CN100527604C - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种功率放大器和其方法。该功率放大器放大输入信号，包括功率放大器电路、偏压电路、以及补偿电路。该功率放大器电路具有反应上述输入信号的输入阻抗，以及放大上述输入信号用以产生输出信号。该偏压电路耦接到上述功率放大器电路，产生直流偏压信号到上述功率放大器电路，使得上述功率放大器电路放大上述输入信号。该补偿电路耦接到上述功率放大器电路，用以提供反应上述输入信号的补偿阻抗，使得不论上述输入信号为何，上述输入阻抗和上述补偿阻抗的总和大致固定。

Description

功率放大器
技术领域
本发明是有关于功率放大器，特别是有关于功率放大器和其功率放大方法。
背景技术
在数据传输之前，功率放大器利用传送器的增益来放大输入信号。如果放大器的输出和输入相差大致固定的增益，则功率放大器被认定为线性(linear)的。增益是输出信号对输入信号的比值。因为可以避免输出信号的扭曲(distortion)，线性功率放大器在射频系统中有广泛的应用。
功率放大器的非线性是由其非线性的互导(transconductance)(每个输入电压改变所产生输出电流增益)、非线性输入容抗(capacitance)、和非线性输出电阻(resistance)所引起。功率放大器的非线性互导可以由控制输出功率的操作范围于满意的增益范围之内而解决，增益范围称为P1dB点。非线性输出电阻由提高输出电阻解决。非线性输入容抗经功率放大晶体管的输入容抗影响而增加，因此为输入信号的函数，功率放大晶体管在功率放大器之内。在MOS晶体管的例子中，栅极-源极的容抗和栅极电压一起改变。在BJT晶体管的技术中，基极-射极的容抗和基极电压一起改变。
功率效率是功率放大器的另一个重要测量数值，因为在功率放大期间会消耗电流和功率。在无线移动的应用中，功率放大器的功率效率对于决定无线移动装置的电池可用时间极为重要。
功率放大器电路在功率输出时可以在广泛范围内维持固定效率的能力称为功率回退(backoff)范围。当电源少时，功率回退范围内的功率放大器效率的减低会产生问题，因此无线或卫星通讯装置的功率放大器通常需要高功率效率以及较广的功率回退范围。
有鉴于此，需要一种线性以及具有高效率的功率放大器。
发明内容
本发明提出一种功率放大器，用以放大输入信号，包括功率放大器电路、以及偏压和补偿电路。该功率放大器电路具有反应上述输入信号的输入阻抗，其包含第一种类的第一晶体管，用以放大上述输入信号。该偏压和补偿电路具有第二种类的第二晶体管，耦接到上述第一晶体管，产生直流偏压信号到上述功率放大器电路，使得上述功率放大器电路放大上述输入信号，上述第二晶体管具有一补偿阻抗，其用以补偿上述输入阻抗的非线性变化，上述补偿阻抗对上述该第二晶体管的一第二漏极跟一第二栅极间的上述输入信号产生反应，使得不论上述输入信号为何，上述输入阻抗和上述补偿阻抗的总和大致固定。
附图说明
图1显示已知技术的功率放大器。
图2显示本发明实施例的功率放大器的方块图。
图3显示本发明实施例的功率放大器的电路图。
图4显示功率放大器电路14的栅极电压Vg和输出功率Pout的模拟图。
图5显示功率放大器电路14的增益G对于输出功率Pout的模拟图。
图6显示功率放大器电路14的供给电流IPA对于输出功率Pout的模拟图。
图7显示功率放大器电路14的功率增加效率对于输出功率Pout的模拟图。
[主要元件标号说明]
10     输入匹配电路；
12     偏压电路；
14     功率放大器电路；
16     输出匹配电路；
20     补偿电路；
22     偏压电路；
30     补偿和偏压电路。
具体实施方式
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标号，此等重复使用的参考数字与标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。
图1显示已知技术的功率放大器，包括输入匹配电路10、偏压电路12、功率放大器电路14、和输出匹配电路16。输入匹配电路10和偏压电路12耦接到功率放大器电路14、然后耦接到输出匹配电路16。
功率放大器电路14包括由偏压电路12偏压的功率放大晶体管Q1，将输入信号Sin以增益G放大。偏压电路12内的电感(RF chock)L1耦接在偏压Vbias和晶体管Q1的栅极之间，用以提高偏压电压，允许输入信号Sin在偏压电压的直流电平间移动。输入匹配电路10和输出匹配电路16分别匹配其输入和输出阻抗。当输入信号Sin到达不同的电压电平时，栅极到源极的电感也会展现非线性变化，并且扭曲输出信号Sout的理想波形。
图2显示本发明实施例的功率放大器的方块图，包括输入匹配电路10、补偿电路20、偏压电路22、功率放大器电路14、和输出匹配电路16。输入匹配电路10、补偿电路20、和偏压电路22耦接到功率放大器电路14，并且接着耦接到输出匹配电路16。
偏压电路22提供偏压电压用以偏压功率放大器电路14。功率放大器电路14的输入容抗Cin随着输入信号Sin改变，因此导致输出信号Sout的信号扭曲。补偿电路20提供补偿容抗Ccomp补偿输入容抗Cin的非线性变化，使得不论输入信号Sin为何，输入容抗Cin和补偿容抗Ccomp的总和大致维持固定。例如，当输入信号Sin摆动较高的电压电平时，输入容抗Cin随之增加并且补偿容抗Ccomp随之减低，产生大致固定的电容值总和(＝Cin+Ccomp)，并且消除由非线性输入阻抗引起的输出信号Sout的信号扭曲。
图3显示本发明实施例的功率放大器的电路图，包括输入匹配电路10、补偿和偏压电路30、功率放大器电路14、和输出匹配电路16。输入匹配电路10和补偿电路和偏压30耦接到功率放大器电路14，并且接着耦接到输出匹配电路16。
补偿电路和偏压30提供偏压和输入容抗补偿的功能，如同图2中揭露的补偿电路20和偏压电路22。补偿和偏压电路30和偏压电路22包括连接成二极管形式的晶体管Q2，以及连接在晶体管Q2的栅极和接地端之间的接地电容C1。晶体管Q2可以是提供补偿容抗Ccomp的PMOS晶体管。补偿容抗Ccomp对晶体管Q2的漏极和栅极间的输入信号Sin产生反应。晶体管Q2的二极管整流器(rectifier)，经由补偿容抗Ccomp使用进入二极管输入的输入信号Sin，使得提供到功率放大器电路14的偏压随着输入信号Sin的电压摆动而增加。输入信号Sin可以是射频(RF)信号。
功率放大器电路14包括由偏压电压产生偏压的功率放大晶体管Q1。功率放大晶体管Q1由晶体管Q2的互补晶体管种类选择，并且可以是NMOS晶体管。晶体管Q1具有对输入信号Sin反应而产生的输入容抗Cin，所以当输入信号Sin的电压电平改变时，晶体管Q2产生和输入容抗Cin互补的补偿容抗Ccomp，藉此消除非线性输入阻抗特性，和功率放大器3内的输出信号Sout的信号扭曲。
虽然功率放大器3使用MOS技术来实现，本领域技术人员也可以使用双极性晶体管或其它技术来实现功率放大器3。
图4显示功率放大器电路14的栅极电压Vg和输出功率Pout的模拟图，使用图1的已知功率放大器和图3的功率放大器。图4包括代表已知功率放大器的曲线40和功率放大器3的曲线42。输出功率Pout以dBm计算，并且栅极电压Vg以volt计算。
如图4显示，在栅极电压Vg使用固定的偏压电压，并且输出功率Pout和输入信号Sin的摆动一起增加。功率放大器3具有相关于输入信号Sin摆动的偏压电压，驱动输出功率Pout的增加。
图5显示功率放大器电路14的增益G对于输出功率Pout的模拟图，使用图1的已知功率放大器和图3的实施例功率放大器。图5包括代表已知功率放大器的曲线50和功率放大器3的曲线52。输出功率Pout以dBm计算，并且增益G以dB计算。
参考图5，已知功率放大器1(曲线50)在节点500具有峰值增益，以及节点502是P1dB点。功率放大器3的P1dB点(25dB)超过功率放大器1的P1dB点(22.5dB)2dB。P1dB点是测量功率放大器的增益压缩值和线性值的数值，功率放大器的P1dB点越高，表示输出信号具有较广的功率回退(backoff)范围以及较少的信号扭曲。因此功率放大器3和1相比具有较好的线性特性以及功率效率。
图6显示功率放大器电路14的供给电流IPA对于输出功率Pout的模拟图，使用图1的已知功率放大器和图3的实施例功率放大器。图6包括代表已知功率放大器的曲线60和功率放大器3的曲线62。输出功率Pout以dBm计算，并且供给电流IPA以安培(Ampere)计算。
参考图6，已知功率放大器(曲线60)因为固定的栅极电压Vg(如图4显示)，所以具有固定的供应电流。功率放大器3(曲线62)具有增加的供给电流IPA，供给电流IPA相对应于图4中增加的栅极电压Vg，并且当输出功率Pout较低时比已知的功率放大器1的供给电流IPA低。因此功率放大器3在低功率时只需要比功率放大器1较少的放大器功率。
图7显示功率放大器电路14的功率增加效率(Power Added Efficiency，PAE)对于输出功率Pout的模拟图，使用图1的已知功率放大器和图3的实施例功率放大器。图7包括代表已知功率放大器的曲线70和功率放大器3的曲线72。输出功率Pout以dBm计算，并且供给电流IPA以百分比计算。
功率增加效率可以用公式1表示：
PAE(％)＝(Pout-Pin)*100/放大器功率         (1)
其中Pout是放大器电路14的输出功率，以mW计算；
Pin是放大器电路14的输入功率，以mW计算；
放大器功率是放大器电路14的功率消耗，以mW计算。
参考图7，已知功率放大器(曲线70)因为固定的栅极电压Vg(如图4显示)，所以具有固定的供给电流IPA。已知功率放大器(曲线70)显示其功率增加效率以指数(exponential)增加，而功率放大器3(曲线72)显示其功率增加效率以线性增加。曲线72(功率放大器3)和70(功率放大器1)比较之下显示对于小于21dBm的输出功率Pout，功率放大器3具有较好的功率增加效率。对于无线传输应用来说，输出功率Pout的工作范围落在14-18dBm之间，小于21dBm。
本发明实施例也揭露一种功率放大方法，使用图3的功率放大器3。功率放大方法包括提供反应输入信号Sin的输入容抗Cin，用功率放大器3放大输入信号Sin来产生输出信号Sout；产生栅极电压Vg到功率放大器电路14，使得功率放大器电路14放大输出信号Sout；以及提供反应输出信号Sout的补偿容抗Ccomp，使得不论输入信号Sin为何，输入容抗Cin和补偿容抗Ccomp的总和大致固定。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (4)

1.一种功率放大器，用以放大输入信号，包括：
功率放大器电路，具有反应上述输入信号的输入阻抗，其包含第一种类的第一晶体管，放大上述输入信号；以及
偏压和补偿电路，具有第二种类的第二晶体管，耦接到上述第一晶体管，产生直流偏压信号到上述功率放大器电路，使得上述功率放大器电路放大上述输入信号，上述第二晶体管具有一补偿阻抗，其用以补偿上述输入阻抗的非线性变化，上述补偿阻抗对上述该第二晶体管的一第二漏极跟一第二栅极间的上述输入信号产生反应，使得不论上述输入信号为何，上述输入阻抗和上述补偿阻抗的总和大致固定。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中：
上述第一种类是NM0S晶体管，以及上述第二种类是PM0S晶体管。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其中：
上述第一晶体管包括接收上述输入信号的第一栅极，耦接到电源的第一漏极，以及耦接到接地端的第一源极；以及
上述第二晶体管包括耦接到上述接地端的上述第二栅极，耦接到上述第二栅极的第二源极，以及耦接到上述输入信号的上述第二漏极。
4.根据权利要求1所述的功率放大器，其中上述偏压和补偿电路产生上述直流偏压信号，其和上述输入信号成正比。
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