跳蛙式偏压功率放大器的制作方法

本发明是有关于一种功率放大器，尤其是关于一种使用于多级功率放大器，用以提升功率附加效率的跳蛙式偏压功率放大器。

背景技术：

目前使用于无线通信产业的功率放大器或功率放大器电路，为了提高功率附加效率，功率放大器内部的晶体管，其偏压都使用ab级(class-ab)的偏压方式，用以提升功率附加效率。

参阅图1所示，为a类放大器(class-a)的特性曲线，其中，ic为集电极电流，vce为集电极电压，ibq为输入信号，icq为输出信号，q为偏压静态工作点，l为负载线。a类放大器的偏压静态工作点q的区域在50%饱和电流，a类放大器始终操作于线性区域中，具有较佳线性放大效率，但是消耗功率较大。

参阅图2所示，为b类放大器(class-b)的特性曲线，其中，ic为集电极电流，vce为集电极电压，ibq为输入信号，icq为输出信号，q为偏压静态工作点，l为负载线。b类放大器的偏压静态工作点q的区域在0%饱和电流，相较于a类放大器，b类放大器具有较低的消耗功率，但b类放大器容易发生交越失真(crossoverdistortion)。

参阅图3所示，为ab类放大器(class-ab)的特性曲线，其中，ic为集电极电流，为集电极电压，ibq为输入信号，icq为输出信号，q为偏压静态工作点，l为负载线。ab类放大器的偏压静态工作点q的区域在20%饱和电流附近，ab类放大器可提供线性与功率消耗之间的良好折中。

功率放大器电路动作时，如果有输入信号，这些信号经过放大处理后输出到外部的其他装置。功率放大器电路处理信号放大时使用的电压被称作工作电压，使用的电流被称作工作电流。当这个功率放大器装置的输入在无信号状态，此时我们定义这个状态下所损耗基本电流叫做偏压静态工作电流（quiescentcurrent）。

目前以共射(commonemitter)所组成的多级功率放大器，每一级放大电路中所使用的晶体管都是同一类型，例如ab类放大器所组成的共射的多级功率放大器，每一级放大电路都属于ab类放大电路。

除此之外，以同一类放大电路所组成的共射多级功率放大器，靠近输入端的放大电路中晶体管尺寸较小，越靠近输出端的放大电路中晶体管尺寸较大，其中，晶体管尺寸可利用晶体管中发射极面积表示，且越靠近输出端的晶体管的偏压静态工作电流（quiescentcurrent）越大，造成目前共射所组成的多级功率放大器的功率附加效率无法有效提升。

目前无线传输的规格对于线性严格要求，以对应幅度及相位失真，其中，射频功率放大器为发射机中最关键的部分，但对于传输速度的提升，目前的射频功率放大器可能表现出不足的线性性能。

当高效率射频功率放大器的输出功率大于100mw时，提供-35db的误差向量幅度(evm)是一项具有挑战性的任务，尤其是在需要消除对数字预失真的依赖以降低成本和系统压力。而且具有足够输出功率并提供-47db的误差向量幅度(evm)，对无线信息的传输是有益的。由于晶体管技术的缩放及电源电压的降低，迫使输出功率受到限制以达到瓦级饱和功率。

目前有许多技术来应对上述挑战，如基于p型金属氧化物半导体场效晶体管的电容补偿技术，多门控晶体管，或是自适应偏差技术，皆不足以实现低于误差向量幅度(evm)的频率和功率水平变化。

因此，如何提升功率放大器的功率附加效率，以应对高速的传输速率，并克服现有的线性化限制，是相关技术人员亟需努力的目标。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的一目的是在于提供一种跳蛙式偏压功率放大器，其设置于一功率输入端及一功率输出端之间，并包含一第一放大电路及一第二放大电路。

该第一放大电路与该功率输入端电连接。该第二放大电路设置于该第一放大电路及该功率输出端之间，并分别与该第一放大电路及该功率输出端电连接。

其中，该第一放大电路中晶体管(transistor)的偏压静态工作电流(quiescentcurrent)大于该第二放大电路中晶体管(transistor)的偏压静态工作电流(quiescentcurrent)。

本发明的又一技术手段，是在于上述的第一放大电路包括一由一第一基极端、一第一集电极端及一第一发射极端所构成的第一晶体管、一第一阻抗匹配电路、一第一基极偏压电路及一第一集电极偏压电路，该第一阻抗匹配电路的一端与该功率输入端电连接，该第一阻抗匹配电路的另一端与该第一晶体管的第一基极端及该第一基极偏压电路的一端电连接，该第一基极偏压电路的另一端与一第一基极电压电连接，该第一集电极偏压电路的一端与该第一晶体管的第一集电极端电连接，该第一集电极偏压电路的另一端与一第一集电极电压电连接，该第一发射极端接地。

本发明的另一技术手段，是在于上述的第二放大电路包括一由一第二基极端、一第二集电极端及一第二发射极端所构成的第二晶体管、一第二阻抗匹配电路、一第二基极偏压电路及一第二集电极偏压电路，该第二阻抗匹配电路的一端与该第一晶体管的第一集电极端电连接，该第二阻抗匹配电路的另一端与该第二晶体管的第二基极端及该第二基极偏压电路的一端电连接，该第二基极偏压电路的另一端与一第二基极电压电连接，该第二集电极偏压电路的一端与该第二晶体管的第二集电极端及该功率输出端电连接，该第二集电极偏压电路的另一端与一第二集电极电压电连接，该第二发射极端接地。

本发明的再一技术手段，是在于上述的跳蛙式偏压功率放大器还包含一第三放大电路，设置于该第二放大电路及该功率输出端之间，并分别与该第二放大电路及该功率输出端电连接。

本发明的又一技术手段，是在于上述的跳蛙式偏压功率放大器还包含一第四放大电路，设置于该第三放大电路及该功率输出端之间，并分别与该第三放大电路及该功率输出端电连接。

本发明的另一技术手段，是在于上述的第三放大电路中晶体管(transistor)的偏压静态工作电流(quiescentcurrent)大于该第四放大电路中晶体管(transistor)的偏压静态工作电流(quiescentcurrent)。

本发明的再一技术手段，是在于上述的跳蛙式偏压功率放大器还包含一第五放大电路，设置于该功率输入端及该第一放大电路之间，并分别与该功率输入端及该第一放大电路电连接。

本发明的又一技术手段，是在于上述的跳蛙式偏压功率放大器还包含一第六放大电路，设置于该第五放大电路及该第一放大电路之间，并分别与该第五放大电路及该第一放大电路电连接。

本发明的另一技术手段，是在于上述的跳蛙式偏压功率放大器还包含一第七放大电路，设置于该第二放大电路及该功率输出端之间，并分别与该第二放大电路及该功率输出端电连接。

本发明的再一技术手段，是在于上述的该第一放大电路的偏压静态工作电流介于1%～95%饱和电流，该第二放大电路的偏压静态工作电流介于0%～15%饱和电流。

本发明的有益功效在于，该第一放大电路的第一晶体管的偏压静态工作电流接近饱和电流，该第二放大电路的第二晶体管的偏压静态工作电流接近截止电流，两者皆无法单独使用于高线度的超速信息传输的功率放大器中，但将本发明所揭示的第一放大电路设置于连接或靠近该功率输入端，该第二放大电路设置于连接或靠近该功率输出端，且该第一放大电路与该第二放大电路直接电连接时，就可以于高线度的超速信息传输的功率放大器中使用，并形成本发明的跳蛙式偏压功率放大器。除此之外，该第一放大电路的晶体管偏压静态工作电流大于该第二放大电路的晶体管偏压静态工作电流，有别于传统多级功率放大器是以一级一级偏压静态工作电流渐大的方式，本发明可有效提升功率附加效率。

附图说明

图1是一特性曲线示意图，说明已知技术中的一种a类放大器(class-a)的特性曲线；

图2是一特性曲线示意图，说明已知技术中的一种b类放大器(class-b)的特性曲线；

图3是一特性曲线示意图，说明已知技术中的一种ab类放大器(class-ab)的特性曲线；

图4是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第一较佳实施例；

图5是一特性曲线示意图，说明本发明第一较佳实施例的第一放大电路的特性曲线；

图6是一特性曲线示意图，说明本发明第一较佳实施例的第二放大电路的特性曲线；

图7是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第二较佳实施例；

图8是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第三较佳实施例；

图9是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第四较佳实施例；

图10是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第五较佳实施例；

图11是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第六较佳实施例；

图12是一电路示意图，为本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第七较佳实施例。

附图中的符号说明：

ic集电极电流；vce集电极电压；ibq输入信号；icq输出信号；q偏压静态工作点；l负载线；rf_in功率输入端；rf_out功率输出端；vb1第一基极电压；vc1第一集电极电压；vb2第二基极电压；vc2第二集电极电压；vb3第三基极电压；vc3第三集电极电压；vb4第四基极电压；vc4第四集电极电压；vce集电极电压；ic集电极电流；is饱和电流；q1偏压静态工作电流；q2偏压静态工作电流；g接地；3第一放大电路；31第一晶体管；311第一基极端；312第一集电极端；313第一发射极端；32第一阻抗匹配电路；33第一基极偏压电路；34第一集电极偏压电路；4第二放大电路；41第二晶体管；411第二基极端；412第二集电极端；413第二发射极端；42第二阻抗匹配电路；43第二基极偏压电路；44第二集电极偏压电路；53第三放大电路；531第三晶体管；532第三阻抗匹配电路；533第三基极偏压电路；534第三集电极偏压电路；54第四放大电路；541第四晶体管；542第四阻抗匹配电路；543第四基极偏压电路；544第四集电极偏压电路；55第五放大电路；56第六放大电路；57第七放大电路。

具体实施方式

有关本发明的相关申请专利特色与技术内容，在以下配合参考图式的七个较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。在进行详细说明前应注意的是，类似的组件是以相同的编号来做表示。

参阅图4、5、6所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第一较佳实施例，设置于一功率输入端rf_in及一功率输出端rf_out之间，并包含一第一放大电路3及一第二放大电路4。

该第一放大电路3与该功率输入端rf_in电连接。该第二放大电路4设置于该第一放大电路3及该功率输出端rf_out之间，并分别与该第一放大电路3及该功率输出端rf_out电连接，该第一放大电路3中晶体管的偏压静态工作电流q1大于该第二放大电路4中晶体管的偏压静态工作电流q2。

回顾图5所示，vce为集电极电压，ic为集电极电流，is为饱和电流，l为50%饱和电流is的负载线，q1为该第一放大电路3的偏压静态工作电流。其中，该第一放大电路3的偏压静态工作电流q1介于1%～95%饱和电流is。

回顾图6所示，其中，vce为集电极电压，ic为集电极电流，is为饱和电流，l为50%饱和电流is的负载线，q2为该第二放大电路4的偏压静态工作电流。该第二放大电路4的偏压静态工作电流q2介于0%～15%饱和电流is，也就是该第二放大电路4的偏压静态工作电流q2接近截止电流。

该第一放大电路3包括一由一第一基极端311、一第一集电极端312及一第一发射极端313所构成的第一晶体管31、一第一阻抗匹配电路32、一第一基极偏压电路33及一第一集电极偏压电路34，该第一阻抗匹配电路32的一端与该功率输入端rf_in电连接，该第一阻抗匹配电路32的另一端与该第一晶体管31的第一基极端311及该第一基极偏压电路33的一端电连接，该第一基极偏压电路33的另一端与一第一基极电压vb1电连接，该第一集电极偏压电路34的一端与该第一晶体管31的第一集电极端312电连接，该第一集电极偏压电路34的另一端与一第一集电极电压vc1电连接，该第一发射极端313接地g。

该第二放大电路4包括一由一第二基极端411、一第二集电极端412及一第二发射极端413所构成的第二晶体管41、一第二阻抗匹配电路42、一第二基极偏压电路43及一第二集电极偏压电路44，该第二阻抗匹配电路42的一端与该第一晶体管31的第一集电极端312电连接，该第二阻抗匹配电路42的另一端与该第二晶体管41的第二基极端411及该第二基极偏压电路43的一端电连接，该第二基极偏压电路43的另一端与一第二基极电压vb2电连接，该第二集电极偏压电路44的一端与该第二晶体管41的第二集电极端412及该功率输出端rf_out电连接，该第二集电极偏压电路44的另一端与一第二集电极电压vc2电连接，该第二发射极端413接地g。

该第一放大电路3及该第二放大电路4所使用的晶体管选自于双极性接面型晶体管(bipolarjunctiontransistor，bjt)或场效晶体管(field-effecttransistor，fet)其中之一或其组合。其中，双极性接面型晶体管(bjt)可以使用sige(silicongemanium)bjt、gaas(galiumarsnide)、hbt(heterojunctionbipolartransistor)等。场效晶体管(fet)可以使用cmos(complementarymetal–oxide–semiconductor)fet、phemt(pseudomorphicheterostructurehigh-electron-mobilitytransistor)fet、gan(galiumnitrde)fet等。

发明人要强调的是，现在的数字个人通信系统所使用的功率放大器，其线性度的要求非常严格，传统的模拟调变系统在现今的数字系统中，其信号传输错误率过大时，其系统已经无法正常的工作，甚至会出现断话的情形。

目前高线性(highlinear)的功率放大器中所使用的晶体管皆为ab类放大器(class-ab)，可以提升功率放大器的功率附加效率pae(poweraddedefficiency)。其中，多级的功率放大器的特性为，接近输入端的晶体管的集电极偏压静态工作电流是小于接近输出端的晶体管的集电极偏压静态工作电流。举例来说，在三级功率放大器中，第一级晶体管的集电极偏压静态工作电流是小于第二级晶体管的集电极偏压静态工作电流，第二级晶体管的集电极偏压静态工作电流是小于第三级晶体管的集电极偏压静态工作电流。

本发明所揭示的第一放大电路3的第一晶体管31的偏压静态工作电流q1接近饱和电流is，是属于线性放大效率较差的晶体管，该第一放大电路3无法单独使用于以高线性度的信息传输的放大器中；该第二放大电路4的第二晶体管41的偏压静态工作电流q2接近截止电流，同样也是属于线性放大效率较差的晶体管，该第二放大电路4无法单独使用于以高线性度的信息传输放大器中。

但该第一放大电路3设置于该第二放大电路4的前端所组成的跳蛙式偏压功率放大器，该跳蛙式偏压功率放大器的第一放大电路3中第一晶体管31的集电极偏压静态工作电流q1会大于第二放大电路4中第二晶体管41的集电极偏压静态工作电流。

举例来说，当传统多级功率放大器都使用a类放大器(class-a)时，传统第一级放大电路中a类晶体管的发射极面积使用240μm²，并施加5v的集电极电压，其第一级放大电路中a类晶体管的偏压静态工作电流为36ma；传统第二级放大电路中a类晶体管的发射极面积使用1440μm²，并施加5v的集电极电压，其第二级放大电路中a类晶体管的偏压静态工作电流为216ma。

本发明的跳蛙式偏压功率放大器的第一放大电路3的第一晶体管31的发射极面积同样使用240μm²，并施加5v的集电极电压，该第一放大电路3的第一晶体管31的偏压静态工作电流q1为50ma；该第二放大电路4的第二晶体管41的发射极面积同样使用1440μm²，并施加5v的集电极电压，该第二放大电路4的第二晶体管41的偏压静态工作电流q2为15ma。

由上述说明可知，本发明跳蛙式偏压功率放大器的晶体管尺寸(发射极面积)与已知相同为渐大的设置(240μm²<1440μm²，提升6倍)，该第一放大电路3的第一晶体管31的偏压静态工作电流q1是大于传统多级功率放大器的第一级晶体管的偏压静态工作电流(50ma>36ma)；该第二放大电路4的第二晶体管41的偏压静态工作电流q2是小于传统多级功率放大器的第二级晶体管的偏压静态工作电流(15ma<216ma)。

除此之外，传统多级功率放大器的每一级晶体管的偏压静态工作电流为渐大态样(36ma→216ma)，本发明跳蛙式偏压功率放大器的每一级晶体管的偏压静态工作电流为渐小态样(50ma→15ma)，其偏压静态工作电流减少了约0.3倍(15ma/50ma=0.3)。

因此，本发明跳蛙式偏压功率放大器将该第一放大电路3的第一晶体管31的偏压静态工作电流q1操作于饱和电流方向，该第二放大电路4的第二晶体管41的偏压静态工作电流q2操作于截止电流方向，或是b类放大器的电流方向时，该第一晶体管31的偏压静态工作电流q1大于该第二晶体管41的偏压静态工作电流q2。

上述的举例中所使用的数值，只是该第一较佳实施例的其中之一电路设置所量测或计算的数值，实际实施时，应以实际使用的功率放大器进行电路设计，其量测或计算的数值应有不同，不应以本较佳实施例的举例为限。

参阅图7所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第二较佳实施例，该第二较佳实施例与该第一较佳实施例大致相同，相同之处于此不再详述，不同之处在于该第二较佳实施例包含一第三放大电路53。

该第三放大电路53设置于该第二放大电路4及该功率输出端rf_out之间，并分别与该第二放大电路4的第二集电极端412及该功率输出端rf_out电连接。其中，该第三放大电路53可以是任何一种功率放大电路，再以该第一放大电路3及该第二放大电路4的组合来提升该跳蛙式偏压功率放大器的功率附加效率。

参阅图8所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第三较佳实施例，该第三较佳实施例与该第二较佳实施例大致相同，相同之处于此不再详述，不同之处在于该第三较佳实施例包含一第四放大电路54。

该第四放大电路54设置于该第三放大电路53及该功率输出端rf_out之间，并分别与该第三放大电路53及该功率输出端rf_out电连接。其中，该第四放大电路54可以是任何一种功率放大电路，再以该第一放大电路3及该第二放大电路4的组合来提升该跳蛙式偏压功率放大器的功率附加效率。

参阅图9所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第四较佳实施例，该第四较佳实施例与该第三较佳实施例大致相同，相同之处于此不再详述，不同之处在于该第四较佳实施例的第三放大电路53的第三晶体管531偏压静态工作电流与该第一放大电路3的第一晶体管31相同，该第三放大电路53的第三晶体管531偏压静态工作电流介于1%～95%饱和电流，该第四放大电路54的第四晶体管541偏压静态工作电流与该第二放大电路4的第二晶体管41相同，该第四放大电路54的第四晶体管541偏压静态工作电流介于0%～15%饱和电流，该第四放大电路54的第四晶体管541偏压静态工作电流接近截止电流。

该第三放大电路53具有一第三晶体管531、一第三阻抗匹配电路532、一第三基极偏压电路533及一第三集电极偏压电路534，该第三阻抗匹配电路532的一端与该第二晶体管41的第二集电极端412电连接，该第三晶体管531与该第三阻抗匹配电路532的另一端电连接，该第三基极偏压电路533的一端与该第三晶体管531及该第三阻抗匹配电路532电连接，该第三基极偏压电路533的另一端与一第三基极电压vb3电连接，该第三集电极偏压电路534的一端与该第三晶体管531电连接，该第三集电极偏压电路534的另一端与一第三集电极电压vc3电连接，第三晶体管531接地g。

该第四放大电路54具有一第四晶体管541、一第四阻抗匹配电路542、一第四基极偏压电路543及一第四集电极偏压电路544，该第四阻抗匹配电路542的一端与该第三晶体管531电连接，该第四晶体管541与该第四阻抗匹配电路542的另一端电连接，该第四基极偏压电路543的一端与该第四晶体管541及该第四阻抗匹配电路542电连接，该第四基极偏压电路543的另一端与一第四基极电压vb4电连接，该第四集电极偏压电路544的一端与该第四晶体管541及该功率输出端rf_out电连接，该第四集电极偏压电路544的另一端与一第四集电极电压vc4电连接，第四晶体管541接地g。

参阅图10所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第五较佳实施例，该第五较佳实施例与该第一较佳实施例大致相同，相同之处于此不再详述，不同之处在于该第五较佳实施例包含一第五放大电路55。

该第五放大电路55设置于该功率输入端rf_in及该第一放大电路3之间，并分别与该功率输入端rf_in及该第一放大电路3的第一阻抗匹配电路32电连接。其中，该第五放大电路55可以是任何一种功率放大电路，再以该第一放大电路3及该第二放大电路4的组合来提升该跳蛙式偏压功率放大器的功率附加效率。

参阅图11所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第六较佳实施例，该第六较佳实施例与该第五较佳实施例大致相同，相同之处于此不再详述，不同之处在于该第六较佳实施例包含一第六放大电路56。

该第六放大电路56设置于该第五放大电路55及该第一放大电路3之间，并分别与该第五放大电路55及该第一放大电路3的第一阻抗匹配电路32电连接。其中，该第六放大电路56可以是任何一种功率放大电路，再以该第一放大电路3及该第二放大电路4的组合来提升该跳蛙式偏压功率放大器的功率附加效率。

参阅图12所示，为本发明一种跳蛙式偏压功率放大器的第七较佳实施例，该第七较佳实施例与该第五较佳实施例大致相同，相同之处于此不再详述，不同之处在于该第七较佳实施例包含一第七放大电路57。

该第七放大电路57设置于该第二放大电路4及该功率输出端rf_out之间，并分别与该第二放大电路4的第二集电极端412及该功率输出端rf_out电连接。其中，该第七放大电路57可以是任何一种功率放大电路，再以该第一放大电路3及该第二放大电路4的组合来提升该跳蛙式偏压功率放大器的功率附加效率。

发明人要强调的是，本发明提出了一种高度线性的共射式(commonemitter)的跳蛙式偏压功率放大器，使用于无线局域网络的传输电路，以并行级联配置成二级、三级、四级，甚至更多级的功率放大器，用以消除由于漏极-源极电流的非线性导致的第三和第五互调失真，和第三谐波失真。

本发明可用来改善相位失真及高功率输出的功率附加效率。在5.15ghz的输出频率中，该跳蛙式偏压功率放大器进行了正交幅度调制信号来源并无相位失真。其输出功率满足严格的线性，-35db的误差向量幅度，分别是17.8、17.3及17.6dbm。

由上述说明可知，本发明跳蛙式偏压功率放大器确实具有下列功效：

一、提升功率附加效率：

该第一放大电路3的第一晶体管31的偏压静态工作电流q1操作于偏饱和电流方向，该第二放大电路4的第二晶体管41的偏压静态工作电流q2操作于偏截止电流方向，或是b类放大器的电流方向时，该第一晶体管31的偏压静态工作电流q1大于该第二晶体管41的偏压静态工作电流q2（quiescentcurrent），可以进一步提升功率附加效率(poweraddedefficiency)。

二、可搭配其它放大电路：

本发明的跳蛙式偏压功率放大器不仅可以单独使用成为二级的偏压功率放大器，更可以与其它的放大电路搭配，以组合成三级、四级，或更多级的跳蛙式偏压功率放大器，作为无线传输电路中的射频功率放大器。

综上所述，本发明揭示一种新的放大电路的组合，将无法单独使用于线性功率放大器的晶体管搭配组合后形成共射串接式多级功率放大器，不仅可以减少偏压静态工作电流（quiescentcurrent），进一步提升功率附加效率，更可以与其它功率放大电路搭配，运用于区域型无线传输装置，因此确实可以达成本发明的目的。

以上所述，仅为本发明的七个较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。