CN101263652A - 用于调节功率放大器的输出阻抗的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可调输出阻抗的功率放大器。根据本发明的功率放大器可用于例如将射频传输信号馈入到移动通信设备的天线。通过调节功率放大器的输出级晶体管301的工作点来将根据本发明的功率放大器的输出阻抗的实部与负载功率放大器的阻抗的实部进行匹配。

Description

用于调节功率放大器的输出阻抗的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于通信设备的发射机。本发明特别地涉及具有其输出阻抗是可调的功率放大器的发射机。

背景技术

在电气***中，当负载和源的阻抗相对于彼此匹配时，将获得负载和源之间的最大功率传输，这最小化了负载和源之间的反射损失。在许多电气设备中，源是功率放大器而负载可以例如是天线或线路变压器。例如，在移动通信设备中，天线阻抗随频率和外部环境显著地变化，造成天线和馈送天线的功率放大器之间阻抗失配。具有对天线阻抗影响的外部环境的例子是邻近于天线的用户的手指的位置，即，“手指效应”。在移动通信设备中，天线阻抗可在大的范围上变化，其特征在于电压驻波比(VSWR)达到10∶1。对于发射机的功率放大器，阻抗失配对功率损失、最大可实现输出功率和线性度具有不利的影响。阻抗失配也可改变双工滤波器的频率响应，因为高品质值(高Q)滤波器对其负载和电源阻抗的改变很敏感。由于上述原因，需要源和负载之间的阻抗匹配。

图1表示出在示例性的应用环境中根据现有技术的阻抗匹配***。在图1中示出的设置具有发射机/接收机前端111、可调阻抗匹配***110和天线101。发射机/接收机前端111具有发射机(TX)功率放大器102、接收机(RX)放大器103和双工滤波器104。可调阻抗匹配***具有测量电路105、可调阻抗匹配电路106和控制器107。测量电路105测量天线阻抗，即，在节点108和针对天线101的信号地线之间观察到的阻抗。在测量期间，阻抗匹配电路106不得不被旁路或当使用测量的阻抗值时必须由后处理补偿其对测量的阻抗值的影响。基于测量的阻抗值，控制器107将可调阻抗匹配电路106的可调电路组件配置到这样的位置，使得在节点109和针对可调阻抗匹配***110的信号地线之间观察到期望的阻抗水平。

在图1中示出的***的阻抗匹配的要求是使得在匹配频率处，针对阻抗匹配***110，在节点109处观察到的阻抗是针对发射机/接收机前端111在节点109处观察到的阻抗的复共轭。更为概括地说，两个互连电气***之间的阻抗匹配可由如下要求表示，针对第一电气***的阻抗必须是针对第二电气***的阻抗的复共轭。在实际的***中，阻抗不需要是，并且在一般情况下，它们也不可能是相对于彼此的精确复共轭，而是电气***之间的阻抗失配低于可接受的限度就足够了。在该文档的剩余部分，基本上彼此共轭阻抗的要求被称为“阻抗匹配条件”。

可调阻抗匹配电路106的示例电路拓扑是在图2中示出的级联L拓扑。另外，在图2中表示出不属于可调阻抗匹配电路210的源220(例如移动通信设备的发射机/接收机前端)以及负载221(例如移动通信设备的天线)。阻抗Zs 201代表源220的阻抗，阻抗ZL 207代表负载221的阻抗，并且理想的电压源e_s 202代表由源220所生成的电压。可调阻抗匹配电路210包括固定值电感器205、206和可变值电容器203、204。可变值电容器可以由开关组件来实现，从而固定值电容器的电连接可在一个或多个开关的帮助下改变，该一个或多个开关可以例如是FET-开关(场效应晶体管)，或可变电容器可以是微电子机械(MEMS)电容器，如在US 6,670,864中所述，将其作为参考并入在此。可变值电容器也可以是持续地可变(变容二级管)。

如从图2中可见，可调阻抗匹配电路210的拓扑是相当的复杂。原因在于事实上可调阻抗匹配电路210必须能够匹配在两个互连的电气***边界上的阻抗的实部和虚部两者。换句话说，可调阻抗匹配电路210必须提供足够的自由度。在图2中，阻抗匹配意味着针对可调阻抗匹配电路210从节点209看到的阻抗Z1212是源阻抗Zs201的复共轭，即，Z1＝Zs^*。通过要求阻抗Z1和Zs的实部相等而虚部相对于彼此是相反的，我们得到两个独立的等式，其中可调电容器203、204的电容值C1和C2是独立的变量。所述电容值C1和C2可以从所述等式解得。然而，解出C1和C2的值所需的数学操作是相当的复杂。所需的数学操作的复杂度由下面对应于其中假设源阻抗Zs201是实数值的简化情况的等式来示出。用于C1和C2的等式是：

$C1=\frac{\sqrt{\frac{1}{\mathrm{Ra}}[D1+D2+\sqrt{D3}]}}{D4},---\left(4\right)$

并且

$C2=\frac{T1+\sqrt{T2}}{T3},---\left(2\right)$

其中：

D1＝RL(ωL1)²+Zs(ωL2)²+2ωL2XL Zs+RL Zs²+XL²Zs+RL²Zs，

D2＝2Zs，

D3＝RL((ωL2)²Zs+RL²Zs+2ωL2XL Zs-(ωL1)²RL+XL²Zs)，

D4＝Zsω²L1，

T1＝(ωL2)²+ω²L1L2+2ωL2XL+ωωL1XL+RL²+XL²，

T2＝(ωL2)²RL Zs+RL³Zs+2ωL2XL RL Zs-(ωL1)²RL²+XL²RL²，

T3＝ω²L1((ωL2)²+XL²+RL²+2ωL2XL)，

其中ω是2π×执行阻抗匹配时的频率，并且RL和XL是在该频率处的负载阻抗ZL 207的实部和虚部。当从等式(1)和(2)获得的值C1和C2被赋予电容器203和204时，在节点209和针对阻抗匹配电路210的信号地线之间观察到的阻抗212具有与阻抗201相同的值，即，Z1＝Zs(假设Zs是实数，即，Zs＝Zs^*)。

自适应阻抗匹配电路的复杂拓扑意味着相对高数量的组件，例如电感器和电容器。每个组件意味着成本、空间需求和功率损耗。常常，至少电感器必须被实现为离散组件意味着在生产线中将组装的组件数目的增加。与阻抗匹配关联的数学操作的复杂度是棘手的问题，尤其当旨在具有短的中间时段的连续的时刻来执行阻抗匹配，从而能够跟随变化的情况时，变化的情况例如移动通信设备的天线的阻抗的瞬时变化。数学所需的处理能力意味着成本、对空间的需要和对功率的需要。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有其输出阻抗可与负载阻抗匹配的功率放大器的发射机，从而消除或减小与现有技术关联的限制和缺陷。另外，本发明的一个目的是提供一种具有其输出阻抗可与负载阻抗匹配的功率放大器的移动通信设备，从而消除或减小与现有技术关联的限制和缺陷。本发明的另一个目的是提供可用于例如移动通信设备中的一组集成电路(芯片组)，从而消除或减小与现有技术关联的限制和缺陷。另外，本发明的一个目的是提供一种用于将功率放大器的输出阻抗与负载阻抗匹配的方法，从而消除或减小与现有技术关联的限制和缺陷。

以一种解决方案来实现本发明的目的，在该解决方案中，通过调节功率放大器的输出级晶体管的工作点，或在例如推挽功率放大器的双侧功率放大器的情况下的输出级晶体管，来将功率放大器的输出阻抗的实部与负载阻抗的实部匹配。

相比较于现有技术的解决方案，本发明产生了适当的优势：

-不需要应用中的单独的阻抗匹配电路，其中通过仅将功率放大器的输出阻抗的实部与负载阻抗的实部进行匹配可获得阻抗匹配的足够品质。

-相比较于能够匹配实部和虚部两者的阻抗匹配电路，用于仅将功率放大器的输出阻抗的虚部与负载阻抗的虚部进行匹配的阻抗匹配电路明显更简单。

-减小与阻抗匹配关联的数学操作的复杂度。

-由于上述的优势，包括其输出阻抗与负载阻抗匹配的功率放大器的***的功率损失、所需空间和成本被减小。

根据本发明，一种用于通信设备的发射机，其特征在于所述发射机包括：

-功率放大器，其具有耦合在功率放大器的信号输入接口和功率放大器的信号输出接口之间的至少一个输出级晶体管，

-控制装置，被设置成调节输出级晶体管的工作点，以优化在功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

-可控增益单元，其设置成基本上补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的变化。

根据本发明的一种移动通信设备，其特征在于其包括：

-功率放大器，其具有耦合在功率放大器的信号输入接口和功率放大器的信号输出接口之间的至少一个输出级晶体管，

-控制装置，被设置成调节输出级晶体管的工作点以优化在功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

-可控增益单元，其设置成基本上补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的变化。

-根据本发明，一组用于构建发射机的集成电路，其特征在于该组集成电路在一个或多个集成电路中包括下面的元件：

-功率放大器，其具有耦合在功率放大器的信号输入接口和功率放大器的信号输出接口之间的至少一个输出级晶体管，

-控制装置，被设置成调节输出级晶体管的工作点，以优化在功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

-可控增益单元，其设置成基本上补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的变化。

根据本发明，一种用于将功率放大器的输出阻抗与负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗进行匹配的方法，其特征在于其包括：

-调节功率放大器的输出级晶体管的工作点，以优化在功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

-通过调节功率放大器的输入信号的功率来至少部分地补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的变化。

下面描述本发明的各种有利实施方式的特征。

在本文档中示出的本发明的示例性实施方式不旨在解释为对所附权利要求的实用性进行限制。在本文档中使用的动词“包括”作为开放式的限定，其不排除未提及的特征的存在。在从属权利要求中记载的特征可彼此自由地组合，除非明确地指出。

附图说明

下面将参考例子示出的优选实施方式和参考附图来更为详细地解释本发明及其其他优势，附图中

图1示出在示例性应用环境中根据现有技术的阻抗匹配***；

图2示出根据现有技术的用于可调阻抗匹配电路的示例电路拓扑；

图3a、3b、3c和3d示出根据本发明的实施方式的发射机；

图4a和4b示出根据本发明的用于功率放大器的双极输出级晶体管和用于功率放大器的FET型输出级晶体管的线性化模型；

图5示出根据本发明的功率放大器的输出级晶体管的原理性特性曲线；

图6示出根据本发明的一个实施方式的具有推挽型功率放大器的发射机；

图7a和7b示出根据本发明的实施方式的具有可调电抗元件的发射机；

图8a和8b示出根据本发明的一个实施方式的可用于发射机中的可调电抗元件的例子；

图9示出根据本发明的一个实施方式的移动通信设备；

图10示出根据本发明的一个实施方式的一组集成电路的例子；以及

图11示出根据本发明的一个实施方式的用于将功率放大器的输出阻抗与负载的阻抗进行匹配的方法的流程图。

具体实施方式

已经在现有技术的描述中解释了图1和图2。

图3a示出根据本发明的一个实施方式的发射机。在该实施方式中，发射机的功率放大器300具有单端输出级，该单端输出级具有一个双极输出级晶体管301。块350代表负载功率放大器300的发射机的部件。块350可包括例如双工器、天线前端和天线。块350耦合到功率放大器300的信号输出接口311。功率放大器在信号输入接口310处接收输入信号。信号输入接口310经由dc-去耦电容器304耦合到输出级晶体管301的基极320。基极也馈入有部分地确定输出级晶体管301的工作点的dc-电流ib0。输出级晶体管的工作点也通过经由ac-去耦电感器302耦合到输出级晶体管的集电极321的电源dc-电压Vdd来确定。输出级晶体管的发射极322连接到信号地线。在本文档的延续部分，dc-电流ib0称为工作点基极电流，并且基本上等于电源dc-电压Vdd的集电极-发射极电压Uce的dc-分量被称为工作点集电极-发射极电压Uce0。如果在信号输入接口310没有接收到输入信号，则基极电流ib等于工作点基极电流ib0，并且集电极-发射极电压Uce等于工作点集电极-发射极电压Uce0。当接收到输入信号时，根据RF输入信号的值，输出级晶体管301的工作状态偏离于工作点。

输出级晶体管的集电极321经由dc-去耦电容器305和经由传感器装置306耦合到信号输出接口311。传感器装置被设置成检测功率放大器的输出阻抗Zout和耦合到信号输出接口311的块350的输入阻抗ZL之间的阻抗失配。传感器装置306可以是能够检测阻抗失配的任意设置，例如，定向开关，其能够将针对块350流动的信号与由于输出阻抗Zout和输入阻抗ZL之间的失配造成的在信号输出接口311处反射回的信号分离。指示可能的阻抗失配的结果334被馈入控制装置307，该控制装置307被设置成通过调节输出级晶体管301的工作点来优化在功率放大器的输出阻抗Zout和输入阻抗ZL之间的阻抗匹配。在本实施方式中，由传感器装置306递送的结果334构成控制装置307优化阻抗匹配所根据的信息。控制装置307包括控制单元308和可控电压源303。可控电压源303生成电源dc-电压Vdd，即，工作点集电极-发射极电压Uce0。通过调整电源dc-电压Vdd的值，输出级晶体管的工作点被调节，从而输出阻抗Zout和输入阻抗ZL之间的阻抗匹配被优化。对应于最优阻抗匹配的工作点是其中在信号输出接口311处反射回并且以例如定向开关检测到的信号的功率具有与流向块350的信号成比例的最小值的工作点。可控电压源303可以实现为例如开关模式电源单元。

根据本发明的另一实施方式，通过调节功率放大器300的电源电流i_s的dc-分量，即，集电极电流ic的dc-分量，输出级晶体管301的工作点被调节。然而，事实上，通过调节电源电流的dc-分量来调节工作点比通过调节电源dc-电压Vdd来调节工作点更为复杂，因为集电极电流ic的dc-分量的相对小的改变将造成工作点集电极-发射极电压的相对大的改变。

可例如利用下面基于阻尼定向查找方法的算法来查找该最优工作点：

-算法的开始：当电源dc-电压具有其起始值Vdd时，测量阻抗失配，

-阶段1：当电源dc-电压＝Vdd+ΔU时以及当电源dc-电压＝Vdd-ΔU时，测量阻抗失配，

-阶段2：将电源dc-电压设置成从来自给出最佳阻抗匹配的组{Vdd，Vdd+ΔU，Vdd-ΔU}的值，

-阶段3：如下确定定向查找步长S：

-如果新的Vdd＝前一Vdd+ΔU，则令S＝ΔU，

-如果新的Vdd＝前一Vdd-ΔU，则令S＝-ΔU，

-如果Vdd没有改变并且ΔU大于预定的限度(ΔU＞ε)，则进入到阶段1，其中新的ΔU比前一使用的ΔU更小(阻尼)。

-如果Vdd没有改变，但ΔU不大于预定的限度，则最优电源dc-电压是通行的Vdd并且查找已经完成，即，算法结束。

-阶段4：以S更新电源dc-电压(新的Vdd＝前一Vdd+S)并且只要阻抗匹配变得更好，则重复地测量阻抗失配，

-阶段5：如果ΔU大于预定的限度(ΔU＞ε)，则进入到阶段1，其中新的ΔU小于前一使用的ΔU，但如果ΔU不大于预定的限度，则最优电源dc-电压是通行的Vdd并且查找已经完成，即，算法结束。

当输出级晶体管301的工作点被改变时，输出级晶体管301的增益也被改变，导致功率放大器的输出功率的改变。在许多情况下，根据本发明，输出功率的改变是阻抗匹配的有害副作用。因此，由于阻抗匹配，输出级晶体管301的增益的改变将必须被补偿。利用可控增益单元313来执行补偿。根据本发明的一个实施方式，补偿可以在发射机的各种位置中执行。例如，在移动通信设备中使用的发射机中，可能以补偿增益来放大或衰减基带信号，即，在上调制之前。在该情形下，补偿不必能够处理高频RF信号。在根据本发明的一个实施方式的某些移动通信设备中，基带信号在数字形式中也可用。在这种情形下，可以通过数字信号处理装置来执行补偿。以这样的方式来控制可控增益单元，当输出级晶体管301的工作点被改变时，由功率放大器300馈入块350的输出功率被基本被保持在其参考值P_ref。在本文档中，输出功率的参考值P_ref被假设为发射机的外部给定控制参数。可例如通过使用定向开关来测量输出功率。在许多情形中，用于检测阻抗失配的传感器装置306也可用于为可控增益单元313提供控制信息。可控增益单元313可以是例如可变增益放大器(VGA)。控制可控增益单元313的设备可以被集成进控制单元308。可控增益单元313可以例如通过下面的算法来控制：

-开始算法：如果输出级晶体管的工作点已经被改变，则进入到步骤1，

-步骤1：测量输出RF-功率＝P_meas，

-步骤2：计算差值Δ＝P_meas-P_ref，

-步骤3：如果Δ＜-ε，则增加可控增益单元的增益并且进入到步骤1，如果Δ＞ε，则减小可控增益单元的增益并且进入到步骤1，如果-ε＜Δ＜ε，则结束算法，其中(ε＞0)是预定的限度。

在工作点的每次改变后，优选地但并非必需的执行用于控制可控增益单元313的算法。

如上所述，可控增益单元313可以位于发射机的不同位置。块312代表在可控增益单元313之前执行信号处理的发射机的部件并且块314代表在可控增益单元313和功率放大器的信号输入接口310之间执行信号处理的发射机的部件。信号315代表将要被发送的信息。例如，如果针对模拟基带信号执行补偿，则块314可包括上调制器。如果输入信号315是数字形式，则块312包括数模转换器。作为另一例子，补偿可以在功率放大器的信号输入接口310处执行。在该种情形下，可控增益单元313的输出信号316被直接耦合到功率放大器的信号输入接口310。

控制单元308可以通过可编程处理器加上软件产品来实现，其中软件产品存储在可读介质上以便由处理器来执行，软件产品包括用于执行上述数学操作的软件装置。作为另一种选择，可以通过一个或多个专用电路来实现控制单元，该专用电路被设计成执行上述的操作。在该情形下，逻辑端口和电路的其他元件之间的电连接形成控制操作的智能。专用电路例如可以是专用集成电路(ASIC)。控制单元也可以通过一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)组件来实现。在FPGA组件操作前利用配置软件配置FPGA组件以仿真专用电路。另外，控制单元可以是混合结构，其包括来自下面列表的至少两个：可编程处理器加相应的软件产品、专用电路、现场可编程门阵列组件加合适的配置软件。

图3b示出根据本发明的一个实施方式的发射机。在本发明的该实施方式中，生成用于功率放大器360的电源dc-电压Vdd的可控电压源是开关模式电源单元362。开关模式电源单元362包括控制元件3 63、开关元件364、dc-电压源365、滤波器电感器3 66、滤波器电容器367和续流二极管368。控制元件363接收来自控制单元369的集电极-发射极工作点电压UceOref的期望值，该控制单元369对应于图3a中示出的实施方式中的控制单元308。控制元件363控制开关元件364，从而开关模式电源单元362的输出电压Vdd等于期望的集电极-发射极工作点电压UceOref.。

图3c示出根据本发明的一个实施方式的发射机。控制装置3 84被设置成通过调节输出级晶体管381的工作点来优化在功率放大器380的输出阻抗Zout和负载功率放大器380的发射机的部件387的输入阻抗ZL之间的阻抗匹配。控制装置包括可控电压源386，其生成电源dc-电压Vdd；和功能元件385，通过其获得工作点集电极-发射极电压UceOref的期望值。用于功能元件385的输入由一个或多个量值F_rfin构成，F_rfin包含关于由在功率放大器的信号输入接口处接收到的输入信号所占用的频带的信息。在后续中，关于频带的信息F_rfin称为频带信息。例如，F_rfin可以是频带的中心频率的值。在本发明的该实施方式中，频带信息F_rfin构成控制装置384优化阻抗匹配所根据的信息。频带信息F_rfin在控制输入接口383处被接收。控制装置384的操作是基于事实：频带信息在许多应用中令人满意地表征了输入阻抗ZL，例如以中心频率的值来具有某种准确度的表征移动通信设备的天线阻抗。因此，可以构建这样的函数，其针对例如中心频率的给定值来返回合适的工作点集电极-发射极电压值。也可以构建具有多于一个自变量(例如中心频率和频带的宽度)的函数。该函数的直接实现是查找表和具有可调参数的数学等式。这种控制装置的固有限制是事实：阻抗匹配不能跟随由外部影响(例如，结合移动电话的“手指效应”)所造成的输入阻抗ZL的此类改变。

图3d示出根据本发明的一个实施方式的发射机。控制装置392优化阻抗匹配所根据的信息通过由传感器装置395从功率放大器390的输出信号所测量的频带信息F_rfin和得到的P_RF两者来表示。这种设置实现了粗略/精确阻抗匹配。粗略匹配基于频带信息F_rfin并且精确匹配基于得到的P_RF。得到的P_RF代表经由功率放大器的信号输出接口396递送的功率放大器390的输出功率。控制单元393测量由可控电压源394所提供的电源Ps。电源是Ps＝Vdd＊i_s，其中Vdd是电源dc-电压，即操作点集电极-发射极电压，并且i_s是由可控电压源394所提供的电流。当功率放大器390的输出阻抗Zout与负载功率放大器390的部件397的输入阻抗ZL匹配时，输出功率与电源的比值(P_RF/Ps)被最大化。因此，比值P_RF/Ps可以被用作一种准则，根据该准则，可针对输出级晶体管391来查找最优工作点。可例如使用结合图3a中示出的本发明的实施方式所述的阻尼定向查找方法来查找最优工作点。例如可以通过结合在此作为参考的US 6,289,205中所述的一种设置来测量输出功率P_RF。测量的输出功率P_RF也可以用作用于可控增益单元398的控制信息。以这样一种方式来控制可控增益单元398，使得当输出级晶体管391的操作点被改变时，所测量的输出功率P_RF被基本保持在其参考值P_ref。

下面借助于图4a、4b和5来图示出根据本发明的用于通过调节输出级晶体管的工作点来调节功率放大器的输出阻抗的实部的原理。图4a表示用于双极性输出级晶体管的线性化模型。在该模型中，基极420和发射极421之间的电压Ube表述为：

Ube＝Ube0+Rb＊(ib-ib0)，

其中Ube0是工作点中的基极和发射极之间的电压404(工作点基极-发射极电压)，ib是基极电流(图3a中的ib)，ib0是工作点基极电流411(图3a中的ib0)，并且Rb是在工作点中所估计的动态电阻403，即，

工作点中 $\mathrm{Rb}=\frac{\∂\mathrm{Ube}}{\∂\mathrm{ib}},$ 即，ib＝ib0。

流入输出级晶体管的集电极422的集电极电流ic(图3a中的ic)可以表达成

ic＝ic0+β＊(ib-ib0)+(Uce-Uce0)/Rc，

其中ic0是工作点中的集电极电流407，电流源408的系数β是在工作点中估计的输出级晶体管的电流放大系数，即，

工作点中 $\mathrm{\β}=\frac{\∂\mathrm{ic}}{\∂\mathrm{ib}},$ 即，ib＝ib0，

Uce是集电极-发射极电压，Uce0是工作点集电极-发射极电压409，并且Rc是在工作点中所估计的动态电阻410，即，

工作点中 $\mathrm{Rc}=\frac{1}{\∂\mathrm{ic}/\∂\mathrm{Uce}},$ 即，Uce＝Uce0。

从图4a，我们可以看出图3a和3b中输出级晶体管的输出阻抗的实部是Rc。

图4b表示出用于FET型输出级晶体管的相应模型。在功率放大器中，输入信号递送到栅极450(对应于基极)、源极451(对应于发射极)被连接到信号地线，并且输出信号取自于漏极452(对应于集电极)。从图4a我们可以看出FET型输出级晶体管的输出阻抗的实部是Rd，其是在工作点中估计的动态电阻438，即，

在工作点中 $\mathrm{Ra}=\frac{1}{\∂\mathrm{id}/\∂\mathrm{Uds}},$ 即Uds＝Uds0，

其中id是漏极电流，Uds是漏-源电压，并且Uds0是工作点漏-源电压439。在图4b中，电源id0是工作点中的漏极电流440并且α是工作点中电压对电流[A/V]放大系数(跨导441)。

在图4a和4b中示出的模型在某种程度上被简化，即，所有的能量存储元件已被省略，像结电容和分布电容和分布电感。

图5表示功率放大器的输出级晶体管的原理特性曲线。在双极性晶体管的情形下，该图表示出作为基极电流ib和集电极-发射极电压Uce的函数的集电极电流ic。分别以对应于基极电流的三个不同值(ib＝ib1，ib＝ib2，ib＝ib3)的三条曲线501、502和503来图示出该函数。在FET型晶体管的情形下，该图示出作为栅-源电压Ugs和漏-源电压Uds的函数的漏电流id。三个曲线501、502和503分别对应于栅-源电压的三个不同值(Ugs＝Ugs1，Ugs＝Ugs2，Ugs＝Ugs3)，在图5的括号中示出对应于FET型晶体管的量值。

从图5中我们可以看出当集电极-发射极(漏-源)电压被增加时，曲线501、502和503的斜率Δic/ΔUce(Δid/ΔUgs)减小。例如，在点507处对应于工作点集电极-发射极电压Uce0b(漏-源电压Uds0b)的斜率值小于在点506处对应于工作点集电极-发射极电压Uce0a(漏-源电压Uds0a)的斜率值。这意味着当工作点集电极-发射极电压(漏-源电压)增加时，输出阻抗的实部，即，斜率ΔUce/Δic(ΔUgs/Δid)的倒数增加。在适于移动通信设备的功率放大器的晶体管中，输出阻抗的实部R近似于直接与工作点集电极-发射极电压(漏-源电压)的平方成比例，即，R～Uce0²(R～Uds0²)。用于输出阻抗的实部R的最佳值Ropt是Ropt＝Uce0²/2Po(Ropt＝Uds0²/2Po)，其中Po是功率放大器的输出功率。

图6表示出根据本发明的一个实施方式的发射机，该发射机包括具有推挽型输出级的功率放大器600。在该实施方式中，在信号输出接口，端子610和611处针对功率放大器看到的功率放大器的输出阻抗Zout是输出级晶体管601和602的输出阻抗的串联连接。发射机包括传感器装置603，其可以例如是定向开关或结合在图3d中示出的本发明的实施方式所描述的一种设置。测量结果621被馈入控制装置604，该控制装置604被设置成通过调节输出级晶体管601和602的工作点来优化在功率放大器的输出阻抗Zout和连接到功率放大器的信号输出接口的部件660的输入阻抗ZL之间的阻抗匹配。在本实施方式中，测量结果621或频带信息F_rfin或二者构成控制装置604优化阻抗匹配所根据的信息。控制装置604包括控制单元605和可控电压源606。可控电压源606生成电源dc-电压Vdd，即，确定工作点集电极-发射极电压。可控电压源606可以是例如开关模式电源单元。电源dc-电压Vdd经由ac-去耦电感器607和608耦合到输出级晶体管601和603的集电极。

通过调节电源dc-电压Vdd的值来调节输出级晶体管的工作点，从而输出阻抗Zout和输入阻抗ZL之间的阻抗匹配被优化。对应于最佳阻抗匹配的工作点是这样的工作点，其中在信号输出接口反射回和例如以定向开关检测到的信号的功率具有其最小值，该最小值与流向部件660的信号成比例。可例如使用结合图3a中示出的本发明的实施方式所述的阻尼定向查找方法来查找最优工作点。可控增益单元612补偿由输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管601和602的增益的改变。

图7a示出根据本发明的一个实施方式的发射机。在本发明的该实施方式中，功率放大器700的输出级晶体管701是FET型晶体管。工作点栅-源电压Ugs0经由ac-去耦电感器704耦合到输出级晶体管701的栅极。功率放大器700在信号输入接口705接收输入信号。发射机包括传感器装置706，该传感器装置706可以是例如定向开关或结合图3d中所示的本发明的实施方式所述的一种设置。在本发明的该实施方式中，功率放大器的输出阻抗Zout和负载功率放大器的部件741的输入阻抗ZL之间的阻抗匹配通过调节电源dc-电压Vdd，即工作点漏-源电压，以及通过调节耦合在输出级晶体管701的信号输出端和信号地线之间的可调电抗元件702的值来优化。控制装置707包括可控电压源710，其产生电源dc-电压Vdd；以及控制单元709，其被设置用于发现电源dc-电压Vdd的最优值和可调电抗元件702的最优值。执行优化所根据的信息可以是由传感器装置706从功率放大器的输出信号所测量的结果703或频带信息F_rfin或二者。可控增益单元708补偿由于输出级晶体管的工作点的改变所造成的输出级晶体管701的增益的改变。

优化例如可以通过下面的两步骤的过程来实施。在第一步骤中，可调电抗元件的值被保持固定并且通过使用例如结合图3a中所示的实施方式所描述的阻尼定向查找方法来优化电源dc-电压Vdd，并且在第二步骤中，电源dc-电压Vdd被保持在第一步骤中所发现的值并且针对可调电抗元件来查找最优值。此类的过程基于假设最优电源dc-电压Vdd和用于可调电抗元件的最优值是彼此独立的。如果该假设不具有充分的正确性，则上述的两步骤过程可以被重复期望的次数，因此导致迭代处理。

图7b示出根据本发明的一个实施方式的发射机。本发明的该实施方式类似于在图7a中所示出的实施方式，但可调电抗元件752是从输出级晶体管751到信号输出接口753的信号路径中的串联电路组件，并且输出级晶体管751是双极性晶体管。

图8a和图8b示出根据本发明的一个实施方式的可在功率放大器中使用的可调电抗元件的例子。图8a表示出具有电感器803和三个电容器804、805和806的可调电抗元件。在端子801和802之间看见的电抗可以由开关807-811来调节。端子801和802之间的电抗最大值是ωL，其中ω是2π×频率并且L是电感器803的电感值。电抗的最小值是-1/(ω(C1+C2+C3))，其中C1、C2和C3分别是电容器804、805和806的电容值。开关例如可以是FET型晶体管。电容器开关组合也可以实现为微电子机械(MEMS)电容器。图8b示出其中端子821和822之间的电抗可以连续的方式来进行调节的可调电抗元件。该可调电抗元件包括电容器二极管823。电容器二极管的电容值由经由ac-去耦电感器824和825耦合到电容器二极管的端子的偏置dc-电压836来确定。正电抗值可以电感器827来实现。

图9示出根据本发明的一个实施方式的移动通信设备。移动通信设备900的发射机950包括功率放大器、控制装置和根据上述的任意实施方式以及借助于图3-8所述的传感器装置901。利用结合图3c中所示出的实施方式所述的控制装置，不需要传感器装置来检测阻抗失配。功率放大器的信号输出接口911经由双工器和天线前端元件902耦合到天线903。因此，双工器的信号输入接口913和天线前端元件902构成功率放大器的负载。块904代表向功率放大器的信号输入接口912提供RF输入信号的移动通信设备的所有部件，例如麦克风、模数转化器、编解码器、上调制器等。另外，移动通信设备900包括可控增益单元，其结合根据本发明优化在信号输出接口911和信号输入接口913之间的阻抗匹配来补偿由功率放大器的输出级晶体管的工作点的改变造成的功率放大器的增益的改变。增益补偿器可以位于块904中或其可与功率放大器集成。块905表示处理经由双工器和天线前端元件902从天线903接收到的信号的移动通信设备的所有部件，例如调制器、解调器、均衡器、滤波***，控制器、扬声器等。移动通信设备900可以例如是移动电话。

根据本发明的一组集成电路包括一个或多个集成电路(IC)，其包括功率放大器，该功率放大器在功率放大器的信号输入接口和功率放大器的信号输出接口之间具有至少一个输出级晶体管；控制装置，其被设置成通过调节输出级晶体管的工作点来优化在功率放大器的输出阻抗和耦合到功率放大器的信号输出接口的负载的输入阻抗之间的阻抗匹配；以及可控增益单元，其被设置成基本上补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的改变。

在图10中示出根据本发明的一个实施方式的一组集成电路的例子。该示例性芯片组包括三个集成电路1001、1002和1003。集成电路1001包括根据上述的任意实施方式和借助于图3-8所述的功率放大器1011，集成电路1002包括可控增益单元1012和上调制器1013，并且集成电路1003包括根据上述的任意实施方式和借助于图3-8所述的控制装置1014。根据控制装置的类型，集成电路1001也可包括传感器装置1015。集成电路1001、1002和1003边界上的信号接口由黑色圆形表示出并且控制接口由白色方形表示出。根据该实施方式的芯片组的输入信号是模拟基带信号1020。利用可控增益单元1012来调节输入信号1020的功率。利用上调制器1013，可控增益单元的输出信号可以被调制到更高的频带。上调制器的输出信号被馈入功率放大器1011的信号输入接口。芯片组的输出信号是功率放大器的输出信号。控制装置1014通过根据频带信息1030或根据由传感器装置从功率放大器的输出信号所测量的结果1031或根据1030和1031它们二者来调节输出级晶体管的工作点来优化在功率放大器的输出阻抗和负载功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配。控制装置1014经由控制接口1040来调节可控增益单元1012的增益。增益调节基于外部给定的功率参考1033以及由传感器装置所给出的结果1031。增益调节也可以基于关于通行的输出功率的外部给定信息1032和基于外部给定的功率参考1033。控制装置经由控制接口1041调节输出级晶体管的工作点。应该注意到在图10中示出的示例性集成电路组仅代表将不同的功能元件分配到不同的集成电路的一个例子。

图11示出根据本发明的一个实施方式的方法的流程图，该方法用于将功率放大器的输出阻抗与负载功率放大器的信号输出接口的阻抗进行匹配。在阶段1101，通过调节功率放大器的输出级晶体管的工作点来优化在功率放大器的输出阻抗和负载功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配。可根据从功率放大器的输出RF信号测量的结果或根据频带信息或根据它们二者来执行优化。测量例如可以在定向开关的帮助下执行。测量也可以利用结合图3d中所示的本发明的实施方式所述的设置来执行。在阶段1102，由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的改变通过调节功率放大器的输入信号的功率而被至少部分地补偿。执行补偿，从而当输出级晶体管的工作点被改变时，功率放大器的输出RF功率可以被基本上保持在其参考值。

例如通过结合图3a中示出的本发明的实施方式所述的阻尼定向查找方法可以查找最优工作点。方法的阶段1101可另外包括优化可调电抗元件的值，从而提高功率放大器的输出阻抗和负载功率放大器的阻抗之间的阻抗匹配。该处理可以以期望的步幅(pace)周期性地重复1105从而跟随改变的阻抗条件，或处理可以被终止1103、1104。

本领域技术人员将清楚意识到本发明及其实施方式不限于上述的例子，而可在独立权利要求的范围内变化。

Claims (26)

1.一种用于通信设备的发射机，包括：

功率放大器，其具有耦合在所述功率放大器的信号输入接口和所述功率放大器的信号输出接口之间的至少一个输出级晶体管，

控制装置，被设置成调节所述输出级晶体管的工作点以优化在所述功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

可控增益单元，其设置成基本上补偿由于所述输出级晶体管的工作点的改变造成的所述输出级晶体管的增益的变化。

2.根据权利要求1所述的发射机，其中所述控制装置被设置成通过调节所述功率放大器的电源dc-电压来调节所述输出级晶体管的工作点。

3.根据权利要求1所述的发射机，其中所述控制装置被设置成通过调节所述功率放大器的电源电流的dc-分量来调节所述输出级晶体管的所述工作点。

4.根据权利要求1所述的发射机，其中所述发射机包括传感器装置并且其中所述控制装置被设置成至少部分地根据由所述传感器装置从所述功率放大器的输出信号所测量的结果来调节所述输出级晶体管的工作点。

5.根据权利要求4所述的发射机，其中所述传感器装置包括定向开关。

6.根据权利要求1所述的发射机，其中所述控制装置被设置成至少部分地根据频带信息来调节所述输出级晶体管的所述工作点。

7.根据权利要求6所述的发射机，其中所述控制装置包括功能元件，其被设置成对其中在所述功率放大器的信号输入接口处所接收到的RF信号的中心频率的值被作为到所述功能元件的输入值的情况做出响应，返回所述功率放大器的电源dc-电压的值。

8.根据权利要求1所述的发射机，包括可调电抗元件，其耦合在所述输出级晶体管的信号输出端和信号地线之间。

9.根据权利要求1所述的发射机，包括在从输出级晶体管到功率放大器的信号输出接口的信号路径中的串联可调电抗元件。

10.根据权利要求1所述的发射机，其中所述控制装置包括开关模式电源单元。

11.根据权利要求1所述的发射机，其中所述功率放大器包括单端输出级。

12.根据权利要求1所述的发射机，其中所述功率放大器包括推挽型输出级。

13.根据权利要求1所述的发射机，其中所述输出级晶体管是双极性晶体管。

14.根据权利要求1所述的发射机，其中所述输出级晶体管是场效应晶体管(FET)。

15.一种移动通信设备，包括：

功率放大器，其具有耦合在功率放大器的信号输入接口和功率放大器的信号输出接口之间的至少一个输出级晶体管，

控制装置，被设置成调节输出级晶体管的工作点以优化在所述功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

可控增益单元，其设置成基本上补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的所述输出级晶体管的增益的变化。

16.根据权利要求15所述的移动通信设备，其中所述移动通信设备是移动电话。

17.一种集成电路组，其包括实现在一个或多个集成电路中的下列元件：

功率放大器，其具有在所述功率放大器的信号输入接口和所述功率放大器的信号输出接口之间的至少一个输出级晶体管，

控制装置，被设置成调节输出级晶体管的工作点以优化在所述功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

可控增益单元，其设置成基本上补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的所述输出级晶体管的增益的变化。

18.根据权利要求17所述的集成电路组，包括可调电抗元件，其被设置成提高所述功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配。

19.一种用于将功率放大器的输出阻抗与负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗进行匹配的方法，包括：

调节所述功率放大器的输出级晶体管的工作点以优化在所述功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的信号输出接口的阻抗之间的阻抗匹配，以及

通过调节功率放大器的输入信号的功率来至少部分地补偿由于输出级晶体管的工作点的改变造成的输出级晶体管的增益的变化。

20.根据权利要求19所述的方法，其中通过调节功率放大器的电源dc-电压来调节所述功率放大器的输出级晶体管的工作点。

21.根据权利要求19所述的方法,其中通过调节所述功率放大器的电源电流的dc-分量来执行调节所述功率放大器的输出级晶体管的年述工作点。

22.根据权利要求19所述的方法，其中至少部分地根据从所述功率放大器的输出信号所测量的结果来执行调节所述功率放大器的输出级晶体管的工作点。

23.根据权利要求19所述的方法，其中通过使用阻尼定向查找方法来找到优化所述阻抗匹配的工作点，以实现调节所述功率放大器的输出级晶体管的工作点。

24.根据权利要求19所述的方法，其中至少部分地根据频带信息来执行调节所述功率放大器的输出级晶体管的所述工作点。

25.根据权利要求19所述的方法，包括优化可调电抗元件的值，从而提高所述功率放大器的输出阻抗和负载所述功率放大器的阻抗之间的阻抗匹配。

26.根据权利要求19所述的方法，其中所述方法以期望的步幅周期性地被重复。

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