專利名稱:功率放大器和脈沖寬度調(diào)制放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率放大器。特別地，本發(fā)明涉及具有相放大路徑的功率放大器。本發(fā)明還涉及具有幅度放大路徑和相放大路徑的功率放大器。本發(fā)明還涉及脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器。
背景技術(shù)：
由于放大器通常消耗裝置所使用的大部分能量，因此RF功率放大器的效率對(duì)諸如便攜發(fā)送器之類的便攜裝置的電池壽命有顯著的影響。
對(duì)于基站功率放大器，功率消耗很大并產(chǎn)生降低可靠性的熱量，并且可能需要主動(dòng)冷卻，而這反過(guò)來(lái)進(jìn)一步增加功率消耗。
因此，非常希望有用于功率發(fā)送器的高效功率放大器。高效C、D、E和F類功率放大器只能產(chǎn)生恒定振幅的輸出。然而，許多最近的發(fā)送器設(shè)計(jì)需要非恒定振幅的RF輸出來(lái)最大化給定信道帶寬內(nèi)的數(shù)據(jù)率。
傳統(tǒng)的線性功率放大器的設(shè)計(jì)一般涉及在效率和線性之間的折衷。極調(diào)制(polar modulation)是本領(lǐng)域中公知的在RF功率放大器中同時(shí)獲得線性和效率的技術(shù)。極調(diào)制被稱為包絡(luò)(envelope)消除和恢復(fù)(EER)。在該方法中，將RF輸入信號(hào)分解為其極分量，即相位和幅度。獨(dú)立地放大這兩個(gè)極分量，然后重新組合來(lái)產(chǎn)生放大的線性RF輸出信號(hào)。通常由對(duì)效率進(jìn)行優(yōu)化的恒定振幅放大器來(lái)放大RF輸入信號(hào)的相位分量。通常由開(kāi)關(guān)模式電源來(lái)放大RF輸入信號(hào)的幅度或包絡(luò)分量，該開(kāi)關(guān)模式電源至少運(yùn)行為恒定振幅的輸出級(jí)的電源。
已經(jīng)由L.Kahn，“Single-Sides Transmission by Envelope Elimination andRestoration”，Proc.IRE，July 1952，pp 803-806；和M.koch，R.Fisher，“AHigh-Frequency 835 MHZ Linear Power Amplifier for Digital CellularTelephony”，39thIEEE Vehicular Technology Conference，3May 1989描述了極調(diào)制的使用的各種方法。
圖1是采用上述包絡(luò)消除和恢復(fù)技術(shù)的傳統(tǒng)RF放大器10的方框圖。在圖1所示的放大器中，首先將RF輸入信號(hào)12分解為其極分量。這些極分量包括作為恒定振幅信號(hào)的相位和作為低頻包絡(luò)信號(hào)的幅度。沿分離的路徑15和11分別獨(dú)立地放大該相位和幅度分量。然后重新組合相位和幅度分量來(lái)產(chǎn)生線性放大的RF輸出信號(hào)19。
由限幅器16從RF輸入信號(hào)中提取相位分量，并且由高效恒定振幅放大器放大，該放大器可以包括非線性預(yù)放大器17和高效非線性輸出級(jí)18。由包絡(luò)檢測(cè)器13從RF輸入信號(hào)中提取具有可與信道帶寬相匹配的帶寬的幅度分量，并且由線性基帶放大器14進(jìn)行放大。為了最大化效率，使用具有D類放大器作為其輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)模式電源來(lái)實(shí)現(xiàn)線性基帶放大器。
已知存在使用脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)模式電源的各種實(shí)現(xiàn)。這樣的電源的輸出是方波，該方波的符號(hào)間隔(mark/space)比表示RF輸入信號(hào)的幅度分量。然而，使用脈沖寬度調(diào)制來(lái)放大幅度分量可能將內(nèi)調(diào)制(inter-modulation)失真引入RF輸出。
為了降低使用脈沖寬度調(diào)制的D類放大器的內(nèi)調(diào)制失真，本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道采用基于經(jīng)濾波的輸出信號(hào)的負(fù)反饋路徑。然而，在美國(guó)專利申請(qǐng)No.2002/0070799 A1中，描述了一種脈沖寬度調(diào)制(PWM)數(shù)字放大器，其具有帶有對(duì)功率開(kāi)關(guān)(power switch)的輸出進(jìn)行濾波的低通濾波器的驅(qū)動(dòng)高功率開(kāi)關(guān)的PWM調(diào)制器。這里，數(shù)字放大器具有反饋控制環(huán)，其具有從該高功率開(kāi)關(guān)的輸出端直接提供到模擬輸入信號(hào)的反饋信號(hào)。將模擬輸入信號(hào)和反饋信號(hào)都饋送到積分器的反相輸入端，其中積分器的非反相輸入端接地，由此反饋信號(hào)直接作用于模擬輸入信號(hào)。
在美國(guó)專利No.5973556中，公開(kāi)了具有幅度放大路徑和相位放大路徑的增量(delta)調(diào)制RF電源。這里，增量調(diào)制的放大器用于放大采用包絡(luò)消除和恢復(fù)的RF功率放大器的幅度分量。幅度放大路徑包括來(lái)自RF輸出信號(hào)的反饋路徑，但是在相位放大路徑中沒(méi)有反饋路徑。
在美國(guó)專利No.5675288中，公開(kāi)了用于線性化具有振幅放大路徑和相位放大路徑的非線性放大器的電路。振幅放大路徑包括來(lái)自輸出信號(hào)的反饋路徑，而相位放大路徑還包括來(lái)自輸出信號(hào)的反饋路徑。相位放大路徑的反饋路徑包括相位比較器，由此將反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位相比較。在相位放大路徑中，輸出信號(hào)的幅度或振幅分量沒(méi)有用處。

發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于從輸入信號(hào)中產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)的功率放大器，所述功率放大器包括相位放大路徑和在所述相位放大路徑中的相位放大級(jí)；所述相位放大級(jí)接收功率放大輸出信號(hào)的幅度分量；所述相位放大級(jí)響應(yīng)輸入信號(hào)的相位分量、輸入信號(hào)的幅度分量和所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量，以產(chǎn)生所述功率放大輸出信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供用于從輸入信號(hào)中產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)的功率放大器，所述功率放大器包括用于輸入信號(hào)的幅度分量的幅度放大路徑；在所述幅度放大路徑中的幅度放大器級(jí)；相位放大路徑；和在所述相位放大路徑中的相位放大級(jí)。這里，相位放大級(jí)正在從幅度放大器級(jí)接收功率放大輸出信號(hào)的幅度分量和輸入信號(hào)的經(jīng)放大的幅度分量。相位放大級(jí)響應(yīng)輸入信號(hào)的相位分量、輸入信號(hào)的幅度分量、所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量和所接收到的輸入信號(hào)的經(jīng)放大的幅度分量，以產(chǎn)生所述功率放大輸出信號(hào)。
應(yīng)該理解的是，對(duì)應(yīng)本發(fā)明的第一和第二方面，由相位放大級(jí)接收的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量可以是對(duì)應(yīng)于功率放大輸出信號(hào)的幅度分量。因此，如果濾波功率放大器的輸出信號(hào)，則幅度分量可以對(duì)應(yīng)于非濾波的輸出信號(hào)或?yàn)V波的輸出信號(hào)。
對(duì)于本發(fā)明的第一和第二方面，由相位放大級(jí)產(chǎn)生的功率放大信號(hào)基本上可以在相位和振幅上與輸入信號(hào)線性相關(guān)。
最好，對(duì)應(yīng)本發(fā)明的第一和第二方面，相位放大級(jí)包括差值檢測(cè)器，用于根據(jù)所接收到的輸入信號(hào)的幅度分量和所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量之間的差值來(lái)產(chǎn)生輸出。這里，相位放大路徑最好包括幅度反饋路徑，用于將功率放大輸出信號(hào)或?qū)?yīng)于功率放大輸出信號(hào)的信號(hào)耦合到差值檢測(cè)器來(lái)作為所述功率放大輸出信號(hào)的所述幅度分量。相位放大路徑的幅度反饋路徑可以包括輸出包絡(luò)檢測(cè)器，用于檢測(cè)功率放大輸出信號(hào)的幅度分量。相位放大路徑的幅度反饋路徑還可以包括衰減器，用于降低功率放大輸出信號(hào)的幅度分量的振幅。
對(duì)于本發(fā)明的第一和第二方面，功率放大器最好還包括輸入包絡(luò)檢測(cè)器，用于檢測(cè)輸入信號(hào)的第一輸入幅度分量，并用于將所述第一輸入幅度分量耦合到相位放大級(jí)。這里，可以將第一輸入幅度分量作為所接收到的輸入信號(hào)的幅度分量耦合到相位放大級(jí)的差值檢測(cè)器。
對(duì)于本發(fā)明的第一和第二方面，最好相位放大級(jí)包括振幅到相位轉(zhuǎn)換器，用于將差值檢測(cè)器的輸出轉(zhuǎn)換為相差信號(hào)。
在本發(fā)明第一和第二方面的實(shí)施例中，相位放大級(jí)還可以接收功率放大輸出信號(hào)的相位分量，其中所述相位放大級(jí)還響應(yīng)所接收到的功率放大輸出信號(hào)的相位分量，以用于產(chǎn)生所述功率放大輸出信號(hào)。這里，相位放大級(jí)可以包括混合器、乘法器或用于根據(jù)輸入信號(hào)的相位分量和所接收到的功率放大輸出信號(hào)的相位分量來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)的鑒相器(phase discriminator)。相位放大級(jí)最好還包括相位反饋路徑，用于將功率放大輸出信號(hào)耦合到鑒相器。相位反饋路徑可以包括限幅器，用于產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)的相位分量。相位反饋路徑還可以包括衰減器，用于降低功率放大輸出信號(hào)。相位放大級(jí)最好還包括相移器(phase shifter)，用于通過(guò)移動(dòng)輸入相位分量的相位來(lái)產(chǎn)生第一相移信號(hào)，以作為從鑒相器輸出的信號(hào)的函數(shù)。
在本發(fā)明的第一和第二方面的實(shí)施例中，相位放大級(jí)包括限幅器，用于產(chǎn)生輸入信號(hào)的相位分量。
對(duì)于具有用于從所接收到的幅度分量產(chǎn)生差值信號(hào)的差值檢測(cè)器的本發(fā)明第一和第二方面的實(shí)施例，相位放大級(jí)可以包括相移器，用于移動(dòng)輸入相位分量或第一相移信號(hào)的相位來(lái)作為從差值檢測(cè)器輸出的信號(hào)的函數(shù)。當(dāng)相位放大級(jí)包括用于將差值檢測(cè)器的輸出轉(zhuǎn)換為相差信號(hào)的振幅到相位轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以使用所產(chǎn)生的相差信號(hào)來(lái)移動(dòng)輸入相位分量或第一相移信號(hào)。相移器可以包括第一相移器，用于移動(dòng)輸入相位分量或第一相移信號(hào)的相位來(lái)作為從差值檢測(cè)器輸出的信號(hào)的函數(shù)或用振幅到相位轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的相差信號(hào)來(lái)移動(dòng)輸入相位分量或第一相移信號(hào)的相位，并且相移器還可以包括第二相移器，用于移動(dòng)輸入相位分量或第一相移信號(hào)的相位來(lái)作為從差值檢測(cè)器輸出的信號(hào)的反函數(shù)或所產(chǎn)生的相差信號(hào)的反轉(zhuǎn)。因此，由第二相移器獲得的相移基本上應(yīng)該與第一相移器獲得的相移相反或相對(duì)。第一和第二相移器可以是用于分別使用所產(chǎn)生的相差和所述相差信號(hào)的反轉(zhuǎn)來(lái)移動(dòng)輸入相位分量或第一相移信號(hào)的相位的第一和第二乘法器/混合器。
對(duì)于具有第一和第二相移器的本發(fā)明實(shí)施例，相位放大級(jí)最好包括第一和第二相位放大器，用于分別放大第一和第二相移器的輸出信號(hào)。在本發(fā)明的第一和第二方面的實(shí)施例中，相位放大級(jí)包括第一和第二限幅器，用于分別限制第一和第二相移器的輸出信號(hào)。這里，第一和第二限幅器的輸出可以分別輸入到第一和第二相位放大器。第一和第二相位放大器可以是F類放大器或E類放大器。當(dāng)具有F類放大器時(shí)，第一和第二放大器可以是開(kāi)關(guān)模式放大器。
相位放大級(jí)可以包括加法器或功率混合器，用于將第一和第二相位放大器的輸出相加或混合以便產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)。相位放大級(jí)最好包括濾波器，用于濾波加法器或功率混合器的輸出以獲得功率放大輸出信號(hào)。這里應(yīng)該注意的是，在本發(fā)明的范圍中，濾波器的輸入信號(hào)或輸出信號(hào)可以用于產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)的幅度分量。
對(duì)于本發(fā)明第二方面中的本發(fā)明實(shí)施例，第一和第二相位放大器最好耦合到幅度放大器的輸出，由此通過(guò)所述幅度放大器來(lái)調(diào)節(jié)相位放大器的增益。
對(duì)于本發(fā)明的第二方面中的本發(fā)明實(shí)施例，幅度放大路徑最好包括輸入包絡(luò)檢測(cè)器，用于檢測(cè)輸入信號(hào)的輸入幅度分量和用于將所述輸入幅度分量耦合到幅度放大器。這里，用于檢測(cè)第一輸入幅度分量的輸入包絡(luò)檢測(cè)器可以是幅度放大路徑的一部分，而所述第一輸入幅度分量耦合到幅度放大器。
對(duì)于本發(fā)明的第二方面中的本發(fā)明實(shí)施例，幅度放大器級(jí)最好包括D類放大器。幅度放大器級(jí)還最好包括脈沖寬度調(diào)制放大器。幅度放大器級(jí)還可以包括低通濾波器，由此由幅度放大器級(jí)傳送的輸出是經(jīng)低通濾波的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的另一實(shí)施例，相位放大級(jí)可以包括非線性放大器，用于放大相移器的輸出，所述非線性放大器耦合到幅度放大器的輸出，由此通過(guò)所述幅度放大器調(diào)節(jié)或修改非線性放大器的增益，以便非線性放大器產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)。這里，非線性放大器可以包括第三和第四乘法器/混合器，用于分別混合幅度放大器的輸出與第一和第二乘法器/混合器的輸出，并且還可以包括功率混合器，用于混合第三和第四乘法器/混合器的輸出。最好非線性放大器包括濾波器，用于濾波功率混合器的輸出來(lái)獲得功率放大輸出信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供脈沖寬度調(diào)制放大器，包括差值檢測(cè)器或放大器，用于根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的差來(lái)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)輸出；耦合到差值檢測(cè)器的PWM調(diào)制器，用于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)來(lái)作為其輸出。電源開(kāi)關(guān)電路，用于放大PWM調(diào)制器的輸出；和反饋路徑，用于將電源開(kāi)關(guān)電路的一個(gè)或多個(gè)輸出作為反饋信號(hào)耦合到差值檢測(cè)器。
對(duì)于本發(fā)明的第三方面，脈沖寬度調(diào)制放大器最好還包括耦合到電源開(kāi)關(guān)電路的輸出的低通濾波電路。這里，應(yīng)該理解的是，電源開(kāi)關(guān)電路的輸出可以耦合到反饋路徑和低通濾波器。
對(duì)于本發(fā)明的第三方面，最好反饋路徑包括衰減器，用于降低傳送到差值放大器的反饋信號(hào)的振幅。電源開(kāi)關(guān)電路最好還包括具有上拉輸出的上拉開(kāi)關(guān)和具有下拉輸出的下拉開(kāi)關(guān)。這里，可以由PWM調(diào)制器的輸出控制電源開(kāi)關(guān)電路，使得當(dāng)電源開(kāi)關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，斷開(kāi)上拉開(kāi)關(guān)而接通下拉開(kāi)關(guān)，并且當(dāng)電源開(kāi)關(guān)電路處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，接通上拉開(kāi)關(guān)而斷開(kāi)下拉開(kāi)關(guān)。反饋路徑最好包括加法器，用于相加上拉輸出和下拉輸出來(lái)產(chǎn)生單一的反饋信號(hào)。這里，加法器的輸出可以饋送到衰減器，而經(jīng)由衰減器到差值放大器。
對(duì)于具有低通濾波器的本發(fā)明的第三方面的實(shí)施例，低通濾波器最好包括第一端耦合到上拉輸出的第一電感和第一端耦合到下拉輸出的第二電感。這里，第一電感的第二端和第二電感的第二端都可以耦合到用于傳送脈沖寬度調(diào)制放大器的輸出信號(hào)的輸出電容的同一端。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面的實(shí)施例，PWM調(diào)制器可以包括環(huán)振蕩器，所述環(huán)振蕩器包括反相放大器和第一相移器和第二相移器，響應(yīng)于差值放大器的輸出來(lái)控制所述第一和第二相移器的相移。這里，差值放大器可以具有兩個(gè)差值輸出，所述兩個(gè)差值輸出之間的信號(hào)差表示輸入信號(hào)和所接收的反饋信號(hào)之間的放大的差，并且其中可以響應(yīng)于第一差值輸出來(lái)控制第一相移器，而響應(yīng)于第二差值輸出來(lái)控制第二相移器。最好組合來(lái)自第一相移器的第一相位輸出和來(lái)自第二相移器的第二相位輸出來(lái)產(chǎn)生由電源開(kāi)關(guān)電路接收的PWM調(diào)制器的輸出。這里，第一和第二相位輸出可以相乘來(lái)產(chǎn)生PWM調(diào)制器輸出。最好，該通過(guò)使用異或(ex-or)函數(shù)來(lái)執(zhí)行相乘。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面的實(shí)施例，脈沖寬度調(diào)制放大器還可以包括一個(gè)或多個(gè)濾波器，用于濾波差值放大器的輸出，差值放大器的濾波的輸出作為輸入耦合到PWM調(diào)制器。還在本發(fā)明的第三方面的實(shí)施例中，電源開(kāi)關(guān)電路包括至少兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)晶體管。應(yīng)該理解，在本發(fā)明的范圍中，根據(jù)本發(fā)明第三方面的任何實(shí)施例的脈沖寬度調(diào)制放大器可以用作本發(fā)明的第二方面的功率放大器的幅度放大路徑內(nèi)的幅度放大器。
通過(guò)結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面闡明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中變得更加清楚。
圖1顯示采用包絡(luò)消除和恢復(fù)的常規(guī)RF放大器的示意方框圖；圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的具有幅度放大路徑和相位放大路徑的功率放大器的簡(jiǎn)易方框圖；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明并對(duì)應(yīng)于圖2的圖示的功率放大器的實(shí)施例的詳細(xì)方框圖；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的對(duì)應(yīng)于圖3所示的功率放大器的相位放大路徑的相位放大級(jí)的實(shí)施例的詳細(xì)圖示；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制放大器的實(shí)施例的詳細(xì)圖示；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有相位放大路徑的功率放大器的方框圖，其中該路徑包括用于功率放大器輸出信號(hào)的幅度或振幅分量的幅度反饋路徑；圖7a和7b是顯示根據(jù)本發(fā)明的具有相位放大路徑的功率放大器的實(shí)施例的方框圖，其中該路徑包括用于功率放大器輸出信號(hào)的相位分量和幅度或振幅分量的反饋路徑；圖8顯示具有加法器輸出端的相位放大級(jí)的第一實(shí)施例，其可以結(jié)合圖6、7a和7b的功率放大器一起使用；和圖9顯示具有加法器輸出的相位放大級(jí)的第二實(shí)施例，其可以結(jié)合圖6、7a和7b的功率放大器一起使用。
具體實(shí)施方式本發(fā)明的第二方面提供高效、高度線性功率放大器，其可以用作高效RF功率放大器，并且其部分基于結(jié)合圖1在上面論述的極調(diào)制概念，圖1顯示采用包絡(luò)消除和恢復(fù)的常規(guī)RF放大器的示意方框圖。
在圖2中圖解本發(fā)明的第二方面的優(yōu)選實(shí)施例，圖2顯示具有幅度放大路徑201和相位放大路徑202的功率放大器200的簡(jiǎn)易方框圖。幅度放大路徑201包括包絡(luò)檢測(cè)器204和幅度放大級(jí)205，并且輸入信號(hào)203耦合到包絡(luò)檢測(cè)器204，該檢測(cè)器從輸入信號(hào)中提取幅度分量并將幅度分量饋送到幅度放大級(jí)205。這里，在優(yōu)選實(shí)施例中，幅度放大級(jí)205可以包括D類放大器。
相位放大路徑202包括相位放大級(jí)206和具有包絡(luò)檢測(cè)器208的幅度反饋路徑207，其提取功率放大輸出信號(hào)210的幅度分量并將該輸出信號(hào)210的幅度分量饋送到相位放大級(jí)206。輸入信號(hào)203被饋送到相位放大級(jí)206，在其中提取輸入信號(hào)203的相位分量。相位放大級(jí)206還具有輸入信號(hào)203的所提取的幅度分量作為輸入，可以由單獨(dú)的包絡(luò)檢測(cè)器提取該分量，但最好由包絡(luò)檢測(cè)器204提取它。此外，幅度放大級(jí)205的輸出耦合到相位放大級(jí)206的電源輸入端211。相位放大級(jí)206可以包括高效、非線性相位輸出級(jí)，其可以是C類輸出級(jí)、D類輸出級(jí)、E類輸出級(jí)或F類輸出級(jí)的形式。在優(yōu)選的實(shí)施例中，相位放大級(jí)206包括E類放大器。
應(yīng)該注意的是，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，輸入信號(hào)203是RF輸入信號(hào)。
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明并對(duì)應(yīng)于圖2的簡(jiǎn)化方框圖的功率放大器的實(shí)施例的詳細(xì)方框圖。圖3的功率放大器300具有類似于圖2所示的幅度放大的幅度放大路徑301，其包括包絡(luò)檢測(cè)器304和幅度放大級(jí)305，而輸入信號(hào)303在這里是RF信號(hào)，該信號(hào)耦合到包絡(luò)檢測(cè)器304，該檢測(cè)器將RF輸入信號(hào)的幅度分量饋送到幅度放大級(jí)305。
功率放大器300還具有相位放大路徑302，該路徑包括相位放大級(jí)306和具有包絡(luò)檢測(cè)器308的幅度反饋路徑307，該檢測(cè)器提取功率放大RF輸出信號(hào)310的幅度分量。幅度反饋路徑307還具有衰減器312，用于降低包絡(luò)檢測(cè)器308的輸出振幅。在圖3中，衰減器312被布置在包絡(luò)檢測(cè)器308之后，但是也可以將衰減器312布置在包絡(luò)檢測(cè)器308之前。相位放大級(jí)306包括限幅器313，用于產(chǎn)生RF輸入信號(hào)303的相位分量?？梢酝ㄟ^(guò)限制，即裁減RF輸入信號(hào)，通過(guò)消除幅度分量來(lái)從輸入信號(hào)303中提取相位分量。限幅器313的輸出是具有根據(jù)RF輸入信號(hào)的相位而改變的相位的恒定包絡(luò)信號(hào)。相位放大級(jí)306還包括差值檢測(cè)器314。該差值檢測(cè)器314接收包絡(luò)檢測(cè)器304的輸出309和表示RF輸出信號(hào)310的降低的幅度分量的衰減器312的輸出來(lái)作為輸入信號(hào)。將表示所接收的幅度分量信號(hào)之間的差的差值檢測(cè)器314的輸出饋送到用于將所接收到的幅度差信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位信號(hào)的振幅到相位轉(zhuǎn)換器315。將該轉(zhuǎn)換器315的相位輸出饋送到相移器316和317，而相移器316和317進(jìn)一步接收從限幅器313輸出的RF輸入信號(hào)303的所產(chǎn)生的相位分量來(lái)作為輸入。對(duì)于相移器316，由轉(zhuǎn)換器315的相位輸出來(lái)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相移，而對(duì)于相移器317，由轉(zhuǎn)換器315的相位輸出的反轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相移。相位放大級(jí)306還包括具有第一和第二乘法器/混合器319、320的非線性放大器318、功率混合器321和濾波器322。第一乘法器319具有來(lái)自相移器316的輸出作為輸入，而從幅度放大級(jí)305的輸出提供乘法器319的電源輸入端。類似地，第二乘法器320具有來(lái)自相移器317的輸出作為輸入，同時(shí)也從幅度放大級(jí)305的輸出提供乘法器320的電源輸入端。由功率混合器321將乘法器319和320的輸出相加，而由濾波器322濾波混合器321的輸出，濾波器322傳送功率放大RF輸出信號(hào)310。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的對(duì)應(yīng)于圖3所示的功率放大器的相位放大級(jí)306的相位放大級(jí)406的實(shí)施例的詳細(xì)圖示。在圖4中，將RF輸入信號(hào)饋送到限幅器413，而將限幅器的輸出饋送到相移器416和417。將包絡(luò)檢測(cè)器304和衰減器312的輸出饋送到差值檢測(cè)器414。
差值檢測(cè)器414具有兩個(gè)輸出414a和414b，將它們輸入到對(duì)應(yīng)于圖3的轉(zhuǎn)換器315的振幅到相位轉(zhuǎn)換器。在圖4中，該轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)D型雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(flip flop)415a、415b，其具有作為RF輸入信號(hào)的方波信號(hào)的方波信號(hào)CP+和CP-作為輸入。由“或”門(mén)415c將雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器415a、415b的輸出相乘，該門(mén)控制用于切換差值檢測(cè)器414的輸出414a、414b的開(kāi)關(guān)415d，由此獲得對(duì)應(yīng)于所檢測(cè)到的振幅差的相差輸出。將該切換差值檢測(cè)器輸出饋送到濾波器415e，并且將經(jīng)濾波的正相差輸出饋送到相移器416，而將經(jīng)濾波的負(fù)相差輸出饋送到相移器417。
將相移器416的輸出饋送到作為乘法器319的一部分的限幅器419a，而將限幅器419a的輸出饋送到形成乘法器319的電源部分的第一NMOS晶體管419b的柵極，而晶體管419b的源極接地，而作為電力輸入的漏極經(jīng)由電感421a耦合到幅度放大級(jí)305的輸出端。以同樣的方式，將相移器417的輸出饋送到作為乘法器320的一部分的限幅器420a，而將限幅器420a的輸出饋送到再次形成乘法器320的電源部分的第二NMOS晶體管420b的柵極，而晶體管420b的源極接地，并且作為電力輸入的漏極經(jīng)由電感421a耦合到幅度放大級(jí)305的輸出端。
通過(guò)讓NMOS晶體管419b、420b的漏極部分由電感421a耦合在一起來(lái)獲得對(duì)應(yīng)于圖3的功率混合器321的圖4的功率混合器，其具有幅度放大級(jí)305的輸出信號(hào)作為輸入。電感421a形成變壓器的一部分，而變壓器的另一側(cè)具有電感422a，其輸出耦合到作為對(duì)應(yīng)于圖3的濾波器322的濾波器的一部分的電感422b，其中該濾波器包括電容422c。該濾波器輸出是功率放大RF輸出信號(hào)430。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供脈沖寬度調(diào)制放大器，這可以提供上述本發(fā)明第二方面的功率放大器的幅度放大級(jí)的解決方案。在圖5中圖解了根據(jù)本發(fā)明第三方面的脈沖寬度調(diào)制放大器的實(shí)施例。在圖5中，將可以作為RF輸入信號(hào)的幅度分量的輸入信號(hào)501饋送到差值檢測(cè)器或放大器502，而檢測(cè)器502將反饋信號(hào)503作為第二輸入。差值檢測(cè)器502具有兩個(gè)輸出，其中由低通濾波電路504來(lái)對(duì)這兩個(gè)輸出進(jìn)行濾波，并且這兩個(gè)經(jīng)濾波的差值輸出被用作第一相移器505和第二相移器506的控制輸入，這兩個(gè)相移器作為PWM調(diào)制器507的一部分。
PWM調(diào)制器507或發(fā)生器是具有串聯(lián)布置的相移器505和506的環(huán)振蕩器，使得第一相移器505的輸出提供給第二相移器506作輸入，第二相移器506的輸出提供給反相放大器508作輸入，反相器508的輸出提供給第一相移器作輸入。因此，由相移器505和506提供的相移受到差值檢測(cè)器502的輸出的控制。由乘法電路或“異或”(EX-OR)函數(shù)將第一相移器505的輸出R1和第二相移器的輸出R2相乘，由此產(chǎn)生PWM調(diào)制器的輸出P1。
將PWM調(diào)制器的輸出P1用作電源開(kāi)關(guān)電路510的控制輸入?？梢允褂肅MOS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)電路510，并且對(duì)于圖5的電路，功率開(kāi)關(guān)510包括具有耦合到正電源電壓的源極的PMOS晶體管511和具有耦合到地的源極的NMOS晶體管512。由輸出P1控制晶體管511和512的柵極。PMOS晶體管511的漏極DP提供功率開(kāi)關(guān)510的第一輸出，而NMOS晶體管512的漏極DN提供功率開(kāi)關(guān)510的第二輸出。當(dāng)PMOS晶體管511處于導(dǎo)通狀態(tài)(ON state)時(shí)，NMOS晶體管截止，并且通過(guò)電源電壓上拉(pull up)輸出DP，并且當(dāng)NMOS晶體管512處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，PMOS晶體管截止，并且通過(guò)地電壓下拉(pull down)輸出DN。由加法器電路513將功率開(kāi)關(guān)輸出DP和DN相加在一起，并且將該加法器電路的輸出饋送到衰減器514，而將提供反饋信號(hào)的衰減器的輸出503傳送到差值檢測(cè)器502。
對(duì)于圖5所示的PWM調(diào)制的放大器的實(shí)施例，功率開(kāi)關(guān)510的輸出DP和DN還耦合到低通濾波器515，以便獲得放大器的濾波的輸出519。這里，濾波器515包括具有耦合到輸出DP的第一端的第一電感516，而輸出DN耦合到第二電感517的第一端。電感516和517的第二端一起耦合到輸出電容518的輸出端。
圖6顯示根據(jù)本發(fā)明第一方面的具有相位放大路徑的功率放大器的方框圖，其中該路徑包括用于功率放大器輸出信號(hào)的幅度或振幅分量的幅度反饋路徑。
圖6的方框圖的基礎(chǔ)架構(gòu)可以命名為一致振幅線性化反饋。在圖6中，通過(guò)使用本發(fā)明的第一方面的原理，可以將作為RF輸入信號(hào)的輸入信號(hào)Si(t)放大到AvSi(t)。
Si(t)＝A(t)sin(ω0t) (1)通過(guò)使用限幅器塊Ai，限制信號(hào)Si(t)來(lái)提取輸入信號(hào)的相位。
PP(t)＝∏{Si(t)}≈∏{sin(ω0t)} (2)在方程(2)中，對(duì)于x＞0，∏(x)＝1，而對(duì)于所有其它的x值，∏(x)＝-1。
通過(guò)使用兩個(gè)相移器PF+和PF-來(lái)移動(dòng)信號(hào)的相位。
PP(t)＝∏{sin(ω0t+φC)} (3)PP(t)＝∏{sin(ω0t-φC)}在方程(3)中φC＝φKAC(t)經(jīng)由限制塊LF+和LF-將信號(hào)PP+和PP-分別饋送到放大器塊AF+和AF-，將經(jīng)放大的信號(hào)PF+和PF-在加法器塊SF中求和或相加來(lái)產(chǎn)生信號(hào)SF(t)。通過(guò)濾波器饋送信號(hào)SF(t)來(lái)產(chǎn)生信號(hào)SO(t)?？梢酝ㄟ^(guò)SF(t)的基本諧波來(lái)給出信號(hào)SO(t)，并且可以將其寫(xiě)為SO(t)＝SF(harmonial)(t)＝PF+(harmonicl)(t)+PF-(harmonicl)(t)SO(t)＝G(sin(ω0t+φC)+sin(ω0t-φC)) (4)＝2G(cos(φC)×sin(ω0t))＝2G(cos(φK×AC(t))×sin(ω0t))從方程4可以看出，可以經(jīng)由信號(hào)AC(t)來(lái)控制輸出信號(hào)SO(t)的振幅。信號(hào)AC(t)是差值檢測(cè)器的輸出，該檢測(cè)器把輸入信號(hào)Si(t)的幅度分量A0(t)和輸出信號(hào)的幅度分量AF(t)作為輸入。可以由混合器塊Mi產(chǎn)生輸入信號(hào)Si(t)的幅度分量A0(t)，并且可以通過(guò)使用混合器塊Mfb、限幅器Afb、和衰減器塊來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)的幅度分量AF(t)。輸入到衰減器塊的反饋可以是未經(jīng)濾波的輸出信號(hào)SF(t)或者是經(jīng)濾波的輸出信號(hào)SO(t)。對(duì)于圖6的圖示，幅度反饋路徑包括衰減器塊、限幅器Afb和混合器塊Mfb，由此提供了從未濾波的輸出信號(hào)SF(t)到將信號(hào)AC(t)提供到相移器PF+和PF-的差值檢測(cè)器的反饋路徑。對(duì)于圖6的圖示，可以將限幅器Afb和混合器塊Mfb看作執(zhí)行包絡(luò)檢測(cè)器的功能。
如果信號(hào)的PP+和PP-相移不完全相反，則將輸出信號(hào)的幅度分量傳送到差值檢測(cè)器的幅度反饋路徑可能引起輸出的頻率掃動(dòng)(chirp)(相錯(cuò))。通過(guò)添加相反饋來(lái)校正它。這在圖7a中示出，圖7a顯示根據(jù)本發(fā)明的具有相位放大路徑的功率放大器的方框圖，其中該路徑包括用于功率放大器輸出信號(hào)的相位分量和幅度或振幅分量的幅度反饋路徑。
在圖7a中，幅度反饋路徑與圖6相同，但是提供與幅度反饋路徑共享衰減器塊和限幅器Afb的相位反饋路徑，相位反饋路徑的輸出是來(lái)自限幅器Afb的輸出信號(hào)PFp，其中信號(hào)PFp表示未經(jīng)過(guò)濾的輸出信號(hào)SF(t)的所提取的相位信號(hào)，并且將PFp饋送到混合器塊或鑒相器塊M0，其還具有來(lái)自限幅器Ai的輸出信號(hào)Pp作為輸入，其中Pp表示輸入信號(hào)Si的所提取的相位信號(hào)，將鑒相器塊M0的輸出饋送到相移器塊P0，該相移器塊P0將來(lái)自限幅器Ai的輸出信號(hào)Pp作為輸入。將相移器塊P0的經(jīng)相移的輸出信號(hào)用作相移器PF+和PF-的輸入信號(hào)。
可以將圖7a的方框圖的基礎(chǔ)架構(gòu)命名為一致振幅和相位線性化反饋。
通過(guò)使用與圖6或圖7a對(duì)應(yīng)的電路，可以省去作為幅度放大部分的一部分的振幅或幅度放大器。
通過(guò)在P0之前插入混合器塊Mup，可以將圖7a的基礎(chǔ)架構(gòu)改為外差上轉(zhuǎn)換器(heterodyne up conventer)。在圖7b中顯示了外差系統(tǒng)。將對(duì)混合器Mup的輸入信號(hào)Pp(t)上轉(zhuǎn)換為信號(hào)Pup(t)，然后經(jīng)由本地振蕩器塊LO產(chǎn)生的本地振蕩器輸入信號(hào)L(t)將其輸入到相移器P0。注意，在圖7b中，它是轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)Pup(t)，現(xiàn)在被饋送到鑒相器M0，代替在圖7a中使用的信號(hào)Pp(t)。
應(yīng)該理解的是，對(duì)于圖6、7a和7b的方框圖，稱為M(Mi、M0、Mfb、Mup)的塊是將兩個(gè)信號(hào)相乘的乘法器。M塊還可以稱為混合器。稱為P(Pp、PF+、PF-)的塊是相移器。從第一輸入信號(hào)相移P塊的輸出信號(hào)。P塊的第二輸入信號(hào)控制關(guān)于輸出的相移值。稱為S(SF、SA)的塊是加法器或減法塊。通過(guò)輸入信號(hào)的和或差來(lái)給出S塊的輸出信號(hào)。
在圖6、7a和7b的方框圖中，由信號(hào)PP+和PP-控制的信號(hào)放大器AF+和AF-將輸出信號(hào)PF+和PF-傳送到求和或加法器單元SF，該單元將信號(hào)SF(t)傳送到輸出濾波器。然后輸出濾波器將其信號(hào)傳送到負(fù)載ZL。來(lái)自限幅器塊LF+和LF-的信號(hào)控制放大器AF+和AF-，該放大器可以是F類放大器。
在圖8和圖9中顯示了具有加法器輸出的相位放大級(jí)的兩個(gè)實(shí)施例，其可以用于提供圖6、7a和7b的圖中的放大器AF+和AF-和加法器SF的功能。從下面給出的圖8和圖9的描述可以看出，來(lái)自限幅器塊LF+和LF-的信號(hào)可以控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，該裝置具有在兩個(gè)狀態(tài)之間切換的特性斷開(kāi)和接通。圖8和9的相位放大級(jí)基于高效放大結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)僅傳送固定功率輸出級(jí)，因此這些結(jié)構(gòu)可以獲得高效率。
對(duì)于圖8中具有加法器的相位放大級(jí)的第一實(shí)施例，最好對(duì)正弦信號(hào)執(zhí)行輸出信號(hào)相加和取消(cancelling)，如S(out)＝S1+S2＝Const*[sin(ωt+фC)+sin(ωt-фC)] (5)其中S(out)是輸出信號(hào)，并且S1和S2是從每個(gè)F類放大器傳送的信號(hào)。
可以顯示出，方程(5)的兩個(gè)正弦波可以相加來(lái)形成具有關(guān)于相位фC的振幅的正弦波。圖8中顯示的實(shí)施例是基于F類放大器的解決方案。在本領(lǐng)域公知多年的F類放大器通過(guò)需要匹配的或至少在載波頻率fc上表示的實(shí)際阻抗，即(載波頻率的)所謂第一諧波來(lái)操作。偶次諧波，如2·fc、4·fc、6·fc等必須呈現(xiàn)為低阻抗或?qū)嶋H上接近于短路的阻抗，而奇次諧波，如3·fc、5·fc、7·fc等必須呈現(xiàn)為高阻抗或?qū)嶋H接近于開(kāi)路的阻抗。如果滿足這些要求，標(biāo)準(zhǔn)的F類放大器將傳送正弦輸出電壓。
圖8的系統(tǒng)包括稱為“諧波短樁(short stub)系統(tǒng)”的短樁系統(tǒng)。“諧波短樁系統(tǒng)”的每個(gè)四分之一波形表示從示意節(jié)點(diǎn)“信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)”可以見(jiàn)到的短路或?qū)嶋H上的低阻抗。在第一諧波(載波頻率)上，在圖8上表示為Z負(fù)載(短樁系統(tǒng))的方向上看見(jiàn)的“信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)”表示出復(fù)數(shù)阻抗R+jX，其具有正值R和在-∞與+∞之間的X，而最好X＝0。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)從每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置看來(lái)時(shí)，在偶次諧波，如2·fc、4·fc、6·fc等時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置將表現(xiàn)為短路，而在奇次諧波，如3·fc、5·fc、7·fc等時(shí)將表現(xiàn)為開(kāi)路負(fù)載(高阻抗)。假設(shè)在所述頻率上供電裝置具有實(shí)際上的低阻抗，則當(dāng)使用λ(lambda)/4長(zhǎng)度傳輸線代替RF扼流圈(見(jiàn)圖8的805和806)時(shí)，通過(guò)這些條紋來(lái)短路偶次諧波。在這種情況下，在“諧波短樁系統(tǒng)”中的偶次諧波條紋線可以是多余的。所有fc以上的諧波在節(jié)點(diǎn)“信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)”短路意味著自一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置看到的這些諧波上的阻抗不受其它開(kāi)關(guān)裝置的動(dòng)作以及R(負(fù)載)的值的影響。根據(jù)以上建議的公式將第一諧波正弦信號(hào)在第一諧波上相加，以產(chǎn)生具有由相位фC給定的振幅的正弦信號(hào)。
在圖8中，由附圖標(biāo)記801和802參考的裝置是電源。它們可以是恒定的(如提供固定電壓)也可以是變化的?？梢詫⑺鼈凂詈显陂_(kāi)環(huán)布置中，或者可以在閉環(huán)(反饋)布置中，其中它們的變化電壓可以依賴于輸出功率。在它們的電壓改變的布置中，變化可以是很慢的，以適應(yīng)功率級(jí)的調(diào)整，或者可以是很快的，以產(chǎn)生關(guān)于輸出信號(hào)的振幅調(diào)制。在后一種情況下，電壓級(jí)可以(或可以不)依賴于由相位放大器給出的結(jié)果輸出電壓。
由附圖標(biāo)記803和804參考的裝置是能夠快速在兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行切換的開(kāi)關(guān)裝置，兩種狀態(tài)之一是裝置短路，而另一種是裝置開(kāi)路，如不導(dǎo)電。這些裝置可以是MOSFET晶體管，或二極管(bipolar)、LDMOS/VDMOS、HBT、GaAs、電子管或能夠?qū)嶋H上在短路和開(kāi)路阻抗之間快速切換的任意種類其它開(kāi)關(guān)裝置。通過(guò)控制來(lái)自限幅器塊LF+和LF-的信號(hào)以在開(kāi)和截止?fàn)顟B(tài)之間切換它們，見(jiàn)圖6、7a或7b。
由附圖標(biāo)記805和806參考的裝置可以是RF阻塞裝置(blocking device)，例如扼流圈，但是還可以是具有傳送頻率的波長(zhǎng)的四分之一長(zhǎng)度的傳輸線。正如本領(lǐng)域所公知的那樣，傳輸線是具有使用傳輸線的頻率的波長(zhǎng)附近的長(zhǎng)度的導(dǎo)電材料線。將在傳輸線材料中的信號(hào)的波長(zhǎng)表示為“λ”。
具有某頻率的λ/4長(zhǎng)度處傳輸線將處于下述情況，其中非負(fù)載(開(kāi)路)一端從傳輸線的另一端看來(lái)實(shí)際上是短路的。相同地，當(dāng)從另一端看來(lái)時(shí)一端上的短路被看來(lái)實(shí)際上是開(kāi)路的負(fù)載。波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系為λ(freq)＝Const/freq (6)第二諧波將具有第一諧波的一半的波長(zhǎng)，第三諧波將具有第一諧波的三分之一的波長(zhǎng)等等。因此，當(dāng)在不同頻率處看到時(shí)，傳輸線具有可變的長(zhǎng)度。
返回到傳輸線805和806，如果我們?cè)谠搶?shí)施例中在所有頻率N*f(傳送)上短路供電裝置801和802，其中N是正整數(shù)，則在供電裝置上的短路將由于傳輸線的性質(zhì)而在第一諧波上被看作開(kāi)路，其中傳輸線長(zhǎng)度l(trans)＝λ/4，在第二諧波上短路，其中l(wèi)(trans)＝2*λ/4，在第三諧波上開(kāi)路，其中l(wèi)(trans)＝3*λ/4等等。
可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)傳輸線集811，以在頻率2*f(傳送)、3*f(傳送)、4*f(傳送)、5*f(傳送)等等上實(shí)質(zhì)上呈現(xiàn)短路。在實(shí)現(xiàn)中可以選擇向811添加多少條傳輸線，但是當(dāng)?shù)竭_(dá)特定頻率N*f(傳送)時(shí)，添加調(diào)諧到更高頻率的額外傳輸線不會(huì)有回報(bào)(pay off)。
在該實(shí)施例中，傳輸線810最好具有一特定長(zhǎng)度，以便如在圖8上作為Z(stubsystem)(Z(短樁系統(tǒng)))指出的方向上看到的那樣，使第一諧波的阻抗表現(xiàn)為Z(stubsystem)＝R(load)+j*0，如實(shí)阻抗。
換句話說(shuō)，視作Z(stubsystem)的阻抗為Z(stubsystem，1stharmonic)＝R(load) (7)Z(stubsystem，2nd-Nthharmonic)＝0傳輸線807和808將阻抗Z(stubsystem)轉(zhuǎn)換為交替的短路-開(kāi)路-短路-開(kāi)路阻抗序列，因此開(kāi)關(guān)裝置803和804中每一個(gè)獨(dú)立見(jiàn)到這些阻抗Z(stubsystem，2ndharmonic)＝short circuit (8)Z(stubsystem，3rdharmonic)＝open circuitZ(stubsystem，4thharmonic)＝short circuitZ(stubsystem，5thharmonic)＝open circuit……-繼續(xù)該交替，直到第N諧波為止實(shí)施為F類放大器充分滿足了這些阻抗要求。如果傳輸線805和806確實(shí)是傳輸線而不是RF扼流圈，則由于805和806已經(jīng)短路偶次諧波阻抗，因此傳輸線系統(tǒng)811不需要偶數(shù)編號(hào)的傳輸線2、4、6等。
在稱為‘信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)’的節(jié)點(diǎn)809，將從每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置傳送來(lái)的第一諧波相加。由于在第一諧波以上的所有諧波上Z(stubsystem)被短路，因此，開(kāi)關(guān)裝置803和804不能影響在這些頻率上的每個(gè)其它操作。在第一諧波頻率，開(kāi)關(guān)裝置803將見(jiàn)到由813、R(load)(R(負(fù)載))和開(kāi)關(guān)裝置804組成的阻抗。裝置804見(jiàn)到由813和803組成的阻抗。在節(jié)點(diǎn)‘信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)’，將來(lái)自每個(gè)分支的正弦波信號(hào)相加。
為了避免DC功率從供電裝置801和802流向負(fù)載813，將DC阻塞電容812包含在放大器和負(fù)載之間。負(fù)載813可以是任意大小的，而較小的阻抗將導(dǎo)致較大的傳送功率。
總結(jié)圖8的電路，開(kāi)關(guān)裝置803和804產(chǎn)生在節(jié)點(diǎn)‘信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)’809相加的正弦波。該結(jié)果信號(hào)是具有可通過(guò)改變開(kāi)關(guān)信號(hào)控制裝置803和804之間的相差來(lái)調(diào)節(jié)的振幅的正弦波。負(fù)載813從該信號(hào)獲益。
對(duì)于圖9所示的具有加法器的相放大級(jí)的第二實(shí)施例，從E類放大器中產(chǎn)生要相加的正弦波。最好將放大器調(diào)諧來(lái)具有最大的效率。
通過(guò)由方程(5)給出的方程示出的方法將兩個(gè)E類放大器912和913的輸出相接(joining)來(lái)將它們的正弦輸出信號(hào)相加S(out)＝S1+S2＝Const*[sin(ωt+φC)+sin(ωt-φC)]其中S(out)是輸出信號(hào)，而S1和S2是從每個(gè)E類放大器傳送來(lái)的信號(hào)。
如上所述，可以很容易得到兩個(gè)正弦波相加來(lái)形成具有與相位фC相關(guān)的振幅的正弦波。
對(duì)于圖9的電路，基本E類放大器由連接到開(kāi)關(guān)裝置903和904的諧振器905、906組成。開(kāi)關(guān)裝置903和904是能夠快速在兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行切換的開(kāi)關(guān)裝置，兩種狀態(tài)之一是裝置短路，而另一種是裝置開(kāi)路，如不導(dǎo)電。這些裝置可以是MOSFET晶體管，或二極管、LDMOS/VDMOS、HBT、GaAs、電子管或能夠?qū)嶋H上在短路和開(kāi)路阻抗之間快速切換的任意種類其它開(kāi)關(guān)裝置。通過(guò)控制來(lái)自限幅器塊LF+和LF-的信號(hào)來(lái)在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間切換它們，見(jiàn)圖6、7a或7b。
最好應(yīng)該將諧振系統(tǒng)調(diào)諧來(lái)在要傳送的信號(hào)的載波頻率f(carrier)(f(載波))附近諧振。由于諧振器表示在該頻率的無(wú)限阻抗，因此開(kāi)關(guān)裝置903在切換到該頻率時(shí)將產(chǎn)生穿過(guò)諧振器905的較大正弦類電壓波動(dòng)。對(duì)于開(kāi)關(guān)裝置904和相關(guān)諧振器906也會(huì)發(fā)生相同的情況。
供電裝置901和902實(shí)際上是電源。它們可以是恒定的(如提供固定電壓)，也可以是變化的?？梢詫⑺鼈凂詈显陂_(kāi)環(huán)布置中，或者可以在閉環(huán)(反饋)布置中，其中它們的變化電壓可以依賴于輸出功率。在它們的電壓改變的布置中，變化可以是很慢的，以適應(yīng)功率級(jí)的調(diào)整，或者可以是很快的，以產(chǎn)生關(guān)于輸出信號(hào)的振幅調(diào)制。在后一種情況下，電壓級(jí)可以(或可以不)依賴于由相位放大器給出的結(jié)果輸出電壓。最好這些供電裝置在f(載波)附近和以上的頻率處呈現(xiàn)出實(shí)際上低的阻抗。
帶通濾波器907和908具有消除除經(jīng)調(diào)制的載波頻率f(carrier)之外的任何信號(hào)的主要功能。在現(xiàn)有技術(shù)中，優(yōu)化實(shí)際的、非理想的E類放大器可能需要額外的調(diào)諧；設(shè)計(jì)原理可以圍繞這樣的概念‘零電壓切換’ZVS和‘零電流切換’ZCS?？梢?或可以不)調(diào)諧諧振器、開(kāi)關(guān)裝置和帶通濾波器來(lái)達(dá)到這樣的目標(biāo)。
將從每個(gè)E類放大器912和913產(chǎn)生的正弦波在節(jié)點(diǎn)909‘信號(hào)相加節(jié)點(diǎn)’相接。緊接著是DC阻塞部件910來(lái)避免DC電流從供電裝置901和902流向負(fù)載911。
負(fù)載電阻911可以是任意大小的，而較小的阻抗將導(dǎo)致較大的傳送功率。
雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)答理解，可以做出各種形式上的修改以及細(xì)節(jié)，而不背離本發(fā)明的宗旨和范圍，這樣的修改在所附權(quán)利要求
的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種從輸入信號(hào)中產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)的功率放大器，所述功率放大器包括相位放大路徑；和在所述相位放大路徑中的相位放大級(jí)，所述相位放大級(jí)接收功率放大輸出信號(hào)的幅度分量，所述相位放大級(jí)響應(yīng)輸入信號(hào)的相位分量、輸入信號(hào)的幅度分量和所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量，以產(chǎn)生所述功率放大輸出信號(hào)。
2.一種從輸入信號(hào)中產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)的功率放大器，所述功率放大器包括用于輸入信號(hào)的幅度分量的幅度放大路徑；在所述幅度放大路徑中的幅度放大器級(jí)；相位放大路徑；和在所述相位放大路徑中的相位放大級(jí)，所述相位放大級(jí)從幅度放大器級(jí)接收功率放大輸出信號(hào)的幅度分量和輸入信號(hào)的經(jīng)放大的幅度分量，所述相位放大級(jí)響應(yīng)輸入信號(hào)的相位分量、輸入信號(hào)的幅度分量、所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量和所接收到的輸入信號(hào)的經(jīng)放大的幅度分量，以產(chǎn)生所述功率放大輸出信號(hào)。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的功率放大器，其中由相位放大級(jí)產(chǎn)生的功率放大信號(hào)實(shí)際上在相位和振幅上與輸入信號(hào)線性相關(guān)。
4.如權(quán)利要求
1-3中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括差值檢測(cè)器，用于根據(jù)所接收到的輸入信號(hào)的幅度分量和所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量之間的差值來(lái)產(chǎn)生輸出。
5.如權(quán)利要求
4所述的功率放大器，其中相位放大路徑包括幅度反饋路徑，用于將功率放大輸出信號(hào)耦合到差值檢測(cè)器來(lái)作為所述功率放大輸出信號(hào)的幅度分量。
6.如權(quán)利要求
5所述的功率放大器，其中相位放大路徑的幅度反饋路徑包括輸出包絡(luò)檢測(cè)器，用于檢測(cè)功率放大輸出信號(hào)的幅度分量。
7.如權(quán)利要求
5或6所述的功率放大器，其中相位放大路徑的幅度反饋路徑包括衰減器，用于降低功率放大輸出信號(hào)的幅度分量的振幅。
8.如權(quán)利要求
1-7中任意一個(gè)所述的功率放大器，還包括輸入包絡(luò)檢測(cè)器，用于檢測(cè)輸入信號(hào)的第一輸入幅度分量，并用于將所述第一輸入幅度分量耦合到相位放大級(jí)。
9.如權(quán)利要求
4或8所述的功率放大器，其中將第一輸入幅度分量作為所接收到的輸入信號(hào)的幅度分量耦合到相位放大級(jí)的差值檢測(cè)器。
10.如權(quán)利要求
4-9中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括振幅到相位轉(zhuǎn)換器，用于將差值檢測(cè)器的輸出轉(zhuǎn)換為相差信號(hào)。
11.如權(quán)利要求
1-10中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括限幅器，用于產(chǎn)生輸入信號(hào)的相位分量。
12.如權(quán)利要求
10或11所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括相移器，用于使用所產(chǎn)生的相差信號(hào)來(lái)移動(dòng)輸入相位分量的相位。
13.如權(quán)利要求
12所述的功率放大器，其中相移器包括第一和第二相移器，用于分別使用所產(chǎn)生的相差和所述相差信號(hào)的反轉(zhuǎn)來(lái)移動(dòng)輸入相位分量的相位。
14.如權(quán)利要求
12或13所述的功率放大器，其中相移器包括第一和第二乘法器/混合器，用于分別使用所產(chǎn)生的相差和所述相差信號(hào)的反轉(zhuǎn)來(lái)移動(dòng)輸入相位分量的相位。
15.如權(quán)利要求
13或14所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括第一和第二相位放大器，用于分別放大第一和第二相移器的輸出信號(hào)。
16.如權(quán)利要求
15所述的功率放大器，其中第一和第二相位放大器是開(kāi)關(guān)模式F類放大器。
17.如權(quán)利要求
2、15或16所述的功率放大器，其中第一和第二相位放大器耦合到幅度放大器的輸出，由此由所述幅度放大器調(diào)節(jié)或修改相位放大器的增益。
18.如權(quán)利要求
15-17中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括加法器或功率混合器，用于將第一和第二相位放大器的輸出相加或混合以便產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)。
19.如權(quán)利要求
18所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括濾波器，用于濾波加法器或功率混合器的輸出以獲得功率放大信號(hào)。
20.如權(quán)利要求
2-19中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中幅度放大路徑包括輸入包絡(luò)檢測(cè)器，用于檢測(cè)輸入信號(hào)的輸入幅度分量和用于將所述輸入幅度分量耦合到幅度放大器。
21.如權(quán)利要求
8或20所述的功率放大器，其中用于檢測(cè)第一輸入幅度分量的輸入包絡(luò)檢測(cè)器是幅度放大路徑的一部分，而所述第一輸入幅度分量耦合到幅度放大器。
22.如權(quán)利要求
2-21中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中幅度放大器級(jí)包括D類放大器。
23.如權(quán)利要求
2-22中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中幅度放大器級(jí)還包括脈沖寬度調(diào)制放大器。
24.如權(quán)利要求
2-23中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中幅度放大器級(jí)包括低通濾波器，由此由幅度放大器級(jí)傳送的輸出是經(jīng)低通濾波的信號(hào)。
25.如權(quán)利要求
2和12-14中任意一個(gè)所述的功率放大器，其中相位放大級(jí)包括非線性放大器，用于放大相移器的輸出，所述非線性放大器耦合到幅度放大器的輸出，由此通過(guò)所述幅度放大器調(diào)節(jié)或修改非線性放大器的增益，以便非線性放大器產(chǎn)生功率放大輸出信號(hào)。
26.如權(quán)利要求
25所述的功率放大器，其中非線性放大器包括第三和第四乘法器/混合器，用于分別混合幅度放大器的輸出與第一和第二乘法器/混合器的輸出，并且還包括功率混合器，用于混合第三和第四乘法器/混合器的輸出。
27.如權(quán)利要求
26所述的功率放大器，其中非線性放大器包括濾波器，用于濾波功率混合器的輸出來(lái)獲得功率放大輸出信號(hào)。
28一種脈沖寬度調(diào)制放大器，包括差值檢測(cè)器或放大器，用于根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的差來(lái)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)輸出；耦合到差值檢測(cè)器的PWM調(diào)制器，用于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)來(lái)作為其輸出；電源開(kāi)關(guān)電路，用于放大PWM調(diào)制器的輸出；和反饋路徑，用于將電源開(kāi)關(guān)電路的一個(gè)或多個(gè)輸出作為反饋信號(hào)耦合到差值檢測(cè)器。
29.如權(quán)利要求
28所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，還包括耦合到電源開(kāi)關(guān)電路的輸出的低通濾波電路。
30.如權(quán)利要求
28或29所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中反饋路徑包括衰減器，用于降低傳送到差值放大器的反饋信號(hào)的振幅。
31.如權(quán)利要求
28-30中任意一個(gè)所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中電源開(kāi)關(guān)電路包括具有上拉輸出的上拉開(kāi)關(guān)和具有下拉輸出的下拉開(kāi)關(guān)。
32.如權(quán)利要求
31所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中由PWM調(diào)制器的輸出控制電源開(kāi)關(guān)電路，使得當(dāng)電源開(kāi)關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，斷開(kāi)上拉開(kāi)關(guān)而接通下拉開(kāi)關(guān)，并且當(dāng)電源開(kāi)關(guān)電路處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，接通上拉開(kāi)關(guān)而斷開(kāi)下拉開(kāi)關(guān)。
33.如權(quán)利要求
31或32所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中反饋路徑包括加法器，用于相加上拉輸出和下拉輸出來(lái)產(chǎn)生單一的反饋信號(hào)。
34.如權(quán)利要求
30或33所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中將加法器的輸出饋送到衰減器，而經(jīng)由衰減器到差值放大器。
35.如權(quán)利要求
29和31-34中任意一個(gè)所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中低通濾波器包括第一端耦合到上拉輸出的第一電感和第一端耦合到下拉輸出的第二電感。
36.如權(quán)利要求
35所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中第一電感的第二端和第二電感的第二端都耦合到用于傳送脈沖寬度調(diào)制放大器的輸出信號(hào)的輸出電容的同一端。
37.如權(quán)利要求
28-36中任意一個(gè)所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中PWM調(diào)制器包括環(huán)振蕩器，所述環(huán)振蕩器包括反相放大器和第一相移器和第二相移器，響應(yīng)于差值放大器的輸出來(lái)控制所述第一和第二相移器的相移。
38.如權(quán)利要求
37所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中差值放大器具有兩個(gè)差值輸出，所述兩個(gè)差值輸出之間的信號(hào)差表示輸入信號(hào)和所接收的反饋信號(hào)之間的放大的差，并且其中可以響應(yīng)于第一差值輸出來(lái)控制第一相移器，而響應(yīng)于第二差值輸出來(lái)控制第二相移器。
39.如權(quán)利要求
37或38所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中組合來(lái)自第一相移器的第一相位輸出和來(lái)自第二相移器的第二相位輸出來(lái)產(chǎn)生由電源開(kāi)關(guān)電路接收的PWM調(diào)制器的輸出。
40.如權(quán)利要求
39所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中將第一和第二相位輸出相乘來(lái)產(chǎn)生PWM調(diào)制器輸出。
41.如權(quán)利要求
40所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中通過(guò)使用ex-or函數(shù)來(lái)執(zhí)行相乘。
42.如權(quán)利要求
28-41中任意一個(gè)所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，還包括一個(gè)或多個(gè)濾波器，用于濾波差值放大器的輸出，差值放大器的濾波的輸出作為輸入耦合到PWM調(diào)制器。
43.如權(quán)利要求
28-41中任意一個(gè)所述的脈沖寬度調(diào)制放大器，其中電源開(kāi)關(guān)電路包括至少兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)晶體管。
專利摘要
本發(fā)明涉及具有相位放大路徑的功率放大器，在所述相位放大路徑中具有相位放大級(jí)。這里相位放大級(jí)接收功率放大輸出信號(hào)的幅度分量，并且相位放大級(jí)響應(yīng)輸入信號(hào)的相位分量、輸入信號(hào)的幅度分量和所接收到的功率放大輸出信號(hào)的幅度分量，以用于產(chǎn)生所述功率放大輸出信號(hào)。本發(fā)明還涉及具有用于輸入信號(hào)的幅度分量的幅度放大路徑的功率放大器，在所述幅度放大路徑中具有幅度放大器級(jí)，并且所述功率放大器還具有相位放大路徑，在所述相位放大路徑中具有相位放大級(jí)。
文檔編號(hào)H03F3/217GK1993882SQ200580026539
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年6月6日
發(fā)明者卡斯滕·拉斯馬森 申請(qǐng)人:西利康動(dòng)力裝置公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan