双运行模式功率放大器的制作方法

本发明实施例是关于以双模式运作的功率放大器(Power Amplifier)，涉及一种如果是高电力模式时，通过具有两个差动输入(Differential Input)及两个差动输出(Differential Output)的全差动放大器(Fully Differential Amplifier)运行。相反，如果是低电力模式，通过偏压电路部在两个差动输入及两个差动输出中只选择一个，通过单端(Single-ended)放大器运行的电路。

背景技术：

以下叙述的内容只是为了提供与本发明的实施例的有关的背景信息，而非构成以往技术。

相同于在基站使用的功率放大器，蜂窝手机(Cellular Handset)或无线网络(WiFi)等无线通信装置使用的功率放大器也要依据系统的通信标准和系统的目的提供适当的输出电力。目前，为了在系统需要相比功率放大器的最大输出电力低的水平的输出功率、低电力模式时，最小化电流损失，而进行各种技术研发。

现有的技术为阶段旁路法(Stage Bypass Method)、为低电力模式的附加路径法(Additional Path Method)等，但，上述的方法降低最大输出电力即高电力模式的性能，或需要附加性的组件(电感器(Inductor)或变压器(Transformer))，因此，非理想。因此，需要开发在低电力模式下能够降低电流损失又节省费用的功率放大器。

技术实现要素：

本实施例的目的为功率放大器以低电力模式运作时，为了最小化电流损失，使得电路从全差动放大器(Fully Differential Amplifier)变更为单端放大器(Single-ended Amplifier)而运行。为了上述的动作，各阶段的偏压电路部需能够在全差动放大器的两个输入及两个输出中分别选择性地转换。全体系统的增益和线性关系依据所有端的输入输出部匹配(Matching)电路的绝缘(Isolation)性能和阻抗匹配(Impedance Matching)水平决定。从而，提供在以单端放大器运行时能够变更阻抗的(Tunable)匹配电路。

依据本发明的实施例的的一侧面，作为选择性地运行高电力模式(High Power Mode)及低电力模式(Low Power Mode)中的某一个模式的功率放大器(Power Amplifier)，其特征在于，包括：主功率放大器，具有两个差动输入(Differential Input)及两个差动输出(Differential Output)；输入匹配电路(Matching Circuit)，从输入信号部接收输入信号，与所述主功率放大器的输入端连接，使得所述输入信号部和所述主功率放大器的输入端的阻抗相互匹配；输出匹配电路，在所述功率放大器的输出端与负载(Load)之间，使得所述负载的阻抗与所述主功率放大器的输出端的阻抗相互匹配；及偏压电路部(Bias Circuit)，依据输入的模式控制(Mode Control)信号，发生使得所述主功率放大器转换为差动放大器(Differential Amplifier)或单端放大器(Single-ended Amplifier)的转换信号。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器在所述高电力模式下以所述差动放大器运行，在所述低电力模式下以所述单端放大器运行。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器在所述低电力模式下，所述偏压电路部只选择性地运行所述两个差动输入及所述两个差动输出中的一个。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，如果是所述低电力模式，所述偏压电路部只选择性地向所述两个差动输入中的一个提供偏压电源。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器包括主(Main)晶体管的电流引流端和层迭式(Stacked)晶体管的电流引出端相互连接的共源共栅(Cascode)结构部二对，所述两个差动输入分别连接于所述二对共源共栅结构部的主晶体管的控制端，如果是所述低电力模式，所述偏压电路部只选择性地向所述两个差动输入中的一个供应偏压电源。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器在所述低电力模式下以所述单端放大器(Single-ended Amplifier)运行时，所述输入匹配电路及所述输出匹配电路中的至少一个是阻抗可调(Tunable)的。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路及所述输出匹配电路中的至少一个包括变压器(Transformer)，与所述变压器的一次线圈及二次线圈串联的两个电容并联，在所述两个电容相互连接的中间节点，开关与接地端连接，并通过所述开关的开(On)/关(Off)，调整阻抗。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路及所述输出匹配电路中至少一个包括变压器(Transformer)，与所述变压器的一次线圈及二次线圈串联的两个电感器并联，在所述两个电 感器相互连接的中间节点，开关与接地端连接，并通过所述开关的开(On)/关(Off)，调整阻抗。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述功率放大器在信号路径不包括开关，因此，在所述高电力模式下不发生性能低下。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述功率放大器不附加另外的电感器或变压器等占用面积大的无源组件(Passive Component)。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述主功率放大器，包括：第一功率放大器，连接于所述输入匹配电路与中间匹配电路之间，放大所述输入信号；中间匹配电路，连接于所述第一功率放大器的输出端与第二功率放大器的输入端之间，使得所述第一功率放大器的输出端的阻抗与所述第二功率放大器输入端的阻抗(Impedance)相互匹配；及第二功率放大器，连接于所述中间匹配电路与输出匹配电路之间，放大所述第一功率放大器的输出信号。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大器及所述第二功率放大器，如果是所述高电力模式，以所述差动放大器运行，如果是所述低电力模式，通过偏压电路部在两个输入及输出中选择一个，以所述单端放大器运行。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大器及所述第二功率放大器，具有两个差动输入(Differential Input)及两个差动输出(Differential Output)，如果是所述低电力模式，所述偏压电路部在所述两个差动输入及所述两个差动输出中只选择性地运行一个。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，如果是所述低电 力模式，所述偏压电路部在所述两个差动输入中只选择性地运行一个。

优选实施例提供一种功率放大器，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)晶体管的电流引流端和层迭式(Stacked)晶体管的电流引出端相互连接的共源共栅(Cascode)结构部二对，所述两个差动输入分别连接于所述二对共源共栅结构部的主晶体管的控制端，如果是所述低电力模式，所述偏压电路部只选择性地向所述两个差动输入中的一个供应偏压电源。

优选实施例提供一种功率放大器，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单端放大器(Single-ended Amplifier)运行时，所述输入匹配电路、所述中间匹配电路及所述输出匹配电路中至少一个是阻抗可调的。

优选实施例提供一种功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路、所述中间匹配电路及所述输出匹配电路中的至少一个包括变压器(Transformer)，与所述变压器的一次线圈及二次线圈串联的两个电容并联，在所述两个电容相互连接的中间节点，开关与接地端连接，并通过所述开关的开(On)/关(Off)，调整阻抗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合附图做详细说明。

附图说明

本发明在本文中的描述仅作为示例，并参照附图所示，其中：

图1图标依据一实施例的双运行模式功率放大器的模块示意图；

图2图示依据另一实施例的双运行模式功率放大器的模块示意图；

图3图示依据一实施例的图1的双运行模式功率放大器的动作方 法的流程图(Flow Chart)；

图4a图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端为N型晶体管的偏压电路的电路图；

图4b图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端为P型晶体管的偏压电路的电路图；

图5a图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端由N型晶体管构成形成共源共栅(Cascode)结构的偏压电路的电路图；

图5b图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端由P型晶体管构成形成共源共栅结构的偏压电路的电路图；

图6a图示依据一实施例的阻抗可调的匹配(Matching)电路的电路图；

图6b图示依据一实施例的阻抗可调的匹配电容(Matching Capacitor)电路的电路图；以及

图6c图示依据一实施例的阻抗可调的匹配变压器(Matching Transformer)电路的电路图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

图1图标依据一实施例的双运行模式功率放大器的模块。图1的功率放大器(100)包括：输入匹配电路(110)、主功率放大器(Power Amplifier:120)、输出匹配电路(130)、偏压电路部(140)及模式控制部 (150)。

输入匹配电路(110)连接于输入信号被输入的输入信号端(inp,inn)和主功率放大器(120)的输入端(ip,in)之间，使得输入信号部的阻抗和主功率放大器(120)的输入端(ip,in)的阻抗相互匹配。输入匹配电路(110)为可调阻抗的结构，从而，在低电力模式下也能够调整阻抗匹配。

主功率放大器(120)接收输入信号(ip,in)并放大。通过主功率放大器(120)放大的输出电压(op,on)经过输出匹配电路向负载供应。主功率放大器(120)为高电力模式时，通过具有两个差动输入(Differential Input)及两个差动输出(Differential Output)的全差动放大器(Fully Differential Amplifier)运行。但，主功率放大器(120)为低电力模式时，通过在两个输入及两个输出中只选择一者的偏压电路部(140)以单端放大器运行。

输出匹配电路(130)连接于主功率放大器(120)的输出端(op,on)与输出信号端(outp,outn)之间，使得主功率放大器(120)的输出端(op,on)的阻抗和负载的阻抗相互匹配。输出匹配电路(130)为阻抗可调的结构，因此，在低电力模式下也能够调整阻抗匹配。

偏压电路部(140)供应主功率放大器(120)的偏压电源(偏压电压或偏压电流)。偏压电路部(140)为了使得在高电力模式下以全差动放大器运行，供应主功率放大器(120)的偏压电源。但，为了在低电力模式下以单端放大器运行，在两个差动输入及两个差动输出中分别只向一个输入及与其对应的一个输出供应偏压电源，而并不向另一个输入及输出供应偏压电源。

模式控制部(150)接收模式控制信号，发生控制信号并向偏压电路部(140)、输入匹配电路(110)及输出匹配电路(130)传送。

主功率放大器(120)依据模式控制信号而转换偏压电路部(140)，以全差动放大器或单端放大器运行。主功率放大器(120)将上述的运行以多级(Multi-Stage)构成时，可适用于各阶段的放大器，形成放大器的阶段越多，越能够获得更大的电流减少效果。但，多级内的各端的匹配电路，要在匹配电路的输入观察的阻抗和输出观察的阻抗相互匹配。如果功率放大器(100)需要低输出电力，而使得功率放大器(100)以低电力模式运行时，输入匹配电路(110)及输出匹配电路(120)要与单端放大器匹配地调整阻抗。为了使得功率放大器(100)以低电力模式运行，模式控制部(150)及偏压电路部(140)为了使得多级各阶段的放大器以单端放大器运行，在两个差动输入及两个差动输出中分别只向一个输入及与其对应的一个输出供应偏压电源，而另一个输入及输出不供应偏压电源。

图2图示另依据一实施例的双运行模式功率放大器的模块。图2的功率放大器(200)包括：输入匹配电路(210)、第一功率放大器(220)、中间匹配电路(230)、第二功率放大器(240)、输出匹配电路(250)、偏压电路部(260)及模式控制部(270)。图2为对于多个功率放大器适用双运行模式(Dual Operation Mode)电路的例。

输入匹配电路(210)连接于输入信号被输入的输入信号端(inp,inn)与第一功率放大器的输入端(ip,in)之间，使得输入信号部的阻抗和第一功率放大器的输入端(ip,in)的阻抗相互匹配。输入匹配电路(210)为阻抗可调的结构，从而，在低电力模式下也能够调整阻抗匹配。

第一功率放大器(220)接收输入信号(ip,in)并放大。在第一功率放大器(220)放大的第一输出电压(op1,on1)经过中间匹配电路(230)向第二功率放大器(240)的输入电压(ip1,in1)供应。第一功率放大器(220) 如果为高电力模式时以具有两个差动输入及两个差动输出的全差动放大器运行。但，如果为低电力模式，第一功率放大器(220)通过在两个输入及两个输出中只选择一个的偏压电路部(260)以单端放大器运行。

中间匹配电路(230)连接于第一功率放大器(220)的输出端(op1,on1)与第二功率放大器(240)的输入端(ip1,in1)之间，使得第一功率放大器的输出端(op1,on1)的阻抗和第二功率放大器的输入端(ip1,in1)的阻抗相互匹配。中间匹配电路(230)为阻抗可调的结构，从而，在低电力模式下也能够调整阻抗匹配。

第二功率放大器(240)接收第一功率放大器(220)的输出电压(op1,on1)并放大。在第二功率放大器(240)放大的第二输出电压(op,on)经过输出匹配电路(250)向负载供应。如果为高电力模式，第二功率放大器(240)以具有两个差动输入及两个差动输出的全差动放大器运行。但，如果为低电力模式第一功率放大器(220)通过在两个输入及两个输出中只选择一个的偏压电路部(260)以单端放大器运行。

输出匹配电路(250)连接于第二功率放大器(240)的输出端(op,on)与负载端(outp,outn)之间，使得第二功率放大器(240)的输出端(op,on)的阻抗和负载的阻抗相互匹配。输出匹配电路(250)为阻抗可调的结构，从而，在低电力模式下也能够调整阻抗匹配。

偏压电路部(260)供应第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)的偏压电源。在高电力模式下，偏压电路部(260)为了以全差动放大器运行而将偏压电源供应给第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)。但，在低电力模式下，为了以单端放大器运行，在第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)的两个差动输入及两个差动 输出中分别只向一个输入及与其对应的一个输出供应偏压电源，而第一功率放大器(220)及第二功率放大器(240)的另一个输入及输出并不供应偏压电源。

模式控制部(270)接收模式控制信号，发生控制信号并向偏压电路部(260)、输入匹配电路(210)、中间匹配电路(230)及输出匹配电路(250)传送。偏压电路部(260)依据模式控制信号分别向第一功率放大器及第二功率放大器选择性地供应偏压电源。

图3为图示依据一实施例的图1的双运行模式功率放大器的运行方法的流程图(Flow Chart)的附图。图3的功率放大器(100)基本上以高电力模式设置(Set)(S310)。功率放大器(100)判断是否从判断是否要转换为低电力模式的模式控制部(150)接入模式控制信号(S320),如果未接入模式控制信号，维持高电力模式状态，并以全差动放大器运行。当模式控制信号向偏压电路部(140)、输入匹配电路(110)及输出匹配电路(130)接入时，功率放大器(100)转换为低电力模式(S330)。从而，功率放大器(100)以低电力模式运行(S340)。功率放大器(100)判断是否从判断是否要转换为高电力模的模式控制部(150)接入模式控制信号(S350),如果未接入模式控制信号，继续维持低电力模式，以单端放大器运行。功率放大器(100)判断是否从是判断否要转换为高电力模式的模式控制部(150)接入模式控制信号(S350),如果模式控制信号向偏压电路部(140)及输入匹配电路(110)及输出匹配电路(130)接入时，转换为高电力模式(S310)，并且，偏压电路部(140)及输入匹配电路(110)及输出匹配电路(130)转换为高电力模式(S360)。从而，功率放大器(100)再次以全差动放大器运行。

图4a图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端(ip,in)为N 型晶体管的偏压电路。N型晶体管可为N-MOSFET或NPNBJT。从而，从以下开始将晶体管的NPNBJT的基座(Base)或N-MOS的整流栅(Gate)以控制端标记。并且，将输入电流的晶体管的NPNBJT的集电极(Collector)或N-MOS的漏极(Drain)以电流引流端标记，将输出电流的晶体管的NPNBJT的发射极(Emitter)或N-MOS的源极(Source)标记为电流引出端。如果是PNPBJT或P-MOS，电流引流端及电流引出端与NPNBJT或N-MOS的情况相反。

M1和M2的控制端接入两个差动输入(Differential Input)，向模式控制部(150)接入模式控制信号而使得主功率放大器(120)转换为低电力模式时，通过偏压电路部(140)的开关，在分别连接于M1和M2的控制端的R1或R2，中只选择一个，使得主功率放大器(120)以单端放大器运行。

图4b图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端(ip,in)为P型晶体管的偏压电路。P型晶体管可为P-MOSFET或PNPBJT。M3和M4的控制端接入两个差动输入(Differential Input)，模式控制部(150)接入模式控制信号而使的主功率放大器(120)转换为低电力模式时，通过偏压电路部(140)的开关，在分别连接于M1和M2的控制端的R1或R2中只选择一个，使得主功率放大器(120)以单端放大器运行。

图5a图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端(ip,in)以N型晶体管构成，而为共源共栅(Cascode)结构的偏压电路。图5a中主晶体管(Main Transistor:122)为M5和M6，层迭式晶体管(Stacked Transistor:124)为M7和M8。主晶体管(122)的电流引流端和层迭式晶体管(124)的电流引出端相互连接的共源共栅结构。主晶体管(122)是控制端分别通过R5和R6与偏压电路部(140)连接，层迭式晶体管(124) 是控制端分别通过R7和R8与偏压电路部(140)连接。依据在模式控制部(150)发生的模式控制信号，通过功率放大器(100)的偏压电路部(140)，在两个差动输入及两个差动中选择性地转换输出中一个输入及输出，以单端放大器使用。如上述的转换方式，具有如下优点：无需附加增加功率放大器(100)整体大小的电感器，无需附加在最大输出运行时对性能产生影响的开关。

图5b图示依据一实施例的图1的功率放大器的输入端由P型晶体管构成为共源共栅结构的偏压电路。图5b中主晶体管(126)为M9和M10，层迭式晶体管(128)为M11和M12。主晶体管(126)是控制端分别通过R9和R10连接于偏压电路部(140)，层迭式晶体管(128)是控制端分别通过R11和R12连接于偏压电路部(140)。与图5a相同地，依据在模式控制部(150)中发生的模式控制信号，通过功率放大器(100)的偏压控制部(140)，在两个差动输入及两个差动输出中选择性地转换一个输入及输出，而以单端放大器使用。

如上所述，功率放大器(120)以减少电力消耗的单端放大器运行时，提供不同于以全差动放大器运行时的阻抗匹配的不同大小的阻抗匹配。相当于各端的负载(Load)的匹配电路在单端放大器运行中未匹配阻抗，因此，必需可调阻抗的匹配电路。

图6a图示依据一实施例的可调阻抗的(Tunable)匹配(Matching)电路。图6a是适用于输入匹配电路(210)、中间匹配电路(230)及输出匹配电路(250)中的至少一个，而能够调整阻抗的匹配电路。图6a中，具有变压器(610)的匝数比分接头(611)，调整变压器(610)的匝数比分接头(611)或改变C1或C2，而调整匹配电路的输入端(ip,in)的阻抗和输出端(op,on)的阻抗相互匹配。

图6b图示依据一实施例的可调阻抗的匹配电容(Matching Capacitor)电路。图6b适用于输入匹配电路(210)、中间匹配电路(230)及输出匹配电路(250)中的至少一个，而能够调整阻抗的匹配电路。图6b的依据一实施例的可调阻抗的匹配电路包括变压器(Transformer:620)，代替在图6a的一次线圈并连的电容(C1)，而将两个电容,C3和C4串联后，在C3与C4之间的中间节点(621)设置为接地端接地的开关(S1)，而能够调整一次线圈(622)之间的有效电容的值。图6b能够将连接于一次线圈(622)或二次线圈(623)的单端放大器以最适宜的阻抗进行匹配，并且，中间节点(621)的电压摆幅级别低，而能够容易地设计与电容连接的开关(S1)。图6b与一般用途的可调的匹配(Tunable Matching)电路不同，在电容与电容之间无需串联开关。图6b因能够将匹配电路的质量因素(Quality Factor)维持高水平，因此，适合适用于对阻抗匹配电路的损失敏感的功率放大器。

图6c图示依据一实施例的可调阻抗的匹配变压器(Matching Transformer)电路。图6c是适用于输入匹配电路(210)、中间匹配电路(230)及输出匹配电路(250)中的至少一个，而能够调整阻抗的匹配电路。与图6b相同地，图6c在变压器(630)或平衡不平衡转换器(632)的中心抽头节点(631)设置有接地端接地的开关(S2)，而能够调整一次线圈(632)之间的有效电感值。

依据本发明的实施例的的功率放大器能够转换偏压电路部而降低电力消耗。与以往的发明不同地，依据本发明的实施例的的功率放大器，在信号路径没有开关，因此，在高电力模式下不发生性能降低，并且，无需附加性的电感器或变压器等占用大面积的无源组件(Passive Component)。并且，阻抗可调(Tunable)的匹配电路提供分别 符合差动放大器及单端放大器地匹配的阻抗，而能够提高功率放大器的性能。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。