[發明專利]功率放大器

無效

• 申請號: 201010177988.0
• 申請日: 2010-05-11
• 公開（公告）號: CN102045032A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 張德成;許佑誠
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H03F3/20
• 分類號: H03F3/20;H03F1/30
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 陳小雯

技術領域

本公開涉及一種放大電路，且特別涉及一種可動態調整柵極偏壓的功率放大器。

背景技術

諸如互補金屬氧化物半導體(complementary?metal-oxide?semiconductor，CMOS)與SiGe等硅工藝技術已經廣泛且成功的使用于無線通信電子電路的設計。硅工藝技術的優勢除了成本與尺寸的考量，另一個重要的特性就是可以在相同的工藝上整合各種數字與模擬電路，進而實現系統單芯片(system-on-chip，SoC)的目標。然而，對大部分的通信系統來說，為了達到嚴格的元件規格，目前射頻(radio?frequency，RF)電路除了射頻收發機是以CMOS工藝來實現，射頻前端(front?end?RF?circuit)的關鍵元件(如功率放大器與收發切換器)還是以成本較高但是特性較佳的砷化鎵(GaAs)工藝來設計，其主要原因為硅基板的損耗(loss)較大。

硅工藝的傳統功率放大器與傳統砷化鎵工藝的功率放大器相較，其劣勢包括較低的擊穿電壓(breakdown?voltage)與高損耗的基板，以及沒有貫孔接地(backside?via)結構。較低的擊穿電壓意味著傳統功率放大器必須規劃較低的漏極偏壓與較低的輸出端交流電壓，這使得功率放大器的最佳輸出端阻抗大為降低。正因如此，實現輸出端的阻抗匹配時伴隨著較大的損耗，特別是在硅工藝損耗較高的基板上。因此，以硅工藝實現的傳統功率放大器效率較差，而未能輸出的能量將成為熱能而累積在基板中。累積的熱將進一步影響傳統功率放大器特性，如增益(gain)、輸出功率...等等。

此外，在CMOS工藝中未提供貫孔接地(backside?via)結構，使得共源極(common?source)架構的放大器的信號接地，必須利用打線(bond?wire)連接至芯片外的封裝或印刷電路板上，這將拉長信號接地路徑，寄生的電感效應將會嚴重的影響功率放大器效率。為了解決上述問題，傳統的方式為在電路中增加直流電源轉換器(DC?to?DC?converter)或由系統端提供一參考電源(reference?voltage)。然而，兩者電路架構均較為復雜，不利單芯片實踐。

發明內容

本公開提供一種功率放大器，可以依據輸入功率而動態調整功率放大器的柵極偏壓，以適應性偏壓(adaptive?bias)提升功率放大器的效率。

本公開實施例提出一種功率放大器，包括放大器、信號耦合器、功率檢測電路(power?detector)以及偏壓控制電路(bias?control?circuit)。信號耦合器連接至放大器的輸入端。功率檢測電路連接至信號耦合器，以通過信號耦合器檢測放大器的輸入功率。偏壓控制電路連接至功率檢測電路的輸出端與放大器的柵極。依據功率檢測電路的檢測結果，偏壓控制電路對應改變放大器的柵極偏壓。

基于上述，本公開實施例利用功率檢測電路檢測放大器的輸入功率，然后偏壓控制電路依據放大器的輸入功率而對應調整放大器輸入端的直流偏壓，以提升功率放大器的效率。另外，依照當以A類方式(class?A?manner)偏壓放大器時場效應晶體管(field-effect?transistor，FET)的漏極電流與溫度為反比的特性，在操作溫度上升時，功率放大器的靜電流(quiescent?current)會對應減小。此特性造成增益(gain)的降低與線性度的劣化。通過當柵極偏壓接近臨界電壓(threshold?voltage)時利用場效應晶體管的漏極電流與溫度為正相關的特性，高溫操作時放大器增益的降低可以被補償。因此，本公開實施例所公開的功率放大器兼具溫度補償與線性度提升的優點。

為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1是依照本公開實施例說明一種功率放大器的功能模塊示意圖。

圖2是說明圖1所示功率放大器的其中一種實現范例示意圖。

圖3是依據本公開實施例說明圖2所示功率放大器中，晶體管M1的漏極電流ID1在不同柵極偏壓VGS及不同溫度下的變化。

圖4為圖3在正溫度系數區域的局部放大圖。

【主要元件符號說明】

100：放大器

101：功率檢測電路

102：偏壓控制電路

103：信號耦合器

210、220：扼流電感

230、240：阻抗匹配單元

C1～C4：電容C4

L1：電感

M1～M3：晶體管

R1～R3：電阻