TW201444272A - 射頻功率放大器與電子系統 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種單晶片設計無需參考電壓之射頻功率放大器，射頻功率放大器包括三端電流源電路、電流鏡電路與輸出級電路。三端電流源電路接收第一系統電壓並據此輸出第一電流及第二電流，並且第一電流之第一輸出端點與第二電流之第二輸出端點之間具有源電壓。電流鏡電路接收第一電流及第二電流並據此產生偏壓電流。輸出級電路接收偏壓電流以工作在操作偏壓點。射頻功率放大器透過三端電流源電路之源電壓使得第一系統電壓在第一電壓與第二電壓之間，來讓輸出級電路輸出不隨第一系統電壓變化且具溫度補償之輸出電流。

Description

射頻功率放大器與電子系統
本發明乃是關於一種射頻功率放大器，特別是指一種利用三端電流源來進行偏壓之射頻功率放大器。
隨著網際網路發達之後，人們習慣於快速大量地接受資訊，特別是在近幾年來無線通信科技的進步，個人行動產品，如行動電話、個人數位助理等產品，以相當驚人的速度普及之後，人們希望能夠掌握即時資訊外，還希望能有即時的線上支援。因此，結合網際網路與無線通信的無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)與第三代(3G)/第四代(4G)網路正是滿足人們這樣需求的一個方案。
在無線通訊手持設備中，主要的直流功率消耗來自於射頻功率放大器。因此，使射頻功率放大器既能具有高線性度而不致讓放大訊號失真，並能同時具有高效率以延長通訊時間，一直是射頻功率放大器設計之研究重點。尤其在無線通訊系統中所廣為採用之正交頻分多工(OFDM)數位調制技術具有明顯的時變波包特性，其峰值與平均功率比值常數(PAPR)遠較現有的無線通訊系統為高，換言之其波包對時間變化較為劇烈，因此對射頻功率放大器的線性度要求也會比較高。
然而，在先前技藝下，以第三代(3G)/第四代(4G)手機系統為例，第三代(3G)/第四代(4G)手機系統對於射頻輸出功率的精準度有著極為嚴格的要求。因為手機電池的電壓值會有相當大的變化，其可能從3.2伏特到4.2伏特不等，因此會影響射頻功率放大器之輸出功率的精準度。
本發明實施例提供一種射頻功率放大器，射頻功率放大器包括三端電流源電路、電流鏡電路與輸出級電路。三端電流源電路連接至電流鏡電路，並且電流鏡電路連接至輸出級電路。三端電流源電路接收第一系統電壓並據此輸出第一電流及第二電流，並且第一電流之第一輸出端點與第二電流之第二輸出端點之間具有源電壓。電流鏡電路接收第一電流及第二電流並據此產生偏壓電流。輸出級電路接收偏壓電流以工作在操作偏壓點。透過三端電流源電路之源電壓使得第一系統電壓在第一電壓與第二電壓之間，來讓輸出級電路輸出不隨第一系統電壓變化且具溫度補償之輸出電流。
在本發明其中一個實施例中，三端電流源電路包括第一電晶體與第一電阻。電流鏡電路包括第二電晶體、第二電阻、第三電阻與第三電晶體。輸出級電路包括第四電晶體。第一電晶體之汲極連接第一系統電壓。第一電阻之一端為第一輸出端點且連接第一電晶體之源極並輸出第一電流。第一電阻之另一端為第二輸出端點且連接第一電晶體之閘極並輸出第二電流。第二電晶體之基極連接第一電阻之一端以接收第一電流，第二電晶體之集極連接第一系統電壓。第二電阻之一端連接第二電晶體之射極，第三電阻之一端連接第二電晶體之射極，第三電晶體之基極連接第二電阻之另一端，第三電晶體之集極連接第一電阻之另一端，第三電晶體之射極連接接地電壓。第四電晶體之基極連接第三電阻之另 一端以接收偏壓電流，第四電晶體之集極連接第二系統電壓，第四電晶體之射極連接接地電壓。當第四電晶體之面積為第三電晶體之面積的N倍且當第二電阻之電阻值約為第三電阻之電阻值的N倍時，則輸出電流為第二電流之N倍，且N為大於1之實數。當第三電晶體工作在主動區時，則第二電晶體之基極電壓為第二電晶體之基射極電壓、第二電阻之壓降與第三電晶體之基射極電壓之總和，藉此以將第一電阻之一端之電壓鎖定在第二電晶體之基極電壓。第四電晶體作為輸出電晶體，用以接收射頻輸入訊號且將其放大以輸出射頻輸出訊號。
本發明實施例另提供一種電子系統，電子系統包括射頻功率放大器與連接至射頻功率放大器的負載。射頻功率放大器接收射頻輸入信號且輸出射頻輸出信號至負載。
綜上所述，本發明實施例所提出之射頻功率放大器與電子系統，透過三端電流源電路之源電壓能夠使得當電池電壓(亦即第一系統電壓)之大幅變化下也都能夠產生穩定之輸出電流。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100、200、400、600、800、1000、1100、1200、1300、1500、1700‧‧‧射頻功率放大器
110‧‧‧三端電流源電路
120‧‧‧電流鏡電路
130‧‧‧輸出級電路
140‧‧‧輸入匹配電路
150‧‧‧輸出匹配電路
c51、c52、c53、c54、c71、c72、c73、c74、c91、c92、c93、c94、c141、c142、c161、c162、c181、c182‧‧‧曲線
CIN、COUT‧‧‧電容
GND‧‧‧接地電壓
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15‧‧‧電晶體
QS1、QS2、QS3‧‧‧開關電晶體
I1、I2‧‧‧電流
IB‧‧‧偏壓電流
IC‧‧‧輸出電流
L‧‧‧電感
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9‧‧‧電阻
RFIN‧‧‧射頻輸入訊號
RFOUT‧‧‧射頻輸出訊號
T1、T2‧‧‧第一輸出端點、第二輸出端點
V‧‧‧源電壓
VA‧‧‧電源電壓
VDD‧‧‧第一系統電壓
VCC‧‧‧第二系統電壓
VM‧‧‧模式切換訊號
VS1、VS2、VS3‧‧‧開關訊號
圖1為根據本發明實施例之射頻功率放大器之區塊示意圖。
圖2為根據本發明實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖3為對應圖2之輸出電流對第一系統電壓之曲線圖。
圖4為根據本發明另一實施例中之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖5A~5D為對照圖4實施例之模擬曲線圖。
圖6為根據本發明再一實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖7A~7D為對照圖6實施例之模擬曲線圖。
圖8為根據本發明更一實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖9A~圖9E為對照圖8實施例之模擬曲線圖。
圖10為根據本發明實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖11為根據圖10實施例之改變連接關係之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖12為根據本發明實施例之具一組電源電壓之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖13為根據本發明另一實施例之具有更佳溫度補償效應之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖14為對照圖13實施例之模擬曲線圖。
圖15為根據本發明再一實施例之具溫度補償效應之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖16為對照圖15實施例之模擬曲線圖。
圖17為根據本發明更一實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。
圖18A~圖18D為對照圖17實施例之模擬曲線圖。
圖19為根據本發明實施例之電子系統之區塊示意圖。
本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。
先前技藝之3G功率放大器(power amplifier,PA)模組採用兩晶片設計，一CMOS晶片提供參考電壓與參考電流及控制電路，另一GaAs晶片提供功率放大電路。
本揭露內容之至少一實施例，採用GaAs HBT+D-mode pHEMT製程設計，可使3G PA模組單晶化，本揭露內容之特點為無需參考電壓，電路精簡面積縮小。
〔射頻功率放大器的實施例〕
請參照圖1，圖1為根據本發明實施例之射頻功率放大器之區塊示意圖。射頻功率放大器100包括三端電流源電路110、電流鏡電路120與輸出級電路130。三端電流源電路110連接至電流鏡電路120，並且電流鏡電路120連接至輸出級電路130。在本揭露內容中，三端電流源電路110接收第一系統電壓VDD並據此輸出第一電流I1及第二電流I2，並且第一電流I1之第一輸出端點T1與第二電流T2之第二輸出端點T2之間具有一源電壓V。電流鏡電路120接收第一電流I1及第二電流I2並據此產生偏壓電流IB。接著，輸出級電路130接收偏壓電流IB以工作在一操作偏壓點，在本實施例中，透過三端電流源電路110之源電壓V使得第一系統電壓VDD在第一電壓與第二電壓之間，來讓輸出級電路130輸出不隨第一系統電壓VDD變化之輸出電流。進一步來說，在直流工作模式下，藉由三端電流源電路110傳送第一電流I1及第二電流I2至電流鏡電路120，當第一系統電壓VDD在升高至電壓3.2伏特時，即能使輸出電流穩定。相較於習知技術，第一系統電壓VDD需至少升高到3.6伏特，輸出電流才會開始成為穩定的電流，由於電池電壓(即第一系統電壓VDD)大都會在3.2伏特與4.2伏特之間變動著，故本揭露內容更能夠符合現今通訊品質之需求。之後，進入到交流模式下，射頻功率放大器100會接收射頻輸入訊號RFIN，並且將其放大而在輸出級電路130輸出一射頻輸出訊號RFOUT。
為了更詳細地說明本發明所述之射頻功率放大器100的運作流程，以下將舉多個實施例中至少之一來作更進一步的說明。
在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖1實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖1實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。
〔射頻功率放大器的另一實施例〕
請參照圖2，圖2為根據本發明實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。三端電流源電路110包括第一電晶體Q1與第一電阻R1。 電流鏡電路120包括第二電晶體Q2、第二電阻R2、第三電阻R3與第三電晶體Q3。輸出級電路130包括第四電晶體Q4。第一電晶體Q1之汲極連接第一系統電壓VDD。第一電阻R1之一端為第一輸出端點T1且連接第一電晶體Q1之源極並輸出第一電流I1。第一電阻R1之另一端為第二輸出端點T2且連接第一電晶體Q1之閘極並輸出第二電流I2。第二電晶體Q2之基極連接第一電阻R1之一端以接收第一電流I1，第二電晶體Q2之集極連接第一系統電壓VDD。第二電阻R2之一端連接第二電晶體Q2之射極，第三電阻R3之一端連接第二電晶體Q2之射極，第三電晶體Q3之基極連接第二電阻R2之另一端，第三電晶體Q3之集極連接第一電阻Q1之另一端，第三電晶體Q3之射極連接接地電壓GND。第四電晶體Q4之基極連接第三電阻R3之另一端以接收偏壓電流IB，第四電晶體Q4之集極連接第二系統電壓VCC，第四電晶體Q4之射極連接接地電壓GND。在進行下述說明前，須先說明的是，第一電晶體Q1為空乏型之假型高速電子移動電晶體(pseudo high electron mobility transistor,pHEMT)，而電晶體Q2、Q3及Q4為異質接面雙極電晶體(Heterojunction bipolar transistor,HBT)
接下來要教示的，是進一步說明射頻功率放大器200的工作原理。
請同時參照圖2與圖3，圖3為對應圖2之輸出電流對第一系統電壓之曲線圖。在無線通訊系統中，射頻功率放大器一直以來都是最關鍵的核心元件之一，其線性度與功率效率對於無線通訊系統的效能與效率有著決定性的影響。在本實施例中，射頻功率放大器200的架構主要是以主動元件為訊號放大，再搭配輸入、輸出端的匹配電路140及150所形成的簡單放大器，主要是負責將所要傳送的調變訊號提高到適當的高電壓準位，使傳送出去後的訊號經由電波傳播媒介到達接收端時，其訊號強度足以提供接收端還原訊號。以第三代(3G)/第四代(4G)手機系統為例，第三代(3G)/第 四代(4G)手機系統對於射頻輸出功率的精準度有著極為嚴格的要求。因為手機電池的電壓值會有相當大的變化，其可能從3.2伏特到4.2伏特不等，因此會影響射頻功率放大器200之輸出功率的精準度。
由圖3可知，在本實施例中，於第一系統電壓VDD遞增至約3.2伏特時，輸出電流IC會開始呈現穩流之現象，故符合目前手機系統之要求。進一步來說，第一電阻R1會有第二電流I2流經過，並在第二輸出端點T2輸出第二電流I2至第三電晶體Q3，同時，第二電晶體Q2會接收到第一電流I1。本揭露內容透過三端電流源電路110之特性，第一電阻R1用以設定偏壓電流大小，以第一電流I1來觸發第二電晶體Q2，並透過第二電晶體Q2、第二電阻R2、第三電阻R3與第三電晶體Q3之動作，輸出一偏壓電流IB至輸出級電路130之第四電晶體Q4(亦即輸出電晶體)，以使第四電晶體Q4工作在一操作偏壓點。而在交流模式下，第四電晶體Q4用以接收一射頻輸入訊號RFIN且將其放大以輸出一射頻輸出訊號RFOUT。須說明的是，當第四電晶體Q4之面積為第三電晶體Q3之面積的N倍且第二電阻R2之電阻值約為第三電阻R3之電阻值的N倍時，輸出電流IC即為第二電流I2之N倍，其中N為大於1之實數，經由電阻R2、R3比例的調整可以得到溫度的補償。此外，值得一提的是，因為第二電晶體Q2之基極為連接至第一電阻R1之一端(亦即圖2中之第一輸出端點T1)，所以第二電阻R2之另一端之第二輸出端點T2之電壓僅要能夠使得第三電晶體Q3正常運作(亦即使第三電晶體Q3進入主動區)即可。進一步來說，當第三電晶體Q3工作在主動區時，則第二電晶體Q2之基極電壓為第二電晶體Q2之基射極電壓、第二電阻R2之壓降與第三電晶體Q3之基射極電壓三者之總和，藉此以將第一電阻R1之一端之電壓鎖定在第二電晶體Q2之基極電壓，進而減少第三電晶體Q3之集射極電壓，而這有助於降低該射頻功率放大器200之操作電壓。在一實施例中，第三電晶體Q3之集射極電壓為2.2伏特左右，而使三端電流源 電路110產生穩定電流之電壓約為1伏特左右，亦即第二輸出端點T2與第一電晶體Q1之間的電壓僅需1伏特左右，所以第一系統電壓VDD只要升高至3.2伏特起，即可使第四電晶體Q4產生穩定之輸出電流IC。
附帶一提的是，在一實施例中，輸出級電路120更具有電感L、電容CIN及COUT。電容CIN之一端耦接第四電晶體Q4的基極，電容COUT的另一端耦接射頻輸入訊號RFIN。電感L耦接第二系統電壓VCC與第四電晶體Q4的集極之間。電容COUT的的一端耦接至第四電晶體Q4的集極，電容COUT的另一端輸出射頻輸出訊號RFOUT。
當射頻功率放大器200尚未開始接收射頻輸入訊號RFIN時，電感L會對直流訊號呈現低阻抗狀態，例如短路，而電容CIN、COUT則會對直流訊號呈現高阻抗狀態，例如斷路。當射頻功率放大器200開始接收射頻輸入訊號RFIN時，電感L會對高頻訊號呈現高阻抗狀態，例如斷路，而電容CIN、COUT則會對高頻訊號呈現低阻抗狀態，例如短路。據此，射頻功率放大器200能夠在直流工作模式與交流工作模式順利的運作。
在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖2實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖2實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。
〔射頻功率放大器的另一實施例〕
請同時參照圖4，圖4為根據本發明另一實施例中之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖2實施例不同的是，在本實施例之射頻功率放大器400中，在第一電流I1之電流路徑上具有第一開關電晶體QS1，其中第一開關電晶體QS1為空乏型之假型高速電子移動電晶體。第一開關電晶體QS1之汲極連接第一電阻R1之一端，第一開關電晶體QS1之閘極連接第一開關訊號VS1，第一開關電晶體QS1之源極連接第二電晶體Q2之基極，其中第一開關電晶體QS1 根據該第一開關訊號VS1之電壓準位來決定本身之導通或截止狀態，也就是說，第一開關電晶體QS1之導通或截止狀態能夠決定整個射頻功率放大器400之開啟或關閉狀態。因此，當第一開關電晶體QS1導通時，則圖4實施例之電路動作與其對應之功效就相當於圖2實施例之電路動作與其對應之功效，在此不再贅述。進一步來說，請同時參照圖4與圖5A~5D，圖5A~5D為對照圖4實施例之模擬曲線圖。在圖5A中，橫軸為溫度(單位為攝氏)、右縱軸為輸出電流之偏移量(單位為百分比%)且左縱軸為輸出電流IC(單位為毫安培)，其為主要繪示輸出電流IC相對於溫度變化之曲線圖並且曲線c51為表示輸出電流，曲線c52為表示輸出電流之偏移量，由圖5A可知，在溫度之變化下，射頻功率放大器400之輸出電流IC之偏差(deviation)小於正負3%，其具有相當不錯之表現。在圖5B中，橫軸為第一系統電壓VDD(單位為伏特)、右縱軸為輸出電流之偏移量(單位為百分比%)且左縱軸為輸出電流IC(單位為毫安培)，其主要繪示輸出電流IC相對於第一系統電壓VDD變化之曲線圖，其中曲線c53為表示輸出電流且曲線c54為表示輸出電流之偏移量，亦即輸出電流IC之偏移量相對於第一系統電壓VDD之變化為小於正負2%。在圖5C中，橫軸為第一開關訊號VS1(單位為伏特)且縱軸為輸出電流IC(單位為毫安培)，其主要繪示輸出電流IC相對於第一開關訊號CS1變化之曲線圖，由圖5C可知，設計者可以透過將第一開關電晶體QS1連接至第二電晶體Q2的基極與第一電晶體Q1的射極之間，以使第一開關電晶體QS1符合1.8伏特之切換邏輯準位。在一實施例中，當第一開關訊號VS1之電壓在0伏特至1伏特時，其為低電壓準位邏輯，當第一開關訊號VS1之電壓在1.7伏特至3.3伏特，其為高電壓準位邏輯。在圖5D中，橫軸為第二系統電壓VCC(單位為伏特)且縱軸為輸出電流IC(單位為毫安培)，其主要繪示輸出電流IC相對於第二系統電壓VCC變化之曲線圖，設計者可以透過直流轉直流方式(DC-to-DC)來動態調整第二系統電壓VCC來達到 動態調整輸出電流IC之電流值，以達到射頻功率放大器400中不同輸出功率之高線性度需求。
〔射頻功率放大器的再一實施例〕
請參照圖6，圖6為根據本發明再一實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖4實施例不同的是，在本實施例之射頻功率放大器600中，在第一系統電壓VDD之端點與第一電晶體Q1之間具有一第五電晶體Q5，其中第五電晶體Q5為空乏型之假型高速電子移動電晶體(p-HEMT)。第五電晶體Q5之汲極連接第一系統電壓VDD，第五電晶體Q5之閘極連接第二電阻R2之一端，第五電晶體Q5之源極連接第一電晶體Q1之汲極。第五電晶體Q5用以進一步穩定第一系統電壓VDD對於輸出電流IC之變化。射頻功率放大器600更包括第二開關電晶體QS2，其中第二開關電晶體QS2為空乏型之假型高速電子移動電晶體。第二開關電晶體QS2之汲極連接第一電晶體Q1之汲極，第二開關電晶體QS2之閘極接收第二開關訊號VS2，第二開關電晶體QS2之源極連接第二電晶體Q2之基極，其中第二開關電晶體QS2在射頻功率放大器600中的工作原理與上述圖4實施例之第一開關電晶體QS1相同，在此不再贅述。接著，請同時參照圖6與圖7A~圖7D，圖7A~7D為對照圖6實施例之模擬曲線圖，其中圖7C及圖7D與上述圖5C與圖5D相同，在此不再贅述。相較於圖5A與圖5B，在圖7A與圖7B中，輸出電流IC在相較於溫度之變化或第一系統電壓VDD之變化，射頻功率放大器700具有更優良之表現。進一步來說，相較於圖5B中，輸出電流IC相較於第一系統電壓VDD之變化為小於正負2%，然而在圖7B中(曲線c73為表示輸出電流且曲線c74為表示輸出電流之偏移量)，輸出電流IC相較於第一系統電壓VDD之變化為小於正負0.5%。因此，當第一系統電壓VDD從3.2伏特變化至4.2伏特時，本實施例之射頻功率放大器700更能夠進一步地穩定輸出電流IC。
在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖7實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖7實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。
〔射頻功率放大器的更一實施例〕
請參照圖8，圖8為根據本發明更一實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖7實施例不同的是，射頻功率放大器800更包括第六電晶體Q6、第七電晶體Q7、第四電阻R4、第五電阻R5與第八電晶體Q8，其中電晶體Q6及Q7為空乏型之假型高速電子移動電晶體，並且電晶體Q8為異質接面雙極電晶體。第六電晶體Q6之汲極連接第一系統電壓VDD。第七電晶體Q7之汲極連接第六電晶體Q6之源極，第七電晶體Q7之閘極連接第一電阻R1之另一端。第四電阻R4之一端連接第七電晶體Q7之源極，第四電阻R4之另一端連接第七電晶體Q7之閘極。第五電阻R5之一端連接第四電阻R4之一端。第八電晶體Q8之集極連接第五電阻R5之另一端，第八電晶體Q8之基極透過第六電阻R6連接模式切換訊號VM，第八電晶體Q8之射極連接接地電壓GND。
於本實施例中，第八電晶體Q8作為一開關來使用，射頻功率放大器800透過模式切換訊號VM之低電壓準位來截止第八電晶體Q8以啟動另一組電流源電路，亦即第六電晶體Q6、第七電晶體Q7與第四電阻R4構成所述另一組電流源電路，以大幅提高射頻功率放大器800之輸出電流IC，藉此提高射頻功率放大器800之輸出功率以滿足不同射頻輸出功率之通訊需求。也就是說，當模式切換訊號VM為低電壓準位時(第八電晶體Q8會被截止)，則第六電晶體Q6、第七電晶體Q7與第四電阻R4會產生一第三電流I3並且與第二電流I2一起流入第三電晶體Q3，則射頻功率放大器800之輸出電流IC會大幅提高以形成一大電流，且射頻功率放大器800會進入高輸出功率模式，以符合高輸出功率之通訊需求；當模式切換訊號VM為高電壓準位時(第八電晶體Q8會被導通以使第六電晶體Q6之閘極連接至接地電壓GND)，此時則只有第二電流I2會流進第三電 晶體Q3，因此射頻功率放大器800之輸出電流IC會下降至一小電流，且射頻功率放大器800會進入低輸出功率模式，以符合低輸出功率之通訊需求。
請同時參照圖8與圖9A~圖9E，圖9A~圖9E為對照圖8實施例之模擬曲線圖。圖9A為繪示輸出電流IC相對於溫度變化之曲線圖，其曲線c91為表示輸出電流且曲線c92為表示輸出電流之偏移量。圖9B為繪示輸出電流IC相對於第一系統電壓VDD變化之曲線圖，其曲線c93為表示輸出電流且曲線c94為表示輸出電流之偏移量。圖9C為繪示輸出電流IC相對於第二系統電壓VCC變化之曲線圖。圖9D為繪示輸出電流IC相對於第二開關訊號VS2變化之曲線圖。圖9E為繪示輸出電流IC相對於模式切換訊號VM變化之曲線圖。值得注意的是(以下假設第二開關電晶體QS2為導通狀態)，在圖9E中，當模式切換訊號VM大於1.2伏特時，射頻功率放大器800之輸出電流IC約為28.5毫安培，當模式切換訊號VM小於1.2伏特時，射頻功率放大器800之輸出電流IC約為51毫安培，因此可以將輸出電流IC提高為1.78倍左右，以進一步提高射頻功率放大器800之輸出功率。
〔射頻功率放大器的一實施例〕
在上述實施例之射頻功率放大器200、400、600及800在第一系統電壓於3.2伏特至4.2伏特時，都能夠產生穩定之輸出電流IC。然而，本揭露內容更進一步能夠將3.2伏特之操作電壓拉低至2.8伏特。請參照圖10，圖10為根據本發明實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖6實施例不同的是，本實施例之射頻功率放大器1000更包括一第九電晶體Q9，其為空乏型之假型高速電子移動電晶體(pHEMT)。第九電晶體Q9之汲極連接第一系統電壓VDD，第九電晶體Q9之閘極連接第一電阻R1之一端，第九電晶體Q9之源極連接第二開關電晶體QS2之汲極且輸出第一電流I1。由於第九電晶體Q9之閘極不會有任何電流通過，所以本實施例中之第一電流I1為由第一系統電壓VDD與第九電晶體Q9所產 生，然而相同的是，第一電流I1都會流至第二開關電晶體QS2之汲極。值得一提的是，第九電晶體Q9之閘極電壓較第九電晶體Q9之源極為低，因此第九電晶體Q9為空乏型之假型高速電子移動電晶體用以降低第一電阻R1之一端之電壓。在一實施例中，第九電晶體Q9之源極為2.6伏特，而第九電晶體Q9之閘極電壓為1.6伏特，因此能夠將第一電阻R1之一端之電壓鎖定在1.6伏特。接著，由於第二電流I2流經第一電阻R1之電壓降之關係，所以第一電阻R1之另一端之電壓為1.2伏特左右，而這1.2伏特之電壓足夠使第三電晶體Q3進入正常運作狀態或主動區域(active region)，故藉此能夠將第一系統電壓VDD從3.2伏特拉低至2.8伏特即能夠使射頻功率放大器1000輸出穩定之輸出電流IC。亦即，第一系統電壓VDD在2.8伏特至4.2伏特之間都能夠使輸出電流IC穩定。
請參照圖11，圖11為根據圖10實施例之改變連接關係之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖10實施例之相異處在於，在本實施例之射頻功率放大器1100中，第九電晶體Q9之汲極連接第一系統電壓VDD，第九電晶體Q9之閘極連接第一電晶體Q1之汲極，第九電晶體Q9之源極連接第二開關電晶體QS2之汲極且輸出第一電流I1，第九電晶體Q9為空乏型之假型高速電子移動電晶體且用以降低第一電晶體Q1之汲極電壓。據此，可以將第五電晶體Q5之源極電壓鎖定在第九電晶體Q9之閘極電壓，因此第一電阻R1之一端之電壓(亦即第一電晶體Q1之源極)會更低，進一步拉低第三電晶體Q3之集射極電壓(但第三電晶體Q3仍然處於正常運作)。故，第一系統電壓VDD能夠從2.6伏特~至4.2伏特之間都能夠使輸出電流IC穩定。
接下來，請參照圖12，圖12為根據本發明實施例之具一組電源電壓之射頻功率放大器之電路示意圖。由圖12可知，本實施例將第一系統電壓與第二系統電壓為合併至共用一組電源電壓VA來操作整體射頻功率放大器1200。值得一提的是，如此的共用一組電源電壓VA之方式也都適用於上述之射頻功率放大器200、400、600、800、1000及1100。
〔射頻功率放大器的另一實施例〕
請參照圖13，圖13為根據本發明另一實施例之具有更佳溫度補償效應之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖6實施例之相異處在於，本實施例之射頻功率放大器1300更包括第十一電晶體Q11，第十二電晶體Q12與第七電阻R7，其中電晶體Q11為異質接面雙極電晶體，並且電晶體Q12為空乏型之假型高速電子移動電晶體。第十一電晶體Q11之集極連接第五電晶體Q5之閘極，第十一電晶體Q11之基極連接第一電晶體Q1之源極，第十一電晶體Q11之集極與基極相互連接。第七電阻R7之一端連接第一電阻R1之另一端，第七電阻R7之另一端連接第九電晶體Q9之射極與第三電晶體Q3之集極。第十二電晶體Q12之閘極連接第三電晶體Q3之基極，第十二電晶體Q12之源極連接第二開關電晶體QS2之閘極，第十二電晶體Q12之汲極連接第二開關訊號VS2。由於第三電晶體Q3為異質接面雙極電晶體(Heterojunction bipolar transistor,HBT)，所以當第三電晶體Q3工作在主動區時，第十二電晶體Q12之閘極電壓會被鎖定在第三電晶體Q3之基射極電壓。在一實施例中，第十二電晶體Q12之閘極電壓會被鎖定在1.3伏特並且因第二電晶體Q2之基射極電壓亦為1.3伏特，所以第二電晶體Q2之基極與第二開關電晶體QS2之源極會是2.6伏特，據此會進而使第二開關電晶體QS2之閘極在接收到1.6伏特以上之電壓時會被導通(因為第二開關電晶體QS2為空乏型之假型高速電子移動電晶體)。當第二開關信號VS2之輸入電壓大於約2.3V，第二開關電晶體QS2之閘極電壓會被鎖定在約2.3伏特，因此使第二開關信號VS2之輸入電壓於1.8V~4.2V均不會影響輸出電流。
此外，就溫度補償效應來說，第十一電晶體Q11之基射極電壓為負溫度係數之電壓，並且第一電阻R1與第七電阻R7之間之電壓為第十一電晶體Q11之基射極電壓。所以，第一電晶體Q1之閘極電壓等於第十一電晶體Q11之基射極電壓乘以第一分壓電阻比值，其中第一分壓電阻比值為第七電阻R7除以第一電阻R1與第七電阻R7之總和。第一電晶體Q1之閘極電壓具有負溫度係數之特性，也就是說適當調整第一電阻R1與 第七電阻R7之間的比例可產生第十一電晶體Q11之基射極電壓為負溫度係數之電壓，進而使第二電流I2與偏壓電流I2為近於零溫度係數之電流。因此，透過上述機制來對溫度效應進行補償以使得輸出電流IC為接近或等於零溫度係數之電流。請同時參照圖13與圖14，圖14為對照圖13實施例之模擬曲線圖。在圖14中，其為繪示輸出電流相對於溫度變化之曲線圖，其中曲線c141為表示輸出電流且曲線c142為表示輸出電流之偏移量。由圖14可知，溫度曲線為三階曲線圖並且在溫度在攝氏負55度至攝氏125度之間，輸出電流IC之變化小於正負0.25%，因此，本實施例之射頻功率放大器1300在面對環境溫度變化上，可以使輸出電流IC非常穩定。
〔射頻功率放大器的再一實施例〕
請參照圖15，圖15為根據本發明再一實施例之具溫度補償效應之射頻功率放大器之電路示意圖。與上述圖6實施例之相異處在於，本實施例之射頻功率放大器1500更包括第八電阻R8、第九電阻R9、第十三電晶體Q13與第十四電晶體Q14，其中電晶體Q13及Q14為空乏型之假型高速電子移動電晶體。第八電阻R8之一端連接第一電阻R1之另一端，第八電阻R8之另一端連接該第一電晶體Q1之閘極。第九電阻R9之一端連接第八電阻R8之另一端。第十三電晶體Q13之閘極連接第八電阻R8之一端，第十三電晶體Q13之汲極與源極連接第九電阻R9之另一端。關於第十四電晶體Q14之動作原理如同上述圖13實施例中之第十二電晶體Q12，故在此不贅述。
接著，由於第十三電晶體Q13之源極與汲極互相連接(類似於二極體組態)並共同連接至第九電阻R9之另一端，所以第八電阻R8與第九電阻R9之兩端電壓為負溫度係數之二極體電壓VD。如圖15所示，第一電晶體Q1之閘極電壓為二極體電壓VD乘以第二分壓電阻比值，其中第二分壓電阻比值為第九電阻R9除以第八電阻R8與第九電阻R9之總和，也就是說適當調整第一電阻R1，第八電阻R8與第九電阻R9之比例可產生第十三電晶體Q13之二極體電壓VD為負溫度係數之電壓，進而使第二電流 I2 B為零溫度係數之電流。因此透過上述機制來對溫度效應進行補償以使得輸出電流IC為接近或等於零溫度係數之電流。請同時參照圖15及圖16，圖16為對照圖15實施例之模擬曲線圖。由圖16可知，其溫度曲線為三階曲線圖並且在溫度在攝氏負55度至攝氏125度之間，輸出電流IC之變化小於正負0.265%，其中曲線c161為表示輸出電流且曲線c162為表示輸出電流之偏移量。因此，本實施例之射頻功率放大器1300在面對環境溫度變化上，亦可以使輸出電流IC非常穩定。
〔射頻功率放大器的更一實施例〕
請參照圖17，圖17為根據本發明更一實施例之射頻功率放大器之電路示意圖。相較於上述圖11實施例，第十五電晶體Q15相當於第九電晶體Q9，第三開關電晶體QS3取代了第二開關電晶體QS2與第二電晶體Q2。進一步來說，第十五電晶體Q15之汲極連接至第一系統電壓VDD，第十五電晶體Q15之閘極連接至第五電晶體Q5之源極。第三開關電晶體QS3之汲極連接至第十五電晶體Q15之源極，第三開關電晶體QS3之閘極接收第三開關訊號VS3，第三開關電晶體QS3連接至第二電阻R2之一端(或第三電阻R3之一端)。值得注意的是，在本實施例中，第十五電晶體Q15與第三開關電晶體QS3為增強型之假型高速電子移動電晶體(pHEMT)，其中第三開關電晶體QS3根據第三開關訊號VS3之電壓準位而決定導通或截止狀態。請同時參照圖17與圖18A~圖18D，圖18A~圖18D為對照圖17實施例之模擬曲線圖。如圖18A所示，輸出電流IC在面對溫度變化之效應上，於溫度在負40度與120度之間，輸出電流IC之變化小於3%左右，因此本實施例之射頻功率放大器1700具有相當良好之溫度補償效應，其中曲線c181為表示輸出電流且曲線c182為表示輸出電流之偏移量。如圖18B所示，當第一系統電壓VDD增加至2.6伏特時，輸出電流IC即會開始呈現穩流之現象。如圖18C所示，第三開關訊號VS能夠維持1.6伏特之切換邏輯準位，符合現今通訊之要求。在圖18D中，當透過直流轉直流(DC-to-DC) 調整第二系統電壓VCC時，輸出電流IC亦會呈現高線性度之優良表現，進而使射頻功率放大器1700之輸出功率呈現高線性度以符合當今對通訊標準之要求。
〔電子系統的一實施例〕
請參照圖19，圖19為根據本發明實施例之電子系統之區塊示意圖。電子系統1900包括射頻功率放大器1910與負載1920。射頻功率放大器1910接收射頻輸入信號RFIN且輸出射頻輸出信號RFOUT至負載1920，亦即射頻功率放大器1910在耦接系統電壓後，會提供一穩定的輸出功率至負載1920。射頻功率放大器1910可以是上述圖1、圖2、圖4、圖6、圖8、圖10、圖11、圖12、圖13、圖15與圖17實施例中之射頻功率放大器100、200、400、600、800、1000、1100、1200、1300、1500及1700的其中之一，且用以提供穩定的輸出功率給負載。電子系統1900可以是各種類型的電子裝置內的系統，電子裝置可以是例如手持裝置或行動裝置等。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
110‧‧‧三端電流源電路
120‧‧‧電流鏡電路
130‧‧‧輸出級電路
140‧‧‧輸入匹配電路
150‧‧‧輸出匹配電路
200‧‧‧射頻功率放大器
CIN、COUT‧‧‧電容
GND‧‧‧接地電壓
Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧電晶體
I1、I2‧‧‧電流
IB‧‧‧偏壓電流
IC‧‧‧輸出電流
L‧‧‧電感
R1、R2、R3‧‧‧電阻
RFIN‧‧‧射頻輸入訊號
RFOUT‧‧‧射頻輸出訊號
T1、T2‧‧‧第一輸出端點
V‧‧‧源電壓
VDD‧‧‧第一系統電壓
VCC‧‧‧第二系統電壓

Claims (18)

  1. 一種射頻功率放大器，包括：一三端電流源電路，接收一第一系統電壓並據此輸出一第一電流及一第二電流，其中該第一電流之一第一輸出端點與該第二電流之一第二輸出端點之間具有一源電壓；一電流鏡電路，電性連接該三端電流源電路，該電流鏡電路接收該第一及該第二電流並據此產生一偏壓電流；以及一輸出級電路，電性連接該電流鏡電路，該輸出級電路接收該偏壓電流以工作在一操作偏壓點，其中透過該三端電流源電路之該源電壓使得當該第一系統電壓在一第一電壓與一第二電壓之間，則該輸出級電路輸出不隨該第一系統電壓變化且具溫度補償之一輸出電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之射頻功率放大器，其中該三端電流源電路包括：一第一電晶體，其汲極連接該第一系統電壓；以及一第一電阻，其一端為該第一輸出端點且連接該第一電晶體之源極並輸出該第一電流，其另一端為該第二輸出端點且連接該第一電晶體之閘極並輸出該第二電流，其中該第一電阻之兩端具有該源電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之射頻功率放大器，其中該電流鏡電路包括：一第二電晶體，其基極連接該第一電阻之一端以接收該第一電流，其集極連接該第一系統電壓；一第二電阻，其一端連接該第二電晶體之射極；一第三電阻，其一端連接該第二電晶體之射極；以及一第三電晶體，其基極連接該第二電阻之另一端，其集極連接該第 一電阻之另一端，其射極連接一接地電壓，其中當該第三電晶體工作在主動區時，則該第二電晶體之基極電壓為該第二電晶體之基射極電壓、該第二電阻之壓降與該第三電晶體之基射極電壓之總和，藉此以將該第一電阻之一端之電壓鎖定在該第二電晶體之基極電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之射頻功率放大器，其中該輸出級電路包括：一第四電晶體，其基極連接該第三電阻之另一端以接收該偏壓電流，其集極連接一第二系統電壓，其射極連接該接地電壓，其中該第四電晶體作為一輸出電晶體，用以接收一射頻輸入訊號且將其放大以輸出一射頻輸出訊號，其中當該第四電晶體之面積為該第三電晶體之面積的N倍時且該第二電阻之電阻值為該第三電阻之電阻值的N倍，則該輸出電流為該第二電流之N倍，且N為大於1之實數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之射頻功率放大器，其中在該第一電流之電流路徑具有一第一開關電晶體，其汲極連接該第一電阻之一端，其閘極連接一第一開關訊號，其源極連接該第二電晶體之基極，其中該第一開關電晶體根據該第一開關訊號之電壓準位來決定導通或截止狀態。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之射頻功率放大器，其中在該第一系統電壓與該第一電晶體之間具有一第五電晶體，其汲極連接該第一系統電壓，其閘極連接該第一電阻之一端，其源極連接該第一電晶體之汲極，其中該第五電晶體用以穩定該第一系統電壓對於該輸出電流之變化，並且該射頻功率放大器更包括一第二開關電晶體，其汲極連接該第一電晶體之汲極，其閘極接收一第二開關訊號，其源極連接該第二電晶體之基極，其中該第二開關電晶體根據該第二 開關訊號之電壓準位來決定導通或截止狀態。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，更包括：一第六電晶體，其汲極連接該第一系統電壓；一第七電晶體，其汲極連接該第六電晶體之源極，其閘極連接該第一電阻之另一端；一第四電阻，其一端連接該第七電晶體之源極，其另一端連接該第七電晶體之閘極，其中該第六電晶體，該第七電晶體與該第四電阻構成一電流源電路以提高該輸出電流；一第五電阻，其一端連接該第四電阻之一端；以及一第八電晶體，其集極連接該第五電阻之另一端，其基極透過一第六電阻連接一模式切換訊號，其射極連接該接地電壓，其中該第八電晶體作為一開關並根據該模式切換訊號來決定導通或截止狀態，其中當該模式切換訊號為低電壓準位時，則該第六電晶體、第七電晶體與第四電阻會產生一第三電流並且與該第二電流一起流入該第三電晶體以提高該輸出電流，當該模式切換訊號為高電壓準位時，則該第二電流會流進該第三電晶體，以降低該輸出電流。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，更包括：一第九電晶體，其汲極連接該第一系統電壓，其閘極連接該第一電阻之一端，其源極連接該第二開關電晶體之汲極且輸出該第一電流，其中該第九電晶體為空乏型電晶體，並且該第九電晶體用以降低該第一電阻之一端之電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，更包括：一第十電晶體，其汲極連接該第一系統電壓，其閘極連接該第一電晶體之汲極，其源極連接該第二開關電晶體之汲極且輸出該第 一電流，其中該第十電晶體為空乏型電晶體，並且該第十電晶體用以降低該第一電晶體之汲極電壓。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，其中該第一系統電壓與該第二系統電壓為相同的一電源電壓。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，更包括：一第十一電晶體，其集極連接該第五電晶體之閘極，其基極連接該第一電晶體之源極，並且其集極與基極相互連接；一第七電阻，其一端連接該第一電阻之另一端，其另一端連接該第十一電晶體之射極與該第三電晶體之集極；以及一第十二電晶體，其閘極連接該第三電晶體之基極，其源極連接該第二開關電晶體之閘極，其汲極連接該第二開關訊號，當該第三電晶體工作在主動區時，該第十二電晶體之閘極電壓會被鎖定在該第三電晶體之基射極電壓，其中該第一電阻與該第七電阻之間之電壓為該第十一電晶體之基射極電壓，並且該第一電晶體之閘極電壓等於該第十一電晶體之基射極電壓乘以一第一分壓電阻比值，且該第一分壓電阻比值為該第七電阻除以該第一電阻與第該七電阻之總和，藉此使該第二電流與該偏壓電流為負溫度係數之電流以補償該輸出電流之溫度效應。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，更包括：一第八電阻，其一端連接該第一電阻之另一端，其另一端連接該第一電晶體之閘極；一第九電阻，其一端連接該第八電阻之另一端；一第十三電晶體，其閘極連接該第八電阻之一端，其汲極與源極連接該第九電阻之另一端，其中該第十三電晶體為一二極體組態，以使該第八電阻與該第九電阻之兩端電壓為負溫度係數之 一二極體電壓；以及一第十四電晶體，其閘極連接該第三電晶體之基極，其汲極連接該第二開關訊號，其源極連接該第二開關電晶體之閘極，其中該第一電晶體之閘極電壓為該二極體電壓乘以一第二分壓電阻比值，而該第二分壓電阻比值為該第九電阻除以該第八電阻與第九電阻之總和，藉此使該第二電流與該偏壓電流為負溫度係數之電流以補償該輸出電流之溫度效應。
  13. 一種電子系統，包括：一如申請專利範圍第1項所述之射頻功率放大器，該射頻功率放大器接收一射頻輸入信號且輸出一射頻輸出信號；以及一負載，連接該射頻功率放大器，該負載接收該射頻輸出信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電子系統，其中該三端電流源電路包括：一第一電晶體，其汲極連接該第一系統電壓；以及一第一電阻，其一端為該第一輸出端點且連接該第一電晶體之源極並輸出該第一電流，其另一端為該第二輸出端點且連接該第一電晶體之閘極並輸出該第二電流，其中該第一電阻之兩端具有該源電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電子系統，其中該電流鏡電路包括：一第二電晶體，其基極連接該第一電阻之一端以接收該第一電流，其集極連接該第一系統電壓；一第二電阻，其一端連接該第二電晶體之射極；一第三電阻，其一端連接該第二電晶體之射極，其中當第二電阻之電阻值為該第三電阻之電阻值的N倍，則該輸出電流為該第二電流之N倍，且N為大於1之實數；以及一第三電晶體，其基極連接該第二電阻之另一端，其集極連接該第 一電阻之另一端，其射極連接一接地電壓，其中當該第三電晶體工作在主動區時，則該第二電晶體之基極電壓為該第二電晶體之基射極電壓、該第二電阻之壓降與該第三電晶體之基射極電壓之總和，藉此以將該第一電阻之一端之電壓鎖定在該第二電晶體之基極電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電子系統，其中該輸出級電路包括：一第四電晶體，其基極連接該第三電阻之另一端以接收該偏壓電流，其集極連接一第二系統電壓，其射極連接該接地電壓，其中該第四電晶體作為一輸出電晶體，用以接收一射頻輸入訊號且將其放大以輸出一射頻輸出訊號。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電子系統，其中在該第一電流之電流路徑具有一第一開關電晶體，其汲極連接該第一電阻之一端，其閘極連接一第一開關訊號，其源極連接該第二電晶體之基極，其中該第一開關電晶體根據該第一開關訊號之電壓準位來決定導通或截止狀態。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之電子系統，其中在該第一系統電壓與該第一電晶體之間具有一第五電晶體，其汲極連接該第一系統電壓，其閘極連接該第一電阻之一端，其源極連接該第一電晶體之汲極，其中該第五電晶體用以穩定該第一系統電壓對於該輸出電流之變化，並且該射頻功率放大器更包括一第二開關電晶體，其汲極連接該第一電晶體之汲極，其閘極接收一第二開關訊號，其源極連接該第二電晶體之基極，其中該第二開關電晶體根據該第二開關訊號之電壓準位來決定導通或截止狀態。
TW102115861A 2013-05-03 2013-05-03 射頻功率放大器與電子系統 TWI516021B (zh)

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