CN103178787A

CN103178787A - N路多赫尔蒂放大器

Info

Publication number: CN103178787A
Application number: CN2012105519932A
Authority: CN
Inventors: 拉金勒帕赛德·加亚德哈森
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Samba Holdco Netherlands BV
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103178787B; US8928402B2; EP2608400A1; US20130154731A1; EP2608400B1

Abstract

本发明涉及一种包括多赫尔蒂放大器的器件，多赫尔蒂放大器包括放大器输入和放大器输出。器件还包括：至少一个主放大器(1)，经由主输入阻抗(Z_0s/90(n-2))耦接至放大器输入并经由主输出阻抗(Z₀₁/90)耦接至放大器输出；多个附加放大器(2，3，...，n)，每个经由相应的附加输入阻抗(Z_0s/90(n-3)，...)耦接至放大器输入。每个附加放大器包括相应的附加放大器输出，耦接至相应的一对附加阻抗，该对附加阻抗串联连接并在之间具有相应连接节点，第一附加放大器的相应附加阻抗耦接在第一附加放大器的相应输出和放大器输出之间，该对附加阻抗具有第一阻抗和第二阻抗，第一阻抗连接至相应的附加放大器输出并连接至连接节点，第二阻抗耦接在相应连接节点与在前附加放大器的连接节点之间。

Description

N路多赫尔蒂放大器

技术领域

本发明涉及N路多赫尔蒂放大器。

背景技术

由于在处理多载波无线通信***中常见的可变功率级别时效率更高，多赫尔蒂型放大器广泛用于无线通信中的功率放大器。多赫尔蒂放大器包括主放大器和峰值放大器，主放大器以高效率处理不高于阈值点的功率级别，峰值放大器处理高于阈值点的功率级别。相比于类似额定的单级放大器，典型地根据不同类别运行的主放大器和峰值放大器一起能够带来改善的效率。

WO2009081341A1描述了一种3路多赫尔蒂放大器架构。它能够在大动态范围内实现高效率，而不会像常规情况中一样遭受负载线调制破坏，从而使得能够使用简单的无源分相器。

这种架构的重要优点在于，与常规情况相反，如果总功率相称地(1∶1∶1)分布在三个分支上，则可以在大动态范围内获得高的效率。在大规模生产中在每个分支中采用相同的晶体管类型在放大器成品率方面是有利的的。

然而，上述多赫尔蒂放大器在进一步增强效率、增加峰值功率能力以及降低尺寸和成本时具有多个限制。

可以总结所述放大器的主要缺点如下：

对不断提高效率的需求使得总功率不相称地分布在三个分支上成为必要，这强制使用至少两种晶体管类型。大规模生产中好的成品率和性能一致性则可能要求复杂的器件选择和配对程序。这将对晶体管的生产成品率具有有害影响。

采用这种方法，仅可以针对复杂的、比实时(contemporary)信号具有较大峰值-平均值之比的调制信号实现平均效率的明显改善。

满足来自市场的不断提高峰值功率要求需要具有非常高峰值功率的器件，其遭受由功率缩放效应引起的低阻抗和性能退化。这使得在3路多赫尔蒂中在高峰值功率处实现良好性能变得困难。

来自市场的在较高性能的情况下降低尺寸和成本的连续推动在3路多赫尔蒂方法中实现是困难的。

1.例如，以极高峰值功率将两个器件集成在双重封装中超出当前技术的能力。

2.集成双MMIC驱动器需要复杂的不对称功率配置来驱动主放大器和两个峰值放大器。

3.带状线技术中的3路不对称输入分相器消耗大量PCB资源，并且具有标准正交混合电路的备选方案是非常困难的。

发明内容

因此，存在对更好适应市场需求的改进的多赫尔蒂放大器的需求。

因此本发明的目的是提供一种包括多赫尔蒂放大器的器件，该多赫尔蒂放大器包括：

放大器输入和放大器输出，

至少一个主放大器，所述至少一个主放大器经由主输入阻抗耦接至所述放大器输入并经由主输出阻抗耦接至所述放大器输出；

多个附加放大器，每个附加放大器经由相应的附加输入阻抗耦接至所述放大器输入，

每个附加放大器包括相应的附加放大器输出，附加放大器输出耦接至相应的一对附加阻抗，所述一对附加阻抗串联连接并在它们之间具有相应的连接节点，

第一附加放大器的相应附加阻抗耦接在第一附加放大器的相应输出和所述放大器输出之间，

所述一对附加阻抗具有第一阻抗和第二阻抗，所述第一阻抗连接至相应的附加放大器输出并连接至所述连接节点，所述第二阻抗耦接在相应的连接节点与在前的附加放大器的连接节点之间。

优选地，该器件包括多于3个的放大器。

在实施例中，所述附加输入阻抗实现相应的附加相移，所述附加相移中每一个具体附加相移针对所述附加放大器中的一个具体附加放大器，并比所述器件中在前的附加放大器级的附加相移大90度，所述附加放大器的索引为从2到n的自然数。

在本发明的另一个实施例中，该器件还包括耦接至所述放大器输入并产生彼此正交的两个第一分相输出信号的第一分相器，所述第一分相输出中的每一个进一步连接至相应的另一分相器，所述另一分相器在功能上类似于所述第一分相器，所述另一分相器的每个输出耦接至所述主放大器和所述附加放大器的相应输入。

有利地，所述第一分相器经由相应的双驱动器耦接至相应的所述另一分相器。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。

附图说明

根据附图的示例性描述，上述和其它优点将是明显的，在附图中：

图1示出了根据本发明的4路多赫尔蒂放大器的实施例，

图2示出了4路多赫尔蒂放大器的原理电路，

图3a，3b示出了根据本发明的多赫尔蒂放大器的电压和相应的电流特性；

图4示出了4路多赫尔蒂放大器的瞬时效率特性，

图5示出了包括根据本发明的多赫尔蒂放大器的器件的更详细的实施例，

图6示出了包括根据本发明的多赫尔蒂放大器的器件的更详细的视图，以及

图7示出了根据本发明的N路多赫尔蒂放大器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的4路多赫尔蒂放大器的实施例。新颖的4路多赫尔蒂放大器利用输出组合电路，输出组合电路使得能够不破坏针对所有四个放大器的负载线调制，参见下图。主放大器通过单个阻抗反相器Z_o4(即，在施加至端部的信号和输出信号之间在中心频率处提供90度相移的阻抗)连接至负载R_L，节点o。第一峰值放大器经由两个级联阻抗反相器Z_o5和Z_o6连接至负载，并引入第一中间节点p，第一中间节点p容纳第二峰值放大器的连接。第三峰值放大器经由两个级联阻抗反相器Z_o7和Z_o8连接至该中间节点p，并引入第二中间节点q，第二中间节点q容纳第三峰值放大器的连接。

为了最大化功率组合效率，需要通过在各个单独放大器的输入处引入合适的相移，来同步每个放大器分支的从输入到组合点的相移，如图1所示。在图2，3a和3b中分别示出4路多赫尔蒂放大器的原理电路以及各个单独电流源的电压和电流特性。

可以将放大器的操作分成四个区域：

区域1：在低功率级别上，其中输入功率小于峰值放大器的导通阈值，仅有主放大器将电流供给至负载R_L。由阻抗反相器Z_o4引起的在其输出处存在的阻抗确保主放大器进入比其最大峰值功率能力低得多的电压饱和。这产生后退(back-off)中的第一最大效率点。

区域2：如果输入功率级别超过第一峰值放大器的阈值，则第一峰值放大器开始将电流传递至负载R_L，该电流在节点o处与主放大器电流同相地加入，增加了负载上的RF输出电压。因此由阻抗反相器Zo4的输出看到的表观阻抗高于实际负载RL。通过这种有源负载拉动(active load-pulling)效应，由主放大器输出看到的阻抗由于阻抗反相器Z_o4而降低，并且其功率贡献将进一步增加。来自两个放大器的输出功率随着信号电平增加而增加，直到第一峰值放大器进入低于其最大峰值功率能力的电压饱和。这产生后退中的第二最大效率点。

区域3：如果输入功率级别超过第二峰值放大器的阈值，则它开始传递电流，该电流首先在节点p处与第一峰值放大器电流同相地加入，导致节点p上的RF电压增加。结果，由于阻抗反相器Z_o5，第一峰值放大器输出看到的阻抗将降低，并且其功率贡献将进一步增加。节点p处增加的电压将推动节点o处的输出电压，并且因此主放大器电流增加。所有三个放大器的输出功率将随着信号电平增加而增加，直到第二峰值放大器进入低于其峰值功率能力的电压饱和。这产生后退中的第三最大效率点。

区域4：如果输入功率级别超过第三峰值放大器的阈值，则它开始传递电流，该电流在节点q处与第二峰值放大器电流同相地加入。这导致节点q处的电压增加，这推动第二峰值放大器、第一峰值放大器和主放大器的电流进一步增加。所有四个放大器的输出功率将随着信号电平增加而增加，直到第三峰值放大器达到最大电压并且因此达到其峰值功率能力。这在总放大器的最大输出功率能力处产生第四最大效率点。

该N路多赫尔蒂相对于由峰值放大器的截止状态阻抗引入的损失而言具有优点。截止状态阻抗对于实际器件来说不是无穷大。

在后退状态中，当所有的峰值放大器都处于截止状态时，仅第一峰值放大器的截止状态阻抗对多赫尔蒂放大器的后退效率有影响。

第二峰值放大器和后续峰值放大器连接至具有非常低的阻抗的节点，因此对多赫尔蒂后退效率的影响可忽略。因此，增加峰值放大器的数目不会像常规情况中那样成比例地降低效率。

因此该4路多赫尔蒂放大器呈现如在图4中示出的四个最大效率点。

图5示出了所提出的包括输入分相器架构的方案的基本配置。所有的放大器都根据相同的轨线电源电压操作并且被以不同类别偏置。主放大器通常以AB类(即，在阈值以上)偏置，以针对较低的包络信号执行线性放大功能。峰值放大器以具有低于阈值的不同偏置电压偏置在C类，以放大较高的包络信号。器件被成对地集成在双晶体管封装中，减小了尺寸和元件数目。示出的放大器和阻抗反相器的布置带来最小尺寸布局。

输入分相器(splitter)利用正交耦合器产生合适的驱动电平和所需的相移。正交耦合器可以为耦合线或分支线结构。

图6示出了具有集成在输入分相器中的双驱动器配置的基本4路多赫尔蒂配置的扩展。这种驱动器配置具有一些优点：

1.与在输入端口使用一个共用驱动器的情况相比，排列(line up)效率可以更高。原因在于对双驱动器的两个部分进行不同偏置的额外灵活性。

2.将双驱动器嵌入在正交耦合器之间，这产生级间隔离，即，在驱动器输出与主放大器和峰值放大器的输入之间。这消除了对通常用在级间以改善整体排列上的性能一致性的额外隔离器的需求。

3.预驱动器级具有更好的负载定义，因为输入正交混合提供了隔离。

在下表中，提供了设计多赫尔蒂放大器的方法。

表1

开始设计四路多赫尔蒂的一种方法是指定后退中最大效率点k₁，k₂和k₃的点位置。

每个分支的最大功率能力的比率直接从下式得出：

P_{o_mF}∶P_{o_p1F}∶P_{o_p2F}∶P_{o_p3F}＝k₃∶_k2(1-k₃)∶(1-k₂)(k₁-k₃)∶(1-k₁)(1-k₂)

晶体管的最大功率级别给出为：

如果给定主、第一峰值、第二峰值和第三峰值放大器的最大功率能力，

则可以采用下述关系计算后退点：

k_{1} = \frac{P_{p 2 F} + \frac{P_{mF} P_{p 3 F}}{P_{mF} + P_{p 3 F} + P_{p 2 F} + P_{P 1 F}}}{P_{p 2 F} + P_{p 3 F}}

k_{2} = \frac{P_{p 1 F}}{P_{p 3 F} + P_{p 2 F} + P_{p 1 F}}

k_{3} = \frac{P_{mF}}{P_{mF} + P_{p 3 F} + P_{p 2 F} + P_{p 1 F}}

表2

组合器的特征阻抗：

为了能够确定输出传输线的特征阻抗(Z_0x)，

设计者需要选择针对主PA端口处的最大功率的负载阻抗(R_mF)、

以及输出端口处的负载阻抗(R_L)。

采用为k₁，k₂和k₃选定的值，可以采用下述关系计算Z_0x：

Z_{04} = \sqrt{\frac{R_{mF} R_{L}}{k_{3}}}

Z_{05} = \frac{Z_{06} R_{mF}}{Z_{04} k_{2}}

Z_{06} = \frac{Z_{04}}{\frac{R_{mF}}{Z_{08}} + \frac{R_{mF}}{Z_{05}}}

Z_{07} = R_{mF} \frac{k_{3}}{(1 - k_{2}) (k_{1} - k_{3})}

Z_{08} = \frac{Z_{04} Z_{06} k_{3}}{R_{L} (1 - k_{2})}

注意，Z₀₅，Z₀₆和Z₀₈是依赖关系。

这暗示设计者在选择这些特征阻抗时具有一个自由度。

根据本发明的新颖的4路多赫尔蒂放大器构思相对于现有的3路多赫尔蒂放大器具有下述优点。

1.使得能够仅利用单个器件尺寸在4dB后退，9.5dB后退和12dB后退处实现最大瞬时效率点，带来针对具有不同PAR的瑞利PDF的信号的更高平均效率。

2.由于所有四个器件具有相同的功率尺寸，因此它们可以成对作为单个封装中的双晶体管，从而将晶体管的数目减少为两个。这有利于尺寸和成本。

3.使得能够更容易实现非常高的峰值功率。

4.电路的对称性使得能够实现简单无源分相器，具有在其中嵌入对称双驱动器级以获得更高的排列效率的可能性。

可以将上述构思容易地概括为如在图7中示出的那样。

该器件包括多赫尔蒂放大器，该多赫尔蒂放大器包括：

放大器输入和放大器输出，

至少一个主放大器(1)，所述至少一个主放大器(1)经由主输入阻抗(Z_0s/908(n-2))耦接至所述放大器输入并经由主输出阻抗(Z₀₁/90)耦接至所述放大器输出；

多个附加放大器(2，3，...，n)，每个附加放大器经由相应的附加输入阻抗(Z_0s/908(n-3)，...)耦接至所述放大器输入，

注意，本发明的保护范围不限于在此描述的实施例。本发明的保护范围也不受权利要求中的附图标记的限制。用语“包括”不排除权利要求中的提到的部件之外的部件。元件之前的用语“一”不排除多个这种元件。可以以专用硬件或以编程用处理器形式实施形成本发明的部件的手段。

Claims

1.一种包括多赫尔蒂放大器的器件，该多赫尔蒂放大器包括：

放大器输入和放大器输出，

至少一个主放大器(1)，所述至少一个主放大器(1)经由主输入阻抗(Z_0s/90(n-2))耦接至所述放大器输入并经由主输出阻抗(Z₀₁/90)耦接至所述放大器输出；

多个附加放大器(2，3，...，n)，每个附加放大器经由相应的附加输入阻抗(Z_0s/90(n-3)，...)耦接至所述放大器输入，

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述附加放大器的数目超过3个。

3.根据权利要求1或2所述的器件，其中所述附加输入阻抗实现相应的附加相移，所述附加相移中每一个具体附加相移针对所述附加放大器中的一个具体附加放大器，并比所述器件中在前的附加放大器级的附加相移大90度，所述附加放大器的索引为从2到n的自然数。

4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，还包括耦接至所述放大器输入并产生彼此正交的两个第一分相输出信号的第一分相器，所述第一分相输出中的每一个进一步连接至相应的另一分相器，所述另一分相器在功能上类似于所述第一分相器，所述另一分相器的每个输出耦接至所述主放大器和所述附加放大器的相应输入。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述第一分相器经由相应的双驱动器耦接至相应的所述另一分相器。