MXPA98007243A - Transmisor que tiene eficiencia de potencia agregada mejorada y radio que lo usa - Google Patents

Abstract

Una radio (300) tiene un transmisor (302) que comprende un amplificador de potencia (308), un acondicionador de tensión (318) y un controlador (313). El amplificador de potencia opera a uno de una cantidad de niveles de potencia de salida. Cuando el nivel de potencia de salida es reducido desde un ajuste máximo a un ajuste másbajo, el controlador ajusta un nivel de señal de control provisto al acondicionador de tensión. El cambio en el nivel de la señal de control selecciona una tensión de salida más baja del acondicionador de tensión, que es suministrada al amplificador de potencia. Ajustando selectivamente el nivel de tensión suministrado al amplificador de potencia, la eficiencia de potencia agregada es mantenida a un nivelóptimo.

Description

TRANSMISOR QUE TIENE EFICIENCIA DE POTENCIA AGREGADA MEJORADA Y RADIO QUE LO USA CAMPO TÉCNICO La invención se relaciona en general con transmisores, y más particularmente con transmisores que operan a una cantidad de niveles de potencia de salida.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Actualmente el énfasis en el diseño de equipos de comunicaciones está puesto en dispositivos manuales de abonado más pequeños. Este énfasis se hace rápidamente evidente cuando se comparan teléfonos celulares actualmente comercializados con aquellos vendidos hace sólo cinco años, Uno de los componentes más grandes de cualquier dispositivo de comunicaciones portátil manual es la batería. Con el énfasis puesto en la reducción, ha sido necesario reducir el tamaño de toda batería o pila seca asociada. Sin embargo, al reducir el tamaño de la batería, no es aceptable reducir la vida útil del dispositivo y dado que, en general, una batería más pequeña suministra menos almacenamiento de energía, se deberá desarrollar una batería mejor o el dispositivo deberá volverse más eficiente en el uso de la energía almacenada en la batería. Los fabricantes están siguiendo ambas estrategias, aunque la tecnología en materia de baterías está muy desarrollada y en consecuencia los fabricantes se han inclinado más a aumentar la eficiencia de los elementos electrónicos del dispositivo.

En los dispositivos de comunicaciones portátiles manuales, uno de los dispositivos de más elevado consumo de potencia es el transmisor. Por este motivo, por ejemplo, un teléfono celular puede operar durante días con una carga de batería en el modo de reposo, pero el "tiempo para hablar" se mide en minutos u horas, Esto se debe a que cuando el dispositivo está transmitiendo, usa mucha más potencia que cuando está en el modo de reposo o inactividad, Esto es particularmente cierto en un dispositivo que usa un esquema de modulación de amplitud (AM) , incluyendo esquemas de modulación digital como modulación de amplitud en cuadratura (QAM) . Esto se debe a que en un sistema de AM potencia sobre tiempo no es constante y la eficiencia de un amplificador de potencia típico cambia según el nivel de potencia de salida. Como ilustración de un sistema de AM típico, mostrado en la Figura 1, se da un cuadro 100 que gráfica la potencia de salida de amplificador de potencia 102 contra el tiempo 104 un un sistema de AM de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) típico. La curva 106 es arbitraria, según la señal que se transmita. La curva comienza y termina en sin potencia ya que la señal sólo es transmitida durante un segmento de tiempo en particular, de acuerdo con un formato de TDMA. Dentro del segmento de tiempo de TDMA, hay un nivel de potencia pico, indicado por la línea 108 y un nivel de potencia promedio, indicado por la línea 110. En general el amplificador de potencia está diseñado de manera tal que la potencia pico tenga algún margen desde el punto de saturación (Psat) , indicado por la línea 112. El punto Psat se define como el punto en un gráfico de potencia de salida contra potencia de entrada donde la ganancia de potencia de salida cae una cantidad específica, por ejemplo 3 decibeles (dB) , desde la operación lineal. En otras palabras, cuando se aumenta la potencia de entrada, la potencia de salida aumenta linealmente según algún factor de ganancia constante. Cuando la potencia de salida alcanza el punto Psat, la ganancia de potencia comienza a caer por debajo de la lineal y cuando la diferencia entre la potencia de salida real y el valor esperado linealmente es, por ejemplo de 3 dB, se ha alcanzado el punto Psat. A partir de la Figura 1, se ha visto que en un sistema de AM, la potencia de salida promedio del amplificador de potencia deberá ajustarse de manera tal que los picos de potencia de salida no superen la línea de Psat, o el amplificador de potencia estará operando en saturación, produciendo una distorsión de salida significativa.

Sin embargo, el- punto de operación más eficiente para un amplificador de potencia típico, por ejemplo un amplificador de potencia clase AB, es cercano al punto Psat. Haciendo referencia ahora a la Figura 2, se muestra en ella un cuadro 200 que gráfica la eficiencia de potencia agregada (PAE) 202 contra la potencia de salida 204 en dB debajo del punto Psat. La PAE es la eficiencia de convertir la potencia de corriente continua suministrada al amplificador de potencia en intensidad de señal. Dado que, como se ilustra en la Figura 1, una intensidad de señal de AM contra tiempo varía, el nivel de salida de potencia nominal del amplificador de potencia deberá ajustarse lo suficiente para permitir niveles pico de potencia de salida. Por ejemplo, tome un amplificador de potencia clase AB típico que tiene un pico de razón de potencia promedio de 5,6 dB. Para permitir niveles picos en un sistema de AM, y un margen, el nivel de potencia de operación nominal se ajusta en -7,5 dB desde el punto Psat, como lo indica la línea 206. Dado que esta eficiencia disminuye cuando el nivel de potencia se ajusta más abajo, para un amplificador de potencia clase AB típico, la eficiencia en el punto -7,5 dB es de aproximadamente el 24%, como lo indica la linea 208. En un sistema de frecuencia modulada (FM) la potencia de salida será constante, y por lo tanto el amplificador de potencia en un sistema de FM puede operar con la potencia de salida nominal ajustada mucho más cerca del punto Psat.

Empeora más la eficiencia el hecho de que las unidades de comunicaciones móviles frecuentemente son diseñadas para ajustar el nivel de potencia de salida, según la ubicación del equipo receptor. Esto se hace para permitir la reutilización de frecuencia en regiones de operación próximas, y evitar la interferencia de canales adyacentes.

Por lo tanto, se necesita un medio por el cual se mejore la PAE en un amplificador de potencia que opera a niveles de potencia de salida discretos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra un cuadro que gráfica la potencia de salida de un amplificador de potencia contra la potencia de entrada para una salida de señal de AM. La Figura 2 muestra un cuadro que gráfica la eficiencia de potencia agregada contra la potencia de salida comparada con el punto Psat de un amplificador de potencia típico. La Figura 3 muestra un diagrama en bloques de una radio que • incorpora un transmisor de acuerdo con la invención.

La Figura 4 muestra un diagrama en bloques de un conversor de potencia de modo conmutado de acuerdo con la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA REALIZACIÓN PREFERIDA Si bien la memoria descriptiva concluye con reivindicaciones que definen las características de la invención que se consideran novedosas, se cree que la invención será mejor comprendida a partir de la consideración de la siguiente descripción en conjunto con los dibujos, en los cuales los números de referencia iguales se mantienen de una figura a otra.

La invención resuelve el problema de la eficiencia degradada cuando transmite a un nivel de potencia de salida más bajo aproyechando la relación entre el punto Psat y el nivel de tensión suministrado al amplificador de potencia. La relación se expresa en la siguiente ecuación: Psat= (Vdd - Vsat)2 2R? donde: Vdd es la tensión de operación suministrada al amplificador de potencia; Vsat es la tensión de saturación del transistor de salida del amplificador de potencia; y Ri es la resistencia de carga presentada a la salida del amplificador de potencia.

Para lograr una mejora en la eficiencia cuando la potencia de salida se reduce a un nivel de "corte", sería deseable ajustar el punto Psat del amplificador de potencia. En otras palabras, cuando el nivel de potencia de salida se reduce, el punto Psat se reduce igualmente para mantener la máxima eficiencia de operación proveyendo simultáneamente margen suficiente para evitar saturar el transistor de salida del amplificador de potencia. Por ejemplo, si el nivel de potencia de salida se reduce 5 dB, reduciendo el punto Psat se mantiene la misma eficiencia que al nivel de potencia de salida más alto.

A partir de la ecuación dada arriba, se puede ver que hay esencialmente tres parámetros que determinan el nivel de Psat. En consecuencia, si ha de ajustarse el nivel de Psat, esto deberá hacerse ajustando al menos uno de estos parámetros. De estos parámetros, la tensión de saturación Vsat del transistor de salida es la menos modificable. Este valor es determinado por las características del transistor de salida, y es sustancialmente constante en el espectro de potencias de salida. La resistencia de carga Ri puede ser cambiada durante la operación, pero en un grado muy limitado. Este valor es determinado por la red de combinación de salida y por lo tanto la resistencia está dada por el desempeño de esos circuitos. Finalmente, la tensión de suministro Vdd debe ser analizada. En general, como se mencionó arriba, la fuente de potencia para un dispositivo de comunicaciones portátil es una batería o pila seca. La tensión originada por la batería es regulada a un nivel prescripto, o es suministrada directamente al amplificador de potencia. En este último caso se necesita algún circuito de polarización simple y conocido para garantizar la polarización correcta del amplificador de potencia mientras cambia la tensión de la batería. Por lo tanto, si se empleó un medio para ajustar selectivamente la tensión suministrada al amplificador de potencia, se obtendrá la mejora de eficiencia deseada.

Se hace referencia ahora a la Figura 3, donde se muestra un diagrama en bloques de una radio 300 que incorpora un transmisor 302 de acuerdo con la invención. La radio está conectada a una fuente de tensión 304, por ejemplo una batería o pila seca, y tiene una antena 306 para recibir y transmitir señales de radio frecuencia (RF) . El componente principal del transmisor es el amplificador de potencia 308. En algunos transmisores, por ejemplo en los transmisores QAM, se usa un circuito de linealización 309 para proporcionar mayor linealización. En la realización preferida, el circuito de linealización proporciona realimentación cartesiana, aunque se prevé que pueda emplearse cualquier técnica de circuito de linealización conocida, por ejemplo, corrección anticipante, predistorsión adaptadora o realimentación polar, por mencionar sólo algunas técnicas. Para la realimentación cartesiana, una señal en la línea 311 es realimentada a la fuente de señales 310, que comprende un modulador.

El amplificador de potencia recibe una señal de entrada desde una fuente de señales 310, que comprende circuitos para modular una onda portadora con una señal de mensaje. La señal de mensaje es la información que ha de transmitirse a la parte receptora y puede ser de voz o datos, por ejemplo. Por lo tanto, la señal de entrada ya es una señal de RF y el amplificador de potencia simplemente aumenta la potencia de la señal de entrada par producir una señal de salida en la salida 312 del amplificador de potencia. Para adaptar la transmisión en modos de corte, el amplificador de potencia puede operarse a una cantidad de niveles de salida, el nivel particular de salida puede ser seleccionado por el controlador 313. La señal de salida es filtrada por una red de filtro de combinación de salida/armónico 314 para eliminar el contenido de frecuencia indeseable de la señal de salida, y proporcionar una combinación de impedancia para la antena. Según el tipo de radio que se considere, puede emplearse un conmutador de RF 316 para conmutar la conexión de antena entre un modo de transmisión y un modo de recepción de la radio.

Para ajustar el nivel de tensión suministrado al amplificador de potencia se proporciona un acondicionador de tensión 318 dispuesto entre la fuente de tensión 304 y el amplificador de potencia. El acondicionador de tensión ajusta la tensión sin rectificar provista por la fuente de tensión 304 a uno de una cantidad de niveles de tensión de salida discretos en la línea 320, que se usa para proveer de tensión al amplificador de potencia 308. El acondicionador responde a una señal de control provista por el controlador 313. La señal de control hace que el acondicionador de tensión opere selectivamente el amplificador de potencia a uno de la cantidad de niveles de tensión de salida discretos del acondiconador de tensión, que es la tensión de suministro para el amplificador de potencia. Por lo tanto, el controlador 313 determina a qué nivel de tensión de suministro ha de operar el amplificador de potencia, luego proporciona al acondicionador de tensión una señal de control apropiada de manera tal que el punto Psat sea ajustado para mantener la eficiencia máxima indicada por el gráfico de la Figura 2.

Para ilustrar cómo funciona la invención, considere el siguiente ejemplo. Supongamos que una unidad de radio móvil que incorpora la invención está viajando e ingresa en una región donde presta servicio una estación de base particular. Al entrar en la región, la unidad de radio móvil está transmitiendo a una potencia admisible máxima. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo, la unidad de radio móvil se acerca a la antena de la estación de base. En algún punto mientras la unidad de radio móvil se acerca a la antena, la unidad de radio móvil reduce su potencia de salida. De acuerdo con el gráfico de la Figura 2, sin un ajuste de la tensión suministrada por el amplificador de potencia de la unidad de radio móvil, la PAE de la unidad de radio móvil se degrada. Sin embargo, el controlador 313 hace que el acondicionador de tensión opere a un nivel de tensión de salida más bajo de manera que la eficiencia del amplificador de potencia se optimice.

En la realización preferida, el acondicionador de tensión es un conversor de potencia de modo conmutado. Existe una gran variedad de circuitos conversores de potencia de modo conmutado y son conocidos en el arte. En general, hay tres categorías de conversores de potencia de modo conmutado: compensadores de tensión, elevadores de tensión y reductores/elevadores de tensión. Un conversor compensador de tensión convierte un nivel de tensión de fuente en un nivel de tensión más bajo. Los conversores elevadores de tensión convierten la tensión de fuente en una tensión más elevada que el nivel de tensión de fuente y los reductores/elevadores de tensión realizan ambas conversiones ascendente y descendente del nivel de tensión de fuente. Los tres tipos pueden emplearse de acuerdo con la invención y cuál puede ser requerido por una aplicación particular constituye una elección de ingeniería.

Sin embargo, debería señalarse que la tendencia en los elementos electrónicos portátiles y en los dispositivos de radio portátiles en particular, es hacia tensiones de operación menores. En algunos casos, la meta es proporcionar una unidad de radio, por ejemplo una radio bidireccional o un teléfono celular, que opera desde un solo elemento de batería, que puede ser tan bajo como 1,2 voltios nominales. Si bien una tensión de operación tan baja permite un menor consumo de potencia, presenta problemas significativos en el diseño de un amplificador de potencia para tal dispositivo. Por lo tanto, en tal caso, un conversor de modo elevador de tensión sería apropiado.

Con referencia a la Figura 4, en ella se muestra un diagrama en bloques de un conversor de potencia de modo conmutado 400 de acuerdo con la invención. El diagrama del conversor mostrado es un conversor de tipo elevador de tensión generalizado que convierte un nivel de tensión de fuente, provisto por una fuente de tensión 304, en una potencia más elevada. En general, el conversor comprende un inductor 402, un conmutador 404, un elemento bloqueador 406, un capacitor de filtro de salida 408 y un circuito de control 410. El conversor suministra potencia a una carga 412, que puede ser un amplificador de potencia. El circuito de control toma muestras de la tensión de salida en el capacitor de filtro y la compara con una tensión de referencia o control en la línea 414. El circuito de control proporciona una señal modulada de duración de impulso (PWM) al conmutador y ajusta el factor de trabajo de la señal de PWM de manera que la tensión de salida corresponda a la tensión de referencia. En general, la tensión de referencia está a un nivel mucho menor que la tensión de salida deseada, por lo que la práctica común es dividir la tensión de salida a través de una red de resistor simple. Se suministra un nivel de tensión más alto en la salida 416 cerrando el conmutador, conectando momentáneamente en consecuencia el inductor con la línea de referencia 418, cargando así el centro magnético del inductor y aplicando el nivel de tensión de fuente a través del inductor. Cuando el conmutador se abre posteriormente, la tensión en el inductor invierte la polaridad, sumándose entonces al nivel de fuente de tensión, el nivel de tensión combinada es aplicado al capacitor de filtro y a la carga. El elemento bloqueador impide que la carga entregada a la salida vuelva, mientras que el capacitor de filtro filtra la tensión conmutada.

Al poner la invención en práctica, usando el conversor de potencia generalizada de la Figura 4 como el acondicionador de tensión de la Figura 3, la línea 414 es la línea por la cual el controlador 313 envía una señal de control al acondicionador de tensión. Por lo tanto, ajustando la tensión de referencia suministrada al circuito de control de conversor, el nivel de salida es ajustable selectivamente. Aunque los detalles de la implementación del circuito conversor son una cuestión de elección de ingiería, se han hecho esfuerzos para producir conversores altamente eficientes. Un diseño de tal conversor se describe en el artículo titulado "Equipo de Chip con MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) de Potencia Aumenta el Tiempo para Hablar del Teléfono Celular" de F. Goodenough, publicado en la revista Diseño Electrónico, el 19 de agosto de 1996, págs. 69,70 y 77. El artículo trata y muestra el diseño de un conversor intensificador de tensión para su uso en la alimentación de un amplificador de potencia de un teléfono celular. El conversor descripto en el artículo logra una elevada eficiencia, haciéndolo una elección práctica para su uso en un dispositivo de comunicaciones alimentado por baterías. Diseños de eficiencia similar para conversores reductores de tensión y conversores de combinación de compensador/elevador de tensión son conocidos en el arte.

El uso de un conversor de potencia tiene un beneficio adicional en ciertos dispositivos de comunicaciones. Otra tendencia en los dispositivos de comunicaciones portátiles es el uso de protocolos de comunicaciones digitales y formatos de acceso múltiple/por división de tiempo (TDMA) . En tales sistemas la unidad portátil transmite información en impulsos periódicos. En un sistema convencional, estos impulsos crean picos en la corriente tomada del suministro de tensión. En el caso de dispositivos alimentados por baterías, los niveles altos de corriente provocan que la tensión de la batería caiga significativamente, y puede hacer caer prematuramente la tensión de batería por debajo del umbral de operación del dispositivo. Esto se debe a la resistencia interna de la batería o pila seca. Para resolver este problema, los fabricantes han comenzado a incorporar capacitores de gran valor en la pila seca. Dado que el capacitor tiene una resistencia muy baja, puede entregar breves impulsos de carga, manteniendo así la tensión suministrada a la radio. Dado que el impulso de corriente es principalmente tomado por el amplificador de potencia, en un transmisor de acuerdo con la invención, el capacitor de filtro 408 puede proveer la reserva de carga necesaria.

Por lo tanto, de acuerdo con la invención, la eficiencia de potencia agregada de un amplificador de potencia que tiene niveles de operación de potencia de salida promedio puede ser aumentada cuando el amplificador de potencia está operando a niveles de potencia de salida por debajo de su nivel máximo. La ganancia en la eficiencia se obtiene proporcionando un acondicionador de tensión que tiene una cantidad de niveles de tensión de salida para alimentar el amplificador de potencia, y controlando selectivamente el acondicionador de tensión de manera que el amplificador de potencia sea operado a un nivel de tensión de suministro óptimo. Aunque la invención ha sido descripta desde la perspectiva de un sistema de AM, se contempla que también puede obtenerse una mejora en transmisores de FM. Si un transmisor de FM opera a varios niveles de potencia de salida diferentes, entonces experimentará una degradación similar en la PAE al ajustar el nivel de potencia de salida a un nivel de corte. Por lo tanto, aplicando los principios de la presente invención, se puede lograr un aumento en la PAE. Los transmisores de FM en general usan amplificadores de potencia no lineales, de manera que es posible que tanto los amplificadores lineales como los no lineales puedan beneficiarse con la invención.

Si bien se han ilustrado y descripto realizaciones preferidas de la invención, estará claro que la invención no es tan limitada. Numerosas modificaciones, cambios, variaciones, sustituciones y equivalentes se le ocurrirán a los expertos en el arte sin apartarse del espíritu y del alcance de la presente invención definida por las reivindicaciones anexadas.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Un transmisor caracterizado porque comprende: un amplificador de potencia operable a una cantidad de niveles de potencia de salida; un acondicionador de tensión para proporcionar un nivel de tensión al amplificador de potencia, el nivel de tensión es ajustable a una cantidad de niveles de salida, el acondicionador de tensión responde a una señal de control; y un controlador para proporcionar la señal de control al acondicionador de tensión para operar selectivamente el amplificador de potencia a uno de la cantidad de niveles de salida del acondicionador de tensión.
2. 2. Un transmisor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el acondicionador de tensión opera desde una fuente de potencia, la fuente de potencia es una pila seca que tiene un nivel de salida de tensión nominal.
3. 3. Un transmisor de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el nivel de salida de tensión nominal de la pila seca es más bajo que un nivel de salida máximo del acondicionador de tensión.
4. 4. Un transmisor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el amplificador de potencia es un. amplificador lineal.
5. 5. Un transmisor de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque también comprende un bloque de linealización conectado entre una salida y una entrada del amplificador de potencia para proporcionar realimentación al amplificador de potencia.
6. 6. Un dispositivo de radio caracterizado porque comprende: una fuente de tensión; un amplificador de potencia que tiene una cantidad de niveles de potencia de salida, una salida y una entrada; un acondicionador de tensión para proporcionar un nivel de tensión al amplificador de potencia, el nivel de tensión ajustable a uno de la cantidad de niveles de salida, el acondicionador de tensión responde a una señal de control para seleccionar uno de la cantidad de niveles de salida, y conectado a la fuente de tensión; y un controlador para proporcionar la señal de control al acondicionador de tensión para operar selectivamente el amplificador de potencia a uno de la cantidad de niveles de salida del acondicionador de tensión.
7. 7. Un dispositivo de radio de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado porque el acondicionador de tensión es un conversor de potencia de modo conmutado.
8. 8. Un dispositivo de radio de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado porque la fuente de tensión es una pila seca que tiene un nivel de salida de tensión nominal.
9. 9. Un dispositivo de radio de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque el nivel de salida de tensión nominal de la pila seca es menor que un nivel de salida máximo del acondicionador de tensión.
10. 10. Un dispositivo de radio de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado porque el amplificador de potencia es un amplificador lineal.