SE520760C2 - Doherty-förstärkare av flerstegstyp - Google Patents

Description

20 25 - » . I , . 520760 En RF-effektförstärkares linjäritet beskrivs vanligen genom dess distorsions- karakteristik beträffande AM-AM (AM = amplitudmodulering) och AM-PM (PM = fasmodulering). Ickelinjäriteter kommer till uttryck som överlappning mellan olika signaldelar, vilket leder till läckage av signalenergi till icke använda kanaler. Linjäriteten kan ökas genom att begränsa signalen som ska överföras till en mindre del av den totala voltsvängningen. Detta minskar emellertid förstärkarens effektivitet ännu mer. En effektförstärkares linjäritet minskar också betydligt ifall förstärkaren mättar (utgångsspänningen kapas). Detta innebär att det inte är möjligt att öka effektiviteten genom att driva förstärkaren till mättnad, eftersom distorsionen då skulle nå oaccep- tabla nivåer.

Ett sätt att öka effektiviteten hos en RF-effektförstärkare är att använda en Doherty-förstärkare, se [l, 2, 3]. Den använder i grundutförandet två förstärkarsteg, en huvud- och en hjälpförstärkare. Utsignalen är ansluten till hjälpförstärkaren och huvudförstärkaren är ansluten till utsignalen genom en impedansinverterare, vanligen en kvarts våglängds överföringsledning eller ett likvärdigt sammansatt (”lumped”) nät.

Vid låga utsignalnivåer är endast huvudförstärkaren aktiv och hjälpförstär- karen är avstängd. I detta område upplever huvudförstärkaren en högre (omvandlad) belastningsimpedans än impedansen vid toppeffekt, vilket ökar effektiviteten i detta område. När utsignalnivän överskrider den så kallade övergångspunkten (vanligen vid halva maximala utgångsspänningen) blir hjälpförstärkaren aktiv varvid den driver ström in till belastningen. Genom det impedansinverterande beteendet hos ledningen med en kvarts våglängd, minskar detta den effektiva impedansen vid huvudförstärkarens utgång på så vis att huvudförstärkaren hålls på konstant (topp-) spänning ovanför övergångspunkten. Resultatet är ett linjärt samband mellan utgångs- och ingångseffekt men med högre eiektivitet hos e-- traditionell förstärkare. Övergångspunkten kan skiftas, så att hjälpförstärkaren sätter igång vid en lägre eller högre effektnivå. Detta kan användas för att öka effektiviteten för lO 15 20 25 u) C) 520760 - | - . , . en specifik signaltyp eller en specifik effektfördelning. När övergångspunkten skiftas, skiftas effektdelningen mellan förstärkarna vid toppeffekt på motsva- rande sätt och den genomsnittliga effektförlusten i varje förstärkare föränd- ras också. Den senare effekten beror även på den specifika amplitudfördel- ningen.

Doherty-konceptet har utvidgats till flerstegsvarianter (d.v.s. med fler än två steg), se [1, 4, 5]. Detta medger att effektiviteten kan hållas hög över ett vidare område av utgångseffektnivåer och varierande amplitudfördelningar.

Alternativt kan den genomsnittliga effektiviteten för en specifik amplitudför- delning och en specifik effektnivå ökas. Referens [4] bör i själva verket inte klassas som en Doherty-förstärkare i strikt mening, eftersom den använder enhetsförstärkare (”unity amplifiers”) vilka slås av vid låg utgångseffekt och eftersom det kombinerande nätet också ser annorlunda ut än det typiska Doherty-utgångsnätet. Den har emellertid inkluderats i referenslistan på grund av dess likheter med Doherty-förstärkare.

Två problem förknippade med, eller speciellt uttalade för, Doherty- förstärkare av flerstegstyp har identifierats. Dessa är problemet med låg effektivitet, då förstärkare (transistorer) med begränsad förstärkning an- vänds, samt problemet med dålig linjäritet.

Den låga effektiviteten orsakas av den omåttliga dríveffekt som behövs ifall implementeringar av Doherty-förstärkare av flerstegstyp enligt teknikens ståndpunkt används. Detta problem är särskilt uttalat då effektförstärkarna i Doherty-förstärkaren har låg förstärkning.

Den dåliga linjäriteten orsakas av det faktum att i Doherty-förstärkare av flerstegstyp enligt teknikens ståndpunkt erfordras att en del av förstärkarna (alla utom effektförstärkarna i de två översta stegen) mättar vid vissa övergångspunkter och förblir mättade ovanför dessa övergångspunkter. lO 15 20 25 . | « « « . 520760 SUMMERING Ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en Doherty-förstärkare av flerstegstyp, vilken bibehåller större delen av den höga effektiviteten även då effektförstärkare (transistorer) med låg förstärkning används.

Ett annat syfte med uppfinningen är att minska distorsionen hos en Doherty-förstärkare av flerstegstyp.

Ytterligare ett syfte är en sändare försedd med en sådan Doherty-förstärkare.

Dessa syften uppnås i enlighet med bifogade krav.

Kortfattat använder uppfinningen separata drívförstärkare för enskilda effektförstårkare och/ eller grupper av effektförstärkare. Detta möjliggör väsentliga förbättringar beträffande effektivitet och linjäritet genom att optimera drivningen av de olika effektförstärkarna och endast använda minimal dríveffekt. Som ett alternativ kan en gemensam drivförstärkare och en effektdelare kompletteras med individuella drivspänningsbegränsare för åtminstone en del av effektförstärkarna.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppñnningen, tillsammans med ytterligare syften och fördelar därmed, förstås bäst genom hänvisning till efterföljande beskrivning tillsammans med bifogade figurer, där: Fig. 1 är ett blockdiagram över en Doherty-förstärkare av flerstegstyp enligt teknikens ståndpunkt; Fig. 2 är ett blockdiagram över en del av en Doherty-förstärkare av flerstegs typ; 10 15 20 25 30 520760 Fig. 3 är ett blockdiagram över en exemplifierande utföringsform av ett effektförstärkarsteg i en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; Fig. 4 är ett blockdiagram över en annan exemplifierande utföringsform av ett effektförstärkarsteg i en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; Fig. 5 är ett blockdiagram över ytterligare en exemplifierande utförings- form av ett effektförstärkarsteg i en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; Fig. 6 är ett blockdiagram över ännu en exemplifierande utföringsform av ett effektförstärkarsteg i en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; Fig. 7 är ett diagram som illustrerar sambandet mellan normaliserad drivspänning och normaliserad utgängsspänning i en exemplifierande utfö- ringsform av Doherty-förstärkaren av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; Fig. 8 är ett diagram liknande fig. 7 som illustrerar sambandet mellan normaliserad drivspänning och normaliserad utgängsspänning i en Doherty- förstärkare av flerstegstyp enligt teknikens ståndpunkt; Fig. 9 är ett blockdiagram över en exemplifierande utföringsform av en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; Fig. 10 är ett diagram som illustrerar dämpningsfunktioner som lämpar sig för utföringsformen av en Doherty-förstärkare i fig. 9; Fig. 11 är ett diagram som jämför den totala DC-förlusten hos drivför- stärkaren enligt teknikens ståndpunkt och enligt uppfinningen; Fig. 12 är att diagram som jämför effektiviteten enligt teknikens ståndpunkt och enligt uppfinningen; Fig. 13 är ett diagram som illustrerar det normaliserade belastnings- motståndet hos utföringsformen av en Doherty-förstärkare i fig. 9; Fig. 14 är ett blockdiagram över en annan exemplifierande utförings- form av en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfinningen; och 10 15 20 25 U) C) 520760 - « i > . .

Fig. 15 är ett blockdiagram över ytterligare en annan exemplifierande utföringsform av en Doherty-förstärkare av flerstegstyp i enlighet med uppfin- ningen.

DETALJERAD BESKRIVNING Den allmänna Doherty-förstärkaren av flerstegstyp såsom implementerad enligt teknikens ståndpunkt visas i fig. l. I det följande antas alla förstärka- re vara uppbyggda av identiska transistorer och ha samma matningsspän- ning Vad. Förstärkarna antas icke differentiella men samma resonemang gäller även mottaktkoppling (”push-pull”) och andra konfigurationer. En del verkliga effekter såsom ”knäspänningar” hos transistorer samt ändliga utgångsmotstånd har också bortsetts från i denna förenklade analys.

I fig. l innefattas ett antal effektförstärkare PAi - PAN i de olika stegen hos en Doherty-förstärkare av flerstegstyp. En insignal förs till en gemensam drivförstärkare DR, exempelvis en klass B-förstärkare och utsignalen från drivförstärkaren förs vidare till en effektdelare 10, vilken delar in signalen i insignaler till varje steg. Dessa signalers effekt skiljer sig i allmänhet åt.

Varje steg, förutom det första, innefattar ett fördröjningselement Dz-DN.

Fördröjningen ökar med M 4 från ett steg till ett annat. Varje steg innefattar även en förspänningsmekanism representerad av en adderare Ai-AN och en förspänning Bi-BN. Typiskt sett implementeras denna förspänningsmeka- nism genom en drossel (”choke”) eller en kvarts våglängds överföringsledning i ena änden ansluten till en förspänning och i andra änden till effektförstär- karens ingångsledning. Motsvarande förspänning adderas till den eventuellt fördröjda signalen och den resulterande signalen förs vidare till motsvarande effektförstärkare. På utgångssidan är effektförstärkarna sammanbundna genom ett Doherty-utgångsnät innefattande impedanser Zi-ZN-i, till exempel en kvarts våglängds överföringsledningar. Slutligen är Doherty-förstärkaren ansluten till en belastning Ro, till exempel en antenn. F örspänningsnivån hos en viss effektförstärkare bestämmer, tillsammans med dess andel av den totala ingående RF-drivsignalen, övergångspunkten för den specifika förstär- lO 15 20 25 520760 íßïfif karen. Vid utgångsnivåer ovanför denna övergångspunkt är förstärkaren aktiv, i övrigt är den avstängd. Förstärkaren PAi är alltid aktiv, dess över- gängspunkt är alltså noll. Övergångspunkterna väljs så att den genomsnitt- liga effektiviteten hos hela Doherty-förstärkaren maximeras för den specifika (statistiska) fördelning beträffande signalamplitud som används. Ovanför respektive övergångspunkt är förstärkarna aktiva och fungerar som kontrol- lerade strömkällor.

Om övergängspunkterna (normaliserade mot maximala utgängsspänningen) för förstärkarna (utom PAi) är (11, C12, 03, , ClN-i, är de karakteristiska impedanserna hos kvarts väglängds överföringsledningarna Z1, Zz, Zs, , ZN-i (för följdriktighet innefattas härefter GN i värdet 1): Z, =_-_R° ak 'ak+l Den effektiva transkonduktansen hos transistorerna (förstärkarna) beteck- nas gm. RF-strömmarna som levereras av en viss förstärkare PAk ovanför övergångspunkterna ökar med ökande utgångsspänning med en takt, ”lutníngï PTOPOTÜOYICU mOt Ok. Den stegvis ökande strömmen Ai kan för en önskad ökning av utgångsspänning Av hos effektförstärkare PAk uttryckas SOITII êLfl Av RO Genom beräkning bakåt blir den erforderliga stegvis ökande drivspänningen Avdnve strömmen delad med transkonduktansen, d.v.s.: Avdrive I ak Av ' gm 10 15 20 25 30 520760 Om insignalen antas vara optimalt matchad, kan transkonduktansen relateras till förstärkarens nominella (linjära) effektförstärkning G. Förstärk- ningen beräknas med ”optimalt” belastningsmotstånd Ropf, vilket ger tran- sistorns maximala effekt lffnax * vmax. Doherty-förstärkaren konstrueras företrädesvis så att åtminstone en av transístorerna levererar toppströmmen linax vid toppeffekt och således vid topputgångsspänning. Det optimala belastningsmotståndet Ropt för transistorn är således vmax / linax. Transkon- duktansen (för enkelhetens skull vid antagande att ingångsmotståndet hos transistorn också är Rop: eller att insignalen matchats mot Ropf) kan då beräknas som: ß gm 2 Rop! Belastningsmotståndet hos Doherty-förstärkaren skiljer sig emellertid från det tidigare beskrivna optimala belastningsmotståndet Ropt, eftersom flera strömmar matas till samma belastning. Sambandet mellan det optimala belastningsmotståndet Rop: för en (klass B) förstärkare med en enda tran- sistor och belastningsmotståndet hos Doherty-förstärkaren är: RO z Rop! -a/N-l) Som setts i föregående stycken, är den erfordrade lutningen hos drivsignalen för en viss förstärkare PAk proportionell mot övergångspunkten Uk. I en Doherty-förstärkare av flerstegstyp finns flera förstärkningssteg och driv- spänningen för varje förstärkare i Doherty-förstärkaren jämförd med den hos en enkel klass B-förstärkare med samma maximala utgångsspänning (men ett annat belastningsmotstånd) är: Jia = i VdriveB 1 _ aN-l lO 15 20 25 U.) (D . - » » 1 « . , 520760 Driveffekten skalas som detta värde i kvadrat och summan av alla driveffek- ter till alla förstärkare kan vara tämligen betydande. Effektförstärkaren PAN i ”toppsteget” kräver störst effekt, eftersom GN har det största (normaliserade) värdet 1. Denna driveffekt är, för ett exemplifierande värde hos GN-i på 0,5, fyra gånger större jämfört med hos en klass B-förstärkare. För att undvika en alltför komplicerad drivförstärkare, produceras driveffekten till exempel av en vanlig klass B-förstärkare. Den låga effektiviteten hos klass B- drivförstärkaren innebär att dess DC-effektkonsumtion blir hög. Detta resulterar i en högre förlust eller, vilket är ekvivalent, låg effektivitet hos det totala systemet innefattande både Doherty-förstärkaren och drívenheten.

Problemet är särskilt uttalat då effektförstärkarna i Doherty-förstärkaren har låg förstärkning.

Problemet med dålig linjäritet orsakas av det faktum att i flerstegsförstärkare enligt teknikens ståndpunkt erfordras att en del av förstärkarna (alla utom de två toppstegen PAN och PAN-i) mättar vid vissa övergångspunkter och förblir mättade ovanför dessa övergångspunkter. Detta exemplifieras i fíg. 3 i [4] (och även i texten) och i avsnitt 7 i [l]. Det senare exemplet konstaterar att effektförstärkare PA1 är mättad ovanför en första övergångspunkt, ”medeleffektområdet”, och att effektförstärkarna PA2 och PA1 båda är mättade ovanför en andra övergångspunkt, ”högeffektområdet”, och där tillsammans fungerar som en enda mättad effektförstärkare.

Problemet med denna implementering är att några av de första förstärkarna kommer att vara i ett tillstånd av djup mättnad under en stor del av ut- gångsspänningsområdet. Förstärkarna kommer också ofta att mycket snabbt bli djupt mättade. Vid mättnad uppkommer ett mycket stort problem med i synnerhet AM-PM-distorsíon, vilket kommer till uttryck som minskad effektivitet och ökad distorsion. Den minskade effektiviteten orsakas främst av icke optimal fasensning mellan de olika utsignalerna, eftersom de indivi- duella faserna varierar med signalnivån på olika sätt. Detta icke optimala effektkombinerande medför även amplituddistorsion. 10 15 20 25 520760 10 En dellösning på problemet med omåttlig driveffekt för ”toppstegen” föreslås för konventionella Doherty-förstärkare i [6]. Här minskar förspänningskon- troll drivkraven. Samma idé illustreras även i figur 1 i [1] men diskuteras inte i texten. Denna lösning tar möjligen bort kravet på överdriven lutning hos dfïVenheten (med en fakwf 1 _ (JN-i) för de översta stegen men konsume- rar ändå mycket driveffekt (om än mindre än tidigare) vid alla utgångseffekt- nivåer. Funktionssättet hos effektförstärkarna kommer också att förändras över utgångsspänningsområdet, från klass C med liten ledningsvinkel mot klass B.

Doherty-förstärkaren av flerstegstyp är en samling RF-förstärkare, som beter sig som kontrollerade strömkällor, sammanbundna genom flera impedansin- verterare. Strömmarna och spänningarna som förekommer i några förstär- karsteg visas i fig. 2. Signalernas faser antas för enkelhets skull vara optimala och försummas i analysen. De allmänna sambanden mellan parametrarna är: Vi :low-n 'Zk-i Vi ink) = Zk íoçk) = ik +í1(k-1) Lösningen utgår från effektförstärkaren PAi, eftersom iom är lika med dess kontrollerade ström ii. Detta möjliggör beräkning av V2, som kan användas för att lösa ut im). Addition av den kontrollerade (och följaktligen kända) strömmen is till m2) ger iom, vilket gör det möjligt att erhålla V4. Denna procedur upprepas tills antingen utgångsspänningen eller den utgående strömmen erhålles. Utgående strömmen och utgångsspänningen är sam- mankopplade genom Ro, vilket gör det möjligt att därifrån lösa ut saknade strömmar och spänningar bakåt mot PAi. Vid denna punkt är alla strömmar och spänningar i systemet kända. Det bör emellertid noteras att denna 10 15 20 25 30 = » . . , ' . 520760 11 analys endast avspeglar verkligheten i idealfallet då ingen av förstärkarna är mättad .

För att uppnå god effektivitet bör drivförstärkaren för effektförstärkare PAk ídealt ha utsignal noll (eller en utgångsspänning nedanför förspänningsni- vån) och dra noll matníngsström under en första övergångspunkt Ok-i. Detta ger noll utgående ström hos den tillhörande effektförstärkaren i detta område. Den kontrollerade strömmen (och på motsvarande sätt drivspän- ningen) bör då öka linjärt från den första övergångspunkten till en andra övergångspunkt Oka, d.v.s. två övergångspunkter högre. Från och med den punkten bör strömamplituden, och på motsvarande sätt drivspänníngen, vara konstant. Genom dessa konstanta nivåer, i stället för ytterligare ökning av drivsignalen såsom enligt teknikens ståndpunkt, kan alla förstärkarna i Doherty-förstärkaren undvika mättnad. Med riktigt val av matningsspän- ningar för drivförstärkarna, eller med lämpliga omvandlingsnät, kan de inneha maximal effektivitet under hela området med konstant nivå. Dessut- om konsumerar inte drivförstärkarna i denna uppställning någon effekt under respektive övergångspunkt för påslag.

Lutningen för strömmen mot utgångsspänningen hos effektförstärkare PAk i området med linjär ökning bör vara proportionell mot Uk. De konstanta strömnivåerna kan således (för alla utom de två toppförstärkarna) skrivas SÛITIÃ iconst(k) oc ak '(ak+l -ak-l) Här inkluderas 00 med värdet O. Genom att dividera den önskade ström- funktionen med gm erhålls drivspänningarna till förstärkarna som ger dessa strömmar. För att skapa rätt drivspänningar kan man antingen låta drivför- stärkaren mätta vid rätt tillfälle, använda en dämpare eller en multiplicerare med dämpningsfunktion, skapa signalerna digitalt, använda drivförstärkare med variabel förspänning eller förbehandla signalerna med begrånsare. 10 15 20 25 520760 - . , . , a 12 Uppfinningens grundidé är således att använda en separat drivförstårkare för varje effektförstärkare, eller separata drivförstärkare för grupper av effektförstärkare. Detta möjliggör väsentliga förbättringar beträffande effektivitet och linjäritet genom att optimera drivningen för de olika förstär- karna och endast använda minimal driveffekt.

Lösning på effektivitetsproblemet Den allmänna lösningen på effektivitetsproblemet är att låta drivförstärkarna vara aktiva endast då de behövs och med så låg voltsvängning som möjligt.

Drivförstärkarna är då endast aktiva ovanför övergångspunkten hos den tillhörande effektförstärkaren och kräver inte den stora extrasvängning som förknippas med att driva Doherty-förstärkarna (djupt) i klass C. Båda aspekterna minskar den erfordrade driveffekten väsentligt och ökar följaktli- gen effektiviteten avsevärt, i synnerhet när förstärkare med låg förstärkning används. Effektförstärkarna i Doherty-förstärkaren kan fungera som klass B-förstärkare.

. En första implementering av denna lösning, vilken illustreras i fig. 3, är att använda individuellt optimerade klass C-förstärkare som drivförstärkare.

Här är huvudiden att undvika användning av Doherty-effektförstärkarna för signalförbehandlingen, eftersom detta är både onödigt och innebär mer (bortkastad) driveffekt. Signalförbehandlíngen utförs i denna uppställning i drivstegen. u En andra implementering är att förbehandla signalerna till klass B eller liknande drivförstärkare. Detta kan göras genom användning av styrda dämpare innan drivförstärkarna, såsom illustreras i fig. 4, eller genom fördrivsteg, vilka kan vara klass C-steg (eventuellt med styrbar förspänning), såsom illustreras i fig. 5. Detta ökar effektiviteten på samma sätt som den tidigare lösningen men drivsignalerna kan erhållas på ett mer kontrollerat sätt. 10 15 20 25 b) C) 520760 13 Lösning på liniäritetsproblemet Den allmänna lösningen på linjäritetsproblemet är att undvika mättnad i Doherty-förstärkaren. Detta uppnås för effektförstärkare PA1< genom be- gränsning av de kontrollerade strömmarna vid övergångspunkten som är associerad med påslag av effektförstärkare PA1<+2, ett förfarande som är nödvändigt för alla utom de två översta stegen. Begränsningen av de kon- trollerade strömmarna utförs genom att begränsa utgångsspänningarna från drivenheterna till konstanta nivåer ovanför övergångspunkterna. Lösningen korrigerar både för distorsion och för den tillhörande minskade effektiviteten i effektkombinering. Den minskar också den erforderliga driveffekten och således drivenhetens DC-effektkonsumtion. o En första implementering av denna lösning är att begränsa drivförstärka- rens spänningar genom att låta respektive drivförstärkare mätta, såsom illustreras i fig. 3. Detta är ett mindre problem än när Doherty-förstärkarens effektförstärkare mättar, eftersom belastningsimpedansen är konstant för drivförstärkaren och parasíterna är mindre. o En andra implementering är att kontrollera drivförstärkarnas utgångs- spänningar genom att behandla deras insignaler varvid variabla dämpare eller analoga multiplicerare används, såsom illustreras i fig. 4. n En tredje implementering, vilken illustreras i fig. 5, är att använda variabla förspänningar för drivförstärkarna. Förspänningsnivån bör härvid följa den ökande signalnivån för att producera en konstant utsignal ovanför den lämpliga övergångspunkten. u En fjärde implementering, vilken illustreras i fíg. 6, är att använda begrän- sare före eller vid drivförstärkarna.

Effektivitetsförbättringarna är i allmänhet av störst vikt för de översta stegen, eftersom de konsumerar större delen av driveffekten i lösningarna enligt teknikens ståndpunkt. Lösningen på linjäritetsproblemet kan imple- 10 15 20 25 520760 14 menteras för alla utom de två toppstegen. Effektiviteten ökar följaktligen inte lika mycket till följd av denna lösning.

Baserat på ovanstående diskussion kan ett hybridsystem, som använder individuella drivenheter för de (eventuellt två) översta förstärkarna och en enda drivenhet samt en effektdelare för de lägre stegen konstrueras. Signal- förbehandlingen för de lägre stegen kan sedan utföras av begränsare mellan den gemensamma drivförstärkaren och respektive effektförstärkare. En för närvarande föredragen implementering använder dämpare eller analoga multiplicerare för modifieringen av drivsignalerna, eller skapar drivsignaler- na helt och hållet i den digitala domänen. Implementeringen använder även en separat drivförstärkare per effektförstärkare. I exemplet har en 5 stegs Doherty-förstärkare, vilken optimerats ”för hand” för en skenbart (kvasi) Rayleigh-fördelad signal med en kvot mellan topp- och medeleffekt på 10 dB, valts. De (normaliserade) övergångspunkterna är följande: (11 = 0,153 C12 = 0,275 03 = 0,407 C14 = 0,583 De (normaliserade) drivspänningarna mot den (normaliserade) utgångsspän- ningen visas i fig. 7 (stegnumren anges i figuren). Här syns att de drivspän- ningar som kommer in vid högre övergångspunkter har en större lutning än de som kommer in vid låga övergångspunkter och att nivån är konstant för utgångsspänningar bortom två övergångspunkter högre än ingångspunkten.

I lösningar enligt teknikens ståndpunkt har drivamplituderna samma lutning som i fig. 7 men sträcker sig hela vägen från noll till maximal utgångsspänning, såsom illustreras i fig. 8 (det bör noteras att y-axelns skala skiljer sig åt mellan fig. 7 och 8). Följaktligen är de totala amplituderna mycket större.

Fig. 9 illustrerar en exemplifierande utföringsform av Doherty-förstärkaren i enlighet med uppfinningen. I fig. 9 noteras att den enkla gemensamma 10 15 20 25 30 520760 is drivförstärkaren DR i fig. 1 har ersatts av individuella drivförstärkare DRi- DRs. För att erhålla drivspänningarna kan RF-signalen, enligt en utförings- form av uppfinningen, multipliceras med dämpningsfunktioner DÄMP. FN 1- 5, vilka är funktioner av RF-signalenveloppen. Respektive dämpningsfunk- tion (eller multiplikand) visas i fig. l0 som funktion av den (normaliserade) RF-enveloppnivån. Som indikeras av antennen kan Doherty-förstärkaren vara del av en sändare, exempelvis en sändare i en basstation i ett cellulärt system för mobil radiokommunikation.

Ett exempel på den totala DC-effektkonsumtionen (förlusten) hos drivför- stärkaren i lösningen enligt teknikens ståndpunkt (enkel klass B- drivförstärkare DR med effektdelare) och utföringsformen av uppfinningen som illustreras i fig. 9, med individuellt optimerade drivförstärkare för alla effektförstärkare DRi-DRs, visas i fig. ll. Förstärkarnas förstärkning är 10 dB och Doherty-förstärkarens utgångseffekt visas för jämförelse. Den höga erfordrade driveffekten och således den höga DC-effekten (förlusten) i den enkla drivförstärkaren minskar effektiviteten på grund av förstärkarnas begränsade förstärkning. Motsvarande förlust är inte lika uttalad i uppfin- ningen, vilket kan ses utifrån fig. 12, som illustrerar effektivitet som funk- tion av utgångsspänning. För uppfinningen försämras effektiviteten mest (och endast en aning) vid höga utsignalnivåer. Enligt teknikens ståndpunkt blir effektiviteten kraftigt nedsatt för alla utsignalnivåer.

Tabell 1 nedan jämför effektiviteten hos uppfinningen med effektiviteten hos drivuppställningen enligt teknikens ståndpunkt i fig. l. För att sätta dessa siffror i sitt sammanhang har den ideala 5 stegs Doherty-förstärkaren en inneboende effektivitet på 75,6% för en skenbart Rayleigh-fördelad signal med en kvot mellan topp- och medeleffekt på 10 dB. Som ses från tabellen, bibehålls med uppfinningen större delen av denna effektivitet även vid mycket låga förstärkningar. 10 15 20 25 520760 16 Tabell l Förstärk- Klass B- Uppfínning ning drivning 30 dB 74,8°/o 75,6% 20 dB 68,6% 75,4% 17 dB 628% 752% 13 dB 50,0% 74,5% 10 dB 37,4% 73,5% 6 dB 2 l ,2% 70,7% Den mycket höga effektiviteten hos uppfinningen beror på vissa skillnader mellan funktionen hos en Doherty-förstärkare och hos konventionella förstärkare.

För det första beräknas den nominella förstärkningen hos transistorerna i konventionella förstärkare med en ”optimal” belastning för att uppnå toppeffekt för ett enda förstärkarsteg. Belastningen är för förstärkarna i Doherty-förstärkaren i själva verket mycket högre än detta värde större delen av tiden, vilket innebär att förstärkarnas förstärkning också är högre än den nominella förstärkningen. Dessa belastningsmotstånd, normaliserade mot det optimala belastningsmotståndet, visas i fig. 13. Till exempel upplever effektförstärkare PAi en belastning som går från ~18 ner till ~l0 gånger den optimala belastningen och dess förstärkning är därför också lika mycket större (omkring 20 dB vid 10 gånger den optimala belastningen). Effektför- stärkarna kräver således mycket mindre driveffekt än väntat.

För det andra är det endast toppförstärkaren PAs som någonsin upplever den optimala belastningen och följaktligen levererar sin toppeffekt. Dessut- om levererar toppförstärkaren endast en del (1 - C14) av den totala effekten vid denna punkt. Resten av effekten levereras av förstärkare som upplever en högre belastning och följaktligen har en högre förstärkning än toppförstärka- fCn. lO 15 20 25 30 520760 17 Som ovan noterats, kan ett hybridsystem, som använder individuella drivenheter för de (eventuellt två) översta effektförstärkarna och en enkel drivenhet samt en effektdelare för de lägre stegen, konstrueras. Signalförbe- handlingen för de lägre stegen kan då utföras av begränsare Ll-LS mellan den gemensamma drívförstärkaren och respektive effektförstärkare. En sådan utföringsform illustreras i fig. 14. Den gemensamma drívförstärkaren DR kan vara en klass B-förstärkare. Det är emellertid också möjligt att implementera den som en Doherty-förstärkare för att ytterligare öka effekti- viteten.

Konceptet enligt utföringsformen i fig. 14 kan utvidgas ännu längre för att tillhandahålla en mycket enkel Doherty-förstärkare av flerstegstyp. Således kompletteras den gemensamma drívförstärkaren DR och effektdelaren 10 i utföringsformen i fig. 15 med individuella spänningsbegränsare L1-L3 för alla utom de två översta stegen. Den gemensamma drívförstärkaren DR kan vara en klass B-förstärkare. Det är emellertid även möjligt att implementera den som en Doherty-förstärkare för att ytterligare öka effektiviteten.

I exemplen ovan implementerades den gemensamma drívförstärkaren i vissa utföringsformer som en klass B-förstärkare. Det är emellertid även görligt att implementera den som en klass A eller klass AB-förstärkare.

Fackmannen inser att olika modifikationer och förändringar av uppfinningen kan utföras utan avvikelse från dess ram, vilken definieras av bifogade krav.

REFERENSER [1] F. H. Raab, “Efficiency of Doherty RF Power Amplifier Systems”, IEEE Trans. Broadcasting, vol. BC-33, nr. 3, sid. 77-83, sept. 1987. [2] D. M. Upton m. fl., det amerikanska patentet US 5,420,541. [5] [ö] 520760 18 J. J. Schuss m. fl., det amerikanska patentet US 5,568,086.

B. E. Sigmon, det amerikanska patentet US 5,786,727.

Y. Tajima m. fl., det amerikanska patentet US 5,025,225.

JE. Mítzlaff, WO 98/00912.

Claims (28)

10 15 20 25 520760 19 KRAV

1. En Doherty-förstärkare av flerstegstyp, kännetecknar! av ett flertal drivför- stärkare (DRi-DRs) drivande olika steg.

2. Förstärkaren enligt krav 1, kännetecknad av individuella drivförstärkare för åtminstone en del steg.

3. Förstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att åtminstone en drivförstärkare är en individuellt optimerad klass C-drivförstärkare.

4. Förstärkaren enligt krav l eller 2, kännetecknad av att åtminstone en drivförstärkare är en förstärkare med förbehandlad insignal.

5. Förstärkaren enligt krav 4 kännetecknad av styrbara dämpningsorgan för förbehandling av nämnda insignal.

6. F örstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av organ för begränsning av insignalsamplitud hos drivförstärkare.

7. Förstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av organ för begränsning av utgängsspänning hos drivförstärkare.

8. Förstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av organ för variabel dämpning av utgångsspänning hos drivförstärkare.

9. Förstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av organ för variabel förspånníng hos drívförstärkare.

10. Förstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknar! av en gemensam drivförstärkare för åtminstone en grupp av steg. 10 15 20 25 30 520760 20

11. Förstärkaren enligt krav 10, kännetecknad av en gemensam drivförstär- kare ansluten till en effektdelare, vilken är ansluten till en grupp av effektför- stärkare.

12. Förstärkaren enligt krav 10, kännetecknad av en gemensam Doherty- drivförstärkare ansluten till en effektdelare, vilken är ansluten till en grupp av effektförstärkare.

13. En sändare innefattande en Doherty-förstärkare av flerstegstyp, känne- tecknad av ett flertal drivförstärkare (DRi-DRs) drivande olika Doherty- förstärkarsteg.

14. Sändaren enligt krav 13, kännetecknad av individuella drivförstärkare för åtminstone en del steg.

15. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av att åtminstone en drivförstärkare är en individuellt optimerad klass C-drivförstärkare.

16. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av att åtminstone en drivförstärkare är en förstärkare med förbehandlad insignal.

17. Sändaren enligt krav 16 kännetecknad av styrbara dämpningsorgan för förbehandling av nämnda insignal.

18. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av organ för begränsning av insignalsamplitud hos drivförstärkare.

19. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av organ för begränsning av utgångsspänning hos drivförstärkare.

20. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av organ för variabel dämpning av utgångsspänning hos drivförstärkare. 10 15 20 25 (AJ (D 520760 21

21. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av organ för variabel förspänning hos drivförstärkare.

22. Sändaren enligt krav 13 eller 14, kännetecknad av en gemensam drivför- stärkare för åtminstone en grupp av steg.

23. Sändaren enligt krav 22, kännetecknad av en gemensam drivförstärkare ansluten till en effektdelare, vilken är ansluten till en grupp av effektförstärka- TC.

24. Sändaren enligt krav 22, kännetecknad av en gemensam Doherty- drivförstärkare ansluten till en effektdelare, vilken är ansluten till en grupp av effektförstärkare.

25. En Doherty-förstärkare av flerstegstyp innefattande en drivförstärkare gemensam för alla steg och en effektdelare, kännetecknar! av en individuell drivspänningsbegränsare (LI-LS) för åtminstone ett av stegen.

26. Förstärkaren enligt krav 25, kännetecknad av en individuell drivspän- ningsbegränsare (Ll-L3) för alla utom de två översta stegen.

27. En sändare försedd med en Doherty-förstärkare av flerstegstyp, varvid nämnda Doherty-förstärkare innefattar en drivförstärkare gemensam för alla steg och en effektdelare, kännetecknad av en individuell drivspänningsbe- gränsare (Ll-LB) för åtminstone ett av stegen.

28. Sändaren enligt krav 27, kännetecknad av en individuell drivspännings- begränsare (LI-LB) för alla utom de två översta stegen.