CN1488189A

CN1488189A - 放大器电路

Info

Publication number: CN1488189A
Application number: CNA018222145A
Authority: CN
Inventors: M; M·哈里斯
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2004-04-07
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: AU2002223882A1; JP2009296633A; CN100347951C; CA2429740A1; GB0028689D0; US20040113695A1; JP5155265B2; JP2004515101A; BR0115599A; WO2002043240A1; EP1348254A1; IL156052A0; US7196584B2; EP1348254B1

Abstract

一种放大器电路(11)，包括放大器(12)，所需功率指示器(15)，功率控制电路(14)和功率测量电路(13)。放大器(12)放大输入信号以产生输出信号，并具有控制电源电流(I)的输入端和接收电源电压(V)和电源电流(I)以驱动放大器的输入端。功率控制电路根据多个所需功率电平的任一个，计算并施加电源电压(V)和电源电流(I)的数值，以便于用宽广的功率电平范围中的最大效率来操作放大器。功率控制电路还可以包括功率控制环路，通过功率控制环路，可根据输出功率的测量值和输出功率的所需电平影响输出功率的调节。

Description

放大器电路

技术领域

本发明涉及放大器电路和操作放大器的方法。

背景技术

电子放大器，特别是功率放大器，广泛应用于音频设备和通信收发器的发射器。对这类放大器的一个要求是要取得最佳效率。以便于说明，放大器效率可认为是施加到放大器的交流电(AC)输出功率和直流电(DC)输入功率之间的比率。

在现有放大器中，这个要求通过先确定所需放大输出功率电平，然后为规定的输出功率电平优化放大器来实现。一种优化放大器的方法是为所需输出功率电平选择最佳负载。另一种方法是采用能够根据不同的所需输出功率电平进行调节的可调负载。通常，在负载为单值的情况中，输出功率电平确定为最高工作电平或略低于最高工作电平，以使在耗散功率最大的较高功率电平处，作为损失的耗散功率而测量的效率降低效应最小。

不过，所探讨的问题在于只可能适应于给定的负载，对该负载所规定输出功率电平可保持近乎最佳的效率。如果为规定的输出功率电平而优选的放大器用于不同的功率电平，若放大器不是可再调节的(例如，通过调节负载)，则会产生明显的效率降低。例如，如果固定电源电压的A类放大器优化为输出功率电平为P瓦，则当放大器工作在输出功率电平为P时，其效率将达到理想值50％(晶体管饱和电压V_sat为零的理论最大值)。如果相同的A类放大器工作在输出功率电平为P/2瓦处，则理论上取得的最佳效率是25％。

本发明的目的是提供一种放大器，它的效率可在输出功率电平的一定范围内优化。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种放大器电路，它包括：适用于放大输入信号产生输出信号的放大器，该放大器由电源电压和电源电流供电；和控制装置，它可根据传输函数调节电源电流和电源电压以优化放大器效率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种放大器电路，包括：适用于放大输入信号产生输出信号的放大器，放大器具有用于确定电源电流的电流控制信号的输入端和用于为驱动放大器而接收电源电压V和电源电流I的输入端；规定所需功率电平的装置；计算电源电流I和电源电压V值，以在规定的功率电平优化放大器效率，并施加相应的电流控制信号和相应的电源电压到放大器的各个输入端的控制装置。

可操作控制装置以根据可变所需输出功率电平P调节电源电流I和电源电压V，使得放大器的效率最大，并在放大器输出功率电平P的一定范围内基本保持恒定的放大器效率。

在实践中，放大器电路可包括晶体管和控制装置，并可操作控制装置来调节电源电压V，使之

V = \sqrt{2 RP} + V_{sat}

式中R是的晶体管输出截止时的实部阻抗，V_sat是晶体管饱和电压。将电源电流调节为

I = \frac{V}{R}

因此，放大器效率可在一个输出功率电平的广泛范围内能够是相同的(即：近似于理想的)。这特别有利多于一个输出功率电平操作的装置。这可以在不需要再调节负载阻抗的情况下取得。换言之，负载阻抗的恒定数值可以适用于不同的输出功率电平，而不影响放大器的效率。

该放大器电路的典型应用是通信系统基站(地面或卫星)中的动态功率控制，或是移动终端中的动态功率控制，在这种情况下效率是关键参数，且输出信号功率随时间和随一个较宽范围的电平而动态变化。

同样，如果电池是通过调节进入放大器的电压V用电池为放大器供电，而不是直接从电池为放大器供电，则放大器效率与电池的电荷改变(即电池放电的结果)无关。可使用直流-直流转换器来提供可变的电源电压。直流-直流转换器具有相对高的效率。

另外，通过调节输入电源电压和电源电流，在非A类工作的情况下谐波所生成的电平易于控制。换言之，可在输出功率电平的广泛范围中产生对称波形，使在信号波形的波峰和波谷发生电压和电流的限制。这限制了二次谐波所产生的电平。

根据本发明的另一个方面，提供了操作适用于放大输入信号以产生输出信号放大器的方法，该方法包括：用电源电压和电源电流为放大器供电；根据传输函数调节电源电流I和电源电压V以优化放大器效率。

通过参照附图，结合本发明示范实施例的下述详细描述，在附加权利要求中阐述的本发明的上述和其它的特点及其优点将变得更加清晰。

附图说明

在附图中：

图1示出晶体管放大器电路；

图2示出图1中晶体管的集电极特性曲线和动态负载曲线；

图3示出当直流电工作点在V_S和1/2I_S时的理想的晶体管集电极特性曲线和动态负载曲线；

图4示出当直流电工作点在V_S和I_S时的理想的晶体管集电极特性曲线和动态负载曲线；

图5示出当直流电工作点在V_S和2I_S时的理想的晶体管集电极特性曲线和动态负载曲线；

图6示出当直流电工作点在1.5V_S和1.5I_S时的理想的晶体管集电极特性曲线和动态负载曲线；

图7示出当直流电工作点在0.75V_S和0.75I_S时的理想的晶体管集电极特性曲线和动态负载曲线；

图8是优化放大器效率的一种方法的流程图；

图9是优化放大器效率的另一种方法的流程图；

图10是示出放大器电路整体总体功能的总体方框图；

图11放大器电路的更详细的方框图；和

图12是放大器电路的另一个更详细的方框图。

具体实施方式

参考附图1，图中示出由NPN双极晶体管TR1组成的放大器1。电感L1连接到晶体管TR1的集电极2。同样，电感L2也连接到晶体管TR1的基极3。负载Z_load通过无损耗匹配电路M1连接到集电极2。无损耗匹配电路将负载Z_load变换到完全实部阻抗R_opt。因此，表现在晶体管集电极的有效负载是R_opt。匹配电路M₁较佳地包括任何晶体管寄生参数(集电极-发射极的容抗和负载感抗)，使得R_opt是在晶体管截止时的阻抗。R_opt称作动态负载阻抗，并具有纯阻抗(测量单位为欧姆)的数值。

参考图2，图中示出晶体管TR1的集电极特性曲线(1)和动态负载曲线(2)。图中的水平轴相应于集电极-发射极电压V_ce(另一种选择是，如果用场效应管替换NPN双极晶体管TR1，V_ce相应于漏极-源极电压V_ds(源极为零伏))。图中的垂直轴相应于集电极电流I_cc(对应于FET中的漏极电流I_dd)。多条曲线(1)对应基极电流的不同值(对应于FET栅极电压的不同值)。动态负载曲线的斜率等于-(1/R_opt)。V_s指定DC电源电压在集电极上的特定值，而Is指定DC集电极电源电流的特定值。

在图2中，集电极AC电压是幅度V_s的正弦波，集电极AC电流是幅度I_s正弦波。为了使晶体管TR1显现出图2所示的的特性，对其偏压以取得最大效率。最大效率的条件用负载曲线(2)表示，并对应于唯一值R_opt。换言之，预定Ropt，以使输出功率电平从0增加，最终当开始发生限制时，电压和电流同时开始限制。

输出功率电平等于

P_{ac} = \frac{{(V_{ce} - V_{sat})}^{2}}{2 R_{opt}}

(公式1)

式中P_ac单位是瓦，V_ce和V_sat单位是伏特，R_opt单位是欧姆。在图2中，V_ce＝V_s。这样

P_{ac} = \frac{{(V_{s} - V_{sat})}^{2}}{2 R_{opt}}

(公式2)

当V_sat趋于零时，DC集电极电流

I_{s} = \frac{V_{s}}{R_{opt}},

P_ac趋于

P_{ac} \approx \frac{V_{s}^{2}}{R_{opt}} = \frac{V_{s} \cdot I_{s}}{2}

(公式3)

当DC输入功率是V_s·I_s时，产生的理论效率(当V_sat接近零时)是50％。

公式2能够用于计算最佳DC电源电压V_s：

V_{s} = \sqrt{2 R_{opt} P_{ac}} + V_{sat}

(公式4)

从V_S，可以计算出所需DC集电极电源电流：

I_{cc} = \frac{V_{s}}{R_{opt}}

(公式5)

图3，4和5示出三幅集电极特性曲线和动态负载曲线的示图。在这些示图中，V_ce＝V_s是常数，从R_opt取得的负载曲线斜率是常数(

- \frac{1}{R_{opt}}

)。在各个图中，集电极DC电源电流I_cc值是不同的(I_s的倍数或分数)。为简化起见，特性曲线做近似，使V_sat为零。集电极电压V_ce和集电极电流I_cc的轨迹就是负载曲线。

图3示出理想的集电极特性曲线和动态负载曲线，当V_s和I_s为常数时，DC工作点在V_s和1/2I_s。在图3中，

I_{cc} = \frac{I_{s}}{2} .

对于信号到达线性工作最大值的限制时(限制刚发生时)的情况来说，效率为25％。

图4示出DC工作点为V_s和I_s时的理想的集电极特性曲线和动态负载曲线。在图4中，I_cc＝I_s，使晶体管偏置以取得最大效率。集电极AC电压是幅度V_s的正弦波形，集电极电流是幅度I_s的正弦波形I_s。这也对应于图2中的条件，使V_sat假定为零。在此条件中，放大器处于饱和阈值极限，此处在线性工作(A类)在既不限制电压也不限制电流时，可获得最大电压和电流摆幅。于是，理论效率达50％。

图5示出DC工作点在V_s和2I_s时的理想集电极特性曲线和动态负载曲线。在图5中，I_cc＝2I_s。可发现，当信号幅度从零增加时，电压限制首先发生在电压最小值上，而不是在电压最大值上，产生了相对于基波的二次谐波的高电平。若对图5的电源电流，放大器工作在最大功率电平且保持线性(A类)工作(如图所示)，则效率为25％。

图6和7示出两个例子，在这两个例子中，同时调节电源电压和电源电流Icc，以达到两个不同功率电平50％的理论效率。图6示出DC工作点在1.5V_s和1.5I_s时的理想集电极特性曲线和动态负载曲线。图7示出DC工作点在0.75V_s和0.75I_s时的理想集电极特性曲线和动态负载曲线。

图8和图9示出控制放大器的略有不同的方法。图8是优化放大器效率的一种方法的流程图。在图8中，在步骤3接收来自放大器的所需输出功率电平。然后，在步骤4计算电源电压V的值，然后是电流I的计算5。接着将所计算的电压和电流施加到放大器以优化其效率6。图9是优化放大器效率的另一种方法流程图。在图9中，执行相同的操作，但在步骤4和步骤5的电压和电流的计算同时计算或非顺序计算。

附图中的图10是具有电源电流和电源电压控制的放大器电原理图。放大器电路11包括放大器12，例如包括图1中的放大器。放大器12具有确定电源电流I的电流控制信号输入(I_control)和能够接收电源电压V和电源电流I_s的输入端，以驱动放大器。在双极晶体管放大器中，I_control信号调节晶体管基极偏置电波，从而调节电源电流(集电极电流)。在FET放大器的情况中，I_control信号调节晶体管的栅极电压，从而调节电源电流(漏极电流)。

放大器12在接收输入线路上的信号并在输出线路上输出接收信号的放大信号。功率测试电路13(例如是包络检波器)连接到输出线路并测量信号中的功率。须理解，功率测试电路也可串联在输出线路中，并同样能够完成相同的功率测量任务。

表示功率的信号从功率测量电路13施加到功率控制电路14。功率控制电路14也从所需的功率电平指示器15接收所需的功率电平信号。在音频放大器电路中，所需的功率电平指示器可以是可变电阻连接着音量控制旋钮的，由用户来选择。在蜂窝电话系统，功率控制可用于控制蜂窝电话的功率输出。功率控制基本上来自一个或两个来源，即，来自蜂窝电话本身或来自蜂窝系统。在前一种来源中，通过测量蜂窝电话接收的通信信号中的功率并以其相反的比例调节输出功率来进行功率控制。在后一种来源中，在蜂窝系统的移动控制器的命令信号的形式进行功率控制，其中控制器测量从蜂窝电话中接收的信号功率并发送命令给蜂窝电话来调节其输出功率以满足系统中的所需参数。这样，在蜂窝电话的放大器中，所需的功率电平指示器可为接收蜂窝电话内部源数据的或外部数据的寄存器。

功率控制电路使用所需的功率电平信号来计算并产生上述讨论的电源电压V和电源电流I。功率控制电路14也使用来自所需功率电平指示器15的所需功率电平信号和来自功率测量电路13的输出功率信号来进一步调节V或I值以精确控制所需的输出功率。

通常，根据所需的功率电平，使用传输函数，通过调节电源电压和电源电流来控制效率。采用施加上述方程或一个或多个查找表(包括由经验确定的在功率电平、电源电流和电源电压间的关系)的电路，可实现该传输函数。无论哪种方法，都可以由功率控制电路14来确定能够取得所需功率输出的最佳放大器效率的电源电流I和电源电压V值。然后，功率控制电路14相应调节电源电流I和电源电压V。

图11是放大器电路的更详细方框图，示出如何独立地控制效率和功率。通过根据测量到的输出功率调节电源电压取得功率控制。所需的功率电平输入到在功率控制电路14中的计算电路17，该电路计算V，I值和相应的I_control值。I_control以计算的数值在线路19输入到放大器12。采用这样的方法控制放大器的效率。

相应计算值的电源电压V在线路20输出到求和电路21。从功率测量电路13(也就是表示真实功率的信号)输出的信号输入到控制单元22，该单元也从所需的功率电平寄存器16接收所需的功率电平信号。控制单元22用作比较器，提供正比于所需功率电平信号和代表真实功率信号之间差值的信号。

控制单元22的输出也输入到求和电路21，从而根据所需功率和真实功率之间的差值调节施加到放大器12的电源电压V。这样，求和电路21、控制模块22、放大器12和功率测量电路13组成了控制环路部件，以作为独立于效率控制的分离参数来控制放大器12的输出功率。

图12是放大器电路的另一个详细的方框图，显示了另一种结构，在该结构中通过根据测量到的输出功率来调节电源电流从而获得功率控制。图12的结构类似于图11所示结构，除了通过调节电源电流来控制输出功率以外，还通过调节电源电压来控制输出功率。

在另一结构中，(未显示)功率控制电路14可根据输入到放大器的输入功率和放大器的增益附加或选择性地控制放大器电路12的电源电压和电流，优化放大器效率。在该结构中，功率测量电路13进行输入信号的测量，然后相应调节放大器的电源电压和电流。根据已知的放大器特性，可为放大器增益假定一个值。另外，可通过使用第二功率测量电路测量输出功率来测量增益。可采用如图11或图12所示的独立精确的功率控制。

这样，通过参考较佳的实施例描述了本发明，可理解所述本实施例只是示范性的，本领域的普通技术人员可在不背离在附加的权利要求和其等价技术方案阐述的本发明精神和范围的情况下，进行修改和变化。

Claims

1.一种放大器电路，其特征在于，包括：

一种放大器，放大输入信号以产生输出信号，放大器由电源电压V供电并由偏置电流I偏置；和

控制装置，依照传输函数调节偏置电流I和供电电压V以优化放大器效率。

2.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，还包括规定所需输出功率的装置，其中传输函数用于根据所需输出功率计算偏置电流I和供电电压V的数值。

3.如权利要求1或2所述的放大器电路，其特征在于，用于输出信号输出负载阻抗，且传输函数用于根据负载阻抗计算偏置电流I和供电电压V的数值。

4.如上述权利要求中任一项所述的放大器，其特征在于，控制装置包括功率测量电路，用于测量从放大器输出的信号功率，及传输函数，用于根据输出信号的测量功率计算偏置电流I和电源电压V中的至少一个。

5.如权利要求4所述的放大器电路，其特征在于，还包括规定所需输出功率电平的装置，其中传输函数用于根据所需功率计算偏置电流I和电源电压V的数值。

6.如上述权利要求中任一项所述的放大器电路，其特征在于，控制装置包括查找表，并通过查找表计算传输函数。

7.如上述权利要求中任一项所述的放大器电路，其特征在于，操作控制装置，调节偏置电流I和电源电压V，在放大器输出功率电平P的范围中使放大器效率基本保持恒定。

8.如权利要求7所述的放大器电路，其特征在于，放大器输出功率电平P是交流输出功率电平。

9.如权利要求8所述的放大器电路，其特征在于，放大器包括晶体管，其中实部阻抗R代表晶体管截止的输出。

10.如权利要求9所述的放大器电路，其特征在于，操作控制装置调节电源电压V，使

\sqrt{2 R \cdot P}

+ V_{sat}

式中V_sat是晶体管饱和电压。

11.如权利要求10所述的放大器电路，其特征在于，操作控制装置调节偏置电流I，使

I = \frac{V}{R} .

12.如权利要求10所述的放大器电路，其特征在于，操作控制装置调节偏置电流I，使

I = \sqrt{2 (P / R)} .

13.如权利要求10所述的放大器电路，其特征在于，操作控制装置调节偏置电流I，使

I = (\sqrt{2 (P / R)} + V_{sat}) / R .

14.如权利要求9到13中的任一项所述的放大器电路，其特征在于，晶体管是双极晶体管，且偏置电流I是双极晶体管的集电极电流。

15.如权利要求9到13中任一项所述的放大器电路，其特征在于，晶体管是场效应晶体管，且偏置电流I是场效应晶体管的漏极电流。

16.如权利要求9到15所述的放大器电路，其特征在于，负载R是预定的，当放大器输入功率电平P增加到开始限制时，电压和电流基本同时受到限制。

17.如上述权利要求中任一项所述的放大器电路，其特征在于，操作控制装置同时调节偏置电流I和电源电压V。

18.一种用于通信系统的移动终端，其特征在于，移动终端包括如上述任一项权利要求所述的放大器电路。

19.一种用于通信系统的基站，其特征在于，所述基站包括从权利要求1到17中任一项权利要求所述的放大器。

20.一种通信系统，包括根据权利要求16的一种或多种移动终端和根据权利要求19的一种或多种基站的通信系统。

21.如权利要求20所述的通信系统，其特征在于，通信系统是基于CDMA的系统。

22.一种操作放大器来放大输入信号产生输出信号的方法，其特征在于，该方法包括：

用电源电压V为放大器供电；

用电源电流I为放大器供电；和

依照传输函数调节电源电压V和电源电流I以便于优化放大器的效率。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括规定所需的输出功率并根据所需的输出功率计算偏置电流I和电源电压V的值。

24.如权利要求22或23所述的方法，其特征在于，还包括从放大器输出输出信号到负载阻抗，并根据负载阻抗计算一个或多个偏置电流I和电源电压V的数值。

25.如权利要求22到24所述的方法，其特征在于，还包括测量从放大器输出信号的功率，并根据测量的输出信号功率，计算偏置电流I和电源电压V的数值。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，包括规定所需输出功率电平，并根据所需功率计算偏置电流I和电源电压V。

27.如权利要求22到26所述的方法，其特征在于，还包括使用查找表来计算传输函数。

28.如权利要求22到27所述的方法，其特征在于，还包括调节偏置电流I和电源电压V使放大器输出功率电平P一定范围内的放大器效率基本保持恒定。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，放大器输出功率电平P是交流输出功率电平。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，调节电源电压V，使

V = \sqrt{2 R \cdot P} + V_{sat},

式中V_sat是晶体管饱和电压。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，调节偏置电流I，使

I = \frac{V}{R} .

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，调节偏置电流I，使

I = \sqrt{2 (P / R)} .

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，调节偏置电流I，使

I = (\sqrt{2 (P / R)} + V_{sat}) / R .

34.如权利要求30到33中任一项所述的方法，其特征在于，晶体管是双极晶体管，且偏置电流I是双极晶体管的集电极电流。

35.如权利要求30到33中任一项所述的方法，其特征在于，晶体管是场效应晶体管，且偏置电流I是场效应晶体管的漏极电流。

36.如权利要求30到35中任一项所述的方法，其特征在于，还包括预置负载R，在放大器输出功率电平P增加时，基本同时限制电压和电流。

37.如权利要求22到36中任一项所述的方法，其特征在于，还包括基本同时调节偏置电流I和电源电压V。

38.一种放大器电路，其特征在于，包括：

一种放大器，放大输入信号以产生输出信号，该放大器具有确定电源电流的电流控制信号输入端和为驱动放大器接收电源电压V和电源电流I的输入端；

装置，规定所需的功率电平；和

控制装置，计算电源电流I和电源电压V的数值，以在规定功率电平优化放大器效率，并用于将相应的电流控制信号和相应的电源电压施加到放大器的各个输入端。