專利名稱：功率放大器及其用于功率放大的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于無線調(diào)制解調(diào)器和電信系統(tǒng)中的一種功率放大器和一種用于功率放大的方法。
現(xiàn)代無線和電信系統(tǒng)要求功率放大器在線性模式下運(yùn)行，從而使系統(tǒng)的頻譜效率最大化。然而，線性的需求是與效率的需求相沖突的。典型的，一個線性功率放大器會以B類或者AB類的方式進(jìn)行偏置，為了達(dá)到線性，將對規(guī)范從大約10dB的其峰值包絡(luò)功率(PEP)進(jìn)行補(bǔ)償(back-off)。這樣，功率放大器的功率增加效率(PAE)就打了折扣。
在用于移動通信的功率放大器中，輸出功率Pout根據(jù)通信的需要而變化。電源電壓被固定在一個特定值，該電壓通常來自于電池。電源電流IDC會隨著以AB或B類方式工作的功率放大器的輸出功率而變化。AB或B類的輸出電流io是一個被截的正弦電流。對于B類，導(dǎo)通角，即其中功率放大器生成電流的正弦曲線分?jǐn)?shù)嚴(yán)格等于π，這就意味著同樣IQ＝0。對于AB類，導(dǎo)通角大于π，則IQ＞0。電源電流IDC始終大于或等于靜態(tài)電流IQ。
在傳統(tǒng)的解決方案中，VDC被設(shè)置為制造技術(shù)所能允許的最大值，該電壓通過一個電源生成器(電池)提供。最大功率增加效率PAE達(dá)到最大輸出功率。可以看到，功率放大器將顯示功率增加效率比在低于最大電平的輸出功率電平下工作時它所能達(dá)到的最大PAE小。
在現(xiàn)有的移動無線通信方案中，為了最大化小區(qū)容量，功率放大器的平均輸出功率由網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。因此，功率放大器就不需要持續(xù)地在最大輸出功率下進(jìn)行發(fā)送，但是經(jīng)常對它們補(bǔ)償?shù)捷^低的功率電平(在(W-)CDMA系統(tǒng)中通常為低于10dB)。功率放大器會有一個較低的功率增加效率，和由此的一個相對較高的功率耗散。例如，經(jīng)過計算，用于UMTS手持設(shè)備的一個具有功率增加效率PAEmax％＝35％的功率放大器將顯示在10dB的補(bǔ)償下功率增加效率PAE＝20％。
功率放大器的輸出功率被改變，從而使它適用通信需求。在(W-)CDMA系統(tǒng)中，例如，改變輸出功率以獲取最大小區(qū)容量?；緶y量接收到的手持設(shè)備的輸出功率，并向手持設(shè)備發(fā)送命令以將輸出功率調(diào)節(jié)到一個較好的值。這稱之為功率控制回路(Power Control Loop)，在ETSI“UMTS TETRA standard”，chapter TS 125.101，pages 11-13，ETSI 2001和ETSI“UMTS TETRA standard”，chapter TS 125.214，pages10-20，ETSI 2001中可以找到它用于UMTS的一個例子。
在輸出功率變化時，電源電流IDC也發(fā)生變化；也就是，在輸出功率降低時，電源電流也降低。事實上，導(dǎo)通角增加，電流IDC會趨近于它的最小值IQ。IDC的變化改變了功率放大器中的有源設(shè)備的性能，導(dǎo)致了增益和線性的變化。在很低的輸出功率下，功率耗散會不依賴于輸出功率。在該情況下，功率級按照A類放大器方式工作。
現(xiàn)代移動無線通信中的功率放大器的高功率耗散影響了通信設(shè)備的性能，特別是諸如移動電話和移動終端等通信設(shè)備的性能。這種耗散必須要減少。
移動通信和無線系統(tǒng)中，功率放大器典型地以AB類方式進(jìn)行偏置。B類功率放大器被交越問題所影響，其線性程度不足以符合通信標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)范。A類功率放大器的線性足以滿足應(yīng)用，但是它們的耗散遠(yuǎn)大于AB類，因此不能使用。所有的其他類的功率放大器的線性程度不足以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，需要采用復(fù)雜的線性化技術(shù)。這些技術(shù)對于移動設(shè)備運(yùn)行來說是沒有吸引力的。
用于此類應(yīng)用的典型功率放大器劃分為驅(qū)動級和功率級。驅(qū)動級可以是由幾個級聯(lián)級組成。兩個級通過一個匹配網(wǎng)絡(luò)相互連接，并通過另外兩個匹配網(wǎng)絡(luò)連接到輸入端和輸出端。一個偏置時鐘設(shè)定驅(qū)動級和功率級的靜態(tài)電流。
功率放大器的功率級被優(yōu)化為在最大輸出功率下運(yùn)行，其中IDC＞IQ。整個功率放大器的線性設(shè)定為滿足規(guī)范所要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，以便得到最大的可實現(xiàn)的功率增加效率。當(dāng)在一個較低的輸出功率下工作時，功率級中的IDC降低。由于這種情況，該級的增益、輸入和輸出阻抗是變化的。通過正確地選擇驅(qū)動級的偏置，可以部分補(bǔ)償這種變化，從而使增益盡可能的保持恒定。事實上，一旦功率級開始增大(擴(kuò)展)它的增益，由于IDC的增加，驅(qū)動級就會典型性地降低(壓縮)增益，從而在一個大范圍的輸出功率下獲得增益平穩(wěn)度。


圖1示出了一個傳統(tǒng)功率放大器的框圖。兩個級，驅(qū)動級2和功率級4通過一個匹配網(wǎng)絡(luò)6在它們之間連接，并通過另外兩個匹配網(wǎng)絡(luò)8和10連接到輸入端和輸出端。一個偏置時鐘12設(shè)定驅(qū)動級和功率級的靜態(tài)電流。
圖2示出了圖1中傳統(tǒng)功率放大器的一個更加詳細(xì)的框圖，其中相同的項目采用了相同的附圖標(biāo)記。功率放大器，例如飛利浦半導(dǎo)體的功率放大器UAA3592，包括由匹配網(wǎng)絡(luò)6相互連接的功率級4和驅(qū)動級2。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)8將驅(qū)動級2的輸入阻抗轉(zhuǎn)換為標(biāo)稱阻抗。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)10最大化輸出功率，并去掉高階分量，它連接在一個天線14上。兩個電流偏置網(wǎng)絡(luò)13，15分別為驅(qū)動級2和功率級4提供一個偏置。一個電源電壓VCC通過RF扼流圈17，19被饋送給驅(qū)動級2和功率級4。功率放大器具有關(guān)于輸入功率的等于-4dBm的一個1dB壓縮點。盡管是將UAA3592作為功率放大器的一個例子，可以擴(kuò)展到CDMA方案中的在AB類方式下工作的任意功率放大器。
在下面所敘述的現(xiàn)有技術(shù)聲明中可以看到更多的偏置電路。
US-A-6,236,266示出了用于包含異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的多級功率放大器的一個偏移電路和偏移電源方法，該雙極晶體管在多級功率放大器的低功率輸出操作時，對一個高頻信號進(jìn)行功率放大并抑制Rx噪聲的增大。偏置電路從外部控制電路輸出一個控制信號Vapc到多級功率放大器中的僅僅一個第一級放大器HBT的基極。偏置電路提供了一個采用穩(wěn)壓器根據(jù)控制信號Vapc調(diào)節(jié)的偏置電流到多級功率放大器中的第二個和后面的每個功率放大級HBT的基極。在US-A-6,236,266中，功率放大器的靜態(tài)電流根據(jù)功率電平發(fā)生變化，然而該技術(shù)的目的是為了降低接收單元中的噪聲。
EP 0734118 A1示出了一個有源偏置電路，它為RF功率放大器提供了線性操作。一個電流發(fā)生器電路為RF功率放大器的各級提供電流。在最后的功率放大器級，將電流提供給一個偏置控制放大器，它包括一個作為二極管連接的晶體管。晶體二極管通過一個電阻器連接在偏置控制晶體管的發(fā)射極上，該偏置控制晶體管依次連接在RE功率放大器的最后的功率放大器級中的一個晶體管功率放大器的柵級上，并用一個偏置電流對其進(jìn)行控制，該偏置電流是最大RE功率所需要的最大電流電平。晶體二極管和電流發(fā)生器電路也同樣連接在RE功率放大器的其它級的偏置控制晶體管上，以便其它級同樣也被來自電流發(fā)生器的電流所控制。在EP 0734118 A1中，目的是保持線性操作。
本發(fā)明的目的是提供一種功率放大器和一種用于功率放大的方法，其中，功率耗散被極大的降低了，特別是在AB類功率放大器的情況下。
該目的是通過一種方法實現(xiàn)的，該方法降低了無線通信系統(tǒng)中使用的功率放大器中的功率耗散，上述功率放大器有提供靜態(tài)電流的晶體管，其中功率放大器的靜態(tài)電流根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而自適應(yīng)地變化。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，擁有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過改變功率放大器的至少一個級的IQ值實現(xiàn)的。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，擁有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過改變功率放大器的所有級的IQ值實現(xiàn)的。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，擁有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過改變功率放大器的功率級的IQ值實現(xiàn)的。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，擁有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過在一個功率檢測器中檢測功率放大器的平均輸出功率，并根據(jù)所檢測功率和一個自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)的一個特定功能改變兩個級的IQ值而實現(xiàn)的。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，將與平均輸出功率成正比的一個電壓值或者一個電流值作為功率放大器的平均輸出功率被檢測。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，在功率放大器的任意級，最好是在功率放大器的驅(qū)動級中檢測與平均輸出功率成正比的一個電壓值或者一個電流值。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，通過對驅(qū)動級和/或功率級的集電極電流的一個成比例的復(fù)制執(zhí)行平方運(yùn)算和平均運(yùn)算，檢測平均輸出功率。
在本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例中，在功率檢測器中執(zhí)行完平方運(yùn)算后直接執(zhí)行平均運(yùn)算。
在本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)選實施例中，在自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行平均運(yùn)算。
上述目的是通過無線通信系統(tǒng)中使用的一種功率放大器實現(xiàn)的，上述功率放大器有提供靜態(tài)電流的晶體管，包含一種自適應(yīng)偏置裝置，其根據(jù)功率放大器的平均輸出功率改變功率放大器的靜態(tài)電流，用以降低功率放大器中的功率耗散。
在包含自適應(yīng)偏置裝置的功率放大器中，和現(xiàn)有解決方案相比，降低了耗散，改善了增益控制。本發(fā)明是基于根據(jù)平均輸出功率而自適應(yīng)地改變功率放大器的靜態(tài)電流，例如改變功率放大器的至少一個級的IQ值而實現(xiàn)的。本發(fā)明和現(xiàn)有地線性功率放大器相比有以下優(yōu)點1.降低了功率放大器的耗散(典型情況下降低了70％的耗散)。
2.全部集成在功率放大器中-不需要額外的元件。
3.不需要附加的管腳。
4.第2，3點使本發(fā)明適用于各種手持設(shè)備，而不用對手持設(shè)備的構(gòu)造或者PCB的布局進(jìn)行改動。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，自適應(yīng)偏置裝置包括一個功率檢測器，和一個自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)，功率檢測器用于檢測與功率放大器的輸出功率成正比的一個值。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，功率檢測器被設(shè)置為對功率放大器的輸出功率成正比的一個值進(jìn)行平方和平均運(yùn)算。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，這里功率放大器包括一個驅(qū)動級，一個連接在驅(qū)動級的電流偏置網(wǎng)絡(luò)，一個中間匹配網(wǎng)絡(luò)，一個功率級，和一個連接在功率級的電流偏置網(wǎng)絡(luò)，功率檢測器連接在驅(qū)動級的一個輸入端上，自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)連接在功率級的輸入端上。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)包括連接在功率檢測器的一個處理塊，和連接在處理塊和功率級的輸入端之間的一個電流偏置網(wǎng)絡(luò)。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，處理塊包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個查詢表和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，查詢表根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而改變功率放大器的靜態(tài)電流。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，處理塊包括一個微分模擬電路，執(zhí)行以下功能PDC(IQ)＝minIQ(PDC)且ΔG＜ΔGmax和spec(線性)這里ΔG為增益變量，ΔGmax為應(yīng)用中所能允許的最大增益變量，spec(線性)為對于應(yīng)用的線性技術(shù)規(guī)范。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，處理塊包括一個模擬執(zhí)行電路，其中在電流域中計算Ipow＝Isq-Iref，并且利用連接在傳輸Ipow的節(jié)點和地之間的一個電容器執(zhí)行平均運(yùn)算。
本發(fā)明的模擬執(zhí)行不會將多個臺階引入功率放大器的偏置中，因此提供了操作的連續(xù)性。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，一個二極管級連接在傳輸Ipow的節(jié)點和地之間。
在本發(fā)明的功率放大器一個優(yōu)選實施例中，一個電阻器連接在傳輸Ipow的節(jié)點和一個鏡電路之間，該鏡電路在處理決的輸出端并且輸出Iout。
上述目的同樣可以通過包含如上述所設(shè)置的功率放大器的一個UMTS手持設(shè)備實現(xiàn)。
表現(xiàn)本發(fā)明特征的創(chuàng)新的上述的和其他的優(yōu)勢和特點在附屬的權(quán)利要求書中特別指出，并且在這里構(gòu)成一個部分。然而，為了更容易理解本發(fā)明、本發(fā)明的優(yōu)點和運(yùn)用本發(fā)明所實現(xiàn)的目標(biāo)，對在這里構(gòu)成另外一個部分的附圖和伴隨的描述性部分添加了標(biāo)記，在伴隨的描述性部分中闡述說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1示出了一個傳統(tǒng)功率放大器的方框圖。
圖2示出了圖1中傳統(tǒng)功率放大器的更詳細(xì)的細(xì)節(jié)方框圖，例如飛利浦半導(dǎo)體的功率放大器UAA3592。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個功率放大器的方框圖。
圖4示出了根據(jù)圖3中的本發(fā)明實施例的功率放大器更詳細(xì)的細(xì)節(jié)方框圖。
圖5示出了根據(jù)圖4中的本發(fā)明實施例的功率放大器中所使用的功率檢測器的微分運(yùn)算的一個電路圖。
圖6示出了根據(jù)圖4中的自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字執(zhí)行的方框圖。
圖7示出了在模擬域中圖4中的自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)的模擬執(zhí)行。
圖8示出了在電流域中圖4中的自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)的模擬執(zhí)行。
圖9示出了說明了在一個UMTS功率放大器中，根據(jù)本發(fā)明的滑動偏置和傳統(tǒng)偏置的一個仿真IQ。
圖10示出了說明了在一個UMTS功率放大器中，根據(jù)本發(fā)明的滑動偏置和傳統(tǒng)偏置的一個仿真IM3。
圖11示出了說明了在一個UMTS功率放大器中，根據(jù)本發(fā)明的滑動偏置和傳統(tǒng)偏置的一個仿真功率耗散與輸出功率的對比關(guān)系。
圖3再次示出了一個具有驅(qū)動級2和功率級4的功率放大器，這兩個級通過在它們之間匹配網(wǎng)絡(luò)6而連接，并通過兩個匹配網(wǎng)絡(luò)8和10連接在輸入端和輸出端以及連接在天線14上。本發(fā)明的自適應(yīng)偏置裝置包括一個功率檢測器16和一個自適應(yīng)偏置電路18。功率檢測器16檢測功率放大器的平均輸出功率并將其饋送到自適應(yīng)偏置電路18。自適應(yīng)偏置電路18根據(jù)所檢測的功率和一個特定函數(shù)改變兩個級2，4的IQ值。根據(jù)圖3，功率檢測器在驅(qū)動級2的輸出端檢測功率。然而該檢測能在功率放大器的任何部分(驅(qū)動級2的輸入，驅(qū)動級2的輸出，功率級4的輸入，功率級4的輸出)進(jìn)行；重要的是，生成了一個與平均輸出功率成正比的值(電壓或電流)。
為了避免消波和/或交越影響降低功率檢測器16的精確性，較好的方式是在其中信號為完整正弦波的節(jié)點中進(jìn)行功率檢測；因此推薦在驅(qū)動級中進(jìn)行檢測，驅(qū)動級多數(shù)作為A類。
圖4示出了用于UMTS的一個線性功率放大器的示意圖，該放大器使用由輸入功率進(jìn)行驅(qū)動的自適應(yīng)偏置裝置16，18，利用滑動偏置電流進(jìn)行自適應(yīng)偏置?；旧?，RF功率在功率放大器的輸入端被讀取。然后，RF功率控制功率級4的靜態(tài)電流。由RF功率所控制的自適應(yīng)偏置裝置被分為三個子邏輯塊功率檢測器16，偏移消除器20和處理塊22。在該實施例中，功率檢測器18連接在驅(qū)動級2的輸入端。偏移消除器連接在電流偏置網(wǎng)絡(luò)13和處理塊22之間。處理塊連接到偏移消除器20和功率檢測器18，并且通過電流偏置網(wǎng)絡(luò)15連接在功率級4的輸入端。電流偏置網(wǎng)絡(luò)15接收一個信號ISLID(Pin)并提供給功率級4，該信號為依賴于輸入功率的一個滑動偏置電流。
功率檢測器16產(chǎn)生一個與RF功率成正比的一個DC電流，偏移消除器20由于偏置消除了功率檢測器16的DC偏移，處理塊22執(zhí)行濾波、積分和消波處理。為了執(zhí)行滑動偏置，需要知道功率放大器的RF輸入或者輸出功率。在功率級2的輸入端檢測RF功率(圖4)。該信息被功率檢測器16轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳌Ｆ浜蟮奶幚韷K19有利于處理該電流。
執(zhí)行一個功率檢測器16的最好的方法是如圖5所示，對驅(qū)動級和/或功率級的集電極電流的一個成比例復(fù)制執(zhí)行平方運(yùn)算和平均運(yùn)算。在平方運(yùn)算后直接執(zhí)行平均運(yùn)算是可行的，但是不是必須的。平均運(yùn)算也可以在自適應(yīng)偏置電路中進(jìn)行。
圖5示出了在功率放大器環(huán)境中的功率檢測器16的一個更詳細(xì)的電路圖。一個參考電流Iref通過一個平方電路26饋送到一個晶體管Q3，晶體管Q3的基極連接在一個晶體管Q1的基極上，Ibias饋送到晶體管Q1。另外一個晶體管Q4連接在Ibias和晶體管Q1的基極之間并且通過一個電阻器R1連接晶體管Q1的基極。該電阻器通過一個電感28與一個電阻器R2相連，電阻器R2通過一個電容30連接在終端承載RFin。電阻器R2和電容器30之間的節(jié)點連接在一個晶體管Q0的基極。晶體管Q0的集電極連接在一個終端承載RFout。晶體管Q0的基極連接在一個晶體管Q2的基極上，晶體管Q2的集電極連接在另一個平方電路32，該平方電路32輸出Isq。
圖5示出了檢測RF電流和靜態(tài)電流的方法。RF電流在驅(qū)動器BJT(Q0)的基極上直接進(jìn)行測量。為了補(bǔ)償由驅(qū)動級的IDC形成的偏移，在偏置網(wǎng)絡(luò)上通過Q3檢測靜態(tài)電平。復(fù)制功率檢測器16的電路以實現(xiàn)偏移消除器20，從而補(bǔ)償溫度變化。由于僅僅將驅(qū)動器BJT的靜態(tài)分量部分提供給該偏移消除器20，因此它補(bǔ)償由ICQ1-Q產(chǎn)生的偏移。雙極Q2檢測RF信號，同時Q3只檢測部分靜態(tài)電流。事實上，電感器中斷了RF路徑，從而保證了在偏置電路和RF電路間的去耦合。可以通過一個獨(dú)立電流參考實現(xiàn)偏移補(bǔ)償。該方法似乎更容易實現(xiàn)，但是功率放大器中的溫度變化和功率檢測器引入的公差并不能被補(bǔ)償。采用功率檢測器的一個復(fù)制，部分地補(bǔ)償了這些變化。
為了抵消溫度變化和DC偏移，可以在功率檢測器中采用一種微分方法。圖5示出了功率檢測器的微分執(zhí)行。RF功率晶體管為晶體管Q0。電流Ibias被晶體管對Q1-Q0鏡像到晶體管Q0。晶體管Q0的靜態(tài)電流等于IQ，0＝Ibias×A0/A1＝m×Ibias(1)其中A0和A1分別為晶體管Q0和晶體管Q1的發(fā)射極面積，晶體管Q0的集電極電流被鏡像到晶體管Q2。晶體管Q2被選擇為小于晶體管Q0。為了降低功率耗散，晶體管Q2根據(jù)以下公式檢測晶體管Q0的電流IC2＝IC0×A2/A0＝1/n×IC0(2)其中IC0和IC2分別為晶體管Q0和晶體管Q2的集電極電流，n為晶體管Q2和晶體管Q0的發(fā)射極面積之間的比率。由此，晶體管Q2的靜態(tài)電流會與晶體管Q0的靜態(tài)電流成比例，由于電感的濾波效應(yīng)，晶體管Q3在它的基極接收不到RF信號。如果合適地選擇了晶體管Q3與晶體管Q1的發(fā)射極面積的比率，則晶體管Q3的集電極電流將會等于晶體管Q2的靜態(tài)電流。因此IC3＝A3/A1×Ibias＝A3/A1×n/m×IQ，2(3)如果A3/A2＝n/m＝A2/A1則IC3＝IQ，2(4)附加的檢測晶體管Q3用于補(bǔ)償溫度和偏置效應(yīng)，并且從輸出端消除IQ項。
對晶體管Q1和晶體管Q3的集電極電流進(jìn)行平方，平均并相減，或者平方，相減并平均，然后得到ISQ。減去ISQ＝I2C2＝1/n2×(I2Q+I20/2-I20/2cos(4πft))(5)從Iref＝I2C1＝I2Q/n2(6)當(dāng)忽略高頻項時，得到輸出電流Ipow＝ISQ-Iref＝I20/2n2(7)Ipow直接正比于放大后的信號的電流幅度的平方，并由此正比于平均功率。由于靜態(tài)電流項在等式7中沒有出現(xiàn)，滑動偏置技術(shù)同樣也能夠應(yīng)用于其上進(jìn)行檢測的相同的晶體管；事實上，在被檢測的數(shù)值(功率指示器Ipow)中并沒有出現(xiàn)所控制的值(靜態(tài)電流)。采用這種方法，就沒有發(fā)生振蕩的風(fēng)險，在被控制的量IQ存在于被檢測的數(shù)值中時，就會發(fā)生振蕩。
在等式5，假設(shè)被檢測的放大器工作在A類，即，被檢測的電流有一個理想的正弦波形。即使是該假設(shè)不是普遍的，為了降低失真效應(yīng)和耗散，最好在驅(qū)動級的輸出端進(jìn)行檢測，驅(qū)動級大多數(shù)為A類。此外，如果驅(qū)動級為AB級，僅僅在輸出功率的一個有限范圍內(nèi)(和確切的是在從最大功率的補(bǔ)償內(nèi))需要進(jìn)行功率檢測，這在等式9a-9c中通過參數(shù)P1和P2表示。在該情況下，驅(qū)動級最好工作在A類或者非常接近A類，從而使等式5代表一個適當(dāng)?shù)慕浦怠?br> 在等式5和6中，假設(shè)平方函數(shù)是理想的。這并不是必須的，也能采用具有較低準(zhǔn)確性的平方電路。事實上，高頻成分可以被平均操作所消除，靜態(tài)電流的影響可以被取消操作所消除。最后，重要的是有一個輸出功率的單調(diào)(一對一)函數(shù)。
自適應(yīng)偏置電路的目的是關(guān)于平均輸出功率為功率放大器生成一個最佳IQ。因此該電路塊必須起作用使得在強(qiáng)加的線性和增益變化約束情況下使功率耗散最小。
PDC(IQ)＝minIQ(PDC) (8)其中ΔG＜ΔGmax和spec(線性)，這里ΔG為增益變化，ΔGmax為應(yīng)用所能允許的最大增益變化，spec(線性)為應(yīng)用中的線性規(guī)范。該規(guī)范通常依據(jù)ACLR和/或EVM，但是可以是任意線性規(guī)范。在ACLR規(guī)范的情況下，將其轉(zhuǎn)換為IM3規(guī)范是有用處的。因此所選擇的函數(shù)依賴于功率放大器的類型和所選擇的應(yīng)用。
最佳自適應(yīng)IQ的選擇強(qiáng)烈依賴于應(yīng)用約束。在很低的功率下，傳統(tǒng)的線性功率放大器的線性程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范所要求的。在該工作區(qū)域中，功率放大器作為A類工作，并且它的IM3(3rd階內(nèi)調(diào)制分量)會很低。IM3表示了線性功率放大器的線程特性。對于一個線性功率放大器，當(dāng)遠(yuǎn)離1dB壓縮點進(jìn)行補(bǔ)償時，IM3以對于降低功率的2dB/dB斜率降低。
可以想象將IQ降低到一個達(dá)到規(guī)范所允許的最小IM3的值。然而，在很低的功率下，增益的變化是重要的。將IQ從其最佳值降低到一個較低的值，可以帶來增益變化。在WCDMA標(biāo)準(zhǔn)(例如UMTS)中，增益變化應(yīng)該始終保持在低于一個特定值，典型地為ΔGmax＝1dB。這就代表了在Pout較低時，在選擇函數(shù)IQ＝IQ(Pout)時的主要約束。
在選擇一個較低的IQ時，功率耗散的結(jié)果就是DC集電極電流IDC對于高于0dBm的輸出功率開始增加。然而，在低靜態(tài)電流工作時，相對變化是很大的。對于較低的IQ值，在Pout＝0dBm附近可以觀察到一個增益變化。對于一個高于20dBm的輸出功率，IQ的選擇不會很強(qiáng)地影響IDC。
IQ＝IQ(Pout)被選擇如下a)對于低功率選擇IQ作為允許小于最大允許增益變化的一個增益變化的最小電流，b)對于中間功率改變IQ，從而考慮線性約束(典型的IM3)，c)對于高功率將IQ選擇至標(biāo)稱值，因為它將不會影響耗散。
如圖6所示，可以通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，一個查找表LUT和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC在數(shù)字域執(zhí)行該功能。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將功率檢測器的輸出數(shù)字化，并將它傳送到一個查找表，該查找表計算靜態(tài)電流的正確值。該值會被傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC以便被轉(zhuǎn)換為實際的IQ(或者它的一個成比例的版本)，再被饋送到偏置網(wǎng)絡(luò)。
在自適應(yīng)偏置電路的模擬執(zhí)行中，一個模擬電路塊必須執(zhí)行等式10中的函數(shù)IQ＝IQ(Pout)。Pout的值通過由功率檢測器生成的一個電壓或者一個電流被饋送到電路中。模擬執(zhí)行比數(shù)字執(zhí)行更合適，這是因為在數(shù)字電執(zhí)行中在靜態(tài)電流上的量化噪聲能將干擾引入RF信號中。
該功能的一個可能實現(xiàn)可以表示為如下IQ＝IQ1Pout≤P1(9a)IQ＝(IQ2-IQ1)Pout+IIQ1P2-IIQ2P1)P1＜Pout≤P2(9b)P2-P1IQ＝IQ2Pout＞Ps (9c)這些等式說明了，對于比Pr低的輸出功率，靜態(tài)電流應(yīng)該被設(shè)置為值IQ1。對于比P2大的輸出功率，靜態(tài)電流應(yīng)該被設(shè)置為值IQ2。對于中間值，靜態(tài)電流應(yīng)該被設(shè)置為中間值。在等式9a-9c中表示的功能具有特別簡單并易于實現(xiàn)的特點。應(yīng)該注意的是，最可能的情況，對于較低的輸出功率，靜態(tài)電流能維持很小。因此IQ1＜IQ2。這就可以得出，在低輸出功率電平下，節(jié)省的功率可以用以下值給出Psaved＝VDC(IQ2-IQ1)(10)在圖7中示出了在模擬域中的一種實現(xiàn)。電阻器R2，1和RR2，2和電容器C1和C2執(zhí)行平均功能，去掉了電流Isq和Iref的高頻內(nèi)容(由于Iref不應(yīng)該有高頻內(nèi)容，應(yīng)該去掉它支路上的電容器)。電阻器R2，1和RR2，2將電流Isq和Iref的低頻內(nèi)容轉(zhuǎn)換為一個電壓V＝R2(Isq-Iref)。該電壓然后被微分功率放大器重新轉(zhuǎn)換為電流。偏置電流Ibias通過兩個電阻器R1，1和R1，2被饋送到晶體管T1和T2的發(fā)射極，這兩個晶體管分別連接在電容器C2和電阻器R2，1之間的節(jié)點上和電容器C2和電阻器R2，2之間的節(jié)點上。晶體管T1和T2的集電極分別輸送電流Iout+和Iout-。Isq從R2，1輸出，并且Iref輸入到R2，2。
Iout＝Iout+-Iout-＝R2/2R1(Isq-Iref) (11)等式11得到輸出電流不大于微分功率放大器的偏置電流，即Iout≤IB。
可以用等式9a-9c對電路的運(yùn)行進(jìn)行如下分析。圖5中，在很低的功率下，RF信號將不能在晶體管Q2中產(chǎn)生一個附加的DC電流。因此IC2＝IC3Isq＝IrefIout＝0 (12)在中間功率時Ic2＞Ic3Isq-Iref＝Ipow＞0 Iout＝R2/2R1×Ipow(13)
在較高的功率時，差分對(differential pair)將飽和，并且Iout＝IB(14)除非有附加的常量，否則等式11-14理想地執(zhí)行等式VDC＝Vmax(15)圖8示出了在自適應(yīng)偏置電路中的在電流域中，處理塊22的執(zhí)行。在電流域中，在平均運(yùn)算之前執(zhí)行差運(yùn)算Ipow＝Isq-Iref，該平均運(yùn)算由連接在節(jié)點A(V1)和地之間的電容器C實現(xiàn)。輸出電流等于Ipow的低功率放大器濾波版本，正如所期望的。在高電平處的消波是由電阻器R和連接在節(jié)點A(V1)和地之間的3個二極管D1-D3實現(xiàn)的。事實上，在節(jié)點A的電壓最大時，即A＝3VD，達(dá)到最大輸出電流。在該情況下，流經(jīng)電阻器R的電流會等于IR＝(3VD-VB)/R，VB為在電流鏡的輸入端處的電壓，假設(shè)該電壓恒定。
圖8中的電路有兩個輸入Isq和Iref，和一個輸出Iout。Isq來自功率檢測器。輸入Iret來自參考電路，并且它有利于消除在Isq中的偏移。當(dāng)達(dá)到額定電流電平時，二極管D1-D3對電流進(jìn)行削平。V1大于一個特定輸出功率，并且V1足夠大以便允許二極管導(dǎo)通。從而，輸出電流Iout開始飽和，并且過剩電流Idet流過二極管D1-D3。包含在Isq中的IRF被電容器C去掉。電容器C執(zhí)行兩個功能RF信號的濾波，和與電阻器R一同對和RF功率有關(guān)的DC電流進(jìn)行積分。所以，僅僅Idet能夠通過電阻器R，然后該電流被輸出支路中的電流鏡40所鏡像。當(dāng)功率RF增加時，Idet也增加。從而，在節(jié)點A的V1也增加，在節(jié)點B的V2保持恒定。
在圖9中，示出了圖8所示電路實現(xiàn)的仿真IQ。該實現(xiàn)允許小于1dB的增益變化(ΔG≤ΔGmax＝1dB)。線性的結(jié)果如圖10所示?？赡茏⒁獾降氖牵词故荌M3大于傳統(tǒng)方案中的值，我們?nèi)匀贿h(yuǎn)小于所要求的IM3。為了評估由于該技術(shù)引起的功率耗散的降低，正如如[6]中所解釋的，應(yīng)該將(W-)CDMA方案中的Pout概率分布考慮進(jìn)去。將功率概率分布考慮進(jìn)入后，該方法使功率耗散降低了70％。
圖9示出了在傳統(tǒng)偏置和滑動偏置的情況下以mA計算的在功率級的靜態(tài)電流與以dBm計算的輸出功率的比較。由于靜態(tài)電流決定了在補(bǔ)償情況下的耗散，并且對于大部分時間來說，功率放大器將在該區(qū)域中工作，因此圖9隱含的示出了功率耗散的一個彈性降低。靜態(tài)電流實際上被減少了3.5倍。
圖10示出了在傳統(tǒng)偏置和滑動偏置的情況下以dBc計算的IM3與以dBm計算的輸出功率的比較。在從很低的RF功率開始選擇最小靜態(tài)電流時，IM3曲線的線路就會與傳統(tǒng)功率放大器的IM3曲線平行，但是會保持在其上方?；瑒悠萌绱斯ぷ魇沟脻M足UMTS標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)范是毫無價值的。
兩條曲線都可以通過為功率級提供靜態(tài)電流而得到。選擇滑動電流，使得在補(bǔ)償情況下滑動功率放大器的IM3曲線低于UMTS所要求的IM3域值。當(dāng)RF功率增加時，IM3超過-40dBc域值。在該區(qū)域，電流增加以便恢復(fù)線性，并克服不滿足規(guī)范。在0dBm和15dBm之間的范圍內(nèi)，在增益平穩(wěn)度和信號電平之間有一個補(bǔ)償，這就是ΔIM3保持近乎常量的原因。
在大于20dBm的范圍，恢復(fù)到功率級的靜態(tài)電流的常規(guī)電平。事實上，在該區(qū)域中，功率級的DC電流不再取決于靜態(tài)電流，在節(jié)省功率方面，對于保持一個低偏置點不提供任何優(yōu)勢。因此，滑動功率放大器的IM3曲線與傳統(tǒng)功率放大器的曲線相重疊，并且功率放大器能夠以必要的線性傳送最大功率。根據(jù)圖9所述的偏置曲線，可以實現(xiàn)滑動偏置。
圖11示出了在用于UAA3592功率放大器的滑動和傳統(tǒng)偏置的情況下，以mW計算的功率耗散與以dBm計算的輸出功率的比較。在深度補(bǔ)償處，DC功率耗散減少為三分之一，即滑動偏置影響功率消耗。能夠?qū)㈦娫捁β史峙?phone power distribution)看作如圖11所示的DC功率耗散的權(quán)重函數(shù)。由于功率放大器在80％的時間都是Pout＜15dB，并且在靜態(tài)電流降低時，在該區(qū)域中的DC功率耗散大大降低，這就意味著滑動偏置技術(shù)適合于改善功率放大器的耗散特性。此外，已經(jīng)驗證，用于滑動偏置的附加電路功率的耗散小于1mW。因此它不會損害功率放大器的節(jié)能。
所申請的上述發(fā)明帶有一個MOS形式的功率檢測器，可以以圖5所述的不同方式和圖8中所示的自適應(yīng)偏置電路實現(xiàn)，發(fā)明是基于執(zhí)行一個UMTS功率放大器，其中的設(shè)計是基于UAA3592。仿真結(jié)果顯示了本發(fā)明的可行性和所實現(xiàn)的結(jié)果。
本發(fā)明能夠用于所有的A類和AB類的工作在不同輸出功率范圍下的功率放大器。此時，對UMTS功率放大器繼續(xù)執(zhí)行。然而，本發(fā)明能夠成功地用于要求功率放大器的線性的所有移動通信標(biāo)準(zhǔn)(例如EDGE，UMTS，CDMA，WCDMA，TD-SCDMA)和無線標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明能夠用于雙極和/或(MOS)FET功率放大器，而與它們所采用的技術(shù)(Si，SiGe，GaAs，InP)無關(guān)。申請中所敘述的所有電路都是BJT模式的，但是采用MOSFET能很容易地實現(xiàn)它們。
本文檔所覆蓋的本發(fā)明的新特性和優(yōu)點在以上敘述中都已經(jīng)提到。然而，應(yīng)該認(rèn)識到，上述說明在很多方面都是舉例說明性的。可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，對關(guān)于形狀，尺寸和部件排列等細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。當(dāng)然，本發(fā)明的范圍是在所附的權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于降低無線通信系統(tǒng)中使用的功率放大器的功率耗散的方法，所述功率放大器具有提供靜態(tài)電流的晶體管，其中該功率放大器的靜態(tài)電流根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而自適應(yīng)改變。
2.權(quán)利要求1所述方法，其中具有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過改變功率放大器的至少一個級的IQ值來實現(xiàn)。
3.權(quán)利要求1所述方法，其中具有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過改變功率放大器的所有級的IQ值來實現(xiàn)。
4.權(quán)利要求1所述方法，其中具有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過改變功率放大器的功率級的IQ值來實現(xiàn)。
5.權(quán)利要求1到4中所述任意一個方法，其中具有至少兩個級的功率放大器的自適應(yīng)偏置是通過在一個功率檢測器中檢測功率放大器的平均輸出功率，并根據(jù)所檢測功率和一個自適應(yīng)偏置電路的一個特定功能改變兩個級的IQ值而實現(xiàn)的。
6.權(quán)利要求1到5中所述任意一個方法，其中將與平均輸出功率成正比的一個電壓值或者一個電流值作為功率放大器的平均輸出功率進(jìn)行檢測。
7.權(quán)利要求1到6中所述任意一個方法，其中在功率放大器的任意級，優(yōu)選在功率放大器的驅(qū)動級中檢測與平均輸出功率成正比的一個電壓值或者一個電流值。
8.權(quán)利要求5所述方法，其中通過對驅(qū)動級和/或功率級的集電極電流的一個成比例復(fù)制執(zhí)行平方運(yùn)算和平均運(yùn)算，檢測平均輸出功率。
9.權(quán)利要求8所述方法，其中在功率檢測器中執(zhí)行完平方運(yùn)算后直接執(zhí)行平均運(yùn)算。
10.權(quán)利要求8所述方法，其中在自適應(yīng)偏置電路中執(zhí)行平均運(yùn)算。
11.一種在無線通信系統(tǒng)中使用的功率放大器，所述功率放大器具有提供靜態(tài)電流的晶體管，包括自適應(yīng)偏置裝置，其根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而改變功率放大器的靜態(tài)電流，以降低功率放大器中的功率耗散。
12.權(quán)利要求11所述功率放大器，其中自適應(yīng)偏置裝置包括一個功率檢測器和一個自適應(yīng)偏置電路，該功率檢測器用于檢測與功率放大器的輸出功率成正比的一個值。
13.權(quán)利要求12所述功率放大器，其中功率檢測器被設(shè)置為對與功率放大器的輸出功率成正比的一個值進(jìn)行平方和平均運(yùn)算。
14.權(quán)利要求12所述功率放大器，包括一個驅(qū)動級，一個連接在驅(qū)動級的電流偏置網(wǎng)絡(luò)，一個中間適配網(wǎng)絡(luò)，一個功率級，和一個連接在功率級的電流偏置網(wǎng)絡(luò)，功率檢測器連接在驅(qū)動級的一個輸出上，自適應(yīng)偏置網(wǎng)絡(luò)連接在功率級的輸入上。
15.權(quán)利要求12所述功率放大器，其中自適應(yīng)偏置電路包括連接功率檢測器的一個處理塊，和連接在處理塊和功率級的輸入端之間的一個電流偏置網(wǎng)絡(luò)。
16.權(quán)利要求15所述功率放大器，其中處理塊包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個查詢表和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該查詢表提供根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而改變功率放大器的靜態(tài)電流的功能。
17.權(quán)利要求15所述功率放大器，其中處理塊包括一個微分模擬電路，執(zhí)行以下功能PDC(IQ)＝minIQ(PDC)且ΔG＜ΔGmax和spec(線性)這里ΔG為增益變化，ΔGmax為應(yīng)用所允許的最大增益變化，spec(線性)為應(yīng)用中的線性規(guī)范。
18.權(quán)利要求15所述功率放大器，其中處理塊包括一個模擬執(zhí)行電路，其中在電流域中計算差I(lǐng)pow＝Isq-Iref，并且通過連接在傳輸Ipow的節(jié)點和地之間的一個電容器執(zhí)行平均運(yùn)算。
19.權(quán)利要求18所述功率放大器，其中一個二極管級連接在傳輸Ipow的節(jié)點和地之間。
20.權(quán)利要求18所述功率放大器，其中一個電阻器連接在傳輸Ipow的節(jié)點和一個鏡電路之間，該鏡電路處在處理塊的輸出端并且輸出Iout。
21.一種UMTS手持設(shè)備，包含如權(quán)利要求11到20中的任一個所述的一個功率放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于降低無線通信系統(tǒng)中使用的功率放大器的功率耗散的方法，所述功率放大器具有提供靜態(tài)電流的晶體管，其中該功率放大器的靜態(tài)電流根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而自適應(yīng)改變。提供了一種在無線通信系統(tǒng)中使用的功率放大器，該功率放大器具有一個提供靜態(tài)電流的晶體管，包括自適應(yīng)偏置裝置，其根據(jù)功率放大器的平均輸出功率而改變功率放大器的靜態(tài)電流，以降低功率放大器的功率耗散。一個UMTS手持設(shè)備包括一個上述的功率放大器。
文檔編號H04B1/04GK1689222SQ03823616
公開日2005年10月26日 申請日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月3日
發(fā)明者G·格里爾洛, D·克里斯陶多 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司