BR9913792B1 - circuito amplificador e de controle, processo para controlar um circuito amplificador de potência, e, transmissor para transmitir um sinal que sai. - Google Patents

Description

"CIRCUITO AMPLIFICADOR E DE CONTROLE, PROCESSO PARA CONTROLAR UM CIRCUITO AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA, E7 TRANSMISSOR PARA TRANSMITIR UM SINAL QUE SAI" FUNDAMENTOS

A presente invenção genericamente refere-se a sistemas de radiocomunicação e, mais especificamente a um aparelho e processo associados para controlar eficientemente amplificadores de potência dentro de radiotransmissores em sistemas celulares.

A indústria de telefonia celular tem feito "progressos fenomenais em operações comerciais nos Estados Unidos da América assim como mundialmente. O crescimento em grandes áreas metropolitanas em muito excedeu as expectativas e vem ultrapassando a capacidade do sistema. Se esta tendência continuar, os efeitos de rápido crescimento logo atingirão mesmo os menores mercados. Soluções inovadoras são exigidas para satisfazer estas necessidades de capacidade crescente assim como manter serviço de alta qualidade e evitar os preços ascendentes.

Mundialmente, uma etapa importante nos sistemas celulares é a mudança de transmissões analógicas para digitais. Igualmente importante é a escola de um esquema de transmissão digital eficiente para implementar a próxima geração de tecnologia celular. Outrossim, é amplamente acreditado que a primeira geração de redes de comunicação pessoal (PCN) (empregando telefones sem cordão, de tamanho de bolso e baixo custo que podem ser confortavelmente portados e usados para fazer e receber chamadas em casa, no escritório, na rua, em automóveis, etc.), seria proporcionada pelas portadoras celulares usando a infra-estrutura de sistema celular digital e as freqüências celulares da próxima geração. A característica principal exigida nestes novos sistemas é a capacidade de tráfego aumentada.

Atualmente, o acesso a canal é mais comumente obtido empregando Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência (FDMA) e Múltiplo Acesso por Divisão no Tempo (TDMA). Em FDMA3 um canal de comunicação é uma banda de radio freqüência única no qual a potência- de transmissão de um sinal é concentrada. A interferência com canais adjacentes é limitada pelo uso de filtros de banda passante que somente passam energia de sinal dentro da banda de freqüência especificada. Assim, com cada canal sendo alocada uma freqüência diferente, a capacidade do sistema é limitada pelas freqüências disponíveis.

Na maioria dos sistemas FDMA, um canal consiste em um intervalo de tempo em um trem periódico de intervalos de tempo através da mesma freqüência. Cada período de intervalos de tempo é designado de um quadro. Uma energia de sinal dada é confinada a um destes intervalos de tempo. A interferência de canal adjacente é limitada pelo uso de um desbloqueio de tempo ou outro elemento de sincronização que somente passa energia de sinal recebida no tempo correto. Assim, a parte da interferência resultante de diferentes níveis de intensidade de sinal relativa é reduzida.

A capacidade em um sistema TDMA é aumentada compactando o sinal de transmissão em um intervalo de tempo mais curto. Como resultado, as informações tem de ser transmitidas a uma taxa de transferência de bits correspondentemente mais rápida que aumenta a extensão de espectro ocupada proporcionalmente.

Com sistemas FDMA ou TDMA, ou um sistema FDMA/TDMA híbrido, há conveniência em evitar o caso onde dois sinais potencialmente interferentes ocupam a mesma freqüência ao mesmo tempo. Em contraste, o sistema de múltiplo acesso por divisão em código (CDMA) permite os sinais a se superporem parcialmente tanto no tempo como em freqüência. Assim, todos os sinais CDMA partilham do mesmo espectro de freqüência. No domínio quer da freqüência quer do tempo, os sinais de múltiplo acesso parecem estar em relação de superposição entre si.

Para todos estes sistemas, porém especialmente os sistemas CDMA, o controle de potência é uma técnica importante para balancear o desejo de munir um usuário de terminal com um sinal suficientemente forte enquanto ao mesmo tempo não causando demasiada interferência para os outros usuários. Amplificadores de potência (PA) são amplamente utilizados em radio transmissores para amplificar um sinal RF não amplificado a um nível de potência pré-definido ao qual o sinal deve ser transmitido. O nível de potência ao qual o sinal RF é transmitido normalmente é ajustado a um de vários incrementos de nível de potência pré-definidos que é baseado sobre o nível de potência de uma transmissão recebida em uma estação de radio base. Tanto mais exato o PA na amplificação destes sinais aos níveis de potência pré-definidos, tanto mais eficiente a operação do transmissor.

Um alvo na operação do amplificador de potência é reduzir a dissipação de potência que ocorre. Para reduzir a dissipação de potência dentro de um amplificador de potência, a tensão alimentada ao amplificador é reduzida via técnicas de controle. Todavia, quando a tensão da alimentação é demasiadamente reduzida, o amplificador pode ser levado a assumir um estado saturado. O amplificador de potência atuaria então não linearmente, causando distorção do sinal de saída.

Patente U.S. No. 4.631.491 descreve um amplificador de potência RF de transistor bipolar em que retroalimentação é usada para controlar simultaneamente a distorção de amplitude e fase. Entretanto, esta patente não é capaz de compreensivamente evitar saturação do amplificador.

Embora existam tentativas de aumentar a eficiência do amplificador de potência e a saída de potência, elas não foram inteiramente proveitosas. Por exemplo, a patente US 5 430 410 descreve o uso de um detector da envolvente para detectar a saída de um amplificador de potência. O sinal de saída do amplificador de potência é comparado com o lado de entrada de um amplificador de potência. A diferença entre a saída e a entrada é usada para controlar o nível de polarização do amplificador de potência para manter a operação linear de um amplificador de potência saturado e desse modo reduzir a distorção. Todavia, este documento não se endereça a aumentar a eficiência em um amplificador de potência antes da saturação.

Adicionalmente, o resumo do SU 1417174 acredita-se descrever a amplificação de potência de sinais em dispositivos de radio comunicação que tenta aperfeiçoar a operação do amplificador e reduzir a distorção inserindo um amplificador diferencial entre uma entrada inversora de um amplificador de potência e a saída do amplificador de potência. As entradas para o amplificador diferencial são um valor detectado máximo da saída do amplificador e a diferença entre o valor máximo do amplificador e um valor de tensão variável. O efeito deste circuito é reduzir a distorção ajustando a tensão de alimentação para compensar a variação no nível de polarização do estágio amplificador precedente.

Nenhum dos amplificadores de potência e circuitos de controle associados atuais do conhecimento da requerente funciona para reduzir a tensão da alimentação desse modo iniciando uma redução em dissipação de potência e temperatura total da unidade móvel, enquanto que ao mesmo tempo evitando saturar o amplificador. Adicionalmente, o consumo de corrente da bateria que alimenta um móvel empregando um amplificador de potência é reduzido, dessa maneira aperfeiçoando o seu desempenho. Assim, há necessidade de um sistema que possa utilizar as vantagens proporcionadas por um amplificador de potência não saturado que é altamente eficiente.

SUMÁRIO

Por conseguinte, um dos objetivos da presente invenção é proporcionar um amplificador de potência tendo uma alimentação de tensão reduzida que, por sua vez, reduzir a dissipação de potência do amplificador e que pode ser eficientemente usado por um aparelho de comunicação durante a transmissão de sinais. Objetivo adicional da presente invenção é proporcionar um circuito para controlar o amplificador de potência que se endereça aos problemas associados com o reduzir a dissipação de potência e distorção enquanto aumentando a eficiência do amplificador de potência e assegurando que o amplificador de potência não seja saturado.

Concretizações típicas da invenção empregam um circuito amplificador e de controle que compreende um amplificador de potência ativado por uma alimentação de tensão, um detector de pico que detecta ma amplitude de pico de uma tensão de saída do amplificador de potência e um amplificador diferencial que compara a amplitude da saída do amplificador de potência com uma tensão de referência constante e emite um sinal de alimentação de tensão corrigido.

Em ainda outra concretização típica da presente invenção um processo de controlar um circuito amplificador de potência é descrito que compreende detectar uma amplitude de pico de uma tensão de saída de um amplificador de potência no dito circuito amplificador de potência, comparar a amplitude detectada da tensão de saída com uma tensão de referência constante, emitir um sinal de tensão corrigida e controlar uma alimentação de tensão do circuito amplificador de potência baseado sobre o sinal de tensão corrigida.

Concretizações adicionais da presente invenção incluem um dispositivo de comunicações que compreende um transmissor para transmitir um sinal que sai e um receptor para receber um sinal que entra, onde o transmissor adicionalmente compreende um amplificador de potência para amplificar os sinais que saem antes da transmissão, um detector de pico que detecta uma amplitude de pico de uma saída do amplificador de potência, e um amplificador diferencial que compara a amplitude da saída do amplificador de potência com uma tensão de referência e emite um sinal corrigido a ser introduzido no amplificador de potência.

DESCRIÇÃO SUCINTA DOS DESENHOS

Estes e outros aspectos característicos, objetivos e vantagens associados com a presente invenção serão mais facilmente compreendidos pela leitura da seguinte descrição detalhada, quando examinada em conjunção com os desenhos nos quais numerais de referência idênticos se referem a elementos idênticos e nos quais:-

A figura 1 é um diagrama esquemático de um ciicuiíe amplificador de potência conhecido que pode ser usado em um transmissor;

A figura 2A é um gráfico da oscilação de tensão de saída de um amplificador de potência em um modo não saturado;

A figura 2B é um gráfico da oscilação de saída de um amplificador de potência em um modo saturado;

A figura 3 é um diagrama esquemático de um circuito amplificador de potência e de um circuito de realimentação de acordo com uma concretização típica da presente invenção; e

A figura 4 é um diagrama em blocos de um sistema de radiotelefone móvel celular de acordo com uma concretização típica da presente invenção.

DESCRIÇÃO

A presente invenção será descrita com referência aos desenhos apensos, nos quais várias concretizações típicas da invenção são ilustradas. Todavia, a presente invenção pode ser incorporada em muitas formas diferentes e não deve ser interpretada como limitada às concretizações específicas ilustradas..

Um diagrama esquemático de um circuito amplificador de potência típico 110 é mostrado na figura 1 que pode ser empregado dentro de um sistema de transmissão de sinais típico. Um sinal de entrada RF5 RFin, é alimentado a um amplificador de potência 112 do circuito amplificador de potência 110 de modo a ser amplificado para transmissão. O amplificador de potência 112 compreende um transistor de junção bipolar NPN (BJT) mostrado na figura 1. Adicionalmente, o BJT tem uma base 116, um emissor 118 e um coletor 113. O coletor 113 tem um indutor 114 conectado entre o emissor e a tensão de polarização, Vcc. A finalidade do indutor 114 é atuar como uma fonte de corrente. A tensão através do indutor reflete a taxa da variação de polarização no transistor. Embora seja mostrado um transistor NPN3 seria evidente aqueles versados na técnica empregar um transistor PNF ou qualquer outro elemento de amplificação ativo tal como um transistor de efeito de campo (FET) para amplificar um sinal de entrada de RF. Deve também ser compreendido que a amplificação do sinal RFin não requer indispensavelmente somente um transistor. Em vez disso, é possível que múltiplos transistores ou dispositivos FET poderiam ser empregados para amplificar corretamente RFin. Por exemplo, um conjunto de múltiplos transistores tal como uma configuração Darlington também poderia ser empregada para amplificar o sinal. Como tal, o transistor ilustrado na figura 1 pode representar somente o estágio de saída do inteiro amplificador de potência 112.

O circuito amplificador de potência 110 também compreende uma rede de conjugação de impedância 130 localizada na saída do amplificador de potência 112. A rede de conjugação de impedância 130 adicionalmente compreende um conjunto de indutores 120 e 122 e um conjunto de capacitores 124, 125 e 128. A finalidade da rede de conjugação de impedância é conjugar a carga do amplificador de potência para saída de sinal ideal e obter o ganho de sinal requerido da saída do amplificador de potência 112.

Adicionalmente, um filtro de saída tal como um circuito RC (não mostrado na presente concretização) também pode ser empregado para filtrar o sinal de saída de ruído indesejado. O sinal de saída amplificado, RF0UT, é então acoplado com uma antena e transmitido para um receptor (não mostrado).

Quando o amplificador de potência 112 está à potência de saída máxima, a máxima amplitude da oscilação de saída que pode ocorrer é a tensão nominal da tensão de polarização VCc menos a tensão de saturação, Vs. A tensão de saturação é a tensão na qual o transistor entra em um modo saturado. Genericamente, para um transistor de junção bipolar, tal como aquele descrito acima com relação à figura 1, Vs (isto é, a queda de tensão através do coletor e emissor do amplificador de potência 112) é aproximadamente de 0,2 volts.

Como ilustrado na figura 2A, uma representação gráfica de uma tensão de saída senoidal, Vout, do transistor do amplificador de potência 112 mostra a margem para saturação ao empregar uma alimentação típica de 4,8V. Se a alimentação de tensão é reduzida, o sinal como mostrado na figura 2A é deslocado no sentido do eixo geométrico-x. Alternativamente, a alimentação de tensão fosse aumentada, a tensão de saída ilustrada na figura 2A se afastaria, verticalmente, do eixo geométrico χ. A potência de entrada para o amplificador de potência pode ser aumentada (ou a tensão de polarização para o amplificador de potência pode ser decrescida) quando os picos mais baixos da alimentação de tensão se aproximam de zero, enquanto a oscilação de tensão da tensão de saída, V0ut não atravessa o nível 0,2V no eixo geométrico y do gráfico. Como mostrado na figura 2B, se VCc é demasiadamente reduzido, a oscilação de tensão mínima da tensão de saída, Vout, se tornará menor que ou igual aproximadamente a 0,2V. A margem para saturação se tornará zero. Conseqüentemente, o amplificador de potência 112 entraria em um modo de saturação e "clip" (isto é, deformar) a tensão de saída como mostrado. Quando a tensão de saída é deformada, como ilustrado na figura 2B, a operação dos circuitos amplificadores de potência 110 é impedida.

Para ilustrar adicionalmente as considerações associadas com a otimização da operação amplificadora, a eficiência do amplificador de potência 112 é definida como segue:

Eficiência = POUT/Vcc*Icc(1) onde POUT é a potência de saída do amplificador de potência 112. Como pode ser deduzido da equação, uma tanto a tensão de alimentação Vcc como a corrente de polarização, Icc, tem de ser minimizadas para aumentar a eficiência do amplificador de potência. Todavia, como ilustrado acima, o controle da alimentação de tensão deve ser efetuado sem "deformação" do sinal.

Esta questão é endereçada de acordo com concretizações típicas da presente invenção, como ilustrado na figura 3, por proporcionar u m circuito de controle amplificador de potência 300 adicional ao circuito amplificador de potência 110 descrito com respeito à figura 1. O circuito de controle amplificador de potência 300 inclui um detector de pico 310, um amplificador diferencial 320 e um tipo de filtro de circuito fechado 330. Estes elementos são empregados para assegurar que a alimentação de tensão, VCc, seja decrescida enquanto não colocando o amplificador de potência 112 em um estado saturado.

O detector de pico 310 inclui um resistor 312 em série com um diodo 314 numa linha de entrada da saída do amplificador de potência 112. Adicionalmente, um segundo resistor 3316 é disposto em paralelo com um capacitor 318 cada um recebendo tensão da alimentação de tensão, VCc- O detector de pico 310 é construído para seguir a envolvente mínima, isto é, identificar os picos negativos na saída do amplificador de potência 112. Isto habilita o sistema da presente invenção a determinar se a alimentação de tensão está se aproximando demasiadamente da tensão de distorção que colocaria o amplificador de potência 112 em saturação.

O valor de tensão detectado máximo detectado no detector de pico 310 é emitido para uma entrada inversora do amplificador diferencial 320. O valor de tensão detectado máximo é então comparado com um valor de referência de tensão, Vref. O amplificador diferencial 320 controla a alimentação de tensão para assegurar operação ideal do amplificador de potência para desse modo manter uma distância do ponto de saturação. O sinal de diferença que é emitido pelo amplificador diferencial 320 é transmitido, através de um filtro de circuito fechado 330 (uma resistência 332 em série com uma capacitância 334) para controlar o valo de vcc introduzido no amplificador de potência 112. O filtro de circuito fechado é empregado para limitar a largura de banda do sinal a um nível específico de maneira a prevenir que o filtro de circuito fechado se torne instável e atenue sinais transientes e sinais de ruído.

O valor de referência de tensão estabelece a margem entre o ponto operacional do amplificador e a saturação. O valor de referência de tensão é selecionado de modo que a distância entre a envolvente mais baixa de Vout e o ponto de saturação seja mantida a um valor que é maior que zero. Esta tensão de referência pode ser ajustada e otimizada usando um coeficiente de temperatura para considerar os desvios de temperatura no amplificador de potência e/ou detector de pico.

Como anteriormente mencionado, os circuitos amplificadores de potência de acordo com a presente invenção podem ser usados, por exemplo, em unidades de telefone celular. Estes dispositivos podem ser usados para amplificar e transmitir mensagens em diferentes níveis de potência utilizados para suportar comunicações entre estações móveis e de radio base em sistemas de radio comunicação. A figura 4 representa um diagrama em blocos de um sistema de radiotelefone móvel celular típico de acordo com uma concretização da presente invenção na qual os amplificadores de potência descritos acima podem ser usados para gerar sinais de RF para transmissão de dados. O sistema mostra uma estação de radio base típica 910 e uma estação móvel 920. A estação de radio base inclui uma unidade de controle e processamento 93 que está conectada com o MSC 940 que por sua vez está conectado com a rede telefônica comutada pública (não mostrada).

A estação base 910 para uma célula inclui uma pluralidade de canais de voz tratados pelo transceptor de canal de voz 950 que é controlado pela unidade de controle e processamento 930. Também, cada estação base inclui um transceptor de canal de controle 960 que pode ser suscetível de tratar mais de um canal de controle. O transceptor de canal de controle 960 é controlado pela unidade de controle e processamento 930. O transceptor de canal de controle 960 transmite informações de controle através do canal de controle de estação base ou célula para estações móveis sincronizados com aquele canal de controle. O transceptor de canal de voz trata os canais de tráfego ou voz que podem incluir informações de locação de canal de controle digital como previamente descrito.

Quando a estação móvel 920 inicialmente ingressa no modo ocioso, ela periodicamente explora os canais de controle de estações base como a estação base 910 para determinar com qual célula se sincronizar ou acampar. A estação móvel 920 recebe as informações absolutas e relativas transmitidas num canal de controle no seu transceptor de canal de voz e de controle 970.

A seguir, a unidade de processamento 980 avalia as informações de canal de controle recebidas que incluem as características das células candidatas e determina com qual célula a unidade móvel deve sincronizar-se. As informações de canal de controle recebidas não somente incluem informações absolutas relativas à células com a qual está associada, porém também contém informações relativas concernentes a outras células próximas à célula com a qual o canal de controle está associado. Estas células adjacentes são periodicamente exploradas enquanto monitorando o canal de controle primário para determinar se existe um candidato mais apropriado. Informações adicionais relativas a detalhes específicos de implementações de estação móvel e estação base podem ser encontradas no pedido de patente US SN 07/967.027 intitulado "MULTI-MODE SIGNAL PROCESSING" depositado em 27 de outubro de 1992 (P. Dent & B. Ekelund), a exposição da qual é incorporada a título de referência. Embora a concretização típica precedente tenha sido descrita em termos de estações base e móvel, a presente invenção pode" ser aplicada a qualquer sistema de radio comunicação. Por exemplo, satélites poderiam transmitir e receber dados em comunicação com dispositivos remotos, inclusive unidades portáteis, dispositivos PCS, assistentes digitais pessoais, etc.

Embora a presente invenção tenha sido descrita com respeito à sua concretização preferencial, aqueles versados na técnica reconhecerão que a presente invenção não está limitada à concretização específica descrita e ilustrada pois muitas variações, modificações e sistemas equivalentes se evidenciarão ou serão razoavelmente sugeridos pelo relatório descritivo precedente e desenhos sem se afastar da substância do âmbito da invenção.

Claims (15)

1. Circuito amplificador e de controle, compreendendo: um amplificador de potência (112) alimentado por uma alimentação de tensão; um detector de pico (310) que detecta uma amplitude de pico de uma tensão de saída do amplificador de potência; e caracterizado pelo fato de que compreende um amplificador diferencial (320) que compara a amplitude de pico da saída do amplificador de potência com uma tensão de referência e emite um sinal de alimentação de tensão corrigido, em que a tensão de referência é selecionada para assegurar que o amplificador de potência não ingresse em um estado saturado.

2. Circuito amplificador e controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um filtro de circuito fechado (330) conectado com a saída do amplificador diferencial.

3. Circuito amplificador e de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do amplificador de potência adicionalmente compreender múltiplos estágios de elementos transistores individuais.

4. Circuito amplificador e de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender uma rede de conjugação de impedância (130) conectada com a saída do amplificador de potência.

5. Circuito amplificador e de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da tensão de referência ser selecionada para considerar desvios de temperatura em pelo menos um do amplificador de potência e detector de pico.

6. Circuito amplificador e de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da amplitude de pico ser uma amplitude de pico negativa da tensão de saída.

7. Processo para controlar um circuito amplificador de potência, compreendendo as etapas de: detectar uma amplitude de pico (310) de uma tensão de saída de um amplificador de potência (112) no circuito amplificador de potência, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: selecionar uma tensão de referência para assegurar que o amplificador de potência não ingresse em um modo saturado; comparar a amplitude detectada da tensão de saída com uma tensão de referência e emitir um sinal de tensão (320) corrigido; e controlar uma alimentação de tensão de circuito amplificador de potência baseado sobre o sinal de tensão corrigido.

8. Processo para controlar o circuito amplificador de potência de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da amplitude de pico ser uma amplitude de pico negativa da tensão de saída.

9. Processo para controlar o circuito amplificador de potência de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender a etapa de: conjugação de impedância do sinal de tensão corrigido.

10. Processo para controlar o circuito amplificador de potência de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da tensão de referência ser selecionada para considerar desvios de temperatura.

11. Transmissor para transmitir um sinal que sai, o transmissor adicionalmente compreendendo: um amplificador de potência (112) para amplificar os sinais que saem anteriormente à transmissão; um detector de pico (310) que detecta uma amplitude de pico de um saída do amplificador de potência; e caracterizado pelo fato de que compreende: um amplificador diferencial (320) que compara a amplitude da saída do amplificador de potência com uma tensão de referência e emite um sinal corrigido a ser introduzido no amplificador de potência, em que a tensão de referência é selecionada para assegurar que o amplificador de potência não ingresse em um estado saturado.

12. Transmissor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um filtro de circuito fechado conectado com a saída do amplificador diferencial.

13. Transmissor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do amplificador de potência adicionalmente compreender múltiplos estágios de elementos de transistor individuais.

14. Transmissor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um circuito de conjugação conectado com a saída do amplificador de potência.

15. Transmissor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato da tensão de referência constante ser selecionada para considerar desvios de temperatura em um do amplificador de potência e do detector de pico.