TW511330B - RF power amplifier having high power-added efficiency - Google Patents

Description

511330 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 發明背景 1. 發明範圍 本發明係屬於射頻功率放大器。 2. 技藝説明 電池之壽命與諸如蜂巢式電話’分頁器，無線數據機， 等之無線通信裝置有關。特別是射頻之傳送，消耗相者大 之電力。此種電力消耗貢獻因爲無效率之功率放大器二作 。一標準之用於無線通信之射頻功率放大器之操作僅約有 10%之效率。明顯的，對大量提升放大器放率之一低費用 之技術將可滿足此一特別之需要。 一功率放大器一般包括多級之放大，例如一最後輸出級 及一個或多個前置放大器或驅動器級。最大化最後輸出級 之效率上必需有許多工作要做。一重要之最後輸出級效率 之改善爲由具有E級功率放大器之向無來達成，並説明引美 國專利3,919,656中，此處以提及方式併入本文。在E級放 大器中，一開關之電流及電壓波形當在切換馬達或近於零 之二個量時被加以移相以便減低功率之消耗。 E級放大器建1在按開關-模式操作之一放大器之最後級 之操作及設計上。其結果，即已知之改善供給直流電力至 輸出電力之轉換效率之射頻功率放大器之技藝，放大器必 需按一非線性方式來操作_ β多爲非線性操作之可能之一放 大元件（諸如一電晶體）其操作如同一開關來操作。的確， 開關-模式射頻功率放大器（如E級）所記錄載有之輸出效率 (如80%)較輕度非線性諸如AB級（如45%)有明顯的較高。 4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) (請先朋讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 511330 A7 _B7_ 五、發明說明（2 ) 依開關模式來操作一射頻功率放大器，有必要按一重複 之方式在截止與全面關入之間迅速的來驅動輸出電晶體然 後再回至截止。獲得此種以完成此種動作之裝置根據所選 擇使用之如同開關動作之電晶體之型式有關。對一場效電 晶體（FET)言，控制之參數爲閘極·源極電壓，及對一雙極 電晶體言（B JT，HBT)控制之參數爲基極-射極之電流。 此種多種設計爲合圖對基本之E級放大器之不同方面來 改善。此種設計之一爲周等人在電氣電子工程師學會微波 理論及技術報導，第47册第9，199年9月之n—FET E級功率 放大器之實質基本之分析模式--一用於最大PAE"設計”已 予以説明。此處以提及方式併入本文。此一提供之模式多 種非-理想之FET開關及經由此種模式來導出此種有利之E 級放大器之結論。採選取布局，後有55%之最大功率加上 之效率，並發生在二分之一瓦特或較低之功率位準上。在 較高之功率時，如在2瓦特時PAE成迅速之下降並低於30%。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 π裝· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一功率放大器之PAE由實現最少26 dB增益所需之直流 供給電力之量來設定以獲得最後輸出功率（在此一增益位 準上經驅動信號輸入至放大器之功率--爲不容易測定之量 --應爲可忽略者）在此呈現下，無已知之放大器裝置能無線 電頻率上能產生1瓦或以上之輸出功率且仍能提供至少26 dB之功率增益之能力。同樣，在最後級之前必需提供一個 或多個放大器及由此種放大器所消耗之直流功率必需包括 在決定之全部PAE内。 慣常之設計技巧要求一放大器設計者對該驅動器輸出阻 •5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五 發明說明（3 抗與最後級切換電晶體之輸入阻抗做阻阬-匹配。因之自驅 T-裝· I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 動器級所要求之實際之輸出功率爲由操作至切換元件内之 有政（輸入阻抗内所需之電壓（或電流）（通常爲低）來限定 。由於阻抗需要求線性操作之概念，且_開關爲_極非線 ，者故-用於切換電晶體之輸人特定之阻抗爲非常不能限 定者。 视饮取无則途徑之一射頻放大器電路之舉例示之於圖 1。一中間級"L段"包括利用一電感器L1，一併按電容器c 及一電感器L2將驅動器級來匹配假設有5〇歐姆之 (即，最後級）。 、 此一慣常之技巧視驅動與最後級之間之中間級如同 :之：路’但實際並非如此。甚至’慣常之技巧爲將驅動 及取後級間（一意圖之阻抗匹配順序）之功率最大化。如 此，，以例示之，爲了用於獲得一如同切換電晶體般之= 之所要求（驅動電壓’驅動器亦必需獲得來提供阻抗-匹配 功率之相同之電流。 另一慣常之射頻放大器電路之舉例示之於圖2。此—泰路 使用"共振中間級匹配"其中利用一耦合電容 ：人 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 驅動級與最後級。 Ρ水稱口 ,應注意，慣常之設計技巧達成在高輸出功率（即，2瓦， 當在一蜂巢式電話操作時普通所遇到之一功率位準失 敗的，故因之一種在相對較高輸出功疋 卞r仔在顯示有高 PAE之射頻功率放大器是有需要的。 -6

511330 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 發明總結

本發明，一般講，爲提供一在高輸出功率上顯示有高pAE 之射頻功率放大器。功率放大器之設計基於被控制之切換 電晶體不是由電壓（對一 FET電晶體言）即是由電流（對一雙 極電晶體1 )來控制但非由二者來控制之觀察而得。因之， 無必要自驅動器放大器來獲得電力以便如同一開關般來操 作取後級。此一 I忍知與慣常之了解，即，對高效率放大器 之中間級設計阻抗來匹配之概念完全相抿觸。故在一諸如 一射頻功率放大器__電壓及電流二種均存在下之通頻帶（ 共振）網路中獲得一單獨之電壓波形或電流波形是不可能 的。按照發明之一方面，當維持電壓（或電流）波形之大小 時，代替最大化功率轉換，可減低功率消耗。按照發明之 另一方面，驅動器被設計爲，隨同最後級一起，按開關模 式來操作。在此一情形，中間級網路之設計與一 £級輸出級 相似。在中間級網路中，無論如何，目的不爲獲得跨負載（ 如E級輸出級之情況）之最大功率。目的寧爲獲得跨於驅動 器負载之取南％壓（舄開關輸出電壓）。此一配置，開關之 輸入驅動可能爲足夠之高驅動器級之操作電壓可被降低。 此種降低進一步減低了送至驅動器之直流供應電力而提高 t PAE 〇 圖面主要説明 本發明可自以下之説明及連同利用所附之圖面而獲得進 一步之了解。圖面中： 圖1爲一慣常之射頻功率放大器電路之圖解圖； <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 r V 丁 「

< JLU V A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 ) 圖2爲另一慣常之射頻功率放大器電路之圖解圖； 圖3爲按照本發明之一射頻功率放大器電路之圖解圖；及 圖4爲圖3之放大器電路在選擇之節點上所顯示發生之波 形之波形圖。 所選具體實施例之詳細説明 觀參見圖3，爲一按照一舉例之具體實施例之一射頻功率 放大器電路之圖解圖。一輸入匹配電路包含有使用來設定 電路之輸入阻抗之一耦合電容器q，一電容器^及一電感 器！^。一驅動器級％及一示出如FET電晶體之最後級μ:， 雖然在另一具體實施例中亦可能使用雙極電晶體。FET % 之汲極電極經一包括有一射頻阻抗線圈、及一電容器\之 汲極偏壓網路耦合至供給電壓上。相同之汲極 電極經一包括一射頻阻抗線圈、及一電容器。之2汲極偏 壓耦合至供應電壓V上。 d2 閘偏壓網路各自提供至級％及撾2。在級％之情況，閘偏 壓網路由一電感器La，一電容EC3及一電容器^在一共同 節點上連接至-電壓Vgi來組成。在級％之情況，閘偏壓網 路由一電感器L0，一電容器I及一電容器丨在一共同節胃占 上連接至一電壓vg2所組成。 驅動級及最後級之間由一中間級網路來耦合，示於此處 如一電容器L4及一電容器q之一串聯£(：之合併所組成，其 所選取之値爲使提供最後級Μ:之輸入之輸入電容量能爲提 供一共振之値。最後級％耦合至慣常之負載網路上，如本 舉例所示之一由一電容器cn，一電感器、及―電容器c 1·裝·丨丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： -8 511330 A7 ____ Β7______ 五、發明說明（6 ) 所組成之CLC Pi網路。其中之値由按照最後級M22特性來 決定之。 在一所選之具體實施例中，各元件之値如下，此處所測 得之電容量値按微微法拉第及所測得之電感量値按毫微亨 利來計。 表1 電容器 微微法拉第 電感器 毫微亨利 電壓 伏 27 L, 8.2 vdl 3.3 c2 10 l2 33 3.2 C3 0.01 Ls 33 V -1.53 C4 27 l4 4.7 Λ2Ί C5 27 Ls ΝΑ C6 27 h 39 C7 ΝΑ l7 15 一 C8 27 Ls叫 2.7 C9 0.01 / c10 . 27 Cu 1.5 C12 5.6 在圖3之舉例中，驅動器級％級爲開關模式之操作，請參 考圖4,示出在節點A上送出至％:之輸入電壓，在節點b上 9 - .紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 《請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · !丨 1 丨 — 丨訂·！ ！ ！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 511330 A7 --------- -B7 五、發明說明（7 ) 之級％之汲極電壓，在節點c上級之汲極電壓，在節點〇 上之級Μι之汲極電流，及節點E上之級M2之汲極電流之波 形圖。注意最後級級]^“波形A)之閘電壓之峰値較慣常設計 者爲相當的大。此一配置，開關之驅動可能爲相當的高驅 動器之操作電壓可被減低。此一減低進一步減低了送至驅 動器之直流供應電力並提高PAE。 使用顯示之型式之電路，在一 2瓦特之輸出電力上可測得 有 72%之PAE。 對於熟於此一技藝之士將瞭解發明在不違其精神及主要 特性下可能有其他特定之形式被具體實施。因之所提出揭 示之具體實施例應視爲顯示而非限制。發明之範圍應由所 附之專利申請範圍所指定者而非先前之陳述，所有在意義 上及其相等之範圍内之變動應包括在其内。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 修止

   A8 B8 弟090110740號專利申請案 中文申請專利範園修正本(91年9月） 申請專利範園 •種操#纟有-最後放大級及一在冑的驅動器放大 級之射頻放大器之方法，包含： 按開關模式來操作之驅動器放大級；及 利用一中間級網路將驅動器放大級耦合至最後放大 級，該中間級網路包含一串聯共振電路。 2·如申請專利範圍第丨項之方法，其中間級網路包含一串 聯LC電路。 3· —種操作一具有一最後放大級之射頻放大器之方法， 包含： 在驅動器放大器之前提供一驅動器放大器級；及 按開關挺式來挺作該驅動器放大級。 4· 一種射頻功率放大器，包含： 一最後放大級； 一最後放大級之前之驅動器放大級；及 一耦合至驅動器放大級及最後放大級之中間級網路 ，該中間級網路包含一串聯共振電路。 5·如申請專利範圍第4項之射頻功率放大器，其中中間級 網路包含一串聯LC電路。 6.如申請專利範圍第4項之射頻功率放大器，尚包含用於 按開關模式來操作驅動器放大級之裝置。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐)