CN103141023B - 通过减少调制码和选择性地门控rf信号缓冲器来节省电流 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用经温度计编码的和经二进制编码的幅度调制数据的极化调制功率放大器。经温度计编码的幅度调制数据选择性地激活一个或多个被相等加权的功率放大器单元。经二进制编码的幅度调制数据选择性地激活一个或多个经二进制加权的功率放大器单元。当要求低于全输出功率并且幅度调制数据的MSB是0（以量化噪声为代价减少输出功率）时，通过将针对与上述MSB对应的、未被使用的功率放大器单元的RF信号缓冲器的RF信号上游关闭，实质性地减少了由这些RF信号缓冲器所浪费的功率。

Description

通过减少调制码和选择性地门控RF信号缓冲器来节省电流

技术领域

本发明通常涉及无线通信发射机功率放大器，具体地说，本发明涉及控制功率放大器中的高频时钟缓冲器以减少功率消耗的方法。

背景技术

蓝是用于在自组织短程无线通信网络中创建和交换数据的开放标准。蓝牙由爱立信在1994年开发出来，已经成为许多无线通信终端以及许多其它类型的便携电子设备中的标准特征。所有便携电子设备的设计目标是减少功率消耗，从而延长电池寿命。

蓝牙系统的经数字调制的发射机功率放大器使用极化调制，其中，相位信息被调制到载波频率上的高频周期信号(时钟)上以及经数字编码的幅度调制。用于幅度调制的比特的数目与根据规范所允许的数模转换器(DAC)量化噪声有关。

用于调制的比特的数目与所需的电路数目有关，所有这些电路在高频时钟上转换。高频转换消耗了相对大的电流，从而增加了功率消耗。减少调制比特的数目减少了电源功耗；但是，这增加了量化噪声，并且，反之亦然。

用于蓝牙输出信号的载波频率噪声规范是绝对规范。这意味着在最大输出功率上噪声规范是最难的，其规定了在该情况下所需的调制比特的最小数目。当需要低于最大输出功率时，可以减少调制比特的数目。较低的调制比特的数目使得功率放大器的最高有效比特(MSB)单元被禁用，因为这些MSB数据比特具有值“0”。但是，当仍然活动时，针对这些未使用的MSB单元的高频时钟缓冲器确实浪费功率。该浪费的功率增加了功率消耗，增加了必须被消散的热，并且减少了便携设备的可用的电池寿命。

发明内容

根据本申请中描述的一个或多个实施例，极化调制功率放大器使用经温度计编码的和经二进制编码的幅度调制数据。经温度计编码的幅度调制数据选择性地激活一个或多个被相等加权的功率放大器单元。经二进制编码的幅度调制数据选择性地激活一个或多个经二进制加权的功率放大器单元。当需要低于全输出功率并且幅度调制数据的MSB是0(以量化噪声为代价减少输出功率)时，通过将针对与上述MSB对应的、未被使用的功率放大器的RF信号缓冲器的RF信号上游关闭，大大地减少了由这些RF信号缓冲器所浪费的功率。

一个实施例涉及一种在无线通信发射机功率放大器中减少功率消耗的方法。向多个功率放大器单元提供经相位调制的射频周期信号。接收数字幅度调制数据。第一多个调制数据比特是经温度计编码的。基于经温度计编码的调制数据比特选择性地激活一个或多个进行相等加权的功率放大器单元。第二多个调制数据比特是经二进制编码的。基于上述二进制编码的调制数据比特选择性地激活一个或多个二进制加权的功率放大器单元。接收输出功率要求指示。如果输出功率需求超出预定的阈值，则对所有功率放大器单元启用经相位调制的射频周期信号。如果输出功率需求低于该阈值，则经相位调制的射频周期信号是与不活动的功率放大器单元相关联的一个或多个最终的缓冲器的被选择性地门控的上游，以消除上述缓冲器中的开关电流。

另一实施例涉及用于无线通信发射机的功率放大器。该放大器包括：控制电路，该控制电路用于接收数字幅度调制数据和输出功率需求指示，并产生数字功率放大器单元启用数据。该放大器还包括多个门控信号驱动器，该多个门控信号驱动器用于接收经相位调制的射频周期信号，以及产生多个被门控的经相位调制的射频周期信号。每一门控信号驱动器包括：最终的缓冲器以及该最终的缓冲器的逻辑门上游。该逻辑门接收经相位调制的射频周期信号以及数字功率放大器单元启用数据中的一个比特。该放大器还包括编码器，该编码器用于对第一多个调制数据比特进行温度计编码以及对第二多个调制数据比特进行二进制编码。该放大器另外包括多个被相等加权的功率放大器单元，每一上述被相等加权的功率放大器单元被适配成接收多个被门控的经相位调制的射频周期信号中相对应的一个以及经温度计编码的调制数据比特，以及用于当由经温度计编码的调制数据比特激活时，选择性地放大被门控的经相位调制的射频周期信号。该放大器还包括多个经二进制加权的功率放大器单元，每一该经二进制加权的功率放大器单元被适配成接收上述多个被门控的经相位调制的射频周期信号中的相对应的一个以及经二进制编码调制的数据比特，并且用于当由经二进制编码的调制数据比特激活时，选择性地放大被门控的经相位调制的射频周期信号。上述控制电路进一步用于当输出功率需求低于阈值时，经由数字功率放大器单元启用数据对最终的缓冲器的经相位调制的射频周期信号上游进行选择性地门控，以消除最终的缓冲器中的开关电流。

附图说明

图1是发射机中的功率放大器单元的功能性方框图。

图2是描绘了针对发射机功率放大器的调制编码转换的方框图。

图3是具有门控RF信号驱动器的功率放大器的功能性示意图。

图4是减少发射机功率放大器的功率消耗的方法的流程图。

具体实施方式

图1描绘了蓝牙发射机中经极化调制的功率放大器输出级的一个实现。该发射机对射频(RF)周期信号进行相位调制，并且对该RF信号进行8比特幅度调制。具体地，如图1中所描述的，该幅度调制数据是经温度计编码的，其产生255比特，并且其与255个功率放大器单元的每一个中经相位调制的RF信号进行组合。通过选择性地关闭每一单独的功率放大器单元中的RF信号，RF信号的输出强度总和发生变化，实现了幅度调制。

如果需要低于全输出功率，则由于MSB是0，没有那么多功率放大器单元是工作着的，减少了活动的经温度计编码的调制比特的数目。这减少了输出电流，其可以通过增加“共源共栅”节点上的经线性控制的电流来补偿。

图2描绘了适于蓝牙发射机的经极化调制的功率放大器输出级的另一实施例。在该实施例中，部分地以二进制以及部分地以温度计码来对该8比特幅度调制数据进行编码。具体地，4个LSB是经二进制编码的，15个MSB是经温度计编码的。然后，这些比特对被适当加权的功率放大器单元中的经相位调制的RF信号进行门控。即，利用值8、4、2和1来加权接收经二进制编码的幅度调制比特的上述功率放大器单元。利用权重16对接收经温度计编码的幅度调制比特的功率放大器单元进行同等地加权。因此，图2中的实施例仅利用19个功率放大器单元而不是255个。这是面积、功率耗散和匹配的折中，其实现了足够的性能。

经相位调制的RF信号需要足够的驱动强度，以确保陡峭的信号坡度以及相位噪声位于规范内，因此，其必须利用足够大小的驱动器来进行缓冲。当需要全输出功率时，所有的功率放大器单元是活动的。但是，当可接受较低的输出功率时-例如，当所需的输出功率低于阈值时-在幅度调制数据在MSB位置中包括0时，关闭一些功率放大器单元中的RF信号。这些单元不对放大器输出做出贡献。但是，在RF信号开关时，将经相位调制的RF信号驱动到这些放大器单元的大缓冲器仍然消耗了大量电流。

图3描绘了经极化调制的功率放大器输出级10的实施例，在该实施例中，在需要低于全输出功率的情况下，通过在针对被禁用的功率放大器单元对经相位调制的RF信号进行最终的缓冲之前将其关闭，实现了更大的功率节省。

功率放大器12包括可变的电流源14，该电流源由控制器22控制，并且驱动串联晶体管16。串联晶体管16连接到每一个功率放大器单元20中的电流缓冲器18。功率放大器单元20是活动的或者是不基于幅度调制数据的，功率放大器单元20中的每一个具有权重因子(例如，16x,8x,1x)。控制器22接收8比特幅度调制数据并产生15比特经温度计编码的幅度调制字以及4比特经二进制编码的幅度调制字。来自相关的调制字的一比特在与门24中与在载波频率处的经相位调制的RF周期信号相与。与门的输出(即，RF信号或0)连接到控制晶体管26的栅极，其控制相关的功率放大器单元20是否对总信号输出做出贡献。包括相位调制的RF信号以及经幅度调制的RF信号的总输出在负载电感28处求和，并且经由天线30广播。

阵列RF信号驱动器32的每一个包括相对大的最终的缓冲器34，在该实施例中该最终的缓冲器被配置作为逆变器。与非门36在各最终的缓冲器34之前。与非门接收经相位调制的RF信号，以及由控制器22产生的数字功率放大器单元启用字的一个比特。与非门36和数字功率放大器单元启用字通过在经相位调制的RF信号到达最终的缓冲器34之前将其阻止而选择性地禁用单独的功率放大器单元20，这节省了大量的电流，否则这些电流会由于驱动至少一些将不对功率放大器12的总输出做出贡献的功率放大器单元20的缓冲器34中的高速开关而被浪费掉。

19比特的数字功率放大器单元启用字由控制器22产生，并且利用幅度调制数据来调整，以关闭经相位调制的RF信号至幅度调制数据为0的至少一些功率放大器单元20。通常，当需要全功率时，功率放大器单元启用字将门控幅度调制数据的MSB，并且通过使用用于幅度调制的较少比特来增加量化噪声。但是，在一些实施例中，除了MSB，可以关闭针对功率放大器单元20的经过相位调制的RF信号，例如，针对其被适当编码的幅度调制比特是0的那些功率放大器单元20。

控制器22可以包括：状态机，其被实现为专用的硬件电路或具有适当固件的可编程逻辑；在处理器或数字信号处理器上执行的一个或多个硬件模块；或其一些组合。要注意的是，在一些实施例中，被描述成存在于控制器22中的功能可以存在其它地方，并且，相反地，控制器22中可以包括其它功能(例如，RF信号的相位调制)。控制器22接收8比特幅度调制数据，根据这8比特幅度调制数据，其产生15比特温度计编码的幅度调制字以及4比特二进制编码的幅度调制字。控制器还接收所需的输出功率的指示，或者接收一个或多个阈值或具有预先配置的阈值。不同的输出功率阈值可以应用于不同的传输场合(即，根据诸如操作模式、指定的基底噪声等之类的其它的因素，对于相同的绝对输出功率级别，可以允许或不允许或想要以幅度调制量化误差为代价的功率节省)。如果所需的输出功率超出了可应用的阈值，则控制器启用所有的RF信号驱动器32，向每一功率放大器单元20提供经相位调制的RF信号。如果所需的输出功率低于可应用的阈值，则控制器关闭来自一个或多个最终的缓冲器34的经相位调制的RF信号，每一被门控的驱动器32与不活动的功率放大器单元20相关联，该功率放大器单元20由于在其经温度计或二进制编码的幅度调制字中相应的比特中是0而不活动。

图4描绘了在经极化调制的功率放大器输出级中减少功率消耗的方法100。向多个功率放大器单元20提供经相位调制的RF信号(方框102)。控制器22接收数字幅度调制数据(方框104)。控制器22对第一多个调制数据比特进行温度计编码(方框106)，并且基于经温度计编码的调制数据比特，选择性地激活一个或多个经相等加权的功率放大器单元20(方框108)。控制器22对第二多个调制数据比特进行二进制编码(方框110)，并且基于经二进制编码的调制数据比特，选择性地激活一个或多个经二进制加权的功率放大器单元20(方框112)。控制器22接收输出功率需求指示(方框114)。如果输出功率需求超出了预定的阈值(方框116)，则控制器112对所有功率放大器单元20启用经相位调制的RF信号(方框118)。如果输出功率需求不超出该阈值(方框116)，则控制器22对与不活动的功率放大器单元20相关联的一个或多个最终的缓冲器34的经相位调制的RF信号上游进行选择性地门控，以消除缓冲器中的开关电流。

将幅度调制数据量化在8比特中，以满足在+10dBm处针对增强的数据速率(EDR)的邻信道功率比(ACPR)规范。输出功率是幅度调制值和应用到共源共栅节点的偏置电流的乘积。利用这些因素的不同组合，可以达到相同的输出功率。例如：

EDR＝10dBm 8-比特(具有最低量化噪声的最佳ACPR；以余量满足FCC/ETSI规范；驱动8mA)

EDR＝10dBm 7.5-比特(以减小的电流满足ACPR规范；驱动6mA)(该7.5比特产生于由权重为16的15个温度计单元20和4个权重为8、4、2和1的二进制单元20所创建的8比特)

EDR＝4dBm 7-比特(驱动4mA)

EDR＝4dBm 6-比特(驱动2mA)

BDR＝13dBm 7-比特(由于幅度调制是常量，所以没有ACPR问题；驱动4mA)

BDR＝13dBm 6-比特(由于幅度调制是常量，所以没有ACPR问题；驱动2mA)

本申请中描述的极化调制的功率放大器输出级的实施例呈现了优于现有技术的许多优点。针对幅度调制数据的MSB，对经相位调制的RF信号进行选择性地门控，同时减少调制比特的数目，实现了噪声规范和必要的供电之间的折中。尤其是当以低于最大输出功率工作时(大部分时间是这种情况)，效率明显地增加，实现了对电池寿命的增加。在基本数据速率(BDR)模式，没有幅度调制被使用。在这种情况下，可以使用产生输出功率必需的最小的比特数目，最佳地使用本发明的实施例。在蓝牙系统的传输协议的每一头部处使用该BDR模式。FCC/ETCI规范主要涉及关于ACPR的绝对级别。在较低的功率级别处，可能引入更多的量化噪声，仍然满足规定。另外地，所增加的实现RF信号门控所需的电流未增加显著的功率耗散，其需要非常低的额外布局区域。

虽然本申请中针对蓝牙发射机进行了描述，但是本发明的实施例并不受该申请的限制或局限，其可以方便地应用于处理调制码的任何发射机中，并且禁用高速时钟缓冲器可以减少功率消耗。

本发明当然可以在不偏离本发明的必要特征的情况下，以与本申请中具体给出的方式所不同的方式来实现。所呈现的实施例应该在所有方面被认为是示例性的而不是限制性的。这样的话，本发明并不受前面的描述和附图所限制。而是，本发明仅由权利要求及其法律的等同物所限制。

Claims (13)

1.一种在无线通信发射机功率放大器中减少功率消耗的方法，包括：

向多个功率放大器单元提供经相位调制的射频周期信号；

接收数字幅度调制数据；

对第一多个所述调制数据比特提供温度计编码；

基于经温度计编码的调制数据比特，选择性地激活一个或多个经相等加权的功率放大器单元；

对第二多个所述调制数据比特提供二进制编码；

基于经二进制编码的调制数据比特，选择性地激活一个或多个经二进制加权的功率放大器单元；

接收输出功率需求指示；

如果所述输出功率需求超出预定的阈值，则对所有所述功率放大器单元启用所述经相位调制的射频周期信号；以及，

如果所述输出功率需求低于所述阈值，则对与不活动的功率放大器单元相关联的一个或多个最终的缓冲器的所述经相位调制的射频周期信号上游进行选择性地门控，以消除在所述缓冲器中的开关电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于经温度计编码的调制数据比特选择性地激活一个或多个经相等加权的功率放大器单元包括：

基于经温度计编码的调制数据比特，选择性地激活多个经相等加权的功率放大器单元。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，基于经二进制编码的调制数据比特选择性地激活一个或多个经二进制加权的功率放大器单元包括：

基于经二进制编码的调制数据比特，选择性地激活多个经二进制加权的功率放大器单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，由串联晶体管调节通过每一功率放大器单元的电流，并且还包括：

如果所述输出功率需求低于所述阈值，则经用所述串联晶体管调整通过活动的功率放大器单元的电流，以保持想要的输出功率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一多个所述调制数据比特包括所述调制数据的最高有效比特，以及，所述第二多个所述调制数据比特包括所述调制数据的最低有效比特。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，对一个或多个最终的缓冲器的所述经相位调制的射频周期信号上游进行选择性地门控包括：

提供数字功率放大器单元启用数据；以及

其中，向多个功率放大器单元提供经相位调制的射频周期信号包括：

利用所述数字功率放大器单元启用数据中的每一比特对所述经相位调制的射频周期信号进行逻辑地门控以及向各功率放大器单元提供各被门控的经相位调制的射频周期信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述多个功率放大器单元是19个单元；

所述数字幅度调制数据是8比特；

所述第一多个经温度计编码的调制比特是15比特以及所述多个经相等加权的功率放大器单元是15个单元；以及

所述第二多个经二进制编码的调制数据比特是4比特以及所述多个经二进制加权的功率放大器单元是4个单元。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述15个相等加权的功率放大器单元具有权重16，以及所述4个经二进制加权的功率放大器单元具有权重8、4、2和1。

9.一种用于无线通信发射机的功率放大器输出级，包括：

控制电路，用于接收数字幅度调制数据和输出功率需求指示，以及产生数字功率放大器单元启用数据；

多个门控信号驱动器，用于接收经相位调制的射频周期信号，以及产生多个被门控的经相位调制的射频周期信号，每一门控信号驱动器包括：

最终的缓冲器；以及

所述最终的缓冲器的逻辑门上游，所述逻辑门接收所述经相位调制的射频周期信号以及所述数字功率放大器单元启用数据中的一比特；

编码器，用于对第一多个所述调制数据比特进行温度计编码以及对第二多个所述调制数据比特进行二进制编码；

多个被相等加权的功率放大器单元，每一所述被相等加权的功率放大器单元被适配成接收所述多个被门控的经相位调制的射频周期信号中相对应的一个以及经温度计编码的调制数据比特，以及用于当被经温度计编码的调制数据比特激活时，选择性地放大被门控的经相位调制的射频周期信号；以及

多个经二进制加权的功率放大器单元，每一所述经二进制加权的功率放大器单元被适配成接收所述多个被门控的经相位调制的射频周期信号中的相对应的一个以及经二进制编码的调制数据比特，以及用于当由所述经二进制编码的调制数据比特激活时，选择性地放大被门控的经相位调制的射频周期信号；

其中，所述控制电路进一步用于在所述输出功率需求低于阈值时，经由所述数据功率放大器单元对所述最终的缓冲器的所述经相位调制的射频周期信号上游选择性地进行门控，以消除所述最终的缓冲器中的开关电流。

10.根据权利要求9所述的功率放大器输出级，还包括：

串联晶体管，用于调节通过每一功率放大器单元的电流，并且其中，所述控制电路还用于当所述输出功率需求低于所述阈值时，经由所述串联晶体管调整通过活动的功率放大器单元的电流，以保持所需的输出功率。

11.根据权利要求9所述的功率放大器输出级，其中，所述第一多个所述调制数据比特包括所述调制数据的最高有效比特，以及所述第二多个所述调制数据比特包括所述调制数据的最低有效比特。

12.根据权利要求9-11中的任一项所述的功率放大器输出级，其中，

所述第一多个经温度计编码的调制数据比特是15比特，并且所述多个被相等加权的功率放大器单元是15个单元；

所述第二多个经二进制编码的调制数据比特是4比特，并且所述多个经二进制加权的功率放大器单元是4个单元；

所述数字幅度调制数据是8比特；以及

所述数字功率放大器单元启用数据是19比特。

13.根据权利要求12所述的功率放大器输出级，其中，所述15个被相等加权的功率放大器单元具有权重16，以及所述4个经二进制加权的功率放大器单元具有权重8、4、2和1。