CN110504930B

CN110504930B - 功率放大装置

Info

Publication number: CN110504930B
Application number: CN201810708490.9A
Authority: CN
Inventors: 陈智圣; 温明轩
Original assignee: Richwave Technology Corp
Current assignee: Richwave Technology Corp
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: US10574196B2; TWI654830B; TW202005265A; US20190356283A1; CN110504930A

Abstract

本发明公开了一种功率放大装置，包含第一放大器、第二放大器、电容、节点及阻抗匹配电路。第二放大器放大接收自第一放大器传来的射频信号。电容耦接于第一放大器的输出端及第二放大器的输入端之间。节点设置于第二放大器的输入端及电容之间。阻抗匹配电路耦接于节点与共同电压端。阻抗匹配电路相对于射频信号的中心频率为实质上开路。阻抗匹配电路提供相对于射频信号的中心频率的两倍频率自节点至共同电压端的实质上短路路径。

Description

功率放大装置

技术领域

本发明涉及一种功率放大装置，尤其是指一种能够在高功率时维持线性表现的功率放大装置。

背景技术

随着网络和行动装置的普及，人们对于无线通信的需求也越来越高，而射频功率放大器则可说是无线通信系统中的关键组件。射频功率放大器可以放大特定频率的射频信号，使得射频信号能够稳定地被接收以解析出其中的资讯，达到无线通信的目的。为了因应不同的使用环境，射频功率放大器常需要消耗大量的能量，以将射频信号放大到所需的强度。然而在高功率的放大过程中，射频功率放大器常常会失去线性放大的特性，导致射频信号失真。

此外，由于射频功率放大器一般会位于信号发射器的最后一级，因此射频功率放大器的线性程度将直接影响到无线通信的质量。影响射频功率放大器线性失真的一个重要原因是三阶交互调变(the third order intercept and intermodulation，IM3)。交互调变是两个或两个以上频率相近的输入信号经过放大器的非线性特性之后，在输出端所产生的频率集合，而其中三阶交互调变的频率与输入信号的频率最为接近，因此难以利用滤波器滤除。

发明内容

本发明的一实施例提供一种功率放大装置，功率放大装置包含第一放大器、第二放大器、第一电容、第一节点及第一阻抗匹配电路。

第一放大器放大射频信号，第二放大器接收自第一放大器传来的射频信号，并放大射频信号。第一电容耦接于第一放大器的输出端及第二放大器的输入端之间。第一节点设置于第二放大器的输入端及第一电容之间。第一阻抗匹配电路耦接于第一节点与共同电压端之间。第一阻抗匹配电路对应于射频信号的中心频率为实质上的开路，且第一阻抗匹配电路提供对应于射频信号的中心频率的两倍频率自第一节点至共同电压端的实质短路路径。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。

图1为本发明一实施例的功率放大装置的示意图。

图2为本发明另一实施例的功率放大装置的示意图。

【附图标记说明】

100、200 功率放大装置

110、120 放大器

130、230 第一阻抗匹配电路

L1至L3 电感

C1至C4 电容

R1至R6 电阻

N1至N3 节点

170 第二阻抗匹配电路

180 第三阻抗匹配电路

VT1 共同电压端

VT2 系统电压端

V1 第一系统电压

232 开关组件

240 侦测电路

242 第一偏压电路

250 第二偏压电路

260 补偿电路

M1至M3 晶体管

Vref1至Vref3 参考电压

V2 第二系统电压

具体实施方式

图1为本发明一实施例的功率放大装置100的示意图。功率放大装置100包含放大器110、放大器120、电容C1及第一阻抗匹配电路130。

放大器110可放大射频信号，而放大器120可接收并放大自放大器110传来的射频信号。也就是说，放大器110及放大器120可为前后两级放大器，以将射频信号逐级放大。在本发明的部分实施例中，功率放大装置100还可根据所需的信号强度，包含更多级的放大器。

此外，功率放大装置100可将电容C1耦接于放大器110的输出端及放大器120的输入端之间，以减少传输路径上的直流功耗。第一阻抗匹配电路130可耦接于节点N1与共同电压端VT1之间，而节点N1则设置于放大器120的输入端及电容C1之间。在本发明的部分实施例中，共同电压端VT1可提供第一系统电压V1，第一系统电压V1可例如为接地电压或系统的参考电压。

在此实施例中，功率放大装置100主要会针对射频信号来进行放大，上述射频信号会具有一中心频率(central frequency)。由于射频信号在经过放大器的非线性特性后所产生的三阶交互调变也会具有接近于射频信号的中心频率的频率，而不易滤除，且三阶交互调变主要是由射频信号的二阶谐波所造成，因此对应于射频信号的中心频率的两倍频率的信号，第一阻抗匹配电路130可以提供自节点N1至共同电压端VT1的实质短路路径，以使射频信号的二阶谐波被分流，而削减三阶交互调变的强度。如此一来，就能够提高输出射频信号的线性程度，并维持无线通信的质量。在本发明的部分实施例中，第一阻抗匹配电路130可例如为对应于射频信号的中心频率的两倍频率的陷波(notch)滤波器。

此外，第一阻抗匹配电路130对应于射频信号的中心频率则可为实质上的开路，以确保射频信号能够顺利输入放大器120。由于第一阻抗匹配电路130可以在射频信号即将进入放大器120之前，提供实质的短路路径以供射频信号的二阶谐波分流，因此可以有效减少三阶交互调变的产生。

在图1的实施例中，第一阻抗匹配电路130包含电感L1、电容C2及电感L2。电感L1耦接于节点N1及节点N2之间，而第一阻抗匹配电路130会透过节点N2耦接至共同电压端VT1。电感L2与电容C2串联于节点N1及节点N2之间，也就是说，电容C2与电感L2形成的串联路径会与电感L1并联。通过选择适当的容值及感值，第一阻抗匹配电路130就能对应于射频信号的中心频率提供实质开路，且对应于射频信号的中心频率的两倍频率提供实质短路路径。

此外，在图1中，第一阻抗匹配电路130还可包含电阻R1。电阻R1具有第一端及第二端。电阻R1的第一端耦接于电感L1，而电阻R1的第二端耦接于节点N2。在此情况下，电容C2及电感L2可串联于节点N1及电阻R1的第一端之间。通过电阻R1，第一阻抗匹配电路130就可以调整对应于射频信号的差频的阻抗，达到增强抑制三阶交互调变的效果。

然而本发明并不限定第一阻抗匹配电路130须包含电阻R1，在本发明的部分实施例中，若实际操作的条件许可，则第一阻抗匹配电路130也可将电阻R1省略。

在图1中，功率放大装置100还可包含第二阻抗匹配电路170及第三阻抗匹配电路180。第二阻抗匹配电路170耦接于放大器110的输出端与电容C1，并可提供放大器110的输出端至共同电压端VT1对应于射频信号的中心频率的两倍频率的实质短路路径。第三阻抗匹配电路180可耦接于放大器120的输出端，并可提供放大器120的输出端至共同电压端VT1对应于射频信号的中心频率的两倍频率的实质短路路径。也就是说，第二阻抗匹配电路170及第三阻抗匹配电路180可例如为对应于射频信号的中心频率的两倍频率的陷波(notch)滤波器，因此可以在射频信号传输路径上的不同位置都提供对应于射频信号的中心频率的两倍频率的短路路径，以进一步确保功率放大装置100的线性特性。

然而，在本发明的部分实施例中，当电容C1较大时，利用第一阻抗匹配电路130就可能足以符合系统对于线性特性需求，在此情况下，功率放大装置100也可将第二阻抗匹配电路170省略。

在本发明的部分实施例中，由于功率放大装置的线性失真可能会在高功率的情况下较为明显，因此还可通过开关组件和侦测电路来控制第一阻抗匹配电路。

图2为本发明另一实施例的功率放大装置200的示意图。功率放大装置100及200具有相似的结构并可根据相似的原理操作。然而，功率放大装置200的第一阻抗匹配电路230还包含开关组件232。开关组件232具有第一端耦接于节点N2，及第二端耦接于共同电压端VT1，并可选择性地导通节点N2与共同电压端VT1之间的短路路径。

此外，功率放大装置200还可包含侦测电路240。侦测电路240耦接于开关组件232及射频信号的传输路径上的节点N3。侦测电路240可侦测功率放大装置200于节点N3上的输出功率，并在输出功率高于预定值时，导通开关组件232以对应地导通节点N2与共同电压端VT1之间的短路路径。也就是说，功率放大装置200可以在高功率的模式下，亦即输出功率高于预定值时，才将第一阻抗匹配电路230的开关组件232导通，此时第一阻抗匹配电路230才会提供对应于射频信号的中心频率的两倍频率的信号自节点N1至共同电压端VT1的实质短路路径。反之，当功率放大装置200并未操作在高功率模式，亦即输出功率未高于预定值时，开关组件232就不会被导通，此时第一阻抗匹配电路230在实质上即为开路，因此能够避免不必要地改变功率放大装置200的在低功率时的整体阻抗。

在图2的实施例中，节点N3可设置于放大器110的输出端及电容C1之间，而侦测电路240则会侦测放大器110的输出端到电容C1路径上的功率大小。然而，由于当功率模式改变时，在传输路径上的射频信号强度一般也都会对应的改变，因此在本发明的其他实施例中，节点N3也可设置于射频信号的传输路径上的其他位置。也就是说，侦测电路240也可根据系统的需求，侦测传输路径上其他位置的功率。举例来说，节点N3亦可设置于节点N1与电容C1之间，又或设置于节点N1及放大器120的输入端之间。此外，由于射频信号在传输路径的不同位置可能会具有不同的强度，因此在设计侦测电路240时，可根据节点N3的位置调整内部的组件，以配合需侦测的射频信号强度的大小。

在图2中开关组件232可包含晶体管M1。晶体管M1具有第一端、第二端及控制端，晶体管M1的第一端耦接于节点N2，晶体管M1的第二端耦接于共同电压端VT1，而晶体管M1的控制端耦接于侦测电路240。在此情况下，侦测电路240便可在输出功率高于预定值时，导通晶体管M1的第一端与第二端之间的信号路径。

由于晶体管M1在导通时会具有导通电阻，因此在选择电阻R1的电阻值以提供对应于射频信号的差频的阻抗时，也可将晶体管M1的导通电阻一并考虑，以提供更加准确的阻抗。

此外，在本发明的部分实施例中，晶体管M1也可以是以二极管方式连接(diodeconnected)的晶体管，换言之，晶体管M1的控制端可耦接于晶体管M1的第一端。在此情况下，侦测电路240则会在输出功率高于预定值时，提供对应的偏压电压以导通以二极管方式连接的晶体管M1。或者，开关组件232也可直接包含二极管，以取代晶体管M1。举例来说，二极管的第一端(例如阳极)可耦接于节点N2及侦测电路240，而二极管的第二端(例如阴极)可耦接于共同电压端VT1。在此情况下，侦测电路240则可在输出功率高于预定值时，提供对应的偏压电压至二极管的第一端以导通以二极管，形成节点N2与共同电压端VT1之间的短路路径。在本发明的部分实施例中，当晶体管M1包含双极性结型晶体管(bipolar junctiontransistor；BJT)时，晶体管M1的第一端为集极端，第二端为射极端，控制端为基极端。

在图2中，侦测电路240可包含晶体管M2、电容C3及电阻R2。晶体管M2具有第一端、第二端及控制端，晶体管M2的第一端可接收参考电压Vref1以导通晶体管M2，晶体管M2的第二端耦接于开关组件232。电阻R2与电容C3串联于节点N3及晶体管M2的控制端之间。此外，侦测电路240还可包含电阻R3及电容C4。电阻R3具有第一端及第二端，电阻R3的第一端耦接于晶体管M2的第二端，电阻R3的第二端可耦接于共同电压端VT1。电容C4具有第一端及第二端，电容C4的第一端耦接于晶体管M2的第二端，而电容C4的第二端可耦接于共同电压端VT1。在本发明的部分实施例中，当晶体管M2包含双极性结型晶体管时，晶体管M2的第一端为集极端，第二端为射极端，控制端为基极端。

在此实施例中，电容C3及电阻R2可以将节点N3上的高频射频信号耦合至侦测电路240，电阻R2可以提供稍高的阻抗，以避免电容C3耦合过多的射频信号而对功率放大装置的性能造成不良的影响。当功率放大装置200进入高功率的操作模式时，借由导通的晶体管M2、电阻R3及电容C4则可将交流的射频信号整流为直流偏压电压以导通晶体管M1。也就是说，透过选择适当的电容C3、电阻R2、电容C4及电阻R3，就可以在功率放大装置200进入高功率的操作模式，亦即功率高于预定值时，将交流的射频信号整流为直流信号以偏压晶体管M2，并进一步导通晶体管M1。由于功率放大装置200可以根据系统的需求选择侦测电路240所侦测的节点N3的位置，因此在设计侦测电路240时，可根据所侦测的节点N3所在的位置判断射频信号的强度，并选择对应适合的电阻及电容，以确保侦测电路240能够在功率放大装置200进入高功率操作模式时，对应地作动。

此外，在图2中，侦测电路240还可包含第一偏压电路242。第一偏压电路242包含电阻R6，且第一偏压电路242可经由电阻R6提供参考电压Vref2至晶体管M2的控制端，以确保晶体管M2处于导通的状态。

由于当开关组件232被导通时，第一阻抗匹配电路230将会对应地灌电流(sinkthe current)，为避免射频信号的强度受到影响，功率放大装置200还可包含第二偏压电路250以输出供应电流，进而补偿第一阻抗匹配电路230所灌入的电流。第二偏压电路250可耦接于放大器120的输入端与电容C1之间。在图2中，第二偏压电路250可包含晶体管M3。晶体管M3具有第一端、第二端及控制端，晶体管M3的第一端可接收第二系统电压V2，晶体管M3的第二端耦接于放大器120的输入端与电容C3之间，而晶体管M3的控制端可接收参考电压Vref3。在本发明的部分实施例中，当晶体管M3包含双极性结型晶体管时，晶体管M3的第一端为集极端，第二端为射极端，控制端为基极端。在本发明的部分实施例中，第二系统电压V2可例如为系统中的操作电压，而可大于第一系统电压V1。

此外，功率放大装置200还可包含补偿电路260。补偿电路260可耦接于第二偏压电路250及侦测电路240。当侦测电路240侦测到输出功率高于预定值时，侦测电路240便可经由补偿电路260控制第二偏压电路250以增加供应电流。

举例来说，补偿电路260可包含电阻R4，而第二偏压电路250还可包含电阻R5。电阻R4具有第一端及第二端，电阻R4的第一端耦接于第二偏压电路250，而电阻R4的第二端耦接于侦测电路240。电阻R5具有第一端及第二端，电阻R5的第一端耦接于晶体管M3的第二端，而电阻R5的第二端可耦接于放大器120的输入端与电容C3之间。

在图2中，补偿电路260的电阻R4的第一端可耦接于电阻R5的第一端，因此当侦测电路240导通开关组件232时，电阻R5的压降会被改变，促使晶体管M3提升供应电流。然而本发明并不以此为限，在本发明的部分实施例中，电阻R4的第一端也可耦接于电阻R5的第二端。

透过功率放大装置200，在高功率时，第一阻抗匹配电路230可抑制射频信号的二阶谐波，进而抑制功率放大装置所产生的三阶交互调变，提升功率放大装置200的线性表现。此外，透过第二偏压电路250及补偿电路260，还能够即时地提供第一阻抗匹配电路230所灌入的电流，避免射频信号的强度减弱。

在图1及图2中，功率放大装置100及200还可包含电感L3。电感L3可耦接于放大器110的输出端与电容C1，并耦接至系统电压端VT2，因此可在放大器110的输出端提供直流偏压电压以供放大器110所需。

综上所述，本发明的实施例所提供的功率放大装置可以利用阻抗匹配电路减少射频信号的二阶谐波，进而抑制功率放大装置所产生的三阶交互调变。此外，本发明的实施例所提供的功率放大装置还可包含侦测电路，因此在功率放大装置操作在高功率时，便能导通阻抗匹配电路中的开关组件，以避免阻抗匹配电路改变功率放大装置在低功率时的匹配阻抗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种功率放大装置，包含：

一第一放大器，用来放大一射频信号；

一第二放大器，用来接收自该第一放大器传来的该射频信号，并放大该射频信号；

一第一电容，耦接于该第一放大器的一输出端及该第二放大器的一输入端之间；

一第一节点，设置于该第二放大器的该输入端及该第一电容之间；及

一第一阻抗匹配电路，耦接于该第一节点与一共同电压端，其中该第一阻抗匹配电路对应于该射频信号的一中心频率为一开路，且该第一阻抗匹配电路用来提供对应于该射频信号的该中心频率的一个两倍频率自该第一节点至该共同电压端的一实质短路路径。

2.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，该第一阻抗匹配电路包含：

一第一电感，耦接于该第一节点及一第二节点之间；

一第二电容；及

一第二电感，与该第二电容串联于该第一节点及该第二节点之间；

其中，该第一阻抗匹配电路通过该第二节点耦接至该共同电压端，且该第二电容与该第二电感形成的串联路径与该第一电感并联。

3.如权利要求2所述的功率放大装置，其特征在于，该第一阻抗匹配电路还包含：

一开关组件，具有一第一端耦接于该第二节点，及一第二端耦接于该共同电压端，用来选择性地导通该第二节点与该共同电压端之间的短路路径。

4.如权利要求2或3所述的功率放大装置，其特征在于，该第一阻抗匹配电路还包含：

一第一电阻，具有一第一端耦接于该第一电感，及一第二端耦接于该第二节点；

其中该第二电容及该第二电感是串联于该第一节点及该第一电阻的该第一端之间。

5.如权利要求3所述的功率放大装置，其特征在于，还包含一侦测电路，耦接于该开关组件及该射频信号的一传输路径上的一第三节点，用来侦测该功率放大装置于该第三节点上的一输出功率，并于该输出功率高于一预定值时，导通该开关组件以对应地导通该第二节点与该共同电压端之间的短路路径。

6.如权利要求5所述的功率放大装置，其特征在于，该第三节点设置于该第一放大器的该输出端及该第一电容之间、该第一节点与该第一电容之间或该第一节点及该第二放大器的该输入端之间。

7.如权利要求5所述的功率放大装置，其特征在于，该开关组件包含：

一二极管，具有一第一端耦接于该第二节点及该侦测电路，及一第二端耦接于该共同电压端。

8.如权利要求5所述的功率放大装置，其特征在于，该开关组件包含：

一第一晶体管，具有一第一端耦接于该第二节点，一第二端耦接于该共同电压端，及一控制端耦接于该侦测电路。

9.如权利要求8所述的功率放大装置，其特征在于，该第一晶体管为以二极管方式连接的晶体管。

10.如权利要求8所述的功率放大装置，其特征在于，该侦测电路于该输出功率高于该预定值时，导通该第一晶体管的该第一端与该第二端之间的信号路径。

11.如权利要求5所述的功率放大装置，其特征在于，该侦测电路包含：

一第二晶体管，具有一第一端用来接收一第一参考电压，一第二端耦接于该开关组件，及一控制端；

一第三电容；及

一第二电阻，与该第三电容串联于该第三节点及该第二晶体管的该控制端之间。

12.如权利要求11所述的功率放大装置，其特征在于，该侦测电路还包含：

一第三电阻，具有一第一端耦接于该第二晶体管的该第二端，及一第二端耦接于该共同电压端；及

一第四电容，具有一第一端耦接于该第二晶体管的该第二端，及一第二端耦接于该共同电压端。

13.如权利要求11所述的功率放大装置，其特征在于，该侦测电路还包含：

一第一偏压电路，包含一第六电阻，该第一偏压电路用来经由该第六电阻提供一第二参考电压至该第二晶体管的该控制端。

14.如权利要求5所述的功率放大装置，其特征在于，还包含：

一第二偏压电路，耦接于该第二放大器的该输入端与该第一电容之间，用来输出一供应电流。

15.如权利要求14所述的功率放大装置，其特征在于，该第二偏压电路包含：

一第三晶体管，具有一第一端用来接收一第二系统电压，一第二端耦接于该第二放大器的该输入端与该第一电容之间，及一控制端用来接收一第三参考电压。

16.如权利要求14所述的功率放大装置，其特征在于，包含：

一补偿电路，耦接于该第二偏压电路及该侦测电路；

其中当该侦测电路侦测到该输出功率高于该预定值时，该侦测电路经由该补偿电路控制该第二偏压电路以增加该供应电流。

17.如权利要求16所述的功率放大装置，其特征在于，该补偿电路包含：

一第四电阻，具有一第一端耦接于该第二偏压电路及一第二端耦接于该侦测电路。

18.如权利要求17所述的功率放大装置，其特征在于，该第二偏压电路包含：

一第三晶体管，具有一第一端用来接收一第二系统电压，一第二端，及一控制端用来接收一第三参考电压；及

一第五电阻，具有一第一端耦接于该第三晶体管的该第二端，及一第二端耦接于该第二放大器的该输入端与该第一电容之间；

其中该补偿电路中，该第四电阻的该第一端是耦接于该第五电阻的该第一端或该第五电阻的该第二端。

19.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，还包含一第三电感，耦接于该第一放大器的该输出端及该第一电容，用来提供一直流偏压电压。

20.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，还包含一第二阻抗匹配电路，耦接于该第一放大器的该输出端与该第一电容，其中该第二阻抗匹配电路用来提供该第一放大器的该输出端至该共同电压端对应于该射频信号的该中心频率的该两倍频率的一实质短路路径。

21.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，还包含一第三阻抗匹配电路，耦接于该第二放大器的该输出端，其中该第三阻抗匹配电路用来提供该第二放大器的一输出端至该共同电压端对应于该射频信号的该中心频率的该两倍频率的一实质短路路径。