CN102332870A

CN102332870A - 功率放大器

Info

Publication number: CN102332870A
Application number: CN2010102296280A
Authority: CN
Inventors: 王柏之
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: CN102332870B

Abstract

本发明公开了一种功率放大器，其包括一负载电路、一第一级放大电路、一模拟前置失真器、及一第二级放大电路。第一级放大电路耦接负载电路以接收一第一信号，并据以输出一第二信号。模拟前置失真器耦接第一级放大电路，侦测第二信号的波包，并根据该波包产生一第三信号。第二级放大电路耦接第一级放大电路，用以接收第二信号。负载电路偏压于第三信号，且第一级放大电路的增益与第三信号相关。

Description

功率放大器

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，且特别涉及一种增加线性度的功率放大器。

背景技术

在通信系统中，由于调变信号的方式不同，因此所需要的功率发射器的规格亦不相同。近年来，无线通信网路，例如符合IEEE802.11a/b/g规格的通信网路，其所使用的正交频分复用(Orthogonalfrequency-division multiplexing，OFDM)调变信号类似于调幅(Amplitude Modulation，AM)的调变方式，故其需要高线性度的功率放大器。一般而言，高线性度的功率放大器均是以A类(ClassA)或AB类(Class AB)偏压方式来提高线性度的，但其功率效益(efficiency)却会较差。然而，为了提高通信质量，进一步地提高功率放大器的线性度是有必要的。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有高线性度的功率放大器。

本发明的目的之一另在于提供一种具有大频宽动态偏压网络的功率放大器。

本发明提供一种功率放大器，包括一负载电路、一第一级放大电路、一模拟前置失真器、一负载电路、及一第二级放大电路。第一级放大电路耦接负载电路以接收一第一信号，并据以输出一第二信号。模拟前置失真器耦接第一级放大电路，侦测第二信号的波包，并根据该波包产生一第三信号。第二级放大电路耦接第一级放大电路，用以接收第二信号。负载电路偏压于第三信号，且第一级放大电路的增益与第三信号相关。

本发明提供另一种功率放大器，包括一第一级放大电路、一波包侦测器、一第二级放大电路、及一转换器。第一级放大电路接收一第一信号并据以输出一第二信号。波包侦测器用以侦测第二信号的波包，并将第二信号的波包作为一第三信号输出。转换器的一次侧耦接第一级放大电路，其二次侧耦接第二级放大电路，且转换器的二次侧偏压于第三信号。其中，第二级放大电路的增益与第三信号相关。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1示出根据本发明一第一实施例的功率放大器的电路图；

图2示出图1的第一级放大电路、第二级放大电路、与功率放大器在不同输入功率Pin下的增益G曲线图；

图3示出模拟前置失真器的一实例的示意图；

图4示出第二信号S2、波包侦测器的输出信号S2’、和第三信号S3的一实例的波形图；

图5示出根据本发明一第二实施例的功率放大器的电路图；以及

图6是示出本发明一第三实施例的功率放大器的电路图。

【主要元件符号说明】

100功率放大器 102第一级放大电路

104模拟前置失真器 106负载电路

108第二级放大电路 110匹配电路

202曲线 204曲线

206曲线 302波包侦测器

304波形整型电路 500功率放大器

502第一级放大电路 504波包侦测器

508第二级放大电路 510转换器

600功率放大器 602第一级放大电路

608第二级放大电路 610转换器

具体实施方式

第一实施例

请参照图1，其示出根据本发明一第一实施例的功率放大器的电路图。功率放大器100包括一第一级放大电路102、一模拟前置失真器(Analog Pre-distorter)104、一负载电路106、及一第二级放大电路108。第一级放大电路102耦接负载电路106的两端，接收一第一信号S1，并据以输出一第二信号S2。

模拟前置失真器104耦接第一级放大电路102，侦测第二信号S2的波包(envelope)，并根据第二信号S2的波包输出一第三信号S3。负载电路106耦接第一级放大电路102，其节点N1偏压于第三信号S3，使得第一级放大电路102的增益(gain)与第三信号S3相关。而第二级放大电路108耦接第一级放大电路102，接收第二信号S2，据以产生输出信号Output。

针对图1的功率放大器作更进一步地说明如下。请参照图2，其示出图1的第一级放大电路102、第二级放大电路108、以及功率放大器100在不同输入功率Pin下的增益G曲线图。曲线202、204及206分别代表第二级放大电路108、第一级放大电路102、以及功率放大器100在不同输入功率下的增益。由于第二级放大电路108通常作为最后一级的放大器，其所要提供给下级电路的功率通常是最大的，其输出信号的摆幅(swing)通常也是最大的，故最容易有失真(Distortion)的情形产生。

举例来说，由曲线202可知，当输入至第二级放大电路108的功率大于一特定值P1之后，由于输出电压的最大值会受到直流供应电压的限制，使得第二级放大电路108的增益会逐渐减少。而当输入至第二级放大电路108的功率大于一特定值P2之后，第二级放大电路108的输出功率会达到饱和，而使得第二级放大电路108的增益更为下降。如此，如果只使用第二级放大电路108作为功率放大器的话，其线性区将仅止于特定值P1以下的范围。

本实施例通过使用可动态调整增益的第一级放大电路102，来对第二级放大电路108所减少的增益进行补偿，以使整个功率放大器100的整体增益能维持一定，以提高功率放大器100的线性度。例如，如图2的曲线204所示，当输入至第一级放大电路102的功率大于特定值P1之后，第二级放大电路108的增益会逐渐减少，但第一级放大电路102的增益却逐渐增加。如此，功率放大器100的整体增益维持于固定值的范围将会提高，因而提高整个功率放大器100的线性度，如图2的曲线206所示，功率放大器100的整体增益在输入功率大于特定值P2以前均维持于固定值，换言之，其维持稳定增益的功率范围大于第二级放大电路108。

为达上述效果，本发明提供一种改变第一级放大电路102的偏压以调整其增益的方式来实现。在本实施例中，第一级放大电路102由多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成，本实施例以晶体管Q1与Q2的栅极作为输入端为例做说明。图1中标示以“a”的两处是同一节点，标示以“b”的两处亦是同一节点。由于负载电路106偏压于第三信号S3，如前所述，晶体管Q1与Q2的栅极的直流偏压与第三信号S3相关，使得第一级放大电路102的增益与第三信号S3相关。负载电路106可包括电阻元件或电感元件，本实施例以由电阻R1、R2及电容组成的负载电路106做说明。电阻元件R1与R2串联，并且分别连接于晶体管Q1及Q2的两个栅极之间。第三信号S3输入至电阻R1与R2之间的节点N1。当第三信号S3的电压大小改变时，晶体管Q1与Q2的栅极的直流偏压亦会随之改变，以改变晶体管Q1与Q2的跨导(transconductance)gm，因此，第一级放大电路102的增益亦将随之改变。

在本实施例中，晶体管功率放大器100还包含一匹配电路110，匹配电路110同时具有低通滤波的功能，配置于第一级放大电路102与第二级放大电路108之间。匹配电路110包含两个由直流电压VDD偏压的电感、两个由直流电压Vb偏压的电阻、以及分别置于一个电阻与一个电感之间的两个电容。第二级放大电路108亦包含多个MOSFET Q5～Q8，本实施例以晶体管Q5与Q6的栅极作为接收端，以接收经由匹配电路110传送而来的第二信号S2。

请参照图3，其是模拟前置失真器104的一实例的示意图。模拟前置失真器104包括一波包侦测器(Envelope Detector)302和一波形整型电路(Waveform Shaping Circuit)304。请同时参照图4的信号S2、S2’与信号S3的波形图。波包侦测器302侦测第二信号S2的波包，并根据第二信号S2的波包产生波包信号S2’。波形整型电路304接收波包信号S2’，并将大于临界电压Vth的第二信号S2的波包作为第三信号S3输出，亦即是撷取波包信号S2’中大于临界电压Vth的部分作为第三信号S3输出。其中，临界电压Vth与图2所示的特定值P1相关。优选地，以特定值P1所对应的电压值作为临界电压Vth。

在本实施例中，波形整型电路304是以二极管实现的。波形整型电路304所包含的二极管的导通电压(cut-in voltage or diodeforward voltage drop)及所需的二极管个数，可依照临界电压Vth来决定。如此，当输出信号S2’的电压小于此至少一二极管的整体导通电压时，电流不会流过此至少一二极管，以使第三信号S3维持在一固定位准。此时，晶体管Q1与Q2的栅极的直流偏压将维持在固定位准，使第一级放大电路102的增益维持固定。而当输出信号S2’的电压大于此至少一二极管的整体导通电压时，电流会流过此至少一二极管，以使第三信号S3随着波包信号S2’变化。此时，晶体管Q1与Q2的栅极的直流偏压将随着第三信号S3变化，使第一级放大电路102的增益亦随着第三信号S3而增加，来使功率放大器100的整体增益维持于固定值的范围提高，以增加功率放大器100的线性度。

上述实施例仅作为一个示范例的说明，并非用以限制本发明。有些用以实现功率放大器的细节，此领域的通常知识者当可知晓，在此不再特别说明之。第一级放大电路102及第二级放大电路108亦可由其它类型的放大电路来实现，只要通过动态调整第一级放大电路102的偏压来动态调整其增益即可，并不限于图1所示的。

第二实施例

除了第一实施例所揭露的功率放大器之外，为了使功率放大器的线性度提高，亦可通过改变第二级放大电路的增益来实现。

在一种具有动态偏压电路的功率放大器中，一波包侦测器接收第一级放大电路的输出信号，并对应地产生输出信号的封包信号。一匹配电路偏压于封包信号，使得第二级放大电路的输入端的偏压随着封包信号改变，以动态地调整第二级放大电路的增益。

然而，由于此匹配电路具有多个电容及电阻，因而使得输入至第二级放大电路的输入端的信号产生延迟和衰减的现象。这样一来，第二级放大电路的增益无法随着封包信号快速地动态调整，而使得功率放大器的线性度受到影响。为了减少电容电阻的影响，本实施例提供以转换器替代由多个电容及电阻组成的匹配电路的作法。

请参照图5，其示出根据本发明一第二实施例的功率放大器的电路图。功率放大器500包括一第一级放大电路502、一波包侦测器504、一第二级放大电路508、及一转换器510。第一级放大电路502接收一第一信号S1”并据以输出一第二信号S2”。波包侦测器504用以侦测第二信号S2”的波包，并将第二信号S2”的波包作为一第三信号S3”输出。转换器510的一次侧(primary side，初级侧)耦接第一级放大电路502，转换器510的二次侧(secondary side，次级侧)耦接第二级放大电路508。转换器510的二次侧偏压于第三信号S3”。第二级放大电路508的增益与第三信号S3”相关。

其中，第二级放大电路508包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。至少一输入端是这些晶体管中的至少一个的栅极，例如是晶体管Q9与Q10的栅极。晶体管Q9与Q10的栅极的直流偏压与第三信号S3”相关，使得第二级放大电路508的增益与第三信号S3”相关。

由于转换器的等效电容值与等效电阻值很小，其所对应的RC常数够小。如此，当第三信号S3”的电压改变时，晶体管Q9与Q10的栅极亦会快速地随之改变，而不会有延迟及失真的情形。如此，便能达到快速地动态调整第二级放大电路508的增益的目的，而使得功率放大器500的线性度可以有效地提升，以增加通信的质量。

第三实施例

转换器510亦可应用于图1的功率放大器100中，如图6所示，其中图6是示出本发明一第三实施例的功率放大器600的电路图。转换器610的一次侧耦接第一级放大电路602，其二次侧耦接第二级放大电路608。类似地，第三实施例除了具有第一实施例的优点之外，还可达到快速操作的功效。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种功率放大器，包括：

一负载电路；

一第一级放大电路，耦接所述负载电路以接收一第一信号，并据以输出一第二信号；

一模拟前置失真器，耦接所述第一级放大电路，侦测所述第二信号的波包，并根据所述波包产生一第三信号；以及

一第二级放大电路，耦接所述第一级放大电路，用以接收所述第二信号；

其中，所述负载电路偏压于所述第三信号，且所述第一级放大电路的增益与所述第三信号相关。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述模拟前置失真器还包括：

一波包侦测器，侦测所述第二信号的波包以产生一波包信号；以及

一波形整型电路，撷取所述波包信号中大于一临界电压的部分作为所述第三信号输出。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其中，所述波形整型电路包括一二极管。

4.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述第一级放大电路包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述至少一输入端是所述多个金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一个的栅极，所述负载电路具有至少一电阻元件或电感元件，所述至少一输入端的直流偏压与所述第三信号相关，使得所述第一级放大电路的增益与所述第三信号相关。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，当输入至所述第二级放大电路的功率大于一特定值之后，所述第二级放大电路的增益逐渐减少，而当输入至所述第一级放大电路的功率大于所述特定值之后，所述第一级放大电路的增益逐渐增加。

6.根据权利要求5所述的功率放大器，其中，所述临界电压与所述特定值相关。

7.根据权利要求1所述的功率放大器，还包含一匹配电路，所述匹配电路配置于所述第一级放大电路与所述第二级放大电路之间。

8.根据权利要求1所述的功率放大器，还包含一转换器，其一次侧耦接所述第一级放大电路，其二次侧耦接所述第二级放大电路。

9.一种功率放大器，包括：

一第一级放大电路，接收一第一信号并据以输出一第二信号；

一波包侦测器，用以侦测所述第二信号的波包，并将所述第二信号的波包作为一第三信号输出；

一第二级放大电路；以及

一转换器，其一次侧耦接所述第一级放大电路，其二次侧耦接所述第二级放大电路，且所述转换器的二次侧偏压于所述第三信号；

其中，所述第二级放大电路的增益与所述第三信号相关。

10.根据权利要求9所述的功率放大器，其中，所述第二级放大电路包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述至少一输入端是所述多个金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一个的栅极，所述至少一输入端的直流偏压与所述第三信号相关，使得所述第二级放大电路的增益与所述第三信号相关。