CN1976217B - 高增益高效率功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种放大器，具有主放大器电路和辅助放大器电路，所述主放大器电路具有包括驱动级的多个放大级，辅助放大器电路具有包括驱动级的多个放大级。分路器电路分配输入信号，以便给所述主放大器路径和辅助放大器路径之间的输入信号分配提供路径不对称性。所述辅助放大器电路驱动级的额定功率高于所述主放大器电路驱动级的额定功率，以便在多条放大器电路路径之间提供增益不对称性。

Description

高增益高效率功率放大器
技术领域
总的来说，本发明涉及RF功率放大器，具体而言，涉及如何提高高功率RF功率放大器的整体效率，同时保持期望的系统线性度。
背景技术
在用于RF通讯应用的这种RF功率放大器的设计中，需要在保持所需系统线性度的同时，提高放大器或放大系统的效率。在构成合适的RF放大系统的时候，线性度和效率常常是互相冲突的设计特性。尽管减少带内相邻RF信号之间的干扰，维持带内放大信号并减少失真需要线性度，但是最线性的放大器通常也是效率最低的。
已经有了用于提高效率的各种不同的放大器设计。一种设计就是Doherty型或Doherty放大器，它利用主放大器或载波放大器，以及辅助放大器或峰值放大器来处理较高的输入信号电平。这就是说，在一定的输入信号电平范围内，一般只有主放大器工作并提供需要的信号增益。然而，在较高的输入信号电平上，辅助放大器也开始工作，并对Doherty放大器的整体增益作出贡献。
Doherty放大器提供了在传统AB类放大器所能实现的效率的基础之上，提高RF/微波放大器效率的一种方法。当Doherty放大器工作在从放大器输出端可实现的最大功率补偿(back off)的功率电平时，就得到了这种好处。标题为“High Efficiency Amplifier”的第6,922,102号美国专利，以及标题为“High Efficiency Amplifier andMethod ofDesigning Same”的第10/795,055号美国专利申请，给出了Doherty放大器设计的一些实例，在这里将这个专利和申请全部引入作为参考。一般来说，在多数应用中，这种Doherty放大器的功率增益并不足以提供上述功率放大器所要求的全部增益。在这种情况下，给Doherty放大器前置至少一个附加增益或放大级。典型情况下，直接在Doherty级前面的增益级是一个AB类器件，如图1所示。考虑到如果驱动级是A类放大器则会造成系统效率降低，同时考虑到如果驱动级也是Doherty放大器则会造成系统线性度降低，这种选择一般是效率与线性度之间的折衷。
然而，也是Doherty放大器的驱动级可以提供较好的整体系统效率，尽管相比于使用A类或AB类驱动级，整体系统线性度可能会下降。如图1所示的现有设计没有实现所期望的效率。因此，人们仍然希望通过提高驱动级效率来实现较高的整体系统效率，同时避免系统线性度上的明显损失。正如下面进一步讨论的一样，本发明实现了这些期望的特性以及在此关注的其它目标。
附图说明
图1为使用了Doherty型放大级的放大器的框图。
图2为本发明的一个实施例框图。
图3为本发明的另一个实施例框图。
具体实施方式
本发明使用具有主放大器电路和辅助放大器电路的Doherty放大器来克服现有技术的缺点，这两个电路都包括能够提高效率的多个放大级。本发明的放大器的每一个放大器电路都包括驱动级。根据本发明的一个方面，辅助放大器电路的驱动级的额定功率高于主放大器电路的额定功率，以便在放大器电路路径上提供增益不对称性。根据本发明的另一方面，使用耦合器将输入信号不对称地分配到经由辅助放大器电路和主放大器电路的不同路径。根据本发明的再一个方面，辅助放大器电路具有一个开启(turn-on)特性，这一特性由多级辅助放大器电路的偏置条件的组合决定。因此，通过提高驱动效率而没有明显降低系统线性度，本发明提供一种提高放大器整体效率的方法。
图1画出了一个由AB类放大器驱动的Doherty放大器设计，正如上面所讨论的一样。这个Doherty放大器10包括主或载波放大器电路12，以及辅助放大器电路或峰值放大器电路14。在这里，会以能够互换的方式使用术语“辅助”和“峰值”来表示辅助放大器电路，因为辅助放大器电路一般是基于输入信号电平例如信号峰值来工作的。类似地，也可能将主放大器电路12叫做载波放大器电路。构造一个分路器电路16，例如输入耦合器，它能够在经由主放大器电路12的路径20以及经由峰值放大器电路14的路径22之间分配输入信号18。将输入信号18输入耦合器16的一个端子，而另一个输入端则以例如50欧姆负载24适当端接。放大器10包括放大输入信号18的驱动器或驱动放大器级26，将放大后的信号18a提供至Doherty放大器电路。利用例如耦合器电路30将主放大器电路12和峰值放大器电路14的输出适当地合成。在端子34处提供放大器的输出，而耦合器电路30的另一个端子则用一个合适的负载32端接。在如上所述的第6,922,102号美国专利和第10/795,055号美国专利申请中给出了适当的信号耦合级和耦合器负载32的设计。
图2说明了本发明的一个实施例，该实施例使用多级Doherty放大器设计，包括具有驱动级42和主或峰值放大器附加级44的主放大器电路40。放大器电路38也包括具有多级的辅助或峰值放大器电路46。在图2所示的实施例中，驱动级48在附加级诸如峰值放大器级50的前面。输入信号52被适当的分路器电路诸如输入耦合器54所分配。由此在主放大器电路路径56和峰值或辅助放大器电路路径58之间分配输入信号。耦合器54剩下的一端可以适当端接，例如用50欧姆阻抗60端接。主放大器电路40和辅助放大器电路46的输出在耦合器62处合成，在这里输出端66提供Po，另一端64被端接，如同上面图1讨论的那样。
根据本发明的一个方面，对主放大器电路和辅助放大器电路使用多级放大器电路，立即提高了系统效率。例如，参考图1，可以假设整个放大电路10的额定输出功率Po对于图1与图2来说是相同的。在图1中，P1是驱动级的额定输出功率，例如AB类放大器26的额定功率。PM1和PA1分别是图2中主和辅助放大器电路40、46的第一级或驱动级的额定输出功率。GM1和GM2分别是主放大器电路40第一和第二级的增益。GA1和GA2分别是各个辅助放大器电路级的相应增益。例如，GM1和GA1分别指的是主放大器电路40和辅助放大器电路46的驱动级的增益。图1中的整体Doherty放大器电路10的增益设计为GD。GD2代表了图2中Doherty放大器电路38的整体增益。
由于RF晶体管输出阻抗里的非理想工作，也由于普通峰值放大器的抬升(drive-up)特性，Doherty放大器实现的功率增益通常比同一对晶体管组成的平衡AB放大器实现的功率增益要低。功率降低量一般是在1～2dB范围内。增益的这种下降出现在Doherty放大器的输入分配上，在确定驱动级额定功率P1(参考图1)时必须考虑进去。例如，如果图1中GM＝GA＝13dB，那么整体GD一般会是11～12dB。驱动级额定功率P1由公式1给出：
P1(dBm)＝Po(dBm)-GD(dB)+M(dB)    (公式1)
M(dB)是驱动级放大器26需要的附加补偿裕度(back-offmargin)。可以将它假设为3dB，但会随着设计指标而变化。作为一个实例，如果额定输出功率Po＝56dBm，GD＝11.25dB，则P1＝47.75dBm。
现在转到图2，假设没有输出损失，主放大器电路40的驱动级42的驱动级额定功率PM1由公式2给出如下：
PM1(dBm)＝Po(dBm)+Co(dB)-GM2(dB)+M(dB)    (公式2)
Co(dB)是以dB表示的输出耦合比。一般而言，对于相同的主辅助放大器参数，该值会是-3.0dB。如果额定输出功率Po＝56dBm，Co＝-3.0dBm，GM2＝13dB，并且M＝3db，那么主放大器电路40的驱动级42的额定输出功率PM1是43dBm。
因此，使用一个多级Doherty放大器，如图2所示，在图2中主放大器电路40的第一级或驱动级可以比图1中驱动级26的小4.7dB，或是它的尺寸(功率输出能力)的1/3。这样就提高了系统效率，这是因为在图2中工作在AB类模式的一部分驱动级是在图1中的AB类驱动级26的1/3大。
对于图1所示的Doherty放大器10的实施例，为了实现接近理想Doherty放大器的效率特性，辅助放大器14应该具有这样的RF输出电流，与主放大器12的同一特性相比，它以明显更大的速率随输入驱动电压增大。这个大2倍的斜率可以通过多种方式获得。
在一种方式中，上述辅助或峰值放大器可以使用一个具有上述主放大器器件12的周边或尺寸(periphery or size，指的是放大器输出功率的能力)2倍的放大器器件。理想情况下，这会使得峰值放大器14获得的增益比主放大器12所获得的增益多6dB。然而，这样的方案一般会在实施上具有一些实际的技术困难，并且从成本角度考虑常常也是难以实现的。
另一种方法是，相对于提供给主放大器电路12的驱动电压，对图1中的峰值或辅助放大器电路14提供2倍驱动电压。这可以通过在Doherty输入端放置一个非对称耦合器来实现，该耦合器的高损耗臂连接于主放大器输入端，低损耗臂连接于辅助放大器输入端。对于主和辅助放大器额定输出功率相等的情况，耦合器会有一个大约7dB的值(耦合度)。在驱动器放大器26之后的这样一个功率损耗明显地减小了如图1所示的Doherty放大器10的整体增益。因此这种增益减小要求驱动级26具有甚至更高的额定功率，并且受到随后驱动级低效的影响，抵消了Doherty级效率的提高。本发明的目的在于除了提供上面提到的系统效率以外，还要克服图1中电路的这些缺点，因为主放大器电路40的驱动级42可以是图1的驱动级放大器26的1/3尺寸(功率)。
在图3中示出本发明的一个实施例，这个实施例的目的是克服这些缺点，并实现期望的效率提高。具体地说，图3中的该实施例使用多级Doherty放大器设计70，包括主放大器电路，具有包括驱动级的多个放大级；还包括辅助放大器电路，具有也包括驱动级的多个放大级。将周边比例缩放(periphery scaling，即功率输出能力按比例设定)运用于主放大器电路和辅助放大器电路的驱动级之间。而且，对驱动级的输入信号运用不对称输入分配。在如图3所示的本发明的实施例中，在驱动级实现辅助或峰值放大器器件周边比例缩放，在驱动级实现更加容易在技术上实施并且具有成本效益。于是，主和辅助放大器电路之间要求的附加增益不对称性，由提供输入信号不对称分配的输入耦合器值(耦合度)的选取来确定。根据本发明的一个方面，使用多级主和辅助放大器电路时，输入信号的不对称分配发生在一个低得多的功率电平上。因此，该不对称分配对系统效率而言仅有少量的负面影响，与图1中说明的实例相反，在图1中输入分配发生在驱动放大器之后。这就能够改进Doherty放大器并提高效率，其原因是更加充分地实现更理想的辅助放大器抬升特性。
现在转到图3中说明的本发明的实施例，对于主放大器电路72和辅助或峰值放大器74，Doherty型放大器70包括多级。具体而言，该主放大器电路72包括驱动放大级76和附加放大级78。类似地，辅助放大器电路74包括驱动级80和附加级82。尽管对于主和辅助放大器电路中的每一个都是示出了两级，但还可以使用附加级。
根据本发明的一个方面，放大器70的多级Doherty设计结合了在驱动级之间的周边比例缩放。具体而言，该峰值放大器驱动级80是主放大器驱动级76的周边或尺寸(即功率输出能力)的2倍。例如，如图3所示，如果驱动级76采用一个20瓦器件，那么驱动级80采用一个40瓦器件，以满足20瓦额定功率要求。这个40瓦驱动级80以该级的输出功率能力为代价，被特意匹配以提供更多增益。由于晶体管的非理想性，由辅助放大器驱动级80的周边比例缩放实际获得的附加增益只提供了所需要的不对称增益的一部分。尽管主和辅助电路的附加放大级78、82被示出为相同的功率(也就是200瓦)，但对于本发明来说，这些级相等并不是至关重要的。
根据本发明的另一个方面，使用了耦合器来提供实现更理想的Doherty性能所期望的附加的增益不对称性。如上所述，本发明在驱动级之前提供输入信号分配，因此处于低得多的功率电平。这改进了系统整体效率。在图3所示的实施例中，使用了一个-5dB的输入耦合器84来在主路径92和辅助路径94之间提供附加的增益不对称性。该辅助路径94从耦合器84提供的不对称分配中接收输入信号的大部分。该主放大器电路72和峰值放大器电路74用一个合适的终端负载所端接，例如一个-3dB的耦合器86和一个合适的终端负载87。如上所述，在结合进本申请，共同转让的专利和申请里采用了各种合适的终端负载。输出功率Po(88)是来自主和峰值放大器电路72、74的信号合成的结果。输入信号90被耦合器84不对称地分配。该输入信号在主放大器电路路径92和辅助放大器路径94之间分配，并被分配入主和峰值放大器电路，其中在本发明的多级Doherty放大器70中采用了附加的增益不对称性。耦合器84另外的一个输入端用一个合适的终端负载91端接，例如一个50欧姆终端负载。
根据本发明的另一方面，辅助或峰值放大器电路74的一个附加特性是峰值放大器电路RF输出电流变成非零的开启点或输入电压点。如同本领域普通技术人员所理解的一样，Doherty放大器工作时，一般由主放大器放大输入信号，直到输入电压电平升高到需要峰值放大器的点。因此，输出是来自主放大器电路72和峰值放大器电路74的放大信号的合成。这个开启点一般通过选取峰值放大器的偏压来控制。在一个实例中，对于场效应晶体管或FET的情况，该偏压可以是栅极偏压。
一般来说，在图1所示的放大器电路10中，该开启点由单独一个控制所确定，这里的单独一个控制是单级峰值放大器14的栅极偏压。然而，根据本发明的一个方面，在如图3所示的多级放大器设计中，该峰值放大器电路74的开启点由合成偏压确定，例如选用于多个单峰值放大器级的栅极偏压。一般而言，在理想情况下，开启点会是峰值放大器RF输出电流从零开始的急剧增加。然而，实际的晶体管通常会有更平坦的开启特性。根据本发明的一个方面，基于峰值放大器电路74的串联的多级80、82，串联一个或多个开启特性，本发明可以更加自由地调整峰值放大器电路74的开启特性曲线的形状。这对于优化整个Doherty放大器的线性度是有用的。
在图3所示的本发明的实例中，峰值放大器偏压点可以通过实验选择，达到效率与线性度的折衷。在图3所示的实例中，峰值放大器电路74的驱动级80并不是与主放大器电路72的驱动级76一样作为AB类器件偏置。相反，该驱动级80的偏置接近于B类，或可能稍微进入A/B或B/C区域。在图3所示的实施例中，驱动级80被显示为划分在B/C区域。因此，相对于前面的驱动级80，峰值放大器电路74的附加级82被进一步偏置到C类区域。因此，可以期望对峰值放大器电路74中的多级进行偏置来实现更高的效率。特别是可以期望将紧随驱动级80的级82偏置到一个产生更高效率的工作点。
因此，本发明使用放大器器件周边比例缩放和非对称输入分配的结合，并结合多级主和峰值放大器电路，更有效地提高整体效率。而且，本发明提供峰值放大器电路74的多个开启特性，产生更符合期望的开启特性，以优化整个Doherty放大器70的线性度。
尽管已经通过描述不同实施例来说明本发明，并且已经相当详细地描述了这些实施例，但是本申请人的目的并非将后面的权利要求的范围限制于这些细节。对于本领域技术人员来说，其它优点和修改将是显而易见的。因此在更广泛的意义上，本发明并非限于这些具体细节、代表性设备和方法，以及示例。因此，可以偏离这些细节而不偏离本申请人一般发明概念的精神或范围。

Claims (11)

1.一种放大器，包括：
主放大器电路，具有多个放大级，所述主放大器电路的多个放大级包括驱动级；
辅助放大器电路，具有多个放大级，所述辅助放大器电路的多个放大级包括驱动级和至少一个附加放大级，所述辅助放大器电路可选择地与所述主放大器电路一起工作；
分路器电路，用于在通过所述主放大器电路和所述辅助放大器电路的路径之间分配输入所述放大器的信号，并且被配置成在分配后的输入信号之间提供非对称性，使得通过所述辅助放大器电路的路径接收输入信号的较大部分；；
所述辅助放大器电路的驱动级的额定功率高于所述主放大器电路的驱动级的额定功率，以便在所述放大器电路路径中提供进一步的增益不对称性；
偏置所述辅助放大器电路的所述至少一个附加放大级，以便比所述辅助放大器电路的驱动级更加有效地工作。
2.如权利要求1所述的放大器，其中所述分路器电路是输入耦合器，用于在通过所述主放大器电路和辅助放大器电路的路径之间信号的分配中提供路径不对称性。
3.如权利要求2所述的放大器，其中所述输入耦合器是配置成将较大部分输入信号提供给通过所述辅助放大器电路的路径中的-5dB耦合器。
4.如权利要求1所述的放大器，其中所述辅助放大器电路具有依赖于偏置的开启特性，所述开启特性由用于所述辅助放大器电路的多个放大级的偏置条件的组合所确定。
5.如权利要求4所述的放大器，其中所述辅助放大器电路的驱动级具有将所述驱动级置于B类、AB类或BC类区域之一的偏置条件。
6.如权利要求4所述的放大器，其中所述辅助放大器电路的附加放大级具有将所述附加放大级置于接近C类区域的偏置条件。
7.如权利要求1所述的放大器，进一步包括耦合器电路，用于合成所述主放大器电路和所述辅助放大器电路的输出。
8.一种放大信号的方法，包括：
在主放大器电路和辅助放大器电路之间分配输入信号，所述主放大器电路具有多个放大级，所述主放大器电路的多个放大级包括驱动级；所述辅助放大器电路具有多级，所述辅助放大器电路的多级包括驱动级和至少一个附加放大级；
让所述辅助放大器电路选择性地与所述主放大器电路一起工作；在通过所述主放大器电路和所述辅助放大器电路的路径之间非对称性地分配所述输入信号，使得通过所述辅助放大器电路的路径接收所述输入信号的较大部分；
利用所述辅助放大器电路的驱动级放大所述输入信号，所述辅助放大器电路驱动级的额定功率高于所述主放大器电路的驱动级的额定功率，以便在所述放大器电路路径中提供进一步的增益不对称性；
偏置所述辅助放大器电路的所述至少一个附加放大级，以便比所述辅助放大器电路的驱动级更加有效地工作。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述辅助放大器电路具有依赖于偏置的开启特性，并且进一步包括通过所述辅助放大器电路的多级的偏置条件的组合来建立所述开启特性。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括偏置所述辅助放大器电路的驱动级，以便将所述驱动级置于B类、AB类或BC类区域之一内。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括偏置所述辅助放大器电路的附加放大级，以便将所述附加放大级置于接近C类区域内。
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