CN103872992A - 电子系统、射频功率放大器及其输出功率补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子系统、射频功率放大器及其输出功率补偿方法，射频功率放大器包括输出级电路、指数型偏压电路与电压电流转换电路。输出级电路接收第一系统电压且输出一输出电流。指数型偏压电路接收偏压电流，其中偏压电流与输出电流之间为指数关系，并且当偏压电流为零电流时，则输出电流为零电流。电压电流转换电路将所接收的第一系统电压转换为第二电流以使偏压电流正比于第一系统电压，进而使得输出电流与第一系统电压之间为指数关系。偏压电流等于第一电流与第二电流总和的倍数。

Description

电子系统、射频功率放大器及其输出功率补偿方法

技术领域

本发明有关于一种射频功率放大器，且特别是关于一种利用输出电流来补偿输出功率的射频功率放大器。

背景技术

在新一代的手机设计概念中，不仅要求最大输出功率时的功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)，同时更强调无论在高、中或低输出功率时也能有较高的PAE，以提供更长的通话时间。经适当调整功率放大器(PowerAmplifier，PA)的增益、输出功率能力及前级PA的线性度等，不仅能够降低平均消耗电流外，同时可以延长通话时间。在现有技术中，PA在使用直流至直流转换器(DC-to-DC converter)后，PA不只在高输出功率时其电流消耗较低，同时在中、低输出功率时的电流消耗也一样降低，以提高整段输出功率的PAE。

传统应用于3G/4G无线系统中的切换式功率放大器(Switch Mode PowerAmplifier)架构虽提供不错的使用效率。然而，面对消费者希望能有更长的通话时间需求，特别是希望在中、低输出功率模式下也能达到比传统切换式PA较高效率及低电流耗特性，可能成为一个待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种射频功率放大器，射频功率放大器包括输出级电路、指数型偏压电路与电压电流转换电路。输出级电路接收第一系统电压并且输出一输出电流。指数型偏压电路耦接至输出级电路，所述指数型偏压电路通过耦接第二系统电压以接收偏压电流，其中偏压电流与输出电流之间为指数关系，并且当偏压电流为零电流时，则输出电流为零电流。电压电流转换电路耦接指数型偏压电路以接收第一电流，并且电压电流转换电路将所接收的第一系统电压转换为第二电流以使得输出电流与第一系统电压之间为指数关系。偏压电流等于第一电流与第二电流总和的倍数。

在一实施例中，其中电压电流转换电路根据正温度系数的第一电流与负温度系数的第二电流传送正温度系数的第三电流至指数型偏压电路，藉此使得偏压电流与输出电流等于或接近零温度系数的电流。

在一实施例中，输出级电路包括输出晶体管。

在一实施例中，当指数型偏压电路中的第四电流等于第五电流，则偏压电流相对于输出电流呈现指数关系，并且当偏压电流递增时，则输出电流指数型上升。

在一实施例中，电压电流转换电路中的第五晶体管与第六晶体管构成第二电流镜，并且输出电流相对于第一系统电压呈现指数关系，当第一系统电压递增时，则输出电流指数型上升，藉此以补偿输出晶体管的输出功率。

本发明实施例提出的电子系统、射频功率放大器及其输出功率补偿方法，通过输出电流相对于第一系统电压的指数关系，使得当第一系统电压在适当范围变化下，能够通过输出电流的指数型上升的特性来补偿输出功率的动态范围。再者，本揭示内容的射频功率放大器在低输出功率下能够达到较佳的附加功率效率且达到低流耗的省电功能，符合消费者希望有更长的通话时间的需求。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。

附图说明

上文已参考随附图式来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，在该多个图式中：

图1为根据本发明实施例的射频功率放大器的电路区块图。

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出电流与偏压电流关系的模拟曲线图。

图4为根据本发明实施例的第一系统电压与输出电流关系的模拟曲线图。

图5为根据本发明实施例的第一系统电压与输出功率关系的模拟曲线图。

图6为根据本发明实施例的电子系统的区块图。

图7为根据本发明实施例的输出功率补偿方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

100、200：射频功率放大器

110：输出级电路

120：指数型偏压电路

130：电压电流转换电路

600：电子系统

610：射频功率放大器

620：负载

C1：第一电容

C2：第二电容

GND：接地电压

I1：第一电流

I2：第二电流

I3：第三电流

I4：第四电流

I5：第五电流

IOUT：输出电流

IBA：偏压电流

L：电感

M1：输出晶体管

n1、n2：节点

Q1～Q6：晶体管

R1～R4：电阻

RFIN：射频输入信号

RFOUT：射频输出信号

S710～S740：步骤

VB：偏压

VBEM1：基射极电压

VBE1：基射极电压

VBE2：基射极电压

VBE3：基射极电压

VBE6：基射极电压

VCC：第一系统电压

VSS：第二系统电压

具体实施方式

下文将参看图式描述各种例示性实施例，本发明概念可能以不同形式来体现，不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。

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电路区块图。射频功率放大器100包括输出级电路110、指数型偏压电路120与电压电流转换电路130。输出级电路110耦接指数型偏压电路120。指数型偏压电路120耦接于电压电流转换电路130之间。电压电流转换电路130耦接输出级电路110且接收第一系统电压VCC。

输出级电路110接收第一系统电压VCC并且输出一输出电流。指数型偏压电路120通过耦接至第二系统电压VSS以接收偏压电流IBA并且指数型偏压电路120提供一偏压VB至输出级电路110，其中当偏压电流IBA为零电流时，则输出电流为零电流。电压电流转换电路130接收第一电流I1，其中第一电流I1为从指数型偏压电路120反馈至电压电流转换电路130。电压电流转换电路130将所接收的第一系统电压VCC转换为第二电流I2以使偏压电流IBA正比于第一系统电压VCC，进而使得输出电流与第一系统电压VCC之间为指数关系来补偿输出功率的动态范围。偏压电流IBA等于第一电流I1与第二电流I2总和的倍数，使设计者能够根据其实际应用需求来进一步设计。

此外，第一电流I1为正温度系数且第二电流I2为负温度系数，而电压电流转换电路13根据第一电流I1与第二电流I2传送正温度系数的第三电流I3至指数型偏压电路120，藉此使得偏压电流IBA与输出电流等于或接近零温度系数的电流。

进一步说明射频功率放大器100的工作原理。

本揭示内容所述的正温度系数表示其物理量(如电压值、电流值或电阻值)与温度之间成正比关系，负温度系数表示其物理量与温度之间成反比关系，零温度系数表示其物理量(如电压值、电流值或电阻值)与温度之间相互独立，也就是当温度上升或下降时，其物理量并不会随着温度而上升或下降。

请继续参照图1，在本实施例中，射频功率放大器100使用一个对温度相对稳定的直流至直流转换器(图1未绘示)来提供第一系统电压VCC，能够使射频功率放大器100的输出功率范围都保持一致的高效率与低电流消耗。由方程式(1)可推知，如果第一系统电压VCC操作于0.5～3.5V的区间时，则第一系统电压VCC能够输出功率的动态范围贡献约8dB。其中P为输出功率，I为输出电流且V为第一系统电压。由于应用于第三代(3G)/第四代(4G)无线系统的射频功率放大器的标准都要求射频功率放大器100的输出功率须具有30dB的动态范围。但是，如果要仅通过第一系统电压VCC来对输出功率的动态范围提供至约30dB左右，不仅不切实际而且不符合当今对系统电压的操作区间的要求。

P=I×V          (1)

因此，本发明利用可调适的输出电流来提供输出功率的另一部份所需的动态范围。通过将第一系统电压VCC反馈至电压电流转换电路130，以使输出电流相对于第一系统电压VCC呈现指数关系，因此可以使第一系统电压VCC维持在合理操作区间，并且当第一系统电压VCC递增的情况下，射频功率放大器100更能够使得输出电流呈现指数型上升的特性，以提供动态范围的贡献。其中，指数型偏压电路120通过耦接第二系统电压VSS以接收偏压电流IBA，并且指数型偏压电路120提供一偏压VB至输出级电路110，据此使得偏压电流IBA与输出级电路110的输出电流之间具有一指数关系。另，当偏压电流IBA为零电流时，则射频功率放大器100的输出电流会为零电流，以降低射频功率放大器100的功率耗损。

请参照图2，图2为本发明另一实施例的电路图。与上述图1实施例不同的是，在本实施例中，输出级电路110包括输出晶体管M1。指数型偏压电路120包括第一电阻R1、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第二电阻R2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4与第五晶体管Q5。电压电流转换电路130包括第三电阻R3，第四电阻R4与第六晶体管Q6。

输出晶体管M1的集极与射极分别接收第一系统电压VCC与接地电压GND，并且其基极接收指数型偏压电路120所提供的一偏压VB以接收一偏压输入电流(亦即基极电流)。第一电阻R1的一端耦接第二系统电压VSS。第一晶体管Q1的集极与基极分别耦接第二系统电压VSS与第一电阻R1的另一端。第二晶体管Q2的集极、基极与射极分别耦接第二系统电压VSS、第一晶体管Q1的基极与输出晶体管M1的基极，其中第二晶体管Q2的集极接收第四电流I4且其射极提供偏压VB至输出晶体管M1的基极。第二电阻R2的一端耦接第一晶体管Q1的射极，其中偏压电流IBA为流经第二电阻R2。第三晶体管Q3的集极、基极与射极分别耦接第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端与接地电压GND，其中第三晶体管Q3的集极接收第五电流I5。第四晶体管Q4的集极、基极与射极分别耦接输出晶体管M1的基极、第二电阻R2的另一端与接地电压GND，其中第三晶体管Q3与第四晶体管Q4构成第一电流镜。第五晶体管Q5的集极分别耦接第二电阻R2的另一端，且其基极耦接电流电压转换电路130以接收第三电流I3，其中第三电流I3为自第六晶体管Q6的集极流至第五晶体管Q5的基极并且第三电流I3为正温度系数的电流。第三电阻R3的一端耦接第一系统电压VCC。第四电阻R4的一端耦接第一电阻R1的另一端，其另一端耦接第三电阻R3的另一端。第六晶体管Q6的基极与集极耦接第三电阻R3的另一端、其射极耦接接地电压GND，其中第六晶体管Q6与第五晶体管Q5构成第二电流镜。

进一步说明射频功率放大器200的工作原理。

由于第一系统电压VCC在0.5V～3.5V的操作区间下，只能提供射频功率放大器200约8dB的输出功率动态范围。因此，要在合理的系统电压的操作区间下，本发明实施例提供以输出电流IOUT来提供射频功率放大器200另一部份所需的输出功率动态范围。在一实施例中，现今的射频功率放大器的标准都要求射频功率放大器200的输出功率须具有约30dB的动态范围，因此输出电流IOUT必须要提供22dB的输出功率动态范围。

射频功率放大器200利用指数型电压电路120以将使偏压电流IBA与输出电流IOUT之间具有指数关系，如方程式(2)所示，其中Vt为热电压(thermalvoltage)且R4为第四电阻的电阻值。接着，射频功率放大器200利用电压电流转换电路来将偏压电流IBA转换为第一系统电压VCC，如方程式(3)所示，其中R3为第三电阻的电阻值。结合方程式(2)及(3)，则可得到方程式(4)，因此可以通过第一系统电压VCC在操作区间(亦即0.5V～3.5V)的递增下，即可得到指数型上升的输出电流IOUT。

IOUT=IBA×e^[(IBA×R2)/Vt]          (2)

IBA=VCC/R3          (3)

IOUT=IBA×e^[R2×VCC/R3×Vt]          (4)

详细来说，由克西荷夫能量守恒定律可知，第一晶体管Q1的基射极电压VBE1、第二电阻R2的压降、第三晶体管Q3的基射极电压VBE3的总和等于第二晶体管Q2的基射极电压VBE2与输出晶体管M1的基射极电压VBEM1的总和，如方程式(5)所示。第三晶体管Q3与第四晶体管Q4构成第一电流镜，如果通过工艺设计使得第四电流I4等于第五电流I5，则方程式(5)即可推导得到上述方程式(2)。换句话说，本实施例的指数型偏压电路120耦接至第二系统电压VSS以接收偏压电流IBA，并且耦接至输出晶体管M1的基极，据此能够将输出电流IOUT与偏压电流IBA之间的关系形成一指数关系。

VBE1+(IBA×R2)+VBE3=VBE2+VBEM1    (5)

图3为根据本发明实施例的输出电流与偏压电流关系的模拟曲线图。图3为反映出方程式(2)的曲线图，水平轴为偏压电流IBA，其单位为微安培，并且垂直轴为输出电流IOUT，其单位为毫安培。当偏压电流IBA为零电流时，射频功率放大器200能够完全关闭掉，亦即射频功率放大器200的输出电流IOUT为零电流，进而能够减少功率消耗，符合消费者希望能有更长的通话时间的需求。

接下来，利用第三电阻R3、第四电阻R4与第六晶体管Q6来使得电压与电流之间的关系互相转换，亦即将方程式(2)中的偏压电流IBA转换为方程式(3)。电压电流转换电路130中的第三电阻R3接收来自输出级电路110所反馈的第二电流I2，并且第四电阻R4接收来自指数型偏压电路120所反馈的第一电流I1，其中第一电流I1为第一节点n1的电压减去第二节点n2的电压再除以第四电阻R4的电阻值，并且第二电流I2为第一系统电压VCC减去第二节点n2的电压，而第一节点n1的电压为第二晶体管Q2的基射极电压VBE2与输出晶体管M1的基射极电压VBEM1的总和，第二节点n2的电压为第六晶体管Q6的基射极电压VBE6。第一电流I1如方程式(6)所示，第二电流I2如方程式(7)所示。

I1=(VBE2+VBEM1-VBE6)/R4          (6)

I2=(VCC-VBE6)/R3          (7)

接下来，假设第二晶体管Q2的基射极电压VBE2等于输出晶体管M1的基射极电压VBEM1。由方程式(6)及(7)可知，第一电流I1为正温度系数的电流，第二电流I2为负温度系数的电流，并且第一电流I1与第二电流I2的总和为一正温度系数的电流，用以补偿第六晶体管Q6的基射极电压为一随温度上升而退化的负温度系数。再者，因为第五晶体管Q5与第六晶体管Q6的电路拓朴架构为电流镜，因此，当第五晶体管Q5的射极面积为第六晶体管Q6的射极面积的N倍时，则偏压电流IBA为第一电流I1与第二电流I2的总和的N倍(IBA=N(I1+I2))。在晶体管Q5及Q6的射极面积相同的情况下，偏压电流IBA等于第一电流I1与第二电流I2的总和，如方程式(3)所示，因此偏压电流IBA可以通过第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值调整而成为接近或等于零温度系数的电流，以补偿偏压电流IBA的温度系数。通过方程式(4)可知，当偏压电流IBA为接近或等于零温度系数的电流时，则输出电流IOUT也会是接近或等于零温度系数的电流，因此本揭示内容的电压电流转换电路130具有温度补偿的功效。

上述中，第三电流I3为正温度系数的电流，并且因为第五晶体管Q5的电流增益(current gain)为负温度系数，因此第五晶体管Q5的集极电流可以调整为接近或等于零温度系数的电流。

图4为根据本发明实施例的第一系统电压与输出电流关系的模拟曲线图。再者，图4为反映方程式(4)的曲线图，水平轴为第一系统电压VCC，其单位为伏特，并且垂直轴为输出电流IOUT，其单位为毫安培。当第一系统电压VCC在0.5V～3.5V的操作区间递增时，输出电流IOUT会呈现指数型上升的特性，因此本实施例的输出电流IOUT能够对射频功率放大器200的输出功率的动态范围提供主要的贡献。第一系统电压VCC在0.5V～3.5V的操作区间提供8dB动态范围的贡献，而输出电流IOUT能够提供将近22dB动态范围的贡献，藉此以补偿射频功率放大器200的输出功率。在实施应用上，设计者能够依据其应用需求，通过调整电阻R2及R3的电阻值来将调整输出电流IOUT的大小，进而调整整体射频功率放大器200的输出功率所欲达到动态范围。

图5为根据本发明实施例的第一系统电压与输出功率关系的模拟曲线图，水平轴为第一系统电压，其单位为伏特，并且垂直轴为输出功率，其单位为dBm。由图5可知，于第一系统电压VCC在0.5V～3.5V的操作区间中，输出功率最高能够达到约30dB的动态范围。因此设计者通过本揭示内容的射频功率放大器200的偏压电路的设计，能够在低、中与高功率的情况下，使得射频功率放大器200能够达到较优良的输出功率范围与较佳的功率附加效率(Power Added Efficiency,PAE)，以符合消费者希望能有更长的通话时间的需求。

实务上，输出级电路110可更具有第一电感L、第一电容C1与第二电容C2。第一电容C1的一端耦接输出晶体管M1的基极，第一电容C1的另一端耦接射频输入信号RFIN。第一电感L耦接第一系统电压VCC与输出晶体管M1的集极之间。第二电容C2的一端耦接至输出晶体管M1的集极，第二电容C2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会对直流信号呈现低阻抗状态，例如短路，而电容C1、C2则会对直流信号呈现高阻抗状态，例如断路。当射频功率放大器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，例如断路，而电容C1、C2则会对高频信号呈现低阻抗状态，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。

图6为根据本发明实施例的电子系统的区块图。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在耦接第一及第二系统电压后，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～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620。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。

图7为根据本发明实施例的输出功率补偿方法。本例所述方法可以在图1～图2所示的射频功率放大器执行，因此请一并照图1～图2以利理解。

此方法包括以下步骤：接收第一系统电压并且输出输出电流(步骤S710)。接收第二系统电压且接收偏压电流(步骤S720)。通过指数型偏压电路，使得偏压电流与输出电流之间呈现指数关系(步骤S730)。通过电压电流转换电路，将第一系统电压转换为第二电流，以使输出电流与第一系统电压之间呈现指数关系(步骤S740)。

关于射频功率放大器的输出功率补偿方法的各步骤的相关细节在上述图1～图5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需要，不以各步骤的顺序作为限制条件。

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输出功率补偿方法，通过输出电流相对于第一系统电压的指数关系，使得当第一系统电压在适当范围变化下，能够通过输出电流的指数型上升的特性来补偿输出功率的动态范围。

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。

Claims (10)

1.一种射频功率放大器，其特征在于，该射频功率放大器包括：

输出级电路，接收第一系统电压并且输出输出电流；

指数型偏压电路，耦接至该输出级电路，该指数型偏压电路通过耦接第二系统电压以接收偏压电流，其中该偏压电流与该输出电流之间为指数关系，并且当该偏压电流为零电流时，则该输出电流为零电流；以及

电压电流转换电路，耦接该指数型偏压电路以接收第一电流，并且该电压电流转换电路将所接收的该第一系统电压转换为第二电流以使该偏压电流正比于该第一系统电压，进而使得该输出电流与该第一系统电压之间为指数关系，

其中该偏压电流等于该第一电流与该第二电流总和的倍数。

2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，该电压电流转换电路根据该第一电流与该第二电流传送正温度系数的第三电流至该指数型偏压电路，藉此使得该偏压电流与该输出电流等于或接近零温度系数的电流。

3.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于，输出级电路包括：

输出晶体管，其集极耦接该第一系统电压，其射极耦接接地电压，其基极接收该指数型偏压电路所提供的偏压。

4.如权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，该指数型偏压电路包括：

第一电阻，其一端耦接该第二系统电压；

第一晶体管，其集极耦接该第二系统电压，其基极耦接该第一电阻的另一端；

第二晶体管，其集极耦接该第二系统电压且接收第四电流，其基极耦接该第一晶体管的基极，其射极提供该偏压至该输出晶体管的基极；

第二电阻，其一端耦接该第一晶体管的射极，其中该偏压电流流经该第二电阻；

第三晶体管，其集极耦接该第一电阻的另一端且接收第五电流，其基极耦接该第二电阻的另一端，其射极耦接该接地电压；

第四晶体管，其集极耦接该输出晶体管的基极，其基极耦接该第二电阻的另一端，其射极耦接该接地电压，其中该第三晶体管与该第四晶体管构成第一电流镜；以及

第五晶体管，其集极耦接该第二电阻的另一端，其基极耦接该电流电压转换电路以接收该第三电流，

其中当该第四电流等于该第五电流，则该偏压电流相对于该输出电流呈现指数关系，并且当偏压电流递增时，则输出电流指数型上升。

5.如权利要求4所述的射频功率放大器，其特征在于，该电压电流转换电路包括：

第三电阻，其一端耦接该第一系统电压且接收该第二电流，其中该第三电阻用以将该第一系统电压转换为该第二电流；

第四电阻，其一端耦接该第一电阻的另一端且接收该第一电流，其另一端耦接该第三电阻的另一端；以及

第六晶体管，其基极与集极耦接该第三电阻的另一端，其射极耦接该接地电压，

其中该第五晶体管与该第六晶体管构成第二电流镜，并且该输出电流相对于该第一系统电压呈现指数关系，当该第一系统电压递增时，则该输出电流指数型上升，藉此以补偿该输出晶体管的输出功率。

6.如权利要求5所述的射频功率放大器，其特征在于，该第一电流为第一节点电压减去第二节点电压再除以该第四电阻的电阻值，并且该第二电流为该第一系统电压减去该第二节点电压再除以该第三电阻的电阻值，

其中该第一节点电压为该第二晶体管的基射极电压与该输出晶体管的基射极电压的总和，并且该第二节点的电压为第六晶体管的基射极电压。

7.一种电子系统，用于射频通信，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。

8.如权利要求7所述的电子系统，其特征在于，该电压电流转换电路根据该第一电流与该第二电流传送正温度系数的第三电流至该指数型偏压电路，藉此使得该偏压电流与该输出电流等于或接近零温度系数的电流。

9.一种输出功率补偿方法，其特征在于，该输出功率补偿方法包括：

接收第一系统电压并且输出输出电流；

接收第二系统电压且接收偏压电流；

通过指数型偏压电路，使得该偏压电流与该输出电流之间呈现指数关系；以及

通过电压电流转换电路，将该第一系统电压转换为第二电流，以使该输出电流与该第一系统电压之间呈现指数关系。

10.如权利要求9所述的输出功率补偿方法，其特征在于，当该偏压电流为零电流时，则该输出电流为零电流，，其中该偏压电流等于该第一电流与该第二电流总和的倍数，且该偏压电流正比于该第一系统电压。

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