低功率之放大器探討

不管是哪種架構的接收機，低雜訊放大器通常都是功率消耗最大 的一部份，如何能降低電流使增益跟雜訊都在可接受的範圍內，是本 節最大重點。低功耗相關的技術大致分成兩類：(1)低電壓、(2)低電 流、(3)電流共用，以下將分別這三類技術做探討。

2.3.1 低電流操作

低電流操作，可以藉由將電路偏壓在次臨界導通(subthreshold)區 域來達成。次臨界導通偏壓已經是個標準的低功率設計技術，被廣泛 的應用於類比電路的設計。和一般偏壓在強反轉區相比，將 MOSFET 偏壓在次臨界導通主要的優點，可以大幅增加轉導對偏壓電流比。次 臨界導通運作也已經實現在供應電壓低於電晶體臨界電壓的超低功 率數位電路。

操作在弱反轉區(weak inversion region)NMOS 電晶體的汲極電流

ID可以近似成

1 exp ^DS exp ^{GS t off}

D SO

t t

V V V I I v

V nV

    − − 

=  − − •  

   

  (2.8) 在此 Voff是偏移電壓，I_SO正比於 W/L，k 是波資曼常數，T 是溫 度(K)，q 是電子的電荷量。若不考慮 VDS的影響，電晶體的轉導如下

D

m

g I

nkT q

= 

 

 

(2.9)

因為次臨界導通的 MOS 電晶體其元件特性類似雙極性(bipolar) 元件。雖然g_m /I_D比值高過強反轉區，但因為電流本身不大，所以出 來的轉導也不夠。舉例來說，一個 20µm/0.18µm 的 NMOS 電晶體，

偏壓電流為 3mA 且偏壓在強反轉區，可以提供 9.5mS 的 gm。同樣的

元件，當偏壓在弱反轉區且偏壓電流為 39µA，可提供 0.8mS 的 gm。

(transition frequency)可以用於幾 GHz 內應用。

10^-3 10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10²

1E-3 0.01 0.1 1 10 100 0

20 40 60 80

rds (kΩ) & gm (mS)

Id (mA)

g_m (mS) r_ds (kΩ)

1E-3 0.01 0.1 1 10

0 10 20

rds (kΩ) & gm (mS)

I^d (mA)

g_m (mS) r_ds (kΩ)

圖(2.6) 模擬(a)60µm/0.18µm (b)240µm/0.18µm NMOS 之 gm and rds

應用於放大器部份，低電流所用的架構跟一般無異[3]，並不多做 闡述，在下一章混頻器部份會有相關電路介紹。

2.3.2 低電壓操作

低電壓操作，大致上有折疊(folded)和順向基極偏壓(forward body biasing)這兩大類方式可以實現。

折疊方式藉由多出來的電流路徑，換取更多的電壓空間，是常見 的低壓操作技巧。但是這種作法，常常會需要額外的電流，造成多餘 的功率消耗。

RFin

Lg

Ls

RFout

圖(2.7) 折疊式低雜訊放大器[4]

順向基極偏壓技術是利用改變基板-源極偏壓來降低臨界電壓式 (2.11)，使原本只能操作在弱反轉區的電壓可以進入飽和區，也可以 讓元件雜訊降低。此種作法的缺點在於，會多出額外的一個偏壓，而 且順向基極偏壓可能會使 MOSFET 的源極對基極之接面導通，產生 一個和基極電壓成指數關係的直流電流，導致額外的功率消耗及可能 的閂鎖效應(latch-up)，因此在設計上要多加注意。

^{Vth =Vth0 +}

^γ (

^ϕ

^ϕ

)

RFin

Lg

Ls

Vb

RFout

圖(2.8) 順向基極偏壓之放大器[5]

2.3.3 電流共用

RFin

Lg

Rf

RFin

Vb

Ls

M2

M1 Lc

IDC

IRF

(a) (b)

圖(2.9) 常見電流共用架構[6][7]

圖(2.9)是常見的電流共同(Current Reuse)架構，(a)圖可視為兩級 共源極串接，DC 是走 LC路徑，而高頻則是看到 M2 的閘極(若 LC很 大)所以小信號會看到兩級放大，但因為都是單級放大，其隔離度會 不如一般的疊接放大器。

另一個利用 PMOS 堆疊在 NMOS 上，使等效的轉導變

m mp mn

G =g +g ，可使電流只需原來的一半即可。其電路特性如下：

( )

1 1