CN101098125B - 具有脉冲检测和偏置控制的rf放大器 - Google Patents

具有脉冲检测和偏置控制的rf放大器 Download PDF

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Abstract

一种RF放大器，包括：至少一个RF放大级，具有RF输入信号和RF输出信号；具有电源的电源信号电路，与所述放大级耦合，用于向所述放大级提供电源信号；偏置电路，用于偏置所述放大级以控制其操作；脉冲检测电路，与所述电源信号电路和所述偏置电路耦合，所述脉冲检测电路检测所述电源信号的电压。所述脉冲检测电路分析所检测的电源信号的电压，并确定所述RF输入信号呈现脉冲信号状态还是非脉冲信号状态，以及根据所确定的状态来控制所述偏置电路以偏置所述放大级。

Description

具有脉冲检测和偏置控制的RF放大器
技术领域
本发明主要涉及RF(射频)放大器，并且特别涉及用于语音及数据信号传输的RF放大器。
背景技术
在无线通信应用中，各类信号格式被用于传输语音信号和数据信号。在诸如蜂窝系统之类的典型的无线通信系统中，采用具有RF放大器的收发机的多个基站被用于与多个移动设备如蜂窝电话收发信号。传统上，由于电话应用驱动了对该类系统的最早的需求，该类无线通信的关注重点侧重于语音信号的传输。但是，数据应用已经变得更加普遍，所以人们希望基站能恰当地处理各类形式的语音和数据信号。
在更现代的无线通信协议中，比如CDMA(码分多址)系统，人们希望对基站RF放大器的输出功率以及这种放大器的线性进行监视和控制。CDMA应用对非线性和功率级尤其敏感。因此，在目前的RF放大器设计中，对RF系列中各类放大器级(典型为A/B放大器级)的偏置电流进行控制以将该系统中各信道间的干扰最小化。放大器性能通常指的是邻近信道功率比(ACPR)。
通常地，较低的邻近信道泄漏有利于获得该系统的最佳ACPR性能。如上所述，传统上语音信号占据了无线通信应用领域，然而，目前数据信号传输日渐增多。通常地，当基站中典型RF放大器用于并放大被认为是非脉冲输入信号的语音信号时，该RF放大器的偏置电流通常被调节以求最佳ACPR性能。也就是说，该放大器被优化以用于非脉冲语音信号或非脉冲状态。然而，数据信号属于脉冲信号并且对于放大器呈现脉冲信号状态。
具体地，CDMA高数据速率(HDR)信号是一个这样的实例。这类脉冲数据信号通过为非脉冲语音信号优化的放大器的传输导致了性能的降低。更确切的说，当工作在此类脉冲信号状态下时，由于放大器增大的增益扩展，放大器在脉冲信号状态下变得愈加非线性。这导致了在此类脉冲信号状态下非最优的ACPR性能(6-8dB更高的发射)。
在一些产品中，通过输入RMS检波器、包络检波器和高速A/D转换器以及现场可编程门阵列(FPGA)集成电路，能够检测到脉冲输入信号。输入RMS检波器用于确定输入信号的平均值。包络检波器和A/D用于确定输入信号的峰值。对FPGA进行编程以计算输入信号的峰均比，并根据该信息确定该输入信号是否为脉冲信号。
仍然需要提供一种改进的且低成本的放大器，其能够检测到应用于该放大器的脉冲RF信号的存在，以应用于例如无法从基站获得这类信号信息或者由于成本限制未将上述部件合并到放大器中的情况。为了处理在例如基站处被放大并传输的各类不同的信号，还需要改进放大器性能和线性。同时，也需要确保放大器对于语音和数据信号的适当的性能。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种射频放大器，该射频放大器包括：至少一个射频放大级，具有射频输入信号和射频输出信号；具有电源的电源信号电路，与所述放大级耦合，用于向所述放大级提供电源信号；偏置电路，用于偏置所述放大级以控制其操作；脉冲检测电路，与所述电源信号电路和所述偏置电路耦合，所述脉冲检测电路检测所述电源信号的电压；所述脉冲检测电路分析所检测的电源信号的电压，并确定所述射频输入信号呈现脉冲信号状态还是非脉冲信号状态，以及根据所确定的状态来控制所述偏置电路以偏置所述放大级。
根据本发明的另一方面，提供一种用于射频放大器的脉冲检测电路，其具有电源信号电路和偏置电路，所述脉冲检测电路包括：根据所述电源信号电路的电源信号提供电压信号的电路；检测电路，用于检测和分析所述电源信号的电压信号，并确定在所述放大器的射频输入信号处所检测的电压信号反映脉冲信号状态还是非脉冲信号状态；所述检测电路根据所确定的状态来输出控制信号以控制所述偏置电路偏置所述放大级。
根据本发明的另一方面，提供一种控制射频放大器的偏置的方法，该方法包括：监视输入到所述放大器的电源信号，以获得反映所述电源信号的电压信号；检测所述电压信号；分析所检测的电压信号并确定所述电压信号在所述电源信号中呈现脉冲信号状态还是非脉冲信号状态；以及根据所确定的状态控制所述放大器的偏置。
附图说明
被包括到并作为本说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并与上文对本发明的概述和下文的具体实施例的详细描述一起用于阐明本发明的原理。
图1为本发明一个实施例的框图；
图2为本发明的另一个实施例的框图；
图3为用于实施本发明的电路的一个实施例的电路示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种放大器，当无法从诸如基站之类的其它数据源获得脉冲RF信号信息时，该放大器能够检测到应用到该放大器的脉冲RF信号的存在。本发明特别适用于放大语音和数据信号并且优化对于非脉冲输入信号(语音信号)和脉冲输入信号(数据信号)的放大器的性能。本发明优化了在脉冲和非脉冲信号状态下的ACPR性能。
参照图1，以整体的RF放大器电路10的形式显示了本发明的一个实施例的高级别框图，该放大器电路10包括放大器12以及与该放大器耦合的用于检测脉冲RF输入信号的脉冲检波器电路14。如图1所示，放大器12包括至少一个放大级，或者如图2所示可以包括多个放大级。在一个实施例中，放大器12是高功率RF放大器，该放大器接收RF输入信号16，并产生用于传输的放大后的RF输出信号18。在基站应用中，为了放大后输出信号的无线传输，输出信号18可以耦合到适当的天线结构(未显示)。典型地，在RF功率放大器中，包括一个或多个放大级的放大器12可以被加以偏置以如A/B类设备一样工作。尽管如此，本发明不特定限于这样的设备操作，并且将同样适用于其它类放大器，如本领域中公知的B类、C类和其它类放大器。
再次参考图1，RF放大器电路10包括适当的电源电路或者包括电源22的电源信号电路，电源22可以提供电源信号，如电源电流或漏极偏置20。本发明利用电源信号或偏置电流20以确定RF输入信号16是否是脉冲信号。具体来说，如A/B类级的放大器12中的电流与放大级的RF功率是成比例的。因此，如果输入到放大器12的RF输入信号16是脉冲信号，则由放大器引入的电源信号或偏置电流20也会被脉冲。从而，本发明监视电源信号或者偏置电流20的状态以确定RF输入信号16的脉冲或非脉冲信号状态。
在本发明的一个实施例中，电源信号被监视以获得或检测到电压或电压信号，该电压信号是电源信号的反映。具体来说，在图1所示的示例性实施例中，偏置电流20被转换为电压信号以提供与偏置电流成比例的电压。在图1所示的实施例中，并联电阻元件或者电阻24被置于或并联于电源22和放大器12之间，以在线路26上提供电压信号。然后，电压信号26被馈送到适配的放大器设备，该设备与元件24一起作为电流至电压转换器，用于放大在线路26上的电压信号并提供电压信号29，该电压信号29与偏置电流20的电流强度成比例。在这种方式下，脉冲检测电路14检测来自电源信号20的电压信号26，该电压信号26是电源信号的反映，如电源信号20的电流强度。作为电源电流强度20的反映，当RF输入信号16为脉冲信号时，转换器元件28的输出29同样为脉冲信号。这样导致在参考点29产生了脉冲输出信号。
信号29被输入至有源带通滤波器30中，该有源带通滤波器30分析并处理该信号并提供输出32，该输出32通常只包括被施加在有源带通滤波器30的输入端的脉冲电压信号的基频。该有源带通滤波器30有效地削弱所有其它可能与输入信号29相关的频率分量。因此，如果被施加到有源带通滤波器30的输入端的电压信号29未被脉冲化(呈现为非脉冲RF输入信号16)，则在有源带通滤波器30的输出端32处事实上将不会有电压信号。相反地，如果RF输入信号16被脉冲化，在输出端32有电压信号32，其包括脉冲电压29的基频，该脉冲电压29是脉冲的RF输入信号16的反映。从而，脉冲检测电路分析电源信号的检测的电压并确定RF输入信号呈现脉冲信号状态还是非脉冲信号状态。
在呈现脉冲信号状态的情况中，半波整流器和滤波器电路或部件34获得脉冲波形32的基本电压分量，并对该分量进行整流和滤波，从而在输出端提供DC电压信号35。如上所述，如果在非脉冲信号状态下，在输出端32事实上不会有供整流的电压信号。
在35处的信号被馈送给比较器电路36。比较器电路36利用DC信号35以为放大器12的栅极偏置的控制提供多个状态或多态信号38，所述DC信号35与脉冲检测电压波形的基本电压大小成比例。在本发明的一个实施例中，信号38是两级信号。一级表示脉冲信号状态的存在。另一级表示无脉冲信号状态或非脉冲信号状态。
偏置电路40，例如栅极偏置电路，适当地与放大器12耦合以根据所检测的状态来改变放大器12的偏置状态。偏置电路40用于在取决于多态信号状态的不同偏置点偏置放大级。例如，如果偏置电路40正常偏置为非脉冲类(语音)信号而优化的放大器12，只要在RF输入信号16中检测到脉冲信号状态(数据)以及比较器输出38切换状态时，电路40将改变放大器的偏置点以优化ACPR。当脉冲状态不再存在时，比较器的输出38切换状态，并且偏置电路40将放大器12的偏置转回到为非脉冲信号而优化的正常偏置状态。在一个实施例中，偏置电路40改变放大器的栅极电压以改变放大器的偏置点。同样的，即使偏置电路可以仍旧用于起初偏置放大器以用于非脉冲语音信号，但在必要时其将被切换以用于脉冲数据信号。
图3显示了用于实施在图1和图2中列出的本发明的各种元件的电路的一个实施例。在图3的实施例中，各种电路元件是利用多种不同结构的运算放大器(op-amp)来实施的。
参考图3，元件50指示了利用运算放大器实施的电流至电压转换器28的一个实施例。其中，一对运算放大器52、54被级联以提供输出信号29，该信号指示如上所述的脉冲信号状态或非脉冲信号状态。电流至电压转换器然后耦合到有源带通滤波器电路56，该电路56为图1所示的有源带通滤波器元件30提供所预期的功能。如图所示，运算放大器元件58、60与合适的电阻元件和电容元件耦合在一起以提供有源带通滤波器。在所示的实施例中，中心频率FC为大约1.2KHz，带宽为大约+/-12Hz。图中的电路56具有大约22dB的带通滤波器增益。显而易见的是，图3中所示的电路仅是示例性的，因为它是单独的电路部件和电阻及电容元件的布置。此外，那些不同的电阻和电容元件的值也可以被改变以获得与带通滤波器相似的结果。优选情况下，品质因数(Q)大于或等于100。
接下来，如图所示，电路62利用另一个与相应的电阻、电容和二极管元件布置在一起的运算放大器64来整流来自带通滤波器30的输出信号32，如在图1所示的由整流器34所提供的一样。最后，运算放大器元件66用图3所示的电路68以提供比较器元件36的功能。在比较器电路68中可以使用参考电压(VREF)，以基于由本发明的脉冲检波器检测到的脉冲或非脉冲信号状态来提供高电平或低电平输出38。
如上所述，图3说明了一个可以用于实施本发明的电路的示例，本发明不受限于图3中的内容。
因此，本发明提供了一个放大器和用于检测RF输入信号的状态并相应改变放大器的偏置的对应的检测电路。本发明为对用于语音和数据信号的放大器性能进行优化提供了一种有成本效益的方式。
如上所述，图1所示的实施例显示了单级的放大器12，而放大器12也可以以多级的形式实施。本发明也适用于根据本发明各个方面调节多个RF放大级的偏置工作点以优化整个放大器。例如，如图2所示，放大器12可以用多级表示，如放大级12a和放大级12b，或甚至更多附加的放大级。偏置电路40可以依照本发明适当地调节每个放大器级的偏置点。
尽管以不同的具体实施例说明了本发明并用相当多的细节来描述这些具体实施例，但申请人并不以此限制或以任何方式限定所附权利要求的范围。附加的优点及修改对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明在更广泛的范围内并不限于上文所述的具体内容、代表设备和方法、以及说明性的实施例。相应地，在不背离申请人的总体发明概念的精神或范围情况下，可以对具体内容进行各种各样的修改。

Claims (31)

1.一种射频放大器，包括：
至少一个射频放大级，具有射频输入信号和射频输出信号；
具有电源的电源信号电路，与所述放大级耦合，用于向所述放大级提供电源信号；
偏置电路，用于偏置所述放大级以控制其操作；
脉冲检测电路，与所述电源信号电路和所述偏置电路耦合，所述脉冲检测电路检测所述电源信号的电压；
所述脉冲检测电路分析所检测的电源信号的电压，并确定所述射频输入信号呈现脉冲信号状态还是非脉冲信号状态，以及根据所确定的状态来控制所述偏置电路以偏置所述放大级。
2.根据权利要求1所述的放大器，还包括电阻元件，所述电阻元件并联于所述电源和所述放大级之间，用于产生由所述脉冲检测电路检测到的所述电压。
3.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述脉冲检测电路包括带通滤波器，用于分析所检测的电压，所述带通滤波器输出信号以指示脉冲信号状态，所述带通滤波器输出的信号反映了脉冲检测电压的基频。
4.根据权利要求3所述的放大器，还包括电流至电压转换器电路，用于放大所检测的电压以向所述带通滤波器提供输入。
5.根据权利要求3所述的放大器，其中，所述脉冲检测电路包括耦合到所述带通滤波器的输出端的整流器电路，所述整流器电路用于对所述反映基频的信号进行整流以提供DC信号。
6.根据权利要求5所述的放大器，其中，所述DC信号反映了所述脉冲检测电压的电压幅度。
7.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述脉冲检测电路还包括比较器，用于输出指示脉冲信号状态或非脉冲信号状态的多态信号。
8.根据权利要求7所述的放大器，其中，所述偏置电路根据所述多态信号的状态将所述放大级偏置在不同的偏置点。
9.根据权利要求5所述的放大器，所述脉冲检测电路还包括耦合到所述整流器的比较器，用于根据所述DC信号来提供多态信号。
10.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述偏置电路用于起初在射频输入信号呈现非脉冲状态时偏置所述放大级，所述脉冲检测电路仅在脉冲状态呈现时改变所述偏置。
11.根据权利要求1所述的放大器，还包括多个放大级，所述脉冲检测电路根据所确定的状态来控制所述偏置电路以偏置每个所述放大级。
12.一种用于射频放大器的脉冲检测电路，具有电源信号电路和偏置电路，所述脉冲检测电路包括：
根据所述电源信号电路的电源信号提供电压信号的电路；
检测电路，用于检测和分析所述电源信号的电压信号，并确定在所述放大器的射频输入信号处所检测的电压信号反映脉冲信号状态还是非脉冲信号状态；
所述检测电路根据所确定的状态来输出控制信号以控制所述偏置电路偏置所述放大级。
13.根据权利要求12所述的脉冲检测电路，还包括电阻元件，所述电阻元件在所述电源信号电路中并联，用于产生由所述脉冲检测电路分析的所述电压信号。
14.根据权利要求12所述的脉冲检测电路，其中，所述检测电路包括带通滤波器，用于分析所检测的电压信号，所述带通滤波器输出信号以指示脉冲信号状态，所述输出的信号反映了脉冲检测电压信号的基频。
15.根据权利要求14所述的脉冲检测电路，还包括电流至电压转换器电路，用于放大所检测的电压信号以向所述带通滤波器提供输入。
16.根据权利要求14所述的脉冲检测电路，其中，所述检测电路包括耦合到所述带通滤波器的输出端的整流器电路，所述整流器电路用于对所述反映基频的信号进行整流以提供DC信号。
17.根据权利要求16所述的脉冲检测电路，其中，所述DC信号反映了所述脉冲检测电压信号的电压幅度。
18.根据权利要求12所述的脉冲检测电路，其中，所述检测电路还包括比较器，用于输出指示脉冲信号状态或非脉冲信号状态的多态信号。
19.根据权利要求18所述的脉冲检测电路，其中，所述偏置电路根据所述多态信号状态将所述放大级偏置在不同的偏置点。
20.根据权利要求17所述的脉冲检测电路，所述检测电路还包括耦合到所述整流器的比较器，用于根据所述DC信号来提供多态信号。
21.根据权利要求12所述的脉冲检测电路，其中，所述偏置电路用于起初在射频输入信号呈现非脉冲状态时偏置所述放大级，所述脉冲检测电路仅在脉冲状态呈现时改变所述偏置。
22.根据权利要求12所述的脉冲检测电路，其中，所述放大器具有多个放大级，所述检测电路根据所确定的状态来输出多个控制信号以控制所述偏置电路偏置所述多个放大级中的每一个。
23.一种控制射频放大器的偏置的方法，包括：
监视输入到所述放大器的电源信号，以获得反映所述电源信号的电压信号；
检测所述电压信号；
分析所检测的电压信号并确定所述电压信号在所述电源信号中呈现脉冲信号状态还是非脉冲信号状态；以及
根据所确定的状态控制所述放大器的偏置。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括在电源信号电路和所述放大器之间并联电阻元件，以获得反应所述电源信号的电压信号。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括使用带通滤波器分析所检测的电压信号，所述带通滤波器输出信号以确定脉冲信号状态，所述输出的信号反映了脉冲检测电压信号的基频。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括放大所检测的电压以向所述带通滤波器提供输入。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括对所述带通滤波器的输出进行整流并提供DC信号，所述带通滤波器的输出反映所述基频。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述DC信号反映了所述脉冲检测电压信号的电压幅度。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括输入所述DC信号到比较器，所述比较器用于根据所述DC信号来提供多态信号。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括根据所述多态信号状态在不同偏置点偏置所述放大级。
31.根据权利要求22所述的方法，还包括起初根据非脉冲状态偏置所述放大级并仅在脉冲状态呈现时改变所述放大器的偏置。
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