DE102007046047B4

DE102007046047B4 - Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE102007046047B4
Application number: DE102007046047.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Asam; Winfried Bakalski; Peter Pfann; Markus Zannoth
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: DE102007046047A1; US7486136B2; US20080074735A1

Abstract

Leistungsverstärker aufweisend: – mindestens eine erste Verstärkerschaltung (16) mit einem Ausgangsanschluß; – mindestens eine zweite Verstärkerschaltung (18) mit einem Ausgangsanschluß; – mindestens einen Koppler (32) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß (28, 30) und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß (34, 36), wobei der erste Eingangsanschluß (28) des Kopplers (32) mit dem Ausgangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung (16) gekoppelt ist und der zweite Eingangsanschluß (30) des Kopplers (32) mit dem Ausgangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung (18) gekoppelt ist; – einen Schalter (50) mit mindestens einer Eingangsklemme und mindestens zwei Ausgangsklemmen, wobei die Eingangsklemme des Schalters (50) mit dem ersten Ausgangsanschluß (34) des Kopplers (32) gekoppelt ist, wobei jede der Ausgangsklemmen des Schalters (50) mit einer jeweiligen Impedanz (38, 52) verbunden ist, wobei die Impedanzen unterschiedliche Impedanzwerte aufweisen.

Description

In drahtlosen und mobilen Kommunikationsanwendungen ist eine lange Bereitschafts- und Gesprächszeit erwünscht. Während des Betriebs einer mobilen Kommunikationsvorrichtung ist die erforderliche Ausgangsleistung der mobilen Kommunikationsvorrichtung von der Entfernung zwischen der Vorrichtung und der Basisstation abhängig. Wenn die Entfernung von der Basisstation gering ist, kann die Ausgangsleistung verringert werden, um Stromverbrauch zu verringern und die Gesprächszeit zu verlängern. Andererseits ist eine hohe Ausgangsleistung erforderlich, wenn die Entfernung zur nächsten Basisstation lang ist. Die erforderliche Ausgangsleistung ist jedoch nicht nur von der Entfernung zwischen der mobilen Kommunikationsvorrichtung und der Basisstation abhängig, sondern auch von anderen Faktoren wie beispielsweise der Orientierung der Vorrichtung, besonders der Orientierung der Antenne bezüglich der Basisstation, oder der Behinderung der mobilen Kommunikationsvorrichtung durch Infrastruktur wie beispielsweise Gebäude. Durch die sich andauernd verändernden Zustände des Empfangs und der Übertragung werden an die Leistung mobiler Kommunikationsvorrichtungen hohe Anforderungen gestellt.
Es ist eine Mehrzahl von Leistungsverstärkern vorgeschlagen worden, die für mobile Kommunikationsanwendungen geeignet sind. Beispielsweise sind Doherty-Verstärker benutzt worden. Bei anderen Ansätzen werden Leistungsteiler wie beispielsweise Wilkinson-Teiler zum Teilen des Eingangssignals und Einspeisen der aufgeteilten Signale in kleine Leistungsverstärker benutzt, die deaktiviert werden können, wenn eine geringe Ausgangsleistung gewünscht wird. Umgehen des Leistungsverstärkers ist ein weiterer, für mobile Kommunikationsanwendungen besprochener Ansatz.
Für beispielhafte Zwecke wird auf die 14 Bezug genommen, die eine theoretische Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der gewünschten Ausgangsleistung für ein IS-95-Mobilkommunikationssystem darstellt. Wie aus 14 ersichtlich, ist für die meiste Zeit eine HF-Leistung von rund 0 dBm erforderlich, wobei eine Höchstleistung von bis zu 20 dBm in Spitzensituationen erforderlich ist.
Eine mobile Kommunikationsvorrichtung ist dafür ausgelegt, Kommunikation in Bereichen sicherzustellen, die von der nächsten Basisstation entfernt liegen. Dahingehend ist die maximale Ausgangsleistung des HF-Leistungsverstärkers der mobilen Kommunikationsvorrichtung an diese extremen Situationen angepaßt. Der Wirkungsgrad eines Leistungsverstärkers ändert sich jedoch erheblich mit der Ausgangsleistung und weist ein Optimum typischerweise in einem Sättigungsmodus auf. 15 zeigt eine typische Leistungskennlinie und die Abhängigkeit des Wirkungsgrades (power added efficiency (PAE)) als Funktion der Eingangsleistung. 15 zeigt, daß der Stromverbrauch in bezug auf die gewünschte Ausgangsleistung nicht linear ist. Insbesondere wird bei kleinen Leistungspegeln der Wirkungsgrad hauptsächlich durch den Ruhestrom des Leistungsverstärkers bestimmt, der nicht weiter herabgesetzt werden kann, ohne Umschalten von einem A-Betrieb in einen B- oder C-Betrieb des Verstärkers zu verhindern. Dadurch wird auch die Nicht-Linearität des Leistungsverstärkers erhöht. Auch ist es erwünscht, im sogenannten ”Back-off”-Bereich des Verstärkers zu arbeiten (Unteraussteuerung), um einen linearen Gang des Verstärkers sicherzustellen, der beispielsweise auf Grundlage von Eingangsamplituden- zu Ausgangsamplitudenverzerrung (AM/AM) oder Eingangsamplituden zu Ausgangsphasenverhältnis (AM/PM) bewertet wird.
Leistungsverstärker sind beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben: US 2006/0119433 ; US 6,806,768 ; US 2004/0183593 ; US 2004/0189380 ; US 6,873,224 ; US 2004/0217817 , US 6,711,392 und US 6,297,696 ; sowie Fazal Ali and Allen Podell ”A Wide-Band GaAs Monolithic Spiral Quadrature Hybrid and its Circuit Applications”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 26, No. 10, October 1991, 1394–1398.
Die in US 6,710,650 beschriebene RF-Verstärkeranordnung verfügt über zwei rauscharme Verstärker (LNAs) und jeweils eine dahinter geschalteten Koppler, sowie einen Bypass, um das Signal an den Verstärker vorbeizuführen.
EP 0 247 615 A1 offenbart einen Sender für kurze elektromagnetische Wellen, bei dem die Ausgänge der Leistungsendstufen über ein Gabelschaltungen und Überträger aufweisendes Netzwerk zu einem Summenausgang vereinigt sind.
Um zumindest einige der zuvor geschilderten Probleme zu beseitigen bzw. abzumildern, wird ein Leistungsverstärker vorgeschlagen, der unterschiedliche Nennleistungen bei weitgehend gleicher Effizienz abgeben kann.
In einer Ausführungsform umfaßt ein Leistungsverstärker mindestens eine erste Verstärkerschaltung mit einem Ausgangsanschluß und mindestens eine zweite Verstärkerschaltung mit einem Ausgangsanschluß. Der Leistungsverstärker umfaßt weiterhin mindestens einen Koppler (Ausgangskoppler) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß. Der erste Eingangsanschluß des Kopplers ist an den Ausgangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung angekoppelt (bzw. mit diesem verbunden) und der zweite Eingangsanschluß des Kopplers ist an den Ausgangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung angekoppelt (bzw. mit diesem verbunden). Der Leistungsverstärker umfaßt weiterhin einen Schalter mit mindestens einer Eingangsklemme und mindestens zwei Ausgangsklemmen. Die Eingangsklemme des Schalters ist an den ersten Ausgangsanschluß des Kopplers angekoppelt (bzw. mit diesem verbunden), wobei jede der Ausgangsklemmen des Schalters mit einer jeweiligen Klemmenimpedanz verbunden ist, wobei die Klemmenimpedanzen unterschiedliche Impedanzwerte aufweisen. Der Begriff Klemmimpedanz wird nachfolgend sinngleich zu dem Begriff Impedanz verwendet.
In einer Ausführungsform bieten Koppler wie beispielsweise Hybridkoppler eine Mehrzahl von Vorteilen wie beispielsweise Bereitstellen von Impedanzen, die an abgeschlossene Anschlüsse des Leistungsverstärkers angepaßt sind. Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Leistungsverstärkers kann verringert werden, da die Koppler erlauben, daß ein Teil der von einem Ausgang des Leistungsverstärkers reflektierten Leistung mindestens teilweise durch die Klemmenimpedanz verbraucht wird. Dadurch kann verhindert werden, daß die reflektierte Ausgangsleistung zu den Verstärkerschaltungen übertragen wird.
In einer Ausführungsform umfaßt eine Leistungsverstärkerschaltung mindestens eine erste Verstärkerschaltung, die einen Eingangsanschluß umfaßt, und mindestens eine zweite Verstärkerschaltung, die einen Eingangsanschluß umfaßt. Die Leistungsverstärkerschaltung umfaßt weiterhin mindestens einen Koppler (Eingangskoppler) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß. Der erste Ausgangsanschluß des Kopplers ist an den Eingangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung angekoppelt (bzw. mit diesem verbunden), wobei der zweite Ausgangsanschluß des Kopplers an den Eingangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung angekoppelt ist (bzw. mit diesem verbunden) und der erste Eingangsanschluß des Kopplers an einen Eingangsanschluß des Leistungsverstärkers angekoppelt ist (bzw. mit diesem verbunden). Der Leistungsverstärker umfaßt weiterhin einen Schalter mit mindestens einer Ausgangsklemme und mindestens zwei Eingangsklemmen, wobei die Ausgangsklemme des Schalters an den zweiten Eingangsanschluß des Kopplers angekoppelt ist (bzw. mit diesem verbunden) und jede der Eingangsklemmen des Schalters mit einer getrennten Klemmenimpedanz mit einem unterschiedlichen Impedanzwert verbunden ist.
In einer Ausführungsform ist ein Leistungsverstärker mit einem ersten Verstärkungsmittel zum Verstärken eines Signals und einem zweiten Verstärkungsmittel zum Verstärken eines Signals bereitgestellt. Der Leistungsverstärker umfaßt weiterhin ein Koppelmittel mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß zum Kombinieren der durch das erste und zweite Verstärkungsmittel verstärkten Signale am zweiten Ausgangsanschluß des Koppelmittels. Ein Schaltmittel ist an den ersten Ausgangsanschluß des Koppelmittels angekoppelt (bzw. mit diesem verbunden), um den ersten Ausgangsanschluß des Koppelmittels wählbar an getrennte Klemmenimpedanzen anzukoppeln (bzw. mit diesen zu verbunden).
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsverstärkers mit folgenden Schritten bereitgestellt:

– Teilen eines Eingangssignals zum Bereitstellen mindestens zweier geteilter Signale;
– Verstärken jedes der geteilten Signale durch mindestens zwei Verstärkerschaltungen;
– Kombinieren der verstärkten geteilten Signale durch einen Koppler (Ausgangskoppler) an einem Ausgangsanschluß des Kopplers, wobei ein weiterer Ausgangsanschluß des Kopplers an eine nominelle Klemmenimpedanz angekoppelt ist; und
– Verringern der Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers durch folgende Schritte: – Deaktivieren einer der zwei Verstärkerschaltungen; – Abtrennen der nominellen Klemmenimpedanz von dem weiteren Ausgangsanschluß des Kopplers; und – Verbinden einer nichtnominellen Klemmenimpedanz mit einem Impedanzwert, der sich von dem Impedanzwert des nominellen Klemmenwiderstands unterscheidet, mit einem weiteren Ausgangsanschluß des Kopplers.

Eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich der bevorzugten Ausführungsformen wird ausführlich im folgenden dargelegt.
1 zeigt eine allgemeine Anordnung eines symmetrischen Leistungsverstärkers mit Hybridkopplern.
2 zeigt eine ausführlichere Anordnung eines symmetrischen Leistungsverstärkers zeigt, der in einem ”Hochleistungsmodus” gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet.
3a und 3b zeigen den symmetrischen Leistungsverstärker, der in einem ”Kleinleistungsmodus” gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet.
4 zeigt einen symmetrischen Leistungsverstärker, der in einem ”Kleinleistungsmodus” gemäß einer Ausführungsform mit zwei Haupt- und zwei Hilfs-Verstärkerschaltungen arbeitet.
5 zeigt den Leistungsverstärker der 4, der in einem ”Mittelleistungsmodus” arbeitet.
6 zeigt einen symmetrischen Leistungsverstärker gemäß einer Ausführungsform mit vier Verstärkerschaltungen.
7 zeigt die Anordnung eines Kopplers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt die übertragenen und reflektierten Signale durch den Koppler, wenn nur die erste Verstärkerschaltung aktiviert ist.
9 zeigt die übertragenen und reflektierten Signale durch den Koppler, wenn nur die zweite Verstärkerschaltung aktiviert ist.
10 zeigt das vom Hybridkoppler reflektierte Signal, wenn die erste und die zweite Verstärkerschaltung aktiviert sind.
11 zeigt die Phasenkorrelation der übertragenen Signale.
12 zeigt einen durch konzentrierte Schaltelemente gemäß einer Ausführungsform ausgelegten Hybridkoppler.
13 zeigt einen durch zentrierte Schaltelemente gemäß einer Ausführungsform ausgelegten Hybridkoppler.
14 zeigt eine Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der erforderlichen Ausgangsleistung eines IS95/UMTS-Mobilkommunikationssystems.
15 zeigt die Kennlinie eines herkömmlichen Leistungsverstärkers.
16 zeigt die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad des symmetrischen Leistungsverstärkers (2), wenn beide Verstärkerschaltungen aktiviert sind.
17 zeigt die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad des symmetrischen Leistungsverstärkers (2), wenn nur eine der Verstärkerschaltungen aktiviert ist, ohne jegliche Impedanzanpassung.
18 zeigt die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad des symmetrischen Leistungsverstärkers (3a und 3b), wenn nur eine der Verstärkerschaltungen aktiviert ist, mit Impedanzanpassung an den Kopplern.
19A und 19B zeigen das Kleinsignal- und das Großsignal-Verhalten eines symmetrischen Leistungsverstärkers.
20A, 20B und 20C zeigen das Großsignal-Verhalten eines symmetrischen Leistungsverstärkers, bei Deaktivierung einer beliebigen seiner Verstärkerschaltungen.
Es wird nunmehr ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleichartige Elemente. Die Beispiele sind zur Erläuterung bereitgestellt und sind nicht als Begrenzung der Erfindung bestimmt.
Die Erfindung wird in Verbindung mit einem symmetrischen (engl. balanced) Leistungsverstärker mit einem ersten bzw. Signalteilungskoppler und einem zweiten bzw. Signalkombinierungskoppler beschrieben. Die Erfindung soll jedoch nicht als auf die speziell gezeigten Ausführungsformen beschränkt aufgefaßt werden. Das Umschalten der Klemmenimpedanz, wie unten beschrieben, kann entweder auf den ersten oder den zweiten Koppler oder auf beide angewandt werden. Weiterhin können die Impedanz- oder Widerstandswerte nomineller und nichtnomineller Impedanzen Werte aufweisen, die sich von den in den Ausführungsformen angegebenen Werten unterscheiden. Weiterhin sind die Koppler der Ausführungsformen 90°-Hybridkoppler. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die bestimmten in den Ausführungsformen benutzten Koppler beschränkt. Auch ist die Erfindung nicht auf Mobilkommunikationsanwendungen beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auf jede Anwendung anwendbar, bei der unterschiedliche Leistungsmodi eines Verstärkers gewünscht sind, wie beispielsweise bei drahtlosen Kommunikationsanwendungen.
1 zeigt eine allgemeine Anordnung eines symmetrischen Verstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der symmetrische Verstärker 2 umfaßt einen ersten Koppler 4, der hier einen Eingangskoppler darstellt, mit einem ersten Eingangsanschluß 6 und einem zweiten Eingangsanschluß 8. Der erste Eingangsanschluß 6 des ersten Kopplers 4 definiert einen Eingang des symmetrischen Verstärkers 2. Der zweite Eingangsanschluß 8 des Kopplers 4 ist mit einem nominellen Klemmenwiderstand bzw. einer nominellen Klemmenimpedanz 10 abgeschlossen, die beispielsweise durch einen 50-Ohm-Widerstand realisiert sein kann. Die Klemmenimpedanz ist jedoch nicht auf 50 Ohm beschränkt. Andere nominelle Klemmenimpedanzen sind denkbar und von der tatsächlichen Auslegung des symmetrischen Leistungsverstärkers abhängig. Beispielsweise beträgt die nominelle Klemmenimpedanz in 100-Ohm-Systemen 100 Ohm.
Der Koppler 4 umfaßt weiterhin einen ersten und zweiten Ausgangsanschluß 12 und 14, die über optionale Anpaßnetzwerke 20 und 22 mit einer ersten und einer zweiten Verstärkerschaltung 16 und 18 verbunden sind. Die ersten und zweiten Verstärkerschaltungen 16, 18 sind hier als einzelne Bipolartransistoren dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Verstärkerschaltungen können andere aktive Einzelverstärkervorrichtungen wie beispielsweise Bipolartransistoren (BJT – Bipolar Junction Transistor) oder HBTs (Heterojunction Bipolar Transistor) oder FETs wie beispielsweise HEMTs (High Electromobility Transistor), MOS-Transistoren (Metal Oxide Semiconductor Transistor) oder MESFETs (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) auf Siliziumhalbleiter- oder III-V-Halbleiter-Basis (wie beispielsweise GaAs) oder Operationsverstärker umfassen oder können Schaltungen umfassen, die durch mehr als ein aktives und passives Bauelement gebildet werden. BJTs werden in Siliziumhalbleitersubstraten gebildet, während HBTs in SiGe/SiGeC- und III-V-Halbleitermaterialien wie beispielsweise InP und GaAs gebildet werden können. Wie im weiteren offensichtlich werden wird, können erste und zweite Verstärkerschaltungen 16 und 18 auch durch symmetrische Leistungsverstärker, in Kaskade geschaltete Leistungsverstärker oder Verstärker mit zwei oder mehr Verstärkerstufen gebildet werden. Die ersten und zweiten Verstärkerschaltungen 16 und 18 weisen vorzugsweise den gleichen Aufbau auf, so daß ein ausgeglichener und daher symmetrischer Leistungsverstärker gebildet wird. Weiterhin sind optionale Anpaßnetzwerke 24 und 26 mit den jeweiligen Ausgängen der Verstärkerschaltungen 16, 18 verbunden, um die Verstärkerschaltungen 16, 18 an einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß 28, 30 eines zweiten Kopplers 32, der hier einen Ausgangskoppler darstellt, anzukoppeln. Ein erster Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 ist mit einem Klemmenwiderstand bzw. einer Klemmenimpedanz 38 abgeschlossen, die ein nomineller Klemmenwiderstand von 50 Ohm sein kann. Wie ausführlicher unten beschrieben, kann der erste Ausgang 34 des zweiten Kopplers 32 während des Betriebs des symmetrischen Verstärkers wahlweise mit separaten Klemmenimpedanzen verbunden sein. Der Ausgangsanschluß 36 des zweiten Kopplers 32 liefert ein verstärktes Signal und ist an eine Last wie beispielsweise eine (nicht gezeigte) Antenne angekoppelt.
Der erste und zweite Koppler 4 und 32 sind vorzugsweise 90°-Hybridkoppler, die in Abhängigkeit von dem Abschluß an ihren Anschlüssen Signale zu teilen oder zu kombinieren erlauben. Beispielsweise ist der zweite Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 mit einer geeigneten Klemmenimpedanz wie beispielsweise einer nominellen Klemmenimpedanz von rund 50 Ohm abgeschlossen. Das in den ersten Eingangsanschluß 6 des ersten Kopplers 4 eingespeiste Signal wird geteilt und ein Teil des Signals erscheint am ersten Ausgangsanschluß 12 und der restliche Teil am zweiten Ausgangsanschluß 14. Wie in 1 angedeutet, wird das Signal am zweiten Ausgangsanschluß 14 eine Phase aufweisen, die um rund –90° zu dem Signal am ersten Ausgangsanschluß 12 verschoben ist. Wenn die Verstärkerschaltungen 16 und 18 ordnungsgemäß angepaßt sind, wird am zweiten Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 keine Signalleistung erscheinen und daher wird die Leistung des an den Koppler am ersten Eingangsanschluß 6 angelegten Eingangssignals vom Koppler 4 geteilt und zu der ersten und zweiten Verstärkerschaltung 16 und 18 übertragen.
Wenn andererseits der erste Ausgangsanschluß 12 durch eine geeignete Klemmenimpedanz wie beispielsweise eine nominelle Klemmenimpedanz von beispielsweise 50 Ohm abgeschlossen ist, wie es der Fall für den zweiten Koppler 32 ist, wird die Leistung von in den zweiten Koppler 32 an seinen ersten und zweiten Eingangsanschlüssen 28 und 30 eingespeisten Eingangssignalen durch den zweiten Koppler 32 kombiniert und als kombiniertes Signal am zweiten Ausgangsanschluß 36 erscheinen bzw. abgegeben, der beispielsweise an eine Antenne angekoppelt ist. Vom ersten Koppler 4 wird das in die zweite Verstärkerschaltung 18 eingespeiste Signal um rund –90° zu dem in die erste Verstärkerschaltung 16 eingespeisten Signal verschoben. Der zweite Koppler 32 stellt ebenfalls eine Phasenverschiebung zu den Eingangssignalen bereit, so daß das in den ersten Eingangsanschluß 28 eingespeiste Eingangssignal um rund –90° zu dem in den zweiten Eingangsanschluß 30 eingespeisten Signal phasenverschoben wird, so daß die in den ersten und zweiten Eingangsanschluß 28 bzw. 30 eingespeisten Signale keine Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Die Signale sind daher am zweiten Ausgangsanschluß 36 des zweiten Kopplers 32 ”gleichphasig” kombiniert. Durch die Phasenverschiebungseigenschaften von Hybridkopplern können symmetrische Verstärker konstruiert werden. Hybridkoppler mit 90° Phasenverschiebung zwischen den Signalen an Ausgangsanschlüssen sind daher bevorzugt. Ein Beispiel eines solchen Hybridkopplers ist ein Abzweigleitungskoppler (engl. branch line coupler). Einzelbeispiele sind Lange-Koppler oder mit konzentrierten (engl. lumped) bzw. diskreten Schaltelementen konstruierte Phasenhybridschaltungen wie später beschrieben.
Im Idealfall erscheint keine Leistung am Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers. Dies ist jedoch teilweise von der Impedanz der an den zweiten Ausgangsanschluß 36 angekoppelten Last abhängig. Wenn die Impedanz der Last nicht an die Ausgangsimpedanz des zweiten Ausgangsanschlusses 36 angepaßt ist, wird ein Teil der durch den zweiten Ausgangsanschluß 36 übertragenen Leistung durch die Last reflektiert und würde dann zu den Verstärkerschaltungen 16 und 18 zurück übertragen werden. An den zweiten Ausgangsanschluß 36 angekoppelte Antennen weisen beispielsweise eine veränderliche Last auf, da ihre Orientierung bezüglich einer Basisstation und der umgebenden Infrastruktur wie beispielsweise Gebäude die Abstrahlungskennlinie der Antenne und daher ihre Eingangsimpedanz beeinflußt.
Auf 2 und 3 bezugnehmend wird ein symmetrischer Leistungsverstärker gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Um Wiederholung zu vermeiden, sind gleiche Bezugsziffern gleichen Teilen zugewiesen. Gemäß der Darstellung in 2 können die Verstärkerschaltungen 16 und 18 durch Verstärker-Steuerschalter 40 und 42 wahlweise (d. h. separat oder zusammen) aktiviert und deaktiviert werden, die entweder V_cc oder die an die Leistungsverstärker 16 und 18 angelegte Vorspannung umschalten. Durch Deaktivieren einer der Verstärkerschaltungen kann die Ausgangsleistung des symmetrischen Leistungsverstärkers 2 um rund die Hälfte der Ausgangsleistung bzw. annähernd rund 3 dB verringert werden.
Verringern der Ausgangsleistung des symmetrischen Leistungsverstärkers durch Deaktivieren einer der Verstärkerschaltungen kann zu einer Neuanpassung der mit dem ersten Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 verbundenen Klemmenimpedanz führen. Zu diesem Zweck ist ein Schalter 50 (oder ein zweiter Schalter) mit seiner Eingangsklemme mit dem ersten Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 34 verbunden. Der (zweite) Schalter 50 erlaubt eine wahlweise Verbindung des ersten Ausgangsanschlusses 34 mit entweder der nominellen Klemmenimpedanz 38 oder der nichtnominellen Klemmenimpedanz 52. Verbinden des ersten Ausgangsanschlusses 34 des zweiten Kopplers 32 mit der nichtnominellen Klemmenimpedanz 52 bewirkt eine Deaktivierung eines der Signalwege. Ein Signalweg umfaßt eine der Verstärkerschaltungen. Wenn beispielsweise die erste Verstärkerschaltung 16 deaktiviert wird, ist der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 mit einer kleinen Klemmenimpedanz verbunden. Wenn andererseits der zweite Leistungsverstärker 18 deaktiviert wird, ist der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 mit hoher Klemmenimpedanz verbunden.
Die Auswirkung des Verbindens von entweder einer kleinen oder einer hohen nichtnominellen Klemmenimpedanz 52 mit dem ersten Ausgangsanschluß 34 ist ausführlicher in 8 und 9 dargestellt. Hohe oder kleine Klemmenimpedanz ist in Bezug auf die nominelle Klemmenimpedanz 38 zu verstehen. Im Idealfall sollte die kleine Klemmenimpedanz 0 Ohm betragen, d. h. der erste Ausgangsanschluß 34 ist direkt mit Masse verbunden. Andererseits ist die hohe Klemmenimpedanz vorzugsweise unendlich, d. h. der erste Ausgangsanschluß 34 sollte mit einer Impedanz mit einem unendlich hohen Wert verbunden sein. In praktischen Anwendungen wird jedoch der tatsächliche Wert der nichtnominellen Klemmenimpedanz 52 durch die Impedanz von beispielsweise einem MOSFET-Transistor und seinen Kanal zusammen mit der Impedanz von Verbindungsleitungen und Metallisierungen gebildet. Wenn beispielsweise der MOSFET eingeschaltet wird (MOSFET-Kanal verbindet Source mit Drain), kann ein kleiner Impedanzwert von rund 5 Ohm oder weniger oder sogar 1 Ohm oder weniger erreicht werden. Wenn andererseits der MOSFET ausgeschaltet wird (Source und Drain sind durch den MOSFET-Kanal getrennt), kann ein hoher Impedanzwert von rund 1 kOhm oder höher erhalten werden. Für viele Anwendungen sind diese Werte ausreichend zur Bereitstellung geeigneter Impedanzanpassung. Zusätzlich zu einem ohmschen Teil kann der Kanal des MOSFET auch einen kapazitiven Teil bereitstellen, der insbesondere erheblich sein wird, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist. Der kapazitive Teil wird durch die Substratkapazität zwischen dem Kanal und dem Substrat gebildet. Die nichtnominelle Impedanz 52 weist so im allgemeinen einen komplexen Wert auf.
In der 2 ist die Situation eines ”Hochleistungsmodus” dargestellt, wobei beide Verstärkerschaltungen 16 und 18 aktiviert sind und der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 mit der nominellen Klemmenimpedanz 38 von rund 50 Ohm verbunden ist. Dazu symmetrisch ist der zweite Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 ebenfalls mit der nominellen Klemmenimpedanz 10 verbunden, die ebenfalls rund 50 Ohm beträgt.
In der 3a ist ein ”Kleinleistungsmodus” dargestellt. In dieser Situation ist die zweite Verstärkerschaltung 18 durch Abtrennen von V_CC bzw. der Vorspannung durch den Verstärkersteuerschalter 42 deaktiviert. Die eingeschalteten Verstärkersteuerschalter sind in der 3a umkreist. Deaktivierung der zweiten Verstärkerschaltung 18 kann zu einer Neuanpassung der Koppler 4 und 32 führen. Daher sind der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 und der zweite Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 vorzugsweise jeweils durch erste und zweite Schalter 49 bzw. 50 mit hohen Impedanzen 52, 54 verbunden. Zur Neuanpassung würde es ausreichen, den ersten Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 mit der hohen nichtnominellen Impedanz 52 zu verbinden und die nominelle Klemmenimpedanz 10 von 50 Ohm mit dem zweiten Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 verbunden zu halten. Wenn nur der Schalter 50 betätigt wird, d. h. nur der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 mit hoher Impedanz 52 verbunden ist, während der zweite Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 mit der nominellen Klemmenimpedanz 10 verbunden bleibt, wird die Maximalleistung um rund 3 dB verringert. Jedoch wird die Verstärkung ebenfalls um rund 3 dB verringert, da der erste Koppler aufgrund der Deaktivierung der zweiten Verstärkerschaltung 18 einfach als Dämpfungsglied wirkt. In dieser Situation wird die Sättigungsleistung (P_SAT) nur um rund 3 dB verringert, wie aus den später beschriebenen 15 bis 18 ersichtlich sein wird. Durch eine symmetrische Neuanpassung wie in 3a und 3b dargestellt, wird andererseits eine Gesamt-Verstärkungsverringerung von nur 3 dB bereitgestellt und dabei ein sehr hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten. Dies ist durch eine Simulation des symmetrischen Leistungsverstärkers der 2 und 3 bestätigt worden. Die Simulationsergebnisse werden später in Verbindung mit 16 bis 18 beschrieben.
In 3b ist ein weiterer ”Kleinleistungsmodus” dargestellt. In diesem Modus ist die erste Verstärkerschaltung 16 deaktiviert während die zweite Verstärkerschaltung 18 aktiv gehalten wird. Deaktivierung der ersten Verstärkerschaltung 16 wird durch Ausschalten des Verstärkersteuerschalters 40 bewirkt, während die Verstärkersteuerschalter 42 eingeschaltet bleibt. Zur symmetrischen Neuanpassung wird der zweite Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 und der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 jeweils mit einer jeweiligen geringen Impedanz 52, 54 von rund 5 Ohm oder weniger abgeschlossen.
Die ersten und zweiten Verstärkerschaltung 16 und 18 können alternativ deaktiviert werden, um den Leistungsverstärker in einen ”Kleinleistungsmodus” zu bringen. Je nachdem welche Verstärkerschaltung 16 oder 18 deaktiviert ist, wird Neuanpassung mit entweder niedriger oder hoher Impedanz durchgeführt. Im allgemeinen werden bei Deaktivierung der ersten Verstärkerschaltung 16 niederwertige Impedanzen an den ersten Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers und vorzugsweise auch an den zweiten Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 angekoppelt. Wenn andererseits die zweite Verstärkerschaltung 18 deaktiviert wird, werden hochwertige Impedanzen an den ersten Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 und vorzugsweise auch an den zweiten Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 angekoppelt.
In vielen Anwendungen wird der Schalter 50 zum Umschalten zwischen nomineller Klemmenimpedanz 38 und der entweder hochwertigen oder bzw. niederwertigen nominellen Impedanz 52 benutzt. Da ein symmetrischer Leistungsverstärker typischerweise identische Verstärkerschaltungen 16 und 18 aufweist, genügt es, beispielsweise nur die zweite Verstärkerschaltung 18 zu deaktivieren, um den symmetrischen Leistungsverstärker in einen ”Kleinleistungs”-Modus zu bringen. In diesem Fall sind die Ausgangsklemmen des Schalters 50 mit der nominellen Impedanz 38 und der nichtnominellen hochwertigen Impedanz 52 verbunden, um die Koppler wahlweise (selektiv) mit der nominellen Impedanz 38 oder der hochwertigen nichtnominellen Impedanz 52 zu verbinden. Als Alternative könnte die erste Verstärkerschaltung 16 stets deaktiviert sein. Hier sind die Ausgangsklemmen des Schalters 50 mit der nominellen Impedanz 38 und der niederwertigen nichtnominellen Impedanz 52 verbunden, um wahlweise zwischen diesen umzuschalten. Es ist jedoch auch denkbar, eine beliebige der Verstärkerschaltungen 16 und 18 zu deaktivieren. In diesem Fall ist der Schalter 50 so angeordnet, daß er Verbindung mit einer der nominellen hochwertigen und niederwertigen Impedanz erlaubt. Für diesen Zweck kann der Schalter 50 oder eine Schalteinheit drei Ausgangsklemmen umfassen.
Ein Vorteil des symmetrischen Leistungsverstärkers, so wie er oben beschrieben ist, besteht darin, daß er im wesentlichen unabhängig von der Last arbeiten kann und Umschalten zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Leistungsmodi ermöglicht.
Weiterhin besitzt der symmetrische Leistungsverstärker einen hohen Wirkungsgrad in jedem Modus, so daß eine lineare Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad selbst in einem ”Kleinleistungs”-Modus ermöglicht wird.
Die Auswirkung des Umschaltens zwischen separaten Klemmenimpedanzen mit unterschiedlichen Impedanzwerten wird als nächstes in Verbindung mit 7 bis 11 beschrieben. 7 zeigt einen Abzweigleitungskoppler 60, der vorzugsweise als Koppler 4 bzw. 32 benutzt wird. Der Abzweigleitungskoppler 60 umfaßt zwei parallele Übertragungsleitungen 61, 62 mit einer Länge entsprechend einer Viertelwellenlänge λ. Die Übertragungsleitungen 61, 62 sind durch Viertelwellenlängenleitungen 63 bzw. 64 gekoppelt. Die Länge der jeweiligen Übertragungsleitungen ist für eine gegebene Arbeitsfrequenz ausgelegt, zu welcher die Wellenlänge λ korrespondiert. Der Abzweigleitungskoppler 60 weist zwei Eingangsanschlüsse In1, In2 und zwei Ausgangsanschlüsse Out1, Out2 auf, die den jeweiligen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der in 2, 3a und 3b gezeigten Koppler 4 und 32 entsprechen. Die in 7 bis 11 gezeigten Abzweigleitungskoppler arbeiten als Leistungskombinationskoppler. Der Ausgangsanschluß Out1 des Abzweigleitungskopplers 60 ist daher durch die nominelle Klemmenimpedanz Z_TERM abgeschlossen.
Bei Verwendung eines 90°-Hybridkopplers, beispielsweise des Abzweigleitungskopplers 60, als Leistungskombinierer in einem symmetrischen Leistungsverstärker, so wie es der Fall für den zweiten Koppler 32 ist, wird der erste Ausgangsanschluß Out1 des Kopplers durch die nominelle Impedanz Z_TERM abgeschlossen, die typischerweise ein 50-Ohm-Widerstand ist. Der zweite Ausgangsanschluß Out2 ist an eine Last angekoppelt, die beispielsweise eine Antenne sein kann. In den 7 bis 11 sind der erste und zweite Ausgangsanschluß als Out1 bzw. Out2 bezeichnet. Weiterhin sind erste und zweite Eingangsanschlüsse der Koppler durch In1 bzw. In2 bezeichnet. Der erste und zweite Eingangsanschluß In1, In2 sind an jeweilige erste und zweite Verstärkerschaltungen angekoppelt, die in 8 bis 11 durch Amp1 bzw. Amp2 dargestellt sind. Wenn beide Verstärker aktiv und mit dem Koppler verbunden sind, werden die Ausgangssignale der Verstärker am zweiten Ausgangsanschluß Out2 kombiniert. Die Signalwege durch den Koppler sind für diesen Fall in der 11 dargestellt. Darin zeigen die durchgezogenen Linien die Signalwege zum zweiten Ausgangsanschluß Out2, während die strichgepunkteten Linien die Signalwege zum ersten Ausgangsanschluß Out1 zeigen. Die Signale des ersten und zweiten Leistungsverstärkers sind aufgrund der Wirkung des ersten Kopplers 4 (1) um rund –90° zueinander verschoben. Wenn das Signal jedes Verstärkers durch den Koppler übertragen wird, wird das Signal durch jede Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung 61, 62, 63, 64 um rund λ/4 bzw. –90° verzögert.
Beispielsweise wird das Signal des zweiten Verstärkers mit einer Phase von –90° in den zweiten Eingangsanschluß In2 eingespeist. Das Signal wird durch die Übertragungsleitung 62 weiterhin um –90° verzögert, so daß das Signal am zweiten Ausgangsanschluß Out2 eine Phase von rund –180° aufweisen wird. Andererseits ist das in den ersten Eingangsanschluß In1 eingespeiste Signal des ersten Verstärkers nicht phasenverschoben. Da jedoch das Signal des ersten Verstärkers die Viertelwellenlängenleitung 63 und Übertragungsleitung 62 (oder Übertragungsleitungen 61 und 64) durchläuft wird dem Signal des ersten Verstärkers am zweiten Ausgangsanschluß Out2 eine Gesamt-Phasenverschiebung von –180° hinzugefügt. Beide Signale weisen daher eine Phase von –180° am zweiten Ausgangsanschluß auf und sind daher ”gleichphasig” und am zweiten Ausgangsanschluß Out2 kombiniert.
Andererseits sind die Signale der ersten und zweiten Verstärkerschaltungen, die am ersten Ausgangsanschluß Out1 kombiniert sind, um rund 180° zueinander phasenverschoben und löschen einander daher aus. Eine vollständige Löschung wird erhalten, wenn beide Signale die gleiche Stärke aufweisen. Es werden daher vorzugsweise identische Verstärkerschaltungen benutzt und der erste Koppler 4 sollte das Eingangssignal symmetrisch zwischen der ersten und zweiten Verstärkerschaltung teilen. Die geteilten Signale werden daher am zweiten Ausgangsanschluß Out2 kombiniert, während zum ersten Ausgangsanschluß Out1 keine Leistung übertragen wird.
In der 10 wird ein weiterer Vorteil eines 90°-Hybridkopplers dargestellt. Rund die Hälfte der Leistung, die durch die durch Z_OUT angezeigte und an den zweiten Ausgangsanschluß Out2 angekoppelte Last reflektiert wird, wird zur Impedanz Z_TERM übertragen und verbraucht, so daß nur ein Teil der reflektierten Leistung zum ersten und zweiten Eingangsanschluß In1 und In2 übertragen wird. Der Fluß der reflektierten Leistung ist in der 10 durch gepunktete Linien angedeutet.
Die Funktionsweise eines oben in Verbindung mit dem Abzweigleitungskoppler 60 erläuterten 90°-Hybridkopplers ist typisch für eine symmetrische Funktionsweise der ersten und zweiten Verstärkerschaltung, d. h. wenn beide Verstärkerschaltungen aktiv sind. Wenn nur eine Verstärkerschaltung aktiv ist, findet keine Signallöschung am ersten Ausgangsanschluß Out1 statt. Es wird daher rund die Hälfte der Leistung des in den Koppler eingespeisten Signals durch Z_TERM verbraucht, wodurch sich eine bedeutsame Verringerung der Ausgangssignalleistung ergibt. Infolgedessen wird nur rund die Hälfte des Signals zum zweiten Ausgangsanschluß Out2 und infolgedessen zur Last übertragen. Um dies zu vermeiden, wird der erste Ausgangsanschluß Out1 an nichtnominelle Impedanzen mit hohen oder niedrigen Werten in Abhängigkeit davon, welche Verstärkerschaltung deaktiviert ist, angekoppelt.
8 zeigt die Situation, wenn die zweite Verstärkerschaltung Amp2 deaktiviert ist (”aus”) und nur der erste Verstärker Amp1 aktiv ist (”ein”). In diesem Modus ist der erste Ausgangsanschluß Out1 des Kopplers 60 mit einer hochwertigen Impedanz verbunden. Dies ist in 8 durch einfaches Abtrennen der nominellen Impedanz Z_TERM dargestellt, so daß der erste Ausgangsanschluß Out1 offen ist. Das elektrische Äquivalent dessen ist eine Ankopplung an hochwertige Impedanz, die geerdet ist. Wie aus 8 ersichtlich wird, wird der offene Stromkreis (abgetrennter erster Ausgangsanschluß Out1) durch den Koppler 60 in einen offenen zweiten Eingangsanschluß In2 umgewandelt; die Eingangsimpedanz des zweiten Eingangsanschlusses In2 wird daher hoch. In dieser Situation wirkt der Koppler 60 einfach als 90°-Phasenschieber bezüglich des ersten Eingangsanschlusses In1.
Alternativ kann die erste Verstärkerschaltung deaktiviert werden (Amp1 ist ”aus”). In diesem Fall ist der erste Ausgangsanschluß Out1 mit einer niederwertiger Impedanz verbunden, was in 9 durch Verbinden des ersten Ausgangsanschlusses Out1 mit einer Erdklemme dargestellt ist. Das elektrische Äquivalent dessen ist Ankoppeln an eine niederwertige Impedanz, die geerdet ist. Der geschlossene Stromkreis des ersten Ausgangsanschlusses Out1 wird in einen offenen Stromkreis am ersten Eingangsanschluß In1 umgewandelt; die Eingangsimpedanz am ersten Eingangsanschluß In1 wird daher hoch. Der Kurzschluß beeinflußt daher nicht die Funktionsweise des Kopplers 60 und das Signal wird zum zweiten Ausgangsanschluß Out2 übertragen. Niederwertige Impedanz sollte vorzugsweise den geringstmöglichen Wert aufweisen, da eine sehr kleine Impedanz am ersten Eingangsanschluß In1 zu einer sehr hohen Eingangsimpedanz führt. Bei vielen Anwendungen genügt Verbinden des ersten Ausgangsanschlusses Out1 mit einem Widerstand von 5 Ohm oder weniger. Der Signalweg ist in 9 und 10 durch durchgezogene Linien angedeutet, während die Umwandlung des ersten Ausgangsanschlusses Out1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
Es soll angemerkt werden, daß in den oben beschriebenen Situationen angenommen wird, daß der Ausgang der jeweiligen abgetrennten Verstärkerschaltungen eine hohe Impedanz aufweist. Wenn andererseits der Ausgang der abgetrennten Verstärkerschaltungen zum Kurzschluß wird, muß das ”Ein” und ”Aus” der Verstärker vertauscht werden.
Aufgrund der Transformation der Eingangsimpedanz des Kopplers 60, wenn dessen erster Ausgangsanschluß Out1 entweder mit nieder- oder hochwertiger Impedanz verbunden ist, wird die Last möglicherweise ebenfalls transformiert und erscheint am jeweiligen Eingangsanschluß des Kopplers 60 mit einem anderen Wert. Dies könnte besonders in Kleinleistungsmodi des symmetrischen Leistungsverstärkers zu einer Fehlanpassung führen. Um Linearität des symmetrischen Leistungsverstärkers sicherzustellen, sollte der symmetrische Leistungsverstärker nur in seinem linearen Bereich mit ausreichendem Abstand zum Kompressionsbereich (nichtlinearen Bereich) betrieben werden. Alternativ könnten zusätzliche Anpassungsnetzwerke benutzt werden, wie es in der in 4 und 5 gezeigten Ausführungsform ersichtlich ist.
Um irgendeine unerwünschte Verringerung der Verstärkung und des Wirkungsgrades zu verringern, sollte der Signalteilungs- oder Eingangskoppler des symmetrischen Leistungsverstärkers bezüglich dem Leistungskombinierungs- bzw. zweiten Koppler symmetrisch abgeschlossen sein.
In Verbindung mit 4 und 5 ist ein symmetrischer Leistungsverstärker 70 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Jede der Verstärkerschaltungen 16 und 18 umfaßt einen Haupt- und einen Hilfsverstärker 16-1, 16-2, 18-1 bzw. 18-2. Die Hilfsverstärker 16-2 und 18-2 sind Kleinleistungsverstärker. Der symmetrische Leistungsverstärker 70 stellt im Vergleich mit dem in 2, 3a und 3b gezeigten symmetrischen Leistungsverstärker 2, der nur zwei Modi bereitstellt, drei Modi bereit.
In dem in 4 des symmetrischen Leistungsverstärkers 70 gezeigten ”Kleinleistungsmodus” ist nur der Hilfsverstärker 18-2 durch Einschalten des Verstärkersteuerschalters 78 aktiviert. Die Verstärkersteuerschalter 71, 72 und 73 bleiben offen (ausgeschaltet). Da nur der Hilfsverstärker 18-2 der zweiten Verstärkerschaltung 18 aktiv ist, ist ein Anpassungsnetzwerk 74 mit dem Ausgang des Hilfsverstärkers 18-2 verbunden, um eine geeignete Anpassung zwischen der zweiten Verstärkerschaltung 18 und dem zweiten Koppler 32 bereitzustellen. Das Anpassungsnetzwerk 74 kann durch den Schalter 75 kurzgeschlossen werden, wenn der Haupt- und Hilfsverstärker 18-1 bzw. 18-2 aktiv sind. Eine entsprechende Schaltung wird für die erste Verstärkerschaltung 16 mit Anpassungsnetzwerk 76 und Schalter 77 zum Kurzschließen des Anpassungsnetzwerks 76 bereitgestellt. Da nur die zweite Verstärkerschaltung 18 durch Ansteuern des Hilfsverstärkers 18-2 aktiv ist, während alle anderen Verstärker (16-1, 16-2, 18-1) deaktiviert sind, befindet sich der symmetrische Leistungsverstärker in einem ”unsymmetrischen” Modus und es ist daher ein Abschluß mit nichtnominellen Impedanzen erwünscht. Entsprechend der Situation der 3b werden daher der zweite Eingangsanschluß 8 des ersten Kopplers 4 und der erste Ausgangsanschluß 34 des zweiten Kopplers 32 jeweils kurzgeschlossen oder mit einer niederwertigen Impedanz oder einem niederwertigen Widerstand abgeschlossen.
In 5 ist ein ”Mittelleistungsmodus” durch Aktivieren des Hilfsverstärkers 16-2 und 18-2 der Verstärkerschaltungen 16 bzw. 18 dargestellt. In diesem Zustand bleiben die Anpassungsnetzwerke 74 und 76 aktiv und die Schalter 75 und 77 sind offen. Die geschlossenen Schalter sind durch Kreise dargestellt. Im ”Mittelleistungsmodus” sind nur Kleinleistungs- bzw. Hilfsverstärker 16-2 und 18-2 aktiv. Da die erste und die zweite Verstärkerschaltung 16 und 18 im ”Mittelleistungsmodus” symmetrisch fungieren, ist der Koppler 4 an seinem zweiten Eingangsanschluß 8 mit nomineller Klemmenimpedanz 10 abgeschlossen. Auf ähnliche Weise ist der zweite Koppler 32 an seinem ersten Ausgangsanschluß 34 mit nomineller Klemmenimpedanz 38 abgeschlossen.
In einem nicht dargestellten ”Hochleistungsmodus” sind alle Verstärkersteuerschalter 71, 72, 73 und 78 geschlossen, um Haupt- und Hilfsverstärker 16-1, 18-1, 16-2 und 18-2 der ersten und zweiten Verstärkerschaltung 16 und 18 zu aktivieren. In diesem Modus sind die Anpassungsnetzwerke 74 und 76 durch Schalter 75 bzw. 77 kurzgeschlossen. Die nominellen Klemmenimpedanzen 10 und 38 sind mit den jeweiligen Anschlüssen 8 und 34 des ersten und des zweiten Kopplers durch erste und zweite Schalter 49 bzw. 50 verbunden.
Durch Anwendung der in 4 und 5 gezeigten Verstärkeranordnung kann eine Leistungsverringerung des symmetrischen Leistungsverstärkers erhalten werden, indem zuerst die Hochleistung- oder Hauptverstärker 16-1 und 18-1 deaktiviert werden. In diesem Stadium würde der symmetrische Leistungsverstärker 70 noch unabhängig von der Last fungieren, da beide Koppler 4, 32 symmetrisch mit nominellen Impedanzen abgeschlossen sind. Beispielsweise wäre eine Leistungsverringerung bis zu 16 dBm hinab (UMTS-Kleinleistungsmodus) durch Deaktivieren der Hauptverstärker 16-2 und 18-1 erreichbar. Dies entspricht dem obenbeschriebenen, in 5 dargestellten ”Mittelleistungsmodus”. Eine weitere Verringerung (bis rund 0 dBm hinab) wäre durch weiteres Deaktivieren entweder des Hilfsverstärkers 16-2 oder 18-2 möglich (”Kleinleistungsmodus”). Dadurch wird der Ruhestrom des symmetrischen Leistungsverstärkers weiterhin um rund 50% verringert.
6 zeigt einen vierstufigen symmetrischen Leistungsverstärker 80 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der vierstufige symmetrische Leistungsverstärker 80 umfaßt zwei gekoppelte, in 2, 3a und 3b gezeigte symmetrische Leistungsverstärker, von denen jeder einen Zweig oder eine Verstärkerschaltung des vierstufigen symmetrischen Leistungsverstärkers 80 bildet. Daher bilden zwei symmetrische Leistungsverstärker, so wie sie in. Verbindung mit 2, 3a und 3b beschrieben wurden, nunmehr jeweils eine erste und zweite Verstärkerschaltung 81 bzw. 82. Anders gesagt sind zwei symmetrische Leistungsverstärker, die jeweils zwei Verstärkerschaltungen aufweisen, durch einen Eingangs- und einen Ausgangskoppler 83 bzw. 84 kombiniert. Der zweite Eingangsanschluß des ersten Kopplers 83 und der erste Ausgangsanschluß des zweiten Kopplers 84 können wahlweise durch erste und zweite Schalter 85 bzw. 86 entweder an eine nominelle Klemmenimpedanz oder an eine nichtnominelle Klemmenimpedanz angekoppelt werden. Der vierstufige symmetrische Leistungsverstärker 80 umfaßt daher vier unterschiedliche Leistungsmodi in Abhängigkeit von der Anzahl aktivierter Verstärker der jeweiligen ersten und zweiten Verstärkerschaltungen 81 und 82.
Auch ist es möglich, mehr als vier Verstärkerschaltungen zu kombinieren, indem die Struktur des in 2 und 6 gezeigten symmetrischen Leistungsverstärkers in Kaskade geschaltet wird. Im allgemeinen können 2ⁿ identische Leistungsverstäkerschaltungen durch 2·2ⁿ – 2 Koppler unter Verwendung der in 2 und 6 gezeigten Grundstruktur verkoppelt werden, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich 1 ist.
Bei den obigen Ausführungsformen werden Abzweigleitungskoppler als 90°-Hybridkoppler eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Andere Koppler wie beispielsweise Lange-Koppler sind ebenfalls denkbar. Zusätzlich können auch durch konzentrierte Schaltelemente konstruierte Hybridschaltungen als Koppler benutzt werden. Beispiele von Hybridschaltungen sind in 12 und 13 dargestellt. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Hybridschaltungen sind als In1, In2, Out1 bzw. Out2 bezeichnet. Eingangsanschlüsse sind an die erste und zweite Verstärkerschaltung Amp1 bzw. Amp2 angekoppelt, während der erste Ausgangsanschluß durch einen geeigneten Widerstand bzw. eine geeignete Impedanz abgeschlossen ist und der zweite Ausgangsanschluß beispielsweise an eine Antenne oder eine sonstige Last angekoppelt ist.
Die Hybridschaltungen können 2 Pi-Elemente umfassen, jeweils mit einer Induktivität L_S und zwei Kondensatoren C_G, die mit Erde verbunden sind. Die Induktivitäten L_S sind mit einer gegebenen Kopplungsstärke k (durch einen Pfeil in der 12 angedeutet) verkoppelt. In der in 12 gezeigten Ausführungsform beträgt die Kopplungsstärke k rund 0,7. Die Kopplungsstärke k ist jedoch nicht auf diesen Wert beschränkt. Beispielsweise können für planar gebildete Induktivitäten Kopplungsstärkenwerte zwischen rund 0,5 und 0,9 in Abhängigkeit von der eigentlich benutzten Geometrie leicht erhalten werden. Für Spuleninduktivitäten können Kopplungsstärkenwerte von bis zu 0,99 erhalten werden. Die Induktivitäten können daher in Abhängigkeit von den spezifischen Bedürfnissen jede beliebige Kopplungsstärke zwischen 0 und 1 (0 < k < 1) aufweisen. Die Pi-Elemente sind auch über gegenseitige Kondensatoren CM verkoppelt.
Die Auswirkung des symmetrischen Leistungsverstärkers, so wie er hier beschrieben ist, ist simuliert worden und die 16 bis 18 zeigen die Ergebnisse dieser Simulation. Für die Simulation ist ein Modell eines 1800-MHz-GSM-Leistungsverstärkers mit einer Nennausgangsleistung von 34 dBm Ausgangsleistung benutzt worden. 16 zeigt den symmetrischen Leistungsverstärker, wenn die erste und die zweite Verstärkerschaltung aktiv sind. Der kombinierte Leistungsgewinn beträgt rund 34 dBm mit einem Wirkungsgrad (PAE-Leistungswirkungsgrad) von rund 48%. Durch Deaktivieren einer der zwei Verstärkerschaltungen ohne irgendwelche Änderungen am Abschluß der Koppler durchzuführen, würde eine Leistungsgewinnverringerung von rund 6 dB mit einer starken Verringerung des PAE bis runter auf etwa 24% wie in 17 angedeutet eintreten. Um die starke Wirkungsgradverringerung zu vermeiden, ist eine geeignete Klemmenimpedanzanpassung des symmetrischen Leistungsverstärkers, wie beispielsweise in Verbindung mit 2, 2a und 3a beschrieben, durch Umschalten zu nichtnominellen Klemmenimpedanzen erwünscht. Dies ergibt (18) eine Ausgangsleistungsverringerung von rund 3 dB bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades des symmetrischen Leistungsverstärkers auf ausreichender Höhe von rund 46%.
Zum besseren Verständnis der Auswirkung der Abschlußimpedanzen wird auf 19 bis 20 Bezug genommen. 19A zeigt das Kleinsignalverhalten eines symmetrischen Leistungsverstärkers, während 19B das Großsignalverhalten des symmetrischen Leistungsverstärkers zeigt, wenn beide Verstärkerschaltungen aktiv sind, d. h. wenn der symmetrische Leistungsverstärker im Hochleistungsmodus arbeitet. 20A bis 20C zeigen das Großsignalverhalten, wenn der zweite Leistungsverstärker deaktiviert ist.
Angenommen, es wird ein Kleinsignal von 0 dBm an den Eingang des symmetrischen Leistungsverstärkers, d. h. an den ersten Eingangsanschluß des ersten Kopplers 4 angelegt. Der erste Koppler teilt das Eingangssignal gleichermaßen zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluß, so daß an jede Verstärkerschaltung 16, 18 –3-dBm-Signale angelegt werden. Es sei hier angenommen, daß jede Verstärkerschaltung eine Leistungsverstärkung (Gewinn) von rund 10 dB und eine Sättigungsleistung P_SAT von rund 20 dBm aufweist. Die –3-dBm-Signale werden von jeder Verstärkerschaltung 16, 18 so verstärkt, daß beide Verstärkerschaltungen 7 dBm-Signale bereitstellen, die jeweils in den zweiten Koppler 32 eingekoppelt werden. Der zweite Koppler 32 ist mit nomineller Klemmenimpedanz 38 abgeschlossen und kombiniert daher die an seinem zweiten Ausgangsanschluß empfangenen Signale. Das Ausgangssignal des symmetrischen Leistungsverstärkers beträgt daher 10 dBm.
Bei Betrachtung des Großsignalverhaltens (19B) des symmetrischen Leistungsverstärkers muß die Sättigungsleistung P_SAT der Verstärkerschaltungen berücksichtigt werden. P_SAT ist als die maximale Ausgangsleistung definiert, die ein Verstärker bereitstellen kann. Die maximale Ausgangsleistung des symmetrischen Leistungsverstärkers, d. h. der kombinierten Ausgangssignale der Verstärkerschaltungen beträgt daher 23 dBm. Aufgrund des Gewinns von 10 dB beträgt das maximale Eingangssignal für jede Verstärkerschaltung 10 dBm. Da die von den Verstärkerschaltungen verstärkten 10-dBm-Signale vom ersten Koppler 4 gleichermaßen geteilte Signale sind, beträgt das entsprechende maximale Eingangssignal des symmetrischen Leistungsverstärkers 13 dBm.
Bei Deaktivierung der zweiten Verstärkerschaltung 18 ohne Neuanpassung der Impedanzen am zweiten Eingangsanschluß des ersten Kopplers und am ersten Ausgangsanschluß des zweiten Kopplers wie in 20A dargestellt, ist das 13-dBm-Eingangssignal immer noch gleichermaßen zwischen den beiden Verstärkerschaltungen 16, 18 aufgeteilt, so daß jede Verstärkerschaltung 16, 18 ein 10-dBm-Signal empfängt. Nur die erste Verstärkerschaltung 16 verstärkt jedoch das empfangene Signal und koppelt ihr verstärktes Signal von rund 20 dBm in den zweiten Koppler ein. Da die zweite Verstärkerschaltung kein Signal bereitstellt, tritt am ersten Ausgangsanschluß des zweiten Kopplers 32 keine Signallöschung ein und daher wird rund die Hälfte der durch die erste Verstärkerschaltung bereitgestellten Leistung von der nominellen Klemmenimpedanz 38 verbraucht. Die Ausgangsleistung des symmetrischen Leistungsverstärkers wird daher auf rund 17 dBm hinab verringert.
20B zeigt den Fall, daß nur der zweite Koppler 32 geeignet abgeschlossen ist. Die zweite Verstärkerschaltung 18 bleibt deaktiviert. Bei Abtrennen des ersten Ausgangsanschlusses des zweiten Kopplers 32 von der nominellen Klemmenimpedanz ist der erste Ausgangsanschluß des zweiten Kopplers 32 offen oder, was elektrisch gleichwertig ist, mit einer hochwertigen nichtnominellen Impedanz verbunden. In diesem Fall verhält sich der zweite Koppler 32 einfach wie ein Phasenverschiebungselement. Es wird daher keine Leistung von der ersten Verstärkerschaltung 16 zu den Klemmenimpedanzen 38 übertragen und das von der ersten Verstärkerschaltung 16 bereitgestellte 20-dBm-Signal wird vollständig an die Last angelegt.
Wenn an beiden Kopplern 4, 32 wie in 20C dargestellt Neuanpassung stattfindet, teilt der erste Koppler 4 das Signal nicht gleichmäßig zwischen der ersten und der zweiten Verstärkerschaltung 16, 18. Stattdessen wird das Eingangssignal des symmetrischen Leistungsverstärkers vollständig nur so zur ersten Verstärkerschaltung 16 übertragen, daß die erste Verstärkerschaltung 16 im Vergleich zu der Situation der 20B ein höheres Eingangssignal empfängt.
Das gleiche Signalverhalten wie oben beschrieben kann beobachtet werden, wenn die erste Verstärkerschaltung 16 deaktiviert wird und dabei die zweite Verstärkerschaltung 18 aktiv gehalten wird. Daher wird bei Deaktivierung einer beliebigen der Verstärkerschaltungen 16 und 18 und geeigneter Neuanpassung der Impedanzen die Ausgangsleistung des symmetrischen Leistungsverstärkers um rund 3 dB verringert und dabei ein hoher Wirkungsgrad und der Gewinn des symmetrischen Leistungsverstärkers aufrechterhalten. Da eine Verstärkerschaltung deaktiviert ist, ist der Stromverbrauch des symmetrischen Leistungsverstärkers verringert, was die verfügbare Gesprächszeit einer Mobilkommunikationsvorrichtung mit dem obenbeschriebenen symmetrischen Leistungsverstärker erhöht.

Claims

Leistungsverstärker aufweisend: – mindestens eine erste Verstärkerschaltung (16) mit einem Ausgangsanschluß; – mindestens eine zweite Verstärkerschaltung (18) mit einem Ausgangsanschluß; – mindestens einen Koppler (32) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß (28, 30) und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß (34, 36), wobei der erste Eingangsanschluß (28) des Kopplers (32) mit dem Ausgangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung (16) gekoppelt ist und der zweite Eingangsanschluß (30) des Kopplers (32) mit dem Ausgangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung (18) gekoppelt ist; – einen Schalter (50) mit mindestens einer Eingangsklemme und mindestens zwei Ausgangsklemmen, wobei die Eingangsklemme des Schalters (50) mit dem ersten Ausgangsanschluß (34) des Kopplers (32) gekoppelt ist, wobei jede der Ausgangsklemmen des Schalters (50) mit einer jeweiligen Impedanz (38, 52) verbunden ist, wobei die Impedanzen unterschiedliche Impedanzwerte aufweisen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei eine der separaten Impedanzen (38) eine nominelle Impedanz mit 50 Ohm ist und eine weitere der getrennten Impedanzen (52) eine nichtnominelle Impedanz ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 2, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz (52) wesentlich niedriger als der Impedanzwert der nominellen Impedanz (38) ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 3, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz weniger als 5 Ohm beträgt.
Leistungsverstärker nach Anspruch 2, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz (52) wesentlich höher als der Impedanzwert der nominellen Impedanz (38) ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 5, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz höher als 1 kOhm ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend einen weiteren Koppler (4) mit einem ersten und zweiten Eingangsanschluß (6, 8) und einem ersten und zweiten Ausgangsanschluß (12, 14), wobei der erste Ausgangsanschluß (12) des weiteren Kopplers (4) mit einem Eingangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung (16) gekoppelt ist, der zweite Ausgangsanschluß (14) des weiteren Kopplers (4) mit einem Eingangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung (18) gekoppelt ist, der erste Eingangsanschluß (6) des weiteren Kopplers (4) mit einem Eingangsanschluß des Leistungsverstärkers gekoppelt ist und der zweite Eingangsanschluß (8) des weiteren Kopplers (4) mit einer Impedanz (10, 54) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 7 mit einem weiteren Schalter (49) mit mindestens einem Ausgangsanschluß und mindestens einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme, wobei die Ausgangsklemme des weiteren Schalters (49) mit dem zweiten Eingangsanschluß (8) des weiteren Kopplers (4) gekoppelt ist und jede der Eingangsklemmen mit einer separaten Impedanz (10, 54) verbunden ist, wobei die separaten Impedanzen unterschiedliche Impedanzwerte aufweisen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 8, wobei eine der getrennten Impedanzen (10) eine nominelle Impedanz mit 50 Ohm ist und eine weitere der getrennten Impedanzen (54) eine nichtnominelle Impedanz ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin aufweisend mindestens einen Verstärkersteuerschalter (40, 42), wobei der Verstärkersteuerschalter (40, 42) mit mindestens einer der ersten und zweiten Verstärkerschaltungen zum wahlweisen Aktivieren der jeweiligen Verstärkerschaltungen (16, 18) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Koppler ein Abzweigleitungskoppler ist.
Leistungsverstärker aufweisend: – mindestens eine erste Verstärkerschaltung (16) mit einem Eingangsanschluß; – mindestens eine zweite Verstärkerschaltung (18) mit einem Eingangsanschluß; – mindestens einen Koppler (4) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß (6, 8) und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß (12, 14), wobei der erste Ausgangsanschluß (12) des Kopplers (4) mit dem Eingangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung (16) gekoppelt ist, der zweite Ausgangsanschluß (14) des Kopplers (4) mit dem Eingangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung (18) gekoppelt ist und der erste Eingangsanschluß (6) des Kopplers (4) mit einem Eingangsanschluß des Leistungsverstärkers gekoppelt ist; – einen Schalter (49) mit mindestens einer Ausgangsklemme und mindestens zwei Eingangsklemmen, wobei die Ausgangsklemme des Schalters (49) mit dem zweiten Eingangsanschluß (8) des Kopplers (4) gekoppelt ist und jede der Eingangsklemmen des Schalters (49) mit einer separaten Impedanz (10, 54) verbunden ist, wobei die separaten Impedanzen unterschiedliche Impedanzwerte aufweisen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 12, wobei eine der getrennten Impedanzen (10) eine nominelle Impedanz mit 50 Ohm ist und eine weitere der getrennten Impedanzen (54) eine nichtnominelle Impedanz ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 13, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz (54) wesentlich niedriger als der Impedanzwert der nominellen Impedanz (10) ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 14, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz weniger als 5 Ohm beträgt.
Leistungsverstärker nach Anspruch 13, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz (54) wesentlich höher als der Impedanzwert der nominellen Impedanz (10) ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 16, wobei der Impedanzwert der nichtnominellen Impedanz höher als 1 kOhm ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 12 bis 17, weiterhin aufweisend einen weiteren Koppler (32) mit einem ersten und zweiten Eingangsanschluß (28, 30) und einem ersten und zweiten Ausgangsanschluß (34, 36), wobei der erste Eingangsanschluß (28) des weiteren Kopplers (32) mit einem Ausgangsanschluß der ersten Verstärkerschaltung (16) gekoppelt ist, der zweite Eingangsanschluß (30) des weiteren Kopplers (32) mit einem Ausgangsanschluß der zweiten Verstärkerschaltung (18) gekoppelt ist und der zweite Ausgangsanschluß (36) des weiteren Kopplers (32) mit einem Ausgangsanschluß des Leistungsverstärkers gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 18, aufweisend einen weiteren Schalter (50) mit mindestens einer Eingangsklemme und mindestens zwei Ausgangsklemmen, wobei die Eingangsklemme des weiteren Schalters (5) mit dem ersten Ausgangsanschluß (34) des weiteren Kopplers (32) angekoppelt ist und jede der Ausgangsklemmen des weiteren Schalters (50) mit einer separaten Impedanz verbunden ist, wobei die separaten Impedanzen unterschiedliche Impedanzwerte aufweisen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 19, wobei eine der separaten Impedanzen (38) eine nominelle Impedanz mit 50 Ohm ist und eine weitere der getrennten Impedanzen (52) eine nichtnominelle Impedanz ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 12 bis 20, weiterhin aufweisend mindestens einen Verstärkersteuerschalter (40, 42) zum wahlweisen Aktivieren der jeweiligen Verstärkerschaltungen (16, 18), wobei der Verstärkersteuerschalter (40, 42) mit mindestens einer der ersten und zweiten Verstärkerschaltungen (16, 18) koppelt ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei der Koppler (4) ein Abzweigleitungskoppler ist.
Leistungsverstärker aufweisend: – ein erstes Verstärkungsmittel (16) zum Verstärken eines Signals; – ein zweites Verstärkungsmittel zum Verstärken eines Signals; – ein Koppelmittel (32) mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß (34, 36) und zum Kombinieren der durch das erste und zweite Verstärkungsmittel (16, 18) verstärkten Signale am zweiten Ausgangsanschluß (36) des Koppelmittels (32); – einem an den ersten Ausgangsanschluß (34) des Koppelmittels (32) angekoppelten Schaltmittel (50) zum wahlweisen Ankoppeln des ersten Ausgangsanschlusses (34) des Koppelmittels (32) an separate Impedanzen (38, 52).
Leistungsverstärker nach Anspruch 23, wobei das erste und zweite Verstärkungsmittel (16, 18) wahlweise, d. h. separat oder zusammen, betreibbar sind.
Verfahren zum Betreiben eines Leistungsverstärkers mit folgenden Schritten: – Teilen eines Eingangssignals zum Bereitstellen mindestens zweier geteilter Signale; – Verstärken jedes der geteilten Signale durch mindestens zwei Verstärkerschaltungen (16, 18); – Kombinieren der verstärkten geteilten Signale durch einen Koppler (32) an einem Ausgangsanschluß (36) des Kopplers (32), wobei ein weiterer Ausgangsanschluß (34) des Kopplers (32) an eine nominelle Impedanz (38) angekoppelt ist; und – Verringern der Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers durch: – Deaktivieren einer der zwei Verstärkerschaltungen (16, 18); – Abtrennen der nominellen Impedanz (38) von dem weiteren Ausgangsanschluß (34) des Kopplers (32); und – Verbinden einer nichtnominellen Impedanz (52) mit einem Impedanzwert, der sich von dem Impedanzwert des nominellen Klemmenwiderstands (38) unterscheidet, mit dem weiteren Ausgangsanschluß (34) des Kopplers (32).