TW523981B - Circuit for efficiently producing low-power radio frequency signals - Google Patents

Description

五、發明説明（ 發明領！ 一本發明關於低功率射頻通信技術。明確地說，本發明揭 π了一種可以在峰值效率下提供多階層調變射頻信號的 率放大器。 發明背景 為了節約電池能量，蜂巢式電話技術要求有效率的產生 和傳輸射頻信號。已在蜂巢式電話技術中實施了一種補償 (c k e d 〇 ff)功率傳輸模式，俾使當基地台接收到的信號 階層適用低功率時，可以減小傳輸功率。進一步講，^ 巢式電話工作在基地台附近時，有必要減小傳輸功率，以 避免基地台接收電路過載。 在蜂巢式電話傳輸電路中使用多功率階層會因主動的放 大設備（典型的雙極型電晶體）能夠在單一輸出功率階層 下提供學值效率的事實而變得複雜化。隨著功率的減少， 電晶體的效率也顯著下降。這樣，在全功率條件下，功率 輸出電晶體的工作效率接近50% (同時也是它們的學 值）’在補償功率模式下，效率會降至⑽，甚至更少。 提供多個傳輸功率階層的辦法是讓輸出電晶體工作在不 同的輸入信號驅動和偏壓階層下。當改變偏壓階層或驅動 階層時，輸出阻抗值在全功率操作時保持不變。在低功率 操作時’對於減小的功率操作和最大效率而言，阻抗不能 ^見出最果。因此，從功率輸出電晶體到天線的功率 傳輸也不是取佳效果，谁一 JLK .K ., 步減^ 了輸出電晶體的淨射頻 功率。 ” 本紙張尺度it用t目S家標準(CNS) A4規格 4- 2 2 五、 發明説明（ 曼上月概述 本發明提供了 一種產生多階層低功率射頻信號的電路。 數個放大電晶體連接在一起以放大一個共同的射頻信號。 L過選擇性地將要放大的信號加在_個或多個電晶體輸入 崎上，可選擇性地得到多個輸出功率階層。每一個電晶體 都有個連接著單一輸出終端的匹配網路，當選擇了任何 數量的電晶體來放大信號時，這些匹配網路對每個集極提 供一個實質不變的阻抗。每一個電晶體在被選來放大輸入 信號時，都可以操作在它的最大功率產生階層上。因此， 可使任何-個選擇的功率階層彳效率的產生射頻信號。 麗式簡單說明 圖1是-個示意圖，顯示了產生射類信號的多個功率階層 的功率放大器。 圖2是本發明的一個較佳實施例，其中，兩個電晶體被用 來產生兩個功率階層。 圖3疋在王功率工作模式下放大器的輸出阻抗的史密斯 圖。 圖4是在補償工作模式下放大器的輸出阻抗的史密斯圖。 、圖5是-個用來控制射頻功率產生的階層的電路的一個實 施例。 、 輕佳實施例的說明_ ^是-個依照本發明的電路的示意圖’該電路用於根據 戶璉擇來提供多個射頻輸出功率階層。如圖所亍，可以 在輸出終端3G產生-個疊加輸出功率的射頻放大部分。- 本紙張尺度適财S目家標^iiyis見格(210 x 29T^f 523981 A7

待放大的/、同射頻信號被施加至終端1 1上，並可以選擇 丨地她加到各電晶體2〇，21和22的輸入上。可通過根據想 ，得的輸出階層對放大電晶體2G，21和22中的—個或多個 提供輸入信號來控制輸出功率階層。 功率選擇係透過偏壓控制電路16，17，18來控制。要放 大的射頻信號會根據偏壓控制電路16，l7，18的狀態而被 施加f電晶體20-22中的一個或多個上。輸入電容12_14會 在由每個偏壓控制電路丨6 _丨8產生的控制電壓間產生有效的 直流隔離。 每一個放大電晶體2〇 , 21 , 22都連接著一個輸出匹配網 路24，25，26。從這些輸出匹配網路出來的信號疊加在一 起，提供一個輸出信號，通過“區隔，，電容2 7後加在輸出 終端30上。射頻抑制阻抗29會允許一個工作電壓Vcc施加 到电晶體2 0 - 2 2的集極和射極間，同時又使工作電壓源與射 頻信號隔離開來。 設計輸出匹配網路24，25和26是用來使每一個電晶體 20-22都可以有一與跨輸出終端3〇相連的天線間的阻抗匹 配。設計輸出匹配網路24和26的作用是，當一個或多個相 鄰的電晶體被置於非放大狀態時，仍處於放大狀態下的電 晶體所看到的負載阻抗基本上保持不變。這樣，由於在由 已連接的電晶體20-22的集極所代表的源和天線阻抗之間的 阻抗失配所引起的功率損耗，對於輸出功率的所有選定階 層來說基本上都一樣。 應用在蜂巢式電話上，上述電路可以使用兩個功率放大 ___ - 6 - 本紙浪尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 523981 五、發明説明（4 ) 電晶體20和21來實現。由於蜂巢 _ 、奪果式電話發射機工作在全功 t 力率階層這兩個輸出功率階層上，因而可以 使用圖2中所示的電路。現在參看圖2,它展示了一個可以 提供兩個輸出功率階層的功率輪 a ^ J刀手輸出放大電路。功率輸出電 晶體20，21通過它們的隹_紅4^& 本射極％路與匹配網路相連。 用=電晶體20，21的匹配網路包括—個含電感32和電容^ 的第一LC部分和一個含電感34和電容35的第二lc部分。 還有-個類似的匹配網路’包括一個含電感冗和電容”的 第一 LC邵分和一個含電感4〇和電容41的第二lc部分，它 使電晶體21的輸出阻抗與天線（連接在終端3〇)負載阻抗 相匹配。 第二匹配網路包括-單一之LC部分，由電感46和電容Ο 構成，用來匹配在每個匹配網路24，25的輸出處呈現出的 複合阻抗。 電阻42作為一個去耦元件，連接在匹配網路24中第一， 第二LC部分間的節點間並與匹配網路25中各[c部分的節點 相連。當電晶體22被置於非放大0FF狀態時，去耦電阻42 會減小電晶體2 0所看到的阻抗的變化。經由選擇去輕元件 為1 5 0歐姆左右，當電晶體2 2進入非放大狀態時，以補償模 式工作在800兆赫〜1吉赫（GHz)頻率範圍的發射機會在電晶 體2 1的負載阻抗上只產生極少的變化。當兩個電晶體都進 入放大狀悲時，它們產生基本上相同的輸出射頻信號階 層’且基本上7又有電流流過去韓7C件4 2。 當電晶體2 1從放大狀態進入非放大狀態時，電晶體2 〇看 冢紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 523981 五、發明説明（5 到的阻抗上的微小變化顯示在圖3，4中。圖3，4是在汽功 率階層和低功率階層工作狀態下，電晶體2〇看到的輸出阻 杬的史贫斯圖描述。如圖3所示’當處於放大狀態下時，會 在電晶體20以及電晶體21 (它們擁有相同的匹配網路和盘 匹配網路相連的阻抗）的集極上產生—個阻抗⑷。在兩個 電晶體都處於放大狀態的條件下，阻抗Μι的值為〇 254 + J〇.052。當電晶體21進入非放大狀態時’這個阻抗如在圖* 的史密斯圖中的M2所示，它只會有很小的變化，值變為 0.245+ j〇‘G55。熟習本項技藝者都會明白，當電晶體工作 在低功率模式下來將電晶體放大效率維持在高和低功率輸 出階層間時’阻抗上總變化只會引起小小的失配。 包含有電感46和電容47的單一 LC部分構成了輸出阻抗匹 配邰分，為菽裝置提供了一個額外的阻抗級。這樣，從天 線（連接在輸出終端30上）看去的阻抗會與在匹配網路 24，25的輸出終端看到的阻抗幾乎匹配。 圖5特別地展示了 一個作用於每個放大電晶體⑼和以的偏 壓控制電路。現在參看圖5，第_，第二放大電晶體2〇，21 刀別具有與電感61和62的基極連接。電感61和62向偏壓電 壓源提供了一個連接著電晶體基極的射頻抑制。電晶體2〇 和2 1被加偏壓而進入它們的最佳功率放大階層。 終端11上的輸入信號經過電容13和14被耦合到1：£；丁開關 54 ’ 55。FET開關52，54和53，55受控於開關信號 vsw，vsw把輸入信號加在每個電晶體2〇和21的基極上 或只加到一個電晶體2 〇上。電晶體5 2，5 4和5 3，5 5工作在 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) -8 - 523981 A7 B7 五、發明説明（< ) 6 互補模式下，這樣，信號或者被衰減，或者基本上以全幅 加在電晶禮20和21的基極上。電客58和60把偏壓電壓源 VB和FET電晶體52，53分隔開，這樣無論電晶體是工作在 放大ON狀態還是非放大OFF狀態，各電晶體20和21都不會 發生偏壓改變。當電晶體21處在非放大（即OFF)狀態時， 維持非放大電晶體處於偏壓條件下會進一步減少電晶體2 0 所看到的集極阻抗的變化。 因此，通過使用依照先前該各功能的組合，可以維持在 產生射頻信號功率的各電晶體與輸出負載阻抗（通常是連 在終端3 0上的天線）之間的阻抗匹配。進一步講，每一個 電晶體在處於放大狀態時都能以它最大的功率放大效率來 工作，使電池能量得到有效利用。 前面的說明展示並介紹了本發明。此外，公開的内容只 展示和介紹了本發明的較佳實施例，但正如上面提到的， 應理解，本發明可以應用於其他的組合，改進和環境下， 而且也可以依照上述内容和/或相關技術的技能或知識在本 發明理念的範圍（如上該）内對其進行改變或修改。上述 的實施例可以進一步用來解釋那些已知的實現本發明的最 佳模式，以及讓本領域中其他技術人員在這些或其他實施 例中利用本發明，以及通過本發明的特定應用或使用所要 求的各種更改來利用本發明。所以說，本說明並不意味著 把本發明限制為此處公開的形式。而且，期望將隨附的申 請專利範圍解釋作為替換實施例。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） -9 -

Claims (1)

1. A B c D

   523981 第090114869號專利申請案 中文申請專利範圍修正本（91年9月) 々、申請專利範圍 1 . 一種多功率階層低功率射頻放大器，包括： 一第一電晶體，用於在實質峰值效率下放大射頻信號， 該電晶體有一個集極電路與第一阻抗匹配網路相連，一個 基極電路用於接收該射頻信號； 一第二電晶體，用於在實質峰值效率下放大該射頻信 號，該第二電晶體有一集極電路與第二阻抗匹配網路相 連，一個基極電路用於接收該射頻信號； 一輸出阻抗匹配網路，與該第一，第二阻抗匹配網路以 及一個負載阻抗相連； 一基極控制電路，用以選擇性致能一個或兩個該電晶體 基極電路，以在峰值效率下放大該射頻信號，俾使一個或 多個該電晶體被致能放大該射頻信號；及 一去耦元件，連接在該第一，第二阻抗匹配網路間，其 中當該等電晶體之一正在放大該信號時，該電晶體被去耦 合，俾使無論用一個還是多個電晶體來放大該射頻信號， 每一個放大電晶體的集極都會看到基本相同的阻抗。 2 .如申請專利範圍第1項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： 該第一，第二阻抗匹配網路包括多個由電感串聯電容而 組成的部分。 3 .如申請專利範圍第2項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： 該去耦元件連接在該第一、第二匹配網路的第一和第二 部分之間。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 523981 A BCD 申請專利範圍 •如申請專利範圍第3項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： 遠去搞元件是^一個電阻。 5 .如申請專利範圍第1項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： 該第一，第二阻抗匹配電路向每一個該電晶體的集極提 供一個阻抗，該阻抗可以使該電晶體的放大線性得以最佳 化。 6 ·如申請專利範圍第丨項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： 該偏壓裝置向未被致能的電晶體提供一個基極電流，以 便當致能該電晶體來放大該射頻信號時，該集極阻抗基本 上保持不變。 7·如申請專利範圍第1項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： 該基極控制電路提供一個射頻開關，致能該開關以使得 田私日日體在放大狀悲下時將該射頻信號傳輸到各個電晶體 的基極上。 8.如申請專利範圍第1項之多功率階層低功率射頻放大器， 其特徵在於： d ‘出阻抗匹配網路包括至少一個串聯電感，與該第 一，第二阻抗匹配網路_聯，以及一個並聯電容，與該串 聯電感的第二末端和該負載阻抗相連。 9·如申請專利範圍第1項之多功率階層低功率射頻放大器， -2-

   A BCD 523981 六、申請專利範圍 其特徵在於：該負載阻抗是一個天線。 ίο. —種多功率階層射頻放大器，包括： 多個放大電晶體，用來放大一個共同射頻信號； 用於在該電晶體的集極和該電晶體的射極間施加工作電 壓之裝置； 用於選擇性地將要放大的信號施加到各該電晶體中一個 或多個基極連接上之裝置，其中一個或多個該電晶體放大 該共同射頻信號； 多個匹配網路，與該等放大電晶體之每一個的集極相 連；該匹配網路具有連在一起的輸出終端；當有任何數量 的該電晶體正在放大該信號時，該匹配網路向每個集極提 供一個實質定的阻抗；及 一個負載阻抗網路，與該等多個匹配網路的一輸出終端 相連以將一負載阻抗和該等多個匹配網路相匹配。 11. 如申請專利範圍第1 0項之多功率階層射頻放大器，其特 徵在於： 當該電晶體沒有放大該射頻信號時，一個偏壓裝置對該 電晶體中的任何一個維持一個偏壓電流，以便當該電晶體 在放大射頻信號時可以產生一個與該集極阻抗基本相等的 集極阻抗。 12. 如申請專利範圍第1 1項之多功率階層射頻放大器，其特 徵在於： 該匹配網路包含第一和第二串聯連接LC濾波部分，第 一個該濾波部分包含一個電感，其一端接在該電晶體集極 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） A B c D 523981 ~、申請專利範圍 上，以及一個電容，與該電感的另一端以及由該電晶體的 射極連接形成的共同連接上。 13.如申請專利範圍第1 2項之多功率階層射頻放大器，進一 步包含一個連接在該匹配網路間的去耦元件，用來將不放 大該信號的電晶體與放大該信號的電晶體去耦合，俾使由 放大該信號的該電晶體的集極看到的阻抗變化實質不受不 放大該信號的該電晶體的狀態的影響。 M·如申請專利範圍第13項之多功率階層射頻放大器，其特 徵在於： 去耦元件是一個電阻。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）