CN103210582A - 具有失配容忍度的rf功率放大器电路 - Google Patents

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Abstract

一种射频(RF)功率放大器系统响应于功率放大器(PA)的RF输出信号的测量或估计功率，自适应地调整向该PA提供的供应电压。该RF PA系统包括功率放大器(PA)，其接收并且放大RF输入信号以在适合于天线传输的水平生成RF输出信号。PA供应电压控制器生成供应电压控制信号，该供应电压控制信号用于控制到该PA的最后一级的供应电压。响应于该RF PA输出信号的测量或估计功率，并且还可以响应于用于指示在该PA输出处经历的阻抗失配的参数，生成该供应电压控制信号。通过控制该RF PA的供应电压，提高该PA的效率。

Description

具有失配容忍度的RF功率放大器电路
技术领域
本发明涉及用于控制RF PA(射频功率放大器)的电路，并且更具体而言涉及用于调整RF PA的供应电压的RF PA控制器。
背景技术
在便携式电子设备如手机、膝上电脑和其他电子设备中广泛地使用RF(射频)发射器和RF功率放大器。在这些设备中使用的RF发射器和RF功率放大器放大并且远程地发射RF信号。RF PA是在这些电子设备中的最主要的功率消耗源之一，并且其效率对于这些便携式电子设备的电池寿命具有显著影响。例如手机制造商进行极大努力来提高RF PA系统的效率，因为RF PA的效率是确定手机的电池寿命和它的通话时间的最关键的因素之一。
图1示出了常规RF发射器电路，其包括发射器集成电路(TXIC)102和外部功率放大器(PA)104。在一些情况中，在TXIC 102与PA 104之间可能存在滤波器。例如，RF发射器电路可以被包括在使用一个或多个手机标准(调制技术)如UMTS(通用移动电话系统)或CDMA(码分多址)的手机设备中，当然RF发射器电路可以被包括在任何其他类型的RF电子设备中。仅仅为了说明的目的，在这里将RF发射器电路描述为手机设备的一部分。TXIC 102生成要由PA 104放大并且要由天线(未示出)远程发射(110)的RF信号。例如，RF信号106可以使由TXIC 102根据UMTTS或CDMA标准调制的RF信号106。
RF功率放大器104通常包括输出晶体管(未显示)作为它的最后一个放大级。当由PA 104放大RF已调信号106时，该输出晶体管往往会使RF已调信号106失真，导致在输出信号110处比输入信号106处更宽的频谱占用。由于RF频谱是在手机用户之间共享的，所以该更宽的频谱占用是不希望的。因此，手机标准典型地调节可接受的失真的量，因而需要输出晶体管满足高的线性要求。就这点而言，当对RF输入信号106进行幅度调制时，需要对PA 104的输出晶体管进行偏置使得该输出晶体管在峰值发射功率上仍然线性。这典型地导致在RF输入信号106的幅度的非峰值期间的功率浪费，因为该偏置是针对峰值功率水平处的可接受的失真而保持固定的。
某些RF调制技术发展为需要更得多的频谱效率，并且因此迫使PA 104牺牲更多的功率效率。例如虽然在PA 104的输出晶体管的峰值功率处的效率可以高于60％，但是当使用诸如WCDMA的调制格式时，利用某些类型的编码，PA 104的效率下降到低于30％。该性能改变是由于PA 104中的RF晶体管在RF输入信号106的幅度的非峰值期间保持在几乎固定的偏置。
存在用于提供PA 104中的效率增益的一些常规技术。一种常规技术提供降低由电源(例如开关模式电源(SMPS)112)向PA 104提供的供应电压108来提高PA 104中的效率。通过使用较低的电源电压108，PA 104以提高的功率效率来操作，因为其操作更靠近饱和点。但是，电源电压108不可以被降得太低，因为这将导致PA 104进行操作的电压余量不足，导致不可接受的失真。如前所述，该失真可能导致所发射的信号的能量溢出到相邻信道上，增加频谱占用并且产生对工作在那些相邻信道中的无线电器件的干扰。因此，应该为PA选择能够平衡可接受的失真与好的效率的最佳供应电压。
一种常规方法使用固定输出电压下降调节器(如开关模式电源(SMPS)112)来降低到PA 104的供应电压。但是，在许多应用中选择固定电源电压是不够的。例如在大部分蜂窝系统中，PA输出功率频繁地改变，因为基站命令手持机调整它的发射功率以改善网络性能，或者因为手持机改变它的发射信息速率。当PA输出功率改变时，该PA的最佳供应电压(如上所述)改变。
因此，在一些系统中，首先确定RF输出信号110的期望功率，并且随后根据该期望功率来调整电源电压108。通过自适应地调整供应电压108，在各种PA输出功率水平上PA 104的效率都提高。常规方法用“开环”方式估计RF输出信号110的期望功率，其中在该方式中根据所传递的RF输入信号106的功率来估计RF输出信号110的功率。但是，RF输出信号110的功率的估计可能仍然不足以正确地调整供应电压108。例如需要知道峰均比(PAR)来估计PA的最佳供应电压。PAR指示已调RF输出信号110中的平均幅度与峰值幅度之间的差异。利用更高的PAR，需要更高的供应电压来容纳RF输出信号110的峰值电压抖动。许多现代蜂窝系统实时地改变调制的PAR，需要相应地调整供应电压。因此，在这些蜂窝系统中，基于PA输出功率的估计来调整PA 104的供应电压108的常规方法是不适合的。
此外，呈现给PA 104的负载带来另一个重大问题。PA 104通常驱动通常包括滤波器和天线的电路。该电路典型地具有大约50ohm范围内的标称阻抗。但是，该电路的阻抗有时候与该标称相比剧烈改变。例如如果触摸该天线或者蜂窝设备被放到金属表面上，则天线的阻抗改变，向PA 104反射阻抗改变。耦合到PA 104的电路的阻抗的改变可能需要改变到PA 104的供应电压以防止流入该电路的RF输出信号110失真。但是上述常规方法不响应于该电路的阻抗的改变而调整供应电压。
虽然可以通过向PA 104恒定地提供比最佳供应电压更高的电压来避免在PA 104的输出处的阻抗改变问题，但是更高的供应电压导致PA 104的效率更低。换句话说，常规PA控制器不能够响应于PA的输出阻抗的情况来调整PA的供应电压，以最大化PA效率同时保持放大的RF信号的失真处于可接受的水平。
发明内容
本发明的实施方式包括一种射频(RF)功率放大器系统，其响应于功率放大器(PA)的RF输出信号的测量或估计功率，调整向该PA提供的供应电压。该RF PA系统包括功率放大器(PA)，其接收并且放大RF输入信号以在适合于天线传输的水平生成RF输出信号。PA VCC(供应电压)控制器生成供应电压控制信号，该供应电压控制信号用于控制到该PA的最后一级的供应电压。响应于该RF PA输出信号的测量或估计功率，并且还可以响应于用于指示在该PA输出处经历的阻抗失配的测量参数，生成该供应电压控制信号。通过控制到该RF PA的供应电压，提高PA的效率。
在一个实施方式中，响应于PA的RF输出信号的平均功率，并且还响应于PA的RF输出信号的峰均比，生成该供应电压控制信号。在另一个实施方式中，响应于PA的RF输出信号的瞬时功率包络，生成该供应电压控制信号。
在另一个实施方式中，向该RF PA系统增加相位修正环路，该相位修正环路生成用于表示该RF输入信号的相位与该RF输出信号的相位之间的差的相位误差信号，并且基于该相位误差信号来调整到该PA的RF输入信号的相位，以降低当PA供应电压调整时可能发生的由该功率放大器产生的相位失真。
在另一个实施方式中，用PA阻抗调整控制器替换PA VCC控制器，并且调整该PA的输出处的阻抗调整电路而不是到该PA的供应电压。该阻抗调整控制器提供阻抗控制信号，该阻抗控制信号用于控制PA的RF输出处的阻抗变量器。该阻抗控制信号响应于用于指示在该PA输出处经历的阻抗失配的测量参数。通过控制该阻抗变量器，在该PA的输出处呈现与该天线的阻抗的标称值接近的阻抗，并且因此提高PA的效率。
在说明书中描述的特征优点不是包括一切的，并且具体而言，由于附图、说明书和权利要求，许多附加特征和优点将对于本领域的普通技术人员而言变得显而易见。此外应该注意到，原则上出于可读性和介绍的目的选择在说明书中使用的语言，而不是被选择用于界定或限制创造性的主题。
附图说明
通过结合附图来考虑以下详细描述，可以容易地理解本发明的教导。
图1示出了常规RF发射器系统。
图2A示出了包括根据本发明的一个实施方式的PA VCC控制器的RF PA系统。
图2B更详细地示出了包括根据本发明的一个实施方式的PAVCC控制器的RF PA系统。
图3A示出了包括根据本发明的第一实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。
图3B示出了包括根据本发明的第二实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。
图3C示出了包括根据本发明的第三实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。
图3D示出了包括根据本发明的第四实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。
图3E示出了包括根据本发明的第五实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。
图3F示出了包括根据本发明的第六实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。
图4示出了包括根据本发明的另一个实施方式的PA阻抗控制器的细节的RF PA系统。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的增益感测块的细节。
具体实施方式
附图和下文的描述仅通过实例的方式涉及本发明的优选实施方式。应该注意到，通过下文的讨论，将容易认识到本文公开的结构和方法的备选的实施方式作为在不脱离所要求的发明的原理的前提下可以应用的可变的备选。
现在将参考本发明的多个实施方式，在附图中说明了它们的实例。在任意可行的情况中，在附图中可以使用相同或相似的附图标记并且相同或相似的附图标记可以指示相同或相似的功能。附图仅出于说明的目的描述了本发明的实施方式。本领域的熟练技术人员将容易认识到，通过下文的描述，在不脱离本文所述的本发明的原理的前提下，可以应用本文所示的结构和方法的备选的实施方式。
通常，射频(RF)功率放大器系统被配置为响应于PA的RF输出信号的测量或估计功率，自适应地调整向PA提供的供应电压。还可以响应于用于指示在该PA输出处经历的阻抗失配的测量参数，调整到PA的供应电压。通过控制到RF PA的供应电压，提高了PA的效率。或者，RF PA系统可以被配置为响应于用于指示在该PA输出处经历的阻抗失配的测量参数，控制在该PA的输出处看到的阻抗。通过控制阻抗，在该PA的输出处提供与天线的阻抗的标称值接近的阻抗，并且从而提高了PA的效率。
转到附图，图2A示出了用于描述本发明的元件的RF功率放大器(PA)系统200A。收发器IC 201向PA 204提供RF输入信号，并且PA 204将到输出210的该信号放大到适合于最终被传递到天线(未显示)的水平。到PA 204的供应电压209由可调电源208提供。电源208的输出电压由PA VCC(供应电压)控制器250控制(206)。PA VCC控制器250响应于功率放大器的RF输出信号的功率291以及用于指示功率放大器的输出处的阻抗失配的参数290，调整电源208的输出电压209。
图2B更详细地显示了RF功率放大器(PA)系统200B，其包括用于生成VCC控制信号206的PA VCC控制器250，VCC控制信号206又控制来自对PA 204供电的电源208的输出电压209。根据本发明的一个实施方式，VCC控制器250响应于输入的数量，生成VCC控制信号206。在本实例中，PA VCC控制器250被包括在收发器IC 201中。收发器IC 201可以是混合的单个IC，其进一步包括下文将描述的基带信号生成块270、RF频率转换块271和各种计算块272、273和276。
主发射信号路径源自基带信号生成块270，在其中数字地生成要传输的基带已调信号。RF频率转换块271将信号285上变频到希望的RF载波频率，生成RF信号202。附加的放大和滤波电路(未显示)可以被包括在转换块271中。信号202经过定向耦合器203传递，并且进入PA 204。PA 204可以是2或3级RF功率放大器，并且提供RF输出信号210以驱动多个无源组件，如定向耦合器207和其他组件(未显示)并且最终驱动天线以便传输。稍后描述功率感测块211和增益感测块260。
PA VCC控制器250包括VCC控制块311和失配计算块310。VCC控制块311基于多个输入信号生成VCC供应控制信号206。主输入信号是包络功率信号275，其表示在PA 204的输出处的包络功率。基本上，调整VCC供应控制信号206，以确保PA VCC电压209追踪该PA 204的输出处的包络功率——对于PA 204的输出210处的更高的包络功率，VCC控制块311调整VCC控制信号206的水平以便增加VCC电压209，反之亦然。包络功率计算块272通过确定在由基带信号生成块270生成的信号285中的包络功率，来估计出现在PA 204的输出210处的包络功率，并且通过考虑PA 204的输出210与基带信号生成块270的输出285之间的功率差的增益因子来调整该功率。如果基带信号生成块270提供由I(同相)和Q(正交)信道所表示的基带信号，则包络功率计算块272将该包络功率确定为被该增益因子调整为sqrt(I2+Q2)。
PA VCC控制块311可以生成VCC控制信号206，以使得电源208的输出209追踪PA 204的RF输出信号210的瞬时或平均包络功率。在追踪瞬时功率的情况中，将电源208控制为处于与由基带信号生成块270生成的信号285的幅度调制速率相等的速度。在该情况中，包络功率计算块272可以在一些情况中包括时间延迟以考虑到输出210的包络功率是基于信号285估计的的事实，使得PAVCC电压209将及时很好地追踪PA 204的输出210的包络功率。
如果追踪平均功率，则可以将低通滤波器(未显示)包括在包络功率计算块272中，以确定该平均功率。并且在该情况中，另外向VCC控制块311输入PAR指示符信号，因为信号285的调制的瞬时峰值被求平均并且该信息不再出现在包络功率信号275中。PAR是指由基带信号生成块270生成的信号285的峰均比。VCC控制块311基于PAR指示符信号274调整VCC控制信号206，以便除了基于包络功率信号275来调整之外，如果指示较高PAR水平则增加PAVCC电压209，而如果指示较低PAR水平则降低PA VCC电压209。PAR计算块273可以利用存储在其中的关于由基带信号生成块270生成的特定调制的预定信息，确定PAR指示符信号274。
到VCC控制块311的另一个输入是失配指示符信号280。由失配评估块310生成失配指示符信号280，并且失配指示符信号280指示在PA 204的输出210处出现的阻抗失配的程度和类型。VCC控制块311基于失配指示符信号280调整VCC控制信号206，以便根据失配指示符信号280的指示来增加或减少PA VCC电压209。在后面的章节中详细描述失配指示符信号280的生成。
VCC控制块311还可以包括分别提供关于RF信号302的载波频率和环境温度的频率(freq)312和温度(temp)313输入。VCC控制块311可以基于频率312和温度313输入来调整VCC控制信号206，以便根据增益因子的期望改变来增加或减少PA VCC电压209，其中该增益因子表示分别由于载波频率和温度的改变而产生的PA204的输出210与基带信号生成块270的输出之间的功率差。然后可以通过将增益因子(距标称值)的改变分别与当前工作频率和环境温度相关联的查找表来生成频率312信号和温度313信号。例如，内部PA 204可以包括频率选择性匹配网络，其在工作频带的中心提供最高增益并且在工作频带的边缘提供最低增益。因此，利用所述查找表，可以对应于该工作载波频率是处于该工作频带的中心还是边缘，分别从该标称值增加和减小PA VCC 209。并且PA 204和RF频率转换块271也可能在较低温度上呈现增益增加。因此，利用所述查找表，可以对应于环境温度是较高还是较低，分别从该标称值增加或减小PA VCC 209。注意到在备选配置中，包络功率计算块272可以在包络功率的计算中包括频率和温度的因子，并且因此不再需要到VCC控制块311的频率312和温度313信号。
图3A示出了包括根据本发明的第一实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统300A。具体而言，图3A更详细地说明了失配评估块310的操作、失配指示符信号331的生成和VCC控制块311。在该上下文中“失配”是指在PA 204的输出210处看到的阻抗失配。在PA 204之后的天线电路典型地具有大约50ohm范围的标称阻抗。但是，该天线电路的阻抗有时候与该标称阻抗相比剧烈改变。例如如果触摸该天线或者蜂窝设备被放到金属表面上，则天线的阻抗改变，向PA 204的输出210反射阻抗改变。耦合到PA 204的输出210的电路的阻抗的改变可能需要改变到PA 204的VC供应电压209以防止流入天线电路的RF输出信号210的失真。因此，失配评估块310通过影响PA VCC控制器250以调整提供给PA 204的电源208以考虑该阻抗失配，进一步优化功率放大器系统300。
在该实施方式中，失配评估块310通过计算PA 204的电压增益与正向功率增益之间的差或比，来评估PA 204的输出210处看到的阻抗失配的程度，并且生成失配指示符信号331以指示由于该阻抗失配应该增加还是减小PA VCC电压209。然后向VCC控制块311输入失配指示符信号331，VCC控制块311因而控制来自电源208的提供给PA 204的输出电压209。在一些情况中，还可以调整PAVCC电压209的偏移电压。
具体而言，使用定向耦合器207(在输出处)和定向耦合器203(在输入处)、对数检测器320和321以及差分放大器324来测量PA 204的正向功率增益。定向耦合器207、203可以是表面贴装型的，具有20dB的耦合因子，对数检测器320、321可以是二极管型检测器，其配置有用于提供对数响应的电路。分别由信号230和240表示在PA 204的输入和输出处的正向功率。分别根据这些信号230、240来得出包络功率，并且它们的差利用差分放大器324确定、由低通滤波器323滤波并且使用模数转换器(ADC)322转换成数字增益信号325。因此，数字功率增益信号325表示PA 204的正向功率增益。
使用增益感测块260(稍后描述细节)测量PA 204的电压增益以生成电压增益信号261。由ADC 328将电压增益信号261数字化，以提供数字电压增益信号329。使用数字减法器326确定数字电压增益信号329与数字功率增益信号325之间的差，其中将差信号327输入以参考LUT(查找表)330。LUT 330是用于将dVGain映射到dVcc的表格，表示PA 204的电压增益与功率增益之间的差327(dVGain)的各种值所需要的PA VCC(dVcc)的改变。典型地，当PA 204的电压增益329大于PA 204的功率增益325时，应该增加PA VCC电压209，以考虑反射到PA 204中的最后一级晶体管的较高的驱动点阻抗，而小于PA 204的功率增益325的电压增益329指示应该减小PA VCC电压209以考虑较低的驱动点阻抗。LUT 330的输出(参考)331指示如PA 204的电压增益与正向功率增益之间的差所指示的该阻抗失配所必须的PA供应电压Vcc的改变的量，并且被输入到VCC控制块311以便在生成Vcc控制信号206时使用。
图3A还更详细地显示了VCC控制块311。在该实例中，VCC控制块311包括LUT 314、由包络功率信号275参考的VCC控制信号的参考值(Vcc)，将它们输出到数模转换器(DAC)315并且因此提供VCC控制信号206的模拟版本。如前所述，VCC控制信号206控制电源208的输出209，以密切追踪包络功率信号275。LUT314中的值可以用来优化功率信号(P)到PA VCC电压的传递函数。另外，可以进一步优化LUT 314，以考虑失配指示符信号331、载波频率315和环境温度313的值。另外，LUT 314可以包括有限的值范围，以便控制电源208限制PA VCC电压209的电压摆动。例如可能希望将电压摆动限制到2V的最小值，以降低在追踪瞬时功率包络的情况中在电源208上的快速电压转换速率的负担。
图3B示出了包括根据本发明的第二实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。图3B的RF PA系统300B是图3A中所示的RF PA系统300A的变形。在该情况中，VCC控制块310被配置为通过如包络检测器2720所指示的、来自定向耦合器207的正向采样功率信号240直接响应PA 204的输出信号210的测量功率包络，而不是如早先参考图3A所述的，利用用包络功率计算块272所作出的计算来响应输出信号210的功率包络的估计。在该实例中，包络检测器2720追踪PA 204的RF输出信号210的瞬时功率包络。因此，VCC控制块3110主要包括模拟组件，以便加速PA VCC电压209的响应，因为必须利用PA VCC电压209来追踪输出信号210的功率包络。用包络检测器2720替换包络功率计算块272，并且向包络检测器块2720提供正向采样功率信号240，该正向采样功率信号240是从PA 204的输出处的有向耦合器207的正向功率端口得出的。
VCC控制块3110包括各种各样的增益放大器(VGA)3140，其提供来自包络检测器2720的测量包络功率信号2750，以与包络功率信号2750呼应地控制电源208。失配评估块310向增益/偏移调整块3150提供失配指示符信号331，以按照与如前参考图3A所述的用于调整LUT 314的方式类似的方式调整VGA 3140的增益和偏移。
除此之外，RF PA系统300B基本上与图3A的RF PA系统300A类似。虽然图3B描述了图3A中所示的RF PA系统300A的变形，但是应该注意到相同的变形可以应用于图3C、3D、3E和3F中所示的后续实施方式中的任意一个。
图3C示出了包括根据本发明的第三实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。图3C的RF PA系统300C也是图3A中的RFPA系统300A的变形。在图3C的RF PA系统300C中，失配评估块310通过计算PA 204的标称功率增益(利用PA 204在它的输出处无失配地驱动标称阻抗所期望的)与PA 204的实际测量增益之间的差或比，计算在PA 204的输出210看到的阻抗失配的程度，并且生成失配指示符信号351以指示由于PA 204的输出210处的该阻抗失配而应该增加还是减小PA VCC电压209。然后向VCC控制块311输入失配指示符信号351，影响PA VCC控制器250来产生VCC控制信号206，VCC控制信号206又控制来自电源208的提供给PA 204的输出电压209。在一些情况中，还可以调整PA VCC电压209的偏移电压。
具体而言，使用定向耦合器207(在输出处)和定向耦合器203(在输入处)、对数检测器340和341以及差分放大器344来测量PA 204的实际正向功率增益。定向耦合器207、203可以是表面贴装型的，其具有20dB的耦合因子，而对数检测器和340和341可以是二极管型的，其被配置有提供对数响应的电路。分别由信号230和240表示在PA 204的输入和输出处的正向功率。检测器和340和341根据这些信号230、240得出包络功率，并且这些信号230、240的包络功率之间的差利用差分放大器344确定、由低通滤波器343滤波并且被转换342成数字增益信号345。因此，数字功率增益信号345表示PA 204的实际的测量功率增益。
由期望增益计算块349提供PA 204的标称增益，期望增益计算块349提供在当前工作条件(例如环境温度和RF载波频率)之下期望的PA 204的增益的标称期望值。典型地，期望增益计算块349将包括具有该信息的LUT(未显示)，并且将接收关于该工作条件的信息。然后使用数字减法器346确定期望增益信号348与数字功率增益信号345之间的差。将该差值347输入到LUT 350。LUT 350将PA 204的测量增益与估计增益之间的各种差(dGain)映射到需要的PA VCC的改变(dVcc)。典型地，如果PA 204的实际增益大于或小于PA 204的期望增益，则应该增加PA VCC电压209以考虑在PA 204的输出210处所看到的较高失配程度。可以通过测量dGain(即PA 204的实际增益与期望增益之间的差)以及所需要的相对于典型PA VC电压209的对应的调整，经验地得出在LUT 350中包括的值，以在各种失配条件下维持线性性能。LUT 350的输出(参考)351被输入到VCC控制块311。除此之外，包括LUT 314的操作在内的RF PA系统300C基本上类似于图3A的RF PA系统300A。
图3D示出了包括根据本发明的第四实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。图3D的RF PA系统300D也是图3A中所示的RF PA系统300A的变形。在图3D的RF PA系统300D中，失配评估块310通过计算PA 204的标称效率(利用PA 204在它的输出处无失配地驱动标称阻抗所期望的)与PA 204的实际测量效率之间的差或比，评估在PA 204的输出210处看到的阻抗失配的程度，并且生成失配指示符信号331以指示由于该阻抗失配而应该增加还是减小PA VCC电压209。然后向VCC控制块311输入失配指示符信号371，影响PA VCC控制器250来生成VCC控制信号206，VCC控制信号206又控制来自电源208的提供给PA 204的输出电压209。在一些情况中，还可以调整PA VCC电压209的偏移电压。
具体而言，使用功率感测块211、定向耦合器207(在输出处)、功率包络检测器360、低通滤波器363和368以及除法器364测量PA 204的实际效率。功率感测块211通过将在节点375处测量的电流(通过测量经过一系列未显示的电流传感电阻器的电压来估计)乘以在节点375处的电压(PA VCC电压209的样本测量)，来测量经过电源208的输出209提供给PA 204的供应(输入)功率261。当输入功率信号261传递经过低通滤波器368时，所产生的信号372表示到PA 204的平均输入功率。功率包络检测器360可以是二极管型检测器。PA 204的RF输出信号210传递经过功率包络检测器360，以检测RF输出信号210的包络功率，并且功率包络检测器360的输出传递经过低通滤波器363，以生成用于表示平均输出功率包络的信号373。可以将PA 204的效率定义为PA 204的输出功率除以PA 204的输入功率。因此，除法器364(其可以是在减法器之后的一对对数放大器)有效地将用于表示PA 204的平均输出包络功率的信号373除以用于表示PA 204的平均输入功率的信号372。当除法器364的输出被ADC 362数字化时，所产生的测量效率信号365指示PA 204的测量效率。
由期望效率计算块374提供PA 204的标称效率，期望效率计算块374提供在当前工作条件(例如PA 204的输出功率、环境温度和载波频率)之下期望的PA 204的效率的标称期望值。典型地，期望效率计算块374将包括具有该信息的LUT(未显示)，并且将接收该工作条件作为输入以确定PA的期望效率。然后使用数字减法器366确定数字测量效率信号365与期望效率信号366之间的差367，并且输入差367以参考LUE 370。LUT 370将PA 204的效率的差(dEfff)的各种值映射到所需要的PA VCC的改变(dVcc)。典型地，当PA 204的测量效率大于PA 204的期望效率时，应该增加PAVCC电压209以考虑向PA 204中的最后一级晶体管反映的较高的驱动点阻抗，而测量效率小于PA 204的期望效率指示应该减小PAVCC电压209以考虑较低的驱动点阻抗。将LUT 370的输出(参考)371输入到VCC控制块311。除此之外，包括LUT 314的操作在内的RF PA系统300D基本上类似于图3A的RF PA系统300A。
图3E示出了包括根据本发明的第五实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。图3E的RF PA系统300E也是图3A中所示的RF PA系统300A的变形。在图3E的RF PA系统300E中，失配评估块310通过使用定向耦合器207确定在PA 204的输出210处的反射功率的角度和幅度，评估在PA 204的输出210处看到的失配的程度。如前所述，失配评估块310生成失配指示符信号392以指示由于该阻抗失配是应该增加还是减少PA VCC电压209。然后向VCC控制块311输入失配指示符信号392，影响PA VCC控制器250以生成VCC控制信号206，VCC控制信号206又控制来自电源208的提供给PA 204的输出电压209。在一些情况中，还可以调整PA VCC电压209的偏移电压。
具体而言，通过分别利用由定向耦合器207信号240和241提供的PA 204的正向和反射功率的样本比较PA 204的正向功率和反射功率的相位差和幅度比，来确定在PA 204的输出处的反射功率的角度和幅度。对于失配幅度估计，将正向耦合功率信号240和反向耦合信号241分别馈入对数检测器381和380，产生被差分放大器384减去的功率包络信号。该输出差信号然后被低通滤波器383滤波并且被ADC 382转换到数字域，产生反射幅度比信号385。该信号表示在PA 204的输出210处的反射功率与正向功率的比，并且因此是失配伽马值的量化指示。对于失配角度估计，在信号240和241分别传递经过限幅器396和395以去除任意幅度信息之后，由相位检测器394输出正向耦合功率信号240和反向耦合信号241之间的相位差。相位检测器394向低通滤波器393输出相位差，以对结果求平均，并且去除来自相位检测器394的任意人为成分，并且随后由ADC 392数字化低通滤波器393的输出以产生反射相位角度信号387。
反射相位角度信号387参考LUT 390中的值。LUT 390将反射相位角度信号387的各种值映射到反射相位角387的各种值所需要的PA VCC的改变。频率输入312可以调整LUT中的值以考虑通过PA匹配网络的延迟，该延迟可能导致在PA输出晶体管驱动点处的依赖于频率的改变的反射相位角。由乘法器386将LUT 390的输出(参考)391进一步乘以反射幅度比信号385。因此，PA VCC的改变被失配的量级加权。乘法器386可以基本上是LUT与乘法器的组合，这可以比由乘法器386所提供的简单乘法提供更加客户化的功能。向VCC控制块311输入失配指示符信号392。除此之外，包括LUT 314的操作在内的RF PA系统300E基本上类似于图3A的RFPA系统300A。
图3F示出了包括根据本发明的第六实施方式的PA VCC控制器的细节的RF PA系统。图3F的RF PA系统300F也是图3A中所示的RF PA系统300A的变形，并且增加了相位修正电路以减小由于PA VCC控制器250对PA VCC电压209的调整而从PA 204输出的相位失真。具体而言，使用传感器410(传感器410可以是电容性耦合的)来感测PA 204的输入信号202并且将其馈入限幅器411以去除来自该信号的任意幅度信息。由定向耦合器感测PA 204的输出信号210并且将其馈入限幅器412以去除来自该信号的任意幅度信息。相位检测器413然后实际上将PA输入信号202的相位与PA输出信号210的相位进行比较，以生成相位误差信号416，该相位误差信号416被低通滤波器415滤波并且被输入到移相器417，移相器417基于滤波后的相位误差信号调整输入信号202的相位，以修正RF输入信号202的相位中的任意改变。
虽然图3F显示了在图3A中显示的系统中增加相位修正电路，但是应该注意到可以向图3B、3C、3D和3E中所示的任意一个系统增加相同的相位修正电路。
图4示出了包括根据本发明的另一个实施方式的PA阻抗控制器的细节的RF PA系统。RF PA系统400基本上与图3A中所示的RFPA系统300A类似，但是用PA阻抗控制器550替换PA VCC控制器250，PA阻抗控制器550现在包括改进的失配评估块510，并且在PA 204的输出210处增加阻抗变量器590。如前所述，使用数字减法器326确定数字电压增益信号329与数字功率增益信号325之间的差，但是在该情况中，将差327输入到调谐算法块430。调谐算法块430输出调谐调整控制信号431以调谐阻抗变量器590，从而将差信号327降低到零。换句话说，调谐算法块430可以是用于试图迫使PA 204的电压增益与功率增益之间的差327为零的伺服环路的一部分。或者，调谐算法块430可以使得调谐调整控制信号431循环经过各种独立步骤直到将PA 204的电压增益与功率增益之间的差327最小化为止。阻抗变量器590可以包括至少一个用于可变地转换PA 204输出210与阻抗变量器590的输出591之间的阻抗的可调谐无功组件，并且调谐算法块430可以包括至少一个用于通过调谐调整控制信号431来调整阻抗变量器590的可变电压输出。
图4显示了阻抗变量器在PA 204的输出210附近。但是，在一些实现中，阻抗变量器590可以改为更靠近天线。
虽然图4显示了与图3A中所示的系统类似的实施方式，但是应该注意到通过用PA阻抗控制器550来替换PA VCC控制器并且增加阻抗变量器590，可以对图3A、3B、3C、3D、3E或3F中所示的系统中的任意一个系统作出改变。
虽然图2A、2B、3A、3B、3C、3D、3E和3F显示了包括在收发器IC 201中的PA VCC控制器250，但是其他划分也是可行的。例如，PA VCC控制器250可以改为与收发器IC 201分离，并且可以改为位于还包括PA 204的模块中。这样，由于PA VCC控制器250靠近PA 204，可以更容易地实现各种失配参数的感测。类似地，虽然图4显示了包括在收发器IC 201中的PA阻抗控制器550。但是PA阻抗控制器550可以改为分离地位于还包括PA 204的模块中，以便由于PA阻抗控制器550靠近PA 204而更容易地实现各种失配参数的感测。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的在图2B、3A、3B、3F和4中使用的增益感测块260的细节。电压峰值检测器/对数放大器406和407中的每一个包括峰值检测器配置中的二极管和电容器，紧接着是对数放大器，该对数放大器将来自峰值检测器的电压转换成电压的对数。利用电容性抽头410对PA 204的输入进行采样并且将其馈入电压峰值检测器/对数放大器406，而在PA 204的最后一级中的输出晶体管401的集电极驱动点处直接利用电容性抽头405对PA204的输出进行采样并且将其馈入电压峰值检测器/对数放大器407。因此，可以测量PA 204的准确的电压增益，其与包括PA 204的最后一级的晶体管401的集电极所经历的电压抖动相关。使用差分放大器408确定并且使用低通滤波器409滤波电压峰值检测器/对数放大器406的输出与407的输出之间的差。因此，增益感测块260的输出261是PA 204的电压增益的真实指示。
图5还示出了PA 204的细节。在一个实施方式中，PA VCC 209(“VCC”)被显示为仅向PA 204的最后一级中的输出晶体管401传递功率。因此，VCC 209与普通偏置或电源连接馈入PA 204不同。在另一个实施方式中，由PA 204消耗的功率的大于50％通过VCC209传递。由于输出晶体管401包括PA 204的最后一级，所以该晶体管401生成PA 204中的全部放大级的最大输出功率。
在阅读了本文公开之后，本领域的熟练技术人员将通过本发明的所公开的原理认识到用于RF功率放大器VCC控制器的其他附加备选结构和功能设计。因此，虽然已经说明并且描述了本发明的具体实施方式和应用，但是要理解本发明不限于本文公开的精确的构造和组件，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以在本文公开的本发明的方法和装置的配置、操作和细节中做出对于本领域的熟练技术人员而言显而易见的各种修改、改变和变形。

Claims (35)

1.一种射频(RF)功率放大器系统，包括：
功率放大器，其被配置为接收并且放大RF输入信号以生成RF输出信号；
功率放大器VCC控制器，其被耦合到所述功率放大器并且被配置为响应于所述功率放大器的所述RF输出信号的功率和用于指示所述功率放大器的输出处的阻抗失配的参数，生成用于控制所述功率放大器的供应电压的供应电压控制信号。
2.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中所述供应电压仅向所述功率放大器的最后一级中的输出晶体管传递功率。
3.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中由所述功率放大器消耗的功率的多于50％通过所述供应电压传递到所述功率放大器。
4.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中所述功率放大器VCC控制器响应于所述RF输出信号的估计瞬时包络功率，生成所述供应电压控制信号。
5.如权利要求4所述的RF功率放大器系统，其中根据所述功率放大器的输入功率和所述功率放大器的增益的估计，确定所述RF输出信号的所述估计瞬时包络功率。
6.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中所述功率放大器VCC控制器响应于所述RF输出信号的估计平均包络功率和所述RF输出信号的峰均比，生成所述供应电压控制信号。
7.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的电压增益与正向功率增益之间的差或比。
8.如权利要求7所述的RF功率放大器系统，其中所述功率放大器VCC控制器响应于所述RF输出信号的测量瞬时包络功率，生成所述供应电压控制信号。
9.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的测量功率增益与期望功率增益之间的差或比。
10.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的测量功率效率与期望功率效率之间的差或比。
11.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的正向功率与反射功率之间的相位差。
12.如权利要求11所述的RF功率放大器系统，其中根据所述功率放大器的正向功率与反射功率之间的振幅差，进一步调整用于指示阻抗失配的所述参数。
13.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，还包括相位控制环路，其用于确定用于指示所述RF输入信号的相位与所述RF输出信号的相位之间的相位差的相位误差信号，并且用于基于所述相位误差信号调整所述RF输入信号的相位以降低由所述功率放大器产生的相位失真。
14.如权利要求1所述的RF功率放大器系统，其中所述功率放大器VCC控制器还基于所述RF输入信号的载波频率或环境温度，调整所述供应电压控制信号。
15.一种射频(RF)功率放大器系统，包括：
功率放大器，其被耦合为接收并且放大RF输入信号以生成RF输出信号；
耦合到所述功率放大器的输出的阻抗变换器；
功率放大器VCC控制器，其被耦合到所述功率放大器并且被配置为响应于所述功率放大器的所述RF输出信号的功率，生成用于控制所述功率放大器的供应电压的供应电压控制信号，并且响应于用于指示所述功率放大器的所述输出处的阻抗失配的参数，生成用于控制所述阻抗变换器的阻抗的调谐调整控制信号。
16.如权利要求15所述的RF功率放大器系统，其中所述供应电压仅向所述功率放大器的最后一级中的输出晶体管传递功率。
17.如权利要求15所述的RF功率放大器系统，其中由所述功率放大器消耗的功率的多于50％通过所述供应电压传递到所述功率放大器。
18.如权利要求15所述的RF功率放大器系统，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的电压增益与正向功率增益之间的差或比。
19.一种用于控制功率放大器的方法，所述功率放大器被配置为接收并且放大RF输入信号以生成RF输出信号，所述方法包括：
确定所述功率放大器的所述RF输出信号的功率和用于指示所述功率放大器的输出处的阻抗失配的参数；并且
响应于所确定的所述RF输出信号的功率和用于指示阻抗失配的所述参数，生成用于控制所述功率放大器的供应电压的供应电压控制信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述供应电压仅向所述功率放大器的最后一级中的输出晶体管传递功率。
21.如权利要求19所述的方法，其中由所述功率放大器消耗的功率的多于50％通过所述供应电压传递到所述功率放大器。
22.如权利要求19所述的方法，其中响应于所述RF输出信号的估计瞬时包络功率，生成所述供应电压控制信号。
23.如权利要求22所述的方法，其中根据所述功率放大器的输入功率和所述功率放大器的增益的估计，确定所述RF输出信号的所述估计瞬时包络功率。
24.如权利要求19所述的方法，其中响应于所述RF输出信号的估计平均包络功率和所述RF输出信号的峰均比，生成所述供应电压控制信号。
25.如权利要求19所述的方法，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的电压增益与正向功率增益之间的差或比。
26.如权利要求25所述的方法，其中响应于所述RF输出信号的测量瞬时包络功率，生成所述供应电压控制信号。
27.如权利要求19所述的方法，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的测量功率增益与期望功率增益之间的差或比。
28.如权利要求19所述的方法，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的测量功率效率与期望功率效率之间的差或比。
29.如权利要求19所述的方法，其中将用于指示阻抗失配的所述参数确定为所述功率放大器的正向功率与反射功率之间的相位差。
30.如权利要求29所述的方法，其中根据所述功率放大器的正向功率与反射功率之间的振幅差，进一步调整用于指示阻抗失配的所述参数。
31.如权利要求19所述的方法，还包括：
生成用于指示所述RF输入信号的相位与所述RF输出信号的相位之间的相位差的相位误差信号；并且
基于所述相位误差信号调整所述RF输入信号的相位以降低由所述功率放大器产生的相位失真。
32.如权利要求19所述的方法，其中基于所述RF输入信号的载波频率或环境温度，进一步调整所述供应电压控制信号。
33.一种用于控制功率放大器的方法，所述功率放大器被配置为接收并且放大RF输入信号以生成RF输出信号，所述方法包括：
确定所述功率放大器的所述RF输出信号的功率和用于指示所述功率放大器的输出处的阻抗失配的参数；
响应于所确定的所述RF输出信号的功率，生成用于控制所述功率放大器的供应电压的供应电压控制信号；并且
响应于用于指示阻抗失配的所述参数，生成用于控制耦合到所述功率放大器的输出的阻抗变换器的阻抗的调谐调整控制信号。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述供应电压仅向所述功率放大器的最后一级中的输出晶体管传递功率。
35.如权利要求33所述的方法，其中由所述功率放大器消耗的功率的多于50％通过所述供应电压传递到所述功率放大器。
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