專利名稱：功率放大器、功率放大電路、及放大方法
技術領域：
本發(fā)明涉及功率放大器，特別關于通過調(diào)整偏壓以降低晶體管跨壓電 壓的功率放大器、功率放大電路、及放大方法。
背景技術：
在無線通信裝置中，使用各種不同的功率放大器以放大要傳輸?shù)男盘?。在這些功率放大器中，^r屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)放大 電路由于具有低成本及高集成度等特性而經(jīng)常被用于通信裝置中以放大信但是，在作為射頻輸入信號的放大器時，由于FET的偏壓電壓保持在 高電壓及輸入的射頻信號的大峰值功率，故晶體管產(chǎn)生熱載子效應、氧化 層崩潰等傷害而致使其壽命縮短。隨著半導體制程的進步，晶體管愈作愈 小，通道愈來愈短，而使得這些效應愈加明顯。為了改進這些缺點，T. Sowalti 及D. Leenaerts等于2002年2月發(fā)行的ISSCC Dig. Tech. Papers(294至295 頁)的r A 2.4 GHz 0.18 |u m CMOS Self-Biased Cascode Power Amplifier with 23 dBm Output Power」 一文中，提出二顆晶體管串迭(cascode)的功率放大 器。圖5顯示此種二顆MOSFET 202及204串迭(cascode)的功率放大器200。 一般而言，MOSFET 204作為共柵極的晶體管以作為放大信號的輸出端且在輸入信號為大功率時承受高電壓跨壓Vd"漏極對源極)，其柵板(Vg2)—般接受3.3V的直流偏壓。MOSFET 202作為共源極晶體管，其柵極端接受直 流偏壓VD (圖未示)及射頻輸入信號vrf。由于有二顆晶體管，所以，可以 降低輸入信號的峰值電壓對晶體管的損害。然而，隨著半導體制程的微小 化，MOSFET的耐壓性亦隨之降低。舉例而言，根據(jù)65nm制程制造的 MOSFET所能耐受的漏極與源極間的跨壓約為1.2伏特。而根據(jù)先前技術 的功率放大器200,會在MOSFET 202中產(chǎn)生高達6伏特的漏極對源極跨 壓。因此，功率放大器中例如MOSFET 202等晶體管容易因高跨壓電壓 而受損，因而降低壽命及可靠度。另外，在美國專利號6784740中，揭示使用反饋技術的功率放大器。 在此專利文獻中，提供了如圖6所示的功率放大器，其為一反饋電路與如 圖5的電路相結合而成。反饋電路330的正輸入端接收RF輸入信號，而負 輸入端連接至輸出端Out,反饋電路330的輸出端連接至場效應晶體管310 的柵極端，藉以調(diào)整其偏壓電壓，以降低小功率輸入信號時的電路功耗及 改良大功率輸入信號時的線性度。然而，此先前技術未考慮漏極對源極的 高跨壓電壓對作為共源極的晶體管的傷害，也無法對其提供保護作用。因此，需要具有可以有效降低共源極的晶體管的漏極-源極跨壓電壓 的功率放大器，以增進功率放大器的可靠度及其使用壽命。發(fā)明內(nèi)容慮及上述，本發(fā)明的目的是提供具有動態(tài)偏壓電路的功率放大器，所 述動態(tài)偏壓電路通過使功率放大器中共源極的晶體管跨壓隨著輸入信號而 動態(tài)地調(diào)整并有效地降低。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，功率放大器包括第一晶體管，配置成柵極 端接收輸入信號；第二晶體管，配置成與第一晶體管相串迭(cascode)，第 二晶體管的源極端與第一晶體管的漏極端串聯(lián)，以及，第二晶體管的漏極 端輸出一放大信號；及動態(tài)偏壓電路，具有二輸入端， 一輸入端接收該輸 入信號，另一輸入端耦接至第一晶體管的漏極端，及具有輸出端以耦接至 第二晶體管的柵極端，藉以調(diào)制第 一 晶體管的該漏極端的電壓。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種功率放大電路，包含 一功率放 大器，用以接收一輸入信號以及一偏壓信號，并用以依據(jù)該輸入信號以產(chǎn) 生一放大信號；以及一偏壓調(diào)整單元，耦接于該功率放大器，用以接收該 輸入信號，并依據(jù)該輸入信號以產(chǎn)生該偏壓信號。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種放大方法，包含依據(jù)一輸入信 號用以輸出一偏壓信號，其中，該偏壓信號相對應于該輸入信號；以及， 提供一功率放大器，用以接收該輸入信號以及該偏壓信號，并依據(jù)該輸入 信號以產(chǎn)生一放大信號。根據(jù)本發(fā)明，動態(tài)偏壓電路包含包絡檢測器，用于接收輸入信號并產(chǎn) 生輸入信號的包絡，又可包含差動放大器以接收輸入信號的包絡及第一晶 體管的漏極端電壓而輸出 一調(diào)整信號，又可進一步包含衰減器以衰減自第一晶體管輸入的漏極電壓。根據(jù)本發(fā)明，該第一晶體管及第二晶體管為金屬氧化物場效應晶體管，或互補式金屬氧化物場效應晶體管(CMOSFET)，較佳地為小于65nm制程 所制造的MOSFET或CMOSFET。根據(jù)本發(fā)明，功率放大器中的共源極的晶體管的漏極電壓可視輸入信 號而動態(tài)地調(diào)整，藉以降低漏極對源極的電壓，因而增進晶體管的可靠度 及壽命。從下述配合附圖的本發(fā)明的實施例說明中，當可更容易了解本發(fā)明的 目的、技術內(nèi)容、特點及其所達成的效果。


圖l根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率放大器的電路圖；圖2根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的功率放大器的電路圖；圖3A及3B分別顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例及先前技術的功率放大器中共源極的Vd量測圖；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例與先前技術的功率放大器中共源極的最大跨壓相對于輸出功率的量測量；圖5顯示先前技術的串迭(cascode)式功率放大器的電路圖；及圖6顯示先前技術的具有反饋控制的串迭(cascode)式功率放大器的電路圖。主要元件符號說明100, 100A 功率放大器 101， 201 電阻102,104， 202, 204, 305, 310 晶體管 106 偏壓電^各1061 包絡檢測器1062 放大器 330 反饋電路 340 衰減器335, 345 峰值檢測器具體實施方式
如同先前技術一節(jié)所述，先前技術的串迭(cascode)式功率放大器中， 作為共源極的晶體管的漏極對源極的跨壓，會因輸入的射頻信號的振幅擺 蕩變化而承受大的漏極對源極的跨壓，因而使工作壽命縮短。因此，根據(jù)本發(fā)明，將通過設置動態(tài)偏壓電路，以使功率放大器中作 為共源極的晶體管的漏極電壓隨著輸入的RF信號的振幅動態(tài)地改變，并在 平均輸入功率下，漏極對源極的跨壓電壓降低。接著，請參考附圖，其將具體說明根據(jù)本發(fā)明的功率放大器的實施例。圖l根據(jù)本發(fā)明的功率放大器100的實施例。如圖所示，功率放大器 100包含晶體管102、 104和偏壓電路106。晶體管102及104以串迭(cascode) 方式配置。晶體管102作為功率放大器IOO的共源極，而晶體管104作為 功率放大器100的共柵極。在一實施例中，晶體管102及104可為MOSFET 或CMOSFET。晶體管104的漏極端經(jīng)由電阻101連接至電源VDD,且此漏 極端作為功率大器100的輸出端Out。偏壓電路106的正輸入端接收包絡Vdy，而負輸入端連接至晶體管102 與104相連接的節(jié)點103。節(jié)點103處的電壓為晶體管102的漏極電壓Vd。 偏壓電路106的輸出連接至晶體管104的柵極端。在另一實施例功率放大器IOOA中，如圖2所示，偏壓電路106還包含 有包絡(envelope)檢測器1061及放大器1062。包絡檢測器1061接收射 頻輸入信號Vrf,并產(chǎn)生該射頻輸入信號Vrf的包絡Vdy，由于輸入的射頻信 號Vrf具有變化的振幅，而包絡Vdy通過包絡檢測器1061檢測射頻信號vrf 的振幅峰值來取得的。然而，此包絡亦可以一與射頻輸入信號Vrf相對應的信號來取代，如此，即可省略掉該包絡4企測器1061 。在操作時，當晶體管102的柵極105接收輸入信號而操作時，其漏極 端103的電壓Vd會因放大器1062的操作，而跟隨包絡Vdy動態(tài)地改變。對 于本實施例所產(chǎn)生的顯著效果，將在下面參考圖3A及3B的Vd量測圖以 進一步說明。圖3A顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率放大器100的Vd量測圖，圖3B 系顯示先前技術的功率放大器200中的Vd量測3A中，曲線d代表漏極端103的漏極電壓Vd的變化，而曲線C2代表包絡Vdy。由圖3A中可知，Vd的電壓值僅在Vdy的輸入值為對對應于大功率時才會明顯大于一參考的Vfix值，在其它情形下顯著低于Vfix值。圖3B中，曲線d則代表漏極端203的漏極電壓Vd的變化。由圖3B中可知， Vd的電壓值均明顯大于Vfix值。從圖3的說明，將可更清楚了解本實施例 與先前技術在Vd值變化上的顯著差異。圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例與先前技術的功率放大器中共源極的最 大跨壓相對于輸出功率的量測圖。在圖4中，縱軸代表漏極與源極的最大 跨壓Vds,此處，由于源極接地，所以，Vds為Vd的最大電壓Vd, max,橫軸 代表輸入功率(P。ut),曲線I代表根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率發(fā)大器100 中共源極(對應于晶體管102)的漏極與源極的最大跨壓電壓與輸出功率的 相對關系，而曲線(II)代表先前技術的共源極(對應于晶體管202)的漏極與源極的最大跨壓電壓與輸出功率的相對關系。從圖4中曲線i及n,明顯 可知，在相同的輸出功率下，根據(jù)本發(fā)明的實施例所產(chǎn)生的最大跨壓電壓Vds明顯低于先前技術的跨壓電壓。因此，根據(jù)本發(fā)明的功率放大器可以顯著地降低平均功率下的最大跨壓電壓Vds,舉例而言，曲線I的Vd,腿的最 小值約為0.7V,而最大值約為2.0V,而曲線II的Vd,隨的最小值約為1,4V, 而最大值約為2.0V。根據(jù)本發(fā)明，通過設置動態(tài)偏壓電路，可使得功率放大器中共源極的 晶體管的漏極電壓隨著RF輸入信號而動態(tài)地調(diào)整，藉以降低漏極對源極的 跨壓電壓，且不超過正常操作電壓，如此，則能增加晶體管的壽命，并因 而增加功率放大器的使用壽命及可靠度。雖然在上述說明中，以實施例來說明本發(fā)明，但是，本發(fā)明不限于所 揭示的特定細節(jié)。舉例而言，可在偏壓電路106的一輸入端與晶體管102 的漏極端之間設置衰減器，以衰減漏極端輸入的電壓，此外，亦可將衰減 器直接設置在偏壓電路106中。鑒于此，在不偏離本發(fā)明的精神及所附權 利要求書及其均等范圍之下，本領域技術人員可以產(chǎn)生不同的變化、修改、 替代等等，皆屬本發(fā)明所涵蓋保護的范圍。
權利要求
1.一種功率放大電路，包含一功率放大器，用以接收一輸入信號以及一偏壓信號，并用以依據(jù)該輸入信號以產(chǎn)生一放大信號；以及一偏壓調(diào)整單元，耦接于該功率放大器，用以接收該輸入信號，并依據(jù)該輸入信號以產(chǎn)生該偏壓信號。
2. 如權利要求1所述的功率放大電路，其中該偏壓調(diào)整單元包含 一包絡檢測器，用以接受該輸入信號，并據(jù)以輸出該輸入信號的一包絡；以及一差動放大器，用以接受該包絡及該功率放大器上的一節(jié)點的電壓， 且據(jù)以輸出 一差動放大信號；其中，該差動放大信號被用以作為該偏壓信號。
3. 如權利要求1所述的功率放大電路，其中該偏壓調(diào)整單元包含 一差動放大器，用以接受與該輸入信號相對應的一估計信號及該功率放大器的一節(jié)點的電壓，且據(jù)以輸出一差動放大信號； 其中，該差動放大信號被用以作為該偏壓信號。
4. 如權利要求2所述的功率放大電路，還包含有一衰減器，耦接在該節(jié)點與該偏壓調(diào)整單元間，用以對該節(jié)點上的電 壓進行衰減。
5. 如權利要求3所述的功率放大電路，還包含有一衰減器，耦接在該節(jié)點與該偏壓調(diào)整單元間，用以對該節(jié)點上的電 壓進行衰減。
6. 如權利要求2所述的功率放大電路，其中該功率放大器包含 一第一晶體管，包含有一第一端及一第二端，該第一端用以接收該輸入信號；以及一第二晶體管，與該第一晶體管串聯(lián)耦接于該第二端，用以接收該偏壓信號，并用以輸出該放大信號； 其中，該第二端即為該節(jié)點。
7. 如權利要求3所述的功率放大電路，其中該功率放大器包含 一第一晶體管，包含有一第一端及一第二端，該第一端用以接收該輸入信號；以及一第二晶體管，與該第一晶體管串聯(lián)耦接于該第二端，用以接收該偏 壓信號，并用以輸出該放大信號； 其中，該第二端即為該節(jié)點。
8. 如權利要求1所述的功率放大電路，其中該第一晶體管為金屬氧化 物場效應晶體管或互補式金屬氧化物場效應晶體管。
9. 一種》文大方法，該方法包含依據(jù)一輸入信號用以輸出一偏壓信號，其中，該偏壓信號相對應于該 輸入信號；提供一功率放大器，用以接收該輸入信號以及該偏壓信號，并依據(jù)該 輸入信號以產(chǎn)生一放大信號。
10. 如權利要求9所述的方法，其中輸出該偏壓信號的該步驟包含 檢測該輸入信號以得到該輸入信號的一 包絡；以及依據(jù)該包絡及該功率放大器中的 一節(jié)點的電壓來輸出該偏壓信號。
11. 如權利要求IO所述的方法，其中輸出該偏壓信號的該步驟包含 對該功率放大器中的該節(jié)點的電壓進行衰減。
12. 如權利要求9所述的方法，其中輸出該壓信號的該步驟包含 檢測該輸入信號以得到與該輸入信號相對應的一估計信號；以及 依據(jù)該估計信號及該功率放大器中的一節(jié)點的電壓來輸出該偏壓信—，
13. 如權利要求12所述的方法，其中輸出該壓信號的該步驟包含 對該功率放大器中的該節(jié)點的電壓進行衰減。
全文摘要
一種功率放大器、功率放大電路、及放大方法。該功率放大器，包括第一晶體管，配置成從柵極端接收要放大的射頻輸入信號；第二晶體管，配置成與第一晶體管相串迭(cascode)，第二晶體管的源極端與第一晶體管的漏極端串聯(lián)，以及，第二晶體管的漏極端輸出一放大信號；及動態(tài)偏壓電路，具有二輸入端，一輸入端接收輸入信號，另一輸入端耦合接至第一晶體管的漏極端，及具有輸出端以耦接至第二晶體管的柵極端，藉以調(diào)制第一晶體管的漏極端的電壓。
文檔編號H03F3/45GK101610069SQ20081012884
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權日2008年6月20日
發(fā)明者王柏之 申請人:瑞昱半導體股份有限公司