功率放大器、功率放大电路、及放大方法.pdf

一种功率放大器、功率放大电路、及放大方法。该功率放大器，包括：第一晶体管，配置成从栅极端接收要放大的射频输入信号；第二晶体管，配置成与第一晶体管相串迭(cascode)，第二晶体管的源极端与第一晶体管的漏极端串联，以及，第二晶体管的漏极端输出一放大信号；及动态偏压电路，具有二输入端，一输入端接收输入信号，另一输入端耦合接至第一晶体管的漏极端，及具有输出端以耦接至第二晶体管的栅极端，藉以调制第一晶体管的漏极端的电压。

1.  一种功率放大电路，包含：
一功率放大器，用以接收一输入信号以及一偏压信号，并用以依据该输入信号以产生一放大信号；以及
一偏压调整单元，耦接于该功率放大器，用以接收该输入信号，并依据该输入信号以产生该偏压信号。

2.  如权利要求1所述的功率放大电路，其中该偏压调整单元包含：
一包络检测器，用以接受该输入信号，并据以输出该输入信号的一包络；以及
一差动放大器，用以接受该包络及该功率放大器上的一节点的电压，且据以输出一差动放大信号；
其中，该差动放大信号被用以作为该偏压信号。

3.  如权利要求1所述的功率放大电路，其中该偏压调整单元包含：
一差动放大器，用以接受与该输入信号相对应的一估计信号及该功率放大器的一节点的电压，且据以输出一差动放大信号；
其中，该差动放大信号被用以作为该偏压信号。

4.  如权利要求2所述的功率放大电路，还包含有：
一衰减器，耦接在该节点与该偏压调整单元间，用以对该节点上的电压进行衰减。

5.  如权利要求3所述的功率放大电路，还包含有：
一衰减器，耦接在该节点与该偏压调整单元间，用以对该节点上的电压进行衰减。

6.  如权利要求2所述的功率放大电路，其中该功率放大器包含：
一第一晶体管，包含有一第一端及一第二端，该第一端用以接收该输入信号；以及
一第二晶体管，与该第一晶体管串联耦接于该第二端，用以接收该偏压信号，并用以输出该放大信号；
其中，该第二端即为该节点。

7.  如权利要求3所述的功率放大电路，其中该功率放大器包含：
一第一晶体管，包含有一第一端及一第二端，该第一端用以接收该输入信号；以及
一第二晶体管，与该第一晶体管串联耦接于该第二端，用以接收该偏压信号，并用以输出该放大信号；
其中，该第二端即为该节点。

8.  如权利要求1所述的功率放大电路，其中该第一晶体管为金属氧化物场效应晶体管或互补式金属氧化物场效应晶体管。

9.  一种放大方法，该方法包含：
依据一输入信号用以输出一偏压信号，其中，该偏压信号相对应于该输入信号；
提供一功率放大器，用以接收该输入信号以及该偏压信号，并依据该输入信号以产生一放大信号。

10.  如权利要求9所述的方法，其中输出该偏压信号的该步骤包含：
检测该输入信号以得到该输入信号的一包络；以及
依据该包络及该功率放大器中的一节点的电压来输出该偏压信号。

11.  如权利要求10所述的方法，其中输出该偏压信号的该步骤包含：
对该功率放大器中的该节点的电压进行衰减。

12.  如权利要求9所述的方法，其中输出该压信号的该步骤包含：
检测该输入信号以得到与该输入信号相对应的一估计信号；以及
依据该估计信号及该功率放大器中的一节点的电压来输出该偏压信号。

13.  如权利要求12所述的方法，其中输出该压信号的该步骤包含：
对该功率放大器中的该节点的电压进行衰减。

功率放大器、功率放大电路、及放大方法
技术领域
本发明涉及功率放大器，特别关于通过调整偏压以降低晶体管跨压电压的功率放大器、功率放大电路、及放大方法。
背景技术
在无线通信装置中，使用各种不同的功率放大器以放大要传输的信号。在这些功率放大器中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)放大电路由于具有低成本及高集成度等特性而经常被用于通信装置中以放大信号。
但是，在作为射频输入信号的放大器时，由于FET的偏压电压保持在高电压及输入的射频信号的大峰值功率，故晶体管产生热载子效应、氧化层崩溃等伤害而致使其寿命缩短。随着半导体制程的进步，晶体管愈作愈小，通道愈来愈短，而使得这些效应愈加明显。为了改进这些缺点，T.Sowalti及D.Leenaerts等于2002年2月发行的ISSCC Dig.Tech.Papers(294至295页)的「A 2.4GHz 0.18μm CMOS Self-Biased Cascode Power Amplifier with23dBm Output Power」一文中，提出二颗晶体管串迭(cascode)的功率放大器。图5显示此种二颗MOSFET 202及204串迭(cascode)的功率放大器200。一般而言，MOSFET 204作为共栅极的晶体管以作为放大信号的输出端且在输入信号为大功率时承受高电压跨压V_ds(漏极对源极)，其栅极(V_G2)一般接受3.3V的直流偏压。MOSFET 202作为共源极晶体管，其栅极端接受直流偏压V_D(图未示)及射频输入信号v_rf。由于有二颗晶体管，所以，可以降低输入信号的峰值电压对晶体管的损害。然而，随着半导体制程的微小化，MOSFET的耐压性亦随之降低。举例而言，根据65nm制程制造的MOSFET所能耐受的漏极与源极间的跨压约为1.2伏特。而根据先前技术的功率放大器200，会在MOSFET 202中产生高达6伏特的漏极对源极跨压。因此，功率放大器中例如MOSFET 202等晶体管容易因高跨压电压而受损，因而降低寿命及可靠度。
另外，在美国专利号6784740中，揭示使用反馈技术的功率放大器。在此专利文献中，提供了如图6所示的功率放大器，其为一反馈电路与如图5的电路相结合而成。反馈电路330的正输入端接收RF输入信号，而负输入端连接至输出端Out，反馈电路330的输出端连接至场效应晶体管310的栅极端，藉以调整其偏压电压，以降低小功率输入信号时的电路功耗及改良大功率输入信号时的线性度。然而，此先前技术未考虑漏极对源极的高跨压电压对作为共源极的晶体管的伤害，也无法对其提供保护作用。
因此，需要具有可以有效降低共源极的晶体管的漏极-源极跨压电压的功率放大器，以增进功率放大器的可靠度及其使用寿命。
发明内容
虑及上述，本发明的目的是提供具有动态偏压电路的功率放大器，所述动态偏压电路通过使功率放大器中共源极的晶体管跨压随着输入信号而动态地调整并有效地降低。
根据本发明的一个方面，功率放大器包括：第一晶体管，配置成栅极端接收输入信号；第二晶体管，配置成与第一晶体管相串迭(cascode)，第二晶体管的源极端与第一晶体管的漏极端串联，以及，第二晶体管的漏极端输出一放大信号；及动态偏压电路，具有二输入端，一输入端接收该输入信号，另一输入端耦接至第一晶体管的漏极端，及具有输出端以耦接至第二晶体管的栅极端，藉以调制第一晶体管的该漏极端的电压。
根据本发明的又一个方面，提供一种功率放大电路，包含：一功率放大器，用以接收一输入信号以及一偏压信号，并用以依据该输入信号以产生一放大信号；以及一偏压调整单元，耦接于该功率放大器，用以接收该输入信号，并依据该输入信号以产生该偏压信号。
根据本发明的又一个方面，提供一种放大方法，包含：依据一输入信号用以输出一偏压信号，其中，该偏压信号相对应于该输入信号；以及，提供一功率放大器，用以接收该输入信号以及该偏压信号，并依据该输入信号以产生一放大信号。
根据本发明，动态偏压电路包含包络检测器，用于接收输入信号并产生输入信号的包络，又可包含差动放大器以接收输入信号的包络及第一晶体管的漏极端电压而输出一调整信号，又可进一步包含衰减器以衰减自第一晶体管输入的漏极电压。
根据本发明，该第一晶体管及第二晶体管为金属氧化物场效应晶体管，或互补式金属氧化物场效应晶体管(CMOSFET)，较佳地为小于65nm制程所制造的MOSFET或CMOSFET。
根据本发明，功率放大器中的共源极的晶体管的漏极电压可视输入信号而动态地调整，藉以降低漏极对源极的电压，因而增进晶体管的可靠度及寿命。
从下述配合附图的本发明的实施例说明中，当可更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的效果。
附图说明
图1根据本发明的实施例的功率放大器的电路图；
图2根据本发明的另一实施例的功率放大器的电路图；
图3A及3B分别显示根据本发明的实施例及先前技术的功率放大器中共源极的V_d量测图；
图4显示根据本发明的实施例与先前技术的功率放大器中共源极的最大跨压相对于输出功率的量测量；
图5显示先前技术的串迭(cascode)式功率放大器的电路图；及
图6显示先前技术的具有反馈控制的串迭(cascode)式功率放大器的电路图。
【主要元件符号说明】
100，100A  功率放大器
101，201电阻
102，104，202，204，305，310晶体管
106偏压电路
1061包络检测器
1062放大器
330反馈电路
340衰减器
335，345峰值检测器
具体实施方式
如同先前技术一节所述，先前技术的串迭(cascode)式功率放大器中，作为共源极的晶体管的漏极对源极的跨压，会因输入的射频信号的振幅摆荡变化而承受大的漏极对源极的跨压，因而使工作寿命缩短。
因此，根据本发明，将通过设置动态偏压电路，以使功率放大器中作为共源极的晶体管的漏极电压随着输入的RF信号的振幅动态地改变，并在平均输入功率下，漏极对源极的跨压电压降低。
接着，请参考附图，其将具体说明根据本发明的功率放大器的实施例。
图1根据本发明的功率放大器100的实施例。如图所示，功率放大器100包含晶体管102、104和偏压电路106。晶体管102及104以串迭(cascode)方式配置。晶体管102作为功率放大器100的共源极，而晶体管104作为功率放大器100的共栅极。在一实施例中，晶体管102及104可为MOSFET或CMOSFET。晶体管104的漏极端经由电阻101连接至电源V_DD，且此漏极端作为功率大器100的输出端Out。
偏压电路106的正输入端接收包络V_dy，而负输入端连接至晶体管102与104相连接的节点103。节点103处的电压为晶体管102的漏极电压V_d。偏压电路106的输出连接至晶体管104的栅极端。
在另一实施例功率放大器100A中，如图2所示，偏压电路106还包含有包络(envelope)检测器1061及放大器1062。包络检测器1061接收射频输入信号v_rf，并产生该射频输入信号v_rf的包络V_dy，由于输入的射频信号v_rf具有变化的振幅，而包络V_dy通过包络检测器1061检测射频信号v_rf的振幅峰值来取得的。
然而，此包络亦可以一与射频输入信号v_rf相对应的信号来取代，如此，即可省略掉该包络检测器1061。
在操作时，当晶体管102的栅极105接收输入信号而操作时，其漏极端103的电压V_d会因放大器1062的操作，而跟随包络V_dy动态地改变。对于本实施例所产生的显著效果，将在下面参考图3A及3B的V_d量测图以进一步说明。
图3A显示根据本发明的实施例的功率放大器100的V_d量测图，图3B系显示先前技术的功率放大器200中的V_d量测图
图3A中，曲线C₁代表漏极端103的漏极电压V_d的变化，而曲线C₂代表包络V_dy。由图3A中可知，V_d的电压值仅在V_dy的输入值为对对应于大功率时才会明显大于一参考的V_fix值，在其它情形下显著低于V_fix值。图3B中，曲线C₁则代表漏极端203的漏极电压V_d的变化。由图3B中可知，V_d的电压值均明显大于V_fix值。从图3的说明，将可更清楚了解本实施例与先前技术在V_d值变化上的显著差异。
图4显示根据本发明的实施例与先前技术的功率放大器中共源极的最大跨压相对于输出功率的量测图。在图4中，纵轴代表漏极与源极的最大跨压V_ds，此处，由于源极接地，所以，V_ds为V_d的最大电压V_d，max，横轴代表输入功率(P_out)，曲线I代表根据本发明的实施例的功率发大器100中共源极(对应于晶体管102)的漏极与源极的最大跨压电压与输出功率的相对关系，而曲线(II)代表先前技术的共源极(对应于晶体管202)的漏极与源极的最大跨压电压与输出功率的相对关系。从图4中曲线I及II，明显可知，在相同的输出功率下，根据本发明的实施例所产生的最大跨压电压V_ds明显低于先前技术的跨压电压。因此，根据本发明的功率放大器可以显著地降低平均功率下的最大跨压电压V_ds，举例而言，曲线I的V_d，max的最小值约为0.7V，而最大值约为2.0V，而曲线II的V_d，max的最小值约为1.4V，而最大值约为2.0V。
根据本发明，通过设置动态偏压电路，可使得功率放大器中共源极的晶体管的漏极电压随着RF输入信号而动态地调整，藉以降低漏极对源极的跨压电压，且不超过正常操作电压，如此，则能增加晶体管的寿命，并因而增加功率放大器的使用寿命及可靠度。
虽然在上述说明中，以实施例来说明本发明，但是，本发明不限于所揭示的特定细节。举例而言，可在偏压电路106的一输入端与晶体管102的漏极端之间设置衰减器，以衰减漏极端输入的电压，此外，亦可将衰减器直接设置在偏压电路106中。鉴于此，在不偏离本发明的精神及所附权利要求书及其均等范围之下，本领域技术人员可以产生不同的变化、修改、替代等等，皆属本发明所涵盖保护的范围。