专利名称：功率放大器输出功率的控制回路的制作方法
技术领域：
本发明关于一种功率放大器输出功率的控制回路，特别是指一种通过反馈电路来校正功率放大器的输出功率，并通过改变反馈电路整体的时间常数，来控制其输出功率的改变速度，以改善无线收发机的信号传输质量的控制回路。
背景技术：
在公知无线通信系统中，通常使用一基地台(Base Station)来服务多个移动台(Mobile Station)，以实现无线通信的目的。其中，各个移动台常需要加大其信号的输出功率，以使其所发出的无线信号能被正确的传送到该基地台。然而，若移动台所发出的信号的功率太大，则不仅会干扰其他移动台的信号的传输，且会大量消耗自身的电能。因此，适当的输出功率控制(Power Control)，是非常重要。
一般而言，移动台在传送无线信号之前，先通过一功率放大器提高信号的输出功率，然后再由一天线传送无线信号。因此，移动台所输出的信号的大小，取决于功率放大器输出的功率的大小。移动台在决定无线信号所需的输出功率后，会输出一功率控制电压至功率放大器以调整其输出功率，从而控制所送出的无线信号的大小。然而，由于制造过程中的误差，绝对的功率控制电压往往无法使功率放大器准确的输出所需要的功率值。因此，传统上为了使功率放大器能输出准确的功率值，通常会使用一反馈电路来控制该功率放大器。
请参阅图1，图1为公知一功率放大器的功率控制回路100的示意图。其中，功率控制回路100用以控制一功率放大器(Power Amplifier，即PA)101的输出功率，其包括一方向性耦合器(Directional Coupler)102、一功率控制器(PA Controller)103及一功率控制电容CFLT。功率控制回路100的工作方式请参考以下说明。首先，方向性耦合器102会根据功率放大器101所输出的部分功率产生一输出功率检测电压VDET至功率控制器103，其中VDET＝k×VPA，VPA为功率放大器101的输出电压，而k为耦合系数。功率控制器103会依据输出功率检测电压VDET及一功率设定电压VSET，输出一功率控制电流IERR。功率控制电流IERR可视为输出功率检测电压VDET及功率设定电压VSET的函数，即IERR＝f(VDET，VSET)。当功率控制电流IERR流入功率控制电容CFLT，会产生一功率控制电压VAPC，以控制功率放大器101的输出功率。在完成功率放大器101的输出功率的调整后，功率放大器101会放大其输入电压VCW(即所欲传送的信号)以产生输出电压VPA，并通过天线105将所欲传输的信号传出。
举例来说，功率控制器103所输出的功率控制电流IERR可设为与(VSET-VDET)成正比，因此可表示为IERR＝β(VSET-VDET)其中，β为一比例常数。当欲传送无线信号时，移动台可依据所决定的信号输出功率，提供一对应的输出功率检测电压VDET至功率控制器103。然后，功率控制器103会依据上述的等式提供一功率控制电流IERR至功率控制电容CFLT，以产生功率控制电压VAPC，从而控制功率放大器101的输出功率。由于功率控制电流IERR与(VSET-VDET)成正比，因此唯有当(VSET-VDET)＝0时，功率控制电流IERR才会等于0，而整个功率控制回路才能达到稳定状态(Steady State)，而此时功率放大器101的输出电压VPA可精确的控制为VSET/k。故，使用反馈电路可有效的控制功率放大器101的输出功率。
然而，对于现今的无线通信的系统而言，不仅需控制移动台的信号输出功率，亦需控制其达到稳定状态所需耗费的时间。请参阅图2，图2为一GSM(Global System for Mobile Communications)系统在传递语音信号时，其功率放大器的输出电压对时间关系作图。在GSM系统中，每次语音信号的传输时间为577μs，在传送语音信号之前或之后，各仅有28μs可用来调整功率放大器的输出功率。因此，功率控制回路达到稳定状态所需耗费的时间需限制在28μs以内。此外，由于在调整功率放大器的输出功率时，天线仍会被功率放大器驱动，而对外发射不具信号的无线电波。因此，控制回路达到稳定状态所需耗费的时间亦不能太短，以避免不具信号的无线电波的频率超出预定使用的频段，而干扰其他使用者的信号的传输。
在公知技术中，常会通过调整功率控制回路的时间常数，来控制达到稳定状态所需耗费的时间。请参阅图3，图3为一公知GSM系统所使用的功率放大器的功率控制回路300的示意图。功率控制回路300用以控制一功率放大器301，其包括有一方向性耦合器302、一功率控制器303及一功率控制电容CFLT。功率控制回路300用以控制功率放大器301输出至天线305的功率。图3所示的电路的工作方式大致与图1所示者相同，除了所使用的功率控制器303为Analog Devices公司所生产的AD8315芯片。
请参阅图4，图4为以AD8315芯片实现的一功率控制器400的示意图。在一系统提供一功率设定电压VSET至设定接口3031后，设定接口3031会输出一功率设定电流ISET；而当对数射频检测子系统3032接收到输出功率检测电压VDET后，对数射频检测子系统3032会产生一输出功率检测电流IDET。而功率设定电流ISET及输出功率检测电流IDET的差值即为功率控制电流IERR。功率控制电流IERR流入功率控制电容CFLT后，会产生一功率控制电压VAPC，用以控制该功率放大器301的输出功率。
请同时参阅图3及图4，依据功率放大器301的特性及AD8315芯片的规格，功率放大器301输出电压VPA和AD8315芯片内的功率设定电流ISET及功率检测电压VDET可分别表示如下VPA=GoVCW10(VAPC/VGSC)]]>ISET＝VSET/4.15kΩIDET＝ISLPlog10(VDET/VZ)其中，Go、VGSC、ISLP及VZ分别为功率放大器301及AD8315芯片的特性参数。经过运算后，功率控制回路整体的时间常数(Time Constant)可表示如下To＝(VGSC/VSLP)·(4.15×103×CFLT/1.35)。
在传统GSM系统所使用的功率放大器的功率控制回路中，VSLP及CFLT皆为定值，因此时间常数To会随着功率放大器301的特性参数VGSC而改变。一般来说，功率放大器301的特性参数VGSC会随着功率控制电压VAPC的大小而改变。请参阅图5，图5为图3的功率放大器301的输出功率的特性曲线图。在图5中，纵轴表示功率放大器301的输出功率PRF，而横轴表示功率控制电压VAPC。依据图5，可得特性参数VGSCVGSC＝20(V2-V1)/(P2-P1)。
因此，当功率控制电压VAPC改变时，特性参数VGSC亦会跟着改变。故，公知功率放大器的功率控制回路无法有效的控制达到稳定状态所需耗费的时间，使得输出信号不佳，或造成其他使用者的干扰。
为解决此一问题，在公知技术中通过调整功率放大器的偏置电阻值，来改变功率放大器的输出功率的特性曲线，以使功率控制回路整体的时间常数能在不同的功率控制电压VAPC的情况下仍能保持固定，或者使其时间常数的变动不超过一预定的范围。然而，由于功率放大器的敏感度较高，偏置电阻值小幅的调整即会对功率放大器的输出造成相当大的影响，因此功率控制回路制作的困难度相当高，难以实现或大量生产。因此，上述的功率控制方式并不理想。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种功率放大器输出功率的控制回路，其通过反馈电路来校正功率放大器的输出功率，并通过改变及限制反馈电路整体的时间常数，来控制其输出功率的改变速度，以改善无线收发机的信号的传输质量。
本发明的另一目的，在于提供一种功率放大器输出功率的控制回路，其利用一可调式电容来改变反馈电路整体的时间常数，并控制其输出功率的改变速度，以改善无线收发机的信号的传输质量。
本发明的再一目的，在于提供一种功率放大器输出功率的控制回路，其利用一运算放大器作为功率控制器，并配合使用一可调式电阻及一电容及一箝位电路作为时间常数控制电路，以校正功率放大器的输出功率，及控制其输出功率的改变速度，以改善无线收发机的信号的传输质量。
为达上述的目的，本发明提供一种功率放大器输出功率的控制回路，其用以控制一功率放大器的输出功率。该控制回路包括一方向性耦合器(Directional Coupler)、一功率控制器及一时间常数控制电路。其中，该方向性耦合器电连接该功率放大器，以接收该功率放大器的输出信号。该功率控制器电连接该方向性耦合器，以取得一输出功率检测信号，并电连接一外部电路以取得一第一功率设定信号。该功率控制器依据该输出功率检测信号及该第一功率设定信号，输出一第二功率设定信号。而该时间常数控制电路电连接该功率控制器，以接收该第二功率设定信号，并据此输出一功率控制信号给该功率放大器，以调整该功率放大器的输出功率。此外，该时间常数控制电路依据该功率设定信号或该功率控制信号调整该控制回路整体的时间常数。
此外，本发明还提供一种可调式电阻，其包含有一第一晶体管，包含有一第一端、一第二端及一电三端；一第一电源，电连接到该第一晶体管的第一端；一第二电源，电连接到该第一晶体管的第二端；以及一第三电源，电连接到该第一晶体管的第三端；其中，该第一电源、该第二电源及该第三电源使该第一晶体管操作于三极区。
图1为公知的功率放大器的功率控制回路的示意图。
图2为GSM系统在传递语音信号时，其功率放大器的输出电压对时间作图。
图3为公知的GSM系统所使用的功率放大器的功率控制回路的示意图。
图4AD8315芯片的内部工作模型。
图5为传统功率放大器的输出功率的特性曲线图。
图6为本发明的功率控制回路的第一实施例的方块图。
图7为本发明的功率控制回路的第二实施例的方块图。
图8为本发明的功率控制回路的第三实施例的方块图。
图9为本发明的可调式电阻的接收端的示意图。
图10为本发明的可调式电阻的可变电阻的示意图。
图11为本发明一可变电阻的示意图。
主要元件符号说明100、300 功率控制回路101、301、601、701、801功率放大器102、302、602、702、802方向性耦合器103、303、603、703、400功率控制器105、305、605、705、805天线CFLT 功率控制电容3031 设定接口3032 对数射频检测子系统60、70、80 功率控制回路604、704 可调式电容
803 运算放大器804、1000、1100 可调式电阻806 箝位电路C1电容900 接收端902 运算放大器1002、1004、1006、1102晶体管R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7电阻具体实施方式
请参阅图6，图6为本发明第一实施例功率控制回路的功能方块图。本发明包含有一功率控制回路60，用以控制一功率放大器601。功率控制回路60包含有一方向性耦合器(Directional Coupler)602、一功率控制器(PowerAmplifier Controller)603及一可调式电容(Tunable Capacitor)604。其中，可调式电容604为本发明的时间常数控制电路。
方向性耦合器602用以根据功率放大器601所输出的部分功率产生一输出功率检测电压VDET至功率控制器603，其中VDET＝k×VPA，VPA为功率放大器601的输出电压，而k为耦合系数。功率控制器603会依据输出功率检测电压VDET及一功率设定电压VSET，输出一功率控制电流IERR。功率控制电流IERR可视为输出功率检测电压VDET及功率设定电压VSET的函数，即IERR＝f(VDET，VSET)。
当功率控制电流IERR流入可调式电容604后，会产生一功率控制电压VAPC，以控制功率放大器601的输出功率。在完成功率放大器601的输出功率的调整后，功率放大器601会放大其输入电压VCW(即所欲传送的信号)以产生输出电压VPA，并通过天线605将所欲传输的信号传出。
举例来说，功率控制器603所输出的功率控制电流IERR可设为与(VSET-VDET)成正比，因此可表示为IERR＝β(VSET-VDET)其中，β为一比例常数。当欲传送无线信号时，移动台可依据其所决定的信号输出功率，提供一对应的输出功率检测电压VDET至功率控制器603。然后，功率控制器103会依据上述的等式提供一功率控制电流IERR至可调式电容604，以产生功率控制电压VAPC，从而控制功率放大器601的输出功率。由于功率控制电流IERR与(VSET-VDET)成正比，因此唯有当(VSET-VDET)＝0时，功率控制电流IERR才会等于0，且整个功率控制回路才会达到稳定状态(Steady State)，而此时功率放大器601的输出电压VPA可精确的控制为VSET/k。
此外，为了控制功率控制回路60达到稳定状态所需耗费的时间，本发明可通过动态的调整可调式电容604的电容值，以使功率控制回路60整体的时间常数(Time Constant)能在不同的功率控制电压VAPC的情况下仍能保持固定，或者使功率控制回路60的时间常数的变动不超过一预设的范围。因此，相较于公知技术，本发明不需通过改变功率放大器的输出功率的特性曲线来调整整体的时间常数，而仅需使用较易控制的可调式电容604来达到相同的目的。因此，本发明较容易实现。
进一步地，请参阅图7，图7为本发明第二实施例功率控制回路的方块图。如图所示，本发明具有一功率控制回路70，用以控制一功率放大器701输出至一天线705的功率。功率控制回路70包含有一方向性耦合器702、一功率控制器703及一可调式电容(时间常数控制电路)704。图7所示的电路可用于GSM系统的移动台中，其工作方式大致与图6所示相同，除了其所使用的功率控制器703为Analog Devices公司所生产的AD8315芯片。其中，AD8315芯片的内部工作方式可参阅图4所示，及其相关的说明。
依据功率放大器701的特性及AD8315芯片的规格，该功率控制回路整体的时间常数(Time Constant)可表示如下To＝(VGSC/VSLP)·(4.15×103×CT/1.35)其中，CT为可调式电容704的电容值，其可为功率检测电压VDET或功率控制电压VAPC的函数。本发明可依据功率放大器701的特性曲线，再根据不同的功率检测电压VDET或功率控制电压VAPC来调整CT的值，以使功率控制回路70整体的时间常数能保持固定，或者使其变动范围不超过一预定值。此外，可调式电容704可以一CMOS晶体管来实施。
另外，请参阅图8，图8为本发明第三实施例功率控制回路的方块图。如图所示，一功率控制回路80用以控制一功率放大器801输出至一天线805的功率。功率控制回路80包含有一方向性耦合器802、一运算放大器(Operational Amplifier)803、一可调式电阻804及一电容C1及一箝位电路806。功率放大器801及方向性耦合器802与上述的实施例相同，而功率检测电压VDET可表示为VPA×k，其中VPA为功率放大器801的输出电压，而k为方向性耦合器802的耦合系数。再者，可调式电阻804及电容C1为本发明的时间常数控制电路，而运算放大器803为本发明的功率控制器。箝位电路806的目的是使功率放大器701的控制电压VAPC操作低于一预设箝位电压，如此可更有效控制时间常数(Time Constant)。
依据该运算放大器803的特性，功率控制电压VAPC可以表示如下VAPC=1RTC1∫(VSET-VDET)dt]]>其中，RT为可调式电阻804的电阻值，而功率检测电压VDET可表示为VDET=kGoVCW10(VAPC/VGSC).]]>因此，唯有(VSET-VDET)＝0时，才会使功率控制电流IERR＝0，并使整个功率控制回路达到稳定状态，而此时功率放大器801的输出电压VPA可精确的控制为VSET/k。
此外，由于功率控制回路80整体的时间常数为RT×C1的函数，本发明可藉动态的调整可调式电阻804的电阻值，以使功率控制回路80整体的时间常数能在不同的功率控制电压VAPC的情况下仍能保持固定，且利用箝位电路806使功率控制回路80的时间常数的变动不超过一预定的范围。而在实行时，若电容C1具有较大的电容值，可使整体的时间常数有更大的调整范围。再者，本发明亦可使用一可调式电容来取代固定式电容C1，使本发明的控制回路的设计能更具有弹性。
在图8的功率控制回路80中，可调式电阻804的设计不限于特定型式，只要能依据功率控制电压VAPC动态地改变电阻值即可。因此，本发明提供一种较佳可调式电阻，用以根据功率控制电压VAPC动态地改变电阻值。请参考图11，图11为本发明一可变电阻1100的示意图。在可变电阻1100中，电源VDC3、VDC4、VDC5及电阻R6、R7使一金属氧化物半导体晶体管1102操作于三极区，因此在不考虑沟道长度调变及基体效应的情形下，可得金属氧化物半导体晶体管1102的漏极电流ID符合下式ID=12k[2(VGS-Vt)VDS-VDS2]]]>(式1)其中VGS表示栅极对源极的电压差；VDS表示漏极对源极的电压差；
Vt表示阈值电压(Threshold Voltage)；k=W·μ·Cax2L,]]>表示导电参数；W表示沟道宽度(Channel Width)；L表示沟道长度(Channel Length)；μ表示反转层电子迁移率。
因此，由式1可知，操作于三极区的金属氧化物半导体晶体管1102的等效电阻符合一特定曲线。如此一来，可将金属氧化物半导体晶体管1102视为一可变电阻。同时，根据使用者需求，本发明另可适度的增加并联于金属氧化物半导体晶体管1102的晶体管。
举例来说，请参考图9及图10，图9及图10的组合可适用于图8的可调式电阻804。在图9中，一接收端900用以由一运算放大器902的(+)端接收功率控制电压VAPC。由于运算放大器902的(-)端电连至运算放大器902的输出端，因此在理想情况下，运算放大器902的输出电压VF即等于功率控制电压VAPC。此外，通过电阻R1、R2的分压，可得VF1＝VF(R2/(R1+R2))。因此，在图10中，可调式电阻1000通过电源VDC1、VDC2及电阻R3、R4、R5将金属氧化物半导体晶体管1002、1004、1006操作于三极区，从而达到可变电阻的目的。特别注意的是，图10的可调式电阻1000仅为一实施例，使用者可根据所需，采用不同长宽比的金属氧化物半导体晶体管1002、1004、1006或不同电阻值的电阻R3、R4、R5，从而获得不同的电阻曲线。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所进行的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种功率放大器输出功率的控制回路，其用以控制一功率放大器的输出功率，该控制回路包括一方向性耦合器，其电连接该功率放大器，以接收该功率放大器的输出信号；一功率控制器，其电连接该方向性耦合器，以取得一输出功率检测信号，并电连接一外部电路以取得一第一功率设定信号，该功率控制器依据该输出功率检测信号及该第一功率设定信号，输出一第二功率设定信号；以及一时间常数控制电路，其电连接该功率控制器，以接收该第二功率设定信号，并据此输出一功率控制信号给该功率放大器，以调整该功率放大器的输出功率；其中，该时间常数控制电路依据该功率设定信号或该功率控制信号调整该控制回路整体的时间常数。
2.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该功率放大器的输出信号为一电压。
3.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该方向性耦合器将该功率放大器的输出功率，部分耦合到一天线。
4.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该方向性耦合器将该功率放大器的输出功率，部分耦合到该功率控制器，以形成该输出功率检测信号。
5.如权利要求4所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该输出功率检测信号为一电压。
6.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该第二功率设定信号与该输出功率检测信号及该第一功率设定信号有一函数关系。
7.如权利要求6所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该输出功率检测信号及该第一功率设定信号皆为电压信号，而该第二功率设定信号的大小与该输出功率检测信号及该第一功率设定信号的差值成正比。
8.如权利要求7所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该第二功率设定信号为一电流。
9.如权利要求8所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该时间常数控制电路为一可调式电容。
10.如权利要求9所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该功率控制信号为该可调式电容上的电压。
11.如权利要求9所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该控制回路整体的时间常数通过调整该可调式电容的电容值来控制。
12.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该功率控制器为Analog Devices公司所生产的AD8315芯片。
13.如权利要求12所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该时间常数控制电路为一可调式电容，而该第二功率设定信号为一电流。
14.如权利要求13所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该功率控制信号与该可调式电容上的电压值成正比。
15.如权利要求13所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该控制回路整体的时间常数通过调整该可调式电容的电容值来控制。
16.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该功率控制器为一运算放大器。
17.如权利要求16所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该时间常数控制电路包含一可调式电阻及一电容。
18.如权利要求17所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该输出功率检测信号为一电压，且其通过该可调式电阻被传送至该运算放大器的一负输入端；而该第一功率设定信号亦为一电压，且被传送到该该运算放大器的一正输入端；该电容的两端分别电连接到该该运算放大器的负输入端及一输出端。
19.如权利要求18所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该第二功率设定信号为一电流，且被输入该电容。
20.如权利要求19所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该控制回路整体的时间常数通过调整该可调式电阻的电阻值来控制。
21.如权利要求19所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该电容为一可调式电容。
22.如权利要求21所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该控制回路整体的时间常数通过调整该可调式电容的电容值来控制。
23.如权利要求17所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该可调式电阻包含有一第一晶体管，包含有一第一端、一第二端及一电三端；一第一电源，电连接到该第一晶体管的第一端；一第二电源，电连接到该第一晶体管的第二端；以及一第三电源，电连接到该第一晶体管的第三端；其中，该第一电源、该第二电源及该第三电源使该第一晶体管操作于三极区。
24.如权利要求23所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该可调式电阻还包含有一第一电阻，设于该第一电源与该第一晶体管的第一端之间；以及一第二电阻，并联于该第一晶体管的第一端及第三端之间。
25.如权利要求23所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该可调式电阻还包含有多个第二晶体管，并联于该第一晶体管。
26.如权利要求25所述的功率放大器输出功率的控制回路，其中该可调式电阻还包含有多个电阻，串联于该多个第二晶体管。
27.如权利要求1所述的功率放大器输出功率的控制回路，其还包含一箝位电路，用以将该功率放大器的控制电压限制于一预设电压之下，以控制该功率放大器的时间常数。
28.一种可调式电阻，其包含有一第一晶体管，包含有一第一端、一第二端及一电三端；一第一电源，电连接到该第一晶体管的第一端；一第二电源，电连接到该第一晶体管的第二端；以及一第三电源，电连接到该第一晶体管的第三端；其中，该第一电源、该第二电源及该第三电源使该第一晶体管操作于三极区。
29.如权利要求28所述的可调式电阻，其还包含有一第一电阻，设于该第一电源与该第一晶体管的第一端之间；以及一第二电阻，并联于该第一晶体管的第一端及第三端之间。
30.如权利要求28所述的可调式电阻，其还包含有多个第二晶体管，并联于该第一晶体管。
31.如权利要求30所述的可调式电阻，其还包含有多个电阻，串联于该多个第二晶体管。
全文摘要
一种功率放大器输出功率的控制回路，其包括一方向性耦合器，电连接到该功率放大器，以接收信号；一功率控制器，电连接到该方向性耦合器，以取得一输出功率检测信号，并电连接到一外部电路以取得一第一功率设定信号，该功率控制器依据该输出功率检测信号及该第一功率设定信号，输出一第二功率设定信号；以及一时间常数控制电路，电连接到该功率控制器，以接收该第二功率设定信号，并据该输出一功率控制信号给该功率放大器，以调整该功率放大器的输出功率。
文档编号H03G3/04GK1881787SQ200510077968
公开日2006年12月20日 申请日期2005年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者陈智圣, 赵镇旭, 邱永年, 彭天云 申请人:源通科技股份有限公司