CN107017848A - 功率放大电路及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率放大电路及其操作方法，该功率放大电路包括电源供应模块以及串接的多级放大器电路。多级放大器电路耦接电源供应模块，用以将射频输入信号放大为射频输出信号。多级放大器电路包括驱动级电路以及增益级电路。驱动级电路用以接收并放大射频输入信号，其中驱动级电路自电源供应模块接收第一供电电压以由电源供应模块进行供电。增益级电路用以放大接收自前级放大器电路的信号以输出射频输出信号，其中增益级电路自电源供应模块接收第二供电电压以由电源供应模块进行供电。当功率放大电路操作于回退区(back‑off region)时，第一供电电压小于第二供电电压。

Description

功率放大电路及其操作方法
技术领域
本发明关于一种功率放大电路及其操作方法。
背景技术
功率放大电路广泛地被使用在各式电子装置中，用以将输入信号转换成具有较大功率的输出信号以进行传输。一般而言，功率放大器操作在饱和区(saturation region)时具有较佳的功率输出效率。然而，为满足传送调制信号的振幅变化，或是基于省电的考量，功率放大器通常会操作在输出功率较低的回退区(back-off region)以满足线性度或其他系统需求。但这将使功率输出效率降低。
因此，如何改善功率放大电路操作在回退区时的功率输出效率，乃目前业界所致力的课题之一。
发明内容
本发明有关于一种功率放大电路及其操作方法，藉由对放大器电路中的驱动级电路提供相对低的供电电压，并对增益级电路提供相对高的供电电压，使得驱动级电路所造成的常需功耗(overhead)可有效地被降低，进而提升功率放大电路操作在回退区时的功率输出效率。
根据本发明一方面，提出一种功率放大电路。功率放大电路包括电源供应模块以及串接的多级放大器电路。多级放大器电路耦接电源供应模块，用以将射频输入信号放大为射频输出信号。多级放大器电路包括驱动级电路以及增益级电路。驱动级电路用以接收并放大射频输入信号，其中驱动级电路自电源供应模块接收第一供电电压以由电源供应模块进行供电。增益级电路用以放大接收自前级放大器电路的信号以输出射频输出信号，其中增益级电路自电源供应模块接收第二供电电压以由电源供应模块进行供电。当功率放大电路操作于回退区(back-off region)时，第一供电电压小于第二供电电压。
根据本发明一方面，提出一种功率放大电路。功率放大电路包括电源供应模块以及串接的多级放大器电路。多级放大器电路耦接电源供应模块，用以将射频输入信号放大为射频输出信号。其中，电源供应模块对多级放大器电路提供多个供电电压以进行供电，该些供电电压至少其中之二具有不同的电压位准。
根据本发明一方面，提出一种功率放大电路的操作方法。功率放大电路包括电源供应模块以及多级放大器电路，多级放大器电路耦接电源供应模块以由电源供应模块进行供电。该操作方法包括以下步骤：透过电源供应模块产生第一供电电压以及第二供电电压。对多级放大器电路中最后一级的放大电路提供第二供电电压，并对多级放大器电路中其他级的放大电路至少其一提供第一供电电压。当功率放大电路操作于回退区时，使第一供电电压小于第二供电电压。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示依据本发明一实施例的功率放大电路的方块图。
图2绘示依据本发明一实施例的功率放大电路的操作方法的流程图。
图3绘示第一供电电压与第二供电电压相对于功率控制信号的一例关系曲线。
图4绘示在不同的供电方案下，功率放大电路的功率增进效率(Power-Added Efficiency,PAE)相对于其输出功率的关系曲线图。
图5绘示在不同供电方案下，电源供应模块的供电电压相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。
图6绘示在不同供电方案下，驱动级电路输出功率相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。
图7绘示在不同供电方案下，增益级电路的增益相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。
图8绘示在不同供电方案下，驱动级电路的供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。
图9绘示在不同供电方案下，增益级电路的供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。
图10绘示在不同供电方案下，整体供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。
其中，附图标记：
10：功率放大电路
12：电源供应模块
14：多级放大器电路
104_1～104_N：驱动级电路
104’：增益级电路
106_1～106_N、106’：电源供应器
RFin：射频输入信号
RFout：射频输出信号
Vcc1_1～Vcc1_N：第一供电电压
Vcc2：第二供电电压
CS：功率控制信号
S202、S204、S206：步骤
BO：功率控制信号指示功率放大电路操作于退回区时的值
MAX：最大值
Pmax：最大输出功率
302、304、402、404、502、504、506、602、604、702、704、802、804、902、904、1002、1004：曲线
具体实施方式
在本文中，参照附图仔细地描述本发明的一些实施例，但不是所有实施例都有表示在图示中。实际上，这些发明可使用多种不同的变形，且并不限于本文中的实施例。相对的，本发明提供这些实施例以满足应用的法定要求。图式中相同的参考符号用来表示相同或相似的元件。
图1绘示依据本发明一实施例的功率放大电路10的方块图。功率放大电路10主要包括电源供应模块12以及串接的多级放大器电路14。电源供应模块12可将外部电源(例如电池)转换成多个供电电压(如Vcc1_1～Vcc1_N、Vcc2)以对多级放大器电路14进行供电。电源供应模块12例如是线性稳压器或其他电源转换电路。
多级放大器电路14耦接电源供应模块12，可将射频输入信号RFin放大为射频输出信号RFout以进行传输。举例来说，射频输出信号RFout被输出至天线端(未绘示)以进行发送。
多级放大器电路14包括一或多级的驱动级电路104_1～104_N(N为正整数)以及增益级电路104’。可理解的是，各级电路之间可另包括匹配电路(未绘示)以改善阻抗匹配效果。第一级的驱动级电路104_1可接收并放大射频输入信号RFin，并对下一级电路输出放大后的射频输入信号RFin。各级的驱动级电路104_1～104_N可分别自电源供应模块接收第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N以由电源供应模块12进行供电。其中，各第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N的电压位准可以是部份相同、全部相同，或是完全相异。举例来说，假设N＝2，驱动级电路104_1所接收的第一供电电压Vcc1_1与驱动级电路104_2所接收的第一供电电压Vcc1_2可以是相同或相异。
增益级电路104’位于多级放大器电路14的最后一级，用以放大接收自前级放大器电路(如驱动级电路104_N)的信号以输出射频输出信号RFout。增益级电路104’可自电源供应模块接收第二供电电压Vcc2以由电源供应模块12进行供电。
依据本发明实施例，当功率放大电路10操作在回退区(back-off region)时，提供至各驱动级电路104_1～104_N的第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N皆小于第二供电电压Vcc2。相较于对功率放大电路的各级放大电路提供相同供电电压的设计，对各驱动级电路104_1～104_N提供相对低的第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N可有效减少驱动级电路104_1～104_N的常需功耗(overhead)，进而降低驱动级电路104_1～104_N所造成的效率的减损。虽然驱动级电路104_1～104_N的输出功率可能因第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N的减少而降低，但这可透过对增益级电路104’提供相对高的第二供电电压Vcc2而加以补偿，使得整体输出功率维持在所需的值。透过此方式，功率放大电路10操作在回退区时的功率输出效率可有效地被提升。
在一实施例中，电源供应模块12回应于外部的功率控制信号CS而输出第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N以及第二供电电压Vcc2。功率控制信号CS例如是射频发送器(未绘示)根据其信号发送功率需要而对功率放大电路10产生的功率调整信号，像是VRAMP信号。在图1的例子中，电源供应模块12包括电源供应器106_1～106_N，其分别耦接驱动级电路104_1～104_N，用以依据功率控制信号CS分别输出相应的第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N以对驱动级电路104_1～104_N进行供电。电源供应模块12更包括电源供应器106’，其耦接增益级电路104’，用以依据功率控制信号CS输出第二供电电压Vcc2以对增益级电路104’进行供电。上述的各电源供应器106_1～106_N及106’除了可以是单独的供电电路，亦可是部分或全部整合在一起的供电电路。
当功率放大电路10操作于回退区，功率控制信号CS使电源供应模块10输出的第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N小于第二供电电压Vcc2，以提升功率放大电路10的输出功率效率。当功率放大电路10操作于饱和区(saturation region)时，可使第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N与第二供电电压Vcc2趋于相等。
图2绘示依据本发明一实施例的功率放大电路的操作方法的流程图。所述的功率放大电路可以是，但不限于，图1所示的功率放大电路10。
在步骤S202，功率放大电路透过电源供应模块产生第一供电电压以及第二供电电压。举例来说，功率放大电路10的电源供应模块12回应于功率控制信号CS产生第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N以及第二供电电压Vcc2。
在步骤S204，电源供应模块对功率放大电路中多级放大器电路的最后一级放大电路提供第二供电电压，并对多级放大器电路的其他级放大电路至少其一提供第一供电电压。举例来说，功率放大电路10的电源供应模块12对增益级电路104’提供第二供电电压Vcc2，并对第一级的驱动级电路104_1提供第一供电电压Vcc1_1。
在步骤S206，当功率放大电路操作于回退区时，电源供应模块使第一供电电压小于第二供电电压。举例来说，当功率放大电路10操作于回退区时，其电源供应模块12将回应于功率控制信号CS输出相对低的第一供电电压Vcc1_1以及相对高的第二供电电压Vcc2，藉此提升功率放大电路10操作在回退区时的功率输出效率。
图3绘示第一供电电压与第二供电电压相对于功率控制信号CS的一例关系曲线。此处所述的第一供电电压例如是，但不限于，图1所示的第一供电电压Vcc1_1～Vcc1_N其中之一。所述的第二供电电压例如是，但不限于，图1所示的第二供电电压Vcc2。
在图3中，曲线302表示第一供电电压相对于功率控制信号CS的关系曲线，曲线304表示第二供电电压相对于功率控制信号CS的关系曲线。在第一供电电压及第二供电电压达到最大值MAX前，第一供电电压随功率控制信号CS变化的电压缓升(ramp up)程度(对应曲线302)小于第二供电电压随功率控制信号CS变化的电压缓升程度(对应曲线304)。藉由此特性，当功率控制信号CS的值指示功率放大电路操作于退回区的功率时(如CS的值＝BO时)，第一供电电压小于第二供电电压。
但本发明并不限于此。在一些实施例中，第一供电电压及第二供电电压亦可随功率控制信号CS呈现其他线性或非线性的变化，只要功率放大电路操作在退回区时，功率控制信号CS使第一供电电压小于第二供电电压即可。
为进一步说明本发明实施例的功率放大电路的运作机制以及所能产生的有利效果，以下将配合图4至9的模拟结果进行说明。
图4绘示在不同的供电方案下，功率放大电路的功率增进效率(Power-Added Efficiency,PAE)相对于其输出功率的关系曲线图。曲线402表示仅对各级放大器电路施加单一供电电压时(以下简称第一供电方案)，功率放大电路的功率增进效率相对于输出功率的关系曲线。曲线404表示对放大器电路中的驱动级和增益级电路分别提供相对低和相对高的供电电压时(以下简称第二供电方案)，功率放大电路的功率增进效率相对于输出功率的关系曲线。由图4可看出，假定功率放大电路操作在回退区时的输出功率低于32dBm，对放大器电路采用第二供电方案相较于采用第一供电方案将可提升约2％～3％的功率增进效率。且值得注意的是，在接近最大输出功率Pmax处，两供电方案所对应的功率增进效率几乎相等。换言之，对放大器电路采用第二供电方案，仍可维持功率放大电路原本在最大输出功率Pmax处的最佳功率增进效率。
图5绘示在不同供电方案下，电源供应模块的供电电压相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。曲线502用以指示在第一供电方案下，对各放大器电路所提供的单一供电电压的变化。曲线504及506则是分别指示在第二供电方案下，对驱动级电路及增益级电路所提供的供电电压的变化。由图5可看出，当功率放大电路操作在回退区时(例如输出功率小于32dBm)，基于第二供电方案提供至驱动级电路的供电电压小于基于第一供电方案所提供的供电电压；而基于第二供电方案提供至增益级电路的供电电压高于基于第一供电方案所提供的供电电压。
图6绘示在不同供电方案下，驱动级电路输出功率相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。在图6中，曲线602及604分别为采用第一及第二供电方案时，驱动级电路的输出功率相对于功率放大电路输出功率的关系曲线。由于第二供电方案对驱动级电路采用较低的供电电压，故驱动级电路的输出功率相较于采用第一供电方案时低。
图7绘示在不同供电方案下，增益级电路的增益相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。在图7中，曲线702及704分别为采用第一及第二供电方案时，增益级电路的增益相对于功率放大电路输出功率的关系曲线。由于第二供电方案对增益级电路采用相对高的供电电压，故增益级电路的增益相较于采用第一供电方案时明显提高。也因此，在第二供电方案下，增益级电路增益的提升可有效弥补驱动级电路输出功率的损失，进而维持几乎相同的功率放大电路输出功率。
图8绘示在不同供电方案下，驱动级电路的供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。在图8中，曲线802及804分别为采用第一及第二供电方案时，驱动级电路的供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线。由图8可看出，在第二供电方案下，驱动级电路所需消耗的供电电流大幅降低。因此，当功率放大电路操作在回退区，驱动级电路在第二供电方案下所造成的常需功耗将明显低于在第一供电方案下所造成的常需功耗。
图9绘示在不同供电方案下，增益级电路的供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。在图9中，曲线902及904分别为采用第一及第二供电方案时，增益级电路的供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线。可由图9看出，即便在第二供电方案下对增益级电路提供相对高的供电电压，但其消耗的供电电流与采用第一供电方案时几乎一致(仅略微降低)。换言之，采用第二供电方案几乎不会增加增益级电路所造成的效率损失。
图10绘示在不同供电方案下，整体供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线图。在图10中，曲线1002及1004分别为采用第一及第二供电方案时，放大器电路的整体供电电流相对于功率放大电路输出功率的关系曲线。承前所述，由于在第二供电方案下，驱动级电路所消耗的供电电流明显降低，而增益级电路所消耗的供电电流几乎维持不变，故由图10可看出，当功率放大电路操作在回退区，放大器电路在第二供电方案下所消耗的整体供电电流明显较在第一供电方案时来得低。
综上所述，本发明实施例所提供的功率放大电路及其操作方法，可藉由对放大器电路中的驱动级电路及增益级电路分别提供相对低及相对高的供电电压，使得驱动级电路所造成的常需功耗可有效地被抑制，进而提升功率放大电路操作在回退区时的功率输出效率。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求保护范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种功率放大电路，其特征在于，包括：
一电源供应模块；以及
串接的多级放大器电路，耦接该电源供应模块，用以将一射频输入信号放大为一射频输出信号，该多级放大器电路包括：
一驱动级电路，用以接收并放大该射频输入信号，其中该驱动级电路自该电源供应模块接收一第一供电电压以由该电源供应模块进行供电；以及
一增益级电路，用以放大接收自前级放大器电路的信号以输出该射频输出信号，其中该增益级电路自该电源供应模块接收一第二供电电压以由该电源供应模块进行供电；
其中当该功率放大电路操作于一回退区时，该第一供电电压小于该第二供电电压。
2.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，该电源供应模块回应于一功率控制信号输出该第一供电电压以及该第二供电电压。
3.如权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，该电源供应模块包括：
一第一电源供应器，耦接该驱动级电路，用以依据该功率控制信号输出该第一供电电压以对该驱动级电路进行供电；以及
一第二电源供应器，耦接该增益级电路，用以依据该功率控制信号输出该第二供电电压以对该增益级电路进行供电。
4.如权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，当该功率放大电路操作于该回退区时，该功率控制信号使该电源供应模块输出的该第一供电电压小于该第二供电电压。
5.如权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，在该第一供电电压及该第二供电电压达到一最大值前，该第一供电电压随该功率控制信号变化的电压缓升程度小于该第二供电电压随该功率控制信号变化的电压缓升程度。
6.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，该多级放大器电路还包括：
另一驱动级电路，耦接于该驱动级电路与该增益级电路之间，该另一驱动级电路自该电源供应模块接收另一第一供电电压以由该电源供应模块进行供电；
其中当该功率放大电路操作于该回退区时，该另一第一供电电压小于该第二供电电压。
7.一种功率放大电路，其特征在于，包括：
一电源供应模块；以及
串接的多级放大器电路，耦接该电源供应模块，用以将一射频输入信号放大为一射频输出信号；
其中该电源供应模块对该多级放大器电路提供多个供电电压以进行供电，该些供电电压至少其中之二具有不同的电压位准；
当该功率放大电路操作于一回退区时，该电源供应模块对该多级放大器电路中最后一级的放大器电路所提供的供电电压位准大于对该多级放大器电路中其他级的放大器电路所提供的供电电压位准。
8.如权利要求7所述的功率放大电路，其特征在于，该电源供应模块依据一功率控制信号产生该些供电电压。
9.一种功率放大电路的操作方法，该功率放大电路包括一电源供应模块以及串接的多级放大器电路，该多级放大器电路耦接该电源供应模块以由该电源供应模块进行供电，该操作方法包括：
透过该电源供应模块产生一第一供电电压以及一第二供电电压；
对该多级放大器电路中最后一级的放大电路提供该第二供电电压，并对该多级放大器电路中其他级的放大电路至少其一提供该第一供电电压；以及
当该功率放大电路操作于一回退区时，使该第一供电电压小于该第二供电电压。
10.如权利要求9所述的操作方法，其特征在于，还包括：
依据一功率控制信号产生该第一供电电压以及该第二供电电压；以及
在该第一供电电压及该第二供电电压达到一最大值前，使该第一供电电压随该功率控制信号变化的电压缓升程度小于该第二供电电压随该功率控制信号变化的电压缓升程度。
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