CN103780209B

CN103780209B - 多模式功率放大电路、多模式无线发射模块及其方法

Info

Publication number: CN103780209B
Application number: CN201210403947.8A
Authority: CN
Inventors: 王柏之; 杨雅雯
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: CN103780209A

Abstract

本发明公开了一种多模式功率放大电路、多模式无线发射模块及其方法。多模式无线发射模块包括多模式功率放大电路及天线。在多模式功率放大电路及天线中，第一功率放大器电性连接在信号输入端与第一阻抗匹配电路之间，且第一阻抗匹配电路的输出端电性连接天线。第二功率放大器电性连接至信号输入端，并且第二阻抗匹配电路电性连接在第二功率放大器与第一阻抗匹配电路之间。开关电路电性连接在第二阻抗匹配电路的输入端。于此，开关电路分别相应第一功率放大器的运作和第二功率放大器的运作而进行开关。

Description

多模式功率放大电路、多模式无线发射模块及其方法

技术领域

本发明关于一种功率放大器，特别关于一种多模式功率放大电路、多模式无线发射模块及其方法。

背景技术

在无线通信系统中，功率放大器是发射端的最后一部分放大器。于此，调变后的较小信号输入至功率放大器后，经由一级或多级的功率放大器放大信号的功率，以达到所需规格的功率后将功率输出。

随着无线通信系统的信号调变方式的不同，所需要的发射器规格亦不相同，并且每种规格所需的输出功率也不相同。以无线网路标准(例如：802.11abg)而言，所使用的正交分频多工技术(Orthogonal frequency-division multiplexing；OFDM)类似振幅调变(amplitude modulation，AM)技术，故其需要高线性度的功率放大器，并且传输距离属于中长距离的传输。而蓝牙技术主要应用短距离传输，故需要低功耗的功率放大器来进行低功率的传输。

近年来，单一通信设备都具有多种无线传输技术，例如：无线网路标准和蓝牙技术。为了缩小无线设备的尺寸，其发射器则多半设计成同时可适用高功率及低功率的传输。因此，如何维持在不同输出功率传输时，皆能具有高效率(power efficiency)的放大运作为输出端的功率放大电路的设计重点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的众多目的之一在于提供一种多模式功率放大电路、多模式无线发射模块及其方法，以提供高效率的放大运作，进而节省电力的消耗或提高电源的使用效率，但本发明的应用不限于此。

根据本发明的一实施例的多模式功率放大电路，其包括信号输入端、第一阻抗匹配电路、第一功率放大模块和第二功率放大模块。第二功率放大模块包括第二功率放大器、第二阻抗匹配电路和开关电路。

第一功率放大器电性连接在信号输入端与第一阻抗匹配电路之间。第二功率放大器电性连接至信号输入端，并且第二阻抗匹配电路电性连接在第二功率放大器与第一阻抗匹配电路之间。开关电路则电性连接在第二阻抗匹配电路的输入端。于此，开关电路分别相应第一功率放大器的运作和第二功率放大器的运作而进行开关。

根据本发明的一实施例的多模式无线发射模块包括前述的多模式功率放大电路及天线，并且天线电性连接第一阻抗匹配电路。

根据本发明的一实施例的多模式无线发射方法包括根据一射频信号的应用选择一第一输出模式和一第二输出模式中之一者、各输出模式的对应执行步骤以及利用天线无线输出来自第一阻抗匹配电路的射频信号。

当执行第一输出模式时，利用第一功率放大器放大射频信号、利用第二阻抗匹配电路的阻抗值阻断第一功率放大器放大后的射频信号流至一第二功率放大器、以及经由第一阻抗匹配电路传输第一功率放大器放大后的射频信号至天线。

当执行第二输出模式时，包括：利用第二功率放大器放大射频信号、以及经由第二阻抗匹配电路和第一阻抗匹配电路传输第二功率放大器放大后的射频信号至一天线。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的多模式无线发射模块的示意图。

图2为根据本发明另一实施例的多模式无线发射模块的示意图。

图3为根据本发明一实施例的多模式功率放大电路的概要电路图。

图4为根据本发明另一实施例的多模式功率放大电路的概要电路图。

其中，附图标记说明如下：

10多模式功率放大电路；

20天线；

110信号输入端；

110a第一输入端；

110b第二输入端；

112信号输出端；

130第一阻抗匹配电路；

150第一功率放大模块；

151第一功率放大器；

170第二功率放大模块；

171第二功率放大器；

173第二阻抗匹配电路；

175开关电路；

190控制器；

G接地；

C1电容；

C2电容；

C3电容；

C4电容；

C5电容；

L1电感；

L2电感；

L3电感；

SW1开关；

SW2开关；

Sc控制信号。

具体实施方式

功率放大器的效率(η)定义是输出的最大负载功率(P_L(max))除以输入的电源功率(P_S)，如下式一。

……公式1

其中，V_dd为操作电压，而R_L为输出阻抗(output impedance)。

由公式1可知，在相同操作电压下，高输出功率的功率放大器和低输出功率的功率放大器均要有高效率，则要高输出功率的功率放大器具有较小的输出阻抗；反之，低输出功率的功率放大器则具有较大的输出阻抗。是以，根据本发明的多模式功率放大电路、多模式的无线发射模块及其方法为一种可转换输出阻抗的功率放大电路的设计，以致使大和小输出功率传输时均具有高效率。

参照图1，多模式无线发射模块包括多模式功率放大电路10及天线20。

多模式功率放大电路10具有信号输入端110、第一阻抗匹配电路130、第一功率放大模块150和第二功率放大模块170。

第一功率放大模块150电性连接在信号输入端110和第一阻抗匹配电路130之间，并且第二功率放大模块170电性连接在信号输入端110和第一阻抗匹配电路130之间。在一些实施例中，第一功率放大模块150和第二功率放大模块170并联在信号输入端110和第一阻抗匹配电路130之间。

第一功率放大模块150包括第一功率放大器151。第一功率放大器151电性连接在信号输入端110和第一阻抗匹配电路130之间。

第二功率放大模块170包括第二功率放大器171、第二阻抗匹配电路173和开关电路175。第二功率放大器171电性连接在信号输入端110和第二阻抗匹配电路173。第二阻抗匹配电路173电性连接在第二功率放大器171和第一阻抗匹配电路130之间。而开关电路175则电性连接在第二阻抗匹配电路173的输出端和接地G之间。

第一阻抗匹配电路130经由信号输出端112电性连接至天线20。于此，第一阻抗匹配电路130电性连接在第一功率放大器151与天线20之间，并且电性连接在第二阻抗匹配电路173与天线20之间。

于此，开关电路175分别相应第一功率放大器151的运作和第二功率放大器171的运作进行开关。

在一些实施例中，第二阻抗匹配电路175具有一阻抗值高于第一阻抗匹配电路130的输入阻抗。换言之，当第一功率放大器151运作时，开关电路175切换电性连接关系，以在第二阻抗匹配电路173的输入端形成交流接地(AC ground)，藉以利用第二阻抗匹配电路173的阻抗值来阻断第一功率放大器151放大后的射频信号流至第二功率放大器171。

在一些实施例中，由于第一功率放大器151的输出端实体耦接至第一阻抗匹配电路130的输入端，因此第一阻抗匹配电路130的输入阻抗为第一功率放大器151的输出阻抗。

在一些实施例中，由于第二功率放大器171的输出端实体耦接至第二阻抗匹配电路173的输入端，因此第二阻抗匹配电路173的输入阻抗为第二功率放大器171的输出阻抗。并且，第二阻抗匹配电路173的输出端和第一功率放大器151的输出端实体耦接至第一阻抗匹配电路130的输入端，因此第二阻抗匹配电路173的输出阻抗、第一阻抗匹配电路130的输入阻抗和第一功率放大器151的输出阻抗为相同阻抗值。

在一些实施例中，多模式无线发射模块具有多种输出模式，并且该多种输出模式使用不同输出功率的无线发射规格。多模式功率放大电路10所具有的功率放大器(如，第一功率放大器151和第二功率放大器171)各别会对应一种输出模式。在一些实施例中，输出模式例如为基于无线网路标准(例如：802.11abg)的无线输出模式、利用蓝牙技术的无线输出模式等。

以图1所示的架构为例，第一功率放大器151对应于第一输出模式，而第二功率放大器171对应于第二输出模式。于此，第一功率放大器151和第二功率放大器171具有不同的功率。

在一些实施例中，第一功率放大器151的功率大于第二功率放大器171的功率。

由于第一阻抗匹配电路130的输出端耦接至天线20，因此第一阻抗匹配电路130的输出阻抗一般配合天线20而设计成约50欧姆(Ω)。也就是说，第一阻抗匹配电路130将第一功率放大器151的输出阻抗匹配至50欧姆(Ω)。

第二功率放大器171的输出阻抗则大于第一阻抗匹配电路130的输入阻抗。也就是说，第二阻抗匹配电路173将第二功率放大器171的输出阻抗匹配至第一阻抗匹配电路130的输入阻抗。

在一些实施例中，第二功率放大器171的输出阻抗大于第一阻抗匹配电路130的输出阻抗。

于此，多模式功率放大电路10为多模式无线发射模块的输出级。前处理模块将欲发送的信号进行数字模拟转换、滤波、增频等信号处理后产生一射频信号。此射频信号经由信号输入端110输入至多模式功率放大电路10以进行信号放大处理。

此时，多模式功率放大电路10根据射频信号的应用选择第一输出模式或第二输出模式。

当射频信号要以第一输出模式无线发射时，射频信号输入至对应第一输出模式的第一功率放大模块150，并由第一功率放大器151进行信号放大处理。此时，开关电路175切换电性连接关系，以利用第二阻抗匹配电路173的阻抗值阻断第一功率放大器151放大后的射频信号流向第二功率放大器171。放大后的射频信号再经由第一阻抗匹配电路130传输至天线20，并且由天线20进行无线发射。

当射频信号要以第二输出模式无线发射时，射频信号输入至对应第二输出模式的第二功率放大模块170，并由第二功率放大器171进行信号放大处理。此时，开关电路175切换电性连接关系，使第二功率放大器171的输出端与第二阻抗匹配电路173的输入端之间形成通信。放大后的射频信号再经由第一阻抗匹配电路130传输至天线20，并且由天线20进行无线发射。

在一些实施例中，参照图2，可设置有控制器190以根据选择的输出模式(如，第一输出模式或第二输出模式)产生控制信号Sc来控制开关电路175的运作。

在一些实施例中，多模式功率放大电路10可为差动运作。参照图3，信号输入端110具有第一输入端110a和第二输入端110b，并且第一输入端110a和第二输入端110b接收来自前处理模块的差动射频信号。

第一功率放大器151的二输入端分别耦接至第一输入端110a和第二输入端110b，而第一功率放大器151的二输出端则分别耦接至第一阻抗匹配电路130的二输入端。

第二功率放大器171的二输入端分别耦接至第一输入端110a和第二输入端110b，而第二功率放大器171的二输出端则分别耦接至第二阻抗匹配电路173的二输入端。并且，第二阻抗匹配电路173的二输出端分别耦接至第一阻抗匹配电路130的二输入端。

第一阻抗匹配电路130的正输出端耦接信号输出端112，而第一阻抗匹配电路130的负输出端耦接至接地G。

在一些实施例中，第一阻抗匹配电路130可采用阻抗转换器(ImpedanceConverter)。

第二阻抗匹配电路173的二输出端分别耦接至阻抗转换器的一次侧的两端。而第一功率放大器151的二输出端亦分别耦接至阻抗转换器的一次侧的两端。

阻抗转换器的二次侧的两端即分别为正输出端和负输出端。也就是说，阻抗转换器的二次侧的两端分别耦接至信号输出端112和接地G。

在一些实施例中，参照图3，开关电路175可包括电容C1、电容C2、开关SW1和开关SW2。

电容C1的第一端耦接至第二功率放大器171的一输入端和第二阻抗匹配电路173的一输入端。而电容C2的第一端耦接至第二功率放大器171的另一输入端和第二阻抗匹配电路173的另一输入端。

开关SW1耦接在电容C1的第二端和接地G之间，并且开关SW2耦接在电容C2的第二端和接地G之间。开关SW1的控制端和开关SW2的控制端耦接至控制器190。

开关SW1根据控制器190产生的控制信号Sc进行开关，藉以决定电容C1和接地G之间的导通与否。开关SW2根据控制器190产生的控制信号Sc进行开关，藉以决定电容C2和接地G之间的导通与否。

其中，电容C1和电容C2为大电容。例如，大于4pF的大电容。

当射频信号要以第一输出模式无线发射时，开关SW1根据控制信号Sc导通电容C1和接地G，并且开关SW2根据控制信号Sc导通电容C2和接地G，以致于在第二阻抗匹配电路173的输入端形成交流接地。此时，因为第二阻抗匹配电路173的阻抗值大于第一阻抗匹配电路130的输入阻抗，第一功率放大器151所输出的信号会流向第一阻抗匹配电路130，而非第二功率放大器171。

在一些实施例中，参照图3，第二阻抗匹配电路173可包括电容C3、电感L1和电感L2。

电容C3耦接在第二功率放大器171的输出端。于差动模式下，电容C3耦接在第二功率放大器171的二输出端之间。

电感L1耦接在第二功率放大器171的一输出端和第一功率放大器151的一输入端(阻抗转换器的一次侧的一端)之间。电感L2耦接在第二功率放大器171的另一输出端和第一功率放大器151的另一输入端(阻抗转换器的一次侧的另一端)之间。

在一些实施例中，参照图4，第二阻抗匹配电路173可包括电容C4、电容C5和电感L3。

电感L3耦接在第二功率放大器171的输出端。于差动模式下，电感L3耦接在第二功率放大器171的二输出端之间。

电容C4耦接在第二功率放大器171的一输出端和第一功率放大器151的一输入端(阻抗转换器的一次侧的一端)之间。电容C5耦接在第二功率放大器171的另一输出端和第一功率放大器151的另一输入端(阻抗转换器的一次侧的另一端)之间。

其中，在第二阻抗匹配电路173中所使用的电感(如，L1、L2和L3)可为大电感，例如，大于5nH，以致将阻抗值大幅度拉高，例如升高为第一阻抗匹配电路130的输出阻抗的10倍以上。

相应于前述的多模式无线发射模块，本发明更揭示一种多模式无线发射方法。在一实施例中，多模式无线发射方法包括根据一射频信号的应用选择一第一输出模式和一第二输出模式中之一者、各输出模式的对应执行步骤以及利用天线无线输出来自第一阻抗匹配电路的射频信号。

于前述的实施例中，虽然是以一组第二功率放大模块为例，然而此数量非本发明的限制，亦可配合实际需求而设置二组或二组以上的第二功率放大模块。

综上所述，根据本发明的多模式功率放大电路、多模式无线发射模块及其方法，可提供多种放大功率做为选择，并且在执行任意一种放大功率时，均可具备有相对高的效率，进而可节省电力的消耗或提高电源的使用效率。

Claims

1.一种多模式功率放大电路，包括：

一信号输入端，输入一射频信号；

一第一阻抗匹配电路；

一第一功率放大模块，包括：

一第一功率放大器，电性连接在该信号输入端与该第一阻抗匹配电路之间，该第一功率放大器对应于第一输出模式；以及

一第二功率放大模块，包括：

一第二功率放大器，电性连接该信号输入端，该第二功率放大器对应于第二输出模式；

一第二阻抗匹配电路，电性连接在该第二功率放大器与该第一阻抗匹配电路之间；以及

一开关电路，电性连接在该第二阻抗匹配电路的输入端，以分别相应该第一功率放大器的运作和该第二功率放大器的运作而进行开关；

其中该多模式功率放大电路根据该射频信号的应用选择该第一输出模式或该第二输出模式；当执行该第一输出模式时，利用该第一功率放大器放大该射频信号，利用该第二阻抗匹配电路的阻抗值阻断该第一功率放大器放大后的该射频信号流至该第二功率放大器，以及经由该第一阻抗匹配电路传输该第一功率放大器放大后的该射频信号至一天线；当执行该第二输出模式时，利用该第二功率放大器放大该射频信号，以及经由该第二阻抗匹配电路和该第一阻抗电路传输该第二功率放大器放大后的该射频信号至一天线；以及利用该天线无线输出来自该第一阻抗匹配电路的该射频信号。

2.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，其中该第二阻抗匹配电路的阻抗值大于该第一阻抗匹配电路的输入阻抗。

3.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，更包括：一控制器，耦接该开关电路，以在该第一功率放大器运作时，控制该开关电路耦接该第二阻抗匹配电路的输入端至一交流接地。

4.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，其中该开关电路包括：

一电容，电性连接该第二阻抗匹配电路的输入端；以及

一开关，电性连接在该电容与接地之间。

5.如权利要求1所述的多模式功率放大电路电容，其中该第二阻抗匹配电路包括：

一电感，电性连接在该第一阻抗匹配电路与该第二功率放大器的输出端之间；以及

一电容，电性连接该第二功率放大器的该输出端。

6.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，其中各该第二阻抗匹配电路包括：

一电容，电性连接在该第一阻抗匹配电路与该第二功率放大器的输出端之间；以及

一电感，电性连接该第二功率放大器的该输出端。

7.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，其中该第一功率放大模块和该第二功率放大模块并联在该信号输入端与该第一阻抗匹配电路之间。

8.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，其中该第一功率放大器与该第二功率放大器具有不同功率。

9.如权利要求1所述的多模式功率放大电路，其中该第一功率放大器的功率大于该第二功率放大器的功率。

10.如权利要求1的多模式功率放大电路，其中该第一阻抗匹配电路为一阻抗转换器，且该第一功率放大器和各该第二阻抗匹配电路耦接至该阻抗转换器的一次侧的两端。

11.一种多模式无线发射方法，包括：

选择一第一输出模式和一第二输出模式中之一者；

当执行该第一输出模式时，包括：

利用一第一功率放大器放大一射频信号；

利用一第二阻抗匹配电路的阻抗值阻断该第一功率放大器放大后的该射频信号流至一第二功率放大器；以及

经由一第一阻抗匹配电路传输该第一功率放大器放大后的该射频信号至一天线；

当执行该第二输出模式时，包括：

利用一第二功率放大器放大该射频信号；以及

经由一第二阻抗匹配电路和该第一阻抗匹配电路传输该第二功率放大器放大后的该射频信号至一天线；以及

利用该天线无线输出来自该第一阻抗匹配电路的该射频信号。

12.如权利要求11所述的多模式无线发射方法，其中该第二阻抗匹配电路的阻抗值大于该第一阻抗匹配电路的输入阻抗。

13.如权利要求11所述的多模式无线发射方法，其中该第一功率放大器与该第二功率放大器具有不同功率。

14.如权利要求11所述的多模式无线发射方法，其中该第一功率放大器的功率大于该第二功率放大器的功率。

15.如权利要求11所述的多模式无线发射方法，其中该第二阻抗匹配电路匹配至该第一功率放大器的输出阻抗。

16.如权利要求11所述的多模式无线发射方法，其中利用该第二阻抗匹配电路的阻抗值阻断该第一功率放大器放大后的该射频信号流至该第二功率放大器的步骤包括：利用耦接该第二阻抗匹配电路的一开关电路相应该第一功率放大器的运作和该第二功率放大器的运作而进行开关。