專利名稱：電子設(shè)備中功率放大器輸入側(cè)阻抗匹配的電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子設(shè)備中用于功率放大器的輸入側(cè)阻抗匹配的電路及方法。具體地說，本發(fā)明涉及在功率放大器的輸入側(cè)合成阻抗的阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)。
射頻(RF)電路設(shè)計領(lǐng)域中，往往需要在電路的負(fù)載端和源端實現(xiàn)阻抗匹配。未能實現(xiàn)阻抗匹配在電子設(shè)備(如音頻、無線通信等)的設(shè)計中是一個大問題，因為在這種情況下，不匹配阻抗會顯著地降低聲音質(zhì)量。這種阻抗匹配的傳統(tǒng)實現(xiàn)方式是變換負(fù)載端阻抗或源端阻抗來與另一端阻抗進(jìn)行匹配。
目前，已經(jīng)實現(xiàn)了各種變換網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)RF電路中的變換。這種系統(tǒng)通常與傳輸線路結(jié)合使用電容、電感以及電阻來實現(xiàn)預(yù)期的匹配。這種系統(tǒng)的一個實例是由電感“L”和電容“C”組成的LC匹配。然而，當(dāng)用于功率放大器的輸入側(cè)匹配時，LC匹配經(jīng)常引起信號擺幅下降(即放大器輸入端的信號電壓與信號源的信號電壓之比下降)。
為了解決下降信號擺幅的問題，設(shè)計了一些電路，其中采用了附加輸入級前置驅(qū)動器來降低并實現(xiàn)所需的輸入阻抗?；贑MOS的電路通常是這種情況，其中足夠的輸入驅(qū)動信號至關(guān)重要。不過，附加級的使用意味著更多的級間匹配，對于設(shè)計可靠性和循環(huán)時間有影響。
鑒于上述問題，需要一種改進(jìn)的電路及方法用于RF電路中(例如在電子設(shè)備中所實現(xiàn)的)功率放大器的輸入端阻抗。此外，還需要這種電路包含阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)，用于在放大器輸入端合成源端阻抗。還需要這種電路及方法在不需要附加級(如前置驅(qū)動器)的情況下提高信號擺幅。
本發(fā)明通過提供電子設(shè)備中功率放大器的輸入側(cè)阻抗匹配的電路及方法來克服現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷。具體地說，本發(fā)明包括阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)，其中包括與電感串聯(lián)的負(fù)電阻，用于在功率放大器的輸入側(cè)合成源端阻抗。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種電路，用于電子設(shè)備中功率放大器的輸入側(cè)阻抗匹配。這種電路包括(1)源，用于提供信號，其中信號具有預(yù)定阻抗；以及(2)阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)，與源并聯(lián)，其中，所述網(wǎng)絡(luò)包括與電感串聯(lián)的負(fù)電阻，并且其中在功率放大器的輸入端合成預(yù)定阻抗。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種電路，用于電子設(shè)備中功率放大器的輸入側(cè)阻抗匹配。這種電路包括(1)源，用于提供信號，其中，信號具有預(yù)定阻抗；(2)阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)，與源并聯(lián)，其中所述網(wǎng)絡(luò)包括與電感串聯(lián)的負(fù)電阻；以及(3)其中，選擇負(fù)電阻的值以便在功率放大器的輸入端合成預(yù)定阻抗，并且其中在所需的工作頻率下，該電感的電抗等于設(shè)備的電容值。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種方法，用于在電子設(shè)備的功率放大器的輸入端匹配阻抗。這種方法包括以下步驟(1)從源提供信號，其中所提供的信號具有預(yù)定阻抗；(2)將阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)與源并聯(lián)，其中所述網(wǎng)絡(luò)包括與電感串聯(lián)的負(fù)電阻；以及(3)選擇負(fù)電阻的值，以便在功率放大器的輸入端合成預(yù)定阻抗。
因此，本發(fā)明提供了電子設(shè)備中功率放大器的輸入側(cè)阻抗匹配的電路及方法。本發(fā)明減少了與不匹配阻抗及下降的信號擺幅有關(guān)的一些問題。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的各個方面進(jìn)行的詳細(xì)說明，可以更清楚地了解本發(fā)明的這些以及其它特點、優(yōu)點，其中

圖1說明了電路中的LC匹配；圖2說明了具有前置驅(qū)動器的功率放大器；
圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)；圖4說明了具有圖3所示阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)的電路；圖5說明了根據(jù)本發(fā)明的電路的負(fù)電阻值與阻抗的曲線；圖6說明了根據(jù)本發(fā)明的電路的阻抗相位與信號擺幅的曲線；以及圖7說明了根據(jù)本發(fā)明的方法流程圖。
注意，本發(fā)明的附圖不必按比例繪制。附圖只是示意性的，并不是用來描述本發(fā)明的特定參數(shù)。附圖僅用來說明本發(fā)明的典型實施例，因此，不應(yīng)當(dāng)看作是對本發(fā)明范圍的限制。附圖中，相同編號表示相同的部件。
現(xiàn)在參考圖1，說明了具有LC匹配12的電路10。電路10最好是電子設(shè)備(如音頻設(shè)備)的射頻(RF)電路并且一般包括信號源16、電阻18、功率放大器20、負(fù)載電阻22以及地24。LC匹配12一般包括電感14和電容16。應(yīng)當(dāng)理解，雖然電路10是作為RF電路進(jìn)行說明的，但也可以實現(xiàn)其它電路類型。此外，應(yīng)當(dāng)理解，所述元件并不是用于限制目的，并且電路10可以包括另外的電阻、電容、功率放大器等。
如上所述，源側(cè)阻抗Zx 26與輸入(負(fù)載)側(cè)阻抗Zy 28(即功率放大器20的輸入端19上)的匹配至關(guān)重要。例如，如果源側(cè)阻抗Zx26為50歐姆，則輸入端阻抗Zy 28也應(yīng)當(dāng)在50歐姆左右。不匹配阻抗會引起低于標(biāo)準(zhǔn)的電路性能。LC匹配12的作用在于將輸入側(cè)阻抗Zy 28與源側(cè)阻抗Zx 26進(jìn)行匹配。不過，在實現(xiàn)LC匹配中，降低了信號擺幅(即輸入端Vi 32上的信號電壓與源Vs 30上的信號電壓之比)。在采用所述LC匹配12的典型電路中，通常獲得小于0.5的信號擺幅。
具體地說，如果電路10將輸入阻抗Zy 28變換為源阻抗Zx 26，則在點X17上的電壓將約為源電壓Vs 30的一半(0.5)。此外，由于LC網(wǎng)絡(luò)沒有損耗并且輸入阻抗Zy 28的幅度極有可能小于電阻值18，所以輸入電壓Vi 32甚至?xí)陀邳c17上的電壓(功率守恒)，由此在功率放大器20的驅(qū)動節(jié)點上產(chǎn)生下降的電壓擺幅。
本文中所采用的輸入側(cè)表示功率放大器的輸入端。但要理解，還可以采用其它術(shù)語。例如，輸入端可以被稱作功率放大器晶體管(未示出)的負(fù)載側(cè)或柵極/基極。
要糾正與下降的信號擺幅相關(guān)的問題，可以將一個或多個前置驅(qū)動器31加入電路10，以便驅(qū)動放大器20的輸入端上的信號電壓(如圖2所示)。然而，如上所述，諸如前置驅(qū)動器31之類的附加級的使用意味著額外的級間匹配(即前置驅(qū)動器31和功率放大器20之間)。對于這種級間匹配，電路設(shè)計的可靠性和循環(huán)時間均受到影響。此外，與兩級設(shè)計相比，諸如圖2所示的三級設(shè)計更易于振蕩。
現(xiàn)在參考圖3，說明了根據(jù)本發(fā)明的阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50。阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50一般包括與電感54串聯(lián)的負(fù)電阻52。諸如圖3所示的負(fù)電阻是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。一般來說，負(fù)電阻是中的電流增加都伴隨著整個工作范圍上電壓的降低。電感54最好是焊線電感(bondwire inductor)。
在大多數(shù)情況下，功率放大器的輸入側(cè)上的阻抗可以模擬為電阻值為R68的電阻56與電容值為-jxc70的電容58的串聯(lián)。如下面更詳細(xì)描述將說明的，阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50通過“合成”源側(cè)阻抗來匹配輸入側(cè)阻抗。這一般是通過為負(fù)電阻52選擇適當(dāng)?shù)闹礡164(下面會進(jìn)行更詳細(xì)說明)，然后再將電感電抗值66設(shè)置為在所需工作頻率下等于電子設(shè)備的電容值58來實現(xiàn)的。采用這種技術(shù)，可以在節(jié)點A60和B62上合成任何阻抗。
具體地說，變換按照以下方程式進(jìn)行MAG[Zeff]=[(R1R+X2)2+X2(R-R1)2]1/2ABS[R+R1]...(1)]]>式中，MAG[Zeff]為輸入側(cè)(即節(jié)點A60和B62上)合成的有效阻抗的大小，R1為負(fù)電阻64的值，R為電阻68的值，以及X為所需工作頻率下電子設(shè)備的電容值70。Re[Zeff]=RR1+X2R+R1...(2)]]>式中，Re[Zeff]是變換產(chǎn)生的阻抗的實部。
因此，在需要50歐姆的有效阻抗MAG[Zeff]，并且源側(cè)阻抗等于6-j5時，R等于6.0并且X等于5.0。將這些值代入公式1，可確定R1(即負(fù)電阻)的值。具體地說，公式將變?yōu)橐韵滤?0=[R1(6)+52)2+52(6-R1)2]1/2ABS[6+R1]]]>由此得到約為-7.4歐姆的負(fù)電阻62的R1值。同樣，在方程式2中，變換產(chǎn)生約為13.8歐姆的實部，如下所示13.8=6(-7.4)+526+(7.4)]]>應(yīng)當(dāng)理解，所用的值僅作為說明，也可以代入其它值。例如，可以選擇不同于50歐姆的合成阻抗并且R和X的值可以改變。這里，值50歐姆、6.0以及5.0僅用來說明變換。
現(xiàn)在參考圖4，所示的阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50與電路71的信號源72并聯(lián)。電路71最好是電子設(shè)備(如音頻、無線通信等)的RF電路。不過，應(yīng)當(dāng)知道，阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50可以在其它電路類型中實現(xiàn)。所述電路71包括電阻74、功率放大器76、負(fù)載電阻78以及地80。阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50通過根據(jù)上述公式在輸入(負(fù)載)側(cè)Zy 84(即功率放大器76的輸入端75)上合成源側(cè)阻抗Zx 82來匹配阻抗。
現(xiàn)在參考圖5，說明了負(fù)電阻值R1(單位歐姆)102與阻抗電阻值(單位歐姆)104的曲線100。如圖所示，曲線100包括合成阻抗(MAG[Zeff])曲線106和實數(shù)部分(Re[Zeff])曲線108。通過將上述值6.0(R)和5.0(X)代入上述公式1和2并選擇R1的值來繪制這些曲線。這樣，例如通過為負(fù)電阻52選擇-7.4歐姆的值，可以看出，得到約為50歐姆的合成阻抗(點110)和約為13.8歐姆的實部(點112)。不過，如上所述，應(yīng)當(dāng)理解，還可以為R和X選擇其它值。R和X準(zhǔn)確值取決于實現(xiàn)阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)50的特定電路。
通過選擇不同的R1值，將改變合成及實數(shù)阻抗。例如，通過對R1選擇-8.0的較低值，得到約為36.8歐姆的合成阻抗(點114)和約為11.5歐姆的實阻抗(點116)。因此，R1與阻抗成比例。具體地說，通過減少負(fù)電阻的值，可以減小合成及實阻抗的相應(yīng)值。
除了在輸入側(cè)合成源側(cè)阻抗之外，本發(fā)明的電感變換網(wǎng)絡(luò)還提高了信號擺幅(即輸入端上的信號電壓與源上信號電壓之比)。具體地說，通過為負(fù)電阻R1選擇特定值，還影響了負(fù)電阻的相應(yīng)相位。通過這種方式改變相位，可以操縱信號擺幅。相位通過以下公式確定Phase[Zeff]=Φ=arctanX(R-R1)RR1+X2...(3)]]>因此，對于-7.4歐姆的負(fù)電阻R1值、6.0的R值以及5.0的X值，該方程式如下所示Phase[Zeff]=Φ=arctan5(6+7.4)6(-7.4)+25]]>它得出約為-1.29弧度的相位。通過將該值以π來歸一化，則相位大約為-0.41弧度。采用該值可以確定信號擺幅。具體地說，信號擺幅由下式得出Vi=Vs*ZejΦ(2+2cosΦ)1/2...(4)]]>通過代入以上得出的-0.41弧度的歸一化相位，然后再解方程式IV求Vi/Vs，則可以確定信號擺幅。具體地說，方程式如以下所示Vi/Vs=Zej(-.41)(2+2cos(-.41))1/2]]>它得出0.62的信號擺幅。在諸如圖1所示的上述實施例中，信號擺幅通常小于0.5。
圖6說明了Zeff(單位為弧度并以π來歸一化)的相位202與Mag(Vi)/Mag(Vs)204(即信號擺幅)的曲線200。如上所述，對于50歐姆的合成阻抗以及相應(yīng)的-7.4歐姆的R1值，相位Φ確定為大約-0.41弧度(以π進(jìn)行歸一化)。如曲線200所示，這個相位產(chǎn)生大約0.62的相應(yīng)信號擺幅(點208)。同樣，對于100歐姆的合成阻抗以及約為-0.41弧度的相位Φ，得到約為0.8的信號擺幅(點206)。此外，對于25歐姆的合成阻抗以及約為-0.41弧度的相同相位，信號擺幅約為0.4(點210)。
如上所述，R1與合成阻抗成比例，但與相位Φ成反比。具體地說，當(dāng)R1值的增加時，合成阻抗增加而相位Φ減少。例如，如果R1選取-8.0歐姆，則合成阻抗將約為36.8歐姆，而歸一化相位Φ將約為-0.399弧度。相反，如果R1為-7.4歐姆，則合成阻抗將約為50歐姆，而歸一化相位Φ將約為-0.410弧度。這樣，當(dāng)R1的值增加時，相位Φ將減少，從而使信號擺幅增加(如圖6所示)。因此，如果希望較高的阻抗和信號擺幅，則應(yīng)當(dāng)選擇較高的R1值。相位Φ最好應(yīng)當(dāng)保持在-90°至90°之間或者-0.5弧度至0.5弧度之間(以π進(jìn)行歸一化)。
現(xiàn)在參考圖7，說明了方法300的流程圖。方法300的第一步驟302是從源提供信號，其中所提供的信號具有預(yù)定阻抗。第二步驟304將阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)與源并聯(lián)，其中，所述網(wǎng)絡(luò)包括與電感串聯(lián)的負(fù)電阻。方法300的第三步驟306是為負(fù)電阻選擇一個值，以便在功率放大器的輸入端合成預(yù)定阻抗。
本發(fā)明最佳實施例的上述說明用于描述及說明。它并非用于窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的特定形式，顯然，許多修改和變型都是可行的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚了解的這些修改和變異將包含在如所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電路(71)，用于電子設(shè)備中功率放大器(76)的輸入側(cè)阻抗(84)匹配，它包括源(72)，用于提供信號，其中所述信號具有預(yù)定阻抗(82)；以及阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)(50)，它與源(72)并聯(lián)，其中所述網(wǎng)絡(luò)(50)包括與電感(54)串聯(lián)的負(fù)電阻(52)，以及其中所述網(wǎng)絡(luò)(50)在所述功率放大器(76)的輸入端(75)上合成所述預(yù)定阻抗(82)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述電感(52)具有在所需工作頻率下與所述設(shè)備的電容值(58)相等的電抗(66)。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于所述電感(54)是焊線電感。
4.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于選擇所述負(fù)電阻(52)的值(64)，從而在所述功率放大器(76)的輸入端(75)合成所述預(yù)定阻抗(82)。
5.如權(quán)利要求4所述的電路，其特征在于所述負(fù)電阻(52)的所述值(64)約為-7.4歐姆。
6.如權(quán)利要求4所述的電路，其特征在于所述預(yù)定阻抗(82)約為50歐姆。
7.如權(quán)利要求4所述的電路，其特征在于所述合成阻抗(84)的歸一化相位(202)在大約-0.5至0.5弧度之間。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于所述歸一化相位(202)約為-0.4弧度。
9.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于所述功率放大器(76)的輸入端(88)上的信號電壓與所述源(86)上的信號電壓之比約為0.62。
10.一種電路(71)，用于電子設(shè)備中功率放大器(76)的輸入側(cè)阻抗(84)匹配，它包括源(72)，用于提供信號，其中所述信號具有預(yù)定阻抗(82)；阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)(50)，它與所述源(72)并聯(lián)，其中所述網(wǎng)絡(luò)包括與電感(66)串聯(lián)的負(fù)電阻(52)；以及其中，選擇所述負(fù)電阻(52)的值(64)，從而在所述功率放大器(76)的輸入端(75)合成所述預(yù)定阻抗(82)，以及所述電感(54)具有在所需工作頻率下與所述設(shè)備的電容值(58)相等的電抗(66)。
11.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于所述預(yù)定阻抗(82)約為50歐姆，以及所述負(fù)電阻(52)的所述值(64)約為-7.4歐姆。
12.如權(quán)利要求11所述的電路，其特征在于所述合成阻抗(84)具有大約在-0.5和0.5弧度之間的歸一化相位(202)。
13.如權(quán)利要求12所述的電路，其特征在于所述歸一化相位(202)約為-0.41弧度。
14.如權(quán)利要求13所述的電路，其特征在于所述輸入端(88)上的信號電壓與所述源(86)上的信號電壓之比約為0.62。
15.一種方法(300)，用于在電子設(shè)備中匹配功率放大器(76)的輸入端的阻抗(84)，它包括以下步驟從源(72)提供信號，其中所述提供的信號具有預(yù)定阻抗(82)；將阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)(50)與所述源(72)并聯(lián)，其中所述網(wǎng)絡(luò)(50)包括與電感(54)串聯(lián)的負(fù)電阻(52)；以及為所述負(fù)電阻(52)選擇一個值(64)，以便在所述功率放大器(76)的所述輸入端(75)合成所述預(yù)定阻抗(82)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于還包括以下步驟將所述電感(54)的電抗(66)設(shè)置為在所需工作頻率下等于所述設(shè)備的電容值(58)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述選擇步驟包括為所述負(fù)電阻(52)選擇-7.4歐姆的值。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述預(yù)定阻抗(82)約為50歐姆。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述合成阻抗(84)的歸一化相位(202)約為-0.41弧度。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述輸入端(88)上的信號電壓與源(86)上的信號電壓之比約為0.62。
全文摘要
一種電路(71)及方法，用于電子設(shè)備中功率放大器(76)的輸入側(cè)(84)阻抗匹配。具體地說，本發(fā)明提供阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)(50)，它包括與焊線(54)電感串聯(lián)的負(fù)電阻(52)。網(wǎng)絡(luò)(50)與信號源(72)并聯(lián)，并且在功率放大器(76)的輸入端合成源側(cè)阻抗。通過為負(fù)電阻(52)選擇適當(dāng)值并將電感(54)的電抗設(shè)置為在所需工作頻率下等于電子設(shè)備的電容值來合成所希望的阻抗。
文檔編號H03F1/56GK1459144SQ02800721
公開日2003年11月26日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月19日
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