CN1185784C - 用于防止功率放大器饱和的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有减少提供电压的功率放大器，该放大器顺次减少放大器的功率耗散并且在信号传输期间可以被通信设备有效使用。此外，本发明提供了一种用于能控制输入到功率放大器中电压的电路，该电路可以解决与减少功率耗散有关的问题并同时提高功率放大器效率并确保该功率放大器不饱和。

Description

用于防止功率放大器饱和的方法和装置
技术领域
本发明通常涉及一种无线电通信***，并尤其涉及一种能有效控制蜂窝******频收送机中的功率放大器。
背景技术
在美国以及世界的其他地区，蜂窝电话产业已经在商业活动中迈出了显著步伐。其在主要大城市中的增长已经远远超过预期设想并且正在超过***容量。如果这种趋势持续，则这种快速增长的影响将很快使市场达到最小。需要创新的解决方法来满足这些快速增长的容量需要以及保持高品质的服务并避免价格的升高。
在世界范围内，蜂窝***中的一个重要步骤是从模拟传输变化到数字传输。同样重要的是，选择有效的数字传输方案来实现下一代蜂窝技术。另外，可以相信，将通过使用下一代数字蜂窝***结构和蜂窝频率的蜂窝载波来提供第一代个人通信网络(PCN)(使用可以被舒适携带并用来在家里、办公室、街道上、汽车等地方呼叫并接收呼叫的低成本、小型无绳电话)。在这些新***所需的主要特性增加了信息流通容量。
目前，最通用的是通过使用频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)方法来获得信道访问。在FDMA中，一个通信信道是其中集中了信号传输功率的单独的射频频带。通过使用其中仅能通过位于特定频带内的信号能量的带通滤波器来限制相邻信道之间的干扰。因此，通过给每个信道分配一个不同频率，由可用频率来限制***容量。
在多数TDMA***中，一条信道包括相同频率上的一周期时间间隔内的时隙。这些时隙的每个周期被称为一帧。一个给定信号的能量被确定为这些时隙中的一个。通过使用时间门电路或仅通过在合适时间接收的信号能量的其他同步元件来限制相邻信道中的干扰。因此，减少了来自不同相关信号强度电平的干扰。
通过将传输信号压缩在一个较短时隙内来增加TDMA***中的容量。其结果，该信息必须以相应的较快速率来传输，这样成比例增加了所占用的频谱量。
使用FDMA或TDMA***，或混合的FDMA/TDMA***，可以如愿避免其中两个潜在的干扰信号在相同时间占用相同频率的情况。相反，码分多址(CDMA)可以使信号在时间和频率上重叠。因此，所有的CDMA信号可以共享相同的频谱。在频域或时域的情况中，多路信号一个接一个地出现。
对于所有这些***，除了CDMA***之外，对于要平衡希望给最终用户提供足够强的信号而在同时不会对其他用户导致太多的干扰而言，控制信号是非常重要的技术。在射频发射机中广泛使用多个功率放大器(PA)以便于将一个没有放大的RF信号放大到的预定功率电平上，该RF信号在该预定功率电平上被传输。在该功率电平上传输RF信号的这个功率电平一般被设置为基于在基站上所接收到的传输功率电平而增加的一些预定功率电平中的一个。在将这些信号放大到与预定功率电平过程中，PA放大得越精确，则传输操作就越有效。
功率放大器操作中的一个目标是减少所产生的功率损耗。为了减少功率放大器中的功率损耗，可以通过控制技术来减少提供到该放大器上的电压。但是，当所提供的电压减少太多时，会将该放大器带入饱和状态。此时，该功率放大器工作于非线性，这导致输出信号失真。
虽然现在已经努力来增加功率放大器效能以及功率输出，但是，不完全成功。例如，美国专利No.5430410描述了使用一种包络检测器来检测功率放大器的输出。将该功率放大器的输出信号与功率放大器的输入信号比较。使用输出信号和输入信号之差来控制该功率放大器的偏置电平以便于保持饱和功率放大器的线性操作并因此减少失真。但是，该文件没有涉及在功率放大器饱和之前增加其效能。
美国专利No.4631491描述了一种双极性晶体管RF功率放大器，其中使用反馈来同时控制幅度和相位失真。但是，该专利不能避免放大器饱和情况。
此外，SU141717的摘要描述了一种用于无线电通信设备中的信号功率的放大，该专利通过在功率放大器的反向输入端和功率放大器的输出端之间***一个差分放大器来试图提高放大操作并减少失真。输入到该差分放大器中的信号是该放大器的输出信号的峰值检测值以及该放大器的峰值和电压变化值之差。该电路的目的是通过调整所供电压以便于补偿前述放大器级的偏置电平中的变化从而减小失真。
当前的功率放大器以及由申请人所公知的相关控制电路都不能经过操作达到下列目的：减小电源电压，并因此产生功率损耗的减少以及移动单元中的总温度较少，而同时避免使该放大器饱和。此外，减小来自给使用一个功率放大器的移动电话供电的电池的电流损耗，并因此改进其性能。因此，需要一种***，该***可以使用由高效能非饱和功率放大器所带来的好处。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有减少所供电压的功率放大器，该功率放大器可以减少放大器的功率损耗并在信号传输期间能够被通信设备有效使用。本发明的另一个目的是提供一种用于控制该功率放大器的电路，该电路可以解决与减少的功率损耗以及失真有关的问题，并能增加功率放大器的效能以及确保该功率放大器不饱和。
本发明的这些示范性实施例使用一个放大器及其控制电路，所述电路包括一个由一个电压馈送供电的功率放大器、一个检测所述功率放大器输出电压的峰值幅度的峰值检测器、以及一个将所述功率放大器的输出幅度与一个恒定参考电压进行比较并输出校正电压馈送信号的差分放大器。
在本发明的另一个示范性实施例中，描述了一种控制功率放大器电路的方法，该方法包括这些步骤：检测来自所述功率放大器的输出电压的峰值幅度、将检测到的输出电压幅度与一个恒定参考电压进行比较，输出校正电压信号并基于该校正电压信号来控制所述功率放大器电路的电压馈送。
本发明的其他实施例包括一个通信设备，该通信设备包括一个用于发射流出信号的发射机和一个用于接收入局信号的接收机，其中，该发射机另外还包括一个功率放大器用来在发射之前放大所述流出信号、一个检测所述功率放大器输出峰值幅度的峰值检测器、以及一个将所述功率放大器的输出幅度与一个恒定参考电压进行比较并输出被输入到所述功率放大器中的校正信号的差分放大器。
附图说明
在阅读下列对于本发明的详细描述的基础上，本发明的这些以及其它特征、目的以及相关效果将更为容易理解，可以结合附图阅读，在这些附图中相同的参考数字表示相同的部分，其中：
图1是可用于发射机中的公知功率放大器电路的示意图；
图2A是处于非饱和模式的功率放大器输出电压摆动图；
图2B是处于饱和模式的功率放大器输出电压摆动图；
图3是根据本发明示范性实施例的功率放大器电路和反馈电路示意图；以及
图4是根据本发明示范性实施例的蜂窝移动电话***的框图。
具体实施方式
将参考其中示出了本发明各种示范性实施例的附图来描述本发明。但是，本发明可以体现于不同形式并且不应该将其构造为局限在所示特定实施例中。
在图1中示出了可用于一个典型信号传输***中的典型功率放大器电路110的示意图。将一个RF输入信号RFIN输入到功率放大器电路110的功率放大器112中以便于将其放大以用于传输。功率放大器112包括一个图1中所示的NPN双极性晶体管(BJT)。另外，该BJT有一个基极116、一个发射级118和一个集电极113。集电极113有一个连接于发射级和电源电压VCC的电感114。电感114起一个电流源的作用。该电感两端的电压反映了晶体管中偏置变化率。虽然示出了一个NPN晶体管，但是，对于本领域技术人员而言，显然的是，可以使用一个PNP晶体管或任何一种诸如场效应管(EFT)这样的其他有源放大器件来放大RF输入信号。还应该理解的是，RFIN信号的放大不必要仅需要一个晶体管。取而代之，有可能使用多个晶体管或FET器件来正确放大RFIN。例如，还可以使用诸如达林顿结构来放大该信号。同样，图1中所示晶体管可以仅表示整个功率放大器112的输出级。
功率放大器电路110还包括设置在该功率放大器112输出端上的阻抗匹配网络130。该阻抗匹配网络130进一步包括电感120和122的阵列以及电容124、126和128阵列。该阻抗匹配网络的目的在于为了使信号输出最佳化而匹配该功率放大器的负载，并从该功率放大器112的输出中获得所需的信号增益。
此外，可以使用诸如RC电路(在当前实施例中没有示出)这样的输出滤波器来过滤掉不希望噪声的输出信号。然后，将放大后的输出信号RFOUT耦合到天线上并发射给接收机(没有示出)。
当该功率放大器112是处于最大输出功率时，所产生的输出摆动的最大幅度可以是电源电压VCC额定电压减去饱和电压VS。该饱和电压时晶体管进入饱和状态时的电压。通常，对于一个双极性晶体管，诸如上述对于图1描述的其中一个，VS(即，功率放大器112的集电极和发射极两端的电压降)接近于2伏。
如图2A所示，当使用典型的4.8V电压源时，功率放大器112的晶体管正弦输出电压VOUT代表曲线显示了距离饱和的一个间距。如果减少电压馈送，如图2A所示的信号朝x轴方向移动。另外，如果增加电压馈送，如图2A所示的输出电压从y轴方向垂直移动。只要输出电压VOUT的电压摆动不超过图中y轴上的.2V电平，则可以增加(或减少馈送到该功率放大器中的电压)功率放大器的输入功率，随着电压源的最低峰值趋于零。如图2B所示，如果VCC不减少得太多，则输出电压VOUT的电压摆动将变得不小于或等于大约.2V。距离饱和的间隔将变成零。其结果，该功率放大器112将进入饱和模式并如图所示将输出电压限幅(即，失真)。当该输出电压如图2B所示失真时，则阻碍了功率放大器电路110的操作。
为了进一步示出与放大器操作最佳化有关的一些考虑，如下定义该功率放大器112的效率：
效率＝POUT/VCC*ICC                               (1)
其中，POUT是功率放大器112的输出功率。可以从该方程中导出，为了增加该功率放大器的效率，必须减小电源电压VCC或偏置电流ICC中的一个或全部。但是，如上所示，应该执行对于电压馈送的控制而不“限幅”该信号。
根据本发明的示范性实施例，如图3所示，除了参考图1所描述的功率放大器电路110之外，通过还提供一个功率放大器控制电路300来解决上述问题。功率放大器控制电路300包括一个峰值检测器310、一个差分放大器320以及一个环路滤波器330。使用这些部分来确保减小电压馈送VCC而同时不把功率放大器112送入饱和状态。
峰值检测器310包括与位于来自功率放大器112输出端的一条输入线上的二极管314串联的电阻312。另外，第二电阻316与电容318并联设置并且它们每个都接收来自电压馈送VCC的电压。将峰值检测器310设计为可以跟随最小包络，即，可以识别从功率放大器112输出中的负峰值。这样可以使本发明确定电压馈送是否太靠近将导致该功率放大器112进入饱和状态的“限幅”电压。
将在峰值检测器310中检测到的峰值检测电压值输出到差分放大器320的反向输入端。然后，将峰值检测电压值与电压参考值VRET比较。差分放大器320控制馈送电压以确保功率放大器操作最佳并因此保持与饱和点的距离。经环路滤波器330(与电容334串联的电阻332)，将从差分放大器320中输出的差分信号发送来控制输入到功率放大器112中的VCC值。使用环路滤波器将信号带宽限制到一个特定电平以便于防止环路不稳定并衰减瞬态信号和噪声信号。
电压参考值设置了放大器工作点和饱和点之间的间距。选择该电压参考值以便于将VOUT最低包络和饱和点之间的距离保持为大于零的一个值。可以使用温度系数调整和优化来解决功率放大器和/或峰值检测器中的温度偏移。
如前所述，根据本发明的功率放大器电路可以用于，例如蜂窝电话***中。这些设备可用于以不同的功率电平来放大和传送信息，这些功率电平可用来在无线电通信***中支持移动电话和基站间的通信。图4表示根据本发明实施例的示范性蜂窝移动无线电话***的框图，在该***中可以使用如上所述的功率放大器来产生用于数据传输的RF信号。该***示出了一个示范性的基站910和移动电话920。该基站包括与MSC940相连的控制和处理单元930，而MSC940顺次连接到公共切换电话网络上(未示出)。
用于一个蜂窝的基站910包括若干由声音信道收发器950处理的声音。同样，每个基站包括可以处理多于一个控制信道的控制信道收发器960。由控制和处理单元930来控制控制信道收发器960。控制信道收发器960将控制信息在基站或蜂窝的控制信道中传送到锁定在那个控制信道中的移动电话上。声音信道收发器处理包括如前所述的数字控制信道定位信息的通信量或声音信道。
当移动电话920首先进入空闲模式，它周期性扫描类似于基站910的基站的控制信道以便于确定锁定或设置到哪个蜂窝上。移动电话920在其声音和控制信道收发器970上接收在控制信道上传播的绝对和相关信息。然后，处理单元980估计所接收到的包括所选蜂窝特性的控制信道信息，并确定该移动电话应该锁定的蜂窝。所接收到的控制信道信息不仅包括关于与其相关蜂窝的绝对信息，而且还包含有关接近于与控制信道相关联蜂窝的其它蜂窝的相对信息。周期性扫描这些相邻蜂窝并监控主要控制信道以确定是否存在更合适的候选蜂窝。可以在于1992年10月27日由P.Dent和B.Ekelund申请的并在这里作为参考、题为“多模式信号处理”的美国专利申请No.07/967027中发现有关移动电话和基站实现方式说明的另外信息。
尽管前面已经描述了有关基站和移动站方面的示范性实施例，但是，本发明可用于任何一种无线电通信***中。例如，卫星可以发射和接收数据从而与包括便携式单元、PCS设备、个人数据辅助设备等设备的远程设备进行通信。
已经参考其最佳实施例描述了本发明，本领域技术人员将可以认识到，本发明并不局限于这里所述和所示的特定实施例。在不脱离本发明范围的情况下，除了这里所描述的之外，通过前述说明和附图，不同的实施例和修改以及许多变型和等效实施例都将是显然，并且可以被合理提出。

Claims (15)

1.一种用于控制功率放大器的装置，包括：
一个由电压源供电的功率放大器(112)；
一个峰值检测器(310)，用于检测所述功率放大器输出电压的峰值幅度；以及
一个差分放大器(320)，用于将所述功率放大器的峰值幅度与参考电压比较并输出校正电压馈送信号，
其中选择所说参考电压，以确保所说功率放大器不会进入饱和状态。
2.如权利要求1的装置，进一步包括；
与所述差分放大器相连的一个环路滤波器(330)。
3.如权利要求1的装置，其中所述功率放大器进一步包括：
单独晶体管元件构成的多个级。
4.如权利要求1的装置，进一步包括：
与所述功率放大器相连的一个阻抗匹配网络(130)。
5.如权利要求1的装置，其中选择所述参考电压以处理所述功率放大器和所述峰值检测器中的至少一个的温度偏差。
6.如权利要求1的装置，其中所述峰值幅度是所述输出电压的负的峰值幅度。
7.一种用于控制功率放大器电路的方法，包括这些步骤：
检测来自所述功率放大器的输出电压的峰值幅度(310)，其特征在于包括这些步骤：
选择一个参考电压以确保该功率放大器不进入饱和模式；
将检测到的输出电压幅度与一个恒定参考电压进行比较并输出校正电压信号(320)；以及
并基于该校正电压信号来控制所述功率放大器电路的电压馈送。
8.如权利要求7的功率放大器电路控制方法，其中所述峰值幅度是所述输出电压的负的峰值幅度。
9.如权利要求7的功率放大器电路控制方法，其中进一步包括这些步骤：
阻抗匹配所述校正电压信号。
10.如权利要求7的功率放大器电路控制方法，其中选择所述参考电压来解决温度偏差。
11.一种用于发射流出信号的发射机，所述发射机进一步包括：
一个功率放大器(112)用来在发射之前放大所述流出信号；
一个检测所述功率放大器输出峰值幅度的峰值检测器(310)；以及
一个差分放大器(320)，将所述功率放大器的输出幅度与一个恒定参考电压进行比较并输出要被输入到所述功率放大器中的校正信号，其中选择该参考电压以确保所述功率放大器不进入饱和模式。
12.如权利要求11的发射机，进一步包括：
与所述差分放大器相连的一个环路滤波器。
13.如权利要求11的发射机，其中所述功率放大器进一步包括：
单独晶体管元件构成的多个级。
14.如权利要求11的发射机，进一步包括：
与所述功率放大器输出相连的一个匹配电路。
15.如权利要求11的发射机，其中选择所述恒定参考电压以解决所述功率放大器和所述峰值检测器中的至少一个的温度偏差。
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