CN1647367A - 积分执行功率合成的转换型功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种转换型功率放大器被配置用来对输入给它的多个信号执行功率放大并积分求和(组合)那些信号。概念上，这是通过用独立的输入部件以与常规三端口合成器(三股合成器)或使其输出(次级)绕组串联连接的两个变压器的输入部件的结构相似的方式来取代常规的平衡型变压器耦合的电压转换放大器内的变压器的中心抽头的输入绕组部件而实现的，其中每一个输入绕组部件用于每个输入信号。因此，放大器的变压器的输入绕组由多个串联耦合的绕组组成，每一个绕组用于多个输入部件/信号中的每一个。在一个实施例中，采用平衡放大器输入部件，该部件包括串联耦合的中心抽头绕组，每个输入绕组(72，74)的中心抽头都连接到电压干线(VDD)，并且绕组(72，74)的每个端点由放大有源设备(82，84，86，88)(即晶体管)来驱动，该放大有源设备被馈电用于那个输入部件的输入信号。这些有源设备(82，84，86，88)在低输出阻抗与高输出阻抗之间交替地转换，由此产生的并联输出阻抗为低。

Description

积分执行功率合成的转换型功率放大器
技术领域
本发明涉及用于射频(RF)发射机的电路，并且具体涉及向功率放大提供信号组合积分(integral)的放大器电路。
背景技术
典型地，在RF发射机中将功率合成器用来把并行功率放大器的输出信号组合成用于无线传输的一个高功率RF输出信号。在这些已知的发射机结构中，这些信号首先由功率放大器进行放大，并且然后由功率合成器将它们进行组合，以产生用于传输的组合放大信号。然而，依赖于所使用的电路结构以及信号格式，变得有必要在降低功率损耗与实现合成器的输入信号间的隔离之间作出折衷选择。
对于用于无线局域网(LAN)并采用调制格式诸如OFDM(正交频分多路复用)的收发信机的高度集成要求来说，对于效率的需求是一项尤为重要的设计因素。此外，本发明人已经开发出信号调制方法，使用OFDM信号格式，由此把信息信号解构成独立的分量信号，然后比原始信息信号更为有效地处理和调制这些分量信号，用于在传输之前的上变换、放大以及组合。这些独立调制信号对使用传统的放大模型时在发射机的放大/组合级上实现效率提出了额外的挑战，其中由于已知功率放大器及合成器的固有损耗与隔离限制而在传统的放大模型后面跟随着组合。
非互易(non-reciprocal)合成器对于诸如低成本无线的应用是不经济的，而被实现为四端口或者是三端口结构的互易合成器则可用于这类应用中。四端口合成器提供了在单个输入之间的隔离优点(这意味着放大级的输出阻抗互不加载)，但其中被放大的信号是不同的(即统计独立的)，导致3dB的固有损耗(该损耗在信号由于共振而相同之处消失)。因此，四端口合成器一般只适合于用在被放大的信号是相同的地方。
称为三股合成器(trifilar)三端口合成器或使其输出(次级)绕组串连连接的两个变压器能够依据馈电给它的放大器的输出阻抗以及连接到合成器的输出上的负载阻抗提供在其单个输入之间的隔离度。如果单个放大器的输出阻抗与合成器的输出负载阻抗是相同的，则不提供隔离，结果产生3dB的固有损耗。另一方面，如果放大器的输出阻抗相比合成器的输出负载阻抗而言较小，则固有损耗减小，并且对于0ohms的输出阻抗接近0dB。
能够把许多种类的功率放大器大致分成两类：线性的和转换型的。线性放大器为有源设备(通常情形下有源设备为晶体管)提供由偏置条件引起的输出阻抗以及加载线(load line)。实际上，该输出阻抗典型地处于5至50ohms的范围内。于是，当使用三端口合成器(三股合成器)来组合两个线性放大器的输出时，只有有限的隔离是可实现的。常规的转换型功率放大器(D类或E类)由有源(转换)设备的输入部件、中央变压器部件以及由谐振器组成的输出部件构成。由于与这样的设计所要求的多个变压器绕组有关的成本以及空间要求(以及所导致的低效率)，把独立的转换型放大器的输出信号提供给三股合成器以便组合它们是不切实际的。
存在对新的和有效的装置的需求，用来实现功率放大以及在发射机内的调制信号的组合。
发明内容
转换型功率放大器被配置用来执行对输入给它的多个信号(即模拟相位调制信号)的功率放大以及积分求和(组合)这些信号。概念上，这是通过用独立的输入绕组部件，按照与常规三端口合成器(三股合成器)或使其输出(次级)绕组串联连接的两个变压器的输入部件的结构相似的方式来取代常规平衡型变压器耦合的电压转换放大器内的变压器的中心抽头输入绕组部件而实现的，其中每一个输入绕组部件用于每个输入信号。因此，放大器的变压器的输入绕组由多个串联耦合的绕组组成，每一个绕组用于多个输入部件/信号中的每一个。
根据本发明，提供一种转换型功率放大器，被配置用来积分放大并求和输入到它的多个信号。该放大器包括用于每一个所述的多个输入信号的输入部件、输出谐振器部件以及在它们之间的变压器部件。该变压器部件包括多个串联耦合的输入绕组和输出绕组。每一个输入部件包括输入绕组以及多个有源设备，其中所述有源设备被配置成利用那个输入部件的输入信号交替地进行转换，以便呈现对应于输入绕组上的输入信号的放大信号。每个输入部件提供低输出阻抗。作为在该变压器的输入绕组上的串联耦合放大信号的结果，输出绕组呈现对应于那些放大信号的求和的一求和信号。
在一优选实施例中，本发明放大器的输入部件包括两个有源设备，并且输入绕组是一中心抽头绕组，其中心抽头接到电压干线(rail)上，所述绕组的每一个端点都由其中一个所述有源设备来馈电。
有利地，有源设备在低输出阻抗与高输出阻抗之间交替转换，由此产生的并联输出阻抗为低。因此，该多个输入部件的串联耦合的中心抽头绕组构成了被施加到该放大器的谐振器和负载上的低输出阻抗源的串联连接。这同样也提供了在放大器输入部件之间的高级别的隔离并产生低级别的损耗。
在另一个优选实施例中，本发明放大器的输入部件包括被安排在具有输入绕组的桥(bridge)结构内的两个耦合的有源设备对，其中每个对被交替地进行转换，每个对中的一个有源设备接到电压干线上，而每个对中的另一个有源设备接地，输入绕组一起耦合每一个有源设备对。
而且，根据本发明，还提供了一种用于放大并求和多个输入信号以产生用于输入到谐振器部件的单个放大的求和信号的方法。用具有低输出阻抗的一独立放大器输入部件来放大每一个输入信号，以产生对应于在输入部件的一个绕组内的输入信号的放大信号。为了执行该放大，把所述输入信号提供给所述输入部件的有源设备，以引起所述有源设备的交替转换。串联耦合所述输入部件的所述绕组，以便为一变压器部件提供有效的输入绕组。从而，在被配置用来向所述谐振器部件输出的所述变压器的输出绕组内提供求和信号。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的示范性优选实施例，图中类似的标记全都涉及类似的元件：
图1说明现有技术的具有电压转换结构的平衡转换型功率放大器(D类或E类)；
图2说明现有技术的三端口功率合成器(三股合成器)；
图3说明被配置成用来对输入到它的多个信号执行功率放大以及积分求和(组合)那些信号的转换型功率放大器(D类或E类)，其中该放大器的每个输入部件的半数中心抽头绕组被用于输入到它的信号(Vin1和Vin2)的每个半周期，并且该实施例中的输出(次级)绕组是三股合成器的输出绕组(然而，本领域的技术人员应当理解，对于一替换实施例，该输出绕组可以改为用两个变压器的两个串联连接的次级绕组来提供)；以及
图4说明被配置成用来对输入到它的多个信号执行功率放大以及积分求和(组合)那些信号的转换型功率放大器(D类或E类)，其中该放大器的每个输入部件的整个绕组被用于输入到它的信号(Vin1和Vin2)的每个半周期，而不是图3的实施例的中心抽头(即，半)绕组。
具体实施方式
意想不到地，本发明人已经发明和开发了一种用于实现改进的功率放大和功率组合的装置，提供比已知的、相继分级的功率放大器以及合成器设计更高的效率。有利地，本发明的转换型放大器积分地执行对输入到它的信号的放大和组合。根据本发明，多个输入信号在它们被放大之后并在被提供给该放大器的谐振器部件并因而被提供给负载阻抗之前在该功率放大器内部被组合(求和)。这就与已知的、功率组合发生在整个放大处理之后的功率放大器形成明显对比。用图1来说明已知的(现有技术)转换型功率放大器，用图2来说明已知的(现有技术)三端口功率合成器(三股合成器)，这些设备的操作方式都被本领域的技术人员很好地理解。
图1所示的现有技术的转换型功率放大器具有变压器耦合的电压转换结构，并包括由输入绕组部件10、20构成的平衡中心抽头输入绕组30以及输出绕组40，它们一起构成该放大器的变压器部件。该放大器的操作方式是本领域技术人员所公知的。在操作中，有源设备(晶体管)16、18的输出起跷跷板(teeter-totter)转换的作用，在信号Vin和Vin 12、14的两个输入级之间进行转换，其中Vin是Vin的逆(Vin是恒定包络相位调制信号)。由每个输入绕组部件10和20产生的结果信号跟踪输入信号Vin的相位变化并交替地在电压干线VDD与地之间进行转换。因此，绕组部件10和20上的信号是两个互补的方波电压信号，它们由输入绕组30进行组合，以产生对应于输入信号Vin的放大了的信号。该这些半绕组被平衡并具有在它们之间的一个高耦合系数，出于效率的目的。在变压器部件的输出绕组40上产生的放大的求和信号被串联连接到调谐输出谐振器(滤波器)部件上，用于输出给负载阻抗(R)78，该调谐输出谐振器部件包括电感器(L)50和电容器(C)60。
前述转换型放大器的有源设备16和18从未同时体验到跨接它们的电压以及流过它们的电流。因此，它们呈现在开路与短路之间交替的一个输出阻抗。对于每个单个的有源设备的输出阻抗与另一个有源设备的输出阻抗是互补的，体现为当其中一个为开路时，另一个就为短路。当开路被呈现给输入绕组30的一个部件10或20时，不加载变压器(这是由于没有电流将流经那个特殊的输入绕组部件10或20)，并且呈现给变压器的结果合成阻抗是分别来自互补输入绕组部件20或10的短路阻抗(零ohms)。注意，该示范性转换型放大器使用电压转换。电压转换的一种替换是使用电流转换，其在电流源与开路之间进行转换。然而，在实践中，由于需要提供恒定的电流源而使这样的替换可能是很少期望的。
本发明人已经发现，由转换型放大器的有源设备16、18所呈现出的这个非常低(理论上为零)的输出阻抗能够被有益地用来实现叠加，即信号电压的组合。特别地，本发明人已经做出一项惊人的发现，即电压信号的这一叠加是通过按照与三端口合成器(三股合成器)(或者，如上所述，与使其次级绕组串联连接的两个变压器)类似的方式，用独立的输入级来取代前述平衡转换型功率放大器结构(例如D或E类)的中心抽头变压器来实现的。
图3提供本发明第一实施例的说明，从该图可以看出，图1所说明的现有技术放大器的变压器的输入绕组30(由半绕组10和20组成)已被替换，在本发明的转换型放大器中，是用独立的输入部件70和80的输入绕组72和74来取代的，输入绕组72和74中的每一个用于两个输入电压信号Vin1和Vin2中的每一个，输入电压信号Vin1和Vin2被放大并组合，其中每个输入部件70和80分别包括有源设备82和84、86和88，并分别包括输入绕组72、74。因此，每个输入元件70、80按照类似的方式对一个三股合成器输入起作用。
如图3所示，信号Vin1、Vin1和Vin2、Vin2分别被馈送给有源设备82、84和86、88(由此Vin1是Vin1的逆，而Vin2是Vin2的逆)。绕组72和74只发觉驱动它们的有源设备(即被接通并表现为短路的有源设备)的很低的阻抗(理论上为零)。这两个输入部件绕组72和74被串联耦合，并且通过叠加，在这些绕组内由两个输入电压信号Vin1和Vin2所生成的电流波形被引起叠加并产生输出绕组44内的两个信号的求和，输出绕组44在其一个端点上接地，并在另一个端点上接到谐振器部件50、60上(可以理解对于一替换实施例来说，这里所示出的单个绕组可以由两个串联连接的输出绕组提供)。该求和在放大器内发生在放大的求和信号被馈送给谐振器部件50、60并因而被馈送给负载阻抗78之前。因此，在两个转换型放大器输入信号Vin1与Vin2之间共享单个的放大器谐振器。在一可选的、替换实施例中，输出绕组44的两个端点可以以平衡方式接到谐振器部件上(取代如图3说明的一个端点接地)。
有利地，本发明的放大器实现了这样的、具有低(理论上为零)损耗的不同(独立的)输入信号Vin1与Vin2的组合。尽管这里所说明的实施例只使用两个输入信号(Vin1和Vin2，它们是模拟的、恒定包络相位调制信号)，但是依照本发明可以以类似的方式放大较大量的输入信号(即Vin1、Vin2、Vin3...)。
图4说明本发明的一个替换实施例，该实施例包括用于放大器输入部件100和110的一个桥结构，而不是图3的实施例(以及用图1来说明的现有技术的放大器)的平衡结构。在此实施例中，每个输入部件100和110的全输入部件绕组140、150被用于输入到它的信号(Vin1和Vin2)的每个转换周期。这不同于图3的实施例的平衡结构，在图3的结构中，只有一半绕组在任何给定时间上被给予能量，因而一半绕组必须被高度耦合。如所示出的，对于每个输入部件100和110，桥结构的(即交叉设置的)有源设备(晶体管)对112与118、114与116以及120与126、122与124分别在开路与短路之间交替转换。结构，流经绕组140、150中的每一个的电流的方向每半个信号周期交替地转换，并且每次使用全绕组。因此，此实施例避免了确保与图3的实施例相关的高度耦合一半绕组的需求。
上述实施例中所采用的各个电子及处理功能能够单独地由本领域内的那些技术人员很好地理解。读者应当理解的是，技术人员可以设计出各种其它的实现方式作为替换。电子及通信设计领域内的技术人员将能够容易地将本发明应用于给定应用的适当实现中。
因此，应当理解，这里为了说明而示出和描述的特定实施例并不是想要限制本发明人所要求的发明范围，本发明范围由附带的权利要求书来限定。

Claims (19)

1.一种转换型功率放大器，被配置用来积分放大与求和输入到它的多个信号，所述放大器包括用于所述多个输入信号的每一个的输入部件、输出谐振器部件以及在其之间的变压器部件，该变压器部件包括多个串联耦合的输入绕组和输出绕组，每一个所述输入部件包括所述输入绕组之一以及多个有源设备，其中所述有源设备被配置成利用所述输入信号被交替转换，以呈现对应于所述输入绕组上的所述输入信号的一个放大信号以及低阻抗，其中所述输出绕组呈现对应于所述放大信号的求和的一个求和信号。
2.根据权利要求1的转换型功率放大器，其中所述信号是模拟相位调制信号。
3.根据权利要求2的转换型功率放大器，其中每一个所述输入部件包括两个有源设备，并且每一个所述输入绕组是中心抽头绕组，其中心抽头被连接到电压干线，所述绕组的每一个端点被一个所述有源设备馈电。
4.根据权利要求2的转换型功率放大器，其中每一个所述输入部件包括两个耦合的有源设备对，它们被安排在具有所述输入绕组的桥结构内，其中每一个所述对被交替转换，每一个所述对中的一个有源设备被连接到电压干线，而每一个所述对中的另一个有源设备被接地，所述输入绕组一起耦合每一个所述有源设备对。
5.根据权利要求3的转换型功率放大器，其中所述输出绕组在其一端点上被接地，而在其另一端点上被连接到所述谐振器部件。
6.根据权利要求3的转换型功率放大器，包括两个输出谐振器部件，其中所述输出绕组在其每一端点上以平衡方式被连接到一个所述谐振器部件。
7.根据权利要求5的转换型功率放大器，其中所述放大器是D类或E类之一。
8.根据权利要求6的转换型功率放大器，其中所述放大器是D类或E类之一。
9.根据权利要求4的转换型功率放大器，其中所述输出绕组在其一个端点上被接地，而在其另一端点上被连接到所述谐振器部件。
10.根据权利要求4的转换型功率放大器，包括两个输出谐振器部件，其中所述输出绕组在其每一个端点上以平衡方式被连接到一个所述谐振器部件。
11.根据权利要求9的转换型功率放大器，其中所述放大器是D类或E类之一。
12.根据权利要求10的转换型功率放大器，其中所述放大器是D类或E类之一。
13.一种转换型功率放大器，被配置用来积分放大与求和输入到它的多个信号，所述放大器包括用于所述多个输入信号之中的每一个的输入部件、用于连接到负载上的输出谐振器部件以及在所述输入与谐振器部件之间的变压器部件，所述变压器部件包括多个串联耦合的输入绕组和输出绕组，每一个所述输入部件包括一个所述输入绕组以及多个有源设备，所述有源设备被配置用来利用所述输入部件的所述输入信号交替进行转换，由此所述串联耦合的输入部件绕组构成被施加到所述谐振器部件和所述负载上的低输出阻抗源的串联连接。
14.根据权利要求1的转换型功率放大器，其中所述输出绕组包括串联连接的绕组。
15.根据权利要求13的转换型功率放大器，其中所述输出绕组包括串联连接的绕组。
16.用于放大与求和多个输入信号以产生用于输入到谐振器部件的单个放大的求和信号的一种方法，所述方法包括：
(a)由具有低输出阻抗的单独放大器输入部件放大每一个所述输入信号，以产生对应于所述输入部件的绕组内的所述输入信号的放大信号，所述放大包括把所述输入信号提供给所述输入部件的有源设备，以引起所述有源设备的交替转换；以及
(b)串联耦合所述输入部件的所述绕组，以便为变压器部件提供有效的输入绕组，由此在被配置用于输出给所述谐振器部件的所述变压器的输出绕组内提供所述求和信号。
17.根据权利要求16的方法，由此每一个所述输入信号被提供给两个所述有源设备，并且每一个所述输入绕组是中心抽头绕组，其中心抽头被连接到电压干线，所述绕组的每一个端点上利用一个所述有源设备来馈电。
18.根据权利要求16的方法，由此每一个所述输入信号被提供给两个耦合的有源设备对之中的每一个有源设备，有源设备对被安排在具有所述输入绕组的桥结构内，其中每一个所述对被交替地转换，每一个所述对中的一个有源设备被接到电压干线，而每一个所述对中的另一个有源设备被接地，所述输入绕组一起耦合每一个所述有源设备对。
19.根据权利要求16的方法，其中所述输出绕组包括串联连接的绕组。
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