专利名称：功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明是有关于功率放大器，尤指具有低噪声指数和增益控制的功率放大器。
背景技术：
功率放大器广泛被使用在射频(RF)传送器或接收器在应用要求电磁式能量传输包括全球移动通信系统(Global System forMobile Communications，GSM)、延伸GSM(Extended GSM，EGSM)、个人通信服务(Personal Communications Service，PCS)、数字式移动电话系统(Digital Cellular System，DCS)、第3代移动电话应用如EDGE(Enhanced Data Rates for GSMEvolution)、码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)、宽频CDMA(Wideband CDMA，WCDMA)、WiFi、超宽频(UltraWideb and，UWB)，微波通信等等。
在射频(Radio Frequency，RF)接收器的实施例中，被接收的信号具有高动态范围。因为基频在固定的电压下动作，在RF接收器内的功率放大器必需具有增益可调性，用以将接收信号的宽动态范围转换成常数。在传送器内，功率放大器接收恒定的输入信号准位，并且提供输出信号准位一个变化的范围。
噪声指数(Noise Figure，NF)是放大器的输出信噪比与输入信噪比的比值。功率放大器最好具有低噪声指数，在设计规格下的频率操作范围内提供品质较佳的信号输出。但是用于达成低噪声指数的大功率放大器增益必须和延长电池寿命的低电力消耗找出一个平衡点。因此需要一种功率放大器，可以在较低电力消耗时用来调整增益，提供对两者更好的控制。
图1显示已知的单端(single ended)叠接功率放大器的电路图，包括输入匹配电路10，偏压电路12，叠接放大器电路14和输出匹配电路16。输入匹配电路10和偏压电路12耦接到叠接放大器电路14，接着耦接到输出匹配电路16。功率放大器1用于芯片系统传送器或接收器，具有低噪声指数(Noise Figure，NF)的特征。
输入匹配电路10和输出匹配电路16分别对输入信号Sin1以及输出信号Sout1执行信号匹配。偏压电路12产生偏压电压Vbias1，用以对叠接放大器电路14提供偏压，使其在操作范围内运作。叠接放大器电路14包括源极退化负载(source degeneration load)Ls，输入MOS晶体管M1，叠接MOS晶体管M2和电感负载Lload。输入MOS晶体管M1以共源极(Common Source，CS)配置连接，从偏压电路12接收偏压电压Vbias1以及从输入匹配电路10接收输入信号Sin1。偏压电压Vbias1对输入MOS晶体管M1施加偏压使得输入MOS晶体管M1维持在饱和范围(saturation range)，因此输入信号Sin1由跨导增益(transconductance gain)G放大而产生漏极电流Id1。叠接MOS晶体管M2以共栅极(Common Gate，CG)配置连接，由电源电压Vdd偏压，在漏极端Nd2产生输出电压信号Sout1，以及在源极端Ns2产生较低的电压改变，减少输入MOS晶体管M1跨栅极-漏极端受到的米勒效应，同时在漏极端Nd2提供高输出阻抗。
由于增益G由输入MOS晶体管M1的元件尺寸固定，功率放大器1不能调整增益G，造成固定的电流Id1和电力消耗。
图2是显示已知可调整增益的叠接功率放大器2的电路图，包括输入匹配电路10，偏压电路12，叠接放大器电路24和输出匹配电路16。输入匹配电路10和偏压电路12耦接到叠接放大器电路24，接着耦接到输出匹配电路16。
输入匹配电路10，偏压电路12和输出匹配电路16与功率放大器1里对应的电路相同。叠接放大器电路24包括源极退化负载Ls，输入MOS晶体管M1，叠接MOS晶体管M2，电感负载Lload，晶体管M3和电阻R1。晶体管M3耦接到电阻R1，形成另一条电流路径，使得通过晶体管M3的第三漏极电流Id3以及通过叠接MOS晶体管M2的漏极电流Id2结合而形成通过输入MOS晶体管M1的第一漏极电流Id1。当增益控制信号Sg增加，晶体管M3逐渐打开，使得较高的第三漏极电流Id3通过晶体管M3以及较少第二漏极电流Id2通过叠接MOS晶体管M2，借此减少建立在漏极端Nd2的输出电压信号Sout1。
虽然功率放大器2能够调整增益G，但是第三漏极电流(额外电流)Id3只是重新分配到晶体管M3和电阻R1，所以和功率放大器1比较，功率放大器2的功率消耗没有减少。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种功率放大器，放大一输入信号用以产生一输出信号，包括一叠接单元(cascode unit)以及一偏压电路。该叠接单元包括一叠接阶段、一第一输入阶段以及一第二输入阶段。该叠接阶段产生上述输出信号。该第一输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第一信号输入用以提供第一放大器增益。该第二输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第二信号输入用以提供第二放大器增益。该偏压电路，耦接到上述第一和第二输入阶段，包括一第一开关和一第二开关。该第一开关，耦接到上述第一输入阶段，切换到一偏压电压用以致能上述第一输入阶段。该第二开关，耦接到上述第二输入阶段，切换到上述偏压电压用以致能上述第二输入阶段。
本发明所述的功率放大器可以使用于RF电路接收器，提供低噪声指数、增益可调性和低电力消耗，同时保存输入阻抗匹配的能力。
图1显示已知的单端(single ended)叠接功率放大器的电路图。
图2是显示已知可调整增益的叠接功率放大器的电路图。
图3显示本发明实施例中功率放大器的电路图。
图4显示本发明实施例中在输入端频率对反射系数S11的关系图。
图5显示本发明实施例中在输入端频率对增益S21的关系图。
图6显示本发明实施例中在输入端频率对噪声指数(NF)的关系图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
在此必须说明的是，于下揭露内容中所提出的不同实施例或范例，是用以说明本发明所揭示的不同技术特征，其所描述的特定范例或排列是用以简化本发明，然非用以限定本发明。此外，在不同实施例或范例中可能重复使用相同的参考数字与符号，此等重复使用的参考数字与符号是用以说明本发明所揭示的内容，而非用以表示不同实施例或范例间的关系。
范围可以包括，但是放大作用不限制于为第2代和第3代移动电话应用的功率放大。第2代移动电话应用包括GSM，EGSM、PCS、DCS，第3代移动电话应用包括EDGE，CDMA、WCDMA，WiFi、UWB，及其相似应用。
图3显示本发明实施例中功率放大器的电路图，包括输入匹配电路10，偏压电路32，叠接放大器电路34，输出匹配电路16和补偿电路38。输入匹配电路10和偏压电路32耦接到叠接放大器电路34和补偿电路38，接着耦接到输出匹配电路16。
输入匹配电路10匹配以及传送输入信号Sin到叠接放大器电路34的输入阶段。输入信号Sin可以是在传输之前执行功率放大的射频(Radio Frequency，RF)信号。
叠接放大器电路34包括偏压负载340、叠接阶段342、第一输入阶段344、第二输入阶段345、第三输入阶段346和源极退化电感348。偏压负载340耦接到叠接阶段342，叠接阶段342和第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346叠接，然后耦接到源极退化电感348。
偏压负载340可以是电感性(inductive)元件。源极退化电感348耦接到第一输入阶段344、第二输入阶段345、第三输入阶段346和地极(ground)之间，将第一信号、第二信号和第三信号输入的电容性电抗移除，恢复只有电阻的状态。
在实施例中，第一输入阶段344、第二输入阶段345、第三输入阶段346是共源极(common-source)组态的MOSFET晶体管，而叠接阶段342是共栅极(common-gate)组态MOSFET晶体管。第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346与叠接阶段342叠接。各个输入阶段也可以包括不同的晶体管元件尺寸和晶体管数量，用以产生的不同放大器增益。输入信号Sin在相对应的信号输入对第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346施加偏压，使用跨导增益G1、G2和G3转换栅极-源极电压到相对应的漏极电流Id1’、Id2’和Id3’。在实施例中，G1是10dB，G2是2dB，G3是-7dB。由适当的偏压选择第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346中的一组或其组合，产生功率放大器3的整体增益GPA。因为减少增益GPA导致减少通过晶体管的漏极电流，所以功率放大器3的电力消耗相对应地被减少。在其它实施例中，功率放大器3采取BJT技术，并且第一输入阶段344、第二输入阶段345、第三输入阶段346是在同发射极(CommonEmitter，CE)配置，以及第一输入阶段344、第二输入阶段345、第三输入阶段346和同基极(Common Base，CB)的叠接阶段342叠接。同样地，增益控制由偏压第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346中的一组或其组合来产生，获得所需要的增益GPA以及降低功率。在实施例中，输入信号Sin是差动信号对，并且叠接阶段342，第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346是接受差动信号对的差动晶体管对。叠接阶段342根据漏极电流Idc在点Ndc建立输出信号Sout，输出匹配电路16接着为数据传输或进一步处理对输出信号Sout执行匹配以及传送程序。
补偿电路38包括第一补偿电容380和第二补偿电容382。第一补偿电容380耦接到偏压电路32、第一输入阶段344和第二输入阶段345。第二补偿电容382耦接偏压电路32、第一输入阶段344和第三输入阶段346。因为晶体管信号输入终端对于开启和关闭状态有不同的输入阻抗特征，所以运用补偿电容被对输入阻抗的改变作补偿，输入阻抗会因为偏压不同的第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346的晶体管而改变。例如，在一个功率放大器内只有第一输入阶段344和第二输入阶段345和叠接阶段342形成叠接，第一输入阶段344可以包括22个平行的MOSFET晶体管，第二输入阶段345可以包括11个平行的MOSFET晶体管，偏压第一输入阶段344形成22个开启MOSFET晶体管的输入阻抗和11个关闭MOSFET晶体管的输入阻抗，偏压第二输入阶段345形成11个开启MOSFET晶体管的输入阻抗和22个关闭MOSFET晶体管的输入阻抗，因而需要补偿其中输入阻抗的电容变化。第一补偿电容380补偿第一输入阶段344和第二输入阶段345之间输入阻抗的差别。第二补偿电容382补偿第一输入阶段344和第三输入阶段346之间输入阻抗的差别。第一补偿电容380和第二补偿电容382也可以由MOSFET晶体管实现。
偏压电路32包括偏压电阻Rbias、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第一补偿开关SC1和第二补偿开关SC2。第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3选择第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346的偏压状态。第一补偿开关SC1和第二补偿开关SC2控制第一输入阶段344、第二输入阶段345和第三输入阶段346的输入阻抗补偿。
参考图3，第一开关S1切换到偏压电压Vbias致能第一输入阶段344，切换到地极则失能第一输入阶段344。在致能状态时，偏压电压Vbias通过偏压电阻Rbias对第一输入阶段344偏压用以产生第一增益G1。在失能状态时，第一输入阶段344连接到地面并且被关闭，借此减少电力消耗。同样地，第二开关S2和第三开关S3利用切换到偏压电压Vbias或地极控制第二输入阶段345和第三输入阶段346。功率放大器3由第一开关S1，第二开关S2和第三开关S3调整输出增益G，连接所需的输入阶段到偏压电压Vbias来提供增益G，以及连接不需要的阶段到地面来减少电力消耗。
第一补偿开关SC1耦接到第二输入阶段345和第一补偿电容380，当第二开关S2关闭使第二输入阶段345致能时，第一补偿开关Sc1连接第二输入阶段345和第一补偿电容380，借此提供输入阻抗补偿。第二补偿开关SC2同样地连接第三输入阶段346和第二补偿电容382，当第三开关S3关闭使第三输入阶段346致能时，第二补偿开关SC2连接第二补偿电容382和第三输入阶段346，借此提供输入阻抗补偿。
图4显示本发明实施例中在输入端频率对反射系数S11的关系图，使用图3的功率放大器，包括高增益曲线40，中增益曲线42和低增益曲线44。高增益曲线40对应到开启第一输入阶段344，同时关闭第二输入阶段345和第三输入阶段346。同样地，中增益曲线42对应到只开启第二输入阶段345，并且低增益曲线44对应只开启第三输入阶段346。高增益曲线40、中增益曲线42和低增益曲线44在观察的频谱范围显示低反射系数被集中在1.9GHz，显示良好输入匹配。
图5显示本发明实施例中在输入端频率对增益S21(Gain)的关系图，使用图3的功率放大器，包括高增益曲线50，中增益曲线52和低增益曲线54。高增益曲线50对应到只对第一输入阶段344施加偏压，中增益曲线52对应到第二输入阶段345，并且低增益曲线54对应到第三输入阶段346。高增益曲线50，中增益曲线52和低增益曲线54显示光谱中1.8GHz到2GHz之间具有恒定的增益，高增益曲线50产生10dB增益、中等增益曲线52产生2dB增益和低增益曲线54产生-7dB增益。
图6显示本发明实施例中在输入端频率对噪声指数(NF)的关系图，使用图3的功率放大器，包括高增益曲线60，中增益曲线62和低增益曲线64。高增益曲线60对应到只对第一输入阶段344进行偏压，中增益曲线62对应于第二输入阶段345，并且低增益曲线64对应于第三输入阶段346。高增益曲线60显示3DB噪声指数，中增益曲线62显示8DB噪声指数，并且低增益曲线64显示12DB噪声指数。
本发明实施例中的功率放大器可以使用于RF电路接收器，提供低噪声指数、增益可调性和低电力消耗，同时保存输入阻抗匹配的能力。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下10输入匹配电路32偏压电路34叠接放大器电路38补偿电路16输出匹配电路
权利要求
1.一种功率放大器，其特征在于，该功率放大器放大一输入信号用以产生一输出信号，包括一叠接单元，包括一叠接阶段，产生上述输出信号；一第一输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第一信号输入用以提供第一放大器增益；以及一第二输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第二信号输入用以提供第二放大器增益；以及一偏压电路，耦接到上述第一输入阶段和第二输入阶段，包括一第一开关，耦接到上述第一输入阶段，切换到一偏压电压用以致能上述第一输入阶段；以及一第二开关，耦接到上述第二输入阶段，切换到上述偏压电压用以致能上述第二输入阶段。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述叠接单元包括一源极退化电感，耦接到上述第一输入阶段。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述第一开关和第二开关一次只有一个会切换到上述偏压电压。
4.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述第一开关和第二开关都会切换到上述偏压电压。
5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述第一开关更切换到地极用以失能上述第一输入阶段，以及上述第二开关更切换到地极用以失能上述第二输入阶段。
6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，更包括一第一补偿电容，耦接到上述第一输入阶段和上述偏压电路，补偿上述第二输入阶段的输入阻抗；以及其中上述偏压电路更包括一第一补偿开关，耦接到上述第一补偿电容和上述第二输入阶段，当接通时连接上述第一补偿电容到上述第二信号输入。
7.根据权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，更包括一第二补偿电容，耦接到上述叠接单元和上述偏压电路；其中上述叠接单元更包括一第三输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第三信号输入用以提供第三放大器增益；以及上述偏压电路更包括一第三开关，耦接到上述第三输入阶段，切换到上述偏压电压用以致能上述第三输入阶段；以及第二补偿开关，耦接到上述第二补偿电容和上述第三输入阶段，当接通时连接上述第二补偿电容到上述第三信号输入。
8.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述第一输入阶段和第二输入阶段是共源极组态的MOSFET晶体管，以及上述叠接阶段是共栅极组态的MOSFET晶体管。
9.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述第一输入阶段和第二输入阶段是共射极组态的BJT晶体管，以及上述叠接阶段是共基极组态的BJT晶体管。
10.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，上述输入信号包括一差动信号对，以及上述叠接阶段、第一输入阶段和第二输入阶段是差动晶体管对，接收上述差动信号对。
全文摘要
本发明提供一种功率放大器。上述功率放大器放大一输入信号用以产生一输出信号，包括一叠接单元以及一偏压电路。该叠接单元包括一叠接阶段、一第一输入阶段以及一第二输入阶段。该叠接阶段产生上述输出信号。该第一输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第一信号输入用以提供第一放大器增益。该第二输入阶段和上述叠接阶段形成叠接，具有用来偏压的第二信号输入用以提供第二放大器增益。该偏压电路，耦接到上述第一和第二输入阶段，包括一第一开关和一第二开关。该第一开关，耦接到上述第一输入阶段，切换到一偏压电压用以致能上述第一输入阶段。该第二开关，耦接到上述第二输入阶段，切换到上述偏压电压用以致能上述第二输入阶段。
文档编号H03F3/20GK101022266SQ20061017035
公开日2007年8月22日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年9月28日
发明者蔡明霖 申请人:威盛电子股份有限公司