CN1679232B - 提高效率的基于ldmos的前馈放大器 - Google Patents

Abstract

采用具有偏置于较低偏置类的放大器装置的高效率主(16)和/或误差(34)放大器的一种前馈放大器(10)。放大器装置的增益响应中的小信号非线性由小信号增益调节电路(22，24)补偿。作为结果的增益响应在RF输入功率的整个可用范围内是基本线性的。

Description

提高效率的基于LDMOS的前馈放大器

相关申请信息

本申请根据35USC 119(e)要求2002年8月26日提交的序列号为60/405,942的临时申请的优先权，其公开内容通过整体引用而被合并在这里。

技术领域

本发明大体上涉及放大RF信号的RF功率放大器以及方法。更具体地，本发明涉及前馈功率放大器以及相关方法。

背景技术

RF功率放大器设计的两个主要目标是功率工作范围上的线性和效率。线性只是无失真放大的能力，而效率是以最小耗散功率和发热将DC转换为RF能量的能力。这两个要求对现代无线通信系统都是关键的，而提供两者却日益困难。这主要是因为现代无线通信系统的带宽需求对放大器线性提出了越来越多的要求。在实际应用上，提供所需线性的唯一方法是采用工作在工作范围内的低效率点的非常大的放大器，在这里它们更为线性。

RF功率放大器中一个实现更高的线性和好的效率的方法是由前馈放大器提供的。在前馈RF功率放大器中采用了一个误差放大器，仅用来放大IMD产物，后者然后与主放大器的输出合并，以消除主放大器IMD。图1示出了具有主放大器1和误差放大器2的常规前馈放大器设计。基本单元还包括分别位于主和误差通路上的延时器3、4，以及主通路到误差通路的耦合器5、6、7和8。正如本领域技术人员所周知的，未示出的附加单元也是典型地存在于常规前馈结构中的。延时器、耦合器和误差放大器被设计将来自误差通路的异相(out of phase)IMD于耦合器8处注入主放大器的输出，以基本消除主放大器通路中的IMD。

一般地，前馈功率放大器的设计基于在主和误差放大器中都使用A类或AB类偏置晶体管。为了从放大器中的输出级LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)装置获取更高的效率，它们必须偏向较低AB类或B类。然而，当偏置于该模式时，将发生相当大的增益扩张，尤其在较低的功率输出处。图2示出了这一点，其中既显示了常规的较高AB偏置又显示了较低AB类或B类偏置。如所示，在小信号区域(低于输入功率Psst-小信号门限)发生了非线性增益扩张。该增益扩张还引起大量小信号互调失真产物(SSIMD)。所述误差放大器2基本上工作在脉冲模式，而实际上仅抽取静态电流。使误差放大器的输出装置偏置于较低AB类或B类进一步减小了静态电流。然而，较低AB类或B类偏置使耦合器8处的误差回路消除依赖于输入功率。这是和前馈放大器工作的基本概念相矛盾的，而自然难以解决。

因此，当主放大器偏置于较低AB类或B类时，它产生大量小信号IMD。这些IMD产物随即导致误差放大器抽取相当高的电流来加以补偿，所以在系统级上任何效率的提高都丧失了。结果，通过偏置放大器装置于较低AB类或B类以提高效率的努力就这样受挫。

因此，对RF功率放大器设计目前存在一个对既提供高效率又降低信号失真的需求。

发明内容

本发明的第一方面提供了一个放大器，其具有一个用于接收要被放大信号的输入，和偏置为在小信号区域具有非线性增益特性的放大器装置。小信号线性化电路被耦合在输入和放大器装置之间，以补偿放大器装置的小信号非线性。该放大器还包括耦合到放大器装置的输出，以输出放大后的信号。

所述放大器装置为了高的效率而优选地偏置于较低AB类或B类。在优选实施例中，该放大器装置是LDMOS晶体管。所述小信号增益调节电路优选地具有与放大器装置的增益响应基本相反的增益响应。特别地，该放大器装置可能在小信号区域具有增益扩张，而小信号线性化电路在对应于小信号区域的放大器装置的增益响应部分降低输入信号的幅度。对应于小信号区域的放大器装置增益响应部分可能，举例来说，包含放大器装置最大输入功率的大约-15dB到-5dB的范围。

在一个优选实施例中，所述小信号线性化电路可包含并联耦合在信号输入通路和地之间的第一和第二二极管，以及与第一和第二二极管和地串联耦合的电阻器。在可选实施方案中，该小信号线性化电路可包含包络检测器和响应于该包络检测器所检测的输入信号包络而被控制的增益控制电路。在这样的实施例中，该小信号线性化电路可能还包含耦合在所述包络监测器和所述增益控制电路之间的视频放大器。

另一方面，本发明提供一种RF前馈放大器，其具有用于接收RF信号的RF输入和用于接收和放大RF信号的主放大器，其中所述主放大器包含一个或多个被偏置以便在小信号区域具有非线性增益特性的放大器装置。主通路小信号增益调节电路被耦合在RF输入和主放大器之间，以补偿主放大器中所述一个或多个放大器装置的小信号非线性。该前馈放大器还包括主放大器输出采样耦合器、耦合到RF输入并提供延时输入RF信号的第一延时器、以及将延时RF信号耦合到来自主放大器的采样输出并提供误差信号的载波消除合并器。误差放大器被提供用来接收和放大该误差信号。第二延时器被耦合到主放大器的输出而误差注入耦合器合并来自误差放大器的输出和来自第二延时器的延时了的主放大器输出，以便消除主放大器引入的失真。RF输出被耦合到误差注入耦合器输出并提供放大了的RF输出。误差放大器也可包含一个或多个被偏置以在小信号区域具有非线性增益特性的放大器装置，并且所述RF前馈放大器还包含耦合在载波消除合并器和误差放大器之间以补偿误差放大器中一个或多个装置的小信号非线性的误差通路小信号增益调节电路。

优选地，为了高的效率，主放大器和误差放大器装置偏置于较低AB类或B类。主放大器装置非线性增益特性可包含输入信号的小信号部分的增益扩张，以及主通路小信号增益调节电路在输入信号的小信号部分上对RF输入信号进行压缩。例如，输入信号的小信号部分可包含功率区域小于约Pin(max)-5db的输入信号，其中Pin(max)是主放大器装置的饱和电平(saturation level)。误差放大器装置非线性增益特性可相似地包含误差信号的小信号部分上的增益扩张，以及误差通路小信号增益调节电路在误差信号的小信号部分上对误差信号进行压缩。

再一方面，本发明提供了补偿放大器装置的小信号区域中的非线性的方法。所述方法包含接收将被放大器装置放大的输入信号，而仅当输入信号位于小信号区域时对输入信号应用非线性补偿增益并输出经增益补偿的信号。所述经增益补偿的信号然后被提供给放大器装置。

例如，用于补偿放大器装置的小信号区域中的非线性的方法可被用在放大器装置为LDMOS装置的情况下。优选地，为了高的效率，该放大器装置偏置于较低AB类或B类。输入信号的小信号区域可以，举例来说，包含小于约Pin(max)-5db的输入信号功率区域，其中Pin(max)是放大器装置的饱和电平。该放大器装置非线性可包含小信号区域的增益扩张，而对输入信号应用非线性补偿增益可包含对输入信号应用增益压缩。

通过阅览以下的本发明详细描述可以理解更多的特征和优点。

附图说明

图1为现有技术前馈功率放大器框图。

图2为图1所示的前馈功率放大器中所采用的LDMOS放大器装置的传递特性图，其图示了显示出小信号非线性的工作范围上的增益特性。

图3为依据本发明的前馈功率放大器优选实施例的框图。

图4为图3所示的前馈功率放大器所采用的软增益压缩器在工作功率范围上的一般增益特性图。

图5为图3所示的前馈功率放大器中所采用的LDMOS放大器装置的传递特性图，其图示了显示出减少了的小信号非线性的工作范围上的增益特性。

图6为依据本发明的图3所示前馈功率放大器中所采用的软增益压缩器第一优选实施例的示意图。

图7为依据本发明的图3所示前馈功率放大器中所采用的软增益压缩器另一优选实施例的示意框图。

图8为图3所示前馈功率放大器所采用的软增益压缩器的一个特例的、显示在特定的工作范围上的具体增益特性值曲线图。

具体实施方式

本发明提出了前馈放大器和信号线性化方法，其基本上消除了所有上述问题并且即使在主和/或误差放大器为了更高效率而被偏置在相当低的偏置类(bias class)时仍达到了更好的总体系统效率。

参照附图3，其示出了依据本发明的前馈功率放大器优选实施例的框图。尽管举例说明的是前馈放大器，但应当理解，本发明也可以以其它放大器设计来实现。前馈放大器10包括接收要被放大的输入RF信号的输入12，以及输出放大了的RF信号的输出14。依据周知的前馈放大器设计，所述输入RF信号在输入耦合器30处被分到主放大器信号通路和误差放大器信号通路中。

所述主放大器信号通路包括主放大器16，其优选为LDMOS放大器，或者是包含多个LDMOS放大器装置或级、偏置于高效工作模式的放大器模块。更具体地，主放大器16优选地采用偏置于诸如较低的AB类或B类的偏置类的LDMOS装置，以便提供好的DC-RF转换效率以及最小化耗散功率和热量。然而，作为结果，这也产生了大量小信号互调产物(SSIMD)，如前关于图2所论述的。为了解决这个问题，在主放大器16之前使用了小信号线性化电路22，以补偿LDMOS装置的小信号增益扩张(AM/AM增益特性)。因为非线性归因于增益扩张效应，所以该线性化电路提供补偿增益压缩，而在优选实施例中作为软增益压缩器电路进行说明。即，所述软增益压缩器22在线路18上接收RF输入信号，而在线路19上输出在小信号区域具有减小的增益的补偿RF信号，而主放大器16放大该补偿信号。其结果就是对于主放大器装置的线性化了的增益响应。所述软增益压缩器22的工作将在下面参照图4-8更详细地描述。所述主放大器信号通路还可包括诸如输入驱动电路20的传统电路。该输入电路可包括前置放大器、群时延电路以及通常依据传统前馈设计的增益和相位控制电路。该主放大器信号通路还包括通常依据传统前馈设计的主放大器输出采样耦合器26和延时器28。该主放大器信号通路还包括本领域技术人员熟知的附加的传统电路(诸如导频信号发生器和控制电路-未示出)。

所述误差放大器信号通路包括采样所述RF输入信号并且通过延时器32、衰减器/合并器36和前误差(pre-error)/输入电路38将其提供给误差放大器34的输入信号耦合器30。更具体地，延时器32和衰减器/合并器36象在传统前馈放大器中一样工作，以便主放大器16的采样输出被衰减而在衰减器/合并器36处与延时的输入信号异相地合并，以除了采样信号的失真成分外从主信号通路基本消除全部的采样信号。在一些应用和实现中，控制衰减器/合并器36处的消除以在结果信号中保留一些RF载波成分是有益的，结果信号并不纯为主放大器的失真成分。但是，对于本应用，该结果信号将被称为失真成分，而应当理解，其可能包含一些载波成分。该信号的这个失真成分被提供给前误差/输入电路38。前误差/输入电路38可包括前置放大器、群延时电路和与电路20类似地工作的增益和相位控制电路。电路38的输出被提供给误差放大器34，其恢复被采样失真成分(IMD)的幅度到主信号通路中的幅度。误差放大器34也优选地采用一个或多个偏置于诸如较低的AB类或B类的偏置类的LDMOS放大器装置或级，以便提供好的DC-FR转换效率以及最小化耗散功率和热量。然而，结果象上面讨论的一样，这也产生了大量的小信号互调产物(SSIMD)。因此，小信号线性化电路24，优选地实现为软增益压缩器电路，也被用在误差放大器34之前，以便补偿误差放大器34中LDMOS装置的小信号增益扩张(AM/AM增益特性)。从误差放大器34输出的该放大了的失真成分在误差注入耦合器42处以相对主放大器输出信号180度(异相地)地与延时了的主信号合并，以消除主信号通路中的失真成分。于是基本没有失真的放大信号被提供给隔离器40和输出14。

接下来参照图4和5描述小信号线性化电路22、24的一般操作。优选实施例是增益压缩电路并且该增益压缩器增益响应的一般形式显示在图4中。正如通过比较图4和图2可以看到的，所述增益压缩器增益响应只在软(小信号)区域(低于Psst)是非线性的，而通常和图2所示的LDMOS增益响应相反(至少在小信号区域)。即，该增益响应具有对应于输入功率的小信号区域的、有提供增益压缩的负斜率的第一非线性部分50，以及在小信号区域外的第二基本线性部分52。该主放大器输出的结果增益响应被校正为在功率范围上恒定，如图5所示。

图6和7示出了所述软增益压缩器22(或24)的两个实现。这些具体的实现只是作为例子提出，因为可能有多种不同的具体电路实现。

首先参考图6，在示意图中示出了软增益压缩器22(或24)的第一实现。如所示，在此实现中所述软增益压缩器包括耦合在RF信号通路和地66之间的二极管60和62以及电阻器64。二极管60、62将追踪线路18上提供的RF信号包络，而当输入RF信号功率增加时它们将会使不断增加的功率分流到地，在线路19上提供增益补偿信号。选择二极管60、62的门限值和电阻器64的电阻，以便该分流电流将在如图4所示的线性部分52的起点处(即在Psst)饱和。因此图6的电路将具有大体上对应于如上面图4所示的期望的软增益压缩曲线的增益响应。二极管60和62以及电阻器64的具体值将依赖于具体实现，包括具体的所用主和误差放大器LDMOS装置的数量和大小，以及它们的偏置点。在下面讨论的图8中显示了纯用于说明目的的一个具体增益响应的例子。

参考图7，在示意框图中显示了所述软增益压缩器的另一个实现。

如图7中所示，所述软增益压缩器22(或24)包含定向耦合器70，其接收沿线路18的RF输入信号并向信号包络检测器72提供采样的输入信号以及提供所述RF输入信号给增益控制电路76。可能是基于简单二极管的检测器或其它周知的包络检测器的信号包络检测器72，提供对应于所述RF信号包络的信号给放大器74。由于该包络随视频(或调制)频率而变化，放大器74被示为视频放大器而提供放大的视频包络信号给增益控制电路76作为控制信号。增益控制电路76是一种市场上可购得的高速增益控制电路(例如，Analog Devices的型号为AD8345的部件)，或者它可以是由本领域技术人员为特定应用而容易地设计的、用于RF信号的特定视频频率的离散电路。增益控制电路76响应视频包络控制信号而降低输入RF信号的增益以再生图4的增益响应曲线。

参照图8，显示了所述软增益压缩器22增益响应曲线的一个特例。如所示，该增益响应具有从约Pin(max)-15db到Pin(max)-5db的非线性部分，其中Pin(max)是主放大器装置的饱和电平。因此Pin(max)-5db一般对应于Psst，即偏置于较低AB类或B类的典型LDMOS功率放大器装置的小信号区域50的门限。如所示，在约Pin(max)-5db之上，该增益响应基本上是线性的(对应于图4的区域52)。

在下面的表1中，显示了一个实例LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)放大器装置的主放大器16和误差放大器34的具体工作特性。上面论述的图8和表1假设，主和误差放大器中使用的是在约1dB饱和的100瓦P1dB装置，具体地，是100瓦LDMOS放大器装置。表1根据静态偏流占饱和电流(ldss)的百分比来为放大器装置提供主放大器和误差放大器的偏置类。在表的阴影区域，优选高效率范围和较传统的线性(效率低的)范围显示在一起。尽管这些具体的值对应于一个装置实例，即，100瓦LDMOS P1dB装置，这些偏置类特性和工作范围在较大和较小的装置上将被非常通用地换算。因此，这些偏置类定义和工作范围不限于具体的功率实例。但是，表1的偏置类定义可能不会特别对应于表1的所有放大器装置类型的装置参数。然而，对于很多种类的设备，在本领域内一般都明白偏置类和C类、B类、较低AB类(AB2)、较高AB类(AB1)和A类定义之间的区别，而因此实际上，表1的装置参数值应被视为说明性的，而非限制性的。

表1：25℃下每装置的标称静态偏流

如可在表1中看到的，主和误差放大器都被偏置于高效率类，具体为较低AB类(AB2)或B类(或可选地，而非优选地，C类)。这对于给定的装置尺寸提供了想要的最大DC-RF转换效率。除了降低耗散功率外，该DC-RF效率增加了可靠性。更具体地，当诸如LDMOS放大器装置的现代RF功率装置工作在较高效率水平时，这直接转换为较低的信道温度。信道温度的降低极大地增加了装置的平均寿命，并因此增加了前馈功率放大器系统的总体可靠性。所有这些优点都是通过采用上述小信号线性化电路和方法在没有因为小信号增益扩张而牺牲线性的情况下提供的。

已经结合多图描述了本发明在RF功率放大器设计中既提供了高的效率又降低了小信号失真的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，不超出本发明的示教而可有多种修改和其它实施例。例如，软增益压缩器的多种具体电路实现可采用本发明的示教来提供，而篇幅的限制阻止了对所有可能电路实现的详尽罗列或对所有可能的控制实现的列举。多种其它可能的修改和附加的实施例也明显是可能的，且落入本发明的范围之内。因此，所描述的具体实施例和实现在任何意义下都不应被看作为实质上的限制，而是仅用来说明本发明。

Claims (17)

1.一种放大器，包含：

用来接收要被放大的信号的输入；

被偏置以在小信号区域中具有非线性增益特性的放大器装置；

被耦合在所述输入和所述放大器装置之间以补偿所述放大器装置的小信号非线性的小信号线性化电路；以及

被耦合到所述放大器装置以输出放大的信号的输出；

其中，所述小信号线性化电路包含包络检测器和响应所述包络检测器检测到的所述输入信号的包络而被控制的增益控制电路。

2.如权利要求1所述的放大器，其中所述放大器装置是LDMOS晶体管。

3.如权利要求1所述的放大器，其中所述放大器装置被偏置于较低的AB类或B类中。

4.如权利要求1所述的放大器，其中所述小信号线性化电路在所述放大器装置增益响应的对应于小信号区域的部分上降低所述输入信号幅度。

5.如权利要求4所述的放大器，还包括小信号增益调节电路，其具有和所述放大器装置的所述增益响应基本相反的增益响应。

6.如权利要求4所述的放大器，其中对应于所述小信号区域的所述放大器装置的增益响应部分包含最大输入功率的约-15dB到-5dB的范围。

7.如权利要求1所述的放大器，其中所述小信号线性化电路包含并联耦合在信号输入通路和地之间的第一和第二二极管以及与所述第一和第二二极管和地串联耦合的电阻器。

8.如权利要求1所述的放大器，其中所述小信号线性化电路还包含耦合在所述包络检测器和所述增益控制电路之间的视频放大器。

9.一种RF前馈放大器，包含：

用来接收RF信号的RF输入；

接收和放大所述RF信号的主放大器，所述主放大器包含一个或多个被偏置以在小信号区域具有非线性增益特性的放大器装置；

被耦合在所述输入和所述主放大器之间以补偿所述主放大器中的所述一个或多个装置的所述小信号非线性的主通路小信号增益调节电路；

主放大器输出采样耦合器；

被耦合到所述RF输入并提供延时的输入RF信号的第一延时器；

耦合所述延时的RF信号到来自所述主放大器的所述采样输出并提供误差信号的载波消除合并器；

接收并放大所述误差信号的误差放大器；

被耦合到所述主放大器输出的第二延时器；

合并来自所述误差放大器的输出和来自所述第二延时器的延时的主放大器输出以消除所述主放大器引入的失真的误差注入耦合器；以及

被耦合到所述误差注入耦合器输出并且提供放大的RF输出的RF输出；

其中，所述主通路小信号增益调节电路在所述输入信号的小信号部分压缩所述RF输入信号。

10.如权利要求9所述的RF前馈放大器，其中所述误差放大器包含一个或多个被偏置以在所述小信号区域具有非线性增益特性的放大器装置，而所述RF前馈放大器还包含被耦合在所述载波消除合并器和所述误差放大器之间以补偿所述误差放大器中的所述一个或多个装置的所述小信号非线性的误差通路小信号增益调节电路。

11.如权利要求10所述的RF前馈放大器，其中所述主放大器和误差放大器装置被偏置在较低的AB类或B类中。

12.如权利要求9所述的RF前馈放大器，其中所述输入信号的所述小信号部分包含小于约Pin(max)-5dB的所述输入信号功率区域，其中Pin(max)是所述主放大器装置的饱和电平。

13.如权利要求10所述的RF前馈放大器，其中所述误差通路小信号增益调节电路在所述误差信号的小信号部分压缩所述误差信号。

14.一种补偿放大器装置的小信号区域中的非线性的方法，包含：

接收要被所述放大器装置放大的输入信号；

仅当所述输入信号处于小信号区域时对所述输入信号应用非线性补偿增益并输出经增益补偿的信号；以及

提供所述经增益补偿的信号给所述放大器装置；

其中，所述放大器装置非线性包含所述小信号区域中的增益扩张并且其中对所述输入信号应用非线性补偿增益包含对所述输入信号应用增益压缩。

15.如权利要求14所述的补偿放大器装置的小信号区域中的非线性的方法，其中所述放大器装置为LDMOS装置。

16.如权利要求14所述的补偿放大器装置的小信号区域中的非线性的方法，其中所述放大器装置被偏置于较低的AB类或B类中。

17.如权利要求14所述的补偿放大器装置的小信号区域中的非线性的方法，其中所述输入信号的所述小信号区域包含小于约Pin(max)-5db的所述输入信号功率区域，其中Pin(max)是所述放大器装置的饱和电平。

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