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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungsverstärker und insbesondere Leistungsverstärker zum Verstärken von Hochfrequenzsignalen.
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Hintergrund
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1 zeigt die wesentliche Allgemeintopologie eines Leistungsverstärkers 10. Durch einen Impedanzwandler 12 wird eine Last RL an eine aktive Vorrichtung M und eine Stromversorgung VDD angeschlossen. Im vorliegenden Beispiel ist die aktive Vorrichtung M ein Transistor. Eine Funktion des Impedanzwandlers 12 besteht in der Maximierung des Wirkungsgrades der Energieübertragung von der Versorgung zur Last. Dafür sollte er im Idealfall die Lastimpedanz RL in einen Wert Rx umwandeln, ersichtlich am Drain des Transistors M, so dass für eine gegebene, auf RL abgegebene Leistung der Drain der aktiven Vorrichtung voll von 0 bis 2VDD schlägt.
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Für einen maximalen Wirkungsgrad beträgt daher
wobei V
L die Spannung an der Last R
L ist und P
L die an die Last R
L abgegebene Leistung ist. Sollte die aktive Vorrichtung M ein Differenzverstärker sein, wird aus der Gleichung (1)
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Der optimale Wert von Rx ist daher von der Versorgungsspannung und der an die Last abgegebenen Leistung abhängig. Beispielsweise kann bei Betrieb mit konstanter Versorgungsspannung und Verringern der an die Last abgegebenen Leistung (Leistungsablasswandlung) ein hoher Wirkungsgrad durch entsprechende Erhöhung von Rx aufrechterhalten werden. Alternativ ermöglicht ein Verändern des Wertes von Rx den wirkungsvollsten Betrieb bei Betrieb unter veränderlicher Versorgungsspannung und Abgeben von konstanter Leistung an die Last.
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Auch kann es Anwendungen mit Erfordernissen zum Betreiben des Leistungsverstärkers mit seinem maximalen erreichbaren Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Veränderung sowohl der Versorgungsspannung als auch der an die Last abgegebenen Leistung geben. Solche Beispiele umfassen an Batterie angeschlossene Leistungsverstärker, Leistungsverstärker, die den Spezifikationen mehrerer Standards entsprechen müssen, usw.
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Bei den meisten modernen Ausführungen integrierter Leistungsverstärker ist der Impedanzwandler mittels eines integrierten Flachwandlers umfassend Primär- und Sekundärinduktoren mit Induktivitäten L
1 bzw. L
2 ausgeführt. Die Last R
L ist an den Sekundärinduktor gekoppelt. Durch einen solchen Wandler wird die Lastimpedanz R
L mit einem Verhältnis n nach:
wobei k der die Primär- und Sekundärinduktoren verbindende magnetische Kopplungsfaktor ist und 0 ≤ k ≤ 1 ist, umgewandelt. Das Übersetzungsverhältnis wird daher durch die Werte der primären und sekundären Induktivitäten wie auch dem magnetischen Kopplungsfaktor definiert. Diese Werte sind jedoch durch die physikalische Geometrie des Wandlers gegeben und schwierig oder unmöglich zu verändern, wenn die Auslegung des Chips einmal bestimmt ist. Dadurch wird der von dem Leistungsverstärker, bei Betrieb unter verschiedenen Versorgungsspannungen und/oder mit unterschiedlichen Leistungspegeln, erreichte maximale Wirkungsgrad begrenzt.
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Eine Lösung dieses Problems bestand in der Bereitstellung eines oder mehrerer Schalter zum Ein- oder Ausschalten von Teilen des Wandlers und damit Verändern der Induktivitäten und des Übersetzungsverhältnisses n mit veränderlicher Stromversorgung oder Lasterfordernissen. Jedoch erfordern die Schalter selbst Strom für ihren Betrieb und bewirken daher einen Verlust an Wirkungsgrad.
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Kurzfassung der Erfindung
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungsverstärkerschaltung bereitgestellt, umfassend: einen Verstärker zum Empfangen eines zu verstärkenden Eingangssignals, einen Stromeingang zum Koppeln des Verstärkers an eine Stromversorgung und einen Wandler zum Bereitstellen des verstärkten Signals aus dem Verstärker an eine Last, umfassend einen Primärinduktor und einen Sekundärinduktor. Die Leistungsverstärkerschaltung ist gekennzeichnet durch: einen ersten, parallel zum Primärinduktor gekoppelten Kondensator und einen zweiten, parallel zum Sekundärinduktor gekoppelten Kondensator; wobei wenigstens einer des ersten und des zweiten Kondensators eine veränderliche Kapazität aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und Verdeutlichen, wie sie ausgeführt werden könnte, wird nunmehr beispielhaft auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer Leistungsverstärkerschaltung ist;
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2 eine schematische Darstellung einer Leistungsverstärkerschaltung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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3a und 3b zum Modulieren der Leistungsverstärkerschaltung der 2 benutzte Ersatzschaltbilder zeigen;
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4a und 4b die Eingangsimpedanz der in 2 gezeigten Leistungsverstärkerschaltung mit zwei gegebenen Wertemengen analysierende Smith-Diagramme sind; und
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5 eine Vorrichtung nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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2 zeigt eine Leistungsverstärkerschaltung 20 nach Aspekten der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung umfasst einen Verstärker 22, der in der dargestellten Ausführungsform als die Endstufe eines mit einer Stromversorgung VDD über einen Wandler 24 verbundenen Senders wirkt. Der Wandler umfasst einen ersten, magnetisch (mit einer Konstante k) an einen zweiten Induktor L2 gekoppelten Induktor L1. Der zweite Induktor L2 ist über eine Last RL geschaltet. Die Ausgänge der Verstärkerschaltung 20 sind damit die Verbindungen vom zweiten Induktor L2 mit der Last RL.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Verstärker 22 ein Transistor, mit seinem Gate-Anschluss mit einer zu verstärkenden Eingangsspannung (VIN) verbunden, seinem Source-Anschluss mit einer Referenzspannung (in der vorliegenden Ausführungsform Erde) verbunden und seinem Drain-Anschluss mit dem Wandler 24 verbunden. Der Fachmann wird verstehen, dass alternative Verstärkungsglieder anstatt des Transistors benutzt werden könnten, ohne den Betrieb der Schaltung wesentlich zu beeinflussen oder vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Verstärker 22 mehr als ein Verstärkungsglied umfassen, die parallel oder in Reihe betrieben werden. Ferner kann der Verstärker 22 differenziell mit mehr als einem Eingangssignal betrieben werden.
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Nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die Leistungsverstärkerschaltung 20 ferner einen parallel zum Induktor L1 geschalteten veränderlichen Kondensator C1. In der dargestellten Schaltung ist der veränderliche Kondensator C1 ferner zwischen den Ausgang (Drain-Anschluss) des Verstärkers 22 und die Stromversorgung VDD geschaltet; jedoch kann in alternativen Anordnungen (wie beispielsweise einem Differenzverstärker) diese Verbindung anders sein. Ein zweiter veränderlicher Kondensator C2 ist parallel zum Induktor L2 über die Ausgänge des der Leistungsverstärkerschaltung 20 (und daher über die Last RL) geschaltet. In Ausführungsformen der Erfindung können die Kondensatoren C1 und C2 jeweils einen einer Vielzahl diskreter Kapazitätswerte annehmen. So können als Beispiel C1 und C2 jeweils fähig sein, Kapazitätswerte aus der Menge {1 pF, 2 pF, 3 pF, 4 pF, 5 pF} anzunehmen, obwohl eine beliebige Menge von Werten bereitgestellt werden kann.
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In den Primärinduktor L1 aus dem Ausgang des Verstärkers 22 sehend kann der Widerstand Rx allein durch Steuern der Werte von Kondensatoren C1 und C2 geändert werden.
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Zur Erläuterung, wie dies erreicht wird, zeigt die 3a ein erstes Ersatznetz 100 für einen Teil der Schaltung 20, während 3b ein zweites Ersatzschaltbild 200 zeigt, das zum Berechnen der Impedanz Rx in den Primärinduktor L1 sehend benutzt werden kann.
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Das erste Ersatznetz
100 umfasst einen ersten, zwischen zwei Eingangsanschlüssen angeschlossenen Widerstand R
1, der die Dämpfung auf der Primärseite des Wandlers darstellt. R
1 kann durch 2πfQ
1L
1 gegeben sein, wobei f die Betriebsfrequenz ist und Q
1 der Q-Faktor des Induktors L
1 ist. Der veränderliche Kondensator C
1 (d. h. der gleiche Kondensator wie in
2 dargestellt) ist parallel zum Widerstand R
1 geschaltet und der Primärinduktor L
1 ist parallel zu beiden, dem Widerstand R
1 und dem Kondensator C
1 geschaltet. Der Sekundärinduktor L
2, der zweite veränderliche Kondensator C
2 und ein Widerstand R
2 sind alle parallel zueinander geschaltet und der Sekundärinduktor L
2 ist durch einen Koppelfaktor k an den Primärinduktor gekoppelt. Der Widerstand R
2 stellt die parallele Kombination des Lastwiderstandes R
L (in
2) und der Dämpfung auf der Sekundärseite dar. Die Dämpfung kann durch 2πfQ
2L
2 moduliert sein, wobei Q
2 der Q-Faktor des Induktors L
2 ist. Damit beträgt
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Die der Schaltung 100 gleichwertige zweite Schaltung 200 weist den Widerstand R1, die Kapazität C1, eine weitere Kapazität C2n2, eine Induktivität L1k2 und einen Widerstand R2/n2 auf, die alle parallel zueinander zwischen die zwei Eingangsanschlüsse geschaltet sind. Eine weitere Induktivität mit dem Wert L1(1 – k2) ist in Reihe mit einem der Eingangsanschlüsse zwischen die Kapazitäten C1 und C2n2 geschaltet. Es ist daher ersichtlich, dass die Wandlertätigkeit die Umsetzung des Widerstands R2 und Kondensators C2 auf die Primärseite um einen Faktor n2 (oben in Gleichung 3 gegeben) umfasst. Die Induktivität L1k2 ist die magnetisierende Induktivität, die den Teil des Primärinduktors L1 darstellt, der eigentlich Energie zum Sekundärinduktor L2 überträgt. Die Induktivität L1(1 – k2) stellt die Streuinduktivität dar, die einfach Energie im örtlichen Feld umlaufen lässt und nicht an einem Energieaustausch zwischen den Primär- und Sekundärinduktoren teilnimmt.
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4a und 4b zeigen die Impedanz der Schaltung 200 für verschiedene Mengen von Parameterwerten berechnende Smith-Diagramme. Auf die Figuren wird erst allgemein Bezug genommen, um ein Verständnis der Erfindung und der Weise, auf die die Impedanz Rx durch Ändern der Werte von C1 und C2 verändert wird, zu ermöglichen. Die Berechnungen selbst werden ausführlicher später beschrieben.
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Betrachtet man zuerst den Knoten N1 auf der entfernten Seite der Induktivität L1(1 – k2) aus den Eingangsanschlüssen, so ist ersichtlich, dass die parallele Kombination von C2n2 und L1k2 eigentlich nur den Imaginärteil der Impedanz in den Knoten ändert. Der Realteil dieser Impedanz bleibt mit R2/n2 wie durch die Wandlergeometrie (d. h. Gleichung 3) und den Wert von R2 definiert konstant. In den Smith-Diagrammen der 4a und 4b ist dies durch die Anfangspunkte 300 bzw. 400 dargestellt (die die Realimpedanz R2/n2 darstellen). Die parallele Kombination von C2n2 und L1k2 ist durch Bewegung auf konstanten Admittanzkreisen 302, 402 dargestellt. Die Wirkung der Induktivität L1(1 – k2) ist in den konstanten Impedanzkreisen 304, 404 gezeigt und die Wirkung der Kapazität C1 ist in den Konstanten Admittanzkreisen 306, 406 gezeigt. Die kombinierte Wirkung besteht in der Umsetzung des Realteils der Impedanz Rx von R2/n2 in einen größeren Wert (d. h. einen, der weiter zur Rechten des Diagramms liegt – siehe Punkte 307 und 407 in 4a bzw. 4b).
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Die Werte der Parameter in den dargestellten Smith-Diagrammen sind folgende. In beiden 4a und 4b: RL = 50 Ω, L1 = 825 pH, Q1 = 15, L2 = 750 pH, Q2 = 15 und k = 0,5 (damit ist n = 1,9). Wiederum sind in beiden 4a und 4b die Anfangspunkte 300 und 400 die gleichen (RL//2πfQ2L2)/n2 = 10,7 Ω. Man beachte, dass der primäre Dämpfungswiderstand R1 = 2πfQ1L1 = 191 Ω beträgt. Die Werte der Kapazitäten C1 und C2 unterscheiden sich zwischen 4a und 4b zur Darstellung der Wirkung der Veränderung der Kapazitäten auf die Impedanz Rx. In 4a ist C1 = 3,3 pF und C2 = 5 pF; in 4b ist C1 = 5 pF und C2 = 1 pF. In 4a ist Rx = 28,4 Ω//R1 = 25 Ω; in 4b ist Rx = 139 Ω//R1 = 80 Ω. So kann einfach durch Verändern der Kapazitäten C1 und C2 der Widerstand in den Wandler 24 verändert werden (in den dargestellten Beispielen der 4a und 4b von 10 Ω zu 25 Ω bzw. 80 Ω).
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In der Tat kann auch gesehen werden, dass eine effektive Umsetzung des Wertes von Rx durch Verändern nur eines von C1 und C2 herbeigeführt werden kann. So ist in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur einer der Kondensatoren C1 und C2 veränderlich und der andere weist eine feste Kapazität auf.
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In gesamten Obigen stellt das Symbol ”//” die parallele Kombination von Impedanzen beidseitig des Symbols dar; so ist Z
1//Z
2 gleichwertig zu
wobei Z
total die Ersatzimpedanz für zwei parallel geschaltete Impedanzen Z
1 und Z
2 ist.
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So wird durch die vorliegende Erfindung eine Leistungsverstärkerschaltung mit Kondensatoren mit veränderlichen Kapazitätswerten bereitgestellt, so dass die Leistungsverstärkerschaltung für jeweilige Werte der Versorgungsspannung und der an die Last abgegebenen Leistung mit einem gegebenen Wirkungsgrad arbeiten kann.
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5 zeigt eine Vorrichtung 500 nach Ausführungsformen der Erfindung, die die oben beschriebene Leistungsverstärkerschaltung enthält. Die Vorrichtung 500 kann eine beliebige elektrische Vorrichtung mit Leistungsverstärkerschaltungen sein, ist aber in einer Ausführungsform eine Telekommunikationsvorrichtung wie beispielsweise ein Sender.
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Die Vorrichtung umfasst einen Eingang 502 zum Empfangen eines mit einer Leistungsverstärkerschaltung 504, wie in einer beliebigen der Ausführungsformen oben beschrieben, verbundenen Eingangssignals (VIN). Von einer Stromversorgung 506 wird Strom (VDD) für den Leistungsverstärker bereitgestellt und das verstärkte Signal wird an eine Last 508 ausgegeben. Wo die Vorrichtung 500 eine Telekommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise ein Sender ist, kann die Last 508 eine Antenne sein.
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Von einer Steuerung 510 wird ein Steuersignal für die Leistungsverstärkerschaltung 504 bereitgestellt, das zum Einstellen der Kapazitätswerte der Kondensatoren C1 und C2 benutzt wird. Falls nur einer der Kondensatoren veränderlich ist, wird das Steuersignal zum Einstellen des Kapazitätswerts dieses veränderlichen Kondensators benutzt.
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In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Werte von C1 und/oder C2 als Reaktion auf Änderungen in der Stromversorgung oder der Last in Echtzeit gesteuert werden, um den erforderlichen Wirkungsgrad im Leistungsverstärker 504 zu erreichen. Der erforderliche Wirkungsgrad kann der erreichbare Höchstwert sein, oder ein etwas darunter liegender Schwellwert. Beispielsweise kann die Stromversorgung während des Betriebs der Vorrichtung 500 (aufgrund von Batterieentleerung, eines Stromausfalls usw.) abfallen. Als Reaktion auf diesen Abfall der Stromversorgung kann die Steuerung 510 die Werte von C1 und C2 so ändern, dass der Wirkungsgrad der Leistungsverstärkerschaltung dessen ungeachtet aufrechterhalten wird. In einem weiteren Beispiel kann unter konstanten Stromversorgungsbedingungen erforderlich sein, dass die Vorrichtung 500 eine verringerte oder eine erhöhte Leistung an die Last 508 abgibt. In diesem Fall kann die Steuerung 510 die Werte von C1 und C2 so verändern, dass sie den Wert von Rx erhöhen oder verringern und einen gewünschten Wirkungsgrad aufrechterhalten. Dem Fachmann können verschiedene Szenarios in den Sinn kommen. Die Steuerung 510 kann eine Nachschlagetabelle aufweisen oder sonstwie zum Anpassen der Werte von C1 und C2 als Reaktion auf einen Bereich unterschiedlicher Werte für die Stromversorgung und die Last programmiert sein.
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Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine Leistungsverstärkerschaltung bereitgestellt, in der der Wirkungsgrad für eine Vielzahl unterschiedlicher Bedingungen (wie beispielsweise der Stromversorgung und der Last) auf hoher Ebene aufrechterhalten werden kann. Insbesondere kann durch Bereitstellen eines oder mehrerer veränderlicher Kondensatoren die am Ausgang des Verstärkers gesehene Impedanz ohne Ändern der Geometrie des Wandlers an die Last angepasst werden.
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Es versteht sich natürlich, dass an der oben beschriebenen Ausführungsform viele Änderungen durchgeführt werden können, ohne aus dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
