CN1922788A

CN1922788A - 负载不灵敏的功率放大器

Info

Publication number: CN1922788A
Application number: CNA2005800058730A
Authority: CN
Inventors: S·-I·南
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Samba Holdco Netherlands BV
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: WO2005086360A1; EP1719250B1; GB0404371D0; CN1922788B; DE602005022279D1; ATE474378T1; JP2007525901A; EP1719250A1

Abstract

一种用于移动电话的功率放大器，具有RF放大器(15)，该RF放大器(15)基于表示从放大器的输出上的负载所反射的功率量的信号在时间上的积分而被控制。使用积分，该控制在存在可变负载阻抗的情况下可以更有效。它可以限制放大器输出上的大电压幅摆。由于积分可以使用模拟信号处理部件(50，90，100)来确定，所以它可以更容易与RF或其它部件集成。该积分可以是相对于参考的差而被确定。在集成之前，该反射信号可以被集中到零上以减小对偏置的敏感性。该参考是可选的以适合状况。

Description

负载不灵敏的功率放大器

技术领域

本发明涉及功率放大器、收发信机、具有功率放大器和收发信机的集成电路、控制功率放大器和收发信机的方法和制造功率放大器和收发信机的方法。

背景技术

功率放大器被用于许多应用中，其中反射是一个问题。一个例子是应用于无线通信中。用于传输语音和数据通信的典型收发信机具有带有功率放大器的发射机，以通过天线输出语音和数据信号。为了提高传输效率，这个功率放大器典型地被最佳化用于预期的负载。当该功率放大器表现为具有不同于预期的负载的负载时，由功率放大器输出的功率的相当大的部分被反射回放大器并且不被传输。结果，有效辐射功率可以被显著降低。此外，特别是当放大器的输出功率增加时，传输的信号可能失真。

这样的无线通信系统可以包括使用频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)以及例如各种扩频技术的系统。一种用于无线通信的常用扩频技术为码分多址(CDMA)信号调制。GSM系统使用TDMA和FDMA调制技术的组合。一些结合了无线技术的典型无线通信设备包括蜂窝无线电话、结合在便携式计算机内的PCMCIA卡、配备有无线通信能力的个人数字助理(PDA)等等。

为了防止与负载不匹配相关的不利影响，某些设备结合了提供固定负载给功率放大器的循环器或隔离器。循环器和隔离器在一个方向上传递功率，但在反方向上不传递功率，并且因此被用于保护设备的输出免受反射信号的影响。某些其它的设备结合了平衡放大器以提供固定负载给功率放大器。

功率放大器是收发信机最难集成的部分之一，因为它们大的电压幅摆以及高的输出功率。这可以引起大量的衬底噪声，该噪声可以耦合到芯片的其它部分，引起噪声问题和不稳定性，例如VCO(压控振荡器)的牵引效应。由于这些原因，功率放大器通常被实现在一个单独的RF模块中。此外，单独的RF模块的性能对负载阻抗变得非常敏感。不幸的是，在大多数情况下，由于非相容的PCB集成(或天线集成到PCB)和在电话会话期间的人为接触，负载阻抗显示出一些变化。这个小的功率放大器(PA)负载阻抗变化可以引起显著的辐射功率恶化，从而导致严重的PA效率下降。

已经报道过用于高效且恒定功率(低损耗)的阻抗匹配技术。Y，Sun和W.K.Lau在1999年3月30日发表在会议出版号为NO.461，IEE 1999的National Conference on Antenna and Propagation上的“Antennaimpedance matching using genetic algorithms”示出了一种复杂算法，该算法不适合于在移动手机单元中可能发生的快速阻抗变化。M.Vai和S.Prasad在1993年10月发表在IEEE Microwave and Guidedwave letters的Vol.3，No.10上的“Automatic impedance matchingwith a neural network”示出了使用PIN二极管以在两个或三个固定阻抗点之间切换。然而，这个PIN二极管技术使用VSWR作为切换准则参数，该参数基本上限制了负载阻抗确定的准确性。而且，该切换技术不能跟踪连续的负载阻抗变化，因为它仅在两个或三个固定的阻抗状况之间切换。

从美国专利申请20030114182 A1已知，响应于负载不匹配的状况引起与无线发射机相关的功率放大器的功率输出降低，以减小失真。这个申请解决了这样的问题，即“随着输出功率的增加，功率放大器典型地表现出非线性特性，引起信号失真”。发射机可以是例如在蜂窝无线电话、卫星无线电话、结合在便携式计算机内的PCMCIA卡、配备有无线通信能力的个人数字助理(PDA)等等中。在某些实现中，双向耦合器将功率信号分离为发射的分量和反射的分量，其然后例如使用宽带功率检测器加以检测。与无线发射机相关的负载不匹配准则由微处理器来估计。为了保存功率和减小信号失真，如果负载不匹配超出阈值状况，则放大器的功率输出被减小。另外，如果不匹配超出附加指定的阈值，则功率放大器可以被切断。通过降低功率来反应的缺点是由接收侧看到的功率的变化将变得更恶劣。而且，微处理器的使用意味着作者看到了不需要迅速响应负载阻抗上的快速变化。

美国专利申请20020183021中示出的用于移动电话的另一种功率放大器使用了不同的方法。在这个文档中，承认了对负载阻抗的改变通常由环境因素引起。例如，如果该负载为用于发射信号的发射机的天线，则该负载阻抗取决于该天线周围的环境。例如，如果移动电话被拿在手上，则由功率放大器所经受的阻抗可以与当移动电话位于桌子上或在车里时由功率放大器所经受的阻抗不同。因为输出功率必须被很好地控制，所以希望保持输出功率恒定，不管负载阻抗如何变化。所提出的解决方案包括以下步骤：(1)比较测量信号与参考信号，其中测量信号表示功率放大器的输出电压和从与功率放大器相连的电源流入功率放大器的电流的幅度之和，以及(2)基于测量信号和参考信号之间的比较结果，控制功率放大器。所示的电路包括用于测量从电源流入功率放大器的电流的电流检测器、用于测量功率放大器的输出电压的幅度的幅度检测器、用于将电流检测器和幅度检测器的输出求和的加法器、以及被连接到功率放大器的偏置管脚的控制电路，该控制电路用于比较加法器的输出和参考信号并且基于参考信号和加法器的输出之间的比较结果控制功率放大器。加法器的输出随着功率放大器上的负载阻抗的变化而变化。

因为控制电路的输出被连接到功率放大器的偏置输入，所以控制电路的输出控制由功率放大器递送到负载的电流，并且因此控制被递送到负载的功率。当负载的阻抗变化时，取决于负载阻抗的变化，控制电流增加或降低被递送到负载的电流。

仍然需要改进负载阻抗变化的处理。

发明内容

本发明的一个目的是提供改进的设备或方法。

根据本发明的第一方面，提供了具有放大器和控制器的RF功率放大器，所述控制器具有用于检测从放大器的输出上的负载所反射的功率的装置、以及用于响应于所检测的反射功率来控制放大器的输出功率的装置，以增加输出功率来补偿由反射功率的变化引起的输出功率的下降、以及降低输出功率来补偿由反射功率的变化引起的输出功率的增加。

这可以提供优点，例如更有效地使用发射功率以及在接收机处更平坦的功率电平。它基于这样的理解，即检测反射的功率比仅指示存在足够的负载不匹配引起失真更有用。它可以提供更好的误差信号用于控制输出功率以补偿负载变化，甚至在某些方式下比一些直接方法(例如直接使用在输出电压或输出功率自身中检测到的变化作为误差信号)更好。该结果现在将进一步地被解释。在输出功率中检测到的变化在以下方面是不明确的，即它是由负载阻抗的增加或降低还是由负载阻抗的相位的变化引起的，还是由负载不匹配的其它原因引起的，或者其它原因引起的。此外，在输出功率中的变化本身可以改变放大器输出阻抗并且因此改变负载不匹配。因此，在原因方面并且因此需要多少校正量以使输出功率返回到想要的电平而不破坏功率振荡方面，留下了不确定性。相反地，检测反射的功率可以使输出功率电平对于负载不匹配的变化更精确和更快速地得到补偿，因为它看起来提供了更精确和可靠的误差信号。因此可以减小在接收机处所看到的功率电平变化。这样的减小反过来可以导致更高质量的连接或更低的误码率、或者更低的功率余量以及因此例如更低的平均功率电平。

作为附加的特征，用于控制的装置包括用于确定所检测的反射功率在时间上的积分以用于补偿的装置。

通过使用积分，放大器可以被更有效地控制。这在以下情况中特别有效，即功率放大器的输出阻抗以及因此的不匹配以与放大器增益的复杂非线性关系变化。减小反射到接近于零和保持在接收机处功率的恒定所需的增益变化难于在广泛的范围内精确地加以确定。无任何积分部件的线性反馈控制因此将难于用来将反射减小到零，或者快速完成该工作而无振荡。该积分不仅带来较好的瞬时响应以步测变化，它还提供用来将稳态误差减小到接近于零的方法。因此在具有快速改变负载阻抗的环境中，它可以有助于限制例如在放大器输出上的大电压幅摆。这可以帮助减少例如耦合到设备的其它部分的衬底噪声的问题并且因此使得更容易集成该设备的更多部分。这可以减少制造成本和/或改进对功率电平的控制。在例如更长的电池寿命、会话期间更相容的连接性、以及辐射电平上更低或更少的波峰方面，对于功率电平的更好控制对诸如移动电话或无线连接计算机设备等应用有好处。该积分旨在包括具有积分部件的任何部件，例如包括无源或有源低通滤波器电路等等。

作为附加的特征，用于确定积分的装置使用单独的模拟信号处理部件来实现。积分的一个优点在于它可以使用相对简单的部件来实现，而无需例如要求数字处理和存储元件的复杂计算。这样模拟部件除了较简单之外，还可以通常更快地工作并且因此提供对于快速改变状况的更好反应。

作为另一个附加的特征，用于确定积分的装置被集成在具有放大器的衬底上。确定积分的相对简单性可以使它更容易与功率处理部件集成，并且由此减小了尺寸和制造成本。注意，特别是对于RF功率放大器，用于这样的高速高功率集成电路的硅或镓砷处理，与数字处理和存储器电路特征结合很难并且昂贵。因此，如果可以使用较简单的功能如积分，其可以无须凭借数字处理和存储元件而实现，那么存在优点。放大器的其它部件也可以被集成。

作为另一个附加的特征，用于确定积分的装置包括用于确定反射信号和参考之间的差并且确定该差的积分的装置。这是产生有用积分的更简单和直接的方式之一，这可以帮助产生更稳定的控制信号。

另一个附加的特征是可控的参考发生器，所述参考发生器被安排来输出具有可选择值的参考。这有助于使功率放大器控制能够根据状况而变化。

作为另一个附加的特征，所述参考发生器包括用于将初始参考加到初始参考与反射信号的差上以生成该参考的装置。这有助于使参考信号能够被集中到零处以降低对任何积分器偏置的灵敏性。

作为一个附加的特征，所述控制包括放大器的增益控制。

另一个方面提供了功率放大器，该功率放大器具有RF放大器和控制器，所述控制器与RF放大器在相同衬底上，并且具有用于确定从放大器输出获得的信号在时间上的积分的装置，该信号用来表示输出上的负载的不匹配，所述控制器被安排来使用积分以控制放大器。

积分的使用可以具有如上所述的相应好处。这旨在包括通过以下方式从输出获得的信号，即检测反射或分接来自放大器的输出功率放大信号的小部分或者获得瞬时不匹配的表示的其他方式。通过使控制器与放大器集成，可以生产通用的功率放大器模块，该模块与不同的基带电路和匹配网络以及天线产品的范围相兼容。特别地，复杂的功率放大器控制器的某些性能优点可以在不需要单独控制或逻辑芯片的代价的情况下获得。这种单独控制或逻辑芯片可能需要是专用的并且是独有的而不是通用的，并且失去了通用功率放大器的灵活性。

另一个方面提供了具有上面所述的功率放大器的集成电路。

另一个方面提供了具有无线收发信机的电池供电的移动设备，该收发信机具有上面所述的功率放大器。

另一个方面提供了一种控制对应于第一方面的功率放大器的方法。

任何一个附加的特征可以被结合到一起或与本发明的任何一个方面相结合，这对于本领域的技术人员是显而易见的。

其它的优点对于本领域尤其是本发明人不了解的其它现有领域的技术人员是显而易见的。

附图说明

本发明的实施例现在将通过实例参照附图进行描述，其中：

图1示出了不具有补偿的装置，仅进行功率限制，用于比较目的；

图2和3示出了不具有补偿的电路的特性图，用于比较目的；

图4示出了根据一个实施例的放大器；

图5示出了根据另一个实施例具有放大器的移动设备；以及

图6至8示出了图5的实施例的特性图。

具体实施方式

图1示出了具有功率放大器输出阻抗控制技术来跟踪可变负载阻抗的已知发射机前端系统的图。该图示出了集成放大器10，具有放大器15、以及用于分离反射信号分量的耦合器20。固定匹配网络30被耦合在耦合器20和天线110之间。固定匹配网络30被设计用来为最大效率或最大递送的功率输出而匹配放大器15输出负载阻抗。然而，实际上最佳设计的固定匹配网络30将不会如被设计的那样充分地发挥作用，因为负载阻抗在它工作期间不断变化。由于例如在印制电路板和功率放大器模块中当它们在制造过程期间被集成的时候制造的不同，还有可能在不同设备之间具有稍微不同的负载阻抗。例如，考虑匹配放大器输出阻抗到天线110的固定匹配网络30。假设天线阻抗(Z_ant)每4微秒变化一次，即：

在0～4us上，5-j*5Ω，

在4～8us上，10-j*5Ω，

在8～12us上，15-j*5Ω，

在12～16us上，15-j*15Ω，

在16～30us上，10-j*10Ω

从这可得，包括固定匹配网络30阻抗和可变天线阻抗的总负载阻抗变为：

在0～4us上，35+j*9.3Ω，

在4～8us上，32.45-j*6.5Ω，

在8～12us上，29.7+j*5.85Ω，

在12～16us上，42.25+j*25.8Ω，

在16～30us上，51.62+j*0.5Ω

在图2中示出了总负载阻抗中的变化，分别示出了相位和幅度特性。在图1中，来自耦合器20的反射信号被馈送到二极管80用于功率到电压的转换，并且然后被馈送到处理器130用于计算反射比并且因此计算不匹配的量。放大器15的增益根据不匹配的量被减小。放大器15由在来自处理器130的控制线150上表示不匹配的量的控制电压来控制。

小的负载阻抗变化将引起在发射机效率损耗方面显著的性能下降，因此缩短了电池的寿命。从图2的两条线可以看出，阻抗的相位和幅度示出了在时间上的不同变化。图3为示出放大器15输出功率P_out随着时间而变化(以及因此辐射功率的变化)的图，该变化由例如图2所示的那些负载阻抗变化引起。对于这样的负载阻抗变化，输出功率变化可以变为刚好在1.3dBm之上。

图4示出了本发明的一个实施例。同样的参考数字已经被用于如图1中的那些适当地方。注意，电路170被提供用于从反射信号产生误差信号并且该误差信号表示负载中的不匹配。这个电路170输出信号到增益控制器120以使放大器15响应于反射信号而被控制。增益控制器120将来自电路170的控制信号与在输入40上的表示目标功率电平的DC控制电压相加。可选地，所述控制可以额外地基于来自放大器输出的引出信号来工作。电路170可以使用包括积分器的常规模拟信号处理部件。使用诸如电容器、电阻、运算放大器等常规电路元件可以构造适当的积分器。这样的电路可以实现在一个衬底190上的集成度更高的功率放大器。在这种情况中，除了匹配网络30和天线110之外的所有部件可以被集成到同一个衬底上。这使得生产通用的功率放大器模块而不依赖于特有控制芯片。它可以提供更复杂的放大器控制的一些益处，而无需单独芯片的额外费用并且将数字电路和存储器元件尽力集成在同一个衬底上作为高功率RF放大电路是没有困难的。甚至匹配网络30如果需要的话可以被集成，这取决于应用。

在图5中，示出了用于移动设备200的实施例，并且示出了电路170的一个实现的更多细节。再次与图1和4相同的参考数字被适当地使用。设备200使用如先前的耦合器20来在负载阻抗变化的情况下检测反射功率。因为反射功率非常微弱，所以该耦合器将小于10dB。反射的功率和耦合的功率在二极管检测器80中将被检测，该二极管检测器80将反射的功率转换为电压信号。反射的电压信号R(t)被耦合到减法器90和积分器50，(在该例子中积分器50为具有两个输入的差分输入积分器)。到减法器90的反射输入电压R(t)可以被视作希望的参考值和应当被减小到零的误差值的差，换句话说，R(t)＝r₁(t)-e₁(t)。第一参考电压r₁(t)减去R(t)，得到第一误差信号e₁(t)。第一误差信号e₁(t)由加法器100加到第一参考信号r₁(t)以生成第二参考信号r₂(t)，该第二参考信号r₂(t)被用作积分器50的另一个输入。积分器50比较反射信号R(t)和第二参考信号r₂(t)，并且当r₂(t)＞R(t)时增加它的输出电压，即第二误差信号e₂(t)，并且当r₂(t)＜R(t)时降低它的输出。由于当反射电压匹配于由参考发生器生成的参考时第一误差信号e₁(t)变为零，所以第二误差信号e₂(t)将被集中到零处。第二误差信号e₂(t)表示由输出负载不匹配引起的真实误差信号。最后，e₂(t)将被加到在输入40上的常规功率放大器增益控制电压C₁(t)上以形成控制电压控制C₂(t)，所述控制电压控制C₂(t)被应用来校正放大器15的增益以补偿反射中所检测到的变化。

图6针对如图2和3所示的同样负载变化，示出了通过所提出的技术生成的相应控制信号。图6示出了常规功率放大器增益控制电压C₁(t)的值(所述电压C₁(t)为一条直线)，示出了由增益控制器120输出到放大器15的功率放大器控制电压C₂(t)，以及示出了由积分器50输出的误差信号e₂(t)。图7和8分别示出了当所提出的技术在图2、3和6所示的相同时间间隔上被应用时所得到的功率放大器输出效率和功率。在图7中，y轴表示百分比效率。在负载阻抗如图2所示的变化的地方，在曲线上存在波峰或波谷。控制电路170快速反应以补偿这样的变化。在图8中，y轴表示功率输出，单位dBm。再次地，在负载阻抗变化的地方，在曲线上存在波峰或波谷。如图所示，在4微秒时刻处在负载阻抗变化引起输出功率突然增加的地方，补偿控制起作用以使输出功率迅速降回到它以前的值。在8微秒时刻处由负载阻抗的增加引起的突然降低由功率输出的补偿增加来使输出功率迅速回到它以前的值。在12微秒时刻处的变化被迅速补偿但并没有完全回到初始值。它可能是超出了放大器15在负载阻抗变化的宽范围上完全进行补偿的能力。不过，这样的部分补偿仍旧改进了功率调节并且减小了功率电平变化，并且因此旨在被权利要求所包括。

当第一误差信号e₁(t)作为参考信号直接驱动积分器50(在这种情况中，整个系统对于积分器偏置电压变得更敏感)时，利用单个输入积分器原则上可以获得类似的结果。原则上，积分器50在某些应用中可以由相称的或其它类型的控制器替换以生成适当的控制信号来补偿反射功率中所检测到的变化。

来自参考发生器60的第一参考信号r₁(t)可以被安排来提供固定参考电压或者可选择的参考电压。后种方式可以应用例如查找表或者使用常规的模拟电路、例如模拟参考发生器和开关。参考电压值可以通过测量被确定。因此，利用固定匹配网络30，参考电压r₁(t)可以根据期望的或目标的负载状况(例如或者致力于最大效率或者致力于最大功率的状况)来选择，并且反射功率的量可以被测量。这个测量的电压将被采用为参考电压r₁(t)。对于可选择的输出查找表，可以对于各种不同的负载状况做出测量。在工作期间，如果状况充分变化的话，则用于参考r₁(t)的不同值可以被选择。

如上所述，用于移动电话的功率放大器具有RF放大器(15)，该RF放大器(15)基于信号在时间上的积分被控制，该信号表示从放大器的输出上的负载所反射的功率量。使用积分，所述控制在存在可变负载阻抗的情况中可以更有效。它可以限制放大器输出上的大电压幅摆。因为该积分可以使用模拟信号处理部件(50，90，100)来确定，所以它可以更容易与RF和其它部件相集成。所述积分可以是相对参考的差而被确定。反射信号在积分之前可以被集中到零以减小对偏置的灵敏性。该参考是可选择的以适合所述状况。

在本说明书和权利要求中，在元件前面的单词“一个”或“一”不排除多个这样元件的存在。而且，单词“包括”不排除除了所列的元件或步骤之外的其它元件和步骤的存在。

在权利要求中的括号里的附图标记的内容旨在帮助理解而不是旨在进行限制。

通过阅读本公开内容，对于本领域的技术人员而言，其它的修改是显而易见的。这样的修改可以涉及其它的特征，这些特征对于功率放大器设计领域是已知的并且可以代替地被使用或另外用于这里所述的特征。

Claims

1.一种具有放大器(15)和控制器(20，170)的RF功率放大器，所述控制器(20，170)具有用于检测从放大器的输出上的负载所反射的功率的装置(20)，以及用于响应于所检测的反射功率来控制放大器的输出功率的装置(170)，以增加输出功率来补偿由反射功率的变化引起的输出功率的下降、以及降低输出功率来补偿由反射功率的变化引起的输出功率的增加。

2.根据权利要求1的功率放大器，所述用于控制的装置(170)包括用于确定所检测的反射功率在时间上的积分以用于补偿的装置(50)。

3.根据权利要求1或2的功率放大器，所述用于确定积分的装置(50)使用单独的模拟信号处理部件来实现。

4.根据前面任何一项权利要求的功率放大器，所述用于确定积分的装置(50)被集成在具有放大器(15)的衬底上。

5.根据前面任何一项权利要求的功率放大器，所述用于确定积分的装置(50)包括用于确定反射信号和参考信号之差并且确定该差的积分的装置(60，90，100)。

6.根据权利要求5的功率放大器，具有可控的参考发生器(60)，所述参考发生器(60)被安排来输出具有可选择值的参考。

7.根据权利要求6的功率放大器，所述参考发生器(60)包括用于将初始参考加到初始参考和反射信号的差以生成该参考的装置(100)。

8.根据前面任何一项权利要求的功率放大器，所述控制包括放大器的增益控制。

9.一种功率放大器，该功率放大器具有RF放大器(15)和控制器(170)，所述控制器与RF放大器集成在相同衬底上，并且具有用于确定表示输出上的负载不匹配的信号在时间上的积分的装置(50)，所述信号从放大器的输出获得，所述控制器被安排来使用所述积分以控制放大器。

10.根据权利要求9的功率放大器，具有用于获得信号的装置(80)，所述信号表示来自放大器(15)的输出功率放大信号的不匹配。

11.根据权利要求10的功率放大器，具有用于获得信号的装置(20)，所述信号表示附加地从放大器(15)的输出上的负载所反射的功率的不匹配。

12.一种电池供电的移动设备(200)，具有无线收发信机，所述收发信机具有权利要求1至11的任何一项的功率放大器。

13.一种用于控制功率放大器的方法，具有以下步骤：检测从负载反射的信号、确定所反射的信号的积分、以及根据所述积分控制功率放大器的输出。