CN1234922A - 低失真功率放大器 - Google Patents

Abstract

一个用于有效的低失真的功率放大的方法和设备包括一个包络检测器(220),一个差分放大器(130),一个包络放大器(270)和一个功率放大器(260)。通过一个第二个包络检测器(120)提供一条从输出端到差分放大器(130)的反馈路径。反馈电路工作在RF信号的包络的带宽而不是RF带宽上。一个包络放大器(270)包括一个差分放大器(272),一个脉宽调制器(275),一个驱动器(280),诸开关晶体管(285),一个低通滤波器(290)和一个电压调节器(292)。一条在包络放大器内部的反馈路径减少了由低通滤波器(290)引入的延时。诸组合的反馈环路在一起工作减少了失真并降低了诸互调产物。

Description

低失真功率放大器

本发明一般地涉及诸功率放大器和特别是涉及诸高效率的功率放大器。

为了放大诸信号可用诸不同的设备。在涉及诸调制信号的放大和传输的诸放大器应用中，重要的是放大器的效率。此外，因为许多调制信号将信息包含在幅度包络和信号的相位中，重要的是产生信号的一个高保真度再现的能力。特别是，放大器优先地要显示出非常低的幅度失真和非常低的相位失真。

诸通信设备，它们常常发送在幅度和相位二者中都有信息的诸信号，是对这些质量有很高要求的一个应用例子。低失真允许诸通信设备能更可靠地进行通信，而高效率允许诸通信设备用单个电池工作较长的时间。

一个为实现提高效率的方法是用诸饱和放大器。诸饱和放大器，如诸C类放大器，以非线性的代价来达到高效率的目的。然而，因为非线性放大破坏了信息，诸非线性放大器不能用于将信息包含在幅度包络内的诸应用中。当幅度信息已被一个非线性放大器破坏时，幅度失真就已经发生了。

除了信息的失真和损失外，诸饱和放大器的非线性工作引起诸互调产物的增加。诸互调产物在和我们要用的频带不同诸频带中引起不希望有的诸能量。通常将这种不希望有的能量定量化并将它称为相邻信道功率(Adjacent Channel Power(ACP))。当ACP的电平很高时就会使一个放大器不适合于一个特定的应用。

因为传统上效率是通过将诸放大器驱动到饱和状态来得到的，和因为将诸放大器驱动到饱和状态使诸互调产物增加，所以高效率和低的诸互调产物在历史上一直是要相互折衷的。我们非常希望能在一个高效率的饱和放大器中实现低的诸互调产物，从而避免在这二者之间进行一个折衷的需要。

因此，我们需要一个有一个线性幅度响应并导致低的幅度失真的高效率的饱和放大器。我们也需要一个显示出低的诸互调产物的高效率的饱和放大器。

我们在所附的权利要求书中指出了本发明的诸特点。然而，通过结合所附的诸图参照下面的详细描述，本发明的诸其它的特点将变得更加清楚并且对本发明也将有更好的了解，其中：

图1是一个表示根据本发明的一个优先实施例的一个放大器电路的图。

图2是一个表示根据本发明的一个优先实施例的一个包络放大器的图。

图3是一个表示根据本发明的一个实施例的一个通信设备的图。

图4是一个表示根据本发明的一个实施例的一个减少在一个功率放大器中产生的失真的方法的流程图。

图5是一个表示根据本发明的一个实施例的一个减少在一个放大器中产生的失真的方法的流程图。

一般地说，本发明通过提供一个和输入信号的相位分开地对输入信号的包络进行放大的功率放大器电路来帮助解决上面确定的诸问题，其中将输出信号的包络作为反馈送回到电路中。

图1是一个表示根据本发明的一个优先实施例的一个放大器电路的图。可以认为如图1所示的诸包络消除和恢复(EER)型放大器是诸高效率放大器。

EER是一种技术，通过这种技术能将诸高效率但是非线性的射频(RF)功率放大器和诸其它的高效率放大器组合起来以便产生一个高效率的线性放大器系统。一个S类或其它的只能工作在RF包络的带宽上的高效率的功率放大器能够有效地放大被检测的包络。最后一级的RF功率放大器的幅度调制将包络还原给调相载波，产生输入信号的一个被放大的复制品。

EER型放大器10包括功率分配器(power divider)210，包络检测器220，差分放大器130，包络放大器270，限幅器240，功率放大器260，耦合器262和包络检测器120。EER型放大器10接收一个进入功率分配器210的RF输入。功率分配器210将RF输入信号分开送到一条馈送给包络检测器220的幅度路径和一条馈送给限幅器240的相位路径。

EER型放大器10的相位路径包括限幅器240和功率放大器260。限幅器240从功率分配器210接收输出的信号，并且使信号的幅度受到限制。可以略去限幅器240，或者限幅器240能够进行软限幅，但是优先的是限幅器240进行硬限幅，使得限幅器240的输出包含相位信息而几乎没有或完全没有幅度信息。将从限幅器240输出的幅度受到限制的信号输入到功率放大器260。

从图1所示的优先实施例可明显地看到没有在大多数常规的EER型放大器的相位路径中存在的延时单元。延时单元通常起着对幅度路径和相位路径中的延时进行平衡的作用。因为本发明的优先实施例提供了其它的为完成延时匹配的装置，所以略去该延时单元可能是有利的。我们将在下面结合幅度路径和包络放大器对本优先实施例的这个有利的特点作进一步的讨论。

EER型放大器10的幅度路径包括包络检测器220，差分放大器130和包络放大器270。包络检测器220检测RF输入信号的包络，并输出一个代表包含在原来的RF输入信号中的幅度信息的包络信号。包络检测器220优先地是一个二极管检测器，然而也可以用诸其它类型的检测器，如一个基于一个双平衡混频器的同步检测器。

差分放大器130从包络检测器220接收输入的包络信号并将它和一个由包络检测器120产生的输出的包络信号进行比较。差分放大器130的输出是输入包络信号的一个有轻微失真的变型。优先地，引入的失真应和由功率放大器260引入的任何失真相等并相反。为了实现这种失真功能，差分放大器130可以定标输入的包络信号，输出的包络信号或者在放大它们的差之前对它们二者定标。在对诸包络信号或差值信号进行非线性定标(scaling)是有利的诸情形中，可以用差分放大器130来实施这种定标。能够用许多不同的已知的方法实现差分放大器130，然而优先地它是一个运算放大器。

优先地，包络检测器120和包络检测器220相互匹配，使它们二者对电路引入诸相同的效应。当这二个包络检测器相互匹配时，减小了因为失去匹配引入的可能的失真。进一步，优先地将包络检测器120和包络检测器220放在同一个组件中并制造在同一个基片上。

用耦合器262对输出信号进行取样以便用于反馈。当然，用于对输出信号进行取样的任何装置都能用来代替耦合器262而仍然能够实现本发明。耦合器262取得RF输出波形的一个样本并通过包络检测器120将它馈送回到幅度路径中。这种反馈结构有众所周知的诸优点，即向一个工作在非常高的频率的放大器提供反馈而不需要反馈诸非常高频率的信号。环路的诸带宽要求取决于包络的带宽而不是RF带宽，所以当诸RF信号增加频率时我们能继续实现反馈的诸优点。

在实践中，诸实验结果已经指出用如图1所示的EER型放大器中的包络反馈能够实现在诸互调产物方面的一个重大的改善。如图1中的实施例那样本发明的方法和设备充分地改善了EER型放大器的互调制性能，允许该放大器满功率饱和工作并且仍能满足严格的诸相邻信道功率要求，而在其它的情形中这些要求是不能被满足的。

包络放大器270放大从差分放大器130输出的包络信号并驱动功率放大器260的漏极偏压。因为包络放大器270只需要工作在包络的带宽上而不是工作在RF放大器的高得多的RF带宽上，所以包络放大器270能够是一个价廉和有效的对带宽的诸要求比较低的高效放大器。一位熟练的技术人员将认识到有许多可能的方法去实现包络放大器270，但是在一个优先实施例中，包络放大器270是一个S类的放大器。

包络放大器270将包络信号放大到一个和希望的输出信号相当的电平。包络放大器的输出是RF功率放大器260的供电电源。调相的RF载波所得到的再调制使包络恢复，产生输入信号的一个放大了的复制品。

图2是一个表示根据本发明的一个优先实施例的一个包络放大器的图。包络放大器270包括差分放大器272，脉宽调制器(PWM)275，驱动器280，诸开关晶体管285，低通滤波器290和电压定标器292。

差分放大器272接收进入包络放大器270的输入信号并将它和包络放大器270的输出信号的一个经过定标的变型进行比较。包络放大器270的输出信号的定标的变型是通过对包络放大器270的输出信号进行取样并用电压定标器292对所得到的信号进行定标后产生的。这个信号路径在包络放大器270内部提供反馈。对输出信号的取样优先地是一个直接连接，然而引入较小的电路负载的取样装置也是适用的。

差分放大器272可以对它的两个输入信号或其中的任何一个在放大它们的差之前进行定标。在对诸包络信号或差值信号进行非线性定标是有利的诸情形中，可以用差分放大器272来实施这种定标。在图2所示的优先实施例中，电压定标器292对取样输出定标，差分放大器272不对它的诸输入信号中任何一个进行定标。能够用许多不同的已知的方法实现差分放大器272，然而优先地它是一个运算放大器。

PWM 275对从差分放大器272输出的包络信号实施脉宽调制，以便产生一个脉宽调制信号，该信号有一个正比于包络信号的幅度的负载周期(duty cycle)。然后将脉宽调制信号馈送到驱动器280。诸开关晶体管285和低通滤波器290对驱动器280作出响应，产生一个是差分放大器272输出信号的放大了的变型。

在这种电路结构中，将差分放大器272的输出信号输入到PWM275而不是将包络信号直接输入到PWM275。所得到的反馈使包络放大器270的输出信号和包络放大器270的输入信号在幅度和相位二者中都匹配得非常紧密。因为反馈的诸效应，低通滤波器290的输出相对于PWM275的输入被延迟，但是它相对于包络放大器270的输入没有被延迟。

因为在接着脉宽调制器的低通滤波器中引入的延迟，诸常规的EER型放大器在包络放大器中显示出一个显著的时延。在图2所示的本发明的优先实施例中，由低通滤波器290引入的诸时延效应已经被反馈消除。当将EER型放大器10作为一个整体来看待时，在包络放大器270中没有延迟的重要性就变得很明显了。

如上面提到的，诸常规的EER型放大器包括一个在相位路径中的延时单元，该延时单元使在包络放大器中和低通滤波器中的延时相匹配。常常这种延时必须匹配得非常紧密，所以这种延时就代表着一笔很大的费用。如在这里举例说明的优先实施例中那样消除在幅度路径中延时允许移去在相位路径中延时，从而导致费用的节省和减少电路的复杂性。

图1和图2的组合电路形成一个有两个反馈环路的EER型放大器，一个环路嵌在另一个环路中。图2所示的闭环包络放大器形成内部反馈环路。通过对在EER型放大器的输出端的被恢复的包络进行检测形成外部反馈环路。用一个差分放大器比较在输出端的被检测的包络和RF输入包络，以便产生一个驱动包络放大器的新信号。这个新信号包含为使输入和输出包络几乎完全相同以便减小放大过程中的失真所必需的失真。

图3是一个表示根据本发明的一个优先实施例的一个通信设备的图。通信设备300包括功率放大器电路320和天线310。功率放大器电路320可以是本发明的诸低失真放大器中的任何一个，包括，例如，EER型放大器10(图1)。通信设备300可以是许多能够进行通信的不同设备中的一个。诸例子包括，但不限于，在一个卫星通信系统中的诸单独的用户装置，诸业余无线电装置，诸商用波段无线电，诸双向寻呼机，和诸蜂窝式电话。

图4是一个表示根据本发明的一个优先实施例的一个减少在一个功率放大器中产生的失真的方法的流程图。方法400从步骤410开始，在步骤410中，将一个输入信号分离成一个幅度分量和一个相位分量。在步骤410后，输入信号的幅度分量和相位分量每个都能被改变而不影响另一个。

接着，在步骤420，作为输入信号和输出信号的幅度分量的一个函数产生一个放大的包络信号。为了完成这个工作，将输出信号的一个被检测的包络的变型反馈回到幅度路径。所得的放大的包络信号包含来自输入包络以及输出包络的信息。因为放大的包络信号包含来自输出信号的信息，所以以这样一种方式，即减小跟随在放大的包络信号后的放大器链路中产生的诸失真效应，对放大的包络信号实施预失真。在一个优先实施例中，产生放大的包络信号作为在输入包络和输出包络之间的一个差。我们用差分放大器130(图1)举例说明这个功能。

在步骤420后，步骤430用放大的包络信号对相位分量进行调制以便产生输出信号。这种调制可以通过对一个场效应晶体管(FET)放大器的漏极进行调制来实施。在这种方式中，放大的包络信号作为最后一级RF放大器的电源起作用。作为方法400中的诸步骤的一个结果，输出信号是一个与其它的用诸常规的方法所能得到的输入信号相比更忠实的再现。

图5是一个表示根据本发明的一个优先实施例一个减少在一个放大器中产生的失真的方法的流程图。在步骤510，对输入信号的包络进行检测，产生一个输入包络信号。然后，在步骤520，对输出信号的包络进行取样，产生一个输出包络信号。在检测了输入包络信号和对输出包络信号进行取样后，在步骤530作为二个包络信号的一个函数产生一个第一个信号。

因为这个第一个信号包含来自输入信号和输出信号的信息，所以它与在一个常规的反馈系统中的一个“误差”信号相似。在优先实施例中，对输出的包络信号定标，然后通过取在输入的包络信号和经过定标的输出的包络信号之间的差产生第一个信号。

然后，在步骤540，放大第一个信号以便产生一个放大的包络信号。放大第一个信号的一个放大器的一个例子如包络放大器270所示(图2)。在放大第一个信号的步骤540，放大器优先地包括一个反馈环路。将放大器的输出经定标后反馈回到放大器的输入端。然后将经定标的输出信号和第一个信号进行比较，产生一个第二个信号，然后用一个S类放大器放大第二个信号。S类放大器产生一个有一个和第二个信号成正比的负载周期的脉宽调制信号，然后使脉宽调制信号经过低通滤波以便产生放大的包络信号。

然后在步骤550，用放大的包络信号对一个放大器级进行调制。作为在方法500中诸步骤的一个结果，输出信号是一个比其它的用诸常规的方法所能得到的输入信号更忠实的再现。

作为一个总结，本发明的方法和设备提供了一种装置，用于使一个饱和放大器满功率工作并有可接受的诸低的互调产物。此外，本发明的方法和设备如所描述的，代表一种多用途的在一个高效率，线性功率放大器中实现低失真的方法。有低失真的诸高效率线性功率放大器对于在幅度和相位二者中包含信息的诸调制信号的放大是非常有用的。诸通信设备，它们常常发送在幅度和相位二者中都有信息的诸信号，能从本发明的方法和设备得到极大的好处。低失真允许诸通信设备能更可靠地进行通信，而高效率允许诸通信设备能用单个电池工作较长的时间。

上述的对诸特定实施例的描述将如此充分地显示本发明的一般的性质，使得其它的人能够通过应用当前的知识很容易地对这些特定的实施例进行变化和/或修改以便适用于诸不同的应用，而没有偏离一般的概念，所以我们应当并有意地在诸公布的实施例的诸等效物的意义和范畴内理解这些修改和变化。例如，能够将耦合器262和包络检测器120组合成单个功能，或者能够由许多级放大器组成功率放大器260。

我们应当懂得这里采用的术语或词汇是为了说明的目的而不应受到限制。因此，我们有意将所有的这种替换物，修改，等效物和变化当它们处在所附的权利要求书的精神和宽的范围内时都包括在本发明中。

Claims (10)

1．一个减小在一个功率放大器中引起的失真的方法，所述的方法包括下列诸步骤：

将一个输入信号分成进入一条幅度路径和一条相位路径；

用一个来自所述的幅度路径的放大的幅度信号对一个在所述的相位路径中的放大器级进行调制；和

将所述的功率放大器的一个输出反馈回到所述的幅度路径。

2．权利要求1的方法，其中所述的反馈步骤包括下列诸步骤：

对所述的功率放大器的所述的输出进行包络检测，以便产生一个输出包络信号；和

作为所述的输入信号和所述的输出包络信号的一个函数产生所述的放大的包络信号。

3．一个放大器包括：

一个第一个包络检测器，用于检测一个输入信号的一个包络，以便产生一个输入包络信号；

一个第二个包络检测器，用于检测一个输出信号的一个包络，以便产生一个输出包络信号；

一个第一个差分放大器，它对所述的输入包络信号和所述的输出包络信号作出响应，以便产生一个第一个差分信号；

一个包络放大器，用于放大所述的第一个差分信号和产生一个放大的包络信号；和

一个功率放大器，它产生所述的输出信号，其中用所述的放大的包络信号对所述的功率放大器进行调制。

4．权利要求3的放大器，其中所述的包络放大器是一个S类放大器。

5．权利要求3的放大器，其中所述的第一个差分放大器在产生所述的第一个差分信号前，对所述的输出包络信号进行定标。

6．权利要求3的放大器，其中所述的第一个差分放大器在产生所述的第一个差分信号前，对所述的输入包络信号进行定标。

7．权利要求3的放大器，其中所述的包络放大器由下列的装置组成：

一个第二个差分放大器，它对所述的第一个差分信号和所述的放大的包络信号作出响应，以便产生一个第二个差分信号；和

一个放大器级，它对所述的第二个差分信号作出响应，以便产生所述的放大的包络信号。

8．权利要求7的放大器，其中所述的放大器级是一个S类放大器，它对所述的第二个差分信号作出响应。

9．权利要求3的放大器，其中所述的第一个包络检测器和所述的第二个包络检测器是匹配的。

10．权利要求3的放大器，其中将所述的第一个包络检测器和所述的第二个包络检测器装在一个共同的组件中。

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