CN102270966A - 两级多尔蒂放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多尔蒂功率放大器，包括适于接收输入信号和提供相对于输入信号相移的第一输出信号的第一功率放大器(主PA)。所述放大器进一步包括适于接收经相移的输入信号和提供第二输出信号第二功率放大器(峰值PA)；所述功率放大器的特征在于所述第一或者第二功率放大器的至少一个包括：包括第一栅极输入和第一漏极输出的第一驱动功率放大器(T1)；所述第一驱动功率放大器(T1)耦接于包括第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器(T2)；第一栅极输入和第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在耦接于输入信号的包络检测器提供包络检测后获得。

Description

两级多尔蒂放大器

技术领域

本发明涉及一种两级多尔蒂放大器(Doherty Amplifier)，其包括第一功率放大器，适于接收输入信号以及适于提供第一输出信号，该第一输出信号相对于输入信号相移，两级多尔蒂放大器进一步包括第二功率放大器，用于接收经相移的输入信号以及适于提供第二输出信号。

背景技术

多尔蒂放大器广泛用于高频功率放大器中。一种典型的多尔蒂放大器如图1所示。它包括主功率放大器(PA)和峰值PA。所述功率放大器使用如LDMOS、HEMT等不同的技术实现。施加到放大器的输入端子的输入信号被划分为两个分量。第一分量施加到主PA上，第二分量施加到相移器Z₀₁上，所述相移器适于使输入信号相移90°。经相移的第二分量输入到峰值PA。主PA传递第一分量的放大形式并将其施加至第二相移器Z₀₁的输入，所述第二相移器Z₀₁实质上等同于第一相移器。第一分量的放大形式的相移形式与峰值PA传递的信号结合。合成的信号然后施加到第三相移器Z₀₂的输入，第三相移器使合成的信号相移90°。相移信号然后被施加到输出端子。特别地，峰值PA和主PA均为具有栅极输入的晶体管。

即使放大器使用多于一个晶体管实现，我们将在通篇描述中保留这个术语。在这种情况下，栅极输入指包括在PA中的晶体管栅极以及栅极输入接收控制信号。同时，漏极输入指包括在PA中的晶体管漏极端子以及漏极输入用于供应晶体管。应该理解在特定的情况下，栅极输入与PA的输入一致。

所述多尔蒂放大器可使用用于峰值PA、或者用于主PA、或者用于两者的两级放大器来实现。这种两级放大器的例子如图2所示。它包括第一驱动晶体管T1，其通过一个级间匹配电路20耦接于功率晶体管T2。第一驱动晶体管T1通过一个输入匹配电路10接收输入信号，所述输入匹配电路10用于使驱动晶体管的输入阻抗适应于产生输入信号的发生器的阻抗。由功率晶体管T2产生的输出信号通过输出匹配电路30输出到接收器(图中未示出)，所述输出匹配电路30使功率晶体管T2的输出阻抗适应于接收器的输入阻抗。

发明内容

需要在保持放大器的较好线性的情况下提高效率。

因此，本发明的一个目的在于提高两级多尔蒂放大器的性能。这个目的可以在这里描述的第一段中的多尔蒂功率放大器中获得，第一功率器或者第二功率放大器的至少一个包括

第一驱动功率放大器，包括第一栅极输入和第一漏极输出；

第一驱动功率放大器耦接于包括第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器；

所述第一栅极输入和第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在耦接于输入信号的包络检测器提供包络检测后获得。

这些特征决定了当控制施加到放大器的栅极输入时放大器的较低功率消耗。而且，栅极输入控制允许较好地控制放大器的线性控制和电能效率。

本发明由独立权利要求说明。从属权利要求详细说明了有利的实施例。

本发明的一个实施例中，多尔蒂放大器进一步包括控制逻辑电路，控制逻辑电路包括

第一差分放大器，适于接收由包络检测器产生的输出信号、第一参考信号以及产生第一差分信号；

第一限制器，适于接收第一差分信号以及产生第一限制器输出信号；

第二限制器，适于接收由包络检测器产生的输出信号，以及产生第二限制器输出信号；

求和放大器，适于接收第二限制器输出信号和第一差分信号，求和放大器产生求和输出信号，其中第一限制器输出信号适于控制第一栅极，求和输出信号适于控制第二栅极。

在发明的另一实施例中，第二控制栅极通过放大器接收求和输出信号。

优选地，求和放大器包括适于接收第二限制器输出信号和第一差分信号以及适于产生加法器输出信号的加法器。所述求和放大器进一步包括用于接收加法器输出信号和第二参考信号以及用于产生求和输出信号的第二差分放大器。

有益地，第二参考信号简单来说为第一参考信号的一半。

在另一实施例中，第一功率放大器和第二功率放大器包括

第一驱动功率放大器，包括第一栅极输入和第一漏极输出；

第一驱动功率放大器耦接于包括第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器；

所述第一栅极输入和第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在耦接于输入信号的包络检测器提供包络检测后获得。

优选地，由第一功率放大器或者第二功率放大器或者两者产生的信号被输入到用于抑制所述信号的二次谐波和三次谐波的电路中。这会提高功率放大器产生信号的纯度以及进一步提高放大器的线性和效率。

本申请也涉及一种操作多尔蒂功率放大器的方法，包括步骤：

第一功率放大器接收输入信号，提供相对于所述输入信号相移的第一输出信号；

第二功率放大器接收经相移的输入信号，提供第二输出信号；

其特征在于所述方法进一步包括步骤

接收控制信号，所述控制信号表示通过输入信号的包络检测获得的信号；

施加控制信号到包含第一驱动功率放大器的电路，所述第一驱动功率放大器包括第一栅极输入和第一漏极输出，所述第一驱动功率放大器耦接于包含第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器(T2)，所述第一栅极输入和第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在由耦接于输入信号的包络检测器提供的包络检测之后获得。

在优选实施例中，操作多尔蒂功率放大器的方法进一步包括步骤使用包络检测器对输入信号进行包络检测来获得控制信号。

需要指出的是包络检测可能不是要求保护的电路的一部分，以及涉及信号包络的信息可在任何地方生成。

附图说明

根据附图示例性的描述，以上和其它优点将变得显而易见。在附图中

图1描述了一级多尔蒂放大器；

图2描述了常规两级放大器；

图3描述了根据本发明的两级多尔蒂放大器；

图4描述了根据本发明实施例的多尔蒂放大器的主放大器的更详细形式；以及

图5描述了已知多尔蒂放大器和根据本发明的多尔蒂放大器之间的效率比较。

图6描述了根据本发明的多尔蒂放大器的波形示例。

具体实施例

图3描述了根据本发明的两级多尔蒂放大器。多尔蒂功率放大器包括适于接收输入信号的第一功率放大器“主PA”，第一功率放大器适于提供相对于输入信号的相移的第一输出信号。放大器进一步包括第二功率放大器，适于接收经相移的输入信号和提供第二输出信号。第一功率放大器包括第一驱动功率放大器“驱动器(主)”，第一驱动功率放大器“驱动器(主)”包括第一栅极输入和第一漏极输出。第一驱动功率放大器“驱动器(主)”耦接于第一输出功率放大器“主PA”，第一输出功率放大器“主PA”包括第二栅极输入和第二漏极输出。第一栅极输入和第二栅极输入均接收控制信号。所述控制信号在由耦接于输入信号的包络检测器提供的包络检测之后获得。

此处需提醒注意的是如图3所示，基于阐述的目的，仅“驱动器(主)”和“主PA”由包络检测器生成的信号控制。然而，“峰值PA”和它的驱动器“驱动器(峰值)”也可能被在由耦接于输入信号的包络检测器提供的包络检测之后获得的控制信号控制。更甚者，“主PA”和它的驱动器“驱动器(主)”与“峰值PA”和它的驱动器“驱动器(峰值)”都可能被在由耦接于输入信号的包络检测器提供的包络检测之后获得的控制信号控制。这些特征进一步提供了放大器的线性和效率。

由“主PA”或者“峰值PA”产生的信号能包括谐波，即频率为放大器产生信号的主频的倍数的信号。这些谐波由在放大器中使用的元件的非线性确定。众所周知，二次谐波和三次谐波(即具有两倍和三倍于功率放大器产生的信号的频率的信号)具有最高幅值。这些谐波决定放大器至少一个最差的线性。因此多尔蒂功率放大器包括用于抑制(trapping)二次谐波和/或三次谐波的电路。应该理解“抑制”意为相应的电路适于减少相应的谐波的幅值。抑制电路的一个示例现有技术公知的陷波滤波器。

图4更详细的描述了根据本发明的一个实施例中的第一放大器的实现方法。

在图4中，控制逻辑电路包括适于接收由包络检测器生成的输出信号和第一参考信号以及适于产生第一差分信号的第一差分放大器D2。第一限制器D3适于接收第一差分信号和产生第一限制输出信号。控制逻辑电路进一步包括适于接收由包络检测器生成的输出信号和适于生成第二限制器输出信号的第二限制器D4。控制逻辑电路进一步包括适于接收第一和第二限制器的输出的求和放大器D5，以及适于接收D5的输出和第二参考信号的减法放大器D6。第一限制器输出信号适于控制第一栅极。

第二控制栅极通过放大器D7接收D6的减法输出信号。第二参考信号简单来说为第一参考信号的一半。

我们将驱动PA的输入信号表示为V_in(t)。它的包络|V_in(t)|·|V_in(t)|通过包络检测器D1获得，并提供给第一差分放大器D2和第一幅值限制器D4。D2的输出V_D2(t)通过等式(1)给出，其中E_{peak_I}＝max(|V_in(t)|)为预定义的常量，等于V_in(t)允许的最大允许包络。

V_D2(t)＝V_ref-|V_in(t)|＝E_{peak_I}-|V_in(t)|    (1)

限制器D3和D4两者的功能是只要它们的幅值小于E_{peak_I}/2就允许它们输入信号直接通过，否则输出E_{peak_I}/2。D3的输出V_D3(t)由等式(2)给出

$V_{D3}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{E}_{\mathrm{peak}\_I}/2& \left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|<E_{\mathrm{peak}\_I}/2\\ E_{\mathrm{peak}\_I}-\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|& E_{\mathrm{peak}\_I}/2\&le;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|<E_{\mathrm{peak}\_I}\end{array}\right.---\left(2\right)$

因为D3和D4的输入将决不为负，所以它们的输出也将如此。求和器D5的输出由等式(3)给出

$V_{D5}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}+\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|& 0\&le;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|\&le;\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}\\ \frac{{3E}_{\mathrm{peak}\_I}}{2}-\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|& E_{\mathrm{peak}\_I}\&GreaterEqual;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|>\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

第二差分放大器D6的输出由等式(4)给出

$V_{D6}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|& 0\&le;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|\&le;\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}\\ E_{\mathrm{peak}\_I}-\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|& E_{\mathrm{peak}\_I}\&GreaterEqual;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|>\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

最后，放大器D7是增益为

的放大器，其输出由等式(5)给出。其中E_{peak_II}＝max(|V_{out_I}(t)|)为预定义的，并等于V_{out_I}(t)的最大包络，即输出PA的输入信号。

$V_{D7}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-0.8E_{\mathrm{peak}\_\mathrm{II}}*\frac{\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{E_{\mathrm{peak}\_I}}& 0\&le;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|\&le;\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}\\ -0.8E_{\mathrm{peak}\_\mathrm{II}}*(1-\frac{\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{E_{\mathrm{peak}\_I}})& E_{\mathrm{peak}\_I}\&GreaterEqual;\left|V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|>\frac{E_{\mathrm{peak}\_I}}{2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

正如已经提到的，E_{peak_I}表示v_in的最大包络，以及E_{peak_II}表示Vout_I的最大包络。驱动器PA和输出PA的栅偏压分别为Vg_I和Vg_II。根据本发明描述，偏压Vg_I和Vg_II由|V_in(t)|控制。

图5描述了已知多尔蒂放大器和根据本发明的多尔蒂放大器之间的效率比较。容易观察到根据本发明的多尔蒂放大器的效率提高了。

图6描述了根据本发明的多尔蒂放大器的波形示例。容易看到当|V_in|＝E_{peak_I}时，由于Vg_I＝Vg_II＝0，驱动器PA和输出PA均在B类工作。漏偏压Vdc_II和输出PA的负载阻抗这样设置使得在这种情况下，当|Vin|＝E_{peak_I}时B类放大器的效率达到了它可能的最大值，即78.5％。

图6(b)示出了相应的驱动器PA输出的包络|Vout_I|，图6(c)中示出|Vout_II|。表I总结了在这种情形下驱动器PA和输出PA的工作条件的关键因素，其中，相对增益是相对于B类器件的理论增益的增益。

表I.对应于图6的关键因素总结

下面这里将给出定量分析以证明根据本发明的两级PA的效率和线性。

特别地，我们将分析当|V_in|＝0.25E_{peak_I}，0.5E_{peak_I}，0.6E_{peak_I}，0.7E_{peak_I}和0.9E_{peak_I}时的五种情形，此外还分析当|V_in|＝0以及当|V_in|＝E_{peak_I}时的情形。

当|V_in|＝0，Vg_I＝0.5E_{peak_I}以及当Vg_II＝0时，因为不存在DC电流，所以输出PA不消耗DC的电能。

对|V_in|＝0.25E_{peak_I}：

1)Vg_I＝0.5E_{peak_I}以及

Vg_II＝-0.8E_{peak_II}*.25＝-0.2E_{peak_II}。

2)驱动器PA在A类下工作，具有相对增益2，|Vout_I|＝0.5E_{peak_II}。

3)对|Vout_I|＝0.5E_{peak_II}和Vg_II＝-0.2E_{peak_II}，输出PA在0.73π的导通角度下工作。结果，当|Vout_I|＝E_{peak_II}且Vg_II＝0时得到I_l＝0.250I_m和I_dc＝0.143I_m，其中，I_l为基波电流(fundamental current)，I_dc为DC电流以及I_m对应于I_l。

基于特定的I_l和I_dc，得到

η_I＝21.9％，η_D＝43.7％(η＝39.3％)

其中η_I表示当两级PA独立使用时的效率，η_D表示其中两级PA用作主PA的多尔蒂PA的效率，η表示常规的多尔蒂PA的效率。

对|V_in|＝0.5E_{peak_I}：

1)Vg_I＝0.5E_{peak_I}和Vg_II＝-0.4E_{peak_II}。

2)驱动器PA在A类下工作，具有相对增益2，|Vout_I|＝E_{peak_II}。

3)对|Vout_I|＝E_{peak_II}和Vg_II＝-0.4E_{peak_II}，输出PA的导通角度保持为0.73π。结果，得到I_l＝0.501I_m和I_dc＝0.285I_m。进而

η_I＝43.9％，η_D＝87.8％(η＝78.5％)

对|V_in|＝0.6E_{peak_I}：

1)Vg_I＝0.4E_{peak_I}和Vg_II＝-0.32E_{peak_II}。

2)驱动器PA在AB类下工作，具有饱和输出|Vout_I|＝E_{peak_II}。

3)对|Vout_I|＝E_{peak_II}和Vg_II＝-0.32E_{peak_II}，输出PA的导通角度变为0.784π。结果，得到I_l＝0.596I_m和I_dc＝0.345I_m。进而

η_I＝51.7％，η_D＝75.7％(η＝70.7％)

对|V_in|＝0.7E_{peak_I}：

1)Vg_I＝0.3E_{peak_I}和Vg_II＝-0.24E_{peak_II}。

2)驱动器PA在类AB下工作，具有饱和输出，|Vout_I|＝E_{peak_II}。

3)对|Vout_I|＝E_{peak_II}和Vg_II＝-0.24E_{peak_II}。输出PA的导通角度变为0.84π。结果，得到I_l＝0.695I_m和I_dc＝0.345I_m。进而

η_I＝59.1％，η_D＝73.2％(η＝70.0％)

对|V_in|＝0.9E_{peak_I}：

1)Vg_I＝0.1E_{peak_I}和Vg_II＝-0.08E_{peak_II}。

2)驱动器PA在类AB下工作，具有饱和输出|Vout_I|＝E_{peak_II}。

3)对|Vout_I|＝E_{peak_II}和Vg_II＝-0.08E_{peak_II}，输出PA的导通角度变为0.94π.。结果，得到I_l＝0.894I_m和I_dc＝0.554I_m。进而

η_I＝72.6％，η_D＝75.9％(η＝74.8％)

对|V_in|＝E_{peak_I}：

1)Vg_I＝0和Vg_II＝0。

2)驱动器PA在类B下工作，|Vout_I|＝E_{peak_II}。

3)对|Vout_I|＝E_{peak_II}和Vg_II＝0，输出PA在类B下工作，得到I_l＝I_m和I_dc＝0.637I_m。进而

η_I＝η_D＝78.5％(η＝78.5％)

需要注意的是本发明保护的范围不局限于这里描述的实施例。本发明保护的范围也不局限于权利要求中的参考数字。词语“包括”并不将权利要求未提及的其它部分排除在外。元件前的词语“一个”不排除多个元件的情况。本发明的装置形成部件可以专门的硬件形式或者编程用途的处理器形式二者实现。本发明存在新的特征或者特征的结合。

Claims (9)

1.一种多尔蒂功率放大器，包括：

第一功率放大器(主PA)，适于接收输入信号，适于提供相对于输入信号相移的第一输出信号；

第二功率放大器(峰值PA)，适于接收经相移的输入信号，适于提供第二输出信号；

其特征在于所述第一或者第二功率放大器的至少一个包括：

第一驱动功率放大器(T1)，包括第一栅极输入和第一漏极输出；

所述第一驱动功率放大器(T1)耦接于包括第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器(T2)；

所述第一栅极输入和第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在耦接于输入信号的包络检测器提供包络检测后获得。

2.根据权利要求1所述的多尔蒂功率放大器，进一步包括控制逻辑电路，所述控制逻辑电路包括：

第一差分放大器(D2)，适于接收由包络检测器产生的输出信号、第一参考信号以及产生第一差分信号；

第一限制器(D3)，适于接收第一差分信号以及产生第一限制器输出信号；

第二限制器(D4)，适于接收由包络检测器产生的输出信号，以及产生第二限制器输出信号；

求和放大器(D5，D6)，适于接收第二限制器输出信号和第一差分信号，求和放大器(D5，D6)产生求和输出信号；

其中第一限制器输出信号适于控制第一栅极，求和输出信号适于控制第二栅极。

3.根据权利要求2所述的多尔蒂功率放大器，其中第二控制栅极通过放大器(D7)接收求和输出信号。

4.根据权利要求2或3所述的多尔蒂功率放大器，其中，所述求和放大器包括适于接收第二限制器输出信号和第一差分信号以及适于产生加法器输出信号的加法器(D5)，所述求和放大器进一步包括用于接收加法器输出信号和第二参考信号以及用于产生求和输出信号的第二差分放大器(D6)。

5.根据权利要求4所述的多尔蒂功率放大器，其中第二参考信号实质上为第一参考信号的一半。

6.一种多尔蒂功率放大器，包括：

第一功率放大器(主PA)，适于接收输入信号，适于提供相对于输入信号相移的第一输出信号；

第二功率放大器(峰值PA)，适于接收经相移的输入信号，适于提供第二输出信号；

其特征在于所述第一和第二功率放大器的每一个均包括：

第一驱动功率放大器(T1)，包括第一栅极输入和第一漏极输出；

所述第一驱动功率放大器(T1)耦接于包括第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器(T2)；

所述第一栅极输入和所述第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在耦接于输入信号的包络检测器提供包络检测后获得。

7.根据前述任一权利要求所述的多尔蒂功率放大器，其中由第一功率放大器(主PA)或者第二功率放大器(峰值PA)或者两者产生的信号被输入到用于抑制所述信号的二次谐波和/或三次谐波的电路中。

8.一种操作多尔蒂功率放大器的方法，包括步骤：

第一功率放大器(主PA)接收输入信号，提供相对于所述输入信号相移的第一输出信号；

第二功率放大器(峰值PA)接收经相移的输入信号，提供第二输出信号；

其特征在于所述方法进一步包括步骤：

接收控制信号，所述控制信号表示通过输入信号的包络检测获得的信号；

施加控制信号到包含第一驱动功率放大器(T1)的电路，所述第一驱动功率放大器(T1)包括第一栅极输入和第一漏极输出，所述第一驱动功率放大器(T1)耦接于包括第二栅极输入和第二漏极输出的第一输出功率放大器(T2)，所述第一栅极输入和第二栅极输入适于接收控制信号，所述控制信号在由耦接于输入信号的包络检测器提供的包络检测之后获得。

9.一种操作多尔蒂功率放大器的方法，进一步包括步骤：使用包络检测器对输入信号进行包络检测来获得控制信号。

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