高頻發射機中的功率調節的製作方法

2023-10-06 12:26:44 3

專利名稱：高頻發射機中的功率調節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於調節發射機的輸出功率的設備和方法，尤其是用於調節射頻發射機的輸出功率的設備和方法。
在採用CMOS工藝生產半導體元件的過程期間，過程參數會有相對大的波動。這導致CMOS半導體元件的部件特性有劇烈波動。在使用CMOS工藝生產的功率放大器的情況下，這導致輸出功率相當大的變化。在這種情況下，尤其是在射頻發射機中，通常出現幾個dB的功率差，在射頻發射機中，根據調製信號產生經過調製的並且被放大的射頻傳輸信號。
另外，如果發生溫度波動，則半導體元件的特性也發生變化，並且在放大器的情況下，這導致另外的輸出功率的波動。
眾所周知，模擬控制器可被使用，所述模擬控制器補償部件特性的取決於溫度的波動。然而，COMS半導體元件具有高度複雜的溫度響應，該溫度響應需要高度複雜性來達到令人滿意的結果。此外，這樣的控制器並不允許補償由生產過程引起的部件特性的波動。
另外，眾所周知設置控制迴路，其中放大器的輸出功率被測量，並且該放大器的輸入信號被調節。如果放大器輸出處的負載由沒有更詳細地說明的負載形成，諸如是不匹配的天線，則要求有特殊的預防措施，以便降低對功率測量的反應效應，並且這些反應效應能導致被破壞的測量結果。例如，為此目的需要定向耦合器，該定向耦合器必須被布置在外部，也就是說，該定向耦合器不在集成電路之內。因此，這種類型的功率測量增加了部件的數量，這導致了增加的空間要求、增加的整個設備所汲取的電流、以及增加的生產成本。
補償由生產過程引起的部件特性的波動的又一選擇方案是在生產之後單獨測量每個發射電路並根據測量結果校準該發射電路。因為過高的成本，所以這種選擇方案是不可實行的。
本發明的目的是說明一種用於調節發射機(尤其是射頻發射機)的信號功率的節省成本的設備和涉及較少工作的方法，該設備和方法能補償由部件特性的波動引起的信號功率波動。
這個目的通過獨立權利要求的特徵來實現。本發明的有利的擴展方案和改進方案在從屬權利要求中被說明。
本發明利用了以下事實，即如果與負載去耦合地測量電壓，則信號功率能藉助電壓測量間接地被確定。
為此目的，本發明設置具有受控系統、電壓檢測器、評估電路以及輸入放大元件的控制迴路，該受控系統產生模擬輸出信號，該電壓檢測器基於該模擬輸出信號產生檢測器信號，該評估電路接收該檢測器信號並產生評估信號，該輸入放大元件用於根據該評估信號來放大受控系統的輸入信號。本發明還設置去耦元件，該去耦元件被連接在控制迴路下遊並將控制迴路的輸出與下遊的電氣負載去耦合。
其輸出功率由其輸入電壓控制的去耦元件將控制迴路的輸出與負載去耦，該負載被連接在去耦元件的下遊，並且該負載的輸入阻抗通常是未知的。因此，去耦元件的輸出功率能以一種簡單的方式通過在其輸入處的電壓測量被確定。因此，控制迴路能基於去耦元件輸入處的單個電壓測量來調節去耦元件輸出處的信號功率。為此目的，不需要複雜的信號功率測量。
本發明使得無需任何反應而重新調整信號功率的波動成為可能。特別地，尤其是對於受控系統中的部件而言，由生產過程和由溫度引起的部件特性的波動和耗散被重新調整。這使得有效地和簡單地抵消部件特性中的甚至大的波動成為可能，諸如抵消那些例如在CMOS半導體元件中出現的波動。本發明降低了過程波動對輸出功率的影響，而對所汲取的整個電流沒有任何負面影響。
根據本發明的一個特別有利的改進方案，去耦元件是放大元件，例如是多級放大器的最後一級，該多級放大器的第一級是受控系統的部分。這種情況下的電壓檢測器在放大元件的驅動中分接電壓，也就是說，在多級放大器的最後一級的驅動中分接電壓。
根據本發明的另一有利的改進方案，放大元件具有共射-共基放大器，這導致輸入電壓與輸出功率之間的基本上是線性的關係。這個線性意味著，評估電路可被設計成特別簡單的電路。
根據本發明的一個有利的改進方案，來自受控系統的輸出信號由交流電壓信號形成，特別是由如例如適於傳輸無線電信號的射頻信號形成。這允許電壓檢測器以特別簡單的形式被設計為電壓峰值檢測器。這種情況下的電壓峰值的大小提供去耦元件的輸入電壓的量度，並且因此也提供去耦元件的輸出功率的量度。例如，電壓峰值檢測器可由交叉耦合的CMOS電晶體形成，這意味著電壓測量只需要兩個有源部件。這最小化獲得電壓或功率測量結果的複雜度，以及最小化測量所必需的部件所汲取的電流。
根據本發明的一個優選的改進方案，控制迴路和去耦元件被布置在一個集成電路內，並且特別是利用相同的半導體工藝(例如CMOS工藝)來設計。這一方面導致所使用的部件數量被最小化，並且因此導致所需空間被最小化，而且特別是導致根據本發明的設備的功率消耗被最小化。在另一方面，這允許控制迴路也補償去耦元件的部件特性的波動。作為將去耦元件和控制迴路一起布置在相同的集成電路內的結果，去耦元件具有部件特性波動，該部件特性波動對應於受控系統中的部件的部件特性波動。這不僅用於由生產過程引起的部件特性波動，而且也用於那些取決於溫度的部件特性波動。因此，能使用受控系統中的部件的部件特性的波動來推斷去耦元件的部件特性的波動。控制迴路內的去耦元件的部件特性的波動和耗散能以簡單的方式通過在由評估電路確定評估信號時進行適當加權來補償。有效監控去耦元件輸出處的信號功率因此是可能的。
本發明使得在一個集成電路內實現功率測量是可能的。對於複雜的功率測量不需要藉助功率檢測器，該功率檢測器形成在集成電路的外部的專用部件。這避免了諸如在集成電路外部的部件的複雜線路。
此外，可行的是包括被連接到去耦元件的其它部件的部件特性以及在確定評估信號時的經驗值，這些部件諸如下遊的放大器，例如通常是外部的放大器。另外，其它變量(諸如溫度)可被用於確定評估信號。
根據本發明的一個進一步優選的改進方案，評估電路發出數字評估信號，該數字評估信號可被用來以所定義的步長改變信號功率。
有利地，受控系統的至少一個輸入信號同樣是數字的，並且輸入放大元件包括乘法單元，該乘法單元將該數字評估信號與該至少一個數字輸入信號邏輯連結。這允許受控系統的輸入信號以簡單的方式被放大，並且受控系統的輸出功率和去耦元件的輸出功率被調節。
將在下文參考一個示例性實施例並結合附圖更詳細地解釋本發明，其中

圖1示出射頻發射機內的根據本發明的設備的一個示例性實施例；以及圖2示出電壓峰值檢測器的一個示例性實施例。
圖1示出了射頻發射機，該射頻發射機將調製信號的I和Q值變換成經過I調製的和經過Q調製的傳輸信號，將該信號放大，以及將該信號發射給天線4。射頻發射機包括數字矢量調製器1、控制迴路2和去耦元件3，該去耦元件3具有已知的並且基本上為常數的輸入阻抗。控制迴路2和去耦元件3位於一個集成電路內，並且使用相同的半導體工藝(例如CMOS工藝)來製造。其它放大元件(未示出)可被連接到去耦元件3，並且同樣位於該集成電路上或者被布置在該集成電路的外部。
數字矢量調製器1將數字I和Q值傳到控制迴路，這些數字I和Q值通過受控系統21內的兩個數字/模擬轉換器22、22′被轉換為兩個模擬信號。這兩個模擬信號被傳到模擬矢量調製器23。本地振蕩器產生射頻載波信號以及移相90°的載波信號的版本。在模擬矢量調製器23中，這兩個射頻信號與來自數字/模擬轉換器22、22′的兩個模擬信號相乘，並被混合以形成經過I/Q調製的傳輸信號。該傳輸信號在前置放大器24中被放大，並被傳到去耦元件3。去耦元件3包括放大元件。特別地，該前置放大器24與去耦元件3一起形成多級放大器，該多級放大器的最後一級代表去耦元件3。
該調節機構包括電壓峰值檢測器31、評估電路32以及輸入放大元件33。電壓峰值檢測器31在去耦元件3的輸入處和/或在多級放大器24、3的最後一級的驅動中確定射頻傳輸信號中的電壓峰值的大小，並且將測量結果或檢測器信號傳到評估電路32。評估電路32以輸出值44的形式產生數字評估信號，該輸出值44被傳到輸入放大元件33。在輸入放大元件33中，控制迴路的數字輸入信號、調製信號的I和Q值在乘法單元34、34′中與數字評估信號(也就是說輸出值44)相乘。因此，來自兩個數字/模擬轉換器22、22′的輸出信號一致地被放大，結果，模擬矢量調製器23將相應被放大的傳輸信號發射給前置放大器24，並且射頻發射機將相應被放大的輸出信號發射給發射天線4。
電壓峰值檢測器31將測量信號發射給評估電路32的頻率是可變的。電壓峰值檢測器31有利地給每個所發射的數據單元僅發射一個測量信號，尤其是給每個所發射的數據突發僅發射一個測量信號。測量信號因此是整個數據突發的發射功率的量度。由於每個所發射的數據突發只有一個功率匹配過程發生，並且電壓峰值檢測器31的積分時間因此比由調幅產生的功率波動的持續時間長很多，所以本發明還可被用於調幅信號的功率調節。評估電路32包括窗口比較器41，該窗口比較器41從電壓峰值檢測器31接收測量信號。窗口比較器41檢查檢測器信號是否在規定窗口內，該規定窗口通過上面的和下面的比較電壓來限定。如果檢測器信號超過或低於該規定窗口，則窗口比較器41將減少的或增加的信號42分別發送給計數器43，該計數器43的計數因此分別被減少或被增加。
數字評估信號或輸出值44是基於計數器43的計數來確定的。新的輸出值44被確定，以致信號功率以所定義的步長(例如以1.5到2dB為步長)變化。新的輸出值44的確定可以包括一權重，該權重考慮到多級放大器24、3的最後一級3(該級被定位在受控系統的外部)以及去耦元件3。此外，當在去耦元件3的下遊設置外部放大器時，自平衡過程能被實現。
輸出值44能基於軟體或硬體由過程控制器(未示出)來確定。為此目的，在最簡單的情況下，計數被加到初始輸出值，並且總數本身或由總數(例如以適當加權的形式)所計算的值作為輸出值44被發射。初始輸出值有利地被存儲在非易失性存儲部件中，以便即使在開始時也能提供輸出值44的良好的估計。在最簡單的情況下，開始的計數為零。還提供其它確定輸出值的算法。例如，輸出值能基於該計數與預定加權因子相乘來確定。
在一個優選的實施例中，可能的輸出值44被存儲在非易失性存儲部件(未示出)中，例如被存儲在ROM表中。所存儲的輸出值44已經相對於去耦元件3以及可能其它的放大元件被加權和/或與它們匹配，該去耦元件3位於受控系統之外，該其它放大元件被連接在去耦元件3的下遊。計數器43的當前計數確定哪個入口從ROM表中被選擇。當計數被減少或被增加時，下一個較低或下一個較高的輸出值44從非易失性存儲部件(ROM表)中被選擇，並被發射到輸入放大元件33。基於ROM表確定輸出值44也能與基於軟體的控制組合。
在進一步優選的實施例中，輸出值44和/或關於哪個輸出值44最近被使用以及哪個輸出值應當在開始被使用的信息被存儲在非易失性存儲部件中，以便為重新開始提供輸出功率的良好的估計。
圖2示出了具有交叉耦合的CMOS電晶體T1、T2的電壓峰值檢測器31的一個示例性實施例。來自受控系統的微分的、模擬輸出信號經由接線RFIN、RFINX被注入到電壓峰值檢測器31中。在射頻信號的相應的正和負半周期期間，通過兩個電晶體T1、T2的漏源路徑交替接通，結果，電容器C1被充電，並且峰值電壓U峰值也被分接。此外，在微分射頻信號的情況下，需要普通模式的信號Urms用於進行電壓測量。這藉助於低通濾波器R1或R2和C2來完成。電壓峰值檢測器31在這種情況下發射到評估電路32的測量結果或檢測器信號包括兩個測量值U峰值和Urms。
權利要求
1.一種用於調節發射機的信號功率的設備，該設備具有控制迴路(2)，該控制迴路(2)包括—受控系統(21)，該受控系統(21)產生模擬輸出信號，—電壓檢測器(11)，該電壓檢測器(11)基於該模擬輸出信號確定檢測器信號；—評估電路(32)，該評估電路(32)接收該檢測器信號並產生評估信號，以及—輸入放大元件(33)，該輸入放大元件(33)用於根據該評估信號放大受控系統(21)的輸入信號，並且該設備具有去耦元件(3)，該去耦元件(3)將該控制迴路(2)的輸出與下遊的電氣負載(4)去耦合。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述去耦元件(3)包含放大元件。
3.如權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述放大元件(3)的輸出處的信號功率基本上線性地取決於所述放大元件(3)的輸入處的電壓。
4.如上述權利要求之一所述的設備，其特徵在於，來自所述受控系統(21)的輸出信號是交流電壓信號、尤其是射頻信號。
5.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述電壓檢測器(31)包括電壓峰值檢測器。
6.如權利要求5所述的設備，其特徵在於，所述電壓峰值檢測器(31)具有跨接CMOS電晶體。
7.如一個或多個上述權利要求所述的設備，其特徵在於，所述整個設備被布置在一個集成電路內。
8.如一個或多個上述權利要求所述的設備，其特徵在於，所述評估電路(32)發射數字評估信號(44)。
9.如權利要求8所述的設備，其特徵在於，—所述受控系統(21)的輸入信號是數字輸入信號，以及—所述輸入放大元件(33)包括乘法單元(34，34′)，該乘法單元(34，34′)將所述數字評估信號(44)與所述至少一個數字輸入信號邏輯連結。
10.如一個或多個上述權利要求所述的設備，其特徵在於，所述評估電路(32)具有窗口比較器(41)，該窗口比較器(41)接收所述檢測器信號。
11.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述評估電路(32)具有計數器(43)，當所述檢測器信號超出或低於規定窗口時，所述窗口比較器(41)將減少信號或增加信號(42)發射到該計數器(43)，從而分別減少或者增加該計數器(43)的計數。
12.如權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述評估電路(32)具有非易失性存儲元件，在該非易失性存儲元件中存儲初始輸出值(44)，並且所述數字評估信號的輸出值(44)的確定包括將所述計數器(43)的計數增加到該初始輸出值(44)。
13.如權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述評估電路(32)具有非易失性存儲部件、尤其是具有ROM表，其中存儲所述數字評估信號的可能的輸出值，並且其中基於所述計數選擇一個輸出值(44)。
14.如一個或多個上述權利要求所述的設備，其特徵在於，所述受控系統(21)具有數字/模擬轉換器(22，22′)，該數字/模擬轉換器(22，22′)將所述受控系統(21)的數字輸入信號轉換為模擬信號。
15.如一個或多個上述權利要求所述的設備，其特徵在於，所述受控系統(21)包括模擬矢量調製器(23)，尤其是包括使用CMOS工藝製造的矢量調製器。
16.如權利要求14和15所述的設備，其特徵在於，所述數字輸入信號包括調製信號的I和Q值，並且所述模擬輸出信號表示經過I/Q調製的傳輸信號。
17.如一個或多個上述權利要求所述的設備，其特徵在於，所述受控系統(21)包括前置放大元件(24)，尤其是包括使用CMOS工藝製造的前置放大元件。
18.如上述權利要求17所述的設備，其特徵在於，多級放大器的放大級延續所述前置放大元件(24)和所述去耦元件(3)。
19.一種射頻發射機，其包括如權利要求1至18中的一個或多個所述的設備，該設備的輸出被連接到發射天線(4)。
20.一種用於調節發射機的信號功率的方法，其中，在控制迴路(2)中，—受控系統(21)產生模擬輸出信號，—電壓檢測器(31)基於該模擬輸出信號確定檢測器信號，—評估電路(32)接收該檢測器信號和產生評估信號(44)，以及—輸入放大元件(33)根據該評估信號(44)放大受控系統的輸入信號，以及其中，去耦元件(3)將來自受控系統的模擬輸出信號與下遊的電氣負載(4)去耦合。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述去耦元件(3)包括放大元件，該放大元件發射信號功率，該信號功率基本上線性地取決於其輸入處的電壓。
22.如權利要求20或21之一所述的方法，其特徵在於，所述整個調節過程在一個集成電路內實現。
23.如權利要求20至22之一所述的方法，其特徵在於，所述評估電路(32)發射數字評估信號(44)。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，—所述受控系統(21)的輸入信號是數字輸入信號，以及—所述輸入放大元件(33)包括乘法單元(34，34′)，該乘法單元(34，34′)將所述數字評估信號(44)與所述至少一個數字輸入信號邏輯連結。25.如權利要求20至24之一所述的方法，其特徵在於，窗口比較器(41)接收所述檢測器信號。
26.如權利要求25所述的方法，其特徵在於，當所述檢測器信號超出或低於規定窗口時，所述窗口比較器(41)將減少信號或增加信號(42)發射給計數器(43)，從而分別減少或者增加該計數器(43)的計數。
27.如權利要求26所述的方法，其特徵在於，來自所述評估電路的數字評估信號的輸出值(44)基於所述計數來確定。
28.如權利要求27所述的方法，其特徵在於，初始輸出值(44)被存儲在非易失性存儲部件中，並且所述輸出值(44)的確定包括將所述計數器(43)的計數增加到所述初始輸出值(44)。
29.如權利要求27所述的方法，其特徵在於，所述數字評估信號的可能的輸出值(44)被存儲在非易失性存儲元件中，尤其是被存儲在ROM表中，並且一個輸出值(44)基於所述計數被選擇。
30.如權利要求20至29中的一個或多個所述的方法，其特徵在於，所述數字輸入信號包括調製信號的I和Q值，並且所述模擬輸出信號代表經過I/Q調製的傳輸信號。
31.一種用於如權利要求19所述的射頻發射機的操作方法，該操作方法包括如權利要求20至30中的一個或多個所述的方法。
全文摘要
一種用於調節發射機的信號功率的設備包括控制迴路(2)，該控制迴路(2)包括受控系統(21)、電壓檢測器(31)、評估電路(32)和輸入放大元件(33)。去耦元件(3)將控制迴路(2)的輸出與下遊的電氣負載(4)去耦合。
文檔編號H03G3/30GK1998157SQ200580014860
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月4日 優先權日2004年5月12日
發明者A·漢克 申請人:英飛凌科技股份公司