CN1208283A - 放大信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的方法和装置,双漏控制用可变供电电压于第一级和第二级的漏上,以控制输出功率。具体地,有1∶1比的双漏控制被用于低功率电平,单漏控制用于高功率电平。这些漏控制能通过直接改变功率放大器的漏上的电压使用,如来自微处理器的信号,或基于控制电压通过特定电路产生漏电压。

Description

放大信号的方法和装置
本发明涉及放大器，具体涉及放大信号的方法和装置。
功率放大器(PA)被用于无线通信装置，如蜂窝无线电话，以放大射频(RF)信号，以便装置能与固定站收发信机通信。功率放大器消耗无线通信装置中可观的功率。例如，在便携蜂窝无线电话中，可观百分比的功耗是在功率放大器中。功率放大器的效率明显取决于输出功率的变化。与设计高效功率放大器有关的一个问题是充分补偿这些输出功率变化。对增加给定无线通信装置的电池的运行时间而言，基本办法是改进功率放大器效率。
无线通信装置典型在一组功率电平发射射频信号。例如，一些蜂窝无线电话在无线电发射机的输出功率中需要7个4dB步。然而，较新的蜂窝电话系统需要更多的功率电平。功率放大器的效率在输出功率范围上明显改变。由于功率放大器的电流漏效率在高输出功率受的影响最大，功率放大器被典型设计为在高输出功率电平效率最高。改进功率效率的一种技术需要响应功率放大器输出步进改变开关功率放大器的静态电流。在最低输出功率步，功率放大器通常是A类工作模式。在较低步，通过改变功率放大器的偏置条件，功率放大器能被保持于有对应的效率改进的A/B类模式。
在传统两级放大器中，在第一级漏上的可变电压供电通过调整第一级的增益控制放大器的输出功率，通常称为单漏控制。第二级被偏置A/B类，且有恒定Vds和Vgs。这个控制结构仅为高输出功率电平提供优化效率。在较低输出功率电平，放大器电流漏由于总电流漏渐进地接近第二级静态电流而很高。另外，这种结构的动态范围限于25dB，不足以达到有宽动态范围的系统所需的特定功率电平，如由位于华盛顿特区的电子工业协会/远程通信工业协会出版的IS-91规范中设定的功率电平8、9和10。
其他用双栅控制的传统装置在两级的漏用固定供电电压。变化的两级的Vgs通过改变每级的增益控制输出功率。虽然双栅控制可提供较宽的动态范围，但MESFET典型运行于夹断区，以提供动态范围，牺牲了在低功率电平放大器的稳定性。
本发明的目的是提供放大信号的方法和装置，以在宽动态范围高效放大射频信号。
本发明提供一种用于放大信号的装置包括：
第一场效应晶体管，有用于接收输入RF信号的第一栅和用于产生放大的RF信号的第一漏；
第二场效应晶体管，有耦合到所述第一漏用于接收所述放大的RF信号的第二栅，和用于产生输出的RF信号的第二漏；
控制电路，耦合到所述第一漏和所述第二漏，用于基于所述装置的输出功率改变加到所述第一漏和所述第二漏的电压。
本发明提供一种放大信号的方法包括步骤：
耦合输入信号到功率放大器的第一级；
改变加到所述功率放大器的第一级的漏的电压；
改变加到所述功率放大器的第二级的漏的电压；
在输出端产生输出信号，它是在所述功率放大器的输入端接收的输入信号的放大。
根据本发明的方法和装置，双漏控制用在第一和第二级上的可变电压源以控制输出功率。双漏控制提供传输低功率电平必须的动态范围。虽然有1∶1比的双漏控制(即，加到漏的电压的比)在低功率电平较有效，有1∶1比的双漏控制在高功率电平通常较单漏控制低效。因此，优选用在高功率电平的单漏控制，在低功率电平有1∶1比的双漏控制。这种有1∶1比的双漏控制可通过直接改变功率放大器的漏上的电压使用，如用来自微处理器的信号。另外，可用特定电路产生基于控制电压的漏电压。这些用控制电压的电路将减少来自微处理器的控制信号数。
本发明的优点是：增加放大器的动态范围，增加放大器的稳定性。
附图简要说明：
图1是根据本发明的无线通信装置如蜂窝无线电话的框图；
图2是图1的框图中的发射机电路123的框图；
图3是根据本发明的放大电路203的框图；
图4是放大电路203的更详细的电路图；
图5是根据本发明的为功率控制信号的函数的图4的两级放大器漏电压曲线图；
图6是放大电路203的另一实施方案的电路图；
图7是根据本发明的为功率控制信号的函数的图6的两级放大器漏电压曲线图；
图8是放大电路203的又一实施方案的电路图；
图9是根据本发明的为功率控制信号的函数的图8的两级放大器的漏电压曲线图；
图10是根据本发明放大信号的方法的流程图；
图11是根据本发明另一实施方案放大信号的方法的流程图。
先翻到图1，示出实现本发明的如蜂窝无线电话的无线通信装置的框图。在优选实施方案中，帧发生器ASIC101，如可从摩托罗拉公司得到的CMOSASIC；及微处理器103，如也可从摩托罗拉公司得到的68HC11微处理器组合，以产生在蜂窝系统中运行必需的通信协议。微处理器103用包括RAM105，EEPROM107和ROM109的存储器104，优选固化于一个封装111内，以执行产生协议所必需的步骤和运行通信单元的其他功能，如向显示器113写，从键盘115接收信息，控制频率合成器125，或执行根据本发明的方法放大信号所必须的步骤。ASIC101处理由音频电路119来自麦克风117和去向扬声器121变换的音频。
收发信机处理射频信号。具体地，发射机123通过天线129用频率合成器125产生的载频发射。由通信装置的天线129接收的信息进入接收机127，它用来自频率合成器125的载频解调包括消息帧的字符。通信装置可选择地包括具有数字信号处理装置的消息接收机和存储装置130。消息接收机和存储装置能是例如数字应答机或寻呼接收机。
现翻到图2，框图描绘有放大电路203和对应的控制电路的发射机123，其中控制电路包括检测电路215，积分电路217和处理器电路219。放大电路203优选含两放大部件，优选砷化镓FET(场效应晶体管)，以接收输入信号并产生是放大的输入信号的输出信号。电源209，如电池，产生标为VB+的电池电压信号并向放大电路203供电。虽然包括电源209的电池可被制成当被标称充电时提供特定电池电压信号，如3.0v、4.8v或6v，在电池大量放电到低于该特定电压的电压时，放大电路203必须能工作。
放大电路203放大由RF输入电路205提供的RF输入信号204(典型含将被发射的话音和数据)为放大的RF输出信号206。RF输入信号204被放大，以便RF输出信号206中的功率量对应于定义发射机123的运行的一组预定功率输出电平之一。放大电路203然后输出RF输出信号206到RF输出电路207。
图2的框图含输出功率控制环，以最大化放大电路203的效率。功率控制环通常由处理器电路219控制。虽然发射机123用集成处理器电路219，发射机123的基于处理器的功能能仅由装置的中央处理器提供，如图1所示的微处理器103。
输出功率控制环通过放大器控制信号211改变放大电路203的放大增益，保持RF输出信号206中的功率量于恒定电平。输出功率控制环包括检测电路215，处理器电路219和积分电路217，且当发射机123运行时工作。
检测电路215耦合在放大电路203与RF输出电路207之间，并耦合到积分电路217，以检测RF输出信号206的功率电平。基于检测，检测电路215产生并输出检测的功率输出信号216到积分电路217。检测的功率输出信号216对应于RF输出信号206中的功率量。
处理器电路219被耦合到积分电路217，以提供功率输出控制信号218。功率输出控制信号218含预定值，该值定义必须在RF输出信号206中的功率量。预定值是在制造期间存储于处理器电路219的存储器的一组定相值之一。
积分电路217比较检测的功率输出信号216与功率输出控制信号218，以保证RF输出信号206中的功率量正确。积分电路217据此调节放大器控制信号211的幅度，以保证放大电路203提供精确和恒定的RF输出信号206。
现翻到图3，框图示出较详细的放大电路203。具体地，放大电路203包括第一级302和第二级304，用于放大来自RF输入电路205，如压控振荡器(VCO)的信号，到RF输出电路207。第一级放大器302在输入端306接收VCO的输出，并产生耦合到第二级放大器的输入端308的第一输出信号。第二级310的输出端耦合RF输出电路207，例如，它能是双工滤波器。放大器的每一级接收漏电压和栅电压，以控制放大器。
虽然漏和栅电压能从控制电路如微处理器直接加于放大器，放大电路203也优选包括自动输出控制(AOC)缓冲器312。AOC缓冲器在输入端313接收功率控制信号VAOC。AOC缓冲器312分别在输出端314和316产生漏电压控制信号Vd1和Vd2。正如将参照剩余图详细描绘，两漏控制电压和第二级的栅控制电压可用于减少电流，并最大化功率放大器的效率。
现翻到图4，示出放大电路203的电路图。具体地，输入功率信号PIN被耦合到电阻402和包括传输线404和406的传输线网络。电容408耦合输入信号到包括第一级放大器302和第二级放大器304的功率放大器410。功率放大器410的两级优选包括N沟道耗尽装置。然而，根据本发明可用其他装置。输入信号在第一级放大器的栅极412耦合到功率放大器410。然后晶体管的漏414由传输电路418耦合到放大器的第二级。放大器302的源极和基被耦合到地。然后，功率信号耦合到功率放大器410的第二级放大器304的栅420。漏422被耦合到输出端426(Pout)，它向RF输出电路207提供放大的功率信号。放大器304的源极424和基也耦合到地。
图4中也详细示出AOC缓冲器312，它通常包括用于产生Vd1的第一AOC缓冲器430和用于产生Vd2的第二AOC缓冲器432。如将参照图5所详细描绘，产生放大器的第一级的漏电压Vd1，以最大化放大器的效率。AOC缓冲器430在由电阻436耦合到控制晶体管440的基极442的输入端434接收功率控制信号VAOC。功率控制信号VAOC优选线性电压信号。随VAOC增加，两个漏的输出电压单调增加。集电极444由电阻446耦合到VB+，而射极447耦合到包括分路电阻448和串联电阻449的电阻网络。对分路电阻和串联电阻值的选择将决定放大器的具体级的增益，因此，决定第一和第二级的增益比。控制晶体管440的集电极也耦合到晶体管450的基极452，它优选P沟道增强型MOSFET晶体管。源极454和基被耦合到VB+，而漏耦合到传输线458。最后，另一晶体管498被耦合到晶体管440的基极，以在偏置相位期间截止第一级漏，以消去第二级中的振荡。
第二AOC缓冲器432也在输入端460接收功率控制信号VAOC，输入端460由电阻462耦合到控制晶体管464的基极466。集电极468由电阻470耦合到VB+。射极471被耦合到串联电阻469和分路电阻473。集电极468也耦合到晶体管472的栅474，它优选P沟道增强型MOSFET晶体管。晶体管472的源极和基被耦合到VB+。漏478被耦合到传输线480。在传输线480的输出端产生的Vd2’也决定功率放大器的效率。优选的晶体管450和472为P沟道增强型MOSFET晶体管。然而，根据本发明，可用其他晶体管。晶体管475也被耦合，以在其基极经由二极管477接收VAOC。集电极479耦合到电阻481，它与分路电阻并联耦合。如将参照图5详细描绘，当晶体管475偏置导通，电阻481与分路电阻473并联耦合，改变第二级的增益。
每个控制晶体管由下列方程(1)控制：
Vd＝(VAOC-Vbe)×〔(R串联+R分路)/R分路〕，
其中：Vd＝输出电压(Vd1为第一级输出电压，Vd2为第二级输出电压)
VAOC＝输入电压(功率控制信号，优选0-2.75v)
Vbe＝基极-射极电压
增益＝〔(R串联+R分路)/R分路〕，
R串联＝串联反馈电阻(449为第一级串联反馈电阻；469为第二级串联反馈电阻)
R分路＝分路反馈电阻(448为第一级分路反馈电阻；473为第二级分路反馈电阻)
图5的曲线图示出漏电压Vd1和Vd2为功率控制电压VAOC的函数。开始，Vd1跟踪Vd2直到VAOC达到V’。因此，在低功率电平期间，电路展示双漏控制的效率。然而，当VAOC增加到V’以上时，超过齐纳二极管477的门限，导通晶体管475，以通过为电阻481产生接地的通道并联耦合电阻481与分路电阻473。如能从方程(1)计算，第二级的增益将变化，产生固定的Vd2。如能从图5所见，电路展示在高功率电平期间的单漏控制的效率。选择串联和分路电阻，以基于许多因素在两级产生预定增益(因此产生Vd1/Vd2比)。V’由PA的特定特性确定，如单漏控制比有1∶1电压比的双漏控制的电流消耗。V’选择为单漏控制变成比双漏控制更有效的点。
现翻到图6，另一实施方案示出有较低Vd1/Vd2比，如1∶3比的双漏控制的电路。如将详细描绘，图6的电路省去晶体管475、二极管477和电阻481，且用栅控制电路482优化放大器效率和稳定性。有1∶3比的双漏控制组合来自单漏控制在高功率电平的效率与当另一偏置被加于第二级栅以改变静态电流消耗时的有1∶1比的双漏控制在低功率电平的效率。如前所述，双漏控制通常在低功率电平更有效。在低功率区(如IS-91规范的功率电平4-10)，另一低功率偏置被加到第二级的栅。具体地，缓冲电路提供能由PA的栅输出或吸入的电流。结果是，图6的电路模仿有1∶1的Vd1/Vd2比的双漏控制。
现翻到图8，又一实施方案示出用于减少功率放大器中的电流的电路。具体地，图8的实施方案示出电阻分压网络，包括在控制晶体管440的基极的电阻802和804。电阻分压网络延迟Vd1的产生，直到功率控制信号VAOC到达一定电平V’，如图9所示。然后，电路展示V’和V”之间的双漏控制和V”与V’”之间的单漏控制。能用其他电路如所需的改变为VAOC的函数的Vd1和Vd2曲线。
现翻到图10，示出根据第一实施方案的优选的最大化功率放大器效率的步骤。优选地，微处理器103或其他处理电路执行最大化功率效率所需的步骤。具体地，在步骤1002，通信装置判定是否已施加功率。然后，在步骤1004，通信装置监视传输功率电平。然后，在步骤1006，通信装置判定发射功率是否等于预定电平，发射功率是否等于由微处理器确定的预定电平。
如果发射功率不等于预定电平，在步骤1008，通信装置调节功率放大器的第一级的漏上的电压。在步骤1010，装置也调节功率放大器的第二级的漏上的电压。漏上的电压的调节能由在图3和4的电路中加功率控制信号VAOC达到。优选地，虽然可加不同的电压，步骤1008和1010中的调节漏上的电压的步骤同时执行。还有，直接从微处理器加信号到漏能改变电压，或根据图4、6或8的电路。然后，在步骤1012，通信装置保持RF信号的发射功率，直到在步骤1006发射功率大于预定电平。
现翻到图11，示出根据另一实施方案的优选的最大化功率放大器效率的步骤。这些步骤优选在有栅控制的电路中执行，如参照图6所描绘。优选地，微处理器103或其他处理电路执行最大化功率效率所需的步骤。在步骤1102，通信装置判定是否已施加功率。在步骤1104，通信装置监视功率电平。另外，根据图11的另一实施方案，通信装置调节第二级的栅电压。在步骤1106，通信装置判定发射功率是否低于预定电平。在步骤1108，如果发射功率不低于预定电平，通信装置加高功率偏置到第二级的晶体管的栅。在步骤1108，如果发射功率低于预定电平，在步骤1110，通信装置加低功率偏置到第二级的晶体管的栅，以减少电流消耗。
然后，在步骤1106，通信装置判定发射功率是否等于预定电平，发射功率是否等于由微处理器确定的预定电平。如果发射功率不等于预定电平，在步骤1108，通信装置向功率放大器的第一级的漏提供第一电压，并在步骤1110，向功率放大器的第二级的漏提供第二电压。优选地，虽然可加不同的电压，步骤1108和1110中的调节漏上的电压的步骤同时执行，如参照图6所详细描绘。第一和第二电压优选由电路的设计确定，如图6的电路。第一和第二电压由许多因素确定，包括功率放大器晶体管等。最后，在步骤1118，通信装置保持RF信号的发射功率。
概言之，本发明中的方法和装置描绘用在第一和第二级的漏上可变供电电压以控制输出功率的双漏控制。双漏控制提供传输低功率电平，如IS-91标准的功率电平8、9和10所需的动态范围。虽然有1∶1比的双漏控制(即，加到漏上的电压比)在低功率电平较有效，有1∶1比的双漏控制通常在高功率电平比单漏控制效率低。因此，优选用在低功率电平的有1∶1比的双漏控制，与在高功率电平的单漏控制。这种双漏控制能通过直接改变功率放大器的漏上的电压使用，如用来自微处理器的信号。另外，能用特定电路产生基于控制电压的漏电压。这种用控制电压的电路将减少来自微处理器的控制信号数。
例如，电路能在预定功率电平及以下模拟双漏控制，在预定功率电平以上用单漏控制。根据另一实施方案，有较低比如1∶3比的双漏控制能被用于加于第二级的栅的另一低功率偏置。选择另一低功率偏置，以优化放大器的效率和稳定性。
虽然上文和图中描绘了本发明，应知道，这个描绘用于举例，本领域的技术人员不脱离本发明的真实精神和范围，能作出改进和变形。虽然本发明具体用于便携蜂窝无线电话，本发明可用于任何无线通信装置，包括寻呼机、电子组织者或计算机。发明由下列权利要求限定。

Claims (10)

1、用于放大信号的装置包括：
第一场效应晶体管，有用于接收输入RF信号的第一栅和用于产生放大的RF信号的第一漏；
第二场效应晶体管，有耦合到所述第一漏用于接收所述放大的RF信号的第二栅，和用于产生输出的RF信号的第二漏；
控制电路，耦合到所述第一漏和所述第二漏，用于基于所述装置的输出功率改变加到所述第一漏和所述第二漏的电压。
2、如权利要求1所述的用于放大信号的装置，其中，所述控制电路加第一漏电压到所述第一漏，加第二漏电压到所述第二漏。
3、如权利要求2所述的用于放大信号的装置，其中所述第一漏电压和所述第二漏电压在所述装置的预定的输出功率及以下大致一样，且其中所述第二漏电压在所述预定的输出功率之上大致固定。
4、如权利要求1所述的用于放大信号的装置，其中，所述控制电路包括第一电路，用于响应控制信号产生第一漏电压，所述第一电路包括第一晶体管，有第一串联电阻和第一分路电阻耦合到所述第一晶体管的射极，所述第一漏电压是所述控制信号、所述第一串联电阻和所述第一分路电阻的函数。
5、如权利要求4所述的用于放大信号的装置，其中，所述控制电路还包括第二电路，用于响应所述控制信号产生第二漏电压，所述第二电路包括第二晶体管，有第二串联电阻和第二分路电阻耦合到所述第二晶体管的射极，所述第二漏电压是所述控制信号、所述第二串联电阻和所述第二分路电阻的函数。
6、放大信号的方法包括步骤：
耦合输入信号到功率放大器的第一级；
改变加到所述功率放大器的第一级的漏的电压；
改变加到所述功率放大器的第二级的漏的电压；
在输出端产生输出信号，它是在所述功率放大器的输入端接收的输入信号的放大。
7、如权利要求6所述的放大信号的方法，其中所述改变加到所述功率放大器的所述第一级的电压的步骤包括：加大致线性增加的电压直到所述输出功率电平达到第一预定电平。
8、如权利要求7所述的放大信号的方法，其中所述改变加到所述功率放大器的所述第二级的电压的步骤包括：加大致线性增加的电压直到所述输出功率电平达到低于所述第一预定电平的第二预定电平。
9、如权利要求8所述的放大信号的方法，其中所述改变加到所述功率放大器的所述第二级的电压的步骤包括：在低于所述第二预定电平时加大致等于加到所述第一级的电压。
10、如权利要求9所述的放大信号的方法，其中，所述改变加到所述功率放大器的所述第二级的电压的步骤包括：在所述第二预定电平之上时加大致固定的电压。
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