DE60037125T2

DE60037125T2 - Radio frequency amplifier circuit

Info

Publication number: DE60037125T2
Application number: DE60037125T
Authority: DE
Inventors: Per-Olof Brandt
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: EP1209756B1; EP1209756A1; ES2293890T3; ATE378699T1; DE60037125D1

Abstract

A hybrid coupler (66, 67; 72, 73) has four ports and is capable of coupling radio frequency signals having a certain frequency from at least one port to at least one other port. The hybrid coupler (66, 67; 72, 73) is implemented as a differential coupler arranged to couple differential radio frequency signals. With such a hybrid coupler a power amplifying circuit can be produced which has sufficiently low ripple on the supply voltage to be integrated together with more sensitive radio circuits, and which is also insensitive to load mismatch such that an isolator can be avoided. A differential hybrid coupler allows the output current to be shared between four transistors or amplifiers, thus reducing the amplitude of the ripple. Further, the frequency of the ripple is four times the operating frequency of the circuit, which makes it much easier to filter out the ripple. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention

Die Erfindung betrifft eine Hybridkoppler umfassende Verstärkerschaltung und eine tragbare Funkkommunikationsvorrichtung, die eine solche Verstärkerschaltung umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verstärken von Funkfrequenzsignalen.The The invention relates to a hybrid coupler comprising amplifier circuit and a portable radio communication device comprising such an amplifier circuit includes. The invention also relates to a method for reinforcing Radio frequency signals.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of technology

Funksender, wie sie beispielsweise in tragbaren Funkkommunikationsvorrichtungen verwendet werden, haben häufig einen Leistungsverstärker (PA) getrennt vom Rest der Funk- bzw. Hochfrequenzschaltung, und der Leistungsverstärker ist häufig mit einer Antenne über einen Isolator verbunden, der vorgesehen ist zum Kompensieren von Impedanzfehlanpassung durch die Ausgangslast (das heißt, die Antenne), die dem Ausgang des Leistungsverstärkers präsentiert wird. Ohne den Isolator würde die Fehlanpassung zu einem nicht zufrieden stellenden Wert des VSWR (Voltage Standing Vave Ratio bzw. Spannungsstehwellenverhältnis) führen.Radio transmitter, such as in portable radio communication devices used to have frequent a power amplifier (PA) separate from the remainder of the RF circuit, and the power amplifier is common with an antenna over connected to an isolator, which is provided for compensating Impedance mismatch by the output load (that is, the Antenna) presented to the output of the power amplifier. Without the insulator would the Mismatch to an unsatisfactory value of the VSWR (Voltage Standing Vave Ratio).

Speziell bei tragbaren Vorrichtungen gibt es einen Bedarf nach einer Miniaturisierung der Schaltungen und eine Art, dies zu Erreichen würde die Leistungsverstärker in denselben Chip integrieren wie den Rest der Hochfrequenzschaltung und/oder den Isolator vermeiden.specially in portable devices, there is a need for miniaturization the circuits and one way to accomplish this would be the power amplifier in integrate the same chip as the rest of the RF circuit and / or avoid the insulator.

Jedoch würde das Integrieren des Leistungsverstärkers gemeinsam mit den empfindlicheren Teilen der Hochfrequenzschaltung typischerweise zur Zunahme der Verzerrung führen, weil der Leistungsverstärker Welligkeit auf der Versorgungsspannung zu den empfindlicheren Schaltungen verursacht. Zudem nimmt dieses Problem wegen der Tendenz zur Verwendung von immer niedriger werdenden Versorgungsspannungen in solchen Schaltungen zu. Eine unveränderte Ausgangsleistung von einer niedrigen Spannung bedeutet einen höheren Strom und demnach eine höhere Welligkeit auf der Versorgungsspannung.however that would be Integrate the power amplifier together with the more sensitive parts of the high frequency circuit typically lead to increase in distortion because of the power amplifier ripple on the supply voltage to the more sensitive circuits caused. In addition, this problem is diminishing because of the tendency to use ever-decreasing supply voltages in such circuits to. An unchanged one Output power from a low voltage means a higher current and therefore a higher one Ripple on the supply voltage.

Die Welligkeit kann reduziert werden durch Kombinieren mehrerer Transistoren oder anderer Arten von Verstärkern in dem Leistungsverstärker, vorausgesetzt, die Transistoren/Verstärker leiten nicht in der selben Phase. Eine Lösung des Standes der Technik ist es, einen Differenzverstärker zu verwenden. In dieser Lösung ist der Strom durch Transistoren von der Versorgungsspannung zur Masse nahezu konstant, solange der Verstärker in seinem linearen Bereich betrieben wird. Jedoch werden solche Leistungsverstärker allgemein so stark betrieben, dass eine Überlast auftritt, d. h. sie werden in ihrem Nicht-linearen Bereich betrieben, in welchem noch Welligkeit (Impulse) auf der Versorgungsspannung erzeugt wird. Der Vorteil des Differenzverstärkers verglichen mit einem Ein-Transistor-Verstärker ist, dass die Amplitude der Welligkeit halbiert ist und ihre Frequenz verdoppelt, aber das Ergebnis ist noch nicht akzeptabel.The Ripple can be reduced by combining multiple transistors or other types of amplifiers in the power amplifier, provided the transistors / amplifiers do not conduct in the same one Phase. A solution It is the prior art to provide a differential amplifier use. In this solution is the current through transistors from the supply voltage to Mass almost constant as long as the amplifier is in its linear range is operated. However, such power amplifiers become common operated so heavily that an overload occurs, d. H. they are operated in their non-linear area, in which still generates ripples (pulses) on the supply voltage becomes. The advantage of the differential amplifier compared to a One-transistor amplifier is that the amplitude of the ripple is halved and its frequency doubled, but the result is not yet acceptable.

Bezüglich des Entfernens des Isolators kann der Arbeitspunkt des Leistungsverstärkers neu abgestimmt werden, um ihn in, selbst mit einer Lastfehlanpassung, seinem linearen Bereich zu betreiben, aber dies verhindert, dass die Verstärker ausreichend stark angetrieben werden und es erfordert auch einen relativ komplizierten Regelschaltkreis.Regarding the Removing the isolator can re-work the operating point of the power amplifier be tuned in to, even with a load mismatch, to operate in its linear range, but this prevents it the amplifiers are driven sufficiently strong and it also requires a relatively complicated control circuit.

Eine andere Lösung, die die Kombination von mehreren Transistoren verwendet, ist es, die Verstärkungsschaltungen mit Hybridkopplern zu verwenden. Solche Verstärker sind als weniger empfindlich in Bezug auf eine Ausgangslastfehlanpassung bekannt oder zumindest können sie modifiziert werden um sich entsprechend zu verhalten. Ein Beispiel hiervon ist in US 4 656 434 offenbart. Demnach kann der Isolator vermieden werden. In diesem Typ wird eine 90°- Phasenverschiebung zwischen den leitenden Perioden der zwei Transistoren vorgesehen. Ähnlich dem Differenzverstärker wird die Amplitude der Welligkeit auf der Versorgungsspannung im Wesentlichen halbiert. Es wird typischerweise Frequenzkomponenten der Betriebsfrequenz und der doppelten Betriebsfrequenz geben. Noch einmal ist dies eine Verbesserung verglichen mit dem Ein-Transistor-Verstärker, aber ist noch nicht ausreichend.Another solution that uses the combination of multiple transistors is to use the hybrid coupler amplification circuits. Such amplifiers are known to be less sensitive to output load mismatch, or at least they can be modified to behave accordingly. An example of this is in US 4,656,434 disclosed. Thus, the insulator can be avoided. In this type, a 90 ° phase shift is provided between the conducting periods of the two transistors. Similar to the differential amplifier, the amplitude of the ripple on the supply voltage is substantially halved. There will typically be frequency components of the operating frequency and the double operating frequency. Once again, this is an improvement compared to the single-transistor amplifier, but is not enough.

Ein anderer Verstärker unter Verwendung von Mikrostrip-Leitungskopplern ist in Takagi T, Seino K, Ikeda Y, Ishihara O, Takeda F: "A 1.5 Watt 28 GHz-BAND-FET-Amplifier" bzw. "Ein 1,5 Watt 28 Gigahertz Band Feldeffekttransistorverstärker", IEEE MITT-S, International Microwave Symposium Digest, Expanding Microwave Horizons, 1. Juni 1984, auf Seiten 227–228, New York, NY, USA, offenbart. In jedem der vier Verstärkermodule sind die Ausgangsgrößen der beiden Leistungsstufen-FETs durch Mikrostrip-Leitungskoppler kombiniert.One other amplifier using microstrip line couplers Takagi T, Seino K, Ikeda Y, Ishihara O, Takeda F: "A 1.5 Watt 28 GHz BAND-FET Amplifier" and "A 1.5 Watt 28 Gigahertz Band Field Effect Transistor Amplifier ", IEEE MITT-S, International Microwave Symposium Digest, Expanding Microwave Horizons, 1 June 1984, at pages 227-228, New York, NY, USA. In each of the four amplifier modules are the output variables of the two power stage FETs combined by microstrip line couplers.

Ishida O et al: "An Asymmetrical Suspended Stripline Directional Coupler" bzw. "Ein asymmetrisch eingestellter Streifenleiterrichtkoppler", Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, Section E., Bd. E69, Nr. 4, April 1986, Seiten 333–334, Tokyo, Japan, zeigt einen abgestimmten Streifenleiterrichtkoppler mit leitenden Streifen auf beiden Seiten eines dielektrischen Substrats. Die beiden Übertragungsleitungen des Kopplers sind symmetrisch abgestimmte Streifenleiter mit einem weiteren leitenden Streifen sowohl auf der oberen, als auch auf der unteren Seite des dielektrischen Substrats, welcher den Koppelwert des Kopplers erhöht.Ishida O et al: An Asymmetrical Suspended Stripline Directional Coupler, Transactions of the Institute of Electronics and Communications Engineers of Japan, Section E, Vol. E69, No. 4, April 1986, pp 333-334, Tokyo, Japan, shows a matched stripline coupler with conductive strips on both sides of a dielectric substrate. The two transmission lines of the coupler are symmetrically tuned strip conductors with a further conductive strip on both the upper and lower sides of the dielectric substrate, which is the coupling value of the Kopp lers increased.

Daher ist es ein Ziel der Erfindung, einen Hybridkoppler bereitzustellen, der ermöglicht, dass eine Verstärkerschaltung erzeugt wird, die eine ausreichend niedrige Welligkeit auf der Versorgungsspannung hat, die gemeinsam mit empfindlicheren Hochfrequenzschaltungen zu integrieren ist, und welcher auch unempfindlich ist in Bezug auf Lastfehlanpassung derart, dass ein Isolator vermieden werden kann.Therefore it is an object of the invention to provide a hybrid coupler, which allows that an amplifier circuit is generated, which has a sufficiently low ripple on the supply voltage has to integrate the together with more sensitive high-frequency circuits is, and which is also insensitive to load mismatch such that an insulator can be avoided.

Resümeesummary

Gemäß der Erfindung wird das Ziel erreicht durch eine Verstärkungschaltung für Funkfrequenzsignale mit einer bestimmten Frequenz und demnach einer bestimmten Wellenlänge. Diese Schaltung umfasst mindestens einen ersten Hybridkoppler mit einem Eingangsport, an den Funkfrequenzsignale angelegt werden können, einem isolierten Port, einem ersten Ausgangsport und einem zweiten Ausgangsport, und ist eingerichtet, um ein an den Eingangsport angelegtes Signal in eine ersten Signalkomponente zu dem ersten Ausgangsport und eine zweite Signalkomponente zu dem zweiten Ausgangsport aufzuteilen; einen ersten Verstärker mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport, wobei der Eingangsport mit dem ersten Ausgangsport des ersten Hybridkopplers verbunden ist; einen zweiten Verstärker mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport, wobei der Eingangsport mit dem zweiten Ausgangsport des ersten Hybridkopplers verbunden ist; und einen zweiten Hybridkoppler mit einem ersten Eingangsport, der mit dem Ausgangsport des ersten Verstärkers verbunden ist, einem zweiten Eingangsport, der mit dem Ausgangsport des zweiten Verstärkers verbunden ist, einem isolierten Port und einem Ausgangsport, der an eine Ausgangslastimpedanz anschließbar ist, und ist eingerichtet zum Kombinieren von an den ersten Eingangsport und den zweiten Eingangsport angelegten Signalen zu dem Ausgangsport, wobei die ersten und zweiten Hybridkoppler und die ersten und zweiten Verstärker einen ersten und zweiten Pfad für Funkfrequenzsignale von dem Eingangsport des ersten Hybridkopplers zu dem Ausgangsport des zweiten Hybridkopplers bereitstellen, wobei der erste Pfad den ersten Verstärker umfasst und der zweite Pfad den zweiten Verstärker umfasst; und wobei die gesamten elektrischen Längen der beiden Pfade im Wesentlichen identisch sind, und die elektrische Länge von dem Eingangsport des ersten Hybridkopplers zu jedem der Eingangsports der ersten und zweiten Verstärker sich um ein Viertel einer Wellenlänge für die Funkfrequenzsignale unterscheidet.According to the invention the target is achieved by an amplification circuit for radio frequency signals with a certain frequency and therefore a certain wavelength. These Circuit comprises at least a first hybrid coupler with a Input port to which radio frequency signals can be applied, one isolated port, a first output port and a second output port, and is arranged to receive a signal applied to the input port in a first signal component to the first output port and a split the second signal component to the second output port; a first amplifier with an input port and an output port, with the input port with connected to the first output port of the first hybrid coupler; a second amplifier with an input port and an output port, with the input port connected to the second output port of the first hybrid coupler is; and a second hybrid coupler having a first input port, is connected to the output port of the first amplifier, a second input port connected to the output port of the second amplifier is an isolated port and an output port connected to an output load impedance connectable is and is arranged to combine with the first input port and the second input port applied signals to the output port, wherein the first and second hybrid couplers and the first and second hybrid couplers amplifier a first and second path for Radio frequency signals from the input port of the first hybrid coupler provide to the output port of the second hybrid coupler, wherein the first path the first amplifier and the second path comprises the second amplifier; and the whole electrical lengths the two paths are essentially identical, and the electrical length of the input port of the first hybrid coupler to each of the input ports the first and second amplifiers differs by a quarter of a wavelength for the radio frequency signals.

Wenn die Hybridkoppler als differentielle Koppler implementiert sind, die zum Koppeln von differentiellen Hochfrequenzsignalen eingerichtet sind, und die Verstärker Differenzverstärker sind, wird eine Verstärkerschaltung vorgesehen, die ausreichend niedrige Welligkeit auf der gemeinsam mit empfindlicheren Hochfrequenzschaltungen zu integrierenden Versorgungsspannung hat, und welche auch unempfindlich ist in Bezug auf Lastfehlanpassung derart, dass ein Isolator vermieden werden kann.If the hybrid couplers are implemented as differential couplers, set up for coupling differential radio frequency signals are, and the amplifiers differential amplifier are, becomes an amplifier circuit provided that sufficiently low ripple on the common with more sensitive high-frequency circuits to be integrated supply voltage and which is also insensitive to load mismatch such that an insulator can be avoided.

Ein Differentieller Hybridkoppler ermöglicht, dass der Ausgangsstrom zwischen vier Transistoren oder Verstärkern geteilt wird, hierdurch die Amplitude der Welligkeit auf einen viel niedrigeren Pegel reduzierend als im Falle des Ein-Transistorverstärkers. Ferner sind die leitenden Perioden der vier Transistoren gleich beabstandet um 90° phasenverschoben dazwischen und demnach ist die Frequenz der Welligkeit viermal die Betriebsfrequenz der Schaltung, was es viel leichter macht, die Welligkeit in anderen Teilen der Schaltung auszufiltern.One Differential hybrid coupler allows the output current divided between four transistors or amplifiers, thereby reducing the amplitude of the ripple to a much lower level as in the case of the one-transistor amplifier. Furthermore, the leading ones Periods of the four transistors equally spaced by 90 ° out of phase therebetween and thus the frequency of the ripple is four times the operating frequency the circuit, which makes it much easier, the ripple in other parts to filter out the circuit.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und zweiten Hybridkoppler in einer Streifenleitertechnologie implementiert und in einer anderen Ausführungsform sind sie in einer Mikrostrip-Technologie implementiert. Demnach können die Hybride und die Verstärkerschaltung leicht gemeinsam mit anderen Schaltungen in einer jener Technologien integriert werden.In an embodiment invention, the first and second hybrid couplers are in one Stripline technology implemented and in another embodiment they are implemented in a microstrip technology. Therefore can the hybrid and the amplifier circuit easily in common with other circuits in one of those technologies to get integrated.

In einer zweckdienlichen Ausführungsform sind die ersten und zweiten Hybridkoppler 3dB-Koppler. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Ausgangsstrom in gleicher Weise zwischen den vier Transistoren oder Verstärkern derart geteilt wird, dass die Amplitude der Welligkeit reduziert wird auf ein Viertel von der des Ein-Transistorverstärkers.In an expedient embodiment the first and second hybrid couplers are 3dB couplers. In this way ensures that the output current in the same way between the four transistors or amplifiers is divided so that the amplitude of the ripple reduces gets to a quarter of that of the one-transistor amplifier.

Die ersten und zweiten Hybridkoppler können In-Phase-Koppler sein derart, dass die ersten und zweiten Signalkomponenten an den Ausgangsports der ersten und zweiten Koppler in Phase zueinander sind und zueinander in Phase befindliche Signale, die an die beiden Eingangsports der beiden Hybridkoppler angelegt werden, zu einem Signal an ihrem Ausgangsport kombiniert werden. Dies ermöglicht dass eine einfache Art von Hybrid verwendet wird, aber die elektrischen Längen der Verbindungen zwischen den Ausgängen des Hybrids auf der Eingangsseite der Verstärkerschaltung und den beiden Verstärkern, und jene zwischen den beiden Verstärkern und den Eingängen des Hybrids auf der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung müssen sich um ein Viertel einer Wellenlänge für die Signale der Betriebsfrequenz unterscheiden, um sicherzustellen, dass die beiden Verstärker noch mit einer Phasenverschiebung von 90° dazwischen leiten.The first and second hybrid couplers may be in-phase couplers such that the first and second signal components at the output ports the first and second couplers are in phase with each other and each other in phase signals to the two input ports of the two hybrid couplers are applied, to a signal at its output port be combined. this makes possible that a simple kind of hybrid is used, but the electric ones lengths the connections between the outputs of the hybrid on the input side the amplifier circuit and the two amplifiers, and those between the two amplifiers and the inputs of the Hybrids on the output side of the amplifier circuit have to by a quarter of a wavelength for the Distinguish signals of operating frequency to ensure that the two amplifiers still with a phase shift of 90 ° in between.

Alternativ können die ersten und zweiten Hybridkoppler Quadraturkoppler sein derart, dass die ersten und zweiten Signalkomponenten an den Ausgangsports des ersten Hybridkopplers in Quadratur zueinander sind (um 90° phasenverschoben) und Signale in Quadratur zueinander, die an die beiden Eingangsports der zweite Hybridkoppler angelegt werden, zu einem Signal an ihrem Ausgangsport kombiniert werden.Alternatively, the first and second hybrid couplers may be quadrature couplers such that the first and second signal components at the output ports of the first hybrid coupler are in quadrature to each other (quadrature by phase) and quadrature signals applied to the two input ports of the second hybrid coupler are combined to form a signal at their output port.

Dies ermöglicht, dass Verbindungen mit gleichen elektrischen Längen von den Ausgängen des Hybrids auf der Eingangsseite der Verstärkerschaltung zu den Verstärkern und von der Verstärkern zu den Eingängen des Hybrids auf der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung verwendet werden, weil die Ausgangssignale bereits eine 90°-Phasendifferenz haben. In einer zweckdienlichen Ausführungsform sind die ersten und zweiten Hybridkoppler leitungsgekoppelte Hybride.This allows that compounds with equal electrical lengths from the outputs of the hybrid on the input side of the amplifier circuit to the amplifiers and from the amplifiers to the entrances the hybrid can be used on the output side of the amplifier circuit, because the output signals already have a 90 ° phase difference. In a expedient embodiment the first and second hybrid couplers conduction-coupled hybrids.

Wie erwähnt, betrifft die Erfindung ferner eine tragbare Funkkommunikationsvorrichtung, die eine wie oben beschriebene Verstärkerschaltung umfasst. Bedingt durch die oben erwähnten Vorteile kann eine solche Vorrichtung ferner miniaturisiert werden, weil der Leistungsverstärker gemeinsam mit anderen Teilen der Hochfrequenzschaltung integriert werden kann und der Isolator vermieden werden kann. In einer zweckdienlichen Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Mobiltelefon.As mentioned, the invention further relates to a portable radio communication device, which comprises an amplifier circuit as described above. conditioned through the above mentioned Advantages, such a device can be further miniaturized, because the power amplifier integrated with other parts of the high frequency circuit can and the insulator can be avoided. In a convenient embodiment the device is a mobile phone.

Wie erwähnt, betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren des Verstärkens von Funkfrequenzsignalen mit einer bestimmten Frequenz und demnach einer bestimmten Wellenlänge. Das Verfahren umfasst die Schritte des Anlegens von Funkfrequenzsignalen an einen Eingangsport eines ersten Hybridkopplers; das Teilen der an den Eingangsport angelegten Signale in eine erste Signalkomponente zu einem ersten Ausgangsport des ersten Hybridkopplers und eine zweite Signalkomponente zu einem zweiten Ausgangsport des ersten Hybridkopplers; das Verstärken der ersten Signalkomponente in einem ersten Verstärker mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport, wobei der Eingangsport mit dem ersten Ausgangsport des ersten Hybridkopplers verbunden ist; das Verstärken der zweiten Signalkomponente in einem zweiten Verstärker mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport, wobei der Eingangsport mit dem zweiten Ausgangsport des ersten Hybridkopplers verbunden ist; das Koppeln der verstärkten ersten Signalkomponente von dem Ausgangsport des ersten Verstärkers zum dem ersten Eingangsport eines zweiten Hybridkopplers und der verstärkten zweiten Signalkomponente von dem Ausgangsport des zweiten Verstärkers zu einem ersten Eingangsport des zweiten Hybridkopplers; in dem zweiten Hybridkoppler das Kombinieren der an seine Eingangsports angelegten Signale zu einem Ausgangssignal an dem Ausgangsport des zweiten Hybridkopplers; und das Koppeln des Ausgangssignals zu einer Ausgangslastimpedanz; wobei die gesamten elektrischen Längen der Pfade der beiden Signalkomponenten von dem Eingangsport des ersten Hybridkopplers zu dem Ausgangsport des zweiten Hybridkopplers im Wesentlichen identisch sind und die elektrische Länge von dem Eingangsport des ersten Hybridkopplers zu jedem der Eingangsport der ersten und zweiten Verstärker sich um ein Viertel einer Wellenlänge für die Funkfrequenzsignale unterscheidet.As mentioned, The invention further relates to a method of amplifying Radio frequency signals with a certain frequency and therefore one certain wavelength. The method includes the steps of applying radio frequency signals an input port of a first hybrid coupler; sharing the the input port applied signals in a first signal component to a first output port of the first hybrid coupler and a second Signal component to a second output port of the first hybrid coupler; reinforcing the first signal component in a first amplifier having an input port and an output port, wherein the input port is at the first output port the first hybrid coupler is connected; reinforcing the second signal component in a second amplifier having an input port and an output port, wherein the input port to the second output port the first hybrid coupler is connected; the coupling of the reinforced first Signal component from the output port of the first amplifier to the first input port of a second hybrid coupler and the second amplified one Signal component from the output port of the second amplifier to a first input port of the second hybrid coupler; in the second Hybrid couplers combining the applied to its input ports Signals to an output signal at the output port of the second Hybrid coupler; and coupling the output signal to an output load impedance; where the total electrical lengths of the paths of the two signal components from the input port of the first hybrid coupler to the output port of the second hybrid coupler are substantially identical and the electrical length from the input port of the first hybrid coupler to each of the input ports the first and second amplifiers differs by a quarter of a wavelength for the radio frequency signals.

Wenn die Funkfrequenzsignale als differentielle Signale an den Eingangsport des ersten Hybridkopplers angelegt werden, gekoppelt werden und zu dem Ausgangsport des zweiten Hybridkopplers verstärkt werden, wird ein Verstärkungsverfahren bereitgestellt, welches ausreichend niedrige Welligkeit auf der Versorgungsspannung hat, um eine entsprechende Schaltung zu ermöglichen, die gemeinsam mit empfindlicheren Funkschaltkreisen integriert wird, und welche auch derart unempfindlich ist in Bezug auf Lastfehlanpassung, dass ein Isolator vermieden werden kann.If the radio frequency signals as differential signals to the input port of the first hybrid coupler, be coupled and be amplified to the output port of the second hybrid coupler, becomes a reinforcement process provided which has sufficiently low ripple on the Supply voltage has, in order to enable a corresponding circuit, which is integrated with more sensitive radio circuits, and which is also insensitive to load mismatch, that an insulator can be avoided.

Die differentielle Verstärkung ermöglicht es, dass der Ausgangsstrom zwischen vier Transistoren oder Verstärkern zu teilen ist, hierdurch die Amplitude der Welligkeit auf einen viel geringeren Pegel reduzierend als dem eines Ein-Transistorverstärkers. Ferner sind die Leitungsperioden der vier Transistoren gleich beabstandet um eine 90° Phasenverschiebung zwischen ihnen und demnach ist die Frequenz der Welligkeit viermal die Betriebsfrequenz der Schaltung, was es viel leichter macht, die Welligkeit in anderen Teilen der Schaltung herauszufiltern.The differential amplification allows it that the output current between four transistors or amplifiers too divide, thereby the amplitude of the ripple on a lot lower level reducing than that of a single transistor amplifier. Further, the conduction periods of the four transistors equally spaced by a 90 ° phase shift between them and therefore frequency of ripples is four times the operating frequency of the circuit, which makes it much easier to filter out the ripple in other parts of the circuit.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird nun vollständiger unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:The Invention will now be more complete described with reference to the drawings, in which:

1 einen bekannten Ein-Transistor-Leistungsverstärker: 1 a known single transistor power amplifier:

2 ein Beispiel von Welligkeit auf der Versorgungsspannung des Verstärkers der 1; 2 an example of ripple on the supply voltage of the amplifier 1 ;

3 einen bekannten differentiellen Leistungsverstärker; 3 a known differential power amplifier;

4 ein Beispiel von Welligkeit auf der Versorgungsspannung des Verstärkers der 3; 4 an example of ripple on the supply voltage of the amplifier 3 ;

5 einen bekannten Leistungsverstärker mit Quadratur-Hybridkopplern; 5 a known power amplifier with quadrature hybrid couplers;

6 den Aufbau eines konventionellen direkt gekoppelten Leitungskopplers; 6 the structure of a conventional direct coupled line coupler;

7 konventionell eine Implementierung eines direkt gekoppelten Leitungskopplers in Mikrostrip-Technologie; 7 conventionally an implementation of a direct coupled line coupler in microstrip technology;

8 den Aufbau eines konventionellen leitungsgekoppelten Hybrids; 8th the construction of a conventional lead-coupled hybrid;

9 ein Beispiel von Welligkeit auf der Versorgungsspannung eines konventionellen Leistungsverstärkers mit Hybridkopplern; 9 an example of ripple on the supply voltage of a conventional power amplifier with hybrid couplers;

10 den Aufbau eines Wilkinson-Hybrid; 10 the construction of a Wilkinson hybrid;

11 den Aufbau eines konventionellen zirkularen Hybrids; 11 the construction of a conventional circular hybrid;

12 einen bekannten Leistungsverstärker mit In-Phase-Hybridkopplern; 12 a known power amplifier with in-phase hybrid couplers;

13 den Aufbau eines differentiellen leitungsgekoppelten Hybrids in Übereinstimmung mit der Erfindung; 13 the construction of a differential line-coupled hybrid in accordance with the invention;

14 eine Implementierung eines differentiellen leitungsgekoppelten Hybrids in einer Mikrostrip-Technologie; 14 an implementation of a differential line-coupled hybrid in a microstrip technology;

15 eine Implementierung eines differentiellen leitungsgekoppelten Hybrids in einer Streifenleitungstechnologie; 15 an implementation of a differential line-coupled hybrid in a stripline technology;

16 eine erste Ausführungsform eines Leistungsverstärkers mit differentiellem Hybridkoppler in Übereinstimmung mit der Erfindung; 16 a first embodiment of a differential hybrid power amplifier in accordance with the invention;

17 eine zweite Ausführungsform eines Leistungsverstärkers mit differentiellem Hybridkoppler gemäß der Erfindung; und 17 a second embodiment of a differential hybrid power amplifier according to the invention; and

18 ein Beispiel von Welligkeit auf der Versorgungsspannung eines Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung. 18 an example of ripple on the supply voltage of a power amplifier according to the invention.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsformenDetailed description of embodiments

Zuerst werden einige Schaltungen des Standes der Technik zum Vergleich mit Schaltungen gemäß der Erfindung beschrieben. Demnach zeigt 1 einen Verstärker 1 nach dem Stand der Technik vom Ein-Transistorverstärkertyp zur Verwendung in einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung. Obwohl der Verstärker in einer praktischen Schaltung typischerweise einige zusätzliche Komponenten umfassen wird, ist er hier als einen Transistor 2 und eine Impedanz 3 umfassend gezeigt. Die Impedanz 3 kann irgendeine Art von Impedanz sein, z. B. ein Stromgenerator mit einer sehr hohen Impedanz bei Funkfrequenzen. Die Eingangsgröße zu dem Leistungsverstärker 1 kommt von einer Funkschaltung bzw. Hochfrequenzschaltung 4 und die verstärkte Ausgangsgröße wird an den Ausgangsanschluss geliefert. Die Ausgangsleistung von dem Verstärker ist an einer Antenne 5 angeschlossen aber weil die Antenne 5 normalerweise eine Impedanzfehlanpassung an den Ausgang des Leistungsverstärkers 1 liefern würde, wird normalerweise ein Isolator 6 zwischen den Ausgang des Leistungsverstärkers 1 und die Antenne 5 eingefügt, um das VSWR (Voltage Standing Wave Ratio bzw. Spannungsstehwellenverhältnis) der Schaltung zu verbessern.First, some prior art circuits for comparison with circuits according to the invention will be described. Accordingly, shows 1 an amplifier 1 The prior art one-transistor amplifier type for use in a portable radio communication device. Although the amplifier will typically include some additional components in a practical circuit, it is here as a transistor 2 and an impedance 3 shown in full. The impedance 3 may be some kind of impedance, e.g. B. a power generator with a very high impedance at radio frequencies. The input to the power amplifier 1 comes from a radio circuit or high frequency circuit 4 and the amplified output is delivered to the output terminal. The output power from the amplifier is at an antenna 5 connected but because the antenna 5 usually an impedance mismatch to the output of the power amplifier 1 would normally be an insulator 6 between the output of the power amplifier 1 and the antenna 5 to improve VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) of the circuit.

In einer tragbaren Funkkommunikationsvorrichtung wie z. B. einem Mobiltelefon wird der Leistungsverstärker allgemein so stark angetrieben, dass eine Überbelastung auftritt. Diese bedeutet, dass der Transistor in seinem nicht-linearen Bereich angetrieben wird und die Welligkeit in Form von Impulsen in dem von der Versorgungsspannung (Vcc) zu dem Verstärker gezogenen Strom und demnach auf der Versorgungsspannung selbst erzeugt wird. Dies wird in 2 erläutert, die zeigt, dass ein Impuls für jede Periode in dem durch den Leistungsverstärker verstärkten Funkfrequenzsignal erzeugt wird. Beispielsweise könnte für ein GSM-Mobiltelefon die Frequenz typischerweise 900 MHz oder 1800 MHz sein. Die Form des gezeigten Impulses ist lediglich erläuternd und in ähnlicher Weise wird die Amplitude zu erläuternden Zwecken übertrieben dargestellt.In a portable radio communication device such. As a mobile phone, the power amplifier is generally driven so strong that an overload occurs. This means that the transistor is driven in its non-linear region and the ripple is generated in the form of pulses in the current drawn from the supply voltage (Vcc) to the amplifier and thus on the supply voltage itself. This will be in 2 which shows that one pulse is generated for each period in the radio frequency signal amplified by the power amplifier. For example, for a GSM mobile phone, the frequency could typically be 900 MHz or 1800 MHz. The shape of the pulse shown is merely illustrative, and similarly the amplitude is exaggerated for illustrative purposes.

Das Vorhandensein dieser Welligkeit auf der Versorgungsspannung zu dem Leistungsverstärker verhindert, dass der Leistungsverstärker auf demselben Chip integriert werden kann wie der Rest der Hochfrequenzschaltung 4, weil diese Schaltung einige sehr empfindliche Komponenten enthält und eine Verzerrung für das Ergebnis unakzeptierbar wäre.The presence of this ripple on the supply voltage to the power amplifier prevents the power amplifier from being integrated on the same chip as the rest of the high frequency circuit 4 because this circuit contains some very sensitive components and distortion would be unacceptable to the result.

Die Welligkeit kann durch das Kombinieren von mehreren Transistoren derart, dass der von der Versorgungsspannung gezogene Strom zwischen den mehreren Transistoren aufgeteilt wird, reduziert werden unter der Voraussetzung, dass die Transistoren nicht gleichzeitig leiten. Eine Art ist es, differentielle Verstärker 11 zu verwenden, wie in 3 gezeigt. Die Hochfrequenzschaltung 14 liefert nur das zu verstärkende Signal an den Leistungsverstärker 11 als ein differentielles Signal, welches durch die zwei Transistoren 12 und 13 verstärkt wird. Solange ein Verstärker in seinem linearen Bereich angetrieben wird, ist der Strom durch die Transistoren nahezu konstant (2 × I), aber wie oben erwähnt, ist dies nicht der Fall. Die beiden Transistoren leiten nun in Gegenphase und demnach sind die Impulse des von der Versorgungsspannung gezogenen Stroms und daher die Versorgungsspannung selbst um 180° zueinander phasenverschoben. Gleichzeitig wird die Amplitude jedes Impulses halbiert, weil der Gesamtstrom zwischen den beiden Transistoren aufgeteilt wird.The ripple can be reduced by combining a plurality of transistors such that the current drawn by the supply voltage is shared between the plurality of transistors, provided that the transistors do not conduct simultaneously. One type is differential amplifiers 11 to use as in 3 shown. The high frequency circuit 14 only supplies the signal to be amplified to the power amplifier 11 as a differential signal passing through the two transistors 12 and 13 is reinforced. As long as an amplifier is driven in its linear range, the current through the transistors is nearly constant (2 × I), but as mentioned above this is not the case. The two transistors now conduct in antiphase and thus the pulses of the current drawn by the supply voltage and therefore the supply voltage itself are phase-shifted by 180 ° to each other. At the same time, the amplitude of each pulse is halved because the total current is divided between the two transistors.

Dies ist in 4 erläutert. Das obere Diagramm zeigt die Welligkeit, die durch den Transistor 12 verursacht wird während das nächste Diagramm in ähnlicher Weise die Welligkeit zeigt, die durch den Transistor 13 verursacht wird. Schließlich zeigt das untere Diagramm die kombinierte Welligkeit. Es wird gesehen werden, dass die Frequenz der Welligkeit verdoppelt ist und die Amplitude halbiert ist, aber die Welligkeit immer noch signifikant ist und verhindert, dass der Leistungsverstärker gemeinsam mit dem Rest der Funkschaltung integriert wird.This is in 4 explained. The upper diagram shows the ripple passing through the transistor 12 while the next graph similarly shows the ripple passing through the transistor 13 is caused. Finally, that shows bottom diagram the combined ripple. It will be seen that the frequency of the ripple is doubled and the amplitude is halved, but the ripple is still significant and prevents the power amplifier from being integrated with the rest of the radio circuit.

Die Kombination der mehreren Transistoren kann auch in einem Leistungsverstärker implementiert werden, in dem die Transistoren gemeinsam mit Hilfe einer Anordnung von Hybridkopplern untereinander verbunden sind, wie bei dem Leistungsverstärker 21 der 5 dargestellt. Die beiden Transistoren 22 und 23 sind an die beiden Hybridkoppler 24 und 25 angeschlossen. Zum besseren Verständnis dieser Schaltung wird die Funktion eines Hybridkopplers kurz nachstehend beschrieben.The combination of the plurality of transistors may also be implemented in a power amplifier in which the transistors are interconnected together by means of an array of hybrid couplers, as in the power amplifier 21 of the 5 shown. The two transistors 22 and 23 are to the two hybrid couplers 24 and 25 connected. For a better understanding of this circuit, the function of a hybrid coupler will be briefly described below.

Wenn die Schaltungen beispielsweise in Mikrostrip- oder Streifenleitertechnologien implementiert sind, erstreckt sich ein elektrisches Leckfeld einen kurzen Abstand außerhalb des leitenden Musters. Dies führt zu einer kapazitiven Kopplung zwischen zwei benachbarten Leitern. Die Kopplung nimmt mit zunehmender Trennung der Leiter zu und die stärkste Kopplung wird erreicht, wenn die beiden Leiter bei einer Distanz eines Viertels einer Wellenlänge der Betriebsfrequenz liegt. Zudem wird ein starker Richteffekt erzielt.If the circuits for example in microstrip or stripline technologies implemented, an electric leakage field extends one short distance outside the conductive pattern. this leads to to a capacitive coupling between two adjacent conductors. The coupling increases with increasing separation of the conductors and the strongest Coupling is achieved when the two conductors at a distance a quarter of a wavelength the operating frequency is. In addition, a strong straightening effect is achieved.

Als ein Beispiel wird ein direkt gekoppelter Leitungskoppler in 6 gezeigt. Wenn der Anordnung Leistung über Port 1 zugeführt wird, wird ein Abschnitt der Leistung zu dem anderen Leiter übermittelt. In dem Fall der idealen Anpassung aller Ports wird die gesamte zu dem anderen Leiter übermittelte Leistung aus dem Port 3 herausgespeist. Keine Leistung wird zum Port 4 übermittelt und daher wird der Koppler Richtkoppler genannt. Durch Anpassung der Distanz zwischen den Leitern kann das Verhältnis der zu Port 3 übermittelten Leistung variiert werden. Wenn die Verluste in dem Leitungsaufbau vernachlässigt werden, wird die gesamte Eingangsleistung durch den Port 2 fließen. In diesem Fall ist der sogenannte 3-dB-Koppler, in welchem die Leistung zu gleichen Teilen zwischen Ports 2 und 3 aufgeteilt wird, der interessanteste, aber andere Variationen sind auch möglich. Eine wichtige Eigenschaft des gezeigten Hybridkopplers ist der relative Abstand zwischen den Phasen der Signale an den Ports 1, 2 und 3. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass für diesen Koppler die Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangsports, d. h. den Ports 2 und 3, 90° ist. Daher wird der Koppler Quadraturhybid genannt.As an example, a directly coupled line coupler is shown in FIG 6 shown. When power is supplied via port 1 to the device, a portion of the power is transmitted to the other conductor. In the case of the ideal adaptation of all ports, the entire power transmitted to the other conductor is fed out of port 3. No power is transmitted to port 4 and therefore the coupler is called a directional coupler. By adjusting the distance between the conductors, the ratio of the power transmitted to port 3 can be varied. If the losses in the line construction are neglected, the entire input power will flow through port 2. In this case, the so-called 3 dB coupler, in which the power is divided equally between ports 2 and 3, is the most interesting, but other variations are also possible. An important feature of the hybrid coupler shown is the relative distance between the phases of the signals at ports 1, 2 and 3. In particular, it should be noted that for this coupler, the phase difference between the two output ports, ie ports 2 and 3, is 90 ° , Therefore, the coupler is called quadrature hybid.

7 zeigt wie dieser Koppler in einer Mikrostrip-Technologie implementiert werden kann. Die Leiter 31 und 32 werden auf einer Seite eines Substrats 31 angeordnet während eine Masseebene 34 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 33 angeordnet wird. In einer Streifenleitertechnologie würden die Leiter des Kopplers in der Mitte eines Substrats mit zwei Masseebenen auf beiden Seiten angeordnet. In einer praktischen Lösung kann es schwierig sein, die beiden Leiter nahe genug beieinander anzuordnen, um die ausreichende Kopplung zu erreichen. Daher wird eine praktische Lösung häufig beispielsweise als ein Lange-Koppler implementiert, welcher wohlbekannt ist und demnach nicht detaillierter beschrieben wird. Es kann bemerkt werden, dass der Koppler symmetrisch ist derart, dass wenn ein Signal beispielsweise in Port 2 statt Port 1 eingegeben wird, Port 3 der isolierte Port sein wird, die Eingangsleistung zu gleichen Teilen zwischen Port 1 und 4 aufgeteilt wird mit denselben relativen Phasenpositionen. 7 shows how this coupler can be implemented in a microstrip technology. The ladder 31 and 32 be on one side of a substrate 31 arranged during a ground plane 34 on the opposite side of the substrate 33 is arranged. In a stripline technology, the conductors of the coupler would be placed in the middle of a substrate having two ground planes on both sides. In a practical solution, it may be difficult to arrange the two conductors close enough together to achieve sufficient coupling. Therefore, a practical solution is often implemented, for example, as a Lange coupler, which is well known and thus will not be described in more detail. It may be noted that the coupler is symmetrical such that if a signal is input, for example, in port 2 instead of port 1, port 3 will be the isolated port, the input power will be equally divided between ports 1 and 4 with the same relative phase positions ,

Die Kopplung zwischen zwei Leitungen kann auch durch das Verbinden von Leitungen bewirkt werden. Eine einfache Version eines Leitungsgekoppelten Hybrids ist in 8 gezeigt. Die besten Eigenschaften werden erhalten wenn der Abstand zwischen den koppelnden Leitungen sowie die Länge der Leitungen einem Viertel einer Wellenlänge der Betriebsfrequenz entsprechen. Mit 50 Ω-Koppelleitungen und 35 Ω-Eigenimpedanz für die Zwischenleitungsabschnitte werden sowohl 3 dB-Kopplung als auch 50 Ω-Impedanz der Ports erreicht. Die Eigenschaften dieses Hybridtyps sind in der Figur gezeigt. Wenn ein Signal an Port 1 angelegt wird, wird die Leistung zwischen Ports 2 und 3 mit der Differenz von 90° zueinander aufgeteilt. Dieses Hybrid ist demnach ebenfalls vom Quadratur-Typ.The coupling between two lines can also be effected by connecting lines. A simple version of a wire-coupled hybrid is in 8th shown. The best characteristics are obtained when the distance between the coupling lines and the length of the lines correspond to a quarter of a wavelength of the operating frequency. With 50 Ω-coupling lines and 35 Ω self-impedance for the intermediate line sections, both 3 dB coupling and 50 Ω impedance of the ports are achieved. The properties of this hybrid type are shown in the figure. When a signal is applied to port 1, the power is split between ports 2 and 3 with the difference of 90 ° to each other. This hybrid is therefore also of the quadrature type.

Hybride des Quadratur-Typs, wie sie oben beschrieben worden sind, können in der Schaltung der 5 verwendet werden. Wenn das Signal von der Hochfrequenzschaltung 4 zu dem Eingangsport des Hybrids 24 gekoppelt wird, wird es eine 90°-Phasendifferenz zwischen den Ausgangsports geben, welche einer λ/4 Differenz im Ausbreitungspfad entspricht. Unter der Voraussetzung, dass die Verbindungsleitungen von den Ausgangsports des Hybrids 24 zu dem Eingang der Transistoren 22 und 23 gleiche elektrische Längen haben werden die Eingänge der beiden Transistoren ebenfalls eine 90° Phasendifferenz haben und demnach werden die Transistoren um 90° phasenverschoben zueinander leiten. Die Ausgangsgrößen der Transistoren 22 und 23 werden an einen Hybrid 25 gekoppelt, welcher vom selben Typ ist wie der Hybrid 24. Noch einmal unter der Voraussetzung, dass die Verbindungsleitungen von den Transistoren zu dem Hybrid 25 von gleichen elektrischen Längen sind, werden die beiden Eingangssignale des Hybrids 25 auch eine 90° Phasendifferenz haben. Das Hybrid ist symmetrisch und demnach wird es nun mit zwei Eingangsports, an die zwei Eingangssignale mit einer 90° Phasendifferenz verbunden werden, funktionieren und diese Signale werden zu einem Signal an dem einzelnen Ausgangsport kombiniert während der vierte Port noch isoliert ist. Die gesamte elektrische Länge der beiden Pfade durch die Transistoren sollte dieselbe sein von dem Eingang des Eingangshybrid zu dem Ausgang des Ausgangshybrids. Auf diese Weise werden die zwei Schwingungen optimal in Phase in dem Ausgangshybrid addiert.Quadrature-type hybrids, as described above, can be used in the circuit of the 5 be used. When the signal from the high frequency circuit 4 to the input port of the hybrid 24 is coupled, there will be a 90 ° phase difference between the output ports, which corresponds to a λ / 4 difference in the propagation path. Provided that the connecting lines from the output ports of the hybrid 24 to the input of the transistors 22 and 23 have the same electrical lengths, the inputs of the two transistors will also have a 90 ° phase difference and thus the transistors will be out of phase with each other by 90 °. The output sizes of the transistors 22 and 23 become a hybrid 25 coupled, which is of the same type as the hybrid 24 , Once again on the premise that the connection lines from the transistors to the hybrid 25 are of equal electrical lengths, the two input signals of the hybrid 25 also have a 90 ° phase difference. The hybrid is symmetrical and thus it will now work with two input ports to which two input signals with a 90 ° phase difference are connected and these signals will become a signal at the single output port combined while the fourth port is still isolated. The total electrical length of the two paths through the transistors should be the same from the input of the input hybrid to the output of the output hybrid. In this way, the two oscillations are optimally added in phase in the output hybrid.

Um die Wirkung der Fehlanpassung in den Transistoreingängen zu minimieren, sollten sich die elektrischen Längen des Eingangs des Eingangshybrids zu dem Eingang der zwei Transistoren um λ/4 unterscheiden, weil sich dann von den Transistoren reflektierte Wellen gegenseitig in dem Eingangshybrid auslöschen. Diese Differenz wird in dem Quadraturhybrid erhalten. Wie oben erwähnt, bedeutet dies, dass die Transistoren mit einer 90° Phasendifferenz zwischen einander leiten. Daher werden die Impulse in dem von der Versorgungsspannung gezogenen Strom und demnach die Versorgungsspannung selbst ebenfalls um 90° phasenverschoben zueinander sein. In ähnlicher Weise zu der Schaltung der 3 wird die Amplitude jedes Impulses halbiert verglichen zu der Ein-Transistorlösung, weil der gesamte Strom in beiden Transistoren aufgeteilt wird.To minimize the effect of mismatch in the transistor inputs, the electrical lengths of the input of the input hybrid to the input of the two transistors should differ by λ / 4, because then waves reflected from the transistors cancel each other in the input hybrid. This difference is obtained in the quadrature hybrid. As mentioned above, this means that the transistors conduct with a 90 ° phase difference between each other. Therefore, the pulses in the current drawn by the supply voltage, and thus the supply voltage itself, will also be 90 ° out of phase with each other. In a similar way to the circuit of 3 For example, the amplitude of each pulse is halved compared to the one transistor solution because all the current is split in both transistors.

Dies ist in 9 dargestellt. Das obere Diagramm zeigt die durch den Transistor 22 verursachte Welligkeit während das nächste Diagramm in ähnlicher Weise die Welligkeit, die durch den Transistor 23 verursacht wird, zeigt. Schließlich zeigt das untere Diagramm die kombinierte Welligkeit. Es wird erkannt werden, dass in diesem Fall die Frequenz der Welligkeit noch eine Komponente der Betriebsfrequenz haben und es auch eine Komponente von zweimal der Betriebsfrequenz geben wird. Wieder ist die Amplitude halbiert, aber noch ist die Welligkeit signifikant und verhindert, dass der Leistungsverstärker gemeinsam mit dem Rest der Funkschaltung integriert wird.This is in 9 shown. The upper diagram shows the through the transistor 22 while the next graph similarly causes the ripple passing through the transistor 23 caused, shows. Finally, the bottom diagram shows the combined ripple. It will be appreciated that in this case the frequency of the ripple will still have a component of the operating frequency and there will also be a component of twice the operating frequency. Again the amplitude is halved but still the ripple is significant and prevents the power amplifier from being integrated with the rest of the radio circuit.

Die oben beschriebenen Hybride sind vom Quadraturtyp. In einigen Anwendungen werden jedoch andere Typen bevorzugt und demnach werden die Betriebsprinzipien der beiden anderen Hybridtypen, in denen die beiden Ausgangssignale in Phase sein werden, beschrieben. 10 zeigt einen Wilkinson-Hybrid, der im Grunde aus einer gegabelten Leitung besteht. Um eine Koppelimpedanz von 50 Ω in Port 1 zu erreichen, werden die 50 Ω Leitungen in Port 2 und 3 zu 100 Ω bei der Gabel mit Hilfe eines Viertelwellen-70 Ω-Impedanzwandlers gewandelt. Bei Anpassung der beiden Ports 2 und 3 werden identische Spannungen an beiden Seiten des 100 Ω Widerstandes erhalten. Demnach wird in dem Widerstand keine Leistung verloren, der als intern isolierter Port betrachtet werden kann.The hybrids described above are of the quadrature type. However, in some applications, other types are preferred, and thus the operating principles of the other two hybrid types in which the two outputs will be in phase will be described. 10 shows a Wilkinson hybrid, which basically consists of a forked wire. To achieve a 50 Ω coupling impedance in port 1, the 50 Ω lines in ports 2 and 3 are converted to 100 Ω at the fork using a quarter-wave 70 Ω impedance transformer. When the two ports 2 and 3 are adjusted, identical voltages are obtained on both sides of the 100 Ω resistor. Thus, no power is lost in the resistor, which can be considered an internally isolated port.

Ein anderer Hybrid, der Ausgangssignale in Phase erzeugen kann, ist der in 11 gezeigte Zirkular-Hybrid. Wenn ein Signal an Port 1 angelegt wird, ergeben sich zwei Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen um die Ringleitung ausbreiten. Der Umfang (3/2 λ) der Ringleitung und die relativen Positionen der Ports sind derart ausgewählt worden, dass die beiden Wellen in Punkten, an denen die Ports verbunden sind, in Phase oder in Gegenphase (mit entgegen gesetzter Phase) addiert werden. Wenn die Signale in Gegenphase addiert werden, wird kein Ausgangssignal resultieren. Dies entspricht dem isolierten Port.Another hybrid that can produce output signals in phase is the in 11 shown circular hybrid. When a signal is applied to port 1, there are two waves propagating in opposite directions around the loop. The circumference (3/2 λ) of the loop and the relative positions of the ports have been selected such that the two waves are added in phase or in opposite phase (opposite phase) at points where the ports are connected. If the signals are added in antiphase, no output will result. This corresponds to the isolated port.

Diese Hybridkoppler können in einer Verstärkerschaltung verwendet werden ähnlich der der 5 und eine modifizierte Version der Schaltung ist in 12 gezeigt. Der Verstärker 41 unterscheidet sich von dem Verstärker 21 in 5 dahingehend, dass Hybride 44 und 45 mit In-Phase-Ports statt der Quadraturhybride 24 und 25 verwendet werden. Diese Hybride haben dieselbe elektrische Länge von dem Eingangsport zu den zwei Ausgangsports, oder, in entgegen gesetzter Richtung, von zwei Eingangsports zu einem gemeinsamen Ausgangsport. Um eine 90° Phasendifferenz zwischen den Transistoren aufrecht zu erhalten, sind die Verbindungsleitungen von den Ausgangsports des Hybrids 44 zu den Eingängen der Transistoren 22 und 23 eingerichtet, um λ/4 Differenz zu haben in ihren elektrischen Längen. In ähnlicher Weise sind die Verbindungsleitungen von den Transistorausgängen zu den Eingangsports des Ausgangshybrids 45 mit einer λ/4 Differenz in der elektrischen Länge versehen, um sicherzustellen, dass die Eingänge zu dem Hybrid 45 in Phase sind. Demnach ist wieder die gesamte elektrische Länge der zwei Pfade durch die Transistoren dieselbe vom Eingang des Eingangshybrids zum Ausgang des Ausgangshybrids und die zwei Wellen werden optimal in Phase im Ausgangshybrid addiert. Die Welligkeit dieser Lösung ist dieselbe wie die der in 9 gezeigten und daher ist der Verstärker nicht geeignet, um gemeinsam mit dem Rest der Funkschaltung integriert zu werden.These hybrid couplers can be used in an amplifier circuit similar to that of the 5 and a modified version of the circuit is in 12 shown. The amplifier 41 is different from the amplifier 21 in 5 to the effect that hybrids 44 and 45 with in-phase ports instead of quadrature hybrids 24 and 25 be used. These hybrids have the same electrical length from the input port to the two output ports, or, in the opposite direction, from two input ports to a common output port. To maintain a 90 ° phase difference between the transistors, the connection lines are from the output ports of the hybrid 44 to the inputs of the transistors 22 and 23 arranged to have λ / 4 difference in their electrical lengths. Similarly, the connection lines from the transistor outputs are to the input ports of the output hybrid 45 provided with a λ / 4 difference in electrical length to ensure that the inputs to the hybrid 45 are in phase. Thus, again, the total electrical length of the two paths through the transistors is the same from the input of the input hybrid to the output of the output hybrid and the two waves are optimally added in phase in the output hybrid. The ripple of this solution is the same as that of 9 and therefore the amplifier is not suitable to be integrated with the rest of the radio circuit.

Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst. Die Idee ist, einen Hybridkoppler als Differentialhybrid zu implementieren wie beschrieben wird. 13 zeigt ein Beispiel eines Differentialhybridkopplers des leitungsgekoppelten Typs. Die Struktur ist ähnlich der der 8, aber statt der Verwendung der Masseebene als Referenzebene werden zwei identische Strukturen 51 und 52, die beide ähnlich der aus 8 bekannten sind, übereinander in getrennten Schichten implementiert. Jede der differentiellen Leitungen in der Struktur hat dieselbe Impedanz und dieselbe Länge wie das Hybrid mit einem Ende der 8. Ein differentielles Signal, das an die beiden Ports, die mit "1" gekennzeichnet sind, angelegt wird, wird aufgeteilt zwischen den differentiellen Ports 2 und 3 mit der Phasendifferenz von 90° zueinander. Demnach ist dieser Hybrid ein differentieller Quadraturhybrid. An dem differentiellen Port 4 wird kein Signal präsentiert und demnach ist dieser Port wiederum ein isolierter Port. Der isolierte Port kann mit einem Widerstand abgeschlossen werden, um die Impedanzanpassung sicherzustellen, aber, wie erwähnt, wird kein Signal über einen solchen Widerstand präsentiert werden.This problem is solved by the invention. The idea is to implement a hybrid coupler as the differential hybrid as described. 13 Fig. 12 shows an example of a differential type hybrid coupler of the line-coupled type. The structure is similar to that of 8th but instead of using the ground plane as a reference plane will be two identical structures 51 and 52 that are both similar to the one out 8th are implemented one above the other in separate layers. Each of the differential lines in the structure has the same impedance and the same length as the hybrid with one end of the 8th , A differential signal applied to the two ports marked "1" is split between the differential ports 2 and 3 with the phase difference of 90 ° to each other. Thus, this hybrid is a differential quadrature hybrid. At the differential port 4 becomes no signal presented and therefore this port is again an isolated port. The isolated port can be terminated with a resistor to ensure impedance matching, but, as mentioned, no signal will be presented over such a resistor.

14 zeigt wie dieser differentielle leitungsgekoppelte Hybrid in einer Mikrostrip-Technologie implementiert werden kann. Zwei Substratschichten 53 und 54 werden verwendet. Das Leitungsmuster 51 ist auf der Oberseite der Substratschicht 53 angeordnet während das Muster 52 zwischen den beiden Substratschichten ausgerichtet mit dem Muster 51 angeordnet ist. Wie zuvor befindet sich eine Masseebene 55 an der gegenüberliegenden Seite des Substrats 54. Die Figur zeigt nicht die Verbindungen zu der Struktur aber diese werden leicht implementiert, wie in der Mikrostrip-Technologie wohlbekannt. 14 shows how this differential line-coupled hybrid can be implemented in a microstrip technology. Two substrate layers 53 and 54 are used. The line pattern 51 is on top of the substrate layer 53 arranged during the pattern 52 between the two substrate layers aligned with the pattern 51 is arranged. As before, there is a ground plane 55 on the opposite side of the substrate 54 , The figure does not show the connections to the structure but these are easily implemented as well known in microstrip technology.

In alternativer Weise kann die Struktur auch in einer Streifenleitungstechnologie implementiert werden, wie in 15 gezeigt. Die Struktur ist sehr ähnlich zu der Mikrostrip-Struktur, aber eine weitere Substratschicht 56 ist oberhalb der Schicht 53 derart angeordnet, dass auch das leitende Muster 51 sich zwischen zwei Substratschichten befindet. Eine zweite Masseebene 57 befindet sich oberhalb der Schicht 56, so dass die leitenden Muster zwischen zwei Masseebenen angeordnet sind, wie in der Streifenleitertechnologie wohlbekannt ist.Alternatively, the structure may also be implemented in a stripline technology, as in 15 shown. The structure is very similar to the microstrip structure, but another substrate layer 56 is above the layer 53 arranged such that the conductive pattern 51 is located between two substrate layers. A second ground plane 57 is located above the layer 56 such that the conductive patterns are disposed between two ground planes, as is well known in stripline technology.

Oben ist ein differentieller Hybrid vom leitungsgekoppelten Typ beschrieben worden, aber es sollte bemerkt werden, dass irgendein anderer Hybridtyp, wie er beispielsweise in 6, 10 und 11 dargestellt ist, ebenfalls leicht als differentieller Hybrid implementiert werden kann. Dies ist auch der Fall für andere Hybridtypen, die in diesem Dokument nicht speziell beschrieben werden.Above, a line-coupled type differential hybrid has been described, but it should be noted that any other type of hybrid, such as those described in U.S. Pat 6 . 10 and 11 can also be easily implemented as a differential hybrid. This is also the case for other hybrid types, which are not specifically described in this document.

Eine die differentiellen Hybridkoppler verwendende Verstärkerschaltung ist in 16 gezeigt. Wenn das differentielle Signal von der Funkschaltung 14 zu dem differentiellen Eingangsport des Hybrids 66 gekoppelt wird, wird eine 90° Phasendifferenz zwischen den Ausgangsports vorliegen, welche zu λ/4-Differenz in dem Ausbreitungspfad entspricht. Einer der differentiellen Ausgangsports ist mit den beiden Transistoren 62 und 63 verbunden, die wegen des differentiellen Signals unter der Voraussetzung, dass die Verbindungsleitungen gleiche elektrische Längen haben, in Gegen-Phase leiten. Der andere differentielle Ausgangsport, der eine 90° Phasendifferenz von dem ersten hat, ist mit den Transistoren 64 und 65 verbunden. Diese Transistoren leiten auch in Gegen-Phase. Da jedes Transistorpaar in Gegen-Phase leitet und es eine 90° Phasendifferenz zwischen den beiden Paaren gibt, werden die Leitend-Perioden für die vier Transistoren nun in gleicher Weise mit einer 90° Phasendifferenz zwischen jeder Periode verteilt.An amplifier circuit employing the differential hybrid couplers is disclosed in U.S. Pat 16 shown. When the differential signal from the radio circuit 14 to the differential input port of the hybrid 66 is coupled, there will be a 90 ° phase difference between the output ports, which corresponds to λ / 4 difference in the propagation path. One of the differential output ports is with the two transistors 62 and 63 connected in antiphase due to the differential signal provided that the connecting lines have the same electrical lengths. The other differential output port, which has a 90 ° phase difference from the first, is with the transistors 64 and 65 connected. These transistors also conduct in counter-phase. Since each transistor pair conducts in the opposite phase and there is a 90 ° phase difference between the two pairs, the conduction periods for the four transistors are now equally distributed with a 90 ° phase difference between each period.

Die Ausgänge der Transistoren 62 und 63 sind mit einem differentiellen Eingangsport des differentiellen Hybrids 67 verbunden, welcher vom selben Typ ist wie der Hybrid 66. In ähnlicher Weise sind die Transistoren 64 und 65 an den anderen differentiellen Eingangsport des differentiellen Hybrids 67 angeschlossen. Wieder vorausgeschickt, dass die Verbindungsleitungen von den Transistoren zu dem Hybrid 67 von gleichen elektrischen Längen sind, werden zwei differentielle Eingangssignale zu dem Hybrid 67 ebenfalls eine 90° Phasendifferenz haben. Auch ist der differentielle Hybrid symmetrisch und demnach wird er nun mit zwei differentiellen Eingangsports funktionieren, zu denen die beiden differentiellen Eingangssignale mit einer 90° Phasendifferenz verbunden werden und jene Signale werden zu einem differentiellen Signal bei dem differentiellen Ausgangsport kombiniert während der vierte Port noch isoliert ist. Noch einmal sollte die gesamte elektrische Länge der Pfade durch die Transistoren dieselbe sein vom Eingang des Einganghybrids zum Ausgang des Ausgangshybrids. Auf diese Weise werden die Wellen optimal in Phase im Ausgangshybrid addiert. Die isolierten Ports der beiden Hybride werden mit den Widerständen 68 und 69 abgeschlossen.The outputs of the transistors 62 and 63 are with a differential input port of the differential hybrid 67 connected, which is of the same type as the hybrid 66 , Similarly, the transistors 64 and 65 to the other differential input port of the differential hybrid 67 connected. Again, sent that the connecting wires from the transistors to the hybrid 67 are of equal electrical lengths, two differential input signals become the hybrid 67 also have a 90 ° phase difference. Also, the differential hybrid is symmetrical and thus it will now function with two differential input ports to which the two differential input signals will be connected with a 90 ° phase difference and those signals will be combined into a differential signal at the differential output port while the fourth port is still isolated , Once again, the total electrical length of the paths through the transistors should be the same from the input hybrid to the output of the output hybrid. In this way, the waves are optimally added in phase in the output hybrid. The isolated ports of the two hybrids come with the resistors 68 and 69 completed.

Die Schaltung der 16 verwendet differentielle Quadraturhybride aber noch einmal können auch In-Phase- Hybride verwendet werden, wie in der Schaltung 71 in 17 gezeigt. Die einzigen Unterschiede von der 16 sind, dass In-Phase-Hybride 72 und 73 statt der Quadraturhybride verwendet werden und dass die elektrischen Längen der Verbindungen zwischen Transistoren und den Hybriden in dem oberen Teil der Schaltung sich um λ/4 von den Verbindungen in dem unteren Teil der Schaltung unterscheiden, um sicherzustellen, dass die Transistoren 62 und 63 noch eine 90° Phasendifferenz von den Transistoren 64 und 65 haben.The circuit of 16 uses differential quadrature hybrids but once again in-phase hybrids can be used, as in the circuit 71 in 17 shown. The only differences from the 16 are that in-phase hybrids 72 and 73 instead of the quadrature hybrids and that the electrical lengths of the connections between transistors and the hybrids in the upper part of the circuit differ by λ / 4 from the connections in the lower part of the circuit to ensure that the transistors 62 and 63 another 90 ° phase difference from the transistors 64 and 65 to have.

Wie oben erwähnt, werden die vier Transistoren in 16 oder 17 mit 90° Phasendifferenz zwischen einander leiten. Daher werden die Impulse in dem von der Versorgungsspannung gezogenen Strom und demnach die Versorgungsspannung selbst auch um 90° voneinander abweichen. Die Amplitude jedes Impulses ist nun reduziert auf ein Viertel verglichen mit der Ein-Transistor-Lösung, weil der Gesamtstrom zwischen den vier Transistoren aufgeteilt wird.As mentioned above, the four transistors in 16 or 17 with 90 ° phase difference between each other. Therefore, the pulses in the current drawn by the supply voltage and therefore the supply voltage itself will also deviate from each other by 90 °. The amplitude of each pulse is now reduced to a quarter compared to the one-transistor solution because the total current is shared between the four transistors.

Dies ist in 18 gezeigt. Das obere Diagramm zeigt die Welligkeit, die durch den Transistor 62 verursacht wird, während das nächste Diagramm in ähnlicher Weise die Welligkeit zeigt, die durch die Transistoren 65, 63 und 64 verursacht wird. Schließlich zeigt das untere Diagramm die kombinierte Welligkeit. Es wird gesehen, dass die Welligkeit nun eine Frequenz hat, die dem Vierfachen der Betriebsfrequenz entspricht und dass die Amplitude nun stark reduziert ist. Wie zuvor erwähnt, ist die gezeigte Form der Welligkeit nur zur Erläuterung gedacht, aber selbst bei anderen Formen wird die Welligkeit mindestens auf ein Viertel der Welligkeit der Ein-Transistor-Lösung reduziert. Ferner ist das Vierfache der Betriebsfrequenz in anderen Blöcken viel leichter herauszufiltern. Diese bedeutet, dass es mit dieser Lösung möglich ist, den Leistungsverstärker mit den Transistoren und den Hybriden gemeinsam mit empfindlicheren Funktionen der Hochfrequenzschaltung auf einem Chip sehr nahe beieinander im selben Gehäuse zu integrieren.This is in 18 shown. The upper diagram shows the ripple passing through the transistor 62 while the next graph similarly shows the ripple passing through the transistors 65 . 63 and 64 is caused. Finally, the bottom diagram shows the combined wel ligkeit. It is seen that the ripple now has a frequency four times the operating frequency and that the amplitude is now greatly reduced. As previously mentioned, the waveform shown is illustrative only, but even in other forms, the ripple is reduced to at least a quarter of the ripple of the one transistor solution. Furthermore, four times the operating frequency in other blocks is much easier to filter out. This means that with this solution it is possible to integrate the power amplifier with the transistors and the hybrids together with more sensitive functions of the high-frequency circuit on a chip very close to each other in the same housing.

Wie für den Einzelende-Hybridverstärker erwähnt, wird der Ausgangshybrid die Last der Kollektoren der Transistoren unempfindlich machen in Bezug auf Lastfehlanpassung am Ausgang oder zumindest kann dies in der Schaltung durch eine Kopplung kompensiert werden. Dies ist auch gültig für den differentiellen Hybridverstärker, obwohl die Last sicherlich differentiell ist. Daher ermöglicht diese Lösung auch, dass der Ausgang direkt mit der Antenne verbunden werden kann ohne den Bedarf nach einem Isolator zwischen dem Verstärker und der Antenne.As for the Single-ended hybrid amplifier mentioned, the output hybrid becomes the load of the collectors of the transistors insensitive to load mismatch at the output or at least this can be compensated in the circuit by a coupling become. This is also valid for the differential hybrid amplifier, although the load is certainly differential. Therefore, this allows Solution too, that the output can be connected directly to the antenna without the need for an isolator between the amplifier and the antenna.

Die Lösung ermöglicht auch einen Betrieb bei niedriger Spannung. Dies gilt aufgrund der Tatsache, dass der Spitzenstrom nun zwischen vier Transistoren aufgeteilt wird. Ferner, weil die Transistorstufen differentiell sind, können sie in der Praxis mit zweimal der tatsächlichen Versorgungsspannung arbeiten selbst ohne induktive Spannungserhöher an den Versorgungsleitungen. Wenn Spannungserhöher verwendet werden, könnten sie bis zum Vierfachen der tatsächlichen Versorgungsspannung sein. Demnach ist es möglicht, den Leistungsverstärker mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen zu betreiben, die häufig beispielsweise in Mobiltelefonen ein Bedürfnis darstellen.The solution allows also a low voltage operation. This is due to the Fact that the peak current is now split between four transistors becomes. Further, because the transistor stages are differential, they can in practice with twice the actual supply voltage work even without inductive voltage booster on the supply lines. If voltage booster could be used They are up to four times the actual Be supply voltage. Accordingly, it is possible to use the power amplifier operate very low supply voltages, for example, often in mobile phones a need represent.

Claims

Amplifier circuit for radio frequency signals having a specific frequency and therefore a specific wavelength, comprising at least: a first hybrid coupler ( 66 ; 72 ) having an input port to which radio frequency signals can be applied, an isolated port, a first output port, and a second output port and arranged to apply a signal applied to the input port to a first signal component to the first output port and to a second signal component to split second output port, a first amplifier ( 62 . 63 ) with an input port and an output port, wherein the input port is connected to the first output port of the first hybrid coupler ( 66 ; 72 ), a second amplifier ( 64 . 65 ) with an input port and an output port, wherein the input port is connected to the second output port of the first hybrid coupler ( 66 ; 72 ), and a second hybrid coupler ( 67 ; 73 ) having a first input port connected to the output port of the first amplifier ( 62 . 63 ), a second input port connected to the output port of the second amplifier ( 64 . 65 ), an isolated port, and an output port connectable to an output load impedance and arranged to combine signals applied to the first input port and the second input port toward the output port, wherein the first and second hybrid couplers and the first and second amplifiers have first and second paths for radio frequency signals from the input port of the first hybrid coupler ( 66 ; 72 ) to the output port of the second hybrid coupler ( 67 ; 73 ), where the first path is the first amplifier ( 62 . 63 ) and the second path the second amplifier ( 64 . 65 ), and wherein the total electrical lengths of the two paths are substantially identical, and the electrical length from the input port of the first hybrid coupler to each of the input ports of the first and second amplifiers differs by a quarter of the wavelength of the radio frequency signals, characterized in that the hybrid couplers ( 66 . 67 ; 72 . 73 ) are implemented as differential couplers arranged to couple differential radio frequency signals, and wherein the amplifiers ( 62 . 63 ; 64 . 65 ) Differential amplifiers are.

amplifier circuit according to claim 1, characterized in that the first and the second hybrid coupler implemented in a stripline technology are.

amplifier circuit according to claim 1, characterized in that the first and the implemented second hybrid coupler in a microstrip technology are.

amplifier circuit according to any of the claims 1 to 3, characterized in that the first and the second hybrid coupler 3 dB couplers are.

amplifier circuit according to claim 4, characterized in that the first and the second hybrid couplers are in-phase couplers, so that the first and the second signal component at the output ports of the first hybrid coupler in phase with each other, and signals in phase with each other, the are applied to the two input ports of the second hybrid coupler, be combined to a signal at its output port.

amplifier circuit according to claim 4, characterized in that the first and the second hybrid couplers are quadrature couplers, so that the first and the second signal component at the output ports of the first hybrid coupler are in quadrature zueinender, and signals in quadrature to each other, which is applied to the two input ports of the second hybrid coupler are combined to a signal at its output port.

amplifier circuit according to claim 6, characterized in that the first and the second hybrid couplers are line-coupled hybrids in which the Coupling between two lines caused by connecting lines becomes.

A portable radio communication device, the an amplifier circuit according to any of the claims 1 to 7.

A portable radio communication device according to Claim 8, characterized in that the device is a mobile phone is.

A method of amplifying radio frequency signals having a particular frequency and therefore a particular wavelength, the method comprising the steps of: applying radio frequency signals to an input port of a first hybrid coupler ( 66 ; 72 ), Splitting the signals applied to the first input port into a first signal component to a first output port of the first hybrid coupler and a second signal component to a second output port of the first hybrid coupler, amplifying the first signal component in a first amplifier ( 62 . 63 ) with an input port and an output port, wherein the input port is connected to the first output port of the first hybrid coupler ( 66 ; 72 ), amplifying the second signal component in a second amplifier ( 64 . 65 ) with an input port and an output port, wherein the input port is connected to the second output port of the first hybrid coupler ( 66 ; 72 ), coupling the amplified first signal component from the output port of the first amplifier ( 62 . 63 ) to a first input port of a second hybrid coupler ( 67 ; 73 ) and the amplified second signal component from the output port of the second amplifier ( 64 . 65 ) to a first input port of the second hybrid coupler ( 67 ; 73 ), Combining the signals in the second hybrid coupler ( 67 ; 73 ) coupled to its input ports with an output signal at the output port of the second hybrid coupler and coupling the output signal to an output load impedance, the total electrical lengths of the paths of the two signal components from the input port of the first hybrid coupler being substantially identical to the output port of the second hybrid coupler and the electrical length from the input port of the first hybrid coupler to each of the input ports of the first and second amplifiers differs by a quarter of a wavelength for the radio frequency signals, characterized in that the radio frequency signals from the input port of the first hybrid coupler ( 66 . 72 ) to the output port of the second hybrid coupler ( 67 ; 73 ) implemented as differential couplers are applied, coupled and amplified as differential signals.