DE102017210759B4

DE102017210759B4 - Adaptive Verstärkerschaltung zur Optimierung des Wirkungsgrades eines Kommunikations-Front-End

Info

Publication number: DE102017210759B4
Application number: DE102017210759.6A
Authority: DE
Inventors: Felix Auer; Michael Kamper; Gerald Ulbricht; Gerd Kilian
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: DE102017210759A1

Abstract

System (160), mit folgenden Merkmalen:einem Software Defined Radio (162), das ausgebildet ist, um ein Eingangssignal (104) bereitzustellen; undeiner Verstärkerschaltung (100);wobei die Verstärkerschaltung einen Verstärker (102) aufweist, der ausgebildet ist, um das Eingangssignal (104) oder eine vorverstärkte Version (104') des Eingangssignals zu verstärken;wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um einen Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) dynamisch anzupassen;wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von zumindest eines aus Modulationsart, Signalform und Frequenzbereich des Eingangssignals (104) anzupassen.

Description

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Verstärkerschaltung und auf ein Verfahren zum Betrieb derselben. Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine adaptive Verstärkerschaltung zur Optimierung des Wirkungsgrades eines Kommunikations-Front-End.
Einerseits besteht bei der Entwicklung von Front-Ends (wie z.B. Mobiltelefonen, Smartphones, Funkmodems, militärische Funkgeräte usw.) auf der Basis von Software-Defined-Radios (SDRs, Sender und/oder Empfänger bei denen kleinere oder größere Anteile der Signalverarbeitung mit Software verwirklicht werden) die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen Frequenzen, Signalbandbreiten und Signalformen zu wählen, um für die jeweilige Anwendung eine optimale Lösung zu bieten. Diese Parameter können während der Betriebszeit geändert und adaptiv angepasst werden. Die Signalform und Signalbandbreite haben einen direkten Einfluss auf die erreichbare Datenrate und Sendereichweite des Systems. Aus der adaptiven Umschaltung und der großen Menge an Parametern erwachsen neue Herausforderungen an die Entwicklung von Endstufenverstärkern, die die benötigte Ausgangsleistung für das Sendesignal zur Verfügung stellen.
Andererseits wird der Endstufen- bzw. Leistungsverstärker herkömmlicherweise für eine Sendefrequenz und Signalform optimiert, um dort das bestmögliche Ergebnis zu erzielen. Bei dieser Optimierung, wird der für den jeweiligen Betriebsfall bestmögliche Kompromiss aus Linearität, Wirkungsgrad und Ausgangsleistung gesucht.
Im Folgenden werden die für die Optimierung des Verstärkers (Endstufen- bzw. Leistungsverstärkers) zur Verfügung stehenden Parameter und dessen Auswirkungen näher aufgezeigt.
Sendestufe: Modulationsverfahren
In der Informationstechnik werden verschiedene Modulationsverfahren zur Übertragung von Information verwendet. Diese sind je nach Sichtweise unterschiedlich zu charakterisieren. Beispielsweise sind für die Anwendung im Leistungsverstärker der Scheitelfaktor (CrestFaktor) und das damit verbundene Spitzen- zu Mittelleistungsverhältnis (engl. peak-to-average power ratio) entscheidend. Je kleiner diese sind, desto effizienter kann der Leistungsverstärker betrieben werden.
In der Informationstechnik soll in der Regel eine hohe Datenrate innerhalb einer gegebenen Bandbreite übertragen werden, weshalb in der Regel Modulationsverfahren mit hoher spektraler Effizienz verwendet werden. Diese wiederum haben einen hohen Scheitelfaktor, was die Verstärkung ineffizient macht. Sollen Signale in einer Multipfad-Umgebung übertragen werden, eignen sich hierfür besonders Mehrträger-Modulationsverfahren, bei denen der Scheitelfaktor noch höher ist.
Deshalb werden Verstärker auf den jeweiligen Anwendungsfall gezielt abgestimmt, um hierfür einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und verzerrungsarm zu arbeiten.
Verstärker: Arbeitspunkt
Zum Betrieb eines Verstärkers wird dieser im Ruhezustand mithilfe der Betriebsspannung (U_sup), des Betriebsstromes (I_sup) auch Ruhestrom genannt und der Biasspannung (U_b) auf einen für den Betrieb optimalen Arbeitspunkt eingestellt. Hierbei muss ein Optimum der zwei Hauptkriterien Linearität und Effizienz gefunden werden. Je niedriger der Ruhestrom ist desto effizienter kann der Verstärker arbeiten. Hierbei entsteht aber durch unsymmetrische Verstärkung des Eingangssignals eine Verzerrung des Ausganssignals, die Linearität nimmt ab [Cripps, Steve C. (2006): RF power amplifers for wireless communications. 2. ed. Boston, MA [u.a.]: Artech House (Artech House microwave library)].
Im Weiteren kann durch die Variation der Betriebsspannung die Lastkennlinie (Strom-Spannungs-Kurve) des Verstärkers verändert werden. Dies hat wiederum Einfluss auf die benötigte Ausgangsanpassung (Ausgangsnetzwerk) und die maximale Ausgangsleistung [Bahl, I. J. (2009): Fundamentals of RF and microwave transistor amplifiers. Hoboken, N.J.: Wiley], [Cripps, Steve C. (2006): RF power amplifers for wireless communications. 2. ed. Boston, MA [u.a.]: Artech House (Artech House microwave library)].
Verstärker: Verstärkerklasse
Verstärker werden nach der Höhe des fließenden Ruhestromes I_sup in Bezug zum maximalen Strom I_max in vier Klassen eingeteilt:

Klasse-A: I_sup = I_max/2

Klasse-AB: 0 A < I_sup < I_max/2

Klasse-B: I_sup = 0 A

Klasse-C: I_sup = 0 A, |U_b__Klasse-C| >|U_{b_Klasse-B}|
In 1 ist diese Klassifizierung im Kennlinienfeld eines Transistors eingezeichnet. Im Detail zeigt 1 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Transistors sowie in dem Kennlinienfeld Arbeitspunkte bzw. Arbeitsbereiche, die unterschiedlichen Verstärkerklassen zugeordnet sind, wobei die Ordinate den Ruhestromes I_sup des Transistors und die Abszisse die Ausgangsspannung U_ds des Transistors beschreibt. Hier sind nur die Klassen A, AB und B zu finden, da die Klasse-C sich nicht allein über den Strom I_sup definieren lässt. In Klasse-C wird die Vorspannung U_b des Transistors gegenüber dem Klasse-B Betrieb weiter abgesenkt, damit nur sehr kleine Spitzen des Eingangssignals verstärkt werden.
Mit anderen Worten, 1 zeigt Klassifizierung von Leistungsverstärkern in Abhängigkeit des Ruhestroms. Die Klasse-C ist hier nicht aufgeführt, da es sich um eine Vorspannung des Verstärkers handelt welche ebenso wie Klasse-B keinen Stromfluss zur Folge hat.
In 2 sind die Klassen noch einmal bei Maximalaussteuerung mit einem Sinussignal dargestellt. Im Detail zeigt 2 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Transistors sowie in dem Kennlinienfeld eine Vollaussteuerung des Transistors bei unterschiedlichen Verstärkerklassen mittels eines Sinussignals. Dabei beschreibt die Ordinate den Ruhestrom I_sup des Transistors und die Abszisse die Ausgangsspannung U_ds des Transistors. Es ist zu sehen, dass bei abnehmendem Ruhestrom das Eingangssignal eine höhere Amplitude aufweisen muss, um den Verstärker voll auszusteuern. Dies hat zur Folge, dass die Ausgangsleistung und die Verstärkung des Verstärkers abnehmen. Dies ist implizit durch die Klasse (Arbeitspunkt) gegeben.
Mit anderen Worten, 2 zeigt eine Darstellung der Vollaussteuerung des Transistors mittels eines Sinussignals (Klasse-A 10 (rot), Klasse-B 12 (blau), Klasse-C 14 (grün)) bei der Verwendung verschiedener Arbeitspunkte. Hier ist auch die Klasse-C dargestellt, wobei ein immer geringerer Anteil des Eingangsspannungsverlaufes zur Verstärkung beiträgt.
Lineare Verstärker werden meist im Klasse-AB Betrieb verwendet, welcher auf einen Arbeitspunkt, als Kompromiss aus Linearität und Effizienz, eingestellt ist. Für Signale die keine Hüllkurveninformation beinhalten ist es möglich den Verstärker in Klasse-C zu betreiben um eine erhöhte Effizienz zu erzielen.
Verstärkertypen
Die hierin beschriebenen Verstärkertypen basieren auf den oben beschriebenen Verstärkerklassen (Klasse-A, AB, B, C) und beschreiben Sonderformen, die durch eine Kombination mehrerer Verstärker oder eine Beschaltung mit zusätzlichen Baugruppen zustande kommen können.
Verstärkertypen: Klasse-D Verstärker
In dieser Beschreibung wird die Klasse-D verwendet, welche aus einem Transistorpaar besteht. Beide Transistoren arbeiten in einen Klasse-AB, B Arbeitspunkt. Durch Übersteuerung werden beide Transistoren in einen Schaltbetrieb versetzt und werden komplementär angesteuert um Strom- und Spannungsüberlagerung zu minimieren. Somit verringert sich die Verlustleistung am Transistor.
Verstärkertypen: Envelope-Tracking Verstärker
Wenn Verstärker im Teillastbereich betrieben werden, sinkt die maximal mögliche Effizienz. Der Teillastbereich wird dadurch definiert, dass die mittlere Ausgangsleistung geringer ist als die maximal mögliche Ausgangsleistung.
Durch Anpassung der Versorgungsspannung U_sup an das Hüllkurvensignal (aktuell benötigte Ausgangsspannung) ist es möglich, diesen Effekt zu verringern und die Effizienz zu steigern. Der Arbeitspunkt des Verstärkers wird in solch einem System nicht nachgestellt und bleibt konstant. Hierfür wird ein Gleichspannungsmodulator benötigt, der dem Ausgangssignal die Versorgungsspannung nachführt.
Das Verfahren wird Envelope-Tracking (ET, dt. Hüllkurvennachführung) genannt, da die Versorgungsspannung der Hüllkurve (engl. envelope) nachgeführt (engl. tracking) wird [Wang, Zhancang (2014): Envelope tracking power amplifiers for wireless communications. Boston, London: Artech House (The Artech House microwave library)].
In 3 ist das Prinzip von Envelope-Tracking Verstärker dargestellt. Im Detail zeigt 3 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Transistors für unterschiedliche Versorgungsspannungen. Dabei beschreibt die Ordinate den Ruhestromes I_sup des Transistors und die Abszisse die Ausgangsspannung U_ds des Transistors. Bei Envelope-Tracking wird die Lastkennlinie des Verstärkers dynamisch auf das Eingangssignal angepasst, um eine höhere Effizienz bei Signalen mit hohen Amplitudenwechseln zu erreichen. Die rote Linie 16 kennzeichnet den Ruhestrom (Arbeitspunkt), der über dem Aussteuerbereich konstant bleibt, da sich der Transistor wie eine Stromquelle verhält. Ein Beispiel eines Envelope-Tracking Verstärkers findet sich in [Auer, Felix; Schiller, Stefan; Kamper, Michael (2016): Linearity and efficiency improvement using envelope tracking power amplifier. In: 2016 German Microwave Conference (GeMiC). 2016 German Microwave Conference (GeMiC). Bochum, Germany, 14.03.2016 - 16.03.2016: IEEE, S. 88-91].
Mit anderen Worten, 3 zeigt Verstärker-Kennlinien mit unterschiedlicher Versorgungsspannung, wie für Envelope-Tracking eingesetzt. Die rote Kennlinie 16 stellt hierbei den konstanten Ruhestrom über dem Aussteuerbereich dar.
Verstärkertypen: Doherty-Verstärker
Beim Doherty-Verstärker werden zwei einzelne Verstärker über einen Transformator am Ausgang miteinander verschaltet, wie dies in 4 gezeigt ist. Im Detail zeigt 4 ein schematisches Blockschaltbild eines Doherty-Verstärkers 20 mit einem ersten Verstärker 22 (PA₁) und einem zweiten Verstärker 24 (PA₂), wobei Ausgänge des ersten und zweiten Verstärkers 22 (PA₁) und 24 (PA₂) über einen Transformator 26 miteinander verbunden sind. Hier kann der erste Verstärker 22 (PA₁) als Hauptverstärker und der zweite Verstärker 24 (PA₂) als Spitzenverstärker bezeichnet werden. Dieses Prinzip verändert in Abhängigkeit der Ansteuerleistung die Lastkennlinie des Hauptverstärkers 22 und hält diesen für eine gewissen Aussteuerungsbereich in einem besseren Wirkungsgrad [Cripps, Steve C. (2006): RF power amplifers for wireless communications. 2. ed. Boston, MA [u.a.]: Artech House (Artech House microwave library)]. Beispiele für einen solchen Verstärker sind [Musolff, Christian; Kamper, Michael; Abou-Chahine, Zeid; Fischer, Georg (2013): A Linear and Efficient Doherty PA at 3.5 GHz. In: IEEE Microwave 14 (1), S. 95-101. DOI: 10.1109/MMM.2012.2226998], [Musolff, Christian; Kamper, Michael; Abou-Chahine, Zeid; Fischer, Georg (2014): Linear and Efficient Doherty PA Revisited. In: IEEE Microwave 15 (1), S. 73-79. DOI: 10.1109/MMM.2013.2288713], [Musolff, Christian; Kamper, Michael; Fischer, Georg (2015): Linear Doherty PA at 5 GHz. In: IEEE Microwave 16 (1), S. 89-93. DOI: 10.1109/MMM.2014.2367862].
Im klassischen Doherty-Verstärker wird der Hauptverstärker (PA₁) im Klasse-AB und der Spitzenverstärker (PA₂) im Klasse-C Arbeitspunkt betrieben. Die Eingangssignale werden auf die Transformation am Ausgang angepasst. Dies kann durch zeitliche Verzögerung der Ansteuersignale geschehen. In 4 ist das Grundprinzip des Doherty-Verstärkers dargestellt, wobei hier die Eingangspfade separat ansteuerbar sind [Darraji, Ramzi; Ghannouchi, Fadhel M.; Hammi, Oualid (2011): A Dual-Input Digitally Driven Doherty Amplifier Architecture for Performance Enhancement of Doherty Transmitters. In: IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 59 (5), S. 1284-1293. DOI: 10.1109/TMTT.2011.2106137]. Mit anderen Worten, 4 zeigt das Grundprinzip eines Doherty-Verstärkers mit getrennten Ansteuerzweigen um eine erhöhte Flexibilität zu erreichen.
Bei der Ansteuerung im Teillastbereich ist der Doherty-Verstärker vorteilhaft, da theoretisch bei halber Ausgangsspannung die gleiche Effizienz wie bei Vollaussteuerung möglich ist. Somit erreichen der Dohery-Verstärker wie auch der Envelope-Tracking Verstärker für amplitudenmodulierte Signale eine höhere Effizienz als bei einem einzelnen Klasse-AB Verstärker.
Verstärkertvpen: Push-Pull Verstärker
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Push-Pull Verstärkers 30 mit einem ersten Verstärker 32 (PA₁) und einem zweiten Verstärker 34 (PA₂), wobei Ausgänge des ersten und zweiten Verstärkers 32 (PA₁) und 34 (PA₂) über einen Balun 36 miteinander verbunden sind. Beim Push-Pull Verstärker 30 werden beide Verstärker 32 und 34 so miteinander verschaltet, dass im jeweiligen Verstärker nur die positive bzw. negative Halbwelle des Eingangssignals verstärkt wird. Diese werden mittels eines 180° Baluns 36 wieder vereinigt. Im Push-Pull Betrieb werden beide Verstärker 32 und 34 im gleichen Modus betrieben. Dies ist im klassischen Fall der Klasse-B Betrieb, weshalb dieser Verstärker oft auch als Klasse-B Verstärker bezeichnet wird [Cripps, Steve C. (2006): RF power amplifers for wireless communications. 2. ed. Boston, MA [u.a.]: Artech House (Artech House microwave library)], [Cripps, Steve C. (2015): The evolution of the push-pull RFPA. In: 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2015). Phoenix, AZ, USA, 17.05.2015 - 22.05.2015: IEEE, S. 1-4].
Beide Verstärker 32 und 34 werden je über ein Signal angesteuert, das sich in einer spezifischen Phasenbeziehung befindet. Dies kann durch eine weiter Baugruppe oder eine digitale Verzögerung geschehen. Das Grundprinzip des Verstärkers ist in 5 dargestellt.
Mit anderen Worten, 5 zeigt einen Push-Pull Verstärker-Aufbau mit getrennt ansteuerbaren Eingängen, um eine erhöhte Flexibilität zu erreichen.
Diese Verstärker sind in ihrem Verhalten sehr linear, da es durch die Verstärkung beider Halbwellen nur zu geringen Verzerrungen kommt.
Verstärkertypen: Balanced Verstärker
Dieser Verstärker bietet die Möglichkeit die Signale zweier Verstärker zu kombinieren und somit die Ausgangsleistung zu erhöhen. Dies geschieht durch eine 90° Kopplung der Signalpfade. Hierdurch ist nicht nur eine erhöhte Ausgangsleistung möglich, die Anpassung der Verstärker selbst ist durch den 90° Hybrid-Koppler ebenfalls verbessert. Somit kann bei schlecht angepasstem Ausgangspfad der Verstärker stabil betrieben werden [Cripps, Steve C. (2006): RF power amplifers for wireless communications. 2. ed. Boston, MA [u.a.]: Artech House (Artech House microwave library)].
Verstärkertypen: Zusammenfassung
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass für die benötigte Agilität in einem SDR-Sendesystem keine Verstärkerarchitektur per se geeignet ist. Da für unterschiedliche Reichweiten und Datenraten verschiedene Modulationsverfahren eingesetzt werden, ist es nur schwer möglich mit einer Architektur eine effiziente und lineare Lösung zu bieten.
In der in 6 gezeigten Tabelle werden die oben aufgeführten Architekturen verglichen, wobei dies nur bedingt möglich ist, da der jeweilige Anwendungsfall genau beleuchtet werden muss. Über ein Bewertungssystem von ++ für gut über + und - bis -- für schlecht sind die Parameter Signalbandbreite, Effizienz und Linearität verglichen. Es ist ebenso die Fähigkeit aufgeführt wie effizient das System ein Signal mit konstanter oder modulierter Hüllkurve verstärkt. In 6 werden dabei folgende Annahmen gemacht. Ideales Envelope-Tracking für einen Klasse-AB Verstärker. Doherty mit Klasse-AB Haupt- und Klasse-C Spitzenverstärker. Push-Pull aus zwei Klasse-B Verstärkern. Balanced Verstärker aus zwei Klasse-AB Verstärkern.
Problemstellung
Zur Erreichung von hohen Datenraten ist es notwendig, dass ein Modulationsverfahren die Hüllkurve und die Phase des Signals zur Informationsübertragung nutzt. Hieraus entsteht eine hohe Anforderung an die Linearität der Verstärkerarchitektur. Im Weiteren sinkt hierdurch die Effizienz und Ausgangsleistung des Gesamtsystems, da bei amplitudenmodulierten Signalen der Crestfaktor steigt.
Im Gegensatz hierzu, ist zum Erreichen hoher Reichweiten ein robusteres Modulationsverfahren notwendig. Dieses kann ohne Amplitudenmodulation auskommen, womit die Verstärkung durch effizientere Verstärkersysteme übernommen werden kann. Selbst wenn ein linearer Verstärker bei maximaler Ausgangsleistung (Schaltbetrieb) betrieben wird, hat dieser einen geringeren Wirkungsgrad als ein an diesen Fall angepasster Schaltverstärker.
Der Betriebsmodus des Verstärkers wird im Allgemeinen auf den benötigten Anwendungsfall optimiert. Es wird ein Kompromiss aus Wirkungsgrad, Ausgangsleistung und Linearität eingestellt. Wird nun die Signalform (Modulation) am Verstärker verändert, verliert dieser Arbeitspunkt seine Gültigkeit und der Verstärker erreicht nicht mehr seine erforderlichen Parameter.
Aus der US 3,984,783 ist ferner eine Verstärkerschaltung bekannt, die dazu in der Lage ist, Verstärkung und Linearität eines Klasse-A-Verstärkers und Leistungsumwandlungseffizienz eines Klasse-B- oder C-Verstärkers bereit zu stellen. Hierzu enthält die Verstärkerschaltung einen Leistungstransistor und ein Vorspannungsnetzwerk, welches es der Verstärkerschaltung ermöglicht, in den Klassen A, B oder C in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals zu arbeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zu schaffen, welches es ermöglicht, den Verstärker auch bei einer Veränderung der Signalform oder des Frequenzbereichs des zu verstärkenden Signals effizienter zu betreiben.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Ausführungsbeispiele schaffen eine Verstärkerschaltung mit einem Verstärker, der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal oder eine vorverstärkte Version des Eingangssignals zu verstärken, wobei die Verstärkerschaltung ausgebildet ist, um einen Arbeitspunkt des Verstärkers in Abhängigkeit von dem Eingangssignal oder einem Steuersignal dynamisch anzupassen.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Verstärkerschaltung mit einem Verstärker, der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal oder eine vorverstärkte Version des Eingangssignals zu verstärken, wobei die Verstärkerschaltung ausgebildet ist, um einen Arbeitspunkt des Verstärkers in Abhängigkeit von einem Steuersignal dynamisch anzupassen.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Betrieb einer Verstärkerschaltung. Das Verfahren umfasst einen Schritt des dynamischen Anpassens eines Arbeitspunktes eines Verstärkers der Verstärkerschaltung in Abhängigkeit von einem von der Verstärkerschaltung zu verstärkenden Eingangssignals.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Betrieb einer Verstärkerschaltung. Das Verfahren umfasst einen Schritt des dynamischen Anpassens eines Arbeitspunktes eines Verstärkers der Verstärkerschaltung in Abhängigkeit von einem Steuersignal.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung (bzw. eine oder mehrere Komponenten der Sendestufe, wie z.B. Verstärker und/oder Vorverstärker) an die Anforderungen der Signalform angepasst werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft bei der Verwendung von Software Defined Radios (SDR), welche die Möglichkeit bieten im laufenden Betrieb die Signalform und/oder den Frequenzbereich zu verändern. In der Regel stellt (z.B. im RF Front End) der Verstärker (oder Endstufenverstärker) die Komponente mit der höchsten Verlustleistung dar. Um den Wirkungsgrad des Verstärkers zu erhöhen, kann dieser auf die verwendete Signalform angepasst werden, z.B. durch Anpassung des Arbeitspunktes. Der Scheitelfaktor ist für den Verstärker einer der wichtigsten Einflussfaktoren für den Wirkungsgrad. Ist der Scheitelfaktor klein, ist es möglich, das Signal mit einem hohen Wirkungsgrad zu verstärken. Ist im Gegensatz dazu der Scheitelfaktor groß, können gemäß manchen Ausführungsbeispielen weitere Maßnahmen unternommen werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen, wie der Verstärker in seinem Betriebszustand verändert werden kann, um diesen auf die Signalform anzupassen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Transistors sowie in dem Kennlinienfeld Arbeitspunkte bzw. Arbeitsbereiche, die unterschiedlichen Verstärkerklassen zugeordnet sind;
2 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Transistors sowie in dem Kennlinienfeld eine Vollaussteuerung des Transistors bei unterschiedlichen Verstärkerklassen mittels eines Sinussignals;
3 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Transistors für unterschiedliche Versorgungsspannungen;
4 ein schematisches Blockschaltbild eines Doherty-Verstärkers mit einem ersten Verstärker und einem zweiten Verstärker, wobei Ausgänge des ersten und zweiten Verstärkers über einen Transformator miteinander verbunden sind;
5 ein schematisches Blockschaltbild eines Push-Pull Verstärkers mit einem ersten Verstärker und einem zweiten Verstärker, wobei Ausgänge des ersten und zweiten Verstärkers über einen Balun miteinander verbunden sind;
6 in einer Tabelle eine Gegeüberstellung der verschiedenen Verstärkerarchitekturen;
7 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems mit einem Modem und einer Verstärkerschaltung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Verstärkers sowie in dem Kennlinienfeld einen Bereich mit möglichen Betriebszuständen des Verstärkers, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit einem Verstärker und einem Vorverstärker, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit einem einzelnen Verstärker, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit zwei Verstärkern, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit zwei Verstärkern, wobei die zwei Verstärker zwischen einem Doherty-Modus und einem Balanced-Modus umgeschaltet werden können, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit zwei Verstärkern, wobei die zwei Verstärker in Abhängigkeit von dem Eingangssignal zwischen einem Push-Pull-Modus und einem Klasse-D Modus umgeschaltet werden können, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems mit einem Software-Defined-Radio und einer Verstärkerschaltung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 in einer Tabelle eine Übersicht über verschiedene HF Verstärkerkonzepte; und
17 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Verstärkerschaltung 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung untereinander austauschbar ist.
7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkerschaltung 100 umfasst einen Verstärker 102, der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal 104 oder eine vorverstärkte Version des Eingangssignals 104' zu verstärken, wobei die Verstärkerschaltung 100 ausgebildet ist, um einen Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 104 dynamisch anzupassen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 optional eine Steuereinrichtung 108 aufweisen, die ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal dynamisch anzupassen.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 108 ausgebildet sein, um eine Betriebsspannung, eine Biasspannung, oder einen Drainstrom des Verstärkers 102 oder eine Kombination aus zumindest zwei aus Betriebsspannung, Biasspannung und Drainstrom anzupassen, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal dynamisch anzupassen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 über Verstärkerklassen hinweg zu verschieben, beispielsweise zwischen zumindest zwei der Verstärkerklassen A, B, AB, C, D, E, F und J.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 während des Betriebs anzupassen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 zwischen einem linearen Arbeitsbereich des Verstärkers 102 und einem nicht-linearen Arbeitsbereich des Verstärkers 102 zu verschieben.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von zumindest eines aus Modulationsart, Signalform und Frequenzbereich des Eingangssignals anzupassen.
In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerschaltung 100 ausgebildet, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 104 anzupassen. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal anzupassen.
Beispielsweise kann das SDR ein solches Steuersignal liefern, wobei das Steuersignal von der aktuell vom SDR verwendeten Modulationsart, Signalform und/oder Frequenzbereich abhängig sein kann.
Die Folgende Beschreibung ist dabei auf beide Alternativen anwendbar, d.h. sowohl auf Ausführungsbeispiele, bei denen die Verstärkerschaltung 100 ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 104 anzupassen, als auch auf Ausführungsbeispiele, bei denen die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal anzupassen.
Bei agilen Systemen, die für viele Anwendungen genutzt werden sollen, kann der Verstärker 102 somit auf die jeweilige Anwendung angepasst werden. Hierdurch kann für Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve die Verlustleistung drastisch reduziert werden, mit dem gleichen Verstärker 102 können allerdings auch durch Wahl eines anderen Arbeitspunktes Modulationsverfahren mit hohem Scheitelfaktor verwendet werden. Damit ist es z.B. möglich, Funkmodems zu bauen, die sich von der Modulationsart zusammen mit dem Leistungsverstärker automatisch optimal an die Kanalbedingungen anpassen, wie dies im Folgenden anhand von dem in 8 gezeigtem Ausführungsbeispiel erläutert wird.
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 160 mit einem Modem 162 und einer Verstärkerschaltung (adaptiver Verstärker) 100. Das Modem 160 kann ausgebildet sein, um das von der Verstärkerschaltung 100 zu verstärkende Eingangssignal 104 bereitzustellen. Ein Ausgang der Verstärkerschaltung 100 kann mit einer Antenne 164 verbunden sein.
Die Verstärkerschaltung 100 kann dabei ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 104 anzupassen. Natürlich ist es auch möglich, dass die Verstärkerschaltung 100 ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal 105 anzupassen.
Bei guter Verbindung wählt das Modem beispielsweise eine Modulation mit hoher Datenrate, diese besitzt einen hohen Scheitelfaktor. Das Modem versetzt den Leistungsverstärker in den dafür geeigneten Arbeitspunkt. In diesem „Hoher Scheitelfaktor“ Arbeitspunkt hat der Verstärker 102 nur eine geringe Effizienz. Da eine gute Verbindung vorliegt, wird allerdings auch nur eine geringe Sendeleistung benötigt. Bei schlechter Verbindung wählt das Modem beispielsweise eine Modulation mit geringer Datenrate und geringem Crestfaktor, bzw. ein Verfahren mit konstanter Hüllkurve. Der Leistungsverstärker wird entsprechend in einen Arbeitspunkt „Geringer Scheitelfaktor“ bzw. „Scheitelfaktor Null“ geregelt. Nun arbeitet der Leistungsverstärker mit hoher Effizienz.
Da der Leistungsverstärker bei geringer Effizienz nur bei geringer Leistung betrieben wird, und bei hoher Leistung nur bei hoher Effizienz, ist es möglich, den Aufwand für die Kühlung gegenüber bisherigen Leistungsverstärkern bei gleicher Maximalleistung zu reduzieren. Das gleiche gilt für den benötigten Raumbedarf des Leistungsverstärkers.
Im Folgenden wird die Funktionsweise detailliert beschrieben.
Durch Abänderung des Betriebszustandes und adaptive Verschaltung mehrerer Verstärker kann der Verstärker 102 an das jeweilige Sendesignal angepasst werden. Dies kann durch die Veränderung der Eingangsparameter, wie z.B. Biasspannung U_b , Versorgungsspannung U_sup und Eingangsleistung, vorgenommen werden.
Die Auswirkung auf die einzelnen Verschaltungen wird im Weiteren für die einzelnen Architekturen genauer beschrieben.
Im Allgemeinen wird zwischen den Arbeitspunkten für Klasse-A bis Klasse-C umgeschaltet. Dies hat direkte Auswirkungen auf das jeweilig verwendete Verschaltungsprinzip.
Den Erwerb der benötigten Information um die Umschaltung vornehmen zu können, kann durch mehrere Verfahren bzw. über eine Kombination dieser geschehen.
Dem Eingangssignal des Verstärkers kann die benötigte Information entnommen werden. Durch beobachten der Amplituden- und/oder der Phasenmodulation kann eine Entscheidung für die passende Verstärkereinstellung getroffen werden. Zusätzlich ist es möglich durch ein weiteres Steuersignal den Verstärker auf die erforderlichen Parameter umzuschalten.
Die Änderung im Modulationssignal und somit die Anpassung des Verstärkers 102 auf jenes ist auch für sehr kurze Zeiträume denkbar, womit es möglich ist, unterschiedliche Qualitätsmerkmale in der Verbindung zu unterstützen. Beispielsweise ist es möglich, einem Gegenstück eine höhere Datenrate zu ermöglichen und einem anderen eine Verbindung bei höherer Entfernung zu garantieren.
Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsbeispiele der Verstärkerschaltung 100 beschrieben. Hierbei werden Techniken beschrieben, um neue und bereits bestehende Sendesysteme in ihrem Wirkungsgrad zu optimieren. Hierdurch wird die Leistungsaufnahme verringert, wodurch eine geringere Baugröße und eine verringerte Kühlleistung ermöglich werden. Durch die Möglichkeit unterschiedliche Modulationsverfahren zu verwenden kann darüber hinaus auch die Sendereichweite verbessert werden.
Änderung der Betriebsmodi
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Verstärker 102 in Abhängigkeit von einem Steuersignal in einen anderen Betriebsmodus zu versetzen. Durch ein zusätzliches Steuersignal ist es also möglich den Verstärker in verschiedene Betriebsmodi zu versetzen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkerschaltung 100 (oder die Steuereinrichtung 108) ausgebildet sein, um den Verstärker 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal in einen anderen Betriebsmodus zu versetzen. Das Steuersignal kann also aus dem Eingangssignal extrahiert werden. Im Detail können aus dem Eingangssignal die aktuell benötigte Betriebsspannung und die Flankensteilheit entnommen werden und hierdurch die benötigten Einstellungen abgeleitet werden.
In beiden Fällen können am Verstärker 102 die Parameter Versorgungsspannung U_sup und Biasspannung U_b so verändert werden, dass sich der Betriebspunkt und die Arbeitskennlinie verändern.
Durch diese ist es möglich, eine ganze Schar von Kurven in einem Bereich des Verstärkers 102 zu nutzen, wie in 9 gezeigt ist.
9 zeigt in einem Diagramm ein Kennlinienfeld eines Verstärkers (z.B. Transistors) sowie in dem Kennlinienfeld einen Bereich 120 mit möglichen Betriebszuständen (oder Betriebsmodi, oder Arbeitspunkten) des Verstärkers 102. Dabei beschreibt die Ordinate den Ruhestrom I_sup des Verstärkers und die Abszisse die Ausgangsspannung U_ds des Verstärkers.
Mit anderen Worten, mögliche Betriebszustände sind in 9 dargestellt. Der hier markierte Bereich 120 stellt einen möglichen Bereich an Betriebspunkten dar in dem der Verstärker arbeiten kann.
Bei Ausführungsbeispielen kann sich während des laufenden Betriebs des Verstärkers die Betriebs- und/oder Bias-Spannung des Leistungsverstärkers in Abhängigkeit des Eingangssignals ändern.
Vorverstärker
10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung 100 mit einem Verstärker 102 und einem Vorverstärker 106, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Verstärkerschaltung 100 kann also zusätzlich (vgl. 7) einen Vorverstärker 106 aufweisen, der ausgebildet ist, um das Eingangssignal 104 vorzuverstärken, um die vorverstärkte Version 104' des Eingangssignals 104 zu erhalten.
Die Verstärkerschaltung 100 kann dabei ausgebildet sein, um einen Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 106 in Abhängigkeit des Arbeitspunkts des Verstärkers 102 anzupassen.
Zur Aussteuerung des Hauptverstärkers 102 kann also ein Vorverstärker 106 mit veränderlicher Verstärkung genutzt werden. Dieser kann das Signal (Eingangssignal) auf die benötigte Eingangsleistung des Hauptverstärkers 102 verstärken.
Wird das Modulationsverfahren geändert und somit die Parameter des Hauptverstärkers 102 ist es möglich, die Gesamtverstärkung konstant zu halten, in dem die Verstärkung des Vorverstärkers 106 angepasst wird. Im Weiteren ist es möglich die benötigte Eingangsleistung zu erzeugen, um den Hauptverstärker 102 passend auszusteuern. Dies kann benötigt werden, um im Schaltbetrieb den Verstärker in die Sättigung zu bringen. Ebenfalls wird hierdurch die benötigte Ausgangsleistung des Gesamtsystems gesteuert.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Vorverstärkung in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Hauptverstärkers 102 auf eine passende Verstärkung eingestellt bzw. nachgeregelt werden.
Einzelner Verstärker
11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung 100 mit einem einzelnen Verstärker 102, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Verstärker 102 weist einen Eingang 122 für das Eingangssignal und einen Ausgang 124 für ein Ausgangssignal auf. Ferner weist der Verstärker 102 einen Biasanschluss 126 für die Biasspannung U_b1 und einen Versorgungsanschluss 128 für die Versorgungsspannung U_sup1 auf. Die Verstärkerschaltung 100 kann dabei ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 über Verstärkerklassen hinweg zu verschieben.
Um den einzelnen Verstärker 102 auf unterschiedliche Modulationsverfahren bzw. Eingangssignale zu optimieren, kann der Arbeitspunkt (Klasse-A, AB, B, C) des Verstärkers 102 verändert werden, um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen.
Für den Verstärker 102 (PA₁) ergeben sich die die möglichen Betriebsmodi von Klasse A, AB, B und C. Natürlich kann der Verstärker auch in den Betriebsmodi von Klasse D, E, F und J betrieben werden. Diese Betriebsmodi können statisch wie auch dynamisch an das erhaltene Eingangssignal angepasst werden um eine bessere Optimierung zu erreichen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Betriebsmodus in Abhängigkeit des Modulationsverfahrens (Eingangssignals) durch Anpassung der Versorgungsspannung (U_sup1 ) und/oder der Biasspannung (U_b1 ) geändert werden.
Mehrere Verstärker
12 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung 100 mit zwei Verstärkern 102, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielweise kann die Verstärkerschaltung 100 zwei der in 11 gezeigten Verstärker 102 aufweisen.
Die Verstärkerschaltung 100 kann ausgebildet sein, um die zwei Verstärker 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 104 adaptiv zu verschalten. Hierzu können die Ausgänge der zwei Verstärker 102 über einen Kombinierer 128 miteinander verbunden sein.
Die Verstärkerschaltung 100 kann ausgebildet sein, um die Arbeitspunkte der zwei Verstärker 102 getrennt voneinander dynamisch an das Eingangssignal anzupassen, beispielsweise durch Verschiebung der Arbeitspunkte der zwei Verstärker 102 über Verstärkerklassen, wie z.B. A, B, AB, C, D, E, F und J, hinweg. Natürlich kann die Verstärkerschaltung die zwei Verstärker auch auf den gleichen Arbeitspunkt einstellen oder einen der zwei Verstärker ausschalten.
Dohertv Verstärker
13 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit zwei Verstärkern 102, wobei die zwei Verstärker 102 zwischen einem Doherty-Modus und einem Balanced-Modus umgeschaltet werden können. Die Ausgänge der zwei Verstärker 102 können hierzu beispielsweise über einen Transformator 130 miteinander verbunden sein.
Die Verstärkerschaltung 100 kann ausgebildet sein, um beim Balanced-Verstärker die Arbeitspunkte der zwei Verstärker 102 so anzupassen, dass die zwei Verstärker 102 in der gleichen Verstärkerklasse (z.B. Klasse A, AB, B, C, F oder E) arbeiten. Ferner kann die Verstärkerschaltung 100 ausgebildet sein, um beim Doherty-Verstärker die Arbeitspunkte der zwei Verstärker 102 so anzupassen, dass die zwei Verstärker 102 in unterschiedlichen Verstärkerklassen (z.B. Klassen B und C, oder zwei aus Klassen AB, B, C und F) arbeiten.
In der Verschaltung der beiden Verstärker 102 des Doherty-Prinzips ist es möglich beide Verstärker 102 umzuschalten wie oben in Bezug auf den einzelnen Verstärker beschrieben. Hierdurch ist es möglich, aus dem Doherty-Verstärker in den Balanced-Modus umzuschalten, in dem beide Verstärker auf den gleichen Arbeitspunkt geschaltet werden. Ebenfalls ist es möglich, einen Verstärker abzuschalten und somit die Ausgangsleistung zu verringern.
Die Ansteuerung beider Verstärker 102 kann unabhängig voneinander ausgeführt werden, wodurch jeder Verstärker 102 getrennt betrieben werden kann. Hier ist es nun möglich, einen Verstärker allein in Klasse-AB bzw. -C zu betreiben. Der jeweils andere Verstärker kann dabei abgeschaltet werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Verstärker 102 zwischen dem Doherty- und dem Balanced-Betrieb umgeschaltet werden, um beide Verstärker 102 zu kombinieren. Ebenfalls ist es möglich, nur einen Verstärker zu nutzen, um die Ausgangsleistung zu reduzieren.
Bei Ausführungsbeispielen kann zwischen Doherty- und Balanced-Verstärker umgeschaltet werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann ein einzelner Verstärker abgeschaltet werden.
Push-Pull Verstärker
14 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit zwei Verstärkern 102, wobei die zwei Verstärker 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal zwischen einem Push-Pull-Modus und einem Klasse-D Modus umgeschaltet werden können. Die Ausgänge der zwei Verstärker 102 können hierzu beispielsweise über einen Balun 132 miteinander verbunden sein.
Im Push-Pull Betrieb können beide Verstärker 102 im Gegentaktbetrieb arbeiten und über ein Balun 132 mit der Last verschaltet werden, was die Linearität verbessert. In einem Current-Mode Klasse-D (CMCD) Verstärker kann ebenfalls ein Balun 132 verwendet werden, um von der Differentiellen- auf die Singelended-Seite zu wechseln.
Durch die Anpassung der Arbeitspunkte, wie oben in Bezug auf die Verstärkerschaltung 100 mit dem einzelnen Verstärker 102 beschrieben (11), können beide Betriebsmodi optimal eingestellt werden. Für die Klasse-D kann eine erhöhte Eingangsleistung erforderlich sein, um im Sättigungsbetrieb zu arbeiten. Diese kann durch einen Vorverstärker generiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Verstärker zwischen dem Push-Pull- und dem Klasse-D Betrieb umgeschaltet werden. Ebenfalls ist es möglich, nur einen Verstärker zu nutzen um die Ausgangsleistung zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Bei Ausführungsbeispielen kann zwischen einem Push-Pull Verstärker und einem Klasse-D Verstärker umgeschaltet werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann ein einzelner Verstärker abgeschaltet werden.
Zusammenfassung
Da ein Front-End auf Basis eines Software-Defined-Radios (SDRs) die Möglichkeit bietet im laufenden Betrieb die Signalform und den Frequenzbereich zu verändern, ist es vorteilhaft die Komponenten der Sendeendstufe den Anforderungen der Signalform anzupassen.
Der Endstufenverstärker stellt hier die Komponente mit der höchsten Verlustleistung dar. Um den Wirkungsgrad des Verstärkers zu erhöhen, wird dieser auf die verwendete Signalform angepasst.
Der Scheitelfaktor ist für den Verstärker einer der wichtigen Einflussfaktoren für den Wirkungsgrad. Ist der Scheitelfaktor klein, ist es möglich, das Signal mit einem hohen Wirkungsgrad zu verstärken. Ist im Gegensatz dazu der Scheitelfaktor groß, müssen weitere Maßnahmen unternommen werden, um den Wirkungsgrad hochzuhalten.
Ausführungsbeispiele zeigen, wie Verstärker in ihrem Betriebszustand verändert werden können, um diese auf andere Signalformen anzupassen. Hierzu kann einer der im Folgenden erwähnten Punkte oder aber auch eine Kombination von zwei oder mehr der im Folgenden erwähnten Punkte genutzt werden.

1. Alle Verstärker können in Ihrem Arbeitspunkt durch Anpassung der Versorgungs- und/oder der Biasspannung verändert werden.
2. Für alle Verstärker kann das sogenannte Envelope-Tracking (dt. Hüllkurven Nachführung) angewandt werden um statisch wie auch dynamisch die Versorgungsspannung und somit die Ausgangsleistung zu regeln.
3. Adaption der Verstärkung des Vorverstärkers, um die Verstärkung der Kette konstant zu halten.
4. Umschaltung zwischen dem Doherty- und dem Balanced-Betriebsmodus.
5. Umschaltung zwischen dem Push-Pull und dem Current-Mode Klasse-D Betrieb.
6. Abschaltung eines Verstärkers, bei Verwendung mehrerer Verstärker.

Weitere Ausführungsbeispiele
15 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 160 mit einem SDR 162 und einer Verstärkerschaltung (adaptiver Verstärker) 100. Das SDR 162 kann ausgebildet sein, um das von der Verstärkerschaltung 100 zu verstärkende Eingangssignal 104 bereitzustellen. Ein Ausgang der Verstärkerschaltung 100 kann mit einer Antenne 164 verbunden sein.
Die Verstärkerschaltung 100 kann dabei ausgebildet sein, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal 104 anzupassen. Natürlich ist es auch möglich, dass die Verstärkerschaltung 100 ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal 105 anzupassen.
Das SDR 162 kann einen Wellenformrechner 170, einen Codierer 172 und einen Modulator 174 aufweisen. Der Wellenformrechner 170 kann ein Datensignal 180 bereitstellen. Der Codierer 172 kann das Datensignal 180 codieren und ein codiertes Signal 182 bereitstellen. Der Modulator 174 kann basierend auf dem codierten Signal 182 das Eingangssignal 104 für die Verstärkerschaltung 100 bereitstellen.
Das System 160 kann beispielsweise ein RF Front-End für z.B. ein Mobiltelefon, Smartphone oder Tablet, Funkmodem oder ein militärisches Funkgerät sein.
Ausführungsbeispiele ermöglichen es bei der Verwendung von SDRs den Verstärker auf die jeweilige Anwendung anzupassen, ohne die Hardware (des Verstärkers) verändern zu müssen. Hierdurch kann der Verstärker in einem optimalen Betriebspunkt arbeiteten, die erzeugte Verlustleistung reduziert werden und die Signalverzerrung gering gehalten werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Arbeitspunkt des genutzten Verstärkers in Abhängigkeit des Eingangssignals umgeschaltet werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Arbeitspunkt dynamisch an das Eingangssignal adaptiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Verstärker über eine getrennte Eingangsinformation angepasst werden.
Bei Ausführungsbeispielen die Information aus dem Eingangssignal im Frontend extrahiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Front-End über eine Funkverbindung von einem geeigneten Rechengerät aus angesteuert werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen die Verwendung von adaptiven Modulationsverfahren. Bei einer guten Verbindung kann ein hochratiges Modulationsverfahren mit hohem Scheitelfaktor verwendet werden. Bei einer schlechten Verbindung kann ein niederratiges Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve verwendet werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Umschaltung des Arbeitspunktes. Durch Anpassung des Arbeitspunktes des Leistungsverstärkers, kann die Effizienz deutlich erhöht werden. Die Leistungsaufnahme des Senders nimmt bei höherer Sendeleistung nicht bzw. kaum zu.
Ausführungsbeispiele ermöglichen die Verwendung von niedrigen Modulationsverfahren. Diese brauchen weniger SNR im Empfänger und man kann diese mit einem höheren Wirkungsgrad verstärken.
16 zeigt in einer Tabelle eine Übersicht über verschiedene HF Verstärkerkonzepte. Dabei enthält die erste Spalte Eintakt (Single-Ended) Verstärkerkonzepte, während die zweite Spalte Gegentakt (Push-Pull) Verstärkerkonzepte enthält. Ferner enthält die erste Zeile Verstärkerkonzepte, die im linearen Betrieb arbeiten, während die zweite Zeile Verstärkerkonzepte enthält, die im nichtlinearen Betrieb arbeiten.
Bei Ausführungsbeispielen kann zwischen den zwei Verstärkerkonzepten der ersten Spalte umgeschaltet werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann zwischen den zwei Verstärkerkonzepten der zweiten Spalte umgeschaltet werden, d.h. zwischen Push-Pull und Current-Mode Klasse-D (siehe auch 14)
Bei Ausführungsbeispielen kann zwischen dem Linearbetrieb und dem nichtlinearen Betrieb (Schaltbetrieb) in Abhängigkeit des Modulationsverfahrens umgeschaltet werden.
17 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Betrieb einer Verstärkerschaltung 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt 202 des dynamischen Anpassens eines Arbeitspunktes eines Verstärkers 102 der Verstärkerschaltung 100 in Abhängigkeit von einem von der Verstärkerschaltung zu verstärkenden Eingangssignals oder in Abhängigkeit von einem Steuersignal.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nichtvorübergehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

System (160), mit folgenden Merkmalen: einem Software Defined Radio (162), das ausgebildet ist, um ein Eingangssignal (104) bereitzustellen; und einer Verstärkerschaltung (100); wobei die Verstärkerschaltung einen Verstärker (102) aufweist, der ausgebildet ist, um das Eingangssignal (104) oder eine vorverstärkte Version (104') des Eingangssignals zu verstärken; wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um einen Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) dynamisch anzupassen; wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von zumindest eines aus Modulationsart, Signalform und Frequenzbereich des Eingangssignals (104) anzupassen.
System (160) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) über Verstärkerklassen hinweg zu verschieben.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt zwischen zumindest zwei der Verstärkerklassen A, B, AB, C, D, E, F und J zu verschieben.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) während des Betriebs anzupassen.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) zwischen einem linearen Arbeitsbereich des Verstärkers (102) und einem nicht-linearen Arbeitsbereich des Verstärkers (102) zu verschieben.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt durch eine Änderung zumindest eines aus Betriebsspannung, Biasspannung oder Drainstrom anzupassen.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) ferner einen Vorverstärker (106) aufweist, der ausgebildet ist, um das Eingangssignal (104) vorzuverstärken, um das vorverstärkte Eingangssignal (104') zu erhalten; wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um einen Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers (106) in Abhängigkeit des Arbeitspunkts des Verstärkers (102) anzupassen.
System (160) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers (106) so anzupassen, dass eine Gesamtverstärkung des Vorverstärkers (106) und Verstärkers (102) konstant ist oder innerhalb einer Toleranz von ±10% konstant ist.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) zwei Verstärker (102) aufweist, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um die zwei Verstärker (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) adaptiv zu verschalten.
System (160) nach Anspruch 9, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um die zwei Verstärker (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) zwischen einem Doherty-Verstärker und einem Balanced-Verstärker umzuschalten.
System (160) nach Anspruch 10, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um beim Balanced-Verstärker die Arbeitspunkte der zwei Verstärker (102) so anzupassen, dass die zwei Verstärker (102) in der gleichen Verstärkerklasse arbeiten.
System (160) nach Anspruch 11, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um die Arbeitspunkte der zwei Verstärker (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) zwischen den Verstärkerklassen A, AB, B, C, F und E zu verschieben.
System (160) nach Anspruch 10, die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um beim Doherty-Verstärker die Arbeitspunkte der zwei Verstärker (102) so anzupassen, dass die zwei Verstärker (102) in unterschiedlichen Verstärkerklasse arbeiten.
System (160) nach Anspruch 13, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um die Arbeitspunkte der zwei Verstärker (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) zwischen den Verstärkerklassen AB, B, C und F zu verschieben.
System (160) nach Anspruch 9, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um die zwei Verstärker (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) zwischen einem Push-Pull-Verstärker und einem Klasse-D Verstärker umzuschalten.
System (160) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um einen der zwei Verstärker (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) ein- oder auszuschalten.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) eine Steuereinrichtung (108) aufweist, die ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal (104) dynamisch anzupassen.
System (160) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um eine Versorgungsspannung des Verstärkers (102) in Abhängigkeit einer aktuell benötigten Ausgangsspannung nachzuführen.
System (160), mit folgenden Merkmalen: einem Software Defined Radio (162), das ausgebildet ist, um ein Eingangssignal (104) bereitzustellen; und einer Verstärkerschaltung (100); wobei die Verstärkerschaltung einen Verstärker (102) aufweist, der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal (104) oder eine vorverstärkte Version (104') des Eingangssignals (104) zu verstärken; wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um einen Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von einem von dem Software Defined Radio geliefertes Steuersignal (105) dynamisch anzupassen; wobei die Verstärkerschaltung (100) ausgebildet ist, um den Arbeitspunkt des Verstärkers (102) in Abhängigkeit von zumindest eines aus Modulationsart, Signalform und Frequenzbereich des Eingangssignals (104) anzupassen.