DE102009039980A1

DE102009039980A1 - Leistungsverstärker mit einer Ausgangsleistungssteuerung

Info

Publication number: DE102009039980A1
Application number: DE102009039980A
Authority: DE
Inventors: Winfried Bakalski; Markus Zannoth
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2010-03-11
Also published as: US7782133B2; US20100052789A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren für einen Leistungsverstärker mit Ausgangsleistungssteuerung. Der Leistungsverstärker kann mehrere Verstärkungsstufen aufweisen. Ein HF-Signal wird in den Leistungsverstärker mit Ausgangssteuerung eingespeist, der die Leistung des HF-Signals zum Erfüllen von Betriebserfordernissen verstärkt. Eine erste Stufe des Leistungsverstärkers steuert die Ausgangsleistung mittels Spannungsregelung. Eine Isoliereinrichtung wird in den Übertragungsweg des HF-Signals zwischen der ersten Stufe und den nachfolgenden Stufen des Leistungsverstärkers eingeführt. Durch die Isoliereinrichtung wird sichergestellt, dass die Lastimpedanz der ersten Stufe auf einem konstanten Wert festgelegt bleibt.

Description

Allgemein wird in Mobilkommunikationsvorrichtungen basierend auf Systemen wie GSM (Global System for Mobile Communication), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), DECT (Digital Enhanced (ehemals European) Cordless Telecommunications) usw. die Ausgangsleistung von Sendern zum Verringern des Stromverbrauchs und Minimieren von Störungen anderer Signale eingestellt. Die Einstellungen der Ausgangsleistung werden gewöhnlich nach vordefinierten Standards durchgeführt, die die Ausführung solcher Systeme bestimmen. Beispielsweise sind in GSM-Spezifikationen nominelle Ausgangsleistungspegel und zulässige Abweichungen von GSM-Mobilsendern unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufgelistet. In bestehenden Systemen wird die Ausgangsleistung durch Regeln von entweder der Betriebsspannung oder des Ruhestroms in einem Leistungsverstärker eingestellt.
Ein Steuern von Ausgangsleistung durch Regeln der Betriebsspannung ist von der Lastimpedanz des Leistungsverstärkers abhängig. Zur wirkungsvollen Leistungssteuerung sollte die Lastimpedanz auf einem konstanten Wert gehalten werden; allgemein kann die Lastimpedanz jedoch Schwankungen unterworfen sein. Wenn ein Handy beispielsweise auf einen metallischen Gegenstand gelegt wird, kann die Antenne des Handys etwas Rauschen auffangen, was Schwankungen der Lastimpedanz des Leistungsverstärkers im Handy verursacht. Typischerweise ist eine Leistungssteuerung unter Verwendung von Spannungsregelung am wirkungsvollsten, wenn der Leistungsverstärker in dessen Sättigungsbereich arbeitet. In einigen Systemen wie beispielsweise GSM- und DECT-Systemen arbeitet der Leistungsverstärker in dessen Sättigungsbereich während der Leistungsverstärker in anderen Systemen wie beispielsweise EDGE, 3G (WCDMA), Wireless LAN in dessen linearen Bereich arbeitet. Eine Leistungssteuerung mittels Spannungsregelung kann daher nicht in allen Systemen wirkungsvoll benutzt werden.
Eine Ausgangsleistungssteuerung mittels Regelns des Ruhestroms ist mit einem Einstellen des Ruhestroms zum Ändern der Ausgangsleistung verbunden. Dieser Ansatz funktioniert gut bei kleinen Ausgaben, da der Stromverbrauch niedrig ist; es bleiben jedoch noch Fragen in Bezug auf Transistorparameter, Temperatur und Abhängigkeit von der Eingangsleistung offen.
Die ausführliche Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. In den Figuren wird durch die äußerste(n) linke(n) Ziffer(n) einer Bezugsnummer die Figur identifiziert, in der die Bezugsnummer zuerst erscheint. Zur Bezugnahme auf gleiche Merkmale und Bauelemente werden in allen Zeichnungen die gleichen Nummern benutzt.
1 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften Systems mit einem Leistungsverstärker mit Leistungssteuerung;
2 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften Leistungsverstärkers mit Leistungssteuerung;
3 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften Leistungsverstärkers mit Leistungssteuerung mit einem Regelverstärker;
4 ist ein Blockschaltbild eines Schaltbildes eines beispielhaften Leistungsverstärkers mit Leistungssteuerung;
5 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Strom-Vorspannschaltung; und
6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Leistungssteuerung in einem Leistungsverstärker.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf Verfahren zur Leistungssteuerung in Leistungsverstärkern. Insbesondere sind die Verfahren mit der Realisierung eines Ausgangsleistungsverstärkers mit Ausgangsleistungssteuerung verbunden. Der offenbarte Leistungsverstärker mit Leistungssteuerung kann in verschiedenen Kommunikationsvorrichtungen oder -systemen realisiert werden. Beispielsweise kann ein Leistungsverstärker mit der Ausgangsleistungssteuerung in Mobiltelefonen, Basisstationen usw. realisiert sein. Die folgenden Systeme und Verfahren werden unter Bezugnahme auf ein Mobilkommunikationssystem beschrieben; es versteht sich jedoch, dass der offenbarte Leistungsverstärker mit Leistungssteuerung allgemein in einem beliebigen elektronischen Kommunikationssystem realisiert werden kann.
Mobilkommunikationssysteme enthalten Bauelemente wie Mobilkommunikationsvorrichtungen, Basisstationen usw., die Eingangssignale empfangen, die Eingangssignale in HF-Signale modulieren, die HF-Signale je nach Erfordernis verstärken und das verstärkte Signal übertragen können. Die Bauelemente enthalten einen Leistungsverstärker zum Verstärken der HF-Signale und Bereitstellen von Leistungsstärke.
Das offenbarte Verfahren zum Realisieren eines Leistungsverstärkers mit Leistungssteuerung weist auf eine Kombination von Spannungsregelung und Ruhestromregelung. Der offenbarte Leistungsverstärker enthält mehrere Verstärkungsstufen. Eine erste Stufe ist mit einer Leistungssteuerung mittels Spannungsregelung verbunden, während die späteren Stufen mit einer Leistungssteuerung mittels Stromregelung verbunden sein können. In einer Ausführungsform wird eine Spannungsregelung durchgeführt, wenn ein kleiner Teil der Ausgabe umzuwandeln ist, wie beispielsweise in der ersten Stufe, die allgemein für einen geringen Anteil des gesamten Wirkungsgrades des Leistungsverstärkers verantwortlich ist. Nachfolgende Stufen, die für den größten Anteil des Gesamtwirkungsgrades verantwortlich sind, werden mittels Ruhestroms gesteuert. In einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere der nachfolgenden Stufen auch mittels Spannungsregelung gesteuert werden.
Beispielhaftes System
1 zeigt ein beispielhaftes System 100 mit einem Leistungsverstärker mit Leistungssteuerung. Die Reihenfolge, in der die Blöcke des Systems beschrieben werden, soll nicht als eine Einschränkung angesehen werden und es kann zum Realisieren des Systems oder eines alternativen Systems eine beliebige Anzahl der beschriebenen Systemblöcke in einer beliebigen Reihenfolge kombiniert werden. Zusätzlich können einzelne Blöcke aus dem System weggelassen werden, ohne den Sinn und Rahmen des hier beschriebenen Erfindungsgegenstandes zu verlassen. Weiterhin kann das System ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, in einer beliebigen geeigneten Hardware, Software, Firmware oder einer Kombination derselben realisiert sein.
Das System 100 stellt einen HF-(Hochfrequenz-)Übertragungsteil einer Mobilkommunikationsvorrichtung wie beispielsweise eines Handys dar. Das System 100 empfängt ein Eingangssignal oder einen ankommenden Datenstrom 102. Das Eingangssignal 102 kann Sprachdaten, Textdaten oder Audio-Video-Daten entsprechen. Das Eingangssignal 102 wird an einen HF-Modulator 104 weitergeleitet.
Das modulierte Signal 105 wird vom Vorverstärker und Puffer 106 verstärkt, wodurch das HF-Eingangssignal zur Weiterverarbeitung angepasst wird. Vom Vorverstärker und Puffer 106 kann eine (programmierbare) Spannungsverstärkung für das Eingangssignal 105 bereitgestellt werden; jedoch wird durch den Vorverstärker und Puffer 106 möglicherweise nicht eine bedeutsame Stromverstärkung bereitgestellt. Vom Vorverstärker und Puffer 106 kann zusätzlich elektrische Impedanzwandlung für das HF-Eingangssignal (moduliertes Signal) 105 bereitgestellt werden und er kann mit einer programmierbaren oder veränderlichen Verstärkung (PGA) für Systeme realisiert werden, die eine hohe Dynamik für die Ausgangsleistungspegel wie beispielsweise 3G (UMTS) erfordern. Das verstärkte Eingangssignal wird dann zum Leistungsverstärker 110 gesendet.
Vom HF-Modulator 104 wird das verstärkte Signal in ein hochfrequenzmoduliertes Signal bzw. HF-Signal 105 umgewandelt, wobei das verstärkte Signal durch Modulation aufbereitet wird, so dass es durch den Freiraum übertragen werden kann. Danach wird das HF-Signal 108 zu einem Leistungsverstärker mit Leistungssteuerung 110 bzw. Leistungsverstärker 110 gesendet.
Vom Leistungsverstärker 110 wird die Leistungsstärke des HF-Signals 108 verstärkt und erhöht. Zum Bereitstellen einer veränderlichen Leistungsausgabe in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen können die offenbarten Verfahren zur Leistungssteuerung vom Leistungsverstärker 110 realisiert sein.
In einer Ausführungsform enthält der Leistungsverstärker 110 mehrere Verstärkungsstufen. Jede Stufe kann mit elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Transistoren realisiert sein. Die Leistungssteuerung wird mittels Spannungsregelung in der ersten Stufe und mittels Stromregelung in den nachfolgenden Stufen erreicht. Der Leistungsverstärker 110 enthält eine Isoliereinrichtung, beispielsweise wie weiter unten beschrieben zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe. Die Isoliereinrichtung dient zum Aufrechterhalten einer konstanten Lastimpedanz an der ersten Stufe durch Verhindern von Rücksignalen auf dem Übertragungsweg. Beispielsweise wäre eine 90°-Gabelschaltung eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer konstanten Impedanz. Durch Verwenden der Isoliereinrichtungen kann daher die Ausgabe der ersten Stufe auf einem vordefinierten Wert gehalten werden. Nach Verstärkung durch den Leistungsverstärker 110 wird die verstärkte HF-Signalausgabe 112 über eine Antenne 114 übertragen.
2 zeigt einen in drei Stufen realisierten Leistungsverstärker 110 gemäß einer Ausführungsform. Das HF-Signal 108 wird zur Stufe 1 202 gesendet. Die Stufe 1 202 enthält elektronische Bauelemente wie beispielsweise Transistoren usw. zum Verstärken des HF-Signals 108. Die Stufe 1 202, die Leistung über Spannungsregelung steuert kann für einen geringen Prozentsatz wie annähernd 5% des Gesamtwirkungsgrades des Leistungsverstärkers 110 verantwortlich sein. Die Ausgangsleistung der Stufe 1 202 ist von der Betriebsspannung der Stufe 1 202 abhängig. Die Betriebsspannung wird von einem Spannungsregler 204 gemäß einer Steuerungsspannung 206 geregelt. Die Steuerungsspannung 206 kann von jeder beliebigen standardmäßigen Stromquelle wie beispielsweise einer Basisbandprozessorausgabe in Mobiltelefonanwendungen geliefert werden. Die Steuerungsspannung 206 kann auf einen konstanten Wert wie beispielsweise entsprechend einem Betriebserfordernis eingestellt sein. Vom Spannungsregler 204 wird die Betriebsspannung mit der Steuerungsspannung 206 verglichen und die Betriebsspannung entsprechend geändert.
Die Ausgangsleistung der Stufe 1 202 kann sich auch mit einer Änderung der Lastimpedanz der elektronischen Bauelemente in der Stufe 1 202 ändern. Die Lastimpedanz kann sich ändern, wenn auf dem Übertragungsweg wie beispielsweise von der Antenne 114 irgendwelches Rauschen oder Störung empfangen wird. Zum Vermeiden von Rauschen oder Störung wird (wie oben besprochen) eine Isoliereinrichtung 208 in den Übertragungsweg von der Stufe 1 (202) zur nächsten Stufe eingeführt. Durch die Isoliereinrichtung 208 wird die Leistung von der Stufe 1 202 an die nächste Stufe angekoppelt, aber die Stufe 1 202 von von anderen Stufen des Leistungsverstärkers 110 und den anderen Bauelementen des Systems 100 wie beispielsweise der Antenne 114 kommenden Signalen isoliert. Die Isoliereinrichtung 208 kann daher Veränderung der Lastimpedanz aufgrund von Rückwirkung verhindern. Die Isoliereinrichtung 208 kann mit Verwendung von passiven elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Übertragungsleitungen (90°-Stichleitungskoppler, Ringleitungskoppler), Induktoren (L-C-Brücke), Transformatoren, Zirkulatoren und Isoliereinrichtungen mit anisotropischen Ferriten und sonstigen Isolierelementen realisiert sein. In einer alternativen Ausführungsform können auch erzwungene Einstellungen durch Widerstände durchgeführt werden, um die Lastimpedanz auf einem konstanten Wert zu halten. Widerstände bedeuten jedoch gewöhnlich Signalverluste.
Das HF-Signal 108 wird zur Stufe 2 210 des Leistungsverstärkers 110 gesendet. In der Stufe 2 210 kann eine Stromregelung zur Leistungssteuerung benutzt werden. Von der Stufe 2 210, die elektronische Bauelemente wie Transistoren enthalten kann, kann ein veränderlicher Vorspannungsstrom mittels einer veränderlichen Stromquelle 212-1 empfangen werden. Die Steuerspannung 206 diktiert die Ausgabe der veränderlichen Stromquelle 212-1. Daher wird in Abhängigkeit von der Steuerspannung 206 von der veränderlichen Stromquelle 212-1 der Vorspannungsstrom für die Stufe 2 210 geregelt. Das von der Stufe 1 202 empfangene HF-Signal 108 kann weiter verstärkt und zur Stufe 3 214 des Leistungsverstärkers 110 gesendet werden.
In der Stufe 3 214 kann wieder eine Stromregelung zur Leistungssteuerung benutzt werden. Die Stufe 3 214, die elektronische Bauelemente wie Transistoren enthalten kann, empfängt einen veränderlichen Vorspannungsstrom über eine veränderliche Stromquelle 212-2. In einer Ausführungsform kann die veränderliche Stromquelle 212-2 die gleiche wie die veränderliche Stromquelle 212-1 sein. Die Steuerspannung 206 diktiert die Ausgabe der veränderlichen Stromquelle 212-2. In Abhängigkeit von der Steuerspannung 206 wird von der veränderlichen Stromquelle 212-2 der Vorspannungsstrom für Stufe 3 214 geregelt. Das HF-Signal 108 kann weiterhin in Stufe 3 214 verstärkt werden, um den Betriebserfordernissen des Systems 100 zu entsprechen. Das verstärkte HF-Signal 112 kann dann über die Antenne 114 übertragen werden. Der Leistungspegel des verstärkten HF-Signals 112 kann über einen Detektor 216 gemessen werden. Wenn der Leistungspegel nicht einem Betriebserfordernis des Systems 100 entspricht, können im Leistungsverstärker 110 weitere Einstellungen durchgeführt werden.
Von den Stromquellen 212-1 und 212-2 wird ein Mindest-Vorspannungsstrom bereitgestellt, wobei die Stufe 2 210 und Stufe 3 214 im Grunde durch ein HF-Eingangssignal gesteuert werden. Die Wirkung besteht darin, dass ein gewisser HF-Pegel, der eine Spannung U_be erreicht, durch eine (nicht gezeigte) Diode U_be des HF-Transistors oder Stufen 210 und 214 gleichgerichtet wird und damit eine so genannte „Eigenvorspannung” ergibt. Um einen plötzlichen Start dieses Effekts zu vermeiden, und um zu vermeiden, dass Vorrichtung und Temperatur davon abhängig sind, erhalten die Verstärkerstufen 210 und 214 einen Vorspannungsstrom zum „Ausglätten” des Wechsels von einem A-Betrieb in einen B-Betrieb.
Im Ergebnis wird das HF-Ausgangssignal beinahe vollständig durch das Eingangssignal gesteuert, das durch die Isoliereinrichtungsausgabe und die spannungsgeregelte erste Stufe sehr gut definiert ist. Wenn eine lineare Betriebsart erforderlich ist, z. B. EDGE) kann die Vorspannung erhöht werden, um einen Leistungsverstärker im A-Betrieb zu halten.
Ein weiterer Vorteil des Regelns hauptsächlich der ersten Stufe mit einer Folgeschaltung besteht darin, dass die Regelung sehr schnell arbeitet (d. h. begrenzt nur durch die Transistorelementgeschwindigkeit und das Steuersignal selbst). Es gibt keinen „richtigen” Spannungsregler mit einer Rückkopplungsschleife und einem Operationsverstärker. Der Steuerstrom stellt die Spannung ohne nach einem Rückkopplungssignal zu schauen ein. Dies funktioniert am besten, wenn ein bipolarer Transistor benutzt wird, der ein wohl definiertes Verhältnis zwischen Basis und Emitter ergibt. Beispielsweise ist dies in Silizium eine 0,7-V-Diodenspannung zuzüglich der Temperaturabhängigkeit (~2 mV/K). Bei Germanium wären dies rund 0,4 V und in III/V-Materialien (GaAs) typischerweise Spannungen in einem Bereich von 1,3 V. Ein eingestelltes Signal führt weniger Rauschen ein. Im Wesentlichen findet man aufgrund der viel einfacheren Schaltkreise viel weniger rauschbehaftete Elemente wie beispielsweise Stromreferenzen, rauschbehaftete Transistoren.
Die Regelungsgeschwindigkeit ist von dem Steuersignal unabhängig. Im Gegensatz dazu benutzt ein System mit Rückkopplung gewöhnlich ein Tiefpassfilter (RC-Filter), das bei Verringern des Stroms sehr langsam wird. Der Grund dafür besteht physikalisch darin, dass für eine feste Kapazität ein verringerter Ladungsstrom zu einer erhöhten Ladungszeit führt. Ein weiterer Vorteil der Folgeschaltung besteht darin, dass es keine Rückkopplungsschleife gibt und daher keine Instabilität aufgrund von positiver Rückkopplung eintreten kann. Bei Betrachtung von Leistung-Zeit-Masken so wie sie für das GSM-System definiert sind ist die Leistungsregelung (Zeitmaske) möglicherweise nicht kritisch, selbst für Betriebsarten mit niedrigem Strom.
3 zeigt einen beispielhaften Leistungsverstärker 300 mit Leistungssteuerung mit einem Regelverstärker. Der Leistungsverstärker 300 kann eine weitere Ausführungsform des Leistungsverstärkers 110 sein. Der Leistungsverstärker 300 kann in Systemen benutzt werden, wo der Leistungsverstärker 110 anwendbar ist. In der nachfolgenden Beschreibung des Leistungsverstärkers 300 werden die sowohl dem Leistungsverstärker 110 als auch dem Leistungsverstärker 300 gemeinsamen Bauelemente mit den gleichen Namen und Bezugsziffern bezeichnet.
Vom Leistungsverstärker 300 wird das HF-Signal 108 zur Verstärkung erhalten. In der Stufe 1 210, die elektronische Bauelemente wie beispielsweise Transistoren enthält kann die Ausgangsleistung durch Spannungsregelung oder durch Verwendung eines Regelverstärkers (VGA)/Verstärkers mit programmierbarer Verstärkung (PGA) auf Grundlage der Betriebsart der Stufe 1 202 gesteuert werden.
Beispielsweise kann in Systemen, wo die Transistoren in der Stufe 1 202 im Sättigungsbereich arbeiten, wie im Fall von GSM-Systemen, die Ausgangsleistung durch Spannungsregelung gesteuert sein. In einem solchen Fall kann die Betriebsspannung der Stufe 1 202 auf Grundlage der Steuerspannung 206 geregelt sein. Die Steuerspannung 206 treibt den Basisanschluss eines NPN-Transistors 302. In einer Ausführungsform kann anstelle des NPN-Transistors ein N-Kanal-MOSFET (P-Kanal für einen PNP-Transistor) benutzt werden. Ein Vorteil des Verwendens eines Emitterfolgers besteht darin, dass keine Rückkopplung zu einem Operationsverstärker erforderlich ist, da der Emitter der Basisspannung U_be – 0,7 V (für Silizium) folgt, die durch den Strom über einen einfachen Widerstand erzeugt werden kann. Als Alternative kann eine Spannungsregelschleife implementiert werden, die genauer ist, aber den Nachteil jeder Regelung einer möglichen Schleifeninstabilität, langsamere Reaktion (d. h. zeitlichen Ausschlag) und Rauschen aufweist. Der Emitteranschluss des Transistors 302 kann mit einem Transistor in der Stufe 1 202 verbunden sein. Der Kollektoranschluss des Transistors 302 ist mit einer Gleichstromquelle 304 zum Vorspannen des Transistors 302 verbunden. Die Betriebsspannung an der Stufe 1 202 wird mit Verwendung des Transistors 302 geregelt.
In einem weiteren Beispiel kann in Systemen, wo Transistoren in der Stufe 1 202 im linearen Bereich arbeiten wie beispielsweise im Fall von EDGE-Systemen die Ausgangsleistung durch Verwendung eines VGA/PGA gesteuert werden. In solchen Systemen kann ein Regelverstärker 306 benutzt werden. Die Ausgangsleistung der Stufe 1 202 ist dann von der Verstärkung des Regelverstärkers 306 abhängig. Die Verstärkung des Regelverstärkers 306 kann nach Bedarf zum Erhalten der gewünschten Ausgangsleistung eingestellt werden. Der Regelverstärker 306 kann unter Verwendung von Transistoren, Operationsverstärkern und dergleichen realisiert sein. Die Ausgabe der Stufe 1 202 kann auch von der Lastimpedanz der Stufe 1 202 abhängig sein. Durch die Isoliereinrichtung 208 wird die Konsistenz der Ausgabe wie oben beschrieben dadurch sichergestellt, dass die Lastimpedanz auf einem konstanten Wert gehalten wird. Das HF-Signal 108 wird zur Stufe 2 210 und danach zur Stufe 3 214 gesendet.
In der Stufe 2 210 kann die Leistungssteuerung durch Stromregelung durchgeführt werden. Die Stufe 2 210, die elektronische Bauelemente wie beispielsweise Transistoren enthält, empfängt einen veränderlichen Vorspannungsstrom über die veränderliche Stromquelle 212-1. Die Steuerspannung 206 diktiert die Ausgabe der veränderlichen Stromquelle 212-1. In Abhängigkeit von der Steuerspannung 206 wird von der veränderlichen Stromquelle 212-1 der Vorspannungsstrom für die Stufe 2 210 geregelt. Das HF-Signal 108 kann wieder verstärkt werden und zur Stufe 3 214 des Leistungsverstärkers 300 zur weiteren Verstärkung auf ähnliche Weise wie in Stufe 2 210 durchgeführt gesendet werden.
4 zeigt ein beispielhaftes Schaltbild des Leistungsverstärkers 110. Das Schaltbild soll eine grundlegende konzeptmäßige Beschreibung des Leistungsverstärkers 110 bieten und begrenzt nicht die Anzahl von im Leistungsverstärker 110 vorhandenen Bauelementen. In der nachfolgenden Beschreibung sind die der 2 und 3 gemeinsame Bauelemente mit den gleichen Namen und Bezugsziffern bezeichnet worden.
Vom Leistungsverstärker 110 wird das HF-Signal 108 empfangen, das drei Verstärkungsstufen durchläuft. Der Leistungsverstärker 110 kann unter Verwendung verschiedener Elektronikbauelemente wie beispielsweise Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Stromquellen, Leistungsquellen usw. realisiert sein. In der Stufe 1 202 empfängt der Leistungsverstärker 110 das HF-Signal 108 über einen Kondensator 402-1. Der Kondensator 402-1 kann ein Koppelkondensator sein, der Gleichstromsignale blockiert, die in den Pfad des HF-Signals 108 eingeführt werden können. Die Stufe 1 202 kann einen NPN-Transistor 302 zur Bereitstellung von Verstärkung für das HF-Signal 108 enthalten. In einer Ausführungsform kann anstatt des NPN-Transistors ein N-Kanal MOSFET benutzt werden.
Der Transistor in der Stufe 1 202 kann in der gesättigten Betriebsweise arbeiten. Von der Stufe 1 202 wird ein Konstantstrom über eine Konstantstromquelle 406 empfangen. Die Konstantstromquelle 406 wird durch eine Stromquelle oder im Leistungsverstärker 110 enthaltene Batterie 408 erregt. Von der Stufe 1 202 wird die Ausgangsleistung durch Regeln der Betriebsspannung des Transistors gesteuert.
Vom NPN-Transistor 302 wird die Betriebsspannung in der Stufe 1 202 über die Steuerspannung 206 geregelt. In einer Ausführungsform kann anstelle des NPN-Transistors ein N-Kanal-MOSFET mit einer niedrigen Source-Drain-Impedanz benutzt werden. Die Betriebsspannung kann auch von einer Lastimpedanz 404-1 des Transistors in der Stufe 1 202 abhängig sein.
Die Lastimpedanz 404-1 kann für Schwankungen aufgrund der Rückwirkung anderer Stufen des Leistungsverstärkers 110 anfällig sein. Um dies zu vermeiden ist die Isoliereinrichtung 208 in den Signalweg zwischen die Stufe 1 202 und die Stufe 2 210 eingefügt. Die Isoliereinrichtung 208 erlaubt, dass das HF-Signal 108 die Stufe 2 210 durchläuft, blockiert aber dass irgendein Signal oder Rauschen von anderen Stufen die Stufe 2 210 erreicht. Durch die Isoliereinrichtung 208 wird daher sichergestellt, dass die Lastimpedanz 404-1 auf einem konstanten Wert bleibt, wodurch irgendein Problem der Spannungsregelung vermieden wird. Das HF-Signal 108 kann in der Stufe 1 202 verstärkt und zur Stufe 2 210 und Stufe 3 214 zur Weiterverstärkung gesendet werden.
Von der Stufe 2 210 wird das HF-Signal 108 durch einen Kondensator 402-2 empfangen. Der Kondensator 402-2 kann ein Koppelkondensator sein, der Gleichstromsignale blockiert und die Gleichstrom-Vorspannungseinstellungen der Stufe 1 202 und Stufe 2 210 isoliert. Die Stufe 2 210 enthält einen NPN-Transistor mit einer Lastimpedanz 404-2 zur Verstärkung. In einer Ausführungsform kann anstelle des NPN-Transistors ein N-Kanal-MOSFET benutzt werden.
Mit der Stufe 2 210 kann die Ausgangsleistung durch Stromregelung gesteuert werden. Die veränderliche Stromquelle 212 regelt den Vorspannungsstrom des Transistors in der Stufe 2 210 gemäß der Steuerspannung 206. Nach der Verstärkung in der Stufe 2 210 wird das sich ergebende HF-Signal 108 zur Stufe 3 214 gesendet.
Stufe 3 214 empfängt das HF-Signal 108 von der Stufe 2 210 über einen Kondensator 402-3. Der Kondensator 402-3 kann ein Koppelkondensator sein, der Gleichstromsignale blockiert und Gleichstromvorspannungseinstellungen der Stufe 2 210 und der Stufe 3 214 isoliert. Die Stufe 3 214 enthält einen NPN- Transistor mit einer Lastimpedanz 404-3 zur Verstärkung. In einer Ausführungsform kann anstelle des NPN-Transistors ein N-Kanal-MOSFET benutzt werden. Von der Stufe 3 214 wird die Ausgangsleistung durch Stromregelung gesteuert. Von der veränderlichen Stromquelle 212 wird der Vorspannungsstrom des Transistors in der Stufe 3 214 entsprechend der Steuerspannung 206 geregelt. Nach Verstärkung wird das verstärkte HF-Signal 112 durch die Antenne 114 übertragen.
5 zeigt eine beispielhafte veränderliche Stromquelle 212. Die Stufe 2 210 und die Stufe 3 214 des Leistungsverstärkers 110 steuern die Ausgangsleistung mittels Stromregelung. Dahingehend stellt die veränderliche Stromquelle 212 einen veränderlichen Vorspannungsstrom entsprechend den Betriebserfordernissen für die Stufe 2 210 und die Stufe 3 214 bereit. Die Stufe 2 210 und die Stufe 3 214 kann den veränderlichen Vorspannungsstrom entweder aus zwei verschiedenen veränderlichen Vorspannungsstromschaltungen oder aus einer einzigen veränderlichen Vorspannungsstromschaltung ableiten. In der nachfolgenden Beschreibung wird die veränderliche Stromquelle 212 unter Bezugnahme auf Stufe 2 210 des Leistungsverstärkers 110 beschrieben, es versteht sich jedoch dass eine ähnliche Schaltung in der Stufe 3 214 des Leistungsverstärkers 110 benutzt werden kann.
Die veränderliche Stromquelle 212 enthält einen zwischen einem NPN-Transistor 502-1, der diodengeschaltet sein kann, und dem Transistor in der Stufe 2 210 realisierten Stromspiegel. In einer Ausführungsform ist die Schwellenspannung des diodengeschalteten Transistors 502-1 höher als die des Stromspiegels. Der Stromspiegel ist in NPN-Transistoren 502-2 und 502-3 realisiert. In einer Ausführungsform können die Transistoren 502-1, 502-2 und 502-3 N-Kanal-MOSFET sein.
In einer weiten Ausführungsform, wenn die Stufe 2 210 das HF-Signal 108 von der Stufe 1 202 über den Koppelkondensator 402-2 empfängt, fließt ein Strom vom Transistor 502-2 des Stromspiegels zur Stufe 2 210. Der durch den Stromspiegel eingeführte Strom ist im Vergleich zum HF-Signal 108 relativ gering. Ein der Stufe 2 210 vorangehender HF-Blockwiderstand 504-1 ist klein genug, dass die Stufe 2 210 optimale Durchbruchspannungszustände erreicht. Vom HF-Blockwiderstand 504-1 wird das HF-Signal 108 zum Vermeiden elektrischer Zerstreuung des HF-Signals 108 im Stromspiegel blockiert. Wenn die dem HF-Signal 108 zugeordnete Spannung höher ist als die Spannung der veränderlichen Stromquelle 212, kann die Ausgangsleistung der Stufe 2 210 durch das HF-Signal 108 bestimmt werden. Zum Erlangen eines korrekten Stromspiegelfaktors kann ein Widerstand 504-2 am Emitteranschluss des diodengeschalteten Transistors 502-1 benutzt werden und ist mit dem Widerstand 504-1 und dem Beta der Transistoren korreliert. Der Transistor 502-3 in der Schaltung kann über einen „Entladungs”-Widerstand 506 geerdet sein.
Beispielhaftes Verfahren
6 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 600 zur Ausgangsleistungssteuerung in einem Leistungsverstärker. Die Reihenfolge, in der das Verfahren beschrieben wird, soll nicht als eine Einschränkung angesehen werden und es kann jede beliebige Anzahl der beschriebenen Verfahrensblöcke zum Realisieren des Verfahrens oder eines alternativen Verfahrens in jeder beliebigen Reihenfolge kombiniert werden. Zusätzlich können einzelne Blöcke aus dem Verfahren gelöscht werden ohne aus dem Sinn und Rahmen des hier beschriebenen Erfindungsgegenstandes zu weichen.
Das eingeführte Verfahren kann zumindest teilweise in (einer) Architektur(en) wie den in 1 bis 5 gezeigten realisiert werden, aber muss es nicht. Zusätzlich versteht es sich, dass gewisse Handlungen in den Verfahren nicht in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen, abgeändert werden können und/oder vollständig weggelassen werden können. Weiterhin kann das Verfahren in beliebiger Hardware, Software, Firmware oder einer Kombination derselben ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu weichen realisiert werden.
Am Block 602 wird ein HF-Signal als Eingabe empfangen. Beispielsweise kann der Leistungsverstärker 110 in einer Mobilkommunikationsvorrichtung wie beispielsweise einem Handy das Eingangssignal 102 zur Verstärkung empfangen, das in das HF-Signal 108 einmoduliert und nach Betriebserfordernis verstärkt wird. Beispielsweise sind in den GSM-Spezifikationen nominelle Ausgangsleistungspegel und zulässige Toleranzen von GSM-Mobilsendern unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufgelistet. Der Leistungsverstärker 110 kann für die Bereitstellung von Leistungsstärke für das HF-Signal 108 verantwortlich sein. Die Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers 110 kann daher zum Erfüllen des Betriebserfordernisses gesteuert werden.
Im Block 604 wird die Betriebsspannung zur Leistungssteuerung eingestellt. In einer Ausführungsform enthält der Leistungsverstärker 110 mehrere Stufen zur Verstärkung des HF-Signals 108. Jede Stufe kann elektronische Bauelemente wie beispielsweise Transistoren enthalten. Von der Stufe 1 202 wird die Ausgangsleistung durch Spannungsregelung gesteuert. Von der Stufe 1 202 wird die Betriebsspannung wie durch die Steuerspannung 206 bestimmt reguliert. Die Steuerspannung 206 treibt den Basisanschluss des NPN-Transistors 302. In einer Ausführungsform kann anstelle des NPN-Transistors 302 ein N-Kanal MOSFET benutzt werden. Der Emitteranschluss des NPN-Transistors 302 kann mit dem Transistor in der Stufe 1 202 verbunden sein. Der Kollektoranschluss des NPN-Transistors 302 kann zum Vorspannen des NPN-Transistors 302 mit einer Gleichspannungsquelle 304 verbunden sein. Die Betriebsspannung der Stufe 1 202 wird mit Hilfe des Transistors 302 geregelt. Dieser Ansatz ist auf Systeme wie beispielsweise GSM anwendbar, wo der Transistor in der Stufe 1 202 in der gesättigten Betriebsweise arbeitet. In Systemen wie beispielsweise EDGE kann der Transistor in der linearen Betriebsweise arbeiten und der Ansatz zur Spannungsregelung wie oben beschrieben ist möglicherweise nicht anwendbar. In einer Ausführungsform kann für Systeme, die sich des Betriebs des Transistors in der linearen Betriebsweise bedienen der Regelverstärker 306 benutzt werden. Die Ausgangsleistung ist von der Verstärkung des Regelverstärkers 306 abhängig. Die Verstärkung des Regelverstärkers 306 kann wie erforderlich eingestellt werden. Der Regelverstärker 306 kann unter Verwendung von Transistoren, Operationsverstärkern und dergleichen realisiert werden.
Im Block 606 wird Lastimpedanz auf einem konstanten Wert gehalten. In einer Ausführungsform ändert sich die Ausgangsleistung der Stufe 1 202 mit einer Änderung in der Lastimpedanz des Transistors in Stufe 1 202. Die Lastimpedanz kann sich auch ändern, wenn Rauschen oder Störung von der Antenne 114 empfangen wird. In einer Ausführungsform kann zum Vermeiden von Schwankungen der Lastimpedanz die Isoliereinrichtung 208 in den Signalweg von der Stufe 1 202 zur nächsten Stufe eingeführt werden. Die Isoliereinrichtung 208 ist ein Richtungskoppler, der die Leistung von der Stufe 1 202 in die nächste Stufe einkoppelt, aber die Stufe 1 202 von dem von der Antenne 114 und anderen Stufen des Leistungsverstärkers 110 kommenden Rauschen isoliert. Durch die Isoliereinrichtung 208 wird daher jede Schwankung der Lastimpedanz aufgrund von Rückwirkung verhindert. Die Isoliereinrichtung 208 kann mit Hilfe passiver elektronischer Bauelemente wie beispielsweise Induktoren, Transformatoren, 90°-Gabelschaltungen oder einem Isoliermaterial realisiert sein. In einer alternativen Ausführungsform können auch erzwungene Einstellungen in der Lastimpedanz durchgeführt werden, um sie auf einem konstanten Wert zu halten.
Im Block 608 wird ein Vorspannungsstrom zur Leistungssteuerung geregelt. In einer Ausführungsform wird in der Stufe 2 210 und Stufe 3 214 die Leistungssteuerung durch Stromregelung durchgeführt. Die Stufe 2 210 und Stufe 3 214 kann elektronische Bauelemente wie beispielsweise Transistoren enthalten. Die Stufe 2 210 und die Stufe 3 214 empfangen einen veränderlichen Vorspannungsstrom durch die veränderliche Stromquelle 212-1 bzw. 212-2. In einer Ausführungsform kann der Vorspannungsstrom von einer gemeinsamen veränderlichen Stromquelle 212 erhalten werden. Zusätzlich wird durch die Steuerspannung 206 die Ausgabe der veränderlichen Stromquelle 212 bestimmt. In Abhängigkeit von der Steuerspannung 206 wird durch die veränderliche Stromquelle 212 der Vorspannungsstrom für die Stufe 2 210 und die Stufe 3 214 geregelt.
Im Block 610 wird das HF-Signal verstärkt. In einer Ausführungsform wird das HF-Signal 108 durch verschiedene Stufen im Leistungsverstärker 110 verstärkt, wobei die Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers 110 über Spannungsregelung wie auch Stromregelung gesteuert wird. Das verstärkte HF-Signal 112 wird über die Antenne 114 übertragen.
Obwohl Ausführungsformen für Leistungsverstärker mit Ausgangsleistungssteuerung in einer für Strukturmerkmale und/oder -verfahren spezifischen Sprache beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die beiliegenden Ansprüche nicht unbedingt auf die beschriebenen bestimmten Merkmale oder Verfahren beschränkt sind. Stattdessen sind die bestimmten Merkmale und Verfahren als beispielhafte Ausführungsformen für Leistungsverstärker mit Ausgangsleistungssteuerung offenbart.

Claims

Leistungsverstärker, aufweisend: • eine erste Stufe, die ein Hochfrequenz-(HF-)Signal empfängt, die Leistung durch Spannungsregelung steuert und Leistung auf Grundlage einer Betriebsspannung ausgibt; • einen Spannungsregler, der die Betriebsspannung regelt und die Betriebsspannung mit einer Steuerspannung vergleicht und die Betriebsspannung ändert, wenn ein Unterschied zwischen der Betriebsspannung und der Steuerspannung besteht; • eine Isoliereinrichtung, die Leistung aus der ersten Stufe auskoppelt, wobei die Isolierstufe die erste Stufe von anderen Signalen als dem HF-Signal isoliert; und • eine zweite Stufe, die die eingekoppelte Leistung von der Isoliereinrichtung empfängt.
Leistungsverstärker gemäß Anspruch 1, wobei die erste Stufe eine Ausgangsleistung bereitstellt, die sich mit einer Änderung der Lastimpedanz von Bauelementen in der ersten Stufe ändert.
Leistungsverstärker gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Isoliereinrichtung ein Hybridkoppler ist.
Leistungsverstärker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Stufe einen veränderlichen Vorspannungsstrom von einer veränderlichen Stromquelle empfängt.
Leistungsverstärker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einer dritten Stufe, die Ausgabe von der zweiten Stufe empfängt und die Ausgabe weiter verstärkt, wobei die dritte Stufe einen veränderlichen Vorspannungsstrom empfängt.
Leistungsverstärker gemäß Anspruch 5, wobei die zweite und dritte Stufe veränderlichen Vorspannungsstrom von einer veränderlichen Stromquelle empfangen.
Leistungsverstärker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem Detektor, der eine Leistungsstärke der Ausgabe des Leistungsverstärkers misst.
Vorrichtung, aufweisend: einen Vorverstärker, der ein Eingangssignal empfängt und das Eingangssignal verstärkt; einen Hochfrequenz-(HF-)Modulator, der das Eingangssignal in ein HF-Signal umwandelt; und einen Leistungsverstärker, der den Wirkungsgrad des HF-Signals erhöht, aufweisend: • mehrere Stufen zur Signalverstärkung, wobei Leistungssteuerung in einer ersten Stufe mittels Spannungsregelung erreicht wird, und Leistungsregelung in nachfolgenden Stufen mittels Stromregelung durchgeführt wird; • eine Isoliereinrichtung, die die Lastimpedanz der ersten Stufe durch Verhindern von Rücksignalen auf einem Übertragungsweg zur ersten Stufe aufrechterhält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der Vorverstärker einen Puffer zum Empfangen des Eingangssignals aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die erste Stufe im Leistungsverstärker im Sättigungsbereich arbeitende Transistoren enthält und Ausgangsleistungen der ersten Stufe durch Spannungsregelung gesteuert werden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste Stufe im Leistungsverstärker im linearen Bereich arbeitende Transistoren enthält und Ausgangsleistungen der ersten Stufe auf Grundlage der Betriebsweise der ersten Stufe gesteuert werden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Leistungsverstärker einen Koppelkondensator aufweist, der Gleichstromsignale zur ersten Stufe blockiert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Leistungsverstärker eine zweite Stufe aufweist, die einen Transistor mit Lastimpedanz zur Verstärkung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der ersten Stufe folgende Stufen veränderlichen Vorspannungsstrom von einer veränderlichen Stromquelle empfangen.
Verfahren zur Ausgangsleistungssteuerung in einem Leistungsverstärker, das Verfahren aufweisend: • Empfangen eines Hochfrequenz-(HF-)Signals an einer ersten Stufe; • Einstellen einer Betriebsspannung des Leistungsverstärkers in der ersten Stufe; • Aufrechterhalten einer konstanten Lastimpedanz in der ersten Stufe; und • Regeln des Vorspannungsstroms in der ersten Stufe folgenden Stufen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Empfangen des HF-Signals ein Verstärken des HF-Signals auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebserfordernisse einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das Regeln der Betriebsspannung durch eine Steuerspannung in der ersten Stufe bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Aufrechterhalten einer konstanten Lastimpedanz das Isolieren von Rauschen oder Störung zur ersten Stufe einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Regeln des Vorspannungsstroms von einer gemeinsamen veränderlichen Stromquelle stattfindet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, ferner mit einem Verstärken des HF-Signals in einer oder mehreren der Stufen.