TW201427352A - 功率放大裝置及應用該功率放大裝置之無線信號傳送器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種功率放大裝置，其中包含參考信號產生器、數位功率放大器及資料產生器。該參考信號產生器提供具有交替出現之致能狀態與禁能狀態之一參考信號。該數位功率放大器根據參考信號及一輸入信號產生一輸出信號。當參考信號處於致能狀態時，該資料產生器交替提供一同相信號與一正交相位信號至該數位功率放大器，做為輸入信號。當參考信號處於禁能狀態時，該資料產生器提供一固定信號做為輸入信號。

Description

功率放大裝置及應用該功率放大裝置之無線信號傳送器
本發明與數位信號處理技術相關，並且尤其與節省功率消耗的數位信號處理技術相關。
隨著電子技術的進步，平板電腦和智慧型手機等各種行動式電子裝置皆蓬勃發展、日漸普及。對於行動式電子裝置製造者來說，如何在提供多樣功能的同時，降低功率消耗以延長操作及待機時間，一直是備受關注的重要議題。此外，近年來強調節能減碳的環保意識逐漸抬頭，無論是固定式或行動式電子裝置，都被期待具備更低的電力消耗量、更高的能源使用效率。
就無線通訊裝置而言，用以收發信號的傳送器/接收器通常是耗電量最高的硬體單元。圖一(A)呈現採用數位正交調變(digital quadrature modulation,DQM)之傳送器的局部電路範例。多工器10係用以根據一選擇信號將同相信號I或正交相位信號Q交替提供至數位功率放大器100。數位邏輯電路12根據多工器10輸出的信號M產生多個信號，用以分別控制多個及閘(AND gate)14。當圖一(A)中的時脈信號具有高電壓準位(或稱處於致能狀態)，數位邏輯電路12的各個輸出信號會通過該等及閘14，進入相對應的數位-類比轉換單元16。相對地，當該時脈信號具有低電壓準位(或稱處於禁能狀態)，該等及閘14的輸出信號便皆為低準位電壓，與 數位邏輯電路12的輸出信號無關。
圖一(B)為單一個數位-類比轉換單元16的功能示意圖。開關16B受到及閘14的輸出信號控制，並且被假設為一個理想的開關(不導通狀態的阻抗為無限大且無寄生電容)。當及閘14的輸出信號為高準位電壓，開關16B會導通，使電流I得以流過負載16A。當及閘14的輸出信號為低準位電壓，開關16B被關閉，電流I也因此被關閉。由此可看出，及閘14的輸出信號會影響通過負載16A的電流大小。此外，通過負載16A的電流大小會影響數位功率放大器100的輸出信號。
圖一(C)為上述時脈信號、選擇信號和資料信號M的時序圖。該時脈信號和選擇信號都是工作週期為50%的方波信號，且選擇信號之頻率是時脈信號之頻率的兩倍。當選擇信號具有高電壓準位，多工器10輸出同相信號I至數位功率放大器100；當選擇信號具有低電壓準位，多工器10輸出正交相位信號Q至數位功率放大器100。由圖一(A)和圖一(C)可看出，在圖中標示的時間區段T內，無論資料信號M的內容為何，該等及閘14的輸出信號皆為零。然而，選擇信號在時間區段T內的準位變化仍然會使得資料信號M發生改變。因此，即使數位功率放大器100的輸出信號在時間區段T內不受資料信號M的影響，數位邏輯電路12依舊會隨著資料信號M的變化而進行相對應的運作，形成無謂的功率消耗。此外，負載16A可具有儲存和釋放能量的能力。在時間區段T內，雖然沒有電流通過開關16B，負載16A中的動能循環仍然可能與資料信號M相關。
為解決上述問題，本發明提出一種新的功率放大裝置及無線信號傳送器。藉由避免數位功率放大器中之數位邏輯電路的無謂切換，功率放大裝置的整體功率消耗可被大幅降低。
根據本發明之一具體實施例為一種功率放大裝置，其中包含一 參考信號產生器、一數位功率放大器及一資料產生器。該參考信號產生器係用以提供一參考信號；該參考信號具有交替出現之一致能狀態與一禁能狀態。該數位功率放大器根據該參考信號及一輸入信號產生一輸出信號。當該參考信號處於該致能狀態時，該資料產生器交替提供一同相信號與一正交相位信號至該數位功率放大器，做為該輸入信號。當該參考信號處於該禁能狀態時，該資料產生器提供一固定信號做為該輸入信號。
根據本發明之另一具體實施例為一種無線信號傳送器，其中包含一射頻信號產生器、一數位功率放大器、一天線及一資料產生器。該射頻信號產生器係用以提供一射頻信號；該射頻信號具有交替出現之一致能狀態與一禁能狀態。該數位功率放大器根據該射頻信號及一輸入信號產生一輸出信號。該天線係用以發射該數位功率放大器之該輸出信號。當該射頻信號處於該致能狀態時，該資料產生器輪流提供一同相信號與一正交相位信號至該數位功率放大器做為該輸入信號。當該射頻信號處於該禁能狀態時，該資料產生器提供一固定信號做為該輸入信號。
藉由以下發明詳述及所附圖式，本發明的優點與精神可以被進一步瞭解。
10‧‧‧多工器
100‧‧‧數位功率放大器
12‧‧‧數位邏輯電路
14‧‧‧及閘
16‧‧‧數位-類比轉換單元
16A‧‧‧負載
16B‧‧‧開關
200‧‧‧功率放大裝置
22‧‧‧參考信號產生器
24‧‧‧數位功率放大器
24A‧‧‧數位邏輯電路
24B‧‧‧及閘
24C‧‧‧數位-類比轉換單元
26‧‧‧資料產生器
26A‧‧‧多工器
26B‧‧‧及閘
300‧‧‧功率放大裝置
32‧‧‧參考信號產生器
34‧‧‧數位功率放大器
34A‧‧‧數位邏輯電路
34B‧‧‧及閘
34C‧‧‧數位-類比轉換單元
36‧‧‧資料產生器
36A‧‧‧多工器
36B‧‧‧控制器
36C‧‧‧開關
36D‧‧‧緩衝器
400‧‧‧功率放大裝置
42‧‧‧參考信號產生器
44‧‧‧數位功率放大器
44A‧‧‧數位邏輯電路
44B‧‧‧及閘
44C‧‧‧數位-類比轉換單元
46‧‧‧資料產生器
46A‧‧‧多工器
46B‧‧‧控制器
46C‧‧‧開關
46D‧‧‧電壓供應器
500‧‧‧無線信號傳送器
52‧‧‧射頻信號產生器
54‧‧‧數位功率放大器
56‧‧‧資料產生器
58‧‧‧天線
圖一(A)呈現採用數位正交調變之傳送器的局部電路範例；圖一(B)為單一個數位-類比轉換單元的功能示意圖；圖一(C)為時脈信號、選擇信號和資料信號的時序圖。
圖二(A)為根據本發明之一具體實施例中的功率放大裝置之功能方塊圖；圖二(B)為其信號時序圖。
圖二(C)和圖二(D)為根據本發明之另外兩個具體實施例的信號時序圖。
圖三(A)為根據本發明之另一具體實施例中的功率放大裝置之功能方塊 圖；圖三(B)為其信號時序圖。
圖四(A)為根據本發明之又一具體實施例中的功率放大裝置之功能方塊圖；圖四(B)為其信號時序圖。
圖五為根據本發明之一具體實施例中的無線信號傳送器之功能方塊圖。
請參考圖二(A)，其為根據本發明之一具體實施例之功率放大裝置200，其包含參考信號產生器22、數位功率放大器24及資料產生器26。於實際應用中，功率放大裝置200可被整合於各種具有功率放大需求的電子裝置，亦可獨立存在。須說明的是，此處所謂本發明一辭係用以指稱該等實施例所呈現的發明概念，但其涵蓋範疇並未受限於該等實施例本身。
參考信號產生器22係用以提供一參考信號；該參考信號具有交替出現之一致能狀態與一禁能狀態。以下說明假設該參考信號為工作週期等於50%的時脈信號，且當該參考信號具有高電壓準位時為處於致能狀態，具有低電壓準位時為處於禁能狀態。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，本發明的範疇不以此假設為限。
數位功率放大器24係用以根據參考信號產生器22提供的參考信號及資料產生器26提供的輸入信號產生一輸出信號。如圖二(A)所示，此實施例中的數位功率放大器24包含數位邏輯電路24A、多個及閘24B和多個數位-類比轉換單元24C。資料產生器26提供的信號會被數位邏輯電路24A轉換為複數個控制該等及閘24B的信號。當該參考信號具有高電壓準位，數位邏輯電路24A的各個輸出信號會通過及閘24B，進入相對應的數位-類比轉換單元24C，被施以數位-類比轉換。相對地，當該參考信號具有低電壓準位，無論數位邏輯電路24A的輸出信號為何，各個及閘24B的輸出信號將保持為低準位電壓。
數位-類比轉換單元24C的功能相似於圖一(B)所呈現之數位-類 比轉換單元16。須說明的是，數位-類比轉換單元24C的實施方式不以特定電路架構為限。數位功率放大器24之輸出信號會與該等數位-類比轉換單元24C中的電流大小相關。因此，當該參考信號處於致能狀態，數位功率放大器24之輸出信號會隨著該輸入信號的變化而改變。相對地，當該參考信號處於禁能狀態，數位功率放大器24之輸出信號便與當時進入數位功率放大器24的輸入信號無關。
資料產生器26包含一多工器26A和一控制器(於此實施例中為及閘26B)。及閘26B的兩輸入信號分別是參考信號產生器22提供的參考信號和藉由延遲該參考信號而產生的一個延遲信號，其時序關係如圖二(B)所示。及閘26B的輸出信號被用以控制多工器26A選擇輸出同相信號I或正交相位信號Q。由圖二(B)可看出，在參考信號處於致能狀態的時間區段T1之內，該控制信號在前半段時間控制多工器26A輸出同相信號I，在後半段時間則是控制多工器26A輸出正交相位信號Q。另一方面，在參考信號處於禁能狀態的時間區段T2之內，該控制信號不變，皆控制多工器26A輸出正交相位信號Q。
由以上說明可知，當該參考信號處於禁能狀態，資料產生器26係固定提供正交相位信號Q做為傳送至數位功率放大器24的輸入信號。實務上，相較於該參考信號，同相信號I和正交相位信號Q都屬於低頻信號。因此，該輸入信號在時間區段T2之內通常不會出現電壓狀態變換。相對應地，在時間區段T2之內，數位邏輯電路24A亦無需進行邏輯切換運作，因而避免了原本的無謂損耗。相較於先前技術，數位功率放大器24的整體功率消耗被大幅降低。
於另一實施例中，圖二(A)中的及閘26B被替換為一反及閘(NAND gate)，相對應的控制信號和輸入信號如圖二(C)所示。在這個情況下，當參考信號處於禁能狀態時，資料產生器26係固定提供同相信號I做為傳送至數位功率放大器24的輸入信號。這種做法同樣能達到減少數 位邏輯電路24A之功率消耗的效果。
於又一實施例中，圖二(A)中的延遲信號被替換為該參考信號的兩倍頻信號，相對應的控制信號和輸入信號如圖二(D)所示。在這個情況下，當參考信號處於禁能狀態時，資料產生器26係固定提供正交相位信號Q做為傳送至數位功率放大器24的輸入信號。這種做法同樣能達到減少數位邏輯電路24A之功率消耗的效果。
根據本發明之另一具體實施例為如圖三(A)所示之功率放大裝置300，其信號時序圖係繪示於圖三(B)。此實施例中的資料產生器36包含多工器36A、控制器36B、開關36C和緩衝器36D。數位功率放大器34包含數位邏輯電路34A、多個及閘34B和多個數位-類比轉換單元34C，其操作細節可參考與數位功率放大器24相關之說明。開關36C和緩衝器36D係串接於多工器36A及數位功率放大器34之間。其中，緩衝器36D可藉由一閂鎖器(latch)來實現。控制器36B負責提供控制信號給多工器36A，並提供開關信號給開關36C。
由圖三(B)可看出，參考信號產生器32產生的參考信號可經由控制器36B提供給開關36C，以做為開關36C的開關信號。當參考信號處於致能狀態，開關36C被設定為導通，使得緩衝器36D將多工器36A之輸出信號傳遞至數位功率放大器34。當參考信號處於禁能狀態，開關36C被設定為不導通。緩衝器36D會暫存開關36C被設定為不導通前多工器36A之輸出信號，並將其暫存結果提供至數位功率放大器34。於此實施例中，每一次開關36C被設定為不導通前多工器36A之輸出信號為正交相位信號Q，因此，在參考信號處於禁能狀態期間，緩衝器36D會持續提供正交相位信號Q做為輸入信號。這種做法顯然能達到減少數位邏輯電路34A之功率消耗的效果。
根據本發明之另一具體實施例為如圖四(A)所示之功率放大裝 置400，其信號時序圖係繪示於圖四(B)。實施例中的資料產生器46包含多工器46A、控制器46B、開關46C和電壓供應器46D。數位功率放大器44包含數位邏輯電路44A、多個及閘44B和多個數位-類比轉換單元44C，其操作細節可參考與數位功率放大器24相關之說明。在此實施例中，參考信號產生器42所產生之參考信號亦經由控制器46B提供給開關46C，以做為開關46C之開關信號。當參考信號處於致能狀態，開關46C被設定為將多工器46A之輸出信號傳遞至數位功率放大器44。當參考信號處於禁能狀態，開關46C被設定為將電壓供應器46D耦接至數位功率放大器44，使電壓供應器46D提供一特定電壓信號做為輸入信號。實務上，該特定電壓信號可具有一接地電壓或電源供應電壓，但不以此為限。由於該特定電壓信號不會導致數位邏輯電路44A進行邏輯切換運作，因此亦能達到減少數位邏輯電路44A之功率消耗的效果。
綜上所述，當參考信號處於致能狀態，根據本發明之資料產生器會輪流提供同相信號I與正交相位信號Q至數位功率放大器做為輸入信號。相對地，當參考信號處於禁能狀態，根據本發明之資料產生器則是提供一固定信號做為數位功率放大器之輸入信號。須說明的是，參考信號的工作週期和致能/禁能狀態設定皆不以以上幾個實施例中的假設為限。舉例而言，圖二(B)中的控制信號之工作週期不一定要為25%。
根據本發明之另一具體實施例為如圖五所示之無線信號傳送器500，其中包含射頻信號產生器52、數位功率放大器54、資料產生器56和天線58。射頻信號產生器52係用以提供一射頻信號；該射頻信號具有交替出現之一致能狀態與一禁能狀態。數位功率放大器54根據該射頻信號及一輸入信號產生一電流，並且數位功率放大器54之一輸出信號與該電流相關。當該射頻信號處於該致能狀態，該電流與該輸入信號相關。當該射頻信號處於該禁能狀態，該電流與該輸入信號無關。當該射頻信號處於該致能狀態，資料產生器56輪流提供一同相信號與一正交相位信號至 數位功率放大器54做為該輸入信號。該射頻信號處於該禁能狀態，資料產生器56提供一固定信號做為該輸入信號。天線58係用以發射數位功率放大器54之輸出信號。
無線信號傳送器500中各硬體模組的詳細實施方式和實施結果可參見先前與功率放大裝置200、300、400相關的段落，於此不再贅述。此外，先前在介紹功率放大裝置200、300、400時描述的數種電路操作流程變化，亦可應用至無線信號傳送器500，其細節不再贅述。
如上所述，本發明提出一種新的功率放大裝置及無線信號傳送器。藉由避免數位功率放大器中之數位邏輯電路的無謂切換，功率放大裝置的整體功率消耗被大幅降低。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
200‧‧‧功率放大裝置
22‧‧‧參考信號產生器
24‧‧‧數位功率放大器
24A‧‧‧數位邏輯電路
24B‧‧‧及閘
24C‧‧‧數位-類比轉換單元
26‧‧‧資料產生器
26A‧‧‧多工器
26B‧‧‧及閘

Claims (20)

  1. 一種功率放大裝置，包含：一參考信號產生器，用以提供一參考信號，該參考信號具有交替出現之一致能狀態與一禁能狀態；一數位功率放大器，用以根據該參考信號及一輸入信號產生一輸出信號；以及一資料產生器，當該參考信號處於該致能狀態時，該資料產生器交替提供一同相信號與一正交相位信號至該數位功率放大器做為該輸入信號，當該參考信號處於該禁能狀態時，該資料產生器提供一固定信號至該數位功率放大器做為該輸入信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大裝置，其中該固定信號為該同相信號、該正交相位信號或一特定電壓信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大裝置，其中該資料產生器包含一多工器及一控制器，該同相信號與該正交相位信號分別為該多工器之輸入信號；該控制器根據該參考信號產生一控制信號，用以控制該多工器選擇該同相信號或該正交相位信號做為該多工器之輸出信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之功率放大裝置，其中該多工器之輸出信號即為提供至該數位功率放大器之該輸入信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之功率放大裝置，其中該控制器包含一及閘，該及閘之兩輸入信號分別為該參考信號與一延遲信號，該延遲信號係藉由將該參考信號延遲而產生，該及閘之輸出信號為該控制信號。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之功率放大裝置，其中該控制器包含一及閘，該及閘之兩輸入信號分別為該參考信號與一倍頻信號，該倍頻信號之頻率為該參考信號之頻率的兩倍，該及閘之輸出信號為該控制信號。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之功率放大裝置，其中該資料產生器進一步包含一開關及一緩衝器，串接於該多工器及該數位功率放大器之間；當該參考信號處於該致能狀態時，該開關被設定為導通，並且該緩衝器將該多工器之輸出信號傳遞至該數位功率放大器；當該參考信號處於該禁能狀態時，該開關被設定為不導通，該緩衝器暫存該開關被設定為不導通前該多工器之輸出信號，並將被暫存之該信號繼續提供至該數位功率放大器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之功率放大裝置，其中該緩衝器為一閂鎖器(latch)。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之功率放大裝置，其中該資料產生器進一步包含一開關及一電壓供應器，當該參考信號處於該致能狀態時，該開關被設定為將該多工器之輸出信號傳遞至該數位功率放大器；當該參考信號處於該禁能狀態時，該開關被設定為將該電壓供應器耦接至該數位功率放大器，使該電壓供應器提供一特定電壓信號至該數位功率放大器做為該輸入信號。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大裝置，其中該輸出信號相關於該數位功率放大器之一內部電流，當該參考信號處於該致能狀態時，該內部電流與該輸入信號相關，當該參考信號處於該禁能狀態時，該內部電流與該輸入信號無關。
  11. 一種無線信號傳送器，包含：一射頻信號產生器，用以提供一射頻信號，該射頻信號具有交替出現之一致能狀態與一禁能狀態；一數位功率放大器，根據該射頻信號及一輸入信號產生一輸出信號；一天線，用以發射該數位功率放大器之該輸出信號；以及一資料產生器，當該射頻信號處於該致能狀態時，該資料產生器交 替提供一同相信號與一正交相位信號至該數位功率放大器做為該輸入信號，當該射頻信號處於該禁能狀態時，該資料產生器提供一固定信號做為該輸入信號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之無線信號傳送器，其中該固定信號為該同相信號、該正交相位信號或一特定電壓信號。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之無線信號傳送器，其中該資料產生器包含一多工器及一控制器，該同相信號與該正交相位信號分別為該多工器之輸入信號；該控制器根據該射頻信號產生一控制信號，用以控制該多工器選擇該同相信號或該正交相位信號做為該多工器之輸出信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之無線信號傳送器，其中該多工器之輸出信號為提供至該數位功率放大器之該輸入信號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之無線信號傳送器，其中該控制器包含一及閘，該及閘之兩輸入信號分別為該射頻信號與一延遲信號，該延遲信號係藉由將該射頻信號延遲而產生，該及閘之輸出信號為該控制信號。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之無線信號傳送器，其中該控制器包含一及閘，該及閘之兩輸入信號分別為該射頻信號與一倍頻信號，該倍頻信號之頻率為該射頻信號之頻率的兩倍，該及閘之輸出信號為該控制信號。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之無線信號傳送器，其中該資料產生器進一步包含一開關及一緩衝器，串接於該多工器及該數位功率放大器之間；當該射頻信號處於該致能狀態時，該開關被設定為導通，並且該緩衝器將該多工器之輸出信號傳遞至該數位功率放大器；當該射頻信號處於該禁能狀態時，該開關被設定為不導通，該緩衝器暫存該開關被設定為不導通前該多工器之輸出信號，並將被暫存之該信號繼續提供至該數位功率放大器。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之無線信號傳送器，其中該緩衝器為一閂鎖器。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之無線信號傳送器，其中該資料產生器進一步包含一開關及一電壓供應器，當該射頻信號處於該致能狀態時，該開關被設定為將該多工器之輸出信號傳遞至該數位功率放大器；當該射頻信號處於該禁能狀態時，該開關被設定為將該電壓供應器耦接至該數位功率放大器，使該電壓供應器提供一特定電壓信號至該數位功率放大器做為該輸入信號。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之無線信號傳送器，其中該輸出信號相關於該數位功率放大器之一內部電流，當該參考信號處於該致能狀態時，該內部電流與該輸入信號相關，當該參考信號處於該禁能狀態時，該內部電流與該輸入信號無關。
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