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电子系统、射频功率放大器及其偏压点动态调整方法.pdf

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电子 系统 射频 功率放大器 及其 偏压 动态 调整 方法
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摘要
申请专利号:

CN201310001091.6

申请日:

2013.01.04

公开号:

CN103916087A

公开日:

2014.07.09

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H03F 1/30申请日:20130104|||公开
IPC分类号: H03F1/30; H03F3/20; H03F3/189 主分类号: H03F1/30
申请人: 日月光半导体制造股份有限公司
发明人: 丁兆明; 刘谦晔
地址: 中国台湾高雄市
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 隆天国际知识产权代理有限公司 72003 代理人: 赵根喜;吕俊清
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法律状态
申请(专利)号:

CN201310001091.6

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2017.08.18|||2014.08.06|||2014.07.09

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种电子系统、射频功率放大器及其偏压点动态调整方法。射频功率放大器包括偏压电路、输出级电路与动态偏压控制电路。偏压电?#26041;?#25910;第一系统电压,并且偏压电路根据第一系统电压提供工作电压。输出级电?#26041;?#25910;工作电压以工作在操作偏压点。动态偏压控制电路检测射频输入信号并且根据射频输入信号的变化输出补偿电压至偏压电路,其中动态偏压控制电路为一开回路组态。当射频输入信号的输入功率增加而导致操作偏压点偏移且工作电压下降时,偏压电路根据所接收的补偿电压来调升工作电压以回复或提升操作偏压点。

权利要求书

权利要求书
1.  一种射频功率放大器,用以放大其所接收的射频输入信号,其特征在于,该射频功率放大器包括:
偏压电路,接收第一系统电压,并且该偏压电路根据该第一系统电压提供工作电压;
输出级电路,电性连接该偏压电路,该输出级电?#26041;?#25910;该工作电压以工作在操作偏压点;以及
动态偏压控制电路,电性连接该偏压电路与该输出级电?#20998;?#38388;,该动态偏压控制电路检测该射频输入信号并且根据该射频输入信号的变化输出补偿电压至该偏压电路,
其中,?#22791;?#23556;频输入信号的输入功率增加而导致该操作偏压点偏移且该工作电压下降时,该偏压电路根据所接收的该补偿电压来调升该工作电压以回复或提升该操作偏压点。

2.  如权利要求1所述的射频功率放大器,其特征在于,该偏压电路包括:
第一晶体管,其发射极连接接地电压,其基极连接该动态偏压控制电路以接收补偿电压;
第二晶体管,其基极连接该第一晶体管的集电极,其集电极连接该第一系统电压;
第一参考电阻,其一端连接该第一系统电压,其另一端连接该第二晶体管的基极,其中该第一参考电阻用以产生第一参考电流;
第一电阻,其一端连接该第二晶体管的发射极,其另一端连接该第一晶体管的基极;以及
第二电阻,其一端连接该第二晶体管的发射极,其另一端连接该输出级电路且输出该工作电压,
其中该第一参考电流等于该第一晶体管的集电极电流与该第二晶体管的基极电流的总和。

3.  如权利要求2所述的射频功率放大器,其特征在于,?#22791;?#23556;频输入信号的输入功率上升时,该第一晶体管的基极接收对应的该补偿电压且据此使得该第一晶体管的基极电流与集电极电流下降,进而使该第二晶体管的基极电流与发射极电流上升,藉此来调升该工作电压以回复或提升该操作偏压点。

4.  如权利要求1所述的射频功率放大器,其特征在于,该输出级电路包括:
第三晶体管,其基极接收该工作电压,其发射极连接该接地电压,其集电极连接第二系统电压,
其中在交流信号模式下,该第三晶体管用以放大其所接收的该射频输入信号并且于其集电极输出射频输出信号。

5.  如权利要求2所述的射频功率放大器,其特征在于,该动态偏压控制电路包括:
第二参考电阻,其一端连接该第一系统电压,其另一端连接第四晶体管的集电极;
该第四晶体管的集电极连接该第二参考电阻的另一端,其发射极连接该接地电压,其基极接收该射频输入信号且用以检测该射频输入信号的变化,其中该第四晶体管作为功率检测晶体管;
第三电阻,其一端连接该第二电阻的一端,其另一端连接该第四晶体管的基极;
第五电阻,其一端连接该第三电阻的另一端,其另一端输出该补偿电压;
第一电容,其一端连接该第五电阻的另一端,其另一端连接该接地电压,
其中该第一参考电阻的电阻?#26723;?#20110;该第二参考电阻的电阻值,
其中该第五电阻与该第一电容用?#26376;?#38500;在交流信号模式下的高频信号。

6.  如权利要求5所述的射频功率放大器,其特征在于,该第一电阻的电阻?#26723;?#20110;该第三电阻的电阻值。

7.  一种电子系统,其特征在于,该电子系统包括:
如权利要求1所述的射频功率放大器,该射频功率放大器接收射频输入信号且输出射频输出信号;以及
负载,耦接该射频功率放大器,该负载接收该射频输出信号,
其中?#22791;?#23556;频输入信号的该输入功率增大时,则该射频功率放大器通过该补偿电路以稳定该操作偏压点。

8.  如权利要求7所述的电子系统,其特征在于,该偏压电路包括:
第一晶体管,其发射极连接接地电压,其基极连接该动态偏压控制电路以接收补偿电压;
第二晶体管,其基极连接该第一晶体管的集电极,其集电极连接该第一系统电压;
第一参考电阻,其一端连接该第一系统电压,其另一端连接该第二晶体管的基极,其中该第一参考电阻用以产生第一参考电流;
第一电阻,其一端连接该第二晶体管的发射极,其另一端连接该第一晶体管的基极;以及
第二电阻,其一端连接该第二晶体管的发射极,其另一端连接该输出级电路且输出该工作电压,
其中该第一参考电流等于该第一晶体管的集电极电流与该第二晶体管的基极电流的总和。

9.  一种偏压点动态调整方法,其特征在于,该偏压点动态调整方法包括:
通过偏压电?#26041;?#25910;系统电压且据此提供工作电压;
通过输出级电?#26041;?#25910;该工作电压且据此工作于操作偏压点;以及
通过动态偏压控制电路检测射频输入信号的输入功率且根据其变化输出补偿电压以稳定该操作偏压点;
其中该偏压点动态调整方法用于如权利要求1所述的射频功率放大器或如权利要求7所述的电子系统。

10.  如权利要求9所述的偏压点动态调整方法,其特征在于,?#22791;?#23556;频输入信号的输入功率增加而导致该操作偏压点偏移且该工作电压下降时,该偏压电路根据所接收的该补偿电压来调升该工作电压以回复或提升该操作偏压点。

说明书

说明书电子系统、射频功率放大器及其偏压点动态调整方法
?#38469;?#39046;域
本发明有关于一种射频功率放大器,且特别是关于一种具偏压点动态调整的射频功率放大器。
背景?#38469;?
随着网际网络发达之后,人们习惯于快速大量地接受信息,特别是在近几年来无线通信科技的进步,个人行动产品,如移动电话、个人数?#31181;?#29702;等产品,以相?#26412;?#20154;的速度普及之后,人们希望能够掌握即时信息外,还希望能有即时的线上支援。因此,结合网际网络与无线通信的无线区域网络(Wireless Local Area Network,WLAN)与第三代(3G)/第四代(4G)网络正是满足人们这样需求的一个方案。
射频功率放大器在通信系统中扮演非常重要的角色。为了达到较好的功率附?#26377;?#29575;(power-added efficiency,PAE),线性射频功率放大器通常会偏向AB类操作(class AB operation)。一般来说,当射频输入功率增加时,放大晶体管的顺向偏置PN结的平均压降会下降,并且将射频功率放大器推向B类操作(class B operation)甚至是C类操作(class C operation)而导致放大晶体管的输出功率变为饱和且输出信号渐渐变为非线性。
换句话说,在发射器中,射频功率放大器是最耗电的元件,其功率附?#26377;?#29575;(power added efficiency,PAE)直接影响电池能维持的时间。AB类的直流偏压能改善功率放大器的功率附?#26377;?#29575;,因为其有?#31995;?#30005;平静置偏压电流(quiescent current),静置偏压电流亦即输入功率为零时的偏压电流。然而,当放大器的输出功率增加到某一电平(level)时,操作于AB类模式放大器的负载线(load line)可能进入截止区(cut off region),进而产生增益压缩(gain compression),此增益压缩导?#29575;?#20986;功率饱和(saturation)。由于AB类放大器的直流操作点接近截止区,因此,当AB类放大器的输出功率增加至某一电平时,?#31169;?#27490;区域的增益压缩机制将限制AB类放大器的功率增益(power gain) 及输出功率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频功率放大器,用以放大其所接收的射频输入信号。射频功率放大器包括偏压电路、输出级电路与动态偏压控制电路。偏压电?#26041;?#25910;第一系统电压,并且偏压电路根据第一系统电压提供工作电压。输出级电路电性连接偏压电路,所述输出级电?#26041;?#25910;工作电压以工作在操作偏压点。动态偏压控制电路电性连接偏压电路与输出级电?#20998;?#38388;,所述动态偏压控制电路检测射频输入信号并且根据射频输入信号的变化输出补偿电压至偏压电路。当射频输入信号的输入功率增加而导致操作偏压点偏移且工作电压下降时,所述偏压电路根据所接收的补偿电压来调升工作电压以回复或提升操作偏压点。
在本发明其中一个实施例中,偏压电路包括第一晶体管、第二晶体管、第一参考电阻、第一电阻与第二电阻。第一晶体管的发射极连接接地电压,第一晶体管的基极连接动态偏压控制电路以接收补偿电压。第二晶体管的基极连接第一晶体管的集电极,第二晶体管的集电极连接第一系统电压。第一参考电阻的一端连接第一系统电压,第一参考电阻的另一端连接第二晶体管的基极,其中第一参考电阻用以产生第一参考电流。第一电阻的一端连接第二晶体管的发射极,第一电阻的另一端连接第一晶体管的基极。第二电阻的一端连接第二晶体管的发射极,第二电阻的另一端连接输出级电路且输出工作电压。参考电流等于第一晶体管的集电极电流与第二晶体管的基极电流的总和。
在本发明其中一个实施例中,当射频输入信号的输入功率上升时,所述第一晶体管的基极接收对应的补偿电压且据此使得第一晶体管的基极电流与集电极电流下降,进而使第二晶体管的基极电流与发射极电流上升,藉此来调升工作电压以回复或提升操作偏压点。
在本发明其中一个实施例中,输出级电路包括第三晶体管。第三晶体管的基极接收工作电压,第三晶体管的发射极连接接地电压,第三晶体管的集电极连接第二系统电压。在交流信号模式下,所述第三晶体管用以放大其所接收的射频输入信号并且于其集电极输出射频输出信号。
在本发明其中一个实施例中,动态偏压控制电路包括第二参考电阻、第四晶体管、第三电阻、第五电阻与第一电容。第二参考电阻的一端连接第一系统电压,第二参考电阻的另一端连接第四晶体管的集电极。第四晶体管的集电极连接第二参考电阻的另一端,第四晶体管的发射极连接接地电压,第四晶体管的基极接收射频输入信号且用以检测射频输入信号的变化,其中第四晶体管作为功率检测晶体管。第三电阻的一端连接第二电阻的一端,第三电阻的另一端连接第四晶体管的基极。第五电阻的一端连接第三电阻的另一端,第五电阻的另一端输出补偿电压。第一电容的一端连接第五电阻的另一端,第一电容的另一端连接接地电压。第一参考电阻的电阻?#26723;?#20110;第二参考电阻的电阻值,并?#19994;?#20116;电阻与第一电容用?#26376;?#38500;在交流信号模式下的高频信号。
在本发明其中一个实施例中,第一电阻的电阻?#26723;?#20110;第三电阻的电阻值。
本发明实施例另提供一种电子系统,电子系统包括射频功率放大器与负载。射频功率放大器接收射频输入信号且输出射频输出信号。负载耦接射频功率放大器,所述负载接收射频输出信号。当射频输入信号的输入功率增大时,则射频功率放大器通过补偿电路以稳定操作偏压点。
本发明实施例再提供一种偏压点动态调整方法,偏压点动态调整方法包括以下步骤。通过偏压电?#26041;?#25910;系统电压且据此提供工作电压;通过输出级电?#26041;?#25910;工作电压且据此工作于操作偏压点;通过动态偏压控制电路检测射频输入信号的输入功率且根据其变化输出补偿电压以稳定操作偏压点。其中所述偏压点动态调整方法用于上述的射频功率放大器或上述的电子系统。
综上所述,本发明实施例所提出的电子系统、射频功率放大器及其偏压点动态调整方法,当输入功率增加时,能够防范射频功率放大器的偏压点进入截止区(cut off region)所引起的增益压缩(gain compression)以避免输出功率饱和,亦即本发明实施例能够动态控制射频功率放大器的操作偏压点,以使操作偏压点减少随着输入功率的改变而偏?#39057;?#29616;象。再者,本发明实施例能够改善射频功率放大器转换特性的线性度以?#26723;?#20449;号失真,与提供更大输入功率与输出功率范围,以便提供高效率运作及高线性度输出功率,来符合系统对线性度的要求。
为使能更进一步?#31169;?#26412;发明的特征及?#38469;?#20869;容,请参阅以下有关本发明 的详细说明与附图,但是?#35828;人?#26126;与所附?#38469;?#20165;用来说明本发明,而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
上文已参考随附?#38469;?#26469;详细地说明本发明的具体实施例,藉此可对本发明更为明白,在该等?#38469;?#20013;:
图1为根据本发明实施例的射频功率放大器的区块示意图。
图2为根据本发明实施例的射频功率放大器的具体电路图。
图3为根据本发明实施例的输入功率与工作电压的模拟曲线图。
图4为根据本发明实施例的输入功率与输出电流的模拟曲线图。
图5为根据本发明实施例的输入功率与功率增益的模拟曲线图。
图6为根据本发明实施例的电子系统的区块示意图。
图7为根据本发明实施例的偏压点动态调整方法的流程图。
其中,附图标记说明如下:
100、200:射频功率放大器
110:偏压电路
120:输出级电路
130:动态偏压控制电路
210:输入匹配电路
220:输出匹配电路
600:电子系统
610:射频功率放大器
620:负载
C1、CIN1、CIN2、COUT:电容
CV1、CV2、CV3、CV4、CV5、CV6:曲线
GND:接地电压
IB1、IB2、IB3、IB4:基极电流
IC1:集电极电流
IC:输出电流
IE2:发射极电流
IREF:第一参考电流
L:电感
Q1~Q4:晶体管
R1~R5:电阻
Rref1:第一参考电阻
Rref2:第二参考电阻
RFIN:射频输入信号
RFOUT:射频输出信号
S710、S720、S730:步骤
VBE1、VBE3、VBE4:基发射极电压
VB:工作电压
VC:补偿电压
VSS:第一系统电压
VCC:第二系统电压
具体实施方式
在下文将参?#27492;?#38468;?#38469;?#26356;充分地描述各种例示性实施例,在随附?#38469;?#20013;展示一些例示性实施例。然而,本发明概念可能以许多不同形式来体现,且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。?#38750;?#32780;言,提供?#35828;?#20363;示性实施例使得本发明将为详尽且完整,且将向本领域?#38469;?#20154;?#32972;?#20998;传达本发明概念的范畴。在诸?#38469;?#20013;,可为了清楚而夸?#38745;?#21450;区的大小及相对大小。类似数字始终指示类似元件。
应理解,虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件,但此多种元件不应受多种术语限制。此多种术语乃用以区分一元件与另一元件。因此,下文论述的第一元件可称为第二元件而不偏离本发明概念的教示。如本文中所使用,术语“及/或”包括相关联的列出项目中的?#25105;?#32773;及一或多者的所有组合。
〔射频功率放大器的实施例〕
请参照图1,图1为根据本发明实施例的射频功率放大器的区块示意图。如图1所示,射频功率放大器100包括偏压电路110、输出级电路120与动态 偏压控制电路130。偏压电路110电性连接输出级电路120。动态偏压控制电路130电性连接偏压电路110。
在本实施例中,偏压电路110接收第一系统电压VSS,并且偏压电路110根据系统电压VSS提供工作电压VB。输出级电路120接收工作电压VB以工作在一操作偏压点(operation biasing point)。动态偏压控制电路130用以检测射频输入信号RFIN并且根据射频输入信号RFIN的变化输出一补偿电压VCC至偏压电路110。当射频输入信号RFIN的输入功率增加而导?#29575;?#20986;级电路120的操作偏压点偏移且工作电压VB下降时,偏压电路110会根据所接收的补偿电压VC来调升工作电压VB以回复或提升输出级电路120的操作偏压点。
接下来要教?#38236;模?#26159;进一步说明射频功率放大器100的工作原理。
请继续参照图1,在无线通信系统中,射频功率放大器100用来增强发射器(transmitter)的输出功率(output power),因此射频功率放大器100必须在有限的功率消耗下,提供高效率运作及高线性度输出功率,来符合系统对射频功率放大器100高线性度要求。在直流工作模式下,偏压电路110通过与第一系统电压VSS的电性连接以产生一工作电压VB,而射频功率放大器100通过偏压电路110所提供的工作电压VB,以使射频功率放大器100本身工作于一操作偏压点。在交流工作模式时,输入级电路120接收并且放大射频输入信号RFIN后输出射频输出信号RFOUT。然而,当射频输入信号RFIN的输入功率越来越大时,则输出级电路120的工作电压会产生递减现象,进而使输出级电路120的操作偏压点进入到截止区域而造成增益压缩。而此增益压缩会导致整体射频功率放大器100的输出功率饱和,进而?#26723;?#23556;频功率放大器100的工作效率与线性度。
因此,在本实施例中,射频功率放大器100通过动态偏压控制电路130来稳定输出级电路120的操作偏压点。进一步来说,本揭示内容利用动态偏压控制电路130来接收且检测射频输入信号RFIN的输入功率的变化,当射频输入信号RFIN的输入功率的增加而使工作电压VB递减时,则动态偏压控制电路130会同步感测工作电压VB变化而进一步产生一补偿电压VC至偏压电路110以调整偏压电路110所输出的工作电压VB。接着,偏压电路110会根据所接收到的补偿电压VB来调升工作电压VB以回复或提升输出级电路120 的操作偏压点。
据此,通过上述的偏压点动态调整机制,射频功率放大器100的操作偏压点就不会随着射频输入信号RFIN的输出功率的增加而偏移进入至截止区,进而产生增益压缩的现象。换句话说,本揭示内容能够根据射频输入信号RFIN的输入功率自动地动态调整射频功率放大器100的操作偏压点,以使操作偏压点减少随着输入功率的改变而偏?#39057;?#29616;象。本发明实施例能够改善射频功率放大器100转换特性的线性度以?#26723;?#20449;号失真,以便提供高效率运作及高线性度输出功率,来符合系统对线性度的要求。
为了更详细地说明本发明所述的射频功率放大器100的运作流程,以下将举多个实施例中至少之一来作更进一步的说明。
在接下来的多个实施例中,将描述不同于上述图1实施例的部分,且其余省略部分与上述图1实施例的部分相同。此外,为说明便利起见,相?#39057;?#21442;?#38469;只?#26631;号指示相?#39057;?#20803;件。
〔射频功率放大器的另一实施例〕
请参照图2,图2为根据本发明实施例的射频功率放大器的区块示意图。与上述图1实施例不同的是,在本实施例中,偏压电路110包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第一参考电阻Rref1、第一电阻R1与第二电阻R2。输出级电路120包括第三晶体管Q3。动态偏压控制电路130包括第二参考电阻Rref2、第四晶体管Q4、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5与第一电容C1。在本实施例中,晶体管Q1~Q4为NPN晶体管,而在另一实施例中,晶体管Q1~Q4为场效晶体管(Field Effect Transistor.FET)、异?#24335;?#21452;极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)与双极性场效晶体管(Bipolar Field Effect Transistor,BiFET)的其中一种具砷化镓(GaAs)、硅(Si)或硅锗(SiGe)制程的晶体管来构成,并不以本实施例为限。
第一晶体管Q1的发射极连接接地电压GND,第一晶体管Q1的基极连接动态偏压控制电路130以接收补偿电压VC。第二晶体管Q2的基极连接第一晶体管Q1的集电极,第二晶体管Q2的集电极连接第一系统电压VSS。第一参考电阻Rref1的一端连接第一系统电压VSS,第一参考电阻Rref1的另一端连接第二晶体管Q2的基极,其中第一参考电阻Rref1用以产生第一参考电流IREF。第一电阻R1的一端连接第二晶体管Q2的发射极,第一电阻R1的 另一端连接第一晶体管Q1的基极。第二电阻R2的一端连接第二晶体管Q2的发射极,第二电阻R2的另一端连接输出级电路120且输出工作电压VB。参考电流IREF等于第一晶体管Q1的集电极电流与第二晶体管Q2的基极电流的总和。第三晶体管Q3的基极接收工作电压VB,第三晶体管Q3的发射极连接接地电压GND,第三晶体管Q3的集电极连接第二系统电压VCC。在交流信号模式下,所述第三晶体管Q3用以放大其所接收的射频输入信号RFIN并且于其集电极输出射频输出信号RFOUT。第二参考电阻Rref2的一端连接第一系统电压VSS,第二参考电阻Rref2的另一端连接第四晶体管Q4的集电极。第四晶体管Q4的集电极连接第二参考电阻Rref2的另一端,第四晶体管Q4的发射极连接接地电压GND,第四晶体管Q4的基极接收射频输入信号RFIN且用以检测射频输入信号RFIN的变化,其中第四晶体管Q4作为功率检测晶体管(power detecting transistor)。第三电阻R3的一端连接第二电阻R2的一端,第三电阻R3的另一端连接第四晶体管Q4的基极。第四电阻R4的一端连接第一电阻R1的另一端且输出补偿电压VC。第五电阻R5的一端连接第三电阻R3的另一端,第五电阻R5的另一端连接第四电阻R4的另一端。第一电容C1的一端连接第四电阻R4的另一端,第一电容C1的另一端连接接地电压GND。第一参考电阻Rref1的电阻?#26723;?#20110;第二参考电阻Rref2的电阻值,并?#19994;?#22235;电阻R4、第五电阻R5与第一电容C1用?#26376;?#38500;在交流信号模式下的高频信号。在此,?#26723;?#19968;提的是,在另一实施例,仅有第五电阻R5(亦即第四电阻R4为零?#32442;?,并?#19994;?#20116;电阻R5的一端连接第三电阻R3的另一端,第五电阻R5的另一端输出补偿电压VC,而第一电容C1的一端连接第五电阻R5的另一端,第一电容C1的另一端连接接地电压GND,其中第五电阻R5与第一电容C1能够滤除在交流信号模式下的高频信号。
附带一提的是,在图2所揭?#38236;?#26230;体管电路拓朴架构中,如果第三晶体管Q3的发射极面积为N倍第一晶体管Q1的发射极面积的情况?#29575;保?#24403;第二电阻R2的电阻值为N倍第一电阻R1的电阻值,则第三晶体管Q3的输出电流IC为N倍的参考电流IREF,其中N为大于1。设?#26222;?#33021;够根据电路设计需求或?#23548;?#24212;用需求来决定N的数值。再者,在本实施例中,输出级电路120的输入端与输出?#21496;?#26377;一输入匹配电路210与输出匹配电路220,以提供较佳的功率匹配效能,其中输入匹配电路210电性连接至第三晶体管Q3的基极端 且用以接收射频输入信号RFIN,输出匹配电路220电性连接至第三晶体管Q3的集电极端且用以输出射频输出信号RFOUT。
接下来要教?#38236;模?#26159;进一步说明射频功率放大器200的工作原理。
请继续参照图2,在无线通信系统中,射频功率放大器200一?#24065;?#26469;?#38469;?#26368;关键的核心元件之一,其线性度与功率效率对于无线通信系统的效能与效率有着决定性的影响。射频功率放大器200的架构主要?#19988;?#20027;动元件为信号放大,再搭配输入、输出端的匹配电路所形成的简单放大器,主要是负责将所要传送的调变信号提高到适当的高电平,使传?#32479;?#21435;后的信号经由电波传播媒介到达接收端时,其信号强度足以提供接收端还原信号。
在本实施例中,于直流工作模式下,由第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2与第一参考电阻Rref1所构成的偏压电路110会产生一工作电压VB且将所述工作电压VB提供至第三晶体管Q3的基极,须注意的是,此时工作电压VB的直流电压电?#38477;?#20110;第三晶体管Q3的基发射极电压VBE3。?#26723;?#19968;提的是,第一参考电阻Rref1等于第二参考电阻Rref2?#19994;?#19968;电阻R1等于第二电阻R2,因此在如?#21496;?#23545;称性的电路架构下,就不会影响到直流模式下的偏压。在进入交流工作模式后,第三晶体管Q3的基极会通过输入匹配电路210接收到射频输入信号RFIN且将其放大以输出一射频输出信号RFOUT,并且作为功率检测晶体管的第四晶体管Q4的基极也会通过输入匹配电路210与电容CIN2接收到射频输入信号RFIN。须注意的是,在本实施例中,第四晶体管的基发射极电压VBE4等于第三晶体管Q3的基发射极电压VBE3。
当射频输入信号RFIN的输入功率(input power)逐步增加时,则基发射极电压VBE3、VBE4与工作电压VB会逐步下降并?#19968;?#26497;电流IB3亦会下降,进而在一暂态过程中造成第三晶体管Q3的操作偏压点往截止区的方向偏移。在本实施例中,射频功率放大器200主要通过动态偏压控制电路130来提升工作电压VB以回复第三晶体管Q3的操作偏压点。再者,由于本揭示内容的动态偏压控制电路130为一开回路组态(open loop configuration),因此,射频功率放大器200更能够通过动态偏压控制电路130来提升工作电压VB以提升第三晶体管Q3的操作偏压点。进一步来说,动态偏压控制电路130中的第四晶体管Q4主要用来检测输入功率的变化,并?#19994;?#23556;频输入信号RFIN的输 入功率增加时,第四晶体管Q4的基发射极电压VB4与基及电流IB4都会下降。第四电阻R4、第五电阻R5与第一电容C1扮演着滤除高频信号的角色以将输入功率的变化响应至第四电阻R4的一端,但须说明的是,在另一实施例中,仅需要第五电阻即足够,这并不会影响到本揭示内容所要达到的滤除高频信号的功效。第四电阻R4的一端会输出一补偿电压VC至第一晶体管Q1的基极。?#26723;?#19968;提的是,在此所述的补偿电压VC等于第一晶体管Q1的基发射极电压VBE1,而第四晶体管Q4的基发射极电压VBE4与基极电流IB4的下降,会使得第一晶体管Q1的基发射极电压VBE1与基极电流IB1同步下降。
对于晶体管Q1~Q4而言,具有一电流恒等式,亦即集电极电流等于基极电流与电流增益(β)的乘积。因此,于第一晶体管Q1中,当基极电流IB1下降时,则集电极电流IC1会下降。接着,因为第一参考电阻Rref1所产生的第一参考电流IREF在本实施例中为固定值,所以,当第一晶体管Q1的集电极电流IC1下降时,则第二晶体管Q2的基极电流IB2会下降。须说明的是,对于晶体管Q1~Q4而言,具有另一电流恒等式,亦即发射极电流等于基极电流与集电极电流的总和。故在第二晶体管Q2中,当第二晶体管Q2的基极电流IB2增加时,则第二晶体管Q2的发射极电流IE2会增加。所以,发射极电流IE2的部分电流会流经第二电阻R2与第三电阻R3,进而提升偏压电路110所提供至第三晶体管Q3的工作电压VB,其中基发射极电压VBE3、VBE4也会同步提升至等于工作电压VB的电压值。承上述,通过射频功率放大器200内部的反馈机制来动态调整工作电压VB以维持射频功率放大器200对于高线性度的要求,亦即射频功率放大器200在输入功率的变化下依然能够稳定第三晶体管Q3的操作偏压点。
为了更清楚?#31169;?#26412;揭示内容的功效,接下来提供至少一个关于图2实施例的模拟曲线图。
请同时参照图2与图3,图3为根据本发明实施例的输入功率与工作电压的模拟曲线图。在图3的曲线图中,水平轴为输入功率,单位为dBm;垂直轴为工作电压,单位为伏特,其中曲线CV1为图2实施例的模拟曲线,曲线CV2为图2中不含动态偏压控制电路130的模拟曲线。由图3可知,当在射频输入信号RFIN的输入功率递增时,曲线CV2会呈现下降的趋势,但是 由于动态偏压控制电路130为开回路组态,所以曲线CV1不仅不会下降而?#19968;?#21576;现出微幅上升的趋势,据此本揭示内容的射频功率放大器200能够回复或甚至提升操作偏压点,以强化射频功率放大器200的高线性度的需求。此外,射频功率放大器200在具有动态偏压控制电路130的情况下,能够大幅?#26723;?#25805;作偏压点进入截止区的可能性。
接着,本实施例再提供另一关于输入功率与输出电流的模拟曲线来进一步说明本揭示内容所能够达到的功效。请同时参照图2与图4,图4为根据本发明实施例的输入功率与输出电流的模拟曲线图。于图4的曲线图中,水平轴为输入功率,单位为dBm;垂直轴为输出电流,单位为安培,其中曲线CV3为图2实施例的模拟曲线,曲线CV4为图2中不含动态偏压控制电路130的模拟曲线。由图4可知,当在射频输入信号RFIN的输入功率递增时,曲线CV3上升的幅度比曲线CV4上升的幅度多,因此,在具有动态偏压控制电路130的射频功率放大器200能够维持其工作效率与高线性度。
最后,本实施例另提供关于输入功率与功率增益的模拟曲线图以更进一步说明本揭示内容的功效。请同时参照图2与图5,图5为根据本发明实施例的输入功率与功率增益的模拟曲线图。于图5的曲线图中,水平轴为输入功率,单位为dBm;垂直轴为功率增益(power gain),其中曲线CV5为图2实施例的模拟曲线,曲线CV6为图2中不含动态偏压控制电路130的模拟曲线。在此,须?#20154;?#26126;的是,功率增益为第三晶体管Q3的输出功率除以第三晶体管Q3的输入功率。由图5可知,当在射频输入信号RFIN的输入功率递增时,曲线CV5能够比曲线CV6维持较佳且稳定的功率增益,因此在射频功率信号RFIN的输入功率递增时,本实施例的射频功率放大器200依然能够维持高线性度以符合系统的要求。
附带一提的是,在一实施例中,输出级电路120更具有电感L、电容CIN1及COUT。电容CIN1的一端耦接第三晶体管Q3的基极,电容CIN1的另一端耦接射频输入信号RFIN。电感L耦接第二系统电压VCC与第三晶体管Q3的集电极之间。电容COUT的的一端耦接至第三晶体管Q3的集电极,电容COUT的另一端输出射频输出信号RFOUT。
当射频功率放大器200尚未开始接收射频输入信号RFIN时,电感L会对直流信号呈?#20540;?#38459;抗状态,例如短路,而电容CIN1、COUT则会对直流信 号呈现高阻抗状态,例如?#19979;貳?#24403;射频功率放大器200开始接收射频输入信号RFIN时,电感L会对高频信号呈现高阻抗状态,例如?#19979;罰?#32780;电容CIN1、COUT则会对高频信号呈?#20540;?#38459;抗状态,例如短路。据此,射频功率放大器200能够在直流工作模式与交流工作模式顺利的运作。
〔电子系统的一实施例〕
请参照图6,图6为根据本发明实施例的电子系统的区块示意图。电子系统600包括射频功率放大器610与负载620。射频功率放大器610接收射频输入信号RFIN且输出射频输出信号RFOUT至负载620,亦即射频功率放大器610在耦接系统电压后,会提供一稳定的输出功率至负载620。射频功率放大器610可以是上述图1与图2实施例中的射频功率放大器100与200的其中之一,且用以提供稳定的输出功率给负载。电子系统600可以是各种类型的电子装置内的系统,电子装置可以是例如手持装置或行动装置等。
〔偏压点动态调整方法的一实施例〕
请参照图7,图7为根据本发明实施例的偏压点动态调整方法的流程图。本例所述的方法可以在图1或图2所?#38236;?#23556;频功率放大器执行,因此请一并参照图1或图2以利理解。射频功率放大器的偏压点动态调整方法包括以下步骤?#21644;?#36807;偏压电?#26041;?#25910;系统电压且据此提供工作电压(步骤S710)。通过输出级电?#26041;?#25910;工作电压且据此工作于操作偏压点(步骤S720)。通过动态偏压控制电路检测射频输入信号的输入功率且根据其变化输出补偿电压以稳定操作偏压点(步骤S730)。当射频输入信号的输入功率增加而导致操作偏压点偏移且工作电压下降时,偏压电路根据所接收的补偿电压来调升工作电压以回复或提升操作偏压点。
关于射频功率放大器的偏压点动态调整方法的各步骤的相关?#38468;?#22312;上述图1~图2实施例已详细说明,在此恕不赘述。在此须说明的是,图7实施例的各步骤仅为方便说明的须要,本发明实施例并不以各步骤彼此间的顺序作为实施本发明各个实施例的限制条件。
〔实施例的可能功效〕
综上所述,本发明实施例所提供的电子系统、射频功率放大器及其偏压点动态调整方法,当射频输入信号的输入功率增加时,能够防范射频功率放大器的操作偏压点进入截止区(cut-off region)所引起的增益压缩(gain  compression)以避免输出功率饱和,亦即能够动态控制射频功率放大器的操作偏压点,以使操作偏压点减少随着输入功率的改变而偏?#39057;?#29616;象。
在本揭示内容多个实施例中至少一实施例,射频功率放大器能够通过动态偏压控制电路来提升工作电压以回复或提升第三晶体管的操作偏压点。
在本揭示内容多个实施例中至少一实施例,能够改善射频功率放大器转换特性的线性度以?#26723;?#20449;号失真,以便提供高效率运作及高线性度输出功率,来符合系统对线性度的要求。
以上所述仅为本发明的实施例,其并非用以局限本发明的专利权利要求范围。

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本文标题:电子系统、射频功率放大器及其偏压点动态调整方法.pdf
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