TW202312657A - 線性放大器及電源調製器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種線性放大器，包括放大級、直流位準偏移級、補償網絡和功率級。放大級用於產生第一信號和第二信號。直流位準偏移級用於調整第一信號的直流電壓和第二信號的直流電壓，以產生調整後的第一信號和調整後的第二信號。補償網絡用於根據第一信號、第二信號、調整後的第一信號及調整後的第二信號產生第一驅動信號和第二驅動信號。功率級用於根據第一驅動信號和第二驅動信號產生輸出信號。

Description

線性放大器及電源調製器
本發明實施例通常涉及放大器，以及更具體地，涉及一種線性放大器和電源調製器。
在功率調製器中使用的傳統線性放大器中，線性放大器內的放大輸出級直接耦接到用於產生電源電壓的功率級。在功率級的設計中，靜態電流（quiescent current）是基於功率級內電晶體的柵源電壓（gate-source voltage，Vgs）確定的，也就是說，如果電晶體的柵源電壓較小，則功率級的靜態電流較小，而如果電晶體的柵源電壓較大，則功率級的靜態電流較大。然而，由於功率級的電晶體接收放大輸出級的輸出信號，如果將功率級的電晶體設計為具有較小的柵源電壓以降低靜態電流，則放大級的線性度會變差，且輸出信號的擺幅（swing）變小。因此，線性放大器需要在功率級的靜態電流和放大級的線性度之間進行權衡。
因此，本發明的目的之一在於提供一種利用直流（DC）位準偏移級來解耦放大級的線性放大器，以解決上述問題。
根據本發明的一實施例，一種線性放大器包括放大級、DC位準移位級、補償網絡和功率級。放大級用於產生第一信號和第二信號。直流位準偏移級用於調整第一信號的直流電壓及第二信號的直流電壓，以產生調整後的第一信號及調整後的第二信號。補償網絡用於根據第一信號、第二信號、調整後的第一信號及調整後的第二信號產生第一驅動信號及第二驅動信號。功率級用於根據第一驅動信號和第二驅動信號產生輸出信號。
在一些實施例中，該調整後的第一信號的直流電壓與該第一信號的直流電壓不同，以及，該調整後的第二信號的直流電壓與該第二信號的直流電壓不同。
在一些實施例中，該調整後的第一信號的直流電壓高於該第一信號的直流電壓，以及，該調整後的第二信號的直流電壓低於該第二信號的直流電壓。
在一些實施例中，該補償網絡根據該第一信號和該調整後的第一信號產生該第一驅動信號，以及，根據該第二信號和該調整後的第二信號產生該第二驅動信號；該功率級包括串聯耦接的P型電晶體和N型電晶體，該P型電晶體的閘極接收該第一驅動信號，該N型電晶體的閘極接收該第二驅動信號。
在一些實施例中，該補償網絡包括第一前饋路徑以在該第一驅動信號中保持該第一信號的交流分量，以及，該補償網絡包括第二前饋路徑以在該第二驅動信號中保持該第二信號的交流分量。
在一些實施例中，該補償網絡對該第一信號進行高通濾波操作，對該調整後的第一信號進行低通濾波操作，以及，組合該第一信號的高通濾波結果和該調整後的第一信號的低通濾波結果，以產生該第一驅動信號。
在一些實施例中，該補償網絡對該第二信號進行高通濾波操作，對該調整後的第二信號進行低通濾波操作，以及，組合該第二信號的高通濾波結果和該調整後的第二信號的低通濾波結果，以產生該第二驅動信號。
在一些實施例中，該補償網絡包括第一電容和第一電阻，該第一電容的第一節點用於接收該第一信號，該第一電阻的第一節點用於接收該第一調整後的信號，該第一電容的第二節點耦接該第一電阻的第二節點，以及，該第一驅動信號被產生在該第一電容的第二節點或該第一電阻的第二節點上。
在一些實施例中，該補償網絡包括第二電容和第二電阻，該第二電容的第一節點用於接收該第二信號，該第二電阻的第一節點用於接收該調整後的第二信號，該第二電容的第二節點耦接該第二電阻的第二節點，以及，該第二驅動信號被產生在該第二電容的第二節點或該第二電阻的第二節點上。
在一些實施例中，該放大級是AB類放大級。
根據本發明的另一實施例，提供了一種電源調製器，其中，該電源調製器包括如上所述之任意一項線性放大器。
在閱讀了各種附圖和圖式中示出的優選實施例的以下詳細描述之後，本發明的這些和其他目的對於本領域普通技術人員無疑將變得顯而易見。本發明內容是通過示例的方式提供的，並非旨在限定本發明。在下面的詳細描述中描述其它實施例和優點。本發明由申請專利範圍限定。
以下描述為本發明實施的較佳實施例。以下實施例僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而係以組件在功能上的差異來作為區別的基準。本發明的範圍應當參考后附的申請專利範圍來確定。在以下描述和申請專利範圍當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於…”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接至另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。文中所用術語“基本”或“大致”係指在可接受的範圍內，所屬技術領域中具有通常知識者能夠解決所要解決的技術問題，基本達到所要達到的技術效果。舉例而言，“大致等於”係指在不影響結果正確性時，所屬技術領域中具有通常知識者能夠接受的與“完全等於”有一定誤差的方式。
第1圖是根據本發明一實施例示出的電源調製器（例如，包絡跟蹤電源調製器）和功率放大器130的示意圖，其中，電源調製器包括線性放大器110和開關轉換器120。如第1圖所示，功率放大器130用於接收射頻輸入信號RFin以產生射頻輸出信號RFout，以及，功率放大器130的電源電壓（supply voltage）由電源調製器（例如，線性放大器110和開關轉換器120）產生。特別地，開關轉換器120用於提供高效率（high efficiency）的低頻電流I SW，線性放大器用於提供中等效率（middle efficiency）的高頻電流I L，電流I SW和電流I L之和構成輸出電流Iout流入功率放大器130。
第2圖為本發明一實施例的線性放大器110的示意圖。如第2圖所示，線性放大器110包括放大級（在本實施例中以AB類放大級210進行示例描述，應當說明的是，本發明並不限於該放大級為實現AB類放大的結構的示例）、直流位準偏移級（DC level shifting stage）220、補償網絡（compensation network）230和功率級（power stage）240。補償網絡230包括電容C1、C2和電阻R1、R2，功率級240包括連接在電源電壓VDD和地電壓之間的P型電晶體（例如，P型金屬氧化物半導體（P-type Metal-Oxide-Semiconductor，PMOS））242和N型電晶體（例如，N型金屬氧化物半導體（N-type Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS））244，其中，電容C1耦接在AB類放大級210的第一輸出端與PMOS 242的閘極之間，電容C2耦接在AB類放大級210的第二輸出端與NMOS 244的閘極之間，電阻R1耦接在直流位準偏移級220的第一輸出端與PMOS 242的閘極之間，電阻R2耦接在直流位準偏移級220的第二輸出端與PMOS 244的閘極之間。
值得注意的是，第2圖中所示的功率級240是為了說明的目的，而不是對本發明的限制。例如，在其他實施例中，一個或多個電晶體/組件可位於PMOS 242與電源電壓之間，和/或，一個或多個電晶體/組件可位於PMOS 242與NMOS 244之間，和/或，一個或多個電晶體/組件可以位於NMOS 244和地電壓（亦可互換地描述為“接地電壓”）之間。
在線性放大器110的操作中，AB類放大級210產生第一信號Vgpl和第二信號Vgnl，其中，第一信號Vgpl和第二信號Vgnl中的每一個具有直流（Direct Current，DC）部分/分量（DC電壓）和交流（(Alternating Current，AC）部分/分量（AC信號）。在本發明實施例中，第一信號Vgp1和第二信號Vgp2在操作時是共模（common-mode）信號。直流位準偏移級220調整第一信號Vgp1的直流電壓，以產生調整後的第一信號Vgp1'，其中，該調整後的第一信號Vgp1'的直流電壓不同於第一信號Vgp1的直流電壓。例如，在本實施例中，調整後的第一信號Vgp1'的直流電壓高於第一信號Vgp1的直流電壓。直流位準偏移級220進一步調整第二信號Vgn1的直流電壓以產生調整後的第二信號Vgn1'，其中，調整後的第二信號Vgn1'的直流電壓不同於第二信號Vgn1的直流電壓。例如，在本實施例中，調整後的第二信號Vgn1'的直流電壓低於第二信號Vgn1的直流電壓。
補償網絡230接收第一信號Vgp1和調整後的第一信號Vgp1'，以產生第一驅動信號Vgp，其中，第一驅動信號Vgp的直流電壓來自調整後的第一信號Vgp1'，以及，第一驅動信號Vgp的交流信號來自第一信號Vgp1。具體地，對於調整後的第一信號Vgp1'，電阻R1和電容C1構成低通濾波器，使得低於該低通濾波器(由電阻R1和電容C1組成)的-3dB轉角頻率（-3dB corner frequency）的信號分量（signal component）通過電阻R1。對於第一信號Vgp1，電容C1和電阻R1構成高通濾波器，使得高於該高通濾波器（例如，由電容C1和電阻R1構成）的-3dB轉角頻率的信號分量通過電容C1。第一驅動信號Vgp是通過組合第一信號Vgp1的高通濾波結果和調整後的第一信號Vgp1'的低通濾波結果產生的。類似地，補償網絡230接收第二信號Vgn1和調整後的第二信號Vgn1'，以產生第二驅動信號Vgn，其中，第二驅動信號Vgn的直流電壓來自調整後的第二信號Vgn1'，第二驅動信號Vgn的交流信號來自第二信號Vgn1。具體地，對於調整後的第二信號Vgn1'，電阻R2和電容C2構成低通濾波器，使得低於低通濾波器（例如，由電阻R2和電容C2構成）的-3dB轉角頻率的信號分量通過電阻R2。對於第二信號Vgn1，電容C2和電阻R2構成高通濾波器，使得高於該高通濾波器（例如，由電阻R2和電容C2構成）的-3dB轉角頻率的信號分量通過電容C2。第二驅動信號Vgn是通過組合第二信號Vgn1的高通濾波結果和調整後的第二信號Vgn1'的低通濾波結果產生的。
功率級240的PMOS 242和NMOS 244分別接收第一驅動信號Vgp和第二驅動信號Vgn，以產生輸出信號Vout。
需要注意的是，補償網絡230內的詳細電路是為了說明目的，而不是對本發明的限製。只要補償網絡230能夠對第一信號Vgp1進行高通濾波操作，對調整後的第一信號Vgp1'進行低通濾波操作，並將第一信號Vgp1的高通濾波結果與調整後的第一信號Vgp1'的低通濾波結果組合以產生第一驅動信號Vgp；和/或，補償網絡230能夠對第二信號Vgn1進行高通濾波操作，對調整後的第二信號Vgn1'進行低通濾波操作，並將第二信號Vgn1的高通濾波結果與調整後的第二信號Vgn1'的低通濾波結果組合以產生第二驅動信號Vgn，補償網絡230可具有不同的電路設計，而並不應當限於第2圖所示的示例實現方式。
在上述實施例中，通過使用直流位準偏移級對功率級和AB類放大級進行去耦（de-couple，亦可互換地描述為“解耦”，在本發明實施例中，AB類放大級不是直接耦接到功率級），並使用前饋路徑（即，補償網絡230中的R1/C1/R2/C2）以應用交流耦合前饋（AC-coupled feedforward）來保持（preserve）交流信號（即，AB類放大級的輸出信號中的交流分量），第一驅動信號Vgp或第二驅動信號Vgn能夠具有適當的直流電壓和足夠的交流擺幅。具體而言，在本實施例中，由於第一驅動信號Vgp具有較高的直流電壓和/或第二驅動信號Vgn具有較低的直流電壓，因此，PMOS 242和/或NMOS 244將具有較小的柵源電壓（Vgs），使得功率級240具有較小的靜態電流。此外，由於第一信號Vgp1的直流電壓可以低於調整後的第一信號Vgp1'的直流電壓，和/或，第二信號Vgn1的直流電壓可以高於調整後的第二信號Vgn1'的直流電壓，因此，AB類放大級可以具有良好的線性度，且第一信號Vgp1和第二信號Vgn1的擺幅不會變差。
第3圖為根據本發明一實施例說明直流位準偏移級220的示意圖。如第3圖所示，直流位準偏移級220是通過使用源極跟隨器（source follower）來實現的。具體地，直流位準偏移級220包括電流源302、P型電晶體M1、N型電晶體M2和電流源304，其中，電流源302耦接在電源電壓和P型電晶體M1的源極之間，P型電晶體M1的汲極耦接偏置電壓（bias voltage）Vbp，N型電晶體M2的汲極耦接偏置電壓Vbn，電流源304耦接在接地電壓和N型電晶體M2的源極之間。在直流位準偏移級220的運作/操作中，P型電晶體M1作為（serves as）源極跟隨器，以在閘極接收第一信號Vgp1並產生調整後的第一信號Vgp1'，以及，N型電晶體M2作為源極跟隨器，以在閘極接收第二信號Vgn1並產生調整後的第二信號Vgn1'。在一示例中，Vbp可為接地電壓（例如，0V），Vbn可以為電源電壓（例如，VDD），具體地，本發明對此不做限制，其取值可以根據實際需求進行設置。
第4圖為根據本發明一實施例說明直流位準偏移級220的示意圖。如第4圖所示，直流位準偏移級220是通過使用共源放大器（common source amplifier）來實現的。具體地，直流位準偏移級220包括第一共源放大器和第二共源放大器，其中，第一共源放大器通過使用電晶體M3、M4、M5、M6實現，而第二共源放大器通過使用電晶體M7、M8、M9、M10實現。在直流位準偏移級的運作中，第一共源放大器在電晶體M3的閘極接收第一信號Vgp1，以在電晶體M4的汲極產生調整後的第一信號Vgp1'，第二共源放大器在電晶體M9的閘極接收第二信號Vgn1，以在電晶體M10的汲極產生調整後的第二信號Vgn1'。例如，在第3圖和第4圖的實施例中，可以設計Vgp1’＞Vgp，也可以根據實際需求設計Vgp1’＜Vgp，具體地，本發明對此不做限制。
值得注意的是，第3圖和第4圖中所示的直流位準偏移級220是說明性的，並非對本發明的限制。只要直流位準偏移級220能夠調整第一信號Vgp1和第二信號Vgn1的直流電壓以分別產生調整後的第一信號Vgp1'和調整後的第二信號Vgn1'，則直流位準偏移級220就可以具有任何合適的設計。
簡單概括，在本發明的線性放大器中，通過使用直流位準偏移級將功率級和放大級去耦，並使用補償網絡應用交流耦合前饋來保持交流信號，輸入到功率級的第一驅動信號和/或第二驅動信號可以具有適當的直流電壓和足夠的交流擺幅。因此，線性放大器能夠具有良好的線性度且具有低靜態電流。
在申請專利範圍中使用諸如“第一”，“第二”，“第三”等序數術語來修改申請專利要素，其本身並不表示一個申請專利要素相對於另一個申請專利要素的任何優先權、優先級或順序，或執行方法動作的時間順序，但僅用作標記，以使用序數詞來區分具有相同名稱的一個申請專利要素與具有相同名稱的另一個元素要素。
雖然已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的係，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更，例如，可以通過結合不同實施例的若干部分來得出新的實施例。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。所屬技術領域中具有通常知識者皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
110:線性放大器 120:開關轉換器 130:功率放大器 210:AB類放大級 220:直流位準偏移級 230:補償網絡 240:功率級 242,M1:P型電晶體 244,M2:N型電晶體 C1,C2:電容 R1,R2:電阻 302,304:電流源 M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9,M10:電晶體
第1圖是根據本發明一實施例的電源調製器和功率放大器的示意圖。 第2圖是根據本發明一實施例示出的線性放大器的示意圖。 第3圖是根據本發明一實施例示出的直流位準偏移級的示意圖。 第4圖是根據本發明一實施例示出的直流位準偏移級的示意圖。 在下面的詳細描述中，為了說明的目的，闡述了許多具體細節，以便所屬技術領域中具有通常知識者能夠更透徹地理解本發明實施例。然而，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實施一個或複數個實施例，不同的實施例或不同實施例中披露的不同特徵可根據需求相結合，而並不應當僅限於附圖所列舉的實施例。
110:線性放大器
210:AB類放大級
220:直流位準偏移級
230:補償網絡
240:功率級
242:P型電晶體
244:N型電晶體
C1,C2:電容
R1,R2:電阻

Claims (11)

  1. 一種線性放大器，包括： 放大級，用於產生第一信號和第二信號； 直流位準偏移級，用於調整該第一信號的直流電壓和該第二信號的直流電壓，以產生調整後的第一信號和調整後的第二信號； 補償網絡，用於根據該第一信號、該第二信號、該調整後的第一信號和該調整後的第二信號產生第一驅動信號和第二驅動信號；以及， 功率級，用於根據該第一驅動信號和該第二驅動信號產生輸出信號。
  2. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該調整後的第一信號的直流電壓與該第一信號的直流電壓不同，以及，該調整後的第二信號的直流電壓與該第二信號的直流電壓不同。
  3. 如請求項2所述之線性放大器，其中，該調整後的第一信號的直流電壓高於該第一信號的直流電壓，以及，該調整後的第二信號的直流電壓低於該第二信號的直流電壓。
  4. 如請求項3所述之線性放大器，其中，該補償網絡根據該第一信號和該調整後的第一信號產生該第一驅動信號，以及，根據該第二信號和該調整後的第二信號產生該第二驅動信號；該功率級包括串聯耦接的P型電晶體和N型電晶體，該P型電晶體的閘極接收該第一驅動信號，該N型電晶體的閘極接收該第二驅動信號。
  5. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該補償網絡包括第一前饋路徑以在該第一驅動信號中保持該第一信號的交流分量，以及，該補償網絡包括第二前饋路徑以在該第二驅動信號中保持該第二信號的交流分量。
  6. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該補償網絡對該第一信號進行高通濾波操作，對該調整後的第一信號進行低通濾波操作，以及，組合該第一信號的高通濾波結果和該調整後的第一信號的低通濾波結果，以產生該第一驅動信號。
  7. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該補償網絡對該第二信號進行高通濾波操作，對該調整後的第二信號進行低通濾波操作，以及，組合該第二信號的高通濾波結果和該調整後的第二信號的低通濾波結果，以產生該第二驅動信號。
  8. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該補償網絡包括第一電容和第一電阻，該第一電容的第一節點用於接收該第一信號，該第一電阻的第一節點用於接收該第一調整後的信號，該第一電容的第二節點耦接該第一電阻的第二節點，以及，該第一驅動信號被產生在該第一電容的第二節點或該第一電阻的第二節點上。
  9. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該補償網絡包括第二電容和第二電阻，該第二電容的第一節點用於接收該第二信號，該第二電阻的第一節點用於接收該調整後的第二信號，該第二電容的第二節點耦接該第二電阻的第二節點，以及，該第二驅動信號被產生在該第二電容的第二節點或該第二電阻的第二節點上。
  10. 如請求項1所述之線性放大器，其中，該放大級是AB類放大級。
  11. 一種電源調製器，其中，該電源調製器包括如請求項1至10中任意一項所述之線性放大器。
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