TWM636391U - 手機射頻功率放大電路裝置 - Google Patents

Abstract

一種手機射頻功率放大電路裝置，一多級射頻功率放大模組上設置有一集極端、一基極端，及一射極端，一場效應電晶體上設置有一第一端、一第二端，及一柵極，一偏壓控制電路分別與該第二控制輸入端、該場效應電晶體之第一端，及該場效應電晶體之柵極連接。該手機射頻功率放大電路裝置可以設計出一個低成本，含有集成功率控制的手機射頻功率放大器，不但可以符合手機對於射頻輸出功率的規格要求，並且在產品成本上具有很好的市場優勢。

Description

手機射頻功率放大電路裝置

本新型是有關於一種功率放大電路裝置，尤指應用在手機射頻功率放大電路裝置。

一般運用在手機射頻功率放大器的集成功率控制(Integrated Power Control)的方法大致有三種，如圖1、圖2及圖3所示，分別是功率感測(power sensing)之集成功率控制裝置、電流感測(current sensing)之集成功率控制裝置、RFMD(RF Micro Devices Incorporation)申請專利之集成功率控制裝置。

參閱圖1，說明一種利用功率感測(power sensing)的控制裝置，該控制裝置包括一功率放大電路11、一方向耦合電路12(Directional Coupler)，及一功率感測控制電路13(Power Sense Controller)，該功率放大電路11的集極111與一電源輸入端14連接，該電源輸入端14輸入V _BATTERY，並由一射頻輸入端15接收射頻，以將射頻放大後傳輸至該方向耦合電路12，該方向耦合電路12與一射頻輸出端16連接並將極少量比例的射頻輸出功率(RF output power)傳送至功率感測控制電路13，該功率感測控制電路13與一控制輸入端17連接，並將極少量比例的射頻輸出功率轉換成等效電壓，該控制輸入端17輸入V _RAMP，並藉由與斜坡控制(Ramping Control)訊號進行的電壓比較，從而決定該功率放大電路11之基極112(base)電壓的大小，因而達到對於射頻輸出功率大小之精準度的控制。

參閱圖2，是一種利用電流感測(current sensing)的控制裝置方法，該控制裝置包括一感測電阻電路21、一電流感測控制電路22，及一功率放大電路23，該感測電阻電路21與一電源輸入端24連接用以接收V _BATTERY，該電流感測控制電路22與一控制輸入端25連接用以接收V _RAMP，該功率放大電路23的集極231與該感測電阻電路21連接，該功率放大電路23的基極232與該電流感測控制電路22連接，該功率放大電路23從一射頻輸入端26接收射頻，並由一射頻輸出端27輸出射頻。當該功率放大電路23操作時，其發射出的射頻功率大小與流過該感測電阻電路21的電流有一個類似線性的比例關係。利用這個比例關係特性，該電流感測控制電路22(Current Sense Controller)將流過該感測電阻電路21的電流轉換成等效電壓，再藉由與斜坡控制訊號與V _RAMP比較，從而決定該功率放大電路23之基極232電壓的大小，藉此達到對於射頻輸出功率大小之精準度的控制。

參閱圖3，是RFMD公司申請的專利，說明一種集成功率控制裝置，該集成功率控制裝置包括一V _GS偏壓控制電路31(V _GSController)、一偏壓開關電路32，及一功率放大電路33，該V _GS偏壓控制電路31連接一第一輸入端34及一第二輸入端35以接收TX_Enable和V _RAMP兩個輸入訊號，再與該功率放大電路33的集極331電壓作比較，從而控制該偏壓開關電路32電壓值的大小，該偏壓開關電路32與一電壓輸入端36連接以接收V _BATTERY，該偏壓開關電路32電壓值的大小可以調變該功率放大電路33之集極331的電壓，該功率放大電路33之基極332與該第一輸入端34連接以接收TX_Enable輸入訊號，該功率放大電路33之集極331的電壓大小可以控制射頻輸出功率的大小，以從一射頻輸入端37接收射頻，並由一射頻輸出端38輸出射頻，因而達到其控制集成功率控制裝置的射頻輸出功率之效果。

有鑑於此，本新型之目的是在提供一種手機射頻功率放大電路裝置。

該手機射頻功率放大電路裝置適用於連接一電源端、一第一控制輸入端、一第二控制輸入端、一射頻輸入端，及一射頻輸出端。

該手機射頻功率放大電路裝置包含一多級射頻功率放大模組、一場效應電晶體，及一偏壓控制電路。

該多級射頻功率放大模組上設置有一集極端、一基極端，及一射極端，該多級射頻功率放大模組之基極端與該第一控制輸入端連接，該多級射頻功率放大模組之射極端接地，該多級射頻功率放大模組與該射頻輸入端及該射頻輸出端連接。

該場效應電晶體上設置有一第一端、一第二端，及一柵極，該場效應電晶體之第一端連接該電源端，該場效應電晶體之第二端連接該多級射頻功率放大模組之集極。

該偏壓控制電路分別與該第二控制輸入端、該場效應電晶體之第一端，及該場效應電晶體之柵極連接，該偏壓控制電路用以控制該場效應電晶體從第一端到柵極之偏電壓。

該場效應電晶體與該偏壓控制電路成一個控制器集成電路，該多級射頻功率放大模組成為一個放大器集成電路，該控制器集成電路與該放大器集成電路組合成一個模組裝置。

本新型的又一技術手段，是在於上述之該多級射頻功率放大模組中使用的放大元件為雙載子接面電晶體(Bipolar Junction transistor)。

本新型的另一技術手段，是在於上述之該場效應電晶體為P型溝道場效應電晶體，該場效應電晶體之第一端為源極，該場效應電晶體之第二端為漏極。

本新型的再一技術手段，是在於上述之該場效應電晶體為N型溝道場效應電晶體，該場效應電晶體之第一端為漏極，該場效應電晶體之第二端為源極。

本新型之有益功效在於，本新型手機射頻功率放大電路裝置，不但可以克服手機系統對於射頻輸出功率之精準度的要求，更可以保護射頻功率放大器免於被燒掉的危險。

有關本新型之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之兩個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來做表示。

參閱圖4，為本新型一種手機射頻功率放大電路裝置之一第一較佳實施例，該手機射頻功率放大電路裝置適用於連接一電源端41、一第一控制輸入端42、一第二控制輸入端43、一射頻輸入端44，及一射頻輸出端45。其中，該電源端41用於接收電源電壓(V_BATTERY)，該第一控制輸入端42用於接收斜坡控制訊號(V_RAMP)，該第二控制輸入端43用於接收手機的控制訊號(TX_Enable)，該射頻輸入端44用於輸入射頻，該射頻輸出端45用於輸出射頻。

該手機射頻功率放大電路裝置包含一多級射頻功率放大模組51、一場效應電晶體52，及一偏壓控制電路53。

該多級射頻功率放大模組51上設置有一集極端511、一基極端512，及一射極端513，該多級射頻功率放大模組51之基極端512與該第一控制輸入端42連接，該多級射頻功率放大模組51之射極端513接地，較佳地，該多級射頻功率放大模組51之射極端513串聯一電阻54接地，該多級射頻功率放大模組51與該射頻輸入端44及該射頻輸出端45連接，該多級射頻功率放大模組51中使用的放大元件為雙載子接面電晶體(Bipolar Junction transistor)。

該場效應電晶體52上設置有一第一端521、一第二端522，及一柵極523，該場效應電晶體52之第一端521連接該電源端41，該場效應電晶體52之第二端522連接該多級射頻功率放大模組51之集極端511。於該第一較佳實施例，該場效應電晶體52為P型溝道場效應電晶體，該場效應電晶體52之第一端521為源極，該場效應電晶體52之第二端522為漏極。

該偏壓控制電路53分別與該第二控制輸入端43、該場效應電晶體52之第一端521，及該場效應電晶體52之柵極523連接，該偏壓控制電路53用以控制該場效應電晶體52從該第一端521到柵極523之偏電壓。

參閱圖5，為本新型一種手機射頻功率放大電路裝置之一第二較佳實施例，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，相同之處與此不再詳述，不同之處在於，該場效應電晶體52為N型溝道場效應電晶體，該場效應電晶體52之第一端521為漏極，該場效應電晶體52之第二端522為源極。

手機中，射頻輸出功率的精準度有著極為嚴格的要求，尤其是手機電池的電壓值有相當大的變化，其可能從3V到4.2V不等，因此會影響射頻功率放大器之輸出功率的精準度，另外如溫度的變化，元件的差異…等因素，也會影響精準度。

集成功率控制(Integrated Power Control)的目的就是為了克服上述困難並為了降低產品成本。本新型的電路設計，不但可以克服手機系統對於射頻輸出功率之精準度的要求，更可以保護射頻功率放大器免於被燒掉的危險，一般來說，手機電池電壓過高或者手機天線的折斷，通常是導致射頻功率放大器損壞的主要原因。

如圖4所示，該場效應電晶體52串聯手機電池之電源端41與該多級射頻功率放大模組51的集極端511之間。該場效應電晶體52的電壓大小會決定該多級射頻功率放大模組51的集極端511之電位高低。當該場效應電晶體52被控制在夾斷電壓(Pinch-off Voltage)時，該場效應電晶體52會被關閉(turn-off)，造成提供給該多級射頻功率放大模組51的集極端511的電流因此被截斷，該多級射頻功率放大模組51的集極端511的電壓會成為零伏特(0 Volt)，因而關掉該多級射頻功率放大模組51之射頻輸出端45的射頻輸出功率(RF output power)。當該場效應電晶體52被控制在導通偏壓(Turn-On Bias Voltage)時，則該多級射頻功率放大模組51正常操作，其射頻輸出功率之大小由該第一控制輸入端42斜坡控制訊號（V _RAMP）之電位來決定。

該第二控制輸入端43所接收的訊號為手機的控制訊號（TX_Enable），是手機系統提供的一個數位數值(digital)訊號。當TX_Enable是邏輯低值(Logic Low)時，該偏壓控制電路53輸出夾斷電壓給該場效應電晶體52。當TX_Enable是邏輯高值(Logic High)時，該偏壓控制電路53輸出導通偏壓給該場效應電晶體52。

當該場效應電晶體52的狀態是導通偏壓時，該多級射頻功率放大模組51之集極端511的電壓與該電源端41接收電源電壓（V _BATTERY）的關係由下列公式表示：集極端511的電壓=V _BATTERY-IDS×RDS，其中IDS是該場效應電晶體52從第二端522流到第一端521的電流，RDS是從第二端522流到第一端521的電阻。由於該場效應電晶體52的特性，RDS是一個非線性電阻，它的電阻值會隨著該場效應電晶體52電壓之增高而增高。增高的RDS因為對電流有負回授(negative feedback)的作用，這個特性不但可以保護該多級射頻功率放大模組51，大幅降低因電流有不正常升高而導致該多級射頻功率放大模組51被燒掉的危險(電流不正常升高可能是因為高溫度、手機電池電壓增高，手機天線的折斷…等因素)，並且可以穩定該多級射頻功率放大模組51之輸出功率的大小。

本新型的電路設計還包括了電阻54，這是該多級射頻功率放大模組51之射極端513電流補償電阻，也是為了提升射頻輸出功率的精準度，以及為了保護該多級射頻功率放大模組51。該電阻54只需設計在該多級射頻功率放大模組51的最後一級(last stage)。該電阻54是一個介於射極端513(Emitter)到接地(Ground)之間的串接電阻。當該多級射頻功率放大模組51最後一級的集極端511電流有不正常升高的現象時，該電阻54因為具有負回授(negative feedback)的作用，可以提高雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor)之射極端513電位，同時相對提高雙載子接面電晶體之基極端512電位，進一步降低流入電晶體之基極端512的電流，因而導致壓制集極端511電流的升高，並使得射頻輸出功率得到控制。該電阻54電阻之大小值，可經由電路設計者之適當調整，使得射頻輸出功率更能符合要求。

本新型手機射頻功率放大電路裝置操作方式與習知有著極明顯不同。請參閱圖3，RFMD公司的專利技術為，集成功率控制裝置運用TX_Enable和V _RAMP兩個輸入訊號以及回授的而且經過轉換的集極電壓來控制偏壓開關電路電壓值的大小，而本新型只運用TX_Enable的控制訊號來進行該場效應電晶體52的偏壓控制。除此之外，習知偏壓開關電路的電壓值與V _RAMP和該功率放大電路的集極電壓保有一定的數學式關係，所以其偏壓開關電路的電壓值是會操作在一個固定範圍並且是連續性的，而本新型的場效應電晶體52的V _GS（柵極及源極的電壓），像數位訊號(Digital Signal)一樣，只有兩個輸出的電壓值（夾斷電壓和導通偏壓）。習知控制電路的操作方式是運用V _GS來調變功率放大電路的電壓，因而達到其控制功率放大電路之射頻輸出功率的效果。而本新型控制該多級射頻功率放大模組51之射頻輸出功率的方法是運用V _RAMP來調變該多級射頻功率放大模組51之基極端512 (Base)的電壓，而非集極端511的電壓。

本新型手機射頻功率放大電路裝置，可以製作具有集成功率控制之雙頻、三頻、或者是四頻的手機射頻功率放大器集成電路(RF Power Amplifier IC)，或是手機射頻功率放大器模組(RF Power Amplifier Module)，可以運用集成電路，將該場效應電晶體52、該偏壓控制電路53、再加上頻段選擇的控制電路，設計成一個控制器集成電路(Controller IC)。另外把該多級射頻功率放大模組51設計成一個放大器集成電路(Amplifier IC)，最後將控制器集成電路與放大器集成電路組合成一個模組(Module)裝置。

綜上所述，該偏壓控制電路53可以感測手機電池的電壓值變化，或是其他如溫度、電子元件的變化，來調整該場效應電晶體52之V _GS，藉此控制該多級射頻功率放大模組51，以穩定該射頻輸出端45的輸出功率，故確實可以達成本新型之目的。

惟以上所述者，僅為本新型之兩個較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍及新型說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。

11:功率放大電路 111:集極 112:基極 12:方向耦合電路 13:功率感測控制電路 14:電源輸入端 15:射頻輸入端 16:射頻輸出端 17:控制輸入端 21:感測電阻電路 22:電流感測控制電路 23:功率放大電路 231:集極 232:基極 24:電源輸入端 25:控制輸入端 26:射頻輸入端 27:射頻輸出端 31:V_GS偏壓控制電路 32:偏壓開關電路 33:功率放大電路 331:集極 332:基極 34:第一輸入端 35:第二輸入端 36:電壓輸入端 37:射頻輸入端 41:電源端 42:第一控制輸入端 43:第二控制輸入端 44:射頻輸入端 45:射頻輸出端 51:多級射頻功率放大模組 511:集極端 512:基極端 513:射極端 52:場效應電晶體 521:第一端 522:第二端 523:柵極 53:偏壓控制電路 54:電阻

圖1為一種功率感測(power sensing)之集成功率控制的設計電路示意圖； 圖2為一種電流感測(current sensing)之集成功率控制的設計電路示意圖 圖3為RFMD申請專利，說明一種集成功率控制的設計電路示意圖； 圖4為本新型一種手機射頻功率放大電路裝置之一第一較佳實施例，說明該手機射頻功率放大電路裝置的電路配置；及 圖5為本新型一種手機射頻功率放大電路裝置之一第二較佳實施例，說明該手機射頻功率放大電路裝置的電路配置。

41:電源端

42:第一控制輸入端

43:第二控制輸入端

44:射頻輸入端

45:射頻輸出端

51:多級射頻功率放大模組

511:集極端

512:基極端

513:射極端

52:場效應電晶體

521:第一端

522:第二端

523:柵極

53:偏壓控制電路

54:電阻

Claims (4)

1. 一種手機射頻功率放大電路裝置，適用於連接一電源端、一第一控制輸入端、一第二控制輸入端、一射頻輸入端，及一射頻輸出端，包含：一多級射頻功率放大模組，該多級射頻功率放大模組上設置有一集極端、一基極端，及一射極端，該多級射頻功率放大模組之基極端與該第一控制輸入端連接，該多級射頻功率放大模組之射極端接地，該多級射頻功率放大模組與該射頻輸入端及該射頻輸出端連接；一場效應電晶體，該場效應電晶體上設置有一第一端、一第二端，及一柵極，該場效應電晶體之第一端連接該電源端，該場效應電晶體之第二端連接該多級射頻功率放大模組之集極；及一偏壓控制電路，分別與該第二控制輸入端、該場效應電晶體之第一端，及該場效應電晶體之柵極連接，該偏壓控制電路用以控制該場效應電晶體從第一端到柵極之偏電壓；其中，該場效應電晶體與該偏壓控制電路成一個控制器集成電路，該多級射頻功率放大模組成為一個放大器集成電路，該控制器集成電路與該放大器集成電路組合成一個模組裝置。
2. 如請求項1所述手機射頻功率放大電路裝置，其中，該多級射頻功率放大模組中使用的放大元件為雙載子接面電晶體(Bipolar Junction transistor)。
3. 如請求項1所述手機射頻功率放大電路裝置，其中，該場效應電晶體為P型溝道場效應電晶體，該場效應電晶體之第一端為源極，該場效應電晶體之第二端為漏極。
4. 如請求項1所述手機射頻功率放大電路裝置，其中，該場效應電晶體為N型溝道場效應電晶體，該場效應電晶體之第一端為漏極，該場效應電晶體之第二端為源極。

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