TWI379509B

TWI379509B - Voltage clamp for improved transient performance of a collector voltage controlled power amplifier

Info

Publication number: TWI379509B
Application number: TW094142853A
Authority: TW
Inventors: Kerry B Phillips; David S Ripley; Robert M Fisher
Original assignee: Skyworks Solutions Inc
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2012-12-11
Also published as: WO2006062831A2; EP1820268A4; KR101172100B1; EP1820268A2; US20060119425A1; US7142053B2; WO2006062831A3; EP1820268B1; KR20070093088A; TW200631310A

Description

1379509 九、發明說明： . 【發明所屬之技術領域】 . 本發明係大致有關於功率放大器控制。更明確地說，本發明係有關於一種用於改良集極電壓控制的功率放大器之暫態響應的電壓箝位。【先前技術】在可得到越來越多有效率的低成本電子模組之下，可攜式的通訊裝置變得越來越普遍。可攜式的通訊裝置係包芑一或多個用於放大將從該可攜式的通訊裝置發送的信號功率之功率放大器。在集極電壓控制的功率放大器（PA)中，輸出功率係藉由一個被施加至該功率放大器的一或多級的雙載子接面電晶體的集極（或若是其被實施為場效電晶體 (FET)的話，則為汲極）之調節後的電壓來加以決定的。理想上，此電壓係被稱為Vcc並且應該根據一個被定義為 VCC=H(VENv)的轉換函數來緊密地追隨（亦被稱為“追蹤”）一 •個輸入電壓波封控制信號（被稱為Venv)。該電壓Venv係控制功率放大益，使其為該功率放大器在校準期間所決定的峰值電壓之一個函數，並且對應於功率放大器的輸出功率。功率放大器一般都會需要相當大的電流源。為了從該電源（例如，具有電壓Vbatt的電池）在最小的電壓降之下提供如此大的電流至該功率放大器的集極，一個相當大的。電晶體（典型是場效電晶體（F E T))係被使用作為該電壓調節裔的輸出元件。當電流從該電池流出時，該電池電壓係下 5 1379509 降到一個低於由h(venv)所決定的功率放大器之所要的集 • 極電壓之值。在此種情況下，橫跨在該電壓調節器的輸出' •處之FET的汲極與源極端子的電壓（VDS)會太小而無法維持該FET的飽和，因而在該功率放大器〜）的集極端子處之電壓不再由該電壓調節器所決定，而是由該電池電壓 VBATT所決疋。典型地，從此種未調節的情況回到調節後的情況（當vcc下降到低於vBATT時）之轉變是急劇的，其亦 Φ被稱為“切換暫態”，此係導致不希望有的頻譜成分（其被稱為頻譜再生（regrowth))。頻譜再生可能會對於其它運作在相鄰頻帶中的可攜式通訊裝置造成干擾。因此，能夠控制被施加至功率放大器的集極之電壓使其沒有急劇的轉變，藉以最小化由於切換暫態所造成的頻譜再生將會是所期望的。【發明内容】本發明的實施例係包含一種用於一個功率放大器之功 _ 率L制電路，其係包括一個電壓調節器，該電壓調節器係具有一個被配置以接收一波封控制信號的第一輸入、一個被配置以接收一回授信號的第二輸入、以及一個被配置以接收電壓措位k號的第三輸入；以及一個被配置以產生該電壓箝位信號的箝位電壓參考電路。相關的操作方法亦被提出。對於具有此項技能者而言，在審視以下的圖式及詳細的說明之後，本發明之其它的系統、方法、特點及優點都將會是明顯的或是變為明顯的。所有此種另外的系統、方法、特點及優點都欲被内含在此 6 1379509 說明之内、且在本發明的專利範圍保護。 ’ 纟且受到所附的申請【實施方式】 ::是特定參考到可攜式收發裝置來加以描述。亥功率放大器控制元件可被實的功率放大器之通訊裝置中。 …集極電壓控制該功率放大器控制元件可軟體的組合來加以實施。〜更二㈣或是硬體與㈣-a “田以硬體貫施時，該功率放大器控弟j 7〇件可利用專門的硬體體π件及邏輯而被實施。當該功车放大器控制元件是部分以敕靜軟體牯，该軟體部份可被广來控制該功率放大器的控制組件，因而各方面的操作卩可以是軟體控制的。該軟體可被儲存在記憶體中並且藉由個適當的指令執行系統（微處理器）來執行之。該功率控制元件的硬體實施可包含以下均為此技術中眾所週知的 =中之任-個或是其組合：分離的電子組件、具有用於在貝料6號上實施邏輯功能的邏輯閘之分離的邏輯電路、具有適當的邏輯閘之特殊應用的積體電路、可程式化的閘陣列(PGA)、現場可程式化的閘陣列(FPGA) '等等。用於該功率放大器控制元件的軟體係包括—個用於實施邏輯功能之可執行的指令之順序的表列，並且可被體現在任何的電腦可讀取的媒體中，以供一個指令執行系統、裝置或元件使用（例如，電腦為基礎的系統 '内含處理器的系統、或是其它可從該指令執行系統、裝置或元件提取該才曰令並且執行該指令的系統）、或是與該等系統、裝置或元 7 1379509 件有關。在此文件的背景+，“電腦可讀取的媒體，，可以是任何可内含、儲存、通訊、傳遞或傳輸該程式的裝置，該程式供該指令執行系統、裝置或元件使用或是與其有關。該笔腦可讀取的媒體可以例如是（但不限於）電子的、磁性的、光學的、電磁的、紅外線的或是半導體的系統、裝置、元件或傳播媒體。電腦可讀取的媒體之更特定的例子(非全部列舉出來）將包含以下：具有—或多條導線的電氣連線（電子的）、可攜式的電腦碟片（磁性的）' 隨機存取記憶體 (RAM)、唯讀記憶體(R〇M)、可抹除的可程式化唯讀記憶體（EP職或快閃記憶體）(磁性的）、光纖（光學的）以及可攜式的光碟唯讀記憶體（CDR〇M)(光學的）。請注意到的是，該電腦可讀取的媒體甚至可以是程式被列印在其上的紙張或”匕適田的媒體’因為該程式可經由例如是光學掃描該紙張或其它Μ而被電子式抓取’接著被編譯 '解釋或是若必要的話以一種谪者的方彳未徑週田的方式處理，而接著儲存在電腦的記憶體中。第1圖是描繪根據本發明的一個實施例之包含一個具有電壓調節器的功率放大器控制元件之簡化的可攜式收發裝置100之方塊圖。該可攜式收發裝i 1〇〇係包含揚聲器 102、顯示器104、鍵盤1〇6以及麥克風1〇8，且全部都連接至基頻子系統110。一個電源142(可能是直流㈣電池或是其它電源）亦經由連線144而連接至該基頻子系統 1 ’以提供電力給該可攜式收發裝置1〇〇。例如，在一個 8 1379509 特定的實施例中，該可攜式收發裝置1 00可以是（但不限於）一個可攜式的電信裝置，例如，細胞式行動電話。如同熟習此項技術者已知的，揚聲器102及顯示器1 04係分別從基頻子系統11 0經由連線112與1 14來接收信號。類似地’ 鍵盤106及麥克風1 〇8係分別經由連線116與11 8供應信號至基頻子系統11 〇 ^基頻子系統1 1 〇係包含經由匯流排 128通訊的微處理器（μΡ)12〇、記憶體丨22、類比電路124 以及數位信號處理器（DSP)126。儘管匯流排128被展示為單一匯流排’但是其可利用在基頻子系統〗1()内的子系統之間所必要連接的多個匯流排來加以實施。根據該該功率控制元件被實施的方式，該基頻子系統 no亦可包含一個特殊應用的積體電路（ASIC)135及/或一個現場可程式化的閘陣列（FPGA)〗33。微處理器120與記憶體122係提供用於可攜式收發裝置1 〇〇的彳§號時序、處理以及儲存功能。類比電路124係提供基頻子系統110内之信號類比處理功能。基頻子系統 no係經由連線132提供控制信號給發送器15〇及接收器 17〇 ’並且經由連線146提供一個被稱為的波封控制信號給功率放大器控制模組21〇。該信號v_是藉由基頻子系統H0所產生的，並且一般是藉由將在以下加以描述的數位至類比轉換器(DAC)136或138中之一而被轉換成為 -個類比控制信號。該信號V，係被描繪為供應自匯流排 128，以指出該信號可以用如同熟習此項技術同方式來加以產生。一般而言，該電廢 ^的不电& v ENV知控制功率放 9 大器為在校準期間所決定之功率放大器的峰值電麼之一個函數’並且對應於功率放大器的輸出功率。在連線132及M6上之控制信號可能源自於DSm m 135、FPGA 133、或是微處理器12〇,並且被供應至 "适裔150、接收器170以及功率放大器控制模組210内之各種連線。應注意到的是，為了簡化起I，在此僅描繪可攜式收發裝s 100的基本組件。由基頻子系統ιι〇所提供的控制信號係控制在發送g 15G及接收器m内之各種 :件。再者’該發送器15〇及接收器17〇的功能可以整合成一個收發裝置。若該功率放大器控制模組21〇的部份是以微處理器12〇 :執行的軟體實施時，該記憶體122亦將會包含功率放大 :控制軟體255。該功率放大器控制軟體255係包括一或夕個可執订的程式碼區段，該些程式碼區段可儲存在記憶 f中並且在微處理器12G中被執行。或者是，該功率放大隹益控制軟體255的功能可被編碼到ASIC 135中、或是可 ^由FPGA 133或是其它裝置來加以執行。當該可攜式收，裝置1 00疋利用上述這些方法中之任一種實施時，因為，，憶體122可以是可重複寫入的，並且因為該ρρ(3Αΐ33 7可再程式化的’所以該功率放大器控制軟體255的更新 σ 、從运纟而送入，並且儲存在該可攜式收發裝置1〇〇中。基頻子系統1 1 〇亦包含類比至數位轉換器（ADC)〗34以及數位至類比轉換器（0八〇136與138。儘管DAC 136與138 被犏繪成兩個個別的元件，但可瞭解的是，執行dac 136 10 1379509 與138的功能之單一數位至類比轉換器亦可被利用。adc 134、DAC 136以及DAC 138亦經由匯流排128以和微處理裔120、記憶體122、類比電路124以及DSp 126通訊。 DAC 136係轉換在基頻子系统"〇内之數位通訊資訊成為一個類比信號，以用於經由連線14〇來發送至調變器152。儘管連線140被展示為兩個有向的箭頭，但是該連線14〇知包含在從數位域轉變成類比域之後將被發送器丨所發送的資訊。

該發送H 150係包含調變器152，該調變器152係調變在連線‘ 140上的類比資訊並且經由連線158提供一個調變後的信號至向上變頻器154。該向上變頻器154係轉換在連線1 5 8上之調變後的信號至一個適當的發送頻率，並 ’里由連線18 4提供该向上變頻後的信號至一個功率放大 ° °玄功率放大器180以及功率放大器控制模組210 係構成:個功率放大器模組2⑼（第2圖）。該功率放大器刚 :、大/乜號至一個適當的功率位準，以用於可攜式收發裝置100被設計來運作於其中的系統。亥-周邊自1 52以及向上變頻胃J 54的細節已被省略，為將會疋燕習此項技術者所能理解的。例如，在連線上^之貝料般是藉由基頻子系統11 〇格式化成為同相⑴ 及正乂（Q)成分。I與Q成分可以依據所用的通訊標準來採用不同的形式且不同地加以格式化。例如，#功率放大器吴組被使用在—個例如是全球行動通訊系統（GSM)之固定振幅、相位(或頻率)調變的應用中時，相位調變的資訊係 1379509

由調變器152所提供。當該功率放大器模組被使用在一個同時需要相位及振幅調變的應用中，例如是擴大的資料速率GSM决進技術（被稱為EDGE)時，發送信號的笛卡兒座標的同相⑴及正交（Q)成分係被轉換成為其極座標的對應部分：振幅及相位。相位調變是藉由調變器152而被執行，而振幅調變係藉由功率控制模組21〇而被執行其中該振幅波封係由電壓w斤界定’並且功率放大器模組18〇的瞬間功率位準係㈣vENV，因此產生一個具有相位及振幅成分的發送信號。此已知為極化調變的技術係免除對於藉由功率SAIi模组的線性放大之需求，幻系容許在提供相位及振幅調變時使用更有效率的飽和操作模式。。該功率放大器180係經由連線156供應該放大後的信號至雙工器162。該雙工器係包括一個濾波器對，其係容卉發达尨號及接收信號同時通過，即如具有此項技術之一般技能者已知者。該發送信號係從雙工器162被供應至天線 160 。一該功率放大器控制模組210係利用經由連線146所接收到的波封控制信號vENv來決定功率放大器運作以放大該發送信號所在的適當功率位準。當調變標準需要時，該波封控制信？虎vENV亦被利用來提供波封或振幅調變。該功率 :大器控制模、组210係包含一個電屋調節器以及一個電愿村 > 考兀件，將在以下加以說明。該功率放大器控制模組㈣亦經由連，線168提供一個調節後的集極電壓（被稱為 Vcc)至功率放大器180’該電壓係決定該功率放大器的輪 12 1379509 出。功率放大器控制模組210將會在以下更詳細地加以描述。天線160所接收到的信號將會從雙工器162被導向接收器170。該接收器17〇係包含一個向下變頻器ι72、一個濾波器182以及一個解調器178。若該向下變頻器172 疋利用直接轉變接收器（DCR)所做成時，向下變頻器i72 係將該接收到的信號從一個RF位準轉換成為一個基頻位準（DC)。或者是，該接收到的RF信號可根據應用而被向下變頻到一個中間的頻率（IF)信號。該向下變頻後的信號係經由連線174而被傳送至濾波器182。如同此項技術中已知的，6玄濾波器係包括至少一個濾波器級以濾波該接收到的向下變頻後的信號。 «亥;慮波後的指號係從遽波器1 8 2經由連線1 7 6而被傳送至解調器178。該解調器178係回復所發送的類比資訊並且經由連線186供應一個代表此資訊的信號至ADC 134 ^ ADC 134係轉換這些類比信號成為一個在基頻頻率的數位信號並且經由匯流排128傳輸該信號至Dsp 126以用於進一步的處理。第2圖是描繪包含第1圖的功率放大器控制模組21〇的個貫把例之功率放大器模組2〇〇的方塊圖。該功率放大器模組200係包括一個功率放大器控制模組21〇、一個電壓调卽器260以及第1圖的功率放大器} 8〇。在此例子中，忒功率放大器1 80係包括多個功率放大器模組級，其係整體地在284處被指出。在此例子中’該些功率放大器 13 1379509 4你甲嗬地衹配置。一個射頻輸入信號（RFin)係經由連線 184被供應，並且射頻輸出信號（rf〇ut)係經由連線Η。被供應。類似地，在連線156上之信號是連線184上之信號的個放大後的版本。根據本發明的一個實施例，在連線 184上之輸入信號的位準並非成比例地相關於在連線I% 上之輸出信號的位準。在此實施例中，該功率放大器！係藉由一個從電壓調節器26〇供應到連線丨68上之參考信號所控制。

忒功率放大器控制模組2 1 〇係包括一個線性電壓調節器260以及一個電壓箝位參考電路212。在此實施例中，該電壓箝位參考電路212係位在與該電壓調節器相同的晶粒上。然而，在其它實施例中，該電壓箝位參考信號也可以由其它在晶片上的電路或是從一個位在基頻中的數位至類比轉換器（DAC)所供應。在》亥功率放大态1 8 〇内之功率放大器模組2 8 *係運作在飽和的模式中，其中輸出功率並非線性地相關於輸入功率。g適當地被偏壓以用於飽和的運作時，在連線156處之輸出功率係根據方程式1而相關於在連線丨68上之vcc L號’其中VcEhaG是在該功率放大器1 80内之電晶體的飽和電壓並且rl是匹配網路（未顯示）呈現給功率放大器18 〇的負載阻抗。

Po = (2K£_)2 (方程式1) 1379509 該電壓調節器260係包含一個運算放大器（〇p amp)300 ' 一個P型場效電晶體（PFET)262(儘管其它類型的電晶體也可被使用）以及一個具有轉換函數h(Venv)的回授肩路270。由於該功率放大器控制模组2 1 〇亦可被利用來提供振幅調變，因此該電壓調節器26〇的頻寬較佳的是足以支援該調變後的信號之波封頻寬。再者，為了在一個降低的VBATT之下支援振幅調變，該電塵箝位參考電路應該維持電壓調節器26〇的有效頻寬在所要的調變後的信號之波封頻寬或是超過該波封頻寬。該運算放大$ 3〇〇之反相的輸人係經由連線146搞接至基頻子系統ιι〇(第i 圖）並且接收來自第1圖的數位至類比轉換器（DAC)之波封控制信號venv。該運算放大器3〇〇之非反相的輸入係經由連線272接收回授網路27〇的輸出。該運算放大器 3〇〇的輸出係經由連線268供應至電晶體加的閘極端子。 ^曰體262的源極端子264係輕接至連線214上之電池電壓、打。電晶II 262的汲極端子係在連線168之調節器細的輪出至功率放大器18〇的集極端子:、 ^極端+ 168的輸出亦被供應作為該回授網路27〇的輸係藉發㈣―個實施例，在連^加上之第三輸入二a 以電壓掛位參考雷3^· 2 ” 、±· Λ·» r- 炎且被稱為ν〜Μρβ 應至運算放大器300 =籍位參考電路212係包括一個運其係鏡射在該《調節…之運算放大器綱的動 15 1379509 作°運昇放大器244之非反相的輸入238係輕接至一個具 • 有Venvwam的電壓之電壓源234.該運算放大器244的輪 • 出係經由連線224被供應至該回授網路252。該回授網路 252亦具有轉換函數H(Venv)。該運算放大器244的輸出亦座由連線224而被供應至運算放大器22〇之反相的輸入。該運算放大器220亦被稱為“誤差放大器”。該運算放大器244的第三輸入232是從運算放大器22〇籲勺輸出取出的。该運异放大器22〇之非反相的輸入222係耦接至一個電壓源216，該電壓源216係提供從ν^ττ 214 下降之固定的電壓降v(DR0P)〇功率放大器180的功率增加效率（PAE)係藉由方程式2 侍出，其中P|是功率放大器在連線1 84處之輸入功率，並且ιΒΑΤΤ是功率放大器180及功率放大器控制模組21〇的總沒取的電池電流。 PAE:—Ρ〇~Ρι • ν_*ΐΒΑΤΓ (方程式 2) 在最大的功率下（其中最大的效率是所期望的），ρ〇>>Ρι 並且vcc通大於vCE(sat)，因而方程式2簡化成方程式3。 PAE =- 2Rl*(Vbatt*IBa7t) (方程式 3) 方程式3係顯示甜於—棚4* m 耵万、個特定的電池電壓νΒΑΤΤ而言，歲大的效率係藉由使得在遠 i # 隹運線168上之電壓Vcc儘可能的大豕加以達成。在功歪iA~ 4- °°ί l 益控制模組210中，在連線168 16 丄亡之電壓vcc係藉由線性電壓調節器26〇所產生，該線性電，調節H 260典型是包括—個運算放大器則個能夠提供功率放大器I8G的集極電流之pfet Μ以及一個 ;°又疋在連線146上之VENV以及在連線168上之να之間的關係的回授網路27G。由於〜是藉由回授網路C謂的轉:奐函數來加以設定，因此迴路增益較佳的是高的以維持調節，此係需要電晶體262運作在飽和模式中，其中

丄 V

BATT ~ ^CC > V DS(sat) (方程式4) 、在正常的運作條件下，電池電壓的標稱值VBATT(_)係被選擇’並且功率放大器模組2〇〇係被設計以在最大的功率:曾力:效率下提供最大的輸出功率，㈣維持該線性電壓調節器細的調節。此係藉由設計該回授網路270的轉換函數H(Venv)以使得在νΕΝν(—之下的I儘可能的接近 Vbatt — w，且同時維持電壓調節來加以達成。在一個例如是可攜式的細胞式通訊裝置之電池供電的裝置使用期間’電池電壓將會在電荷從該電池流出時下降因H力率& A器模組典型是被指定成運作在一個電池电[的圍上。由於功率放大胃i 8〇係被設計成在 VBA”(_)之下的最佳效能’ t Vbatt<Vbatt一)時，此將會違反方程S 4，並且Vcc將不再被調節，因而該關係 Vcc=H(Venv)不再符合。此係在一個例如是gsm之脈衝的波形系統中被說明’其係藉由施加一個具有％㈣的大小之正弦波在連線146上作為該V膽信號，其中 17 1379509

VbaTT<Vb ΑΤΤίηοηΟ被把加至連線214。此將會在以下第$圖中加以解說。第3圖是描繪利用第2圖的運算放大器3〇〇所做成的本發明之一實施例的概要圖。為了提供“軟（s〇ft)”箝位特徵，除了該非反相的輸入電晶體3 14之外，在該電壓調節器260中的運算放大器300係包含一個第三輸入電晶體 310(在此實施例中為PFET)，其係與該反相的輸入電晶體 3 1 2並聯耦接。一個電流源3〇4係偏壓電晶體3丨〇、3 12與 314，並且連接在VBATT 214以及電晶體31〇、312與314 的源極端子之間。電晶體31〇的汲極端子係經由連線326 而被耦接至連線320,電晶體312的汲極端子係經由連線 320而被耦接至該運算放大器（第2圖的3〇〇)之後續的級，該後續的級係藉由一個電流控制的電壓源324來代表。電晶體314的汲極端子322係耦接至該電流控制的電壓源 324。該電流控制的電壓源324的輸出是被供應至第2圖的電晶體262的閘極端子之輸出268。利用第3圖中所示的配置，《晶體31〇的閘極端？ 232係連接至該參考電壓 = CLAMP，電晶體312的閘極端子146係連接至Venv，而電曰曰體314的閘極端子272係連接至回授網路27〇(第2圖）的輸出VPB。如同將在以下所描述的，該額外的輸入電晶粗310 ^、藉由電壓VclAMP所控制，以在電池電壓VBATTT 降至1丨"信 BATTUcnO以下時提供軟切換的功能。 —第4圖是描繪該功率放大器模組在受到箝位與未受到甜位的^ ’兄下之暫態響應的圖形400。水平車由402係代表 18 1379509 時間，而垂直轴404係以dBm代表功率放大_ i8〇的輸出。曲線條係代表該功率放大器18〇在標稱的電池“ vBATT(_)下的暫態響應，曲線412係代表該降低的電池電厂堅且沒有電塵箱位下的暫態效能，曲線：在8 係代表該功率放大器18〇在降低的電池電麼下利用 / 在降低的電_下利用“軟，，箝位的暫態響岸。區域係發生在功率放大$180的輸出響應㈣曲 :一二所不的標稱響應時。該未調節的區域係指出電厘調即窃260的回授迴路是開路的。當vENV下降至一個位準為滿足方程式4日夺，該調節器迴路係被閉路，此係使得Vcc=h(Venv)再度成為有效的。二而’由於该控制迴路27〇的頻寬是有限的，因此在閉路該回授迴路上有一段時間延遲，所以電壓調節器260被強劇地扭轉以重新獲得正確的輸出電壓，即如第4圖中、所示。此急劇的轉變係產生對於須符合用於例疋 Μ的某些時分多工（TDMA)系統之切換的暫態規格疋不軋接又的頻譜成分位準。此外，當該放大器是在奢低的電池电壓且沒有電壓箝位或“硬，，電壓箝位下被使用於極化調變時’該調變波封的波峰將會呈顯與切換的響應彳同的劇轉皮，此係產生超出某些規格的調變頻譜。相較於沒有籍位或是“硬，，籍位的放大器，該“軟”電壓箝位在降低的電池電壓下顯著地降低調變的高頻頻譜，此係容許在較高的輸出功率下之極化調變。 19 為了縮減由於切換的暫能所止士、 #〜供的瞀L所&成的頻譜成分，該電壓調即窃260的輸出係根據本發 % ^ ^ ^個貫施例而被限制成、·隹持该功率放大器在連線156 的鳇堪 ^ 之輸出k唬免於進行急劇乂。右-項嚴格的限制加諸於該電麼調節器％。的輸二：：制位準較佳的是被設定成足夠低的以避免有未調即的.區域’即如曲線4〇8 啄4⑽所不者，否則急劇的轉變將會發生’此係產生不希望有的頻链 D〇 0 頭'曰再生。藉由設定電壓調節 °。 6〇的限制成足夠低的以避免運作。忭5亥功率放大器180在未調節的區域中，因而可得 a . 亍刃铷出功率係進一步被降低。备VBATT被降低到Vrrf 以下牯士士人 ―)下^，在輸出功率上的某些降低疋無法避免的，即如曲線 2所不者，此係不利地影響到可t式裝置之可容許的^ # — T耵心廷距離及功率增加效率。第5圖是描繪該功率放千双大态180在不同的電壓箝位的輪廓下之輸出的頻譜再生（頻媒 D曰成为）之圖形500。水平軸 5〇2係以赫兹㈣為單位代表偏移頻率，而垂直轴504传以（撕）為單位代表頻譜成分。曲線512係顯示一個對應於曲線4 12之未被箝位的塑廄的θ應之快速傅立葉轉換（FF丁），曲 508係顯示由對應於第4 u町曲線408之硬箝位所產生的 FFT，而曲線510係顯示由旳 T應於第4圖的曲線41 〇之敕箝位機構所產生的FFT。如同在第5圖中印··^ . 斤不，在降低的電池電壓下之未被箝位的響應之急劇的轉變传產夂知產生顯耆的頻譜成分。由第4圖的曲線4 0 8所示之蘇；I：久^^ R0 ^, 之嚴格的限制不僅降低功率增加效率，而且由此一輪廟所產生的頻言並曰生（由曲線5 0 8所示）並未顯 20 著地優於曲線512所示之未被籍位的輪廓所產生的頻譜再生。該軟箝位機構係平滑化從未調節至調節的轉變，此传如曲線51〇所示顯著地縮減切換的暫態頻譜，同時提㈣硬箝位的電遷調節器高的輸出功率及功率增加效率。

第ό圖是料第3圖的電晶體31〇及312的各種電愿及汲極電流的關係之_刚。水平轴6〇2係代表時間，左手邊的垂直軸604係代表電壓（ν)，而右手邊的垂直軸6〇5 係代表電流⑷。曲線祕係代表„ I鑛，曲線6〇8 係代表電壓Vcc，曲線612係代表電壓Venv，曲線614係代表電Ba體310的汲極電流，且曲線6丨6係代表電晶體3 ^ 2 的汲極電流。曲線6〇6、6〇8及612係參照左手邊的垂直軸604，而曲線614及616係參照右手邊的垂直軸6〇5。現在請參考第3及6圖，在標稱的情況下

(Vbatt >Vbatt(_)) ’ Vclamp 係被設定在一個大於 νΕΝν(ΜΑχ) 的位準，因而通過電晶體31〇的電流（曲線614)相較於通過電晶體312的電流（曲線616)而言是最小的。然而，當 νΒΑΤΤ下降時，vcLAMp亦下降，最終會下降至一個低於 veNV(max)的位準。當vENv>VcLAMp時，流過電晶體312的電流係轉向到電晶體310，所以vENV超出vCLAMP的偏離係在透過連線320(第3圖）到運算放大器300之後續的級（由電流控制的電壓源324所代表）的電流輸出上導致很小、甚至沒有改變。當vENV被降低至一個低於Vclamp的位準•時，該電流被轉向回到電晶體3丨2，因而通過連線32〇的電流係再次受到VENV的控制，以及在連線168上之Vcc係呈現 21 1379509 由H(Venv)所定義的轉換函數。由於在電晶體31〇及312 之間的電流差分是根據在Venv及vCLAMP之間的電壓差分而定的’所以在電晶體310及312之間的電流轉變係隨著 VENV(顯示在612之處）逐漸地接近VcLAMp(顯示在6〇6之處）而逐漸地發生’此係提供“軟，，箝位特徵。在一個實施例中’該電壓VCLAMp係利用如同在第2圖中所示的電壓箝位參考電路212而被產生。該運算放大器 244以及一個相連的回授網路252係被用來複製該電壓調節器260。一個第三輸入PFET(未顯示）係内含在該運算放大器244中以模擬在第3圖中的運算放大器3〇〇内所示的箝位電晶體31 0。利用一個藉由電壓源234所本地產生的偏壓電壓，運异放大器244之非反相的輸入23 8係連接至一個等於vENV(max}的電壓，因此複製了在最大的功率放大器功率下之電壓調節器260。利用一個耦接至連線214上之電壓Vbatt的本地產生的電壓源216，一個被稱為vDROP之從νΒΑΤΤ下降的固定的電壓降係被產生。此電壓降係等同於在連線168上橫跨電晶體262之所要的汲極-源極電壓Vds，其係被使用來在電壓調節器260中維持平滑的切換響應。所產生的電壓 VBatt-Vdr〇p係連接至運算放大器22〇(第2圖）之非反相的輸入222。運算放大器220之反相的輸入224係在連線224 之上連接至運算放大器244的輸出。因為該運算放大器244 及220係連接在一個回授迴路中，因此該運算放大器係調整在連線232上之電壓V⑽p，使得該運算放大器244 22 1379509 的輸出電壓等於wv_。因此，t 位準下隆眭 BATT從一個標稱 262(m VcLAMP係被調整以確保橫跨電晶體 (第2圖）的電壓降v總八々、V DROP 0 如同在弟2圖中所示，在—個實電壓V a%. ,中，該箝位參考 VCLAMP係獨立於電壓調節器26〇而被要雷懕烟铲屋生’其並不需該轸出二I: : 0附近的回授。此種開迴路的架構係容許 j出月:夠被箝位，而不影響電壓調節器的頻x，此係使二到箝位的情況中之極化的調變成為可能的。再者， =的:構係提供“軟”箝位特徵’因為回授迴路將會在第3圖）之間造成更急劇的電流轉變， :致更尖銳的籍位輪磨，非常像是該不希 4〇8(第 4 圖）。第7圖是描繪本發明的-個實施例的動作之流程圖。在該流程圖中的方塊可以用所顯示的順序執行、或不昭所顯示的順序執行、或者可以平行加以執行。該功率放大器模組200較佳的是被設計成運作在電壓v—_)，以在最大所設計的功率輸出下產生最大的功率增加效率。在方塊 702中’该基頻子系統i 1Q係起始_個發送叢發，使得電壓vENV從電壓vENV(min)斜波變化至電壓v_(—，此係對應於所要的叢發功率。在方塊7〇”，當可攜式的通訊裝置被使用時，電荷係從電池流出’因而該電M IT開始下降，此係使得在節點222(第2圖）處之電壓相應地下降。在方塊706中，該誤差放大器22〇係調整電壓VcLAMp 23 1379509 以維持運算放大器244的輸出電壓在電>1 vBATT-vDR0P。在龙12中’其係判斷是否大於vclamp。若在方塊712 中’其係判斷Venv大於VcLAMP，則在方塊714中，當VENV 超出vcLAMP時’電流係從電晶體312轉向到電晶體31〇(第 3圖）’ s此逐漸地限制^在Vbatt_v_。若在方塊712 中’其係判斷vENV小於Vclamp，則在方塊716中，其係判斷vENV是否在所要的電壓VENv(desired)。若v_不是在所要的電壓時，則正常的功率斜波上升係繼續，並且該過程回到方塊712。若VENV是在所要的電壓，則在方塊722 中，發送時槽係被起始《類似地，在方塊714

' Y E N V 超出VCLAMP時’該電流從電晶體312轉向到電晶體310(第 3圖）之後’發送時槽係在方塊724中被起始。在方塊726中’在該發送時槽之後’當Venv被降低到 VCLAMP以下時，流過電晶體31〇的電流係逐漸地轉回到電晶體3 12。該過程接著前進到方塊728，其中電壓係斜波向下至。在方塊722中的發送時槽之後，該過程接著前進到方塊728，其中電壓v yd . v、丁电您vENV係斜波向下至 VENWmiM。在方塊732中，該發送叢發係完成，並且該過程回到方塊702以用於下一個發送叢發。儘管本發明的各種實施例已經加以描述，但是對於今項技術中之具有通常技能者而言明顯將會瞭解的是，’多在本發明的範疇内之其它的實施例及做法也B _ i疋可仃的。於是’除非是根據所附的申請專利範圍及直均笙τ5 哥項，否則本舞明並非欲受到限制。 24 丄j/ 【圖式簡單說明】本發明可參考以下的圖式组件夫& β & ΒΛ 更月b夠理解。在圖式中之 ..且件未必疋按照比例的，而在強調清楚地描繪本發明的席理再者’在該圖式中，相的岡& 问的參考圖號係指所有不同的圖面之間對應的部件。第1圖是描繪根據本發明的 φ从乃的一個實施例之包含一率放大器控制元件之簡化的可和 h式收發裝置的方塊圖。

第2圖是描繪第1圖之 ,φ ^ 。 3 s亥功率放大器控制模組的功率放大器模組的方塊圖。第3圖是描繪以第2圓的運篡 J逆异敌大盗做成的本發明之一個實施例的概要圖。弟4圖是描繪該功率放大考^宣纟日β 刀千双穴窃耦組在文箝位以及未受箝位的情況下的暫態響應之圖形。第5圖是描繪該功率放大器模組在不同的電壓箝位輪廓下的輸出之頻譜再生（頻譜成分）的圖形。

第6圖是描繪第3圖的電晶體之各種的電壓及汲極電流的關係之圖形。第7圖是描述本發明的一個實施例的動作之流程圖【主要元件符號說明】 100可攜式收發裝置 1〇2揚聲器 104顯示器 106 鍵盤 108麥克風 25 1379509 no 基頻子系統 112' 114' 116> 118 連線 120 微處理器 122 記憶體 124 類比電路 126 數位信號處理器 128 匯流排 132 連線 133 現場可程式化的閘陣列（FPGA) 134 類比至數位轉換器（ADC) 135 特殊應用的積體電路（ASIC) 136、138 數位至類比轉換器（DAC) 140 連線 142 電源 144、146 連線 150 發送器 152 調變器 154 向上變頻器 156 連線 158 連線 160 天線 162 雙工器 168 連線 170 接收器 26 1379509 172 向下變頻器 174、176 連線 178 解調器 180 功率放大器 182 濾波器 184、186 連線 200 功率放大器模組 210 功率放大器控制模組

212 電壓箝位參考電路 214 連線 216 電壓源 220 運算放大器 222 非反相的輸入 224 連線 232 連線 234 電壓源

23 8 非反相的輸入 244 運算放大器 252 回授網路 25 5 功率放大器控制軟體 260 電壓調節器 262 p型場效電晶體（PFET) 2 64 源極端子 268 連線 27 1379509 270 回授網路 272 連線 284功率放大器模組 3〇〇運算放大器 304 電流源 310第三輸入電晶體 312 輸入電晶體 314 輸入電晶體 320 連線 322 沒極端子 324 電壓源 326 連線 400功率放大器模組在受下之暫態響應的圖形到推位與未受到箝位的情況 402代表時間的水平軸

楊…代表功率放大器18〇的輸出之垂直軸 ”力率放大裔1 8〇在標稱的電池電壓VBATT(n- 下的暫態響應之曲線代表力率放大盗1 80在降低的電池電塵下利用硬電壓箝位的暫態響應之曲線 410代表功率放大器18〇在降低的電池電壓下利用軟箝位的暫態響應之曲線 412代表功率放大器在降低的電池電壓且沒有電壓箝位下的暫態效能之曲線 28 1379509 500 功率放大器出的頻譜成分之圖形 180在不同的電壓箝位的輪廓下之輪 502以赫茲為單位代表偏移頻率的水平軸 5〇4以dBc為單位代表頻譜成分的垂直軸 5〇8對應於曲線4〇8之硬箝位所產生的之曲線對應於曲線410之軟箝位機構所產生的曲線 512對應於曲線412之未被箝位的響應之快速傅立轉換之曲線 ^ 6〇0電晶體及312的各種電壓及汲極電流的關係之圖形 6〇2 代表時間的水平軸 604 代表電壓的垂直軸 605 代表電流的垂直軸 606代表電壓VCLAMP的曲線 608 代表電壓vcc的曲線 612 代表電壓γΕΝν的曲線 614 代表電晶體3 10的汲極電流之曲線 616 代表電晶體3 12的汲極電流之曲線 702' 704' 706、712、714、716、722、724、726、728、 732 方塊 29

Claims

1379509 101年4月6日修正替換頁十、申請專利範圍： --- 1. 一種用於動態地控制一個功率放大器的波封及功率輸出之方法，其係包括： • 提供一個射頻（RF)信號至一個功率放大器；產生一個波封控制信號；產生一個電壓箝位信號；產生-個調節後的電壓’該調節後的電壓係相關於該波封控制信號； φ 供應该調節後的電壓至該功率放大器；以及根據該調節後的電壓來控制該功率放大器的輸出，該，、。周節後的電壓係響應於該波封控制信號以及該電壓箝位作號。。 /·如申請專利範圍第”員之方法，其更包括當該波封控制信號超出該電壓箝位信號的一個位準時，防止該調節後的電壓響應於一個除了該電壓箝位信號之外的信號。 — 3.如申請專利範圍第2項之方法，其更包括控制該調節 • 後的電壓之轉變免於響應於該波封控制信號，而是響應於〇該電壓箝位信號以最小化電源切換的暫態。 4.如申請專利範圍第3項之方法，其更包括逐漸地轉變該調節後的電壓在響應於該波封控制信號與響應於該電壓箝位信號之間。、5.如申請專利範圍第3項之方法，其更包括藉由鏡射一個被配置以供應該調節後的電壓之電壓調節器的輸出來產生該電壓箝位信號。 30 1379509 - - 101年4月6日修正替換頁 6. —種用於一個功率放大器之功率控制電路，其係包括：一個電壓調節器，其係具有一個被配置以接收一波封 " 控制信號的第一輸入、一個被配置以接收一回授信號的第二輸入、以及一個被配置以接收一電壓箝位信號的第三輸入；以及一個電壓箝位參考電路，其係被配置以產生該電壓箝位信號。

〇 7. 如申請專利範圍第6項之功率控制電路，其中該電壓調節器係更包括： 0 一個第一運算放大器，其係包括一個被配置以接收該波封控制信號的第一電晶體、一個被配置以接收該回授信號的第二電晶體以及一個被配置以接收該電壓箝位信號的第三電晶體，其中當該波封控制信號小於該電壓箝位信號時，該第一電晶體及第二電晶體係形成該第一運算放大器的第一輸入對，並且其中當該波封控制信號接近該電壓箝位信號時’流入該第一電晶體的電流係被轉向到該弟二電晶體，因而該第二電晶體及第三電晶體係形成該第一運算放大器的第二輸入對。 8. 如申請專利範圍第7項之功率控制電路，其中在該第一電晶體及第二電晶體形成該第一輸入對的操作狀態至該第二電晶體及第三電晶體形成該第二輸入對的操作狀態之間的轉變是逐漸的。 9.如申請專利範圍第8項之功率控制電路，其更包括一 31 1379509 ' 101年4月6曰修正替換頁個在該第一運算放大器的輪出處之電 • 配置以產生—個調節後的電壓信號。 .請專利範圍第7項之功率控制電路，其中該調二’㈣唬係緊密地追隨該波封控制信號，直到-個所要的調節後的電壓信號超出一個電池電壓位準為止。 r後的+广專和範圍第1〇項之功率控制電路，其中該調 =广號係響應於該波封控制信號，直制仏旒超出該電壓箝位信號為止。 0 • 丨2·如中請專利範圍第11項之功率控”路，"” 波封控制信號超出該電麗箝位信號時二厂、號係響應於該電遂箝位信镜。。周即後的電壓信 I3·如申請專利範圍第u項之功壓箝位參考電路係包括：工1 -路，其中該電一個第二運算放大器及回授網路，龙該電厂堅調節器的-個轉換函數及符位特^糸破配置以鏡射 0 -個第三運算放大器，其係被配置:::及癱信號，使得當一個電池雷屙v , 乂调整戎電壓箝位 •該第-運曾放大二：一-個標稱位準下降時，運斤放大益的輸出電壓等於該電池 -個固定的電壓降v_p，並且使得横跨二減去器的一輪出處之電晶體的電壓降VDS她壓調節壓降Vdrop。、心疋大於該固定的電 32 1 4· 一種可攜式收發裳置，其係包括. 一個收發襄置，其係能夠發送及號；收一個射頻（RF)信 1379509 _ ·- 101年4月6日修正替換頁個電塵調節器，其係具有一個被配置以接收一波封 • 控制信號的第—輸入、一個被配置以接收一回授信號的第 —輸入、以及一個被配置以接收一電壓箝位信號的第三輸入’該電壓調節器係控制由該收發裝置所發送的RF信號的功率位準；以及個電屢柑位參考電路’其係被配置以產生該電壓箝位信號。 0 1 5.如申請專利範圍第電壓調節器係更包括：一個第一運算放大器，其係包括一個被配置以接收該波封控制信號的第一電晶體、一個被配置以接收該回授信號的第二電晶體以及一個被配置以接收該電壓箝位信號的第三電晶體，其中當該波封控制信號小於該電壓箝位信號時，該第一電晶體及第二電晶體係形成該第_運算放2器° 的第一輸入對，並且其中當該波封控制信號接近該電壓箝位信號時，流入該第一電晶體的電流係被轉向到該第二電 0 晶體，因而該第二電晶體及第三電晶體係形成該第一運算放大器的第二输入對。 # 16. 如申請專利範圍第15項之可攜式收發裝置其中在該第-電晶體及第二電晶體形成該第—輸入對：操;乍狀能至該第二電晶體及第三電晶體形成該第二輸人態之間的轉變是逐漸的。輔™尺 17. 如申請專利範圍第16項之可攜式收括一個在該第一運算放大器的輪出處之電晶體，▲’八 5亥電加'它咬a 、加.. & I ’其更包晶體 33 U79509 iOI年4月6曰修正替換頁係被配置以產生一個調節後的電壓信號、 18·如申請專利範圍第17項之可攜式收發裝調節後的電壓信號係響應於該波中该要的調節後的電塵信號超出-個電池電壓^為直^一個所調乂9:::專利範圍第18項之可搞式收發衰置,其中該、 σ琨係緊在地追隨該波封控制信號，直到波封控制信號超出該電壓箝位信號為止。 DX 2〇·如申請專利範圍第19項之可攜式收發該波封控制信號超出該電壓箝位信號時，該調節後的電: 信號係響應於該電壓箝位信號。 21·如申請專利範圍第19項之可攜式收發裝置，盆中今電壓箝位參考電路係包括： ' μ -個第二運算放大器及回授網路’其係被配置以鏡射該電壓調節器的一個轉換函數及箝位特徵；以及 -個第三運算放大器，其係被配置以調整該電壓箝位信號，使1當-個電池電塵從一個標稱位準下降時，該第-運算放大器的輸出電壓等於該電池電壓VBA”減去 -個固定的電壓降V_p，並且使得橫跨—個在該電壓調節器的-輸出處之電晶體的電壓降Vds總是大於該固定的電壓降Vdrop。 22. —種可攜式收發裝置，其係包括·· 用於發送及接收一電壓調節器裝置，控制信號的第一輸入、個射頻（RF)信號的裝置；其係具有一個被配置以接收一波封個被配置以接收—回授信號的第 34 1379509 ___ ' --~ _ . 101年4月6日修正替換頁二輸入、以及一個被配置以接收一電一' 入，該電壓調節器裝置係控制用於發送及接收的該裝置所發送的RF信號的功率位準；以及 ' 用於產生該電壓箝位信號的裝置。 23.如申請專利範圍第22項之可攜式收發裝置，其中該電壓調節器裝置係更包括：第—運算放大器裝置’其係包括一個被配置以接收該波封控制信號的第一電晶體、一個被配置以接收該回授信 • 號的第二電晶體以及一個破配置以接收該電壓箝位信號的 q 第二電晶體，.其中當該波封控制信號小於該電壓箝位信號時，該第一電晶體及第二電晶體係形成該運算放大器的第一輸入對，並且其中當該波封控制信號接近該電壓箝位信號時’流入該第一電晶體的電流係被轉向到該第二電晶體，因而該第二電晶體及第三電晶體係形成該運算放大器的第二輪入對。 24·如申請專利範圍第23項之可攜式收發裝置，其更包 # 括用於提供在該第—電晶體及第二電晶體形成該第一輸入〇對的#作狀態至該第二電晶體及第三電晶體形成該第二輸入對的刼作狀態之間平滑的轉變之裝置。 25·如申請專利範圍第％項之可攜式收發裝置，其中用於產生該電壓箝位信號的裝置係鏡射一個電壓調節器的轉換函數及掛位特徵’該電壓調節器係被配置以供應一個調節後的電壓》 35 1379509 - :. 101年4月6曰修正替換頁十一、圖式：如次頁。

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