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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Leistungsverstärker, der
einen Leistungs-Kombinator benutzt, und spezieller auf einen Leistungsverstärker, der
einen Leistungs-Kombinator benutzt, welcher Leistungs-Komponenten
kombiniert, die von einer Vielzahl von Leistungsverstärkern erzeugt werden,
die in einem drahtlosen Kommunikationssystem eingesetzt werden,
wobei jeder einen Übertragungsleitungs-Transformator verwendet,
wodurch nicht nur die Verlustleistung minimiert, sondern auch der
Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers
verbessert wird, indem eine hohe Ausgangsleistung erzeugt wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein
Leistungs-Kombinator und ein Leistungsverstärker werden im Allgemeinen
dazu verwendet, Hochfrequenz-(HF)-Signale mit hoher Ausgangsleistung in
der Sendestufe eines drahtlosen Kommunikationssystems zu senden.
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1 ist
ein Diagramm, das den Aufbau eines typischen Leistungsverstärkers zeigt.
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Wie
in der Zeichnung gezeigt, zeigt 1 eine Verstärkungsstufe,
die unter Verwendung eines Leistungstransistors 101 implementiert
ist, und ein Anpassungs-Netzwerk 102 transformiert den
Widerstandswert eines Lastwiderstandes, der mit einem Ausgangsanschluss 103 verbunden
ist, in einen geeigneten Lastwiderstandswert, der erforderlich ist,
damit der Leistungstransistor 101 eine hohe Leistung erzeugt.
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Im
Allgemeinen ist in einem drahtlosen Kommunikationssystem der Widerstandswert
eines Lasttransistors, der mit dem Ausgangsanschluss 103 verbunden
ist, 50Ω,
aber der Widerstandswert Rload optimum ist nicht 50Ω, und somit
ist ein Anpassungs-Netzwerk 102 erforderlich.
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Um
eine höhere
Leistung zu erhalten als die des Leistungsverstärkers in 1,
ist eine Verstärkungsstufe
erforderlich, die eine Kapazität
hat, welche größer ist
als die der oben erwähnten
Verstärkungsstufe.
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2 ist
ein Diagramm, das den Aufbau eines typischen Verstärkers zur
Erzeugung einer hohen Ausgangsleistung unter Verwendung mehrerer
Verstärkerstufen
zeigt.
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Die
Referenznummer 201 in 2 bezeichnet
eine Verstärkungsstufe,
die so implementiert ist, dass sie einen Leistungstransistor hat,
der größer als
der Leistungstransistor 101 ist, wobei eine Vielzahl von
Leistungstransistoren 101 verwendet wird.
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Wie
in 2 gezeigt, werden in dem Leistungsverstärker die
Ausgangs-Leistungs-Bauelemente, die durch entsprechende Leistungstransistoren 101 der
Verstärkungsstufe 201 gebildet
werden, über
einen Leistungs-Kombinator und ein Anpassungs-Netzwerk 202 miteinander kombiniert.
In diesem Fall, wenn die Leistungs-Bauelemente durch das Anpassungs-Netzwerk 202 miteinander
kombiniert werden, muss das Anpassungs-Netzwerk 202 so
konstruiert werden, dass es Leistungsverluste minimiert.
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In
allgemeinen Fällen
wird das Anpassungs-Netzwerk 202 unter Verwendung einer
Kombination von passiven Elementen, wie z.B. Spulen oder Kondensatoren,
aufgebaut.
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Da
solche passiven Elemente, die auf einem Silizium-Substrat ausgebildet sind, auf dem ein CMOS-Schaltkreis
integriert ist, jedoch hohe parasitäre Widerstände haben, treten große Leistungsverluste auf,
wenn der Leistungs-Kombinator
und das Anpassungs-Netzwerk 202 aufgebaut werden.
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Nach
dem derzeitigen Stand der Technik erreichen, wenn ein Leistungsverstärker zur
Erzeugung einer Ausgangsleistung von mehreren Watt auf einem Silizium-Substrat
ausgebildet wird, die durch den Leistungs-Kombinator und das Anpassungs-Netzwerk
202 verursachten Leistungsverluste 50% der von einem Leistungstransistor
erzeugten Leistung.
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Daher
besteht das Problem, dass es beim aktuellen Stand der Technik schwierig
ist, einen Leistungsverstärker,
in dem alle passiven Elemente auf einem Silizium-Substrat integriert
sind, kommerziell anzubieten.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird bei den meisten derzeitigen Leistungsverstärkern im Allgemeinen ein Verfahren
benutzt, einen zusammengesetzten Halbleiter zu verwenden, bei dem
die passiven Elemente kleine parasitäre Widerstände haben, oder es wird ein
Verfahren benutzt, passive Elemente nicht auf dem Chip zu implementieren,
passive Elemente also nicht zu integrieren. Eine solche Lösung ist
jedoch problematisch, da damit hohe Kosten bei der Herstellung von
Leistungsverstärkern
verbunden sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Folglich
wurde die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der oben angegebenen
Probleme des Standes der Technik gemacht, und eine Aufgabe der Erfindung
ist es, einen Leistungsverstärker
bereitzustellen, bei dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, der Leistungs-Komponenten
kombiniert, die von einer Vielzahl von Leistungsverstärkern erzeugt
werden, die in einem drahtlosen Kommunikationssystem verwendet werden,
wobei jeder einen Übertragungsleitungs-Transformator verwendet,
wodurch nicht nur die Verlustleistung minimiert, sondern auch der
Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers
verbessert wird, indem eine hohe Ausgangsleistung erzeugt wird.
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Um
das oben angegebene Ziel zu erreichen, liefert die vorliegende Erfindung
einen Leistungsverstärker,
bei dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, wobei erste und
zweite Verstärkungsstufen
zur Verstärkung
und Ausgabe von Hochfrequenz-(HF)-Signalen, die entgegengesetzte
Phasen haben, mit ersten Enden von ersten und zweiten Übertragungsleitungen
eines ersten Übertragungsleitungs-Transformators
verbunden sind, dritte und vierte Verstärkungsstufen zur Verstärkung und
Ausgabe von HF-Signalen, die entgegengesetzte Phasen haben, mit
ersten Enden von dritten und vierten Übertragungsleitungen eines
zweiten Übertragungsleitungs-Transformators
verbunden sind, ein zweites Ende der zweiten Übertragungsleitung des ersten Übertragungsleitungs-Transformators
und ein zweites Ende der dritten Übertragungsleitung des zweiten Übertragungsleitungs-Transformators
miteinander über
eine Masse verbunden sind, ein zweites Ende der ersten Übertragungsleitung
des ersten Übertragungsleitungs-Transformators mit
einem ersten Ende einer fünften Übertragungsleitung
eines dritten Übertragungsleitungs-Transformators verbunden
ist, ein zweites Ende der vierten Übertragungsleitung des zweiten Übertragungsleitungs-Transformators mit
einem ersten Ende einer sechsten Übertragungsleitung des dritten Übertragungsleitungs-Transformators verbunden
ist, die fünfte Übertragungsleitung
des dritten Übertragungsleitungs-Transformators über einen
Ausgangswiderstand mit Masse verbunden ist, und die sechste Übertragungsleitung
des dritten Übertragungsleitungs-Transformators mit
Masse verbunden ist.
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Weiterhin
liefert die vorliegende Erfindung einen Leistungsverstärker, bei
dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, der eine Vielzahl von
miteinander kombinierten Leistungsverstärkern enthält, wobei jeder der Leistungsverstärker oben
beschrieben wird, wobei Ausgangswiderstände dritter Übertragungsleitungs- Transformatoren der
Leistungsverstärker
miteinander verbunden sind und deren Masseanschlüsse miteinander verbunden sind.
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Weiterhin
liefert die vorliegende Erfindung einen Leistungsverstärker, bei
dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, der eine Vielzahl von
miteinander kombinierten Leistungsverstärkern enthält, wobei jeder der Leistungsverstärker oben
beschrieben wird, wobei ein vierter Übertragungsleitungs-Transformator
zwischen dem Ausgangswiderstand und Masse angeordnet ist, und wobei
Ausgänge
einer ersten Gruppe unterschiedlicher Arten von Ausgängen dritter Übertragungsleitungs-Transformatoren
der Leistungsverstärker
miteinander verbunden sind, und Ausgänge einer zweiten Gruppe unterschiedlicher
Arten von Ausgängen
der dritten Übertragungsleitungs-Transformatoren
jeweils mit einer siebten Übertragungsleitung
und einer achten Übertragungsleitung
des vierten Übertragungsleitungs-Transformators verbunden
sind.
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Vorzugsweise
können
die Übertragungsleitungs-Transformatoren der
Leistungsverstärker
unter Verwendung von Spiral-Transformatoren implementiert werden.
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Ferner
liefert die vorliegende Erfindung einen Leistungsverstärker, bei
dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, wobei eine erste Verstärkungsstufe
von ersten und zweiten Verstärkungsstufen
zur Verstärkung
und Ausgabe von HF-Signalen, die entgegengesetzte Phasen haben,
mit ersten Enden von ersten und dritten Übertragungsleitungen von ersten
und zweiten Übertragungsleitungs-Transformatoren
verbunden sind, die zweite Verstärkungsstufe
mit ersten Enden von zweiten und vierten Übertragungsleitungen der ersten
und zweiten Übertragungsleitungs-Transformatoren
verbunden ist, ein zweites Ende der zweiten Übertragungsleitung des ersten Übertragungsleitungs-Transformators
und ein zweites Ende der dritten Übertragungsleitung des zweiten Übertragungsleitungs-Transformators miteinander über eine
Masse verbunden sind, ein zweites Ende der ersten Übertragungsleitung
des ersten Übertragungsleitungs-Transformators
mit einem ersten Ende einer fünften Übertragungsleitung
eines dritten Übertragungsleitungs-Transformators
verbunden ist, ein zweites Ende der vierten Übertragungsleitung des zweiten Übertragungsleitungs-Transformators
mit einem ersten Ende einer sechsten Übertragungsleitung des dritten Übertragungsleitungs-Transformators
verbunden ist, die fünfte Übertragungsleitung
des dritten Übertragungsleitungs-Transformators über einen
Ausgangswiderstand mit Masse verbunden ist, und die sechste Übertragungsleitung
des dritten Übertragungsleitungs-Transformators
mit Masse verbunden ist.
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Weiterhin
liefert die vorliegende Erfindung einen Leistungsverstärker, bei
dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, der eine Vielzahl von
miteinander kombinierten Leistungsverstärkern enthält, wobei jeder der Leistungsverstärker oben
beschrieben wird, wobei Ausgangswiderstände dritter Übertragungsleitungs-Transformatoren der
Leistungsverstärker
miteinander verbunden sind und deren Masseanschlüsse miteinander verbunden sind.
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Weiterhin
liefert die vorliegende Erfindung einen Leistungsverstärker, bei
dem ein Leistungs-Kombinator verwendet wird, der eine Vielzahl von
miteinander kombinierten Leistungsverstärkern enthält, wobei jeder der Leistungsverstärker oben
beschrieben wird, wobei ein vierter Übertragungsleitungs-Transformator
zwischen dem Ausgangswiderstand und Masse angeordnet ist, und wobei
Ausgänge
einer ersten Gruppe unterschiedlicher Arten von Ausgängen dritter Übertragungsleitungs-Transformatoren
der Leistungsverstärker
miteinander verbunden sind, und Ausgänge einer zweiten Gruppe unterschiedlicher
Arten von Ausgängen
der dritten Übertragungsleitungs-Transformatoren
jeweils mit einer siebten Übertragungsleitung
und einer achten Übertragungsleitung
des vierten Übertragungsleitungs-Transformators verbunden
sind.
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Vorzugsweise
können
die Übertragungsleitungs-Transformatoren der
Leistungsverstärker
unter Verwendung von Spiral-Transformatoren implementiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung, die den oben angegebenen Aufbau hat, ist
dahingehend vorteilhaft, dass sie Leistungs-Komponenten kombiniert, die von einer
Vielzahl von in einem drahtlosen Kommunikationssystem verwendeten
Leistungsverstärkern
erzeugt werden, wobei jeder einen Übertragungsleitungs-Transformator
verwendet, wodurch nicht nur die Verlustleistung minimiert, sondern
auch der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers verbessert wird, indem
eine hohe Ausgangsleistung erzeugt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben angegebenen Ziele, Eigenschaften und weitere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden, in
denen:
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1 ein
Diagramm ist, das den Aufbau eines typischen Leistungsverstärkers zeigt;
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2 ein
Diagramm ist, das den Aufbau eines typischen Leistungsverstärkers zur
Erzeugung einer hohen Ausgangsleistung unter Verwendung mehrerer
Verstärkungsstufen
zeigt;
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3 ein
Diagramm ist, das eine Übertragungsleitung,
die eine Grundkomponente eines Leistungs-Kombinators gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, sowie die Signalform eines Signals, das durch die Übertragungsleitung
läuft,
zeigt;
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4A und 4B Schaltbilder
sind, die einen typischen Übertragungsleitungs-Transformator
zeigen, der in einem Leistungs-Kombinator gemäß der vorliegenden Erfindung
angewendet wird;
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5 ein
Schaltbild ist, das den Grundaufbau eines Leistungs-Kombinators
zeigt, bei dem ein Übertragungsleitungs- Transformator verwendet
wird, der auf die vorliegende Erfindung angewendet wird;
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6 ein
Schaltbild ist, das den Aufbau eines Leistungsverstärkers zeigt,
bei dem ein Leistungs-Kombinator gemäß einer ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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7 ein
Schaltbild ist, das den Aufbau eines Leistungsverstärkers zeigt,
bei dem ein Leistungs-Kombinator gemäß einer zweiten Ausführung der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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8 ein
Schaltbild ist, das den Aufbau eines Leistungsverstärkers zeigt,
bei dem ein Leistungs-Kombinator gemäß einer dritten Ausführung der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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9 ein
Schaltbild ist, das den Aufbau eines Leistungsverstärkers zeigt,
bei dem ein Leistungs-Kombinator gemäß einer vierten Ausführung der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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10 ein
Schaltbild ist, das den Aufbau eines Leistungsverstärkers zeigt,
bei dem ein Leistungs-Kombinator gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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11 eine
Fotografie darstellt, die das tatsächliche Layout eines integrierten
Schaltkreises zeigt, in dem der Leistungsverstärker aus 10 implementiert
ist;
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12 ein
Graph ist, der die Ergebnisse einer Computersimulation des Leistungsverstärkers aus 11 zeigt;
und
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13A und 13B Schaltbilder
sind, die ein Beispiel zeigen, in dem ein Übertragungsleitungs-Transformator,
der einen Leistungs-Kombinator bildet, modifiziert ist, um einen
Spiral-Transformator im Leistungsverstärker aus 6 zu
realisieren.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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3 ist
ein Diagramm, das eine Übertragungsleitung,
die eine Grundkomponente eines Leistungs-Kombinators gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, sowie die Signalform eines Signals, das durch die Übertragungsleitung
läuft,
zeigt.
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Referenznummer 302 bezeichnet
die Signalform eines Wechselstrom-(AC)-Signals, das über eine
Leitung 301 zur Übertragung
typischer AC-Signale übertragen
wird.
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Wie
in der Zeichnung gezeigt, ist die Spannung an Punkt A '1V', aber die Spannung
an Punkt B ist '0V', und die Spannung
an Punkt C ist '–1V'. Da ein AC-Signal,
das eine Frequenz von mehreren MHz hat, im Allgemeinen eine sehr
große
Wellenlänge
hat, ist eine Leitung mit einer beträchtlichen Länge erforderlich, um solche
Charakteristiken zu erhalten, aber ein AC-Signal, das eine Frequenz
von mehreren GHz hat, hat eine sehr kleine Wellenlänge, und
somit können
solche Charakteristiken sogar mit einer Leitung erhalten werden, die
eine Länge
von einigen mm oder einigen hundert um hat.
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Die
Leitung 301, die solche Charakteristiken hat, wird Übertragungsleitung
genannt, und diese Übertragungsleitung
hat eine viel kleinere Verlustleistung als ein passives Element,
wie z.B. eine spiralförmige
Spule.
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Daher
ist in dem Leistungs-Kombinator gemäß der vorliegenden Erfindung,
da die Übertragungsleitung
als Grundkomponente ausgebildet ist, die Verlustleistung des Leistungs-Kombinators
viel kleiner als die eines typischen Anpassungs-Netzwerks.
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4A und 4B sind
Diagramme, die einen typischen Übertragungsleitungs-Transformator
zeigen, der in einem Leistungs-Kombinator gemäß der vorliegenden Erfindung
angewendet wird.
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In
diesem Fall zeigen die Zeichen '+' und '–', dass die Phasen eines AC-Signals einander
entgegengesetzt sind.
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Wie
in 4A gezeigt, besteht ein Übertragungsleitungs-Transformator 300 aus
entsprechenden Übertragungsleitungen 401 und 402,
die nebeneinander angeordnet sind, so dass der Stromfluss durch
die Übertragungsleitungen 401 und 402 durch
magnetische Felder beeinflusst wird, die in den entsprechenden Übertragungsleitungen 401 und 402 erzeugt
werden.
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Der
Begriff "Übertragungsleitung" bezeichnet eine
Leitung zur Übertragung
von HF-Signalen, und das Funktionsprinzip des Transformators 300,
der solche Übertragungsleitungen 401 und 402 benutzt,
wird im Folgenden beschrieben.
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Wenn
der Strom I1 durch eine beliebige Übertragungsleitung 401 fließt, entsteht
durch den Strom I1 um die Übertragungsleitung 401 ein
magnetisches Feld. Gleichzeitig wird in der anderen Übertragungsleitung 402 ein
Strom in einer Richtung induziert, die den Änderungen des Magnetfeldes
entgegenwirkt, das durch den Strom I1 hervorgerufen wird, so dass
ein Strom I2 in der Übertragungsleitung 402 erzeugt
wird. In diesem Fall wird unter der Annahme, dass VA1 die Spannung
an A1, VA2 die Spannung an A2, VB1 die Spannung an B1 und VB2 die
Spannung an B2 ist, zwischen den entsprechenden Spannungen der durch
die folgende Gleichung [1] gegebene Zusammenhang realisiert. VA1 – VB1
= VA2 – VB2 [1]
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Der
Schaltkreis in 4B wird in Folgenden auf der
Grundlage der Grundprinzipien des Übertragungsleitungs-Transformators 300 analysiert.
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Die
Zeitpunkte, zu denen die Spannungen VA1 und VB1 durch eine AC-Spannungsquelle 403 +V,
bzw. –V
werden, können
angenommen werden. Daher haben auf der Grundlage der Grundprinzipien
des Übertragungsleitungs-Transformators 300 die
Ströme,
die durch die Übertragungsleitungen 401 und 402 fließen, Charakteristiken,
die anzeigen, dass die Intensitäten
der Ströme
einander gleich sind, ihre Richtung aber einander entgegengesetzt
ist. Da ferner VA1 = +V, VB1 = –V
und VB2 = 0 realisiert wird, kann man aus Gleichung [1] leicht sehen,
dass VB2 2V beträgt.
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Hier
ist die Leistung, wenn die von der AC-Spannungsquelle 403 erzeugte
Leistung berechnet wird, durch das Produkt von Strom und Spannung
gegeben, und 0,5 wird mit dem Ergebnis des Produktes multipliziert,
wenn das Signal ein AC-Signal ist. Als Ergebnis ist die Leistung
an A1 0,5 × I × V, und
die Leistung an 31 ist 0,5 × I × V. Daher
kann man sehen, dass in der Spannungsquelle eine Leistung erzeugt
wird, die 0,5 × I × V + 0,5 × I × V = I × V entspricht.
Da der Strom I und die Spannung an A2 2V ist, ist die an einen Ausgangswiderstand
Rout übertragene
Ausgangsleistung 0,5 × I × 2V = I × V, und
somit kann man sehen, dass die gesamte von der Spannungsquelle 403 erzeugte
Leistung an einen Lastwiderstand Rload übertragen wird. In diesem Fall
werden Rout = 2V/I, Rload_a = V/I und Rload_b = V/I nach dem Ohmschen
Gesetz berechnet.
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Daher
kann man sehen, dass die Beziehung 2Rload_a = 2Rload_b = Rout erfüllt ist,
und somit kann durch die Übertragungsleitungen 401 und 402 eine
Impedanzwandlung durchgeführt
werden. Wenn man annimmt, dass die Spannung an A1 und 31 zwischen
+V und –V
schwingt, schwingt die Spannung an A2 zwischen +2V und –2V, und
somit ist eine Spannungs-Transformation,
die die Charakteristik eines typischen Transformators ist, möglich.
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Ein
Transformator, bei dem eine Übertragungsleitung
auf diese Weise benutzt wird, wird typischerweise Übertragungsleitungs-Transformator
genannt, und die vorliegende Erfindung ist so konstruiert, dass
dieser Übertragungsleitungs-Transformator
als Grundkomponente ausgebildet ist.
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5 ist
ein Schaltbild, das den Grundaufbau eines Leistungs-Kombinators
zeigt, bei dem ein Übertragungsleitungs-Transformator verwendet
wird, der auf die vorliegende Erfindung angewendet wird.
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Wie
in 5 gezeigt, werden, wenn die Signale RFin, die
entgegengesetzte Eingangs-Phasen haben, in die Verstärkungsstufen 501 und 502,
die mit Leistungstransistoren implementiert sind, eingegeben werden, auch
Signale mit entgegengesetzten Phasen, wie z.B. –V und +V, als Ausgangssignale
der Leistungstransistoren 501 und 502 erzeugt.
Da 5 zeigt, dass die AC-Spannungsquelle 403 aus 4B durch
die Leistungstransistoren 501 und 502 ersetzt
ist, kann man sehen, dass die Schaltkreise in 4B und 5 dieselben
Schaltkreise sind.
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Wenn
der Widerstandswert eines Ausgangswiderstandes Rout 50Ω beträgt, sind
die Werte beider Lastwiderstände
Rload_a und Rload_b 25Ω.
Daher ist das Impedanzwandlungs-Verhältnis R gleich 2. Im Folgenden
werden Rload_a und Rload_b beide nur als Rload bestimmt, weil ihre
Werte immer gleich sind. Da wie oben beschrieben der Lastwiderstandswert
des Verstärkers,
das heißt
50Ω, in
Rload transformiert wird, kann man annehmen, dass der Übertragungsleitungs-Transformator,
der unter Verwendung der Übertragungsleitungen 503 und 504 implementiert
wird, als Anpassungs-Netzwerk funktioniert.
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Daher
hat das Ausgangssignal des Leistungs-Kombinators
500 die
Charakteristik der folgenden Gleichung [2].
- Pout: Ausgangsleistung
- N: Anzahl von Verstärkungsstufen
- VDD: Versorgungsspannung der Verstärkungsstufen
- Rload: Lastwiderstand auf der Seite der Verstärkungsstufe
- R: Impedanz-Transformations-Verhältnis
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In
der oben angegebenen Beschreibung ist, wenn ein Wert von N × R, der
das Produkt von N und R in Gleichung [2] anzeigt, verwendet wird,
um die Ausgangsleistung des Leistungs-Kombinators 500 unter
Verwendung einer relativen Größe einfach
zu vergleichen, N = 2 und R = 2 erfüllt, und somit erhält man N × R = 4,
wie in Gleichung [2] gezeigt, die anzeigt, dass theoretisch bei
ansteigendem Wert von N × R
eine hohe Ausgangsleistung erreicht werden kann.
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6 ist
ein Schaltbild, das einen Leistungsverstärker zeigt, bei dem ein Leistungs-Kombinator
gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Wie
in 6 gezeigt, wird ein Leistungsverstärker 600,
der benötigt
wird, um die Ausgangsleistung des Leistungs-Kombinators aus 5 zu kombinieren,
unter Verwendung von zwei Leistungs-Kombinatoren 500 implementiert.
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Das
heißt,
die Massen 505 der jeweiligen Leistungs-Kombinatoren 500 sind miteinander
verbunden. Für
die Masse 505 wird eine virtuelle AC-Masse auf der Grundlage
der Prinzipien einer Differenzverstärker-Stufe gebildet. Daher
beeinflusst, auch wenn eine Versorgungsspannung, die denselben Effekt
wie eine AC-Masse hat, an die Masse 505 angelegt wird,
die Versorgungsspannung nicht den AC-Betrieb des Schaltkreises.
Daher kann die Masse 505 auch als Eingabeeinheit zur Eingabe
der Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers benutzt werden.
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Ferner
sind, wenn die Phasen der Signale RFin der Verstärkungsstufen 603, 604, 605 und 606 der Leistungs-Kombinatoren 500 auf –, +, –, bzw.
+ eingestellt sind, die Spannungen an den Ausgangsknoten 601 und 602 +2V,
bzw. –2V.
Ferner werden die Spannungen und Ströme an den Ausgangsknoten 601 und 602 in einen Übertragungsleitungs-Transformator 607 eingegeben,
und somit wird eine Spannung von +4V an einem Ausgangsanschluss 608 induziert.
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In
diesem Fall wird, wenn man annimmt, dass die Größe des Stromes, der durch jede
der Verstärkungs-Stufen 603, 604, 605 und 606 fließt, I1 ist,
die Größe des Stroms,
der durch jeden der Ausgangsknoten 601 und 602 fließt ebenfalls
I1, und die Größe des Stromes,
der durch den Übertragungsleitungs-Transformator 607
fließt,
wird ebenfalls I1. Daher gilt gemäß dem Ohmschen Gesetz die folgende
Gleichung [3]. 4V/I = Rout, 2V/I =
Ra, V/I = Rload [3]
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Daher
wird Rout:Ra:Rload = 4:2:1 realisiert.
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Da
der Widerstandswert eines Lastwiderstandes, der an den letzten Ausgang
und den letzten Eingang eines HF-Schaltkreises angeschlossen ist,
50Ω beträgt, sind
die Widerstandswerte von Ra und Rload 25Ω, bzw. 12,5Ω, wenn Rout 50Ω ist. Da
N = 4 und R = 4, ist ein Wert von N × R gleich 16.
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7 ist
ein Schaltbild, das einen Leistungsverstärker zeigt, bei dem ein Leistungs-Kombinator
gemäß einer
zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Wie
in 7 gezeigt, wird die zweite Ausführung implementiert,
indem zwei Leistungsverstärker 600 aus 4 miteinander kombiniert werden
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Daher
werden entsprechende Masse-Teile der beiden Leistungsverstärker 600 miteinander
verbunden und dann mit Masse verbunden, und deren Ausgangsanschlüsse werden
miteinander verbunden und dann mit Rout verbunden.
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In
der Masse 505 wird eine virtuelle AC-Masse gebildet, und
kann als Eingabeeinheit zur Eingabe der Versorgungsspannung des
Verstärkers
dienen.
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Wenn
die Phasen der Signale RFin der Verstärkungsstufen 701 und 702 des
Leistungsverstärkers
auf – und
+ eingestellt sind, sind die Ausgangsspannungen der Verstärkungsstufen 701 und 702 +V,
bzw. –V,
und der in Rout fließende
Strom ist 2I, so dass die Spannung an Rout 4V beträgt. Daher
können
in diesem Fall Rload und Rout mit der folgenden Gleichung [4] berechnet
werden. 4V/2I = Rout, V/I = Rload [4]
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Daher
wird Rout:Rload = 2:1 realisiert.
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Da
N = 8 und R = 2, ist der Wert von N × R gleich 16, so dass eine
Ausgangsleistung erreicht werden kann, die gleich der im Fall von 6 ist.
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8 ist
ein Schaltbild, das einen Leistungsverstärker zeigt, bei dem ein Leistungs-Kombinator
gemäß einer
dritten Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, wird die dritte Ausführung implementiert,
um eine höhere
Ausgangsleistung zu erhalten, indem die Ausgangsleistungs-Komponenten
entsprechender Leistungsverstärker 600 aus 6 miteinander
kombiniert werden, und um einen Übertragungsleitungs-Transformator 300 hinzuzufügen, und
ist so konstruiert, dass zwei Leistungsverstärker 600 miteinander
kombiniert werden.
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Das
heißt,
die Masse eines der beiden Leistungsverstärker 600 wird mit
dem Ausgangsknoten des verbleibenden Leistungsverstärkers verbunden,
und der Ausgangsknoten eines der beiden Leistungsverstärker 600 und
die Masse des verbleibenden Leistungsverstärkers werden mit Rout, bzw.
der Masse des Übertragungsleitungs-Transformators
verbunden.
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In
diesem Fall sind, wenn die Phasen der Signale RFin der Verstärkungsstufen 801 und 802 auf –, bzw. +
eingestellt sind, die Ausgangsspannungen der Verstärkungsstufen 801 und 802 +V,
bzw. –V,
die Spannungen an den Ausgangsknoten 803 und 804 der
Leistungsverstärker 600 sind
+4V, bzw. –4V,
und der durch jeden der Ausgangsknoten 803 und 804 fließende Strom
ist I. Folglich ist, wenn die in 3 beschriebenen
Prinzipien benutzt werden, die an Rout induzierte Spannung +8V,
und der in Rout fließende
Strom ist I.
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Daher
erhält
man, wenn das oben beschriebene Verfahren unverändert verwendet wird, R = 8
und N = 8, und somit wird N × R
= 64 realisiert.
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In
diesem Fall wird eine virtuelle AC-Masse 505 gebildet und
kann als Eingabeeinheit für
die Eingabe der Versorgungsspannung des Verstärkers genutzt werden.
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Daher
werden Ausgangsleistungs-Komponenten miteinander kombiniert, indem
die Struktur eines Leistungsverstärkers unter Verwendung des
oben beschriebenen Verfahrens durch den Leistungs-Kombinator erweitert
wird, der einen Übertragungsleitungs-Transformator
gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt und somit eine höhere Ausgangsleistung erzielt.
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9 ist
ein Schaltbild, das den Aufbau eines Leistungsverstärkers zeigt,
bei dem ein Leistungs-Kombinator gemäß einer vierten Ausführung der
vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Der
Aufbau des in der Zeichnung gezeigten Leistungsverstärkers ist
eine Modifikation des Aufbaus des Leistungs-Kombinators, der den
Leistungsverstärker
in 6 bildet. Der Leistungsverstärker ist so konstruiert, dass
der Ausgang einer der Verstärkungsstufen 901 und 902,
die unter Verwendung von Transistoren implementiert sind, mit den
ersten Übertragungsleitungen
von zwei Übertragungsleitungs-Transformatoren verbunden
ist, und der Ausgang der verbleibenden der Verstärkungsstufen 901 und 902 mit
den zweiten Übertragungsleitungen
der beiden Übertragungsleitungs-Transformatoren verbunden
ist, so dass die Verstärkungsstufen
so angeschlossen sind, dass sie auf die beiden Übertragungsleitungs-Transformatoren
verteilt werden. Ferner sind der zweite Ausgangsknoten eines der
beiden Übertragungsleitungs-Transformatoren
und der erste Ausgangsknoten des verbleibenden Übertragungsleitungs-Transformators miteinander
verbunden, und der erste Ausgangsknoten 601 eines der beiden Übertragungsleitungs-Transformatoren und
der zweite Ausgangsknoten 602 des verbleibenden Übertragungsleitungs-Transformators
sind mit entsprechenden Übertragungsleitungen
eines anderen Übertragungsleitungs-Transformators
verbunden, und sind dann mit einem Last-Anschluss, bzw. mit Masse
verbunden.
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Wenn
die Phasen der Eingangs-Signalformen von RFin der Verstärkungsstufen 901 und 902 einander entgegengesetzt
sind, sind die Phasen der Ausgangs-Signalformen der Verstärkungsstufen 901 und 902 ebenfalls
einander entgegengesetzt. Wenn die Ausgangsspannungen der Verstärkungsstufen 901 und 902 +V, bzw. –V sind,
und die Größe des durch
jede der Verstärkungsstufen
fließenden
Stroms 2I beträgt,
ist die Größe des durch
jede der Übertragungsleitungen
fließenden
Stroms I, und somit ist die Größe des in
Rout fließenden Stroms
ebenfalls I, und die Spannung an Rout ist +4V.
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In
diesem Fall wird die folgende Gleichung [5] dazu verwendet, das
Impedanzwandlungs-Verhältnis
R zu berechnen. 4V/I = Rout, V/2I = Rload [5]
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Daher
wird Rout:Rload = 8:1 erhalten.
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Auf
diese Weise ist, wenn R gleich 8 ist und Rout 50Ω ist, in Gleichung [5] Rload
= 6,25 Ω.
Ferner ist die Anzahl der Verstärkungsstufen
N = 2. Daher ist der Wert von N × R gleich 16.
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10 ist
ein Schaltbild, das einen Leistungsverstärker zeigt, bei dem ein Leistungs-Kombinator
gemäß einer.
fünften
Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Die
Struktur des in der Zeichnung dargestellten Leistungsverstärkers ist
dieselbe wie eine modifizierte Struktur des Leistungsverstärkers aus 7,
in der ein Leistungs-Kombinator modifiziert wird, um den Leistungs-Kombinator aus 9 zu
realisieren.
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In
diesem Fall werden Ströme,
die durch entsprechende Übertragungsleitungen
und Rout fließen,
und Spannungen an entsprechenden Stellen beschrieben. Um N und R
zu erhalten, kann die folgende Gleichung [6] benutzt werden. 4V/2I = Rout, V/2I = Rload [6]
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Daher
wird Rout:Rload = 4:1 erhalten.
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Auf
diese Weise erhält
man aus Gleichung [6] R als 4. Da die Anzahl von Verstärkungsstufen 4 ist, erhält man N
= 4. Daher ist der Wert von N × R
gleich 16.
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In
den auf diese Weise modifizierten Leistungs-Kombinatoren aus 9 und 10 wird
die virtuelle AC-Masse 505 gebildet und kann als Eingebeeinheit
zur Eingabe der Versorgungsspannung des Verstärkers genutzt werden.
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In
der Struktur des Leistungsverstärkers
von 8 kann der Leistungs-Kombinator auch modifiziert werden
und kann auf den Leistungs-Kombinator von 9 erweitert
werden.
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11 zeigt
eine Fotografie, die das tatsächliche
Layout eines integrierten Schaltkreises zeigt, in dem der Leistungsverstärker aus 10 implementiert
ist, und die eine Layout-Fotografie unter Verwendung eines 0,18μm-RFCMOS-Prozesses zeigt.
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Referenznummer
1101 bezeichnet einen Leistungs-Kombinator gemäß der vorliegenden Erfindung.
In diesem Fall wird jede Übertragungsleitung,
die einen Leistungs-Kombinator bildet, aus Aluminium hergestellt und
so ausgebildet, dass sie eine Dicke von ungefähr 2,5 μm und eine Breite von 20 μm hat.
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12 ist
ein Graph, der die Ergebnisse einer Computersimulation des Leistungsverstärkers aus 11 zeigt.
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Die
in der Zeichnung dargestellten Ergebnisse der Computersimulation
zeigen den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung, wobei die Betriebsfrequenz
des Schaltkreises auf 1,8GHz eingestellt ist, die Eingangsleistung
auf einen bestimmten Wert festgelegt ist, und die Versorgungsspannung
des Schaltkreises von 0,5 V bis 3,3 V variiert. Wie in 12 gezeigt,
war die maximale Ausgangsleistung ungefähr 34,5 dBm, und der Wirkungsgrad
war zu diesem Zeitpunkt 48%. Diese Ergebnisse zeigen den Wirkungsgrad
eines Verstärkers
zur Erzeugung von Ausgangsleistungen im Bereich von Watt bei einer
Betriebsfrequenz von 1,8 GHz und zeigen einen sehr hohen Wert.
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Wie
oben beschrieben, kann man sehen, dass der Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden
Erfindung effizient die Ausgangsleistungs-Komponenten miteinander
kombiniert, die von entsprechenden Verstärkungsstufen erzeugt werden.
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13A und 13B sind
Schaltbilder, die ein Beispiel zeigen, in dem ein Übertragungsleitungs-Transformator,
der den Leistungs-Kombinator bildet, modifiziert ist, um einen Spiral- Transformator im Leistungsverstärker aus 6 zu
realisieren.
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Da
die grundlegenden Funktionsprinzipien eines Übertragungsleitungs-Transformators
und eines typischen Spiral-Transformators gleich sind, kann der Übertragungsleitungs-Transformator
durch einen Spiral-Transformator
im Leistungs-Kombinator ersetzt werden, in dem der Übertragungsleitungs-Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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Das
heißt,
wenn die Wicklungszahlen-Verhältnisse
der Spiral-Transformatoren 1301 und 1302 in 13B 1:1
sind, haben die Spiral-Transformatoren dieselben Charakteristiken
wie der oben beschriebene Leistungs-Kombinator, bei dem der Übertragungsleitungs-Transformator
verwendet wird, und die Werte von N und R werden unter Verwendung
desselben Verfahrens berechnet, wie oben beschrieben. Wenn die Wicklungszahlenverhältnisse
der Spiral-Transformatoren jedoch 1:N oder N:1 und nicht 1:1 sind,
kann die Größe des Stroms
und der Spannung, die durch die Primär- oder Sekundärseite jedes
Spiral-Transformators fließt, unter
Verwendung der Gleichungen zur Berechnung des Strom-Verhältnisses
und des Spannungs-Verhältnisses
auf der Primärseite
und der Sekundärseite
des Spiral-Transformators in Gleichung [7] analysiert werden, und
somit ist die Berechnung eines Wertes Rload, der einem Wert Rout
entspricht, möglich.
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Daher
können
in dem Fall, in dem der Spiral-Transformator benutzt wird, die Werte
von N und R ebenfalls einfach unter Verwendung des oben beschriebenen
Verfahrens berechnet werden.
- N: Wicklungszahlen-Verhältnis des
Spiral-Transformators
- V1: Differenz zwischen Spannungen an zwei Anschlüssen auf
der Primärseite
des Transformators
- I1: Größe des Stromes,
der durch die Primärseite
des Transformators fließt
- V2: Differenz zwischen Spannungen an zwei Anschlüssen auf
der Sekundärseite
des Transformators
- I2: Größe des Stromes,
der durch die Sekundärseite
des
Transformators fließt
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Wie
oben beschrieben, ist die Erfindung dahingehend vorteilhaft, dass
sie Leistungs-Komponenten kombiniert, die von einer Vielzahl von
in einem drahtlosen Kommunikationssystem verwendeten Leistungsverstärkern erzeugt
werden, wobei jeder einen Übertragungsleitungs-Transformator
verwendet, wodurch nicht nur die Verlustleistung minimiert, sondern
auch der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers verbessert wird, indem eine
hohe Ausgangsleistung erzeugt wird.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung zu Beispielzwecken offen gelegt wurden,
wird ein Fachmann erkennen, dass verschiedene Abwandlungen, Hinzufügungen und
Ersetzungen möglich
sind, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen, wie in
den beigefügten
Ansprüchen offen
gelegt.
