TWI508432B - 射頻功率放大器與電子系統 - Google Patents

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Description

射頻功率放大器與電子系統
本發明乃是關於一種射頻功率放大器，特別是指一種具有穩定之靜態工作電流之射頻功率放大器。
隨著網際網路發達之後，人們習慣於快速大量地接受資訊，特別是在近幾年來無線通信科技的進步，個人行動產品，如行動電話、個人數位助理等產品，以相當驚人的速度普及之後，人們希望能夠掌握即時資訊外，還希望能有即時的線上支援。因此，結合網際網路與無線通信的無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)與第三代(3G)/第四代(4G)網路正是滿足人們這樣需求的一個方案。
在無線通訊手持設備中，主要的直流功率消耗來自於射頻功率放大器。因此，使射頻功率放大器既能具有高線性度而不致讓放大訊號失真，並能同時具有高效率以延長通訊時間，一直是射頻功率放大器設計之研究重點。尤其在無線通訊系統中所廣為採用之正交頻分多工(OFDM)數位調制技術具有明顯的時變波包特性，其峰值與平均功率比值常數(PAPR)遠較現有的無線通訊系統為高，換言之其波包對時間變化較為劇烈，因此對射頻功率放大器的線性度要求也會比較高。
然而，在先前技藝下，美國專利公開號US2003/6556082所提供之射頻功率放大器，雖不受環境溫度之影響，但對於電池電壓 之改變，仍舊會影響到射頻功率放大器之靜態工作電流之輸出。以第三代(3G)/第四代(4G)手機系統為例，第三代(3G)/第四代(4G)手機系統對於射頻輸出功率的精準度有著極為嚴格的要求。因為手機電池的電壓值會有相當大的變化，其可能從3.2伏特到4.2伏特不等，因此會影響射頻功率放大器之輸出功率的精準度。
本發明實施例提供一種射頻功率放大器，用以接收且放大射頻輸入信號並據此輸出射頻輸出信號，所述射頻功率放大器包括偏壓電路、輸出級電路與射頻補償電路。偏壓電路電性連接第一系統電壓，所述偏壓電路用以提供偏壓電流，其中當第一系統電壓大於第一電壓門檻值時，所述偏壓電路接收微幅上升之第一電流。輸出級電路電性連接第二系統電壓與偏壓電路，所述輸出級電路接收偏壓電流以工作在工作偏壓點。射頻補償電路電性連接偏壓電路，當第一系統電壓大於第二電壓門檻值時，則射頻補償電路接收來自偏壓電路所傳送之微幅上升之第二電流，其中第二電壓門檻值大於第一電壓門檻值，並且當第一系統電壓位於工作電壓區間時，第一電流之電流值大於第二電流之電流值並且其微幅上升之斜率實質上相同，以使得射頻功率放大器之靜態工作電流獨立於第一系統電壓之變化。當第一系統電壓大於第三電壓門檻值時，第一電流之電流值等於第二電流之電流值，以使得偏壓電流為零電流，藉此以達到過電壓保護射頻功率放大器，其中第三電壓門檻值大於第二電壓門檻值。當第一系統電壓位於工作電壓區間，則第一電流與第二電流之電流值皆隨著環境溫度的增加而上升，並且其上升幅度實質上相同，以使得靜態工作電流為接近或等於零溫度係數之電流。
在本發明其中一個實施例中，第一電壓門檻值位於2.3伏特至2.5伏特之間，第二電壓門檻值位於2.9伏特至3伏特之間，第三電 壓門檻值位於5.8伏特至6伏特之間，並且工作電壓區間位於3.2伏特至4.2伏特之間。
在本發明其中一個實施例中，射頻功率放大器更包括輸入匹配電路與輸出匹配電路。輸入匹配電路電性連接輸出級電路，所述輸入匹配電路用以接收射頻輸入信號以提供輸入功率匹配之效能至輸出級電路。輸出匹配電路電性連接輸出級電路，所述輸出匹配電路用以輸出射頻輸出信號且提供輸出功率匹配之效能至輸出級電路。
在本發明其中一個實施例中，偏壓電路包括第一電阻、第一電晶體、第二電晶體、第二電阻與第三電阻。第一電阻之一端連接第一系統電壓。第一電晶體之基極連接第一電阻之另一端，第一電晶體之集極連接第一系統電壓。第二電晶體之集極連接第一電晶體之基極，第二電晶體之射極連接接地電壓。第二電阻之一端連接第一電晶體之射極，第二電阻之另一端連接第二電晶體之基極。第三電阻之一端連接第一電晶體之射極。
在本發明其中一個實施例中，輸出級電路包括輸出電晶體與集極電阻。輸出電晶體之基極連接第三電阻之另一端，輸出電晶體之射極連接接地電壓。集極電阻之一端連接第二系統電壓，集極電阻之另一端連接輸出電晶體之集極。輸出電晶體透過輸入匹配電路接收射頻輸入信號並予以放大後，透過輸出匹配電路輸出射頻輸出信號。當輸出電晶體之射極面積為第二電晶體之射極面積之N倍時且第二電阻之電阻值為第三電阻之電阻值的N倍時，則輸出電晶體之靜態工作電流為N倍之第三電流，其中N為大於1之有理數。
在本發明其中一個實施例中，射頻補償電路包括第四電阻、第五電阻、第六電阻、第三電晶體、第四電晶體、第七電阻、第五電晶體、第六電晶體與第八電阻。第四電阻之一端連接接地電壓。第五電阻之一端連接接地電壓。第六電阻之一端連接接地電 壓。第三電晶體之射極連接第四電阻之另一端，第三電晶體之基極連接第五電阻之另一端。第四電晶體之射極連接第六電阻之另一端，第四電晶體之基極連接第三電晶體之基極。第七電阻之一端連接第五電阻之另一端，其中第五電阻之電阻值為第七電阻之電阻值之三倍，並且第四電阻與第六電阻之電阻值小於第七電阻之電阻值。第五電晶體之射極連接第四電晶體之集極，第五電晶體之集極連接第一電阻之另一端以接收第二電流。第六電晶體之射極連接第七電阻之另一端，第六電晶體之基極連接第五電晶體之基極與第三電晶體之集極，第六電晶體之集極連接第一系統電壓。第八電阻之一端連接第三電晶體之集極，第八電阻之另一端連接第一系統電壓。透過調整第八電阻與第一電阻之間的阻值比例來使得靜態工作電流為接近或等於零溫度係數之電流。
在本發明其中一個實施例中，當第一系統電壓大於第三電壓門檻值時，透過第五電晶體與第六電晶體以大幅汲取第一電流之全部以作為第二電流，藉此以使偏壓電流為零電流。
在本發明其中一個實施例中，當第八電阻之電阻值實質上等於第一電阻之電阻值之三倍且第一系統電壓位於工作電壓區間時，第一電流之電流值大於第二電流之電流值並且其微幅上升之斜率實質上相同，以使得靜態工作電流獨立於第一系統電壓之變化。
在本發明其中一個實施例中，第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體、第六電晶體與輸出電晶體為異質接面雙極電晶體。
本發明實施例提供一種電子系統，電子系統包括射頻功率放大器與負載。射頻功率放大器接收射頻輸入信號且輸出射頻輸出信號。負載電性連接射頻功率放大器，所述負載接收射頻輸出信號。
綜上所述，本發明實施例所提出之射頻功率放大器與電子系統，能夠提供優良的溫度補償效應以使得射頻功率放大器之輸出功率與靜態工作電流相對於溫度變化時仍然保持穩定並且使得射頻功率放大器之靜態工作電流獨立於電池電壓之變化，藉此維持通訊系統所需之高線性度而不致讓射頻輸出信號失真。此外，本發明實施例之射頻功率放大器更能夠達到過電壓保護之效能，以避免過高之電池電壓造成射頻功率放大器或整個電子系統之損害。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100、200‧‧‧射頻功率放大器
110‧‧‧偏壓電路
120‧‧‧輸出級電路
130‧‧‧射頻補償電路
140‧‧‧輸入匹配電路
150‧‧‧輸出匹配電路
1300‧‧‧電子系統
1310‧‧‧射頻功率放大器
1320‧‧‧負載
CIN‧‧‧輸入電容
COUT‧‧‧輸出電容
CV1、CV2、CV3、CV4、CV5、CV6‧‧‧曲線
R1‧‧‧第一電阻
GND‧‧‧接地電壓
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
I3‧‧‧第三電流
I4‧‧‧第四電流
I5‧‧‧第五電流
IB‧‧‧偏壓電流
ICQ‧‧‧靜態工作電流
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
Q3‧‧‧第三電晶體
Q4‧‧‧第四電晶體
Q5‧‧‧第五電晶體
Q6‧‧‧第六電晶體
QW‧‧‧輸出電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
R7‧‧‧第七電阻
R8‧‧‧第八電阻
RW‧‧‧集極電阻
RFIN‧‧‧射頻輸入信號
RFOUT‧‧‧射頻輸出信號
VBE4、VBE6‧‧‧基射極電壓
VSS‧‧‧第一系統電壓
VCC‧‧‧第二系統電壓
圖1為根據本發明例示性實施例所繪示之射頻功率放大器之區塊示意圖。
圖2為根據本發明例示性實施例所繪示之射頻功率放大器之細部電路示意圖。
圖3為根據本發明實施例之靜態工作電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖4為根據本發明實施例之第一與第二電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖5為根據本發明實施例之第三電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖6為根據本發明實施例之靜態工作電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖7為根據本發明實施例之第一及第二電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖8為根據本發明實施例之第三電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖9為根據本發明實施例之靜態工作電流對於溫度之模擬曲線圖。
圖10為根據本發明實施例之第一及第二電流對於溫度之模擬曲線圖。
圖11為根據本發明實施例之第三電流對於溫度之模擬曲線圖。
圖12為根據本發明實施例之在溫度掃描下靜態工作電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。
圖13為根據本發明實施例之電子系統之區塊示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
〔射頻功率放大器的實施例〕
在無線通訊手持設備中，主要的直流功率消耗來自於射頻功率放大器。因此，使射頻功率放大器既能具有高線性度而不致讓 放大訊號失真，並能同時具有高效率以延長通訊時間，一直是射頻功率放大器設計之研究重點。本揭露內容提出一種不受環境溫度與電池電壓影響之射頻功率放大器，以符合通訊系統中對於高線性度之需求。
請參照圖1，圖1為根據本發明例示性實施例所繪示之射頻功率放大器之區塊示意圖。如圖1所示，射頻功率放大器100包括偏壓電路110、輸出級電路120、射頻補償電路130、輸入匹配電路140與輸出匹配電路150。偏壓電路110電性連接輸出級電路120並且偏壓電路110電性連接第一系統電壓VSS(亦即電池電壓)。輸出級電路120電性連接至輸入匹配電路140與輸出匹配電路150之間，並且輸出級電路120電性連接第二系統電壓VCC。射頻補償電路130電性連接偏壓電路110。應理解，輸入匹配電路140用以接收射頻輸入信號RFIN以提供輸入功率匹配之效能至輸出級電路120，輸出匹配電路150用以輸出射頻輸出信號RFOUT且提供輸出功率匹配之效能至輸出級電路120。
關於偏壓電路110，偏壓電路110用以提供偏壓電流IB至輸出級電路120，當具有射頻功率放大器100之電子系統啟動後，第一系統電壓VSS會緩緩上升並且當第一系統電壓VSS開始大於第一電壓門檻值(其位於2.3伏特至2.5伏特之間)時，偏壓電路110會開始進入正常運作狀態並且接收第一電流I1(從第一系統電壓VSS之一端流入偏壓電路110)，隨著第一系統電壓VSS之電壓值上升，第一電流I1也會微幅上升而呈現出正比關係。關於輸出級電路120，輸出級電路120所接收到之第二系統電壓VCC一般是由直流至直流轉換器(DC-DC converter)或是由收發器積體電路(Transceiver IC)的通用輸入輸出(General Purpose Input/Output,GPIO)來提供固定的電壓。再者，輸出級電路120接收偏壓電流IB以工作在一工作偏壓點(operation bias point)。關於射頻補償電路130，用以當第一系統電壓VSS大於第二電壓門檻值(其位於2.9伏特至3伏特之間)，則射頻 補償電路130會開始運作且接收來自偏壓電路110所傳送之第二電流I2，其中第二電流I2會隨著第一系統電壓VSS之上升而呈現微幅上升之趨勢。值得一提的是，當第一系統電壓VSS位於工作電壓區間(例如3.2伏特至4.2伏特之間)時，則第一電流I1之電流值大於第二電流I2之電流值並且其微幅上升之斜率實質上相同，以使得射頻功率放大器100之靜態工作電流獨立於第一系統電壓VSS之變化。
此外，在過電壓保護方面，本揭露內容之射頻功率放大器100在當第一系統電壓VSS大於第三電壓門檻值(其位於5.8伏特至6伏特之間)時，則第一電流I1之電流值等於第二電流I2之電流值，以使得偏壓電流IB為零電流進而關閉掉輸出級電路120，藉此以達到過電壓保護射頻功率放大器100之效果，其中第三電壓門檻值大於第二電壓門檻值。
另外，在溫度補償效應方面，當第一系統電壓VSS位於工作電壓區間，則第一電流I1與第二電流I2之電流值皆隨著環境溫度的增加而上升，並且其上升幅度實質上相同，從而以使得靜態工作電流(亦即輸出級電路120之輸出電流)為接近或等於零溫度係數之電流，也就是說，靜態工作電流不會隨著環境溫度之變化而變遷。簡單來說，在本揭露內容中的射頻補償電路能夠使得整個射頻功率放大器獨立於環境溫度之變化，電池電壓(第一系統電壓VSS)之變化，並且在當電池電壓過高時，射頻補償電路130會汲取走全部的第一電流I1(亦即第二電流I2之電流值等於第一電流I1之電流值)以關閉掉輸出級電路120，進而保護射頻功率放大器100。據此，射頻補償電路130能夠使射頻功率放大器100既能具有高線性度而不致讓放大訊號失真，並能同時具有高效率以延長通訊時間。
須說明的是，本揭露內容所述之正溫度係數指示其物理量(如電壓值、電流值或電阻值)與溫度之間成正比關係，也就是說，當溫度上升或下降時，其物理量會隨著溫度而上升或下降；本揭露 內容所述之負溫度係數指示其物理量與溫度之間成反比關係，也就是說，當溫度上升或下降時，其物理量會隨著溫度而下降或上升。本揭露內容所述之零溫度係數指示其物理量(如電壓值、電流值或電阻值)與溫度之間為相互獨立之關係，也就是說，當溫度上升或下降時，其物理量並不會隨著溫度而上升或下降。
為了更詳細地說明本發明所述之射頻功率放大器100的運作流程，以下將舉多個實施例中至少之一來作更進一步的說明。
在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖1實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖1實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。
〔射頻功率放大器的另一實施例〕
請參照圖2，圖2為根據本發明例示性實施例所繪示之射頻功率放大器之細部電路示意圖。與上述圖1實施例不同的是，在圖2實施例之射頻功率放大器200中，偏壓電路110包括第一電阻R1、第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第二電阻R2與第三電阻R3。輸出級電路120包括輸出電晶體QW。射頻補償電路130包括第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6。第一電阻R1之一端連接第一系統電壓VSS。第一電晶體Q1之基極連接第一電阻R1之另一端，第一電晶體Q1之集極連接第一系統電壓VSS。第二電晶體Q2之集極連接第一電晶體Q1之基極，第二電晶體Q2之射極連接接地電壓GND。第二電阻R2之一端連接第一電晶體Q1之射極，第二電阻R2之另一端連接第二電晶體Q2之基極。第三電阻R3之一端連接第一電晶體Q1之射極。輸出電晶體QW之基極連接第三電阻R3之另一端，輸出電晶體QW之射極連接接地電壓GND。本實施例之射頻功率放大器200更包括一集極電阻RW，其中集極電阻RW之一端連接第二系統電壓VCC，集極電阻RW之另一端連接輸出電晶體QW之集極。輸出電晶體QW透過輸入匹配電路140 接收射頻輸入信號RFIN並予以放大後，透過輸出匹配電路150輸出射頻輸出信號RFOUT。當輸出電晶體QW之射極面積為第二電晶體Q2之射極面積之N倍時且第二電阻R2之電阻值為第三電阻R3之電阻值的N倍時，則輸出電晶體QW之靜態工作電流ICQ為N倍之第三電流I3，其中N為大於1之有理數。在本實施例中，第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6與輸出電晶體QW為異質接面雙極電晶體，因此可以不需要其他類型的電晶體(如假型高速電子移動電晶體)之製程，進而能夠節省通訊系統中射頻前端電路之製造成本。
第四電阻R4之一端連接接地電壓GND。第五電阻R5之一端連接接地電壓GND。第六電阻R6之一端連接接地電壓GND。第三電晶體Q3之射極連接第四電阻R4之另一端，第三電晶體Q3之基極連接第五電阻R5之另一端。第四電晶體Q4之射極連接第六電阻R6之另一端，第四電晶體Q4之基極連接第三電晶體Q3之基極。第七電阻R7之一端連接第五電阻R5之另一端。值得一提的是，第五電阻R5之電阻值為第七電阻R7之電阻值之三倍，這個電阻值是經過設計而決定的，並且第四電阻R4與第六電阻R6之電阻值遠小於第七電阻R7之電阻值。第五電晶體Q5之射極連接第四電晶體Q4之集極，第五電晶體Q5之集極連接第一電阻R1之另一端以接收第二電流I2。第六電晶體Q6之射極連接第七電阻R7之另一端，第六電晶體Q6之基極連接第五電晶體Q5之基極與第三電晶體Q3之集極，第六電晶體Q6之集極連接第一系統電壓VSS。第八電阻R8之一端連接第三電晶體Q3之集極，第八電阻R8之另一端連接第一系統電壓VSS。透過調整第八電阻R8與第一電阻R1之間的阻值比例來使得靜態工作電流ICQ為接近或等於零溫度係數之電流。
接下來要教示的，是進一步說明射頻功率放大器200的工作原理。在本實施例中，以第一電壓門檻值為2.4伏特，第二電壓門檻值為2.9伏特與第三電壓門檻值為6伏特為一範例來作詳細說明。
當具有射頻功率放大器200之電子系統啟動後，第一系統電壓VSS會緩緩上升以進入工作電壓區間(3.2伏特至4.2伏特之間)，當電池電壓(亦即第一系統電壓VSS)開始大於第一電壓門檻值(如2.4伏特)時，則會有第一電流I1產生並流經第一電阻R1。然而，2.4伏特之電池電壓還不足以啟動整個射頻補償電路130，因此第三電流I3會完全等於第一電流I1。當第一系統電壓VSS持續上升且大於第二電壓門檻值(如2.9伏特)時，如此的電池電壓值足以啟動電晶體Q3~Q4，因此射頻補償電路130會開始汲取第一電流I1之部分電流，亦即藉由第五電晶體Q5與第四電晶體Q4與第六電阻R6來汲取電流。進一步來說，在溫度補償效應方面，設計者可在合理之假設下，第一電流如式(1)所示，其中符號VBE為表示第一電晶體Q1與第二電晶體之基射極電壓並假設其兩者等值，且式(1)中已合理忽略掉第二電阻R2之電壓降。再者，在此先合理忽略第三電晶體Q3與第四電晶體Q4之基極電流，並且忽略第六電阻之效應，因此可得知第五電流I5為如式(2)所示。故，第六電晶體Q6之射極電壓為第五電流I5之電流值乘上第五電阻R5與第七電阻R7之電阻值，進而可推導出流經第八電阻R8之第四電流I4，如式(3)所示，其中符號VBE4與VBE6為第四電晶體Q4與第六電晶體Q6之基射極電壓。在本實施例中，進一步將第四電阻R4設計為第六電阻R6之三倍(如式(4)所示)，故第二電流I2會等於K倍的第四電流I4(因為電流鏡映射之關係)，其可將第四電流I4視為第二電流I2之映射。接著，由於第三電流I3等於第一電流I1減去第二電流I2，其推導如式(5)所示。由於，靜態工作電流ICQ為第三電流I3透過電流鏡放大所映射之電流，亦即當輸出電晶體QW之射極面積為第二電晶體Q2之射極面積之N倍時並且第二電阻R2之電阻值為第三電阻R3之電阻值的N倍時，則輸出電晶體QW之靜態工作電流ICQ為N倍之第三電流I3，其中N為大於1之有理數。因此，將靜態工作電流ICQ進行對溫度變數之微分運算後，可知道透過第八電阻R8與第一電阻R1之間 的電阻值比例與適當地設計電晶體尺寸，即可以使射頻功率放大器200在工作電壓區間(如3.2伏特至4.2伏特)所輸出之靜態工作電流ICQ為接近或等於零溫度係數之電流，故本揭露內容之射頻功率放大器200具有極佳的溫度補償效應，以獨立於環境溫度之影響。其中須注意的是，在本實施例中，第五電阻R5之電阻值約為第七電阻R7之電阻值之三倍，第四電阻R4之電阻值為第六電阻R6之電阻值之三倍，並且第五電阻R5與第七電阻R7都遠大於第六電阻R6與第四電阻R4。
I1=(VSS-2VBE)/R1 式(1)
I5=VBE4/R5 式(2)
I4=(VSS-(VBE4×((R7+R5)/R5)+VBE6)/R4) 式(3)
R4=3×R6 式(4)
I3=I1-I2=I1-k×I4=((VSS-2VBE)/R1)-k×(VSS-(VBE4×((R7+R5)/R5)+VBE6)/R4) 式(5)
此外，如果將式(5)中的第三電流I3進行對第一系統電壓VSS微分運算後，可得知在將第八電阻R8設計為第一電阻R1之三倍時且當第一系統電壓位於工作電壓區間時，則第一電流I1之電流值大於第二電流I2之電流值並且兩電流微幅上升之斜率相同，因此射頻功率放大器200所輸出之靜態工作電流ICQ不僅不會隨著環境溫度之改變而遷移，並且更能夠獨立於第一系統電壓VSS之變化，本揭露內容之射頻功率放大器200具有極佳之穩定性與高線性度。
再者，本揭露內容之射頻功率放大器200更可透過射頻補償電路130來達到過電壓保護之功能，亦即當電池電壓因為不明異常因素(如電壓突波)而不斷上升且大於第三電壓門檻值(如6伏特)時，則射頻功率放大器200會透過射頻補償電路130內之第五電晶體Q5與第六電晶體Q6以大幅汲取第一電流I1之全部以作為第二電流 I2，進而使第三電流為零電流。由於當第三電流I3成為零電流時，則偏壓電流IB與靜態工作電流ICQ都會同時為零電流，因此這會相當於關閉掉射頻功率放大器200之輸出級電路120。
為了更清楚瞭解本揭露內容之功效，以下將列舉模擬曲線圖來進一步驗證圖2實施例中之射頻功率放大器200。請同時參照圖2~圖5，圖3為根據本發明實施例之靜態工作電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。圖4為根據本發明實施例之第一與第二電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。圖5為根據本發明實施例之第三電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。如圖3所示，橫軸為第一系統電壓(單位為伏特)，縱軸為靜態工作電流ICQ(單位為毫安培)，在電池電壓於3.2伏特至4.2伏特之間變動時，可知道靜態工作電流ICQ之變化相當地小，其靜態工作電流相對於電池電壓變化之穩定度符合目前之通訊系統之需求。詳細來說，如圖4所示，其中曲線CV1為第一電流I1並且曲線CV2為第二電流I2，橫軸為第一系統電壓(單位為伏特)，縱軸為電流(單位為毫安培)，在電池電壓於3.2伏特至4.2伏特之間變動時，可知道第一電流I1與第二電流I2之電流值都會隨著電池電壓之增加而微幅上升，並且其上升之斜率實質上相等。因為第三電流I3等於第一電流I1減去第二電流I2，所以如圖5所示，橫軸為第一系統電壓(單位為伏特)，縱軸為第三電流(單位為毫安培)，在電池電壓於3.2伏特至4.2伏特之間變動時，第三電流I3之變化幅度約等於50微安培，因此這在射頻功率放大器200中可視為相當穩定的電流源電流。
在過電壓保護方面，請參照圖6~圖8，圖6為根據本發明實施例之靜態工作電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。圖7為根據本發明實施例之第一及第二電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。圖8為根據本發明實施例之第三電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。在圖7中，曲線CV3表示第一電流I1並且曲線CV4表示第二電流I2，由圖7可知，在本實施例中，當第一系統電壓VSS增加至 第一電壓門檻值時，如2.4伏特，第一電流I1會開始微幅上升並且此時第二電流I2產生。接下來，當第一系統電壓VSS增加至第二電壓門檻值時，如2.9伏特時，第二電流I2會開始微幅上升。值得注意的是，在電池電壓於3.2伏特至4.2伏特之間時，曲線CV3與CV4微幅上升之斜率實質上相同。接著，由於射頻補償電路130內之第五電晶體Q5與第四電晶體Q4組態為疊接關係，因此在電池電壓大於4.2伏特時，曲線CV4(第二電流I2)上升之斜率也慢慢的變大。故，當電池電壓增加至第三電壓門檻值時，如5.8伏特，曲線CV4開始與曲線CV3重疊，其代表著第二電流I2之電流值等於第一電流I1之電流值，亦即射頻補償電路130會汲取全部之第一電流I1以作為第二電流I2。接下來，從圖8可知，第三電流I3在電池電壓位於5.8伏特左右時呈現零電流之現象，而這會進而使得射頻功率放大器200之偏壓電流IB與靜態工作電流ICQ都會下降至零電流(如圖6所示)。
在溫度補償效應方面，請參照圖9~圖12，圖9為根據本發明實施例之靜態工作電流對於溫度之模擬曲線圖。圖10為根據本發明實施例之第一及第二電流對於溫度之模擬曲線圖。圖11為根據本發明實施例之第三電流對於溫度之模擬曲線圖。圖12為根據本發明實施例之在溫度掃描下靜態工作電流對於第一系統電壓之模擬曲線圖。首先，在圖10中，曲線CV5代表第一電流I1並且曲線CV6代表第二電流I2，環境溫度在攝氏負55度至攝氏125度之間的模擬下，可知道第一電流I1與第二電流I2都會微幅上升並且其上升之斜率實質上相同。因此，第三電流I3(如圖11所示)在攝氏負55度至攝氏125度之變化量小於5微安培，因此如圖9所示，靜態工作電流ICQ在環境溫度的變化下具有相當高的穩定性。接下來，在同時考量電池電壓與環境溫度之變化下，在圖12中，為將第一系統電壓VSS設定在3.2伏特至4.2伏特之間並且將環境溫度設定在攝氏負55度至攝氏125度之間，射頻功率放大器200之靜態工作電流ICQ在面對 電池電壓與環境溫度之同時變化下，仍然能夠呈現出高穩定性，非常符合於現今之通訊系統對穩定性之需求。
〔電子系統的一實施例〕
請參照圖13，圖13為根據本發明實施例之電子系統之區塊示意圖。電子系統1300包括射頻功率放大器1310與負載1320。射頻功率放大器1310接收射頻輸入信號RFIN且輸出射頻輸出信號RFOUT至負載1320，亦即射頻功率放大器1310在耦接系統電壓後，會提供一穩定的輸出功率至負載1320。射頻功率放大器1310可以是上述圖1與圖2實施例中之射頻功率放大器100與200的其中之一，且用以提供穩定的輸出功率給負載。電子系統1300可以是各種類型的電子裝置內的系統，電子裝置可以是例如手持裝置或行動裝置等。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例所提出之射頻功率放大器與電子系統，能夠提供優良的溫度補償效應以使得射頻功率放大器之輸出功率與靜態工作電流相對於溫度變化時仍然保持穩定並且使得射頻功率放大器之靜態工作電流獨立於電池電壓之變化，藉此維持通訊系統所需之高線性度而不致讓射頻輸出信號失真。
在本揭露內容多個實施例中至少一實施例，射頻功率放大器更能夠達到過電壓保護之效能，以避免過高之電池電壓造成射頻功率放大器或整個電子系統之損害。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
200‧‧‧射頻功率放大器
110‧‧‧偏壓電路
120‧‧‧輸出級電路
130‧‧‧射頻補償電路
140‧‧‧輸入匹配電路
150‧‧‧輸出匹配電路
CIN‧‧‧輸入電容
COUT‧‧‧輸出電容
R1‧‧‧第一電阻
GND‧‧‧接地電壓
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
I3‧‧‧第三電流
I4‧‧‧第四電流
I5‧‧‧第五電流
IB‧‧‧偏壓電流
ICQ‧‧‧靜態工作電流
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
Q3‧‧‧第三電晶體
Q4‧‧‧第四電晶體
Q5‧‧‧第五電晶體
Q6‧‧‧第六電晶體
QW‧‧‧輸出電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
R7‧‧‧第七電阻
R8‧‧‧第八電阻
RW‧‧‧集極電阻
RFIN‧‧‧射頻輸入信號
RFOUT‧‧‧射頻輸出信號
VBE4、VBE6‧‧‧基射極電壓
VSS‧‧‧第一系統電壓
VCC‧‧‧第二系統電壓

Claims (10)

  1. 一種射頻功率放大器，用以接收且放大一射頻輸入信號並據此輸出一射頻輸出信號，該射頻功率放大器包括：一偏壓電路，電性連接一第一系統電壓，該偏壓電路用以提供一偏壓電流，其中當該第一系統電壓大於一第一電壓門檻值時，該偏壓電路接收微幅上升之一第一電流；一輸出級電路，電性連接一第二系統電壓與該偏壓電路，該輸出級電路接收該偏壓電流以工作在一工作偏壓點；以及一射頻補償電路，電性連接該偏壓電路，當該第一系統電壓大於一第二電壓門檻值時，則該射頻補償電路接收來自該偏壓電路所傳送之微幅上升之一第二電流，其中該第二電壓門檻值大於該第一電壓門檻值，並且當該第一系統電壓位於一工作電壓區間時，該第一電流之電流值大於該第二電流之電流值並且其微幅上升之斜率實質上相同，以使得該射頻功率放大器之一靜態工作電流獨立於該第一系統電壓之變化，其中當該第一系統電壓大於一第三電壓門檻值時，該第一電流之電流值等於該第二電流之電流值，以使得該偏壓電流為零電流，藉此以達到過電壓保護該射頻功率放大器，其中該第三電壓門檻值大於該第二電壓門檻值，其中當該第一系統電壓位於該工作電壓區間，則該第一電流與該第二電流之電流值皆隨著環境溫度的增加而上升，並且其上升幅度實質上相同，以使得該靜態工作電流為接近或等於零溫度係數之電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之射頻功率放大器，其中該第一電壓門檻值位於2.3伏特至2.5伏特之間，該第二電壓門檻值位於2.9伏特至3 伏特之間，該第三電壓門檻值位於5.8伏特至6伏特之間，並且該工作電壓區間位於3.2伏特至4.2伏特之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之射頻功率放大器，更包括：一輸入匹配電路，電性連接該輸出級電路，該輸入匹配電路用以接收該射頻輸入信號以提供輸入功率匹配之效能至該輸出級電路；以及一輸出匹配電路，電性連接該輸出級電路，該輸出匹配電路用以輸出該射頻輸出信號且提供輸出功率匹配之效能至該輸出級電路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之射頻功率放大器，其中該偏壓電路包括：一第一電阻，其一端連接該第一系統電壓；一第一電晶體，其基極連接該第一電阻之另一端，其集極連接該第一系統電壓；一第二電晶體，其集極連接該第一電晶體之基極，其射極連接一接地電壓；一第二電阻，其一端連接該第一電晶體之射極，其另一端連接該第二電晶體之基極；以及一第三電阻，其一端連接該第一電晶體之射極。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之射頻功率放大器，其中該輸出級電路包括：一輸出電晶體，其基極連接該第三電阻之另一端，其射極連接該接地電壓；以及一集極電阻，其一端連接該第二系統電壓，其另一端連接該輸出電晶體之集極，其中該輸出電晶體透過該輸入匹配電路接收該射頻輸入信號並予以放大後，透過該輸出匹配電路輸出該射頻輸出信號， 其中當該輸出電晶體之射極面積為該第二電晶體之射極面積之N倍時且該第二電阻之電阻值為該第三電阻之電阻值的N倍時，則該輸出電晶體之靜態工作電流為N倍之該第三電流，其中N為大於1之有理數。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之射頻功率放大器，其中該射頻補償電路包括：一第四電阻，其一端連接該接地電壓；一第五電阻，其一端連接該接地電壓；一第六電阻，其一端連接該接地電壓；一第三電晶體，其射極連接該第四電阻之另一端，其基極連接該第五電阻之另一端；一第四電晶體，其射極連接該第六電阻之另一端，其基極連接該第三電晶體之基極；一第七電阻，其一端連接該第五電阻之另一端，其中該第五電阻之電阻值為該第七電阻之電阻值之三倍，並且該第四電阻與該第六電阻之電阻值小於該第七電阻之電阻值；一第五電晶體，其射極連接該第四電晶體之集極，其集極連接該第一電阻之另一端以接收該第二電流；一第六電晶體，其射極連接該第七電阻之另一端，其基極連接該第五電晶體之基極與該第三電晶體之集極，其集極連接該第一系統電壓；以及一第八電阻，其一端連接該第三電晶體之集極，其另一端連接該第一系統電壓，其中透過調整該第八電阻與該第一電阻之間的阻值比例來使得該靜態工作電流為接近或等於零溫度係數之電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，其中當該第一系統電壓大於該第三電壓門檻值時，透過該第五電晶體與該第六電晶體以大幅汲取該第一電流之全部以作為該第二電流，藉此以 使該偏壓電流為零電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之射頻功率放大器，其中當第八電阻之電阻值實質上等於該第一電阻之電阻值之三倍且該第一系統電壓位於該工作電壓區間時，該第一電流之電流值大於該第二電流之電流值並且其微幅上升之斜率實質上相同，以使得該靜態工作電流獨立於該第一系統電壓之變化。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之射頻功率放大器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、該第四電晶體、該第五電晶體、該第六電晶體與該輸出電晶體為異質接面雙極電晶體。
  10. 一種電子系統，包括：一如申請專利範圍第1項所述之射頻功率放大器，該射頻功率放大器接收一射頻輸入信號且輸出一射頻輸出信號；以及一負載，電性連接該射頻功率放大器，該負載接收該射頻輸出信號。
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