CN1672322A - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率放大器，该功率放大器最好是应用在移动通信设备中并且使用包络跟踪技术。本发明的一个目的就是通过使单元10的电源电压同时适应于包络信号的快速变化而提高功率放大器的效率。该目的是通过提供第二DC/DC转换器140以产生n+1个电压电平以及n个门限值以响应所接收到的其表示RF输出信号的所需输出功率的功率控制信号并且第一DC/DC转换器130选择所述n+1个电压电平之一以作为所述单元10的电源电压以响应包络信号与所述n个门限值之间的比较结果。

Description

功率放大器
该发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的利用动态包络跟踪技术的功率放大器。该功率放大器最好是应用在配置在蜂窝式终端/无线通信终端或者基站中的移动通信模块中。在实施例和相关的权利要求中描述了该发明。
这种功率放大器为本领域普通技术人员所熟知，例如从美国麻省波士顿、2000年6月11-16日、IEEE MTT-S国际微波讨论会文摘、第2卷、第873-876页的、由J.Staudinger等人所著的“Highefficiency CDMA RF power amplifier using dynamic envelopetracking technique(利用动态包络跟踪技术的高效CDMA RF功率放大器)”这篇文章中可知。所述文章所公开的功率放大器如图6所示。它包括一射频RF功率放大单元610，该功率放大单元通过对所接收到的RF输入信号进行放大而产生了RF输出信号。所述功率放大器进一步包括一包络检测器620，该包络检测器还接收RF输入信号并且产生了其表示所述RF输入信号有效值的一包络信号。将所述包络信号输入到其用于将电源电压提供给所述RF功率放大单元610的DC/DC转换器630，以响应所述包络信号。按照这种方法，可以在特定的线性度实现使功率放大器的效率提高并且尤其是使RF功率放大单元的效率提高。
RF输入信号的包络信号呈现出快速的变化。对于第三代手机而言，该变化具有其峰值与平均值之比在4dB至12dB或之上这个范围内的大约4MHz的一速率。诸如其基于图6中的功率放大器的包络跟踪这样的方法依赖于这样的事实，即图6中的DC/DC转换器630可提供很高的转换频率以为RF功率放大单元610产生电源电压。然而，高转换频率可是会导致不希望的高损耗并且因此整个功率放大器的效率很低。
源于现有技术，本发明的目的就是通过使所述功率放大器的RF功率放大单元的电源电压同时适应于RF输入信号的包络的快速变化来改进已知的功率放大器的效率。
该目的是由权利要求1的主题来解决的。更具体地说，该目的是通过下述方式来解决的，即为已知的功率放大器提供第二DC/DC转换器以产生n+1个电压电平以及n个门限值以响应所接收到的其表示RF功率放大单元的RF输出信号的所需输出功率的功率控制信号并且其中第一DC/DC转换器选择所述n+1个电压电平之一以作为所述RF功率放大单元的所述电源电压以响应包络信号与所述n个门限值之间的比较结果。
有利的，根据本发明，所提供的电压电平与包络跟踪相分离。换句话说，提供电压电平的第二DC/DC转换器不需要跟随RF输入信号的包络。因此，在操作期间第二DC/DC转换器未呈现出由于高转换频率造成的很高的损耗并且其效率相当高。
本发明主要目的是使RF功率放大单元的效率最大，该效率是由输出信号(RF输出)的功率与第一DC/DC转换器所提供的由其输出电源电压VccDY所表示的DC功率之间的比值来定义的。然而，有利的，通过使RF功率放大单元的效率最大，整个功率放大器的效率同时增加了，所述效率是由RF功率放大单元的输出信号的功率与外部电源所提供的其由外加电压Vccext所表示的DC功率之间的比值来定义的。
与第二转换器不同，第一DC/DC转换器极快的操作。根据本发明，这是通过将所提供的电压电平外送至第二DC/DC转换器而实现的。因此，第一DC/DC转换器的任务不是产生电压电平，而是选择这些电压电平之一以响应包络信号与所述n个门限值之间的比较结果。在没有提供电压电平的情况下，以非常快的方式仅可实现所述选择。
根据本发明，在功率放大器内兼备有独立的提供电压电平以及独立的包络跟踪。由于该兼备作用，因此该功率放大器实现了由调制解调器无线电通信标准所定义的高效率及速度要求。
根据发明的第一实施例，不但通过电源电压来使RF功率放大单元的集电极或者漏极偏压，而且还使所述RF放大单元的基极偏压以响应RF输入信号的包络。这具有下列优点，即可进一步提高RF放大单元的效率。
根据另一个实施例，RF放大单元包括若干个放大级，这几个放大级可分别的转换为导通或者断开以便使功率放大器的效率最大。此外，在RF输出信号的功率低于预定门限值的情况下，断开适合的集电极/漏极和/或基极偏压以及包络跟踪，此后其将耗散比其进行保存更多的功率。在这种情况下，仅使用级转换。
最后，提供了预矫正单元以使RF输入信号输入到RF放大器单元之前按照基本上可降低所述RF放大单元所产生的失真这样的方法来对其进行预矫正。
该实施例的转换器的其他优点体现为从属权利要求的内容。
该说明书附有七个附图，其中：
图1给出了根据本发明第一实施例的功率放大器；
图2给出了第一和第二实施例的功率放大器的第一DC/DC转换器的详细说明；
图3给出了根据本发明第二实施例的功率放大器；
图4给出了第二实施例的功率放大器所使用的第三DC/DC转换器的详细说明；
图5给出了根据本发明一实施例的RF放大单元；
图6给出了为该技术领域所熟知的功率放大器；
图7给出了其包括有根据本发明的功率放大器的移动式电话。
在下文中，参考图1至图5对本发明的优选实施例进行说明。
图1给出了根据本发明第一实施例的功率放大器。所述功率放大器包括一RF功率放大单元110，该RF功率放大单元对所接收到的RF输入信号进行放大并且生成了一RF输出信号。为了实现所述RF放大单元110的最大效率，根据所述RF功率放大单元110所输出的RF信号的所需功率并且还根据RF输入信号的包络来控制其电源电压。
功率放大器的控制包括一包络检测器120，该包络检测器对RF输入信号的包络进行检测并且产生了相应的包络信号。将所述包络信号输入到第一DC/DC转换器130中以为所述的RF功率放大单元110提供所述电源电压VccDY。所述第一DC/DC转换器130进一步接收第二DC/DC转换器140所提供的n+1个电压电平及n个门限值以响应这样的功率控制信号，该信号表示所述RF功率放大单元110所输出的RF信号的所需输出功率。所述输出功率是例如通过远程通信系统的基站而从外部预定的。第二DC/DC转换器140通过以相对低的频率来转换其电源电压而产生了所述n+1个电压电平以用于所需的输出功率电平以减少由于高频转换所造成的损失。因此，所述第二DC/DC转换器140的效率相对高。
根据图1的功率放大器进一步包括一预矫正单元160，该预矫正单元使RF输入信号输入到RF放大器单元之前按照降低由于内部非线性所造成的由所述RF放大单元110所产生的失真这样的方法来对其进行预矫正。然而，由于偏压快速变化，因此单元110的特性曲线及非线性度以某种速率而变化。因此，需要这样一种快速反馈(未给出)，该快速反馈可使预矫正单元160内的预矫正算法适应于单元110的特性曲线。
现在参考图2对第一DC/DC转换器130的操作进行说明。第一DC/DC转换器130包括一逻辑单元132，该逻辑单元132用于接收包络检测器120所提供的包络信号以及所述第二DC/DC转换器140所提供的所述n个门限值以执行对包络信号与所述门限值T1...Tn的比较。在图2中n＝2，尽管通常该数目n可以任意选择。当执行比较时，逻辑单元132检查包络信号的振幅或者有效值与所述门限值之间的相关性，也就是说检测包络信号的振幅是否是(i)小于T1、或者(ii)在T1与T2之间并且T2＞T1、还是(iii)其大于T2。在(i)的情况下，选择第二DC/DC转换器140所提供的电压电平V1作为RF功率放大单元110的电源电压VccDY。相反，在(ii)的情况下，选择电压电平V2作为电源电压VccDY，并且在(iii)的情况下选择电压电平V3作为电源电压VccDY。通过选择信号而将用于控制所选电压电平的开关S1...S3之一接通来由逻辑单元132执行该选择，剩余的开关被断开。
提供了电压电平V1、V2、以及V3以至于电源电压VccDY足够的大以可保证功率放大器的线性；根据当前所需的输出功率电平而进一步提供或者选择电压电平。此外，对门限值T1...Tn进行选择以使逻辑单元132有足够的时间来将电源电压转换为最适当的电压电平。
通常，根据本发明，门限电平T1...Tn以及所提供的电压电平V1...Vn根据所述RF放大单元110所输出的RF信号的预定平均功率要求而动态的变化。
由于电压电平V1...Vn的数目受到限制，因此由逻辑单元132以快速且有效的方法来实现从这些电压电平中选择电源电压。快速转换，即对电压电平进行选择可保证单元110的所选电源电压遮盖了相对大的动态范围。此外，因为第二DC/DC转换器140根据所需输出功率而提供了n+1个电压电平，因此最终所选择的电源电压适应于所需输出功率。换句话说，用于对所提供的电压电平进行选择以作为单元110的电源电压的逻辑单元132及开关S1、S2、以及S3可根据受限的动态范围而实现包络跟踪技术，该包络信号快速的变化。相反，当第二DC/DC转换器140生成了最合适的一类电压电平时，第二DC/DC转换器140相对有效的操作以便对于相对慢的改变输出功率要求而言可实现最大动态范围的电源电压。
回头参考图1，通过使RF放大单元110的基极偏压而进一步提高了功率放大器的效率。本发明提出了两个替换方案以实现这种基极偏压，第一个如图1所示，然而第二个如图3所示。
根据图1，通过将基极偏置电压VbeDY添加到RF输入信号中而实现了基极偏压。由第三DC/DC转换器150′提供了所述基极偏置电压以响应RF输入信号的包络的有效值。
图3说明了根据本发明第二实施例的功率放大器。它基本上与图1所示的实施例相对应。然而，按照另一种方式生成了基极偏置电压VbeDY。根据图3，与RF放大单元110的电源电压相类似的产生了所述基极偏置电压。更具体地说，第二DC/DC转换器140进一步为第三DC/DC转换器150″产生了m+1个电压电平以及m个门限值以响应这样的功率控制信号，该功率控制信号表示由所述单元110所输出的RF信号的所需输出功率。另外，将包络信号输入到所述第三DC/DC转换器150″中。
图4说明了所述第二实施例中的其用于产生基极偏置电压VbeDY的所述第三DC/DC转换器150″的操作。该操作基本上与参考图2所描述的第一DC/DC转换器130的操作相对应。然而，所述第二DC/DC转换器140提供了m个门限值以及m+1个电压电平，其中在图2中m＝2。此外还产生了基极偏置电压VbeDY。
在图1和图3所示的用于产生基极偏置电压VbeDY的这两个实施例中，受控的基极偏置电压VbeDY用于进一步提高整个功率放大器的效率，并且尤其是提高RF放大单元110的效率。
图5给出了其具有两个放大级112，114的RF放大单元110的一实施例。其中RF输出信号的所需输出功率小于第一预定功率门限值，第二DC/DC转换器140为响应功率控制信号而产生了其通过开关115-3来确定要断开的级114的级控制信号以使整个功率放大器的效率最大。
使所断开的级114旁路以确定输入信号到达输出端。通过所述级控制信号来控制开关115-1和115-2来实现旁路作用。只要断开至少一个放大器，用于提供适当电源电压VccDY及适合的基极偏压的包络跟踪技术适合于使图5中的其与RF功率放大单元110相对应的第一级112这样的剩余导通级的效率最大。
通常RF放大单元110包括其为任意数目的k个放大级，这些放大级可分别导通或者断开。然而，必须使被断开的每个级旁路，这可使输入信号到达输出端。
甚至在较低的所需输出功率电平时，也就是说只要所需输出功率小于第二预定功率门限值，第一DC/DC转换器选择所述第二DC/DC转换器140所提供的固定电压电平以作为所述RF功率放大单元110的电源电压。可以分别导通或者断开RF放大单元110的放大级112，114，以便根据特定的所需输出功率而使单元110的效率最大。
在任何情况下，将RF输出信号输出到天线200。

Claims (11)

1、一种功率放大器，包括：
一RF功率放大单元(110)，用于通过对所接收到的RF输入信号进行放大以产生一RF输出信号；
一包络检测器(120)，用于产生其显示所述RF输入信号的包络的一包络信号；以及
第一DC/DC转换器(130)，用于为所述RF功率放大单元(110)提供电源电压以响应所述的包络信号；
其特征在于功率放大器进一步包括：
第二DC/DC转换器(140)，用于产生n+1个电压电平(V1...Vn+1)以及n个门限值(T1...Tn)以响应所接收到的功率控制信号，该功率控制信号表示RF功率放大单元(110)的RF输出信号的所需输出功率；
第一DC/DC转换器(130)用于选择所述n+1个电压电平(V1...Vn+1)中的一个以作为所述RF功率放大单元(110)的所述电源电压，以响应包络信号与所述n个门限值(T1...Tn)之间的比较。
2、根据权利要求1的功率放大器，其中第一DC/DC转换器(130)包括第一逻辑单元(132)，该第一逻辑单元用于执行包络信号与所述门限值(T1...Tn)之间的比较并且产生一选择信号以响应所述比较的结果，选择信号用于从第二DC/DC转换器(140)所提供的n+1个电压电平(V1...Vn+1)中选择RF功率放大单元(110)的电源电压。
3、根据权利要求1的功率放大器，具有第三DC/DC转换器(150′，150″)，该第三DC/DC转换器为所述RF功率放大单元(110)的基极提供基极偏置电压以响应所述包络信号。
4、根据权利要求3的功率放大器，其中第三DC/DC转换器(150′)用于提供连续受控的基极偏置电压以响应包络信号的有效值。
5、根据权利要求3的功率放大器，其中
第二DC/DC转换器(140)另外还产生了m+1个电压电平(V′1...V′m+1)以及m个门限值(T′1...T′m)以响应其显示RF功率放大单元(110)的RF输出信号的所需输出功率的功率控制信号；以及
第三DC/DC转换器(150″)选择所述m+1个电压电平(V′1...V′m+1)中的一个以作为所述RF功率放大单元(110)的基极的所述基极偏置电压VbeDY以响应包络信号与所述m个门限值(V′1...V′m+1)之间的比较结果。
6、根据权利要求5的功率放大器，其中第三DC/DC转换器(150)包括第二逻辑单元(132′)，该第二逻辑单元执行包络信号与所述m个门限值之间的比较并且产生第二选择信号以响应所述比较结果，第二选择信号用于从所述第二DC/DC转换器(140)所提供的所述m+1个电压电平(V′1...V′m+1)中选择所述RF功率放大单元(110)的基极的基极偏置电压。
7、根据权利要求1的功率放大器，其中RF功率放大单元(110)包括若干个可分别导通或者断开的放大级(112，114)。
8、根据权利要求7的功率放大器，其中第二DC/DC转换器(140)产生了级控制信号以断开至少一个放大级(112，114)并且当RF输出信号的输出功率低于第一预定功率门限值时使所断开的级旁路。
9、根据权利要求7的功率放大器，其特征在于只要所述功率控制信号所需的输出功率低于第二预定功率门限值，第一DC/DC转换器(130)就选择所述第二DC/DC转换器(140)所提供的固定电压电平以作为所述RF功率放大单元(110)的电源电压。
10、根据权利要求1的功率放大器，具有一预矫正单元(160)，该预矫正单元使RF输入信号输入到RF放大器单元之前按照基本上可降低所述RF放大单元(110)所产生的失真这样的方法来对其进行预矫正。
11、一种移动式电话设备700，包括如先前任一个权利要求所要求的功率放大器(PA)。
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