CN106301249A - 功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率放大器(Power Amplifier，PA)，包含有至少一放大晶体管及至少一辅助晶体管，该至少一放大晶体管中每一放大晶体管包含有一第一端，用来接收该功率放大器的一输入讯号；一第二端，用来输出该功率放大器的一输出讯号；以及一第三端。该至少一辅助晶体管中每一辅助晶体管包含有一第一端；一第二端，耦于该至少一放大晶体管的该第二端；以及一第三端，电性连接于该至少一放大晶体管的该第一端。
Description
【技术领域】
本发明关于一种功率放大器，尤指一种具有低电路复杂度、高温度/偏压变动稳定度与高线性度的功率放大器。
【背景技术】
随着科技的发展，无线通信已成为人们生活中相当重要的一环，各种不同电子装置如智能型手机、智能型穿戴装置、平板计算机中透过无线射频系统来传送或接收无线讯号。于无线射频系统中，功率放大器(Power Amplifier，PA)为必要的放大电路，功率放大器的效能影响整体无线射频系统的效能，其中，功率放大器的线性度(Linearity)及温度/偏压变动稳定度是具指标性的效能。
习知技术已发展出利用谐波信号侦测与补偿(Harmonic Signal Detection andCompensation)、高阶谐波调整(High-Order Harmonic Adjustment)、可调式输出匹配网络(Tunable Output Matching Network)、并联式转导特性补偿(Parallel TransconductanceCompensation)及封包追踪调整(Envelop Tracking)等方式来改善功率放大器的线性度。利用谐波信号侦测与补偿的功率放大器是于输出讯号的振幅过大以至于失真时，透过侦测与滤波的方式经由回授网络来调整放大器的偏压条件，但其电路复杂度高，且实用性低。利用高阶谐波调整与可调式输出匹配网络的功率放大器透过微调放大器中的输出匹配网络于高阶谐波频率下的阻抗值，进而控制高阶谐波的反射状态，来调整输出讯号的波形，并改变讯号线性度的状态，但其输出匹配网络较为复杂，且必须同时考虑输出功率损耗与频率响应等问题，电路的复杂度高。
利用并联式转导特性补偿的功率放大器可透过使用两个并联晶体管的尺寸及偏压进行调整，使得合成后的三阶谐波失真(Third-Order Intermodulation，IMD3)具有补偿功能，以提升整体放大器的线性度，然而，由于晶体管并联后会增加输入端及输出端的电容量，不利于高频阻抗匹配或是高频增益特性，即不利于高频操作。利用封包追踪调整的功率放大器可以透过数字控制方式使放大器于不同的操作功率下而有不同的偏压条件，且对于直流功率损耗的效率具有相当的改善，但是所需的主/被动组件较多，需要完整庞大的模拟与数字控制回路才得以施行，增加电路设计复杂度及生产成本。
因此，如何提供一种电路复杂度低与高线性度的功率放大器，就成了业界所努力的目标之一。
【发明内容】
因此，本发明的主要目的在于提供一种功率放大器，其具有低电路复杂度、高温度/偏压变动稳定度与高线性度的特性。
本发明揭露一种功率放大器，包含有至少一放大晶体管及至少一辅助晶体管，该至少一放大晶体管中每一放大晶体管包含有一第一端，用来接收该功率放大器的一输入讯号；一第二端，用来输出该功率放大器的一输出讯号；以及一第三端。该至少一辅助晶体管中每一辅助晶体管包含有一第一端；一第二端，耦于该至少一放大晶体管的该第二端；以及一第三端，电性连接于该至少一放大晶体管的该第一端。
【附图说明】
图1为本发明实施例一功率放大器的示意图。
图2为包含辅助晶体管及未包含辅助晶体管的功率放大器的邻近通道频谱示意图。
图3为包含辅助晶体管及未包含辅助晶体管的功率放大器的线性度示意图。
图4为本发明实施例一功率放大器的示意图。
图5为本发明实施例一功率放大器的示意图。
图6为本发明实施例一功率放大器的示意图。
图7为本发明实施例一功率放大器的示意图。
10、40、50、60、62_1～62_N、70 功率放大器
100、500_1～500_N、600_1～600_N、 放大晶体管
700_1～700_N 放大晶体管
102、602_1～602_N、702_1～702_3 辅助晶体管
103 输出端网络
104 输入端网络
105 射频讯号处理电路
106 偏压驱动电路
406 回授电路
706 控制电路
ANT 天线
B、B1～BN 基极
C、C1～CN 集极
E 射极
G 栅极
D 漏极
S 源极
【具体实施方式】
请参考图1，图1为本发明实施例一功率放大器10的示意图。功率放大器10是一单级功率放大器，其包含有一放大晶体管100及一辅助晶体管102，放大晶体管100可为双载子接面晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)或是异质接面双载子晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)，辅助晶体管102可为金氧半场效晶体管(MOSFieldEffect Transistor，MOSFET)或是高速电子移动晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)。放大晶体管100包含有基极B(第一端)、集极C(第二端)及射极E(第三端)，其中，基极B耦接于一射频讯号处理电路105与输入端网络104，用来接收功率放大器10的一输入讯号；集极C透过一输出端网络103耦接于至一天线ANT，其中输出端网络103可包含阻抗匹配网络与带通滤波器(未绘示于图1)，用来输出功率放大器10的一输出讯号至天线ANT；而射极E可耦接于一系统接地端。辅助晶体管102包含有栅极G(第一端)、漏极D(第二端)及源极S(第三端)，其中，漏极D耦于放大晶体管100的集极C；源极S电性连接于放大晶体管100的基极B；栅极G可耦接于一偏压驱动电路106，偏压驱动电路106可为一固定偏压电路或是一可数字控制的可调偏压电路。
需注意的是，辅助晶体管102耦接于放大晶体管100的输入端(基极B)及输出端(集极C)之间，功率放大器10可根据放大晶体管100输出端的输出振幅，调整放大晶体管100的输出端的偏压，进而改善线性度。同时，功率放大器10的温度变动或是偏压变动状态可透过辅助晶体管102的回授机制，来抵销由放大晶体管100于大信号操作下所产生的自热特性(selfheating)与偏压偏移(bias shifting)特性，进而稳定放大晶体管100的高频特性变动，形成不随或些微偏压改变的功率放大器10稳定电路。换句话说，功率放大器10仅利用单一辅助晶体管102即可调整放大晶体管100的输出端的偏压及抵消放大晶体管100的温度与偏压变动，进而改善功率放大器10的线性度，且功率放大器10的电路复杂度低。
请参考图2、图3，图2为包含辅助晶体管及未包含辅助晶体管的功率放大器的邻近通道频谱(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)示意图，图3为包含辅助晶体管及未包含辅助晶体管的功率放大器的线性度(即三阶谐波失真(Third-Order Intermodulation，IMD3))示意图，其中实线代表包含辅助晶体管的功率放大器的邻近波道功率比及线性度，虚线代表未包含辅助晶体管的功率放大器的邻近波道功率比及线性度。由图2、图3可知，包含辅助晶体管的功率放大器能有效抑制旁波带(Sideband)的发射功率，具有较佳的线性度效能。
需注意的是，前述实施例是用以说明本发明的概念，本领域具通常知识者当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，请参考图4，图4分别为本发明实施例一功率放大器40的示意图。功率放大器40与功率放大器10结构类似，故相同组件沿用相同符号。与功率放大器10不同的是，功率放大器40耦接于一回授电路406，回授电路406耦接于辅助晶体管102的栅极及漏极之间，亦符合本发明的要求，而不限于此。另一方面，放大晶体管不限于双载子接面晶体管或异质接面双载子晶体管，亦可为金氧半场效晶体管或是高速电子移动晶体管等场效晶体管，如此一来，放大晶体管的第一端为场效晶体管的一栅极，放大晶体管的第二端及第三端为场效晶体管的一漏极及一源极，且不在此限。此外，辅助晶体管不限于金氧半场效晶体管或是高速电子移动晶体管，亦可为双载子接面晶体管或异质接面双载子晶体管，如此一来，辅助晶体管的第一端为双载子接面晶体管的一基极，辅助晶体管的第二端及第三端为双载子接面晶体管的一集极及一射极，且不在此限。
除此之外，本发明的功率放大器不限于仅包含单一放大晶体管，亦可包含复数个放大晶体管。举例来说，请参考图5，图5为本发明实施例一功率放大器50的示意图。功率放大器50与功率放大器10结构类似，故相同组件沿用相同符号，与功率放大器10不同的是，功率放大器50包含复数个放大晶体管500_1～500_N，其中，功率放大器50的辅助晶体管102的漏极D耦于放大晶体管500_1～500_N的集极C_1～C_N，源极S电性连接于放大晶体管500_1～500_N的基极B_1～B_N，亦符合本发明的要求。另一方面，本发明的功率放大器亦可由串接复数个单级功率放大器而形成一多级功率放大器，举例来说，请参考图6，图6为本发明实施例一功率放大器60的示意图，功率放大器60是一多级功率放大器，其包含单级功率放大器62_1～62_N相互串接而成，任一单级功率放大器62_x的电路架构皆与单级功率放大器10相同，即任一单级功率放大器62_x皆包含一放大晶体管600_x及一辅助晶体管602_x，辅助晶体管602_x的漏极耦接于放大晶体管600_x的集极，辅助晶体管602_x的源极电性连接于放大晶体管600_x的基极。需注意的是，于功率放大器60中，辅助晶体管602_1～602_N的个数相同于放大晶体管600_1～600_N的个数，且辅助晶体管602_1～602_N的栅极皆相互耦接。然而，不限于此，请参考图7，图7为本发明实施例一功率放大器70的示意图。功率放大器70包含放大晶体管700_1～700_N及辅助晶体管702_1～702_3，辅助晶体管702_1～702_3的栅极分别接收由一控制电路706所产生的位控制讯号bit_1～bit_3以控制辅助晶体管702_1～702_3的导通状态，只要辅助晶体管702_1～702_3的漏极耦接于放大晶体管700_1～700_N的集极，辅助晶体管702_1～702_3的源极电性连接于放大晶体管700_1～700_N的基极，即符合本发明的要求。
综上所述，本发明的功率放大器利用辅助晶体管调整于放大晶体管于输出端的偏压及抵消放大晶体管的噪声，进而改善功率放大器的线性度及温度/偏压变动稳定度，且本发明的功率放大器具有较低的电路复杂度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (13)
1.一种功率放大器，其特征是，包含有：
至少一放大晶体管，该至少一放大晶体管中每一放大晶体管包含有：
一第一端，用来接收该功率放大器的一输入讯号；
一第二端，用来输出该功率放大器的一输出讯号；以及
一第三端；以及
至少一辅助晶体管，该至少一辅助晶体管中每一辅助晶体管包含有：
一第一端；
一第二端，耦于该至少一放大晶体管的该第二端；以及
一第三端，电性连接于该至少一放大晶体管的该第一端。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一放大晶体管的该第一端耦接于一射频讯号处理电路，用来自射频讯号处理电路接收该输入讯号，该放大晶体管该第二端耦接于一天线，用来将该输出讯号输出至该天线。
3.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一放大晶体管的该第三端耦于一系统接地端。
4.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一辅助晶体管的该第一端耦接于一驱动电路。
5.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一辅助晶体管的该第一端耦接于一回授电路的一端，该回授电路的另一端耦接于该至少一放大晶体管的该第二端。
6.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一放大晶体管为双载子接面晶体管，该至少一放大晶体管的该第一端为双载子接面晶体管的一基极，该第二端及该第三端为双载子接面晶体管的一集极及一射极。
7.如权利要求6所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一放大晶体管为异质接面双载子晶体管。
8.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一辅助晶体管为双载子接面晶体管，该至少一辅助晶体管的该第一端为双载子接面晶体管的一基极，该第二端及该第三端为双载子接面晶体管的一集极及一射极。
9.如权利要求8所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一辅助晶体管为异质接面双载子晶体管。
10.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一放大晶体管为场效晶体管，该至少一放大晶体管的该第一端为场效晶体管的一栅极，该第二端及该第三端为场效晶体管的一漏极及一源极。
11.如权利要求10所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一放大晶体管为高速电子移动晶体管。
12.如权利要求1所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一辅助晶体管为场效晶体管，该至少一辅助晶体管的该第一端为场效晶体管的一栅极，该第二端及该第三端为场效晶体管的一漏极及一源极。
13.如权利要求12所述的功率放大器，其特征是，其中该至少一辅助晶体管为高速电子移动晶体管。
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