CN1399812A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种控制功率放大器特征的电路，包括：第一和第二输入(2，4)；具有一个输入和一个输出(14)的第一振幅检测电路(8，10，12，16)，其中输入与第一输入相连，且第一检测电路可以操作以产生表示在其输入端接收到的输入信号振幅的第一输出信号；具有一个输入和一个输出(26)的第二振幅检测电路(20，22，24，28)，其中输入与第二输入相连，且第二检测电路可以操作以产生表示在其输入端接收到的输入信号振幅的第二输出信号。该电路还包括：具有一个输入和一个输出(36)的相位检测电路(34)，其中输入与第一和第二输入中的每个相连，并且可以操作以产生表示提供给第一和第二输入的输入信号之间相对相位的相位信号；被连接用来接收第一和第二振幅检测电路输出，且可以操作产生振幅控制信号的振幅控制电路(40，42)；以及被连接用来接收相位检测电路的输出，且可以操作产生相位控制信号的相位控制电路(44，46)。

Description

功率放大器
发明领域
本发明涉及功率放大器。
发明背景
在移动通信网络的新EDGE(用于GSM发展的增强数据速率)调制模式中，振幅象频率一样是变化的并且是调制的部分。这就意味着功率放大器(PA)必须有恒定的增益而不是恒定的输出功率。这就是当前GSM(全球移动通信系统)的状况，其中振幅是恒定的，而且所有信息都是同相的。
在EDGE调制模式中，由于功率放大器在高输出功率时将会是非线性的，在那样的高输出功率下增益和相位将会失真。
在失真互调分量中，第三阶(IM3)是最严重的。在GuillermoGonzalez所著，1984版，ISBN为0-13-581646-7的“微波晶体管放大器”中第178页中可以找到更多的信息。在EDGE中，可能要求IM3分量＜-40dBc。如果功率放大器是按照惯例为线性操作进行偏置的，这将是一个非常难以满足的技术要求。在USD-AMPS系统中要求-28dBc，因此在D-AMPS中连甲乙类(非常接近于乙类操作)功率放大器都能满足该要求。传统偏置的EDGE功率放大器需要偏置到接近甲类以达到该技术要求。
但是，与D-AMPS功率放大器相比，甲类偏置的EDGE功率放大器在调制期间当振幅低的时候仍然会有电流。在D-AMPS功率放大器中发射低振幅时，电流减少得相当多。如果比较它们的平均效率，D-AMPS功率放大器将得到几乎与饱和的GSM功率放大器一样高的效率。从另一方面讲，EDGE功率放大器有很低的平均效率。
然而，如果考虑最大输出功率时的效率，那么EDGE功率放大器有很高的效率。这一点在平均效率中得不到体现的原因是最大输出功率只在功率放大器运行期间很短的一部分时间内应用。
因此希望以这样一种方式偏置功率放大器，它在所有的输出功率量级都能保持尽可能地接近饱和。
有许多已知的将功率放大器线性化的不同方法。这些方法中的许多都是基于在射频的反馈和前馈，而且对元件的变化很敏感。美国专利No.5742201描述了一种系统，其中反馈发生在比射频发射信号更低的频率。
希望提供一种用于功率放大器的偏置电路，该偏置电路有最小的复杂性，能够克服先前考虑的解决方案的缺点。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供了一种控制功率放大器特性的电路，包括：
第一和第二输入；
含有一个输入和一个输出的第一振幅检测电路，该输入与上述第一输入相连，而且第一检测电路可以操作以产生表示在其输入接收到的输入信号振幅的第一输出信号；
含有一个输入和一个输出的第二振幅检测电路，该输入与上述第二输入相连，而且第二检测电路可以操作以产生表示在其输入接收到的输入信号振幅的第二输出信号；
含有一个输入和一个输出的相位检测电路，该输入与第一和第二输入中的每个相连，而且可以操作产生表示提供给第一和第二输入的输入信号之间的相对相位的的相位信号；
被连接用来接收第一和第二振幅检测电路的输出，并且可以操作以从中产生振幅控制信号的振幅控制电路；及
被连接用于接收相位检测电路的输出，并且可以操作以从中产生相位控制信号的相位控制电路。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制功率放大器的方法，包括：产生表示放大器高频输入信号振幅的第一信号和表示放大器高频输出信号振幅的第二信号，比较第一和第二信号以产生一个比较信号，以及将该比较信号作为偏置控制信号提供给功率放大器。
在这样一种电路中，第一振幅检测电路优选地包括：在检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第一电阻，其中二极管在输入与地之间反向偏置连接；在检测电路的输入与输出之间串联的第二电阻；以及在检测电路输出与地之间连接的电容。
第二振幅检测电路也优选地包括：在检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第三电阻，其中二极管在输入与地之间反向偏置连接；在检测电路输入和输出之间串联的第四电阻；以及在检测电路输出与地之间连接的电容。
相位检测电路优选地包括一个在输入与地之间反向偏置连接的二极管，并且其中相位检测电路的输入与其输出相连。
应当强调在本说明书中使用术语“包括”或“包括”是为了具体说明一定的特征，整数，步骤或元件的存在，但不排除增加一个或多个特征，整数，步骤或元件，或它们的集合。
附图简述
图1是用于本发明一种实施例的检测电路的方框电路图；
图2是功率放大器电路的方框电路图；及
图3举例说明了一个功率放大器。
优选实施例详述
图1说明了一种体现本发明一方面的振幅与相位检测电路。图2说明了一种功率放大器电路，它利用图1中电路的检测信号控制功率放大器48的偏置。
图1所示电路在输入2接收第一射频信号Rfin1。该信号Rfin1取自使用该电路的发射器的射频路径。耦合电容6将输入2与第一振幅检测电路耦合。该振幅检测电路包含在Rfin1信号与地之间反向偏置连接的肖特基二极管8。电阻10同二极管8在Rfin1信号线与地之间并联连接。电阻12与Rfin1信号路径串联，以便将该通路连接到输出14，输出14提供表示第一RF信号Rfin1振幅的输出信号(DC输出振幅1)。滤波电容器16连接在输出14与地之间。
第二射频信号Rfin2通过第二输入4与电路相连。第二RF信号是放大的Rfin1输出信号的振幅衰减样值。该输出信号的一个样值被用来与初始的Rfin1信号进行比较，以便监控功率放大器48(图2)的偏置。
第二RF信号Rfin2通过耦合电容18与第二振幅检测电路相连。第二检测电路与第一检测电路相同，包含在RF信号Rfin2与地之间同电阻22并联的反向偏置肖特基二极管20。电阻24的一端与输入4相连，另一端与输出26相连。在输出26与地之间提供了一个滤波电容器。输出26提供表示第二RF信号Rfin2振幅的信号(DC输出振幅2)。
第一和第二输入分别通过耦合电容30和32与第三肖特基二极管34的阴极相连。二极管34的阳极接地，因而二极管34在输入与地之间反向偏置连接。二极管34的阴极提供了电路的第三输出36，用来提供表示两个输入RF信号Rfin1和Rfin2的相对相位的信号。
当振幅几乎相同的输入信号彼此同相时，第三输出36(DC输出相位)达到最大幅值(在本例中是负电压)。很容易理解任何二极管都可以与所述相反的方式进行连接。在那种情况下，第三输出36将达到正的最大值。
参考图2，功率放大器48被连接用来从比较器40的输出和门电压或衰减控制器42接收衰减控制信号41。比较电路40从图1所示电路接收第一和第二输出信号14和26，分别作为它的两个输入。控制器42用来调节信号41从而控制功率放大器的增益保持恒定。在本发明的优选实施例中，该增益控制信号作为偏置信号直接提供给功率放大器。
保持功率放大器的增益恒定只能将线性度提高到这样一个程度，其中或者补偿产生比它消除的更多的相位失真，或者在任何方式下都产生幅度失真或相位失真。
因此，为了进一步提高性能，相位也应该线性化。在图1中，两个输入Rfin1和Rfin2通过各自的耦合电容30和32与第三肖特基二极管34的阴极相连。第三二极管34的阳极接地。第三二极管的阴极提供第三输出36，它提供一个表示两个输入信号之间相位差的输出信号DC输出相位。
由于第三二极管有非线性特性，所以相位检测器具有高相位分辨率。如果谐波含量低于-30dB，则信号非常接近于理想的正弦波。这就意味着只有一个最大值并且最大值发生在信号同相的时候。
功率放大器48(图2)的相位控制是通过使用比较器44比较第三输出信号36和参考电压(Vcomp)38实现的。比较器44的输出与相位控制单元46相连，控制单元46在将相位经过调节的RF信号Rfin1传送到功率放大器之前，操作调节该信号相位。相位控制器优选地是变容二极管。
标准相位检测器检测两个累加电压的振幅、一个参考相位和两个正交电压，并检测检测到的电压之间的差值。然而，在本发明中，由于给定参考电压Vcomp一个适当的值，该检测器提供一半正交的检测器。一个适当的参考电压Vcomp值可以是表示振幅信息的第一输出信号14(DC输出振幅1)的经过修正的值。该信号可以修改，从而当第三输出信号指示两RF信号异相90度时，信号大小一样。比较器44的输出电压是奇函数。
另一种使利用“DC输出相位”检测到的相位信号和获得奇函数成为可能的方法是首先对“DC输出相位”信号求微分。然后将导数输入比较器44。比较器44优选地用PI-调节器来实现。
那么就有可能总是将Vcomp设置为参考地。于是当上述导数为零时，相位控制单元46将相位差调节到零度差。
由于在D-AMPS系统中调节器的PI部分将与增益一起设置带宽，检测器在高输入功率时比低输入电平时将有更高的带宽。这在功率放大器的线性化中不是缺点，因为它意味着在PA中相位误差是最高的高输出功率时，校准循环也是最快的，因此能够补偿误差。在较低的输出功率时，由于输入信号比较低，带宽也较低，这也是好的，因为无论如何PA都更加线性化，因而无须同样多的补偿。在低输出功率时，如果带宽也高，则校准器只降低线性度。
由于所有的测量都是微分，该方法在本质上对温度和供电电压的变化不敏感。
很容易理解上面所述的二极管可以用与所述相反的极性相连；即，可以将反向偏置连接成为正向偏置。
功率放大器的另一优选实施例如图3所示。该放大器包括通过RF扼流圈60与电源电压58相连并接地的晶体管62。该晶体管的集电极通过阻抗匹配电路64及耦合电容C2与输出Pout相连。晶体管的输入(基极)被连接用来通过阻抗匹配电路56及耦合电容C1从图2的相位控制器46接收输入信号。众所周知，晶体管62的工作方式是将提供给其输入的信号放大以便在其输出提供一个放大的信号。来自图1和图2的功率放大器控制电路的偏置信号41连接到输入。偏置信号41通过RF阻塞电路54相连，因此杂散的RF信号不会传输到输入。
由此可以看到由图1和图2的电路产生的偏置信号41作为偏置电压直接提供给了功率放大器的晶体管的信号输入。很容易理解晶体管62可以由任何合适的晶体管提供，比如场效应晶体管(FET晶体管)。在这种情况下，FET晶体管的漏极端子提供放大的信号输出，并且栅极端子提供信号输入。

Claims (15)

1.一种控制功率放大器特征的电路，包括：
第一和第二输入；
含一个输入和一个输出的第一振幅检测电路，其中输入与第一输入相连，该检测电路包括：在该检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第一电阻，该二极管在输入与地之间反向偏置连接；在该检测电路输入与输出之间串联的第二电阻；以及在该检测电路输出与地之间连接的电容器；
含一个输入和一个输出的第二振幅检测电路，其中输入与第二输入相连，该检测电路包括：在该检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第一电阻，该二极管在输入与地之间反向偏置连接；在该检测电路输入与输出之间串联的第二电阻；以及在该检测电路输出与地之间连接的电容器；
含一个输入和一个输出的相位检测电路，输入与第一和第二输入中的每个相连，相位检测电路的输入与其输出相连，并且相位检测电路还包括在输入与地之间反向偏置连接的二极管；
被连接用来接收第一和第二振幅检测电路输出的振幅控制电路，并且可以操作以从中产生振幅控制信号；及
被连接用来接收相位检测电路输出的相位控制电路，并且可以操作以从中产生相位控制信号。
2.一种控制功率放大器特征的电路，包括：
第一和第二输入；
含一个输入和一个输出的第一振幅检测电路，其中输入同第一输入相连，并且第一检测电路可以操作以产生表示在其输入接收到的输入信号振幅的第一输出信号；
含一个输入和一个输出的第二振幅检测电路，其中输入同第二输入相连，并且第二检测电路可以操作以产生表示在其输入接收到的输入信号振幅的第二输出信号；
含一个输入和一个输出的相位检测电路，其中输入与第一和第二输入中的每个相连，且可以操作以产生表示提供给第一和第二输入的输入信号之间的相对相位的相位信号；
被连接用来接收第一和第二振幅检测电路输出的振幅控制电路，并且可以操作以从中产生振幅控制信号；及
被连接用来接收相位检测电路输出的相位控制电路，并且可以操作以从中产生相位控制信号。
3.权利要求2中所述的电路，其中第一振幅检测电路包括：在检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第一电阻，该二极管在输入与地之间反向偏置连接；在检测电路输入和输出之间串联的第二电阻；以及在检测电路输出与地之间连接的电容器。
4.权利要求2或3中所述的电路，其中第二振幅检测电路包括：在检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第三电阻，该二极管在输入与地之间反向偏置连接；在检测电路输入和输出之间串联的第四电阻；以及在检测电路输出与地之间连接的电容器。
5.权利要求2、3或4中所述的电路，其中的相位检测电路包括在输入与地之间反向偏置连接的二极管，而且其中相位检测电路的输入与其输出相连。
6.权利要求2中所述的电路，其中第一振幅检测电路包括：在检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第一电阻，该二极管在输入与地之间正向偏置连接；在检测电路输入与输出之间串联的第二电阻；以及在检测电路输出与地之间连接的电容器。
7.权利要求2或6中的电路，其中第二振幅检测电路包括：在检测电路输入与地之间并联的一个二极管和第三电阻，该二极管在输入与地之间正向偏置连接；在检测电路输入与输出之间串联的第四电阻；以及在检测电路输出与地之间连接的电容器。
8.权利要求2、6或7中所述的电路，其中相位检测电路包括在输入与地之间正向偏置连接的二极管，并且其中相位检测电路的输入与其输出相连。
9.放大器装置，包括：
前面任何一项权利要求中所述的电路；及
与第一输入相连的功率放大器，并且可以操作将在第一输入接收到的信号放大以产生放大的输出信号，
其中功率放大器被连接用来接收振幅控制信号和相位控制信号，从而分别控制放大器输出信号的振幅和相位。
10.一种控制功率放大器的方法，包括：产生表示放大器的高频输入信号振幅的第一信号和表示放大器高频输出信号振幅的第二信号、比较第一和第二信号以产生一个比较信号、以及将该比较信号作为偏置控制信号提供给功率放大器。
11.权利要求10中所述的方法，其中功率放大器包括一个晶体管，该晶体管含一个接收高频输入信号的信号输入端，并且其中比较信号提供给晶体管的该信号输入端。
12.一种控制功率放大器的电路，它包括一个接收输入信号的输入端，该电路包括：
一个确定功率放大器的输入信号同功率放大器的输出信号各自的振幅测量装置；及
一个根据测量到的信号产生比较信号的比较器，
其中比较器可以操作将该比较信号作为偏置信号直接提供给功率放大器。
13.一种功率放大器电路，包括：
具有一个接收输入信号的输入端的晶体管；及
权利要求12中所述的电路，
其中比较器被连接用来将比较信号提供给晶体管的输入端。
14.权利要求13中所述的放大器，其中晶体管是FET晶体管并且输入端是晶体管的栅极。
15.权利要求13中所述的放大器，其中晶体管是双极型晶体管并且输入端是晶体管的基极。
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