CN100533957C - 无隔离器的功率放大器电路及维持其线性的方法 - Google Patents

无隔离器的功率放大器电路及维持其线性的方法 Download PDF

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Abstract

一种放大器电路(100)包括驱动级(120)，该驱动级(120)具有至少一个用于前置放大并输出前置放大信号的有源器件(140)；以及输出级(160)，该输出级(160)具有至少一个用于进一步放大前置放大信号并输出放大信号的有源器件(180)。移相器(155)移动前置放大信号的相位。检测器(190)测量放大信号的正向和反射部分的电平，并且增益和相位控制电路(145)独立地和有选择地控制和调节移相器(155)，用于将放大器性能最优化和将正向与反射信号之间的差值最小化。该增益和相位控制电路还随着正向和反射信号的电平的变化而独立地和有选择地控制和修改驱动和输出级(120，160)的有源器件(140，180)的增益，以随着负载变化而基本上维持放大器电路(100)的恒定的线性。

Description

无隔离器的功率放大器电路及维持其线性的方法
技术领域
本发明涉及一种典型地用于无线通信设备的无隔离器的功率放大器电路，该电路在变化负载的情况下保持该功率放大器的线性。更具体而言，通过经由改变该功率放大器电路的有源器件的输入偏置而动态调节增益和/或通过动态调节前置放大信号的相位来保持线性。
背景技术
在发射机中使用功率放大器以放大信号，例如射频(RF)信号。在诸如移动电话之类的无线通信设备的发射机中包括这样的功率放大器。功率放大器典型地将放大的RF信号提供给天线，用于通过无线电进行传输。
例如如在移动电话中使用的RF天线在剧烈变化的环境中进行工作，导致变化的天线输入阻抗，4:1的VSWR(电压驻波比)并不是罕见的。特别是在高输出电平处，这可以导致例如具有非恒定包络的CDMA(码分多址)、TDMA(时分多址)、Edge或W-CDMA调制的载波信号的严重失真。
保护蜂窝电话的功率放大器免于天线失配的情形以保持线性的传统解决方案是，使用在功率放大器与输出负载例如天线之间放置的诸如环行器之类的隔离器，以限制负载阻抗的变化对于功率放大器性能的影响。环行器在天线失配的情形下通过消耗在隔离器或第三环行器端口终端中的反射功率来保证功率放大器的50欧姆的负载。功率通量中的方向性由铁磁性材料来建立。
参考图1对现有技术的上述方面进行了更详细的描述，该图1示出利用环行器14与失配天线16隔离的用于电源12的装置10的基本框图。电流源18及其阻抗ZO表示理想电源(RF晶体管)12。匹配电路20连接于天线16和电源12之间，其另一端22接地。
从匹配电路20到环行器14的功率Pinc-circ的一部分作为Pinc-ant被输送到天线16，其中一些功率Prefl-ant被反射回到环行器14。由于环行器14，来自天线16的反射功率Prefl-ant未向电源12反射，而是在环行器负载Pdiss上消耗。因此，来自环行器14的反射功率Prefl-circ和来自匹配电路20并指向电源12的反射功率Prefl-source都是零。这避免了在入射和反射波合计为同相时将发生的极端情形。然而，由于希望保持功率放大器的线性和维持Prad恒定(在基站处场强指示的控制下)，于是不得不增加来自电源12的入射功率Pinc-source，由此增加功率耗散以克服反射损失，从而导致在电源12处的增强的信号电压和电流。因此，环行器14在天线失配的情形下只是部分保持了功率放大器的线性。此外，功率耗散和消耗仍然是高的，因此需要电池充电并降低了移动电话的电池寿命以及降低了效率。
理想的是移除连接到天线16的隔离器或环行器14。然而，隔离器的移除允许负载阻抗变化，以致对功率放大器的性能例如线性造成不利的影响。因此，需要一种功率放大器电路，其中隔离器被移除，而放大器的性能和线性即使负载阻抗变化也被保持。
发明内容
根据本发明，功率放大器的线性功率输出即使在负载变化且没有连接到负载的隔离器的情况下也基本上被保持恒定。这是按照在预定负载失配情形下用于线性的校正方案通过动态调节无隔离器的功率放大器中有源器件的增益和信号的相位来实现的。因此，线性输出功率对于跨过工作动态范围的预定负载增量保持不变，而基本上没有降低效率。更具体而言，通过随着正向和反射输出信号的电平的变化而独立地和有选择地调节驱动和输出级的有源器件的增益来使得线性基本上保持恒定，而不管负载的变化。此外，随着正向和反射输出信号的电平的变化而独立地和有选择地调节前置放大信号的相位，以随着负载的变化而基本上保持放大器电路的恒定的线性。
在根据本发明的一个实施例中，提供一种用于保持放大器的线性的放大器电路，该放大器电路例如可以用在无线通信设备中。该放大器电路包括具有至少一个用于前置放大并输出前置放大信号的有源器件的驱动级；以及具有至少一个用于进一步放大该前置放大信号并输出放大信号的有源器件的输出级。移相器移动该前置放大信号的相位。检测器测量放大信号的正向和反射部分的电平，以及增益和相位控制电路独立地和有选择地控制和调节移相器，用于将放大器性能最优化和将正向与反射信号之间的差值或比值最大化。增益和相位控制电路还随着正向和反射信号的电平的变化而独立地和有选择地控制和修改驱动和输出级的有源器件的增益，以随着负载的变化而基本上保持放大器电路的线性。
在根据本发明的另一个实施例中，提供一种用于在变化负载的情况下基本上保持放大器的线性的方法。该方法包括测量在放大器输出处的正向和反射信号的电平；以及随着诸如所测正向和反射信号的差值或比值之类的所测电平的变化而调节前置放大信号的相位，用于将放大器性能最优化和将正向与反射信号之间差值或比值最大化。该方法还包括随着正向和反射信号的电平的变化而独立地和有选择地调节驱动级和/或输出级的有源器件的增益，例如通过有选择地调节在有源器件的输入处的DC偏置，以随着负载的变化而基本上保持放大器电路的线性。
考虑下面的描述，本发明的进一步的特征和优点将更加显而易见。
附图说明
附图限定和显示了本发明的优选实施例，其中在整个附图中由相同的附图标记表示相同的元件；以及其中：
图1示出利用环行器与失配天线隔离的电源的现有技术的框图；
图2示出根据本发明的无线通信系统；
图3示出根据本发明的无隔离器的放大器电路；
图4示出用于保持根据本发明的无隔离器的放大器电路的性能如线性的方法的流程图；以及
图5示出用于保持根据本发明的无隔离器的放大器电路的性能如线性的方法的概括流程图。
具体实施方式
通过参考本发明的优选实施例的详细描述并结合附图，本发明及伴随的优点将得到最好的理解。
用于例如无线通信设备的放大器电路被加以描述，其中说明了RF功率放大器在RF天线电路中的使用。在下面的描述中阐述了诸如特定类型和数量的晶体管之类的众多特定细节，以便提供对本发明的彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以在没有这些特定细节的情况下被实施。在其它情况下没有详细阐述众所周知的电路，以便没有不必要地使得本发明不清楚。
无线通信设备例如可以是移动蜂窝或无绳电话、寻呼机、因特网设备或其它用户设备，以及典型地是通信系统的一部分。图2示出一种无线通信系统，例如包括一个主或基站(BS)50和多个次或移动站(MS)60的移动电话系统40。BS50包括与收发信机54耦合的网络控制器52，例如计算机，该收发信机54又耦合到无线电发射装置，例如天线56。诸如导线58之类的连接装置将控制器52耦合到公用或专用网。
每个MS 60包括处理器62，例如微控制器(μC)和/或数字信号处理器(DSP)。典型地，DSP处理语音信号，而μC管理MS 60的操作。处理器62被耦合到收发信机装置64，该收发信机装置64被耦合到无线电发射装置，例如天线66。诸如EPROM和RAM之类的存储器68被耦合到处理器62，并存储与MS 60的操作和配置相关的数据。从BS 50到MS 60的通信在下行信道72上进行，而从MS 60到BS 50的通信在上行信道74上进行。MS 60还包括诸如键盘和屏幕之类的用户接口，以及与收发信机64的发射支路或部分耦合的话筒和与收发信机64的接收机部分耦合的扬声器。
收发信机64的发射部分通过上行信道74发射信号，而收发信机64的接收支路通过下行信道72接收信号。收发信机64包括有选择地将发射部分的功率放大器(PA)或接收部分的低噪声放大器(LNA)耦合到天线66的选择装置。该选择装置示例性地包括分别被调谐到发射和接收频率范围的双工器或带通滤波器。在现有技术中众所周知的是，收发信机64还包括在接收支路中的其它电路和解调器/译码器，所述其它电路例如是下变频器，用于将接收的射频(RF)信号变换到中频和/或基带信号。相反，收发信机64的发射支路包括上变频器和调制器/编码器。在收发信机64中也典型地存在用于在模拟和数字格式之间进行转换的转换器。
图3示出根据本发明的放大器电路100的实施例，该放大器电路示例性地用作功率放大器电路，以放大在无线通信设备中的RF信号。例如，放大器电路100是图2所示的MS 60的收发信机64的一部分，更具体而言是在收发信机64的发射支路中。典型地，放大器电路的输入被耦合到调制器，并接收调制RF信号用于放大。放大器的输出被耦合到负载，例如天线66，其中放大的RF信号例如利用无线电在上行信道74上进行发射。
如图3所示，放大器电路100包括输入匹配电路110，用于缓冲放大器电路100的输入，并将它的输入阻抗与耦合到其的电路如调制器的输出阻抗相匹配，输入匹配电路110的输出通过至少一个隔断直流(DC)电容器130被耦合到驱动级120。诸如调制信号之类的待放大信号被输入匹配电路110提供给电容器130，该电容器130基本上隔断DC分量，并将基本上没有DC偏移的信号提供给驱动级120。
驱动级120包括至少一个有源器件，例如晶体管140，该晶体管140从电容器130接收基本上无DC的信号，用于前置放大到第一电平。示例性地，该前置放大晶体管是双极型晶体管，例如NPN晶体管140，该晶体管的基极142被耦合到电容器130。基极142进一步被独立耦合到用于提供适当的DC偏置信号的增益和相位控制电路145。这允许控制电路145控制例如调节在晶体管140的输入处的DC偏置。晶体管140的发射极接地，而晶体管140的输出或集电极被耦合到级间匹配电路150，用于驱动级120和输出级160的输入182之间的缓冲和阻抗匹配。
来自驱动级120的前置放大信号通过级间匹配电路150、移相器155和至少一个隔直电容器170被提供给输出级160的输入182，其中移相器155移动前置放大信号的相位，隔直电容器170用于基本上隔断在前置放大信号和相移信号中存在的DC信号，类似于隔直电容器130。
输出级160类似于驱动级120，并且还包括至少一个晶体管180，该晶体管180从电容器170接收基本上无DC的信号，用于前置放大到输出电平。示例性地，输出晶体管180是双极型晶体管，例如NPN晶体管，其基极被耦合到电容器170。输出晶体管180的基极182进一步被耦合到用于提供适当的DC偏置信号给输出晶体管180的控制电路145。晶体管180的发射极接地，而晶体管180的输出或集电极被直接或间接耦合到负载，而没有位于其间的任何隔离。此外，选择每个有源器件140、180的发射极区域，以便对于给定负载、级间和电源情形获得最佳性能。
除了被耦合到晶体管140、180的输入142、182之外，控制电路145还被耦合到移相器155的控制端。因此，控制电路145被配置为提供控制信号，用于独立地和有选择地控制移相器155和晶体管140、180。这允许偏置控制电路145独立地和有选择地调节前置放大信号的相移量和在输入晶体管140、180处的DC偏置，从而调节驱动和输出级120、160的放大或增益。
例如，假定功率放大器要输送30dBm的输出功率到50欧姆的负载。如果功率放大器末级的输出具有用于线性操作的1.4伏峰值电压摆动，则分隔负载和功率放大器的无损耗阻抗匹配网络必须具有51:1的阻抗变换比。
考虑到在恒定VSWR的所有相位上的最糟糕情形的失配情况。两个阻抗极端是高的和低的负载。在前者的情况下，产生的大的电压摆动穿过末级的输出，引起由于出现高的AC阻抗而以削波形式的非线性。在后者的情况下，由于出现低的AC阻抗而提高了对输出电流的需求。通过监测入射和反向功率电平来获得如图4的块200所示的阻抗情况的测量。接着在块210中检查阻抗电平或失配，以及如果获得正常或匹配电平，则在块220中继续进行正常匹配操作。如果阻抗电平或失配是不正常的，则在块230中确定所测的正向和反射信号的差值或比值为高还是为低，为高则表明相对较高的正向信号，为低则表明相对较低的正向信号。接着在块240中，根据在块230中所测的比值为高还是为低，在一个方向或另一个方向上独立地和有选择地调节移相器和每个驱动和输出晶体管的输入DC偏置。接着，通过返回到块200重新测量阻抗的情况，并重复该操作，直到在块210中获得匹配电平并在块220中继续进行正常的匹配操作为止。在块200中对阻抗的监测和测量进行持续或间歇地检查，以及如果需要的话进行调节，以达到块220的匹配条件。
诸如功率检测器190之类的检测器也被耦合到晶体管180的输出，用于检测在输出级160的输出处的放大的RF信号的电平，例如功率电平。功率检测器190又被耦合到控制电路145。放大器电路100的输出195被耦合到天线，而没有位于其间的隔离器。
功率检测器190将测量的放大器电路100的正向和反射输出功率提供给控制电路145。根据正向和反射的功率电平的变化，控制电路145独立地和有选择地控制移相器155和驱动与输出级120、160的每个晶体管140、180，以基本上维持放大器电路100的最佳性能和恒定的线性，而不管与放大器电路100的输出195连接的负载的阻抗的变化。例如，根据正向和反射功率电平之间的差值，控制电路145独立地和有选择地控制移相器155，并改变在每个驱动和输出晶体管140、160的输入如基极142、182上的DC偏置。这使得即使负载变化也基本上保持了线性输出功率，而基本上没有修改功率放大器电路的输出级。
本领域技术人员众所周知的是，由功率检测器190测量的正向和反射功率电平的变化与负载阻抗的变化有关，所述负载阻抗例如是图2所示的天线66的阻抗。特别是，对于与放大器电路100的输出的输出阻抗基本上匹配的负载阻抗而言，在正向和反射功率电平之间的比值或差值为高，而对于基本上失配的阻抗其为低。U.S.专利No.5,423,082的整体在此并入作为参考，它公开了一种发射机，该发射机包括闭环反馈以补偿没有隔离器的变化的天线负载，这是通过把反射的输出能量考虑在内以经由调节可变增益级的增益维持恒定的总回路增益来实现的。
控制电路在本领域也是众所周知的，例如在其整体作为参考被在此并入的U.S.专利No.5,442,322和5,712,593中公开的控制电路。在U.S.专利No.5,442,322中，偏置控制电路将偏置控制电压与一个表示有源器件中的电流的值进行比较，并将控制信号提供给有源器件的控制终端以控制其工作点。在U.S.专利No.5,712,593中，功率放大器的偏置点由控制电路进行类似的控制，以响应于对参考值与RF输出信号的滤波部分的比较。改变放大器的偏置点限制了负载阻抗变化对放大器性能的影响。其整体作为参考被在此并入的U.S.专利No.6,064,266也涉及限制负载阻抗变化对放大器性能的影响，它是通过下面方式实现：通过修改RF输出信号路径而不是DC偏置，即通过在阈值检测器检测到负载阻抗的变化超过预定值时接入与输出阻抗并联的电阻器。移相器在本领域中是公知的，如在US专利No.4312032中公开的，其整体内容包含在此作为参考。
本放大器电路100的控制电路145可以包括处理器或比较器，用于比较由功率检测器190测量的正向和反射功率电平的值与至少一个阈值。基于该比较，必要时，即根据正向和反射信号的电平的变化，控制电路145有选择地和独立地控制修改在晶体管140、180的输入142、182处的DC电平，以及控制移相器155以改变前置放大信号的相位，以随着负载变化而基本上使放大器电路100的线性保持恒定。
图5示出用于保持根据本发明的无隔离器的放大器电路的性能的方法的流程图300。在块310中，功率检测器测量在放大器电路的输出处的正向和反射功率电平，并将此信息提供给控制电路145。根据所测的正向和反射功率电平，例如它们的差值或比值，在块320中，控制电路145有选择地和独立地控制移相器155以改变前置放大信号的相位，和/或例如通过改变输入和/或输出晶体管140、180的基极DC偏置来修改增益，以随着负载的变化而基本上维持放大器电路100的最佳性能和恒定的线性。
虽然已经参考本发明的具体示范性实施例特别详细地描述了本发明，但是也应该理解，可以对其进行众多的修改和变化而不背离如后面的权利要求书中陈述的本发明的精神和范围。因此，说明书和附图被视为是说明性的方式，并且意图并不在于限制权利要求书的范围。

Claims (16)

1.一种放大器电路，包括：
具有第一有源器件的驱动级，该第一有源器件接收用于前置放大的信号并输出前置放大的信号；
移相器，其调节所述前置放大信号的相位并输出由所述前置放大信号经相位调节而得到的移相信号；
具有第二有源器件的输出级，该第二有源器件接收用于进一步放大的所述移相信号并输出放大的信号；
检测器，其测量所述输出级输出的所述放大信号的正向信号和反射信号的电平；以及
控制电路，其根据正向信号和反射信号的所述电平控制所述移相器，以随着负载变化而维持所述放大器电路的线性，
其中所述输出级被耦合到负载，而在所述输出级和所述负载之间没有隔离设备。
2.权利要求1的放大器电路，其中所述控制电路修改所述第一有源器件和所述第二有源器件中的至少之一的增益，以随着所述负载变化而维持所述放大器电路的所述线性。
3.权利要求1的放大器电路，其中所述控制电路独立地控制所述第一有源器件和所述第二有源器件。
4.权利要求1的放大器电路，其中所述控制电路独立地控制所述移相器、所述第一有源器件和所述第二有源器件，以随着所述负载变化而维持所述放大器电路的所述线性。
5.权利要求1的放大器电路，其中所述第一有源器件和所述第二有源器件是NPN晶体管。
6.权利要求1的放大器电路，还包括在所述放大器电路的输入和所述驱动级之间耦合的输入匹配电路，用于使所述放大器电路的输入阻抗匹配与所述输入相耦合的设备的输出阻抗。
7.权利要求6的放大器电路，还包括至少一个在所述输入匹配电路与所述驱动级之间耦合的电容器。
8.权利要求1的放大器电路，还包括至少一个在所述放大器电路的输入与所述驱动级之间耦合的电容器。
9.权利要求1的放大器电路，还包括在所述驱动级的输出和所述移相器的输入之间耦合的级间匹配电路。
10.权利要求9的放大器电路，还包括至少一个在所述移相器与所述输出级之间耦合的电容器。
11.权利要求1的放大器电路，还包括至少一个在所述移相器与所述输出级之间耦合的电容器。
12.一种包括权利要求1的放大器电路的无线通信设备。
13.一种放大器电路，包括：
具有第一有源器件的驱动级，该第一有源器件接收用于前置放大的信号并输出前置放大的信号；
移相器，其调节所述前置放大信号的相位并输出由所述前置放大信号经相位调节而得到的移相信号；
具有第二有源器件的输出级，该第二有源器件接收用于进一步放大的所述移相信号并输出放大的信号；
检测器，其测量所述输出级输出的所述放大信号的正向信号和反射信号的电平；以及
控制电路，其随着正向信号和反射信号的所述电平的变化而独立地和有选择地控制所述移相器、所述第一有源器件和所述第二有源器件的切换，以随着负载变化而维持所述放大器电路的线性，
其中所述输出级被耦合到负载，而在所述输出级和所述负载之间没有隔离设备。
14.一种用于随着耦合到放大器电路输出的负载的变化而维持所述放大器电路的线性的方法，包括：
测量在所述输出处的正向信号和反射信号的电平；以及
随着所述电平的变化修改移相器以改变所述放大器电路的输出信号的相位，以随着负载变化而维持所述放大器电路的线性，
其中所述输出被耦合到负载，而在所述输出和所述负载之间没有隔离设备。
15.权利要求14的方法，其中所述修改动作根据所述电平进一步修改所述放大器电路的驱动级的第一有源器件的第一增益、以及输出级的第二有源器件的第二增益，以维持所述线性。
16.权利要求15的方法，其中所述修改动作独立地和有选择地修改所述移相器、所述第一增益和第二增益。
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