DE102010061060A1 - Power amplifier for high frequency applications in switch mode - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker (10) für Hochfrequenzanwendungen im Schaltermodus. Der Leistungsverstärker (10) weist ein diskret einstellbares Lastanpassungsnetzwerk (100) und eine Gewinnsteuerung (Vg) auf. Das Lastanpassungsnetzwerk (100) und die Gewinnsteuerung (Vg) sind im Leistungsverstärker (10) gemeinsam ausgeführt.The invention relates to a power amplifier (10) for high-frequency applications in switch mode. The power amplifier (10) has a discretely adjustable load matching network (100) and a gain control (Vg). The load matching network (100) and the gain control (Vg) are implemented jointly in the power amplifier (10).

Description

Die Erfindung betrifft Leistungsverstärker für Hochfrequenzanwendungen im Schaltermodus.The invention relates to power amplifiers for high frequency applications in the switch mode.

Effiziente Verstärkung ist in vielen Bereichen von essentieller Bedeutung. Insbesondere in Bereichen, in denen tragbare Geräte verwendet werden, ist Effizienz eine wesentliche Einflussgröße um die Verwendungsdauer batteriebetriebener Geräte zu steigern.Efficient reinforcement is essential in many areas. In particular, in areas where portable devices are used, efficiency is a key factor in increasing the life of battery-powered devices.

Auch in anderen Bereichen steigt der Druck effiziente Verstärkung bereitzustellen. Dies ist zum einen dem zunehmenden regulatorischen Druck auf die Hersteller geschuldet zum anderen wird von den Abnehmern zunehmend nach sparsamen Geräten nachgefragt, um so die laufenden Kosten zu minimieren.In other areas too, the pressure is increasing to provide efficient reinforcement. On the one hand, this is due to increasing regulatory pressure on the manufacturers and, on the other hand, customers are increasingly looking for frugal appliances in order to minimize their running costs.

Ein Bereich der besondere Anforderungen stellt ist der Bereich der Verstärkung hochfrequenter Signale, wie sie z. B. in Mobilfunksystemen verwendet werden.One area of special requirements is the field of amplification of high-frequency signals, as z. B. be used in mobile systems.

Hier sind sowohl in den Basisstationen als auch in den tragbaren Geräten Leistungsverstärker im Einsatz.Here are in both the base stations and in the portable devices power amplifier in use.

Generell kann hierbei gesagt werden, dass Hochfrequenzsender das gewünschte Signal so linear wie möglich senden sollten, um Signalverzerrungen gering zu halten. Signalverzerrungen beeinflussen dabei nicht nur das eigene Signal sondern können auch benachbarte Sender-Empfänger-Systeme negativ beeinflussen.In general, it can be said that high-frequency transmitters should transmit the desired signal as linearly as possible in order to minimize signal distortions. Signal distortions not only influence the own signal but can also adversely affect adjacent transmitter-receiver systems.

Mit dem zunehmenden Bedarf an Anwendungen mit hoher Bandbreite welche z. B. Breitband OFDM Signal mit hohen peak-to-average power ratios (PAPR) verwenden – z. B. bei Mobilfunksystemen der sogenannten 3. Und 4. Generation (GSM, UMTS, LTE), ergibt sich bei heutigen Sendern eine Leistungseffizienz von etwa 5%.With the increasing demand for high bandwidth applications which e.g. B. Broadband OFDM signal with high peak-to-average power ratios (PAPR) use - z. B. in mobile radio systems of the so-called 3rd and 4th generation (GSM, UMTS, LTE), results in today's stations power efficiency of about 5%.

Es ist daher ein großer Bedarf an hoch effizienten Sender und Empfängereinrichtungen vorhanden.There is therefore a great need for highly efficient transmitter and receiver devices.

Insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wirkt sich ein verminderter Leistungsbedarf positiv auf die Verwendungsdauer aus, bevor ein erneuter Ladezyklus notwendig wird.Especially with battery operated devices, a reduced power requirement has a positive effect on the period of use before a recharging cycle becomes necessary.

Aber auch im Bereich der Basisstationen wirkt sich die Effizienzsteigerung positiv aus, da weniger Verlustleistung anfällt, die aufwändig gekühlt werden muss und zudem mehr Leistung in das gewünschte Sendesignal übertragen werden kann. Somit können die laufenden Aufwendungen (OPER – operating expenditure) für den Betrieb dramatisch reduziert werden.But also in the area of base stations, the increase in efficiency has a positive effect, since less power loss is required, which must be cooled consuming and also more power can be transmitted to the desired transmission signal. Thus, the operating expenses (OPER) for the operation can be reduced dramatically.

Im Stand der Technik wurden bereits zahlreiche Techniken vorgeschlagen.Numerous techniques have been proposed in the prior art.

US 7,432,765 beschreibt einen Verstärker, der eine Vielzahl von Verstärkungsstufen aufweist. Jedoch ist die vorgeschlagene Verstärkeranordnung kompliziert und erfordert eine Wandlung einer Spannung in ein Stromsignal um anschließend den Strom zu verstärken und wieder in Spannung zurück zu wandeln. Diese Anordnung ist zudem nicht besonders effizient. US 7,432,765 describes an amplifier having a plurality of gain stages. However, the proposed amplifier arrangement is complicated and requires a voltage to be converted into a current signal to subsequently boost the current and then back to voltage. This arrangement is also not very efficient.

US 5,999,056 beschreibt einen Verstärker mit einem Impedanznetzwerk. Jedoch ist die vorgeschlagene Schaltung für breitbandige Signals nicht geeignet. US 5,999,056 describes an amplifier with an impedance network. However, the proposed circuit is not suitable for broadband signals.

Andere Lösungen verwenden z. B. Techniken wie envelop elimination and restoration (EER) oder Polartransmitter, Envelop tracking, lineare Verstärkung mit nichtlinearen Komponenten (LINC) oder outphasing Techniken um die Effizienz der Leistungsverstärker (PA – Power amplifier) im back-off Betrieb zu verbessern.Other solutions use z. B. techniques such as envelope elimination and restoration (EER) or polar transmitter, envelope tracking, linear amplification with non-linear components (LINC) or outphasing techniques to improve the efficiency of the power amplifier (PA) in back-off operation.

Eine weitere Technik ist die sogenannte Lastmodulationstechnik um die Energie-Effizienz von Leistungsverstärker (PA – Power amplifier) im back-off Betrieb zu verbessern.Another technique is the so-called load modulation technique to improve the energy efficiency of power amplifiers (PA) in back-off mode.

Das der Lastmodulationstechnik zugrunde liegende Prinzip wird in 1 dargestellt.The principle underlying the load modulation technique is described in 1 shown.

Dabei wird der Lastwiderstand (Filter), welcher von dem aktiven Gerät (PA) wahrgenommen wird, dynamisch angepasst. Die Anpassung (Control) erfolgt gemäß dem gegenwärtigen Eingangssignalpegel (In) so, dass der Spannungswechsel über Drain nach Source bzw. Kollektor zu Emitter im Gerät für eine bestimmte Ausgangsleistung (Out) maximiert wird.In this case, the load resistance (filter), which is perceived by the active device (PA), dynamically adjusted. The adjustment (Control) is made in accordance with the current input signal level (In) so that the voltage change over drain to source or collector to emitter in the device for a certain output power (Out) is maximized.

Da Geräte eine Spitzeneffizienz zur Verfügung stellen, wenn sie in Spannungssättigung betrieben werden, führt die Maximierung des Spannungswechsels für jede gegebene Ausgangsleitung zu einem hoch-effizienten Betrieb eines Leistungsverstärkers über einen weiten dynamischen Bereich.Because devices provide peak efficiency when operated in voltage saturation, maximizing the voltage swing for any given output line results in highly efficient operation of a power amplifier over a wide dynamic range.

Lastmodulationstechniken können in aktive und passive Lastmodulationstechniken unterteilt werden.Load modulation techniques can be divided into active and passive load modulation techniques.

Aktive Lastmodulationstechnik in der Ausführungsform sogenannter Doherty Verstärker stellen dabei den state-of-the-art für Hochleistungs-Basisstationseinrichtungen dar.Active load modulation technology in the embodiment of so-called Doherty amplifiers represent the state-of-the-art for high-performance base station devices.

Bei der Doherty Leistungsverstärkeranordnung moduliert ein zweiter Verstärker (Spitzenverstärker) aktiv die Last des Trägerverstärkers in dem er Strom auf die gemeinsame Last prägt. In the Doherty power amplifier arrangement, a second amplifier (peak amplifier) actively modulates the load of the carrier amplifier by impressing current on the common load.

Bei der passiven Lastmodulationstechnik werden entweder einstellbare oder schaltbare Bauteile in einem Lasttransformationsnetzwerk verwendet, um die angelegte Last abhängig vom Eingangssignal anzupassen.The passive load modulation technique uses either adjustable or switchable components in a load-transformation network to adjust the applied load according to the input signal.

Eine solche passive Lastmodulationstechnik unter Verwendung von PIN-Dioden als Schaltelement ist in 2 dargestellt. Dort wird mittels der PIN-Diode die Last eingestellt.Such a passive load modulation technique using PIN diodes as the switching element is disclosed in U.S.P. 2 shown. There, the load is set by means of the PIN diode.

Das Prinzip der Lastmodulation besteht dabei in der Änderung der Ausgangsleitungspegel durch eine Änderung der Last.The principle of load modulation is to change the output line level by changing the load.

Dabei stellt die Implementierung variierende Lastimpedanzen so, dass stets eine hohe Leistungseffizienz erzielt wird, eine große Herausforderung dar.The implementation presents varying load impedances such that high power efficiency is always achieved.

In Fabien Lepine et al.: ”A Load Modulated High Efficiency Power Amplifier”, IEEE 36th European Microwave Conference, 2006 wird eine Lastmodulation vorgestellt, bei der Varaktoren hergestellt in Silizium-auf-Glas Technik moduliert werden. Varaktoren stellen doch eine extrem hochpreisige Lösung dar, die sich zudem nicht integrieren lässt. Weiterhin ist die reproduzierbare Herstellung schwierig, so dass die Erzielung hoher Leistungsverstärkereffizienz mit den gewünschten Ziellasten am Leistungsverstärkerausgang kaum zu erzielen ist. Dies ist im Wesentlichen der Dotierung und der Dotierungsprofiel geschuldet. Als Ergebnis kommen allenfalls eine „optimierte” Effizienz über einen gegebenen PAPR Bereich von 4–5 dB erzielt werden, wobei außerhalb des Bereiches ein signifikanter Rückgang zu verzeichnen ist.In Fabien Lepine et al .: "A Load Modulated High Efficiency Power Amplifier", IEEE 36th European Microwave Conference, 2006 A load modulation is presented in which varactors produced in silicon-on-glass technology are modulated. Varactors are an extremely high-priced solution that can not be integrated. Furthermore, the reproducible production is difficult, so that the achievement of high power amplifier efficiency with the desired target loads at the power amplifier output is hard to achieve. This is mainly due to the doping and the doping profile. As a result, at most, "optimized" efficiency can be achieved over a given PAPR range of 4-5 dB, with a significant decrease outside the range.

In W. C. Edmund Neo et al.: ”Adaptive Multi-Band Multi-Mode Power Amplifier Using Integrated Varactor-Based Tuneable Matching Networks”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006 wird eine weitere Technik vorgestellt, die jedoch die Linearität des Leistungsverstärkers negative beeinflusst. Desweiteren ist das Anpassungsnetzwerk eher träge, so dass eine Verwendung im Mobilfunkbereich mit linearen Breitbandsignalen nicht möglich ist.In WC Edmund Neo et al .: "Adaptive Multi-Band Multi-Mode Power Amplifiers Using Integrated Varactor-Based Tuneable Matching Networks", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006 Another technique is presented which, however, negatively affects the linearity of the power amplifier. Furthermore, the adaptation network is rather sluggish, so that use in the mobile radio sector with linear broadband signals is not possible.

Eine weitere Technik findet sich in Sung Won Chung et al.:”Asymmetric Multilevel Outphasing Architecture for Multi-standard Transmitters” IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009 . Hier werden unterschiedliche Spannungsversorgungen in einem Linearverstärker mit nichtlinearen Komponenten (LINC) geschaltet. Hierbei muss ein immenser Aufwand für die notwendigen Gleichspannungskonverter aufgewendet werden, was zu einem enormen Overhead führt. Weiterhin sind die einzusetzenden Schaltelemente für die Hochfrequenz stark Effizienz bestimmend und Geschwindigkeitsbestimmend. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien erweist sich als schwierig und extrem kostenintensiv.Another technique is found in Sung Won Chung et al.: "Asymmetric Multilevel Outphasing Architecture for Multi-standard Transmitters" IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009 , Here, different power supplies are switched in a linear amplifier with non-linear components (LINC). Here, an immense effort for the necessary DC converters must be spent, which leads to an enormous overhead. Furthermore, the switching elements to be used for the high frequency are strongly determining the efficiency and determining the speed. The use of different technologies proves to be difficult and extremely expensive.

In Sung Won Chung et al.: ”Asymmetric Multilevel Outphasing Transmitter using Class-E Pas with Discrete Pulse Width Modulation” IEEE International Microwave Symposium, 2010 wird daher auch noch eine weitere Idee vorgestellt. Diese verwendet diskrete Puls-Weiten-Modulation für Leistungsverstärker im Schaltmodus. Dabei beeinflusst das sinusoidal Eingangssignal zum Leistungsverstärker im Schaltmodus die Effizienz in dem die scharfkantigen Signale verwendet werden um die Leistungsverstärkereffizienz zu erhöhen. Dabei wird jedoch lediglich die Effizienz gegenüber einem LINC System verbessert, das für hohe PAPR Signale bekanntermaßen eine schlechte Effizienz aufweist. Es ergibt sich jedoch gegenüber üblichen Klasse-B Leistungsverstärkern kein Effizienzgewinn, so dass die dort vorgestellt Lösung allenfalls als Alternative in Betracht kommt.In Sung Won Chung et al .: "Asymmetric Multilevel Outphasing Transmitter using Class-E Pas with Discrete Pulse Width Modulation" IEEE International Microwave Symposium, 2010 Therefore, another idea is presented. This uses discrete pulse width modulation for power amplifiers in switching mode. In this case, the sinusoidal input signal to the power amplifier in the switching mode affects the efficiency in which the sharp-edged signals are used to increase the power amplifier efficiency. However, this only improves the efficiency over a LINC system, which is known to have poor efficiency for high PAPR signals. However, there is no gain in efficiency compared to conventional class B power amplifiers, so that the solution presented there may possibly be considered as an alternative.

Hierzu ähnliche Systeme werden auch in US 5,999,056 und US 5,742,203 vorgestellt.Similar systems are also used in US 5,999,056 and US 5,742,203 presented.

In Francesco Carrara et al.: ”A 2.4 GHz, 24 dBm SOI CMOS Power Amplifier with fully Integrated Output Balun and Switched Capacitors for Load Line Adaptation” IEEE Power Amplifier symposium, 2009 wird eine diskrete Lastschaltung in einer Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS Technologie vorgestellt. Jedoch ist der Selbstheizungseffekt von CMOS Geräten insbesondere bei Leistungsverstärkern konträr zu SOI Technologie. Daher kann in dieser Technologie keine integrierte Lösung bereitgestellt werden. Somit ist die vorgestellte Lösung kostenintensiv und auch die Linearisierung bleibt nicht zufriedenstellend.In Francesco Carrara et al .: "A 2.4GHz, 24dB SOI CMOS Power Amplifier with Fully Integrated Output Balanced and Switched Capacitors for Load Line Adaptation" IEEE Power Amplifier Symposium, 2009 introduces a discrete load circuit in a Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS technology. However, the self-heating effect of CMOS devices, especially in power amplifiers, is contrary to SOI technology. Therefore, no integrated solution can be provided in this technology. Thus, the proposed solution is costly and the linearization remains unsatisfactory.

Ausgehend von den geschilderten Nachteilen ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Lösung anzubieten, die einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik löst und somit eine verbesserte Effizienz zur Verfügung stellt.Based on the described disadvantages, it is an object of the invention to provide a solution that solves one or more disadvantages of the prior art and thus provides improved efficiency.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Leistungsverstärker für Hochfrequenzanwendungen im Schaltermodus aufweisend ein diskret einstellbares Lastanpassungsnetzwerk und eine Gewinnsteuerung, wobei das Lastanpassungsnetzwerk und die Gewinnsteuerung gemeinsam ausgeführt sind.The object is achieved by a power amplifier for high-frequency applications in the switch mode, comprising a discretely adjustable load-matching network and a gain control, wherein the load-matching network and the gain control are implemented together.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungsverstärker im Betrieb mit einem rechteckförmigen unipolaren Spannungssignal angesteuert.In a further embodiment of the invention, the power amplifier is driven in operation with a rectangular unipolar voltage signal.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Gewinnsteuerung eine diskrete Modulation der Steuer-Spannung auf. According to another embodiment of the invention, the gain control comprises a discrete modulation of the control voltage.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungsverstärker in CMOS-Technologie aufgebaut.In a further embodiment of the invention, the power amplifier is constructed in CMOS technology.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungsverstärker integriert aufgebaut.According to yet another embodiment of the invention, the power amplifier is built up integrated.

In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungsverstärker in einem Mobilfunksystem verwendet.In yet another embodiment of the invention, the power amplifier is used in a mobile radio system.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungsverstärker ein Bauteil eines Polartransmitter oder eines LINC Transmitter.According to a further embodiment of the invention, the power amplifier is a component of a polar transmitter or a LINC transmitter.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt. In diesen zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to the figures. In these shows:

1 das Prinzip der Lastmodulation eines Hochfrequenzleistungsverstärkers. 1 the principle of load modulation of a high frequency power amplifier.

2 eine Implementierung eines geschalteten passiven Lastmodulation mittels PIN Diode. 2 an implementation of a switched passive load modulation using PIN diode.

3 ein Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung 3 a block diagram according to an embodiment of the invention

4 die hinzugewonnene Effizienz des Leistungsverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 4 the added efficiency of the power amplifier according to an embodiment of the invention, and

5 die hinzugewonnene Effizienz des Leistungsverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in %. 5 the added efficiency of the power amplifier according to an embodiment of the invention in%.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung welche exemplarisch als Blockdiagramm in 3 wiedergegeben ist, weist ein Leistungsverstärker 10 einen oder mehrere hochfrequenzfähige Leistungstransistoren 500 auf.According to an embodiment of the invention which exemplifies as a block diagram in 3 is shown, has a power amplifier 10 one or more high frequency power transistors 500 on.

Obwohl im Blockdiagramm ein Feld Effekt-Transistor dargestellt ist, ist die Erfindung nicht auf diesen Typ beschränkt. Weiterhin können auch weniger oder mehr als die dargestellten Transistoren 500 Bestandteile des Leistungsverstärkers 10 sein.Although the block diagram shows an effect transistor field, the invention is not limited to this type. Furthermore, fewer or more than the transistors shown can also be used 500 Components of the power amplifier 10 be.

Eingangsseitig wird dem Leistungsverstärker 10 ein Hochfrequenztreibersignal an den Eingängen 200 zur Verfügung gestellt. Dieses Eingangssignal ist in der 3 in der unteren Hälfte als rechteckförmiges unipolares Spannungssignal dargestellt.On the input side is the power amplifier 10 a high frequency driver signal at the inputs 200 made available. This input signal is in the 3 shown in the lower half as a rectangular unipolar voltage signal.

Mittels geeigneter Entkopplungseinrichtungen 400, z. B. mittels Kondensatoren, wird aus dem Gleichspannungssignal ein Wechselspannungssignal erzeugt. Dieses Wechselspannungssignal ist in der 3 in der unteren Hälfte als rechteckförmiges Wechselspannungssignal um 0 V dargestellt.By means of suitable decoupling devices 400 , z. B. by means of capacitors, an AC signal is generated from the DC signal. This AC signal is in the 3 in the lower half as a rectangular alternating voltage signal represented by 0V.

Weiterhin wird dem Leistungsverstärker 10 ein Gewinn-Steuerungssignal Vg zugeführt. Das Gewinn-Steuerungssignal Vg nimmt beispielsweise diskrete Werte an. Das Gewinn-Steuerungssignal Vg kann natürlich auch kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich über eine Kennfeldsteuerung geregelt werden. Obwohl in der 3 ein Widerstand in der Zuführung dargestellt ist, ist die Erfindung nicht auf die Zuführung mittels eines Widerstandes beschränkt, sondern jegliche Art der Zuführung ist umfasst.Furthermore, the power amplifier 10 supplied with a gain control signal Vg. The gain control signal Vg assumes, for example, discrete values. Of course, the gain control signal Vg can also be regulated continuously or quasi-continuously via a map control. Although in the 3 a resistance is shown in the feeder, the invention is not limited to the supply by means of a resistor, but any kind of supply is included.

Aus der Überlagerung der Signale ergibt sich dann die am unteren Ende in 3 dargestellt exemplarische Signalform, nämlich eine Modulation der Steuer-Spannung Diese Signalform wird zur Ansteuerung des/der Transistors/en 500 verwendet. Hierbei ist z. B. auch eine Schwelle Vth eingezeichnet, bei der sich die Eigenschaften des Leistungstransistors 500 ändern.From the superimposition of the signals then results at the lower end in 3 illustrated exemplary waveform, namely a modulation of the control voltage This waveform is used to drive the / the transistor (s) 500 used. This is z. B. also a threshold Vth drawn, in which the properties of the power transistor 500 to change.

Weiterhin weist der Leistungsverstärker 10 ausgangsseitig zu dem/den Transistor/en 500 ein Lastanpassungsnetzwerk 100 auf.Furthermore, the power amplifier 10 on the output side to the transistor (s) 500 a load-matching network 100 on.

Dieses Leistungsanpassungsnetzwerk 100 wird mittels eines Signales S gesteuert. Das Signal S kann dabei ebenso wie das Gewinn-Steuerungssignal Vg diskret, quasi-kontinuierlich oder kontinuierlich ausgeführt sein.This power adjustment network 100 is controlled by means of a signal S. The signal S can, like the gain control signal Vg, be designed to be discrete, quasi-continuous or continuous.

Am Ausgang des Lastanpassungsnetzwerks 100 wird das Signal einer Antenne 200 zur Abstrahlung zugeführt.At the output of the load-matching network 100 becomes the signal of an antenna 200 supplied to the radiation.

Wie man ohne weiteres erkennt, ist sowohl das Lastanpassungsnetzwerk 100 als auch die Gewinn-Steuerung Vg als Bestandteil des Leistungsverstärkers 10 ausgeführt.As can be readily seen, both the load-matching network 100 and the gain control Vg as part of the power amplifier 10 executed.

Hierdurch wird die Komplexität stark reduziert als auch eine erhebliche Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Systemen erreicht.As a result, the complexity is greatly reduced and achieved a significant performance increase over conventional systems.

Die vorgestellte Erfindung erlaubt die Integration mittels CMOS Technologie.The presented invention allows integration by means of CMOS technology.

Zudem erlaubt die gleichzeitige Bereitstellung eines Lastanpassungsnetzwerkes als auch einer Gewinnsteuerung die Komplexität zumindest einer der Komponenten zu verringern und gleichzeitig dennoch verbesserte Eigenschaften gegenüber bisherigen Lösungen zur Verfügung stellen zu können.In addition, the simultaneous provision of a load-balancing network as well as a profit control allows the complexity of at least one of the components to be reduced, while at the same time being able to provide improved properties over previous solutions.

Durch die Erfindung wird somit erstmals eine integrierbare kostengünstige Leistungsverstärkung zur Verfügung gestellt, die insbesondere auch für breitbandige Signale mit hohem PAPR einsetzbar ist. The invention thus provides for the first time an integrable cost-effective power amplification, which can be used in particular for broadband signals with a high PAPR.

Insbesondere erlaubt die Erfindung die Integration in Standard-CMOS Technologie, wodurch die Kosten bei gleichzeitigem Performancegewinn dramatisch gesenkt werden können.In particular, the invention allows integration into standard CMOS technology, which can dramatically reduce costs while increasing performance.

Aufgrund geringer Komplexität des eingesetzten Lastanpassungsnetzwerks 100 wird ein möglicher Verlust gegenüber anderen Lösungen erheblich reduziert, so dass sich eine Steigerung der Effizienz um 30% gegenüber zu einem Klasse-B Verstärker und mehr erzielt wird.Due to the low complexity of the load-matching network used 100 It significantly reduces potential loss over other solutions, resulting in a 30% increase in efficiency over a class B amplifier and more.

Durch die Verwendung einer Gewinn-Steuerung Vg welche die Gleichspannungsversorgung des Gates eines CMOS Leistungstransistors 500 moduliert können auch Signale hoher Bandbreite verarbeitet werden. Hierdurch werden die Nachteile bisheriger Steuerungen eliminiert.By using a gain control Vg which supplies the DC voltage to the gate of a CMOS power transistor 500 modulated signals of high bandwidth can be processed. As a result, the disadvantages of previous controls are eliminated.

Durch die Erfindung wird somit nicht nur eine verbesserte durchschnittliche Effizienz des Leistungsverstärkers 10 erreicht sondern auch die effiziente Verstärkung von breitbandigen PAPR Signalen ermöglicht.Thus, the invention not only improves the average efficiency of the power amplifier 10 but also allows the efficient amplification of broadband PAPR signals.

Hierdurch ermöglicht die Erfindung die Verwendung der vorbezeichneten Leistungsverstärker in einem Polartransmitter oder in einem LINC Transmitter.In this way, the invention enables the use of the aforementioned power amplifier in a polar transmitter or in a LINC transmitter.

Die gleichzeitige Steuerung der Ausgansleistung des Leistungsverstärkers 10 mittels der Gewinn-Steuerung Vg als auch des Lastanpassungsnetzwerkes 100 erlaubt bei geeigneter Aufteilung die Verstärkung von breitbandigen amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignalen.The simultaneous control of the output power of the power amplifier 10 by the gain control Vg as well as the load-matching network 100 allows, with a suitable division, the amplification of broadband amplitude-modulated high-frequency signals.

Der durch die Erfindung gemäß einer Ausführungsform erreichbare Gewinn ist in 4 exemplarisch dargestellt.The gain achievable by the invention according to one embodiment is in 4 exemplified.

4 zeigt dabei die sogenannte power added efficiency des Leistungsverstärkers (PAE) für unterschiedliche, diskrete Lasteinstellungen des Lastanpassungsnetzwerkes 100. 4 shows the so-called power added efficiency of the power amplifier (PAE) for different, discrete load settings of the load-matching network 100 ,

Dabei zeigt die untere Kurve (NON), die Leistung des Leistungsverstärkers in Bezug auf die Eingangsleistung im nicht-optimierten Fall.The lower curve (NON) shows the performance of the power amplifier with respect to the input power in the non-optimized case.

Für unterschiedliche Einstellungen des Lastanpassungsnetzwerkes 100 ergeben sich die weiteren, darüber liegenden Kurven.For different settings of the load-matching network 100 arise the other, overlying curves.

In einem optimierten Leistungsverstärker 10 würde man nun jeweils das Lastanpassungsnetzwerk 100 so ansteuern, dass sich die jeweils am weitesten oben liegende Kurve ergibt.In an optimized power amplifier 10 you would now each load the matching network 100 so control that results in each of the furthest upward curve.

Im dargestellten Fall, wird so mit einer ersten Einstellung des Leistungsanpassungsnetzwerkes 100 für eine Ausgansleistung von bis zu 22 dBm eine PA PAE entsprechend Kurve A-1 erhalten. Dabei wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem ersten Signal S1 angesteuert. Ab einer Ausgangsleistung von circa 22 dBm wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem anderen Signal S2 angesteuert. Dieser Bereich entspricht dem Kurvenabschnitt A-2. Ab einer Ausgangsleistung von circa 23.5 dBm wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem anderen Signal S3 angesteuert. Dieser Bereich entspricht dem Kurvenabschnitt A-3. Ab einer Ausgangsleistung von circa 25.8 dBm wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem anderen Signal S4 angesteuert. Dieser Bereich entspricht dem Kurvenabschnitt A-4.In the case illustrated, this is done with a first adjustment of the power matching network 100 for a output power of up to 22 dBm, a PA PAE is obtained according to curve A-1. This will be the power adjustment network 100 controlled with a first signal S1. From an output power of about 22 dBm, the power matching network becomes 100 controlled with another signal S2. This area corresponds to the curve section A-2. Starting with an output power of approximately 23.5 dBm, the power matching network will become 100 controlled with another signal S3. This area corresponds to the curve section A-3. From an output power of approximately 25.8 dBm, the power matching network will become 100 controlled with another signal S4. This area corresponds to the curve section A-4.

Im Ergebnis kann also ein Leistungsanpassungsnetzwerk mit beispielhaften 4 Einstellungen entsprechend den Steuersignalen S1, S2, S3, S4 ausreichend sein um zusammen mit einer Gewinnsteuerung die Effizienz deutlich zu steigern.As a result, a power matching network with exemplary 4 settings corresponding to the control signals S1, S2, S3, S4 may be sufficient to significantly increase the efficiency together with a profit control.

Dies wird auch durch 5 nochmals gezeigt. Dort wird der prozentuale Gewinn in PAE für unterschiedlich Ausgangsleistungen gegenüber dem nicht-optimierten Fall dargestellt.This is also going through 5 shown again. There, the percentage gain in PAE is shown for different output powers compared to the non-optimized case.

Wie unschwer erkennbar ist, wird mittels der Erfindung eine Steigerung im beispielhaften Fall von mehr als 18%, in Spitzen mehr als 30% erreicht.As can be readily appreciated, the invention achieves an increase in the exemplary case of more than 18%, in peaks of more than 30%.

Durch die Eigenschaften der Erfindung wird auch der Einsatz in modernen Mobilfunksystemen wie z. B. UMTS und LTE ermöglicht.Due to the characteristics of the invention, the use in modern mobile radio systems such. As UMTS and LTE allows.

Insbesondere bei tragbaren Geräten kann der Einsatz der Erfindung zu einer erheblichen Verlängerung der möglichen Batterie-Laufzeit führen, da nun weniger Leistung bei der Verstärkung verloren geht.In particular, in portable devices, the use of the invention can lead to a significant extension of the possible battery life, since now less power is lost in the gain.

Auch beim Einsatz in Basisstationen ist die Erfindung hilfreich, da nun ein geringer Aufwand für Kühlung zu betreiben ist und zudem eine bessere Leistungskonversion stattfindet. Beides wirkt sich positiv auf die aufzuwendenden Kosten bei Herstellung und Betrieb von Basisstationen aus.Even when used in base stations, the invention is helpful, since now a little effort to operate cooling and also takes place a better power conversion. Both have a positive effect on the costs to be incurred in the production and operation of base stations.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (8)

Leistungsverstärker (10) für Hochfrequenzanwendungen im Schaltermodus aufweisend • ein diskret einstellbares Lastanpassungsnetzwerk (100) und • eine Gewinnsteuerung (Vg) dadurch gekennzeichnet, dass das Lastanpassungsnetzwerk (100) und die Gewinnsteuerung (Vg) gemeinsam ausgeführt sindPower amplifier ( 10 ) for high-frequency applications in switch mode • a discretely adjustable load-balancing network ( 100 ), And • a gain control (Vg), characterized in that the load matching network ( 100 ) and the gain control (Vg) are executed together Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker (10) im Betrieb mit einem rechteckförmigen unipolaren Spannungssignal (200) angesteuert wird.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power amplifier ( 10 ) in operation with a rectangular unipolar voltage signal ( 200 ) is driven. Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinnsteuerung (Vg) eine diskrete Modulation der Steuer-Spannung aufweist.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the gain control (Vg) has a discrete modulation of the control voltage. Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker (10) in CMOS-Technologie aufgebaut ist.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power amplifier ( 10 ) is built in CMOS technology. Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker (10) integriert aufgebaut ist.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power amplifier ( 10 ) is integrated. Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker in einem Mobilfunksystem verwendet wird.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power amplifier is used in a mobile radio system. Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker Bauteil in einem Polartransmitter oder in einem LINC Transmitter ist.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power amplifier is a component in a polar transmitter or in a LINC transmitter. Leistungsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsanpassungsnetzwerk (100) abhängig von der zu erzielenden Ausgangsleistung angesteuert wird.Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power matching network ( 100 ) is driven depending on the output power to be achieved.
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