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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkeranordnung,
die Verwendung der Leistungsverstärkeranordnung in einer Funk-Sendeanordnung
und ein Verfahren zum Verstärken
eines Signals.
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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.
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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.
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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.
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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 %.
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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.
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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.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungsverstärkeranordnung
anzugeben, deren Wirkungsgrad verbessert und die für den Betrieb in
Mobilfunkgeräten
geeignet ist.
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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.
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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.
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Mit
der Steuereinrichtung wird, je nach gerade gewünschter Verstärkung oder
Ausgangsleistung, eine geeignete Anzahl von Verstärkern in
der Verstärkeranordnung
aktiviert.
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Mit
den Mitteln zur Impedanzanpassung ist es mit Vorteil möglich, die
einzelnen, parallel geschalteten Verstärker jeweils bezüglich des
Wirkungsgrads zu optimieren.
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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.
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Die
Verknüpfung
der Verstärker
in der beschriebenen Parallelschaltung erfolgt bevorzugt mittels
Hochfrequenz-Transformatoren. Dadurch können die Verluste noch weiter
reduziert werden.
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Die
Hochfrequenz-Transformatoren können bevorzugt
an der Eingangsseite der Verstärker
vorgesehen sein und die Eingänge
der einzelnen Verstärker
mit dem Eingang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln.
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Ebenso
ist es vorteilhaft, alternativ oder zusätzlich weitere transformatorische Übertrager
vorzusehen, die die Ausgänge
der Verstärker
mit dem Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung koppeln.
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Anstelle
der transformatorischen Übertrager können auch
beliebige andere LC-Netzwerke oder noch andere Mittel zur Impedanzanpassung
vorgesehen sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
beschriebene Leistungsverstärkeranordnung
ist bevorzugt in einer Funk-Sendeanordnung anwendbar. Hierfür ist es
bevorzugt vorgesehen, an den Ausgang der Leistungsverstärkeranordnung eine
Sendeantenne anzukoppeln.
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Insbesondere
kann die beschriebene Leistungsverstärkeranordnung mit Vorteil zur
Verstärkung
von Hochfrequenzsignalen in Basisstationen oder Mobilgeräten des
Mobilfunks eingesetzt werden.
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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.
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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.
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Die
Treiberstufe kann mit Vorteil zu ihrem Aktivieren und Deaktivieren
mit der Steuereinheit gekoppelt sein.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen
Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen Schaltplan eines
Ausführungsbeispiels
einer Leistungsverstärkeranordnung
gemäß dem vorgeschlagenen
Prinzip,
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2 ein Ausführungsbeispiel
eines Verstärkers
zum Einsatz in der Leistungsverstärkeranordnung von 1,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Verstärkers,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel
eines Verstärkers
und
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5 anhand eines Diagramms
des Wirkungsgrades aufgetragen über
der Ausgangsleistung die Wirkungsweise des vorgeschlagenen Prinzips.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Bypass-Verstärker 7, 8 sind
in einem Leistungsbereich von 3 mW bis 30 mW vorgesehen.
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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.
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Mit
den Hochfrequenz-Transformatoren 3, 6, 9 ist
im jeweils benötigten
Leistungsbereich eine verbesserte Leistungs- beziehungsweise Impedanzanpassung
möglich,
insbesondere an die Antenne 10.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
gezeigte Realisierung in bipolarer Schaltungstechnik erfolgt bevorzugt
in einem Silizium-Herstellungsverfahren oder in Gallium-Arsenid-Technik.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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