放大器電路的製作方法
2023-09-23 11:50:45 3
專利名稱：放大器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及放大器電路和操作放大器的方法。
背景技術：
電子放大器，特別是功率放大器，廣泛應用於音頻設備和通信收發器的發射器。對這類放大器的一個要求是要取得最佳效率。以便於說明，放大器效率可認為是施加到放大器的交流電(AC)輸出功率和直流電(DC)輸入功率之間的比率。
在現有放大器中，這個要求通過先確定所需放大輸出功率電平，然後為規定的輸出功率電平優化放大器來實現。一種優化放大器的方法是為所需輸出功率電平選擇最佳負載。另一種方法是採用能夠根據不同的所需輸出功率電平進行調節的可調負載。通常，在負載為單值的情況中，輸出功率電平確定為最高工作電平或略低於最高工作電平，以使在耗散功率最大的較高功率電平處，作為損失的耗散功率而測量的效率降低效應最小。
不過，所探討的問題在於只可能適應於給定的負載，對該負載所規定輸出功率電平可保持近乎最佳的效率。如果為規定的輸出功率電平而優選的放大器用於不同的功率電平，若放大器不是可再調節的(例如，通過調節負載)，則會產生明顯的效率降低。例如，如果固定電源電壓的A類放大器優化為輸出功率電平為P瓦，則當放大器工作在輸出功率電平為P時，其效率將達到理想值50％(電晶體飽和電壓Vsat為零的理論最大值)。如果相同的A類放大器工作在輸出功率電平為P/2瓦處，則理論上取得的最佳效率是25％。
本發明的目的是提供一种放大器，它的效率可在輸出功率電平的一定範圍內優化。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一种放大器電路，它包括適用於放大輸入信號產生輸出信號的放大器，該放大器由電源電壓和電源電流供電；和控制裝置，它可根據傳輸函數調節電源電流和電源電壓以優化放大器效率。
根據本發明的另一個方面，提供了一种放大器電路，包括適用於放大輸入信號產生輸出信號的放大器，放大器具有用於確定電源電流的電流控制信號的輸入端和用於為驅動放大器而接收電源電壓V和電源電流I的輸入端；規定所需功率電平的裝置；計算電源電流I和電源電壓V值，以在規定的功率電平優化放大器效率，並施加相應的電流控制信號和相應的電源電壓到放大器的各個輸入端的控制裝置。
可操作控制裝置以根據可變所需輸出功率電平P調節電源電流I和電源電壓V，使得放大器的效率最大，並在放大器輸出功率電平P的一定範圍內基本保持恆定的放大器效率。
在實踐中，放大器電路可包括電晶體和控制裝置，並可操作控制裝置來調節電源電壓V，使之V=2RP+Vsat]]>式中R是的電晶體輸出截止時的實部阻抗，Vsat是電晶體飽和電壓。將電源電流調節為I=VR]]>因此，放大器效率可在一個輸出功率電平的廣泛範圍內能夠是相同的(即近似於理想的)。這特別有利多於一個輸出功率電平操作的裝置。這可以在不需要再調節負載阻抗的情況下取得。換言之，負載阻抗的恆定數值可以適用於不同的輸出功率電平，而不影響放大器的效率。
該放大器電路的典型應用是通信系統基站(地面或衛星)中的動態功率控制，或是移動終端中的動態功率控制，在這種情況下效率是關鍵參數，且輸出信號功率隨時間和隨一個較寬範圍的電平而動態變化。
同樣，如果電池是通過調節進入放大器的電壓V用電池為放大器供電，而不是直接從電池為放大器供電，則放大器效率與電池的電荷改變(即電池放電的結果)無關。可使用直流-直流轉換器來提供可變的電源電壓。直流-直流轉換器具有相對高的效率。
另外，通過調節輸入電源電壓和電源電流，在非A類工作的情況下諧波所生成的電平易於控制。換言之，可在輸出功率電平的廣泛範圍中產生對稱波形，使在信號波形的波峰和波谷發生電壓和電流的限制。這限制了二次諧波所產生的電平。
根據本發明的另一個方面，提供了操作適用於放大輸入信號以產生輸出信號放大器的方法，該方法包括用電源電壓和電源電流為放大器供電；根據傳輸函數調節電源電流I和電源電壓V以優化放大器效率。
通過參照附圖，結合本發明示範實施例的下述詳細描述，在附加權利要求中闡述的本發明的上述和其它的特點及其優點將變得更加清晰。
在附圖中圖1示出電晶體放大器電路；圖2示出圖1中電晶體的集電極特性曲線和動態負載曲線；圖3示出當直流電工作點在VS和1/2IS時的理想的電晶體集電極特性曲線和動態負載曲線；圖4示出當直流電工作點在VS和IS時的理想的電晶體集電極特性曲線和動態負載曲線；圖5示出當直流電工作點在VS和2IS時的理想的電晶體集電極特性曲線和動態負載曲線；圖6示出當直流電工作點在1.5VS和1.5IS時的理想的電晶體集電極特性曲線和動態負載曲線；圖7示出當直流電工作點在0.75VS和0.75IS時的理想的電晶體集電極特性曲線和動態負載曲線；圖8是優化放大器效率的一種方法的流程圖；圖9是優化放大器效率的另一種方法的流程圖；圖10是示出放大器電路整體總體功能的總體方框圖；圖11放大器電路的更詳細的方框圖；和圖12是放大器電路的另一個更詳細的方框圖。
具體實施例方式
參考附圖1，圖中示出由NPN雙極電晶體TR1組成的放大器1。電感L1連接到電晶體TR1的集電極2。同樣，電感L2也連接到電晶體TR1的基極3。負載Zload通過無損耗匹配電路M1連接到集電極2。無損耗匹配電路將負載Zload變換到完全實部阻抗Ropt。因此，表現在電晶體集電極的有效負載是Ropt。匹配電路M1較佳地包括任何電晶體寄生參數(集電極-發射極的容抗和負載感抗)，使得Ropt是在電晶體截止時的阻抗。Ropt稱作動態負載阻抗，並具有純阻抗(測量單位為歐姆)的數值。
參考圖2，圖中示出電晶體TR1的集電極特性曲線(1)和動態負載曲線(2)。圖中的水平軸相應於集電極-發射極電壓Vce(另一種選擇是，如果用場效應管替換NPN雙極電晶體TR1，Vce相應於漏極-源極電壓Vds(源極為零伏))。圖中的垂直軸相應於集電極電流Icc(對應於FET中的漏極電流Idd)。多條曲線(1)對應基極電流的不同值(對應於FET柵極電壓的不同值)。動態負載曲線的斜率等於-(1/Ropt)。Vs指定DC電源電壓在集電極上的特定值，而Is指定DC集電極電源電流的特定值。
在圖2中，集電極AC電壓是幅度Vs的正弦波，集電極AC電流是幅度Is正弦波。為了使電晶體TR1顯現出圖2所示的的特性，對其偏壓以取得最大效率。最大效率的條件用負載曲線(2)表示，並對應於唯一值Ropt。換言之，預定Ropt，以使輸出功率電平從0增加，最終當開始發生限制時，電壓和電流同時開始限制。
輸出功率電平等於Pac=(Vce-Vsat)22Ropt]]>(公式1)式中Pac單位是瓦，Vce和Vsat單位是伏特，Ropt單位是歐姆。在圖2中，Vce＝Vs。這樣Pac=(Vs-Vsat)22Ropt]]>(公式2)當Vsat趨於零時，DC集電極電流Is=VsRopt,]]>Pac趨於PacVs2Ropt=VsIs2]]>(公式3)當DC輸入功率是Vs·Is時，產生的理論效率(當Vsat接近零時)是50％。
公式2能夠用於計算最佳DC電源電壓VsVs=2RoptPac+Vsat]]>(公式4)從VS，可以計算出所需DC集電極電源電流Icc=VsRopt]]>(公式5)圖3，4和5示出三幅集電極特性曲線和動態負載曲線的示圖。在這些示圖中，Vce＝Vs是常數，從Ropt取得的負載曲線斜率是常數(-1Ropt]]>)。在各個圖中，集電極DC電源電流Icc值是不同的(Is的倍數或分數)。為簡化起見，特性曲線做近似，使Vsat為零。集電極電壓Vce和集電極電流Icc的軌跡就是負載曲線。
圖3示出理想的集電極特性曲線和動態負載曲線，當Vs和Is為常數時，DC工作點在Vs和1/2Is。在圖3中，Icc=Is2.]]>對於信號到達線性工作最大值的限制時(限制剛發生時)的情況來說，效率為25％。
圖4示出DC工作點為Vs和Is時的理想的集電極特性曲線和動態負載曲線。在圖4中，Icc＝Is，使電晶體偏置以取得最大效率。集電極AC電壓是幅度Vs的正弦波形，集電極電流是幅度Is的正弦波形Is。這也對應於圖2中的條件，使Vsat假定為零。在此條件中，放大器處於飽和閾值極限，此處在線性工作(A類)在既不限制電壓也不限制電流時，可獲得最大電壓和電流擺幅。於是，理論效率達50％。
圖5示出DC工作點在Vs和2Is時的理想集電極特性曲線和動態負載曲線。在圖5中，Icc＝2Is。可發現，當信號幅度從零增加時，電壓限制首先發生在電壓最小值上，而不是在電壓最大值上，產生了相對於基波的二次諧波的高電平。若對圖5的電源電流，放大器工作在最大功率電平且保持線性(A類)工作(如圖所示)，則效率為25％。
圖6和7示出兩個例子，在這兩個例子中，同時調節電源電壓和電源電流Icc，以達到兩個不同功率電平50％的理論效率。圖6示出DC工作點在1.5Vs和1.5Is時的理想集電極特性曲線和動態負載曲線。圖7示出DC工作點在0.75Vs和0.75Is時的理想集電極特性曲線和動態負載曲線。
圖8和圖9示出控制放大器的略有不同的方法。圖8是優化放大器效率的一種方法的流程圖。在圖8中，在步驟3接收來自放大器的所需輸出功率電平。然後，在步驟4計算電源電壓V的值，然後是電流I的計算5。接著將所計算的電壓和電流施加到放大器以優化其效率6。圖9是優化放大器效率的另一種方法流程圖。在圖9中，執行相同的操作，但在步驟4和步驟5的電壓和電流的計算同時計算或非順序計算。
附圖中的圖10是具有電源電流和電源電壓控制的放大器電原理圖。放大器電路11包括放大器12，例如包括圖1中的放大器。放大器12具有確定電源電流I的電流控制信號輸入(Icontrol)和能夠接收電源電壓V和電源電流Is的輸入端，以驅動放大器。在雙極電晶體放大器中，Icontrol信號調節電晶體基極偏置電波，從而調節電源電流(集電極電流)。在FET放大器的情況中，Icontrol信號調節電晶體的柵極電壓，從而調節電源電流(漏極電流)。
放大器12在接收輸入線路上的信號並在輸出線路上輸出接收信號的放大信號。功率測試電路13(例如是包絡檢波器)連接到輸出線路並測量信號中的功率。須理解，功率測試電路也可串聯在輸出線路中，並同樣能夠完成相同的功率測量任務。
表示功率的信號從功率測量電路13施加到功率控制電路14。功率控制電路14也從所需的功率電平指示器15接收所需的功率電平信號。在音頻放大器電路中，所需的功率電平指示器可以是可變電阻連接著音量控制旋鈕的，由用戶來選擇。在蜂窩電話系統，功率控制可用於控制蜂窩電話的功率輸出。功率控制基本上來自一個或兩個來源，即，來自蜂窩電話本身或來自蜂窩系統。在前一種來源中，通過測量蜂窩電話接收的通信信號中的功率並以其相反的比例調節輸出功率來進行功率控制。在後一種來源中，在蜂窩系統的移動控制器的命令信號的形式進行功率控制，其中控制器測量從蜂窩電話中接收的信號功率並發送命令給蜂窩電話來調節其輸出功率以滿足系統中的所需參數。這樣，在蜂窩電話的放大器中，所需的功率電平指示器可為接收蜂窩電話內部源數據的或外部數據的寄存器。
功率控制電路使用所需的功率電平信號來計算並產生上述討論的電源電壓V和電源電流I。功率控制電路14也使用來自所需功率電平指示器15的所需功率電平信號和來自功率測量電路13的輸出功率信號來進一步調節V或I值以精確控制所需的輸出功率。
通常，根據所需的功率電平，使用傳輸函數，通過調節電源電壓和電源電流來控制效率。採用施加上述方程或一個或多個查找表(包括由經驗確定的在功率電平、電源電流和電源電壓間的關係)的電路，可實現該傳輸函數。無論哪種方法，都可以由功率控制電路14來確定能夠取得所需功率輸出的最佳放大器效率的電源電流I和電源電壓V值。然後，功率控制電路14相應調節電源電流I和電源電壓V。
圖11是放大器電路的更詳細方框圖，示出如何獨立地控制效率和功率。通過根據測量到的輸出功率調節電源電壓取得功率控制。所需的功率電平輸入到在功率控制電路14中的計算電路17，該電路計算V，I值和相應的Icontrol值。Icontrol以計算的數值在線路19輸入到放大器12。採用這樣的方法控制放大器的效率。
相應計算值的電源電壓V在線路20輸出到求和電路21。從功率測量電路13(也就是表示真實功率的信號)輸出的信號輸入到控制單元22，該單元也從所需的功率電平寄存器16接收所需的功率電平信號。控制單元22用作比較器，提供正比於所需功率電平信號和代表真實功率信號之間差值的信號。
控制單元22的輸出也輸入到求和電路21，從而根據所需功率和真實功率之間的差值調節施加到放大器12的電源電壓V。這樣，求和電路21、控制模塊22、放大器12和功率測量電路13組成了控制環路部件，以作為獨立於效率控制的分離參數來控制放大器12的輸出功率。
圖12是放大器電路的另一個詳細的方框圖，顯示了另一種結構，在該結構中通過根據測量到的輸出功率來調節電源電流從而獲得功率控制。圖12的結構類似於圖11所示結構，除了通過調節電源電流來控制輸出功率以外，還通過調節電源電壓來控制輸出功率。
在另一結構中，(未顯示)功率控制電路14可根據輸入到放大器的輸入功率和放大器的增益附加或選擇性地控制放大器電路12的電源電壓和電流，優化放大器效率。在該結構中，功率測量電路13進行輸入信號的測量，然後相應調節放大器的電源電壓和電流。根據已知的放大器特性，可為放大器增益假定一個值。另外，可通過使用第二功率測量電路測量輸出功率來測量增益。可採用如圖11或圖12所示的獨立精確的功率控制。
這樣，通過參考較佳的實施例描述了本發明，可理解所述本實施例只是示範性的，本領域的普通技術人員可在不背離在附加的權利要求和其等價技術方案闡述的本發明精神和範圍的情況下，進行修改和變化。
權利要求
1.一种放大器電路，其特徵在於，包括一种放大器，放大輸入信號以產生輸出信號，放大器由電源電壓V供電並由偏置電流I偏置；和控制裝置，依照傳輸函數調節偏置電流I和供電電壓V以優化放大器效率。
2.如權利要求1所述的放大器電路，其特徵在於，還包括規定所需輸出功率的裝置，其中傳輸函數用於根據所需輸出功率計算偏置電流I和供電電壓V的數值。
3.如權利要求1或2所述的放大器電路，其特徵在於，用於輸出信號輸出負載阻抗，且傳輸函數用於根據負載阻抗計算偏置電流I和供電電壓V的數值。
4.如上述權利要求中任一項所述的放大器，其特徵在於，控制裝置包括功率測量電路，用於測量從放大器輸出的信號功率，及傳輸函數，用於根據輸出信號的測量功率計算偏置電流I和電源電壓V中的至少一個。
5.如權利要求4所述的放大器電路，其特徵在於，還包括規定所需輸出功率電平的裝置，其中傳輸函數用於根據所需功率計算偏置電流I和電源電壓V的數值。
6.如上述權利要求中任一項所述的放大器電路，其特徵在於，控制裝置包括查找表，並通過查找表計算傳輸函數。
7.如上述權利要求中任一項所述的放大器電路，其特徵在於，操作控制裝置，調節偏置電流I和電源電壓V，在放大器輸出功率電平P的範圍中使放大器效率基本保持恆定。
8.如權利要求7所述的放大器電路，其特徵在於，放大器輸出功率電平P是交流輸出功率電平。
9.如權利要求8所述的放大器電路，其特徵在於，放大器包括電晶體，其中實部阻抗R代表電晶體截止的輸出。
10.如權利要求9所述的放大器電路，其特徵在於，操作控制裝置調節電源電壓V，使2RP+Vsat]]>式中Vsat是電晶體飽和電壓。
11.如權利要求10所述的放大器電路，其特徵在於，操作控制裝置調節偏置電流I，使I=VR.]]>
12.如權利要求10所述的放大器電路，其特徵在於，操作控制裝置調節偏置電流I，使I=2(P/R).]]>
13.如權利要求10所述的放大器電路，其特徵在於，操作控制裝置調節偏置電流I，使I=(2(P/R)+Vsat)/R.]]>
14.如權利要求9到13中的任一項所述的放大器電路，其特徵在於，電晶體是雙極電晶體，且偏置電流I是雙極電晶體的集電極電流。
15.如權利要求9到13中任一項所述的放大器電路，其特徵在於，電晶體是場效應電晶體，且偏置電流I是場效應電晶體的漏極電流。
16.如權利要求9到15所述的放大器電路，其特徵在於，負載R是預定的，當放大器輸入功率電平P增加到開始限制時，電壓和電流基本同時受到限制。
17.如上述權利要求中任一項所述的放大器電路，其特徵在於，操作控制裝置同時調節偏置電流I和電源電壓V。
18.一種用於通信系統的移動終端，其特徵在於，移動終端包括如上述任一項權利要求所述的放大器電路。
19.一種用於通信系統的基站，其特徵在於，所述基站包括從權利要求1到17中任一項權利要求所述的放大器。
20.一種通信系統，包括根據權利要求16的一種或多種移動終端和根據權利要求19的一種或多種基站的通信系統。
21.如權利要求20所述的通信系統，其特徵在於，通信系統是基於CDMA的系統。
22.一種操作放大器來放大輸入信號產生輸出信號的方法，其特徵在於，該方法包括用電源電壓V為放大器供電；用電源電流I為放大器供電；和依照傳輸函數調節電源電壓V和電源電流I以便於優化放大器的效率。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於，還包括規定所需的輸出功率並根據所需的輸出功率計算偏置電流I和電源電壓V的值。
24.如權利要求22或23所述的方法，其特徵在於，還包括從放大器輸出輸出信號到負載阻抗，並根據負載阻抗計算一個或多個偏置電流I和電源電壓V的數值。
25.如權利要求22到24所述的方法，其特徵在於，還包括測量從放大器輸出信號的功率，並根據測量的輸出信號功率，計算偏置電流I和電源電壓V的數值。
26.如權利要求25所述的方法，其特徵在於，包括規定所需輸出功率電平，並根據所需功率計算偏置電流I和電源電壓V。
27.如權利要求22到26所述的方法，其特徵在於，還包括使用查找表來計算傳輸函數。
28.如權利要求22到27所述的方法，其特徵在於，還包括調節偏置電流I和電源電壓V使放大器輸出功率電平P一定範圍內的放大器效率基本保持恆定。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，放大器輸出功率電平P是交流輸出功率電平。
30.如權利要求29所述的方法，其特徵在於，調節電源電壓V，使V=2RP+Vsat,]]>式中Vsat是電晶體飽和電壓。
31.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，調節偏置電流I，使I=VR.]]>
32.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，調節偏置電流I，使I=2(P/R).]]>
33.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，調節偏置電流I，使I=(2(P/R)+Vsat)/R.]]>
34.如權利要求30到33中任一項所述的方法，其特徵在於，電晶體是雙極電晶體，且偏置電流I是雙極電晶體的集電極電流。
35.如權利要求30到33中任一項所述的方法，其特徵在於，電晶體是場效應電晶體，且偏置電流I是場效應電晶體的漏極電流。
36.如權利要求30到35中任一項所述的方法，其特徵在於，還包括預置負載R，在放大器輸出功率電平P增加時，基本同時限制電壓和電流。
37.如權利要求22到36中任一項所述的方法，其特徵在於，還包括基本同時調節偏置電流I和電源電壓V。
38.一种放大器電路，其特徵在於，包括一种放大器，放大輸入信號以產生輸出信號，該放大器具有確定電源電流的電流控制信號輸入端和為驅動放大器接收電源電壓V和電源電流I的輸入端；裝置，規定所需的功率電平；和控制裝置，計算電源電流I和電源電壓V的數值，以在規定功率電平優化放大器效率，並用於將相應的電流控制信號和相應的電源電壓施加到放大器的各個輸入端。
全文摘要
一种放大器電路(11)，包括放大器(12)，所需功率指示器(15)，功率控制電路(14)和功率測量電路(13)。放大器(12)放大輸入信號以產生輸出信號，並具有控制電源電流(I)的輸入端和接收電源電壓(V)和電源電流(I)以驅動放大器的輸入端。功率控制電路根據多個所需功率電平的任一個，計算並施加電源電壓(V)和電源電流(I)的數值，以便於用寬廣的功率電平範圍中的最大效率來操作放大器。功率控制電路還可以包括功率控制環路，通過功率控制環路，可根據輸出功率的測量值和輸出功率的所需電平影響輸出功率的調節。
文檔編號H03F1/02GK1488189SQ0182221
公開日2004年4月7日 申請日期2001年11月23日 優先權日2000年11月24日
發明者M·哈裡斯, M 哈裡斯 申請人:高通股份有限公司