用於開關式射頻功率放大器的激勵電路的製作方法
2023-05-13 06:29:01 1
專利名稱：用於開關式射頻功率放大器的激勵電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關式射頻(RF)功率放大器的激勵電路。
背景技術：
在諸如蜂窩電話、尋呼機、無線數據機之類的無線通信設備中，非常關心電池壽命。特別地，射頻傳送消耗大量電源。此類功耗的作用因素是低效功率放大操作。無線通信的典型RF功率放大器的工作效率約為10％。毫無疑問，顯著提高放大器效率的低成本技術將滿足以上迫切需要。
另外，大部分現代數字無線通信設備靠分組來運行。亦即，以一個或多個短脈衝串的形式發送傳送的信息，其中發射機只在脈衝時間期間起作用，而在所有其他時間內不起作用。因此，需要以能源有效的方式控制脈衝觸發和停止的控制，以便進一步延長電池壽命。
將功率放大器劃分為不同組甲類、乙類、甲乙類等。不同種類的功率放大器通常表示不同的偏壓或負載條件。在設計RF功率放大器時，通常在線性和效率之間進行折衷。不同種類的放大器操作為設計者提供平衡以上兩個參數的不同方式。
一般而言，將功率放大器劃分為兩種不同類別線性和非線性。線性放大器(如，甲類放大器和乙類推挽放大器)保持較高的線性度，導致在其輸出端忠實再現輸入信號，其原因在於輸出信號與輸入信號成線性比例。在非線性放大器(如，單端乙類和丙類放大器)中，輸出信號不與輸入信號成正比。輸出信號上產生的振幅失真使得這些放大器非常適合沒有振幅調製的信號(也稱為恆定包絡信號)。
放大器輸出效率定義為RF輸出功率和輸入(DC)功率之間的比率。功率放大器效率低的主要原因是在電晶體中耗散的功率。甲類放大器是低效的，原因在於不管是否有輸出信號，電流總是連續不斷地通過設備。按照慣例，為了增加效率，通過折衷線性度而提高效率。例如，在乙類放大器中，選擇偏壓條件以至在一半周期內切斷輸出信號，除非第二電晶體提供另一半(推挽)。因此，波形的線性度更低。通過使用儲能電路或其他過濾器過濾較高和較低頻率部分，仍能使輸出波形為正弦波形。
丙類放大器在不足50％的周期內導通，以便進一步提高效率；即，如果輸出電流的導通角小於180度，則該放大器稱為丙類放大器。以上操作模式的效率大於甲類或乙類放大器的效率，但通常其失真大於甲類或乙類放大器。在丙類放大器的情況中，當改變輸入振幅時，輸出振幅仍然有變化。其原因在於丙類放大器起受控電流源作用—即使是一個短暫的電流源—而不是一個開關。
其他種類的放大器通過僅僅使用電晶體作為開關，有利解決電晶體內的功率耗散。此類放大器的基本原理在於，理論上開關不消耗電源，因為或者零電壓或者零電流通過。因為開關的V-I乘積總是零，所以(理論上)該設備中沒有耗散。戊類功率放大器使用一個電晶體，相反，丁類功率放大器使用兩個電晶體。
然而，實際上，開關並不完美。(開關具有開/關時間和接通電阻。)有關耗散降低效率。因此，現有技術一直尋找修改所謂「開關式」放大器(其中激勵電晶體作為符合操作頻率的開關，以便在電晶體導通電流時將耗散的功率降到最低程度)方法，以致在瞬間轉換的非零時間間隔內開關電壓為零，從而降低功率耗散。戊類放大器使用電抗輸出網絡，後者提供對開關電壓進行整形的足夠自由度，以便在開關接通時具有零值和零斜度，從而降低開關損耗。己類放大器是更進一步種類的開關式放大器。己類放大器生成比普通正弦波更方的輸出波形。通過鼓勵在輸出網絡中生成齊階諧波(即，x3、x5、x7等)並抑制生成偶階諧波(即，x2、x4等)，實現輸出波形的「方脈衝形成」。
圖1表示美國專利3,919,656中說明的已知戊類功率放大器的示例，本文引用作為參考。通過導線1將RF輸入信號連接到激勵器級2，後者經由通過導線3連接的信號控制有源設備5。實質上，當激勵器2適當激勵時，有源設備5作為一個開關。因此，將有源設備的輸出埠表示為一個單刀單擲開關6。通過開關6串聯組合DC電源7和負載網絡9的輸入埠。將負載網絡9的輸出埠連接到負載11。當按照所需的AC輸出頻率循環操作開關6時，以開關頻度(以及其諧波)，將電源7的DC能量轉換為AC能量。
儘管圖1的結構能夠實現高轉換效率，但具有以下缺點，由於阻尼振蕩而在有源設備的輸出端出現較大的電壓擺動。通常超過電源電壓3倍的較大電壓擺動，妨礙與某些具有低擊穿電壓的有源設備一起使用戊類電路。
另外，以上RF放大器中的激勵電路通常包括由調諧(諧振)電路組成的匹配網絡。參照圖2，在此類結構中，將RF輸入信號連接到激勵放大器，通常為甲類操作。通過匹配網絡，將激勵放大器的輸出信號連接到開關電晶體(在圖2中表示為FET)的控制終端。如同圖1所示的負載網絡的設計一樣，正確設計匹配網絡並不是一件易事。
發明內容
一般而言，本發明提供一種RF放大電路體系結構，該結構能夠在不使匹配網絡和負載網絡複雜化的情況下，獲得高效率。有源設備可以是雙極電晶體類型或FET(場效應電晶體)類型。提供各類有源設備的簡單激勵電路。根據本發明的一種實施方式，單端開關式RF放大器包括一個RF輸入信號；一個具有控制終端的有源設備；和一個非諧振激勵電路，用於接收RF輸入信號並控制應用於控制終端的信號，以便以開關模式操作有源設備。
通過連同附圖閱讀以下說明，將更加理解本發明。其中附圖為圖1是已知單端開關式RF放大器的簡化框圖；圖2是已知RF放大器的一部分的示意圖；圖3是根據本發明的RF開關式放大器的框圖；圖4是根據本發明之某一實施方式的RF開關式放大器的一部分的示意圖；圖5是圖4的RF開關式放大器中使用的合適負載網絡的示意圖；
圖6是一種波形，表示圖4的RF開關式放大器的輸入電壓和有關波形；圖7是一種波形，表示圖4的開關電晶體的基極和集電極電流波形；圖8是一種波形，表示圖4的RF開關式放大器的輸出電壓；圖9是根據本發明之另一種實施方式的RF開關式放大器的一部分的示意圖；圖10是一種波形，表示圖9的RF開關式放大器的輸入電壓和有關波形；圖11是一種波形，表示圖9的激勵電晶體的集電極電流波形；以及圖12是一種波形，表示圖9的開關電晶體的柵極電壓波形。
具體實施例方式
參照圖3，該圖表示根據本發明之最佳實施方式的RF開關式放大器的框圖。將RF輸入信號應用於非電抗激勵電路。將激勵電路連接到有源設備，以激勵有源設備開關。將有源設備開關連接到負載網絡，後者生成應用於負載(如，天線)的RF輸出信號。最好通過串聯組合開關式電源和線性調節器實現的快速時變電源，將電源應用於有源設備開關，以便改變有源設備開關的操作電壓。通過以可控方式改變操作電壓，可以按上述方式實現功率控制、脈衝串控制和調製。
有源設備開關可以為雙極電晶體或FET電晶體。參照圖4，該圖為RF開關式放大器的一部分的示意圖，其中有源設備開關為具有集電極、發射極和基極引出端的雙極電晶體。通過RF扼流圈L，將雙極電晶體N1的集電極連接到操作電壓VPA，並且連接到輸出網絡。將雙極電晶體N1的發射極連接到電路(AC)接地。
以達林頓方式將雙極電晶體N1的基極連接到另一個雙極電晶體N2(激勵電晶體)的發射極。將激勵電晶體N2的集電極連接到操作電壓VDRIVER，並且連接到旁路電容。與激勵電晶體N2關聯的是一個偏壓網絡，在所示實施方式中，該網絡包括三個電阻，R1、R2和R3。將電阻R1從激勵電晶體的發射極連接到電路接地。將電阻R2從激勵電晶體的基極連接到接地。將電阻R3從激勵電晶體N2的基極連接到VDRIVER。通過DC隔離電容Cin，將RF輸入信號應用於激勵電晶體的基極。
參照圖5，輸出網絡可以採取阻抗匹配傳輸線TL和電容Cout的形式。
正如圖6的波形1所示，RF輸入電壓信號為正弦波。如波形2所示，向上水平移動輸入電壓，以生成激勵電晶體N2的基極的電壓。如波形3所示，激勵電晶體N2的發射極電壓下降一個Vbe，並且應用於開關電晶體N1的基極。在正半周期開始時，激勵電晶體N2作為發射極輸出放大器，其輸出(發射)電壓遠遠低於開關電晶體N1的接通電壓，因此開關電晶體N1斷開。如圖7所示，當信號增加時，激勵電晶體N2接通開關電晶體N1，並使其飽和。如圖8所示，電流通過RF扼流圈L和開關電晶體N1，並且當電容Cout放電時，輸出電壓降低。當接近正半周期的末端時，激勵電晶體N2的輸出電壓降到開關電晶體N1的接通電壓以下，從而允許其斷開。選擇電阻R1的值以至開關電晶體N1快速斷開。電流繼續通過RF扼流圈L，對電容Cout充電，並使輸出電壓提高。
參照圖9，該圖為RF開關式放大器的一部分的示意圖，其中有源設備開關為具有漏極、源極和柵極引出線的FET電晶體(MESFET、JFET、PHEMT等)。通過RF扼流圈L1，將FET電晶體M1的漏極連接到操作電壓VPA，同時連接到輸出網絡。將FET電晶體的源極連接到電路(AC)接地。
通過一個大值電阻R1，從電源-VB偏壓FET電晶體的柵極，並且通過一個DC隔離電容C1，將其連接到以推挽結構連接的一對雙極電晶體(激勵電晶體)。激勵電晶體包括一個NPN電晶體N1和一個PNP電晶體P1。將NPN激勵電晶體N1的集電極連接到操作電壓VCC，同時連接到旁路電容。將PNP激勵電晶體的集電極連接到負參考電壓-VB，同時連接到旁路電容。以公用方式連接激勵電晶體的基極。大值電阻R2和R3連接各電源幹線的公共節點。
以公用基極配置方式連接NPN雙極電晶體N2。通過電阻R4，將雙極電晶體的發射極連接到-VB，並且通過電容C3將其連接到RF輸入信號。通過電感L2，將雙極電晶體的集電極連接到VCC，同時連接到旁路電容。
參照圖10，該圖表示圖9的電路的輸入電壓波形1-4。將輸入電壓1向下水平移動一個Vbe(生成電壓2)，然後應用於雙極電晶體N2的發射極。利用電感L2的影響，在雙極電晶體N2集電極生成一個大電壓擺動3。向下水平移動以上電壓擺動，以生成電壓4，將電壓4應用於節點N的激勵電晶體的基極。操作中，在正半周期期間，最初斷開雙極電晶體N2。電流通過電感L2進入與電晶體對的基極相連的電容C2，從而使得NPN電晶體N1接通，並使得PNP電晶體P1斷開(圖11)。從VCC電源對DC隔離電容C1充電，從而增加FET M1的柵極勢能，使其接通(圖12)。在負半周期期間，接通雙極電晶體N2。電流通過電感L2，通過電晶體N2，到達-VB幹線。電流流出PNP電晶體P1的基極，接通該電晶體。DC隔離電容C1放電，從而降低FET M1的柵極勢能，使其斷開。輸出網絡按照上述相同方式運行。
一般技術人員可以理解，可以以其他特定方式體現本發明而並不背離其實質和本質特徵。因此，無論從那一點來看，所公開的實施方式都是說明性的，而不是限制性的。由附屬權利要求書而不是由上述說明定義本發明的範圍，並且權利要求書包含其等價含義和範圍內的所有更改。
權利要求
1.一種單端開關式RF放大器，包括一個RF輸入信號；一個具有控制終端的有源設備；以及一個激勵電路，用於接收RF輸入信號並控制應用於控制終端的信號，以便以開關方式操作有源設備。
2.權利要求1的裝置，其中有源設備為具有集電極、基極和發射極的雙極開關電晶體。
3.權利要求2的裝置，其中激勵電路包括具有集電極、基極和發射極的雙極激勵電晶體，將雙極激勵電晶體的發射極連接到雙極開關電晶體的基極。
4.權利要求3的裝置，其中將RF輸入信號連接到雙極激勵電晶體的基極。
5.權利要求4的裝置，其中通過DC隔離電容，將RF輸入信號連接到雙極激勵電晶體的基極。
6.權利要求1的裝置，其中有源設備為具有漏極、源極和柵極的FET開關電晶體。
7.權利要求6的裝置，其中激勵電路包括一對雙極激勵電晶體，每個電晶體具有一個集電極、一個基極和一個發射極，並且以推挽結構連接，將上級激勵電晶體的發射極連接到FET開關電晶體的柵極。
8.權利要求7的裝置，還包括另一個具有集電極、基極和發射極的雙極電晶體，以共用基極配置方式連接雙極電晶體，將雙極電晶體的集電極連接到雙極電晶體對的基極。
9.權利要求8的裝置，其中將RF輸入信號連接到另一個雙極電晶體的發射極。
10.權利要求9的裝置，其中通過DC隔離電容，將RF輸入信號連接到另一個雙極電晶體的發射極。
11.權利要求8的裝置，其中通過一個電感，將另一個雙極電晶體的集電極連接到操作電壓。
12.權利要求1的裝置，其中通過一個電抗元件，將操作電壓應用於有源設備。
13.權利要求12的裝置，還包括改變操作電壓以控制RF輸出功率的裝置。
全文摘要
一般而言,本發明提供一種RF放大電路體系結構,該結構能夠在不使匹配網絡和負載網絡複雜化的情況下,獲得高效率。有源設備可以是雙極電晶體類型或FET(場效應電晶體)類型。提供各類有源設備的簡單激勵電路。根據本發明的一種實施方式,單端開關式RF放大器包括一個RF輸入信號;一個具有控制終端的有源設備;和一個非諧振激勵電路,用於接收RF輸入信號並控制應用於控制終端的信號,以便以開關模式操作有源設備。
文檔編號H03C5/00GK1371546SQ00812057
公開日2002年9月25日 申請日期2000年7月31日 優先權日1999年7月29日
發明者溫德爾·桑德, 小厄爾·W·麥丘恩, 羅納德·A·邁克 申請人:特羅皮亞恩公司