DE102019212632A1

DE102019212632A1 - Power amplifier

Info

Publication number: DE102019212632A1
Application number: DE102019212632.4A
Authority: DE
Inventors: Renato Negra; Eduard Heidebrecht
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker für digitale Eingangssignale (Data, b0...bn) zur Ausgabe analoger HF-Ausgangssignale, aufweisend zumindest einen ersten Verstärker (Carrier) und einen zweiten Verstärker (Peaking), wobei der erste Verstärker (Carrier) für die Bereitstellung einer geringeren Leistung als der zweite Verstärker (Peaking) ausgelegt ist, wobei der erste Verstärker (Carrier) und der zweite Verstärker (Peaking) eine Digital-Analog-Conversion auf einem Trägersignal (LO) zur Verfügung stellen, wobei das Ausgangssignal des ersten Verstärkers (lc) und das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers (IP) einem Kombinierer (Comb) zugeführt werden, wobei der Kombinierer (Comb) eine induktive Kopplung zwischen den Ausgängen des ersten Verstärkers (Carrier) und des zweiten Verstärkers (Peak) mittels einer ersten Induktivität (Lc) und einer zweiten Induktivität (LP) aufweist, wobei die induktive Kopplung durch im Wesentlichen jeweils eine oder mehrere planare Windungen in bzw. auf einem Träger bereitgestellt werden, wobei mit Hilfe des zweiten Verstärkers (Peaking) und des Kombinierer (Comb) eine Lastmodulation bereitgestellt wird.The invention relates to a power amplifier for digital input signals (data, b0 ... bn) for outputting analog RF output signals, having at least a first amplifier (carrier) and a second amplifier (peaking), the first amplifier (carrier) for the provision a lower power than the second amplifier (peaking), the first amplifier (carrier) and the second amplifier (peaking) providing a digital-to-analog conversion on a carrier signal (LO), the output signal of the first amplifier ( lc) and the output signal of the second amplifier (IP) are fed to a combiner (Comb), the combiner (Comb) establishing an inductive coupling between the outputs of the first amplifier (carrier) and the second amplifier (peak) by means of a first inductance (Lc ) and a second inductance (LP), wherein the inductive coupling by essentially in each case one or more planar turns in or are provided on a carrier, load modulation being provided with the aid of the second amplifier (peaking) and the combiner (comb).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsverstärker.The invention relates to a power amplifier.

Hintergrundbackground

Die Bereitstellung digital modulierter Hochfrequenzsignale zur Abgabe an eine oder mehrere Antennen wird heute zweistufig realisiert. Dabei werden digitale Signale zunächst in einer ersten Stufe in leistungsschwache Hochfrequenzsignale gewandelt und anschließend mit Leistungsverstärkern auf den gewünschten Signalpegel angehoben. Die so verarbeiten Signale werden dann an eine oder mehrere Antennen abgegeben.The provision of digitally modulated high-frequency signals for delivery to one or more antennas is now implemented in two stages. In the first stage, digital signals are converted into low-power high-frequency signals and then raised to the desired signal level using power amplifiers. The signals processed in this way are then sent to one or more antennas.

Diese Zweistufigkeit ist der Situation geschuldet, dass die verwendete CMOs-Technologie in der ersten Stufe nur eine geringe Spannungsfestigkeit aufweist. Dies hat nämlich zur Folge, dass nur eine geringe Ausgangsleistung zur Verfügung steht.This two-stage structure is due to the situation that the CMOs technology used has only a low dielectric strength in the first stage. The consequence of this is that only a low output power is available.

Aufgrund der Eigenschaften der digitalen Signale ergeben sich jedoch enorme Anforderungen an die Leistungsverstärkung, da diese möglichst linear sein sollte. Zugleich sind aber auch Anforderungen an Effizienz, sowohl im Sinne von Energieverbrauch als auch im Sinne geringer Verlustleistung, als auch Verstärkungsgrad zu erfüllen. Diese Anforderungen können basierend auf CMOS-Technologien nur schwer oder gar nicht erfüllt werden. Daher wird in aller Regel im Bereich der Leistungsverstärkung auf andere Technologien zurückgegriffen, die jedoch häufig teuer sind.Due to the properties of the digital signals, however, there are enormous demands on the power amplification, since it should be as linear as possible. At the same time, however, there are also requirements for efficiency, both in terms of energy consumption and in terms of low power loss, as well as the degree of gain. These requirements can only be met with difficulty or not at all based on CMOS technologies. For this reason, other technologies are generally used in the area of power amplification, but these are often expensive.

Es sind zwar hochfrequenztaugliche Digital-Analog-Converter im Leistungsbereich (englisch abgekürzt RF Power DAC) bekannt, jedoch erreichen die bisher bekannten Vorrichtungen nicht die benötigten Ausgangsleistungen von 24 dbm, 30 dBm oder mehr. Weiterhin ist auch festzustellen, dass die bisher bekannten Vorrichtungen nur eine geringe Leistungseffizienz bei aktuellen digitalen Modulationsverfahren aufweisen, da insbesondere bei geringen Amplituden die Effizienz stark abnimmt. Bei manchen digitalen Modulationsverfahren variiert die Momentanleistung des Signals sehr stark und kann zum Teil das zehnfache der Mittenleistung erreichen.Although digital-to-analog converters suitable for high frequencies are known in the power range (RF Power DAC for short), the previously known devices do not achieve the required output powers of 24 dBm, 30 dBm or more. Furthermore, it should also be noted that the previously known devices only have a low power efficiency in current digital modulation methods, since the efficiency decreases sharply in particular at low amplitudes. With some digital modulation methods, the instantaneous power of the signal varies greatly and can sometimes reach ten times the mean power.

Aufgabetask

Ausgehend hiervon ist eine Aufgabe der Erfindung eine Verbesserung in Bezug auf die Energieeffizienz und damit eine erhöhte (notwendige maximale) Ausgangsleistung bereitzustellen. Dabei soll die Lösung einfach, kostengünstig und langzeitstabil ausgestaltet sein.Based on this, an object of the invention is to provide an improvement in terms of energy efficiency and thus an increased (necessary maximum) output power. The solution should be simple, inexpensive and stable over the long term.

Kurzdarstellung der ErfindungSummary of the invention

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Leistungsverstärker gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Figuren und der Beschreibung.The object is achieved by a power amplifier according to claim 1. Further advantageous configurations are in particular the subject of the dependent claims, the figures and the description.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:

1 schematisch einer RF-DAC Array mit n Einzelzellen,
2a eine schematische Ausgangskennlinie eines RF-DAC Array gemäß 1,
2b die Ausgangslast des Carriers über den Peaking-Strom,
3 schematisch einen RF-DAC mit einem spannungsadditiven Kombinierer gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
4 schematisch einen RF-DAC mit einem Doherty-Kombinierer gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
5 schematisch einen Ansatz mit differentieller Spannung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
6 schematisch einen Ansatz mit gleich-getakteter Spannung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
7 schematische einen RF-DAC mit einem Doherty-Kombinierer gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
8 den Aspekt eines spannungsadditiven Kombinierers mit integrierter Choke-Induktivität gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
9 die schematische Teilanordnung der Choke Induktivität des Peaking-Verstärkers gemäß
8,
10 die schematische Teilanordnung der Carrier-Leitung des spannungsadditiven Kombinierers gemäß 8,
11 die schematische Teilanordnung der Peaking-Leitung des spannungsadditiven Kombinierers gemäß 8, und
12 ein schematisches Schaltbild eines Doherty Leistungsverstärkers mit additiver Spannung gestützter, stetiger Lastmodulation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

The invention is explained in more detail below with reference to the figures. In this shows:

1 schematic of an RF-DAC array with n single cells,
2a a schematic output characteristic of an RF-DAC array according to 1 ,
2 B the output load of the carrier via the peaking current,
3 schematically an RF-DAC with a voltage additive combiner according to embodiments of the invention,
4th schematically an RF-DAC with a Doherty combiner according to embodiments of the invention,
5 schematically an approach with differential voltage according to embodiments of the invention,
6th schematically an approach with the same-clocked voltage according to embodiments of the invention,
7th schematic of an RF-DAC with a Doherty combiner according to embodiments of the invention,
8th the aspect of a voltage additive combiner with integrated choke inductance according to embodiments of the invention,
9 the schematic partial arrangement of the choke inductance of the peaking amplifier according to
8th ,
10 the schematic partial arrangement of the carrier line of the voltage additive combiner according to 8th ,
11 the schematic partial arrangement of the peaking line of the voltage additive combiner according to FIG 8th , and
12 a schematic circuit diagram of a Doherty power amplifier with additive voltage supported, continuous load modulation according to an embodiment of the invention.

Ausführliche Darstellung der ErfindungDetailed description of the invention

Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt.The invention is illustrated in more detail below with reference to the figures.

Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.It should be noted that different aspects are described that can be used individually or in combination. That is, any aspect can be used with different embodiments of the invention, unless explicitly shown as a pure alternative.

Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.Furthermore, for the sake of simplicity, reference will generally only be made to one entity in the following. Unless explicitly stated, the invention can also have several of the entities concerned. In this respect, the use of the words “a”, “an” and “an” is only to be understood as an indication that at least one entity is used in a simple embodiment.

Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.As far as methods are described below, the individual steps of a method can be arranged and / or combined in any order, unless the context explicitly results in something different. Furthermore, the processes can be combined with one another - unless expressly indicated otherwise.

Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.Figures with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% up to +/- 10%.

Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.References to standards or specifications or norms are to be understood as referring to standards or specifications or norms that apply at the time of application and / or - if a priority is claimed - at the time of priority application. However, this is not to be understood as a general exclusion of applicability to the following or replacement standards or specifications or norms.

In ist schematisch der Aufbau einer RF-DAC Array mit n Einzelzellen gemäß Stand der Technik zu sehen. Der Einfachheit halber wird auf die Darstellung differenzieller Stufen und dem Quadraturaufbau verzichtet. Jedes Array besitzt mehrere Einzelzellen, bestehend aus einem AND Gatter, einer Kette von Buffer-Stufen (Invertern) und einem Leistungs-Transistor am Ende. Die Ausgänge der jeweiligen Transistoren werden zum Ausgang hin zusammengeführt.In the structure of an RF-DAC array with n individual cells according to the prior art can be seen schematically. For the sake of simplicity, differential levels and the quadrature structure are not shown. Each array has several individual cells, consisting of an AND gate, a chain of buffer stages (inverters) and a power transistor at the end. The outputs of the respective transistors are brought together to the output.

Dabei wird ein zu übertragendes digitales Datensignal Data auf die entsprechende Anzahl der Einzelzellen abgebildet und am AND Gatter der jeweiligen Zelle mit dem Signal LO eines lokalen Oszillators auf die Trägerfrequenz hochgemischt.A digital data signal Data to be transmitted is mapped onto the corresponding number of individual cells and mixed up to the carrier frequency at the AND gate of the respective cell with the LO signal from a local oscillator.

Gewöhnlich besteht der Ausgang aus einer geringen Last R_L um, zum einen, die Ausgangsleistung des Arrays linear entsprechend der eingeschalteten Zellen zu steuern und, zum anderen, eine möglichst hohe Ausgangsleistung zu generieren.The output usually consists of a low load R _{L in} order, on the one hand, to control the output power of the array linearly according to the cells that are switched on and, on the other hand, to generate the highest possible output power.

Dieses Vorgehen ist jedoch höchst ineffizient. Dies kann anhand der Ausgangskennlinie in 2a besser verdeutlich werden. In 2b ist der Transistorstrom I_DS des RF-DAC Arrays über die Drain-Source Spannung V gezeigt. Mit steigender Anzahl eingeschalteter Transistoren steigt auch der Transistorstrom.However, this approach is highly inefficient. This can be done using the output characteristic in 2a be made clearer. In 2 B the transistor _{current I DS of} the RF-DAC array over the drain-source voltage V is shown. As the number of transistors switched on increases, so does the transistor current.

Zudem sind Lastkennlinien für unterschiedliche Ausganslasten eingezeichnet. Die Lastkennlinien zeigen den Strom/Spannungsverlauf am Transistorarray für Wechselströme an. Die höchsten Effizienzen können erreicht werden, wenn die Drain-Source Spannung V_DS so gering wie möglich ist. Die untere Grenze wird hier durch die Knee-Voltage V_knee festgelegt, welche eine physikalisch bedingte Eigenschaft vom Transistor ist. Um für gewöhnlich eine lineare Ausgangsleistung abbilden zu können, wird die Last gering gewählt, hier abgebildet durch R_lin.In addition, load characteristics are shown for different output loads. The load characteristics show the current / voltage curve on the transistor array for alternating currents. The highest efficiencies can be achieved if the drain-source voltage V _{DS is} as low as possible. The lower limit is determined here by the knee voltage V _knee , which is a physically determined property of the transistor. In order to usually be able to map a linear output power, the load is selected to be low, represented here by R _lin .

Die Ausgangsleistung kann so einfach durch die Anzahl der eingeschalteten Transistoren und somit durch den gelieferten Strom I_DS definiert werden.The output power can easily be defined by the number of switched on transistors and thus by the supplied current I _DS .

Jedoch kommen die Transistoren somit für geringe Ausgangsleistungen nicht in Spannungssättigung und arbeiten somit nicht effizient.However, the transistors do not come into voltage saturation for low output powers and thus do not work efficiently.

Um für eine geringere Ausgangsleistung höhere Effizienz zu erreichen, müsste die Ausgangslast erhöht werden. Für n=2 eingeschaltete Zellen, müsste die Ausgangslast R_opt,n=2 entsprechen (dargestellt als gepunktete Lastkennlinie) und für n=5 eingeschaltete Zellen müsste die Ausgangslast R_opt,n=5 entsprechen (dargestellt als gestrichelte Lastkennlinie). Um die Ausgangsleistung linear nachführen zu können, müsste somit die jeweils optimale Ausgangslast nachgeführt werden.In order to achieve higher efficiency for a lower output power, the output load would have to be increased. For n = 2 switched on cells, the output _{load would have to correspond to R opt, n = 2} (shown as a dotted load characteristic) and for n = 5 switched on cells the output load would have to _{correspond to R opt, n = 5} (shown as a dashed load characteristic). In order to be able to track the output power linearly, the optimal output load in each case would have to be tracked.

Hierzu wird im Rahmen der Erfindung nunmehr eine Lastmodulation vorgeschlagen. Dabei kommen zwei Verstärker parallel zum Einsatz, ein Carrier-Verstärker (Carrier - in Bezugszeichen auch tiefgestelltes C) und ein Peaking-Verstärker (Peaking - in Bezugszeichen auch tiefgestelltes P).For this purpose, a load modulation is now proposed within the scope of the invention. Two amplifiers are used in parallel, a carrier amplifier (carrier - also subscripted C in reference symbols) and a peaking amplifier (peaking - also subscripted P in reference symbols).

Für geringe Ausgangsleistungen reicht es aus, wenn im Wesentlichen nur der Carrier-Verstärker in eine für geringe Leistungen optimierte Ausgangslast arbeitet, sodass der Carrier-Verstärker effizient arbeitet.For low output powers it is sufficient if essentially only the carrier amplifier works in an output load optimized for low powers, so that the carrier amplifier works efficiently.

Für höhere Ausgangsleistungen wird zusätzlich der Peaking-Verstärker eingesetzt, der die für den Carrier-Verstärker gesehene Ausgangslast reduziert, sodass der Carrier-Verstärker die Leistung linear nachführen kann. Dies kann durch leistungskombinierende Schaltung erreicht werden.For higher output powers, the peaking amplifier is also used, which reduces the output load seen for the carrier amplifier so that the carrier amplifier can track the power linearly. This can be achieved by power combining circuitry.

Der Verlauf der Ausgangslast Z_C für den Carrier-Verstärker über den Peaking-Strom I_P ist in 2b gezeigt. The profile of the output load Z _C for the carrier amplifier via the peaking current I _P is shown in FIG 2 B shown.

D.h. mit Hilfe des zweiten Verstärkers Peaking wird eine Lastmodulation durchgeführt, die mithilfe des Kombinierers Comb erzielt wird.This means that with the help of the second amplifier peaking, load modulation is carried out, which is achieved with the aid of the combiner Comb.

Dieses Konzept wird in der Erfindung - wie folgend in Zusammenhang mit insbesondere 3, 4 und 7 beschrieben - umgesetzt.This concept is used in the invention - as follows in connection with in particular 3 , 4th and 7th described - implemented.

In 3, 4 und 7 wird das digitale Eingangssignal Data bestehend aus dem Datenwert b₀..b_N in eine Look-Up-Table LUT geführt, welche dafür sorgt, dass die passende Anzahl der Carrier- und Peaking-Zellen, entsprechend dem Datenwert und somit der Ausgangsleistung, angesprochen werden. Alternativ zu eine Look-Up-Tabelle kann im Prinzip an gleicher schematischer Stelle auch ein Thermometer-Coder verwendet werden, d.h. ein Coder, bei dem das digitale Symbolwert mit steigendem Eingangswert einen Wechsel einer Binärstelle in aufsteigender Folge aufweist.In 3 , 4th and 7th the digital input signal Data consisting of the data value b ₀ ..b _{N is} fed into a look-up table LUT, which ensures that the appropriate number of carrier and peaking cells is addressed according to the data value and thus the output power become. As an alternative to a look-up table, a thermometer coder can in principle also be used at the same schematic location, ie a coder in which the digital symbol value changes a binary digit in ascending order with increasing input value.

Die Look-Up-Table LUT kann hart verdrahtet sein oder durch eine programmierbare Einheit realisiert werden.The look-up table LUT can be hard-wired or implemented by a programmable unit.

Die Ausgangsströme der jeweiligen RF-DACs werden in einem last-modulierendem Leistungs-Kombinierer Comb zusammengeführt, welcher die Gesamtleistung an die Last R_L überträgt. In den 3, 4 und 7 sind Elemente dieses Leistungs- Kombinierers Comb schematisch durch eine gestrichelte Ellipse hervorgehoben. Es sei an dieser Stelle bereits angemerkt, dass die Erfindung nicht auf eine bestimme Art des lastmodulierenden Leistungs-Kombinierers beschränkt ist.The output currents of the respective RF-DACs are combined in a load-modulating power combiner Comb, which transmits _{the total power to the load R L.} In the 3 , 4th and 7th Elements of this power combiner Comb are highlighted schematically by a dashed ellipse. It should already be noted at this point that the invention is not limited to a specific type of load-modulating power combiner.

Für geringe Ausgangsleistungen muss nur der Carrier-Verstärker digital angesteuert werden, während für hohe Ausgangsleistungen der Carrier-Verstärker und der Peaking-Verstärker digital angesteuert werden.For low output powers only the carrier amplifier needs to be controlled digitally, while for high output powers the carrier amplifier and the peaking amplifier are controlled digitally.

12 zeigt exemplarisch einen schematischen Aufbau eines Doherty Leistungsverstärkers mit additiver Spannung gestützten, stetiger Lastmodulation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist der Aufbau für den RF Power DAC gleichwertig. 12 shows an example of a schematic structure of a Doherty power amplifier with additive voltage-supported, continuous load modulation according to an embodiment of the invention. The structure for the RF Power DAC is equivalent here.

Der Carrier-Verstärker wird über einen Transformer T an die Versorgungsspannung V_DD angeschlossen. Zudem sorgt der Transformer T dafür, dass die parasitäre Ausgangskapazität C_par des Carrier-Verstärkers in Resonanz gebracht wird.The carrier amplifier is connected to the supply voltage V _{DD via a transformer T.} In addition, the transformer T ensures that the parasitic output capacitance C _{par of} the carrier amplifier is brought into resonance.

Für einen zuverlässigen Betrieb unterhalb des Backoffs, bei dem der Peaking-Verstärker keinen Beitrag zur Ausgangsleistung erbringt, soll die Impedanz Z_inP in den Peaking Verstärker hoch sein. Durch eine hohe Impedanz Z_inP in den Peaking kann verhindert werden, dass ein nicht-vernachlässigbarer Strom I_P unterhalb des Backoffs fließen kann und somit der spannungsadditive Koppler, gebildet durch L_C und L_P, keinen Einfluss auf den Carrier Verstärker hat.For reliable operation below the backoff, in which the peaking amplifier makes no contribution to the output power, the impedance Z _inP in the peaking amplifier should be high. A high impedance Z _inP in the peaking can prevent a non-negligible current I _P from flowing below the backoff and thus the voltage-additive coupler, formed by L _C and L _P , has no influence on the carrier amplifier.

Um dies zu erreichen wird die parasitäre Ausgangskapazität Cpar am Ausgang des Peaking Verstärkers durch Resonanz mithilfe einer Choke-Induktivität L_ch weitestgehend kompensiert. Diese Maßnahme kann auch zur Zuführung der Spannungsversorgung V_DD genutzt werden. Des Weiteren kann die Resonanz am Ausgang des Peaking Verstärkers dafür sorgen, dass die Phase des Stroms I_P stabil bleibt. Dies kann für den Betrieb zwischen Backoff und Spitzenleistung ein wichtiges Kriterium sein.To achieve this, the parasitic output capacitance Cpar at the output of the peaking amplifier is largely compensated for _{by resonance with the aid of a choke inductance L ch.} This measure can also be used to supply the voltage supply V _DD . Furthermore, the resonance at the output of the peaking amplifier can ensure that the phase of the current I _P remains stable. This can be an important criterion for operation between backoff and peak performance.

Die zusätzliche Choke-Induktivität L_ch stellt designtechnisch in der Chipintegration eine Herausforderung dar, da sie zusätzliche Fläche verbraucht und möglichst weit weg von den anderen Transformatoren und Kopplern entfernt sein sollte, um mögliche Rückkopplungen zu vermeiden.In terms of design, the additional choke inductance L _ch represents a challenge in chip integration, as it takes up additional space and should be as far away as possible from the other transformers and couplers in order to avoid possible feedback.

Insbesondere bei höheren Spitzenleistungen wird der Platzbedarf der Transistoren so hoch, dass für eine zusätzliche Choke-Induktivität L_ch kein oder kaum Platz bleiben würde.Particularly at higher peak powers, the space requirement of the transistors becomes so high that little or no space would be left _{for an additional choke inductance L ch.}

Um diesen Randbedingungen auch genügen zu können wird im Rahmen der Erfindung eine Anordnung vorgestellt, bei der die zusätzliche Choke-Induktivität L_ch quasi in den Kombinierer Comb integriert werden kann.In order to also be able to satisfy these boundary conditions, an arrangement is presented in the context of the invention in which the additional choke inductance L _ch can be integrated into the combiner Comb.

Diese Anordnung ist in 8 bzw. im Detail in den 9 bis 11 gezeigt. Der spannungsadditive Kombinierer Comb wird in zwei Teile aufgeteilt, wobei sich die Leitungen für den Carrier-Verstärker (durchgezogene Linie) einmal (etwa) in der Mitte überkreuzen. Für den Peaking-Verstärker werden die Leitungen (gestrichelte Linie) nun so verbunden, dass die Ströme I_P für den Peaking-Verstärker und die Ströme Ic für den Carrier-Verstärker im Zentrum (um den Überkreuzungspunkt) jeweils in dieselbe Richtung laufen. D.h. in der Darstellung der 8 und 10 fließen die Ströme Ic für den Carrier-Verstärker nach unten, während in der Darstellung der 8 und 12 die Ströme I_P für den Peaking-Verstärker nach oben fließen.This arrangement is in 8th or in detail in the 9 to 11 shown. The voltage additive combiner Comb is divided into two parts, with the lines for the carrier amplifier (solid line) crossing once (approximately) in the middle. For the peaking amplifier, the lines (dashed line) are now connected in such a way that the currents I _P for the peaking amplifier and the currents Ic for the carrier amplifier in the center (around the crossover point) each run in the same direction. Ie in the representation of the 8th and 10 the currents Ic for the carrier amplifier flow downwards, while in the illustration of the 8th and 12 the currents I _P flow upwards for the peaking amplifier.

Der Strom durch die Choke-Induktivität L_ch (punktierte Linie) hingegen kreist um das Zentrum (um den Überkreuzungspunkt) herum. D.h. die Choke-Induktivität L_Ch wird dem Kombinierer Comb überlagert.The current through the choke inductance L _ch (dotted line), on the other hand, circles around the center (around the crossover point). Ie the choke inductance L _Ch is superimposed on the combiner Comb.

Durch diese Anordnung bedingt löschen sich die jeweiligen induzierten Spannungen auf den Leitungen der Choke-Induktivität L_Ch zum Kombinierer und umgekehrt jeweils aus.As a result of this arrangement, the respective induced voltages on the lines of the choke inductance L _Ch to the combiner and vice versa cancel each other out.

Somit sind die Choke-Induktivität L_Ch und der Kombinierer Comb voneinander entkoppelt, obwohl sie aufeinander liegen.The choke inductance L _Ch and the combiner Comb are thus decoupled from one another, although they are on top of one another.

Des Weiteren wird durch die Kreuzung der Carrier-Leitung im Zentrum (10) und durch die Stromverläufe für den Carrier-Verstärker und Peaking-Verstärker jeweils in gleicher Richtung im Zentrum die Kopplung der Carrier und Peaking Leitungen zueinander erhöht. Dies wiederum führt zu einer Senkung der Verluste und einer Erhöhung der Bandbreite.Furthermore, the intersection of the carrier line in the center ( 10 ) and due to the current curves for the carrier amplifier and peaking amplifier in the same direction in the center, the coupling of the carrier and peaking lines to one another is increased. This in turn leads to a reduction in losses and an increase in bandwidth.

D.h. mittels der vorgestellten Anordnung ist es möglich den Flächenbedarf zu verkleinern, sodass auf gleicher Fläche größere und damit leistungsstärkere Transistoren bereitgestellt werden können. Zugleich wird die Kopplung von Carrier-Verstärker und Peaking-Verstärker verbessert.That is, by means of the arrangement presented, it is possible to reduce the area required so that larger and therefore more powerful transistors can be provided on the same area. At the same time, the coupling of the carrier amplifier and the peaking amplifier is improved.

D.h. in der Erfindung wird ein Leistungsverstärker für digitale Eingangssignale Data - dargestellt auch als b0...bn - zur Ausgabe analoger HF-Ausgangssignale bereitgestellt.In other words, the invention provides a power amplifier for digital input signals Data - also shown as b0 ... bn - for outputting analog RF output signals.

Der Leistungsverstärker weist zumindest einen ersten Verstärker Carrier und einen zweiten Verstärker Peaking auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung ist hiermit keine Beschränkung auf einen einzigen zweiten Verstärker Peaking gemeint, sondern die Erfindung ermöglicht in gleicher Weise auch mehr als eine zweiten Verstärker Peaking, z.B. zwei „zweite Verstärker“ mit unterschiedlicher Leistung bereitzustellen. Durch die Wahl der Leistung der Verstärker kann der Back-off geeignet eingestellt sein.The power amplifier has at least a first amplifier carrier and a second amplifier peaking. Without limiting the generality of the invention, this does not mean a restriction to a single second amplifier peaking, but the invention also enables more than one second amplifier peaking in the same way, e.g. to provide two "second amplifiers" with different power. The back-off can be set appropriately by choosing the power of the amplifiers.

Der erste Verstärker Carrier ist in aller Regel für die Bereitstellung einer geringeren Leistung als der zweite Verstärker Peaking ausgelegt.The first amplifier carrier is usually designed to provide a lower power than the second amplifier peaking.

Der erste Verstärker Carrier und der zweite Verstärker Peaking stellen jeweils eine Digital-Analog-Conversion auf einem Trägersignal, einem Lokaloszillator LO, zur Verfügung.The first amplifier carrier and the second amplifier peaking each provide a digital-to-analog conversion on a carrier signal, a local oscillator LO.

Das (analoge) Ausgangssignal des ersten Verstärkers I_C und das - soweit vorhandene - (analoge) das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers I_P werden einem Kombinierer Comb zugeführt, wobei der Kombinierer Comb eine induktive Kopplung zwischen den Ausgängen des ersten Verstärkers Carrier und des zweiten Verstärkers Peak mittels einer ersten Induktivität L_C und einer zweiten Induktivität L_P aufweist, wobei die induktive Kopplung durch im Wesentlichen jeweils eine oder mehrere planare Windungen in bzw. auf einem Träger bereitgestellt werden, wobei mit Hilfe des zweiten Verstärkers Peaking und des Kombinierer Comb eine Lastmodulation bereitgestellt wird.The (analog) output signal of the first amplifier I _C and the - if present - (analog) output signal of the second amplifier I _P are fed to a combiner Comb, the combiner Comb being an inductive coupling between the outputs of the first amplifier carrier and the second amplifier Peak by means of a first inductance L _C and a second inductance L _P , the inductive coupling being provided by essentially one or more planar windings in or on a carrier, with the help of the second amplifier peaking and the combiner Comb a load modulation provided.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden mittels einer Look-Up-Tabelle LUT nur dem ersten Verstärker Carrier oder alternativ hierzu dem ersten Verstärker Carrier und dem zweiten Verstärker Peaking zugeführt. D.h. abhängig vom digitalen Eingangssignal kann die Ansteuerungslogik bzw. der Ansteuerungslogikanteil für den zweiten Verstärker Peaking stromlos bleiben. Hierdurch kann Energie gespart werden. Alternativ zu eine Look-Up-Tabelle kann im Prinzip an gleicher schematischer Stelle auch ein Thermometer-Coder verwendet werden, d.h. ein Coder, bei dem das digitale Symbolwert mit steigendem Eingangswert einen Wechsel einer Binärstelle in aufsteigender Folge aufweist.In one embodiment of the invention, by means of a look-up table LUT, carriers are only fed to the first amplifier or alternatively to the first amplifier carrier and peaking is fed to the second amplifier. That means, depending on the digital input signal, the control logic or the control logic component for the second amplifier peaking can remain currentless. This can save energy. As an alternative to a look-up table, a thermometer coder can in principle also be used at the same schematic location, i.e. a coder in which the digital symbol value changes one binary digit in ascending order with increasing input value.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Induktivität Lc dem ersten Verstärker Carrier und die zweite Induktivität L_P dem zweiten Verstärker Peaking zugeordnet, wie in 6 gezeigt. Die erste Induktivität Lc weist - wie zuvor beschrieben - zwei gekreuzte Leitungsäste auf, nämlich den Leitungsast von V_c+ → V_L- und den Leitungsast V_C- → V_L+. Die Last R_L ist ebenfalls an den Vc- und der erste Verstärker Carrier ist nur an Vc+ angeschlossen. Hier wird dann V_L+ nach V_L- kurzgeschlossen.In a further embodiment of the invention, the first inductance Lc is assigned to the first amplifier carrier and the second inductance L _{P is} assigned to the second amplifier Peaking, as in FIG 6th shown. As previously described, the first inductance Lc has two crossed line branches, namely the line branch from V _{c +} → V _L- and the line branch V _C- → V _{L +} . The load R _L is also connected to the Vc- and the first amplifier carrier is only connected to Vc +. Here then V _{L + is} short-circuited to V _L-.

Die zweite Induktivität V_P wird aus zumindest zwei nebeneinanderliegenden Leiterschleifen gebildet, wobei die nebeneinanderliegenden Leiterschleifen in unterschiedlicher Drehrichtung vom Ausgangssignal des zweiten Verstärkers Peaking durchlaufen werden können, wobei die erste Induktivität L_C im Wesentlichen die zweite Induktivität L_P überlappt.The second inductance V _P is formed from at least two adjacent conductor loops, wherein the adjacent conductor loops can be peaked through in different directions of rotation by the output signal of the second amplifier, the first inductance L _C essentially overlapping the second inductance L _P.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Verstärker Peaking - wie in 12 exemplarisch für alle Ausführungsformen gezeigt - eine Choke-Induktivität L_Ch auf, welche zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers Peaking und dem spannungsadditiven Kombinierer Comb angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, the second amplifier has peaking - as in FIG 12 Shown as an example for all embodiments - a choke inductance L _Ch , which is arranged between the output of the second amplifier Peaking and the voltage-additive combiner Comb.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Verstärker Peaking eine Choke-Induktivität L_Ch auf, welche zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers Peaking und dem spannungsadditiven Kombinierer Comb angeordnet ist, wobei die erste Induktivität L_C dem ersten Verstärker Carrier und die zweite Induktivität L_P dem zweiten Verstärker Peaking zugeordnet ist. Wiederum weist die erste Induktivität zwei gekreuzte Leitungsäste auf, und wobei die zweite Induktivität L_P aus zwei nebeneinanderliegenden Leiterschleifen gebildet wird, wobei die nebeneinanderliegenden Leiterschleifen in unterschiedlicher Drehrichtung vom Ausgangssignal des zweiten Verstärker Peaking durchlaufen werden können. Die erste Induktivität L_C überlappt im Wesentlichen die zweite Induktivität L_P, d.h. die Spulenebenen sind im Wesentlichen parallel zueinander und die Spulenzentren liegen wechselseitig im Inneren der anderen Induktivität. Die Choke-Induktivität L_Ch ist im Bereich der Überkreuzung der ersten Induktivität angeordnet, sodass die Choke-Induktivität L_Ch im Wesentlichen entkoppelt von der ersten Induktivität Lc und der zweiten Induktivität L_P ist.According to yet another embodiment of the invention, the second amplifier peaking has a choke inductance L _Ch , which is arranged between the output of the second amplifier peaking and the voltage-additive combiner Comb, the first inductance L _{C being} the first amplifier carrier and the second inductance L _{P is} assigned to the second amplifier peaking. Again, the first inductance has two crossed line branches, and the second inductance L _{P is formed} from two adjacent conductor loops, wherein the adjacent conductor loops can be traversed in different directions of rotation by the output signal of the second amplifier peaking. The first inductance L _C essentially overlaps the second inductance L _P , ie the coil planes are essentially parallel to one another and the coil centers lie alternately in the interior of the other inductance. The choke inductance L _Ch is arranged in the area of the crossover of the first inductance, so that the choke inductance L _Ch is essentially decoupled from the first inductance Lc and the second inductance L _P.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungsverstärker integriert aufgebaut.According to a further embodiment of the invention, the power amplifier is built in an integrated manner.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kombinierer Comb ein spannungsadditiver Kombinierer, wie in 3 und 8 gezeigt oder aber der Kombinierer Comb ist ein Doherty Kombinierer, wie in 4 und 7 gezeigt. Der Doherty Combiner Comb kann insbesondere mittels konzentrierter Bauelemente zur Verfügung gestellt werden.According to yet another embodiment of the invention, the combiner Comb is a stress-additive combiner, as in FIG 3 and 8th or the combiner Comb is a Doherty combiner as in FIG 4th and 7th shown. The Doherty Combiner Comb can in particular be made available by means of concentrated components.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ausgangsseitig am zweiten Verstärker Peaking eine Choke-Induktivität L_Ch zur resonanten Kompensation einer parasitären Ausgangskapazität Cpar des zweiten Verstärker vorgesehen, sodass der Eingangswiderstand Z_P des Ausganges des zweiten Verstärkers Peaking im Falle, dass der zweite Verstärker Peaking keinen Beitrag zur Verfügung stellt, hoch ist.According to a further embodiment of the invention, a choke inductance L _Ch is provided on the output side of the second amplifier peaking for resonant compensation of a parasitic output capacitance Cpar of the second amplifier, so that the input resistance Z _{P of} the output of the second amplifier peaking in the event that the second amplifier does not peak Contribution provides is high.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird über die ausgangsseitig am zweiten Verstärker Peaking vorgesehene Choke-Induktivität L_Ch Versorgungsspannung V_DD bereitgestellt.In a further embodiment of the invention, supply voltage V _{DD is} provided _{via the choke inductance L Ch} provided on the output side of the second amplifier peaking.

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ausgangsseitig am ersten Verstärker Carrier ein Transformator T mit seiner Eingangsseite angeordnet, wobei auf der Ausgangsseite des Transformators eine Kapazität Cc angeordnet ist.In yet another embodiment of the invention, a transformer T is arranged with its input side on the output side of the first amplifier carrier, a capacitance Cc being arranged on the output side of the transformer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bringt die auf der Ausgangsseite des Transformators T angeordnete Kapazität Cc die parasitäre Ausgangskapazität Cpar des ersten Verstärkers Carrier in Resonanz.According to a further embodiment of the invention, the capacitance Cc arranged on the output side of the transformer T brings the parasitic output capacitance Cpar of the first amplifier carrier into resonance.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die auf der Ausgangsseite des Transformators T angeordnete Kapazität Cc in einer differentiellen Anordnung, wie in 5 gezeigt, bereitgestellt.According to yet another embodiment of the invention, the capacitance Cc arranged on the output side of the transformer T is in a differential arrangement as in FIG 5 shown provided.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die auf der Ausgangsseite des Transformators T angeordnete Kapazität Cc in einer Anordnung mit gemeinsamer Versorgung bereitgestellt.In a further embodiment of the invention, the capacitance Cc arranged on the output side of the transformer T is provided in an arrangement with a common supply.

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungsverstärker in (integrierter) CMOS-Technik bereitgestellt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung können auch andere Integrierten Technologien (alternativ) eingesetzt werden, z.B. BiCMOS, GaN, GaAs, InP oder allgemeiner III-V dotierte Halbleitermaterialien bzw. II-IVdatierte Halbleitermaterialen.In yet another embodiment of the invention, the power amplifier is provided in (integrated) CMOS technology. Without limiting the generality of the invention, other integrated technologies can (alternatively) be used, e.g. BiCMOS, GaN, GaAs, InP or more generally III-V doped semiconductor materials or II-IV dated semiconductor materials.

Mit den erfindungsgemäßen Leistungsverstärkern wird eine additive spannungsgestützte Lastmodulation bereitgestellt, die ist es ermöglicht die Effizienz, die Linearität sowie die Ausgangsspannung (und somit die Ausgangsleistung) zu erhöhen. Die kontinuierliche Lastmodulation ermöglicht es die leistungsgenerierenden Transistoren über eine erhöhte Leistungsspanne maximal effizient zu betreiben. Hiermit wird es möglich. einen Power DAC zu entwickeln, der als standalone Lösung für digitale Hochfrequenztransmitter zum Einsatz kommen kann und somit besonders kosteneffizient ist. Zudem könnte aufgrund der erhöhten Effizienz des Transmitters der allgemeine Energieverbrauch von drahtlos kommunizierenden Geräten verringert werden.With the power amplifiers according to the invention, an additive voltage-based load modulation is provided which enables the efficiency, the linearity and the output voltage (and thus the output power) to be increased. The continuous load modulation enables the power-generating transistors to operate with maximum efficiency over an increased power range. This makes it possible. To develop a Power DAC that can be used as a standalone solution for digital high-frequency transmitters and is therefore particularly cost-efficient. In addition, due to the increased efficiency of the transmitter, the general energy consumption of wirelessly communicating devices could be reduced.

D.h., die Erfindung ermöglicht es insbesondere einen digitalen Leistungsverstärker in der Ausformung eines Digital-Analog-Converter im Leistungsbereich (englisch abgekürzt RF Power DAC) breitzustellen, der es ermöglicht Ausgangsleistungen von 24 dbm, 30 dBm oder mehr zur Verfügung zu stellen.That is, the invention makes it possible in particular to provide a digital power amplifier in the form of a digital-to-analog converter in the power range (RF Power DAC for short), which makes it possible to provide output powers of 24 dBm, 30 dBm or more.

D.h. die Erfindung ermöglicht es, einen vollständigen, digitalen Hochfrequenzsender basierend auf der kostengünstigen CMOS Technologie zu realisieren, welcher für die digitale Drahtloskommunikation, insbesondere WLAN, 3G, 4G, 5G, LTE, WIMax und nachfolgende, d.h. als digitalen Übertragungsverfahren mit mehreren Amplitudenstufen, besonders geeignet ist.That is to say, the invention makes it possible to implement a complete, digital high-frequency transmitter based on the cost-effective CMOS technology, which is particularly useful for digital wireless communication, in particular WLAN, 3G, 4G, 5G, LTE, WIMax and subsequent, ie as a digital transmission method with several amplitude levels suitable is.

Claims

Power amplifier for digital input signals (Data, b0 ... bn) for outputting analog RF output signals, having at least a first amplifier (carrier) and a second amplifier (peaking), the first amplifier (carrier) for providing a lower power than the second Amplifier (peaking) is designed, wherein the first amplifier (carrier) and the second amplifier (peaking) provide a digital-to-analog conversion on a carrier signal (LO), the output signal of the first amplifier (I _C ) and the output signal of the second amplifier (I _P ) are fed to a combiner (Comb), the combiner (Comb) establishing an inductive coupling between the outputs of the first amplifier (carrier) and the second amplifier (peak) by means of a first inductance (Lc) and a second Having inductance (L _P ), the inductive coupling being provided by essentially one or more planar windings in or on a carrier, with a load modulation being provided with the aid of the second amplifier (peaking) and the combiner (Comb).

Power amplifier after Claim 1 , characterized in that the digital input signals (data, b0 ... bn) are only fed to the first amplifier (carrier) or to the first amplifier (carrier) and the second amplifier (peaking) by means of a look-up table.

Power amplifier after Claim 1 or 2 , characterized in that the first inductance (Lc) is assigned to the first amplifier (carrier), and that the second inductance (L _P ) is assigned to the second amplifier (peak), the first inductance having two crossed line branches (Vc + → VL- , VC- → VL +), and wherein the second inductance is formed from two adjacent conductor loops, wherein the adjacent conductor loops can be traversed in different directions of rotation by the output signal of the second amplifier (peaking), the first inductance essentially overlapping the second inductance .

Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the second amplifier (peaking) has a choke inductance (L _Ch ) which is arranged between the output of the amplifier and the voltage-additive combiner (Comb).

Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the second amplifier (peaking) has a choke inductance (L _Ch ) which is arranged between the output of the amplifier and the voltage-additive combiner (Comb), the first inductance (L _C ) is assigned to the first amplifier (carrier), and that the second inductance (L _P ) is assigned to the second amplifier (peaking), the first inductance having two crossed line branches (Vc + → VL-, VC- → VL +), and where the second inductance, the second inductance being formed from two adjacent conductor loops, wherein the adjacent conductor loops can be traversed in different directions of rotation by the output signal of the second amplifier (peaking), the first inductance essentially overlapping the second inductance, the choke inductance (L _Ch ) angeord in the area of the crossing of the first inductance net, so that the choke inductance (L _Ch ) is essentially decoupled from the first inductance (L _C ) and the second inductance (L _P ).

Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the power amplifier is built in an integrated manner.

Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the combiner (Comb) is a voltage-additive combiner.

Power amplifier according to any of the preceding Claims 1 to 6th , characterized in that the combiner (Comb) is a Doherty combiner.

Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized _{in that an inductance (L Ch} ) is provided on the output side of the second amplifier (peaking) for resonant compensation of a parasitic output _{capacitance (C par} ), so that the input resistance of the output of the second amplifier (peaking) in the event of that the second amplifier (peaking) does not provide any contribution is high.

Power amplifier according to the preceding Claim 9 , characterized in that the supply voltage (V _DD ) is provided _{via the inductance (L Ch} ) provided on the output side of the second amplifier (peaking).

Power amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that a transformer with its input side is arranged on the output side of the first amplifier (carrier), a capacitance (Cc) being arranged on the output side of the transformer.

Power amplifier according to any preceding Claims 11 , characterized _{in that the capacitance (C C} ) arranged on the output side of the transformer brings the parasitic output _{capacitance (C par} ) of the first amplifier into resonance.

Power amplifier according to one of the preceding Claims 11 or 12 , characterized in that the capacitance (Cc) arranged on the output side of the transformer is provided in a differential arrangement.

Power amplifier according to one of the preceding Claims 11 or 12 , characterized _{in that the capacitance (C C} ) arranged on the output side of the transformer is provided in an arrangement with a common supply.

Power amplifier according to one of the preceding Claims 11 or 12 , characterized in that the power amplifier is provided in CMOS technology.