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Diese
Erfindung betrifft eine hocheffiziente verzerrungsarme lineare Leistungsverstärkerschaltung
für Signale
mit einem hohen Verhältnis
von Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung, speziell eine Mikrowellen-Verstärkerschaltung.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren
zur Steuerung eines linearen Leistungsverstärkers für Signale, die ein hohes Verhältnis von
Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung haben.
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Es
ist bekannt, dass in modernen Systemen zur Funksignalübertragung
komplexe Modulationen verwendet werden, wie z. B. Mehrebenen-Modulationen
(z. B. QAM mit einer hohen Anzahl von Konstellations-Punkten), die
sehr komplizierte Sender- und Empfängersysteme benötigen. Insbesondere
bei der modernen Digitalsignal-Übertragung
müssen
Signale mit hohen Verhältnissen
von Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung übertragen werden, und in einer
solchen Situation ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter
Pegel auftritt, umgekehrt proportional zur Anzahl der Pegel.
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Wenn
diese Arten von Signalen benutzt werden, müssen darüber hinaus die Störungen des
Signals klein sein, um eine gute Übertragungsqualität bereitzustellen.
Diese Forderung führt
zur Verwendung von Klasse-A-Leistungsverstärkern, die für einen
maximalen Spitzenpegel des zu sendenden Signals entwickelt wurden,
d. h. mit einem sehr kleinen Energie-Wirkungsgrad.
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In
WO-95/34128 wird ein GaAsFET-Leistungsverstärker offen gelegt, wobei der
GaAsFET für Eingangssignale
mit kleinem Pegel mit einer Vorspannung versorgt wird, die ungefähr die Hälfte des Wertes
hat, der für
Signale mit hohem Pegel geliefert wird. Um dieses Ergebnis zu erreichen,
wird die Modulations-Hüllkurve
des Eingangssignals erkannt, und ihre Spitzen werden dazu benutzt,
die Versorgung vom ersten auf den zweiten Wert umzuschalten. Der
Spitzenstrom von der zweiten Versorgung erreicht den FET über ein
Bauelement BJT, während der
kleine Strom der ersten Versorgung durch eine Diode fließt, die
zum Schutz der zweiten Versorgung erforderlich ist, zusammen mit
einer in Reihe geschalteten Spule zur Überwindung der Langsamkeit der
Diode.
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Dieses
System bietet Energieeinsparungen, wenn es mit Signalen mit kleinen
Pegeln betrieben wird. Wie im oben genannten Dokument gezeigt (Seite
6, Zeile 6-15), ist jedoch die Verwendung eines Schaltkreises zur
Phasen-Vorverzerrung (LIN) erforderlich, um Verzerrungen zu kompensieren,
die durch den GaAsFET eingeführt
werden. Darüber
hinaus kann die Umschaltung zwischen den beiden Spannungen zu weiteren
Fehlern führen.
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PATENT
ABSTRACT OF JAPAN, Band 016, Nr. 372 (E-1246), 11. August 1992 &
JP 04 119707 (kurz D1) beziehen sich
auf einen Schaltkreis zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines
Verstärkers
bei hoher Frequenz, wobei eine Hüllkurve schwankt.
Der Schaltkreis arbeitet, indem er eine Hüllkurve eines Eingangssignals
mit einem ersten Detektor erkennt und als Reaktion auf ein Spitzenwert-Erkennungs-Ausgangssignal,
das sich aus der Erkennung eines Spitzenwertes ergibt, eine getaktete
Stromversorgung mit variabler Spannung steuert. Der Spitzenwert
wird durch einen Spitzenwert-Detektor erkannt.
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D1
bietet keine Linearisierung des Frequenzganges, sondern hat als
einziges Ziel die Verbesserung des Wirkungsgrades. In D1 wird nur
der Spitzenwert der Hüllkurve
von einem Spitzenwert-Detektor erkannt/berücksichtigt. Ein solcher Spitzenwert wird
dazu verwendet, eine getaktete Stromversorgung mit variabler Spannung
anzusteuern. D1 beschreibt keine Anordnung, in der die Vorspannung zwischen
den Haupt-Elektroden des Leistungsverstärkers auf eine solche Weise
angesteuert wird, dass sie dem Hüllkurven-Signal
präzise
folgt.
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EP-A-0
431 201 (D2) basiert auf einer Rückkopplungs-Anordnung zwischen
Eingang und Ausgang, damit sich ein adaptives System ergibt. D2 kann
als die Summe zweier unabhängiger
Schaltkreise betrachtet werden, einer zur Bereitstellung eines hohen
Wirkungsgrades, der andere zur Bereitstellung einer Linearisierung.
D2 hat erkannt, dass eine getaktete Stromversorgung mit variabler
Spannung bezüglich
der Verzerrungen keine guten Ergebnisse liefert und dass es praktisch
nicht möglich
ist, dem Hüllkurven-Signal
zu folgen (siehe D2, Seite 4, letzter Abschnitt). D2 schlägt eine
andere Lösung
vor, die auf der Eingangssignal-Rückkopplungs-Anordnung basiert.
D2 verwendet die Rückkopplungs-Anordnung
zur Nutzung eines Vorverzerrers. D2 beschreibt keine Anordnung,
in der die Vorspannung zwischen den Haupt-Elektroden des Leistungsverstärkers auf eine
solche Weise angesteuert wird, dass sie dem Hüllkurven-Signal präzise folgt.
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Die
Aufgabe dieser Erfindung ist es, zu lehren, wie eine hocheffiziente
Leistungsverstärkerschaltung
für Signale
mit einem hohen Verhältnis
von Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung bereitgestellt werden
kann, wobei der Schaltkreis keinen Vorverzerrer erfordert und in
der Lage ist, die Verzerrungen automatisch zu verringern.
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Um
ein solches Ziel zu erreichen, bietet die vorliegende Erfindung
eine hocheffiziente verzerrungsarme lineare Leistungsverstärkerschaltung
für Signale
mit einem hohen Verhältnis
von Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung, welche die Eigenschaften
hat, die aus dem beigefügten
Hauptanspruch 1 resultieren, und weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung
eines linearen Leistungsverstärkers
für Signale,
die ein hohes Verhältnis
von Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung haben gemäß Anspruch 10.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden
in den entsprechenden abhängigen
Ansprüchen
bekannt gegeben. Auf jeden Fall werden alle Ansprüche als
integraler Bestandteil dieser Beschreibung angesehen.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch die folgende
detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen deutlich,
die nur als erklärendes
und nicht einschränkendes
Beispiel angegeben werden und in denen:
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1 eine
Kennlinienschar (IDS – VDS)
eines FET zeigt, der in einem Verstärker gemäß dieser Erfindung eingesetzt
wird;
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2 ein
Blockdiagramm eines FET-Mikrowellen-Leistungsverstärkers gemäß dieser Erfindung zeigt;
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3 ein
Schaltbild eines Details des FET-Mikrowellen-Leistungsverstärkers gemäß dieser Erfindung zeigt;
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4 den
Verlauf der AM/PM-Verzerrung bei zwei Schaltkreis-Bedingungen zeigt;
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5 die
vom Verstärker
aufgenommene Leistung unter zwei verschiedenen Betriebsbedingungen
zeigt.
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Diese
Erfindung beruht auf der Idee, den Klasse-A-Leistungsverstärker mit einer Versorgungsspannung
zu betreiben, die sich als Funktion der Hüllkurve des Eingangssignals ändert, um
den Verstärker
jederzeit in einem linearen Bereich zu halten und die aus der Versorgung
aufgenommene Leistung auf dem kleinstmöglichen Wert zu halten.
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Grundsätzlich wurden
zwei extreme Arbeitspunkte gewählt,
zwischen denen der Verstärker
arbeitet, wobei der Arbeitspunkt unmittelbar als Funktion der Hüllkurve
des Eingangssignals dynamisch verschoben wird, von einer ersten
Position (A), die der minimalen Versorgungsspannung und dem geringsten
Eingangssignal-Pegel entspricht, auf eine zweite Position (B), die
der maximalen Versorgungsspannung und dem höchsten Eingangssignal-Pegel entspricht
(siehe 1).
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Dies
führt nicht
nur zu dem Vorteil eines kleineren Leistungsverbrauchs, sondern
auch zu dem Vorteil, dass die AM/PM-Verzerrung verringert wird. Bekanntlich
ist das typische Verhalten von Leistungsverstärkern durch die Tatsache gekennzeichnet, dass
wenn die Eingangsleistung erhöht
wird, die Verstärkung
komprimiert wird (AM/AM-Verzerrung), während die Phase einer Expansion
(AM/PM-Verzerrung) unterzogen wird.
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Wenn
nun die Vorspannung VDS bei gleicher Leistung
erhöht
wird, ändert
sich die Phase in einer Richtung, die der Richtung entgegengesetzt
ist, in der sie sich ändert,
wenn das Eingangssignal ansteigt, wobei die Phasenänderung
als Funktion der Vorspannung VDS hauptsächlich durch
die Änderung der
Gate-Source-Kapazität verursacht
wird, die sich erhöht,
wenn sich die Drain-Spannung erhöht
(wie in "Improvement
of intermodulation distortion in microwave MESFET amplifiers using
gate-bias compensation",
Electronics Letters, 9. Nov. 1979, Band 15, Nr. 23, Seite 742 erläutert).
Aufgrund dieser Tatsache wird ein praktisch konstanter Phasenverlauf
erzielt, wenn die Vorspannung VDS bei steigendem
Eingangssignal erhöht
wird.
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Daher
erhält
man mit dem Verstärker
gemäß dieser
Erfindung neben einer ziemlich verbesserten Energie-Effizienz auch
eine beträchtlich
kleinere Phasenverzerrung.
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In 2,
die ein Blockdiagramm eines Mikrowellen-Leistungsverstärkers mit hohem Wirkungsgrad
und geringen Verzerrungen gemäß dieser Erfindung
zeigt, kennzeichnet das Referenzsymbol IF ein moduliertes Eingangssignal,
das zum Beispiel ein 128 QAM moduliertes Signal mit der Frequenz
70 MHz sein kann, das eine Kapazität von 151 MBit/s hat, während ein
Ausgangssignal OUT des Mikrowellen-Leistungsverstärkers 13
GHz und 32dBm Leistung haben kann. Das Symbol UC bezeichnet einen Wandler
(Aufwärts-Wandler),
der zusätzlich
zum IF-Signal auch das Signal eines Lokaloszillators OL empfängt und
das Signal IF durch eine Mischungs- und Verstärkungs-Operation in den Mikrowellenbereich
umsetzt.
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Das
vom Mikrowellen-Wandler UC ausgegebene Signal RF wird durch ein
Filter LO gefiltert, um das restliche Signal bei der Lokaloszillator-Frequenz zu
dämpfen.
Dann erreicht es einen Verstärker
mittlerer Leistung oder Treiber MP und anschließend den Leistungsverstärker PA,
der aus einem MFT-Leistungstransistor
MESFET besteht, wie z. B. einem 12W GaAsFET.
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Das
Eingangssignal IF wird auch dazu verwendet, einen Breitband-Operationsverstärker G1
zu versorgen, der eine hohe Eingangsimpedanz hat, um zu verhindern,
dass der Haupt- Schaltkreis
beeinflusst wird. Dann durchläuft
das Signal eine Verzögerungsleitung
DL, mit der der unterschiedliche Signalpfad im Steuerzweig bezogen
auf den Haupt-Zweig berücksichtigt
wird, so dass das Signal im Steuerzweig mit dem zu verstärkenden
Signal synchronisiert wird.
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Das
Symbol ED kennzeichnet einen Hüllkurven-Detektor,
der dazu verwendet wird, die Modulations-Hüllkurve aus dem Eingangssignal
IF zu extrahieren. Es handelt sich um einen herkömmlichen Dioden-Hüllkurven-Detektor,
auf den eine geeignete Filterung folgt, um Hochfrequenz-Komponenten
zu entfernen.
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Das
Symbol PC bezeichnet einen Phasenregelungs-Schaltkreis. Er empfängt ein Steuersignal vom Detektor
ED und zwei verschiedene Gleichspannungen, eine erste Spannung V1
und eine zweite Spannung V2 (wobei V2 > V1) von zwei Spannungsversorgungen P1
bzw. P2. Der Zweck der Steuerung PC ist es, eine Änderung
der Vorspannung VDS von MFT-Leistungs-MESFET zwischen den beiden
Werten zu verursachen, die V1 und V2 entsprechen.
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Die
erste minimale Spannung V1 wird experimentell bestimmt, der optimale
Wert für
die in den Tests benutzten FETs war ungefähr 6V. 3 zeigt das
Schaltbild des Steuerungs-Schaltkreises PC und des Leistungsverstärkers PA.
Das vom ED erhaltene Hüllkurven-Signal
wird an die Basis des Transistors TR angelegt, nachdem es eine Amplitudeneinstellung
und eine Gleichspannungsverschiebung durchlaufen hat. Die Steuerung
der Vorspannung VDS von MFT-Leistungs-MESFET
wird von dem Transistor TR ausgeführt, der in Kollektorschaltung
konfiguriert ist und über
den Kollektor mit der zweiten Spannung V2 und über den Emitter mit dem Drain
des MFT-Leistungs-MESFET
verbunden ist. Spannung V1 ist über eine
entsprechend konstruierte Spule L ebenfalls mit dem Drain des MFT-Leistungs-MESFET
verbunden. Die Konstruktion der Spule L spielt eine wichtige Rolle
im Hinblick auf die Verringerung des Leistungsverbrauchs. Tatsächlich wird
dank der langsamen Entladung der Spule L in den sehr kurzen Augenblicken, während denen
der Transistor TR leitet, der meiste Strom von der Spannungsversorgung
P1 an die erste kleinere Spannung V1 geliefert. Der Transistor TR muss
die kleine Menge zusätzlichen
Strom liefern, der wegen der im Drain-Strom auftretenden Änderung
von MFT-Leistungs-MESFET gefordert wird (zusätzlich zu dem von der Spule
L gelieferten Strom). Somit erlaubt es die Spule L, das meiste des
für den Betrieb
des MFT-Leistungs-MESFET erforderlichen Stroms aus der Spannungsversorgung
P1 mit einer kleineren Spannung V1 zu entnehmen. Dies führt zu einem
Vorteil, da die Spannungsversorgung P2 mit einer höheren Spannung
V2 so konstruiert werden kann, eine Leistung, d. h. einen Strom
zu liefern, der wesentlich kleiner ist. Darüber hinaus arbeitet die Spule
L als Filter für
den dynamischen Teil der Vorspannung VDS,
der den Generator P1 nicht erreicht, und macht somit eine Schutzdiode überflüssig.
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4 zeigt
den Verlauf der AM/PM-Verzerrung unter zwei verschiedenen Bedingungen,
d. h.
- – ohne
Schaltkreis zur Vorspannungs-Steuerung und mit einer konstanten
Vorspannung auf ihrem Maximalwert (B1);
- – mit
Steuerungs-Schaltkreis PC gemäß dieser Erfindung,
wie in den 2 und 3 gezeigt (C1).
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Wie
man sieht, wird die AM/PM-Verzerrung mit dem Phasen-Steuerungs-Schaltkreis
PC gemäß dieser
Erfindung beträchtlich
verringert, während
die AM/AM-Verzerrung unter beiden Bedingungen praktisch unverändert bleibt.
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5 zeigt
den Verlauf der vom Verstärker aufgenommenen
Leistung unter denselben Bedingungen, wie in 4, d. h.
ohne Steuerungs-Schaltkreis (B1) und mit Steuerungs-Schaltkreis (A1).
Wie man sieht, ist wenn ein Steuerungs-Schaltkreis vorhanden ist, die aufgenommene
Leistung proportional zum Pegel des Eingangssignals und ist im Durchschnitt
viel kleiner.
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Zusammenfassend
umfasst das Verfahren zur Ansteuerung eines linearen Leistungsverstärkers für Signale,
die ein hohes Verhältnis
von Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung haben, gemäß der vorliegenden
Erfindung die Schritte der Bereitstellung eines Hüllkurven-Detektors
(ED), der Demodulation des Eingangssignals (IF) durch den Hüllkurven-Detektor (ED), um
ein Hüllkurven-Signal
zu erhalten, und der Verwendung des Hüllkurven-Signals zur Steuerung
der Versorgungsspannung eines Leistungsverstärker-Bauelementes (PA) und
ist gekennzeichnet durch die Schritte des Sendens des Hüllkurven-Signals
zu einem Steuerungs-Schaltkreis-Eingang (PC) und der Steuerung der
Versorgungsspannung des Leistungsverstärker-Bauelementes (PA) durch
den Steuerungs-Schaltkreis
(PC), wobei der Steuerungs-Schaltkreis (PC) sich dazu eignet, die Versorgungsspannung
des Leistungsverstärker-Bauelementes (PA)
auf eine geeignete kontinuierliche Weise entsprechend der Änderungen
des Hüllkurven-Signals
zu steuern.
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Einige
Experimente, die sowohl mit 128 QAM, 64 QAM, als auch 32 QAM durchgeführt wurden,
haben gezeigt, dass es bei gleicher Intermodulation möglich ist,
die Ausgangsleistung um 3 dB zu erhöhen. Die folgenden Ergebnisse
wurden mit einem 13-GHz-Sender
erzielt, bei dem als letzter FET ein FLM1213-12F mit einer Nennleistung
von 29 dBm der Fujitsu Corporation verwendet wurde. Durch Verwendung
des Steuerungs-Schaltkreises gemäß dieser
Erfindung wurde die Ausgangsleitung auf 32 dBm erhöht; in diesem
Fall hat die Steuerung auch den Treiber MP versorgt. Die Leistungsaufnahme
des Endverstärkers änderte sich
von 32,9 W auf 18,9 W, so dass eine Reduktion von 42,6 erreicht
wurde. Zusätzlich
wurde eine Einsparung von 38% beim Treiber erzielt.
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Weiterhin
wurde ein Hüllkurven-Detektor
mit Doppel-Diode verwendet, der beide Halbwellen demoduliert und
die zweite mit 180° bezogen
auf die erste aufsummiert. Es wurde jedoch keine nennenswerte Verbesserung
beobachtet. Es wurde auch versucht, das Signal IF bei einer höheren Frequenz
(700 MHz) umzuwandeln, um eine einfachere Demodulation und Filterung
zu erreichen.
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Der
oben beschriebene Detektor scheint praktischer zu sein, da der Steuerungs-Schaltkreis PC
in vorhandenen Sendern durch minimale Änderungen bereitgestellt werden
kann.
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Die
oben beschriebenen Eigenschaften des linearen Leistungsverstärkers werden
aus der obigen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich.
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Aus
dieser Beschreibung werden auch die Vorteile des linearen Leistungsverstärkers gemäß dieser
Erfindung deutlich. Insbesondere sind dies folgende:
- – Die
Energieeffizienz des Verstärkers
ist im Mittel wesentlich höher,
insbesondere ist sie umso besser, je höher das Verhältnis von
Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung des Signals ist;
- – Die
Folge ist eine kleinere Betriebstemperatur des Bauelementes und
folglich eine Verbesserung des MTBF (Medium Time between Failures, mittlerer
Ausfallabstand), d. h. eine höhere
Lebenserwartung des Bauelementes;
- – Durch
die kontinuierliche dynamische Abhängigkeit der Vorspannung VDS vom Hüllkurven-Signal wird
eine beträchtliche
Verringerung der AM/PM-Verzerrung erreicht. Bei einer gleichen zulässigen Verzerrung
bedeutet dies, dass eine größere (ungefähr die doppelte)
Leistung gesendet werden kann.
- – Die
Verzögerungsleitung
in den Schaltkreisen, die ein Eingangssignal mit kleinerer Frequenz
liefern, und die nachfolgende Umwandlung in den Mikrowellenbereich
kann in dem Schaltungs-Zweig angeordnet werden, der für die Hüllkurven-Erkennung konstruiert
wurde. Dieser Zweig arbeitet mit einer kleineren Frequenz, wenn das
Signal in Aufwärtsrichtung
zum Aufwärts-Wandler
angelegt wird, so dass die Verzögerungsleitung
preiswerter ist.
- – Im
Schaltkreis gemäß dieser
Erfindung treten keine Bedingungen auf, bei denen beide Spannungsversorgungen
nicht gegeneinander isoliert sind, so dass keine Schutzdiode benötigt wird.
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Offensichtlich
sind viele Änderungen
des als Beispiel beschriebenen Leistungsverstärkers möglich, ohne vom durch die Erfindung
geschützten
Umfang abzuweichen, und es ist auch klar, dass das vorgeschlagene
System für
jede beliebige Art von Verstärker-Einrichtung
geeignet ist, sogar für
Bipolar-Verstärker.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
die Phasensteuerung unter verschiedenen Prozeduren zu betreiben,
d. h. mit invertierten Hüllkurven-Signalen und/oder
invertierten Spannungspegeln beider Spannungsversorgungen, wobei
immer die Charakteristik der dynamischen Einstellung des Arbeitspunktes
des Leistungsverstärkers
proportional zum Hüllkurven-Signal
erhalten bleibt.
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Weiterhin
darf die Erkennung des Hüllkurven-Signals
nicht zwingend in Aufwärtsrichtung
zur Signal-Umwandlung in den Mikrowellenbereich vorgeschrieben sein,
sondern es kann auch in Abwärtsrichtung
an jedem Punkt des Haupt-Knotens vor dem Verstärkungs-Bauelement erkannt werden.