專利名稱：高頻功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用開關(guān)驅(qū)動晶體管的高頻功率放大器，更具體地講，涉及允許連續(xù)地控制功率輸出并且使放大效率得到改善的高頻功率放大器。
背景技術(shù)：
高頻功率放大器通常用作通信裝置等類似裝置的天線輸出級的放大器。存在著許多具有各種特性的放大器，并且在這些放大器中，具有高效率的放大器特別適合用在使用數(shù)字蜂窩電話或類似系統(tǒng)的數(shù)字移動通信的通信裝置終端的發(fā)射部分。低功耗的特點(diǎn)，即延長便攜裝置電池的使用時間、減小電池的尺寸、降低產(chǎn)生熱量等是對便攜裝置非常有意義的特點(diǎn)。
作為具有高效率的高頻功率放大器，工作在飽和模式下的諸如場效應(yīng)晶體管(FET)之類的飽和型放大器是公知的。飽和型放大器分為幾類，其中B類放大器具有高于A類放大器的效率，并且具有理論效率接近100％的C類放大器具有比B類放大器還高的效率。
但是，由于飽和型放大器工作在FET的飽和狀態(tài)，不可能像線性放大器那樣通過改變其輸入控制放大器的輸出。
因此，采用通過FET的漏電壓改變飽和型放大器輸出的方法。在這種漏電壓控制方法中，通過漏極施加的電壓控制放大器的輸出，該漏極施加的電壓是根據(jù)DC-DC交換器的控制量通過變換電壓獲得的。結(jié)果，當(dāng)采用漏電壓控制方法，整個放大器的效率直接受DC-DC變換器效率的影響。換言之，放大器的FET是工作在其飽和狀態(tài)或模式的。這是由于DC-DC變換器的效率至多約80％，所以即使FET是工作在其飽和狀態(tài)的接近100％的效率，而由于DC-DC變換器的效率使整個放大器的效率降低到80％。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題而設(shè)計(jì)出來的。最好是按照本發(fā)明提供一種較常規(guī)放大器具有進(jìn)一步改善的效率并且具有使其輸出可以通過開關(guān)驅(qū)動晶體管的漏電壓的變化來連續(xù)控制的結(jié)構(gòu)的高頻功率放大器。
本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例提供一種高頻功率放大器，該放大器利用多個開關(guān)驅(qū)動晶體管，該放大器包括多個彼此并聯(lián)連接的開關(guān)驅(qū)動晶體管；用于施加固定漏電壓到多個晶體管的一部分的裝置或單元；用于根據(jù)控制值施加可變漏電壓到多個晶體管的另外一部分的裝置或單元；用于接通或關(guān)斷具有施加在其上的固定漏電壓的多個晶體管的一部分的工作的裝置或單元；和控制放大器的輸出的裝置或單元，通過控制多個晶體管的另外一部分的漏電壓使放大器的輸出可變，以及在高輸出功率范圍接通多個晶體管的一部分的工作，和在低輸出功率范圍關(guān)斷已被接通的多個晶體管的一部分的工作。
按照本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，高頻功率放大器提供有用于控制放大器的輸出的裝置或單元。該裝置控制用于接通或關(guān)斷多個晶體管的一部分的工作的裝置，這些晶體管是并聯(lián)連接的并且是開關(guān)驅(qū)動的，在高輸出功率范圍接通多個晶體管的一部分的工作和在低輸出功率范圍關(guān)斷多個晶體管的一部分的工作。因此，根據(jù)控制值具有可變漏電壓的多個晶體管的該另外一部分一側(cè)效率的降低可以被抑制到最小。從而，使得在保持相對高效率的情況下有可能控制放大器的輸出功率。
本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例還包括配置在多個晶體管的輸出一側(cè)的具有可變電路常數(shù)的匹配電路，和用于根據(jù)放大器的輸出優(yōu)化匹配電路的電路常數(shù)的裝置或單元。
本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例還包括優(yōu)化電路常數(shù)的裝置，該裝置包括根據(jù)所述多個晶體管的每個部分的接通或關(guān)斷工作，轉(zhuǎn)換電路常數(shù)的裝置或單元。
按照本發(fā)明的第二和第三優(yōu)選實(shí)施例，由于放大器提供有根據(jù)放大器的輸出優(yōu)化匹配電路的電路常數(shù)的設(shè)置的裝置，因此除了第一實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)以外，還可能獲得放大器穩(wěn)定性的改善以及效率的改善。另外，按照第三優(yōu)選實(shí)施例的放大器根據(jù)多個放大器的一部分的接通或關(guān)斷工作，轉(zhuǎn)換電路常數(shù)，并且因此利用公共控制器可以容易實(shí)現(xiàn)放大器的工作。
本發(fā)明的第四優(yōu)選實(shí)施例提供按照第一優(yōu)選實(shí)施例的高頻功率放大器，具有用于施加可變漏電壓到所述多個晶體管的另外一部分的裝置，包括用于能夠連續(xù)控制所施加的漏電壓的裝置。
本發(fā)明的第五優(yōu)選實(shí)施例具有按照第四優(yōu)選實(shí)施例的高頻功率放大器，包括用于能夠連續(xù)控制漏電壓的裝置，該裝置包括DC-DC變換器。
按照本發(fā)明的第四和第五優(yōu)選實(shí)施例，由于放大器提供有用于能夠連續(xù)控制施加到晶體管的漏電壓的裝置或單元(例如，DC-DC變換器)，因此除了上述第一到第三優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)外，還可能以最適合防止電功率浪費(fèi)以及執(zhí)行更適當(dāng)?shù)墓ぷ鞯姆绞秸{(diào)節(jié)放大器的輸出功率。


對于本專業(yè)的技術(shù)人員而言從下面結(jié)合附圖的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更清楚，其中圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例用于在天線輸出級中連續(xù)控制高頻功率放大器輸出功率的系統(tǒng)的示意圖；
圖2(A)、2(B)和2(C)是表示按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的高頻功率放大器的電路圖；圖3是表示使用在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的圖2所示的高頻功率放大器的功率放大器PA(1)和PA(2)的內(nèi)部配置的電路圖；圖4是表示作為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的圖2所示的高頻功率放大器的特性的輸出功率相對于漏極偏置控制電壓的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的描述如下。
本發(fā)明有關(guān)高頻功率放大器，通過開關(guān)驅(qū)動晶體管的漏電壓的變化可以連續(xù)地控制該高頻功率放大器的輸出功率。針對與使用相似方法的常規(guī)放大器比較，更好地改善放大器效率的本發(fā)明業(yè)已被設(shè)計(jì)出來。
可以考慮到高頻功率放大器輸出需要連續(xù)控制的各種情況。下面，連續(xù)控制被應(yīng)用到數(shù)字移動通信的通信裝置(諸如蜂窩電話或類似裝置)的天線輸出級的高頻功率放大器上的情況作為一個適合的例子被顯示。這里，舉出的示例以及其細(xì)節(jié)描述如下。在這種情況中，在天線輸出級的高頻功率放大器的輸出功率被連續(xù)地控制，以便實(shí)現(xiàn)以無多余功率的適合功率的方式，輸出到諸如基站等之類的傳輸目的地。
這樣的連續(xù)控制是通過在圖1的框圖所舉例說明的系統(tǒng)來執(zhí)行的。
當(dāng)參照圖1時，RF功率放大器1的輸出功率控制是通過PA_CONT信號(直流(DC)信號)的預(yù)定步驟控制功率放大器來執(zhí)行的。PA_CONT信號從作為微處理器的控制器(未示出)輸出到RF功率放大器1，使得由輸出功率檢測器3(在這種情況下檢測器3通過匹配電路2檢測來自RF功率放大器1的功率輸出)檢測的值是作為目標(biāo)值，從基站(未示出)發(fā)送的指令值。然后，該指令功率從匹配電路2輸出。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，多個開關(guān)驅(qū)動晶體管被并聯(lián)連接，以便改善高頻功率放大器的效率，如圖1所示，其輸出功率可以進(jìn)行連續(xù)地控制。一個固定的漏電壓被施加到并聯(lián)連接的多個晶體管的一部分，并且根據(jù)控制值可變漏電壓被施加到多個晶體管的其它部分。另外，具有固定漏電壓的各晶體管的接通和關(guān)斷是可控的。
這種配置能夠執(zhí)行如下工作。即，在高輸出功率范圍，具有固定漏電壓的多個晶體管的工作被接通。并且，在低功率范圍，在高輸出功率范圍已經(jīng)被接通的具有固定漏電壓的多個晶體管的工作被關(guān)斷。因此，在具有固定漏電壓的晶體管的工作被接通時，可以改善在高輸出功率范圍的效率。另外，可以實(shí)現(xiàn)在整個范圍內(nèi)的輸出功率連續(xù)控制。
圖2(A)、2(B)和2(C)是使用改善本發(fā)明的高頻功率放大器效率的上述配置及其漏電壓控制裝置的一個實(shí)施例的電路圖。另外，圖2(A)表示該電路的示意圖，和圖2(B)與圖2(C)分別表示作為該放大器的電路單元的漏電壓控制裝置的具體例子。
如圖2(A)-2(C)所示，根據(jù)代表本發(fā)明實(shí)施例的高頻功率放大器提供有由多個彼此并聯(lián)連接的開關(guān)驅(qū)動晶體管組成的各功率放大器(在本實(shí)施例中實(shí)際上該各功率放大器被表示為具有場效應(yīng)晶體管的功率放大器PA(1)11和PA(2)12，作為構(gòu)成元件)和作為基本電路元件的能獲得最大放大器輸出的匹配電路2。順便提及，負(fù)載被表示為圖2(A)的輸出端的電阻負(fù)載Ro。
如圖2(A)所示功率放大器PA(1)11和PA(2)12分別包含開關(guān)驅(qū)動晶體管(FET)Tr11和Tr12，作為電路的內(nèi)部配置，這些晶體管如圖3所示是按2級連接的。功率放大器PA(1)11和PA(2)12一般被用作利用開關(guān)驅(qū)動FET的功率放大器。另外，如圖2(A)所示，漏電壓被施加到功率放大器PA(1)11和PA(2)12的每個FET上。高頻功率放大器電路施加固定的DC電壓+B到功率放大器PA(2)12并且提供有漏電壓控制裝置11，漏極電壓控制裝置11根據(jù)控制值變換DC電壓+B，以便施加可變電壓到另一個功率放大器PA(1)11。最好是，漏電壓控制裝置11包括類似如圖2(B)所示的DC-DC變換器4的根據(jù)控制值連續(xù)控制漏電壓的電路。再有，可以使用如圖2(C)所示的具有類似功能的利用FET5的控制電路。
如圖2(A)所示的匹配電路2按照如下配置。即，電容C12和C13以及電感L11和L12被串聯(lián)連接在功率放大器PA(1)11的輸出端和負(fù)載電阻Ro之間。另外，電容C22和C23以及L21被串聯(lián)連接在功率放大器PA(2)12的輸出端和負(fù)載電阻Ro之間。再有，電容C11被連接在功率放大器11的輸出端，與負(fù)載電阻Ro并聯(lián)。另外，電容C21被連接在功率放大器12的輸出端，與負(fù)載電阻Ro并聯(lián)。此外，電容C14和C15以與負(fù)載電阻Ro并聯(lián)的方式與負(fù)載電阻Ro連接。在匹配電路2中的各個電路元件中，包括電容C13和電感L11的一個分支，包括電容C14的一個分支，和包括電容C22和C23和電感L21的一個分支被連接上或者被斷開，改變匹配電路2的電路常數(shù)以便匹配。
此外，如圖2所示的匹配電路2的常數(shù)的具體例子是C11＝7pF；C12、C13＝34pF；L11＝1.7nH；L12＝2.9nH；C14＝5pF；C15＝24pF；C21＝7pF；C22＝17pF；L21＝4.5nH。可以利用這些電路常數(shù)實(shí)現(xiàn)匹配電路2。
再有，如圖2(A)所示的開關(guān)SW20和SW21是用于根據(jù)輸出功率范圍接通或關(guān)斷功率放大器的工作的切換開關(guān)。同樣，開關(guān)SW11和SW12是用于執(zhí)行組成匹配電路2的上述各個電路元件的各個分支的連接和分路的開關(guān)，該連接和分路的工作是按照輸出功率范圍，根據(jù)功率放大器PA(2)12工作的接通或斷開改變匹配條件，來改變電路常數(shù)。
接下來，下面描述如圖2(A)所示的高頻功率放大器的工作。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的放大器利用兩個功率放大器PA(1)11和PA(2)12。存在著兩個功率放大器PA(1)11和PA(2)12都工作的情況(在高輸出功率范圍的工作)和僅功率放大器PA(1)11在工作的情況(在低輸出功率范圍的工作)。在兩種情況下，高頻功率放大器的輸出的連續(xù)控制是通過功率放大器PA(1)11的漏電壓的控制來執(zhí)行的。
當(dāng)指定高輸出功率范圍的目標(biāo)值時，從控制器發(fā)送用于工作在兩個功率放大器PA(1)11和PA(2)12的控制信號CONT(2)。利用控制信號CONT(2)，開關(guān)SW20被關(guān)斷和開關(guān)SW21被接通，改變功率放大器PA(2)12為其工作模式。然后，控制信號CONT(2)關(guān)斷開關(guān)SW11，使得電容C13和電感L11的分支轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接模式。另外，控制信號CONT(2)關(guān)斷開關(guān)SW12，斷開電容C14的分支。因此，匹配電路2的電路常數(shù)被設(shè)置為滿足兩個功率放大器PA(1)11和PA(2)12都工作的條件。因此，高頻功率放大器的工作條件被設(shè)置并且圖中的電壓+B被漏電壓控制裝置(單元)11根據(jù)控制信號CONT(1)來改變，該控制信號CONT(1)用于控制放大器的輸出為目標(biāo)值。然后，經(jīng)改變的電壓被施加到功率放大器PA(1)11作為它的漏電壓。如果DC-DC變換器4(在圖2(B)中表示為DC-DC-CONV)被用作漏電壓控制裝置11，則施加到功率放大器PA(1)11的漏電壓通過根據(jù)控制信號CONT(1)改變DC-DC變換器4對電壓+B的變換系數(shù)進(jìn)行控制。再有，如果使用利用FET5(如圖2(C)所示)的控制電路，則利用控制信號CONT(1)通過FET5的柵極控制改變電壓+B，以便控制施加到功率放大器PA(1)11的漏電壓。
圖4表示本實(shí)施例的放大器的特性。如圖4所示的圖中的橫座標(biāo)軸表示施加到功率放大器PA(1)11的FET的漏電壓Vcont。圖中的縱座標(biāo)軸表示放大器的輸出功率(dBm)。當(dāng)漏電壓控制裝置11被控制信號CONT(1)控制為處于高輸出功率范圍的工作模式時，放大器特性在圖4中被表示為“特性曲線(H)”指示的曲線。正如從圖中清楚地看出那樣，當(dāng)漏電壓Vcont在2.5V到1.5V的范圍內(nèi)變化時，放大器的輸出功率可以在從滿足由標(biāo)準(zhǔn)所要求的值(例如，33dBm、2W)的最大功率到A點(diǎn)(例如，31dBm)的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)地變化。
當(dāng)在低輸出功率范圍有目標(biāo)值指示時，為了降低輸出功率到低于A點(diǎn)，盡管功率放大器PA(1)11保持原樣，但功率放大器PA(2)12的工作被關(guān)斷。為此，從控制器發(fā)送控制信號CONT(2)，開關(guān)SW20被接通和開關(guān)SW21被關(guān)斷。然后，功率放大器PA(2)12的工作被關(guān)斷。因此，功率放大器12被從主功率放大器PA(1)11切斷?？刂菩盘朇ONT(2)還接通開關(guān)SW11，切斷電容C13和電感L11的分支?？刂菩盘朇ONT(2)接通開關(guān)SW12，連接由電容C14組成的分支。因此，匹配電路2的電路常數(shù)被設(shè)置得滿足在低功率工作的匹配條件，即，在本實(shí)施例中僅功率放大器PA(1)11的工作模式。在按這種方式設(shè)置工作條件以后，重新再設(shè)置用于控制放大器的輸出為目標(biāo)值的控制信號CONT(1)。然后，根據(jù)新設(shè)置的控制信號CONT(1)，利用漏電壓控制裝置變換電壓+B。因此，經(jīng)變換的電壓被施加到功率放大器PA(1)11，作為漏電壓。
換言之，作為漏電壓控制裝置11由控制信號CONT(1)控制的情況下的放大器的特征，在低輸出功率范圍的工作模式中，放大器的輸出功率可以按照圖4中的標(biāo)號“特性曲線(L)”所指示的曲線，根據(jù)設(shè)置值連續(xù)地改變。各個設(shè)置值當(dāng)輸出功率從高功率改變到低功率時在從對應(yīng)于特性曲線(H)的A點(diǎn)的特性曲線(L)的A1點(diǎn)到放大器輸出最低功率(例如，22.5dBm)A2點(diǎn)，在漏電壓從2.5V到1.5V范圍內(nèi)進(jìn)行重新設(shè)置。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的放大器，通過關(guān)斷(接通)具有固定漏電壓的功率放大器PA(2)12的工作，放大器可以連續(xù)受到控制，從在A(A1)點(diǎn)輸出滿足由標(biāo)準(zhǔn)要求的值的最大功率(例如，33dBm、2W)到在A2點(diǎn)輸出最小功率(例如，22.5dBm)的整個輸出功率范圍。另外，與整個輸出功率范圍是連續(xù)僅借助于利用漏電壓控制裝置11的功率放大器11而不利用漏電壓是固定的功率放大器12的情況比較，在高輸出功率范圍具有固定漏電壓的功率放大器PA(2)12的工作被接通(通過不利用漏電壓控制裝置11的優(yōu)點(diǎn))，本實(shí)施例的放大器可以在高輸出功率范圍具有改善的效率。再有，當(dāng)具有固定漏電壓的功率放大器PA(2)12的工作被接通或者關(guān)斷時，利用改變匹配電路4的電路常數(shù)，通過獲得最大輸出功率的匹配調(diào)節(jié)，效率可以進(jìn)一步改善。將來匹配電路可以作成包括開關(guān)電路的集成電路。這種趨勢可以被認(rèn)為是對改善效率的很大貢獻(xiàn)。
另外，如圖2(A)所示的本實(shí)施例的電路使用了兩種類型的功率放大器PA(1)11和PA(2)12，但是每種類型的功率放大器并不限于這個具體實(shí)施例所提供的數(shù)量。因此，可以提供任意數(shù)量的功率放大器。簡言之，只要是兩種類型的功率放大器工作在如上所述的方式就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
此外，雖然如上所述的實(shí)施例預(yù)示蜂窩電話作為本發(fā)明的高頻功率放大器可能適合實(shí)施的一個目標(biāo)，并且本發(fā)明被實(shí)施為在蜂窩電話的天線輸出級中的高頻功率放大器，但是應(yīng)當(dāng)理解為，本發(fā)明的領(lǐng)域和輸出功率并不僅限于上述優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明可以作為在各種其它領(lǐng)域的放大器予以實(shí)施，這些領(lǐng)域包括諸如利用開關(guān)驅(qū)動晶體管的高頻功率放大器的無線電、電視、影音(AV)設(shè)備等。
雖然本發(fā)明在其優(yōu)選形式中以某些具體特征進(jìn)行了描述，但是顯然可能作出許多改變、變化、組合和分組合。因此，應(yīng)當(dāng)理解為在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以按不同于在本說明書中具體描述的方式實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種利用多個開關(guān)驅(qū)動晶體管的高頻功率放大器，所述放大器包括多個開關(guān)驅(qū)動晶體管，所述晶體管彼此并聯(lián)連接；用于施加固定漏電壓到所述多個晶體管的一部分的裝置；用于根據(jù)控制值施加可變漏電壓到所述多個晶體管的另外一部分的裝置；用于接通或關(guān)斷具有固定漏電壓的所述多個晶體管的一部分的工作的裝置；和用于控制所述放大器的輸出的裝置，通過控制所述多個晶體管的所述另外一部分的漏電壓使所述放大器的輸出可變，以及在高輸出功率范圍接通所述多個晶體管的一部分的工作，和在低輸出功率范圍關(guān)斷已經(jīng)被接通的所述多個晶體管的一部分的工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的高頻功率放大器，還包括配置在所述多個晶體管的輸出一側(cè)的具有可變電路常數(shù)的匹配電路；用于根據(jù)所述放大器的輸出，優(yōu)化所述匹配電路的所述電路常數(shù)的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的高頻功率放大器，其特征在于，所述用于優(yōu)化所述電路常數(shù)的裝置包括根據(jù)所述多個晶體管的所述一部分的接通或關(guān)斷工作來轉(zhuǎn)換電路常數(shù)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的高頻功率放大器，其特征在于，所述用于施加可變漏電壓到所述多個晶體管的所述其它一部分的裝置包括能夠連續(xù)控制所施加的漏電壓的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的高頻功率放大器，其特征在于，所述用于能夠連續(xù)控制漏電壓的裝置包括DC-DC變換器。
6.一種利用多個開關(guān)驅(qū)動晶體管的高頻功率放大器，所述放大器包括多個開關(guān)驅(qū)動晶體管，所述晶體管彼此并聯(lián)連接；用于施加固定漏電壓到所述多個晶體管的一部分的第一單元；用于根據(jù)控制值施加可變漏電壓到所述多個晶體管的另外一部分的第二單元；用于接通或關(guān)斷具有固定漏電壓的所述多個晶體管的一部分的工作的轉(zhuǎn)換單元；和用于控制所述放大器的輸出的控制器，通過控制所述多個晶體管的所述另外一部分的漏電壓使所述放大器的輸出可變，以及在高輸出功率范圍接通所述多個晶體管的一部分的工作，和在低輸出功率范圍關(guān)斷已被接通的所述多個晶體管的一部分的工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用開關(guān)驅(qū)動晶體管的高頻功率放大器。高頻功率放大器設(shè)置有多個并聯(lián)連接的放大器,該放大器包含開關(guān)驅(qū)動FET。在一個放大器上施加固定漏電壓和在另一個放大器通過包含根據(jù)控制信號的控制值變換電壓的DC－DC變換器等的一個部分施加可變漏電壓。各功率放大器的接通和關(guān)斷的工作是由控制信號進(jìn)行控制的。另外,匹配電路的電路常數(shù)是可變的。在高輸出功率范圍功率放大器被接通,和在低輸出功率范圍被關(guān)斷。因此,由于DC－DC變換器使功率放大器效率的降低可以被減到最小。當(dāng)放大器被接通或關(guān)斷時調(diào)整放大器的匹配,以便改善效率。因此,可能連續(xù)控制放大器的輸出。
文檔編號H03G1/00GK1388724SQ0212164
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月30日
發(fā)明者晴山信夫 申請人:索尼株式會社