CN1647369A - 带有高效率主放大器和高线性误差放大器的前馈rf功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种前馈RF功率放大器，在宽带宽RF应用中既提供高效率又提供最小失真。所述前馈功率放大器包括偏置成提供高效率的主放大器(16)和偏置成在基本上整个工作范围内提供高度线性的工作的误差放大器(34)。利用误差放大器(34)的线性工作来抵消在主放大器输出端引入失真的信号峰值。

Description

带有高效率主放大器和高线性误 差放大器的前馈RF功率放大器

相关申请的信息

根据35 USC 119(e)，本申请请求2002年2月14日提交的序列号为60/357 496的临时申请的优先权，通过引用将所述申请的公开内容全部包括在本文中。

发明领域

本发明一般地涉及无线电通信系统和方法以及RF功率放大器和方法。

先有技术描述和相关信息

RF功率放大器设计的两个主要目标是在整个功率工作范围内的线性和效率。线性就是无失真地进行放大的能力，而效率是以最小的浪费功率和发热把DC(直流)转换为RF(射频)能量的能力。这两个要求对现代无线电通信系统而言都是至关重要的，但要同时提供两者却越来越困难。这首先是由于现代无线电通信系统的带宽要求，它对放大器的线性提出越来越苛刻的要求。事实上，提供所需线性的唯一途径是采用非常大的放大器，工作在其工作范围中线性较好而效率低的点上。

更具体地说，RF功率放大器的线性化是固有地难以达到的，因为RF功率放大器使用大量的非线性器件，在越来越高的输出功率电平上变得越来越非线性。实际上，高功率RF器件产生相当大的不希望有的互调失真[IMD]产物，它作为寄生信号出现在RF功率放大器的输出。依据功率放大器输入端的输入信号类型的不同，这些不希望有的信号可以作为频谱增长出现在宽带信号，例如，在CDMA(码分多址)系统中的基频周围，或者如果多于一个信号载波施加在所述放大器的输入端，则作为附加载波出现。一般说来，世界各地的无线电业务提供商都受到政府法规或法令的制约，它对带宽的使用提出了非常严格的要求。频谱的限制以及日益增大的输出功率电平驱使RF功率放大器的性能要求变得苛刻。为了满足这些要求，采用了大型放大器，运行在它们工作范围内高线性，但效率相对较低的点上。

除了根据法规和信号质量要求而限制IMD外，在现代无线电通信系统中使用的RF功率放大器还必须是有效率的，亦即必须达到良好的DC到RF转换效率，以避免不必要的功率耗散和发热。受配置设施(例如，蜂窝基站)体积的收缩以及热交换器尺寸的缩小(或较小的空调装置)和减小冷却风扇造成的工作噪音电平以及其他因素驱使，这些要求显得日益重要。对效率的这种要求，与上述对大型放大器的要求(所述大型放大器工作于线性但为达到所需线性而工作在低效率工作点)，显然是背道而驰的。

尽管要在RF功率放大器中达到较高的线性和良好的效率，有许多不同的途径，但是前馈放大器提供一条通用的途径。在前馈RF功率放大器中，误差放大器用来仅仅放大IMD产物，然后将其与主放大器的输出结合，抵消主放大器的IMD。图1举例说明传统的前馈放大器设计，它具有主放大器1和误差放大器2。基本元件还分别包括主和误差通道上的延迟器3和4以及主通道到误差通道的耦合器5、6、7和8。正如本专业普通技术人员众所周知的，在传统的前馈体系结构中一般还有其他没有示出的元件。设计延迟器、耦合器和误差放大器，是要在耦合器8处把不同相的IMD从误差通道注入主放大器的输出，基本上消除主放大器通道上的IMD。正如图1示意地举例说明的，在前馈系统中，主放大器的尺寸一般都选择得大到足以处理所有或大部分信号峰值，而误差放大器的尺寸相对较小。例如，在传统的前馈功率放大器中误差放大器一般约为主放大器尺寸的9分之一。因而误差放大器的平均功耗相当小。然而，主放大器巨大，而效率相当低，因而整个前馈放大器的效率相当低。改善主放大器效率的一条显而易见的途径是采用较小的放大器，更强地驱动它。但对于现代高带宽应用，这会引入大得无法接受的IMD。

因此，目前在宽带RF应用中，需要一种既能提供高效率，又能提供最小失真的RF功率放大器设计。

发明概述

本发明提供一种前馈RF功率放大器设计，它在宽带宽的RF应用中，既能提供高效率，又能提供最小失真

在本发明的第一方面，提供一种前馈放大器，它包括：RF输入端，用以接收RF信号；和主放大器，用于接收和放大所述RF信号，其中主放大器按第一类工作偏置进行偏置。前馈放大器还包括：主放大器输出采样耦合器；第一延迟器，它耦合到RF输入端并提供延迟后的RF信号；和载波抵消组合器，它把延迟后的RF信号耦合到主放大器的采样输出。前馈放大器还包括误差放大器，用于接收和放大载波抵消组合器的输出。误差放大器按其线性优于第一类偏置的第二类工作偏置进行偏置。第二延迟器耦合到主放大器的输出端，而误差注入耦合器把来自误差放大器的输出与来自第二延迟器的延迟后的主放大器输出组合起来，以便抵消主放大器引入的失真。RF输出端连接到误差注入耦合器的输出端并提供放大后的RF输出。

在推荐的实施例中，主放大器与误差放大器尺寸的比率是从2比1到1比2。第一类工作偏置最好是C类或AB2类，而第二类工作偏置最好是A类或AB1类。主放大器可以包括一个或多个半导体放大器件，例如，多个横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)放大器件，而第一类工作偏置下的器件偏置电流最好在器件饱和电流的0％和0.17％之间或器件饱和电流的1.25％和2.50％之间。误差放大器也可以包括一个或多个半导体放大器件，例如，多个LDMOS放大器件，而第二类工作偏置下的器件偏置电流最好是器件饱和电流的3.33％和10.00％之间或在器件饱和电流的10.00％和25.00％之间。前馈放大器还可以包括：预失真电路，它耦合到主放大器的输入端；和控制器，用以控制预失真电路的工作，以便把放大器RF输出的失真减到最小。

在本发明的另一方面，提供一种前馈放大器，它包括RF输入端，用于接收RF输入信号，RF输入信号具有平均工作振幅范围和在超过平均工作范围的峰值范围内的间歇信号峰值。例如，RF输入信号包括诸如CDMA信号或WCDMA信号等扩频信号，具有随机出现的包括峰值范围的信号峰值。前馈放大器包括主放大器，用于接收和放大RF输入信号，主放大器在其整个工作范围内具有第一转移特性。第一转移特性具有对应于RF输入信号的平均工作振幅范围的基本上线性的部分和对应于输入信号峰值范围的非线性部分。前馈放大器还包括：主放大器输出信号采样器；误差通道延迟电路，它耦合到RF输入端，并提供延迟后的RF输入信号；和第一抵消组合器，用于把延迟后的RF输入信号耦合到主放大器的采样输出端。前馈放大器还包括误差放大器，用以放大第一抵消组合器的输出。误差放大器在其整个工作范围内具有第二转移特性，第二转移特性具有线性部分，对应于基本上所有平均和峰值工作振幅范围。前馈放大器还包括：主通道延迟电路，它耦合到主放大器的输出端；第二抵消组合器，它将误差放大器的输出与主通道延迟电路的输出组合起来，以便抵消主放大器引入的失真；和RF输出端，它耦合到第二抵消组合器，并提供放大后的RF输出。

在一个具体的实现方案中，误差放大器的工作范围约为30dB。误差放大器的平均功率工作范围可约为10dB。误差放大器的功率-增益转移特性最好在30dB的工作范围中直至大约25dB或25dB以上线性到小于增益的0.5dB。或者，误差放大器的功率-增益转移特性从器件峰值功率直至大约-4至-5dB可以是线性。主放大器的工作范围可以是从峰值功率到峰值功率的-20dB左右开始的，而误差放大器的工作范围可以是从峰值功率到峰值功率的-30dB左右开始的。前馈放大器还可以包括：预失真电路，它耦合到主放大器的输出端；和控制器，用以控制预失真电路的工作，把放大器输出的失真减到最小。前馈放大器还可以包括：导频信号发生器，用于向主放大器的输入端提供导频信号；和导频信号检测器，它耦合到放大器输出端和控制器。

在本发明的另一个方面，提供一种放大宽带宽RF输入信号的方法。所述方法包括接收具有平均工作振幅范围和在超过平均工作范围的峰值信号范围内的间歇信号峰值的RF输入信号。例如，RF输入信号可以包括扩频信号，后者具有随机出现的包括峰值信号范围的信号峰值。所述方法包括采用在其整个工作范围内具有第一转移特性的主放大器，第一转移特性具有对应于RF输入信号的平均工作振幅范围的基本上线性的部分和对应于RF输入信号峰值范围的非线性部分。所述方法还包括：对主放大器输出进行采样；将RF输入信号延迟并提供延迟后的RF输入信号；以及把延迟后的输入信号耦合到来自主放大器的采样输出信号，以便提供来自主放大器的采样输出信号的失真分量。所述方法还包括采用在其整个工作范围内具有第二转移特性的误差放大器放大失真分量，第二转移特性具有对应于RF输入的基本上所有平均和峰值的工作振幅范围的线性部分。所述方法还包括：将主放大器的输出延迟；将放大后的失真部分和延迟后的主放大器输出信号组合起来，以便抵消主放大器引入的失真，并提供放大后的RF输出。

在推荐的实施例中，误差放大器的工作范围可约为30dB。误差放大器的平均功率工作范围可约为10dB。误差放大器的功率-增益转移特性最好在30dB的工作范围中直到大约25dB或25dB以上线性到小于增益的0.5dB。或者，误差放大器的功率-增益转移特性从器件峰值功率直至-4到-5dB左右是线性的。主放大器的工作范围可以从峰值功率到峰值功率的-20dB左右开始，而误差放大器的工作范围可以从峰值功率到峰值功率的-30dB左右开始。所述方法还可以包括在由主放大器放大之前对RF输入信号进行预失真。

从下面的详细描述中将会理解本发明的其他方面。

附图简要说明

图1是先有技术前馈功率放大器的方框图；

图2是按照本发明的前馈功率放大器的推荐实施例的方框图；

图3是图2前馈功率放大器中主放大器的转移特性曲线，举例说明整个工作范围的增益特性；

图4是图2前馈功率放大器中主放大器的另一个转移特性曲线，举例说明整个工作范围的相位响应；

图5是图2前馈功率放大器中误差放大器的转移特性曲线，举例说明整个工作范围的增益特性；

图6是图2前馈功率放大器中误差放大器的另一个转移特性曲线，举例说明整个工作范围的相位响应；以及

图7是按照本发明的前馈功率放大器的一个推荐实现的详细电路图。

本发明的详细描述

本发明一个推荐的实施例举例示于图2-6。首先参见图2，在所述电路方框图中举例说明前馈放大器10。前馈放大器10包括：输入端12，用于接收要放大的RF输入信号；和输出端14，用于输出放大后的RF信号。RF信号可以是诸如CDMA(码分多址)扩频通信信号或WCDMA(宽码分多址)或其他高带宽信号等扩频信号。在诸如CDMA或WCDMA等扩频蜂窝系统中，若干个单独的信道或用户组合在一起，并通过用扩频码乘以用户数据，扩散到整个频谱，然后组合各信道。一般选择扩频码把来自单个信道的数据扩展到相对较宽的频谱上，当然，在给定的蜂窝业务提供商可用的频谱范围内。由于组合了许多单个的信道，所以提供给放大器10的总信号的峰值功率将取决于被组合的各符号的各个振幅。在统计上，可能各个信道符号相加，造成非常大的组合符号峰值。尽管在统计上这不是一般情况，但在整个系统的设计上必须适应这样非常大的符号峰值。正如下面将要详细讨论的，在放大器10中，通过利用这些信号峰值的相对不频繁的统计特性来有效地适应它们。

仍旧参见图2，按照众所周知的前馈放大器设计，在输入耦合器30处，RF输入信号分成主放大器信号通道和误差放大器的信号通道。正如举例说明的，主放大器信号通道包括主放大器16，主放大器16通过偏置网络18以高效率的工作方式偏置。更具体地说，主放大器16在这样的工作功率电平和偏置类别下偏置，以便提供DC至RF的良好的转换效率并将浪费的功率和发热减到最小。但是，结果，RF输入信号的至少某些信号峰值会进入放大器转移特性的非线性工作范围，而主放大器将工作在限幅方式，给这些信号峰值引入失真。对于主放大器16的这些工作特性和用误差信号通道处理这种失真的方式，下面将会更详细地讨论。

主放大器信号通道还包括输入和预失真电路20。按照传统的前馈放大器设计输入电路一般可以包括前置放大器、群延迟电路以及增益和相位控制电路。预失真电路本身对输入信号进行预失真，以减小主放大器16引入的IMD。尽管在一般设计和操作上，预失真电路20可以是传统的，但是，与主偏置结合，它使主放大器16即使进一步进入非线性范围也能工作，而同时控制失真的大小。正如所举例说明的，导频信号源22提供导频信号，它注入主放大器的输入，并用来控制输入和预失真电路20。具体地说，导频信号在放大器输出端被导频信号采样耦合器25提取，被控制器24用来控制输入和预失真电路20，把输出信号中的导频信号减到最小，从而把输出信号中的失真减到最小。主放大器信号通道还包括主放大器输出采样耦合器26和延迟器28，一般按照前馈设计。主放大器信号通道的其他细节将在涉及下面举例示于图7的详细实现方案时描述。

仍旧参见图2，误差放大器信号通道包括输入信号耦合器30，它对RF输入信号进行采样并通过延迟器32、衰减/组合器36和前置误差输入电路38，将其提供给误差放大器34。更具体地说，延迟器32和衰减/组合器36像传统的前馈放大器一样工作，使主放大器16的采样输出在衰减/组合器36被衰减并与延迟后的输入信号组合，基本上抵消几乎所有来自主信号通道的采样信号的失真分量。在某些应用和实现方案中，控制衰减/组合器36处的抵消，以便在结果信号中保留某些RF载波分量是有益的，而结果信号并不纯粹是主放大器的失真分量。尽管如此，为了实现本应用的目的，把结果信号称作失真分量，应该明白，某些载波分量也可以包括在内。把信号的这种失真分量提供给前置误差输入电路38。前置误差输入电路可以包括前置放大器、群延迟电路和增益与相位控制电路，其操作与电路20相似。但是，和电路20不同，在误差通道上由于误差放大器高度线性的性质，不需要预失真电路。

把电路38的输出提供给误差放大器34，后者把采样失真分量(IMD)的振幅恢复到主信号通道中的振幅。误差放大器34包括偏置网络40，它控制误差放大器34的工作功率范围和偏置类别，使误差放大器34运行在其转移特性的高线性部分。由于RF输入信号的信号峰值会建立相对较大的由主放大器输出采样的IMD峰值，所以误差放大器必须显著地大于传统的前馈误差放大器。例如，误差放大器的范围可以从主放大器16尺寸的大约一半到主放大器16尺寸的两倍。这与传统的误差放大器形成鲜明的对照，后者一般仅约为主放大器尺寸的9分之一。另外，误差放大器必须按这样的偏置类别偏置，亦即它是高线性的，以便保证在转移特性的工作部分的工作是线性的。由于误差放大器的偏置类别高，所以误差放大器的DC至RF转换效率便固有地不高，因而误差放大器潜在地是一个明显的功率浪费和不希望有的发热源头。尽管如此，实际上已经确定，涉及IMD的信号峰值的出现是足够地不频繁的，以致误差放大器只需起脉冲放大器的作用即可，它对整个放大器效率的影响最小。

仍旧参见图2，误差放大器34输出的放大后的失真分量与延迟后的主信号以180度(反相)组合，同时主放大器在误差注入耦合器42处输出，以便抵消主信号通道上的失真分量。把基本上没有失真分量的放大后的信号提供给输出端14。任何残余的失真都被导频信号检测电路24检测到并由控制器24用来在控制器24的控制下向电路20和38提供控制信号，控制器可以是一个适当编程的微控制器。这两个控制作用可以基本上独立的，并可以看作是两个独立的控制回路；回路1包括电路20、主放大器16、主放大器输出采样耦合器26、输入信号耦合器30、群延迟器32和控制器36，而回路2包括采样耦合器26、衰减/组合器36、前置误差电路38、误差放大器34、延迟器28和误差注入耦合器42。回路控制操作的更多细节将联系图7在描述推荐的详细实现方案时提供。

接着参见图3-6和下表1。将对主放大器16和误差放大器34的工作特性作更详细的描述。这些附图和表1假定在主放大器和误差放大器中使用100瓦P1dB器件，特别是约1dB饱和的100瓦LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)放大器件。表1提供主放大器和误差放大器就放大器件的静态偏置电流(Idd)作为饱和电流(Idss)百分数而言的偏置类别。图3-6本身举例说明主和误差放大器在其整个工作范围内的转移特性。尽管这些具体的数值对应于一种器件示例，亦即100瓦LDMOS P1dB器件，但是这些偏置类别特性、工作范围和转移曲线对较大和较小的器件一般都可以很好地按比例缩放。因此，这些偏置类别定义、工作范围和转移曲线都不限于具体的功率示例。尽管如此，表1的偏置类别定义可能不具体地对应于所有类型放大器件的表1器件参数。但是，在现有技术上各偏置类别之间的差别和C类、AB2类、AB1类和A类的定义一般被认为是针对各种各样的器件的，也因此，表1的器件参数值在性质上应该看作是举例说明，而非限制性的。

表1：在25℃下每个器件的标称静态偏置电流

Idss	12.0()(安)
										主            最小		主            最大		误差          最小		误差          最大
工作类别	Idd(安)	Idss的％	Idd(安)	Idss的％	Idd(安)	Idss的％	Idd(安)	1dss的％
									C	0.000	0.00％	0.020	0.17％
AB2	0.150	1.25％	0.300	2.5％
									AB1					0.400	3.33％	1.200	10.00％
A					1.200	10.00％	3.000	25.00％

正如从表1可以看到的，主放大器偏置于高效率类，尤其是C类或较低的AB类(AB2)。在给定器件尺寸下，这提供了所需的DC到RF的最高转换效率。除减少浪费的功率外，这种DC到RF的效率还增大了可靠性。更具体地说，当诸如LDMOS放大器件等现代RF功率器件工作在较高效率水平时，直接结果便是较低的结温。结温的降低大大提高了器件的平均寿命，因而改善前馈功率放大系统的整体可靠性。图3和4的转移曲线本身表明，由于主放大器的偏置类别(特别是在功率-增益转移曲线上)，转移特性的某些非线性出现在主放大器的整个正常或平均功率工作范围内。这种非线性会通过正常工作范围引入某些失真(IMD)。但如图3所示，这种非线性只有大约0.5dB或更小；亦即在举例说明的具体示例中在P1dB-20和P1db-10之间。因此，这个平均功率范围的特点可以认为是转移曲线的基本上线性的范围。通过在主通道上采用预失真，这个非线性造成的IMD基本上可以消除。因此，在平均功率范围内运转过程中，误差放大器的负载最低。

图3和4的转移曲线还表明，主放大器转移曲线的平均功率范围选在相对比较接近放大器饱和点的位置。因此，对于给定的功率要求，可以采用较小的器件。因为较小的器件具有较低的电流并抽取较小的功率，DC到RF的效率进一步提高。但正如从所述转移曲线可以看到的，在平均信号功率电平对应于转移特性上基本上线性的部分的工作的同时，随机出现的峰值功率信号则在转移特性上高度非线性的部分。这部分工作范围对应于主放大器输出相当大的IMD，它大得无法用主通道的预失真消除。但是，如上所述，这些信号峰值对于诸如CDMA和WCDMA的RF输入信号等典型的高带宽信号，相对出现不频繁。因此，主放大器16大部分时间工作在高效率的基本上线性的方式下，但会产生间歇的大的IMD产物。这些间歇的大的IMD产物本身必须通过误差放大器的操作从RF输出中消除。

接着，参见表1和图5-6，将描述误差放大器的工作特性。表1表明，误差放大器的偏置类别比主放大器高得多，例如，较高的AB(AB1)或A类。另外，误差放大器的尺寸选择得使大多数工作范围远离转移曲线靠近峰值功率的的非线性部分。在某些要求苛刻的应用中，误差放大器大于主放大器，直至主放大器尺寸的两倍左右。在要求不那么苛刻的应用中，误差放大器可以小于主放大器，例如，约为主放大器的一半。如图5和6所示，这种误差放大器尺寸和偏置类别的配合为误差放大器在基本上所有的工作范围内，包括信号峰值，都提供线性的转移特性。这使误差放大器可以准确地放大峰值信号IMD，以便抵消主放大器的失真。所以，放大器10在RF输入信号的整个工作范围内(包括信号峰值)都提供基本上没有IMD的RF输出。尽管误差放大器的偏置类别和工作范围针对最大线性，而非效率选择，然而，前馈放大器的整体效率却不会受到严重影响，因为信号峰值具有间断的性质。就是说，误差放大器实际上在脉冲方式下工作，总功耗相当低。

尽管图5的误差放大器转移曲线表明，线性响应小于所有的工作范围，在30dB工作范围中约为25-26dB(亦即从取为1dB的器件峰值功率算起约为-4至-5dB)，但实际上这将捕捉到几乎所有的信号峰IMD，因为所述功率范围以外的峰值极其稀少。尽管如此，这个线性范围可以根据特定类型RF输入信号的峰值功率脉冲的统计和特定应用的IMD允许范围作某种改变。图6的相位响应不那么关键，但是也可以随着应用而改变线性范围。具体地说，误差放大器转移曲线的工作范围的线性部分可以通过增大误差放大器的尺寸而增大，从而把整个工作范围移向图5和6的左边。因此，可以看到，若特定的应用需要，则可以把误差放大器转移曲线的线性范围扩展到整个工作范围，包括整个峰值信号范围。

因此可以看到，本发明提供一种效率高、浪费功率和不希望有的发热最小的前馈放大器，而与此同时提供高带宽应用所需的高度线性。

参见图7，举例说明图2的前馈功率放大器的具体实现方案。这个具体的实施例对应于主放大器16和误差放大器34分别具有相等尺寸，尽管如上所述这两个模块的工作特性差别非常大。由于采用相同的放大模块配置，在成本上会有优势，从而避免对这两个模块的单独设计和工具成本，以及与单独制造步骤相关的成本。在某些应用上性能的要求可能抵消这个成本优势，但是，如上所述，主和误差放大器尺寸之比可以是从1比2到2比1。另外，图7的具体实现方案表明一种特殊的双控制回路配置，包括主和误差通道的预失真，这可以减少信号峰值造成的失真，并改善放大器的整体效率。

更具体地说，正如图7所举例说明的，主放大器通道包括RF输入端12、输入信号耦合器30、输入和预失真电路20、导频信号注入耦合器107、主放大器模块16、主放大器输出采样耦合器26、群延迟线28、误差注入耦合器42、导频信号检测耦合器25、隔离器114和RF输出端14。在举例示出的实施例中，输入和预失真电路20包括分布式小信号增益级102、群延迟调整电路103、预失真电路104、相位控制电路105和振幅控制电路106。分布式小信号增益级102可以是传统的，并在工作时向RF输入信号提供小的初始增益。群延迟调整电路103、预失真电路104、相位控制电路105和振幅控制电路106都在控制器230的控制下工作，所述控制器可以是适当编程的微控制器。控制器230从导频信号检测电路115接收检测到的导频信号，并用所述信号来调整群延迟调整电路103、预失真电路104、相位控制电路105和振幅控制电路106，把导频信号减到最小，从而把失真减到最小。控制器230还可以向用于建立导频信号的导频信号发生器22提供信号。按照典型的前馈控制，这个动作最好描述为两个回路控制过程中的一个，正如下面将要描述的。主放大器功率模块16包括主放大级110、111、112和113，正如联系表1所讨论的，按C或AB2类偏置。这种四级实现方案对应于四个单独的器件；例如，前置放大器110、中间功率放大器111和两个大功率放大器112、113，例如，100瓦1dB主放大器LDMOS级。可以看到，根据应用和功率要求以及可用的级放大器性能和成本，可以采用较多或较少的级。

仍旧参见图7，误差放大器通道包括群延迟线32，载波抵消偏移注入耦合器202、载波抵消检测器203、载波抵消耦合器206、误差输入信号采样耦合器207、误差输入信号测试端口209、前置误差输入端38、误差放大功率模块34和连接到误差注入耦合器42的输出误差放大器互连线216。载波抵消耦合器206接收来自主放大器输出采样耦合器26、主采样信号衰减器210和相关的RF互连217的采样的和衰减后的主放大器输出。载波抵消检测器203检测误差通道中的RF载波量并将其作为输出提供给控制器230。测试信号可以通过测试端口209施加在误差通道。前置误差输入电路38包括分布式小信号增益级208、群延迟调整电路211、相位调整电路214和振幅调整电路213。分布式小信号增益级208在操作上可以是传统的。群延迟调整电路211、相位调整电路214和振幅调整电路213在控制器230的控制下工作，正如下面描述的。前置输入电路38向误差放大器功率模块34提供误差信号。在举例示出的尺寸相等的主和误差实现方案中，误差放大器功率模块34包括级220、221、222和223，与主模块16的配置对应。这些级220、221、222和22 3可以包括与主模块具有相同尺寸但不同偏置的器件，例如，LDMOS放大器件。具体地说，正如上面联系表1描述的，级220、221、222和223可以包括按AB1或A类偏置的LDMOS放大器。这为当前高带宽的应用提供高度线性的误差信号放大。若将来甚至更高的带宽要求或更高功率的应用增大误差信号输入，也可以增大误差放大器的尺寸来在整个工作范围维持线性，正如联系图5和6上面讨论的。然后通过误差放大器输出互连线216把放大后的误差信号提供给误差注入耦合器42，在这里抵消主通道中的IMD。

下面对图7具体的控制实现方案的讨论将清楚说明控制器24的使用，而电路20和38协助达到要求的IMD性能。正如上面讨论的，按照传统的前馈控制术语，这种控制可以看作是两个回路中的单独的控制。按照传统术语，第一控制回路(或回路1)是载波抵消回路。回路1包括下列电路元件：

输入信号耦合器30；

分布式小信号增益级102；

主通道群延迟调整电路103；

主通道预失真电路104；

主通道相位105和振幅106控制电路；

导频信号注入耦合器107；

主放大器功率模块16；

主放大器输出采样耦合器26；

关联的主输出RF互连217；

采样信号衰减器210；

群延迟线32；

载波抵消偏移注入耦合器202；

载波抵消检测器203；

载波抵消耦合器206；

误差输入信号采样耦合器207；

误差输入信号测试端口209。

回路1的载波抵消检测器203的行为类似于的前馈功率放大系统。控制器230调整群延迟电路103和相位和振幅控制电路105，106，来设置在载波抵消电路203处检测的载波信号。控制器230可以这样工作，当调整载波抵消时，使进入载波抵消电路203输入端的RF能量最小。但如上所述，在某些应用中，把载波抵消调整得残留某些RF载波分量可能是有利的。回路1预失真电路104由控制器230通过监视来自导频信号检测电路115的导频信号，把导频信号减到最小而进行控制。

回路2是误差通道回路或辅助通道回路。回路2包括下列电路元件：

主放大器输出采样耦合器26；

回路2群延迟线28；

主采样信号衰减器210和关联的RF互连217；

载波抵消耦合器206；

误差通道输入信号采样耦合器207；

分布式小信号增益级208；

群延迟调整电路211；

相位214和振幅213调整电路；

误差放大器功率模块34；

输出误差放大器互连线216；

误差注入耦合器42。

回路2的运转是由控制器230控制的。和回路1的情况相同，检测的导频信号用来监视和调整回路2抵消性能。本专业技术人员会看到控制回路2的性能和电路211、213和214的稳定性所需的导频信号要求的细节。预失真电路104在控制器230的控制下通过把检测到的导频信号减到最小来改善较高输出功率电平造成的AM/AM和AM/PM的性能。主通道预失真电路的使用改善了较高输出功率电平下IMD与载波的比率。

上面已经联系不同的附图描述了本发明的在宽带宽的应用中提供高效率和最小失真的RF功率放大器设计的推荐的实施例。尽管如此，本专业技术人员会看到，在本发明的传授的范围内可以作出各种各样的修改和其他实施例。例如，应用本发明的技术可以提供各种具体的前馈电路实现方案和回路控制器实现方案，为了节省篇幅，不准备穷举所有的电路实现方案。各种各样其他可能的修改和其他实施例显然都是可能的，并都落在本发明的范围内。相应地，所描述的具体的实施例和实现方案不应看作是对本发明限制性的，而只是举例说明性质的。

Claims (31)

1.一种前馈放大器，它包括：

RF输入端，用于接收所述RF信号；

主放大器，用于接收和放大RF信号，所述主放大器按第一类工作偏置进行偏置；

主放大器输出采样耦合器；

第一延迟器，它连接到所述RF输入端并提供延迟后的RF信号；

载波抵消组合器，它把所述延迟后的RF信号耦合到来自所述主放大器的采样输出信号；

误差放大器，用于接收和放大所述载波抵消组合器的输出，所述误差放大器按其线性优于所述第一类偏置的第二类工作偏置进行偏置；

第二延迟器，它连接到所述主放大器的输出端；

误差注入耦合器，它把所述误差放大器的输出与来自所述第二延迟器的所述延迟后的主放大器输出组合，以便抵消所述主放大器引入的失真；以及

RF输出端，它连接到所述误差注入耦合器的输出端并提供放大后的RF输出信号。

2.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述主放大器与所述误差放大器的尺寸比率是从2到1。

3.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述主放大器与所述误差放大器的尺寸比率是从1到2。

4.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述第一类工作偏置是C类或AB2类，

5.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述主放大器包括一个或多个半导体放大器件，而且所述第一类工作偏置下器件偏置电流在器件饱和电流的0％和0.17％之间。

6.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述主放大器包括一个或多个半导体放大器件，而且在所述第一类工作偏置下所述器件偏置电流在器件饱和电流的1.25％和2.50％之间。

7.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述主放大器包括多个横向扩散金属氧化物半导体放大器件。

8.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述第二类工作偏置为A类或AB1类。

9.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述误差放大器包括一个或多个半导体放大器件，而且在所述第二类工作偏置下所述器件偏置电流在器件饱和电流的3.33％和10.00％之间。

10.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于：所述误差放大器包括一个或多个半导体放大器件，而且在所述第二类工作偏置下所述器件偏置电流在器件饱和电流的10.00％和25.00％之间。

11.如权利要求1所述的前置放大器，其特征在于还包括预失真电路，它连接到所述主放大器的输入端。

12.如权利要求11所述的前置放大器，其特征在于还包括控制器，用于控制所述预失真电路的工作，以便把在所述放大器RF输出端的失真减到最小。

13.如权利要求12所述的前置放大器，其特征在于还可以包括：导频信号发生器，它向所述主放大器的所述输入端提供导频信号；以及导频信号检测器，它连接到所述误差注入耦合器输出端和所述控制器。

14.一种前馈放大器，它包括：

RF输入端，它接收RF输入信号，所述RF输入信号具有平均工作振幅范围和在超过平均工作范围的峰值范围内的间歇信号峰值；

主放大器，用于接收和放大所述RF输入信号，所述主放大器在其整个工作范围内具有第一转移特性，所述第一转移特性具有对应于所述RF输入信号的平均工作振幅范围的基本上线性的部分和对应于所述RF输入信号峰值范围的非线性部分；

主放大器输出信号采样器；

误差通道延迟电路，它连接到所述RF输入端并提供延迟后的RF输入信号；

第一抵消组合器，它把所述延迟后的RF输入信号耦合到所述主放大器的所述采样输出；

误差放大器，用于放大所述第一抵消组合器的输出，所述误差放大器在其整个工作范围内具有第二转移特性，所述第二转移特性具有对应于所述RF输入信号的基本上全部所述平均和峰值工作振幅范围的线性部分；

主通道延迟电路，它连接到所述主放大器的输出端；

第二抵消组合器，它将所述误差放大器的输出与所述主通道延迟电路的输出组合，以便抵消所述主放大器引入的失真；以及

RF输出端，它连接到所述第二抵消组合器并提供放大后的RF输出。

15.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于：所述RF输入信号包括具有随机出现的包括峰值范围的信号峰值的扩频信号。

16.如权利要求15所述的前置放大器，其特征在于：所述RF输入信号包括码分多址信号。

17.如权利要求15所述的前置放大器，其特征在于：所述RF输入信号包括宽带码分多址信号。

18.如权利要求15所述的前置放大器，其特征在于：所述误差放大器的工作范围约为30dB，所述误差放大器的功率-增益转移特性在30dB工作范围中直至约25dB或更大线性到小于增益的0.5dB。

19.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于：所述误差放大器的功率-增益转移特性直至器件峰值功率的-4至-5dB左右是线性的。

20.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于：所述误差放大器的平均功率工作范围是大约10dB。

21.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于：所述主放大器的工作范围是从峰值功率到峰值功率的-20dB左右开始，而所述误差放大器的工作范围是从峰值功率到峰值功率的-30dB左右开始。

22.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于还包括预失真电路，所述预失真电路连接到所述主放大器的输入端。

23.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于还包括控制器，用于控制所述预失真电路的工作，把所述放大器输出的失真减到最小。

24.如权利要求14所述的前置放大器，其特征在于还包括：导频信号发生器，用于向所述主放大器的输入端提供导频信号；以及导频信号检测器，它连接到所述放大器输出端和所述控制器。

25.一种放大宽带宽RF输入信号的方法，所述方法包括：

接收RF输入信号，所述RF输入信号具有平均工作振幅范围并且还包括在超过所述平均工作范围的峰值信号范围内的间歇信号峰值；

采用在其整个工作范围内具有第一转移特性的主放大器放大所述RF输入信号，所述第一转移特性具有对应于所述RF输入信号的平均工作振幅范围的基本上线性的部分和对应于所述RF输入信号峰值范围的非线性部分；

对所述主放大器输出进行采样；

延迟所述RF输入信号并提供延迟后的RF输入信号；

把所述延迟后的输入信号耦合到所述主放大器的所述采样输出，以便提供所述主放大器的所述采样输出的失真分量；

采用在其整个工作范围内具有第二转移特性的误差放大器放大所述失真分量，所述第二转移特性具有对应于所述RF输入信号的基本上全部平均和峰值工作振幅范围的线性部分；

延迟所述主放大器的所述输出；

把所述放大后的失真分量和所述主放大器的所述延迟后的输出组合起来，以便抵消所述主放大器引入的失真并提供放大后的RF输出。

26.如权利要求25所述的放大宽带宽RF输入信号的方法，其特征在于：所述RF输入信号包括扩频信号，所述扩频信号具有随机出现的包括所述峰值信号范围的信号峰值。

27.如权利要求25所述的放大宽带宽RF输入信号的方法，其特征在于还包括在由所述主放大器放大之前，对所述RF输入信号进行预失真。

28.如权利要求25所述的放大宽带宽RF输入信号的方法，其特征在于：所述误差放大器的工作范围是大约30dB，而所述误差放大器的功率-增益转移特性在所述30dB工作范围中直到25dB左右或更大线性到小于增益的0.5dB。

29.如权利要求25所述的放大宽带宽RF输入信号的方法，其特征在于：所述误差放大器的功率-增益转移特性直至器件峰值功率的-4到-5dB左右是线性的。

30.如权利要求25所述的放大宽带宽RF输入信号的方法，其特征在于：所述误差放大器的平均功率工作范围是大约10dB。

31.如权利要求25所述的放大宽带宽RF输入信号的方法，其特征在于：所述主放大器的工作范围从峰值功率到峰值功率的-20dB左右开始，而所述误差放大器的工作范围从峰值功率到峰值功率的-30dB左右开始。

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