CN1848670A - 功率放大器电路及开关控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种功率放大器电路，用以放大输入的讯号，此电路包括一个斜坡讯号控制器、一个或多个电流源、和一个或多个功率放大级。斜坡讯号控制器接收致能讯号来产生斜坡讯号。此斜坡讯号控制电流源产生一斜坡电流。此斜坡电流提供功率放大级作为偏压电流，功率放大级的增益正比于偏压电流，因而使得上述输出讯号的分组为一斜坡。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大器，特别是涉及功率放大器电路和其方法。
背景技术
通讯领域的频谱管理与应用通常参照美国联邦通讯委员会(FederalCommunications Commission，FCC)所颁布的标准来规范频谱的传送功率以及防止频谱使用者间的互相干扰。
在分时多任务无线通讯系统中，发射机需要不断地开关，因而讯号分组强度会不断地突然改变，在讯号分组快速改变的瞬间，频谱宽度会超出正常规范的频谱范围之外，这个现象称为频谱溅出(spectral splatter)。频谱溅出不但会对邻近的频谱产生干扰、违反频谱使用规范，而且会浪费不必要的能量，所以发射机设计者必须修改设计，以避免这种情况产生。
目前已经有数种能够减低频谱溅出的方法被提出，包括加入滤波器来移除不想要的频率成分。然而，滤波器不但无法有效移除不想要的频率，同时会增加不必要的讯号衰减。另外一种方法，则是利用斜坡电流来偏压功率放大器，这种方法减慢讯号分组的振幅变化。当斜坡讯号控制电路收到输出需要突然改变的触发讯号后，就产生一缓慢改变的偏压电流给功率放大器。该功率放大器依照该偏压改变的速度来放大输入讯号，因而避免发射机输出讯号分组的突然改变，以抑制不想要的频率产生。
图1显示一现有功率放大器电路的方块图，包括运算放大器(Operational Amplifier，OA)10、MOS 12、以及功率放大器(Power Amplifier，PA)14。OA 10的输出连接到MOS12的栅极，OA 10的反向输入连接到MOS 12的源极和PA 14的电源输入。
当现有功率放大器电路要将输入讯号Sin1放大成输出讯号Sout1时，OA 10的非反向输入接收由逻辑低到逻辑高的致能讯号Sen1，导致OA 10的输出产生一偏压用以打开MOS 12，供给PA 14的电压源输入一供给电压。上述供给电压也回馈到OA 10的反向输入，所以当OA 10的反向和非反向输入电压减少，上述偏压也随的减少，导致一斜坡电压讯号送到PA 14的电压源输入。PA 14对输入讯号Sin1的放大增益随着电压源变化而改变，因而使得输出讯号Sout1的分组为斜坡讯号。
虽然现有功率放大器电路提供斜坡控制能力，但也同时有先天的电路限制。第一，现有功率放大器电路的PA 10增加电路复杂度。第二，MOS 12的功率消耗产生不必要的功率使用。第三，因为MOS 12固定的电压降，PA 14的供给电压没有办法使用完整的电压源VCC范围。最后，为了禁得起强大的驱动电流，MOS 12的组件大小一定要够大，所以需要更多电路面积并且增加制造成本。
另外，功率放大器电路也需要控制斜坡偏压讯号的启始或延迟。如果在斜坡偏压讯号到达最大或最小值后，输入讯号才到达功率放大器电路，仍然会产生频谱溅出。
因此，这里需要一种有斜坡讯号控制和延迟控制的功率放大器电路。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种功率放大器电路，此电路包括一个斜坡讯号控制器、一个或多个电流源、和一个或多个功率放大级。斜坡讯号控制器接收致能讯号来产生斜坡讯号。斜坡讯号控制电流源产生一斜坡电流。此斜坡电流提供功率放大级作为偏压电流功率，由于功率放大级的增益正比于偏压电流，因而使得上述输出讯号的分组为一斜坡讯号。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1显示一现有功率放大器电路的方块图。
图2显示本发明实施例中的功率放大器的方块图。
图3显示图2的功率放大电路的电路概要图。
图4显示本发明实施例中的差动模拟数字转换器。
图5显示本发明实施例中的二阶段功率放大器电路。
图6为图3功率放大器电路中一些选择讯号的时序图。
附图符号说明
10-OA；12-OA；14-PA；20-斜坡讯号控制器；22-电流源；24-功率放大器；200-第一计数器；2000-延迟缓存器；2002-第二计数器；202-DAC；204-滤波器；264-阶段匹配单元。
具体实施方式
在此必须说明的是，以下披露内容中所提出的不同实施例或范例，是用以说明本发明所揭示的不同技术特征，其所描述的特定范例或排列用以简化本发明，而并非用以限定本发明。此外，在不同实施例或范例中可能重复使用相同的标号与符号，重复使用的标号与符号用以说明本发明所揭示的内容，而并非用以表示不同实施例或范例间的关系。
图2显示本发明实施例中的功率放大器的方块图，包括斜坡讯号控制器20，电流源22，和功率放大器24。斜坡讯号控制器20连接到电流源22，接着连接到功率放大器24。
当要放大输入讯号Sin然后从功率放大器24输出时，斜坡讯号控制器20接收致能讯号Sen用以产生斜坡讯号Sramp。斜坡讯号Sramp的斜率可以由致能讯号Sen决定。在一些实施例中，如果致能讯号Sen由逻辑低切换到逻辑高时，斜坡讯号控制器20产生一个上升斜率方向的斜坡讯号Sramp，而当致能讯号Sen由逻辑高切换到逻辑低时，斜坡讯号控制器20产生一个下降斜率方向的斜坡讯号Sramp。其它斜坡讯号Sramp的属性包括斜率、讯号强度、和讯号延迟长度可以用固定或可调整的方式实现。
电流源22从斜坡讯号控制器20接受斜坡讯号Sramp，因此产生偏压电流Ibias。偏压电流Ibias可以以正斜率或负斜率的方式产生一斜坡电流。
功率放大器24包括一连接到固定电流源输入VCC的电压源输入Vsup，并且由偏压电流Ibias偏压功率放大器24来放大输入讯号Sin，使得输出讯号Sout的分组为一斜坡，而最小化瞬时噪声以及频谱溅出(spectralsplatter)。
图3显示图2的功率放大电路的电路概要图，其中斜坡讯号控制器20包括第一计数器200、模拟数字转换器202、和滤波器204和电流源22，该电流源22包括固定电流源220，金属氧化物半导体场效晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOS)221、222、223、226，双极性晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)224、225、22 7、228，MOS260，以及开关261，功率放大器24包括BJT 240、242和电感244。第一计数器200连接到模拟数字转换器202、滤波器204、然后到MOS223和226的栅极。固定电流源220连接到MOS 221的漏极和接地(ground)间。MOS 221、222和260利用其栅极连接在一起，其源极连接到电压源VCC。MOS 223和226的源极连接到MOS 222的漏极，并且其漏极分别连接到BJT 224和227的集极。BJT 224、225、227和228的基极分别连接到其集极。BJT 224的射极连接到BJT 225的集极，BJT 225的射极连接到地。BJT 227的射极连接到BJT 228的集极，BJT 228的射极连接到地。BJT 227的集极也连接到输入讯号Sin、BJT 240的基极、和开关261。开关261更连接到MOS 260的漏极。BJT 240的射极连接到BJT 242的基极，其集极连接到电压源VCC。BJT 242的集极连接到电感244，其射极连接到地。电感244连接到电压源VCC。
当需要放大输入讯号Sin时，斜坡讯号控制器20内的第一计数器200接收致能讯号Sen和时钟讯号clk，计数时钟讯号clk的时钟脉冲，用以建立一第一计数直到到达一目标计数。上述第一计数可以为二进制数，在本实施例中为一4位二进制数。一旦斜坡讯号控制器20检测到致能讯号Sen内的逻辑低到逻辑高切换，第一计数器200可以由b’0000计数到b’1111，用以建立一上升斜坡讯号。当斜坡讯号控制器20检测到致能讯号Sen内的逻辑高到逻辑低切换，第一计数器2 00可以由b’1111计数到b’0000，用以建立一下降斜坡讯号。第一计数器200可以还由第二计数器2002延迟上述第一计数一预定期间。该预定期间储存于延迟缓存器2000。第二计数器2002计数时钟讯号clk的时钟脉冲，用以建立延迟缓存器2000内储存的预定期间。上述预定期间可以为一固定值，或一经由延迟讯号Sdly设定延迟缓存器延迟缓存器2000的可设定值。
模拟数字转换器202由第一计数器200获得上述第一计数，且转换上述第一计数的4位二进制数至一模拟斜坡讯号Sramp。模拟数字转换器202可以为一差动模拟数字转换器，产生一带有斜坡讯号Sramp和反向斜坡讯号斜坡讯号Sramp’的差动讯号对。如果第一计数为向上计数的二进制数，模拟数字转换器202产生一向上锯齿讯号Sramp和向下锯齿讯号Sramp’。如果第一计数为向下计数的二进制数，模拟数字转换器202产生一向下锯齿讯号Sramp和向上锯齿讯号Sramp’。
滤波器204接收和缓和由模拟数字转换器202来的差动讯号对的锯齿讯号，用以输出上述差动讯号对的斜坡讯号Sramp和反向斜坡讯号斜坡讯号Sramp’。
电流源22由204接收斜坡讯号Sramp和反向斜坡讯号斜坡讯号Sramp’，用以控制电流源对MOS 226和223，使得当其一逐渐打开时，另一个会逐渐关上。固定电流源220经由电流反射镜(current mirror)MOS 221、222和260提供一参考电流镜射给其它分支。MOS 222提供一固定电流分派给电流源对MOS 226和223。BJT 224和225连接成二极管形式，用以在其集极和射极间建立一固定二极管电压而实现一在BJT 224的集极的固定偏压。同样地当BJT 227和228皆打开时会有一固定偏压在BJT227的集极。当在MOS 226的栅极接收到上升斜坡讯号Sramp以及在MOS 223的栅极接收到下降反向斜坡讯号Sramp’时，MOS 223逐渐打开用以提供偏压电流Ibias一增加的斜坡讯号，而且MOS 226逐渐关上使得其漏极电流为一下降的斜坡讯号。
BJT240和242的集极连接到固定电压源VCC。功率放大器24中BJT240的基极由偏压电流Ibias偏压，导致射极电流I.e.，和偏压电流Ibias一起改变。输入讯号Sin由偏压电流Ibias调变用以控制输出讯号Sout的波封分组边缘为一斜坡，藉此减低瞬时噪声和频谱溅出。开关261由第一计数器200而来的前置讯号Sini控制，当需要时用来加快输出讯号Sout的斜坡。
图4显示本发明实施例中的差动模拟数字转换器，用于图3的模拟数字转换器202中，包括MOS 400、402、404、410、412、414、416、420、422、424、426、430、432、434、436、反相器440、442、444、446、448、448、450、452、454、456、电容458、462、和电阻460、464、466。
DAC输入470、472、474和476由第一计数器200分别接收上述4位第一计数的一个位，产生反向位480、482、484、486和非反向位490、492、494和496。当第一记数向上计算时，DAC输入470、472、474和476轮流接收到一逻辑高讯号，因此相对应地关上反向位480、482、484和486，以及打开非反向位490、492、494和496。MOS 420、422、424、和426依序由非反向位490、492、494和496打开，在输出428建立一向上锯齿讯号作为斜坡讯号Sramp。同样地MOS 410、412、414、416依序由反向位480、482、484、和486关上，导致一向下锯齿讯号作为反向斜坡讯号Sramp′。
图5显示本发明实施例中的二阶段功率放大器电路，包括图3中的功率放大器电路，第二电流源22b，MOS 262，开关263，阶段间匹配单元264，和第二功率放大器24b。第二电流源22b以类似图3中的功率放大器电路2的方式连接到开关263、MOS 262的漏极、以及第二功率放大器24b，除了第一功率放大器24a的BJT 242a的集极(输出讯号Sout)经由阶段间匹配单元264连接到开关263。
第一功率放大器24a的输出讯号在第二功率放大器24b再次放大，用以产生最后输出讯号Sout，其带有一斜坡分组，如同图3所揭露的功率放大器原理。
虽然图5披露了一个二阶段功率放大器电路，多阶段功率放大器电路也可以用相似原理实现，熟习此技艺者可以依其需要做相对应的改变。
图6为图3功率放大器电路中一些选择讯号的时序图，包括致能讯号Sen600，第一计数602，差动讯号604，输出讯号Sout606，预定期间610，上升斜坡期间612和下降斜坡期间614。
当致能讯号Sen600由逻辑低切换到逻辑高时，第一计数器200先延迟一预定期间610，然后由h’0计算到h’F作为第一计数。模拟数字转换器202转换第一计数，滤波器204缓和上数转换的第一计数并且输出包括上升斜坡讯号Sramp和下降反向斜坡讯号Sramp’的差动讯号对。上升讯号Sramp打开MOS 226用以输出上升斜坡偏压电流Ibias，和正弦曲线的输入讯号Sin结合产生输出讯号Sout，该输出讯号Sout于上升斜坡期间612带有一上升波封分组边缘。当致能讯号Sen600由逻辑高切换到逻辑低时，第一计数器200先由h’F计算到h’0作为第一计数。模拟数字转换器202转换该第一计数，滤波器204缓和上数转换的第一计数并且输出包括下降斜坡讯号Sramp和上升反向斜坡讯号Sramp’的差动讯号对。下降斜坡讯号Sramp关上MOS 226用以输出下降斜坡的偏压电流Ibias，和正弦曲线的输入讯号Sin结合产生输出讯号Sout，该输出讯号Sout于下降斜坡期间614带有一下降波封分组边缘。
本发明还包括一种功率放大的方法，使用图3和图5所披露的功率放大器电路放大输入讯号Sin至输出讯号Sout，包括在斜坡讯号控制器20中接收致能讯号Sen来产生斜坡讯号Sramp，在电流源22中由斜坡讯号Sramp产生一斜坡电流Ibias，连接固定电压源VCC于功率放大器24的第一电压源输入Vsup，以及由上述斜坡电流偏压Ibias来放大上述输入讯号Sin，使得输出讯号Sout的分组为一斜率。
在一些实施例中，上述接收步骤包括在接收致能讯号Sen后，第一计数器200以输入时钟clk计数第一计数，以及模拟数字转换器202转换上述第一计数至斜坡讯号Sramp。在另一些实施例中，上述转换步骤包括模拟数字转换器202转换上述第一计数至一差动讯号对，其中上述差动讯号对为斜坡讯号Sramp和反向斜坡讯号Sramp’。
在一些实施例中，上述方法还包括第二计数器2002延迟上述第一计数预定期间。其中第一计数器200可以还包含延迟缓存器2000用以储存上述预定期间，使用延迟讯号Sdly改变延迟缓存器2000内的上述预定期间。
在一些实施例中，上述方法还包括用滤波器204缓和由模拟数字转换器202而来的讯号Sramp，产生带有上升斜坡和下降斜坡的差动讯号对。
上述方法可以还包括连接第二功率放大器24b的第二电压源输入于固定电压源VCC，以及由斜坡电流Ibias偏压第二功率放大器24b，使得第二输出讯号的分组为一斜坡。
本发明虽以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。
Claims (16)
1.一种功率放大器电路将一输入讯号放大成一输出讯号，包括：
一斜坡讯号控制器，接收一致能讯号来产生一斜坡讯号；
一电流源，连接到上述斜坡讯号控制器，由上述斜坡讯号产生一斜坡电流；以及
一功率放大级，连接到上述电流源，包括一连接于一固定电压源的第一电压源输入，由上述斜坡电流偏压来放大上述输入讯号，使得上述输出讯号的分组为一斜坡。
2.如权利要求1所述的功率放大器电路，其中上述斜坡讯号控制器包括：
一第一计数器接收上述致能讯号，以及以一输入时钟计数一第一计数；以及
一数字模拟转换器，连接到上述第一计数器和上述电流源，以及转换上述第一计数至上述斜坡讯号。
3.如权利要求2所述的功率放大器电路，其中上述数字模拟转换器转换上述第一计数至一差动讯号对，其中上述差动讯号对为上述斜坡讯号和一反向斜坡讯号。
4.如权利要求2所述的功率放大器电路，其中上述第一计数器还延迟上述第一计数一预定期间。
5.如权利要求4所述的功率放大器电路，其中上述第一计数器还包含一第二计数器，用以计数上述预定期间。
6.如权利要求4所述的功率放大器电路，其中上述第一计数器还包含一延迟缓存器，用以储存上述预定期间。
7.如权利要求2所述的功率放大器电路，其中上述斜坡讯号控制器还包括一滤波器，连接到上述数字模拟转换器，并且缓和上述斜坡讯号。
8.如权利要求1所述的功率放大器电路，还包括一第二放大阶段，连接到上述电流源和上述功率放大级，包括一连接于上述固定电压源的第二电压源输入，由上述斜坡电流偏压来放大上述输出讯号，使得一第二输出讯号的分组为一斜坡。
9.一种功率放大的方法，将一输入讯号放大成一输出讯号，包括：
接收一致能讯号来产生一斜坡讯号；
由上述斜坡讯号产生一斜坡电流；
连接一固定电压源于一功率放大级的第一电压源输入；以及
由上述斜坡电流偏压来放大上述输入讯号，使得上述输出讯号的分组为一斜坡。
10.如权利要求9所述的功率放大的方法，其中上述接收步骤包括：
在接收上述致能讯号后，一第一计数器以一输入时钟计数一第一计数；以及
转换上述第一计数至上述斜坡讯号。
11.如权利要求10所述的功率放大的方法，其中上述转换步骤包括转换上述第一计数至一差动讯号对，其中上述差动讯号对为上述斜坡讯号和一反向斜坡讯号。
12.如权利要求10所述的功率放大的方法，还包括延迟上述第一计数一预定期间。
13.如权利要求12所述的功率放大的方法，其中上述延迟步骤包括用一第二计数器计数上述预定期间。
14.如权利要求12所述的功率放大的方法，其中上述第一计数器还包含一延迟缓存器，用以储存上述预定期间。
15.如权利要求10所述的功率放大的方法，还包括用一滤波器缓和上述斜坡讯号。
16.如权利要求9所述的功率放大的方法，还包括：
连接一第二放大阶段的一第二电压源输入于上述固定电压源；以及
由上述斜坡电流偏压上述第二放大阶段，使得一第二输出讯号的分组为一斜坡。
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