CN1119856C

CN1119856C - 稳定的功率放大器装置及具有该装置的收发信机终端

Info

Publication number: CN1119856C
Application number: CN99109529A
Authority: CN
Inventors: P·让; P·塔尔波特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: US6407639B1; KR20000005825A; DE69916173D1; EP0963039B1; KR100665590B1; DE69916173T2; JP2000101373A; TW441167B; EP0963039A1; CN1254981A

Abstract

包含本发明设备的射频设备和移动终端，所说的设备包括用于射频信号(I_RF，O_RF)的功率放大器(PA)和包括用于控制作为基准电压(V_CON)变量函数的射频输出信号(O_RF)的功率变量的稳定器(STB)，其特征在于稳定器等于具有作为功率放大器是等功率曲线(H，DH)函数的预定值的标称电阻(R_N)并根据基准电压(V_CON)和所述标称电阻(R_N)为功率放大器产生电源(V_PA)，使得功率消耗(P_PA)和输出功率(P_OUT)不依赖于功率放大器的实内阻(R_PA)。

Description

稳定的功率放大器装置及具有该装置的收发信机终端

本发明涉及射频设备，该设备包括一个功率放大器电路和一个功率稳定电路，其中功率放大器电路具有射频信号的输入和输出以及直流电源端，功率稳定器电路用于控制作为基准电压变量函数的功率放大器的射频输出信号的功率变化。

本发明还涉及包括这种设备的移动收发信机终端，尤其是蜂窝移动终端。

可以回想在移动收发信机终端中，一定联系到收发信机电路，一个使得让发送功率作为可变基准电压的函数在限制内变化的电路。事实上，当移动终端用户移动时，移动收发信机终端与其距移动终端距离变化的基站协作。移动终端的发送功率取决于基站的这个距离以便具有适当的接收。由基站产生的协议能够通知移动终端由适当的功率电平，该功率电平是该移动终端的传输系统要产生以便避免基站接收系统的饱和度电平，从而应考虑这个距离。移动终端因此要包括用于控制发送功率的控制电路，所以此功率对应于基站所需的适当功率。

现今蜂窝移动终端是消费者收发信机设备，使用者设想的是尽可能的轻而且尽可能的便宜，以便有吸引力、时尚和容易使用。装在移动终端壳内的电路因此要纤小、便宜和高度可靠。

从IEEE的固态电路期刊1998年3月第33卷第3号第387-389页由LswrenceE.Larson的“RFIC适当前状态和未来方向的集成电路技术选择”的出版物中，已知一种设备包括通过直流电压控制操作的功率放大器电路的功率稳定器电路。该设备包括一个功率放大器电路，其输出由耦合器连接到天线和功率检测器。该设备还包括控制放大器，它接收被称为基准电压的外部直流控制电压和施加一个直流基准电压到产生直流电源电压的一级。功率检测器还施加输入电压到控制放大器。因此，功率放大器电源电压从属于一个环路达到一个值以致于在功率检测器产生的信息和对应于控制电压的基准电压之间达成一致。在移动终端中，控制电压由重复基站发送的基准电压的处理器接收。

一个问题是当制造电路元件时由于分散问题使包括稳定器电路和功率放大

一个问题是当制造电路元件时由于分散问题使包括稳定器电路和功率放大器电路的设备通常具有不好的性能。特别是，功率放大器具有高分散特性的特征。举例来说，某个放大器能够产生1W的功率，而其它功率放大器在同样的直流电压下能够产生1.5W的功率。另一个问题是此设备需要有耦合器，该耦合器笨重且不十分可靠。由于这些问题，这个公知设备不十分适宜用于移动终端。

本发明的目的是提供，包括用于功率放大器电路的功率稳定器，并且不存在这些问题的一种设备。具体讲，本发明的目的是提供一种设备，其输出功率不受电路元件分散影响并且不需要使用耦合器。

根据本发明的一种射频设备能够解决此问题和获得此目的，该设备包括功率放大器电路(PA)和稳定器电路(STB)，其中功率放大器电路具有用于射频信号(I_RF，O_RF)的输入和输出(11，12)以及具有用于直流电源(V_PA)的终端(13，19)，稳定器电路用于控制作为基准电压(V_CON)变化函数的功率放大器的射频输出信号(O_RF)的功率的变化，其特征在于：安排稳定器电路等效于被称为具有预定值的标称电阻作为功率放大器的特定等功率曲线(H，D_H)的函数，并根据基准电压(V_CON)和所述标称电阻(R_N)在所述功率放大器的直流电源端(13)上产生电压(V_PA)，使得在功率放大器(PA)中的功率消耗(P_PA)与不依赖于功率放大器的真实标称电阻的所述基准电压(V_CON)一致，并使得上述利用大致固定效率因数应用到正比于功率消耗(P_PA)的功率放大器(PA)的输出功率(P_OUT)上。。

这个设备是基于对功率放大器效率估算，而这一点正是稳定特性的特征，是轻微地受到功率放大器制造分散影响的。结果，就有放大器输出功率受到很好控制的优点。此外，这个设备具有简单和体积小的优点。

从参照以下描述的实施例中，本发明的这些和那些方面将变得更加明显。

图中，图1A以简易形式表示具有功率放大器电路和稳定器电路的射频设备，

图1B是图1A的设备的等效电路图，和

图1C表示具有图1A电路的偏压和反馈系统的设备；

图2A和2B表示放大器电路特性曲线；

图3表示在所绘的功率放大器中功率消耗相对于制造分散系数的变化；

图4表示包括射频收发信机电路的设备；和

图5表示包括图1A到1C或图4之一所示的移动收发信机终端。

参考图1A，本发明涉及射频设备，它包括功率放大器电路PA和稳定器电路STB，用于整流、控制和稳定功率放大器电路PA表示的Pout的输出功率，该输出功率作为具有被称为由附加电路组成(未表示)的基准电压的可变值V_CON的直流电压的函数。

功率放大器电路PA由加在节点13和地19之间的直流电压V_PA供电。功率放大器电路PA具有内阻R_PA。此放大器还具有用于射频输入信号I_RF的输入端11和用于放大的射频输出信号O_RF的输出端12，它具有输出功率P_OUT。

在节点12的功率放大器PA的输出功率P_OUT是将跟随基准电压V_CON改变的一个函数。稳定器电路STB具有规则化功率放大器PA的输出功率P_OUT作为直流基准电压V_CON的函数的功能。

一个问题是为了考虑对移动终端的收发信机的应用，要将电路体积压缩。另一个问题是通常，功率放大器PA表示由于制造带来的性能分散，会使作为基准电压的函数的输出功率的规则难于进行。

参考图1A，应用到功率放大器PA的功率稳定器电路STB使得解决这些问题成为可能。图1A的这个稳定器电路STB包括第一放大器A1，它具有用于正向基准V_CON的直流信号的第一输入16和用于在第二放大器A2的输出上产生电压的负向第二输入17。在在标号14处有一个固定直流电压V_BAT，它给两个放大器A1和A2供电。直流电源电压V_BAT通常是由位于容纳该设备的外壳之内的电池提供，也可以由电力板馈送变压器系统提供。产生V_BAT的其它方式是本领域技术人员公知的。稳定器电路STB还包括晶体管级T，例如作为可变电阻工作的MOS晶体管T。此晶体管T在其栅极接收放大器A1的直流输出电压15。其漏极在14处连接到直流电源电压V_BAT，而其源极在18处连接到第二放大器A2的正向输入端。此第二放大器A2的第二反向输入13是这样的，即在节点13有一个直流电压V_PA。为此目的：

第二放大器A2具有增益G，

低值电阻r连接在节点18节点13之间，节点18是由晶体管T的源极和第二放大器A2的正向输入公用的，而节点13是此第二放大器A2的反向输入并同时是功率放大器PA的直流电源终端V_PA。

以这种安排方式，稳定器电路STB在基准电压V_CON的输入16和节点13之间形成一个环路，其中可以得到功率放大器PA的直流电源电压V_PA。

图1A的电路等效于图1B的图。此等效电路包含在节点16和节点19之间的电压发生器并产生基准电压V_CON，阻抗等效于如下的R_STB表示的稳定器电路：

R_STB＝rxG

对其给出特定值：

R_STB＝R_N

其中电流I流通和在节点16和13之间连接。功率放大器PA等效于负载阻抗R_PA，负载阻抗P_PA连接在也流通电流I的节点13和19之间、并具有等于其内阻的值，在13处，有功率放大器PA的直流电源电压V_PA。

图2A表示电流I的特性曲线对照在饱和状态下工作的功率放大器的电压V_PA的情况。在这种情况下，特性曲线几乎是直线。称为标称特性曲线的第一平均特性曲线以具有P_PA表示的平均功率消耗的放大器的直线D_N代表，当不工作时此放大器被称为平均功率放大器。为了确定平均功率放大器PA的标称特性曲线D_N，在其制造中的预开发阶段期间，已经进行了许多统计。标称特性曲线D_N的斜率等于1/R_N，其中R_N是平均放大器内部标称电阻值，所以统计研究R_PA＝R_N。此后，此标称特性曲线D_N和此标称电阻R_N被看作参考。

由于制造的分散，能够发现放大器PA具有低的功率消耗并呈现特性曲线D1，或者放大器PA具有高的功率消耗并呈现特性曲线D2。特性曲线D1和D2的斜率分别等于1/R₁，1/R₂，其中R1，R2是分别具有特性曲线D1和D2的功率放大器的内部阻抗。具有特性曲线D1的放大器的电流消耗为I’，I’低于具有标称特性曲线D_N的平均放大器的电流消耗I_N。，具有特性曲线D2的放大器的电流消耗为I”，I”高于具有标称特性曲线D_N的平均放大器的电流消耗I_N。因此，对于相同的给定电压V_PA，与具有标称特性曲线D_N的平均放大器相比，具有特性曲线D1的放大器具有低的功率消耗而具有特性曲线D2的放大器具有高的功率消耗。

图3表示从制造的一批放大器中随机抽取的任意放大器PA的功率消耗P_PA与平均放大器的差异曲线，相对于被标称电阻相乘的称为分散系数的被乘数在以下条件产生任意放大器的内部电阻R_PA：

在图3的曲线中，利用示例可以确定相对于平均功率消耗的频率消耗P_PA＝0.5dB的功率消耗的可能的差异对应于在

和

之间的一个系数。当系数

时，求出P_PA＝0，这对应于具有标称特性D_N和标称电阻R_N的平均功率放大器。

根据本发明，图1A的电路不包括功率检测器。这就使得避免有关描述的现有技术电路所观察到的缺陷。要想到从制造的一批放大器中抽取的具有任何特性曲线的功率放大器PA的输出功率P_OUT通过效率值

与此功率放大器PA内部的功率消耗P_PA相关，所以效率是：

\tilde{a} = P_{OUT} / P_{PA}

应观察到，在用于集成电路的射频的功率放大器类型中，诸如图1A到图1C所示的电路，无论从制造的一批放大器中抽取的功率放大器PA如何，效率基本是个常数。

根据本发明，确定稳定器电路STB的元件用于稳定功率放大器PA的功率消耗P_PA。因此，图1A的电路STB使得在功率放大器PA中的功率消耗基本上与制造分解无关成为可能，也就是说，对于给定的基准电压V_CON，无论制造的一批功率放大器的任何功率放大器PA怎样，是个常数，因此，幸好有电路STB，则功率放大器PA的功率消耗P_PA才是常数并且由于效率是常数，则结果是对于给定的基准电压V_CON，无论制造的一批功率放大器如何，其输出功率是常数。对于给定的基准电压V_CON，借助于稳定器电路STB，功率放大器PA的输出功率P_OUT成为常数，无论内部电阻R_PA如何，其特性曲线D和分散系数

取限制

之间。

通过建立具有等效内部电阻的稳定器电路STB达到此目的：

R_STR＝rxG＝R_N

下文将说明。

在功率放大器PA中的功率消耗P_PA直接与节点13的电源电压V_PA和在支路13、19中流过功率放大器PA的电流I有关。稳定器电路STB使得能够以有效方式调整电源电压和此电流I。当流过此功率放大器PA的电流与此端上的直流电源电压V_PA的乘积是常数时，功率放大器PA中的功率消耗因此是常数。

P_PA＝V_PAxI

稳定器STB形成一个环路，它保证无论什么a，放大器PA中的功率消耗是常数。由于功率放大器PA的效率大致是常数，则结果是当功率放大器PA中的功率消耗是被动的情况，就可以保证射频信号O_RF的输出功率P_OUT是常数。

在图1A的电路中，功率放大器PA在端13和19之间连接，以直流电压V_PA供电，直流电压V_PA调整功率消耗P_PA到有关电流I和电压V_PA的乘积。

参考图1B，稳定器电路的等效电阻R_STB流过电流I，并且此电阻上的电压降为R_NI的乘积。结果是在节点13的功率放大器的电源电压由下式给出：

V_PA＝V_CON-R_NI

参考图2A，电流和电压的乘积恰好是常数的那一点是由称为等功率双曲线的曲线H表示的双曲线。双曲线与功率放大器PA的特性曲线D1、D_N、D2的交点定义了电流—电压对I’，V’_PA；I_N，V_NPA和I”，V”_PA，所以作为每对电流电压值的乘积的功率消耗正好是常数。

为了利用图1A的电路，考虑直线D_H，它是双曲线H在点N的切线，点N是标称特性曲线D_N和等功率双曲线H的交点。此直线D_H定义电流一电压对的特性曲线D1和D2的交点，在特性曲线D1和D2对应于在预定限制

内取值的分散系数的条件下，D1和D2电流电压对大致与I’，V’_PA和I”，V”_PA电流电压对一致。因此认为，等功率双曲线H切线的直线D_H是在点P’_PA，P”_PA为边界的段上很逼近这个双曲线H的线段，P’_PA，P”_PA位于这些特性曲线D1、D2和直线D_H的交点上，它对应于可接受的极限分散系数直线D_H上的这段是功率放大器PA的功率消耗P_PA大致是常数的地方。

利用由直线D_H定义的逼近，特别是由D1、D2标志的段，稳定器电路STB的元件被定为达到在功率放大器PA中的功率消耗：

在公知或希望边界之内，特性曲线D1、D2使

成为具体，对于给定的基准电压，无论功率放大器的制造分散如何，都是个常数，

或者是根据施加到稳定器电路STB的输入16的基准电压V_CON。

参考图1B，使在稳定器电路中由R_STB表示的等效电阻等于标称值R_N，其电阻安排在节点16和13之间，使得电流I产生在稳定器电路STB的支路14、13以及相同的电流I产生在功率放大器电路的支路13、19中。选择电阻r的最小值称为小电阻，连接在节点18到具有增益G的放大器A2的端点，所以：

R_N＝rxG

参考图2B，当基准电压V_CON改变时，等功率曲线移动。另一方面，对于具有第一值的第一基准电压V_CON，确切的等功率曲线是双曲线H1，近似的等功率直线是切线D_H1。另一方面，对于第二基准电压V_CON，确切的等功率曲线是双曲线H2，近似的等功率直线是时切线D_H2。注意电压V_PA不能超过电池V_BAT的电压值。

从图2B可以得出，对于给定基准电压V_CON，功率放大器PA具有相应的功率消耗P1和P2等等与在对应于特性曲线D1、D2的系数表示的分散边界之间是常数的基准电压一致，利用示例：

在D_H1，在

和之间，P’1＝P”1＝P1

在D_H2，在

和之间，P’2＝P”2＝P2

参考图1C，利用实践实施例，图1的稳定器电路STB包括：

一个功率级，用于产生足够功率放大器PA工作的电流I，该功率级包括PMOS型的晶体管T，晶体管28和电阻29、30和31，

功率级的温度补偿级，包括定为二极管的晶体管27、偏压电阻26和反馈电阻25，

具有基准电压V_CON的输入的放大器级A1，反馈电阻23和连接电阻24，

具有增益G的放大器级A2，具有反馈电阻38，连接到放大器A1输入的输出17，和由电阻桥32，33和34，另一方面，还包括35，36形成的反馈，其值将作为电阻38的函数并具有0.1U的电阻值r，在节点13和18之间流过电流I。

下表表示此实施例示出的电阻值：

电阻号以欧姆的值

25、33、34、35、36 10K

32、38 220K

23 15K

26 47K

29 1K

24 18K

30 47

31 220

功率放大器PA的内阻为10

的数量级，14处的电压V_BAT约为3.6伏特。此电压T馈给功率级、温度补偿级、放大器级A1和具有增益G的放大器级A2。在13处的电压V_PA约为3.5伏特。

通过选择小电阻值r，例如，几个0.1 ，或者在R_N/20到R_N/200数量级内，例如R_N为10 的数量级，稳定器电路STB的功率消耗很低且在V_BAT与V_PA之间支路14、13上的电压降很小。结果是，例如，3.6伏特的电池能够馈送功率放大器PA大约3.5伏特数量级的电压V_PA。这就表示在图1A的电路组合中可考虑节省功率消耗。实际上，如果V_BTA和V_PA之间的电阻值是R_N，那么在这个例子中电压V_BAT要超过6伏，在图1A的电路组合中的功率消耗实际上将是双倍。根据本发明实现的稳定器电路因此具备显著的优势。

图4利用非穷尽示例表示包括参考图1A或图1C所述的功率放大器PA和稳定器电路STB的射频收发信机设备。此设备50包括天线ANT，具有滤波器F2的环路，低噪声放大器LNA，混频器M1，解调器DMD，频率合成器FS，调制器MD，第二混频器M2，用于来自M2的射频输入信号IRF的终端11，具有射频输出信号ORF的输出12的功率放大器PA，具有用于设定信号V_CON的输入16和用于施加电源V_PA给功率放大器PA的端子13的稳定器STB，滤波器F1和连接到两个滤波器F1，F2和天线的开关COM。这种射频电路的工作对本领域的技术人员来说是公知的，特别可从引用的现有技术出版物中获知，当然具有根据本发明的功率放大器PA和稳定器STB的基础差异。

这样的电路最好能以允许射频工作的技术去集成。这些集成电路的实施例的优势技术是利用砷化镓(GaAs)的技术。

图5表示用于保护根据本发明的功率放大器PA和稳定器STB的射频设备50的具有外壳60的移动终端设备。设备50可以有利地采用集成电路的形式，特别是GaAs技术的集成电路。外壳具有天线ANT、耳机功能61、麦克风功能64、控制键区域63和显示区域62。

Claims

1.一种射频设备，包括功率放大器电路(PA)和稳定器电路(STB)，其中功率放大器电路具有用于射频信号(I_RF，O_RF)的输入和输出(11，12)以及具有用于直流电源(V_PA)的终端(13，19)，稳定器电路用于控制作为基准电压(V_CON)变化函数的功率放大器的射频输出信号(O_RF)的功率的变化，其特征在于：安排稳定器电路等效于被称为具有预定值的标称电阻作为功率放大器的特定等功率曲线(H，D_H)的函数，并根据基准电压(V_CON)和所述标称电阻(R_N)在所述功率放大器的直流电源端(13)上产生电压(V_PA)，使得在功率放大器(PA)中的功率消耗(P_PA)与不依赖于功率放大器的真实标称电阻的所述基准电压(V_CON)一致，并使得上述利用大致固定效率因数应用到正比于功率消耗(P_PA)的功率放大器(PA)的输出功率(P_OUT)上。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于稳定器电路(STB)等效于排列在接收所述基准电压(V_CON)的端和功率放大器电路的直流电源端(13)之间的标称电阻(R_N)，使得具有在所述端(13)产生的功率的功率放大器的直流电源电压(V_PA)等于在此标称电阻(R_N)中电压降消除的基准电压(V_CON)，其中放大器电路的工作电流流(I)过所说的标称电阻。

3.根据权利要求2的设备，其特征在于安排稳定器电路(STB)作为在接收基准电压(V_CON)的端(16)和功率放大器电源电压端(13)之间的一个环路，具有减小装置用于减小在实际稳定器电路中的功率消耗。

4.根据权利要求3的设备，其特征在于在实际稳定器(STB)电路中用于减小功率消耗的装置包括另一方面连接到为稳定器(STB)电路提供直流电源(V_BAT)的电池，另一方面，连接到功率放大器是直流电源的端(13)的支路(14-13)，这个支路流通功率放大器的工作电流，和包括一系列具有可变电阻功能的晶体管(T)和具有大致比从1/20到1/200范围的标称电阻低的一个值的小电阻。

5.根据权利要求4的设备，其特征在于安排为环路的稳定器电路包括在第一支路中的一个第一放大器(A1)，它接收基准电压(V_CON)和控制安排为可变电阻的晶体管(T)的电阻，它还包括在第二支路中的一个第二放大器，具有预定增益(G)，其输入端连接到所述小电阻端，其输出连接到第一放大器(A1)的第二输入，第二放大器的增益(G)是预定的使得此增益(G)和所述小电阻(r)的值的乘积等于标称电阻(R_N)的值。

6.根据权利要求1-5的其中之一的设备，其特征在于标称电阻值(R_N)是制造的一批相同类型的功率放大器的内阻(R_PA)的平均。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于用于实现制造的一批功率放大器的功率放大器，在范围内具有预定的分散系数，范围

对应于围绕对应标称电阻(R_N)的标称电流—电压特性(D_N)的极值电流电压特性(D1，D2)，这些极值特性(D₁，D2)是这样的：特性的交点包含在具有在这个曲线(H)的交点处正切于精确等功率曲线(H)的直线(D_H)的这些极值特性之间，且标称特性曲线(D_N)确定大致于位于精确等功率曲线(H)的电流电压值对一致的电流—电压值对，并且所述的正切直线(D_H)大致是个精确的等功率曲线，使得这个电流—电压值对导致无论什么样的一批制造的放大器中的放大器也有恒定的功率消耗。

8.根据权利要求1的设备，包括在射频收发信机电路中的功率放大器电路和稳定器电路。

9.根据权利要求8的设备，是以镓砷集成电路技术(GaAs)实现的。

10.包括如权利要求1的射频设备的移动收发信机终端。