DE102005061572B4

DE102005061572B4 - Leistungsverstärkeranordnung, insbesondere für den Mobilfunk, und Verfahren zum Ermitteln eines Performanceparameters

Info

Publication number: DE102005061572B4
Application number: DE102005061572A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Zannoth; Michael Asam; Bernd-Ulrich Dr. Klepser
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005061572A1; US20070008038A1

Abstract

Leistungsverstärkeranordnung für den Mobilfunk, umfassend:
– einen Leistungsverstärker (1) mit einem Eingang (11, 11a, 11b) zur Zuführung eines ersten Hochfrequenzsignals und mit einem Ausgang (13) zur Abgabe eines zweiten Hochfrequenzsignals, das zweite Hochfrequenzsignal aufweisend einen Strom (I_Collector) und eine Spannung (V_Collector);
– ein erstes Element (21, C3, R6) zur Abgabe eines ersten von der Spannung (V_Collector) des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleiteten Signals;
– ein zweites Element (3) zur Abgabe eines zweiten Signals, das dem im Wesentlichen gleichzeitig zur Spannung (V_Collector) fließenden Strom (I_Collector) des zweiten Hochfrequenzsignals nachgebildet ist;
– eine Auswerteschaltung (6, 6a), die eingangsseitig mit dem ersten Element (3) und mit dem zweiten Element (21, C3, R6) gekoppelt ist und zur Abgabe eines Bewertungssignals abhängig von einer gemeinsamen Auswertung des ersten und zweiten abgeleiteten Signals ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkeranordnung, insbesondere für den Mobilfunk. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ermitteln eines Performanceparameters, insbesondere von einem Leistungsverstärker.
Leistungsverstärkeranordnungen, vor allem für Hochleistungs-Rundfunksender des Kurzwellenbereichs sind aus der DE 38 30 100 A1 bekannt.
Die zunehmende Anwendung drahtloser Kommunikation macht es erforderlich, die zur Verfügung stehenden Frequenzen optimal auszunutzen. Aus diesem Grund verlangen viele Mobilfunkstandards die Möglichkeit, die Sendeleistung von mobilen Kommunikationsgeräten einzustellen. Dabei wird gefordert, dass die Sendeleistung von mobilen Kommunikationsgeräten einerseits genau vorgegeben werden kann und andererseits in einer engen Toleranz eingehalten wird. Zudem sollen Verstärker innerhalb der Sendeendstufe möglichst linear arbeiten und keine Verzerrungen erzeugen, die zu Intermodulationsprodukten und damit einer unerwünschten Verbreiterung eines Frequenzspektrums führen. Diese Anforderungen erlauben es, den zur Verfügung stehenden Frequenzraum möglichst effizient auszunutzen und dabei gleichzeitig Störungen in Nachbarkanälen während eines Sendevorgangs zu minimieren.
In der Praxis variiert jedoch die Ausgangsleistung eines Leistungsverstärkers von mobilen Kommunikationssystemen. Dabei ist die Variation abhängig von einer Temperatur des Leis tungsverstärkers, der aktuellen Versorgungsspannung, einer Sendefrequenz, einer Eingangsleistung sowie einer Lastimpedanz. Gerade die Lastimpedanz ändert sich zum Teil sehr häufig und kann unter anderem von der räumlichen Umgebung des mobilen Kommunikationsgeräts abhängig sein. Daher kann gerade eine sich ändernde Lastimpedanz sowohl die Ausgangsleistung eines Leistungsverstärkers als auch die Linearität desselben negativ beeinflussen.
Um Schwankungen in der Ausgangsleistung oder in dem linearen Übertragungsverhalten eines Leistungsverstärkers ausregeln zu können, ist es zweckmäßig, die abgestrahlte Sendeleistung zu detektieren und sie anschließend mit einem Sollwert zu vergleichen. Bei einer Abweichung wird die Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers des mobilen Kommunikationsgeräts entsprechend nachgeregelt.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ausgangsleistung liegt in der Verwendung eines so genannten Richtkopplers, der zwischen den Ausgang des Leistungsverstärkers und die Antenne geschaltet ist. Dabei wird von dem Richtkoppler die vorlaufende elektrische Welle detektiert aus der sich die abgegebene Leistung ermitteln lässt. Jedoch ist der Einbau eines Richtkopplers eine kostenaufwändige Maßnahme und erzeugt darüber hinaus auch Verluste durch seine Einfügedämpfung. Damit wird der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers insgesamt verschlechtert. Hinzu kommt, dass man aus den vom Richtkoppler ermittelten Ergebnissen nur abschätzen kann, ob sich ein Verstärker der Sendeendstufe in einem linearen Bereich seiner Kennlinie betrieben wird.
Als eine alternative Möglichkeit zur Detektion der Ausgangsleistung ist dem Erfinder ein Spitzenwertgleichrichter bekannt, der die aktuelle Amplitude der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers verwendet. Bei einer direkten Detektion der Ausgangsspannung kann jedoch unter gewissen Umständen nicht die tatsächlich abgegebene Leistung detektiert werden.
Liegt beispielsweise eine Fehlanpassung zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers und den damit verbundenen Elementen vor, so führt dies zu einem möglicherweise falschen Ausgabewert im Detektor. Darüber hinaus wird der Spitzenwert der Spannung durch so genannte Oberwellen beeinflusst, die wiederum stark von der Lastimpedanz und damit von der Fehlanpassung abhängig sind. Auch das direkte lineare Übertragungsverhalten des Leistungsverstärkers beeinflusst diese Oberwellen. Ein vertrauenswürdiges Ergebnis zur Abschätzung einer Ausgangsleistung oder eines Maßes für die Bestimmung der Linearität des Verstärkers ist folglich nicht unter allen Bedingungen gewährleistet.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Leistungsverstärkeranordnung anzugeben, mit der mit einfachen Mitteln ein Parameter zur Ermittlung einer Leistungsfähigkeit des Verstärkers bestimmt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ermitteln der Wirkleistung, insbesondere in Leistungsverstärkern, anzugeben, welches mit einfachen Mitteln durchführbar ist.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 17 gelöst. Weiterführende Maßnahmen und Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist vorgesehen, bei einem Leistungsverstärker zur Abgabe eines Hochfrequenzsignals aufweisend einen Strom und eine Spannung zum einen die Spannung des Hochfrequenzsignals und zum anderen einen Strom, der dem Strom des Leistungsverstärkers nachgebildet ist (im Folgenden Kurz: Strom), gemeinsam zu erfassen und auszuwerten. Dazu kann die Anordnung neben dem Leistungsverstärker ein erstes Element umfassen, welches zur Abgabe eines ersten von der Spannung des vom Leistungsverstär ker abgegebenen Hochfrequenzsignals abgeleiteten Signals ausgeführt ist. Ein zweites Element ist zur Abgabe eines zweiten dem im Wesentlichen gleichzeitig zur Spannung fließenden Stroms des Hochfrequenzsignals nachgebildeten Signals ausgeführt. Das erste und das zweite Element sind mit einer Auswerteschaltung gekoppelt, welche die von dem ersten und zweiten Element abgegebenen Signale zu einer gemeinsamen Auswertung verknüpft und davon abhängig ein Bewertungssignal abgibt. Dieses erlaubt, eine Entscheidung über verschiedene Performanceparameter der Leistungsverstärkeranordnung zu treffen.
So ist es beispielsweise durch ein im Wesentlichen gleichzeitiges Erfassen des Ausgangsstroms sowie der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers möglich, festzustellen, ob der Leistungsverstärker in einem linearen bzw. in einem nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie arbeitet. Eine andere Verknüpfung besteht darin, die Auswerteschaltung zu einer Multiplikation phasenrichtige Anteile des ersten bzw. zweiten abgeleiteten Signals auszuführen. Dies ist gleichbedeutend mit einer phasenrichtigen Multiplikation der den Strom und die Spannung des Hochfrequenzsignals des Leistungsverstärkers darstellenden Signale. Auf diese Weise wird direkt die abgegebene Wirkleistung des Leistungsverstärkers ermittelt. So kann die Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers schnell und flexibel auf sich ändernde äußere Bedingungen angepasst werden.
Somit wird ein Signal verstärkt, wobei das verstärkte Signal eine Spannung und einen Strom aufweist. Strom und Spannung werden zu gleichen Zeitpunkten erfasst und die Ergebnisse miteinander verknüpft. Die Verknüpfung erlaubt die Erzeugung eines Performanceparameters wie beispielsweise einer Wirkleistung durch phasengleiche Multiplikation der beiden Ergeb nisse. Eine andere Möglichkeit besteht darin Grenzwertüber- bzw. Unterschreitungen festzustellen durch einen Vergleich der Ergebnisse mit unterschiedlichen Schwellwerten.
In einem Aspekt der Erfindung enthält der Leistungsverstärker eine Transistorendstufe mit einem Steuereingang. Dieser bildet den Eingang des Leistungsverstärkers. Das zweite Element ist zum Erfassen eines von der Transistorendstufe abgegebenen Stroms und das erste Element zum im Wesentlichen gleichzeitigen Erfassen einer an einem Ausgang der Transistorendstufe anliegenden Spannung ausgeführt. Dabei kann beispielsweise das zweite Element einen Transistor umfassen, der mit seinem Steueranschluss an den Eingang des Leistungsverstärkers zur Abgabe eines von dem Leistungsverstärker abgeleiteten Stroms umfassen.
In einem Aspekt ist das erste Element zu einem Vergleich des von der erfassten Spannung abgeleiteten Signals mit einem ersten Schwellwert ausgebildet. Das zweite Element weist einen Detektor zum Vergleichen des vom nachgebildeten Strom abgeleiteten Signals mit einem zweiten Schwellwert ausgeführt. Bei einer Detektion eines Unterschreitens des ersten Schwellwertes und/oder Überschreiten des zweiten Schwellwertes kann so ermittelt werden, ob der Leistungsverstärker in einem nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie arbeitet. Mit anderen Worten wird durch Vergleichsschaltungen im ersten und zweiten Element ein Detektor zur Linearitätsbestimmung des Leistungsverstärkers bereitgestellt.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Leistungsverstärkeranordnung einen Leistungsverstärker mit einem Eingang zu Zuführung eines ersten Hochfrequenzsignals und mit einem Ausgang zur Abgabe eines zweiten Hochfrequenzsignals.
Das zweite Hochfrequenzsignal weist dabei einen Strom sowie eine Spannung auf. Die Leistungsverstärkeranordnung umfasst ein erstes Element zur Abgabe eines ersten Signals, welches von der Spannung des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleitet ist. Weiterhin ist ein zweites Element zur Abgabe eines zweiten von dem Strom des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleiteten Signals vorgesehen. Zudem weist die Anordnung eine Detektorschaltung zum Erfassen im Wesentlichen gleichphasiger Anteile des ersten und des zweiten Signals auf. Die Detektorschaltung ist mit dem ersten und mit dem zweiten Element gekoppelt.
Bei der dargestellten Lösung umfasst die Leistungsverstärkeranordnung Mittel, die bevorzugt gleichzeitig sowohl die aktuelle Spannung als auch den aktuellen Strom des von dem Leistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzsignals auswerten. Dabei werden mit Vorteil Strom und Spannung des zweiten Hochfrequenzsignals phasenrichtig multipliziert, wodurch sich die wahre von dem Leistungsverstärker abgegebene erzeugte Wirkleistung ermitteln lässt. Aufgrund der phasenrichtigen Multiplikation des Hochfrequenzstroms sowie der Hochfrequenzspannung des zweiten Hochfrequenzsignals ergibt sich die abgegebene Wirkleistung. Die beanspruchte Leistungsverstärkeranordnung ist zudem unabhängig von einer an den Ausgang des Leistungsverstärkers angeschlossenen Lastimpedanz. Das bedeutet, dass auch bei einer Fehlanpassung die erfindungsgemäße Anordnung mit der Detektorschaltung die korrekte Wirkleistung anzeigt und damit den korrekten Pegel des zweiten Hochfrequenzsignals wieder gegeben wird.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst das erste Element eine AC-Kopplung, die zum Erfassen des hochfrequenten Spannungsanteils des zweiten Hochfrequenzsignals ausgeführt ist. In ei ner weiteren Ausbildung enthält das zweite Element einen Transistor, der mit seinem Steueranschluss an den Eingang des Leistungsverstärkers angeschlossen ist. Damit lässt sich durch den Transistor ein Spannungs- oder auch ein Stromsignal erzeugen, das von dem Strom des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleitet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Detektorschaltung einen Frequenzumsetzer. Der Frequenzumsetzer ist mit einem ersten Signaleingang an das zweite Element und mit einem zweiten Signaleingang an das erste Element angeschlossen. Mit Vorteil wird somit das von dem ersten und dem zweiten Element abgegebene Signal in dem Frequenzumsetzer umgesetzt und anschließend gefiltert. Die hochfrequenten Anteile werden so unterdrückt.
Bei einer Umsetzung von Signalen, die von einem Strom bzw. einer Spannung des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleitet sind, erzeugen gleichphasige Anteile die Wirkleistung. Diese mischen sich mit Vorteil in dem Frequenzumsetzer durch die Multiplikation auf einen Gleichsignalanteil.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Tiefpassfilter vorgesehen, dass zu Unterdrückung höherfrequenter Anteile ausgebildet ist. Bei einer Umsetzung werden phasenverschobene Anteile zur doppelten Grundfrequenz umgesetzt und lassen sich durch das anschließende Tiefpassfilter leicht unterdrücken. Mit Vorteil kann das Tiefpassfilter auch in dem Umsetzer integriert sein. In einer alternativen Ausgestaltung lässt sich auch eine Auswerteschaltung einsetzen, die höherfrequente Anteile unterdrückt oder nicht berücksichtigt. In einer Ausführung umfasst die Auswerteschaltung einen Analog-Digital-Wandler, der bei der Wandlung höherfrequente Anteile nicht berücksichtigt. In einer Ausführung wird ein Anteil der Spannung des zweiten Hochfrequenzsignals direkt für die Multiplikation gebildet. Das erste Element dient in dieser Ausführung zum Erfassen eines Teils der Spannung des zweiten Hochfrequenzsignals.
Mit der angegebenen Leistungsverstärkeranordnung wird somit die tatsächlich abgegebene Wirkleistung detektiert und zusätzlich eine Fehlanpassung berücksichtigt. Der Detektor kann mit Vorteil vollständig in den Leistungsverstärker integriert werden. Zudem ist eine einfache Ausbildung als integrierte Schaltung in einem Halbleiterkörper möglich.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Detektorschaltung einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor. Jeweils erste Anschlüsse sind über einen gemeinsamen Fußpunkt an das zweite Element angeschlossen. Das zweite Element ist zur Zuführung eines Versorgungsstroms an den Differenzverstärker ausgebildet, wobei der Versorgungsstrom von dem Strom des von dem Leistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzsignals abgeleitet ist.
In einem weiteren Aspekt ist ein Gilbert-Mischer als Detektorschaltung vorgesehen. Dieser hat den Vorteil, lediglich Spannungssignale zu verarbeiten, so dass an den Eingängen des Mischers jeweils das von dem Strom beziehungsweise der Spannung abgeleitete Signal angelegt werden kann.
Bei großen Ausgangsleistungen kann es passieren, dass die Spannungsamplitude am Leistungsverstärkerausgang groß wird. Dadurch kann sich der Ausgangsstrom des Hochfrequenzsignals reduzieren. Zur Verbesserung des Detektionsverhaltens ist in einer Weiterbildung der Erfindung ein Gleichrichter vorgese hen, der zur Detektion eines Schwellwertes und davon abhängig zur Abgabe eines Potenzials an die Detektorschaltung ausgeführt ist.
In einer anderen Ausführungsform ist zusätzlich zwischen dem zweiten Element und der Detektorschaltung ein Abgriff vorgesehen, der mit einer weiteren Gleichrichterschaltung zur Detektion eines Schwellwerts verbunden ist. Die Gleichrichterschaltung ist ausgangsseitig mit einem Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers, und bevorzugt über eine weitere, in gleicher Weise aufgebaute Gleichrichterschaltung mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers gekoppelt ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers führt an einen Abgriff zwischen dem ersten Element und der Detektorschaltung.
Für die Ermittlung einer Wirkleistung, bevorzugt einer Wirkleistung von einem Leistungsverstärker, ist vorgesehen, ein zu verstärkendes Signal bereitzustellen und dieses anschließend zu verstärken und als verstärktes Signal mit einem Strom und einer Spannung abzugeben. Anschließend wird ein Signal erzeugt, welches von dem Strom des verstärkten Signals abgeleitet ist. Bevorzugt gleichzeitig wird zudem ein zweites Signal abgeleitet von der Spannung des verstärkten Signals erzeugt. Anschließend werden die so erzeugten Signale phasengleich miteinander multipliziert, wodurch sich ein zu der abgegebenen Wirkleistung proportionales Resultat ergibt. Damit wird die tatsächlich abgegebene Wirkleistung detektiert und eine gleichzeitig möglicherweise auftretende Fehlanpassung berücksichtigt.
Zudem kann in einem Aspekt der Erfindung mit Vorteil ein Strom erzeugt werden, der von dem Strom des verstärkten Hoch frequenzsignals abgeleitet ist. Ebenso lässt sich eine Spannung von der Spannung des verstärkten Signals ableiten. In einer Ausgestaltungsform kann auch ein Spannungsanteil des verstärkten Signals direkt verwendet werden.
In einer Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt der Schritt des Multiplizierens durch ein Frequenzumsetzen bzw. ein Mischen des ersten und des zweiten Signals und somit ein Mischen des erfassten Stroms und der erfassten Spannung. Anschließend wird der Gleichsignalanteil im gemischten Signal ermittelt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
1A ein allgemeines Blockschaltbild mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
1B ein Blockschaltbild mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
1C einen Regelkreis mit einer Leistungsverstärkeranordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein Blockschaltbild einer Leistungsverstärkeranordnung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Leistungsverstärkeranordnung gemäß der Erfindung,
4 ein sechste Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung,
5 ein siebte Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung,
6 ein achte Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung,
7 ein neunte Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung,
8 ein zehntes Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung,
9 ein elftes Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung.
1A zeigt ein allgemeines Blockschaltbild der Erfindung. Ein Leistungsverstärker 1 ist Teil eines Sendepfades. Dieser enthält weitere Bauelemente und Schaltungen, die hier aus Übersichtgründen nicht gezeigt sind. Dazu gehört beispielsweise eine Basisbandeinheit, die ein Basisband für eine weitere Signalverarbeitung bereitstellt, ein Mischer zur Umsetzung auf das Trägersignal. Ebenso sind in dem Sendepfad verschiedene Versorgungsschaltkreise, beispielsweise zur Arbeitspunkteinstellung des Leistungsverstärkers vorgesehen.
Der Leistungsverstärker 1 ist mit seinem Ausgang an einen Abgriff 21 für die Abgabe eines Teils des Hochfrequenzsignals an einen Spannungsdetektor UD angeschlossen. Dieser ist dazu ausgeführt, eine Ausgangsspannung des vom Leistungsverstärker 1 abgegebenen Hochfrequenzsignals zu ermitteln. Weiterhin enthält die Schaltung einen Stromdetektor 3, der den vom Leistungsverstärker 1 abgegebenen Ausgangsstroms auswertet. Spannungsdetektor UD und Stromdetektor 3 sind so ausgebildet, dass sie jeweils Strom und Spannung des vom Leistungsverstärker 1 abgegebenen Hochfrequenzsignals gleichzeitig erfassen.
Die erfassten Signale werden von dem Spannungsdetektor UD und dem Stromdetektor 3 an eine Auswerteschaltung 6a abgegeben. Diese verknüpft die beiden Werte miteinander und gibt daraus ein Bewertungssignal an die Schaltung 6b ab. Dabei kann die Verknüpfung bzw. die Auswerteschaltung je nach Ausführungsform beispielsweise einen hochlinearen Multiplizierer für eine Wirkleistungsmessung, ein Gatter für eine digitale Linearitätsauswertung oder auch eine einfache Weiterreichung der Signale umfassen. Durch die in der Auswerteschaltung 6a vorgenommene Verknüpfung und die Erzeugung eines Bewertungssignals ist es der Schaltung 6b möglich, eine Analyse eines Betriebsparameters des Leistungsverstärkers 1 vorzunehmen. Abhängig von dem Betriebsparameter kann dann die Schaltung 6b verschiedene Steuersignale SIG1 bis SIG3 an die weiteren Bauelemente des Sendepfades abgeben und so die Einstellungen für den Betrieb des Leistungsverstärkers 1 verändern.
Beispielsweise ist es möglich, über das Bewertungssignal von der Auswerteschaltung 6a festzustellen, ob sich der Leistungsverstärker 1 in einem linearen Bereich seiner Kennlinie befindet. Ist dies der Fall, sind keine weiteren Maßnahmen notwendig. Wenn hingegen das Bewertungssignal anzeigt, dass der Verstärker 1 in einem nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie betrieben wird, werden Signale Sig1, Sig2 oder Sig3 erzeugt und damit die Betriebsparameter des Verstärkers 1 geändert. Beispielsweise kann der Verstärker 1 durch eine Änderung seiner Arbeitspunkteinstellung aus dem nichtlinearen Be reich wieder in einen linearen Bereich seiner Kennlinie überführt werden. Dadurch lässt sich das Verzerrungsverhalten des Leistungsverstärkers reduzieren.
1B zeigt eine vereinfachte Ausführungsform für die Detektion und die Messung des Linearitätsverhaltens des Leistungsverstärkers 1. Der Leistungsverstärker 1 ist in diesem in keiner Weise einschränkenden Beispiel durch einen einfachen Bipolartransistor T2 angedeutet. An seinem Steuereingang 11 des Bipolartransistors T2 liegt das zu verstärkende Hochfrequenzsignal an. Der Bipolartransistor T2 ist zwischen einem Versorgungspotentialanschluss VCC und einem Bezugspotentialanschluss geschaltet. Zwischen seinem Kollektoranschluss und dem Versorgungspotentialanschluss VCC befindet sich eine Last 4a zur Erzeugung des verstärkten Hochfrequenzsignals. Ein Abgriff 21 zwischen dem Kollektoranschluss und der Last 4a ist mit dem Spannungsdetektor UD verbunden. Der Stromdetektor 3 ist eingangsseitig an den Steueranschluss 11 des Bipolartransistors T2 des Leistungsverstärkers 1 angeschlossen.
Stromdetektor 3 und Spannungsdetektor UD umfassen jeweils einen Schwellwertkomparator CP1a, CP2a, welche die eingangsseitig anliegenden Signale mit einem Schwellwert vergleichen. Dabei umfasst der erste Komparator CP1a des Stromdetektors 3 einen Stromeingang. Der Schwellwertdetektor CP2a des Spannungsdetektors UD besitzt einen Spannungseingang. Ausgangsseitig sind die beiden Schwellwertdetektoren über ein Tiefpassfilter TP mit der Auswerteschaltung 6c gekoppelt. Diese stellt vorliegend ein logisches "ODER-Gatter" dar.
Für eine Detektion einer Nichtlinearität des Transistors T2 und damit eines nichtlinearen Verstärkungsverhaltens des Leistungsverstärkers 1 lassen sich die Sättigungsspannung des Transistors und dessen Sättigungsstrom detektieren. Bei Erreichen einer Linearitätsgrenze wird daher entweder die Sättigungsspannung oder ein maximaler vorgegebener Strom durch den Transistor T2 erreicht. Zu diesem Zweck sind der Stromdetektor 3 und im Besonderen der Schwellwertdetektor CP1a zur Detektion eines maximalen Stroms ausgeführt. Bei Überschreiten dieses Stroms gibt er ein logisches Signal vouti_bin an seinen Ausgang ab. Entsprechend erzeugt der Schwellwertkomparator CP2a das logische Signal voutu_bin durch Vergleich der Ausgangsspannung des Transistors T2 mit einem Schwellwert. Wenn einer der beiden Schwellwerte unterschritten bzw. überschritten wird, so beginnt der Transistor in einem nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie zu arbeiten und der entsprechende Schwellwertdetektor gibt ein Signal mit einem hohen Pegel ab, der eine logische "1" darstellt.
Die beiden abgegebenen Signale werden dem logischen Gatter der Auswerteschaltung 6c zugeführt. Dieses Gatter ist als logisches ODER-Gatter ausgebildet. Dadurch wird lediglich eine Aussage gewonnen, ob der Transistor des Leistungsverstärkers in einem Bereich seiner Nichtlinearität arbeitet, nicht jedoch, ob Strom oder Spannung entscheidend für diese Nichtlinearität ist. Die in Reihe geschalteten Tiefpassfilter glätten das Signal, um eine Gleichspannung am Ausgang zu erhalten.
1C zeigt einen Regelkreis mit einer Leistungsverstärkeranordnung gemäß der Erfindung. Dabei ist ein Leistungsverstärker 1 vorgesehen, der einen Eingang 11 zur Zuführung eines Hochfrequenzsignals aufweist. Der Leistungsverstärker 1 ist über ein entsprechendes Regelsignal an seinem Regeleingang 12 in seiner Verstärkung einstellbar. An seinem Ausgang 13 gibt er ein verstärktes Hochfrequenzsignal ab, das eine Spannung sowie einen Strom aufweist. Ausgangsseitig ist der Leistungsverstärker 1 an einen Stromdetektor 3 angeschlossen. Dieser detektiert den von dem Leistungsverstärker abgegebenen Strom im zweiten Hochfrequenzsignal und erzeugt daraus ein abgeleitetes Signal. Gleichzeitig wird das vom Leistungsverstärker 1 verstärkte Hochfrequenzsignal einem Anpassnetzwerk 4 zugeführt, welches ausgangsseitig wiederum an die Antenne 5 angeschlossen ist.
Zudem ist zwischen dem Anpassnetzwerk 4 und dem Ausgang 13 des Leistungsverstärkers 1 ein Abgriff 21 vorgesehen. Dieser dient zum Abgreifen des Spannungsanteils des von dem Leistungsverstärker 1 abgegebenen Hochfrequenzsignals. Der Abgriff 21 ist an einen Eingang 62 eines Frequenzumsetzers 6 angeschlossen. Ein zweiter Eingang 63 des Frequenzumsetzers 6 ist mit dem Stromdetektor 3 verbunden. Ausgangsseitig ist der Umsetzer 6 über einen Tiefpassfilter 7 an einen Analog/Digital-Wandler 8 angeschlossen. Das digitalisierte, von dem Frequenzumsetzer 6 abgegebene Signal wird der Regelschaltung 9 zugeführt. Diese erzeugt zusammen mit einem Regelsignal am Stelleingang 10 ein Einstellsignal und gibt dieses an ihrem Ausgang 91 ab, welcher mit dem Stelleingang 12 des Leistungsverstärkers verbunden ist.
Im Betrieb des Leistungsverstärkers wird eine Sendeleistung im Leistungsverstärker 1 durch ein entsprechendes Regelsignal am Stelleingang 12 eingestellt. Das eingangsseitig zugeführte Hochfrequenzsignal wird gemäß dieser Einstellung verstärkt und am Ausgang 13 abgegeben. Ändert sich nun die Anpassung, beispielsweise durch eine Veränderung der räumlichen Anordnung der Antenne 5 gegenüber ihrer Umgebung so führt dies zu zusätzlichen Reflexionen im Signalpfad zwischen dem Ausgang 13 des Leistungsverstärkers 1 und der Antenne 5. Dadurch sinkt die von dem Leistungsverstärker abgegebene Wirkleistung.
Zur Detektion der Wirkleistung des von dem Leistungsverstärker 1 abgegebenen Hochfrequenzsignals wird nun einerseits die Spannung des abgegebenen Hochfrequenzsignals am Abgriff 21 ermittelt und der als Frequenzumsetzer 6 ausgeführten Detektorschaltung zugeführt. Parallel dazu wird gleichzeitig der Strom des verstärkten Hochfrequenzsignals im Stromdetektor 3 erfasst, daraus ein zweites Signal abgeleitet und dem Frequenzumsetzer 6 am Eingang 63 zugeführt. Die Detektorschaltung ermittelt daraus die Wirkleistung. Zu diesem Zweck multipliziert der Frequenzumsetzer 6 in dieser Ausgestaltungsform nicht nur die Amplituden der beiden zugeführten Signale, sondern berücksichtigt auch die Phasenlage. Die gleichphasigen Anteile werden nun durch die Multiplikation auf einen Gleichsignalanteil heruntergemischt. Verschobene Anteile lassen sich in einen Gleichanteil und einen um 90° phasenverschobenen Anteil zerlegen. Die um 90° phasenverschobenen Anteile in den eingangsseitig zugeführten Signalen führen zu einem Teilsignal auf der doppelten Grundfrequenz. Für die Wirkleistung des von dem Leistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzsignals ist jedoch lediglich der Gleichanteil erforderlich. Dieser wird über den Tiefpassfilter 7 an zum Beispiel einen Analog/Digital-Wandler 8 abgegeben und in einen digitalen Wert gewandelt. Der digitale Wert wird der Regelschaltung 9 zugeführt, die daraufhin die Sendeleistung des Leistungsverstärkers 1 anpasst.
2 zeigt ein Blockschaltbild mit der Darstellung einer Endstufe des Leistungsverstärkers 1 sowie den wesentlichen Elementen der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei umfasst die Endstufe des Leistungsverstärkers aus einer Vielzahl pa rallel geschalteter einzelner npn-Bipolartransistoren T2. Die Steueranschlüsse der jeweiligen Bipolartransistoren T2 sind über eine Spule L1 an einen Stromspiegeltransistor T1 angeschlossen. Der Steueranschluss des Stromspiegeltransistors T1 ist zudem mit seinem Kollektoranschluss verbunden. Dem Kollektoranschluss des Stromspiegeltransistors T1 wird ein Signal zur Ruhestromeinstellung zugeführt. Dieses kann beispielsweise von der Regelschaltung 9 an dem Stelleingang 12 bereitgestellt werden. Das Hochfrequenzsignal am Eingang 11 wird über einen Kondensator C1 an die Steueranschlüsse der Transistoren T2 der Endstufe angelegt. Die Spule L1 wirkt als Tiefpass und verhindert ein Übersprechen des Hochfrequenzsignalanteils auf den Stromspiegeltransistor T1.
Ausgangsseitig sind die Kollektoren der einzelnen Endstufentransistoren T2 mit dem Ausgang 13 des Leistungsverstärkers 1 gekoppelt. Der Ausgang 13 ist an das Element 3 zur Detektion des Kollektorstroms I_Collector angeschlossen. Weiterhin ist der Kollektoranschluss 13 mit dem Abgriff 21 und über die externe Last 4a mit einem Versorgungspotenzialanschluss VCC verbunden. Die externe Last 4a umfasst in dieser Ausführungsform die Impedanz Z_L des Anpassnetzwerks sowie der Antenne. Sie ist in der Regel eine komplexe Impedanz.
Kollektorstrom I_Collector und die Kollektorspannung V_Collector am Abgriff 21 werden als Signale einem Mischer 6 an den Eingängen 63 bzw. 62 zugeführt. Ausgangsseitig ist der Mischer 6 über ein Tiefpassfilter 7 mit dem Detektorausgang verbunden.
In der dargestellten Ausführungsform wird der Kollektorstrom I_Collector detektiert und über den Mischer 6 mit der am Knoten 21 abgegriffenen Kollektorspannung V_Collector multipli ziert. Dabei werden nicht nur die einzelnen Amplituden miteinander multipliziert, sondern auch die Phasenlage berücksichtigt. Gleichphasige Strom- und Spannungsanteile im Hochfrequenzausgangssignal bilden die eigentliche Wirkleistung. Im Mischer 6 mischen sich die gleichphasigen Anteile durch die Multiplikation zur Hälfte auf einen Gleichanteil DC und zur Hälfte auf einen Anteil bei einem doppelten der Grundfrequenz. Phasenverschobene Anteile aufgrund einer Fehlanpassung im Kollektorstrom und der Kollektorspannung, die dem Strom und der Spannung des Hochfrequenzsignals entsprechen, lassen sich in einen gleichphasigen Anteil und einen um 90° phasenverschobenen Anteil zerlegen. Die phasenverschobenen Anteile werden vollständig auf das doppelte der Grundfrequenz umgesetzt.
Um nun die Wirkleistung des Hochfrequenzsignals zu ermitteln, ist der Ausgang des Mischers mit dem Tiefpassfilter 7 verbunden, der die Anteile auf höheren Frequenzen unterdrückt. Die an dem Detektorausgang 71 abgegebene DC-Größe besitzt ein zu der Wirkleistung des Hochfrequenzsignals fest definiertes Verhältnis.
Neben der hier dargestellten Ausführungsform aus einem Mischer bzw. einem Multiplizierer 6 und dem nachgeschalteten Tiefpass lässt sich auch eine Anordnung verwenden, die eine Mischfunktion sowie eine Tiefpassfunktion implementiert.
3 zeigt eine Ausgestaltungsform der Leistungsverstärkeranordnung mit einer Ausführung des Stromdetektors sowie des Mischers 6. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Zum Erfassen des Kollektorstroms in der Endstufe ist in dieser Ausführungsform ein zusätzlicher Transistor T4 parallel geschaltet. Dieser bildet den Detektor zum Erfassen des Kollektorstroms. Da die Endstufentransistoren T2 sowie der Transistor T4 die gleiche Basis-Emitter-Spannung U_BE aufweisen, ist der Kollektorstrom des Transistors T4 zu dem Kollektorstrom der Transistoren T2 des Leistungsverstärkers proportional. Das Element 3 zum Erfassen des Kollektorstroms erzeugt somit einen zu dem Strom des von dem Leistungsverstärker 1 abgegebenen Hochfrequenzsignals proportionalen Wert. Der vom Transistor 4 abgegebene Strom ist ein von dem Strom des Hochfrequenzsignals abgeleiteter Strom.
Weiterhin sind ein Kondensator C3 sowie ein Widerstand R6 mit dem Abgriff 21 verbunden. Der Kondensator C3 sowie der Widerstand R6 bilden eine Schaltung zum Erfassen der Kollektorspannung bzw. einer Spannung des abgegebenen Hochfrequenzsignals. Der Kondensator C3 dient dabei gleichzeitig auch als AC-Kopplung.
Der Mischer 6 ist in dieser Ausgestaltungsform als einfacher Differenzverstärker ausgeführt. Dazu umfasst er zwei Transistoren T5 und T6, deren Emitteranschlüsse gemeinsam in einem Fußpunkt miteinander verbunden sind und einen ersten Signaleingang 63 des Mischers bilden. Der Signaleingang 63 ist wiederum an den Kollektor des Transistors T4 angeschlossen. Der Steueranschluss des Transistors T5 ist an den Widerstand R6 und damit an den Abgriff 21 angeschlossen. Der Steueranschluss des Transistors T6 führt einerseits über einen Kondensator C4 an ein Massepotenzial und andererseits über den Widerstand R2 an eine Bias-Spannungsquelle V_Bias. Die Bias-Spannungsquelle V_Bias dient zur Einstellung des Ruhestroms bzw. des Arbeitspunktes des Differenzverstärkers. Durch die Verbindung der Basis des Transistors T6 mit dem Kondensator C4 wird eine Unterdrückung der Hochfrequenzspannung erreicht.
In der dargestellten Ausführungsform dient daher der Strom des Transistors T4 als erstes Eingangssignal für den Mischer, das zweite Eingangssignal ist die Kollektorspannung der Endstufe des Leistungsverstärkers 1. Die beiden Kollektorausgänge der Transistoren T5 und T6 des Differenzverstärkers sind über einen Kondensator C5 miteinander gekoppelt. Zudem ist jeder Kollektoranschluss über einen Widerstand R4 bzw. R5 an ein Versorgungspotenzial V_Bat angeschlossen.
Die Widerstände R6 und R3 bilden einen Spannungsteiler, der die Eingangsspannung reduziert, um die Differenzverstärkertransistoren T5 und T6 linear anzusteuern. Die Widerstände R4 und R5 bilden zusammen mit dem Kondensator C4 den Tiefpass. Ausgangsseitig wird das differenzielle Signal durch den dargestellten Verstärker 71b auf ein single-ended Signal gewandelt. Dieses Ausgangssignal wird am Detektorausgang 71 abgegeben und der weiteren Verarbeitung zugeführt.
4 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung. Wirkungs- bzw. funktionsgleicher Bauelemente tragen auch hier die gleichen Bezugszeichen. Für große Ausgangsleistungen ist die Spannungsamplitude am Leistungsverstärkerausgang 13 so groß, dass die Endstufentransistoren T2 in Sättigung gehen. Dies bedeutet, dass die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE, welche über die einzelnen Transistorendstufen T2 abfällt, relativ klein wird. Dadurch reduziert sich auch der Kollektorstrom und damit der Strom des Hochfrequenzsignals. Um zu gewährleisten, dass der Transistor T4 des Stromdetektors 3 ein genaues Abbild des abgegebenen Kollektorstroms liefert, ist es zweckmäßig, auch über dessen Kollektor und Emitter die gleiche Spannung U_CE einzustellen.
Dazu dient die hier dargestellte Gleichrichterschaltung 40. Diese ist als Emitterfolger-Gleichrichter ausgeführt und umfasst einen pnp-Bipolartransistor T3, dessen Steueranschluss über den Abgriff 21a mit dem Ausgang 13 des Leistungsverstärkers 1 verbunden ist. Der Kollektoranschluss ist mit dem Massepotenzialanschluss verbunden, der Emitteranschluss einerseits über einen Widerstand R1 und einen dazu parallel angeordneten Kondensator C2 an das Versorgungspotenzial V_BAT angeschlossen. Andererseits ist der Emitteranschluss des Transistors T3 auch mit einem Entkopplungsverstärker V1 verbunden. Der Ausgang des Entkopplungsverstärkers V1 ist wiederum mit den Widerständen R2 und R3 zur Ansteuerung der Arbeitspunkte der Transistoren T5 und T6 des Differenzverstärkers verbunden.
Im Betrieb detektiert der Emitterfolger-Gleichrichter 40 die minimale Kollektorspannung der Endstufen-Transistoren T2 und damit den minimale Spannungsanteil des abgegebenen Hochfrequenzsignals. Der Emitterfolger-Gleichrichter erhöht diese um eine Diodenspannung aus dem pn-Übergang des Transistors T3. Dieses Potenzial wird wiederum auf die Bias-Widerstände R2 und R3 über den Entkopplungsverstärker abgegeben.
In dem Betrieb des Differenzverstärkers 6 wird das Potenzial über den Basis-Emitterübergang in den Transistoren T5 und T6 des Differenzverstärkers 6 wieder um eine Diodenspannung erniedrigt. Dadurch werden die minimalen Kollektorspannungen der Endstufentransistoren T2 und T4 identisch. Demzufolge besitzen nunmehr die Endstufentransistoren T2 des Leistungsverstärkers 1 sowie der Transistor T4 des Stromdetektors 3 die gleichen Arbeitsbedingungen. T4 liefert nun einen zu dem Kollektorstrom im Wesentlichen proportionalen Strom.
Eine weitere Verbesserung zeigt 5. In der dargestellten Ausführungsform wird nun die minimale Kollektorspannung nicht nur am Ausgang 13 für die Endstufentransistoren T2 mit der Gleichrichterschaltung 40 gemessen, sondern auch über eine zweite Gleichrichterschaltung 41. Dabei ist der Eingang der zweiten Gleichrichterschaltung 41, der Steueranschluss des Transistors T7, an den Kollektoranschluss des Transistors T4 des Stromdetektors 3 angeschlossen. Ausgangsseitig sind die beiden Regelschaltungen 40 mit den Eingängen eines Operationsverstärkers OP1 verbunden. Dieser vergleicht die beiden eingangsseitig anliegenden Spannungen und stellt dann das Bias-Potenzial über R3 und R2 so ein, dass die jeweils minimalen Kollektorspannungen tatsächlich identisch sind. Diese hier dargestellte Ausführungsform ermöglicht so eine sehr gute Anpassung der minimalen Kollektorspannung des Stromdetektors 3 sowie der Endstufentransistoren T2 des Leistungsverstärkers 1. Die mögliche Unsicherheit, die sich ergibt aufgrund der unterschiedlichen Ausbildungen, einerseits des Transistors T3 als pnp-Bipolartransistor und der Transistoren T5 und T6 als npn-Bipolartransistoren andererseits, wird somit vermieden.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärkeranordnung. In dieser Ausgestaltungsform ist der Leistungsverstärker mit Feldeffekttransistoren in CMOS-Technologie und im Besonderen als Differenzverstärker ausgeführt. Eingangsseitig wird dem Leistungsverstärker 1a an den Eingängen 11a und 11b ein Referenzsignal zugeführt. Dieses wird an die Steueranschlüsse der Transistoren T10 bzw. P11 des Differenzverstärkers angelegt. Die beiden Transistoren sind mit einem Anschluss in einem gemeinsamen Fußpunkt an ein Massepotenzial angeschlossen. Die jeweils zweiten Anschlüsse führen an das Anpassnetzwerk 4 und an den Versorgungspotenzi alanschluss zur Zuführung des Versorgungspotenzials VCC. Das Anpassnetzwerk 4 ist wiederum mit der Antenne 5 zur Abgabe des verstärkten Hochfrequenzsignals gekoppelt.
In dieser Ausgestaltung ist als Detektor zum Erfassen des Stroms bzw. der Spannung des von dem Differenzverstärker 1a abgegebenen Hochfrequenzsignals ein so genannter Gilbert-Mischer 90 vorgesehen. Dieser hat den Vorteil, dass er zwei Spannungseingänge umfasst. Damit kann einerseits die Spannung des Hochfrequenzsignals direkt an einen Eingang des Gilbert-Mischers 90 gegeben werden. Zusätzlich lässt sich von dem Strom des abgegebenen Hochfrequenzsignals eine weitere Spannung ableiten, die einem zweiten Eingang des Gilbert-Mischers zugeführt wird. Durch die Verwendung von zwei Spannungseingängen ist es zudem unmöglich, diese auch zu vertauschen und so das von dem Strom des Hochfrequenzsignals abgeleitete Spannungssignal dem ersten Eingang und das Spannungssignal des Hochfrequenzsignals dem zweiten Eingang zuzuführen.
Der hier dargestellte Gilbert-Mischer 90 enthält zwei erste Transistoren T31 und T32, deren Steueranschlüsse mit den Hochfrequenzeingängen 11a und 11b des Leistungsverstärkers verbunden sind. Das über die Eingänge 11a und 11b zugeführte Hochfrequenzsignal erzeugt während des Betriebs des Leistungsverstärkers 1a den Stromanteil des von dem Leistungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzsignals. Durch die Zuführung an die beiden Transistoren T31 und T32 des Gilbert-Mischers wird somit ein Bauelement zum Erfassen des Stroms des von dem Leistungsverstärker 1 abgegebenen Hochfrequenzsignals realisiert.
Darüber hinaus umfasst der Gilbert-Mischer zwei Mischerzellen aus jeweils einem Transistorpaar mit den Transistoren T41, T42 bzw. T43, T44. Die Steueranschlüsse der Transistoren T41 und T44 der ersten und zweiten Mischerzelle sind gemeinsam an den Abgriff 21a für den Spannungsanteil des Hochfrequenzsignals angeschlossen. Die Steueranschlüsse der Transistoren T42 und T43 sind mit dem zweiten Abgriff 21b des Leistungsverstärkers 1a verbunden. Des Weiteren sind die Ausgänge der Transistoren T43 und T42 über eine Kreuzkopplung mit den jeweiligen Ausgängen der Mischerzelle verbunden. Zusätzlich ist auch hier ein Tiefpassfilter in Form des Kondensators C5 sowie der Widerstände R4 und R5 vorgesehen. Zuzüglich bilden die Widerstände R4 und R5 einen Spannungsteiler zur Abgabe des in der Mischerzelle umgesetzten Signals an die Ausgänge 71.
Eine weitere Ausbildung zeigt 7. Auch hier ist im Leistungsverstärker eine differenzielle Endstufe 1a vorgesehen. Die hier dargestellte Endstufe 1b ist mit ihren beiden Endstufentransistoren T2 über einen gemeinsamen Fußpunkt und eine Spule L an das Massepotenzial angeschlossen. Ausgangsseitig ist auch hier wieder ein Anpassnetzwerk 4 vorgesehen, an das die Antenne 5 als Impedanzlast Z_L angeschlossen ist.
In der Ausführung wird der Detektor durch einen Mischer mit zwei kreuzgekoppelten Mischerzellen gebildet, die jeweils Spannungseingänge aufweisen. In dieser Ausgestaltungsform wird die Spannung des Differenz-Hochfrequenzsignals an den beiden Abgriffen 21a und 21b abgenommen und direkt den Mischerzellen aus den Transistoren T21 bis T24 zugeführt. Im Einzelnen ist der Abgriff 21a mit einem ersten Anschluss der Transistoren T21, T22 der ersten Mischerzelle und der Abgriff 21b mit einem ersten Anschluss der Transistoren T23 und T24 der zweiten Mischerzelle verbunden.
Die Steueranschlüsse der Transistoren T22 und T23 sind an den Eingang 11b angeschlossen. Entsprechend sind die Steueranschlüsse der Transistoren T21 und T24 mit dem Eingang 11a zur Zuführung des Hochfrequenzsignals verbunden. Auch hier erfolgt wieder eine Kreuzkopplung sowie eine Tiefpassfilterung mit Hilfe der Widerstände R4, R5 und des Kondensators C5. Der durch die Frequenzumsetzung und die Multiplikation entstandene Gleichanteil kann an den Abgriffen 71 als Differenzgleichstrom abgenommen werden.
8 zeigt eine konkrete Ausführungsform einer Anordnung für eine Linearitätsmessung eines Leistungsverstärkers 1 mit einer Transistorendstufe T2. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen.
Der Leistungsverstärker 1 enthält neben dem Sendeendstufentransistor T2 einen weiteren Transistor gleichen Typs, der gemeinsam mit dem Sendeendstufentransistor T2 einen Stromspiegel bildet. Der Stromspiegeltransistor ist zur Zuführung eines Biasstroms zur Arbeitspunkteinstellung des Leistungsverstärkers über den Anschluss 12 ausgeführt.
Weiterhin ist der Kollektorausgang des Transistors T2 an eine kapazitive Last Z3 angeschlossen, die zur Auskopplung des Hochfrequenzanteils des Ausgangssignals des Leistungsverstärkers dient. Damit wird lediglich ein Teil des ausgekoppelten Hochfrequenzsignals dem Spannungsdetektor UD zugeführt. So kann ein Gleichspannungsanteil durch einen einfachen Kondensator unterdrückt werden. Der Spannungsdetektor UD umfasst vorliegend einen ersten pnp-Bipolartransistor zur Detektion der ausgekoppelten Spannung.
Durch die Verwendung eines zu dem Sendeendstufentransistor komplementären Transistors kommt nur ein Stromfluss zustande, wenn die Kollektorspannung des Sendeendstufentransistors T2 unterhalb einer Referenzspannung liegt. Diese wird von der Spannungsquelle uref vorgegeben, die mit dem Kollektoranschluss des Transistors T12 verbunden ist. Als Referenzspannung uref wird beispielsweise eine Spannung gewählt, die sich aus einer Sättigungsspannung usat des Sendeendstufentransistors zuzüglich einer Diodenspannung des Transistors T12 zusammensetzt. Die Sättigungsspannung usat legt die Schwelle fest, ab der der Sendeendstufentransistor T2 in einem nichtlinearen Bereich seiner Kennlinie zu arbeiten beginnt.
Das durch die Ausgangsspannung am Abgriff 21 erzeugte Signal wird von dem Transistor T12 detektiert und in einen Strom umgewandelt. Über einen Stromspiegel S1 wird dieser Strom zu einer weiteren Verarbeitung gespiegelt. Dazu enthält der Stromspiegel S1 die Transistoren T10, T11. Der Transistor T10 ist mit seinem Kollektoranschluss an den Transistor T12 sowie an seinen Steueranschluss angeschlossen. Der Spiegeltransistor T11 ist mit seinem Emitter an das Massepotential und mit seinem Kollektor über eine Last Z1 mit einem Versorgungspotenzialanschluss VCC verbunden. Über die Last Z1 wird das gespiegelte Stromsignal in eine Spannung vout_u gewandelt.
An dieser Spannung lässt sich erkennen, ob die Sättigungsspannung im Sendeendstufentransistor T2 erreicht wurde und damit der Verstärker in einem nichtlinearen Betrieb arbeitet. Zusätzlich ist parallel zu dem Spiegeltransistor T11 ein Kondensator C11 geschaltet, um eine bessere Auswertung und ein genaueres Ergebnis zu erhalten. Aus dem analogen Spannungssignal vout_u wird durch den Schwellwertdetektor CP2 ein binäres und damit logisches Signal voutu_bin erzeugt.
Die Strommessung erfolgt durch den Stromdetektor 3. Dieser enthält einen Transistor T4, der mit seinem Kollektoranschluss mit einer Last Z2 und einem Versorgungspotentialanschluss VCC verbunden ist. Sein Emitter ist mit dem Bezugspotentialanschluss gekoppelt. Mit seinem Steueranschluss ist der Transistor T4 des Stromdetektors 3 an den Stromspiegel des Leistungsverstärkers 1 angeschlossen.
Für das Spiegeln des Stroms des Sendeendstufentransistors T2 kann ein beliebiges Flächenverhältnis zwischen dem Transistor T2 und dem Detektortransistor T4 gewählt werden. Es ist jedoch zweckmäßig, wenn die beiden Transistoren T2 und T4 von gleicher Art sind und darüber hinaus das gleiche Eingangsimpedanzverhalten aufweisen. Die über die Last Z2 abfallende Spannung vout_i wird mit Hilfe des parallel zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T4 geschalteten Kondensators C12 geglättet. Das so geglättete Spannungssignal vout_i wird an einen Schwellwertkomparator CP1 angelegt und mit einem Schwellwert verglichen. Abhängig davon ergibt der Komparator ein logisches Signal vouti_bin an die Auswerteschaltung 6c ab. Mit Hilfe des Komparators CP1 wird entschieden, ob der Strom durch den Transistor T2 einen kritischen Wert überschritten hat.
Die Auswerteschaltung ist mit einem logischen Oder-Gatter aufgebaut und wertet die beiden binären Signale vouti_bin und voutu_bin aus. Sobald im vorliegenden Beispiel eines der beiden Signale einen hohen Pegel aufweist und damit eine logische 1 darstellt, wird von der Auswerteschaltung 6c ein Signal abgegeben. Dieses zeigt an, dass der Leistungsverstärker 1 nicht mehr in einem linearen Bereich seiner Kennlinie ar beitet und es zu möglichen Verzerrungen im verstärkten Ausgangssignal kommen kann.
9 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform für eine Linearitätsmessung. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen auch hier die gleichen Bezugszeichen. Der wesentliche Unterschied bezüglich der Ausführungsform in 8 besteht darin, den Eingang des Stromdetektors 3 direkt dem Strom des Endstufentransistors T2 des Leistungsverstärkers 1 zu entnehmen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, eventuelle Rückwirkungen von der Last 4a und L1 des Sendeendstufentransistors T2 in vollem Maß berücksichtigen zu können.
Neben den hier dargestellten Ausführungsformen mit Bipolartransistoren lassen sich auch beliebige Arten von Feldeffekttransistoren einsetzen. Dazu gehören unter anderem beispielsweise MOS-, CMOS-, HEMTS-, JFETS- oder auch MESFETS-Transistoren. Diese Feldeffekttransistoren lassen sich sowohl für die Ausbildung des Leistungsverstärkers als auch für die Ausbildung des Strom- bzw. Spannungsdetektors benutzen. So kann beispielsweise der Transistor T4 des Stromdetektors 3 als Feldeffekttransistor ausgeführt werden. Es ist jedoch genauso gut möglich, verschiedene Technologieverfahren zu verwenden und diese zu kombinieren. Die Schaltung kann demnach in reiner nMOS- oder pMOS- aber auch in BiMOS-Technik beziehungsweise Kombinationen davon realisiert sein.
Ebenso ist es möglich, anstatt der binären Signale vouti_bin bzw. Voutu_bin direkt die analogen Spannungssignale zu verwenden. Dies ermöglicht unter Umständen, flexibel auf Änderungen der Betriebsparameter des Transistors T2 zu reagieren. Somit lässt sich bereits vorzeitig die Gefahr eines Betriebs in einem nichtlinearen Bereich der Kennlinie erkennen und dies gegebenenfalls zu verhindern.
Die Mischeranordnung, insbesondere der Differenzverstärker 6, ist ohne weiteres mit Feldeffekttransistoren implementierbar. Dadurch ließe sich die Signalqualität weiter verbessern, da die oben angedeutete Problematik bezüglich pnp-Bipolar- oder npn-Bipolartransistoren entfällt.

1: Leistungsverstärker
3: Stromdetektor
4: Anpassnetzwerk
4a: Impedanz, komplexe Last
5: Antenne
6, 6a: Auswerteschaltung, Mischer
7: Tiefpassfilter
8: Analog/Digital-Wandler
9: Regelschaltung
10: Regeleingang
11: Signaleingang
12: Regeleingang
13: Signalausgang
21: Abgriff
21a: Abgriff
71: Detektorausgang
40, 41: Gleichrichterschaltung
62, 63: Signaleingänge
91: Regelausgang
90: Gilbert-Mischer
C1, C3, C4, C5: Kondensatoren
T1: Stromspiegeltransistor
L1: Spule
R2, R3: Widerstände
R4, R5: Widerstände
T2: Endstufentransistoren
T3: pnp-Bipolartransistor
T5, T6: Differenzverstärker-Transistoren
VCC: Versorgungspotenzial
V_Bat: Versorgungspotenzial

Claims

Leistungsverstärkeranordnung für den Mobilfunk, umfassend: – einen Leistungsverstärker (1) mit einem Eingang (11, 11a, 11b) zur Zuführung eines ersten Hochfrequenzsignals und mit einem Ausgang (13) zur Abgabe eines zweiten Hochfrequenzsignals, das zweite Hochfrequenzsignal aufweisend einen Strom (I_Collector) und eine Spannung (V_Collector); – ein erstes Element (21, C3, R6) zur Abgabe eines ersten von der Spannung (V_Collector) des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleiteten Signals; – ein zweites Element (3) zur Abgabe eines zweiten Signals, das dem im Wesentlichen gleichzeitig zur Spannung (V_Collector) fließenden Strom (I_Collector) des zweiten Hochfrequenzsignals nachgebildet ist; – eine Auswerteschaltung (6, 6a), die eingangsseitig mit dem ersten Element (3) und mit dem zweiten Element (21, C3, R6) gekoppelt ist und zur Abgabe eines Bewertungssignals abhängig von einer gemeinsamen Auswertung des ersten und zweiten abgeleiteten Signals ausgebildet ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Leistungsverstärker (1) eine Transistorendstufe (T2, T10, T11) mit einem Steuereingang umfasst, der mit dem Eingang (11) des Leistungsverstärkers (1) gekoppelt ist, bei welcher das zweite Element (3) zum Erfassen eines von der Transistorendstufe (T2, T10, T11) abgegebenen Stromes und das erste Element (21, C3, R6) zum im Wesentlichen gleichzeitigen Erfassen einer an einem Ausgang der Transistorendstufe (T2, T10, T11) anliegenden Spannung ausgeführt sind.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der das erste Element (21, C3, R6) eine AC-Kopplung (C3, Z3) umfasst, die mit einem Anschluss an den Signalausgang (13) des Leistungsverstärkers (1) angeschlossen und mit dem anderen Anschluss zur Abgabe eines aus der Spannung (V_Collector) des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleiteten Signals ausgeführt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das zweite Element (3) einen Transistor (T4, T31, T32) umfasst, der mit seinem Steueranschluss an den Eingang (11, 11a, 11b) des Leistungsverstärkers (1) zur Abgabe eines von dem Leistungsverstärker (1) abgegebenen Strom abgeleiteten Stromes ausgeführt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 4, bei der einem Ausgang des Transistors (T4) ein Strom-Spannungswandler (Z2) zur Strom/Spannungswandlung und ein Schwellwertdetektor () zum Vergleich der gewandelten Spannung mit einem Schwellwert nachgeschaltet ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das erste Element (21, C3, R6) einen Stromspiegel () umfasst, der mit einem Eingangszweig mit dem Ausgang (13) des Leistungsverstärkers () gekoppelt ist zur Spiegelung eines aus der Spannung (V_Collector) des zweiten Hochfrequenzsignals abgeleiteten Stroms in einen Ausgangszweig, der mit einem Strom/Spannungswandler gekoppelt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Auswerteschaltung (6) zum Erfassen eines Unterschreitens des erste Signals unter einen ersten Schwellwert oder zum Erfassen eines Überschreitens des zweiten Signals über einen zweiten Schwellwert ausgebildet ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das erste und das zweite Element () zur Abgabe von digitalen Signalen ausgebildet sind und die Auswerteschaltung (6) ein logisches Gatter umfasst, das eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Element gekoppelt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Auswerteschaltung (6) eine Detektorschaltung zum Erfassen im Wesentlichen gleichphasiger Anteile des ersten und zweiten Signals umfasst, die Detektorschaltung (6) mit dem ersten und mit dem zweiten Element (3, 21, C3, R6) gekoppelt.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Auswerteschaltung (6) einen Frequenzumsetzer und ein dem Frequenzumsetzer nach geschaltetes Tiefpassfilter (7) aufweist, der Frequenzumsetzer mit einem ersten Signaleingang (63) an das zweite Element (3) und mit einem zweiten Signaleingang (62) an das erste Element (21, C3, R6) angeschlossen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Auswerteschaltung (6) einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor (T5, T6) umfasst, deren erste Anschlüsse über einen gemeinsamen Fußpunkt an das zweite Element (3) angeschlossen sind, wobei wenigstens einer der Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Transistors (T5, T6) des Differenzverstärkers mit dem ersten Element (21, C3, R6) gekoppelt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 11, bei welcher zweite Anschlüsse des ersten und zweiten Transistors (T5, T6) des Differenzverstärkers der Auswerteschaltung (6) über einen Ladungsspeicher (C5) miteinander gekoppelt sind.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das erste Element (21, C3) eine Gleichrichterschaltung (40) umfasst zur Detektion eines Schwellwertes und zur Abgabe eines davon abgeleiteten Potentials an die Auswerteschaltung (6).
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 13, bei welcher die Gleichrichterschaltung (40) einen Transistor (T3) mit einem zu einem Ausgangstransistor (T2) des Leistungsverstärkers (1) entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Steueranschluss mit dem Ausgang (13) des Leistungsverstärkers (1) gekoppelt und dessen Ausgang über einen Entkopplungsverstärker (V1, OP1) an die Auswerteschaltung (6) angeschlossen ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Auswerteschaltung (6) einen Frequenzumsetzer (90) mit einem ersten und mit einem zweiten Spannungseingang umfasst, wobei der erste Spannungseingang an den Eingang des Leistungsverstärkers (1) und der zweite Spannungseingang an das erste Element (21) angeschlossen sind.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der eine mit einem Abgriff zwischen zweiten Element (3) und Auswerteschaltung (6) verbundene Gleichrichterschaltung (41) zur Detektion eines Schwellwertes vorgesehen ist, welche ausgangsseitig mit einem Eingang eines Vergleichers (OP1) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang (13) des Leistungsverstärkers (1) und dessen Ausgang mit einem Knoten zwischen ersten Element (21) und Auswerteschaltung (6) gekoppelt ist.
Verfahren zum Ermitteln eines Performanceparameters in einem Leistungsverstärker, umfassend die Schritte: – Vorsehen eines zu verstärkenden Signals; – Verstärken des Signals; – Abgeben eines verstärkten Signals mit einem Strom (I_Collector) und einer Spannung (V_Collector) – Erfassen einer Spannung abgeleitet von der Spannung (V_Collektor) des verstärkten Signals zu einem Zeitpunkt; – Erfassen eines ersten Signals, das dem Strom (I_Collector) des verstärkten Signals zu dem Zeitpunkt nachgebildet ist; – gemeinsames Verknüpfen der erfassten Spannung und des erfassten ersten Signals und Erzeugen eines Bewertungssignals.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt des gemeinsamen Verknüpfens den Schritt umfasst: – Phasengleiches Multiplizieren des erfassten ersten Signals und der erfassten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 18, der Schritt des phasengleichen Multiplizierens weiter umfassend die Schritte: – Erzeugen eines zweiten Signals aus der erfassten Spannung; – Mischen des ersten und zweiten Signals; – Filtern des gemischten Signals; – Erfassen eines Gleichanteils im gemischten Signal.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt des gemeinsamen Verknüpfens den Schritt umfasst: – Vergleichen der erfassten Spannung mit einem ersten Schwellwert; – Vergleichen des erfassten ersten Signals mit einem zweiten Schwellwert; – Erzeugen des Bewertungssignals, wenn die erfasste Spannung den ersten Schwellwert unterschreitet oder das erfasste erste Signal den zweiten Schwellwert überschreitet.