DE102009005493B9

DE102009005493B9 - Leistungsverstärker, verfahren zum verstärken eines eingangssignals und verfahren zum modulieren eines eingangssignals

Info

Publication number: DE102009005493B9
Application number: DE102009005493.6A
Authority: DE
Inventors: Koen Mertens; Thomas Poetscher; Patrick Reynaert; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: US7679434B2; DE102009005493B4; DE102009005493A1; US20090184761A1

Abstract

Verfahren zum Verstärken eines Eingangssignals, umfassend:Erzeugen eines Ansteuersignals (S(t); S(t)) und eines Steuersignals (S(t)) auf der Grundlage des Eingangssignals (S(t)), wobei das Ansteuersignal (S(t); S(t)) während einer ersten Zeit (t) schwankt und während einer zweiten Zeit (t) inaktiv ist und wobei das Steuersignal (S(t)) während der ersten Zeit (t) kontinuierlich inaktiv ist und während der zweiten Zeit (t) kontinuierlich aktiv ist,Bereitstellen einer verstärkten Ausgangsspannung (S(t)) als eine Funktion des Ansteuersignals (S(t); S(t)) mit einer Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe (304; 404), undwahlweises Verändern einer Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304, 404) als eine Funktion des Steuersignals (S(t)) mit einem Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408), welcher mit einem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304, 404) gekoppelt ist, wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) die verstärkte Ausgangsspannung (S(t)) über einen ersten und einen zweiten symmetrischen Zweig (418, 420) des Verstärkerausgangs (426, 432) als eine Funktion des Ansteuersignals (S(t); S(t)) und einem inversen Ansteuersignal (), welches bezogen auf das Ansteuersignal (S(t); S(t)) näherungsweise um 180° phasenverschoben ist, bereitstellt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Hochfrequenzmodulation und insbesondere eine Modulation, welche einen Impedanzkompensationsschaltkreis verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen ist ein Leistungsverstärker eine Vorrichtung, welche ein Eingangssignal mit einem kleinen Energiebetrag in ein ähnliches Ausgangssignal mit einem größeren Energiebetrag wandelt. Ein Leistungsverstärker kann z.B. ein Eingangssignal mit einer verhältnismäßig kleinen Amplitude aufnehmen und es in ein Ausgangssignal mit einer verhältnismäßig großen Amplitude wandeln. Funksender, wie z.B. Basisstationen, Mobiltelefone und weitere Kommunikationsvorrichtungen, verwenden häufig diese Leistungsverstärker, um Kommunikationssignale zwischen entfernten Vorrichtungen zu übertragen.
Ein idealer Leistungsverstärker wäre eine absolut lineare Vorrichtung, das bedeutet, dass, wenn ein Ansteuersignal für den Verstärker erhöht wird, das von dem Verstärker gelieferte Ausgangssignal auch erhöht wird, bis ein Punkt erreicht ist, an dem ein Teil des Verstärkers gesättigt ist und keine weitere Ausgabe erzeugen kann.
Bei einigen Anwendungen, wie z.B. bei mobilen Kommunikationsvorrichtungen, ist ferner eine Effizienz (eine Ausgestaltung mit niedriger Leistung) zusätzlich zur Linearität ein wichtiger Gesichtspunkt. Bezugnehmend auf 1 ist ein Beispiel eines etwas ineffektiven Leistungsverstärkers 100 gezeigt.
Dieser Leistungsverstärker 100 weist eine Leistungsverstärkungsstufe 102, einen Zirkulator 104 und ein Bandpassfilter 106 auf, welches am Ausgang mit einer Last (R_L ) gekoppelt ist. Im Betrieb liefert die Leistungsverstärkungsstufe 102 eine Spannung über einer großen Bandbreite. Die Inbandfrequenzkomponenten fließen durch den Zirkulator 104, verlaufen durch das Durchlassband des Bandpassfilters 106 zu der Last R_L , wie durch Linie 108 dargestellt. Die Außerbandfrequenzkomponenten sehen jedoch eine hohe Impedanz bei dem Bandpassfilter 106 und werden zurück in Richtung des Zirkulators 104 geworfen, welcher die Leistung über einen Ableitwiderstand 110 abführt, wie durch Linie 112 angezeigt. Dies führt zu einem Leistungsverlust und einem Leistungsverstärker mit einer verhältnismäßig geringen Effizienz.
Aus der US 2003/0025561 A1 ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren zum Steuern einer Lastimpedanz zum Beibehalten einer Verstärkerlinearität für Übertragungen mit signifikant unterschiedlichen Verhältnissen von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung bekannt. Bei einer gewünschten Ausgangsleistung wird eine erste Lastimpedanz für Übertragungen mit einem ersten Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung ausgewählt und eine zweite Lastimpedanz wird für Übertragungen mit einem zweiten Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung ausgewählt, um sicherzustellen, dass eine geeignete Verstärkerlinearität für sowohl Sprach- als auch Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen erreicht wird.
Die US 6,232,841 B1 betrifft Leistungsverstärker mit Blindstromnetzen, welche abstimmbare Blindstromvorrichtungen in ihren Blindstromnetzen verwenden. Die entsprechenden Blindstromwerte der Blindstromvorrichtungen können mittels entsprechender Steuersignale eingestellt werden. Die einstellbaren Blindstromvorrichtungen sind aus mikroelektromechanischen Vorrichtungen gefertigt, welche mit dem zum Herstellen der Steuersignale erforderlichen Steuerschaltkreis und weiteren Verstärkerkomponenten auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.
Aus der DE 103 18 202 A1 ist ferner bekannt, dass unsymmetrisch Topologien auch als Single-ended-Topologien oder einendige Topologien bezeichnet werden.
Wie aus der obigen Erörterung und hierin beschriebenen Ausführungsformen verständlich ist, ist es eine Aufgabe der Erfindung, Leistungsverstärker bereitzustellen, welche sowohl Linearität als auch eine hohe Effizienz zeigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zum Verstärken eines Eingangssignals nach Anspruch 1, einen Leistungsverstärker nach Anspruch 4, ein Verfahren zum Modulieren eines Eingangssignals nach Anspruch 17 und einen Hochfrequenzsender nach Anspruch 23 bereit. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Nachfolgend wird eine vereinfachte Zusammenfassung bereitgestellt, um ein grundlegendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung bereitzustellen. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick der Erfindung und soll weder Schlüsselelemente noch kritische Elemente der Erfindung identifizieren oder den Umfang davon abgrenzen. Vielmehr ist der Hauptzweck der Zusammenfassung, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als eine Einleitung für die detailliertere Beschreibung, welche später dargelegt werden wird, darzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verstärken eines Eingangssignals bereitgestellt. Bei dem Verfahren werden ein Ansteuersignal und ein Steuersignal auf der Grundlage des Eingangssignals erzeugt, wobei das Ansteuersignal während einer ersten Zeit schwankt und während einer zweiten Zeit inaktiv ist und wobei das Steuersignal während der ersten Zeit kontinuierlich inaktiv ist und während der zweiten Zeit kontinuierlich aktiv ist. Mit einer Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe wird eine verstärkte Ausgangsspannung als eine Funktion des Ansteuersignals bereitgestellt. Mit einem Impedanzkompensationsschaltkreis, welcher mit einem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt ist, wird wahlweise eine Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe als eine Funktion des Steuersignals verändert.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe einen Induktivitäts-Kapazitätsschaltkreis aufweisen und der Leistungsverstärker ferner ein Filter umfassen, welches mit dem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt ist und ausgestaltet ist, einige Frequenzkomponenten der verstärkten Ausgabespannung zu einem Ausgang des Filters zu leiten und andere Frequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung zu reflektieren, wobei zumindest etwas Energie der reflektierten Frequenzkomponenten während der zweiten Zeit in dem Induktivitäts-Kapazitätsschaltkreis gespeichert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Impedanzkompensationsschaltkreis die Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe über die erste und die zweite Zeit näherungsweise konstant halten.
Die Leistungsverstärkungsstufe stellt die verstärkte Ausgabespannung in einem differentiellen Format über einen ersten und einen zweiten symmetrischen Zweig des Verstärkerausgangs als eine Funktion des Ansteuersignals und eines inversen Ansteuersignals, welches näherungsweise um 180° verschoben bezogen auf das Ansteuersignal ist, bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Leistungsverstärker bereit, welcher einen Signalgenerator, eine Leistungsverstärkungsstufe und einen Impedanzkompensationsschaltkreis umfasst. Der Signalgenerator dient zum Empfangen eines analogen Eingangssignals und zum Bereitstellen eines Ansteuersignals, welches während einer ersten Zeit mit einer Trägerwelle moduliert ist und während einer zweiten Zeit inaktiv ist, und eines Impulsbreitenmodulationssignals, welches während der ersten Zeit kontinuierlich inaktiv und während der zweiten Zeit kontinuierlich aktiv ist. Die Leistungsverstärkungsstufe dient zum Bereitstellen einer verstärkten Ausgangsspannung als eine Funktion des Ansteuersignals. Der Impedanzkompensationsschaltkreis dient zum wahlweisen Ändern einer Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals. Die Leistungsverstärkungsstufe stellt die verstärkte Ausgabespannung in einem differentiellen Format über einen ersten und einen zweiten symmetrischen Zweig des Verstärkerausgangs als eine Funktion des Ansteuersignals und eines inversen Ansteuersignals, welches näherungsweise um 180° verschoben bezogen auf das Ansteuersignal ist, bereit.
Der Leistungsverstärker kann ferner ein Filter umfassen. Das Filter kann Inbandfrequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung durchleiten, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen, und Außerbandfrequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung in Richtung der Leistungsverstärkungsstufe zurückreflektieren.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Impedanzkompensationsschaltkreis eine Impedanzkompensationsschaltung mit einem Knoten, welcher mit dem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt ist, und mit einem weiteren Knoten, welcher mit einem Schaltelement gekoppelt ist, welches wahlweise den weiteren Knoten der Impedanzkompensationsschaltung als eine Funktion des Steuersignals mit Masse verbindet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Signalgenerator ausgestaltet, ein Eingangssignal mit einer Hüllkurve zu empfangen. Die Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe ist ausgestaltet, in Verbindung mit einem zwischen einen differentiellen Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelten Filter eine verstärkte Ausgangsspannung an dem differentiellen Ausgang als eine Funktion des Ansteuersignals und eines inversen Ansteuersignals bereitzustellen.
Das Filter kann ein gefiltertes Signal bereitstellen, welches mit der Trägerwelle moduliert ist und welches eine Hüllkurve aufweist, welche ähnlich zu der Hüllkurve des Eingangssignals ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Leistungsverstärkungsstufe ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Das erste Schaltelement wird über das Ansteuersignal gesteuert und ist mit einem ersten einendigen Ausgang des differentiellen Ausgangs gekoppelt. Das zweite Schaltelement wird über das inverse Ansteuersignal gesteuert und ist mit einem zweiten einendigen Ausgang des differentiellen Ausgangs gekoppelt. Das Filter ist mit dem ersten und dem zweiten einendigen Ausgang gekoppelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Leistungsverstärkungsstufe ferner eine stromversorgungsseitige Induktivität, eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität. Die stromversorgungsseitige Induktivität ist in Reihe mit einer Kapazität geschaltet, wobei ein Hochfrequenzversorgungsknoten zwischen die stromversorgungsseitige Induktivität und die Kapazität geschaltet ist. Die stromversorgungsseitige Induktivität hat einen Anschluss, welcher mit einer Gleichstromversorgungsspannung gekoppelt ist. Die Kapazität hat einen Anschluss, welcher mit Masse gekoppelt ist. Die erste Induktivität ist mit dem Hochfrequenzversorgungsknoten und dem ersten einendigen Ausgang gekoppelt. Die zweite Induktivität ist mit dem Hochfrequenzversorgungsknoten und dem zweiten einendigen Ausgang gekoppelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Impedanzkompensationsschaltkreis eine erste Impedanzkompensationsschaltung und eine zweite Impedanzkompensationsschaltung. Die erste Impedanzkompensationsschaltung umfasst einen ersten Knoten, welcher mit dem ersten einendigen Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt ist, und einen dritten Knoten, welcher mit einem dritten Schaltelement gekoppelt ist, welches wahlweise den dritten Knoten der Impedanzkompensationsschaltung als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals mit Masse koppelt. Die zweite Impedanzkompensationsschaltung umfasst einen zweiten Knoten, welcher mit dem zweiten einendigen Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt ist, und einen vierten Knoten, welcher mit einem vierten Schaltelement gekoppelt ist, welches wahlweise den vierten Knoten der Impedanzkompensationsschaltung als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals mit Masse koppelt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der Impedanzkompensationsschaltkreis eine erste Impedanzkompensationsschaltung, welche eine erste Kapazität aufweist, und ein drittes Schaltelement. Das dritte Schaltelement umfasst einen Gate-Anschluss, an welchem das Impulsbreitenmodulationssignal zugeführt wird, und ist in Reihe mit der ersten Kapazität.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Leistungsverstärkers umfasst der Impedanzkompensationsschaltkreis eine erste Impedanzkompensationsschaltung mit einer ersten Kapazität in Reihe mit einer ersten Induktivität, und ein drittes Schaltelement mit einem Gate-Anschluss, an welchem das Impulsbreitenmodulationssignal zugeführt wird. Das dritte Schaltelement ist in Reihe mit der ersten Kapazität und der ersten Induktivität.
Gemäß einer Ausführungsform des Leistungsverstärkers umfasst der Signalgenerator einen Hüllkurvendetektor, einen Komparator und einen Bearbeitungsschaltkreis. Der Hüllkurvendetektor ist ausgestaltet, das Eingangssignal zu empfangen und ein Hüllkurvensignal davon bereitzustellen. Der Komparator ist ausgestaltet, das Hüllkurvensignal zu empfangen und das Impulsbreitenmodulationssignal daraus bereitzustellen. Der Bearbeitungsschaltkreis ist ausgestaltet, das Impulsbreitenmodulationssignal mit einer Trägerwelle logisch in Beziehung zu setzen und dadurch das Ansteuersignal bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Modulieren eines Eingangssignals bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Hüllkurvensignals auf der Grundlage eines Eingangssignals mit einer Hüllkurve. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erzeugen eines Impulsbreitenmodulationssignals durch Vergleichen des Hüllkurvensignals mit einem Abtastsignals, wobei das Impulsbreitenmodulationssignal während einer ersten Zeit kontinuierlich inaktiv ist und während einer zweiten Zeit kontinuierlich aktiv ist. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines Ansteuersignals, welches während der ersten Zeit eine Trägerwellenfrequenz aufzeigt und während der zweiten Zeit inaktiv ist. Gemäß dem Verfahren wird weiterhin ein verstärktes Ausgangssignal an einem Ausgang einer Leistungsverstärkungsstufe unter Verwendung des Ansteuersignals erzeugt. Bei dem Verfahren wird das verstärkte Ausgangssignal unter Verwendung eines Filters gefiltert. Das Filter ist mit dem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt. Außerdem wird bei dem Verfahren eine Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe, wie sie von dem Filter gesehen wird, als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals verändert.
Das verstärkte Ausgangssignal kann während der ersten Zeit Gegentaktschwingungen und während der zweiten Zeit Gleichtaktschwingungen umfassen.
Das Verändern der Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe kann ein Öffnen oder Schließen eines Schaltelements umfassen, welches mit einer Impedanzkompensationsschaltung gekoppelt ist, welche mit dem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe verbunden ist.
Das gefilterte Signal kann mit der Trägerwellenfrequenz moduliert werden und kann eine Hüllkurve aufweisen, welche ähnlich zu der Hüllkurve des Eingangssignals ist.
Erfindungsgemäß wird ein Funkfrequenzsender bereitgestellt, welcher einen der zuvor beschriebenen Leistungsverstärker und ein Filter umfasst. Der Signalgenerator des Leistungsverstärkers umfasst einen Hüllkurvendetektor, einen Komparator und einen Bearbeitungsschaltkreis. Der Hüllkurvendetektor ist ausgestaltet, das Eingangssignal zu empfangen und ein Hüllkurvensignal daraus bereitzustellen. Der Komparator ist ausgestaltet, das Hüllkurvensignal zu empfangen und ein Impulsbreitenmodulationssignal bereitzustellen, welches während einer ersten Zeit kontinuierlich inaktiv ist und während einer zweiten Zeit kontinuierlich aktiv ist. Der Bearbeitungsschaltkreis ist ausgestaltet, das Impulsbreitenmodulationssignal mit einer Trägerwelle logisch in Bezug zu setzen und dadurch ein Ansteuersignal bereitzustellen. Die Leistungsverstärkungsstufe ist ausgestaltet, eine verstärkte Ausgangsspannung an einem ersten einendigen Ausgangszweig bereitzustellen. Die Leistungsverstärkungsstufe umfasst einen ersten MOSFET zum Bereitstellen der verstärkten Ausgangsspannung als eine Funktion des bearbeiteten Impulsbreitenmodulationssignals. Das Filter ist mit dem ersten einendigen Ausgangszweig gekoppelt und ausgestaltet, ein gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen. Das gefilterte Ausgangssignal weist eine Hüllkurve auf, welche ähnlich zu der des Eingangssignals ist, und weist eine Frequenz auf, welche größer als die des Eingangssignals ist.
Das Filter kann ein Basisbandfilter höherer Ordnung mit einem Lufthohlraum sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Leistungsverstärkungsstufe ferner ein zweites Schaltelement und einen zweiten Impedanzkompensationsschaltkreis. Das zweite Schaltelement dient zum Bereitstellen der verstärkten Ausgangsspannung entlang einem zweiten einendigen Ausgangszweig der Leistungsverstärkungsstufe als eine Funktion eines inversen Ansteuersignals, welches um 180° phasenverschoben bezogen auf das Ansteuersignal ist. Der zweite Impedanzkompensationsschaltkreis ist mit dem zweiten einendigen Ausgangszweig gekoppelt und weist ein viertes Schaltelement zum wahlweisen Koppeln des zweiten Impedanzkompensationsschaltkreises mit Masse als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals auf.
Das Filter kann mit dem ersten und dem zweiten einendigen Ausgangszweig gekoppelt werden.
Weiterhin kann der Funkfrequenzsender eine Antenne umfassen, welche ausgestaltet ist, das gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und das gefilterte Ausgangssignal zu übertragen.
Die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen legen im Detail bestimmte veranschaulichende Aspekte und Realisierungen der Erfindung dar. Diese zeigen nur einige wenige der verschiedenen Arten, auf welche die Prinzipien der Erfindung ausgeführt werden können.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, welche einen ineffizienten Leistungsverstärker gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 ist eine schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform eines Leistungsverstärkers darstellt, welcher eine erhöhte Effizienz aufweist, aber unter Nichtlinearitäten leidet;
3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Leistungsverstärkers, welcher einen Impedanzkompensationsschaltkreis aufweist, um Nichtlinearitäten zu begrenzen;
4 zeigt ein Beispiel einer Gruppe von Zeitdiagrammen, welche zu der Ausführungsform der 3 gehören;
5 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Funksenders, welcher eine detailliertere Ausführungsform eines Leistungsverstärkers aufweist, welcher einen Impedanzkompensationsschaltkreis aufweist, um Nichtlinearitäten zu begrenzen;
6 ist eine Reihe von Zeitdiagrammen gemäß einem Beispiel von Signalen, welche zu der Ausführungsform der 5 passen;
7 ist eine schematische Darstellung, welche einen Leistungsverstärker mit einem Beispiel eines detaillierteren Impedanzkompensationsschaltkreises darstellt;
8 ist eine schematische Darstellung, welche einen Leistungsverstärker mit einem Beispiel eines detaillierteren Impedanzkompensationsschaltkreises darstellt;
9 ist eine schematische Darstellung, welche einen Leistungsverstärker mit einem Beispiel eines detaillierteren Impedanzkompensationsschaltkreises darstellt; und
10 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren eines Modulierens eines Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mehrere Realisierungen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei durchwegs gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Obwohl nachfolgend darstellende Beispiele zum Zwecke der Einfachheit und Klarheit im Zusammenhang mit einer Amplitudenmodulation beschrieben werden, ist es klar, dass Aspekte der Erfindung auch auf andere Arten von Modulationen, wie z.B. eine Phasenmodulation, angewendet werden können.
Im Vergleich mit dem ineffizienten Leistungsverstärker der 1 zeigt 2 eine Ausführungsform einer Leistungsverstärkungsstufe 202 und einen Bandpassfilter 204, wo die reflektierte Leistung nicht über einen Ableitwiderstand abgeführt wird, sondern vielmehr in LC-Schaltkreisen 206, 208, in der Leistungsverstärkungsstufe 202 gespeichert wird. Durch Begrenzen eines Leistungsverlusts kann der Leistungsverstärker 200 eine höhere Effizienz als der zuvor erörterte Leistungsverstärker 100 aufweisen. Genauer gesagt, weist die Leistungsverstärkerstufe 202 der 2 einen differentiellen Ausgang 210 auf, welcher eine verstärkte Spannung als eine Funktion der Zeit überträgt, wobei die verstärkte Spannung einige Frequenzkomponenten, welche durch den Durchlassbereich des Bandpassfilters 204 verlaufen, und andere Frequenzkomponenten, welche von dem oberen oder unteren Sperrbereich des Bandpassfilters 204 geblockt werden, aufweist. Die Außerbandleistung sieht im Wesentlichen eine hohe Impedanz an dem Filter 204, und so reflektiert das Filter 204 die Außerbandleistung zurück zu der Leistungsverstärkungsstufe 202. Aufgrund der Struktur und Frequenz, bei welcher die Leistungsverstärkungsstufe 202 betrieben wird, wird die Außerbandleistung in den LC-Schaltungen (z.B. Induktivität 212, Kapazität 214 und Kapazität 216; und Induktivität 218, Kapazität 220 und Kapazität 216) gespeichert, anstatt abgeführt zu werden. Da die LC-Schaltungen wie Oszillatoren arbeiten, wird die Außerbandleistung zurück in das System geführt, um Leistungsverluste zu begrenzen und schnelle Antwortzeiten zu ermöglichen.
Obwohl diese Lösung theoretisch gut klingt, kann jedoch bei praktischen Lösungen die Leistungsverstärkerstufe 202 eine zeitvariante Ausgangsimpedanz zeigen, welche eine Nichtlinearität des Leistungsverstärkers 200 bewirkt. Unglücklicherweise werden viele moderne Kommunikationssysteme, wie z.B. zellulare Systeme, PCS-Systeme und Satellitensysteme, um eine lineare Verstärkung aufgebaut. Daher ist dieser Leistungsverstärker 200 weniger geeignet.
Bezug nehmend auf 3 ist eine Ausführungsform eines Leistungsverstärkers 300 gezeigt, welche einen Impedanzkompensationsschaltkreis aufweist, welcher die zeitvariante Ausgangsimpedanz der Ausführungsform der 2 kompensieren kann, wodurch ein hocheffizienter linearer Leistungsverstärker bereitgestellt wird. Um diese Funktionalität zu ermöglichen, weist der Leistungsverstärker 300 verschiedene Komponenten auf, welche im Betrieb zusammengekoppelt sind, und zwar einen Signalgenerator 302, eine Leistungsverstärkungsstufe 304, ein Filter 306 und einen Impedanzkompensationsschaltkreis 308. Es ist zu beachten, dass, obwohl der Leistungsverstärker 300 mit einer Leistungsverstärkungsstufe 304 mit einem einendigen Ausgang gezeigt ist, Aspekte der Erfindung gleichermaßen auf Leistungsverstärkungsstufen mit differentiellen Ausgängen anwendbar sind.
Wie 3 zeigt, empfängt der Signalgenerator 302 ein Eingangssignal, S_i(t), welches zu modulieren ist. Auf der Grundlage des Eingangssignals, S_i(t), stellt der Signalgenerator 302 ein Ansteuersignal, S_drive(t), und ein Steuersignal, S_control(t) bereit. Bezug nehmend auf 4 ist zu sehen, dass das Ansteuersignal während einer ersten Zeit t₁ schwanken kann und während einer zweiten Zeit t ₂ inaktiv ist. Das Steuersignal kann während der ersten Zeit t ₁ kontinuierlich inaktiv und während der zweiten Zeit t₂ kontinuierlich aktiv sein. Obwohl das Ansteuersignal der 4 als eine Reihe von halbsinusförmigen Wellenformen gezeigt ist, könnte es auch eine Reihe von Rechteck- oder rechteckförmigen Wellen sein.
Bezug nehmend auf 3 empfängt die Leistungsverstärkungsstufe 304 das Ansteuersignal, S_drive(t), häufig an dem Gate-Anschluss eines Schaltelements (z.B. MOSFET) und liefert eine verstärkte Ausgangsspannung, S_a(t), daraus. Somit kann das Schaltelement als eine zeitvariante Spannungsquelle arbeiten, welche eine Spannung auf der Grundlage des Ansteuersignals liefert. Die Leistungsverstärkungsstufe 304 weist ferner typischerweise mindestens eine Induktivitäts-Kapazitätsschaltung (LC) auf, um Spannungskomponenten wieder einzufangen, von welchen erwartet wird, dass sie von dem Filter 306 zu ihrem Eingang reflektiert werden.
Unter Berücksichtigung des zuvor Beschriebenen arbeitet das Filter 306 in Verbindung mit der Leistungsverstärkungsstufe 304, um die verstärkte Ausgangsspannung, S_a(t), zu liefern. Genauer gesagt, ermöglicht das Filter 306 einigen Frequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung da durch zu verlaufen, aber blockiert (reflektiert) andere Frequenzkomponenten in Richtung des Ausgangs der Verstärkungsstufe 304. Die Frequenzkomponenten, welche durch das Filter 306 laufen, bilden das gefilterte Ausgangssignal, S_f(t), wie gezeigt. Die reflektierten Komponenten haben im Gegensatz dazu zumindest einen Anteil ihrer Energie in der LC-Schaltung in der Leistungsverstärkungsstufe 304 gespeichert. Diese reflektierten Komponenten ermöglichen dem Leistungsverstärker 300, möglicherweise eine verhältnismäßig hohe Effizienz und eine verhältnismäßig schnelle Antwortzeit aufzuweisen. Um diese reflektierten Komponenten geeignet zu berücksichtigen und Nichtlinearitäten zu begrenzen, weist der Leistungsverstärker 300 den Impedanzkompensationsschaltkreis 308 auf, welcher mit dem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe 304 gekoppelt ist.
Der Impedanzkompensationsschaltkreis 308 ändert den effektiven Ausgangswiderstand der Leistungsverstärkungsstufe 304 (aus Sicht des Filters 306) als eine Funktion des Steuersignals S_control(t). Das Steuersignal steuert ein Schaltelement 310, welches wahlweise eine Impedanzkompensationsschaltung 312 mit Masse koppelt oder von Masse entkoppelt. Auf diese Art und Weise ändert der Impedanzkompensationsschaltkreis 308 die effektive Ausgangsimpedanz, welche das Filter 306 sieht, wenn es zurück in Richtung der Leistungsverstärkungsstufe 304 schaut. Bei einigen Ausführungsformen wird die Impedanzkompensationsschaltung 312 derart strukturiert sein, dass das Filter 306 zu allen Zeiten eine konstante Ausgangsimpedanz sieht, wenn es zurück in Richtung der Leistungsverstärkungsstufe 304 schaut. Dies ermöglicht dem Impedanzkompensationsschaltkreis 312 dazu beizutragen, die reflektierten Spannungskomponenten wieder einzufangen, wodurch eine höhere Effizienz ermöglicht wird, als zuvor erreichbar war.
Bei einer Ausführungsform kann das Steuersignal z.B. den Impedanzkompensationsschaltkreis 312 während der Zeit t₁ von Masse entkoppeln, wenn das Ansteuersignal aktiv ist. Im Gegensatz dazu kann das Steuersignal den Impedanzschaltkreis 312 während der Zeit t₂ mit Masse koppeln, wenn das Ansteuersignal inaktiv ist. Bei anderen Ausführungsformen kann das Steuersignal verwendet werden, die Ausgangsimpedanz auf andere Arten und Weisen zu ändern.
Nachdem nun eine etwas allgemeine Beschreibung eines Leistungsverstärkers 300 mit dem Impedanzkompensationsschaltkreis 308 dargelegt wurde, wird eine detailliertere Ausführungsform eines Leistungsverstärkers 400 zusammen mit beigefügten Zeitdiagrammen in 5-6 beschrieben. Zum Zwecke der Darstellung und Klarheit wird diese Ausführungsform im Zusammenhang mit einem Funkfrequenzsender gezeigt, welcher drahtlose Kommunikationssignale über eine Antenne überträgt und eine Leistungsverstärkungsstufe mit einem differentiellen Ausgang aufweist. Bei andern Ausführungsformen kann jedoch der Leistungsverstärker in anderen Zusammenhängen (z.B. Audioverstärkern) verwendet werden und/oder in einer einendigen Ausgangskonfiguration realisiert werden. Eine kurze strukturelle Beschreibung wird nun unter Bezugnahme auf 5 dargelegt, nach welcher die Zeitdiagramme unter Bezugnahme auf 6 beschrieben werden.
Wie in 5 gezeigt, ist eine detaillierte Ausführungsform eines Leistungsverstärkers 400 zu sehen, welcher einen Signalgenerator 402, eine Leistungsverstärkungsstufe 404, ein Bandpassfilter 406 und einen Impedanzkompensationsschaltkreis 408 aufweist. Bei dieser Ausführungsform kann der Leistungsverstärker 400 ausgestaltet sein, sein gefiltertes Ausgangssignal, S_f(t), zu einer Antenne 410 zu liefern, welche z.B. einer Basisstation mit einer Übertragungsleistung in einem Bereich von einigen wenigen Watt bis zu mehreren hundert Watt zugeordnet ist.
Der Signalgenerator 402 empfängt ein Eingangssignal S_i(t) und liefert das Impulsbreitenmodulationssignal S_PWM (t) und das Ansteuersignal, S_d(t), basierend auf einem Hochfrequenzabtastsignal, S_S(t), sowie einem Trägerwellensignal, S_carr(t). Um dieses Verhalten zu ermöglichen, weist der Signalgenerator 402 einen Hüllkurvendetektor 412, einen Komparator 414 und einen Bearbeitungsschaltkreis 416 auf. Der Hüllkurvendetektor 412 empfängt das Eingangssignal S_i(t) und stellt ein Hüllkurvensignal S_env(t) als eine Funktion davon bereit. Der Komparator 414 empfängt das Hüllkurvensignal S_env(t) sowie das Abtastsignal S_S(t) und liefert ein Impulsbreitenmodulationssignal S_PWM(t) darauf basierend. Der Bearbeitungsschaltkreis 416 empfängt das Impulsbreitenmodulationssignal, S_PWM(t), und das Trägerwellensignal, S_carr(t), und stellt das Ansteuersignal, S_d(t), (und optional ein inverses Ansteuersignal, S_d(t)) daraus bereit. Gemäß einer Ausführungsform kann der Signalgenerator 402 als ein Basisbandprozessor realisiert werden, welcher das Eingangssignal empfängt und daraus eine separate Phasen- und Amplitudeninformation extrahiert.
Bei der gezeigten differentiellen Konfiguration weist die Leistungsverstärkungsstufe 404 einen ersten und einen zweiten symmetrischen Zweig 418, 420 auf, welche den Ansteuersignalen zugeordnet sind. Der erste Zweig 418 weist eine erste Induktivität 422 und einen ersten MOSFET 424 mit einer parasitären Kapazität C_ds auf, wobei der erste MOSFET 424 das Ansteuersignal, S_d(t), an seinem Gate-Anschluss empfängt. Der Drain-Anschluss des ersten MOSFET 424 und ein Anschluss der ersten Induktivität 422 sind mit einem ersten einendigen Ausgangsknoten 426 gekoppelt. Der zweite Zweig 420 weist eine zweite Induktivität 428 und einen zweiten MOSFET 430 mit einer parasitären Kapazität C_ds auf, wobei der zweite MOSFET 430 das inverse Ansteuersignal, S_d(t), an seinem Gate-Anschluss empfängt. Der Drain-Anschluss des zweiten MOSFET 430 und ein Anschluss der zweiten Induktivität 428 sind mit einem zweiten einendigen Ausgangsknoten 432 gekoppelt. Somit bilden der erste und der zweite einendige Verstärkerausgang 426, 432 zusammengenommen einen differentiellen Verstärkerausgang, auf welchem eine verstärkte Ausgangsspannung, S_a(t), geliefert wird. Da die Ansteuersignale, (S_d(t), S_d(t)), näherungsweise 180° zueinander phasenverschoben sind, ist zu einer gegebenen Zeit, wenn die Ansteuersignale aktiv sind (d.h., oszillieren), nur ein MOSFET aktiv.
Die Leistungsverstärkungsstufe 404 weist ferner eine versorgungsseitige Induktivität 434 und eine versorgungsseitige Kapazität 436 symmetrisch zwischen dem ersten und dem zweiten symmetrischen Zweig 418, 420 auf. Die versorgungsseitige Induktivität 434 ist mit einem Anschluss mit einer Gleichspannungsversorgung (V_DD ) gekoppelt und ist mit dem anderen Anschluss mit einem Hochfrequenzversorgungsknoten (RF) 435 gekoppelt. Die versorgungsseitige Kapazität 436 ist mit einem Anschluss mit dem Hochfrequenzversorgungsknoten 435 gekoppelt und ist mit ihrem anderen Anschluss mit Masse (V_SS ) gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform weist die erste Induktivität 422 eine Induktivität von L/2 und die zweite Induktivität 428 auch eine Induktivität von L/2 auf, wobei L durch: $L = \frac{1}{{(2 π f_{c})}^{2} C_{d s}}$
gegeben ist, wobei f_c die Frequenz des Trägerwellensignals ist. Die Induktivität der versorgungsseitigen Induktivität 434 (L_DC ) ist typischerweise derart gewählt, dass L_DC >> L gilt. Während eines Betriebs des Verstärkers verhindert oder begrenzt diese Konfiguration einen Hochfrequenzstromzug von V_DD , aber ermöglicht, dass der Hochfrequenzversorgungsknoten 435 Hochfrequenzströme über V_SS speist. Von daher wird von V_DD nur ein Gleichstrom gezogen, und Hochfrequenzströme werden von dem Hochfrequenzversorgungsknoten bereitgestellt.
Sobald die Leistungsverstärkungsstufe 404 das verstärkte Ausgangssignal, S_a(t), an ihrem differentiellen Ausgang hervorgebracht hat, empfängt das Bandpassfilter 406 das verstärkte Ausgangssignal. Das Bandpassfilter 406 ermöglicht Inbandkomponenten zu der Antenne 410 durchzulaufen, aber reflektiert Außerbandkomponenten zurück zu dem differentiellen Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe 404. Aufgrund der Struktur und Frequenz, bei welcher der Leistungsverstärker betrieben wird, wird die Außerbandleistung in den LC-Schaltungen (z.B. der ersten Induktivität 422, der versorgungsseitigen Kapazität 436 und der Kapazität C_ds ; sowie der zweiten Induktivität 428, der versorgungsseitigen Kapazität 436 und der Kapazität C_ds ) gespeichert und wird in das System zurückgespeist, um Leistungsverluste zu begrenzen und schnelle Antwortzeiten zu ermöglichen. Um Verluste weiter zu begrenzen, welche in dem Leistungsverstärker auftreten, kann das Bandpassfilter 406 bei einer Ausführungsform ein Bandpassfilter mit einer hohen Ordnung und einem Lufthohlraum sein.
Der Impedanzkompensationsschaltkreis 408 weist eine erste und eine zweite symmetrische Impedanzkompensationsschaltung 438, 440 auf, welche mit dem ersten bzw. dem zweiten einendigen Ausgang 426, 432 verbunden sind. Der Impedanzkompensationsschaltkreis 408 weist ferner einen dritten und einen vierten MOSFET 442, 444 auf, welche wahlweise die erste bzw. die zweite Impedanzkompensationsschaltung 438, 440 als eine Funktion des Impulsbreiten-modulierten Signals, S_PWM(t), mit Masse koppelt. Wenn die Ansteuersignale, S_d(t), S_d(t), schwankende Amplituden aufweisen (d.h., aktiv sind), werden der dritte und der vierte MOSFET 442, 444 auf diese Art und Weise die erste und die zweite Impedanzkompensationsschaltung 438, 440 von Masse entkoppeln. Umgekehrt, wenn die Ansteuersignale, S_d(t), S_d(t), konstante Amplituden aufweisen (d.h., inaktiv sind), werden der dritte und der vierte MOSFET 442, 444 die erste und die zweite Impedanzkompensationsschaltung 438, 440 mit Masse koppeln. Auf diese Art und Weise sieht das Bandpassfilter 406 zu allen Zeiten eine verhältnismäßig konstante Ausgangsimpedanz, wenn es zurück in den differentiellen Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe 404 schaut.
Bezug nehmend auf 6 ist eine Reihe von Wellenformen zu sehen, welche im Zusammenhang mit der Ausführungsform der 5 beschrieben werden. Es ist zu beachten, dass diese Wellenformen etwas idealistisch sein können und tatsächliche Wellenformen von diesen Gezeigten abweichen können.
Das (nicht gezeigte) Eingangssignal, S_i(t), welches zu modulieren ist, kann an dem Eingang des Signalgenerators 402 empfangen werden. Im Allgemeinen weist das Eingangssignal eine Frequenz auf, welche erheblich geringer als die der Trägerwelle ist, und wird auf eine höhere Frequenz hochgesetzt, welche für eine drahtlose Übertragung geeignet ist. Obwohl 6 nicht das Eingangssignal zeigt, zeigt sie ein Hüllkurvensignal, S_env(t), welches daraus abgeleitet wird.
Zwecks der Klarheit ist ein dreieckförmiges Abtastsignal, S_s(t), dem Hüllkurvensignal überlagert, um eine Art und Weise zu zeigen, auf welche der Komparator 414 das PWM-Signal, S_PWM(t), erzeugen kann. Obwohl 6 ein dreieckförmiges Abtastsignal zeigt, kann auch ein rechteckförmiges Abtastsignal oder ein beliebiges anderes Abtastsignal verwendet werden.
Wie gezeigt, wird das PWM-Signal S_PWM(t) ermittelt, wenn der Komparator 414 das Hüllkurvensignal S_env(t) mit dem Abtastsignal S_S(t) vergleicht. Demzufolge weist S_PWM(t) ein Tastverhältnis auf, welches sich als eine Funktion der Amplitude (Hüllkurve) des Eingangssignals S_i(t) verändert. Wie gezeigt, ist S_PWM(t) während einer ersten Zeit t₁ kontinuierlich inaktiv und während einer zweiten Zeit t₂ kontinuierlich aktiv. Obwohl S_PWM(t) als kontinuierlich aktiv oder kontinuierlich inaktiv gezeigt ist, kann S_PWM(t) auch geringe Unstetigkeiten aufweisen, welche auch als bezeichnende gültige Äquivalente davon angesehen werden.
Ein Trägerwellensignal S_carr(t) wird von dem Bearbeitungsschaltkreis 416 zusammen mit dem PWM-Signal empfangen. Häufig weist das Trägerwellensignal eine verhältnismäßig hohe Frequenz bezogen auf die Impulsbreitenmodulations- und die Eingangssignale auf. In der dargestellten Ausführungsform kann die Trägerwelle eine Frequenz aufweisen, welche in den Hochfrequenzbereich fällt. In Abhängigkeit der Realisierung kann die Trägerfrequenz z.B. von einigen wenigen Kilohertz bis hinauf zu vielen Gigahertz reichen. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann die Trägerwelle auch phasenmoduliert sein.
Der Bearbeitungsschaltkreis 416 multipliziert das PWM-Signal und das Trägerwellensignal, um das Ansteuersignal S_d(t) wie gezeigt zu erzeugen. Somit schwankt das Ansteuersignal während der ersten Zeit t₁ und ist während der zweiten Zeit t₂ inaktiv. Ein inverses Ansteuersignal S_d(t) kann auch auf eine ähnliche Art und Weise erzeugt werden, wobei das inverse Ansteuersignal näherungsweise 180° phasenverschoben bezogen auf das Ansteuersignal ist.
Eine differentielle verstärkte Ausgangsspannung S_a(t) wird an dem differentiellen Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe 404 bereitgestellt. Während die Ansteuersignale aktiv sind (z.B. während t₁ ), wird die differentielle verstärkte Ausgangsspannung von der Verstärkungsstufe geliefert. Diese differentielle verstärkte Ausgangsspannung wird gewonnen, indem die Differenz zwischen den Spannungen auf dem ersten einendigen Ausgang und dem zweiten einendigen Ausgang gebildet wird.
Ein gefiltertes Ausgangssignal, S_f(t), wird erzeugt, wenn das Bandpassfilter den Inbandfrequenzkomponenten ermöglicht, da durch zu verlaufen. Somit ist das gefilterte Ausgangssignal, S_f(t), im Wesentlichen eine modulierte Version des Eingangssignals S_i(t).
Während die Ansteuersignale aktiv sind (z.B. während t₁ ), weisen die einendigen Ausgänge 426, 432 Gegentaktschwingungen auf, welche gegenphasig zueinander verlaufen. Umgekehrt, wenn die Ansteuersignale inaktiv sind (z.B. während t₂ ), sind die einendigen Ausgänge 426, 432 durch das Filter 406 miteinander gekoppelt und fallen in ein Gleichtaktschwingungsmuster. Diese Gleichtaktschwingungen bewahren den größten Teil der Energie, welche das Bandpassfilter zu der Leistungsverstärkungsstufe zurück reflektiert. Diese Energie wird verwendet, um einen Betrieb des Leistungsverstärkers zu beschleunigen, wenn die bearbeiteten PWM-Signale wieder aktiviert werden, wodurch eine Verstärkeransprechzeit und Effizienz verbessert wird.
Bezug nehmend auf 7-9 sind einige weitere detaillierte Beispiele von Schaltungen gezeigt, welche für den Impedanzkompensationsschaltkreis 408 verwendet werden können. Z.B. zeigt 7 eine Ausführungsform eines Breitbandschalters, wo die erste Impedanzkompensationsschaltung 438 eine erste Kapazität 602 aufweist, welche zwischen einem ersten einendigen Ausgang 604 und einem dritten MOSFET 606 gekoppelt ist. Die zweite Impedanzkompensationsschaltung 440 weist eine zweite Kapazität 608 auf, welche zwischen einem zweiten einendigen Ausgang 610 und einem vierten MOSFET 612 gekoppelt ist.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Schmalbandschalters. Bei dieser Ausführungsform weist die erste Impedanzkompensationsschaltung 438 eine erste LC-Schaltung auf, welche eine erste Kapazität 702 in Reihe mit einer dritten Induktivität 704 aufweist. Die zweite Impedanzkompensationsschaltung 440 weist eine zweite LC-Schaltung auf, welche eine zweite Kapazität 706 in Reihe mit einer vierten Induktivität 708 aufweist.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher eine erste Impedanzkompensationsschaltung wahlweise eine erste Induktivität 802 mit der Leistungsverstärkungsstufe als eine Funktion des Impulsbreiten-modulierten Signals koppelt und von dieser entkoppelt. Auf ähnliche Art und Weise koppelt und entkoppelt eine zweite Impedanzkompensationsschaltung wahlweise eine zweite Induktivität 804 mit der Leistungsverstärkungsstufe als eine Funktion des Impulsbreiten-modulierten Signals.
Bezug nehmend auf 10 ist ein Verfahren zum Modulieren eines Eingangssignals gemäß einem Aspekt der Erfindung gezeigt. Obwohl das Verfahren nachfolgend als eine Reihe von Vorgängen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Reihenfolge derartiger Vorgänge oder Ereignisse beschränkt. Z.B. können einige Vorgänge in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen neben den hierin dargestellten und/oder beschriebenen auftreten. Zusätzlich sind nicht alle dargestellten Schritte notwendig, um eine Methode gemäß einem oder mehrerer Aspekte der vorliegenden Erfindung zu realisieren. Ferner können ein oder mehrere der hierin dargestellten Vorgänge in einem oder mehreren getrennten Vorgängen oder Phasen ausgeführt werden.
In 10 beginnt das Verfahren 1000 bei 1002, wenn ein Hüllkurvensignal auf der Grundlage eines Eingangssignals mit einer Hüllkurve erzeugt wird.

Bei 1004 wird ein Impulsbreitenmodulationssignal durch Vergleichen des Hüllkurvensignals mit einem Abtastsignal erzeugt, wobei das Impulsbreitenmodulationssignal während einer ersten Zeit kontinuierlich inaktiv ist und während einer zweiten Zeit kontinuierlich aktiv ist.
Bei 1006 wird ein Ansteuersignal erzeugt, welches während der ersten Zeit eine Trägerwellenfrequenz aufweist und während der zweiten Zeit inaktiv ist.
Bei 1008 wird ein verstärktes Ausgangssignal an einem Ausgang einer Leistungsverstärkungsstufe durch Verwenden des Ansteuersignals erzeugt.
Bei 1010 wird das verstärkte Ausgangssignal unter Verwendung eines Filters, welcher mit dem Ausgang der Leistungsverstärkungsstufe gekoppelt ist, gefiltert; und
bei 1012 wird eine Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe aus Sicht des Filters als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals verändert.

Wie einem Fachmann klar sein wird, kann dieses Verfahren 1000 mit weiteren Merkmalen der zuvor erörterten Ausführungsformen kombiniert werden.
Einige Verfahren und entsprechende Merkmale der vorliegenden Offenbarung können durch Hardwaremodule, Softwareroutinen oder eine Kombination aus Hardware und Software ausgeführt werden. Soweit Software verwendet wird, z.B. durch einen Basisbandprozessor oder einen anderen Prozessor in Verbindung mit dem Leistungsverstärker, kann die Software über ein „computerlesbares Medium“ bereitgestellt werden, welches ein beliebiges Medium umfasst, welches zum Bereitstellen von Anweisungen für den Prozessor beiträgt. Ein derartiges computerlesbares Medium kann eine Vielzahl von Ausgestaltungen annehmen, welche nicht-flüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Nicht-flüchtige Medien schließen z.B. optische Disks (z.B. CDs, DVDs etc.) oder magnetische Disks (z.B. Floppydisks, Bänder etc.) ein. Flüchtige Medien schließen dynamische Speicher, wie z.B. ferroelektrische Speicher, SRAM oder DRAM, ein. Übertragungsmedien schließen Koaxialkabel, Kupferkabel, Faseroptiken usw. ein, welche die Befehle über ein Netz oder Zwischenkommunikationsvorrichtungen übertragen können. Übertragungsmedien können ferner elektromagnetische Wellen, wie z.B. Spannungswellen, Lichtwellen oder Funkwellen, einschließen.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Realisierungen dargestellt und beschrieben wurde, können Veränderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen durchgeführt werden, ohne von der Lehre und dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Obwohl einige der hierin beschriebenen Ausführungsformen beispielsweise unter Bezugnahme auf MOSFETs dargestellt und erörtert wurden, ist es klar, dass auch andere Schaltelemente verwendet werden können. Diese Schaltelemente können Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (high electron mobility transistors, HEMTs), Bipolartransistoren (bipolar junction transistors, BJTs), laterale Metalloxidhalbleitertransistoren (lateral diffused metal oxide semiconductor transistors, LDMOS), Vakuumröhren und andere Arten von Schaltelementen aufweisen.
Insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, welche von den zuvor beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich eines Bezugs auf „Mittel“), welche verwendet werden, um derartige Komponenten zu beschreiben, einer beliebigen Komponente oder Struktur, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (z.B., welche funktional äquivalent ist) ausführt, entsprechen, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist, sogar wenn sie nicht strukturell äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, welche die Funktion in den hierin dargestellten exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung ausführt. Obwohl ein spezielles Merkmal der Erfindung nur in Bezug auf eine oder mehrere Realisierungen offenbart wurde, kann ein derartiges Merkmal mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen von anderen Realisierungen kombiniert werden, wie es für eine gegebene oder spezielle Anwendung gewünscht und vorteilhaft sein kann. Soweit die Begriffe „einschließend“, „einschließen“, „aufweisend“, „aufweisen“, „mit“ oder Varianten davon in entweder der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, sollen weiterhin derartige Begriffe einschießend in einer Art und Weise ähnlich zu dem Begriff „umfassend“ sein.

Claims

Verfahren zum Verstärken eines Eingangssignals, umfassend: Erzeugen eines Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)) und eines Steuersignals (S_control(t)) auf der Grundlage des Eingangssignals (S_i(t)), wobei das Ansteuersignal (S_drive(t); S_d(t)) während einer ersten Zeit (t₁) schwankt und während einer zweiten Zeit (t₂) inaktiv ist und wobei das Steuersignal (S_control(t)) während der ersten Zeit (t₁) kontinuierlich inaktiv ist und während der zweiten Zeit (t₂) kontinuierlich aktiv ist, Bereitstellen einer verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) als eine Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)) mit einer Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe (304; 404), und wahlweises Verändern einer Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304, 404) als eine Funktion des Steuersignals (S_control(t)) mit einem Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408), welcher mit einem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304, 404) gekoppelt ist, wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) die verstärkte Ausgangsspannung (S_a(t)) über einen ersten und einen zweiten symmetrischen Zweig (418, 420) des Verstärkerausgangs (426, 432) als eine Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)) und einem inversen Ansteuersignal (S_d(t)), welches bezogen auf das Ansteuersignal (S_drive(t); S_d(t)) näherungsweise um 180° phasenverschoben ist, bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) eine Induktivitäts-Kapazitätsschaltung (212, 214, 216, 218, 220) aufweist und mit dem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) ein Filter (306; 406) gekoppelt ist, wobei das Verfahren ferner umfasst: Weiterleiten einiger Frequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) zu einem Ausgang des Filters (306; 406), und Reflektieren anderer Frequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)), wobei zumindest etwas Energie der reflektierten Frequenzkomponenten während der zweiten Zeit (t₂) in der Induktivitäts-Kapazitätsschaltung gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408) die Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) über der ersten Zeit (t₁) und der zweiten Zeit (t₂) näherungsweise konstant hält.
Leistungsverstärker, umfassend: einen Signalgenerator (302; 402) zum Empfangen eines analogen Eingangssignals (S_i(t)) und zum Bereitstellen eines Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)), welches während einer ersten Zeit (t₁) mit einer Trägerwelle moduliert ist und während einer zweiten Zeit (t₂) inaktiv ist, und eines Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)), welches während der ersten Zeit (t₁) kontinuierlich inaktiv und während der zweiten Zeit (t₂) kontinuierlich aktiv ist; eine Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) zum Bereitstellen einer verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) als eine Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t), S_d(t)); und einen Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408) zum wahlweisen Ändern einer Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)), welcher mit einem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) gekoppelt ist, wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) die verstärkte Ausgangsspannung (S_a(t)) über einen ersten und einen zweiten symmetrischen Zweig (418, 420) des Verstärkerausgangs (426, 432) als eine Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)) und einem inversen Ansteuersignal (S_d(t)), welches bezogen auf das Ansteuersignal (S_drive(t); S_d(t)) näherungsweise um 180° phasenverschoben ist, bereitstellt.
Leistungsverstärker nach Anspruch 4, ferner umfassend: ein Filter (306; 406) zum Durchleiten von Inbandfrequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)), um ein gefiltertes Ausgangssignal (S_f(t)) zu erzeugen, und zum Zurückreflektieren von Außerbandfrequenzkomponenten der verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) in Richtung der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404).
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 4-5, wobei der Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408) umfasst: eine Impedanzkompensationsschaltung (312; 438, 440) mit einem Knoten, welcher mit dem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) gekoppelt ist, und mit einem weiteren Knoten, welcher mit einem Schaltelement (310; 442, 444) gekoppelt ist, welches wahlweise den weiteren Knoten der Impedanzkompensationsschaltung (312, 438, 440) als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_control(t); S_PWM(t)) mit Masse koppelt.
Leistungsverstärker nach Anspruch 4, umfassend: wobei der Signalgenerator (302, 402) ausgestaltet ist, als das analoge Eingangssignal ein Eingangssignal S_i(t) mit einer Hüllkurve zu empfangen; und wobei die Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) ausgestaltet ist, in Verbindung mit einem Filter (306; 406), welches zwischen einem differentiellen Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) gekoppelt ist, die verstärkte Ausgangsspannung an dem differentiellen Ausgang (426, 432; 604, 610) als Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)) und des inversen Ansteuersignals (S_d(t)) bereitzustellen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 7, wobei das Filter (306; 406) ein gefiltertes Signal (S_f(t)) bereitstellt, welches mit der Trägerwelle (S_carr(t)) moduliert ist und welches eine Hüllkurve aufweist, welche ähnlich zu der Hüllkurve des Eingangssignals (S_i(t)) ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) umfasst: ein erstes Schaltelement (424), welches über das Ansteuersignal (S_drive (t); S_d(t)) gesteuert wird und mit einem ersten einendigen Ausgang (426) des differentiellen Ausgangs (426, 432) gekoppelt ist; ein zweites Schaltelement (430), welches über das inverse Ansteuersignal (S_d(t)) gesteuert wird und mit einem zweiten einendigen Ausgang (432) des differentiellen Ausgangs (426, 432) gekoppelt ist; und wobei das Filter (306; 406) zwischen den ersten (426) und den zweiten (432) einendigen Ausgang gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 9, wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) ferner umfasst: eine stromversorgungsseitige Induktivität (434) in Reihe mit einer Kapazität (436), wobei ein Hochfrequenzversorgungsknoten (435) zwischen der stromversorgungsseitigen Induktivität (434) und der Kapazität (436) angeordnet ist, wobei die stromversorgungsseitige Induktivität (434) einen Anschluss aufweist, welcher mit einer Gleichstromversorgungsspannung (V_DD) verbunden ist, und wobei die Kapazität (436) einen Anschluss aufweist, welcher mit Masse verbunden ist; eine erste Induktivität (422), welche zwischen den Hochfrequenzversorgungsknoten (435) und den ersten einendigen Ausgang (426) gekoppelt ist; und eine zweite Induktivität (428), welche zwischen den Hochfrequenzversorgungsknoten (435) und den zweiten einendigen Ausgang (432) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408) umfasst: eine erste Impedanzkompensationsschaltung (438) mit einem ersten Knoten, welcher mit dem ersten einendigen Ausgang (426) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) gekoppelt ist, und mit einem dritten Knoten, welcher mit einem dritten Schaltelement (442) gekoppelt ist, welches wahlweise den dritten Knoten der Impedanzkompensationsschaltung (438) als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)) koppelt; und eine zweite Impedanzkompensationsschaltung (440) mit einem zweiten Knoten, welcher mit dem zweiten einendigen Ausgang (432) der Leistungsverstärkungsstufe (404) gekoppelt ist, und mit einem vierten Knoten, welcher mit einem vierten Schaltelement (444) gekoppelt ist, welches den vierten Knoten der Impedanzkompensationsschaltung (440) wahlweise als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)) mit Masse koppelt.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 9-11, wobei der Impedanzkompensationsschaltkreis (408) umfasst: eine erste Impedanzkompensationsschaltung (438), welche eine erste Kapazität aufweist; und ein drittes Schaltelement mit einem Gate-Anschluss, an welchem das Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) zugeführt wird, und welches in Reihe mit der ersten Kapazität ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 9-11, wobei der Impedanzkompensationsschalkreis (408) umfasst: eine erste Impedanzkompensationsschaltung (438), welche eine erste Kapazität (602) aufweist; und ein drittes Schaltelement (606) mit einem Gate-Anschluss, an welchem ein Hüllkurvensignal (S_ENV(t)) zugeführt wird, und welches in Reihe mit der ersten Kapazität (602) ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 9-11, wobei der Impedanzkompensationsschaltkreis (408) umfasst: eine erste Impedanzkompensationsschaltung (438), welche eine erste Kapazität (602) in Reihe mit einer ersten Induktivität (602) umfasst; und ein drittes Schaltelement mit einem Gate-Anschluss, an welchem das Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) zugeführt wird, und welches in Reihe mit der ersten Kapazität (602) und der ersten Induktivität (602) ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 9-11, wobei der Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408) umfasst: eine erste Impedanzkompensationsschaltung (438), welche eine erste Kapazität (602) in Reihe mit einer ersten Induktivität (602) umfasst; und ein drittes Schaltelement (606), welches einen Gate-Anschluss aufweist, an welchem ein Hüllkurvensignal (S_ENV(t)) zugeführt wird, und welches in Reihe mit der ersten Kapazität (602) und der ersten Induktivität (602) ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 7-15, wobei der Signalgenerator (302; 402) umfasst: einen Hüllkurvendetektor (412), welcher ausgestaltet ist, das Eingangssignal (S_i(t)) zu empfangen, und ein Hüllkurvensignal (S_ENV(t)) daraus bereitzustellen; einen Komparator (414), welcher ausgestaltet ist, das Hüllkurvensignal (S_ENV(t)) zu empfangen und das Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) daraus bereitzustellen; einen Bearbeitungsschaltkreis (416), welcher ausgestaltet ist, das Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) mit einer Trägerwelle (S_carr(t)) in Beziehung zu setzen und dadurch das Ansteuersignal (S_drive(t); S_d(t)) bereitzustellen.
Verfahren zum Modulieren eines Eingangssignals, umfassend: Erzeugen eines Hüllkurvensignals (S_ENV(t)) auf der Grundlage eines Eingangssignals (S_i(t)) mit einer Hüllkurve; Erzeugen eines Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)) durch Vergleichen des Hüllkurvensignals (S_ENV(t)) mit einem Abtastsignal (S_S(t)), wobei das Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) während einer ersten Zeit (t₁) kontinuierlich inaktiv ist und während einer zweiten Zeit (t₂) kontinuierlich aktiv ist; Erzeugen eines Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)), welches während der ersten Zeit (t₁) eine Trägerwellenfrequenz zeigt und während der zweiten Zeit (t₂) inaktiv ist; Erzeugen eines verstärkten Ausgangssignals (S_a(t)) an einem Ausgang (426, 432; 604, 610) einer Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) unter Verwendung des Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)); Filtern des verstärkten Ausgangssignals (S_a(t)) unter Verwendung eines Filters (306; 406), welches mit dem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) gekoppelt ist; und Ändern einer Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das verstärkte Ausgangssignal (S_a(t)) während der ersten Zeit (t₁) Gegentaktschwingungen und während der zweiten Zeit (t₂) Gleichtaktschwingungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Ändern der Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) umfasst: Öffnen oder Schließen eines Schaltelements (310; 442, 444), welches mit einer Impedanzkompensationsschaltung (312; 438, 440) gekoppelt ist, welche mit dem Ausgang (426, 432; 604, 610) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, wobei das gefilterte Signal (S_f(t)) mit der Trägerwellenfrequenz moduliert wird und eine Hüllkurve aufweist, welche ähnlich zu der Hüllkurve des Eingangssignals (S_i(t)) ist.
Hochfrequenzsender, umfassend: einen Leistungsverstärker umfassend: einen Signalgenerator (302; 402) zum Empfangen eines analogen Eingangssignals (S_i(t)) und zum Bereitstellen eines Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)), welches während einer ersten Zeit (t₁) mit einer Trägerwelle moduliert ist und während einer zweiten Zeit (t₂) inaktiv ist, und eines Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)), welches während der ersten Zeit (t₁) kontinuierlich inaktiv und während der zweiten Zeit (t₂) kontinuierlich aktiv ist; eine Schaltbetriebsart-Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) zum Bereitstellen einer verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) als eine Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t), S_d(t)); und einen Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408) zum wahlweisen Ändern einer Ausgangsimpedanz der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)), wobei der Signalgenerator einen Hüllkurvendetektor (412), welcher ausgestaltet ist, das Eingangssignal (S_i(t)) zu empfangen und daraus ein Hüllkurvensignal (S_ENV(t)) bereitzustellen, einen Komparator (414), welcher ausgestaltet ist, das Hüllkurvensignal (S_ENV(t)) zu empfangen und ein Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) bereitzustellen, und einen Bearbeitungsschaltkreis (416), welcher ausgestaltet ist, das Impulsbreitenmodulationssignal (S_PWM(t)) mit einer Trägerwelle (S_carr(t)) in Beziehung zu setzen und dadurch ein Ansteuersignal (S_drive(t); S_d(t)) bereitzustellen, umfasst; wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) die verstärkte Ausgangsspannung (S_a(t)) an einem ersten einendigen Ausgangszweig (418) bereitstellt und einen ersten MOSFET (424) zum Bereitstellen der verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) als eine Funktion des Ansteuersignals (S_drive(t); S_d(t)) umfasst; und ein Filter (306; 406), welches mit dem ersten einendigen Ausgangszweig (418) gekoppelt ist und ausgestaltet ist, ein gefiltertes Ausgangssignal (S_f(t)) bereitzustellen, wobei das gefilterte Ausgangssignal (S_f(t)) eine Hüllkurve aufweist, welche ähnlich zu der des Eingangssignals (S_i(t)) ist, und eine Frequenz aufweist, welche größer als die des Eingangssignals (S_i(t)) ist.
Hochfrequenzsender nach Anspruch 21, wobei das Filter (306; 406) ein Basisbandfilter hoher Ordnung mit einem Lufthohlraum ist.
Hochfrequenzsender nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) ferner umfasst: ein zweites Schaltelement (430) zum Bereitstellen der verstärkten Ausgangsspannung (S_a(t)) entlang einem zweiten einendigen Ausgangszweig (420) der Leistungsverstärkungsstufe (304; 404) als eine Funktion eines inversen Ansteuersignals (S_d(t)), welches bezogen auf das Ansteuersignal (S_d(t)) um 180° phasenverschoben ist; und einen zweiten Impedanzkompensationsschaltkreis (308; 408), welcher mit dem zweiten einendigen Ausgangszweig (420) gekoppelt ist und ein viertes Schaltelement (444) zum wahlweisen Koppeln des zweiten Impedanzkompensationsschaltkreises (408) als eine Funktion des Impulsbreitenmodulationssignals (S_PWM(t)) mit Masse aufweist.
Hochfrequenzsender nach Anspruch 23, wobei das Filter (306; 406) zwischen den ersten (418) und den zweiten (420) einendigen Ausgangszweig gekoppelt ist.
Hochfrequenzsender nach einem der Ansprüche 21-24, ferner umfassend: eine Antenne (410), welche ausgestaltet ist, das gefilterte Ausgangssignal (S_f(t)) zu empfangen und das gefilterte Ausgangssignal (S_f(t)) zu senden.