TWI383581B - 功率放大器和其功率放大方法 - Google Patents

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Description

功率放大器和其功率放大方法
本發明係有關於功率放大器，特別係有關於功率放大器和其功率放大方法。
在資料傳輸之前，功率放大器利用傳送器的增益來放大輸入訊號。如果放大器的輸出和輸入相差一大致固定的增益，則功率放大器被認定為線性(linear)的。增益是輸出訊號對輸入訊號的比值。因為可以避免輸出訊號的扭曲(distortion)，線性功率放大器在射頻系統中有廣泛的應用。
功率放大器的非線性是由其非線性的互導(transconductance)(每個輸入電壓改變所產生輸出電流增益)、非線性輸入容抗(capacitance)、和非線性輸出電阻(resistance)所引起。功率放大器的非線性互導可以由控制輸出功率的操作範圍於一滿意的增益範圍之內而解決，增益範圍稱為P1dB點。非線性輸出電阻由提高輸出電阻解決。非線性輸入容抗經功率放大電晶體的輸入容抗影響而增加，因此為輸入訊號的函數，功率放大電晶體在功率放大器之內。在MOS電晶體的例子中，閘極-源極的容抗和閘極電壓一起改變。在BJT電晶體的技術中，基極-射極的容抗和基極電壓一起改變。
功率效率是功率放大器的另一個重要測量數值，因為在功率放大期間會消耗電流和功率。在無線行動的應用 中，功率放大器的功率效率對於決定無線行動裝置的電池可用時間極為重要。
功率放大器電路在功率輸出時可以在一廣泛範圍內維持固定效率的能力稱為功率回退(backoff)範圍。當電源少時，功率回退範圍內之功率放大器效率之減低會產生問題，因此無線或衛星通訊裝置的功率放大器通常需要高功率效率以及較廣的功率回退範圍。
有鑑於此，需要一種線性以及具有高效率的功率放大器。
本發明提出一種功率放大器，用以放大一輸入訊號，包括一功率放大器電路、一偏壓電路、以及一補償電路。該功率放大器電路具有一反應上述輸入訊號的輸入阻抗，以及放大上述輸入訊號用以產生一輸出訊號。該偏壓電路耦接到上述功率放大器電路，產生一直流偏壓訊號到上述功率放大器電路，使得上述功率放大器電路放大上述輸入訊號。該補償電路耦接到上述功率放大器電路，提供一反應上述輸入訊號的補償阻抗，使得不論上述輸入訊號為何，上述輸入阻抗和上述補償阻抗的總和大致固定。
本發明另提出一種功率放大器，用以放大一輸入訊號，包括一功率放大器電路、以及一偏壓和補償電路。該功率放大器電路具有第一種類的一第一電晶體，用以放大上述輸入訊號。該偏壓和補償電路具有第二種類的一第二電晶體，耦接到上述第一電晶體，產生一直流偏壓訊號到上述 功率放大器電路，使得上述功率放大器電路放大上述輸入訊號，提供一反應上述輸入訊號的補償阻抗，使得不論上述輸入訊號為何，上述輸入阻抗和上述補償阻抗的總和大致固定。
本發明另提出一種功率放大方法，用以放大一輸入訊號，包括提供一反應上述輸入訊號的輸入阻抗，用以放大上述輸入訊號來產生一輸出訊號，產生一直流偏壓訊號到上述功率放大器電路，使得上述功率放大器電路放大上述輸入訊號，以及提供一反應上述輸入訊號的補償阻抗，使得不論上述輸入訊號為何，上述輸入阻抗和上述補償阻抗的總和大致固定。
在此必須說明的是，於下揭露內容中所提出之不同實施例或範例，係用以說明本發明所揭示之不同技術特徵，其所描述之特定範例或排列係用以簡化本發明，然非用以限定本發明。此外，在不同實施例或範例中可能重覆使用相同之參考數字與符號，此等重覆使用之參考數字與符號係用以說明本發明所揭示之內容，而非用以表示不同實施例或範例間之關係。
第1圖顯示習知技術之功率放大器，包括輸入匹配電路10、偏壓電路12、功率放大器電路14、和輸出匹配電路16。輸入匹配電路10和偏壓電路12耦接到功率放大器電路14、然後耦接到輸出匹配電路16。
功率放大器電路14包括由偏壓電路12偏壓的功率 放大電晶體Q1，將輸入訊號Sin 以增益G放大。偏壓電路12內的電感(RF chock)L1耦接在偏壓Vbias 和電晶體Q1的閘極之間，用以提高偏壓電壓，允許輸入訊號Sin 在偏壓電壓的直流準位間移動。輸入匹配電路10和輸出匹配電路16分別匹配其輸入和輸出阻抗。當輸入訊號Sin 到達不同的電壓準位時，閘極到源極的電感也會展現非線性變化，並且扭曲輸出訊號Sout 的理想波形。
第2圖顯示本發明實施例之功率放大器的方塊圖，包括輸入匹配電路10、補償電路20、偏壓電路22、功率放大器電路14、和輸出匹配電路16。輸入匹配電路10、補償電路20、和偏壓電路22耦接到功率放大器電路14，並且接著耦接到輸出匹配電路16。
偏壓電路22提供偏壓電壓用以偏壓功率放大器電路14。功率放大器電路14的輸入容抗Cin 隨著輸入訊號Sin 改變，因此導致輸出訊號Sout 的訊號扭曲。補償電路20提供補償容抗Ccomp 補償輸入容抗Cin 的非線性變化，使得不論輸入訊號Sin 為何，輸入容抗Cin 和補償容抗Ccomp 的總和大致維持固定。例如，當輸入訊號Sin 擺動較高的電壓準位時，輸入容抗Cin 隨之增加並且補償容抗Ccomp 隨之減低，產生大致固定的電容值總和(=Cin +Ccomp )，並且消除由非線性輸入阻抗引起的輸出訊號Sout 的訊號扭曲。
第3圖顯示本發明實施例之功率放大器的電路圖，包括輸入匹配電路10、補償和偏壓電路30、功率放大器電 路14、和輸出匹配電路16。輸入匹配電路10和補償和偏壓30耦接到功率放大器電路14，並且接著耦接到輸出匹配電路16。
補償和偏壓電路30提供偏壓和輸入容抗補償的功能，如同第2圖中揭露的補償電路20和偏壓電路22。補償和偏壓電路30包括連接成二極體形式的電晶體Q2，以及連接在電晶體Q2的閘極和接地端之間的接地電容C1。電晶體Q2可以是提供補償容抗Ccomp 的PMOS電晶體。補償容抗Ccomp 對電晶體Q2之源極和閘極間的輸入訊號Sin 產生反應。電晶體Q2的二極體整流器(rectifier)，經由補償容抗Ccomp 使用進入二極體輸入的輸入訊號Sin ，使得提供到功率放大器電路14的偏壓隨著輸入訊號Sin 的電壓擺動而增加。輸入訊號Sin 可以是一射頻(RF)訊號。
功率放大器電路14包括由偏壓電壓產生偏壓的功率放大電晶體Q1。功率放大電晶體Q1由電晶體Q2的互補電晶體種類選擇，並且可以是NMOS電晶體。電晶體Q1具有對輸入訊號Sin 反應而產生的輸入容抗Cin ，所以當輸入訊號Sin 的電壓準位改變時，電晶體Q2產生和輸入容抗Cin 互補的補償容抗Ccomp ，藉此消除非線性輸入阻抗特性，和功率放大器3內的輸出訊號Sout 之訊號扭曲。
雖然功率放大器3使用MOS技術來實現，習知技藝者也可以使用雙極電晶體或其他技術來實現功率放大器3。
第4圖顯示功率放大器電路14的閘極電壓Vg 和輸出功率Pout 之模擬圖，使用第1圖的習知功率放大器和第3圖的功率放大器。第4圖包括代表習知功率放大器的曲線40和功率放大器3的曲線42。輸出功率Pout 以dBm計算，並且閘極電壓Vg 以volt計算。
如第4圖顯示，在閘極電壓Vg 使用固定的偏壓電壓，並且輸出功率Pout 和輸入訊號Sin 的擺動一起增加。功率放大器3具有相關於輸入訊號Sin 擺動的偏壓電壓，驅動輸出功率Pout 的增加。
第5圖顯示功率放大器電路14之增益G對於輸出功率Pout 的模擬圖，使用第1圖的習知功率放大器和第3圖的實施例功率放大器。第5圖包括代表習知功率放大器的曲線50和功率放大器3的曲線52。輸出功率Pout 以dBm計算，並且增益G以dB計算。
參考第5圖，習知功率放大器1(曲線50)在節點500具有峰值增益，以及節點502是P1dB點。功率放大器3的P1dB點(25dBm)超過功率放大器1的P1dB點(22.5dBm)2dB。P1dB點是測量功率放大器之增益壓縮值和線性值的數值，功率放大器的P1dB點越高，表示輸出訊號具有較廣的功率回退(backoff)範圍以及較少的訊號扭曲。因此功率放大器3和1相比具有較好的線性特性以及功率效率。
第6圖顯示功率放大器電路14之供給電流IPA 對於輸出功率Pout 的模擬圖，使用第1圖的習知功率放大器 和第3圖的實施例功率放大器。第6圖包括代表習知功率放大器的曲線60和功率放大器3的曲線62。輸出功率Pout 以dBm計算，並且供給電流IPA 以安培(Ampere)計算。
參考第6圖，習知功率放大器(曲線60)因為固定的閘極電壓Vg (如第4圖顯示)，所以具有固定的供應電流。功率放大器3(曲線62)具有增加的供給電流IPA ，供給電流IPA 相對應於第4圖中增加的閘極電壓Vg ，並且當輸出功率Pout 較低時比習知的功率放大器1的供給電流IPA 低。因此功率放大器3在低功率時只需要比功率放大器1較少的放大器功率。
第7圖顯示功率放大器電路14的功率增加效率(Power Added Efficiency,PAE)對於輸出功率Pout 的模擬圖，使用第1圖的習知功率放大器和第3圖的實施例功率放大器。第7圖包括代表習知功率放大器的曲線70和功率放大器3的曲線72。輸出功率Pout 以dBm計算，並且供給電流IPA 以百分比計算。
功率增加效率可以用公式1表示：PAE(%)=(Pout -Pin )*100/放大器功率 (1)
其中Pout 是放大器電路14的輸出功率，以mW計算；Pin 是放大器電路14的輸入功率，以mW計算；放大器功率是放大器電路14的功率消耗，以mW計算。
參考第7圖，習知功率放大器(曲線70)因為固定的閘極電壓Vg (如第4圖顯示)，所以具有固定的供給電流IPA 。習知功率放大器(曲線70)顯示其功率增加效率以指數(exponential)增加，而功率放大器3(曲線72)顯示其功率增加效率以線性增加。曲線72(功率放大器3)和70(功率放大器1)比較之下顯示對於小於21dBm的輸出功率Pout ，功率放大器3具有較好的功率增加效率。對於無線傳輸應用來說，輸出功率Pout 的工作範圍落在14-18dBm之間，小於21dBm。
本發明實施例也揭露一種功率放大方法，使用第3圖的功率放大器3。功率放大方法包括提供一反應輸入訊號Sin 的輸入容抗Cin ，用功率放大器3放大輸入訊號Sin 來產生輸出訊號Sout ；產生閘極電壓Vg 到功率放大器電路14，使得功率放大器電路14放大輸出訊號Sout ；以及提供反應輸出訊號Sout 的補償容抗Ccomp ，使得不論輸入訊號Sin 為何，輸入容抗Cin 和補償容抗Ccomp 的總和大致固定。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧輸入匹配電路
12‧‧‧偏壓電路
14‧‧‧功率放大器電路
16‧‧‧輸出匹配電路
20‧‧‧補償電路
22‧‧‧偏壓電路
30‧‧‧補償和偏壓電路
第1圖顯示習知技術之功率放大器。
第2圖顯示本發明實施例之功率放大器的方塊圖。
第3圖顯示本發明實施例之功率放大器的電路圖。
第4圖顯示功率放大器電路14的閘極電壓Vg 和輸出功率Pout 之模擬圖。
第5圖顯示功率放大器電路14之增益G對於輸出功率Pout 的模擬圖。
第6圖顯示功率放大器電路14之供給電流IPA 對於輸出功率Pout 的模擬圖。
第7圖顯示功率放大器電路14的功率增加效率對於輸出功率Pout 的模擬圖。
10‧‧‧輸入匹配電路
14‧‧‧功率放大器電路
16‧‧‧輸出匹配電路
20‧‧‧補償電路
22‧‧‧偏壓電路

Claims (4)

  1. 一種功率放大器，用以放大一輸入訊號，包括：一功率放大器電路，具有一反應上述輸入訊號的輸入容抗，以及放大上述輸入訊號用以產生一輸出訊號；一偏壓電路，耦接到上述功率放大器電路，產生一直流偏壓訊號到上述功率放大器電路，使得上述功率放大器電路放大上述輸入訊號；以及一補償電路，耦接到上述功率放大器電路，提供一反應上述輸入訊號的補償容抗，使得不論上述輸入訊號為何，上述輸入容抗和上述補償容抗的總和大致固定；其中上述功率放大器電路包括第一種類的一第一電晶體，上述補償電路包括第二種類的一第二電晶體，以及上述偏壓電路是該第二電晶體；其中上述第二電晶體的源極電連接上述第一電晶體的閘極以及一電源透過一電阻電連接上述第一電晶體的閘極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大器，其中上述第一種類是N型，以及上述第二種類是P型。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率放大器，其中上述第一種類是P型，以及上述第二種類是N型。
  4. 一種功率放大器，用以放大一輸入訊號，包括：一功率放大器電路，具有第一種類的一第一電晶體，放大上述輸入訊號；以及一偏壓和補償電路，具有第二種類的一第二電晶體，耦接到上述第一電晶體，產生一直流偏壓訊號到上述功率放 大器電路，使得上述功率放大器電路放大上述輸入訊號，提供一反應上述輸入訊號的補償容抗，使得不論上述輸入訊號為何，上述輸入容抗和上述補償容抗的總和大致固定；其中上述第一種類是NMOS電晶體，以及上述第二種類是PMOS電晶體；其中上述第二電晶體的源極電連接上述第一電晶體的閘極以及一電源透過一電阻電連接上述第一電晶體的閘極。
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