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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf elektronische Systeme, und insbesondere auf Leistungsverstärker für Hochfrequenzelektronik (HF).
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Beschreibung verwandter Technologie
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Leistungsverstärker werden in Hochfrequenzkommunikationssystemen (HF-Kommunikationssysteme) eingesetzt, um HF-Signale für die Übertragung durch Antennen zu verstärken. Es kann wichtig sein, die Leistung der HF-Signalübertragung durch Antennen zu verwalten, um die Batterielebensdauer zu verlängern und/oder für ein geeignetes Übertragungsleistungsniveau zu sorgen.
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Beispiele für Hochfrequenz-(HF)-Kommunikationssysteme mit einem oder mehreren Leistungsverstärkern umfassen ohne Beschränkung der Allgemeinheit Mobiltelefone, Tablets, Basisstationen, Netzwerkzugangspunkte, Teilnehmernetzgeräte („customer premises equipment“, CPE), Laptops und tragbare Elektronik (Wearables). In drahtlosen Geräten beispielsweise, die unter Nutzung eines Mobilfunkstandards, eines Drahtlosnetzwerkstandards (WLAN) und/oder jedweden anderen geeigneten Kommunikationsstandards kommunizieren, kann ein Leistungsverstärker zur HF-Signalverstärkung eingesetzt werden. Ein HF-Signal kann eine Frequenz im Bereich zwischen etwa 30 kHz bis 300 GHz aufweisen, wie beispielsweise im Bereich von etwa 410 MHz bis etwa 7,125 GHz für Mobilfunkkommunikation der Fünften Generation (5G) im Frequenzbereich 1 (FR1) oder im Bereich von etwa 24,250 GHz MHz bis etwa 52,600 GHz für 5G-Mobilfunkkommunikation im Frequenzbereich 2 (FR2).
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ZUSAMMENFASSUNG
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In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine Mobilvorrichtung, umfassend einen Sendeempfänger, welcher dazu ausgelegt ist, ein Hochfrequenzeingangssignal zu erzeugen, ein Leistungsverwaltungssystem mit einem Einhüllendennachverfolger, welcher dazu ausgelegt ist, eine sich in Bezug auf eine Einhüllende des Hochfrequenzsignals ändernde Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen, und ein Frontendsystem mit einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker, welcher dazu ausgelegt ist, das Hochfrequenzsignal zu verstärken und Leistung über die Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu beziehen. Der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weist einen Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps, der dazu ausgelegt ist das Hochfrequenzsignal zu empfangen, und einen Feldeffekttransistor des Verarmungstyps auf, der kaskodiert zu dem Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps geschaltet ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps ein Metalloxidhalbleitertransistor.
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In etlichen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps ein Kurzkanalmetalloxidhalbleitertransistor vom n-Typ.
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In manchen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Verarmungstyps ein Feldeffekttransistor mit Schottky-Gate.
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In einigen Ausführungsformen ist ein Sourceanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps mit einer Massespannung verbunden, und ein Drainanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps ist über den Feldeffekttransistor des Verarmungstyps mit einem Ausgangsanschluss des Kombinationskaskodenleistungsverstärkers verbunden. In Übereinstimmung mit einer Anzahl von Ausführungsformen, ist ein Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps durch die Massespannung vorgespannt. In Übereinstimmung mit etlichen Ausführungsformen, ist ein Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps durch eine positive Spannung, die höher als die Massespannung ist, vorgespannt.
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weiterhin eine Drosselinduktivität, die elektrisch zwischen die Leistungsverstärkerversorgungsspannung und einen Drainanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps gekoppelt ist.
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In manchen Ausführungsformen umfasst der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weiterhin eine Gatevorspannungsinduktivität, die dazu ausgelegt ist, eine Gatevorspannung an einem Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps bereitzustellen.
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In manchen Ausführungsformen umfasst der Einhüllendennachverfolger einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), welcher dazu ausgelegt ist, eine Vielzahl von geregelten Spannungen auszugeben, einen Modulator, welcher dazu ausgelegt ist, eine Modulatorausgangsspannung auf der Basis der Vielzahl von geregelten Spannungen und der Einhüllenden des Hochfrequenzsignals auszugeben, und einen Modulatorausgangsfilter, welcher zwischen den Ausgang des Modulators und die Leistungsverstärkerversorgungsspannung gekoppelt ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Einhüllendennachverfolger einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) und einen Fehlerverstärker, welche dazu ausgelegt sind, parallel zueinander betrieben zu werden, um die Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen.
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In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Einhüllendennachverfolgungssystem. Das Einhüllendennachverfolgungssystem umfasst einen Einhüllendennachverfolger, welcher dazu ausgelegt ist, eine sich in Bezug auf eine Einhüllende eines Hochfrequenzsignals ändernde Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen, und einen Kombinationskaskodenleistungsverstärker, welcher dazu ausgelegt ist, das Hochfrequenzsignal zu verstärken und Leistung über die Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu beziehen. Der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weist einen Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps, der dazu ausgelegt ist das Hochfrequenzsignal zu empfangen, und einen Feldeffekttransistor des Verarmungstyps auf, der kaskodiert zu dem Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps geschaltet ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps ein Metalloxidhalbleitertransistor.
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In etlichen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps ein Kurzkanalmetalloxidhalbleitertransistor vom n-Typ.
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In manchen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Verarmungstyps ein Feldeffekttransistor mit Schottky-Gate.
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In einigen Ausführungsformen ist ein Sourceanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps mit einer Massespannung verbunden, und ein Drainanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps ist über den Feldeffekttransistor des Verarmungstyps mit einem Ausgangsanschluss des Kombinationskaskodenleistungsverstärkers verbunden. In Übereinstimmung mit etlichen Ausführungsformen, ist ein Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps durch eine positive Spannung, die höher als die Massespannung ist, vorgespannt.
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In manchen Ausführungsformen umfasst der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weiterhin eine Drosselinduktivität, die elektrisch zwischen die Leistungsverstärkerversorgungsspannung und einen Drainanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps gekoppelt ist.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weiterhin eine Gatevorspannungsinduktivität, die dazu ausgelegt ist, eine Gatevorspannung an einem Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps bereitzustellen.
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In manchen Ausführungsformen umfasst der Einhüllendennachverfolger einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), welcher dazu ausgelegt ist, eine Vielzahl von geregelten Spannungen auszugeben, einen Modulator, welcher dazu ausgelegt ist, eine Modulatorausgangsspannung auf der Basis der Vielzahl von geregelten Spannungen und der Einhüllenden des Hochfrequenzsignals auszugeben, und einen Modulatorausgangsfilter, welcher zwischen den Ausgang des Modulators und die Leistungsverstärkerversorgungsspannung gekoppelt ist.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Einhüllendennachverfolger einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) und einen Fehlerverstärker, welche dazu ausgelegt ist, parallel zueinander betrieben zu werden, um die Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen.
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In bestimmten Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Hochfrequenzsignalverstärkung in einer Mobilvorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen einer sich in Bezug auf eine Einhüllende eines Hochfrequenzsignals ändernde Leistungsverstärkerversorgungsspannung mithilfe eines Einhüllendennachverfolgers, ein Versorgen eines einen Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps und einen kaskodiert zu dem Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps geschalteten Feldeffekttransistor des Verarmungstyps aufweisenden Kombinationskaskodenleistungsverstärkers mit der Leistungsverstärkerversorgungsspannung, und ein Verstärken des Hochfrequenzsignals mithilfe des Kombinationskaskodenleistungsverstärkers.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps ein Metalloxidhalbleitertransistor.
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In einer Anzahl von Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Anreicherungstyps ein Kurzkanalmetalloxidhalbleitertransistor vom n-Typ.
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In etlichen Ausführungsformen ist der Feldeffekttransistor des Verarmungstyps ein Feldeffekttransistor mit Schottky-Gate.
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In einigen Ausführungsformen ist ein Sourceanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps mit einer Massespannung verbunden, und ein Drainanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps ist über den Feldeffekttransistor des Verarmungstyps mit einem Ausgangsanschluss des Kombinationskaskodenleistungsverstärkers verbunden. In Übereinstimmung mit einer Anzahl von Ausführungsformen, ist ein Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps durch die Massespannung vorgespannt. In Übereinstimmung mit etlichen Ausführungsformen, ist ein Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps durch eine positive Spannung, die höher als die Massespannung ist, vorgespannt.
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin ein Bereitstellen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung an einem Drainanschluss des Feldeffekttransistors des Verarmungstyps mittels einer Drosselinduktivität.
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In manchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Bereitstellen einer Gatevorspannung an einem Gateanschluss des Feldeffekttransistors des Anreicherungstyps mithilfe einer Gatevorspannungsinduktivität.
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In einigen Ausführungsformen umfasst das Erzeugen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung ein Ausgeben einer Vielzahl von geregelten Spannungen von einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), ein Erzeugen einer Modulatorausgangsspannung auf der Basis der Vielzahl von geregelten Spannungen und der Einhüllenden des Hochfrequenzsignals mittels eines Modulators, und ein Filtern der Modulatorausgangsspannung, um die Leistungsverstärkerversorgungsspannung mithilfe eines Modulatorausgangsfilter zu erzeugen.
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Erzeugen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung ein Nachverfolgen der Einhüllenden mittels eines Gleichspannungswandlers und eines Fehlerverstärkers, die parallel zueinander betrieben werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Mobilvorrichtung.
- 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Übertragungssystems zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen (HF-Signalen) von einer Mobilvorrichtung.
- 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Leistungsverstärkersystems.
- 4A ist eine Auftragung eines Beispiels vom Leistungsverstärkung über die Ausgangsleistung bei einem Metalloxidhalbleiterleistungsverstärker des n-Typs (NMOS-Transistor) mit gemeinsamem Sourceanschluss.
- 4B ist eine Auftragung eines Beispiels vom Leistungsverstärkung über die Ausgangsleistung bei einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
- 4C ist eine Auftragung eines Beispiels vom Ruhedrainstrom über die Versorgungsspannung bei einem NMOS-Leistungsverstärker mit gemeinsamem Sourceanschluss.
- 4D ist eine Auftragung eines Beispiels vom Ruhedrainstrom über die Versorgungsspannung bei einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
- 5A ist eine Auftragung eines Beispiels für die Verstärkung über die Ausgangsleistung für einen Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
- 5B ist eine Auftragung eines Beispiels für den Leistungswirkungsgrad („power added efficiency“, PAE) über die Ausgangsleistung für einen Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
- 5C ist eine Auftragung eines Beispiels vom Ruhestrom über die Leistungsverstärkerversorgungsspannung bei einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
- 6 ist eine schematische Darstellung eines Leistungsverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 7A ist eine Auftragung eines Beispiels vom Drainstrom über die Gatespannung bei einem Kurzkanalmetalloxidhalbleitertransistor (MOS-Transistor).
- 7B ist eine Auftragung eines weiteren Beispiels vom Drainstrom über die Gatespannung bei einem Kurzkanal-MOS-Transistor.
- 8A ist eine Auftragung eines Beispiels einer Leistungsverstärkerversorgungsspannung über die Zeit.
- 8B ist eine Auftragung eines weiteren Beispiels einer Leistungsverstärkerversorgungsspannung über die Zeit.
- 9A ist eine schematische Darstellung eines Einhüllendennachverfolgungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 9B ist eine schematische Darstellung eines Einhüllendennachverfolgungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 10 ist eine schematische Darstellung eines Einhüllendennachverfolgungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 11A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines gehäusten Moduls.
- 11B ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des gehäusten Moduls aus 11A, das entlang der Linien 11B-11B veranschaulicht wurde.
- 12 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Telefonplatine.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen stellt verschiedene Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen dar. Die hier beschriebenen Innovationen können jedoch auf vielfältige Weise verkörpert werden, z.B. durch die Definition und in dem Umfang der Ansprüche. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen gleichartige Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente bezeichnen können. Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellten Elemente nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass bestimmte Ausführungsformen mehr Elemente beinhalten können, als in einer Zeichnung und/oder einer Teilmenge der in einer Zeichnung dargestellten Elemente dargestellt sind. Darüber hinaus können einige Ausführungsformen jede geeignete Kombination von Merkmalen aus zwei oder mehr Zeichnungen enthalten.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Mobilvorrichtung 100. Die Mobilvorrichtung 100 umfasst ein Basisbandsystem 1, einen Sendeempfänger 2, ein Frontendsystem 3, Antennen 4, ein Leistungsverwaltungssystem 5, einen Speicher 6, eine Nutzerschnittstelle 7 und eine Batterie 8.
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Die Mobilvorrichtung 100 kann dazu genutzt werden, mithilfe einer großen Vielzahl an Kommunikationstechnologie zu kommunizieren, einschließlich und ohne Beschränkung der Allgemeinheit 2G, 3G, 4G (inclusive LTE, LTE-Advanced und LTE-Advanced Pro), 5G, WLAN (zum Beispiel WiFi), WPAN (zum Beispiel Bluetooth und ZigBee), WMAN (zum Beispiel WiMax) und/oder GPS-Technologien.
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Der Sendeempfänger 2 erzeugt HF-Signal für die Übertragung und verarbeitetet eingehende HF-Signale, die mit den Antennen 4 empfangen werden. Es sollte klar sein, dass verschiedene Funktionalitäten im Zusammenhang mit der Übertragung und dem Empfang von HF-Signalen durch eine oder mehrere Komponenten erreicht werden können, die gemeinschaftlich als der Sendeempfänger 2 in 1 dargestellt sind. In einem Beispiel können separate Komponenten (beispielsweise separate Schaltungen oder Chips) vorgesehen werden, um bestimmte Arten von HF-Signalen zu verarbeiten.
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Das Frontendsystem 3 hilft bei der Aufbereitung von Signalen, die von den Antennen 4 gesendet und/oder empfangen werden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Frontendsystem 3 Leistungsverstärker (PAs) 11, rauscharme Verstärker („low noise amplifiers“, LNAs) 12, Filter 13, Schalter 14 und Duplexer 15. Andere Implementierungsformen sind allerdings auch möglich.
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Beispielsweise kann das Frontendsystem 3 für eine Anzahl von Funktionen sorgen, inklusive, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, Sendesignalverstärkung, Empfangssignalverstärkung, Signalfilterung, Umschaltung zwischen verschiedenen Bändern, Umschaltung zwischen verschiedenen Leistungsmodi, Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsmodi, Signalduplexen, Signalmultiplexen (beispielsweise Diplexen oder Triplexen) oder jedwede Kombination dieser Funktionen.
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In bestimmten Implementierungen unterstützt das Mobilgerät 100 eine Trägerbündelung und sorgt somit für eine Flexibilität um Spitzendatenraten zu erhöhen. Trägerbündelung kann sowohl für ein Frequenzaufteilungsduplexen („Frequency Division Duplexing“, FDD) als auch ein Zeitaufteilungsduplexen („Time Division Duplexing“, TDD) genutzt werden und kann dazu eingesetzt werden, eine Vielzahl von Trägern oder Kanälen zu bündeln. Trägerbündelung umfasst eine zusammenhängende Bündelung, bei der aneinandergrenze Träger innerhalb desselben Betriebsfrequenzbandes gebündelt werden. Trägerbündelung kann auch nicht zusammenhängend sein, und kann Träger umfassen, die innerhalb eines gemeinsamen Bandes oder in unterschiedlichen Bändern frequenzgetrennt sind.
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Die Antennen 4 können Antennen umfassen, die für eine große Vielzahl unterschiedlicher Kommunikationsarten genutzt werden. Beispielsweise können die Antennen 4 Antennen zum Übertragen und/oder Empfangen von Signalen aufweisen, die mit einer großen Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen und Kommunikationsstandards verknüpft sind.
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In bestimmten Implementierungen unterstützen die Antennen 4 MIMO-Kommunikation und/oder geschaltete Diversitätskommunikation. Zum Beispiel nutzt MIMO-Kommunikation mehrere Antennen, um mehrere Datenströme über einen einzigen Hochfrequenzkanal zu kommunizieren. MIMO-Kommunikation profitiert von einem besseren Signal-zu-Rausch-Verhältnis, von verbesserter Codierung und/oder von verminderter Signalinterferenz aufgrund räumlicher Multiplexunterschiede der Funkumgebung. Geschaltete Diversität bezieht sich auf eine Kommunikation, bei der eine bestimmte Antenne zu bestimmten Zeitpunkte für einen Betrieb ausgewählt wird. Beispielsweise kann ein Schalter genutzt werden, um eine bestimmte Antenne aus einer Gruppe von Antennen basierend auf einer Vielzahl von Faktoren auszuwählen, wie etwa eine beobachtete Bitfehlerrate und/oder ein Signalstärkenindikator.
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Das Mobilgerät 100 kann in bestimmten Implementierungen mit Strahlformung betrieben werden. Beispielsweise kann das Frontendsystem 3 Phasenschieber mit variabler Phase aufweisen, die durch den Sendeempfänger 2 gesteuert werden. Zusätzlich können die Phasenschieber angesteuert werden, um für eine Strahlformung und Richtungscharakteristik für eine Übertragung und/oder einen Empfang von Signalen unter Nutzung der Antennen 4 zu sorgen. Beispielsweise können im Zusammenhang mit einer Signalübertragung die Phasen der Sendesignale, die den Antennen 4 bereitgestellt werden, derart gesteuert werden, dass die von den Antennen 4 ausgestrahlten Signale unter konstruktiver und destruktiver Interferenz kombiniert werden, um ein gebündeltes Sendesignal mit strahlartigen Eigenschaften zu erhalten, welches in einer vorgegebenen Ausbreitungsrichtung eine höhere Signalstärke aufweist. Im Zusammenhang mit einem Signalempfang können die Phasen so gesteuert werden, dass mehr Signalenergie empfangen wird, wenn das Signal an den Antennen 4 aus einer bestimmten Richtung ankommt. In bestimmten Implementierungen weisen die Antennen 4 ein oder mehrere Anordnungen von Antennenelementen auf, um das Strahlformen zu verstärken.
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Das Basisbandsystem 1 ist mit der Nutzerschnittstelle 7 gekoppelt, um eine Verarbeitung von verschiedentlichen Nutzereingaben und -ausgaben (I/O) wie etwa Sprach- und Datensignale zu verarbeiten. Das Basisbandsystem 1 versorgt den Sendeempfänger 2 mit digitalen Darstellungen der Übertragungssignale, die der Sendeempfänger 2 zur Erzeugung von HF-Signalen für die Übertragung verarbeitet. Das Basisbandsystem 1 verarbeitet auch digitale Darstellungen von Empfangssignalen, die von dem Sendeempfänger 2 geliefert werden. Wie in 1 gezeigt, ist das Basisbandsystem 1 mit dem Speicher 6 gekoppelt, um einen Betrieb des Mobilgeräts 100 zu ermöglichen.
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Der Speicher 6 kann für eine breite Vielfalt an Zwecken verwendet werden, wie etwa Speichern von Daten und/oder Anweisungen, um den Betrieb des Mobilgeräts 100 zu ermöglichen und/oder Speicher für Nutzerinformationen bereitzustellen.
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Das Leistungsverwaltungssystem 5 stellt eine Anzahl von Leistungssteuerungsfunktionen für das Mobilgerät 100 bereit. Das Leistungsverwaltungssystem 5 der 1 umfasst einen Einhüllendennachverfolger 60. Wie in 1 dargestellt empfängt das Leistungsverwaltungssystem 5 eine Batteriespannung von der Batterie 8. Die Batterie 8 kann jede für den Einsatz in dem Mobilgerät 100 geeignete Batterie sein, einschließlich beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Das Mobilgerät 100 der 1 veranschaulicht ein Beispiel eines HF-Kommunikationssystems, welches Leistungsverstärker aufweist, die gemäß einem oder mehrerer Merkmale der vorliegenden Offenbarung ausgestaltet sind. Die Lehren hierin sind allerdings auf in vielfältiger Art und Weise ausgestaltete HF-Kommunikationssysteme anwendbar.
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2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Übertragungssystems 130 zum Übertragen von HF-Signalen von einer Mobilvorrichtung. Das Übertragungssystem 130 weist eine Batterie, einen Einhüllendennachverfolger 102, einen Leistungsverstärker 103, einen Richtkoppler 104, eine Duplex- und Schaltanordnung 105, eine Antenne 106, einen Basisbandprozessor 107, eine Signalverzögerungsschaltung 108, eine digitale Vorverzerrungsschaltung („digital pre-distortion“, DPD) 109, einen I/Q-Modulator 110, einen Beobachtungsempfänger 111, eine Intermodulationserkennungsschaltung 112, eine Einhüllendenverzögerungsschaltung 121, eine digitale Koordinatenrotationsberechnungsschaltung („coordinate rotation digital computation“, CORDIC) 122, eine Formschaltung 123, einen Digital-zu-Analog-Wandler 124 und einen Wiederherstellungsfilter 125 auf.
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Das Übertragungssystem 130 der 2 veranschaulicht ein Beispiel eines HF-Kommunikationssystems, welches Leistungsverstärker aufweisen kann, die gemäß einem oder mehrerer Merkmale der vorliegenden Offenbarung ausgestaltet sind. Die Lehren hierin sind allerdings auf in vielfältiger Art und Weise ausgestaltete HF-Kommunikationssysteme anwendbar.
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Der Basisbandprozessor 107 kann verwendet werden, um ein Inphasen-(I)-Signal und ein Quadratur-(Q)-Signal zu erzeugen, die Signalkomponenten einer sinusförmigen Welle oder eines Signals mit einer gewünschten Amplitude, Frequenz und Phase entsprechen. So kann beispielsweise das 1-Signal verwendet werden, um eine phasengleiche Komponente der sinusförmigen Welle darzustellen, und das Q-Signal kann verwendet werden, um eine Quadraturkomponente der sinusförmigen Welle darzustellen, was eine äquivalente Darstellung der sinusförmigen Welle sein kann. In bestimmten Implementierungen können die I- und Q-Signale dem I/Q-Modulator 110 in einem digitalen Format zur Verfügung gestellt werden. Der Basisbandprozessor 107 kann jeder geeignete Prozessor sein, der zur Verarbeitung eines Basisbandsignals konfiguriert ist. So kann beispielsweise der Basisbandprozessor 107 einen digitalen Signalprozessor, einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Kern oder eine beliebige Kombination davon beinhalten.
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Die Signalverzögerungsschaltung 108 sorgt für eine einstellbare Verzögerung der I- und Q-Signale, um bei der Steuerung der relativen Angleichung zwischen dem Einhüllendensignal und dem HF-Signal RFIN unterstützend zu wirken. Das Ausmaß der Verzögerung, für die durch die Signalverzögerungsschaltung 108 gesorgt wird, wird auf der Basis der Größe der durch die Intermodulationserkennungsschaltung 112 detektierten Intermodulation gesteuert.
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Die DPD-Schaltung 109 dient dazu, für eine digitale Umformung der von der Signalverzögerungsschaltung 108 verzögerten I- und Q-Signale zu sorgen, um digital vorverzerrte I- und Q-Signale zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform wird die von der DPD-Schaltung 109 bereitgestellte DPD auf der Basis der Größe der durch die Intermodulationserkennungsschaltung 112 detektierten Intermodulation gesteuert. Die DPD-Schaltung 109 dient einer Verringerung der Verzerrung des Leistungsverstärkers 103 und/oder einer Erhöhung der Effizienz des Leistungsverstärkers 103.
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Der I/Q-Modulator 110 empfängt die digital vorverzerrten I- und Q-Signale, die verarbeitet werden, um ein HF-Signal RFIN zu erzeugen. So kann beispielsweise der I/Q-Modulator 110 Digital-zu-Analog-Wandler (DAC), die konfiguriert sind, um die digital vorverzerrten I- und Q-Signale in ein analoges Format umzuwandeln, Mischer zur Hochkonvertierung der analogen I- und Q-Signale in Hochfrequenz und einen Signalkombinierer zur Kombination der hochkonvertierten I- und Q-Signale in ein HF-Signal, das für die Verstärkung durch den Leistungsverstärker 103 geeignet ist, beinhalten. In bestimmten Implementierungen kann der I/Q-Modulator 110 ein oder mehrere Filter beinhalten, die dazu ausgelegt sind, den Frequenzgehalt von darin verarbeiteten Signale zu filtern.
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The Einhüllendenverzögerungsschaltung 121 verzögert die I- und Q-Signale vom Basisbandprozessor 107. Außerdem verarbeitet die CORDIC-Schaltung 122 die verzögerten I- und Q-Signale, um ein digitales Einhüllendensignal zu erzeugen, welches eine Einhüllende des HF-Signals RFIN darstellt. Auch wenn 2 eine Ausgestaltungsform mit einer CORDIC-Schaltung 122 zeigt, kann ein Einhüllendensignal auch auf andere Art und Weise erhalten werden.
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Die Formschaltung 123 dient dazu, das digitale Einhüllendensignal zu formen, um so die Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems 130 zu verbessern. In bestimmten Ausgestaltungsvarianten umfasst die Formschaltung 123 eine Formtabelle, in der jeder Pegel des digitalen Einhüllendensignals einem entsprechend geformten Einhüllendensignalpegel zugeordnet wird. Einhüllendenformung kann dabei helfen, die Linearität, Verzerrung und/oder Effizienz des Leistungsverstärkers 103 zu steuern.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das geformte Einhüllendensignals ein digitales Signal, welches von dem DAC 124 in ein analoges Einhüllendensignals gewandelt wird. Zusätzlich wird das analoge Einhüllendensignal durch den Rekonstruktionsfilter 125 gefiltert, um ein Einhüllendensignal zu erzeugen, welches geeignet für die Nutzung durch den Einhüllendennachverfolger 102 ist. In bestimmten Ausgestaltungsvarianten umfasst der Rekonstruktionsfilter 125 einen Tiefpassfilter.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 2, empfängt der Einhüllendennachverfolger 102 das Einhüllendensignal von dem Rekonstruktionsfilter 125 und eine Batteriespannung VBATT von der Batterie 101, und verwendet das Einhüllendensignal, um eine Leistungsversorgungsspannung VPA für den Leistungsverstärker 103 zu erzeugen, die sich in Bezug auf die Einhüllende des HF-Signals RFIN ändert. Der Leistungsverstärker 103 empfängt das HF-Signal RFIN von dem I/Q-Modulator 110, und stellt in diesem Beispiel ein verstärktes HF-Signal RFOUT an der Antenne 106 über die Duplex- und Schaltanordnung 105 bereit.
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Der Richtkoppler 104 ist zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers 103 und dem Eingang der Duplex- und Schaltanordnung 105 platziert, wodurch eine Messung der Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers 103 ermöglicht wird, ohne dass dabei Einfügeverluste seitens der Duplex- und Schaltanordnung 105 auftreten. Das erfasste Ausgangssignal des Richtkopplers 104 wird dem Beobachtungsempfänger 111 bereitgestellt, welcher Mischer zum Abwärtswandeln von I- und Q-Signalkomponenten des erfassten Ausgangssignals sowie DACs zum Erzeugen von I- und Q-Beobachtungssignalen aus den abwärtsgewandelten Signalen aufweisen kann.
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Die Intermodulationserkennungsschaltung 112 bestimmt ein Intermodulationsprodukt aus den I- und Q-Signalkomponenten des erfassten Ausgangssignals und den I- und Q-Signalen des Basisbandprozessors 107. Außerdem steuert die Intermodulationserkennungsschaltung 112 die von der DPD-Schaltung 109 bereitgestellte DPD und/oder eine Verzögerung der Signalverzögerungsschaltung 108, um die relative Ausrichtung zwischen dem Einhüllendensignal und dem HF-Signal RFIN zu steuern.
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Durch das Einbauen eines Rückkopplungspfades von dem Ausgang des Leistungsverstärkers 103 und Basisband können die I- und Q-Signale dynamisch angepasst werden, um den Betrieb des Übertragungssystems 130 zu optimieren. Beispielweise kann eine derartige Konfiguration des Übertragungssystems 130 dabei helfen, Leistungssteuerung auszuüben, Senderbeeinträchtigungen auszugleichen und/oder DPD durchzuführen.
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Auch wenn der Leistungsverstärker 103 nur als einstufig dargestellt ist, kann er eine oder mehrere Stufen aufweisen. Darüber hinaus können HF-Kommunikationssysteme wie etwa Mobilgeräte mehrere Leistungsverstärker aufweisen. In derartigen Ausführungsvarianten können dezidierte Einhüllendennachverfolger für verschiedene Leistungsverstärker vorgesehen werden und/oder ein oder mehrere gemeinsam genutzte Einhüllendennachverfolger können eingesetzt werden.
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Kombinationskaskodenleistungsverstärker für Anwendungen in der Einhüllendennachverfolgung
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Einhüllendennachverfolgung ist eine Technik, die eingesetzt werden kann, um den Leistungswirkungsgrad („power added efficiency“, PAE) eines Leistungsverstärkers zu verbessern, indem der Spannungspegel einer Leistungsverstärkerversorgungsspannung im Bezug auf eine Einhüllende eines durch den Leistungsverstärker verstärktes HF-Signal angepasst wird. Wenn sich daher die Einhüllende des HF-Signals erhöht, kann die dem Leistungsverstärker bereitgestellte Versorgungsspannung erhöht werden. Dementsprechend kann, wenn sich die Einhüllende des HF-Signals erniedrigt, die dem Leistungsverstärker bereitgestellte Versorgungsspannung verringert werden, um den Energieverbrauch zu senken.
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In einem Beispiel umfasst ein Einhüllendennachverfolger einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), der in Kombination mit einem Fehlerverstärker arbeitet, um eine auf einem Einhüllendensignal basierende Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen. Beispielsweise können der Gleichspannungswandler und der Fehlerverstärker parallel zueinander elektrisch verschaltet werden, und der Gleichspannungswandler kann niederfrequente Komponenten des Einhüllendensignals nachverfolgen, während der Fehlerverstärker hochfrequente Komponenten des Einhüllendensignals nachverfolgen kann. Beispielsweise kann die Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers auf weniger als eine maximale Frequenz der Frequenzkomponenten den Einhüllendensignals reduziert werden, und der Fehlerverstärker kann so betrieben werden, dass er Lücken im Ausgabesignal des Gleichspannungswandlers ausgleicht, um die Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsvarianten werden der Gleichspannungswandler und der Fehlerverstärker über einen Kombinierer kombiniert.
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In einem anderen Beispiel umfasst ein Einhüllendennachverfolger einen Mehrfachausgabe-Hochsetzschalter zur Erzeugung regulierter Spannung unterschiedlicher Spannungspegel, eine Schalterbank zur Steuerung der zeitlich passenden Auswahl einer geeigneten regulierten Spannung auf der Basis des Einhüllendensignals, und einen Filter zum Filtern des Ausgabesignals der Schalterbank, um die Leistungsverstärkerversorgungsspannung zu erzeugen.
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Kombinationskaskodenleistungsverstärker für Anwendungen in der Einhüllendennachverfolgung werden hierin offenbart. In bestimmten Ausführungsformen umfasst ein Einhüllendennachverfolgungssystem einen Kombinationskaskodenleistungsverstärker, welcher ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal) verstärkt und Leistung von einer Leistungsverstärkerversorgungsspannung bezieht, und einen Einhüllendennachverfolger, der die Leistungsverstärkerversorgungsspannung basierend auf einer Einhüllenden des HF-Signals erzeugt. Der Kombinationskaskodenleistungsverstärker weist einen Feldeffekttransistor (FET) des Anreicherungstyps (E-MODE) zum Verstärken des HF-Signals und einen FET des Verarmungstyps (D-MODE) auf, welcher kaskodiert zu dem E-MODE FET geschaltet ist.
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Durch Ausgestaltung des Leistungsverstärkers auf diese Weise können die Vorteile von E-MODE- und D-MODE-Transistoren erreicht werden, während die negativen Aspekte dieser Transistorarten vermieden werden können.
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E-MODE-FETs können beispielsweise viele wünschenswerte Eigenschaften wie etwa eine hohe Übergangsfrequenz (ft), die Fähigkeit, mit einer leicht erreichbaren positiven Spannung vorgespannt werden zu können, und/oder durch hohe lineare Gatekapazität und vernachlässigbare Gateströme verursachte geringe Phasenverzerrung (AMbis-PM) aufweisen. Allerdings können E-MODE-FETs auch unter ungünstiger Nennspannung, Kanallängenmodulation, draininduzierter Barriereverringerung und/oder anderen Transistornachteilen leiden. Demgegenüber haben D-MODE-FETs üblicherweise eine hohe Nennspannung, aber müssen mit negative Spannung zum Betrieb vorgespannt werden, haben sehr hohe negative Vorspannung im Standby-Betrieb und/oder haben ungünstige Phasenverzerrung aufgrund nicht-linearer Gateströme.
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In bestimmten Implementierungsvarianten wird der E-MODE-FET als Kurzkanal-Metalloxidhalbleitertransistor (MOS) des n-Typs implementiert, während der D-MODE-FET als Metall-Halbleiter-FET (MESFET) implementiert wird, was hierin auch als Feldeffekttransistor mit Schottky-Gate bezeichnet wird. Da Schottky-Gate-D-MODE-FETs üblicherweise eine höhere Nennspannung aufweisen als E-MODE-MOS-Transistoren, arbeitet der Kombinationskaskodenleistungsverstärker mit einer Nennspannung, die gegenüber der eines E-MODE-MOS-Leistungsverstärkers mit gemeinsamem Sourceanschluss hoch ist. Die hohe Nennspannung ermöglicht es dem Kombinationskaskodenleistungsverstärker in Anwendungen in der Einhüllendennachverfolgung eingesetzt zu werden, in denen die Leistungsverstärkerversorgungsspannung über einen weiten Spannungsbereich arbeitet. Weiterhin zeigt der Kombinationskaskodenleistungsverstärker ebenfalls hohe ft, hohe Linearität, geringe Phasenverzerrung, geringen Ruhestrom und/oder geringe Verstärkungsvarianz gegenüber der Leistungsverstärkerversorgungsspannung. Außerdem muss der Kombinationskaskodenleistungsverstärker nicht mit negative Vorspannung arbeiten, so dass eine negative Ladungspumpe obsolet wird, was die statische und dynamische Leistungsaufnahme erhöhen würde und üblicherweise einen Oszillator beinhalten würde, welcher Ursache für Leckemissionen wäre.
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Der D-MODE-FET kann auf vielfältige Weise vorgespannt werden. In einem ersten Beispiel wird der Gateanschluss des D-MODE-FET mittels Masse vorgespannt. In einem weiteren Beispiel wird der Gateanschluss des D-MODE-FET mittels einer positiven gemeinsamen Gatespannung vorgespannt. Ein Vorspannen des Gateanschlusses des D-MODE-FET mit einer positiven Spannung kann für einen Mechanismus sorgen, über den Verstärkungsvarianz und PAE ausbalanciert werden können.
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Ein E-MODE-Transistor wird hierin auch als im Normalzustand aktivierter Transistor bezeichnet, da der E-MODE-Transistor leitfähig ist, wenn er bei einer Gate-zu-Source-Spannung von 0 Volt betrieben wird. Ein D-MODE-Transistor wird hierin auch als im Normalzustand deaktivierter Transistor bezeichnet.
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3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Leistungsverstärkers 250 gemäß einer Ausführungsform. Der Leistungsverstärker 250 umfasst einen E-MODE-MOS-Transistor 241, einen D-MODE-FET 242 mit Schottky-Gate, einen Eingangskondensator 243 zur Gleichspannungssperrung, einen Ausgangskondensator 244 zur Gleichspannungssperrung, eine Gatevorspannungsinduktivität 245 und eine Drosselinduktivität 246.
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Auch wenn 3 eine Ausführungsform eines Kombinationskaskodenleistungsverstärkers zeigt, sind die hierin gezeigten Lehren auf Kombinationskaskodenleistungsverstärker anwendbar, die auf vielfältige Art und Weise ausgestaltet sind.
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Der Leistungsverstärker 250 empfängt ein HF-Eingangssignal RFIN an einem HF-Eingangsanschluss, und stellt ein verstärktes HF-Ausgangssignal RFOUT an einem HF-Ausgangsanschluss zur Verfügung. In der dargestellten Ausführungsform ist der Eingangskondensator 243 zur Gleichspannungssperrung zwischen den HF-Eingangsanschluss und den Gateanschluss des E-MODE-MOS-Transistors 241 geschaltet, um ein Vorspannen der Gatespannung des E-MODE-MOS-Transistors 241 unabhängig von der Gleichspannung an dem HF-Eingangsanschluss zu ermöglichen. Zusätzlich ist der Ausgangskondensator 244 zur Gleichspannungssperrung zwischen den Drainanschluss des D-MODE-FETs 242 mit Schottky-Gate und den HF-Ausgangsanschluss geschaltet, um die Drainspannung des FETs 242 von der Gleichspannung des HF-Ausgangsanschlusses zu entkoppeln.
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Wie in 3 gezeigt, stellt die Drosselinduktivität 246 die Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA an dem Drainanschluss des D-MODE-FETs 242 mit Schottky-Gate bereit. Die Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA kann durch einen Einhüllendennachverfolger, einschließlich - aber ohne Beschränkung der Allgemeinheit - durch einen der hierin gelehrten Einhüllendennachverfolger.
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Der E-MODE-MOS-Transistor 241 umfasst einen Gateanschluss, der das HF-Eingangssignal RFIN empfängt. Der D-MODE-FET 242 arbeitet kaskodiert zu dem E-MODE-MOS-Transistor 241, um das HF-Ausgangssignal RFOUT zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform ist der Gateanschluss des E-MODE-MOS-Transistors 241 durch eine Gatevorspannung VGBIAS vorgespannt, die durch die Gatevorspannungsinduktivität 245 zur Verfügung gestellt wird, während der Gateanschluss des D-MODE-FETs 242 mit Schottky-Gate durch eine Massespannung (Masse) vorgespannt wird. In bestimmten ausgestaltungsformen ist der E-MODE-MOS-Transistor 241 ein Kurzkanalmetalloxidhalbleitertransistor vom n-Typ (NMOS).
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4A ist eine Auftragung eines Beispiels vom Leistungsverstärkung über die Ausgangsleistung bei einem Metalloxidhalbleiterleistungsverstärker des n-Typs (NMOS-Transistor) mit gemeinsamem Sourceanschluss.
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4B ist eine Auftragung eines Beispiels vom Leistungsverstärkung über die Ausgangsleistung bei einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
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Wie sich aus einem Vergleich der 4A und 4B ergibt, verringert die Ausgestaltung des Leistungsverstärkers als ein Kombinationskaskodenleistungsverstärker die Verstärkungsvarianz (beispielsweise von etwa 15 dB auf etwa 3dB, in diesem Beispiel).
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4C ist eine Auftragung eines Beispiels vom Ruhedrainstrom über die Versorgungsspannung bei einem NMOS-Leistungsverstärker mit gemeinsamem Sourceanschluss.
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4D ist eine Auftragung eines Beispiels vom Ruhedrainstrom über die Versorgungsspannung bei einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
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Wie sich aus einem Vergleich der 4C und 4D ergibt, verringert die Ausgestaltung des Leistungsverstärkers als ein Kombinationskaskodenleistungsverstärker die Varianz im Ruhedrainstrom (beispielsweise von etwa 12-fach auf etwa 1,25-fach, in diesem Beispiel).
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5A ist eine Auftragung eines Beispiels für die Verstärkung über die Ausgangsleistung für einen Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
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5B ist eine Auftragung eines Beispiels für den Leistungswirkungsgrad („power added efficiency“, PAE) über die Ausgangsleistung für einen Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
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5C ist eine Auftragung eines Beispiels vom Ruhestrom über die Leistungsverstärkerversorgungsspannung bei einem Kombinationskaskodenleistungsverstärker.
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6 ist eine schematische Darstellung eines Leistungsverstärkers 280 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Leistungsverstärker 280 umfasst einen E-MODE-MOS-Transistor 241, einen D-MODE-FET 242 mit Schottky-Gate, einen Eingangskondensator 243 zur Gleichspannungssperrung, einen Ausgangskondensator 244 zur Gleichspannungssperrung, eine Gatevorspannungsinduktivität 245 und eine Drosselinduktivität 246.
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Der Leistungsverstärker 280 der 5 ist dem Leistungsverstärker 250 der 3 ähnlich, mit der Ausnahme, dass bei dem Leistungsverstärker 280 der 5 der D-MODE-FET 242 mit Schottky-Gate durch eine Kaskodengatevorspannung CCBIAS vorgespannt ist, die eine höher als Massespannung liegende positive Spannung aufweist.
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Ein Vorspannen des Gateanschlusses des D-MODE FETs 242 mit einer positiven Spannung kann für einen Mechanismus sorgen, über den Verstärkungsvarianz und PAE ausbalanciert werden können.
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7A ist eine Auftragung eines Beispiels vom Drainstrom über die Gatespannung bei einem Kurzkanalmetalloxidhalbleitertransistor (MOS-Transistor). Verschiedene Diagramme zweigen den Drainstrom gegenüber der Drainspannung bei unterschiedlichen Gate-zu-Source-Spannungen des Kurzkanal-MOS-Transistors. Die Diagramme beinhalten sowohl eine Vernachlässigung der Kanallängenmodulation (Auftragungen in gestrichelter Linie) als auch eine Berücksichtigung der Kanallängenmodulation (Auftragungen in durchgezogener Linie).
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7B ist eine Auftragung eines weiteren Beispiels vom Drainstrom über die Gatespannung bei einem Kurzkanal-MOS-Transistor. Das Diagramm zeigt ein Beispiel einer Verschiebung der Transistordurchbruchspannung, die durch draininduzierte Barrierenerniedrigung verursacht wird.
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8A und 8b zeigen zwei Beispiele einer Leistungsverstärkerversorgungsspannung über die Zeit.
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In 8A, veranschaulicht ein Graph 447 ein Beispiel der Spannung eines HF-Signals 441 und der Leistungsverstärkerversorgungsspannung 443 über die Zeit. Das HF-Signal 441 weist eine Einhüllende 442 auf.
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Es kann wichtig sein, dass die Spannung eines HF-Signals 441 und die Leistungsverstärkerversorgungsspannung eines Leistungsverstärkers einen Spannungspegel aufweist, der größer als der des HF-Signals 441 ist. Beispielsweise kann ein Betreiben eines Leistungsverstärkers mit einer Leistungsverstärkerversorgungsspannung, deren Größe unterhalb der Spannung des HF-Signals liegt dazu führen, dass das HF-Signal abgeschnitten wird, wodurch Signalverzerrung und/oder andere Probleme auftreten. Daher kann es wichtig sein, dass die Leistungsverstärkerversorgungsspannung 443 über der Spannung der Einhüllenden 442 liegt. Es kann allerdings auch wünschenswert sein, einen Spannungsunterschied zwischen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung 443 und der Einhüllenden 442 des HF-Signals 441 zu verringern, da die Fläche zwischen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung 443 und der Einhüllenden 442 verlorene Energie bedeutet, was zu Lasten der Batterielaufzeit geht und mit erhöhter Wärmeentwicklung in einem drahtlosen Gerät einhergeht.
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In 8B, veranschaulicht ein Graph 448 ein weiteres Beispiel der Spannung eines HF-Signals 441 und der Leistungsverstärkerversorgungsspannung 444 über die Zeit. Im Gegensatz zur Leistungsverstärkerversorgungsspannung 443 der 8A, ändert sich die Leistungsverstärkerversorgungsspannung 444 in 8B im Bezug auf die Einhüllende 442 des HF-Signals 441. Die Fläche zwischen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung 444 und der Einhüllenden 442 in 8B ist kleiner als die Fläche zwischen der Leistungsverstärkerversorgungsspannung 443 und der Einhüllenden 442 in 8A, weswegen der Graph 448 der 8B einem Leistungsverstärker mit höherer Energieeffizienz zugerechnet werden kann.
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9A ist eine schematische Darstellung eines Einhüllendennachverfolgungssystems 500 gemäß einer Ausführungsform. Das Einhüllendennachverfolgungssystem 500 weist einen Leistungsverstärker 501 und einen Einhüllendennachverfolger 502 auf. Der Leistungsverstärker 501 sorgt für eine Verstärkung eines Hochfrequenzsignals 503.
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Der Einhüllendennachverfolger 502 empfängt ein Einhüllendensignal 504, das einer Einhüllenden des Hochfrequenzsignals 503 entspricht. Zusätzlich erzeugt der Einhüllendennachverfolger 502 eine Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA, die den Leistungsverstärker 501 mit Energie versorgt.
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Der dargestellte Einhüllendennachverfolger 502 weist einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 551 und einen Fehlerverstärker 512 auf, die in Kombination miteinander betrieben werden, um die auf dem Einhüllendensignal 504 basierende Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform werden ein Ausgang des Gleichspannungswandlers 511 und ein Ausgang des Fehlerverstärkers 512 über einen Kombinierer 515 kombiniert.
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Der Einhüllendennachverfolger 502 der 9A veranschaulicht ein Beispiel analoger Einhüllendennachverfolgung, bei der ein Schaltregulierer parallel zu einem anderen arbeitet, um eine Einhüllende eines HF-Signals nachzuverfolgen.
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9B ist eine schematische Darstellung eines Einhüllendennachverfolgungssystems 540 gemäß einer anderen Ausführungsform. Das Einhüllendennachverfolgungssystem 540 weist einen Leistungsverstärker 501 und einen Einhüllendennachverfolger 532 auf. Der Leistungsverstärker 501 sorgt für eine Verstärkung eines Hochfrequenzsignals 503.
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Der Einhüllendennachverfolger 532 empfängt ein Einhüllendensignal 504, das einer Einhüllenden des Hochfrequenzsignals 503 entspricht. Zusätzlich erzeugt der Einhüllendennachverfolger 532 eine Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA, die den Leistungsverstärker 501 mit Energie versorgt.
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Der dargestellte Einhüllendennachverfolger 532 weist eine Mehrfachausgabe-Schaltanordnung 535 auf. In bestimmten Ausgestaltungsformen umfasst die Mehrfachausgabe-Schaltanordnung eine Mehrausgangs-Gleichspannungswandler zur Erzeugung regulierter Spannung unterschiedlicher Spannungspegel, Schalter zur Steuerung der zeitlich passenden Auswahl einer geeigneten regulierten Spannung auf der Basis des Einhüllendensignals, und einen Filter zum Filtern des Ausgabesignals der Schalterbank auf.
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Der Einhüllendennachverfolger 532 der 9B veranschaulicht ein Beispiel für MLS-Einhüllendennachverfolgung.
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10 ist eine schematische Darstellung eines Einhüllendennachverfolgungssystems 600 gemäß einer anderen Ausführungsform. Das Einhüllendennachverfolgungssystem 600 weist einen Leistungsverstärker 501 und einen Einhüllendennachverfolger 602 auf. Der Leistungsverstärker 501 sorgt für eine Verstärkung eines Hochfrequenzsignals 503.
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Der Einhüllendennachverfolger 602 empfängt ein Einhüllendensignal 504, das einer Einhüllenden des Hochfrequenzsignals 503 entspricht. In diesem Beispiel ist das Einhüllendensignal differentiell. Zusätzlich erzeugt der Einhüllendennachverfolger 602 eine Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA, die den Leistungsverstärker 501 mit Energie versorgt.
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Der dargestellte Einhüllendennachverfolger 532 weist einen Einhüllendenverstärker 611, einen ersten Vergleicher 621, einen zweiten Vergleicher 622, einen dritten Vergleicher 623, eine Kodier- und Ditheringschaltung 624, einen Mehrfachausgangs-Hochsetzschalter 625, einen Filter 626, eine Schalterbank 627 und eine Kondensatorbank 630 auf. Die Kondensatorbank 630 umfasst einen ersten Kondensator 631, einen zweiten Kondensator 632 und einen dritten Kondensator 633. Zusätzlich umfasst die Schalterbank 627 einen ersten Schalter 641, einen zweiten Schalter 642, und einen dritten Schalter 643.
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Der Einhüllendenverstärker 611 verstärkt das Einhüllendensignal, um ein verstärktes Einhüllendensignal an die ersten bis dritten Kondensatoren 621 bis 623 abzugeben. Die ersten bis dritten Kondensatoren 621 bis 623 vergleichen das verstärkte Einhüllendensignal mit einem ersten Schwellwert T1, einem zweiten Schwellwert T2 bzw. einem dritten Schwellwert T3. Die Ergebnisse der Vergleiche werden der Kodier- und Ditheringschaltung 624 bereitgestellt, die die Ergebnisse verarbeitet, um die Auswahl der Schalter der Schalterbank 627 zu steuern. Die Kodier- und Ditheringschaltung 624 kann die Schalter während einer Kodierung und/oder eines Ditherings aktivieren, um das Auftreten von Artefakten, die durch ein Öffnen und Schließen der Schalter verursacht werden, zu verringern.
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Auch wenn ein Beispiel mit drei Vergleichern gezeigt wird, können mehr oder weniger Vergleicher eingesetzt werden. Weiterhin kann die Kodier- und Ditheringschaltung 624 weggelassen werden, und die Steuerung der Schalterbank auf andere Arten und Weisen erfolgen. In einem ersten Beispiel wird zwar Kodierung, aber kein Dithering verwendet. In einem zweiten Beispiel wird zwar Dithering, aber keine Kodierung verwendet. In einem zweiten Beispiel wird weder Kodierung noch Dithering verwendet.
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Der Mehrfachausgangs-Hochsetzschalter 625 erzeugt eine erste regulierte Spannung VMLS1, eine zweite regulierte Spannung VMLS2, und eine dritte regulierte Spannung VMLS3, basierend auf einer Gleichspannungswandlung einer Batteriespannung VBATT. Auch wenn ein Beispiel mit drei regulierten Spannungen gezeigt wird, kann der Mehrfachausgangs-Hochsetzschalter 625 mehr oder weniger regulierte Spannungen erzeugen. In bestimmten Ausführungsvarianten wird zumindest ein Teil der regulierten Spannungen in Bezug auf die Batteriespannung VBATT hochgesetzt. In einigen Konfigurationen sind eine oder mehrere der regulierten Spannungen herabgesetzte Spannungen, die geringer als die Batteriespannung VBATT sind.
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Die Kondensatorbank 630 hilft dabei, die regulierten Spannungen, die durch den Mehrfachausgangs-Hochsetzschalter 625 erzeugt werden, zu stabilisieren. Beispielsweise arbeiten die Kondensatoren 631 bis 633 als entkoppelnde Kondensatoren.
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Der Filter 626 verarbeitet die Ausgabe der Schalterbank 627, um die Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA zu erzeugen. Durch das Steuern der Auswahl der Schalter 641 bis 643 über die Zeit auf der Basis des Einhüllendensignals wird die Leistungsverstärkerversorgungsspannung VPA erzeugt, um das Einhüllendensignal nachzuverfolgen.
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11A ist ein schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform eines gehäusten Moduls 800. 11B ist ein schematisches Blockschaubild eines Querschnitts durch das gehäuste Modul 800 der 11A entlang der Linien 11B-11B.
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Das gehäuste Modul 800 umfasst eine Schaltung oder einen Chip 801, oberflächenmontierte Komponenten 803, Drahtverbindungen 808, ein Gehäusesubstrat 820 und eine Häusungsstruktur 840. Das Gehäusesubstrat 820 umfasst Kontaktplättchen 806, welche auf darin angeordneten Leitern ausgebildet sind. Zusätzlich umfasst der Chip 801 Kontaktplättchen 804, und die Drahtverbindungen 808 sind genutzt worden, um die Kontaktplättchen 804 des Chips 801 an die Kontaktplättchen 806 des Gehäusesubstrats 820 anzubinden.
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Der Chip 801 umfasst einen Leistungsverstärker 846, der in Übereinstimmung mit jeder der hierin genannten Ausführungsformen ausgeführt werden kann.
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Das Gehäusesubstrat 820 kann dazu ausgelegt werden, eine Vielzahl von Komponenten aufzunehmen, wie etwa den Chip 801 und die oberflächenmontierten Komponenten 803, welche beispielsweise oberflächenmontierte Kondensatoren und/oder Induktivitäten umfassen können.
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Wie in 11B gezeigt, wird das gehäuste Modul 800 als eine Vielzahl von Kontaktplättchen 832 aufweisend dargestellt, welche auf derjenigen Seite des gehäusten Moduls 800 angebracht sind, welche der Seite gegenüberliegt, auf der der Chip 801 montiert ist. Eine derartige Konfiguration des gehäusten Moduls 800 kann dabei helfen, das gehäuste Modul 800 mit einer Schaltplatine wie etwa einer Telefonplatine eines drahtlosen Geräts zu verbinden. Die beispielhaften Kontaktplättchen 832 können dazu ausgelegt werden, HF-Signale, Vorspannungssignale, Niederversorgungsspannung(en)e und/oder Hochversorgungsspannung(en) für den Chip 801 und/oder die oberflächenmontierten Komponenten 803 bereitzustellen. Wie in 11B gezeigt, können die elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktplättchen 832 und dem Chip 801 durch Verbindungen 833 durch das Gehäusesubstrat 820 ermöglicht werden. Die Verbindungen 833 können elektrische Leitpfade durch das Gehäusesubstrat 820 hindurch bilden, wie etwa zu Durchkontaktierungen und Leiterbahnen eines mehrschichtigen laminierten Gehäusesubstrates zugehörig.
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In einigen Ausführungsformen kann das gehäuste Modul 800 auch eine oder mehrere Packungsstrukturen aufweisen, um zum Beispiel für Schutz zu sorgen und/oder die Handhabung des gehäusten Moduls 800 zu erleichtern. Eine derartige Packungsstruktur kann eine Überformungs- oder Einkapselungsstruktur 840 umfassen, die über dem Gehäusesubstrat 820 und den darauf angebrachten Komponenten und Chip(s) ausgebildet ist.
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Es sollte klar sein, dass ein oder mehrere Merkmale der vorliegenden Offenbarung auch in anderen Packungskonfigurationen, wie beispielsweise Flip-Chip-Konfigurationen implementiert werden können, auch wenn das gehäuste Modul 800 im Zusammenhang mit auf Drahtverbindungen basierenden elektrischen Verbindungen beschrieben worden ist.
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12 ist ein schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform einer Telefonplatine 900. Die Telefonplatine 900 umfasst das in den 11A-11B gezeigte Modul 800, welches daran befestigt ist. Auch wenn es aus Gründen der Übersichtlichkeit in 12 nicht dargestellt wird, kann die Telefonplatine 900 zusätzliche Komponenten und Strukturen aufweisen.
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Anwendungen
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Einige der oben beschriebenen Ausführungsformen haben Beispiele im Zusammenhang mit drahtlosen Geräten oder Mobiltelefonen bereitgestellt. Die Prinzipien und Vorteile der Ausführungsformen können jedoch für jedes andere System oder jedes andere Gerät genutzt werden, bei denen ein Bedarf an Leistungsverstärkersystemen besteht.
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Derartige Einhüllendennachverfolger können in verschiedentlichen elektronischen Geräten implementiert werden. Beispiele dieser elektronischen Geräte können einschließen - aber nicht darauf beschränkt sein - Unterhaltungselektronikprodukte, Teile von Unterhaltungselektronikprodukten, elektronische Prüfgeräte usw. Beispiele für elektronische Vorrichtungen können auch einschließen - aber nicht darauf beschränkt sein - Speicherchips, Speichermodule, Schaltungen optischer Netzwerke oder anderer Kommunikationsnetzwerke und Festplattentreiberschaltungen. Die Unterhaltungselektronikprodukte können einschließen - aber nicht darauf beschränkt sein - ein Mobiltelefon, ein Telefon, ein Fernseher, ein Computermonitor, ein Computer, ein tragbarer Computer, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), eine Mikrowelle, ein Kühlschrank, ein Automobil, eine Stereoanlage, ein Kassettenrecorder oder -spieler, ein DVD-Spieler, ein CD-Spieler, ein Videorecorder, ein MP3-Spieler, ein Radio, ein Camcorder, eine Kamera, eine Digitalkamera, ein tragbarer Speicherchip, eine Waschmaschine, ein Trockner, ein Kombination aus Waschmaschine und Trockner, ein Kopierer, ein Faxgerät, ein Scanner, eine multifunktionale Peripherievorrichtung, eine Armbanduhr, eine Uhr usw. Darüber hinaus können die elektronischen Geräte auch unfertige Produkte beinhalten.
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Schlussbemerkungen
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Sofern der Kontext nicht eindeutig etwas Anderes erfordert, sind die Worte „umfassen“, „umfassend“ und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen in einem inklusiven Sinne auszulegen, im Gegensatz zu einem exklusiven oder erschöpfenden Sinne; das heißt, im Sinne von „einschließlich, aber nicht beschränkt auf. Das Wort „gekoppelt“, wie hier allgemein verwendet, bezieht sich auf zwei oder mehrere Elemente, die entweder direkt miteinander verbunden sind oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Ebenso bezieht sich das Wort „verbunden“, wie es hier allgemein verwendet wird, auf zwei oder mehrere Elemente, die entweder direkt verbunden sind oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Darüber hinaus beziehen sich die Worte „hier“, „oben“, „unten“ und Worte von ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung als Ganzes und nicht auf einen bestimmten Teil dieser Anmeldung. Wenn der Kontext es zulässt, können Wörter in der obigen Detailbeschreibung mit der Ein- oder Mehrzahl auch die Mehr- oder Einzahl beinhalten. Das Wort „oder“ in Bezug auf eine Liste von zwei oder mehr Elementen deckt alle folgenden Interpretationen des Wortes ab: eines der Elemente in der Liste, alle Elemente in der Liste und jede Kombination der Elemente in der Liste.
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Darüber hinaus ist die hier verwendete bedingte Sprache, wie unter anderem „könnte unter Umständen“, „könnte“, „könnte möglicherweise“, „kann“, „z.B.“, „wie“ und dergleichen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder anderweitig im Rahmen des verwendeten Kontexts verstanden, im Allgemeinen dazu bestimmt, zu vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände beinhalten, während andere Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände nicht beinhalten. Daher ist eine solche bedingte Sprache im Allgemeinen nicht dazu bestimmt, zu implizieren, dass Merkmale, Elemente und/oder Zustände in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind, oder dass eine oder mehrere Ausführungsformen notwendigerweise eine Logik beinhalten, um zu entscheiden, ob diese Merkmale, Elemente und/oder Zustände in einer bestimmten Ausführungsform enthalten sind oder ausgeführt werden sollen, mit oder ohne Einbindung oder Aufforderung durch den Autor.
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Die vorstehende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung soll nicht abschließend sein oder die Erfindung auf die vorstehend offenbarte genaue Form beschränken. Während spezifische Ausführungsformen und Beispiele für die Erfindung vorstehend zur Veranschaulichung beschrieben sind, sind im Rahmen der Erfindung verschiedene gleichwertige Änderungen möglich, wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen werden. Während beispielsweise Prozesse oder Blöcke in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt werden, können alternative Ausführungsformen Routinen mit Schritten ausführen oder Systeme mit Blöcken in einer anderen Reihenfolge verwenden, und einige Prozesse oder Blöcke können gelöscht, verschoben, hinzugefügt, unterteilt, kombiniert und/oder geändert werden. Jeder dieser Prozesse oder Blöcke kann auf unterschiedliche Weise implementiert werden. Auch während Prozesse oder Blöcke manchmal als in Serie ausgeführt dargestellt werden, können diese Prozesse oder Blöcke stattdessen parallel oder zu unterschiedlichen Zeiten ausgeführt werden.
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Die Lehren der hier angegebenen Erfindung können auf andere Systeme angewendet werden, nicht unbedingt auf das vorstehend beschriebene System. Die Elemente und Handlungen der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden.
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Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindungen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur als Beispiel dargestellt und sollen den Umfang der Offenbarung nicht einschränken. Tatsächlich können die hier beschriebenen neuen Verfahren und Systeme in einer Vielzahl anderer Ausbildungen umgesetzt werden; ferner können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen in der Ausbildung der hier beschriebenen Methoden und Systeme vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Offenbarung abzuweichen. Die beiliegenden Ansprüche und deren äquivalente Ausbildungen sollen solche Ausbildungen oder Modifikationen abdecken, die in den Schutzbereich und den Grundgedanken der Offenbarung fallen.
