CN100578923C

CN100578923C - 一种调整功放效率的方法

Info

Publication number: CN100578923C
Application number: CN200410098698A
Authority: CN
Inventors: 殷为民; 张希坤
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: CN1790897A

Abstract

本发明公开了一种调整功放效率的方法，该方法包括以下步骤：A、根据功放工作时的载波频率，控制输入给功放的直流偏置电压；B、通过控制输入给功放的直流偏置电压，调整功放的效率；当输入给功放的直流偏置电压增大，功放的效率降低；当输入给功放的直流偏置电压减小，功放的效率提高。利用本发明，可以有效地改善功放的宽带特性，提高功放的工作效率和线性指标，实现功放的超宽带特性。由于功放工作效率的提高，降低了功放的电路和系统运行时的电能成本，提高了功放及系统的可靠性。利用本发明，还可以有效地克服功放的效率离散性，使功放批量生产的难度大大降低，提高功放的直通率和生产效率。

Description

一种调整功放效率的方法

技术领域

本发明涉及功放的控制技术，特别涉及一种调整功放效率的方法。

背景技术

在射频功放电路的设计中，线性度和效率是功放宽带特性的两个重要指标，二者相互矛盾又相互制约。优良的线性指标意味着较低的功放效率，而较高的功放效率往往导致较差的线性指标。因此，为使线性度和效率达到一个最佳的匹配，往往需要花费很多时间对功放电路进行调试，以找到线性度和效率二者之间的一个平衡点，尽可能的满足系统的要求。

如图1所示，图1为现有技术中功放宽带特性示意图。其中a为线性/调制失真(IMD)与频率之间的关系曲线，b为效率与频率之间的关系曲线。图a中，沿横轴的正方向，频率逐渐升高；沿纵轴的正方向，线性/IMD逐渐变差。图b中，沿横轴的正方向，频率逐渐升高；沿纵轴的正方向，效率逐渐升高。由图1可以看出：频率的低端，线性指标较好，效率较低；频率的高端，效率较高，线性指标较差。这里，线性与IMD是一对相关联的量，线性指标越好，调制失真越小，即IMD越小。

由于功放宽带特性的这种不均衡性，再加上功率器件本身难于克服的性能离散性，使功放批量生产的难度大大增加，直通率降低，生产效率下降。针对这一问题，目前功放生产厂商普遍采用的解决办法是：

1、增加功放回退余量；

功放设计时，为确保带内最高频率点的线性指标满足系统要求，考虑到器件离散性的因素，一般给IMD留出一定的余量。例如，系统要求功放满足全频段IMD＜-40dBc，则可以考虑最高端频率点的IMD＜-43dBc。而增加功放的回退可以加大IMD余量，所以采用增加功放回退余量的方法来给IMD留出一定的余量，以提高批量生产的直通率。

由于功放的效率E与功放输出的交流电压Vcm和交流电流Icm的乘积(Vcm×Icm)之间满足下列关系：当功放输出的交流电压Vcm和交流电流Icm的乘积增大时，功放的效率E提高；当功放输出的交流电压Vcm和交流电流Icm的乘积减小时，功放的效率E降低。而功放输出的交流电压Vcm和交流电流Icm又分别是输入给功放的交流电压Vcm′和交流电流Icm′的K倍，这里K为功放的放大倍数。所以，在具体实现的过程中，为增加功放回退余量，减小功放的效率，一般采用的方法是减小输入给功放的交流电压或交流电流。但是，这样以来不可避免的是，回退余量越多，功放的效率也就越低。

2、降低功放效率指标；

在回退余量确定的情况下，测试功放在工作频段内最低的工作效率，考虑到器件离散性的因素，将功放效率最低点确定为功放的效率指标。

3、人工调试手段。

对于少部分仍然不满足指标要求的功放，生产时采用人工调试的手段，针对不同的个体，调整功放电路的相关参数，使功放满足指标要求。

采用上述措施虽然在一定程度上能够改善功放的宽带特性，并且在一定程度上也能够克服性能离散性，但是采用上述措施具有以下缺点：

1、成本大幅增加；

增加功放回退余量，意味着要使用更高功率等级或者使用更多数量的功率器件，直接导致功放电路成本的增加；同时，回退越多功放的效率就越低，而功放的效率又直接影响到系统的电源、散热、体积、风扇、噪音等诸多因素，会进一步导致系统成本的增加，同时系统运行时电能成本也会增加；

2、可靠性降低；

低的工作效率意味着功放需要消耗更多的直流功耗，使功率器件的结温升高，寿命缩短，这样也就必将导致功放及系统的可靠性降低；

3、批量生产性差。

由于存在人工调试环节，使功放批量生产的难度较高，功放的直通率降低，生产效率下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种调整功放效率的方法，以降低成本，提高功放的可靠性，并提高批量生产时功放生产的直通率和生产效率，实现功放的超宽带特性。

为达到上述目的，本发明提供了一种调整功放效率的方法，关键在于，该方法包括以下步骤：A、根据功放工作时的载波频率，控制输入给功放的直流偏置电压；其中，控制的方式为：当所述功放工作时的载波频率低于系统工作频段的中心频率时，减小输入给功放的直流偏置电压；当所述功放工作时的载波频率高于系统工作频段的中心频率时，增大输入给功放的直流偏置电压；B、通过控制输入给功放的直流偏置电压，调整功放的效率；当输入给功放的直流偏置电压增大，功放的效率降低；当输入给功放的直流偏置电压减小，功放的效率提高。

上述方案中，步骤A中所述输入给功放的直流偏置电压是由基站系统中微处理器的中央处理器进行控制的。

上述方案中，所述的功放是双极性晶体管或场效应晶体管功放。

当所述的功放是双极性晶体管功放时，所述的直流偏置电压包括输入给双极性晶体管功放集电极直流电压和基极直流电压。步骤B中所述的直流偏置电压，是集电极直流电压、基极直流电压或者集电极直流电压与基极直流电压的乘积。

当所述的功放是场效应晶体管功放时，所述的直流偏置电压包括输入给场效应晶体管功放漏极直流电压和栅极直流电压。步骤B中所述的直流偏置电压，是漏极直流电压、栅极直流电压或者漏极直流电压与栅极直流电压的乘积。

因此，本发明提供的这种调整功放效率的方法，通过控制输入给功放的直流偏置电压，改变功放的效率，实现对功放效率与线性度之间关系的调整，有效改善功放的宽带特性和性能离散性，进而降低了成本，提高了功放的可靠性，并提高了批量生产时功放的直通率和生产效率，实现了功放的超宽带特性。由于实现了功放的超宽带特性，也就同时提高了功放的工作效率和线性指标，并克服了功放的性能离散性。而功放工作效率的提高，可以减少功放的回退余量，在输出相同功率的情况下，使用更低的功率等级或者数量更少的功率器件，直接降低了功放的电路成本；同时，系统的电源、散热、体积、风扇、噪音等诸多成本因素得以降低，系统运行的电能成本也得以显著下降；另外，功放工作效率的提高，功率器件结温降低，寿命延长，功放及系统的可靠性得以提高。而克服功放的性能离散性，可以使功放批量生产的难度大大降低，进而提高功放的直通率和生产效率。

附图说明

图1为现有技术中功放宽带特性示意图；

图2为本发明调整功放效率总体技术方案的原理框图；

图3为本发明调整功放效率总体技术方案的方法流程图；

图4为本发明一个较佳实施例中调整功放效率的方法流程图；

图5为本发明实施例中对输入给功放集电极的直流电压修正前后功放的宽带特性示意图；

图6为本发明实施例中对输入给功放集电极的直流电压设置大小不同的基准电压前后功放的效率离散性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的核心内容是：通过控制输入给功放的直流偏置电压，改变功放的效率，实现对功放效率与线性度之间关系的调整，有效改善功放的宽带特性和性能离散性，进而降低了成本，提高了功放的可靠性，并提高了批量生产时功放的直通率和生产效率，实现了功放的超宽带特性。

如图2所示，图2为本发明调整功放效率总体技术方案的原理框图，下面对本发明调整功放效率的原理进行详细介绍。

功放一般主要有两种类型，一种由双极性晶体管(BJT)构成，双极性晶体管主要包括NPN型三极管和PNP型三极管；另一种由场效应晶体管(FET)构成。对于由双极性晶体管构成的功放，输入给功放的直流偏置电压包括输入给功放集电极的直流电压VCC和基极的直流电压Vb。功放的效率E与集电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积(VCC×Idq)之间满足下列关系：当集电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积增大时，功放的效率E降低；当集电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积减小时，功放的效率E提高。

而静态工作电流Idq又与基极直流电压Vb有关，Vb越大，Idq也越大，所以改变双极性晶体管功放集电极直流电压VCC和基极直流电压Vb的乘积，或者单独改变集电极的直流电压VCC或基极的直流电压Vb，功放的效率都将随之反向改变。即增大双极性晶体管功放集电极直流电压VCC和基极直流电压Vb的乘积，或者单独增大集电极直流电压VCC或基极直流电压Vb，功放的效率E都降低；而减小双极性晶体管功放集电极直流电压VCC和基极直流电压Vb的乘积，或者单独减小集电极直流电压VCC或基极直流电压Vb，功放的效率E都提高。

对于由场效应晶体管构成的功放，输入给功放的直流偏置电压包括输入给功放漏极的直流电压VCC和栅极的直流电压Vb。功放的效率E与漏极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积(VCC×Idq)之间满足下列关系：当漏电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积增大时，功放的效率E降低；当漏电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积减小时，功放的效率E提高。

而静态工作电流Idq又与栅极直流电压Vb有关，Vb越大，Idq也越大，所以改变场效应晶体管功放的漏极的直流电压VCC和栅极的直流电压Vb的乘积，或者单独改变漏极直流电压VCC或栅极直流电压Vb，功放的效率都将随之反向改变。即增大场效应晶体管功放漏极直流电压VCC和栅极直流电压Vb的乘积，或者单独增大漏极直流电压VCC或栅极直流电压Vb，功放的效率E都降低；而减小场效应晶体管功放漏极直流电压VCC和栅极直流电压Vb的乘积，或者单独减小漏极直流电压VCC或栅极直流电压Vb，功放的效率E都提高。

同时，由于功放的线性度和效率是功放宽带特性的两个重要指标，二者相互矛盾又相互制约。所以，通过改变输入给功放的直流偏置电压来改变功放的效率，可以调整功放的线性度与效率之间的关系，进而有效改善功放宽带特性和性能离散性，实现功放的超宽带特性。

另外，每个基站系统都工作在一个固定的载波频率范围内，该载波频率范围是在基站系统组建时配置的，其频率范围的中心被称为中心频率。基站系统中微处理器的中央处理器(CPU)可以实时获取功放工作时载波的具体频率，并将获取的功放工作时载波的具体频率与中心频率进行比较。因此，基站系统中微处理器的CPU可以根据不同的载波频率，控制输入给功放不同的直流偏置电压，改变功放的效率，从而实现对功放效率与线性之间关系的调整，有效改善功放宽带特性和性能离散性，实现功放的超宽带特性。

如图3所示，图3为本发明调整功放效率总体技术方案的方法流程图，该流程图包括以下步骤：

步骤301：根据功放工作时的载波频率，控制输入给功放的直流偏置电压；

步骤302：通过控制输入给功放的直流偏置电压，调整功放的效率；当输入给功放的直流偏置电压增大，功放的效率降低；当输入给功放的直流偏置电压减小，功放的效率提高。

本发明基站系统中微处理器的CPU，可以单独或同时将直流偏置电压输入给双极性晶体管功放的集电极或基极，也可以单独或同时将直流偏置电压输入给场效应晶体管功放的漏极或栅极。下面以基站系统中微处理器的CPU单独将直流偏置电压输入给双极性晶体管功放的集电极为例，详细说明本发明如何改变功放的效率，调整功放效率与线性之间的关系，改善功放宽带特性和性能离散性，实现功放的超宽带特性。

如图4所示，图4为本发明实施例中调整功放效率的方法流程图，该流程图包括以下步骤：

步骤401：基站系统中微处理器的CPU，根据功放工作时的载波频率，控制电源单元向双极性晶体管功放的集电极输入直流电压；

电源单元向双极性晶体管功放的集电极输入的直流电压VCC＝V0+K(f)，其中V0为基准电压，基准电压是整个通信系统中供电系统提供的标准电压；K(f)是对基准电压的修正函数，可以是任意曲线；

在频率低端，功放工作时的载波频率低于中心频率，线性指标有余量，效率指标偏低，为了提高效率指标，可通过K(f)将VCC修正到低于基准电压V0，或者减小基准电压V0的设置值，使输入给功放的直流电压VCC降低；

在频率高端，功放工作时的载波频率高于中心频率，效率指标有余量，线性指标较差，为了提高线性指标，可通过K(f)将VCC修正到高于基准电压V0，或者增大基准电压V0的设置值，使输入给功放的直流电压VCC提高；

步骤402：通过控制电源单元向功放的集电极输入直流偏置电压，改变功放的效率，调整双极性晶体管功放效率与线性之间的关系，改善双极性晶体管功放的宽带特性和效率离散性，实现双极性晶体管功放的超宽带特性。

当电源单元向双极性晶体管功放的集电极输入的直流电压低于基准电压V0时，相当于减小了VCC，根据功放的效率E与集电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积(VCC×Idq)之间的关系，功放的效率指标E将被提高；当电源单元向双极性晶体管功放的集电极输入的直流电压高于基准电压V0时，相当于增大了VCC，根据功放的效率E与集电极直流电压VCC和静态工作电流Idq的乘积(VCC×Idq)之间的关系，功放的效率指标E将被降低。

通过控制输入给功放集电极的直流电压VCC，可以有效地调整功放的效率指标，进而调整功放效率与线性之间的关系，改善双极性晶体管功放的宽带特性。对输入给功放集电极的直流电压修正前后，功放的宽带特性如图5所示，图5为本发明实施例中对输入给功放集电极的直流电压修正前后功放的宽带特性示意图。其中，实线表示调整前，虚线表示调整后。

另外，通过改变基准电压V0的设置值，即对功放设置大小不同的基准电压V0值，可以有效地克服功率器件本身的效率离散性，有利于提高批量生产时的直通率和生产效率。对功放设置大小不同的基准电压V0值前后，功放的效率离散性如图6所示，图6为本发明实施例中对输入给功放集电极的直流电压设置大小不同的基准电压前后功放的效率离散性示意图。其中，实线表示调整前，虚线表示调整后。

在本发明所举的这个实施例中，基站系统中微处理器的CPU控制电源单元将直流电压，单独输入给了双极性晶体管功放的集电极，通过改变输入给集电极的直流电压VCC，调整功放的效率E，实现对功放效率与线性之间关系进行调整，有效改善了功放的宽带特性和效率离散性，实现了功放的超宽带特性。

在实际应用中，基站系统中微处理器的CPU，如果单独或同时将直流偏置电压输入给双极性晶体管功放的集电极或基极，或者单独或同时将直流偏置电压输入给场效应晶体管功放的漏极或栅极，与本发明提供的技术方案完全一致，同样能够调整功放的效率，实现对功放效率与线性之间关系的调整，有效改善功放的宽带特性和效率离散性，进而达到降低成本，提高功放的可靠性，并提高批量生产时功放的直通率和生产效率，实现功放的超宽带特性的目的。

从上面的实施例可以看出，本发明提供的这种调整功放效率的方法，通过控制输入给功放的直流偏置电压，改变功放的效率，实现对功放效率与线性度之间关系的调整，有效改善功放的宽带特性和性能离散性，进而降低了成本，提高了功放的可靠性，并提高了批量生产时功放的直通率和生产效率，实现了功放的超宽带特性。由于实现了功放的超宽带特性，也就同时提高了功放的工作效率和线性指标，并克服了功放的性能离散性。而功放工作效率的提高，可以减少功放的回退余量，在输出相同功率的情况下，使用更低的功率等级或者数量更少的功率器件，直接降低了功放的电路成本；同时，系统的电源、散热、体积、风扇、噪音等诸多成本因素得以降低，系统运行的电能成本也得以显著下降；另外，功放工作效率的提高，功率器件结温降低，寿命延长，功放及系统的可靠性得以提高。而克服功放的性能离散性，可以使功放批量生产的难度大大降低，进而提高功放的直通率和生产效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种调整功放效率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、根据功放工作时的载波频率，控制输入给功放的直流偏置电压；所述控制的方式为：当所述功放工作时的载波频率低于系统工作频段的中心频率时，减小输入给功放的直流偏置电压；当所述功放工作时的载波频率高于系统工作频段的中心频率时，增大输入给功放的直流偏置电压；

B、通过控制输入给功放的直流偏置电压，调整功放的效率；当输入给功放的直流偏置电压增大，功放的效率降低；当输入给功放的直流偏置电压减小，功放的效率提高。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中所述输入给功放的直流偏置电压是由基站系统中微处理器的中央处理器进行控制的。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的功放是双极性晶体管或场效应晶体管功放。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述的功放是双极性晶体管功放时，所述的直流偏置电压包括输入给双极性晶体管功放集电极直流电压和基极直流电压。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B中所述的直流偏置电压，是集电极直流电压、基极直流电压或者集电极直流电压与基极直流电压的乘积。

6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述的功放是场效应晶体管功放时，所述的直流偏置电压包括输入给场效应晶体管功放漏极直流电压和栅极直流电压。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤B中所述的直流偏置电压，是漏极直流电压、栅极直流电压或者漏极直流电压与栅极直流电压的乘积。