DE10361660A1

DE10361660A1 - Leistungsverstärkeranordnung und Verfahren zum Verstärken eines Signals

Info

Publication number: DE10361660A1
Application number: DE2003161660
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Fenk
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkeranordnung. Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip sind mehrere parallel geschaltete Verstärker (13, 14; 15, 16) vorgesehen, welche von einer Steuereinheit (25, 26) aktiviert und deaktiviert werden können. Mit Mitteln zur Impedanzanpassung (9, 9', 9'') wird eine Impedanz- und Leistungsanpassung an den Ausgang (2) bewirkt, an dem beispielsweise eine Sendeantenne (10) anschließbar ist. Dadurch ergibt sich mit Vorteil über den gesamten Ausgangsleistungsbereich hinweg ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad und damit eine Stromersparnis. Der vorgeschlagene Leistungsverstärker ist besonders zur Anwendung in Mobilfunkgeräten geeignet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkeranordnung, die Verwendung der Leistungsverstärkeranordnung in einer Funk-Sendeanordnung und ein Verfahren zum Verstärken eines Signals.

Hochfrequenz-Leistungsverstärker werden im Mobilfunk sowohl in den Mobilgeräten, als auch in den Basisstationen eingesetzt. Eine Optimierung der Leistungsanpassung des Leistungsverstärkers an eine Sendeantenne erfolgt normalerweise für die geforderte Nennleistung der Sendeanordnung. Der Leistungsverstärker wird dabei auch als PA, Power Amplifier, bezeichnet. Dabei erfolgt die Leistungsanpassung so, daß die sogenannte Power Added Efficiency, PAE, welche in Prozent angegeben wird, möglichst groß ist.

In dem Aufsatz von J.-E. Mueller et al.: A 3V Small Chip Size GSM HBT Power MMIC with 56% PAE, Conference Proceedings GA-AAS2000, Paris October 2000, ist ein dreistufiger Leistungsverstärker für GSM-Anwendungen beschrieben.

In dem Dokument von A. Heinz et al.: A Monolithic 2.8V, 3.2W Silicon Bipolar Power Amplifier with 54% PAE at 900 MHz ist ein zweistufiger monolithisch integrierter Leistungsverstärker angegeben. Dieser umfaßt drei integrierte Transformatoren. Anhand der beiden angeführten, bekannten Leistungsverstärker wird deutlich, daß eine Optimierung der Effizienz und des Wirkungsgrades vor allem im Hinblick auf die Nenn-Ausgangsleistung in je einem konzentrierten Treiber bzw. ei ner konzentrierten Endstufe durchgeführt werden. Bei Gegentaktanordnungen werden statt eines Transistors zwei Stufen eingesetzt. Eine begrenzte Anpassung des Wirkungsgrads auf die aktuelle Sendeleistungseinstellung wird dadurch versucht zu erhalten, daß eingangsseitig am Basisanschluß bzw. am Gate des Endstufentransistors das Bias-Signal variiert wird.

Gemäß der Spezifikation des Mobilfunkstandards GSM, Global System for Mobile Communication, ist für die Mobilgeräte im 900 MHz Frequenzband beispielsweise eine maximale Nenn-Ausgangsleistung von 2 Watt gefordert. Die Wahrscheinlichkeit, daß im normalen Betrieb tatsächlich mit dieser Nennleistung gefunkt wird, liegt jedoch bei lediglich 2 %. Die meiste Zeit über wird vielmehr mit einer Leistung von lediglich 0,250 W gesendet. Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß mit der mittleren Leistung von 250 mW gesendet wird, beträgt 15 %. Während die PAE bei der Nennleistung typischerweise ca. 45 % beträgt, ist bei der typisch auftretenden Sendeleistung von 250 mW die PAE jedoch deutlich geringer und beträgt häufig beispielsweise lediglich ca. 15 %.

Bei mobilen Funk-Endgeräten sind die Standby-Zeit und die Sprechzeit, die zwischen zwei Aufladezyklen maximal möglich sind, besonders wichtige Parameter. Die Sprechzeit ist dabei die Zeitdauer, in der ein ununterbrochenes Telefonat bei voll aufgeladenem Akku möglich ist. Die Sprechzeit wird jedoch wesentlich durch den Stromverbrauch des Leistungsverstärkers bestimmt. Dieser wiederum ist wesentlich durch den verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers im mittleren, typischen Leistungsbereich bestimmt.

Eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads des Leistungsverstärkers würde demnach bei gleicher Batteriekapazität eine vielfach längere Sprechzeit erlauben. Bei gleicher geforderter Sprechzeit wären die nötige Akku-Kapazität und damit die Kosten für den Akkumulator auf einen Bruchteil verringert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungsverstärkeranordnung anzugeben, deren Wirkungsgrad verbessert und die für den Betrieb in Mobilfunkgeräten geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Leistungsverstärkeranordnung durch eine Leistungsverstärkeranordnung gelöst, umfassend

– einen Eingang und einen Ausgang,
– einen ersten Signalpfad, der den Eingang mit dem Ausgang koppelt und der einen ersten Verstärker umfaßt,
– ein erstes Mittel zur Impedanzanpassung im ersten Signalpfad, das den ersten Verstärker mit dem Eingang oder dem Ausgang koppelt,
– einen zweiten Signalpfad, der den Eingang mit dem Ausgang koppelt und der einen zweiten Verstärker umfaßt,
– ein zweites Mittel zur Impedanzanpassung im zweiten Signalpfad, das den zweiten Verstärker mit dem Eingang oder dem Ausgang koppelt,
– eine Steuereinrichtung, die mit dem ersten Signalpfad und/oder dem zweiten Signalpfad zum Aktivieren und Deaktivieren des ersten und/oder des zweiten Verstärkers in Abhängigkeit von einer gewünschten Verstärkung der Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt ist.

Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird die maximal benötigte Leistung der Leistungsverstärkeranordnung nicht in einer einzigen, konzentrierten Endstufe erzeugt, sondern es werden mehrere, zumindest zwei, Stufen parallel geschaltet. Die An zahl der parallel geschalteten Stufen hängt dabei von der Anwendung ab.

Mit der Steuereinrichtung wird, je nach gerade gewünschter Verstärkung oder Ausgangsleistung, eine geeignete Anzahl von Verstärkern in der Verstärkeranordnung aktiviert.

Mit den Mitteln zur Impedanzanpassung ist es mit Vorteil möglich, die einzelnen, parallel geschalteten Verstärker jeweils bezüglich des Wirkungsgrads zu optimieren.

Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip ist eine sehr viel bessere Impedanzanpassung über den gesamten Leistungsbereich der Verstärkeranordnung gewährleistet. Dadurch ergibt sich eine besonders geringe Verlustleistung. Insbesondere ist bei einer geringeren Ausgangsleistung als der Nennleistung der Wirkungsgrad, die sogenannte Power Added Efficiency, PAE, deutlich verbessert.

Die Verknüpfung der Verstärker in der beschriebenen Parallelschaltung erfolgt bevorzugt mittels Hochfrequenz-Transformatoren. Dadurch können die Verluste noch weiter reduziert werden.

Die Hochfrequenz-Transformatoren können bevorzugt an der Eingangsseite der Verstärker vorgesehen sein und die Eingänge der einzelnen Verstärker mit dem Eingang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln.

Ebenso ist es vorteilhaft, alternativ oder zusätzlich weitere transformatorische Übertrager vorzusehen, die die Ausgänge der Verstärker mit dem Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln.

Anstelle der transformatorischen Übertrager können auch beliebige andere LC-Netzwerke oder noch andere Mittel zur Impedanzanpassung vorgesehen sein.

Die transformatorischen Übertrager haben mit Vorteil je einen Anschluß, der mit der Steuereinheit verbunden ist und mit dem der jeweilige Hochfrequenz-Transformator aktiviert und deaktiviert werden kann.

Weiter bevorzugt können der oder die transformatorischen Übertrager zur Spannungsversorgung mindestens einer der mehreren parallel geschalteten Verstärker einen Steuereingang haben, der mit der Steuereinheit verbunden ist. Durch Zu- und Abschalten der Versorgungsspannung des jeweiligen Verstärkers kann dieser aktiviert und deaktiviert werden.

Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil an den transformatorischen Übertragern je ein Anschluß zum Zuführen eines Bias-Signals für den jeweils zugeordneten Verstärker vorgesehen. Der Bias-Anschluß ist mit der Steuereinheit verbunden. Dadurch kann mit Vorteil beispielsweise der Arbeitspunkt des jeweiligen Verstärkers eingestellt und/oder von der Steuereinheit bestimmt werden.

Die Leistungsverstärkeranordnung kann mit Vorteil in symmetrischer Schaltungstechnik ausgeführt sein. Dabei können die einzelnen Verstärker jeweils doppelt ausgeführt sein für je einen Zweig der symmetrischen Zweige der Schaltung. Jeweils ein Paar einander zugeordneter Verstärker kann mit Vorteil mit einem gemeinsamen transformatorischen Übertrager an dem Eingang und/oder dem Ausgang des Leistungsverstärkers angekoppelt sein.

Die parallel geschalteten Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung umfassen bevorzugt jeweils zumindest einen Feldeffekttransistor zur eigentlichen Signalverstärkung. Dadurch kann mit Vorteil die gesamte Leistungsverstärkeranordnung in einem Metal Oxide Semiconductor, MOS-Herstellungsverfahren realisiert sein.

Alternativ kann zur Signalverstärkung in den Verstärkern der Leistungsverstärkeranordnung auch je zumindest ein Bipolartransistor vorgesehen sein. Somit kann die Leistungsverstärkeranordnung in einer bipolaren Schaltungstechnik, bevorzugt in Gallium-Arsenid, GaAs hergestellt sein.

Dem zumindest einen Transistor der Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung kann bevorzugt jeweils ein Kaskode-Transistor zur Bildung einer jeweiligen Kaskodestufe zugeordnet sein. Dadurch wird mit Vorteil die Rückwärts-Isolation verbessert. Zudem wird die Stabilität des Verstärkers erhöht, insbesondere bei mehrstufigen Verstärkeranordnungen.

Die beschriebene Leistungsverstärkeranordnung ist bevorzugt in einer Funk-Sendeanordnung anwendbar. Hierfür ist es bevorzugt vorgesehen, an den Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung eine Sendeantenne anzukoppeln.

Insbesondere kann die beschriebene Leistungsverstärkeranordnung mit Vorteil zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen in Basisstationen oder Mobilgeräten des Mobilfunks eingesetzt werden.

Die Verstärker können jeweils für die gleiche Signalverstärkung ausgelegt sein. Die Verstärker können auch binär abge stuft ausgelegt sein. Weiterhin kann die Abstufung beispielsweise so erfolgen, daß vier der parallel geschalteten Verstärker jeweils eine Ausgangsleistung von 500 mW bereitstellen, während zwei weitere jeweils für den Leistungsbereich bis 100 mW ausgelegt sind. Ein zusätzlicher Verstärker ist bevorzugt für den Leistungsbereich von 3–30 mW entsprechend 5–15 dBmW ausgelegt.

Einige oder alle Verstärker der Leistungsverstärkeranordnung können einzelne oder gemeinsame Treiberstufen haben. Diese Treiberstufen können bevorzugt über weitere transformatorische Kopplungen mit dem Eingang der Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt sein und zudem über transformatorische Kopplungen mit den mehreren Verstärkern an deren Eingängen. Diejenige Verstärkerstufe, die für den geringsten Leistungsbereich ausgelegt ist, kann mit Vorteil als Bypass-Verstärkerstufe unter Umgehung von Treiberstufen unmittelbar über je einen transformatorischen Übertrager den Eingang mit dem Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln. Hierdurch ist es möglich, die Verlustleistung noch weiter zu reduzieren, da alle anderen Verstärkerstufen einschließlich der Treiberstufen im kleinsten Verstärkerbereich deaktiviert werden können.

Die Treiberstufe kann mit Vorteil zu ihrem Aktivieren und Deaktivieren mit der Steuereinheit gekoppelt sein.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Leistungsverstärkeranordnung gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkers zum Einsatz in der Leistungsverstärkeranordnung von 1,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verstärkers,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers und
5 anhand eines Diagramms des Wirkungsgrades aufgetragen über der Ausgangsleistung die Wirkungsweise des vorgeschlagenen Prinzips.
1 zeigt eine Leistungsverstärkeranordnung mit einem Eingang 1 und einem Ausgang 2. An den Eingang 1, der symmetrisch und zur Führung von Differenzsignalen ausgebildet ist, ist die Primärseite eines Hochfrequenz-Transformators 3 angeschlossen. Sekundärseitig ist der Transformator 3 einerseits über je eine Vorstufe 4, 5 mit der Primärseite eines weiteren Hochfrequenz-Transformators 6 verbunden. Der Transformator 3 ist sekundärseitig weiterhin über je einen Bypass-Verstärker 7, 8 mit einer Primärseite eines weiteren Hochfrequenz-Transformators 9 verbunden. Die Sekundärseite des Hochfrequenz-Transformators 9 bildet den Ausgang 2 der Verstärkeranordnung und ist an eine Antenne 10 angekoppelt.
Jeweils eine Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des dritten Transformators 3 ist mit einem Steuerblock 11 verbunden, der von einer Steuereinheit 11, 12, 25, 26 umfaßt ist. Eine Mittenanzapfung der Primärseite des Transformators 6 ist mit einem Steuerblock 12 verbunden. Sekundärseitig sind am Hochfrequenz-Transformator 6 insgesamt sechs Wicklungen vorgesehen, welche jeweils zwei Anschlüsse haben, die mit je einem Eingang eines Verstärkerpaares verbunden sind. Die sechs Verstärkerpaare umfassen je zwei Verstärker 13, 14; 15, 16; 17, 18; 19, 20; 21, 22; 23, 24. Ausgangsseitig ist je ein Verstärkerpaar 13, 14; 15, 16; 17, 18; 19, 20; 21, 22; 23, 24 an je einen Anschluß einer Primärwicklung angeschlossen, welche jeweils eine Primärseite des Transformators 9 bilden. Alle an den Eingängen und Ausgängen der Verstärker 13 bis 24 angeschlossenen Sekundärwicklungen des Transformators 6 und Primärwicklungen des Transformators 9 haben je eine Mittenanzapfung. Die Wicklungen des Transformators 6, die dessen Sekundärseite bilden, sind über je eine Mittenanzapfung mit einem Steuerblock 25 verbunden. Mittenanzapfungen der Wicklungen der Primärseite des Transformators 9 sind mit einem Steuerblock 26 verbunden. Die Steuerblöcke 11, 12, 25, 26 bilden gemeinsam die Steuereinheit 11, 12, 25, 26 zum Ansteuern der Leistungsverstärkeranordnung.
Der Steuerblock 11 ist ausgelegt zum Zuführen einer je zu- und abschaltbaren Bias-Spannung für die Bypass-Verstärker 7, 8 sowie für die Vorstufen 4, 5. Der Steuerblock 12 ist ausgelegt zum Zuführen einer Versorgungsspannung für die Verstärker der Vorstufe 4, 5. Der Steuerblock 25 ist ausgelegt zum Zuführen je einer zu- und abschaltbaren Bias-Spannung für die Verstärker 13 bis 24. Der Steuerblock 26 ist ausgelegt zum Zuführen je einer Versorgungsspannung für die Verstärker 13 bis 24.
Die Verstärker 13 bis 20 haben, jeweils paarweise und in Verbindung mit der Vorstufe 4, 5, eine maximale Ausgangsleistung von 500 mW. Werden alle Stufen 13 bis 20 aktiviert, so ist demnach eine maximale Ausgangsleistung von 2 W möglich. Die Verstärker 21, 22 sowie 23, 24 sind paarweise in Verbindung mit der Vorstufe für je 100 mW Leistung ausgelegt.
Die Bypass-Verstärker 7, 8 sind in einem Leistungsbereich von 3 mW bis 30 mW vorgesehen.
Bei Aktivieren des Leistungsbereichs bis 30 mW, nämlich durch Aktivieren der Verstärker 7, 8, ist vorgesehen, die übrigen Verstärker 4, 5 sowie 13 bis 24 völlig abzuschalten, so daß für den niedrigen Leistungsbereich das Eingangssignal ausschließlich mit den Verstärkern 7, 8 verstärkt wird. Durch die Bypass-Anordnung ist somit ein Entstehen unnötiger Verlustleitung in den Stufen 13 bis 24 sowie den Vorstufen 4, 5 bei Betrieb mit niedriger Ausgangsleistung vermieden.
Mit den Hochfrequenz-Transformatoren 3, 6, 9 ist im jeweils benötigten Leistungsbereich eine verbesserte Leistungs- beziehungsweise Impedanzanpassung möglich, insbesondere an die Antenne 10.
Die Primärwicklungen des Transformators 9 sind auf die Impedanzen der jeweils angeschlossenen Verstärker 7, 8, 13 bis 24 ausgelegt. So sind die vier Wicklungen der Primärseite des Transformators 9, die den Verstärkern 13 bis 20 zugeordnet sind, auf die Impedanz dieser 0,5 W-Stufen ausgelegt. Die Wicklungen, die an die Verstärker 21 bis 24 angeschlossen sind, sind auf die Impedanz der 100 mW-Stufen ausgelegt. Diejenige Wicklung des Transformators 9, die an die Verstärker 7, 8 angeschlossen ist, ist auf die Ausgangsleistung dieser Stufe von 3 bis 30 mW ausgelegt. Somit ergibt sich in allen Arbeitspunkten stets eine günstige Leistungsanpassung mit hohem Wirkungsgrad.
Die Ausgangsbetriebsspannung der Verstärker 13 bis 24 sowie 7, 8 wird über die Primärwicklungen des Transformators 9 mit dem Funktionsblock 26 bereitgestellt und entweder aus einer gemeinsamen Versorgungsspannung oder aus getrennten Versorgungsspannungen gespeist. Die eingangsseitige Versorgung der Verstärker-Endstufen 13 bis 24 erfolgt über den Funktionsblock 25. Der Funktionsblock 25 schaltet dabei die jeweiligen benötigten Stufen ein oder aus und sorgt außerdem für den erforderlichen, dynamischen Bias-Arbeitspunkt. In Analogie hierzu werden die Eingangsstufen 4, 5 sowie die Bypass-Verstärker 7, 8 mit dem Funktionsblock 11 aktiviert und deaktiviert sowie bezüglich ihres Arbeitspunktes festgelegt. Die Verstärker 4, 5 erhalten ihre Betriebsspannung über den Funktionsblock 12.
Da gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip die Nennleistung nicht in einer konzentrierten Endstufe erzeugt wird, sondern durch Parallelschaltung der Verstärker 13 bis 24 und deren Verknüpfung mittels eines Hochfrequenz-Transformators 6 auf der Eingangsseite der Ausgangsstufe und eines weiteren Hochfrequenz-Transformators 9 ausgangsseitig an der Endstufe erfolgt, ist gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip der Wirkungsgrad über den gesamten einstellbaren Ausgangsleistungsbereich hinweg verbessert. Dadurch ist eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs des Leistungsverstärkers über den gesamten Leistungsbereich hinweg bedingt. Insbesondere im Bereich von 250 mW, bei dem die meiste Zeit gesendet wird, ist der Wirkungsgrad nach dem vorgeschlagenen Prinzip ungefähr auf das Dreifache gesteigert. Dadurch kann bei Einsatz der Schaltung als Leistungsverstärker in einem Mobilfunksender die Sprechzeit deutlich erhöht werden, ebenso wie die Standby-Zeit. Bei gleicher gewünschter Standby- und Sprechzeit kann die Batterie deutlich kleiner sein, was wiederum eine signifikante Gewichts- und Kostenersparnis bedeutet.
Die Verstärker 4, 5 könnten auch mehrstufig ausgeführt sein. Die Verstärker 4, 5 könnten ebenfalls auch in der Eingangsstufe aus parallel geschalteten Stufen analog zur Endstufe 13 bis 24 ausgeführt sein. Weiterhin könnten alternativ mehr oder weniger Verstärker 13 bis 24 in der Endstufe parallel geschaltet werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verstärker 4, 5, 13 bis 24 von 1. Dabei sind die Verstärker 4, 5, 13 bis 24 mit je einem Metal Oxide Semiconductor, MOS-Transistor 27 ausgeführt. Der Gate-Anschluß des MOS-Transistors 27 bildet den Eingang des Verstärkers, der beispielhaft mit Bezugszeichen 13 versehen ist. Die gesteuerte Strecke des unipolaren Feldeffekttransistors 27 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 13 und Bezugspotential geschaltet. Der Transistor 27 von 2 ist bevorzugt in LDMOS-Schaltungstechnik ausgebildet.
Alternativ können die Verstärker 4, 5, 13 bis 24 auch wie in 3 gezeigt als Verstärker 13' mit einem Bipolartransistor 28 ausgeführt sein. Dabei ist der Basisanschluß des Transistors 28 der Eingang des Verstärkers 13'. Der Kollektoranschluß ist mit dem Ausgang des Transistors 13' verbunden. Der Emitteranschluß ist auf Bezugspotential gelegt.
Die gezeigte Realisierung in bipolarer Schaltungstechnik erfolgt bevorzugt in einem Silizium-Herstellungsverfahren oder in Gallium-Arsenid-Technik.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Bypass-Verstärker 7, 8. Zusätzlich zu der Transistorstufe mit Bipolar-Transistor 28 ist eine Kaskodestufe 29 nachgeschaltet. Der Kaskode-Transistor 29 ist mit seinem Emitteranschluß mit dem Kollektoranschluß des Verstärkertransistors 28 und mit seinem Kollektoranschluß an den Ausgang geschaltet. Der Basisanschluß des Kaskode-Transistors 29 ist über eine Kapazität gegen Bezugspotential geschaltet. Durch die Kaskodestufe 29 wird bezüglich der Bypass-Verstärker 7, 8 die Rückwärts-Isolation deutlich verbessert. Zudem wird die Stabilität der Verstärkeranordnung verbessert, besonders im Betrieb der Vorstufe 4, 5 mit einem oder mehreren der Ausgangsverstärker 13 bis 24, also mit mehreren, hintereinander geschalteten Verstärkerstufen.
5 zeigt anhand eines Schaubildes den Wirkungsgrad sowie die Wahrscheinlichkeit aufgetragen über der Ausgangsleistung. Der Wirkungsgrad ist an der linken Skala eingetragen und in Prozent angegeben. Der Wirkungsgrad eines Sende-Leistungsverstärkers ist als PAE, Power Added Efficiency, in Prozent angegeben. An der rechten Achse ist die Wahrscheinlichkeit, ebenfalls in Prozent, angegeben. Die Ausgangsleistung Pout ist in dBmW und vorliegend in einem Intervall von 5 bis 33 dBmW angegeben.
Die Kurve A beschreibt den Verlauf des Wirkungsgrades über der Ausgangsleistung bei einem herkömmlichen Sende-Leistungsverstärker. Man erkennt, daß der maximale Wirkungsgrad von 45 % nur genau bei der Nennleistung von 33 dBm erreicht wird.
Zu geringeren Ausgangsleistungen hin fällt der Wirkungsgrad deutlich ab. Die Kurve I beschreibt die typische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Ausgangsleistung einer Funkverbindung bei GSM 900. Man erkennt, daß mit größter Wahrscheinlichkeit nicht mit der Nennleistung gesendet wird, sondern vielmehr mit einer deutlich geringeren Sendeleistung von 250 mW. Bei dieser typischen Leistung ist der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Sende-Leistungsverstärkers, wie mit Kurve A gezeigt, jedoch deutlich geringer und beträgt beispielsweise nur ca. 15 %. Die Kurven B bis H zeigen den Verlauf des Wirkungsgrades des Sende-Leistungsverstärkers von 1. Die Kurve B bis H setzt sich aus einzelnen Teilen zusammen, je nachdem, welcher oder welche Verstärker der Schaltung von 1 aktiviert sind. Aufgrund der vorgeschlagenen Gewichtung in verschiedene Leistungsklassen, welche jeweils für den Wirkungsgrad optimiert sind, ergibt sich ein Wirkungsgrad von zwischen 35 und 65 % über den gesamten Leistungsbereich von 5 bis 33 dBm hinweg. Im Bereich der Kurve H, nämlich von 5 bis 15 dBm Ausgangsleistung sind nur die Bypass-Verstärker 7, 8 aktiv. Alle anderen Verstärker sind abgeschaltet. Im Bereich der Kurven F und G, also von 15 dBm bis 21 dBm, sind die Bypass-Verstärker abgeschaltet. Vielmehr sind in diesem Bereich die Treiber 4, 5 aktiv sowie die Stufen 21, 22 und/oder 23, 24. Die Verstärker 13 bis 20 sind abgeschaltet. Im Bereich von 21 dBm bis 33 dBm, also im Bereich der Kurven B, C, D, E, sind die Verstärker 4, 5 aktiv sowie sukzessive die 0,5 W-Endstufen 13, 14 bis 19, 20 zugeschaltet.
Pro Stufe ergibt sich mit dem vorgeschlagenen Prinzip demnach ein deutlich schmalerer Ausgangsleistungsbereich. Dadurch ergibt sich auch eine deutlich geringere Ausgangsimpedanzänderung über dem Bereich, den eine einzelne Stufe abdecken muß. Insgesamt wird der Wirkungsgrad nicht nur im Bereich der 0,5 W-Stufen, sondern auch im Bereich der 0,1 W-Stufen deutlich verbessert. Bei geringeren Leistungen ergibt sich sogar ein noch höherer Wirkungsgrad als bei hohen Leistungen.
Alternativ zu der in 1 gezeigten Anordnung kann die Leistungsverstärkeranordnung auch unsymmetrisch aufgebaut sein. In diesem Fall können alle Schaltungsteile in der unteren Bildhälfte, also unterhalb der Strichlinie, entfallen.
Bei zukünftigen Mobilfunkgeräten der zweiten, dritten und eventuell vierten Generation wird die Forderung der Abdeckung von noch mehr Frequenzbändern eine noch größere Rolle spielen. So wird es beispielsweise erforderlich sein, im Bereich von 400–900 MHz vier Frequenzbänder abdecken zu können und im Bereich von 1,7–2,2 GHz noch einmal vier bis sechs Frequenzbänder abdecken zu können. Die vorgeschlagene Hochfrequenz-Transformatorkopplung mit der verteilten Verstärkung bietet hier noch weitere Vorteile, da eine breitbandige Leistungsübertragung möglich ist. Eine ausreichende Miniaturisierung zu erzielen, ist durch geeignete Anordnung der Transformatorkopplungen möglich. So können beispielsweise die Transformatoren 3, 6 auf einem integrierten Halbleiterschaltkreis in Silizium-Germanium, auf dem auch die Leistungsverstärker angeordnet sind, integriert werden. Ebenso ist eine Integration auch auf einem Silizium-CMOS- oder LDMOS-Chip möglich.
Da der ausgangsseitige Transformator 9 jedoch verhältnismäßig hohe Güten und eine verlustarme Transformation der niedrigen Ausgangsimpedanzen der Leistungsstufen auf die höheren Transformator-Ausgangsimpedanzen von z. B. 50–100 Ohm erfordert, ist es besonders vorteilhaft, den Ausgangstransformator 9 in einer sogenannten passiven Integration mit mehreren Metalli sierungslagen oder auch in einer Laminat- oder LTCC-, low-temperature co-fired ceramic-, Technologie auszuführen.

1: Eingang
2: Ausgang
3: Transformator
4: Vorverstärker
5: Vorverstärker
6: Transformator
7: Bypass-Verstärker
8: Bypass-Verstärker
9: Transformator
10: Antenne
11: Steuerblock
12: Steuerblock
13: Verstärker
13': Verstärker
14: Verstärker
15: Verstärker
16: Verstärker
17: Verstärker
18: Verstärker
19: Verstärker
20: Verstärker
21: Verstärker
22: Verstärker
23: Verstärker
24: Verstärker
25: Steuerblock
26: Steuerblock
27: MOS-Transistor
28: Bipolar-Transistor
29: Kaskode-Stufe

Claims

Leistungsverstärkeranordnung, umfassend – einen Eingang (1) und einen Ausgang (2), – einen ersten Signalpfad, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) koppelt und der einen ersten Verstärker (13, 14) umfaßt, – ein erstes Mittel zur Impedanzanpassung (9') im ersten Signalpfad, das den ersten Verstärker (13, 14) mit dem Eingang oder dem Ausgang koppelt, – einen zweiten Signalpfad, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) koppelt und der einen zweiten Verstärker (15, 16) umfaßt, – ein zweites Mittel zur Impedanzanpassung (9'') im zweiten Signalpfad, das den zweiten Verstärker (15, 16) mit dem Eingang oder dem Ausgang koppelt, – eine Steuereinrichtung (25, 26), die mit dem ersten Signalpfad und/oder dem zweiten Signalpfad zum Aktivieren und Deaktivieren des ersten und/oder des zweiten Verstärkers (13, 14; 15, 16) in Abhängigkeit von einer gewünschten Verstärkung der Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Mittel zur Impedanzanpassung (9') und das zweite Mittel zur Impedanzanpassung (9'') jeweils zumindest eine Induktivität oder Kapazität umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung des ersten und des zweiten Verstärkers (13, 14; 15, 16) mit dem Eingang (1) und/oder mit dem Ausgang (2) der Leistungsverstärkeranordnung ein transformatorischer Übertrager (6, 9) vorgesehen ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß – zur Kopplung des ersten und des zweiten Verstärkers (13, 14; 15, 16) mit dem Eingang (1) der Leistungsverstärkeranordnung je ein transformatorischer Übertrager (6) vorgesehen ist und daß – zur Kopplung des ersten und des zweiten Verstärkers (13, 14; 15, 16) mit dem Ausgang (2) der Leistungsverstärkeranordnung je ein transformatorischer Übertrager (9', 9'') vorgesehen ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 14; 15, 16) zugeordnete transformatorische Übertrager (6) zum Zu- und Abschalten des ersten und/oder zweiten Verstärkers (13, 14; 15, 16) einen Steuereingang hat, der mit der Steuereinheit (25, 26) verbunden ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 14; 15, 16) zugeordnete transformatorische Übertrager (9) zur Spannungsversorgung des ersten und/oder zweiten Verstärkers einen Steuereingang hat, der mit der Steuereinheit (25, 26) verbunden ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 14; 15, 16) zugeordnete transformatorische Übertrager (6) zum Zuführen eines Bias-Signals für den ersten und/oder zweiten Verstärker (13, 14; 15, 16) einen Bias-Anschluß hat, der mit der Steuereinheit (25, 26) verbunden ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverstärkeranordnung in symmetrischer Schaltungstechnik ausgeführt ist.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (13, 14; 15, 16) je zumindest einen Feldeffekttransistor (27) zur Signalverstärkung umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (13, 14; 15, 16) je zumindest einen Bipolartransistor (28) zur Signalverstärkung umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (13, 14; 15, 16) je zumindest einen Transistor zur Signalverstärkung mit zugeordneter Kaskode-Stufe (29) umfassen.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die Leistungsverstärkeranordnung mehrere Verstärkerstufen (4, 5; 13, 14) umfaßt.
Leistungsverstärkeranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass-Signalpfad vorgesehen ist, der den Eingang (1) mit dem Ausgang (2) mit einem einstufigen Verstärker (7, 8) verbindet.
Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverstärkeranordnung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut ist.
Verwendung einer Leistungsverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Funk-Sendeanordnung.
Verfahren zum Verstärken eines Signals mit den Schritten: – Bereitstellen einer ersten Impedanzanpassung eines ersten Verstärkers (13) an einen Eingang (1) oder einen Ausgang (2) einer Leistungsverstärkeranordnung, – Bereitstellen einer zweiten Impedanzanpassung eines zweiten Verstärkers (15) an den Eingang (1) oder den Ausgang (2) der Leistungsverstärkeranordnung und – Aktivieren zumindest eines der Verstärker (13, 15), die zwischen den Eingang (1) und den Ausgang (2) der Leistungsverstärkeranordnung geschaltet sind, in Abhängigkeit von einer gewünschten Verstärkung des Signals.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Bereitstellen der ersten Impedanzanpassung und Bereitstellen der zweiten Impedanzanpassung mittels transformatorischer Kopplung (6, 9).
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch Zu- und Abschalten der Verstärker (13, 15) durch Anlegen von Steuersignalen an Steuereingänge von transformatorischen Übertragern (6, 25).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Spannungsversorgung für die Verstärker (13, 15) über transformatorische Übertrager (9, 26).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch Zuführen eines Bias-Signals für die Verstärker (13, 15) über transformatorische Übertrager (6, 25).