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開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出功率控制的制作方法

文檔序號(hào):7508049閱讀:294來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出功率控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種包括開(kāi)關(guān)模式功率放大器的功率控制結(jié)構(gòu),所述開(kāi)關(guān)模式放大器用于接收輸入信號(hào),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和將放大的信號(hào)作為輸出信號(hào)提供。本發(fā)明同樣還涉及至少控制此類(lèi)開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出信號(hào)的功率電平的方法。
背景技術(shù)
在現(xiàn)有技術(shù)中開(kāi)關(guān)模式功率放大器是效率特別高的功率放大器。例如,美國(guó)專(zhuān)利3919656中提出的E類(lèi)放大器是開(kāi)關(guān)模式功率放大器,它在理論上達(dá)到了100%的功率效率。開(kāi)關(guān)模式功率放大器用于例如需要低功耗的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu),如用于移動(dòng)設(shè)備的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。
雖然開(kāi)關(guān)模式功率放大器可以非常高效,但它本質(zhì)上是極其非線(xiàn)性的,即在正常工作范圍內(nèi)其輸出信號(hào)的幅度不受輸入信號(hào)幅度變化線(xiàn)性影響。另一方面,開(kāi)關(guān)模式功率放大器不會(huì)顯著改變輸入相位調(diào)制的信號(hào)的相位。因此,較之幅度調(diào)制的信號(hào),開(kāi)關(guān)模式功率放大器非常適用于放大恒定包絡(luò)相位調(diào)制的信號(hào)。
在許多情況中,要放大的信號(hào)首先沒(méi)有包絡(luò)變化。在其它一些情況中,開(kāi)關(guān)模式功率放大器不會(huì)看到包絡(luò)變化,例如,貝爾實(shí)驗(yàn)室的D.C.Cox在“利用非線(xiàn)性組件的線(xiàn)性放大”中提出的LINC系統(tǒng)(采用非線(xiàn)性組件的線(xiàn)性放大)(Bell laboratories in″LinearAmplification with Nonlinear Components″,IEEE Transactions onCommunications,COM-22,pp.1942to 1945,December 1974)中,或者在利用帶通脈沖位置調(diào)制(PPM)時(shí)。在后一種情況中,整體上包括開(kāi)關(guān)模式功率放大器的結(jié)構(gòu)所關(guān)注的是產(chǎn)生正確的發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)包絡(luò)。
采用開(kāi)關(guān)模式功率放大器的結(jié)構(gòu)實(shí)例例如為常規(guī)的包絡(luò)消除和恢復(fù)(EER)發(fā)射機(jī)。在此類(lèi)EER發(fā)射機(jī)中,將恒定包絡(luò)相位調(diào)制的射頻信號(hào)輸入到開(kāi)關(guān)模式功率放大器中進(jìn)行放大。其包絡(luò)隨后通過(guò)改變開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源在開(kāi)關(guān)模式功率放大器中予以恢復(fù)。
在大多數(shù)應(yīng)用中,要求能夠控制功率放大器輸出的信號(hào)的平均功率電平,甚至可能在非常大的動(dòng)態(tài)范圍上實(shí)施控制。在對(duì)功率放大器的輸出功率電平的常規(guī)功率控制技術(shù)中,在功率放大器之前設(shè)置可變?cè)鲆娣糯笃?VGA),它根據(jù)期望的輸出功率電平預(yù)先放大輸入信號(hào)。但因?yàn)殚_(kāi)關(guān)模式功率放大器本質(zhì)上是極其非線(xiàn)性的,所以常規(guī)技術(shù)的功率控制不適用于開(kāi)關(guān)模式功率放大器。另一方面,上述可以通過(guò)變化開(kāi)關(guān)模式放大器電源取得的動(dòng)態(tài)范圍受到下限的限制。該下限源于因開(kāi)關(guān)模式功率放大器的晶體管的寄生電容而導(dǎo)致的輸入射頻信號(hào)通過(guò)該晶體管的泄漏。
存在論述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的功率控制的各種文獻(xiàn)。
例如,F(xiàn).H.Raab、B.E.Sigmon、R.G.Myers和R.M.Jackson在如下文獻(xiàn)“采用Kahn EER技術(shù)的L頻帶發(fā)射機(jī)”(″L-BandTransmitter Using Kahn EER Technique″,IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,Vol.46,No.12,December 1998)中討論了非線(xiàn)性功率放大器在EER結(jié)構(gòu)中的使用,并提到應(yīng)該調(diào)整功率放大器的驅(qū)動(dòng)電平,以在所有供電電壓值下維持輸出飽和。
文獻(xiàn)WO 98/49771提出處理功率放大器的電壓和偏置電流控制,以提高低功率電平下的效率。
文獻(xiàn)US 6323731提出對(duì)功率放大器采用動(dòng)態(tài)偏置控制,以在通過(guò)功率放大器供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)功率控制的情況下擴(kuò)寬輸出功率范圍。
但是,這些文獻(xiàn)中提出的方法中沒(méi)有一個(gè)允許在非常大的動(dòng)態(tài)范圍上對(duì)開(kāi)關(guān)模式功率放大器進(jìn)行線(xiàn)性功率控制,而同時(shí)保持該放大器的效率。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于允許對(duì)開(kāi)關(guān)模式功率放大器進(jìn)行改進(jìn)的功率控制。本發(fā)明的另一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)一種功率控制,它可以在很大的輸出功率范圍上實(shí)現(xiàn),確保開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出信號(hào)的值盡可能線(xiàn)性地跟隨控制值,同時(shí)保持所述放大器的效率。
提出了一種功率控制結(jié)構(gòu),它包括開(kāi)關(guān)模式功率放大器,用于接收輸入信號(hào),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大以及將放大的信號(hào)作為輸出信號(hào)提供。所提出的結(jié)構(gòu)還包括第一控制配置,用于通過(guò)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器的電源來(lái)至少將所述輸出信號(hào)的功率電平控制在所述輸出信號(hào)的期望的較高功率電平上。而且,所提出的結(jié)構(gòu)還包括第二控制配置,用于在將所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器之前調(diào)整其功率來(lái)至少將所述輸出信號(hào)的功率電平控制在所述輸出信號(hào)的期望的較低功率電平上。
此外,提出一種至少控制此類(lèi)開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出信號(hào)的功率電平的方法。假定所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器接收輸入信號(hào),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大,并將放大的信號(hào)作為輸出信號(hào)提供。一方面,所提出的方法包括至少在期望所述輸出信號(hào)具有較高功率電平時(shí),通過(guò)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器的電源來(lái)控制所述輸出信號(hào)的功率電平。另一方面,所提出的方法包括至少在期望所述輸出信號(hào)具有較低功率電平時(shí),通過(guò)調(diào)整所述輸入信號(hào)的功率,然后才所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器來(lái)調(diào)整所述輸出信號(hào)的功率電平。
在較高期望輸出功率電平下,通過(guò)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器的電源以常規(guī)方式這樣來(lái)控制輸出功率電平,從而保持所述放大器的效率。但在較低期望輸出功率電平下,通過(guò)調(diào)整“輸入信號(hào)”的幅度,然后才將其提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器來(lái)控制所述輸出功率電平。在較低功率電平下,利用通過(guò)所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器晶體管的漏電流。在此情況下,開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率不是那么重要,因?yàn)镈C電流已經(jīng)很低。在較高輸出功率電平和較低輸出功率電平之間,可以結(jié)合兩種方法。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種對(duì)開(kāi)關(guān)模式功率放大器的功率控制的已知方法的替代。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于允許在寬的功率范圍上對(duì)開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出上的功率電平進(jìn)行線(xiàn)性控制,而同時(shí)在較高功率電平上下保持所述放大器的效率。
本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,與不執(zhí)行任何功率控制或功率控制范圍窄的情況相比,本發(fā)明需要較少或不需要額外的射頻組件。
由權(quán)利要求可明白本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
可以采用所提出的方法和結(jié)構(gòu)來(lái)僅控制開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出功率電平,例如在要在所述開(kāi)關(guān)模式放大器的輸出上提供恒定包絡(luò)信號(hào)的情況下。
但在優(yōu)選實(shí)施例中,還可以將所提出的方法和結(jié)構(gòu)用于控制開(kāi)關(guān)模式功率放大器輸出的信號(hào)的幅度調(diào)制。在此情況下,所需要的動(dòng)態(tài)范圍必須同時(shí)涵蓋平均功率電平變化和期望的幅度變化。因此,通過(guò)一方面在較高期望輸出功率電平下調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源,而另一方面在較低期望輸出功率電平下調(diào)整所述輸入信號(hào)的預(yù)先放大來(lái)實(shí)現(xiàn)功率電平控制和幅度調(diào)制。
可以隨意選擇所采用的開(kāi)關(guān)模式放大器。它可以是例如但不排它的E類(lèi)開(kāi)關(guān)模式放大器。
本發(fā)明可以應(yīng)用于例如擴(kuò)展常規(guī)的EER發(fā)射機(jī)。
本發(fā)明的其它目的和特征在結(jié)合附圖閱讀如下詳細(xì)說(shuō)明之后將會(huì)顯而易見(jiàn)。但要理解,這些附圖僅是為圖示目的而設(shè)計(jì)的,并不作為本發(fā)明范圍的限定,本發(fā)明范圍應(yīng)該參考所附權(quán)利要求。還應(yīng)該理解,這些附圖僅用于在概念上說(shuō)明本文所述結(jié)構(gòu)和過(guò)程。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一功率控制結(jié)構(gòu)實(shí)施例的框圖;圖2圖示圖1所示功率控制結(jié)構(gòu)中所用的示范控制電壓;圖3圖示圖1所示功率控制結(jié)構(gòu)中圖2顯示的控制電壓的效果;圖4圖示當(dāng)在圖1所示結(jié)構(gòu)中采用圖2所示控制電壓時(shí)輸出信號(hào)功率與直線(xiàn)的偏離;圖5圖示當(dāng)在圖1所示結(jié)構(gòu)中采用圖2所示控制電壓時(shí)輸出信號(hào)的相位;圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二功率控制結(jié)構(gòu)實(shí)施例的框圖;圖7圖示圖6所示功率控制結(jié)構(gòu)中用于幅度控制的例示控制電壓和所得到的輸出電壓;圖8圖示圖7所示控制電壓在圖6所示功率控制結(jié)構(gòu)中的效果;以及圖9圖示作為對(duì)應(yīng)于不同輸出功率電平的幅度控制電壓的函數(shù)的圖6所示結(jié)構(gòu)中的輸出電壓。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一功率控制結(jié)構(gòu)實(shí)施例的框圖。該結(jié)構(gòu)可以是例如用于放大恒定包絡(luò)信號(hào)的發(fā)射機(jī)或發(fā)射機(jī)的一部分。放大的輸出信號(hào)的平均功率電平必須在很大范圍上可控制。
圖1的功率控制結(jié)構(gòu)包括E類(lèi)開(kāi)關(guān)模式功率放大器。開(kāi)關(guān)模式功率放大器包括場(chǎng)效果晶體管(FET)T。開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源電壓端通過(guò)扼流圈Lchoke連接到晶體管T的漏極。晶體管T的漏極再通過(guò)第一電容器Cd連接到地Gnd以及通過(guò)第二線(xiàn)圈L+Lx和第二電容器C連接到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出RF_Out。開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出RF_Out同時(shí)構(gòu)成所提出結(jié)構(gòu)的輸出。晶體管T的源極同樣連接到地Gnd。晶體管的柵極一方面通過(guò)電阻器R連接到偏置控制端,另一方面連接到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸入。
圖1的功率控制結(jié)構(gòu)還包括連接到緩沖器1的信號(hào)輸入端RF_In。緩沖器1的輸出通過(guò)第三電容器Ca連接到VGA 2的輸入。VGA 2的輸出通過(guò)第四電容器Cb連接到開(kāi)關(guān)模式功率放大器功率放大器的輸入。
圖1的功率控制結(jié)構(gòu)還包括功率控制單元3。功率控制單元3的輸出并聯(lián)到Vdd控制單元4、VGA控制單元和偏置控制單元6的相應(yīng)輸入。
Vdd控制單元4的輸出通過(guò)第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 7連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器8的控制輸入。電池(未顯示)連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器8的電源輸入,以及DC/DC轉(zhuǎn)換器8的輸出連接到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源電壓端。Vdd控制單元4、DAC 7和DC/DC轉(zhuǎn)換器8構(gòu)成第一控制配置。
VGA控制單元5的輸出通過(guò)第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 9連接到VGA2的控制輸入。VGA控制單元5和DAC 9構(gòu)成第二控制配置。
偏置控制單元6的輸出通過(guò)第三數(shù)模轉(zhuǎn)換器10連接到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的偏置控制端。偏置控制單元6和DAC 10構(gòu)成第三控制配置。
最后,負(fù)載RL(例如天線(xiàn))設(shè)在開(kāi)關(guān)模式功率放大器的RF_Out與地Gnd之間。
圖1的開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)按如下方式操作。
要以功率受控方式放大的恒定包絡(luò)射頻信號(hào)施加于功率控制結(jié)構(gòu)的輸入端RF_In并在緩沖器1中進(jìn)行緩沖。輸入信號(hào)然后由緩沖器1通過(guò)第三電容器Ca提供給VGA。VGA利用取決于施加到VGA的控制輸入的控制電壓的增益預(yù)先放大接收到的信號(hào)。預(yù)放大的信號(hào)然后通過(guò)第四電容器Cb提供給開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸入,由其對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大。開(kāi)關(guān)模式功率放大器所采用的放大系數(shù)主要取決于施加于其電源電壓端的電壓Vdd。進(jìn)一步放大的信號(hào)然后通過(guò)開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出RF_Out提供給負(fù)載RL。
現(xiàn)在的目標(biāo)是能夠響應(yīng)控制信號(hào)在較寬范圍上以線(xiàn)性方式控制輸出信號(hào)的功率電平。
電壓控制單元3以數(shù)字字的形式提供該控制信號(hào),所述數(shù)字字表示開(kāi)關(guān)模式功率放大器的當(dāng)前期望輸出功率。該數(shù)字字被提供給Vdd控制單元4、VGA控制單元5和偏置控制單元6。
Vdd控制單元4將根據(jù)第一預(yù)定關(guān)聯(lián)將接收到的數(shù)字字映射為數(shù)字Vdd控制字,并將該Vdd控制字提供給第一DAC 7。第一DAC 7將接收到的數(shù)字Vdd控制字轉(zhuǎn)換成適合的模擬控制電壓Vdd_Cntrl。此模擬控制電壓Vdd_Cntrl控制DC/DC轉(zhuǎn)換器8的輸出電平。更具體地說(shuō),DC/DC轉(zhuǎn)換器8根據(jù)接收到的控制電壓Vdd_Cntrl調(diào)節(jié)在其電源輸入端上從電池接收到的電壓。DC/DC轉(zhuǎn)換器8在控制電壓Vdd_Cntrl的允許范圍內(nèi)具有很高的效率。經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓然后施加到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源電壓端。
同時(shí),VGA控制單元5將根據(jù)第二預(yù)定關(guān)聯(lián)將接收到的數(shù)字字映射為數(shù)字VGA控制字,并將該VGA控制字提供給第二DAC 9。第二DAC 9將接收到的數(shù)字VGA控制字轉(zhuǎn)換成適合的模擬控制電壓VGA_Cntrl,并將此控制電壓VGA_CntrlVGA的控制輸入上。由此控制VGA的增益。
此外,偏置控制單元6將根據(jù)第三預(yù)定關(guān)聯(lián)將接收到的數(shù)字字映射為數(shù)字偏置控制字,并將該偏置控制字提供給第三DAC 10。第三DAC 10將接收到的數(shù)字偏置控制字轉(zhuǎn)換成適合的模擬控制電壓“Bias”,并將該控制電壓“Bias”施加到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的偏置控制端上。
輸出端RF_Out上的信號(hào)功率電平主要取決于所施加的電源電壓Vdd和為預(yù)先放大輸入射頻信號(hào)而由VGA施加的增益。在Vdd控制單元4和VGA控制單元5中采用的第一和第二預(yù)定關(guān)聯(lián)分別選擇為使得在高功率電平下,控制電壓Vdd_Cntrl主要負(fù)責(zé)功率控制,由此保持了E類(lèi)放大器的良好效率;在低功率電平下,由于晶體管寄生電容所致的通過(guò)它的泄漏信號(hào)阻礙使用該方法。泄漏與電源電壓Vdd無(wú)關(guān)。因此,在電源電壓Vdd為低電平時(shí),如果不調(diào)節(jié)VGA,則泄漏信號(hào)大于放大的信號(hào)。因此在Vdd控制單元4和VGA控制單元5中采用的第一和第二預(yù)定關(guān)聯(lián)還因此分別進(jìn)一步選擇為使得在低功率電平下,通過(guò)對(duì)模擬控制電壓Vdd_Cntrl采用常量值,由此將電源電壓Vdd的常量值提供給開(kāi)關(guān)模式功率放大器,從而利用泄漏,而控制電壓VGA_Cntrl負(fù)責(zé)功率控制。
根據(jù)功率控制單元3輸出的數(shù)字字來(lái)調(diào)節(jié)的第三電壓是偏置電壓“Bias”。在最高功率電平下,它應(yīng)該加以調(diào)節(jié)以獲取最大效率,而在低功率電平下,它可以朝更好地使晶體管T接通并降低通過(guò)晶體管的漏電流Id的方向稍作調(diào)節(jié),這同樣提高了開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率。
顯然,Vdd控制單元4、VGA控制單元5和偏置控制單元6所采用的預(yù)定關(guān)聯(lián)分別可以在各種各樣的可能關(guān)聯(lián)中選擇。在選擇預(yù)定關(guān)聯(lián)時(shí),必須考慮唯一的一般性目標(biāo),即使輸出功率盡可能線(xiàn)性地跟隨功率控制單元3提供的數(shù)字字所表示的電壓,同時(shí)在寬的輸出功率電平范圍上保持開(kāi)關(guān)模式功率放大器的高效率。整體控制機(jī)制的具體細(xì)節(jié)還取決于為開(kāi)關(guān)模式功率放大器選擇的特定晶體管T。
圖2圖示了預(yù)定關(guān)聯(lián)的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例。圖2顯示控制電壓Vdd_Cntrl、VGA_Cntrl和“Bias”的以伏特V為單位的值與功率控制單元3提供的數(shù)字字所表示的功率控制電壓Vpower相關(guān)聯(lián)。控制電壓“Bias”的值是負(fù)值。對(duì)于功率控制電壓Vpower,采用的是對(duì)數(shù)刻度。
如圖所示,在高期望輸出功率電平(由大于0.5的功率控制電壓Vpower表示)下,控制電壓VGA_Cntrl是常量,并且功率控制完全由控制電壓Vdd_Cntrl負(fù)責(zé)。同樣,在低期望輸出功率電平(由小于0.05的功率控制電壓Vpower表示)下,控制電壓VGA_Cntrl是常量,輸出功率僅通過(guò)控制電壓Vdd_Cntrl來(lái)控制。在值0.05和0.5之間,兩個(gè)控制電壓同時(shí)改變,以便平滑兩種模式之間的過(guò)渡。此外,控制電壓“Bias”在低功率電平下向更負(fù)的值改變,以便保持開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率。
圖3顯示了在Vdd控制單元4、VGA控制單元5和偏置控制單元6中采用根據(jù)圖2的預(yù)定關(guān)聯(lián)時(shí)功率控制的效果。圖3顯示,此情況下輸出信號(hào)的功率電平PL、開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率EFF和直流功率PDC作為功率控制單元3提供的數(shù)字字所表示的功率控制電壓Vpower的函數(shù)。輸出功率PL和直流功率PDC的以dBm為單位的刻度顯示在左手側(cè)的y軸上,而效率EFF的百分?jǐn)?shù)%顯示在附圖的右手側(cè)的y軸上。對(duì)于功率控制電壓Vpower,再次采用對(duì)數(shù)刻度。
如圖3中可見(jiàn),輸出信號(hào)的功率電平PL的分貝值表示為直線(xiàn),即按預(yù)期,輸出功率與功率控制電壓Vpower線(xiàn)性相關(guān)。在高功率電平下(這種情況下效率高)直流功率PDC僅稍微高于輸出功率PL。當(dāng)對(duì)應(yīng)于較低功率電平將控制電壓Vdd_Cntrl設(shè)為常量值時(shí)效率EFF迅速地下降,但這可以是允許的,因?yàn)榇藭r(shí)直流功率PDC相對(duì)于它的最大值將會(huì)非常低。在本實(shí)例中,DC電流從最大值79mA下降到4mA以下(圖中未顯示)。
在所提出的功率控制中最存在問(wèn)題的是較高和較低功率電平上之間的過(guò)渡范圍。圖4圖示了在功率控制電壓Vpower范圍內(nèi)輸出功率與直線(xiàn)的偏移量Diff(以dB為單位)。該直線(xiàn)在其端點(diǎn)處與圖3的仿真的輸出功率線(xiàn)PL重合。圖5顯示在功率控制電壓Vpower范圍內(nèi)以度為單位的輸出相位Pha的行為。對(duì)于功率控制電壓Vpower,在這兩個(gè)附圖中再次采用了對(duì)數(shù)刻度。理想情形均是,輸出功率偏移量Diff和輸出信號(hào)相位Pha二者的曲線(xiàn)均是直水平線(xiàn)。
所有三個(gè)控制電壓Vdd_Cntrl、VGA_Cntrl和“Bias”都影響過(guò)渡范圍中圖4和圖5所示的曲線(xiàn)形狀。偏移量在放大信號(hào)與泄漏信號(hào)重疊的范圍內(nèi)最強(qiáng)。因此,通過(guò)調(diào)整這些控制電壓來(lái)拉直功率電平曲線(xiàn)或相位曲線(xiàn)Pha或二者有多種可能性。更復(fù)雜的方法會(huì)對(duì)對(duì)輸入的射頻信號(hào)采用例如額外的相位校正級(jí),以便使輸出信號(hào)的相位保持不變。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二功率控制結(jié)構(gòu)實(shí)施例的框圖。圖1顯示的功率控制結(jié)構(gòu)提供了根據(jù)數(shù)字控制字所表示的功率控制電壓Vpower來(lái)線(xiàn)性地改變以分貝為單位的輸出功率的可能性。相比之下,圖6顯示的結(jié)構(gòu)提供了根據(jù)數(shù)字控制字表示的附加幅度控制電壓Vamp來(lái)線(xiàn)性地改變輸出信號(hào)的幅度的可能性。同時(shí),仍可能實(shí)現(xiàn)大范圍上的功率控制。圖6所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成對(duì)常規(guī)EER發(fā)射機(jī)的擴(kuò)展。
圖6的結(jié)構(gòu)包括與圖1的結(jié)構(gòu)完全相同的組件,并且除功率控制單元3之外,這些組件還以與圖1完全相同的方式布置。相應(yīng)地,圖6中還將與圖1中相同的引用號(hào)分配給對(duì)應(yīng)的組件。
與圖1所示的功率控制結(jié)構(gòu)相反,圖6的功率控制結(jié)構(gòu)的功率控制單元3通過(guò)線(xiàn)性到對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器11連接到乘法器12的第一輸入端。圖6的結(jié)構(gòu)還包括輸入端I_In和輸入端Q_In,各輸入端連接到直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13的相應(yīng)輸入。直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13的第一輸出連接到乘法器12的第二輸入。乘法器12的輸出連接到Vdd控制單元4、VGA控制單元5和偏置控制單元6,正如圖1所示結(jié)構(gòu)的功率控制單元3那樣。最后,直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13的第二輸出通過(guò)相位調(diào)制器14連接到輸入端RF_In。
圖6的功率控制結(jié)構(gòu)按如下方式操作。
經(jīng)幅度和相位調(diào)制的帶通信號(hào)x(t)可以正則形式表示為x(t)=I(t)·cos(ωt)-Q(t)·sin(ωt)其中I(t)和Q(t)構(gòu)成信號(hào)的同相和正交分量??梢酝ㄟ^(guò)DSP或?qū)S糜布?lái)確定并提供同相和正交分量。
其同相和正交分量表示的相位和幅度調(diào)制信號(hào)要進(jìn)行處理,以通過(guò)圖6的結(jié)構(gòu)傳輸。所需的處理包括生成具有期望平均功率電平的對(duì)應(yīng)相位和幅度調(diào)制的射頻信號(hào)。
相位和幅度調(diào)制的信號(hào)的同相分量施加到輸入端I_In,而該信號(hào)的正交分量施加到輸入端Q_In。該直角坐標(biāo)表示通過(guò)直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)表示。更具體地說(shuō),直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13輸出表示期望相位調(diào)制的電壓Vphase和對(duì)應(yīng)于指示期望包絡(luò)的幅度控制電壓VAmp的數(shù)字字。
直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13提供的電壓VPhase作為控制電壓輸入到相位調(diào)制器14。相位調(diào)制器14生成根據(jù)接收電壓VPhase進(jìn)行了相位調(diào)制的恒定包絡(luò)射頻信號(hào)。還可以采用頻率調(diào)制器來(lái)代替相位調(diào)制器。在此情況下,直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13應(yīng)該輸出表示頻率調(diào)制的電壓,作為期望相位調(diào)制的導(dǎo)數(shù),以代替直接表示期望相位調(diào)制的電壓。實(shí)際上,可采用任何能夠生成經(jīng)相位調(diào)制的信號(hào)的調(diào)制器,例如IQ-調(diào)制器。
由相位調(diào)制器14將所生成的相位調(diào)制的恒定包絡(luò)射頻信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到輸入端RF_In。施加到輸入端RF_In的信號(hào)可如此書(shū)寫(xiě)為Sin(t)=Acos[ωt+(t)]其中ω表示信號(hào)的中心角頻率,A表示任意的幅度以及(t)表示相位調(diào)制。
此信號(hào)通過(guò)緩沖器1、第三電容器Ca、VGA 2和第四電容器Cb轉(zhuǎn)發(fā)到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸入,如參照?qǐng)D1所述。
由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器13輸出的表示幅度控制電壓Vamp的數(shù)字字提供給乘法器12。
此外,功率控制單元3輸出對(duì)應(yīng)于功率控制電壓VPower的數(shù)字字,它表示發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)的當(dāng)前期望平均功率電平,與圖1的功率控制結(jié)構(gòu)中的功率控制單元3類(lèi)似。該數(shù)字字在線(xiàn)性到對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器11中進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使得輸出功率的分貝值與經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字字所表示的電壓線(xiàn)性相關(guān)。就所表示的功率控制電壓Vpower而言,采用如下等式執(zhí)行轉(zhuǎn)換
VLog=10S(VLin-1)]]>其中VLog表示功率控制電壓VPower,VLin表示轉(zhuǎn)換器11的輸出,S表示期望的斜度。例如,當(dāng)功率控制電壓VPower從0變到1時(shí),使用S=4導(dǎo)致約80dB的輸出功率動(dòng)態(tài)范圍。
線(xiàn)性到對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器11的輸出同樣提供給乘法器12。乘法器12將兩個(gè)接收到的分別表示電壓VAmp和VLog的數(shù)字字相乘,并輸出表示相乘電壓VAmp*VLog的數(shù)字字。
理想情況下,系統(tǒng)將施加到輸入端RP_In的信號(hào)乘以乘法器12的輸出上存在的由數(shù)字字表示的信號(hào)。因此,輸出端RF_Out上作為時(shí)間t的函數(shù)的理想輸出射頻信號(hào)將為Sout(t)=VAmp(t)VLogcos[ωt+(t)]輸出信號(hào)實(shí)際符合此理想情況的程度取決于控制單元4至6的實(shí)現(xiàn)方式。
乘法器12輸出的數(shù)字字轉(zhuǎn)發(fā)到Vdd控制單元4、VGA控制單元5和偏置控制單元6,且正如圖1的系統(tǒng)中表示功率控制電壓VPower的數(shù)字字那樣接受處理。因此,在一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例中,功率控制電壓VPower與電壓Vdd_Cntrl、VGA_Cntrl和“Bias”之間如圖2所示的關(guān)聯(lián)可在第二實(shí)施例中用作乘積VAmp*VLog與控制電壓Vdd_Cntrl、VGA_Cntrl和“Bias”之間的關(guān)聯(lián)。
圖7和圖8顯示與圖1結(jié)構(gòu)中改變功率控制電壓VPower相比,改變幅度控制電壓VAmp的效果差異。
圖7顯示控制電壓Vdd_Cntrl、VGA_Cntrl和“Bias”以及幅度控制電壓Vamp范圍上輸出信號(hào)的電壓“Out”。表示功率控制電壓VPower的數(shù)字字已經(jīng)設(shè)為對(duì)應(yīng)于3V的最大期望輸出信號(hào)功率電平??刂齐妷骸癇ias”的值同樣是負(fù)值。對(duì)于幅度控制電壓VAmp,采用的是線(xiàn)性刻度??梢钥吹剑敵鲭妷骸癘ut”與幅度控制電壓VAmp線(xiàn)性相關(guān)。
在低功率電平下,幅度調(diào)制包括在施加到功率放大器的輸入的射頻信號(hào)中,因?yàn)榭刂菩盘?hào)VGA_Cntrl隨幅度控制電壓VAmp線(xiàn)性變化,同時(shí)控制信號(hào)Vdd_Cntrl保持恒定。在中等功率電平下,幅度調(diào)制同時(shí)包括在施加到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸入的射頻信號(hào)以及提供給開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源電壓端的電壓Vdd中,因?yàn)榭刂菩盘?hào)VGA_Cntrl和Vdd_Cntrl都隨幅度控制電壓VAmp線(xiàn)性變化。在高功率電平下,幅度調(diào)制包括在施加到開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源電壓端的電壓Vdd中,因?yàn)榭刂菩盘?hào)Vdd_Cntrl隨幅度控制電壓VAmp線(xiàn)性變化,同時(shí)控制信號(hào)VGA_Cntrl保持恒定。
圖8圖示在幅度控制電壓Vamp范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)模式功率放大器功率轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)的功率電平PL、直流功率PDC及其效率Eff。輸出功率PL和直流功率PDC的以dBm為單位的刻度顯示在左手邊的y軸上,而效率EFF的百分?jǐn)?shù)%顯示在附圖的右手邊的y軸上??梢钥吹剑苑重悶閱挝坏墓β孰娖絇L不再線(xiàn)性地跟隨幅度控制電壓VAmp。但圖7所示效果是對(duì)期望幅度調(diào)制而言所需要的。
圖9圖示當(dāng)幅度控制電壓VAmp在功率控制電壓VPower的三個(gè)不同固定值上線(xiàn)性變化時(shí)所得到的輸出電壓“Out”。如圖所示,對(duì)于功率控制電壓VPower的每個(gè)固定值,幅度控制電壓VAmp與輸出信號(hào)電壓“Out”之間存在線(xiàn)性關(guān)系。出于演示的目的,將功率控制電壓VPower的所有三個(gè)固定值選擇為相相當(dāng)高,以免表示輸出電壓“Out”的最低線(xiàn)條與圖中的x軸重合。
因?yàn)榕cVAmp(t)比較,VLog(t)是變化非常慢的實(shí)體,所以在大多數(shù)情況下VLog(t)可以視為恒定的,即VLog(t)=VLog。因此,包含幅度控制電壓VAmp(t)增加了對(duì)的DAC 7、DAC 9、DAC 10、DC/DC-轉(zhuǎn)換器8以及三個(gè)控制配置中任何其它操作塊的帶寬要求。例外可能是偏置控制,因?yàn)閮H根據(jù)功率控制電壓Vpower來(lái)調(diào)節(jié)偏置電壓是可行的。還必須注意的是,對(duì)幅度控制的線(xiàn)性要求比對(duì)僅僅功率控制的線(xiàn)性要求更嚴(yán)格。
在所示的兩個(gè)實(shí)施例中,控制信號(hào)DAC 7和9輸出的控制信號(hào)還可以是適合的模擬電流。此外,在一些情況中,DC/DC轉(zhuǎn)換器8和/或VGA 2還可以數(shù)字方式來(lái)加以控制,這使相關(guān)的DAC 7和9廢棄。此外,還可以不采用數(shù)字字來(lái)表示功率控制電壓Vpower以及第二實(shí)施例中的幅度控制電壓VAmp,而是采用模擬電壓來(lái)表示功率控制電壓VPower和幅度控制電壓VAmp。
雖然已經(jīng)顯示、描述并指出了本發(fā)明的應(yīng)用于其優(yōu)選實(shí)施例的基本創(chuàng)新特征,但本技術(shù)領(lǐng)域人員會(huì)理解,在不背離本發(fā)明精神范圍的前提下,可以在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)所述裝置和方法進(jìn)行各種刪減和替換以及變更。例如,要明白涵蓋,以基本相同方式執(zhí)行基本相同功能得到相同效果的那些元素和/或方法步驟的所有組合都屬于本發(fā)明范圍。此外,還應(yīng)認(rèn)識(shí)到,結(jié)合所公開(kāi)的本發(fā)明的任何形式和實(shí)施例顯示和/或描述的結(jié)構(gòu)和/或要素和/或方法步驟可以作為一般的設(shè)計(jì)選擇問(wèn)題結(jié)合到任何其它公開(kāi)或描述的或建議的形式或?qū)嵤├小R虼?,意圖是本發(fā)明僅受所附權(quán)利要求范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種功率控制結(jié)構(gòu),包括-開(kāi)關(guān)模式功率放大器,用于接收輸入信號(hào),對(duì)所述接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和將所述放大的信號(hào)作為輸出信號(hào)提供;-第一控制配置,用于通過(guò)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器的電源來(lái)至少將所述輸出信號(hào)的功率電平控制在所述輸出信號(hào)的期望的較高功率電平上;以及-第二控制配置,用于在將所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器之前調(diào)整其功率來(lái)至少將所述輸出信號(hào)的功率電平控制在所述輸出信號(hào)的期望的較低功率電平上。
2.如權(quán)利要求1所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于所述第一控制配置包括第一控制單元,用于接收具有至少表示所述輸出信號(hào)的期望的功率電平的值的功率放大器控制信號(hào);所述第一控制單元將所述功率放大器控制信號(hào)的所述值映射為電源控制信號(hào)的某個(gè)值,與所述功率放大器控制信號(hào)相比,對(duì)應(yīng)于較高期望輸出功率電平的所述電源控制信號(hào)的值比對(duì)應(yīng)于較低期望輸出功率電平的相對(duì)較高;以及其中所述第一控制配置還包括從所述第一控制單元接收所述電源控制信號(hào)的電源調(diào)節(jié)單元,所述電源調(diào)節(jié)單元根據(jù)所述電源控制信號(hào)來(lái)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的所述電源。
3.如權(quán)利要求2所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于在較低期望功率電平下,所述第一控制單元將所述功率放大器控制信號(hào)的值映射為所述電源控制信號(hào)的基本上恒定的值,而在較高期望輸出功率電平下,則將其映射為所述電源控制信號(hào)的遞增值,以便增加所述功率放大器控制信號(hào)的值。
4.如權(quán)利要求1所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于所述第二控制配置包括第二控制單元,用于接收具有至少表示所述輸出信號(hào)的期望的功率電平的值的功率放大器控制信號(hào);所述第一控制單元將所述功率放大器控制信號(hào)的所述值映射為輸入控制信號(hào)的值,與所述功率放大器控制信號(hào)相比,對(duì)應(yīng)于較低期望輸出功率電平的所述輸入控制信號(hào)的值比對(duì)應(yīng)于較高期望輸出功率電平的相對(duì)較高;以及其中所述第一控制配置還包括可變?cè)鲆娣糯笃鳎鲚斎胄盘?hào)通過(guò)該可變?cè)鲆娣糯笃魈峁┙o所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器,所述第二控制單元將所述輸入控制信號(hào)提供給所述可變?cè)鲆娣糯笃?,并且所述可變?cè)鲆娣糯笃鞲鶕?jù)所述輸入控制信號(hào)來(lái)預(yù)先放大所述輸入信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于在較低期望功率電平下,所述第二控制單元將所述放大器控制信號(hào)的值映射為所述輸入控制信號(hào)的遞增值以增加所述放大器控制信號(hào)的值,而在較高期望輸出功率電平下,則將其映射為所述輸入控制信號(hào)的基本上恒定的值。
6.如權(quán)利要求1所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于還包括第三控制配置,用于根據(jù)期望的輸出功率電平來(lái)調(diào)整施加到所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的晶體管上的偏置電壓,以?xún)?yōu)化所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率。
7.如權(quán)利要求6所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于在較高期望輸出功率電平下,所述第三控制單元將所述偏置電壓設(shè)為較高值,而在較低期望輸出功率電平下則將其設(shè)為較低值。
8.如權(quán)利要求1所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于還包括相位校正組件,用于根據(jù)期望的功率電平調(diào)整所述輸入信號(hào)的相位,然后才將所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器。
9.如權(quán)利要求1所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于還包括控制信號(hào)生成配置,用于生成具有至少表示所述輸出信號(hào)的期望的功率電平的值的功率放大器控制信號(hào),以及用于將所述功率放大器控制信號(hào)至少提供給所述第一和第二控制配置。
10.如權(quán)利要求9所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于所述控制信號(hào)生成配置包括第一信號(hào)生成部分,用于生成具有表示所述輸出信號(hào)的期望功率電平的值的控制信號(hào);第二信號(hào)生成部分,用于生成具有表示所述輸出信號(hào)的期望幅度調(diào)制的值的控制信號(hào);以及組合部分,用于組合所述第一和所述第二生成部分提供的所述信號(hào),所得到的相應(yīng)的組合信號(hào)由所述控制信號(hào)生成配置作為功率放大器控制信號(hào)至少提供給所述第一和所述第二控制配置。
11.如權(quán)利要求1所述的功率控制結(jié)構(gòu),其特征在于所述功率控制結(jié)構(gòu)構(gòu)成發(fā)射機(jī)。
12.一種至少控制開(kāi)關(guān)模式功率放大器的輸出信號(hào)的功率電平的方法,所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器接收輸入信號(hào),對(duì)所述接收到的信號(hào)進(jìn)行放大,并將所述放大的信號(hào)作為輸出信號(hào)提供,所述方法包括如下步驟-至少在期望所述輸出信號(hào)具有較高功率電平時(shí),通過(guò)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器的電源來(lái)控制所述輸出信號(hào)的功率電平;以及-至少在期望所述輸出信號(hào)具有較低功率電平時(shí),通過(guò)調(diào)整所述輸入信號(hào)的功率,然后才所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器來(lái)控制所述輸出信號(hào)的功率電平。
13.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電源的所述步驟包括-將至少表示所述輸出信號(hào)的期望的功率電平的可用功率放大器控制信號(hào)的值映射為電源控制信號(hào)的某個(gè)值,與所述功率放大器控制信號(hào)相比,對(duì)應(yīng)于較高期望輸出功率電平的所述電源控制信號(hào)的值比對(duì)應(yīng)于較低期望輸出功率電平的相對(duì)較高;以及-根據(jù)所述電源控制信號(hào)來(lái)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的所述電源。
14.如權(quán)利要求13所述的方法,其特征在于在較低期望輸出功率電平下,將所述功率放大器控制信號(hào)的值映射為所述電源控制信號(hào)的基本上恒定的值,而在較高期望輸出功率電平下,則將其映射為所述電源控制信號(hào)的遞增值,以便增加所述功率放大器控制信號(hào)的值。
15.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于調(diào)整所述輸入信號(hào)的功率的所述步驟包括-將具有至少表示所述輸出信號(hào)的期望的功率電平的值的功率放大器控制信號(hào)的值映射為輸入控制信號(hào)的值,與所述功率放大器控制信號(hào)相比,對(duì)應(yīng)于較低期望輸出功率電平的所述輸入控制信號(hào)的值比對(duì)應(yīng)于較高期望輸出功率電平的相對(duì)較高;以及-根據(jù)所述輸入控制信號(hào)預(yù)先放大所述輸入信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于在較低期望功率電平下,將所述放大器控制信號(hào)的值映射為所述輸入控制信號(hào)的遞增值以增加所述放大器控制信號(hào)的值,而在較高期望輸出功率電平下則將其映射為所述輸入控制信號(hào)的基本上恒定的值。
17.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于還包括根據(jù)期望的輸出功率電平來(lái)調(diào)整施加到所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的晶體管上的偏置電壓,以?xún)?yōu)化所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器的效率。
18.如權(quán)利要求17所述的方法,其特征在于在較高期望輸出功率電平下,將所述偏置電壓設(shè)為較高值,而在較低期望輸出功率電平下則將其設(shè)為較低值。
19.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于還包括根據(jù)期望的功率電平調(diào)整所述輸入信號(hào)的相位,然后才將所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式功率放大器。
20.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于還包括生成具有至少表示所述輸出信號(hào)的期望的功率電平的值的功率放大器控制信號(hào),以作為控制所述輸出信號(hào)的功率電平的基礎(chǔ)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法,其特征在于生成所述功率放大器控制信號(hào)的所述步驟包括生成具有表示所述輸出信號(hào)的期望功率電平的值的控制信號(hào);生成具有表示所述輸出信號(hào)的期望幅度調(diào)制的值的控制信號(hào);以及對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行組合,所得到的相應(yīng)的組合信號(hào)構(gòu)成所述功率放大器控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括開(kāi)關(guān)模式功率放大器的功率控制結(jié)構(gòu),所述開(kāi)關(guān)模式放大器用于接收輸入信號(hào),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和將放大的信號(hào)作為輸出信號(hào)提供。為允許在很大范圍上進(jìn)行功率控制同時(shí)保持功率放大器的效率,該結(jié)構(gòu)還包括第一控制配置,用于通過(guò)調(diào)整提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器的電源,以將輸出信號(hào)的功率電平至少控制在較高期望功率電平;此外,還包括第二控制配置,用于在將所述輸入信號(hào)提供給所述開(kāi)關(guān)模式放大器之前調(diào)整其功率來(lái)至少將所述輸出信號(hào)的功率電平控制在較低期望功率電平。本發(fā)明同樣還涉及對(duì)應(yīng)的方法。
文檔編號(hào)H03F3/217GK1802787SQ200480015909
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
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