TWI654830B - 功率放大裝置 - Google Patents

Abstract

功率放大裝置包含第一放大器、第二放大器、電容、節點及阻抗匹配電路。第二放大器放大接收自第一放大器傳來之射頻訊號。電容耦接於第一放大器之輸出端及第二放大器之輸入端之間。節點設置於第二放大器之輸入端及電容之間。阻抗匹配電路耦接於節點與共同電壓端。阻抗匹配電路相對於射頻訊號之中心頻率為實質上開路。阻抗匹配電路提供自節點至共同電壓端相對於中心頻率之兩倍頻率的實質上短路路徑。

Description

功率放大裝置

本發明係有關於一種功率放大裝置，尤其是指一種能夠在高功率時維持線性表現的功率放大裝置。

隨著網路和行動裝置的普及，人們對於無線通訊的需求也越來越高，而射頻功率放大器則可說是無線通訊系統中的關鍵元件。射頻功率放大器可以放大特定頻率的射頻訊號，使得射頻訊號能夠穩定地被接收以解析出其中的資訊，達到無線通訊的目的。為了因應不同的使用環境，射頻功率放大器常需要消耗大量的能量，以將射頻訊號放大到所需的強度。然而在高功率的放大過程中，射頻功率放大器常常會失去線性放大的特性，導致射頻訊號失真。

此外，由於射頻功率放大器一般會位於訊號發射器的最後一級，因此在射頻功率放大器的線性程度將直接影響到無線通訊的品質。影響射頻功率放大器線性失真的一個重要原因是三階交互調變(the third order intercept and intermodulation，IM3)。交互調變是兩個或兩個以上頻率相近的輸入訊號經過放大器的非線性特性之後，在輸出端所產生的頻率集合，而其中三階交互調變的頻率與輸入訊號的頻率最為接近，因此難以利用濾波器濾除。

本發明之一實施例提供一種功率放大裝置，功率放大裝置包含第一放大器、第二放大器、第一電容、第一節點及第一阻抗匹配電路。

第一放大器放大射頻訊號，第二放大器接收自第一放大器傳來之射頻訊號，並放大射頻訊號。第一電容耦接於第一放大器之輸出端及第二放大器之輸入端之間。第一節點設置於第二放大器之輸入端及第一電容之間。第一阻抗匹配電路耦接於第一節點與共同電壓端之間。第一阻抗匹配電路對應於射頻訊號之中心頻率為實質上的開路，且第一阻抗匹配電路提供對應於中心頻率之兩倍頻率自第一節點至共同電壓端的實質短路路徑。

第1圖為本發明一實施例之功率放大裝置100的示意圖。功率放大裝置100包含放大器110、放大器120、電容C1及第一阻抗匹配電路130。

放大器110可放大射頻訊號，而放大器120可接收並放大自放大器110傳來的射頻訊號。也就是說，放大器110及放大器120可為前後兩級放大器，以將射頻訊號逐級放大。在本發明的部分實施例中，功率放大裝置100還可根據所需的訊號強度，包含更多級的放大器。

此外，功率放大裝置100可將電容C1耦接於放大器110的輸出端及放大器120的輸入端之間，以減少傳輸路徑上的直流功耗。第一阻抗匹配電路130可耦接於節點N1與共同電壓端VT1之間，而節點N1則設置於放大器120之輸入端及電容C1之間。在本發明的部分實施例中，共同電壓端VT1可提供第一系統電壓V1，第一系統電壓V1可例如為接地電壓或系統的參考電壓。

在此實施例中，功率放大裝置100主要會針對頻率接近於一中心頻率的射頻訊號來進行放大。由於頻率接近於中心頻率的射頻訊號在經過放大器的非線性特性後所產生的三階交互調變也會具有接近於中心頻率的頻率，而不易濾除，且三階交互調變主要是由射頻訊號的二階諧波所造成，因此對應於中心頻率之兩倍頻率的訊號，第一阻抗匹配電路130可以提供自節點N1至共同電壓端VT1的實質短路路徑，以使射頻訊號的二階諧波被分流，而削減三階交互調變的強度。如此一來，就能夠提高輸出射頻訊號的線性程度，並維持無線通訊的品質。

此外，第一阻抗匹配電路130對應於射頻訊號之中心頻率則可為實質上的開路，以確保射頻訊號能夠順利輸入放大器120。由於第一阻抗匹配電路130可以在射頻訊號即將進入放大器120之前，提供實質的短路路徑以供射頻訊號的二階諧波分流，因此可以有效減少三階交互調變的產生。

在第1圖的實施例中，第一阻抗匹配電路130包含電感L1、電容C2及電感L2。電感L1耦接於節點N1及節點N2之間，而第一阻抗匹配電路130會透過節點N2耦接至共同電壓端VT1。電感L2與電容C2串聯於節點N1及節點N2之間，也就是說，電容C2與電感L2形成的串聯路徑會與電感L1並聯。透過選擇適當的容值及感值，第一阻抗匹配電路130就能對應於中心頻率提供實質開路，且對應於兩倍中心頻率提供實質短路路徑。

此外，在第1圖中，第一阻抗匹配電路130還可包含電阻R1。電阻R1具有第一端及第二端。電阻R1的第一端耦接於電感L1，而電阻R1的第二端耦接於節點N2。在此情況下，電容C2及電感L2可串聯於節點N1及電阻R1的第一端之間。透過電阻R1，第一阻抗匹配電路130就可以調整對應於射頻訊號之差頻的阻抗，達到增強抑制三階交互調變的效果。

然而本發明並不限定第一阻抗匹配電路130須包含電阻R1，在本發明的部分實施例中，若實際操作的條件許可，則第一阻抗匹配電路130也可將電阻R1省略。

在第1圖中，功率放大裝置100還可包含第二阻抗匹配電路170及第三阻抗匹配電路180。第二阻抗匹配電路170耦接於放大器110之輸出端與電容C1，並可提供放大器110之輸出端至共同電壓端VT1對應於兩倍中心頻率的實質短路路徑。第三阻抗匹配電路180可耦接於放大器120之輸出端，並可提供放大器120之輸出端至共同電壓端VT1對應於兩倍中心頻率的實質短路路徑。也就是說，第二阻抗匹配電路170及第三阻抗匹配電路180可例如為對應於兩倍中心頻率的帶阻(notch)濾波器，因此可以在射頻訊號傳輸路徑上的不同位置都提供對應於兩倍中心頻率的短路路徑，以進一步確保功率放大裝置100的線性特性。

然而，在本發明的部分實施例中，當電容C1較大時，利用第一阻抗匹配電路130就可能足以符合系統對於線性特性需求，在此情況下，功率放大裝置100也可將第二阻抗匹配電路170省略。

在本發明的部分實施例中，由於功率放大裝置的線性失真可能會在高功率的情況下較為明顯，因此還可透過開關元件和偵測電路來控制第一阻抗匹配電路。

第2圖為本發明一實施例之功率放大裝置200的示意圖。功率放大裝置100及200具有相似的結構並可根據相似的原理操作。然而，功率放大裝置200的第一阻抗匹配電路230還包含開關元件232。開關元件232具有第一端耦接於節點N2，及第二端耦接於共同電壓端VT1，並可選擇性地導通節點N2與共同電壓端VT1之間的短路路徑。

此外，功率放大裝置200還可包含偵測電路240。偵測電路240耦接於開關元件232及射頻訊號之傳輸路徑上的節點N3。偵測電路240可偵測功率放大裝置200於節點N3上的輸出功率，並在輸出功率高於預定值時，導通開關元件232以對應地導通節點N2與共同電壓端VT1之間的短路路徑。也就是說，功率放大裝置200可以在高功率的模式下，亦即輸出功率高於預定值時，才將第一阻抗匹配裝置230的開關元件232導通，此時第一阻抗匹配電路230才會提供對應於中心頻率之兩倍頻率的訊號自節點N1至共同電壓端VT1的實質短路路徑。反之，當功率放大裝置200並未操作在高功率模式，亦即輸出功率未高於預定值時，開關元件232就不會被導通，此時第一阻抗匹配電路230在實質上即為開路，因此能夠避免不必要地改變功率放大裝置200的在低功率時的整體阻抗。

在第2圖的實施例中，節點N3可設置於放大器110之輸出端及電容C1之間，而偵測電路240則會偵測放大器110之輸出端到電容C1路徑上的功率大小。然而，由於當功率模式改變時，在傳輸路徑上的射頻訊號強度一般也都會對應的改變，因此在本發明的其他實施例中，節點N3也可設置於射頻訊號之傳輸路徑上的其他位置。也就是說，偵測電路240也可根據系統的需求，偵測傳輸路徑上其他位置的功率。舉例來說，節點N3亦可設置於節點N1與電容C1之間，又或設置於節點N1及放大器120的輸入端之間。此外，由於射頻訊號在傳輸路徑的不同位置可能會具有不同的強度，因此在設計偵測電路240時，可根據節點N3的位置調整內部的元件，以配合需偵測之射頻訊號強度的大小。

在第2圖中開關元件232可包含電晶體M1。電晶體M1具有第一端、第二端及控制端，電晶體M1的第一端耦接於節點N2，電晶體M1的第二端耦接於共同電壓端VT1，而電晶體M1的控制端耦接於偵測電路240。在此情況下，偵測電路240便可在輸出功率高於預定值時，導通電晶體M1的第一端與第二端之間的信號路徑。

由於電晶體M1在導通時會具有導通電阻，因此在選擇電阻R1的電阻值以提供差頻訊號對應阻抗時，也可將電晶體M1的導通電阻一併考慮，以提供更加準確的阻抗。

此外，在本發明的部分實施例中，電晶體M1也可以是以二極體方式連接(diode connected)之電晶體，換言之，電晶體M1的控制端可耦接於電晶體M1的第一端。在此情況下，偵測電路240則會在輸出功率高於預定值時，提供對應的偏壓以導通以二極體方式連接的電晶體M1。或者，開關元件232也可直接包含二極體以取代電晶體M1。舉例來說，二極體的第一端(例如陽極)可耦接於節點N2，而二極體的第二端(例如陰極)可耦接於共同電壓端VT1。在此情況下，偵測電路240則可在輸出功率高於預定值時，提供對應的偏壓至二極體的第一端以導通以二極體，形成節點N2與共同電壓端VT1之間的短路路徑。

在第2圖中，偵測電路240可包含電晶體M2、電容C3及電阻R2。電晶體M2具有第一端、第二端及控制端，電晶體M2的第一端可接收參考電壓Vref1以導通電晶體M2，電晶體M2的第二端耦接於開關元件232。電阻R2與電容C3串聯於節點N3及電晶體M2之控制端之間。此外，偵測電路240還可包含電阻R3及電容C4。電阻R3具有第一端及第二端，電阻R3的第一端耦接於電晶體M2之第二端，電阻R3的第二端可耦接於共同電壓端VT1。電容C4具有第一端及第二端，電容C4的第一端耦接於電晶體M2之第二端，而電容C4的第二端可耦接於共同電壓端VT1。

在此實施例中，電容C3電阻R2可以將節點N3上的高頻射頻訊號耦合至偵測電路240，電阻R2可以提供稍高的阻抗，以避免電容C3耦合過多的射頻訊號而對功率放大裝置的性能造成不良的影響。當功率放大裝置200進入高功率的操作模式時，藉由導通的電晶體M2、電阻R3及電容C4則可將交流的射頻訊號整流為直流偏壓以導通電晶體M1。也就是說，透過選擇適當的電容C3、電阻R2、電容C4及電阻R3，就可以在功率放大裝置200進入高功率的操作模式，亦即功率高於預定值時，將交流的射頻訊號整流為直流訊號以偏壓電晶體M2，並進一步導通電晶體M1。由於功率放大裝置200可以根據系統的需求選擇偵測電路240所偵測之節點N3的位置，因此在設計偵測電路240時，可根據所偵測之節點N3所在的位置判斷射頻訊號的強度，並選擇對應適合的電阻及電容，以確保偵測電路240能夠在功率放大裝置200進入高功率操作模式時，對應地作動。

此外，在第2圖中，偵測電路240還可包含第一偏壓電路242。第一偏壓電路242包含電阻R6，且第一偏壓電路242可經由電阻R6提供參考電壓Vref2至電晶體M2之控制端，以確保電晶體M2處於導通的狀態。

由於當開關元件232被導通時，第一阻抗匹配電路230將會對應地抽取電流，為避免射頻訊號的強度受到影響，功率放大裝置200還可包含第二偏壓電路250以輸出供應電流，進而補償第一阻抗匹配電路230所抽取的電流。第二偏壓電路250可耦接於放大器120之輸入端與電容C1之間。在第2圖中，第二偏壓電路250可包含電晶體M3。電晶體M3具有第一端、第二端及控制端，電晶體M3的第一端可接收第二系統電壓V2，電晶體M3的第二端耦接於放大器120之輸入端，而電晶體M3的控制端可接收參考電壓Vref3。在本發明的部分實施例中，第二系統電壓V2可例如為系統中的操作電壓，而可大於第一系統電壓V1。

此外，功率放大裝置200還可包含補償電路260。補償電路260可耦接於第二偏壓電路250及偵測電路240。當偵測電路240偵測到輸出功率高於預定值時，偵測電路240便可經由補償電路260控制第二偏壓電路250以增加供應電流。

舉例來說，補償電路260可包含電阻R4，而第二偏壓電路250還可包含電阻R5。電阻R4具有第一端及第二端，電阻R4的第一端耦接於第二偏壓電路250，而電阻R4的第二端耦接於偵測電路240。電阻R5具有第一端及第二端，電阻R5的第一端耦接於電晶體M3之第二端，而電阻R5的第二端可耦接於放大器120之輸入端。

在第2圖中，補償電路260之電阻R4的第一端可耦接於電阻R5之第一端，因此當偵測電路240導通開關元件232時，電阻R5的壓降會被改變，促使電晶體M3提升供應電流。然而本發明並不以此為限，在本發明的部分實施例中，電阻R4的第一端也可耦接於電阻R5之第二端。

透過功率放大裝置200，在高功率時，第一阻抗匹配電路230可抑制射頻訊號的二階諧波，進而抑制功率放大裝置所產生的三階交互調變，提升功率放大裝置200的線性表現。此外，透過偏壓電路250及補償電路260，還能夠即時地提供第一阻抗匹配電路230所抽取的電流，避免射頻訊號的強度減弱。

在第1圖及第2圖中，功率放大裝置100及200還可包含電感L3。電感L3可耦接在放大器110之輸出端與電容C1，並耦接至系統電壓端VT2，因此可在放大器110的輸出端提供直流偏壓以供放大器110所需。

綜上所述，本發明的實施例所提供的功率放大裝置可以利用阻抗匹配電路減少射頻訊號的二階諧波，進而抑制功率放大裝置所產生的三階交互調變。此外，本發明的實施例所提供的功率放大裝置還可包含偵測電路，因此在功率放大裝置操作在高功率時，便能導通阻抗匹配電路中的開關元件，以避免阻抗匹配電路改變功率放大裝置在低功率時的匹配阻抗。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、200‧‧‧功率放大裝置

110、120‧‧‧放大器

130、230‧‧‧第一阻抗匹配電路

L1至L3‧‧‧電感

C1至C4‧‧‧電容

R1至R6‧‧‧電阻

N1至N3‧‧‧節點

170‧‧‧第二阻抗匹配電路

180‧‧‧第三阻抗匹配電路

VT1‧‧‧共同電壓端

VT2‧‧‧系統電壓端

V1‧‧‧第一電壓

232‧‧‧開關元件

240‧‧‧偵測電路

242‧‧‧第一偏壓電路

250‧‧‧第二偏壓電路

260‧‧‧補償電路

M1至M3‧‧‧電晶體

Vref1至Vref3‧‧‧參考電壓

V2‧‧‧第二電壓

第1圖為本發明一實施例之功率放大裝置的示意圖。 第2圖為本發明另一實施例之功率放大裝置的示意圖。

Claims (20)

1. 一種功率放大裝置，包含：一第一放大器，用以放大一射頻訊號；一第二放大器，用以接收自該第一放大器傳來之該射頻訊號，並放大該射頻訊號；一第一電容，耦接於該第一放大器之一輸出端及該第二放大器之一輸入端之間；一第一節點，設置於該第二放大器之該輸入端及該第一電容之間；及一第一阻抗匹配電路，耦接於該第一節點與一共同電壓端，其中該第一阻抗匹配電路對應於該射頻訊號之一中心頻率為實質上一開路，且該第一阻抗匹配電路用以提供對應於該中心頻率之一兩倍頻率自該第一節點至該共同電壓端的一實質短路路徑，該第一阻抗匹配電路包含：一第一電感，耦接於該第一節點及一第二節點之間；一第二電容；及一第二電感，與該第二電容串聯於該第一節點及該第二節點之間；其中，該第一阻抗匹配電路透過該第二節點耦接至該共同電壓端，且該第二電容與該第二電感形成的串聯路徑與該第一電感並聯。
2. 如請求項1所述之功率放大裝置，其中該第一阻抗匹配電路包含：一開關元件，具有一第一端耦接於該第二節點，及一第二端耦接於該共同電壓端，用以選擇性地導通該第二節點與該共同電壓端之間的短路路徑。
3. 如請求項1或2所述之功率放大裝置，其中該第一阻抗匹配電路另包含：一第一電阻，具有一第一端耦接於該第一電感，及一第二端耦接於該第二節點；其中該第二電容及該第二電感係串聯於該第一節點及該第一電阻之該第一端之間。
4. 如請求項2所述之功率放大裝置，另包含一偵測電路，耦接於該開關元件及該射頻訊號之一傳輸路徑上的一第三節點，用以偵測該功率放大裝置於該第三節點上的一輸出功率，並於該輸出功率高於一預定值時，導通該開關元件以對應地導通該第二節點與該共同電壓端之間的短路路徑。
5. 如請求項4所述之功率放大裝置，其中該第三節點係設置於該第一放大器之該輸出端及該第一電容之間、該第一節點與該第一電容之間，或該第一節點及該第二放大器之該輸入端之間。
6. 如請求項4所述之功率放大裝置，其中該開關元件包含：一二極體，具有一第一端耦接於該第二節點，及一第二端耦接於該共同電壓端。
7. 如請求項4所述之功率放大裝置，其中該開關元件包含：一第一電晶體，具有一第一端耦接於該第二節點，一第二端耦接於該共同電壓端，及一控制端耦接於該偵測電路。
8. 如請求項7所述之功率放大裝置，其中該第一電晶體係為以二極體方式連接(diode connected)之電晶體。
9. 如請求項7所述之功率放大裝置，其中該偵測電路於該輸出功率高於一預定值時，導通該第一電晶體的第一端與第二端之間的信號路徑。
10. 如請求項4所述之功率放大裝置，其中該偵測電路包含：一第二電晶體，具有一第一端用以接收一第一參考電壓，一第二端耦接於該開關元件，及一控制端；一第三電容；及一第二電阻，與該第三電容串聯於該第三節點及該第二電晶體之該控制端之間。
11. 如請求項10所述之功率放大裝置，其中該偵測電路另包含：一第三電阻，具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第二端，及一第二端耦接於該共同電壓端；及一第四電容，具有一第一端耦接於該第二電晶體之該第二端，及一第二端耦接於該共同電壓端。
12. 如請求項10所述之功率放大裝置，其中該偵測電路另包含：一第一偏壓電路，包含一第六電阻，該第一偏壓電路用以經由該第六電阻提供一第二參考電壓至該第二電晶體之該控制端。
13. 如請求項4所述之功率放大裝置，另包含：一第二偏壓電路，耦接於該第二放大器之該輸入端與該第一電容之間，用以輸出一供應電流。
14. 如請求項13所述之功率放大裝置，其中該第二偏壓電路包含：一第三電晶體，具有一第一端用以接收一第二系統電壓，一第二端耦接於該第二放大器之該輸入端，及一控制端用以接收一第三參考電壓。
15. 如請求項13所述之功率放大裝置，另包含：一補償電路，耦接於該第二偏壓電路及該偵測電路；其中當偵測電路偵測到該輸出功率高於該預定值時，該偵測電路經由該補償電路控制該第二偏壓電路以增加該供應電流。
16. 如請求項15所述之功率放大裝置，其中該補償電路包含：一第四電阻，具有一第一端耦接於該第二偏壓電路及一第二端耦接於該偵測電路。
17. 如請求項16所述之功率放大裝置，其中：該第二偏壓電路另包含一第五電阻，具有一第一端耦接於該第三電晶體之該第二端，及一第二端耦接於該第二放大器之該輸入端；及該補償電路中該第四電阻之該第一端係耦接於該第五電阻之該第一端或該第五電阻之該第二端。
18. 如請求項1所述之功率放大裝置，另包含一第三電感，耦接於該第一放大器之該輸出端及該第一電容，用以提供一直流電壓。
19. 如請求項1所述之功率放大裝置，另包含一第二阻抗匹配電路，耦接於該第一放大器之該輸出端與該第一電容，其中該第二阻抗匹配電路用以提供該第一放大器之該輸出端至該共同電壓端對應於該中心頻率之一兩倍頻率的一實質短路路徑。
20. 如請求項1所述之功率放大裝置，另包含一第三阻抗匹配電路，耦接於該第二放大器之該輸出端，其中該第三阻抗匹配電路用以提供該第二放大器之該輸出端至該共同電壓端對應於該中心頻率之一兩倍頻率的一實質短路路徑。