DE102004001094B4

DE102004001094B4 - Leistungsverstärkeranordnung

Info

Publication number: DE102004001094B4
Application number: DE102004001094A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fenk Josef
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: DE102004001094A1

Abstract

Leistungsverstärkeranordnung, umfassend – einen Eingang (1) und einen Ausgang (2), – einen ersten Signalpfad, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) koppelt und der einen ersten Verstärker (13) umfaßt, – einen zweiten Signalpfad, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) koppelt und der einen zweiten Verstärker (15) umfaßt, – eine Steuereinrichtung (25), die mit dem ersten Signalpfad und dem zweiten Signalpfad zum Aktivieren und Deaktivieren des ersten und des zweiten Verstärkers (13, 15) in Abhängigkeit von einer gewünschten Verstärkung der Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt ist, – zumindest einen Gleichspannungskonverter (36), der mit dem ersten und dem zweiten Verstärker (13, 15) zu deren Spannungsversorgung gekoppelt ist, zur Kopplung des ersten und des zweiten Verstärker (13, 15) mit dem Eingang (1) und/oder mit dem Ausgang (2) der Leistungsverstärkeranordnung ein transformatorischer Übertrager (6, 9) vorgesehen ist, und der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 15) zugeordnete...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkeranordnung, die Verwendung der Leistungsverstärkeranordnung in einer Funk-Sendeanordnung und einem Mobilfunkgerät.
Hochfrequenz-Leistungsverstärker werden im Mobilfunk normalerweise sowohl in den mobilen Endgeräten, als auch in den Basisstationen verwendet. Insbesondere bei mobilen Funkeinheiten ist es wünschenswert, die Leistungsaufnahme der gesamten Anordnung so gering wie möglich zu halten, um die Standzeit des Akkumulators und damit die Sprech- und Standby-Zeit des Funkgeräts zu erhöhen. Die Leistungsaufnahme eines Funksenders wird hauptsächlich von der Leistungsaufnahme des Leistungsverstärkers bestimmt.
Moderne Akkumulatoren, die sich zur Anwendung in Mobilfunkgeräten eignen, sind beispielsweise in Lithium-Ionen-Technik oder Ähnlichem realisiert. Derartige Batterien haben den Nachteil eines verhältnismäßig großen Spannungsbereichs, der von 4,5 V bei voll aufgeladenem Akkumulator bis herunter auf 3 V bei entladenem Akkumulator reicht. Nachfolgende Generationen der Lithium-Batterien mit nochmals erhöhter Speicherkapazität pro Volumen werden voraussichtlich einen noch größeren Spannungsbereich von 2 V bis 5 V haben.
Aufgrund der Tendenz zu Mobilfunkgeräten, die immer mehr Applikationen gleichzeitig, eine zunehmende Bandbreite und eine immer größere Datenrate bewältigen, nimmt auch deren Leistungsaufnahme zu.
Der verhältnismäßig große Spannungsbereich, in dem der elektrische Ladungsspeicher seine Energie abgibt, führt jedoch dazu, daß insbesondere die Hochfrequenz-Leistungsverstärker, die sogenannten HF-PA, High Frequency-Power Amplifier, die normalerweise direkt an den Akkumulator angeschlossen sind, eine stark schwankende Versorgungsspannung haben. Die schwankende Versorgungsspannung führt unter anderem zu Problemen bei der Leistungsanpassung. Die Ausgangsimpedanz des Verstärkers muß an die Impedanz der Antenne angepaßt werden. Die Ausgangsimpedanz schwankt bereits heute von ca. 2,53 Ω bei 4,5 V bis 1,13 Ω bei 3 V abhängig von der Versorgungsspannung. Erweitert sich zukünftig der Spannungsbereich, mit dem der Leistungsverstärker versorgt wird, noch weiter, so wird die Ausgangsimpedanz von ca. 3,13 Ω bei 5 V bis 0,5 Ω bei 2 V schwanken. Demnach ergibt sich ein Faktor von 6,25 zwischen größter und kleinster auftretender Ausgangsimpedanz. Dadurch wird jedoch der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers über den gesamten Akkumulator-Spannungsbereich hinweg verschlechtert.
Der Grund, warum der Hochfrequenz-Leistungsverstärker normalerweise unmittelbar an den Akkumulator angeschlossen wird, ist die Vermeidung jedes zusätzlichen Spannungsabfalls durch Längsregler sowie die Vermeidung von Wirkungsgradverlusten durch Spannungswandler. In dem Aufsatz von M. Jordan: Single Inductor, Tiny Buck-Boost Converter Provides 95% Efficiency in Lithium-Ion to 3.3 V Applications – Design Note 275, Linear Technology Corporation, Kalifornien, USA 2002, ist eine Stromversorgung für ein WCDMA, Wide-Sand Code Division Multiple Access, -Mobilfunkgerät und dessen Leistungsverstärker gezeigt.
Eine Optimierung der Leistungsanpassung des Leistungsverstärkers an eine Sendeantenne erfolgt normalerweise bei der geforderten Nennleistung der Sendeanordnung. Demnach ist der Wirkungsgrad bei Nennleistung verhältnismäßig groß, nimmt jedoch zu kleineren Sendeleistungen hin verhältnismäßig stark ab.
Das Dokument US 4,598,252 betrifft einen Leistungsverstärker mit variabler Verstärkung. Es sind mehrere, parallel geschaltete Verstärkerschaltkreise vorgesehen mit unterschiedlicher Verstärkung. Mit elektronischen Schaltern sind die Schaltkreise mit einem gemeinsamen Ausgangsknoten verbindbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungsverstärkeranordnung zu schaffen, die als Hochfrequenz-Leistungsverstärker zur Anwendung in Mobilfunkgeräten geeignet ist und einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Sendeleistungsbereich und unabhängig von der Batteriespannung hat. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung der Leistungsverstärkeranordnung anzugeben.
Erfindungsgemäß werden die Aufgaben durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip erfolgt einerseits eine Aufteilung der Gesamtverstärkung auf mehrere, parallel geschaltete Verstärker und andererseits eine Versorgung dieser Verstärker mittels zumindest eines Gleichspannungs-Konverters. Die Aufteilung der Gesamtverstärkung auf mehrere, parallel geschaltete Verstärker kombiniert mit deren Versorgung mittels eines Gleichspannungs-Konverters hat den Vorteil, daß der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers deutlich verbessert ist, insbesondere dann, wenn mit geringerer Leistung als der Nennleistung gesendet wird. Zudem ist der Wirkungsgrad unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung. Je nach erforderlicher Ausgangsleistung können einer oder mehrere der Verstärker zu- und abgeschaltet werden. Dadurch ergibt sich eine weitere Reduzierung der Leistungsaufnahme. Die Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung werden durch einen oder mehrere Gleichspannungs-Konverter mit der erforderlichen Betriebsspannung gespeist.
Gleichspannungs-Konverter werden auch als DC/DC-Konverter oder DC/DC-Wandler bezeichnet.
Der zumindest eine Gleichspannunqs-Konverter ist bevorzugt so ausgelegt, daß an seinem Ausgang eine variable Spannung in Abhängigkeit von der eingestellten Ausgangsleistung bereitgestellt wird.
Demnach erzeugt der Gleichspannungs-Konverter eine hohe Ausgangsspannung, wenn eine große Ausgangsleistung gefordert ist, und gibt eine verhältnismäßig geringe Spannung ab, wenn eine geringe Ausgangsleistung gefordert ist. Beispielsweise stellt der Gleichspannungs-Konverter eine Versorgungsspannung für die Verstärker von 4,5 V bereit, wenn die Ausgangsleistung 2 W beträgt und stellt eine Versorgungsspannung von lediglich 2 V bereit, wenn die Ausgangsleistung 5 mW beträgt. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad über den gesamten Ausgangsleistungsbereich hinweg weiter verbessert werden.
Zudem ist ein Vorteil dadurch gegeben, daß der Gleichspannungs-Konverter an seinem Ausgang eine Versorgungsspannung bereitstellt, die unabhängig von der aktuellen Spannung eines an einen Eingang des Gleichspannungs-Konverters angeschlossenen Akkumulators ist. Demnach ist der Wirkungsgrad der Leistungsverstärkeranordnung unabhängig von dem Ladezustand des Akkumulators.
Bevorzugt ist jedem Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung je zumindest ein Mittel zur Impedanzanpassung zugeordnet, das den jeweiligen Verstärker mit. dem Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung koppelt.
Mit den Mitteln zur Impedanzanpassung ist es mit Vorteil möglich, die einzelnen, parallel geschalteten Verstärker jeweils bezüglich des Wirkungsgrades zu optimieren.
Die Verknüpfung der Verstärker in der beschriebenen Parallelschaltung erfolgt bevorzugt mittels Hochfrequenz-Transformatoren. Dadurch können die Verluste noch weiter reduziert werden.
Die Hochfrequenz-Transformatoren können bevorzugt an der Eingangsseite der Verstärker vorgesehen sein und die Eingänge der einzelnen Verstärker mit dem Eingang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln.
Ebenso ist es vorteilhaft, alternativ oder zusätzlich einen oder mehrere weitere transformatorische Übertrager vorzusehen, der oder die die Ausgänge der Verstärker mit dem Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln.
Anstelle der transformatorischen Übertrager können gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip auch beliebige andere LC-Netzwerke oder noch andere Mittel zur Impedanzanpassung vorgesehen sein.
Bevorzugt ist jedem Verstärker je ein Gleichspannungs-Konverter zugeordnet. Dadurch können die Verstärker mit unterschiedlicher Versorgungsspannung betrieben werden. Der Gleichspannungs-Konverter kann sowohl zur Zuführung der Versorgungsspannung für den Verstärker, als auch zusätzlich oder alternativ zur Bereitstellung einer Bias-Versorgung ausgebildet sein. Alternativ kann auch lediglich ein Gleichspannungs-Konverter vorgesehen sein mit mehreren Längsschaltern. Die Längsschalter können beispielsweise mit MOS, Metal Oxide Semiconductor-Feldeffekttransistoren realisiert sein.
Der zumindest eine Gleichspannungs-Konverter bewirkt mit Vorteil eine Erhöhung der Spannung an seinem Ausgang bezüglich seiner Eingangsspannung. Durch höhere Betriebsspannungen läßt sich eine noch höhere Breitbandigkeit der Leistungsverstärkeranordnung erzielen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Zahl der zu verarbeitenden Frequenzbänder bei Multiband- und Multi-Standard-Geräten von Bedeutung.
Die transformatorischen Übertrager haben mit Vorteil je einen Anschluß, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist und über den der jeweilige Hochfrequenz-Transformator und ein daran angeschlossener Verstärker aktiviert und deaktiviert werden kann.
Weiter bevorzugt können der oder die transformatorischen Übertrager zur Spannungsversorgung mindestens eines der mehreren parallel geschalteten Verstärker einen Steuereingang haben, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Durch Zu- und Abschalten der Versorgungsspannung des jeweiligen Verstärkers kann dieser aktiviert und deaktiviert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil an den transformatorischen Übertragern je ein Anschluß zum Zuführen eines Bias-Signals für den jeweils zugeordneten Verstärker vorgesehen. Der Bias-Anschluß ist mit der Steuereinrichtung verbunden. Dadurch kann mit Vorteil beispielsweise der Arbeitspunkt des jeweiligen Verstärkers eingestellt und/oder von der Steuereinrichtung bestimmt werden.
Die Leistungsverstärkeranordnung kann mit Vorteil in symmetrischer Schaltungstechnik ausgeführt sein. Dabei können die einzelnen Verstärker jeweils für je einen Zweig der symmetrischen Zweige der Schaltung doppelt ausgeführt sein. Jeweils ein Paar einander zugeordneter Verstärker kann mit Vorteil mit einem gemeinsamen transformatorischen Übertrager an dem Eingang und/oder dem Ausgang des Leistungsverstärkers angekoppelt sein.
Die parallel geschalteten Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung umfassen bevorzugt jeweils zumindest einen Feldeffekttransistor zur eigentlichen Signalverstärkung. Dadurch kann mit Vorteil die gesamte Leistungsverstärkeranordnung in einem Metal Oxide Semiconductor, MOS-Herstellungsverfahren realisiert sein.
Alternativ kann zur Signalverstärkung in den Verstärkern der Leistungsverstärkeranordnung auch je zumindest ein Bipolartransistor vorgesehen sein. Somit kann die Leistungsverstärkeranordnung in einer bipolaren Schaltungstechnik, bevorzugt in Gallium-Arsenid, GaAs hergestellt sein.
Dem zumindest einen Transistor der Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung kann bevorzugt jeweils ein Kaskade-Transistor zur Bildung einer jeweiligen Kaskodestufe zugeordnet sein. Dadurch wird mit Vorteil die Rückwärts-Isolation verbessert. Zudem wird die Stabilität des Verstärkers erhöht, insbesondere bei mehrstufigen Verstärkeranordnungen.
Die beschriebene Leistungsverstärkeranordnung ist bevorzugt in einer Funk-Sendeanordnung anwendbar. Hierfür ist es bevorzugt vorgesehen, an den Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung eine Sendeantenne anzukoppeln.
Insbesondere kann die beschriebene Leistungsverstärkeranordnung mit Vorteil zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen in Basisstationen oder Mobilgeräten des Mobilfunks eingesetzt werden.
Die Verstärker können jeweils für die gleiche Signalverstärkung ausgelegt sein. Die Verstärker können auch binär abgestuft ausgelegt sein. Weiterhin kann die Abstufung beispielsweise so erfolgen, daß vier der parallel geschalteten Verstärker jeweils eine Ausgangsleistung von 500 mW bereitstellen, während zwei weitere jeweils für den Leistungsbereich bis 100 mW ausgelegt sind. Ein zusätzlicher Verstärker ist bevorzugt für den Leistungsbereich von 3–30 mW entsprechend 5–15 dBmW ausgelegt.
Einige oder alle Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung können einzelne oder gemeinsame Treiberstufen haben. Diese Treiberstufen können bevorzugt über weitere transformatorische Kopplungen mit dem Eingang der Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt sein und zudem über transformatorische Kopplungen mit den mehreren Verstärkern an deren Eingängen. Diejenige Verstärkerstufe, die für den geringsten Leistungsbereich ausgelegt ist, kann mit Vorteil als Bypass-Verstärkerstufe unter Umgehung von Treiberstufen unmittelbar über je einen transformatorischen Übertrager den Eingang mit dem Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln. Hierdurch ist es möglich, die Verlustleistung noch weiter zu reduzieren, da alle anderen Verstärkerstufen einschließlich der Treiberstufen im kleinsten Verstärkerbereich deaktiviert werden können.
Die Treiberstufe kann mit Vorteil zu ihrem Aktivieren und Deaktivieren mit der Steuereinrichtung gekoppelt sein.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungsverstärkeranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Schaltplans,
2 ein erstes bekanntes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers zur Anwendung in 1,
3 ein zweites bekanntes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers zur Anwendung in 1,
4 ein drittes bekanntes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers zur Anwendung in 1, und
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Leistungsverstärkeranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Schaltplans.
1 zeigt eine Leistungsverstärkeranordnung mit einem Eingang 1 und einem Ausgang 2. An den Eingang 1, der symmetrisch und zur Führung von Differenzsignalen ausgebildet ist, ist die Primärseite eines Hochfrequenz-Transformators 3 angeschlossen. Sekundärseitig ist der Transformator 3 einerseits über je eine Vorstufe 4, 5 mit der Primärseite eines weiteren Hochfrequenz-Transformators 6 verbunden. Der Transformator 3 ist sekundärseitig weiterhin über je einen Bypass-Verstärker 7, 8 mit einer Primärseite eines noch weiteren Hochfrequenz-Transformators 9 verbunden. Die Sekundärseite des Hochfrequenz-Transformators 9 bildet den Ausgang 2 der Verstärkeranordnung und ist an eine Antenne 10 angekoppelt.
Jeweils eine Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des dritten Transformators 3 ist mit einem Steuerblock 11 verbunden, der von einer Steuereinrichtung 11, 12, 25, 26 umfaßt ist. Eine Mittenanzapfung der Primärseite des Transformators 6 ist mit einem Steuerblock 12 verbunden. Sekundärseitig sind am Hochfrequenz-Transformator 6 insgesamt sechs Wicklungen vorgesehen, welche jeweils zwei Anschlüsse haben, die mit je einem Eingang eines Verstärkerpaares verbunden sind. Die sechs Verstärkerpaare umfassen je zwei Verstärker 13, 14; 15, 16; 17, 18; 19, 20; 21, 22; 23, 24. Ausgangsseitig ist je ein Verstärkerpaar 13, 14; 15, 16; 17, 18; 19, 20; 21, 22; 23, 24 an je einen Anschluß einer Primärwicklung angeschlossen, welche jeweils eine Primärseite des Transformators 9 bilden. Alle an den Eingängen und Ausgängen der Verstärker 13 bis 24 angeschlossenen Sekundärwicklungen des Transformators 6 und Primärwicklungen des Transformators 9 haben je eine Mittenanzapfung. Die Wicklungen des Transformators 6, die dessen Sekundärseite bilden, sind über je eine Mittenanzapfung mit einem Steuerblock 25 verbunden. Mittenanzapfungen der Wicklungen der Primärseite des Transformators 9 sind mit einem Steuerblock 26 verbunden. Die Steuerblöcke 11, 12, 25, 26 bilden gemeinsam die Steuereinrichtung 11, 12, 25, 26 zum Ansteuern der Leistungsverstärkeranordnung.
Der Steuerblock 11 ist ausgelegt zum Zuführen einer je zu- und abschaltbaren Bias-Spannung für die Bypass-Verstärker 7, 8 sowie für die Vorstufen 4, 5. Der Steuerblock 25 ist ausgelegt zum Zuführen je einer zu- und abschaltbaren Bias-Spannung für die Verstärker 13 bis 24.
Der Steuerblock 12 ist ausgelegt zum Zuführen einer Versorgungsspannung für die Verstärker der Vorstufe 4, 5. Der Steuerblock 26 ist ausgelegt zum Zuführen je einer Versorgungsspannung für die Verstärker 13 bis 24. Die Steuerblöcke 12, 26, die zur Spannungsversorgung der Verstärker und Vorstufen dienen, sind eingangsseitig zu ihrer eigenen Spannungsversorgung mit dem Eingang eines Gleichspannungs-Konverters 36 verbunden.
Die Verstärker 13 bis 20 haben, jeweils paarweise und in Verbindung mit der Vorstufe 4, 5, eine maximale Ausgangsleistung von 500 mW. Werden alle Stufen 13 bis 20 aktiviert, so ist demnach eine maximale Ausgangsleistung von 2 W möglich. Die Verstärker 21, 22 sowie 23, 24 sind paarweise in Verbindung mit der Vorstufe für je 100 mW Leistung ausgelegt.
Die Bypass-Verstärker 7, 8 sind in einem Leistungsbereich von 3 mW bis 30 mW vorgesehen.
Bei Aktivieren des Leistungsbereichs bis 30 mW, nämlich durch Aktivieren der Verstärker 7, 8, ist vorgesehen, die übrigen Verstärker 4, 5 sowie 13 bis 24 völlig abzuschalten, so daß für den niedrigen Leistungsbereich das Eingangssignal ausschließlich mit den Verstärkern 7, 8 verstärkt wird. Durch die Bypass-Anordnung wird somit ein Entstehen unnötiger Verlustleistung in den Stufen 13 bis 24 sowie den Vorstufen 4, 5 bei Betrieb mit niedriger Ausgangsleistung vermieden.
Mit den Hochfrequenz-Transformatoren 3, 6, 9 ist im jeweils benötigten Leistungsbereich eine verbesserte Leistungs- beziehungsweise Impedanzanpassung möglich, insbesondere an die Antenne 10.
Die Primärwicklungen des Transformators 9 sind auf die Impedanzen der jeweils angeschlossenen Verstärker 7, 8, 13 bis 24 ausgelegt. So sind die vier Wicklungen der Primärseite des Transformators 9, die den Verstärkern 13 bis 20 zugeordnet sind, auf die Impedanz dieser 0,5 W-Stufen ausgelegt. Die Wicklungen, die an die Verstärker 21 bis 24 angeschlossen sind, sind auf die Impedanz der 100 mW-Stufen ausgelegt. Diejenige Wicklung des Transformators 9, die an die Verstärker 7, 8 angeschlossen ist, ist auf die Ausgangsleistung dieser Stufe von 3 bis 30 mW ausgelegt. Somit ergibt sich in allen Arbeitspunkten stets eine günstige Leistungsanpassung mit hohem Wirkungsgrad.
Die Versorgungsspannung am Ausgang des Gleichspannungs-Konverters 36 ist unabhängig von Spannungsschwankungen an seinem Eingang.
Die Ausgangsbetriebsspannung der Verstärker 13 bis 24 sowie 7, 8 wird über die Primärwicklungen des Transformators 9 mit dem Gleichspannungs-Konverter 36 und dem Steuerblock 26 bereitgestellt und aus einer gemeinsamen Versorgungsspannung oder aus getrennten Versorgungsspannungen gespeist. Die eingangsseitige Versorgung der Verstärker-Endstufen 13 bis 24 erfolgt über den Steuerblock 25. Der Steuerblock 25 schaltet dabei die jeweiligen benötigten Stufen ein oder aus und sorgt außerdem für den erforderlichen, dynamischen Bias-Arbeitspunkt. In Analogie hierzu werden die Eingangsstufen 4, 5 sowie die Bypass-Verstärker 7, 8 mit dem Steuerblock 11 aktiviert und deaktiviert sowie bezüglich ihres Arbeitspunktes festgelegt. Die Verstärker 4, 5 erhalten ihre Betriebsspannung über den Gleichspannungs-Konverter 36 und den Steuerblock 12.
Da gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip die Nennleistung nicht in einer konzentrierten Endstufe erzeugt wird, sondern durch Parallelschaltung der Verstärker 13 bis 24 und deren Verknüpfung mittels eines Hochfrequenz-Transformators 6 auf der Eingangsseite der Ausgangsstufe und eines weiteren Hochfrequenz-Transformators 9 ausgangsseitig an der Endstufe erfolgt, ist gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip der Wirkungsgrad über den gesamten einstellbaren Ausgangsleistungsbereich hinweg verbessert. Dadurch ist eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs des Leistungsverstärkers über den gesamten Leistungsbereich hinweg bedingt. Insbesondere im Bereich von 250 mW, bei dem die meiste Zeit gesendet wird, ist der Wirkungsgrad nach dem vorgeschlagenen Prinzip ungefähr auf das Dreifache gesteigert. Dadurch kann bei Einsatz der Schaltung als Leistungsverstärker in einem Mobilfunksender die Sprechzeit deutlich erhöht werden, ebenso wie die Standby-Zeit. Bei gleicher gewünschter Standby- und Sprechzeit kann die Batterie deutlich kleiner sein, was wiederum eine signifikante Gewichts- und Kostenersparnis bedeutet.
Durch die Spannungsversorgung der Verstärker mittels des Gleichspannungs-Konverters 36 ist der Wirkungsgrad der Anordnung unabhängig von der Eingangsspannung, die in Abhängigkeit vom Ladezustand der speisenden Quelle schwanken kann. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich dadurch, daß der Gleichspannungs-Konverter 36 eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der gewünschten Sendeleistung abgibt.
Die Verstärker 4, 5 könnten auch mehrstufig ausgeführt sein. Die Verstärker 4, 5 könnten in der Eingangsstufe aus parallel geschalteten Stufen analog zur Endstufe 13 bis 24 ausgeführt sein. Weiterhin könnten alternativ mehr oder weniger Verstärker 13 bis 24 in der Endstufe parallel geschaltet sein.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verstärker 4, 5, 13 bis 24 von 1. Dabei sind die Verstärker 4, 5, 13 bis 24 mit je einem Metal Oxide Semiconductor, MOS-Transistor 27 ausgeführt. Der Gate-Anschluß des MOS-Transistors 27 bildet den Eingang des Verstärkers, der beispielhaft mit Bezugszeichen 13 versehen ist. Die gesteuerte Strecke des unipolaren Feldeffekttransistors 27 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 13 und Bezugspotential geschaltet. Der Transistor 27 von 2 ist bevorzugt in LDMOS-Schaltungstechnik ausgebildet.
Alternativ können die Verstärker 4, 5, 13 bis 24 auch wie in 3 gezeigt als Verstärker 13' mit einem Bipolartransistor 28 ausgeführt sein. Dabei ist der Basisanschluß des Transistors 28 der Eingang des Verstärkers 13'. Der Kollektoranschluß ist mit dem Ausgang des Transistors 13' verbunden. Der Emitteranschluß ist auf Bezugspotential gelegt.
Die gezeigte Realisierung in bipolarer Schaltungstechnik erfolgt bevorzugt in einem Silizium-Herstellungsverfahren oder in Gallium-Arsenid-Technik.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Bypass-Verstärker 7, 8. Zusätzlich zu der Transistorstufe mit Bipolar-Transistor 28 ist eine Kaskodestufe 29 nachgeschaltet. Der Kaskode-Transistor 29 ist mit seinem Emitteranschluß mit dem Kollektoranschluß des Verstärkertransistors 28 und mit seinem Kollektoranschluß an den Ausgang geschaltet. Der Basisanschluß des Kaskode-Transistors 29 ist über eine Kapazität gegen Bezugspotential geschaltet. Durch die Kaskodestufe 29 wird bezüglich der Bypass-Verstärker 7, 8 die Rückwärts-Isolation deutlich verbessert. Zudem wird die Stabilität der Verstärkeranordnung verbessert, besonders im Betrieb der Vorstufe 4, 5 mit einem oder mehreren der Ausgangsverstärker 13 bis 24, also mit mehreren, hintereinander geschalteten Verstärkerstufen.
5 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von 1. Die Schaltung von 5 entspricht in den verwendeten Bauteilen, deren Verschaltung miteinander sowie der vorteilhaften Funktionsweise weitgehend derjenigen von 1. Bei 5 sind jedoch anstelle des Gleichspannungs-Konverters 36 die Gleichspannungs-Konverter 30, 31, 32 so ausgeführt und mit den Verstärkern verschaltet, daß jeweils Verstärker mit annähernd gleicher Leistung zusammengefaßt und von einem gemeinsamen Gleichspannungs-Konverter 30, 31, 32 angesteuert werden. So sind bei der Schaltung von 5 die vier parallel geschalteten Verstärkerstufen zu je 500 mW mit den Bezugszeichen 13, 14; 15, 16; 17, 18; 19, 20 von einem gemeinsamen Gleichspannungs-Konverter 30 versorgt. Ein weiterer Gleichspannungs-Konverter 31 steuert die 100 mW-Stufen 21, 22; 23, 24 an. Die Bypass-Verstärker 7, 8 sind von einem noch weiteren Gleichspannungs-Konverter 32 angesteuert und versorgt. Die Gleichspannungs-Konverter 30, 31, 32 sind mit den jeweils zugeordneten Verstärkern über die Hochfrequenz-Transformatoren 6, 9 und jeweilige Mittenanzapfungen wie oben für 1 bezüglich der Steuerblöcke 12, 26 erläutert gekoppelt. Jedem Gleichspannungs-Konverter 30, 31, 32 ist ein Steuerblock 33, 34, 35 zugeordnet, der zur Bias-Einstellung ausgelegt und zusätzlich zum Zu- und Abschalten der jeweiligen Verstärker ausgebildet ist. Hierfür ist der Steuerblock 33 über jeweilige Sekundärwicklungen des Transformators 6 mit den Eingangsanschlüssen der Verstärker 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 gekoppelt. Der Steuerblock 34 ist über Sekundärwicklungen des Transformators 6 mit Eingängen der Verstärker 21, 22, 23, 24 gekoppelt. Der Steuerblock 35 ist über Sekundärwicklungen des Transformators 3 mit Eingängen der Vorstufen 4, 5 sowie der Bypass-Verstärker 7, 8 gekoppelt.
Die Gleichspannungs-Konverter 30, 31, 32 sind mit den ihnen jeweils zugeordneten Steuerblöcken 33, 34, 35 ebenfalls gekoppelt.
Da alle Verstärker 4, 5, 7, 8, 13 bis 24 und auch die Gleichspannungs-Konverter 30, 31, 32 nur über je einen eingeschränkten, dynamischen Bereich eingesetzt werden, erhält man höchstmögliche Gesamtwirkungsgrade. Alle Bias-Steuerblöcke 33, 34, 35 könnten auch zu einem sogenannten Power Controller in einer sogenannten Power Control Unit zusammengefaßt sein.
Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispielen von 1 und 5 könnten im Rahmen der Erfindung auch alle Steuerblöcke der Bias-Versorgung 33 bis 35 und die Leistungsverstärker 4, 5, 7, 8, 13 bis 24 mit einem kombinierten CMOS- und LDMOS-Fertigungsprozeß realisiert sein. Dabei wäre es vorteilhaft, alle Leistungs-Bauteile des Gleichspannungs-Konverters und der Hochfrequenz-Leistungsverstärker für eine Spannung von beispielsweise 12 V auszulegen, während alle Kleinsignal- und Kleinleistungs-Baugruppen in einem CMOS-Prozeß mit geringerer Versorgungsspannung von beispielsweise 3 V oder geringer ausgeführt sind.
Diese Kombination erlaubt die Realisierung besonders schneller Gleichspannungs-Konverter mit Schaltfrequenzen bis in den Taktbereich des GSM-Takts von 13–26 MHz und zudem die Realisierung hochfrequenter Leistungsverstärker mit besonders hohem Wirkungsgrad.
Bezugszeichenliste

1: Eingang
2: Ausgang
3: Transformator
4: Vorverstärker
5: Vorverstärker
6: Transformator
7: Bypass-Verstärker
8: Bypass-Verstärker
9: Transformator
10: Antenne
11: Steuerblock
12: Steuerblock
13: Verstärker
13': Verstärker
14: Verstärker
15: Verstärker
16: Verstärker
17: Verstärker
18: Verstärker
19: Verstärker
20: Verstärker
21: Verstärker
22: Verstärker
23: Verstärker
24: Verstärker
25: Steuerblock
26: Steuerblock
27: MOS-Transistor
28: Bipolar-Transistor
29: Kaskode-Stufe
30: Gleichspannungs-Konverter
31: Gleichspannungs-Konverter
32: Gleichspannungs-Konverter
33: Bias-Steuerblock
34: Bias-Steuerblock
35: Bias-Steuerblock
36: Gleichspannungs-Konverter

Claims

Leistungsverstärkeranordnung, umfassend – einen Eingang (1) und einen Ausgang (2), – einen ersten Signalpfad, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) koppelt und der einen ersten Verstärker (13) umfaßt, – einen zweiten Signalpfad, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) koppelt und der einen zweiten Verstärker (15) umfaßt, – eine Steuereinrichtung (25), die mit dem ersten Signalpfad und dem zweiten Signalpfad zum Aktivieren und Deaktivieren des ersten und des zweiten Verstärkers (13, 15) in Abhängigkeit von einer gewünschten Verstärkung der Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt ist, – zumindest einen Gleichspannungskonverter (36), der mit dem ersten und dem zweiten Verstärker (13, 15) zu deren Spannungsversorgung gekoppelt ist, zur Kopplung des ersten und des zweiten Verstärker (13, 15) mit dem Eingang (1) und/oder mit dem Ausgang (2) der Leistungsverstärkeranordnung ein transformatorischer Übertrager (6, 9) vorgesehen ist, und der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 15) zugeordnete transformatorische Übertrager (6) zum Zuführen eines Bias-Signals für den ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 15) einen Bias-Anschluß hat, der mit der Steuereinrichtung (25, 26) verbunden ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Gleichspannungskonverter (30) vorgesehen ist, der mit dem ersten Verstärker (13) zu dessen Spannungsversorgung gekoppelt ist, und daß ein zweiter Gleichspannungskonverter (31) vorgesehen ist, der mit dem zweiten Verstärker (21) zu dessen Spannungsversorgung gekoppelt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Gleichspannungskonverter (26, 36) zwei Ausgänge aufweist, von denen je einer mit dem ersten und dem zweiten Verstärker (13, 15) zu deren Spannungsversorgung gekoppelt ist und an denen unterschiedliche Spannungen bereitgestellt werden.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Gleichspannungskonverter (36) eine Erhöhung der Spannung an seinem Ausgang bezüglich seines Eingangs bewirkt.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 15) zugeordnete transformatorische Übertrager (6) zum Zu- und Abschalten des ersten und/oder zweiten Verstärkers (13, 15) einen Steuereingang hat, der mit der Steuereinrichtung (25, 26) verbunden ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 15) zugeordnete transformatorische Übertrager (9) zur Spannungsversorgung des ersten und/oder zweiten Verstärkers (13, 15) einen Steuereingang hat, der mit der Steuereinrichtung (25, 26) verbunden ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverstärkeranordnung in symmetrischer Schaltungstechnik ausgeführt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (13, 15) je zumindest einen Feldeffekttransistor (27) zur Signalverstärkung umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (13, 15) je zumindest einen Bipolartransistor (28) zur Signalverstärkung umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (13, 15) je zumindest einen Transistor (28) zur Signalverstärkung mit zugeordneter Kaskode-Stufe (29) umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die Leistungsverstärkeranordnung mehrere Verstärkerstufen (4, 5; 13, 14) umfaßt.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass-Signalpfad vorgesehen ist, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) mit einem einstufigen Verstärker (7, 8) verbindet.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverstärkeranordnung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut ist.
Verwendung einer Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in einer Funk-Sendeanordnung.
Verwendung einer Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Mobilfunkgerät.