CN101521490B

CN101521490B - 提供偏压信号至输入端的功率放大电路及其方法

Info

Publication number: CN101521490B
Application number: CN2008100812969A
Authority: CN
Inventors: 刘仁杰
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: CN101521490A

Abstract

一种可调整增益的功率放大电路，其包含有一功率放大单元，用来接收一输入信号并进行功率放大以产生一输出信号；一功率检测单元，用来检测该输入信号的功率以产生一检测信号；以及一偏压控制单元，用来根据该检测信号提供一偏压信号，并输出该偏压信号。

Description

提供偏压信号至输入端的功率放大电路及其方法

技术领域

本发明涉及提供一种功率放大电路，尤其涉及一种提供偏压信号至输入端的功率放大电路及其方法。

背景技术

在现今的无线通信领域中，功率放大单元主要是将输出信号放大至一合理的振幅，因此，在无线通信系统中，功率放大单元所消耗系统的能量极大。为了节省系统的能量消耗，理想的功率放大单元应随着所需环境的改变而输出适合功率的信号。公知技术是通过改变功率放大单元的电源供应使功率放大单元操作在不同的输出功率范围中，因此当需要高功率输出时，通过提升电源电压而使功率放大单元增加输出功率，相反地，当需要低功率输出时，通过降低电源电压而使功率放大单元减少输出功率，从而控制功率放大单元的电源效率(power efficiency)。

然而，采用上述方法会面临下列三个问题：第一，由于电源电压为供应功率放大单元的直流电源，因此改变电源电压大小必须由切换稳压电路(switching regulator)实现，如此就会造成外接元件的增加而提高了制作成本；第二，因受限于输出功率和元件操作电压，功率放大单元的电源电压可以容许改变量小，使切换稳压电路的效率降低，连带造成整个功率放大单元的效率降低；第三，公知技术的切换稳压电路的频率低，当和功率放大单元共同使用时会造成整体的环路带宽(loop bandwidth)下降。因此，公知技术应用切换稳压电路来实现可调增益功率放大单元只适用在信道带宽(channelbandwidth)较低的系统，例如GSM系统和PHS系统。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种提供偏压信号至输入端的功率放大电路与其方法，其可动态调整功率放大单元的工作偏压点，因而改变功率放大单元不同操作功率时的增益或操作电流(supply current)来提高输出功率和电源效率。

依据本发明实施例，其提供一种可调整增益的功率放大电路。该功率放大电路包含有：一功率放大单元，用来接收一输入信号并进行功率放大以产生一输出信号；一功率检测单元，用来检测该输入信号的功率以产生一检测信号；以及一偏压控制单元，用来根据该检测信号提供一偏压信号，并输出该偏压信号。

依据本发明实施例，其提供一种调整一功率放大器的增益的方法。该功率放大器可接收一输入信号并对该输入信号进行功率放大以产生一输出信号。该方法包含有：检测该输入信号的功率以产生一检测信号；根据该检测信号产生一偏压信号，并输出该偏压信号至该输入端；以及根据该偏压信号调整该功率放大器的增益。

附图说明

图1为本发明第一实施例的可调整增益的功率放大电路的电路图。

图2为图1所示的功率放大单元的操作增益对输出信号的功率的特性曲线图。

图3为图1所示的功率放大单元的直流电流对输出信号的功率的特性曲线图。

图4为本发明第二实施例的可调整增益的功率放大电路的示意图。

图5为本发明第一实施例的调整一功率放大单元的增益的方法的流程图。

图6为本发明第二实施例的调整一功率放大单元的增益的方法的流程图。

图中标号说明如下：

100、400 功率放大电路

102 功率放大单元

104 功率检测单元

106、402 偏压控制单元

202、204、302、304特性曲线

404 功率电平调整装置

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明的第一实施例中可调整增益的功率放大电路的电路图。功率放大电路100包含有一功率放大单元102；一功率检测单元104，耦合于一输入信号f_in；以及一偏压控制单元106，耦合于功率检测单元104与功率放大单元102的一输入端N2。功率放大电路100更包含有一电容Cc耦合于功率放大电路100的输入端N1和功率放大单元102之间，用以阻隔输入信号f_in的直流电压分量。功率放大单元102可对其输入端N2所接收的输入信号f_in进行功率放大以在其输出端N3(亦为功率放大电路100的输出端)产生一输出信号f_out，而功率检测单元104则用来检测输入信号f_in的功率以产生一检测信号，以及偏压控制单元106用来根据该检测信号提供一偏压信号，并输出该偏压信号至功率放大单元102的输入端N2。

在图1所示的实施例中，功率放大单元102为一公知功率放大单元，其中功率放大单元102的输入端N2耦合至功率放大单元102内部一N型晶体管的栅极端，且功率放大单元102具有一固定的电源电压V_dd(固定直流偏压)及一接地端GND，因此，输入端N2上的直流偏压将决定功率放大单元102的操作增益。功率检测单元104具有一电容C_in耦合至输入端N1，另一端则耦合至一N型晶体管M1的栅极端，其中功率检测单元104的输出端为N型晶体管M1的漏极端。为了能够精确地检测出一输入信号f_in的功率，因此功率放大电路100将N型晶体管M1的栅极端偏压在夹断电压(Pinch-offVoltage)。偏压控制单元106包含有一由二P型晶体管M2、M3组成的电流镜、一二极管连接(diode-connected)的N型晶体管M4以及一电感L_in。请注意，在另一实施例中，功率放大电路中可另加一匹配电路单元，使得功率放大单元102的输出端N3与该匹配电路单元处于阻抗匹配的状态，此亦为本发明的范围。

当输入信号f_in由输入端N1输入时，输入信号f_in的直流分量会被电容C_in去除，只剩下交流信号会进入N型晶体管M1的栅极端，因此在N型晶体管M1的漏极端会输出放大输入信号f_in的交流分量的半波型电流信号。此时，由P型晶体管M2、M3组成的电流镜会将该半波型电流信号耦合至N型晶体管M4，接着，N型晶体管M4会依据该半波型电流信号而经由电感L_in提供一直流偏压到功率放大单元102的输入端N2。由上述的操作过程可以得知，当输入信号f_in的能量越大时，即振幅越大，则直流偏压越高而使得功率放大单元102的直流电流I_d越大；反之亦然。请注意，本实施例中电感L_in仅是一阻抗元件的一例子，本发明并不以此为限，换句话说，本实施例中电感L_in亦可以用其他的元件取代，例如，一电阻元件。

请参考图2，图2为图1所示的功率放大单元102的操作增益对输出信号f_out的功率的特性曲线图，其中特性曲线202为公知功率放大单元的操作特性，而特性曲线204则为本发明功率放大单元102的操作特性。如图2的特性曲线202所示，随着操作功率增加，操作增益会慢慢降低，而在操作增益降低至1dB点时，公知功率放大单元具有输出功率P_1dB’。因此，延续图1的说明，在本实施例中，在输入信号f_in为低功率时，功率放大单元102的操作增益降低1dB点的输出功率P_1dB高于输出功率P_1dB’，因此当功率放大单元102降低其操作增益时，等效地就可以达到提高P_1dB输出功率的效果(如特性曲线204所示)。

请参考图3，图3为图1所示的功率放大单元102的直流电流I_d对输出信号f_out的功率的特性曲线图。如图3所示，特性曲线302为不管输出信号f_out功率多强，直流电流I_d均一样时的情况，可以看出在小功率时直流电流形同浪费。曲线304为输出功率强弱随着直流电流改变的情况，可以看出在低功率时直流电流降低，如此就可以提高功率放大单元102的电源效率(powerefficiency)。因此本发明可调整增益的功率放大电路100可依据输入信号f_in的强度大小而动态调整功率放大单元102的操作增益以达到最高的P_1dB输出功率和最佳的电源效率。

请参考图4，图4为本发明第二实施例的可调整增益的功率放大电路400的示意图。功率放大电路400包含有一功率放大单元102(具有固定直流偏压V_dd)；一功率检测单元104，耦合于一输出信号f_out；以及一偏压控制单元402，耦合于功率检测单元104与功率放大单元102的一输入端N2。相较于图1所示的偏压控制单元106，本实施例中的偏压控制单元402另包含有一功率电平调整单元404。功率放大电路400更包含有一电容Cc耦合于其输入端N1和功率放大单元102之间，用以阻隔输入信号f_in的直流电压分量，以及一电容C_out耦合于功率放大单元102的一输出端N3(亦为功率放大电路400的输出端)以阻隔一输出信号f_out的直流电压分量。功率放大单元102可对其输入端N2所接收的输入信号f_in进行功率放大以产生输出信号f_out，而功率检测单元104则用来检测输出信号f_out的功率以产生一检测信号，以及偏压控制单元402用来根据该检测信号提供一偏压信号，并输出该偏压信号至功率放大单元102的输入端N2。如图4所示，功率电平调整单元404包含有一第一输入端耦合于功率检测器104以及一第二输入端耦合至一调整电平V-，而功率检测器104所输出的检测信号经由调整电平V-调整后输入一缓冲单元，其中该缓冲单元接收功率电平调整单元所输出的调整后的检测信号，且该缓冲单元耦合至偏压控制单元402的电流镜。请注意，在另一实施例中，功率放大电路中可另加一匹配电路单元，使得功率放大单元102的输出端N3与该匹配电路单元处于阻抗匹配的状态，此亦为本发明的范围。

当输入信号f_in由输入端N1输入时，输入信号f_in的直流分量会被电容Cc去除，只剩下交流信号会进入功率放大单元102内的N型晶体管的栅极端，接着，功率放大单元功率102便放大输入信号f_in并于输出端N3输出一输出信号f_out。输出信号f_out经由电容C_out将直流电压阻隔并将输出信号f_out的交流分量耦合至N型晶体管M1’的栅极端，然后，N型晶体管M1’的漏极端会放大输出信号f_out的交流分量而产生半波型电流信号，由于该半波型电流信号的功率较高而无法直接耦合至偏压控制单元402的电流镜，此时功率电平调整装置404会将功率检测器104输出的检测信号功率往下调整上述的调整电平V-。此时，由二P型晶体管M2’、M3’组成的电流镜会将调降功率后的该半波型电流信号耦合至一二极管连接的N型晶体管M4’，最后，N型晶体管M4’会依据该半波型电流信号经由电感L_in’提供一直流偏压给功率放大单元102的输入端N2。由上述的操作过程可以得知，当输入信号f_in的能量越大时，即振幅越大，则直流偏压越高而使得功率放大单元102的直流电流I_d越大；反之亦然。功率放大电路400的操作增益对输出信号f_out的功率的特性以及直流电流I_d对输出信号f_out的功率的特性分别与第一实施例的图2和图3所示特性相同。请注意，本实施例中电感L_in’仅是一阻抗元件的一例子，本发明并不以此为限，换句话说，本实施例中电感L_in’亦可以用其他的元件取代，例如，一电阻元件。

在本发明的另一实施例中，功率检测单元104可为一包络检测器(Envelope Detector)，亦可达到相同的效果，且为本发明的范围。

请参考图5，图5为本发明第一实施例的调整一功率放大单元的增益的方法的流程图。该功率放大单元可对其输入端所接收的一输入信号进行功率放大以产生一输出信号，该方法包含有下列步骤：

步骤502：开始；

步骤504：检测该输入信号的功率以产生一检测信号；

步骤506：根据该检测信号提供一偏压信号；

步骤508：耦合该偏压信号至该功率放大单元的该输入端；以及

步骤510：该功率放大单元依据该偏压信号调整其操作增益以对该输入信号进行功率放大。

步骤510包含有当该输入信号的能量越大时，即振幅越大，则该偏压信号越高而使得该功率放大单元的直流电流越大；反之亦然。如此会提升该功率放大单元的P_1dB输出功率和提升该功率放大单元的电源效率。

请参考图6，图6为本发明第二实施例的调整一功率放大单元的增益的方法的流程图。该功率放大单元可对其输入端所接收的一输入信号进行功率放大以产生一输出信号，该方法包含有下列步骤：

步骤602：开始；

步骤604：检测该输出信号的功率以产生一检测信号；

步骤606：根据该检测信号提供一偏压信号；

步骤608：耦合该偏压信号至该功率放大单元的该输入端；以及

步骤610：该功率放大单元依据该偏压信号调整其操作增益以对该输入信号进行功率放大。

步骤610包含有当该输入信号的能量越大时，即振幅越大，则该偏压信号越高使得该功率放大单元的直流电流越大；反之亦然。如此会提升该功率放大单元的P_1dB输出功率和提升该功率放大单元的电源效率。

请注意，在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦合”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦合于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的同等变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种可调整增益的功率放大电路，其包含有：

一功率放大单元，用来接收一输入信号并进行功率放大以产生一输出信号；

一功率检测单元，用来检测该输出信号的功率以产生一检测信号；以及

一偏压控制单元，用来根据该检测信号提供一偏压信号，并输出该偏压信号，

其中该偏压信号输入至该功率放大单元以调整该功率放大器的增益。

2.如权利要求1所述的功率放大电路，其中该偏压控制单元包括有二P型晶体管，其中该二P型晶体管组成一电流镜。

3.如权利要求2所述的功率放大电路，其中该偏压控制单元另包括有一N型晶体管、一电感、及一电阻中的至少一个。

4.如权利要求1所述的功率放大电路，其中该偏压控制单元另包括有一功率电平调整单元，用来调整该检测信号。

5.如权利要求4所述的功率放大电路，其中该功率电平调整单元另包括有一缓冲单元。

6.如权利要求1所述的功率放大电路，其中该偏压控制单元输出该偏压信号至该功率放大单元。

7.如权利要求1所述的功率放大电路，其中该功率检测单元为一包络检测器。

8.如权利要求1所述的功率放大电路另包含一匹配电路单元，使得该功率放大单元与该匹配电路单元匹配。

9.一种调整一功率放大器的增益的方法，该功率放大器可接收一输入信号并对该输入信号进行功率放大以产生一输出信号，该方法包含有：

检测该输出信号的功率以产生一检测信号；

根据该检测信号产生一偏压信号，并输出该偏压信号；以及

根据该偏压信号调整该功率放大器的增益。

10.如权利要求9所述的方法，其中该偏压信号输入至该功率放大器以调整该功率放大器的增益。

11.如权利要求10所述的方法，另包括有根据一电压电平调整该检测信号。