雙運行模式功率放大器的制作方法

本發明實施例是關于以雙模式運作的功率放大器(Power Amplifier)，涉及一種如果是高電力模式時，通過具有兩個差動輸入(Differential Input)及兩個差動輸出(Differential Output)的全差動放大器(Fully Differential Amplifier)運行。相反，如果是低電力模式，通過偏壓電路部在兩個差動輸入及兩個差動輸出中只選擇一個，通過單端(Single-ended)放大器運行的電路。

背景技術：

以下敘述的內容只是為了提供與本發明的實施例的有關的背景信息，而非構成以往技術。

相同于在基站使用的功率放大器，蜂窩手機(Cellular Handset)或無線網絡(WiFi)等無線通信裝置使用的功率放大器也要依據系統的通信標準和系統的目的提供適當的輸出電力。目前，為了在系統需要相比功率放大器的最大輸出電力低的水平的輸出功率、低電力模式時，最小化電流損失，而進行各種技術研發。

現有的技術為階段旁路法(Stage Bypass Method)、為低電力模式的附加路徑法(Additional Path Method)等，但，上述的方法降低最大輸出電力即高電力模式的性能，或需要附加性的組件(電感器(Inductor)或變壓器(Transformer))，因此，非理想。因此，需要開發在低電力模式下能夠降低電流損失又節省費用的功率放大器。

技術實現要素：

本實施例的目的為功率放大器以低電力模式運作時，為了最小化電流損失，使得電路從全差動放大器(Fully Differential Amplifier)變更為單端放大器(Single-ended Amplifier)而運行。為了上述的動作，各階段的偏壓電路部需能夠在全差動放大器的兩個輸入及兩個輸出中分別選擇性地轉換。全體系統的增益和線性關系依據所有端的輸入輸出部匹配(Matching)電路的絕緣(Isolation)性能和阻抗匹配(Impedance Matching)水平決定。從而，提供在以單端放大器運行時能夠變更阻抗的(Tunable)匹配電路。

依據本發明的實施例的的一側面，作為選擇性地運行高電力模式(High Power Mode)及低電力模式(Low Power Mode)中的某一個模式的功率放大器(Power Amplifier)，其特征在于，包括：主功率放大器，具有兩個差動輸入(Differential Input)及兩個差動輸出(Differential Output)；輸入匹配電路(Matching Circuit)，從輸入信號部接收輸入信號，與所述主功率放大器的輸入端連接，使得所述輸入信號部和所述主功率放大器的輸入端的阻抗相互匹配；輸出匹配電路，在所述功率放大器的輸出端與負載(Load)之間，使得所述負載的阻抗與所述主功率放大器的輸出端的阻抗相互匹配；及偏壓電路部(Bias Circuit)，依據輸入的模式控制(Mode Control)信號，發生使得所述主功率放大器轉換為差動放大器(Differential Amplifier)或單端放大器(Single-ended Amplifier)的轉換信號。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器在所述高電力模式下以所述差動放大器運行，在所述低電力模式下以所述單端放大器運行。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器在所述低電力模式下，所述偏壓電路部只選擇性地運行所述兩個差動輸入及所述兩個差動輸出中的一個。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，如果是所述低電力模式，所述偏壓電路部只選擇性地向所述兩個差動輸入中的一個提供偏壓電源。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器包括主(Main)晶體管的電流引流端和層迭式(Stacked)晶體管的電流引出端相互連接的共源共柵(Cascode)結構部二對，所述兩個差動輸入分別連接于所述二對共源共柵結構部的主晶體管的控制端，如果是所述低電力模式，所述偏壓電路部只選擇性地向所述兩個差動輸入中的一個供應偏壓電源。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器在所述低電力模式下以所述單端放大器(Single-ended Amplifier)運行時，所述輸入匹配電路及所述輸出匹配電路中的至少一個是阻抗可調(Tunable)的。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述輸入匹配電路及所述輸出匹配電路中的至少一個包括變壓器(Transformer)，與所述變壓器的一次線圈及二次線圈串聯的兩個電容并聯，在所述兩個電容相互連接的中間節點，開關與接地端連接，并通過所述開關的開(On)/關(Off)，調整阻抗。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述輸入匹配電路及所述輸出匹配電路中至少一個包括變壓器(Transformer)，與所述變壓器的一次線圈及二次線圈串聯的兩個電感器并聯，在所述兩個電 感器相互連接的中間節點，開關與接地端連接，并通過所述開關的開(On)/關(Off)，調整阻抗。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述功率放大器在信號路徑不包括開關，因此，在所述高電力模式下不發生性能低下。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述功率放大器不附加另外的電感器或變壓器等占用面積大的無源組件(Passive Component)。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器，包括：第一功率放大器，連接于所述輸入匹配電路與中間匹配電路之間，放大所述輸入信號；中間匹配電路，連接于所述第一功率放大器的輸出端與第二功率放大器的輸入端之間，使得所述第一功率放大器的輸出端的阻抗與所述第二功率放大器輸入端的阻抗(Impedance)相互匹配；及第二功率放大器，連接于所述中間匹配電路與輸出匹配電路之間，放大所述第一功率放大器的輸出信號。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大器及所述第二功率放大器，如果是所述高電力模式，以所述差動放大器運行，如果是所述低電力模式，通過偏壓電路部在兩個輸入及輸出中選擇一個，以所述單端放大器運行。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大器及所述第二功率放大器，具有兩個差動輸入(Differential Input)及兩個差動輸出(Differential Output)，如果是所述低電力模式，所述偏壓電路部在所述兩個差動輸入及所述兩個差動輸出中只選擇性地運行一個。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，如果是所述低電 力模式，所述偏壓電路部在所述兩個差動輸入中只選擇性地運行一個。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大器及所述第二功率放大器包括主(Main)晶體管的電流引流端和層迭式(Stacked)晶體管的電流引出端相互連接的共源共柵(Cascode)結構部二對，所述兩個差動輸入分別連接于所述二對共源共柵結構部的主晶體管的控制端，如果是所述低電力模式，所述偏壓電路部只選擇性地向所述兩個差動輸入中的一個供應偏壓電源。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大器及所述第二功率放大器以所述單端放大器(Single-ended Amplifier)運行時，所述輸入匹配電路、所述中間匹配電路及所述輸出匹配電路中至少一個是阻抗可調的。

優選實施例提供一種功率放大器，其特征在于，所述輸入匹配電路、所述中間匹配電路及所述輸出匹配電路中的至少一個包括變壓器(Transformer)，與所述變壓器的一次線圈及二次線圈串聯的兩個電容并聯，在所述兩個電容相互連接的中間節點，開關與接地端連接，并通過所述開關的開(On)/關(Off)，調整阻抗。

為使本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例并配合附圖做詳細說明。

附圖說明

本發明在本文中的描述僅作為示例，并參照附圖所示，其中：

圖1圖標依據一實施例的雙運行模式功率放大器的模塊示意圖；

圖2圖示依據另一實施例的雙運行模式功率放大器的模塊示意圖；

圖3圖示依據一實施例的圖1的雙運行模式功率放大器的動作方 法的流程圖(Flow Chart)；

圖4a圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端為N型晶體管的偏壓電路的電路圖；

圖4b圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端為P型晶體管的偏壓電路的電路圖；

圖5a圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端由N型晶體管構成形成共源共柵(Cascode)結構的偏壓電路的電路圖；

圖5b圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端由P型晶體管構成形成共源共柵結構的偏壓電路的電路圖；

圖6a圖示依據一實施例的阻抗可調的匹配(Matching)電路的電路圖；

圖6b圖示依據一實施例的阻抗可調的匹配電容(Matching Capacitor)電路的電路圖；以及

圖6c圖示依據一實施例的阻抗可調的匹配變壓器(Matching Transformer)電路的電路圖。

具體實施方式

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

圖1圖標依據一實施例的雙運行模式功率放大器的模塊。圖1的功率放大器(100)包括：輸入匹配電路(110)、主功率放大器(Power Amplifier:120)、輸出匹配電路(130)、偏壓電路部(140)及模式控制部 (150)。

輸入匹配電路(110)連接于輸入信號被輸入的輸入信號端(inp,inn)和主功率放大器(120)的輸入端(ip,in)之間，使得輸入信號部的阻抗和主功率放大器(120)的輸入端(ip,in)的阻抗相互匹配。輸入匹配電路(110)為可調阻抗的結構，從而，在低電力模式下也能夠調整阻抗匹配。

主功率放大器(120)接收輸入信號(ip,in)并放大。通過主功率放大器(120)放大的輸出電壓(op,on)經過輸出匹配電路向負載供應。主功率放大器(120)為高電力模式時，通過具有兩個差動輸入(Differential Input)及兩個差動輸出(Differential Output)的全差動放大器(Fully Differential Amplifier)運行。但，主功率放大器(120)為低電力模式時，通過在兩個輸入及兩個輸出中只選擇一者的偏壓電路部(140)以單端放大器運行。

輸出匹配電路(130)連接于主功率放大器(120)的輸出端(op,on)與輸出信號端(outp,outn)之間，使得主功率放大器(120)的輸出端(op,on)的阻抗和負載的阻抗相互匹配。輸出匹配電路(130)為阻抗可調的結構，因此，在低電力模式下也能夠調整阻抗匹配。

偏壓電路部(140)供應主功率放大器(120)的偏壓電源(偏壓電壓或偏壓電流)。偏壓電路部(140)為了使得在高電力模式下以全差動放大器運行，供應主功率放大器(120)的偏壓電源。但，為了在低電力模式下以單端放大器運行，在兩個差動輸入及兩個差動輸出中分別只向一個輸入及與其對應的一個輸出供應偏壓電源，而并不向另一個輸入及輸出供應偏壓電源。

模式控制部(150)接收模式控制信號，發生控制信號并向偏壓電路部(140)、輸入匹配電路(110)及輸出匹配電路(130)傳送。

主功率放大器(120)依據模式控制信號而轉換偏壓電路部(140)，以全差動放大器或單端放大器運行。主功率放大器(120)將上述的運行以多級(Multi-Stage)構成時，可適用于各階段的放大器，形成放大器的階段越多，越能夠獲得更大的電流減少效果。但，多級內的各端的匹配電路，要在匹配電路的輸入觀察的阻抗和輸出觀察的阻抗相互匹配。如果功率放大器(100)需要低輸出電力，而使得功率放大器(100)以低電力模式運行時，輸入匹配電路(110)及輸出匹配電路(120)要與單端放大器匹配地調整阻抗。為了使得功率放大器(100)以低電力模式運行，模式控制部(150)及偏壓電路部(140)為了使得多級各階段的放大器以單端放大器運行，在兩個差動輸入及兩個差動輸出中分別只向一個輸入及與其對應的一個輸出供應偏壓電源，而另一個輸入及輸出不供應偏壓電源。

圖2圖示另依據一實施例的雙運行模式功率放大器的模塊。圖2的功率放大器(200)包括：輸入匹配電路(210)、第一功率放大器(220)、中間匹配電路(230)、第二功率放大器(240)、輸出匹配電路(250)、偏壓電路部(260)及模式控制部(270)。圖2為對于多個功率放大器適用雙運行模式(Dual Operation Mode)電路的例。

輸入匹配電路(210)連接于輸入信號被輸入的輸入信號端(inp,inn)與第一功率放大器的輸入端(ip,in)之間，使得輸入信號部的阻抗和第一功率放大器的輸入端(ip,in)的阻抗相互匹配。輸入匹配電路(210)為阻抗可調的結構，從而，在低電力模式下也能夠調整阻抗匹配。

第一功率放大器(220)接收輸入信號(ip,in)并放大。在第一功率放大器(220)放大的第一輸出電壓(op1,on1)經過中間匹配電路(230)向第二功率放大器(240)的輸入電壓(ip1,in1)供應。第一功率放大器(220) 如果為高電力模式時以具有兩個差動輸入及兩個差動輸出的全差動放大器運行。但，如果為低電力模式，第一功率放大器(220)通過在兩個輸入及兩個輸出中只選擇一個的偏壓電路部(260)以單端放大器運行。

中間匹配電路(230)連接于第一功率放大器(220)的輸出端(op1,on1)與第二功率放大器(240)的輸入端(ip1,in1)之間，使得第一功率放大器的輸出端(op1,on1)的阻抗和第二功率放大器的輸入端(ip1,in1)的阻抗相互匹配。中間匹配電路(230)為阻抗可調的結構，從而，在低電力模式下也能夠調整阻抗匹配。

第二功率放大器(240)接收第一功率放大器(220)的輸出電壓(op1,on1)并放大。在第二功率放大器(240)放大的第二輸出電壓(op,on)經過輸出匹配電路(250)向負載供應。如果為高電力模式，第二功率放大器(240)以具有兩個差動輸入及兩個差動輸出的全差動放大器運行。但，如果為低電力模式第一功率放大器(220)通過在兩個輸入及兩個輸出中只選擇一個的偏壓電路部(260)以單端放大器運行。

輸出匹配電路(250)連接于第二功率放大器(240)的輸出端(op,on)與負載端(outp,outn)之間，使得第二功率放大器(240)的輸出端(op,on)的阻抗和負載的阻抗相互匹配。輸出匹配電路(250)為阻抗可調的結構，從而，在低電力模式下也能夠調整阻抗匹配。

偏壓電路部(260)供應第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)的偏壓電源。在高電力模式下，偏壓電路部(260)為了以全差動放大器運行而將偏壓電源供應給第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)。但，在低電力模式下，為了以單端放大器運行，在第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)的兩個差動輸入及兩個差動 輸出中分別只向一個輸入及與其對應的一個輸出供應偏壓電源，而第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)的另一個輸入及輸出并不供應偏壓電源。

模式控制部(270)接收模式控制信號，發生控制信號并向偏壓電路部(260)、輸入匹配電路(210)、中間匹配電路(230)及輸出匹配電路(250)傳送。偏壓電路部(260)依據模式控制信號分別向第一功率放大器及第二功率放大器選擇性地供應偏壓電源。

圖3為圖示依據一實施例的圖1的雙運行模式功率放大器的運行方法的流程圖(Flow Chart)的附圖。圖3的功率放大器(100)基本上以高電力模式設置(Set)(S310)。功率放大器(100)判斷是否從判斷是否要轉換為低電力模式的模式控制部(150)接入模式控制信號(S320),如果未接入模式控制信號，維持高電力模式狀態，并以全差動放大器運行。當模式控制信號向偏壓電路部(140)、輸入匹配電路(110)及輸出匹配電路(130)接入時，功率放大器(100)轉換為低電力模式(S330)。從而，功率放大器(100)以低電力模式運行(S340)。功率放大器(100)判斷是否從判斷是否要轉換為高電力模的模式控制部(150)接入模式控制信號(S350),如果未接入模式控制信號，繼續維持低電力模式，以單端放大器運行。功率放大器(100)判斷是否從是判斷否要轉換為高電力模式的模式控制部(150)接入模式控制信號(S350),如果模式控制信號向偏壓電路部(140)及輸入匹配電路(110)及輸出匹配電路(130)接入時，轉換為高電力模式(S310)，并且，偏壓電路部(140)及輸入匹配電路(110)及輸出匹配電路(130)轉換為高電力模式(S360)。從而，功率放大器(100)再次以全差動放大器運行。

圖4a圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端(ip,in)為N 型晶體管的偏壓電路。N型晶體管可為N-MOSFET或NPNBJT。從而，從以下開始將晶體管的NPNBJT的基座(Base)或N-MOS的整流柵(Gate)以控制端標記。并且，將輸入電流的晶體管的NPNBJT的集電極(Collector)或N-MOS的漏極(Drain)以電流引流端標記，將輸出電流的晶體管的NPNBJT的發射極(Emitter)或N-MOS的源極(Source)標記為電流引出端。如果是PNPBJT或P-MOS，電流引流端及電流引出端與NPNBJT或N-MOS的情況相反。

M1和M2的控制端接入兩個差動輸入(Differential Input)，向模式控制部(150)接入模式控制信號而使得主功率放大器(120)轉換為低電力模式時，通過偏壓電路部(140)的開關，在分別連接于M1和M2的控制端的R1或R2，中只選擇一個，使得主功率放大器(120)以單端放大器運行。

圖4b圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端(ip,in)為P型晶體管的偏壓電路。P型晶體管可為P-MOSFET或PNPBJT。M3和M4的控制端接入兩個差動輸入(Differential Input)，模式控制部(150)接入模式控制信號而使的主功率放大器(120)轉換為低電力模式時，通過偏壓電路部(140)的開關，在分別連接于M1和M2的控制端的R1或R2中只選擇一個，使得主功率放大器(120)以單端放大器運行。

圖5a圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端(ip,in)以N型晶體管構成，而為共源共柵(Cascode)結構的偏壓電路。圖5a中主晶體管(Main Transistor:122)為M5和M6，層迭式晶體管(Stacked Transistor:124)為M7和M8。主晶體管(122)的電流引流端和層迭式晶體管(124)的電流引出端相互連接的共源共柵結構。主晶體管(122)是控制端分別通過R5和R6與偏壓電路部(140)連接，層迭式晶體管(124) 是控制端分別通過R7和R8與偏壓電路部(140)連接。依據在模式控制部(150)發生的模式控制信號，通過功率放大器(100)的偏壓電路部(140)，在兩個差動輸入及兩個差動中選擇性地轉換輸出中一個輸入及輸出，以單端放大器使用。如上述的轉換方式，具有如下優點：無需附加增加功率放大器(100)整體大小的電感器，無需附加在最大輸出運行時對性能產生影響的開關。

圖5b圖示依據一實施例的圖1的功率放大器的輸入端由P型晶體管構成為共源共柵結構的偏壓電路。圖5b中主晶體管(126)為M9和M10，層迭式晶體管(128)為M11和M12。主晶體管(126)是控制端分別通過R9和R10連接于偏壓電路部(140)，層迭式晶體管(128)是控制端分別通過R11和R12連接于偏壓電路部(140)。與圖5a相同地，依據在模式控制部(150)中發生的模式控制信號，通過功率放大器(100)的偏壓控制部(140)，在兩個差動輸入及兩個差動輸出中選擇性地轉換一個輸入及輸出，而以單端放大器使用。

如上所述，功率放大器(120)以減少電力消耗的單端放大器運行時，提供不同于以全差動放大器運行時的阻抗匹配的不同大小的阻抗匹配。相當于各端的負載(Load)的匹配電路在單端放大器運行中未匹配阻抗，因此，必需可調阻抗的匹配電路。

圖6a圖示依據一實施例的可調阻抗的(Tunable)匹配(Matching)電路。圖6a是適用于輸入匹配電路(210)、中間匹配電路(230)及輸出匹配電路(250)中的至少一個，而能夠調整阻抗的匹配電路。圖6a中，具有變壓器(610)的匝數比分接頭(611)，調整變壓器(610)的匝數比分接頭(611)或改變C1或C2，而調整匹配電路的輸入端(ip,in)的阻抗和輸出端(op,on)的阻抗相互匹配。

圖6b圖示依據一實施例的可調阻抗的匹配電容(Matching Capacitor)電路。圖6b適用于輸入匹配電路(210)、中間匹配電路(230)及輸出匹配電路(250)中的至少一個，而能夠調整阻抗的匹配電路。圖6b的依據一實施例的可調阻抗的匹配電路包括變壓器(Transformer:620)，代替在圖6a的一次線圈并連的電容(C1)，而將兩個電容,C3和C4串聯后，在C3與C4之間的中間節點(621)設置為接地端接地的開關(S1)，而能夠調整一次線圈(622)之間的有效電容的值。圖6b能夠將連接于一次線圈(622)或二次線圈(623)的單端放大器以最適宜的阻抗進行匹配，并且，中間節點(621)的電壓擺幅級別低，而能夠容易地設計與電容連接的開關(S1)。圖6b與一般用途的可調的匹配(Tunable Matching)電路不同，在電容與電容之間無需串聯開關。圖6b因能夠將匹配電路的質量因素(Quality Factor)維持高水平，因此，適合適用于對阻抗匹配電路的損失敏感的功率放大器。

圖6c圖示依據一實施例的可調阻抗的匹配變壓器(Matching Transformer)電路。圖6c是適用于輸入匹配電路(210)、中間匹配電路(230)及輸出匹配電路(250)中的至少一個，而能夠調整阻抗的匹配電路。與圖6b相同地，圖6c在變壓器(630)或平衡不平衡轉換器(632)的中心抽頭節點(631)設置有接地端接地的開關(S2)，而能夠調整一次線圈(632)之間的有效電感值。

依據本發明的實施例的的功率放大器能夠轉換偏壓電路部而降低電力消耗。與以往的發明不同地，依據本發明的實施例的的功率放大器，在信號路徑沒有開關，因此，在高電力模式下不發生性能降低，并且，無需附加性的電感器或變壓器等占用大面積的無源組件(Passive Component)。并且，阻抗可調(Tunable)的匹配電路提供分別 符合差動放大器及單端放大器地匹配的阻抗，而能夠提高功率放大器的性能。

綜上所述，雖然本發明已以優選實施例揭露如上，但上述優選實施例并非用以限制本發明，本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與潤飾，因此本發明的保護范圍以權利要求界定的范圍為準。