功率放大器制造技术

一种功率放大器，可动态调整栅极偏压，以适应性偏压（ａｄａｐｔｉｖｅ　ｂｉａｓ）提升功率放大器的效率。该功率放大器，包括放大器、信号耦合器、功率检测电路以及偏压控制电路。信号耦合器连接至放大器的输入端。功率检测电路连接至信号耦合器，以通过信号耦合器检测放大器的输入功率。偏压控制电路连接至功率检测电路的输出端与放大器的输入端。依据功率检测电路的检测结果，偏压控制电路对应改变放大器的栅极偏压。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及一种放大电路，且特别涉及一种可动态调整栅极偏压的功率放大器。
技术介绍
诸如互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)与SiGe等硅工艺技术已经广泛且成功的使用于无线通信电子电路的设计。硅工艺技 术的优势除了成本与尺寸的考量，另一个重要的特性就是可以在相同的工艺上整合各种数 字与模拟电路，进而实现系统单芯片(system-on-chip，SoC)的目标。然而，对大部分的通 信系统来说，为了达到严格的元件规格，目前射频(radio frequency, RF)电路除了射频收 发机是以CMOS工艺来实现，射频前端(front end RF circuit)的关键元件(如功率放大 器与收发切换器)还是以成本较高但是特性较佳的砷化镓(GaAs)工艺来设计，其主要原因 为硅基板的损耗(loss)较大。硅工艺的传统功率放大器与传统砷化镓工艺的功率放大器相较，其劣势包括较低 的击穿电压(breakdown voltage)与高损耗的基板，以及没有贯孔接地(backside via)结 构。较低的击穿电压意味着传统功率放大器必须规划较低的漏极偏压与较低的输出端交流 电压，这使得功率放大器的最佳输出端阻抗大为降低。正因如此，实现输出端的阻抗匹配时 伴随着较大的损耗，特别是在硅工艺损耗较高的基板上。因此，以硅工艺实现的传统功率放 大器效率较差，而未能输出的能量将成为热能而累积在基板中。累积的热将进一步影响传 统功率放大器特性，如增益(gain)、输出功率...等等。此外，在CMOS工艺中未提供贯孔接地(backside via)结构，使得共源极(common source)架构的放大器的信号接地，必须利用打线(bond wire)连接至芯片外的封装或印 刷电路板上，这将拉长信号接地路径，寄生的电感效应将会严重的影响功率放大器效率。为 了解决上述问题，传统的方式为在电路中增加直流电源转换器(DC to DC converter)或由 系统端提供一参考电源(reference voltage) 0然而，两者电路架构均较为复杂，不利单芯 片实践。
技术实现思路
本公开提供一种功率放大器，可以依据输入功率而动态调整功率放大器的栅极偏 压，以适应性偏压(adaptive bias)提升功率放大器的效率。本公开实施例提出一种功率放大器，包括放大器、信号耦合器、功率检测电路 (power detector)以及偏压控制电路(bias control circuit)。信号耦合器连接至放大 器的输入端。功率检测电路连接至信号耦合器，以通过信号耦合器检测放大器的输入功率。 偏压控制电路连接至功率检测电路的输出端与放大器的栅极。依据功率检测电路的检测结 果，偏压控制电路对应改变放大器的栅极偏压。基于上述，本公开实施例利用功率检测电路检测放大器的输入功率，然后偏压 控制电路依据放大器的输入功率而对应调整放大器输入端的直流偏压，以提升功率放大器的效率。另外，依照当以A类方式(class A manner)偏压放大器时场效应晶体管 (field-effect transistor,FET)的漏极电流与温度为反比的特性，在操作温度上升时，功 率放大器的静电流(quiescent current)会对应减小。此特性造成增益(gain)的降低与 线性度的劣化。通过当栅极偏压接近临界电压(threshold voltage)时利用场效应晶体管 的漏极电流与温度为正相关的特性，高温操作时放大器增益的降低可以被补偿。因此，本公 开实施例所公开的功率放大器兼具温度补偿与线性度提升的优点。为让本专利技术的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详 细说明如下。附图说明图1是依照本公开实施例说明一种功率放大器的功能模块示意图。图2是说明图1所示功率放大器的其中一种实现范例示意图。图3是依据本公开实施例说明图2所示功率放大器中，晶体管Ml的漏极电流IDl 在不同栅极偏压VGS及不同温度下的变化。图4为图3在正温度系数区域的局部放大图。主要元件符号说明100 放大器101:功率检测电路102 偏压控制电路103:信号耦合器210、220 扼流电感230J40 阻抗匹配单元Cl C4 电容 C4Li:电感Ml M3:晶体管Rl R3:电阻具体实施例方式本专利技术所属
的技术人员的通常认知，传统功率放大器的直流偏压是固定 的。当传统功率放大器操作时，其偏压固定使得直流功率消耗为定值，故当传统放大器操作 在低功率区时，效率将大幅衰减。也就是说，大部分的直流电能将转为热能进而提高操作温 度。高操作温度将影响功率放大器的特性。为了改善低功率区效率不彰的缺点，传统的解 决对策是将放大器的直流偏压固定设计于低偏压值。此传统方法能有效降低放大器的直流 功率消耗而提高效率，然而当操作在高功率区时，低直流偏压将降低放大器的线性度，图1是依照本公开实施例说明一种功率放大器的功能模块示意图。此功率放大器 包括放大器100、功率检测电路101、偏压控制电路102以及信号耦合器103。信号耦合器 103连接于放大器100的输入端与功率检测电路101的检测端之间。信号耦合器103阻挡 放大器100输入端信号Sl的直流成分，然后将信号Sl的交流成分传送到功率检测电路101 的检测端。功率检测电路101的检测端通过信号耦合器103检测放大器100的输入功率，然 后将检测结果S2传送给偏压控制电路102。偏压控制电路102连接至功率检测电路101的 输出端与放大器100的输入端。依据功率检测电路101的检测结果S2，偏压控制电路102 对应地输出直流偏压以改变放大器100的栅极偏压。如果放大器100的输入功率上升，则 偏压控制电路102对应增加放大器100的栅极偏压。如果放大器100的输入功率下降，则 偏压控制电路102减少放大器100的栅极偏压。相较于传统技术的固定直流偏压，本公开 实施例中放大器100的直流偏压由于可以依据输入功率的大小而动态改变，因此本实施例 的功率放大器能兼顾操作于低功率时的效率与操作于高功率时的线性度。—般而言，当操作温度上升时，放大器100的增益会对应降低。在本实施例中，功 率检测电路101更可以检测操作温度。如果操作温度上升，则功率检测电路101对应调整 检测结果S2，使偏压控制电路102对应增加放大器100输入端的直流偏压。如果操作温度 下降，则功率检测电路101对应调整检测结果S2，使偏压控制电路102对应减少放大器100 输入端的直流偏压。因此，本实施例可以补偿高温操作时放大器增益降低的缺点。图2是说明图1所示功率放大器的其中一种实现范例示意图。图2所绘示输入阻 抗匹配单元230、直流阻挡电容C3、射频扼流电感220、直流阻挡电容C4以及输出阻抗匹配 单元240是视设计需求而选择性配置的。输入阻抗匹配单元230通过电容C3连接至放大 器100的输入端。输出阻抗匹配单元240通过电容C4连接至放大器100的输出端。扼流 电感220连接于放大器100的输出端。请参照图2，信号耦合器103包括第一电容Cl。第一电容Cl的第一端与第二端分 别连接至放大器100的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率放大器，其特征在于该功率放大器包括：放大器；信号耦合器，连接至该放大器的输入端；功率检测电路，连接至该信号耦合器，检测该放大器的输入功率；以及偏压控制电路，连接至该功率检测电路的输出端与该放大器的栅极，依据该功率检测电路的检测结果对应改变该放大器的栅极偏压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张德成，许佑诚，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]