CN101490951B - 射频功率放大器电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种调整构成部分射频放大器电路(100)的功率放大器(102)的增益设置和功率放大器驱动器(106)的增益设置的方法(200)和射频放大器电路(100)。方法(200)包括选择(220)功率放大器的功率输出值和由功率放大器驱动器(106)提供给功率放大器(102)的相关恒定包络调制射频信号，然后感测功率放大器(102)的功率输出值的变化(240)。接着响应于所述感测，调整(250)功率放大器(102)的增益设置以及调整功率放大器驱动器(106)的增益设置，使得恒定包络调制射频信号在功率放大器(102)的线性工作区以内。功率放大器(102)和功率放大器驱动器(106)的增益设置被同时调整，直到实现功率放大器的功率输出值为止。

Description

射频功率放大器电路和方法
技术领域
本发明涉及射频功率放大器电路和方法。具体地说，本发明涉及用于恒定包络调制的射频功率放大器电路，和调整构成部分射频放大器的功率放大器的增益设置及功率放大器驱动器的增益设置的方法。
背景技术
在包含射频(RF)功率放大器的功率放大器电路的工作期间，理想的是在希望的功率级(功率模式)上实现较高的放大器效率。不过，当考虑供给这种功率放大器电路的恒定包络调制RF信号时，由于该电路的工作条件(即，温度和供电电压)不断变化，提供给功率放大器的信号会变化。此外，在来自功率放大器的功率级要求不断变化的情况下，不能容易地实现适当的工作效率。对于任何所需的工作功率级，必须仔细地选择并在电路工作期间理想地保持漏电源和位于放大器输入端的恒定包络调制射频信号的振幅。
附图说明
为了容易地理解本发明，并实际实施本发明，下面将参考关于附图图解说明的例证实施例，附图中，相同的附图标记表示各个附图内的相同或功能相似的元件。附图和下面的详细说明一起包含在说明书中，构成说明书的一部分，并用于按照本发明进一步图解说明实施例和解释各种原理和优点，其中：
图1是按照本发明的例证实施例的射频功率放大器电路的方框图；
图2图解说明调整增益设置的方法，该方法由图1的射频功率放大器电路执行；
图3图解说明对于图1的射频功率放大器电路，在7.2伏电源电压下效率随着RF驱动的变化的模拟结果；以及
图4图解说明对于图1的射频功率放大器电路，在3.6伏电源电压下，效率随着RF驱动的变化的模拟结果。
有经验的技术人员会认识到，考虑到简明性和清晰性来图解附图中的元件，附图中的元件不一定是按比例绘制的。例如，附图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大，以帮助更好地理解本发明的实施例。
具体实施方式
在详细描述按照本发明的实施例之前，应注意实施例主要在于与把放大信号基本保持在恒定预定振幅的用于恒定包络调制信号的射频功率放大器电路相关的方法步骤和设备组件的组合。因此，所述设备组件和方法步骤在附图中用常规符号表示，附图中仅仅表现了与理解本发明的实施例有关的那些具体细节，以便不会因对受益于这里的描述的本领域普通技术人员来说显而易见的细节而使本公开模糊不清。
本文中，诸如第一和第二、顶部和底部之类的关系术语用于区别一个实体或动作和另一实体或动作，而不一定要求或意味这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包含”或其任何变型意图覆盖非排他包含，以致包含一系列要素的过程、方法、物品或设备并不仅仅包括这些要素，而且可以包括未明确列出的、或者这种过程、方法、物品或设备所固有的其它要素。在没有更多约束的情况下，前面有“包含…一个”的要素排除另外的相同要素在包含该要素的过程、方法、物品或设备中的存在。
参见图1，图中图解说明实际上起恒定包络调制射频放大器作用的射频功率放大器电路100。射频功率放大器电路100包括功率放大器102，恒定包络调制提供电路104，功率放大器驱动器106，耦合器形式的放大器输入信号传感器108，反馈电路110，放大器输出功率传感器120，以及功率放大器增益控制器150。恒定包络调制提供电路104一般是提供调频信号的调频电路，或者是提供频移键控调制信号的频移键控调制电路。
功率放大器驱动器106具有驱动器增益控制输入端112、驱动器信号输出端114和与恒定包络调制提供电路104耦合的驱动器信号输入端116。功率放大器102具有通过放大器输入信号传感器108与驱动器信号输出端114耦合的放大器输入端118。放大器输入信号传感器108具有与反馈电路110的射频信号输入端(RFIN)耦合的信号传感器输出端109，以及反馈电路110的直流反馈电路输出端(VAPC)通过增益缓冲电路111与驱动器增益控制输入端112耦合。
射频功率放大器电路100还包括向DC电压转换器119供给直流(DC)电压的供给电压电源117，DC电压转换器119具有与功率放大器102和功率放大器驱动器106的相应电压供应输入端125、127耦合的电源电压输出端。DC电压转换器119的输出端还与电压基准控制电路126耦合。电压基准控制电路126具有通过电阻器R8与运算放大器OA3的反相基准输入端耦合的基准控制输出端128。运算放大器OA3具有与构成反馈电路110的一部分的对数放大器132的基准输入端(Vset)耦合的输出端。还存在耦合运算放大器OA3的输出端与其反相输入端的反馈电阻器Rf，运算放大器OA3的非反相输入端：a)通过下拉电阻器R9接地；并b)通过电阻器R7与放大器输出功率传感器120的功率变化检测器输出端135(VDet)耦合。对本领域的技术人员来说，运算放大器OA3和电阻器Rf、R7、R8、R9的耦合排列显然构成了差分放大器129。对本领域的技术人员来说，运算放大器OA3与相关的电阻器Rf、R7、R8和R9显然构成了缓冲或线性放大器140。
除了基准控制输出端128之外，电压基准控制电路126还具有与功率放大器增益控制器150的第二输入端152耦合的增益控制器电压基准输出端149。此外，根据从DC电压转换器119到功率放大器102的电压供应输入端125的电源电压，选择在基准控制输出端128和增益控制器电压基准输出端149处提供的电压电平。
反馈电路110包括耦合放大器输入信号传感器108的信号传感器输出端109和对数放大器132的射频信号输入端(RFIN)的衰减器130。这种情况下使用的对数放大器132一般是AD8315，它具有23mV/dB的选择斜率和50dB的适当动态范围。衰减器130一般是被适当地调整以便适合对数放大器132的对数一致性范围的Pi网络。
在本实施例中，放大器输出功率传感器120是包括功率变化检测器输出端135和转换器输入端121、122的电流-电压转换器。转换器输入端121、122与电流感测电阻器Rsen的两端耦合，以及电流感测电阻器Rsen将电源电压输出(由DC电压转换器119提供的)耦合到电压供应输入端125。对本领域的技术人员来说，当电流经电流感测电阻器Rsen流入电压供应输入端125、127时，转换器输入端121、122显然处于不同电位。更具体地说，输入端122直接与电压供应输入端125耦合，以及输入端121直接与DC电压转换器119的电源电压输出端耦合。从而，放大器输出功率传感器120与功率放大器102耦合，从而感测功率放大器102的功率输出值的变化。放大器输出功率传感器120还包括电阻器R4和R5的串联组合，其中电阻器R5直接与运算放大器OA1的非反相输入端耦合，电阻器R4直接与输入端121耦合。另外，还存在耦合输入端122与运算放大器OA1的反相输入端的电阻器R6。
放大器输出功率传感器120还包括基极与运算放大器OA1的输出端耦合，集电极与串联耦合的电阻器R4和R5的公共节点耦合的双极型晶体管TR。此外，双极型晶体管TR的发射极直接与功率变化检测器输出端135(VDet)耦合，发射极还通过电阻器R3接地。放大器输出功率传感器120的功率变化检测器输出端135(VDet)通过线性放大器140与反馈电路110的基准输入端(Vset)耦合，从而根据功率放大器102的功率输出，改变基准输入端(Vset)处的基准电压。
在本实施例中，功率放大器增益控制器150是具有积分器输出端153、与功率变化检测器输出端135(VDet)耦合的增益控制器输入端151、和与增益控制器电压基准输出端149耦合的第二输入端152的积分器。功率放大器增益控制器150包括耦合增益控制器输入端151与运算放大器OA2的反相输入端的电阻器R1。运算放大器OA2的非反相输入端与第二输入端152耦合，电容器C1和电阻器R2的并联电阻电容网络提供从积分器输出端153到运算放大器OA2的反相输入端的反馈。积分器输出端153与功率放大器102的功率放大器增益控制输入端113耦合，从而在使用时控制功率放大器102的增益。
射频功率放大器电路100还包括开关电路134，开关电路134具有与对数放大器132的启动输入端(ENB)耦合的第一开关电路输出端136，以及与运算放大器OA1、OA2的电源输入端耦合的第二开关电路输出端137。反馈电路110的增益缓冲电路111包括运算放大器OA4，反馈电阻器R10耦合在运算放大器OA4的输出端和反相输入端之间。运算放大器OA4的输出端与驱动器增益控制输入端112耦合。另外，电阻器R11使反相输入端接地，运算放大器OA4的非反相输入端通过电阻器RAPC与对数放大器132的直流输出端(VAPC)耦合。与供给电压电源117耦合的调压器144一般向对数放大器132的电源输入端(VPOS)提供稳压的5伏直流电源。陶瓷去耦电容器CPos使电源输入端(VPOS)接地，电容器CFLT和电阻器RFLT的串联电路使滤波输入端(FLTR)接地，以便确定反馈电路110的时域响应特性。
另外图解说明的是控制器160，控制器160一般是微处理器，具有与电压基准控制电路126、开关电路134、调压器144和DC电压转换器119的控制输入端耦合的控制输出端。控制器160通常与用户接口(未示出)耦合，以便接收用户命令信号、传输请求命令和驱动功率放大器102的功率模式请求。
在操作中，射频功率放大器电路100起恒定包络调制射频放大器的作用，如图2的方法200所示。方法200用于调整功率放大器102和功率放大器驱动器106的增益设置，在方框205，方法200一般由经由控制器160来自用户的请求启动，从而传送其中要求射频功率放大器电路100放大由恒定包络调制提供电路104提供的恒定包络调制射频信号的射频信号。在方框210，选择功率放大器102的功率输出值和由功率放大器驱动器106提供给功率放大器102的相关恒定包络调制射频信号值。之后，为了使射频功率放大器电路100工作，在方框220，选择提供给功率放大器102的电源输入端125的电压电平。该电压电平取决于期望的功率输出值，并且由从控制器160接收功率模式请求(例如，高功率或低功率)传输要求的DC电压转换器119确定。通常，该电压电平还被提供给功率放大器驱动器106的电源输入端127，以及开关电路可适当地向对数放大器132的启动输入端(ENB)及运算放大器OA1和OA2的电源输入端提供约5伏的电源电压。另外，受控制器160控制的调压器144向对数放大器132的电源输入端(VPOS)提供约5伏的电源电压。
响应于功率模式请求，在方框230，DC电压转换器119向电压基准控制电路126发送控制电压，从而选择由线性放大器140处理的电压值，以便在反馈电路110的基准输入端(Vset)提供基准电压值。提供给基准输入端(Vset)的该电压值取决于期望的功率输出值(POV)。另外，电压基准控制电路126提供功率放大器增益控制器150的基准输入152，以控制功率放大器102的功率放大器增益控制输入端113处的电压。
响应上面所述，存在射频功率放大器电路100的工作开始建立(ramp up)，其中从反馈电路110的运算放大器OA1的输出端向驱动器增益控制输入端112提供偏压。另外，来自放大器输入信号传感器108的信号传感器输出端109的射频输出信号被提供给反馈电路110的射频信号输入端(RFIN)。该射频输出信号正比于从恒定包络调制提供电路104生成并从功率放大器驱动器106提供(放大)的恒定包络调制射频信号的振幅。射频功率放大器电路100从而工作，以便向功率放大器驱动器106的驱动器增益控制输入端112提供增益设置，其中该增益设置具有取决于射频输出信号放大器信号传感器输出109和在基准输入端(Vset)提供的电压值的电压值。
同样响应上面所述，功率放大器增益控制器150向功率放大器增益控制输入端113提供增益设置。应注意的是，对本领域的技术人员来说，到功率放大器增益控制输入端113的增益设置和到驱动器增益控制输入端112的增益设置显然都取决于功率放大器102的功率输出值(POV)。从而，在方框240，方法200感测功率放大器102的功率输出值(POV)的变化，之后在方框250，响应于该感测，调整功率放大器102的增益设置和功率放大器驱动器106的增益设置，使得恒定包络调制信号在功率放大器102的线性工作区以内。在方框250，功率放大器102和功率放大器驱动器106的增益设置被同时调整，直到实现功率放大器102的功率输出值(POV)为止。更具体地说，当功率放大器102的增益设置增大时，功率放大器驱动器106的增益设置被降低。相反，当功率放大器102的增益设置降低时，功率放大器驱动器106的增益设置被增大。
随后在测试框260，方法200确定是否从控制器160收到了功率模式改变请求。如果请求的功率模式无变化，那么方法200继续重复方框240、250和260。然而，如果请求的功率模式存在变化，那么方框200返回方框210。显然对本领域的技术人员来说，当控制器160提供结束传输请求时，方法200终止。
根据上面所述，显然方法200连续调整功率放大器的增益设置和功率放大器驱动器的增益设置，使得当感测到功率输出值(POV)的变化时(例如由于负载变化或电源电压变化)。功率放大器驱动器的增益设置从而由对数放大器132的直流输出端(Vapc)的电压值来确定，对数放大器132的直流输出端(Vapc)的电压值是通过比较基准输入端(Vset)处的电压值与射频输出信号而控制的。更具体地说，功率放大器驱动器106的增益设置的值取决于a)在反馈电路110的基准输入端(Vset)提供的控制电压值，该控制电压值取决于功率变化检测器输出端135提供的功率输出值的感测变化；和b)在放大器信号传感器输出端108提供的射频输出信号，该射频输出信号正比于从功率放大器驱动器106提供的恒定包络调制射频信号的振幅。
因此，反馈电路110改变驱动器增益控制输入112，以便把恒定包络调制射频信号的振幅保持在针对功率放大器102的增益设置的特定值，使得从功率放大器驱动器106提供给功率放大器102的恒定包络调制射频信号在功率放大器102的线性工作区以内。在这方面，为了提高射频功率放大器电路100，具体地说，功率放大器102的效率，在基准输入端(Vset)提供的电压值取决于功率放大器102的功率输出值。
功率放大器电路100的模拟显示了利用RF驱动(由反馈电路提供的反馈)和漏电源调整(选择功率放大器的电源输入端处的电压电平)，在功率级上基本恒定的效率。参见图3，图中图解说明了在射频功率放大器电路100的7.2伏电源电压下，效率随着RF驱动的模拟结果。这些结果是关于要求电源输入端125的7.2伏电源电压的5.326瓦高功率模式的模拟结果。对于7.2伏电源电压，当放大器输入端118处的恒定包络调制射频信号具有27.4dBm的振幅(Pavs)时，该5.326瓦(m9)的高功率模式具有56.87％(m15)的最大效率。
参见图4，图中同样图解说明了在射频功率放大器电路100的7.2伏电源电压的情况下，效率随着RF驱动的模拟结果。这些结果是关于要求电源输入端125的3.6伏电源电压的1.296瓦低功率模式的模拟结果。对于3.6伏电源电压，当放大器输入端118处的恒定包络调制射频信号具有24dBm的振幅(Pavs)时，该1.296瓦(m9)的低功率模式具有55.579％(m15)的最大效率。
在图3和4中确定的值在方法200中被用于获得功率放大器102的有效操作。另外，如上所述，基准控制输出端128处的电压值的变化提供了反馈电路110的基准输入(Vset)的变化。因此，基准输入端(Vset)的电压值的调整改变了功率放大器驱动器的增益，从而调整了到功率放大器102的RF驱动。表1中示出了在各个功率级上效率的测量结果。数据表明，在各个功率级(0.5瓦-6.5瓦)或者功率模式(例如，很高、高、中等、低、很低)上能够实现恒定的效率。
表1：功率级上效率的测量结果
  Vds(V)   Vset(V)  Vgs驱动器(V)   Pwr(W)   Pwr(dBm)   驱动器I(A)   PAI(A)   漏电源效率(％)   PAE(％)
  2.4   0.78  1.74   0.5   27.1   0.06   0.41   45.2   43.8
  3.6   0.81  1.79   1.3   31.1   0.08   0.72   45.1   44.6
  4.4   0.85  1.87   2   33   0.09   0.93   44.6   44.2
  5.4   0.88  1.92   3   34.8   0.1   1.13   45.2   44.9
  6.6   0.92  1.99   4.5   36.5   0.12   1.39   45.2   45
  7.2   0.97  2.07   5.3   37.2   0.13   1.51   44.9   44.8
  8   0.99  2.12   6.5   38.1   0.14   1.68   44.6   44.5
有利的是，本发明基本保持放大器输入端118处的恒定包络调制射频信号的预定振幅，其中功率放大器驱动器106的增益被连续调整，以提供功率放大器102的线性工作区中的有效工作。从而，功耗被降低，因此增大了供给电压电源117(该电源一般为电池组)两次充电之间射频功率放大器电路100的工作时间。从而，本发明提供了一种射频功率放大器电路100，其中在操作中，当放大器输出功率传感器120感测到功率输出值的变化时，功率放大器增益控制器150在功率放大器增益控制输入端113调整功率放大器102的增益设置，以及反馈电路110调整驱动器增益控制输入端112的增益设置，使得恒定包络调制信号在功率放大器的线性工作区以内，以及其中，功率放大器102和功率放大器驱动器106的增益设置被同时调整，直到实现功率放大器的功率输出值为止。
要认识到，这里描述的实施例可由一个或多个常规处理器和保存的独特程序指令构成，所述程序指令控制所述一个或多个处理器和某些非处理器电路一起实现这里描述的射频功率放大器电路的一些、大部分或全部功能。非处理器电路可以包括(但不限于)无线电接收器、无线电发射器、信号驱动器、时钟电路、电源电路和用户输入装置。从而，这些功能可被理解成基本把RF放大信号保持在恒定的预定振幅的方法的步骤。另一方面，一些或全部功能可由未保存程序指令的状态机实现，或者在一个或多个专用集成电路(ASIC)中实现，在所述一个或多个专用集成电路(ASIC)中，每种功能或者某些功能的一些组合被实现成定制的逻辑。当然，可以使用这两种方法的组合。从而，这里说明了关于这些功能的方法和手段。此外，预期尽管工作量可能相当大，以及存在由例如可用时间、目前的技术和经济考虑促成的多种设计选择，不过当在这里公开的概念和原理的引导下，本领域的普通技术人员能够通过最少的实验，容易地产生这样的软件指令和程序以及IC。
在上面的说明中，描述了本发明的具体实施例。不过，本领域的普通技术人员理解能够做出各种修改和变化，而不脱离在下面的权利要求中陈述的本发明的范围。例如，放大器输出传感器120可以采取与放大器输入信号传感器108类似的耦合器的形式，该耦合器连接在功率放大器的输出端，并向线性放大器140和功率放大器增益控制器150提供处理过的直流信号。因此，说明书和附图应被看作对本发明的举例说明，而不是对本发明的限制，所有这样的修改包括在本发明的范围之内。益处、优点、问题的解答，以及可能导致任何益处、优点或问题的解答出现或变得更明确的任何要素不应被理解成任意或所有权利要求的关键的、必需的或必不可少的特征或要素。本发明仅仅由包括在本申请的审查周期内做出的任何修改在内的附加权利要求和这些权利要求的所有等同物限定。

Claims (15)

1.一种射频功率放大器电路，包括：
恒定包络调制提供电路；
具有驱动器增益控制输入端、驱动器信号输出端、以及与恒定包络调制提供电路耦合的驱动器信号输入端的功率放大器驱动器；
具有与驱动器信号输出端耦合的放大器输入端的功率放大器；
具有放大器信号传感器输出的放大器输入信号传感器；
与功率放大器耦合，从而感测功率放大器的功率输出值的变化的放大器输出功率传感器；
具有与放大器输出功率传感器的功率变化检测器输出端耦合的增益控制器输入端的功率放大器增益控制器，功率放大器增益控制器的输出端与功率放大器的功率放大器增益控制输入端耦合；以及
具有与放大器信号传感器输出端耦合的射频信号输入端、与放大器输出功率传感器的功率变化检测器输出端耦合的基准输入端、以及与驱动器增益控制输入端耦合的反馈电路输出端的反馈电路，
其中在操作中，当放大器输出功率传感器感测到功率输出值的变化时，功率放大器增益控制器在功率放大器增益控制输入端调整功率放大器的增益设置，以及反馈电路调整驱动器增益控制输入端的增益设置，使得恒定包络调制射频信号在功率放大器的线性工作区以内，以及其中，功率放大器和功率放大器驱动器的增益设置被同时调整，直到实现功率放大器的功率输出值为止。
2.按照权利要求1所述的射频功率放大器电路，其中，所述反馈电路比较在基准输入端提供的电压值与源自射频信号输入端的电压值，以提供供给驱动器增益控制输入端的增益设置的电压。
3.按照权利要求2所述的射频功率放大器电路，其中，所述反馈电路包括对数放大器。
4.按照权利要求1所述的射频功率放大器电路，其中，恒定包络调制提供电路来自包括调频电路和频移键控调制电路的集合。
5.按照权利要求1所述的射频功率放大器电路，其中在操作中，当功率放大器的增益设置增大时，功率放大器驱动器的增益设置被降低。
6.按照权利要求1所述的射频功率放大器电路，其中在操作中，当功率放大器的增益设置降低时，功率放大器驱动器的增益设置被增大。
7.一种调整功率放大器的增益设置和功率放大器驱动器的增益设置的方法，该功率放大器和该功率放大器驱动器构成恒定包络调制射频放大器的部分，所述方法包括：
选择功率放大器的功率输出值和由功率放大器驱动器供给功率放大器的相关恒定包络调制射频信号；
感测功率放大器的功率输出值的变化；
响应于所述感测，调整功率放大器的增益设置；以及
响应于所述感测，调整功率放大器驱动器的增益设置，使得恒定包络调制射频信号在功率放大器的线性工作区以内，
其中，功率放大器和功率放大器驱动器的增益设置被同时调整，直到实现功率放大器的功率输出值为止。
8.按照权利要求7所述的调整增益设置的方法，其中，当功率放大器的增益设置增大时，功率放大器驱动器的增益设置被降低。
9.按照权利要求7所述的调整增益设置的方法，其中，当功率放大器的增益设置降低时，功率放大器驱动器的增益设置被增大。
10.按照权利要求7所述的调整增益设置的方法，其中，调整功率放大器驱动器的增益设置其特征还在于取决于：
在射频放大器的反馈电路的基准输入端供给控制电压值，所述控制电压值取决于功率输出值的感测变化；
提供与从功率放大器驱动器供给的恒定包络调制射频信号的振幅成正比的射频输出信号；以及
提供功率放大器驱动器的增益设置，功率放大器驱动器的增益设置的值取决于射频输出信号和在基准输入端提供的电压值。
11.按照权利要求10所述的调整增益设置的方法，其中，功率放大器驱动器的增益设置由包括对数放大器的电路提供。
12.按照权利要求10所述的调整增益设置的方法，其中，由在基准输入端提供的控制电压值与源自射频输出信号的电压值的比较，来提供功率放大器驱动器的增益设置。
13.按照权利要求7所述的调整增益设置的方法，其中，所述恒定包络调制射频信号是调频信号。
14.按照权利要求7所述的调整增益设置的方法，其中，所述恒定包络调制射频信号是频移键控调制信号。
15.按照权利要求7所述的调整增益设置的方法，其中，存在选择提供给功率放大器的电源输入端的电压电平的预先步骤。
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