輸出阻抗實質上與功率放大器100A的輸入阻抗相同。阻抗匹配電路200B的兩端阻抗實質上分別等同於功率放大器100A的輸出阻抗及功率放大器100B的輸入阻抗相同。阻抗匹配電路200C的輸入阻抗實質上與功率放大器100B的輸出阻抗相同。

本揭示內容係於「功率放大器之半導體元件端」中加入接地電容C1，以減緩高頻響應中的增益衰減情況。因此，在「半導體元件端」的最大可用增益（MAG）已獲得改善的情況下，射頻前端電路中的阻抗匹配電路將更易於設計，而無須為了提昇最大可用增益（MAG）而加入繁複的輔助電路，因此亦可有效控制前端射頻電路的整體體積與成本。

前述各實施例中的各項元件、運作方式或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:功率放大器 100A-100B:功率放大器 110:增益放大電路 120:回授電路 200:阻抗匹配電路 200A-200C:阻抗匹配電路 RFC:射頻前端電路 Rim:阻抗元件 R1-R2:電阻 L1-L2:電感 Cg:接地電容 M1:電晶體 M2:電晶體 Vd1:供電電源 Vd2:供電電源 Vin:輸入訊號 Vout:輸出訊號 ω _{p2_TW}:頻率 ω _{p2_CS}:頻率 R _i:輸入阻抗 C _gs1:電容值 C _gd1:電容值 C _gs2:電容值 C _gd2:電容值 g _m1:元件增益 g _m2:元件增益 R _L2:負載阻抗 C ₁:電容值 301-302:曲線 P1-P6:功率點

第1圖為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器及射頻前端電路之示意圖。第2A圖為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器之電路架構示意圖。第2B圖為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器之等效模型圖。第3A～3B圖為共源極放大電路及本揭示內容之部份實施例的功率放大器的波德圖。第4A～4B圖為接地電容之不同電容值所對應的最大可用增益及穩定係數示意圖。第5A～5D圖為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器在不同頻率中的最大輸出功率的最佳輸出阻抗分佈圖。第6圖為根據本揭示內容之部份實施例的功率放大器之電路架構示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:功率放大器

110:增益放大電路

120:回授電路

200:阻抗匹配電路

RFC:射頻前端電路

Rim:阻抗元件

Cg:接地電容

M1:電晶體

M2:電晶體

Vd1:供電電源

Vd2:供電電源

Vin:輸入訊號

Vout:輸出訊號

Claims

一種功率放大器，包含：一增益放大電路，至少包含一第一電晶體及一第二電晶體，其中該第一電晶體之一控制端用以接收一輸入訊號，該第二電晶體之一第一端耦接於該第一電晶體，該第二電晶體之一第二端用以產生一輸出訊號；一回授電路，耦接於該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該第二端；以及一接地電容，用以將該第二電晶體的一控制端耦接至一接地端，其中當該輸入訊號的頻率位於一第一頻段及一第二頻段時，該輸出訊號相對於該輸入訊號的一放大增益實質上相同。
如請求項1所述之功率放大器，其中該回授電路還耦接於該第二電晶體的該控制端，且用以根據該輸出訊號及一供電電壓調整該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該控制端的電壓。
如請求項1所述之功率放大器，其中該回授電路包含複數個阻抗元件，該些阻抗元件用以分壓一供電電壓，以控制該第一電晶體的該控制端的電壓。
如請求項3所述之功率放大器，其中該接地電容耦接於該第二電晶體的該控制端的一節點位於該些阻抗元件之間。
如請求項1所述之功率放大器，其中該回授電路透過一電感連接於該第二電晶體的該第二端。
一種功率放大器，包含：一增益放大電路，至少包含一第一電晶體及一第二電晶體，其中該第一電晶體之一控制端用以接收一輸入訊號，該第二電晶體之一第一端耦接於該第一電晶體，該第二電晶體之一第二端用以產生一輸出訊號；一回授電路，耦接於該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該第二端；以及一接地電容，耦接於該第二電晶體、該回授電路及一接地端，其中當該輸入訊號的頻率位於一第一頻段及一第二頻段時，該輸出訊號相對於該輸入訊號的一放大增益實質上相同。
如請求項6所述之功率放大器，其中該回授電路還耦接於該第二電晶體的一控制端，且用以根據該輸出訊號及一供電電壓調整該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該控制端的電壓。
如請求項6所述之功率放大器，其中該回授電路包含複數個阻抗元件，該些阻抗元件用以分壓一供電電壓，以控制該第一電晶體的該控制端的電壓。
如請求項8所述之功率放大器，其中該接地電容耦接於該第二電晶體的一控制端的一節點位於該些阻抗元件之間。
如請求項6所述之功率放大器，其中該回授電路透過一電感連接於該第二電晶體的該第二端。
一種射頻前端電路，包含：一功率放大器，包含：一增益放大電路，至少包含一第一電晶體及一第二電晶體，其中該第一電晶體之一控制端用以接收一輸入訊號，該第二電晶體之一第一端耦接於該第一電晶體，該第二電晶體之一第二端用以產生一輸出訊號；一回授電路，耦接於該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該第二端；以及一接地電容，用以將該第二電晶體的一控制端耦接至一接地端，其中當該輸入訊號的頻率位於一第一頻段及一第二頻段時，該輸出訊號相對於該輸入訊號的一放大增益實質上相同；以及一阻抗匹配電路，耦接於該功率放大器，用以傳送該輸入訊號至該增益放大電路，其中該阻抗匹配電路之一輸出阻抗實質上與該功率放大器的一輸入阻抗相同。
如請求項11所述之射頻前端電路，其中該回授電路還耦接於該第二電晶體的該控制端，且用以根據該輸出訊號及一供電電壓調整該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該控制端的電壓。
如請求項11所述之射頻前端電路，其中該回授電路包含複數個阻抗元件，該些阻抗元件用以分壓一供電電壓，以控制該第一電晶體的該控制端的電壓。
如請求項13所述之射頻前端電路，其中該接地電容耦接於該第二電晶體的該控制端的一節點位於該些阻抗元件之間。
如請求項11所述之射頻前端電路，其中該回授電路透過一電感連接於該第二電晶體的該第二端。