DE102018210238A1

DE102018210238A1 - Adaptive Vorspannungssteuerung für Hochfrequenz-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE102018210238A1
Application number: DE102018210238.4A
Authority: DE
Inventors: Pantelis Sarais; David Seebacher; Peter Singerl; Herwig Wappis
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US10038404B1

Abstract

Es sind Techniken zum Anpassen einer Vorspannung bereitgestellt, die einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-PA) bereitgestellt wird, um einen linearen Betrieb über einen weiten Bereich von Zuständen hinweg zu erzielen. Die Techniken verwenden eine Offener-Regelkreis-Temperaturkompensation auf der Basis eines erfassten Stroms in Zeiträumen, wenn der HF-PA aktiv und inaktiv ist. Eine Geschlossener-Regelkreis-Steuertechnik ist aktiviert, wenn der HF-PA inaktiv ist. Die kombinierten Steuertechniken kompensieren Temperaturschwankungen sowie einen Langzeitdrift der Halbleitereigenschaften der Bauelemente in dem HF-PA.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Hochfrequenz(HF)-Leistungsverstärker und bezieht sich insbesondere auf Techniken zum Vorspannen solcher Leistungsverstärker.
Zahlreiche moderne drahtlose Geräte setzen auf Funkkommunikation, die das Empfangen und Senden von Hochfrequenz(HF)-Signalen umfasst. Das Senden solcher HF-Signale erfordert in der Regel den Einsatz eines HF-Leistungsverstärkers (PA, Power Amplifier), und HF-PA sind oft in drahtlosen Geräten enthalten. Zu solchen Geräten gehören Endgeräte und Funkbasisstationen in mobilen Drahtlostelekommunikationssystemen, z. B. Systemen auf der Basis von Standards des 3^rd Generation Partnership Project (3GPP), und die allgemein als 3G-, 4G- und 5G-Systeme bekannt sind. Das aufkommende 5G-System basiert stark auf der Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO)-Antennentechnologie, die mehrere Antennen und HF-Ketten sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite einer Kommunikationsverbindung verwendet. Die mehreren HF-Übertragungsketten, die in einem drahtlosen MIMO-Gerät verwendet werden, z. B. eine Basisstation in einem 5G-System, erfordern eine erhöhte Anzahl von HF-PA relativ zu bekannten (Nicht-MIMO)-Systemen.
HF-PA benötigen eine sehr gute Linearität, um den Datendurchsatz bei einer Funkübertragung zu maximieren. HF-PA bestehen typischerweise aus einem oder mehreren Leistungstransistoren, die in einem bestimmten Bereich (z. B. in ihrem linearen Bereich) betrieben werden müssen, um solch eine gute Linearität bereitzustellen. Dies erfordert wiederum, dass der/die Transistor(en) innerhalb eines HF-PA entsprechend vorgespannt ist/sind. Beispielsweise kann bei einem Feldeffekttransistor (FET) innerhalb eines HF-PA eine konstante Vorspannungsspannung an sein Gate (Steueranschluss) angelegt sein, so dass der Standardbetrieb des FET ohne HF-Eingangssignal an einem Mittelpunkt seines linearen Betriebsbereichs liegt. Diese Art der Vorspannung ist typisch für einen Class-A-Verstärker und führt zu einem verstärkten Ausgang, der linear einem (Kleinsignal-)HF-Signaleingang in den Verstärker für den größtmöglichen Bereich des eingegangenen HF-Signals folgt. Andere Verstärkerarten, z. B. Doherty-PA, verwenden möglicherweise keine Vorspannung, die einen FET an einen Mittelpunkt des Linearbereichs des FET platziert, erfordern aber dennoch eine geeignete und konsistente Vorspannung. Das grundlegende Ziel der Erzeugung einer HF-PA-Vorspannung besteht darin, den Ruhestrom durch einen oder mehrere HF-Leistungstransistoren des HF-PA bei einem gewünschten Pegel zu halten, der sicherstellt, dass der HF-PA in einer gewünschten Betriebsklasse arbeitet. Da verschiedene Systemparameter (z. B. Temperatur, Langzeitdrift der Transistorleitfähigkeit relativ zu seiner Steuerspannung) sich während des Betriebs oder während der Lebensdauer eines HF-PA ändern, kann eine feste Vorspannung unzureichend sein, um die von einem HF-PA benötigte Linearität zu erreichen.
Techniken zur Bestimmung einer optimalen HF-PA-Vorspannung über einen Bereich von Zuständen hinweg sind notwendig. Diese Techniken sollten minimale Ressourcen verwenden, so dass sie auf eine große Anzahl von HF-PA angewendet werden können, wie sie in einem drahtlosen Sender eines MIMO-Systems enthalten sein können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum adaptiven Vorspannen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers (HF-PA) und ein Vorspannungssteuerelement für einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-PA) mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum adaptiven Vorspannen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers (HF-PA) gemäß Anspruch 1 und durch das Vorspannungssteuerelement für einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-PA) gemäß Anspruch 11 gelöst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens wird ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-PA) unter Verwendung einer Kombination von Steuertechniken adaptiv vorgespannt. Eine Temperatur des HF-PA wird dazu gemessen und verwendet, eine vorläufige PA-Vorspannung zu bestimmen. Eine Geschlossener-Regelkreis-Steuertechnik wird dazu verwendet, die PA-Vorspannung zu aktualisieren, wenn sich der HF-PA in einem inaktiven Modus befindet, wobei dem HF-PA kein HF-Eingang bereitgestellt wird. Während eines solchen inaktiven Modus wird ein Ruhestrom durch den HF-PA gemessen und mit einem (gewünschten) Referenzstrom verglichen, um einen Fehlerstrom zu erzeugen. Der Fehlerstrom wird durch ein Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement wie etwa ein Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuerelement verwendet, das eine Vorspannungskorrektur erzeugt. Die Vorspannungskorrektur wird zu der vorläufigen PA-Vorspannung hinzugefügt, um eine aktualisierte PA-Vorspannung zu erzeugen, die an einem Steueranschluss des HF-PA angelegt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Vorspannungssteuerelementes für einen HF-PA umfasst das Vorspannungssteuerelement eine Temperaturkompensationsschaltung und ein Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement. Die Temperaturkompensationsschaltung ist dazu ausgebildet, eine Temperatur des HF-PA zu messen und eine PA-Vorspannung auf der Basis der gemessenen Temperatur zu bestimmen. Das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement ist dazu ausgebildet, die PA-Vorspannung während Zeiträumen zu aktualisieren, in denen der HF-PA inaktiv ist. Während solcher Zeiträume wird dem HF-PA kein HF-Eingang bereitgestellt und ein Ruhestrom fließt durch den HF-PA. In dem inaktiven Modus misst das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement den Ruhestrom und vergleicht denselben mit einem (gewünschten) Referenzstrom, um einen Fehlerstrom zu erzeugen. Ein Korrekturvorspannungsterm wird auf der Basis des Fehlerstroms erzeugt und dazu verwendet, die PA-Vorspannung zu aktualisieren. Die aktualisierte PA-Vorspannung wird dann an einen Steueranschluss des HF-PA angelegt.
Fachleute werden bei der Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Funktionen und Vorteile erkennen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine HF-PA-Schaltung, die ein adaptives Vorspannungssteuerelement umfasst;
2 eine alternative HF-PA-Schaltung einschließlich eines adaptiven Vorspannungssteuerelements, wie dazu verwendet werden kann, eine Doherty-Verstärkerkonfiguration zu unterstützen;
3 einen Drain-Ruhestrom als eine Funktion einer Temperatur für einen Transistor mit einer konstanten Gate-Vorspannungsspannung;
4 eine Abbildung von Temperatur auf Transistor-Gate-Vorspannungsversatz, wobei die Abbildung auf einer stückweisen linearen Interpolation basiert;
5 ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturkompensators, wie in dem adaptiven Vorspannungssteuerelement aus 1 enthalten sein kann;
6 ein Ausführungsbeispiel eines Geschlossener-Regelkreis-Steuerelements, wie in dem adaptiven Vorspannungssteuerelement aus 1 enthalten sein kann;
7 ein adaptives Vorspannungssteuerelement, das dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von HF-PA vorzuspannen;
8 ein Verfahren zum Vorspannen eines HF-PA; und
9 ein alternatives Verfahren zum Vorspannen eines HF-PA.

Um den linearen Betrieb (oder einen anderen Betrieb innerhalb einer gewünschten Verstärkerklasse) eines HF-PA unter verschiedenen Bedingungen aufrechtzuerhalten, ist in der Regel eine Anpassung der an den HF-PA angelegten Vorspannung erforderlich. Techniken für eine solche Anpassung lassen sich in zwei allgemeine Kategorien einteilen: Offener-Regelkreis-Steuerung und Geschlossener-Regelkreis-Steuerung. Ein Offener-Regelkreis-Vorspannungssteuerelement verwendet einen Eingang, z. B. die Temperatur, um die Vorspannung für einen HF-PA festzulegen. Beispielsweise kann eine Nachschlagtabelle oder eine Polynomfunktion verwendet werden, um eine gemessene Temperatur des HF-PA auf eine geeignete Vorspannung abzubilden bzw. zuzuordnen. Diese Abbildung bzw. Zuordnung wird derart erzeugt, dass die an den HF-PA angelegte Vorspannung einen gewünschten Ruhestrom durch den HF-PA über einen nützlichen Temperaturbereich hinweg erzeugt. Im Gegensatz dazu misst ein Geschlossener-Regelkreis-Vorspannungssteuerelement den Ruhestrom und verwendet einen Rückkopplungsregelkreis, um die HF-PA-Vorspannung anzupassen, bis ein gewünschter Ruhestrom erreicht ist. Jede dieser Steuertechniken weist unter Umständen einige Nachteile auf.
Die Temperaturkompensation der HF-PA-Vorspannung unter Verwendung eines Offener-Regelkreis-Vorspannungssteuerelements erfordert in der Regel einen Kalibrierungsschritt, um die Abbildung von Temperatur auf Vorspannung zu erzeugen, und berücksichtigt keine anderen (nicht-temperaturabhängigen) Zustände, die dazu führen können, dass der HF-PA-Ruhestrom von seinem gewünschten Pegel abweicht. Der Kalibrierungsschritt (Charakterisierungsschritt) umfasst ein Messen des Ruhestroms über einen erwarteten Temperaturbereich hinweg, um die Abbildung zu erzeugen, z. B. eine Nachschlagtabelle oder eine geschlossene Funktion. Die Charakterisierung kann für einen einzelnen HF-PA durchgeführt werden und die resultierende Abbildung auf eine größere Gruppe von HF-PA angewendet werden. Alternativ dazu kann die Charakterisierung für einige wenige repräsentative HF-PA durchgeführt werden, um eine repräsentative Abbildung zu erzeugen, die im Folgenden auf eine größere Gruppe von HF-PA angewandt wird. Bei einer weiteren Option wird jeder HF-PA individuell charakterisiert, z. B. während einer Kalibrierungsphase der HF-PA-Herstellung. Die individuelle Charakterisierung stellt in der Regel die genaueste Abbildung bereit, jedoch können die Herstellungskosten, die mit der Produktionszeit zum Durchführen der Kalibrierung verbunden sind, für einige Anwendungen unausführbar und/oder unnötig sein. Sobald die Abbildung erzeugt worden ist, kompensiert solch ein Offener-Regelkreis-Vorspannungssteuerelement Ruhestromschwankungen nur aufgrund der Temperatur. Weitere Ursachen von Schwankungen, z. B. die Langzeitalterung eines oder mehrerer Transistoren in einem HF-PA, werden durch eine solche Temperaturkompensation nicht gemildert und können in der Regel nicht auf ausführbare Weise mit anderen Offener-Regelkreis-Vorspannungssteuertechniken kompensiert werden.
Geschlossener-Regelkreis-Vorspannungssteuerelemente lösen einige der beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit der Temperaturkompensation im offenen Regelkreis. Ein typisches Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement misst den Ruhestrom durch einen HF-PA, vergleicht denselben mit einem gewünschten Ruhestrom, um ein Fehlersignal zu erzeugen, und verwendet dieses Fehlersignal, um die HF-PA-Vorspannung anzupassen. Diese Schritte werden wiederholt, bis das Fehlersignal annehmbar klein ist, was bedeutet, dass der gemessene Ruhestrom im Wesentlichen dem gewünschten Ruhestrom gleicht. Da die Anpassung den Ruhestrom des HF-PA nutzt, können solche Geschlossener-Regelkreis-Steuerelemente die HF-PA-Vorspannung nur während Zeiträumen anpassen, in denen der HF-PA inaktiv ist, d. h., wenn dem HF-PA kein HF-Eingang bereitgestellt wird. Während solche Geschlossener-Regelkreis-Steuerelemente anscheinend eine geeignete Vorspannungsanpassung für nahezu jeden unterschiedlichen Zustand eines HF-PA bereitstellen, einschließlich Temperaturschwankung und Langzeitalterung, stellt die Anforderung, dass die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis durchgeführt wird, wenn der HF-PA inaktiv ist, erhebliche praktische Einschränkungen für den Einsatz der Geschlossener-Regelkreis-Steuerung dar. Beispielsweise kann ein HF-PA für lange Zeiträume, in denen die HF-PA-Temperatur beträchtlich schwankt, aktiv (aktiviert) sein. Ein Geschlossener-Regelkreis-Vorspannungssteuerelement wäre nicht dazu in der Lage, die Temperaturschwankung (oder andere Zustände) in solchen aktiven Zeiträumen anzupassen, was zu einer HF-PA-Vorspannung führen würde, die nicht ideal ist und die möglicherweise nicht die von dem HF-PA erforderte Linearität produziert.
Die hierin beschriebenen adaptiven Steuertechniken stellen eine HF-PA-Vorspannung für eine Vielzahl von Zuständen bereit und lösen viele der oben beschriebenen Probleme. Im Folgenden ist ein adaptives Vorspannungssteuerelement beschrieben, die Elemente von Offener-Regelkreis- und Geschlossener-Regelkreis-Steuerelementen kombiniert, um die Vorteile der beiden zu nutzen. Solch ein adaptives Vorspannungssteuerelement kann eine fast optimale Vorspannung bereitstellen, die sowohl Kurzzeitzustandsschwankungen (z. B. Temperatur) als auch Langzeitzustandsschwankungen (z. B. Bauelementalterung) kompensiert. Ausführungsbeispiele von adaptiven Vorspannungssteuerelementen, die dazu verwendet werden können, Vorspannungen für individuelle HF-PA zu erzeugen, sind für zwei beispielhafte HF-PA-Topologien beschrieben. Auf diese Ausführungsbeispiele individueller adaptiver Vorspannungssteuerelemente folgen Beschreibungen von Unterausführungsbeispielen, die detaillierte Techniken zur Temperaturkompensation der HF-PA-Vorspannung bereitstellen. Die beschriebenen Techniken reduzieren die erforderliche Kalibrierungszeit und den erforderlichen Kalibrierungsaufwand, die mit anderen Temperaturkompensationstechniken verbunden sind. Weitere Unterausführungsbeispiele stellen Details hinsichtlich von Geschlossener-Regelkreis-Steuertechniken bereit, die in einem adaptiven Vorspannungssteuerelement verwendet werden können. Andere Ausführungsbeispiele erweitern das adaptive Vorspannungssteuerelement, um Arrays von HF-PA unterzubringen, wie in MIMO-Sendern erforderlich sein könnte. Weitere Ausführungsbeispiele sind auf Verfahren zum adaptiven Vorspannen eines HF-PA gerichtet und sind auch beschrieben.
Adaptives Vorspannungssteuerelement
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer HF-PA-Schaltung 100 einschließlich eines adaptiven Vorspannungssteuerelements 110. Die HF-PA-Schaltung 100 umfasst außerdem einen Transistor Q₁ , einen Vorspannungsinduktor L_B und einen Drain-Induktor L_D und wird aus einer Spannungsquelle V_DC mit Leistung versorgt. Ein HF-Eingangssignal wird an einem Anschluss HF_IN bereitgestellt und ein verstärktes HF-Signal wird an einem Anschluss HF_OUT bereitgestellt. Das adaptive Vorspannungssteuerelement 110 erzeugt eine Vorspannungsspannung V_BIAS , die an einem Gate-Anschluss des Transistors Q₁ über den Vorspannungsinduktor L_B bereitgestellt wird. Die Vorspannungsspannung V_BIAS wird derart erzeugt, dass die HF-PA-Schaltung 100 linear über eine Vielzahl von Zuständen arbeitet. Beispielsweise kann das HF-Ausgangssignal HF_OUT der Eingangsspannung HF_IN , die an dem Gate-Terminal des Transistors Q₁ bereitgestellt wird, linear erfolgen.
Das adaptive Vorspannungssteuerelement 110 umfasst sowohl einen Temperaturkompensator 120 als auch ein Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160. Das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 arbeitet nur, wenn die HF-PA-Schaltung 100 inaktive ist, z. B. wenn an dem HF-Eingang HF_IN kein Signal bereitgestellt wird. Genauer gesagt kann ein Betrieb des Geschlossener-Regelkreis-Steuerelements ansprechend auf ein Detektieren, dass die HF-PA-Schaltung 100 inaktiv ist, begonnen werden. Eine solche Detektion kann durch Empfangen eines Aktivierungssignals, wie etwa des veranschaulichten EN_CL -Signals, bereitgestellt werden, welches dem adaptiven Vorspannungssteuerelement 110 anzeigt, dass kein HF-Eingang aktiv ist und dass das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 seine nominale ausgegebene Gate-Spannung V_NOM aktualisieren sollte. (Dieses Aktivierungssignal EN_CL kann der Kehrwert eines Aktivierungssignals sein, das für den gesamten HF-PA oder einen HF-Sender einschließlich des HF-PA verwendet wird.) Wenn die HF-PA-Schaltung inaktiv ist (kein HF_IN -Signal), fließt ein Ruhestrom von der Leistungsquelle V_DE durch den Induktor L_D und den Transistor Q₁. Ein Stromsensor 180 erfasst diesen Ruhestromfluss und stellt einen erfassten Strom I_D an das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 bereit. Ein Referenzstrom I_REF wird in dem Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 gespeichert oder wird demselben bereitgestellt und stellt einen gewünschten Zielwert für den Ruhestrom dar. (Der Strom I_REF wird typischerweise in einem Speicher des adaptiven Vorspannungssteuerelements 110 gespeichert.) Das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 passt die nominale Gate-Spannung V_NOM an, bis der erfasste Strom I_D fast dem Referenzruhestrom I_REF gleicht. In einem typischen Beispiel werden solche Anpassungen unter Verwendung eines Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuerelements durchgeführt. (Eine digitale Implementierung solch eines PID-Steuerelements wird im Folgenden in Verbindung mit 6 beschrieben.) Bei einigen Anwendungen können andere Geschlossener-Regelkreis-Steuertechniken bevorzugt werden, z. B. eine Proportional-lntegral(PI)-Steuerung oder eine proportionale Steuerung. Die nominale Gate-Spannung V_NOM wird zwischengespeichert und das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 passt diesen Wert in Zeiträumen, in denen die HF-PA-Schaltungsanordnung 100 aktiv ist, d. h., wenn an dem Eingangsanschluss HF_IN ein HF-Signal angelegt wird, nicht an und das Aktivierungssignal EN_CL ist nicht aktiv.
Im Gegensatz zu dem Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 arbeitet der Temperaturkompensator 120 unabhängig davon, ob der HF-PA aktiv oder inaktiv ist. Eine Temperatur T der HF-PA-Schaltungsanordnung 100 wird dem Temperaturkompensator 120 bereitgestellt. Diese Temperatur T wird durch einen Temperatursensor bereitgestellt, der sich vorzugsweise physisch in der Nähe des Transistors Q₁ befindet, so dass die erfasste Temperatur T der Temperatur des Transistors Q₁ eng entspricht. (Der Temperatursensor besteht typischerweise aus einem Thermistor, der mit einer Spannungsquelle und einem Digital-Analog-Wandler (DAC, Digital-to-Analog-Converter) gekoppelt ist. Zur besseren Veranschaulichung und weil solche Temperatursensoren bekannt sind, wird der Temperatursensor nicht in 1 gezeigt.) Der Temperaturkompensator 120 bildet die Temperatur T auf eine Gate-Versatzspannung V_OFFSET ab. Diese Abbildung kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle, einer linearen Interpolation, einer Interpolation von höherer Ordnung oder einer Kombination davon durchgeführt werden. Techniken, die eine Nachschlagtabelle und eine stückweise lineare Approximation der Temperatur-Spannung-Abbildung verwenden, sind im Folgenden in Verbindung mit dem Unterausführungsbeispiel aus 5 beschrieben.
Die nominale Gate-Spannung V_NOM und die temperaturkompensierte Versatzspannung V_OFFSET werden unter Verwendung eines Addierers 190 kombiniert. Die resultierende Gate-Vorspannungsspannung V_BIAS wird über den Kopplungsinduktor L_B an dem Gate-Anschluss des Transistors Q₁ bereitgestellt.
Der Transistor Q₁ in der HF-PA-Schaltung 100 wird als ein seitlich diffundierter Metalloxid-Halbleiter(LDMOS, Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor)-Feldeffekttransistor dargestellt, jedoch können andere Transistorarten verwendet werden. Zusätzlich zu LDMOS werden typischerweise Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT, High-Electron Mobility Transistors) z. B. auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) für HF-PA verwendet. Andere Transistorarten können bei einigen Anwendungen bevorzugt werden, z. B., andere Arten von MOSFET, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET, Junction Field-Effect Transistors), Bipolartransistoren (BJT, Bipolar Junction Transistors) oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistors). Der Betrieb des adaptiven Vorspannungssteuerelements 110 ist unabhängig von der Art des in der HF-PA-Schaltung 100 verwendeten Transistors der gleiche, es ist jedoch zu beachten, dass einige Transistorarten, z. B. BJT, einen Vorspannungsstrom anstelle einer Vorspannungsspannung benötigen.
Das adaptive Vorspannungssteuerelement 110 kann mit anderen HF-PA-Topologien als der in der HF-PA-Schaltung 100 veranschaulichten Ein-Transistor-Topologie verwendet werden, die einen typischen Class-A-Verstärker darstellt. Andere Topologien können Transistoren umfassen, die miteinander kaskadiert sind, z. B. in einer Gegentaktausrichtung, wie für Class-AB-Verstärkertopologien typisch ist. Für kaskadierte oder andere Multitransistor-HF-PA-Topologien wird eine Vorspannung für jeden der Transistoren unter Verwendung von einem oder mehreren adaptiven Vorspannungssteuerelementen erzeugt, wie oben beschrieben ist.
2 veranschaulicht eine andere HF-PA-Schaltung 200, wie z. B. beim Implementieren von einem HF-PA mit Class-C-Doherty-Verstärkungsüberhöhung verwendet werden kann. Die HF-PA-Schaltung 200 unterscheidet sich von der HF-PA-Schaltung 100 aus 1 dadurch, dass ein Aktivmodusversatz V_{ACT_OFFSET} in der Vorspannungsspannung V_BIAS enthalten ist, wenn die HF-PA-Schaltung 200 aktiv ist. Ein Invertierer 292 und ein gespeicherter Versatzwert 294 werden zum Bereitstellen des Aktivmodusversatzes V_{ACT_OFFSET} an den Addierer 190 verwendet. Die HF-PA-Schaltung 200 aus 2 ermöglicht es, dass der Vorspannungspunkt des Transistors Q₁ während eines Aktivmodus des HF-PA auf einen Versatz relativ zu der Gate-Schwellspannung des Transistors Q₁ eingestellt wird. Mit anderen Worten verwendet das adaptive Vorspannungssteuerelement 210 das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 und den Temperaturkompensator 120, um eine gewünschte Vorspannungsspannung zu bestimmen, die einer Gate-Schwellspannung des Transistors Q₁ entspricht. Wenn der HF-PA aktiv ist (EN_CL ist deaktiviert) wird ein fester Versatz V_{ACT_OFFSET} zu dieser Vorspannungsspannung hinzugefügt, um eine aktualisierte Vorspannungsspannung zu erzeugen, die an das Gate des Transistors Q₁ anzulegen ist. Anstatt den Transistor Q₁ an einem Mittelpunkt seines Linearbereichs zu betreiben, z. B. in der Nähe seiner Gate-Schwellspannung, können solche Techniken den Transistor in einer kontrollierten Weise versetzen, um in einem anderen Bereich zu arbeiten. Eine HF-Abstimmschaltung, die z. B. mit dem HF-Ausgang HF_OUT gekoppelt ist, kann in Verbindung mit dieser Versetzung verwendet werden, um eine gewünschte HF-Ausgangsantwort des HF-PA zu erzielen.
Die adaptiven Vorspannungssteuerelemente 110, 210 und ihre ausbildenden Teile können unter Verwendung einer Kombination von analogen Hardware-Komponenten (z. B. Transistoren, Verstärker, Dioden und Widerständen) und einer Prozessorschaltungsanordnung implementiert werden, die primär digitale Komponenten umfasst. Die Prozessorschaltungsanordnung kann einen Digitalprozessor (DSP), einen Universalprozessor und/oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) umfassen. Die adaptiven Vorspannungssteuerelemente 110, 210 können außerdem einen Speicher, z. B. einen nichtflüchtigen Speicher wie etwa Flash, der Anweisungen oder Daten zur Verwendung durch die Prozessorschaltungsanordnung enthält, mit einem oder mehreren Zeitgebern umfassen. Die adaptiven Vorspannungssteuerelemente 110, 210 geben Sensorsignale wie etwa die Temperatur T und den Drain-Strom I_D ein.
Temperaturkompensator
3 veranschaulicht einen Drain-Ruhestrom als eine Funktion einer Temperatur für einen Transistor, z. B. der Transistors Q₁ aus 1, wenn eine konstante Vorspannungsspannung an sein Gate angelegt wird. Mit anderen Worten wird keine Temperatur- oder sonstige Kompensation auf die Vorspannung angewandt. Wie in 3 gezeigt ist, weist der Drain-Ruhestrom eine starke lineare Abhängigkeit von der Temperatur auf. In einem solchen Fall können Terme zweiter und höherer Ordnung weitgehend ignoriert werden und eine lineare Abbildung von Temperatur auf Gate-Vorspannungsversatz könnte verwendet werden. Für eine weniger lineare Beziehung zwischen Temperatur und Drain-Ruhestrom kann eine lineare Abbildung unzureichend sein. Im Folgenden werden verschiedene Techniken zum Erzeugen eines Gate-Vorspannungsversatzes (V_OFFSET ) beschrieben. Obwohl die Techniken je nach Abbildungstechnik variieren, sind sie ähnlich, da sie einen Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) auf der Basis einer Eingangstemperatur erzeugen.
Bei einem ersten Unterausführungsbeispiel wird die Temperatur einem Polynom n-ter Ordnung bereitgestellt, das den Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) ausgibt. (Der Eckfall, in dem der Grad n=1 die zuvor geschriebene lineare Abbildung darstellt.) Ein HF-PA ist gekennzeichnet, z. B. in einem Kalibrierungsschritt, die Polynomkoeffizienten zu bestimmen. Betrachtet wird eine Sequenz von Referenz-Gate-Vorspannungsversatzwerten V_ref,i, die Temperaturen T_i entsprechen, wobei jeder Gate-Vorspannungsversatzwert V_ref,i den gewünschten Drain-Ruhestrom bei der zugeordneten Temperatur T_i erzeugt. Solche Datenpunkte sind in 4 veranschaulicht. Ein Lagrange-Interpolationspolynom (nicht veranschaulicht) kann an die Datenpunkte, die durch (V_ref,i , T_i ) gegeben sind, während einer anfänglichen Charakterisierung eines HF-PA angepasst werden. (Da Polynomkurvenanpassungstechniken bekannt sind, werden die spezifischen Details hinsichtlich einer Erzeugung der Polynomkoeffizienten hierin nicht beschrieben.) Im Folgenden können während eines Normalbetriebs des Temperaturkompensators 120 Gate-Vorspannungsversatzwerte (V_OFFSET ) auf der Basis der erfassten Temperatur (T) und des Interpolationspolynoms produziert werden.
Bei einem zweiten Unterausführungsbeispiel wird die Abbildung von einer Temperatur (T) auf einen Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) über eine Nachschlagtabelle (LUT, Look-Up Table) bereitgestellt. Die Temperatur T wird als eine Adresse zu einer LUT verwendet, die Werte des Gate-Vorspannungsversatzes (V_OFFSET ) enthält, die jedem potenziellen Temperaturwert entsprechen. Dieses zweite Unterausführungsbeispiel erfordert weniger Rechenkomplexität als das erste Unterausführungsbeispiel, jedoch auf Kosten des höheren Speicherbedarfs für die Speicherung der LUT. Das zweite Unterausführungsbeispiel kann bei Anwendungen mit eingeschränkter Verarbeitungsfähigkeit bevorzugt werden.
Bei einem dritten Unterausführungsbeispiel basiert die Abbildung von einer Temperatur (T) auf einen Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) auf LUT und stückweise linearer Interpolation. Eine solche Abbildung (400) ist in 4 veranschaulicht. Ein Temperaturkompensator, wie etwa der Temperaturkompensator 120, der in 1 veranschaulicht ist, kann die gemessene Temperatur T und die dazu verwenden, die Versatz-Vorspannungsspannung zu bestimmen. Wenn beispielsweise die gemessene Temperatur T=T₂ ist, wäre der Gate-Vorspannungsversatz auf V_OFFSET=V_ref,2 eingestellt. Wenn die gemessene Temperatur T ein Zwischenwert ist, der zwischen zwei Referenztemperaturen T_i und T_i+1 fällt, wird der Gate-Vorspannungsversatz aus einer geradlinigen Interpolation ermittelt, die die zwei nächsten Referenzpunkte V_ref,i und V_ref,i+1 verbindet. Am Beispiel einer gemessenen Temperatur T=T_meas, wie in 4 veranschaulicht ist, wäre der resultierende Gate-Vorspannungsversatz auf Folgendes eingestellt: $V_{O F F S E T} = V_{r e f,3} + m_{3} (T_{m e a s} - T_{3})$
Der Aufbau einer Abbildung von einer Temperatur (T) auf einen Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) erfordert, dass ein HF-PA, oder ein oder mehrere Transistoren darin, für mehrere Temperaturen charakterisiert sind. Für die , die in 4 veranschaulicht ist, würde eine solche Charakterisierung für K=8 Temperaturen ausgeführt werden, die vorzugsweise gleichmäßig über den Betriebstemperaturbereich des HF-PA verteilt sind. Für jede Temperatur T_i wird eine Referenz-Gate-Spannung V_ref,i bestimmt, die den erwünschten Ruhestrom durch den HF-PA bereitstellt. Die resultierenden Referenzspannungen V_ref,i werden dann zum Beispiel in einer Tabelle in einem Speicher des adaptiven Vorspannungssteuerelements 110 gespeichert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf der Basis von stückweiser linearer Interpolation werden außerdem Gradienten m_i gespeichert, die den Steigungen der die Referenzspannungen V_ref,i verbindenden Segmente entsprechen.
Die Charakterisierung eines HF-PA über mehrere Temperaturen hinweg stellt einen bedeutsamen Kalibrierungsschritt dar, der bei der Produktion von einzelnen HF-PA (oder deren Transistoren) vorzugsweise zu vermeiden ist. Obwohl die Abbildung von Gate-Spannung auf Ruhestrom im Allgemeinen von Bauelement zu Bauelement variiert, selbst in dem gleichen Wafer, sind die Gradienten, z. B. m_i , der Abbildungen für unterschiedliche Bauelemente häufig über Bauelemente hinweg ziemlich konsistent. Beispielsweise kann die in 4 veranschaulichte einen bestimmten MOSFET charakterisieren. Andere MOSFET aus demselben Wafer oder derselben Fertigungsserie weisen typischerweise eine Abbildung auf, die dieselbe Form (Gradienten) aufweist, aber deren Abbildungen um einen konstanten Wert versetzt sind, so dass deren Abbildungen höher oder niedriger als die des bestimmten MOSFET sind. Solcher Versatz für individuelle Transistoren tritt aufgrund von Schwankungen der Abschnürspannung (Pinch-off voltage) über einen Wafer auf, was sich jedoch nur wenig auf die temperaturbedingte Steigung der Abbildung auswirkt. Diese Eigenschaft kann bei der Charakterisierung von HF-PA vorteilhaft genutzt werden, wodurch eine langwierige Kalibrierung für jeden Transistor, die in HF-PA verwendet werden, vermieden wird.
Bei einem bevorzugten Aufbau der Temperaturabbildung für eine Gruppe von HF-PA wird ein charakteristischer HF-PA, oder ein Transistor darin, ausgewählt, eine Serie von HF-PA darzustellen. Die Serie kann alle Transistoren in einem Wafer, alle Transistoren in einer Herstellungsserie oder eine ähnliche Gruppe von Transistoren aufweisen. Die Abbildung von Temperatur (T) auf Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) wird für den charakteristischen Transistor wie oben beschrieben bestimmt. Ein zweiter Transistor aus der Serie wird dann charakterisiert, aber nicht über den gesamten Temperaturbereich. Bei einem bevorzugten Unterausführungsbeispiel wird eine Referenzspannung V_ref bei einer Temperatur für den zweiten Transistor bestimmt. Diese wird mit der Referenzspannung für den charakteristischen Transistor bei derselben Temperatur verglichen. Die Differenz stellt einen konstanten Versatz für den zweiten Transistor dar. Die Abbildung von Temperatur (T) auf Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) für den zweiten Transistor kann dann durch Summieren des konstanten Versatzes des zweiten Transistors mit der Temperaturabbildung des charakteristischen Transistors bestimmt werden. Diese Technik wird dann für die verbleibenden Transistoren in der Serie wiederholt. Solch eine Technik ergibt eine ziemlich genaue Abbildung für jeden Transistor, während dieselbe einen zeitaufwendigen und teuren Prozess einer umfassenden Charakterisierung, mittels empirischer Kalibrierung und Messung, jedes Transistors über mehrere Temperaturen hinweg vermeidet.
Wenn eine Abbildung von einer Temperatur (T) auf einen Gate-Vorspannungsversatz (V_OFFSET ) bestimmt ist, z. B. unter Verwendung eines der drei oben beschriebenen Unterausführungsbeispiele, kann ein Offener-Regelkreis-Temperaturkompensator auf eine Vielzahl von Arten implementiert werden, die von Software in einem eingebetteten Prozessor bis zu einer dedizierten Hardwareimplementierung reichen.

5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturkompensators 500, wie in dem adaptiven Vorspannungssteuerelement 100 aus 1 enthalten sein kann, und der auf LUT und stückweiser linearer Interpolation basiert. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine angemessene Genauigkeit bereit und erfordert minimale Hardware-Ressourcen. Ein Temperatursensor (zur Vereinfachung der Veranschaulichung nicht gezeigt) misst eine Temperatur, die von einem Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog-to-Digital Converter) digitalisiert wird. Eine 8-Bit-Temperatur T, die von dem ADC erzeugt wird, wird einem Register 520 bereitgestellt. Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass der nutzbare Bereich des Temperatursensors zwischen -40°C und 180°C liegt. Der 8-Bit-ADC stellt 256 diskrete Werte bereit, wobei 0 -40°C entspricht und 255 180°C entspricht, wodurch ein Bereich von 220°C abgedeckt wird. Somit stellt jeder diskrete Schritt des Ausgangs des 8-Bit-ADC Folgendes dar:

\frac{220 ° C}{256 S c h r i t t e} = \frac{0,86 ° C}{Schritt} .

Es wird angenommen, dass eine Abbildung von Temperatur auf Referenzvorspannungsspannung, wie in 4 gezeigt ist, K=8 diskrete Referenzpunkte umfasst, so dass die Temperaturdifferenz zwischen Referenzpunkten durch einen Temperatursegmentteilbereich von:

\frac{220 ° C}{B S e g m e n t e} = 27,5 ° C / S e g m e n t

angegeben wird. Die unten stehende Tabelle 1 zeigt die Temperaturbereiche in Celsius, die den vorzeichenlosen ADC-Ausgangswerten für die 8-Bit-Temperatur T entsprechen. Tabelle 1: Digitale Darstellung einer Temperatur

Temperaturbereich (°C)	T (ADC-Ausgang)
-40 bis -12.5	0 - 31
-12,5 bis 15	32 - 63
15 bis 42.5	64 - 95
42,5 bis 70	96 - 127
70 bis 97,5	128 - 159
97,5 bis 125	160 - 191
125 bis 152,5	192 - 223
152,5 bis 180	224 - 255

Für K = 8 = 2³ Segmente werden die 3-höchstwertigen Bits (MSBs, Most-Significant-Bits) aus der erfassten Temperatur T als eine Adresse für eine oder mehrere Nachschlagtabellen (LUT, Look-Up Tables) verwendet. Die LUT werden für gewöhnlich in einem Festwertspeicher (ROM, Read-Only Memory) gespeichert. Der Temperaturkompensators 500 umfasst eine LUT₀ 530, die Gradienten (Steigungen) für jedes von K=8 Temperatursegmenten umfasst. Diese Gradienten entsprechen den in der auf 4 veranschaulichten Steigungen m₀ ... m₇ . Eine zweite LUT 540 umfasst die K=8 Gate-Referenzversatzwerte (V_ref,i ). Die zweite LUT 540 kann während einer Charakterisierungsphase (Kalibrierungsphase) des adaptiven Vorspannungssteuerelements 110 befüllt werden oder kann während einer Einschaltphase dynamisch befüllt werden. (Die Gate-Referenzversatzwerte könnten sogar bei Bedarf dynamisch berechnet werden, wodurch der Bedarf für eine zweite LUT vermieden wird; solch eine Implementierung ist aufgrund der zusätzlichen Rechenanforderungen nicht bevorzugt.) Vorausgesetzt, dass die Gradienten bekannt sind, können die Werte V_ref,i der zweiten LUT 540 unter Verwendung des folgenden Pseudocodes erzeugt werden.
Die nominale Gate-Spannung V_nominal kann während einer Charakterisierungsphase (Kalibrierungsphase) oder als Teil einer Einschaltsequenz durch ein Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement bestimmt werden. Genauer gesagt kann der Wert V_nominal dadurch bestimmt werden, dass eine Referenzspannung V_ref,0 , die dem charakteristischen Transistor entspricht, zu einem Bauelement-spezifischen Versatz hinzugefügt wird, der durch das interessierende Bauelement bestimmt wird.
Wenn die LUT 530, 540 befüllt sind, wird eine lineare Interpolation dazu verwendet, die Temperatur-kompensierte Vorspannungsspannung zu bestimmen, z. B. V_OFFSET in 1. Die Temperatur T wird in einen hohen Abschnitt T_{3_MSB} , der ihre 3 MSB darstellt, und einen niedrigen Abschnitt T_{5_LSB} unterteilt, der ihre 5 LSB darstellt. Der hohe Abschnitt i=T_{3_MSB} wird als eine Adresse für die Gradienten-LUT₀ 530 verwendet, um eine angemessene Steigung (Gradient_i) aus dieser LUT zu extrahieren. Der hohe Abschnitt T_{3_MSB} wird zusätzlich als eine Adresse zu der zweiten LUT 540 verwendet, um einen Gate-Referenzversatzwert V_ref,i zu extrahieren, der der Temperatur T entspricht. Ein Multiplizierer 535 multipliziert den unteren Abschnitt T_{5_LSB} der Temperatur mit dem geeigneten Gradienten und das Produkt wird in einen Addierer 545 eingegeben. Der Addierer 545 summiert dieses Produkt mit dem extrahierten Gate-Referenzversatzwert V_ref,i und stellt das Ergebnis einem V_OFFSET -Register 550 bereit. Das V_OFFSET -Register 550 speichert das Ergebnis zwischen, z. B. unter Verwendung eines Takteingangs (nicht gezeigt). Typischerweise speichert das V_OFFSET -Register 550 jedes Mal zwischen, wenn ein neuer Temperaturwert T aus dem ADC verfügbar ist. Es ist zu beachten, dass der Temperaturkompensator 500 ein Unterausführungsbeispiel der Gleichung (1) mit einer HardwareImplementierung darstellt.
Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement
Wie oben beschrieben ist, ist das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 160 aus 1 vorzugsweise ein PID-Steuerelement. Jedoch ist zu beachten, dass andere Arten von Steuerelementen möglich sind und in einigen Anwendungen bevorzugt sein können. Beispielsweise kann der Differenzial-Teil eines PID-Steuerelements ausgelassen werden, was ein PI-Steuerelement zur Folge hat Ein PID-Steuerelement ist bevorzugt, da es für viele unterschiedliche Anwendungen und über einen weiten Bereich von Zuständen eine gute Leistung bietet. Ein Proportional-Steuerabschnitt, wie aus dem Koeffizienten K_p bestimmt ist, reduziert die Anstiegszeit und wird ohne Weiteres den Dauerzustandsfehler reduzieren, jedoch nie eliminieren. Ein Integral-Steuerabschnitt mit einem Steuerkoeffizienten K_i reduziert den Dauerzustandsfehler für einen konstanten oder schrittweisen Eingang, jedoch mit der Folge einer kürzeren Einschaltantwort. Ein Differential-Steuerabschnitt mit einem Koeffizienten K_d weist einen Effekt auf, die Stabilität des Systems zu erhöhen, ein Überschwingen zu reduzieren und eine Einschaltantwort zu verbessern.
Ein zeitdiskretes PID-Steuerelement kann im Allgemeinen unter Verwendung der folgenden Differenzgleichung implementiert werden: $u [k] = u [k - 1] + K_{1} e [k] + K_{2} e [k - 1] + K_{3} e [k - 2]$
6 veranschaulicht ein Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 600, das die obige Differenzgleichung implementiert. Eine Summierschaltung 630 wird dazu verwendet, einen gewünschten Referenzstrom I_q__ref,i und einen erfassten Stromabtastwert I_d,i[n] für einen gegebenen Transistor i eines HF-PA oder einer Gruppe von HF-PA zu vergleichen, um das Fehlersignal (Differenz) e[n] zu erzeugen. Das Fehlersignal e[n], das aus dem gewünschten Strom und dem erfassten Stromabtastwert berechnet wird, wird einer ersten Abtastwertverzögerung 660 und einer zweiten Abtastwertverzögerung 662 bereitgestellt. Das Fehlersignal e[n] und seine zeitdiskreten verzögerten Versionen e[n-1], e[n-2] werden einem ersten, zweiten und dritten Multiplizierer 670, 672, 674 bereitgestellt, die diese Fehlersignale mit einem ersten, zweiten und dritten Koeffizienten K₁ , K₂ , K₃ multiplizieren. Die resultierenden Produkte werden unter Verwendung eines zweiten und eines dritten Addierers 680, 682 summiert, um eine Steuersignalaktualisierung an dem Ausgang des zweiten Addierers 682 zu erzeugen. Eine Abtastwertverzögerung 664 und ein vierter Addierer 684 werden dazu verwendet, einen Steuersignalausgang u[n] zu erzeugen, der auf der aktuellen Steuersignalaktualisierung und einem vorherigen Abtastwert u[n-1] des Steuersignalausgangs basiert. Eine Umwandlungsschaltung 690 wandelt dieses Ergebnis in einen vorzeichenlosen Wert um, der für einen Eingang in einen DAC geeignet ist. Jede aktualisierte Version dieses vorzeichenlosen Wertes wird in ein Register 692 zwischengespeichert, solange das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 600 aktiv ist, z. B. die Komponenten getaktet werden. Sobald das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 600 deaktiviert ist, z. B. aufgrund dessen, dass das in 1 gezeigte EN_CL -Signal deaktiviert ist, behält das Register 692 eine nominale Vorspannungssteuerspannung V_{CL_NOM,i} für den Transistor i bei. Wie in 1 gezeigt ist, wird eine nominale Vorspannungssteuerspannung wie diese mit dem Ausgang des Temperaturkompensators summiert, um eine Vorspannungssteuerspannung für einen Transistor bereitzustellen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die nominale Vorspannungsspannung V_{CL_NOM} und der Temperaturkompensatorausgang V_OFFSET digital addiert und die Summe wird einem DAC bereitgestellt, der die analoge Vorspannungssteuerspannung V_BIAS bereitstellt, wie in 1 gezeigt ist. (Zur Vereinfachung der Veranschaulichung ist ein solcher DAC nicht in 1 veranschaulicht. Der Addierer 190 in 1 kann ein digitaler Addierer sein.) Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht veranschaulicht) kann ein DAC sowohl in dem Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement als auch dem Temperaturkompensator enthalten sein, und der Addierer 190 aus 1 kann ein analoger Addierer sein.
Wie in 6 veranschaulicht ist, ist ein Array von Drain-Ruhestromreferenzwerten 610 und ein Array von Stromüberwachungsvorrichtungen 620 vorhanden. Die mehreren Werte entsprechen unterschiedlichen Transistoren in einem HF-PA oder verteilt über mehrere HF-PA. Auf diese Weise kann das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 600 eine Mehrzahl von Transistoren und/oder HF-PA unterstützen. Wenn an einem bestimmten Transistor i gearbeitet wird, wird ein IQ_REF_addr, der i entspricht, dazu verwendet, die geeignete Drain-Ruhestromreferenz zu extrahieren. (Bei einigen Implementierungen kann dieselbe Referenz für mehrere Transistoren verwendet werden.) Die Stromüberwachungsvorrichtung 620 umfasst einen Multiplexer (nicht gezeigt), so dass der interessierende Transistor i zu der Summierschaltung 630 geleitet werden kann. Der konvertierte Ausgang der Steuerschleife 690 wird dann in das geeignete Register 692 für den Transistor i geschrieben. (Obwohl nicht veranschaulicht, werden für gewöhnlich m Register 692 vorhanden sein, von denen jedes einem der m Transistoren entspricht.) Auf diese Weise kann das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 600 zeit-gespleißt sein, so dass es mehrere Transistoren unterstützen kann, wodurch die für die Geschlossener-Regelkreis-Steuerung benötigte Hardware minimiert werden kann. (Bei einigen Anwendungen, bei denen die HF-PA über mehrere physische Positionen verteilt sind, kann eine solche Wiederverwendung nicht durchführbar sein, wobei in diesem Fall separate Geschlossener-Regelkreis-Steuerelemente 600 für jeden HF-PA erforderlich sein können.)
Adaptive Vorspannungssteuerelemente für mehrere HF-PA
Das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 600 aus 6 ist dahin gehend beschrieben, ausgebildet zu sein, mehrere Transistoren und/oder HF-PA zu unterstützen. 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines adaptiven Vorspannungssteuerelements 700, das dazu ausgebildet ist, mehrere Transistoren zu unterstützen.
Das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 702, die Drain-Ruhestromreferenzen 710 und die Stromüberwachungen 720 ähneln denen, die im Hinblick auf das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement aus 6 beschrieben wurden. Wie gezeigt ist, werden m Transistoren durch das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement 702 unterstützt, welches nominale Vorspannungssteuerwerte V_{CL_NOM} für jeden der m Transistoren ausgibt.
Der Temperaturkompensator 704 aus 7 stelle eine Erweiterung des Temperaturkompensators 500 aus 5 dar. Der Temperaturkompensator 704 umfasst LUT 540a, 540b ... 540m, die jedem von m Transistoren, für die eine Vorspannung erzeugt wird, entsprechen. LUT, die der Gradienten-LUT₀ 530 aus 5 entsprechen, würden auch in dem Temperaturkompensator 704 enthalten sein, sind jedoch zur Vereinfachung der Veranschaulichung nicht gezeigt. Die Register 550a, 550b ... 550m und die DAC 560a, 560b, ... 560m sind wie im Hinblick auf 5 beschrieben. Alternativ dazu könnte ein Temperaturkompensator verwendet werden, der eine einzelne LUT ohne die stückweise Interpolation des Temperaturkompensators 500 verwendet, oder ein Temperaturkompensator auf der Basis einer Polynomfunktion könnte verwendet werden.
Wie in 7 veranschaulicht ist, wird der Temperatursensor 706 dazu verwendet, die Temperaturkompensation für jeden der m Transistoren zu bestimmen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht veranschaulicht) können mehrere Temperatursensoren verwendet werden. Dies kann insbesondere bei Anwendungen bevorzugt sein, bei denen die durch das adaptive Vorspannungssteuerelement 700 unterstützten HF-PA physisch getrennt sind und sich die Temperaturen der zugeordneten Transistoren bedeutend unterscheiden. Für solche Anwendungen kann es bevorzugt sein, einen Temperatursensor in der Nähe jedes der m Transistoren zu enthalten, so dass die Temperatur jedes Transistors eng nachverfolgt werden kann.
Eine Tabelle 708 der nominalen Gate-Spannungen Vnom ist in dem adaptiven Vorspannungssteuerelement 700 gespeichert. Jede dieser nominalen Gate-Spannungen entspricht einem der m Transistoren und wird dazu verwendet, die LUT 540a, 540b, ... 540m in dem Temperaturkompensator 704 zu erzeugen. Beispielsweise können die nominalen Gate-Spannungen Vnom den konstanten Versatz für jeden Transistor darstellen, der, wenn mit den repräsentativen Temperaturgradienten kombiniert, die LUT erzeugt. (Weitere Details der nominalen Gate-Spannungen sind in Verbindung mit der Beschreibung von 5 bereitgestellt.)
Verfahren zum adaptiven Vorspannen es HF-PA
8 veranschaulicht ein Verfahren 800 zum adaptiven Vorspannen eines HF-PA. Ein solches Verfahren kann in einem adaptiven Vorspannungssteuerelement, wie dem in 1 und ihren Unterausführungsbeispielen veranschaulichten, implementiert werden, wie oben beschrieben ist. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird das Beispielverfahren 800 aus 8 nur zum Steuern der Vorspannung für einen HF-PA beschrieben, jedoch kann das Verfahren ohne weiteres hochgerechnet werden, um mehrere HF-PA unter Verwendung der gleichen Techniken zu steuern, die oben im Hinblick auf 7 beschrieben wurden.
Das Verfahren 800 beginnt folgenden Schritten: Messen 810 einer Temperatur, z. B. unter Verwendung eines Thermistors und eines ADC, und Verwenden der gemessenen Temperatur, um eine PA-Vorspannung zu bestimmen 820. Wenn detektiert wird 830, dass der HF-PA aktiv ist, dann wird die bestimmte Vorspannung sofort an den HF-PA angelegt 880. Ansonsten, d. h., wenn der HF-PA inaktiv ist, werden Geschlossener-Regelkreis-Techniken verwendet, um die HF-PA-Vorspannung zu aktualisieren.
Die Geschlossener-Regelkreis-Techniken beginnen mit einem Messen 840 (Abtasten) eines Stroms I_D durch den HF-PA. Ein Fehler wird auf der Basis eines Zielreferenzstroms I_REF und des gemessenen Stromabtastwertes I_D bestimmt 845. Der Fehler wird dazu verwendet, die PA-Vorspannung unter Verwendung einer Geschlossener-Regelkreis-Technik, z. B. einer PID-Steuerung, zu aktualisieren 850. Die aktualisierte PA-Vorspannung wird dann an einem Steueranschluss des HF-PA angelegt 855, was eine Wirkung einer Änderung des Ruhestroms aufweist, der durch den HF-PA fließt. Falls keine neue Temperaturmessung verfügbar ist 890, werden die Geschlossene-Regelkreis-Schritte 840, 845, 850, 855 wiederholt, bis der HF-PA nicht länger inaktiv ist 830. Falls eine neue Temperaturmessung verfügbar ist, werden die Schritte des Messens 810 der Temperatur und des Bestimmens 820 einer PA-Vorspannung auf der Basis dieser Temperatur durchgeführt, bevor nach einer HF-PA-Aktivität gesucht wird 830 und die Geschlossene-Regelkreis-Steuerung fortgesetzt wird. Während der HF-PA aktiv ist, wird die PA-Vorspannung bestimmt 820 und jedes Mal wiederholt angelegt 880, wenn eine neue Temperaturmessung verfügbar ist.
9 veranschaulicht ein alternatives Verfahren 900, das zusätzlich optionale Schritte neben denen in 8 veranschaulichten umfasst. Genauer gesagt ermöglicht das Verfahren 900, dass die Geschlossene-Regelkreis-Steuerung endet, wenn bestimmt wird, dass dieselbe mit einer akzeptablen Fehlertoleranz zusammengelaufen ist. Es werden im Folgenden nur die Schritte beschrieben, die sich von denen aus 8 unterscheiden.
Nachdem der Fehler bestimmt wurde 845, wird eine Prüfung 960 durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Absolutwert des Fehlers unter einer akzeptablen Fehlergrenze e_LIMIT liegt. Wenn nicht, wird die Geschlossener-Regelkreis-Aktualisierung der PA-Vorspannung 850 fortgesetzt und die aktualisierte PA-Vorspannung wird an den HF-PA angelegt 855. Wenn der Absolutwert des Fehlers unter die akzeptable Fehlergrenze e_LIMIT fällt, kann die Geschlossene-Regelkreis-Steuerung abbrechen, indem die Steuerung zu Schritt 880 weitergegeben wird.
Bei einigen anderen Schritten 965, 970, 975, die in gepunkteten Kästchen gezeigt sind, um anzuzeigen, dass dieselben bei dem Verfahren 900 optional sind, kann ein Konvergenzzeitgeber dazu verwendet werden, dass der Absolutwert des Fehlers für eine vorbestimmte Konvergenzzeit T_CONVERGE unter der Fehlergrenze e_LIMIT bleibt. Wenn bestimmt wird 960, dass der Fehler über der akzeptablen Fehlergrenze e_LIMIT liegt, wird der Konvergenzzeitgeber zurückgesetzt. Wenn der Fehler unter der akzeptablen Fehlergrenze e_LIMIT ist 960, wird ein Konvergenzzeitgeber inkrementiert 970 und die Steuerschleife wird solange fortgesetzt, wie der Konvergenzzeitgeber seine Konvergenzgrenze T_CONVERGE nicht erreicht hat 975. Sobald der Konvergenzzeitgeber angibt, dass der Fehler zumindest für die Konvergenzzeit T_CONVERGE unter der Fehlergrenze e_LIMIT geblieben ist, wird die Geschlossener-Regelkreis-Steuerung abgebrochen.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „umfassend“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, die aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Es wird beabsichtigt, dass die Artikel „ein“, „eine“ und „der/die/das“ sowohl den Plural als auch den Singular beinhalten, es sei denn, dass der Zusammenhang eindeutig etwas Anderes angibt.
Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, es sei denn, dass spezifisch das Gegenteil angegeben wird.
Wenngleich hier spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen die gezeigten und beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele substituieren kann, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Variationen der hier erörterten speziellen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Patentansprüche oder deren Entsprechungen eingeschränkt wird.

Claims

Ein Verfahren zum adaptiven Vorspannen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers (HF-PA), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Messen einer Temperatur für den HF-PA; Bestimmen einer PA-Vorspannung auf der Basis der gemessenen Temperatur; Detektieren, dass sich der HF-PA in einem inaktiven Modus befindet, in dem kein HF-Eingang bereitgestellt ist, jedoch ein Ruhestrom durch den HF-PA fließt; ansprechend auf das Detektieren, dass sich der HF-PA in dem inaktiven Modus befindet: Messen des Ruhestroms, Vergleichen des gemessenen Ruhestroms mit einem Referenzstrom, um einen Fehlerstrom zu erzeugen, Verwenden einer Geschlossener-Regelkreis-Steuertechnik und des Fehlerstroms, um einen Korrekturvorspannungsterm zu erzeugen; und Aktualisieren der PA-Vorspannung auf der Basis des Korrekturvorspannungsterms, und Anlegen der PA-Vorspannung an einen Steueranschluss des HF-PA.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Schritte des Messens der Temperatur, des Bestimmens der PA-Vorspannung und des Anlegens der PA-Vorspannung durchgeführt werden, wenn sich der HF-PA in einem aktiven Modus befindet und wenn sich der HF-PA in dem inaktiven Modus befindet, und diese jedes Mal wiederholt werden, wenn eine neue Temperaturmessung für den HF-PA verfügbar ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Geschlossener-Regelkreis-Steuertechnik durch ein Proportional-lntegral-Differential(PID)-Steuerelement durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Bestimmen der PA-Vorspannung auf einer Nachschlagtabelle basiert, die Abbildungen von Temperaturwerten auf PA-Vorspannungswerte umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Bestimmen der PA-Vorspannung auf einer Polynomoperation basiert, welche die PA-Vorspannung aus der gemessenen Temperatur erzeugt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Bestimmen der PA-Vorspannung auf einer stückweisen linearen Abbildung von Temperatur auf PA-Vorspannung basiert.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Bestimmen der PA-Vorspannung auf einer Abbildung von Temperatur auf PA-Vorspannung basiert, wobei die Abbildung vor dem Normalbetrieb des HF-PA erzeugt wird und die Abbildung durch Folgendes erzeugt wird: Bestimmen einer charakteristischen Abbildung für einen charakteristischen HF-PA, der sich von dem HF-PA unterscheidet, wobei die charakteristische Abbildung eine Mehrzahl von Temperaturen über einen Betriebstemperaturbereich für den charakteristischen HF-PA abdeckt; und Basieren der Abbildung für den HF-PA auf der charakteristischen Abbildung.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Abbildungserzeugung ferner folgende Schritte aufweist: Versetzen des HF-PA in den inaktiven Modus; Messen einer Kalibrierungstemperatur für den HF-PA; Bestimmen einer Kalibrierungs-PA-Vorspannung auf der Basis der Kalibrierungstemperatur und Anlegen der Kalibrierungs-PA-Vorspannung an einen Steueranschluss des HF-PA; Messen eines Kalibrierungsruhestrom; Vergleichen des Kalibrierungsruhestroms mit dem Referenzstrom, um einen Kalibrierungsfehlerstrom zu erzeugen; Verwenden einer Geschlossener-Regelkreis-Steuertechnik und des Kalibrierungsfehlerstroms, um einen Kalibrierungskorrekturterm zu erzeugen; und Erzeugen einer Abbildung für den HF-PA auf der Basis der charakteristischen Abbildung und des Kalibrierungskorrekturterms.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der HF-PA einen Lateral-Diffundierter-Metalloxidhalbleiter(LDMOS)-Feldeffekttransistor oder einen Galliumnitrid(GaN)-basierten Transistor aufweist, wobei der Steueranschluss des HF-PA ein Gate-Anschluss des LDMOS oder des GaN-basierten Transistors ist und die HF-PA-Vorspannung eine an den Gate-Anschluss angelegte Spannung ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Detektieren, dass sich der HF-PA in dem inaktiven Modus befindet, durch Empfangen eines Geschlossener-Regelkreis-Steuerungsaktivierungssignals durchgeführt wird.
Ein Vorspannungssteuerelement für einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-PA), das folgende Merkmale aufweist: eine Temperaturkompensationsschaltung, die dazu ausgebildet ist: eine Temperatur für den HF-PA zu messen; und eine PA-Vorspannung auf der Basis der gemessenen Temperatur zu bestimmen, und ein Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement, das dazu ausgebildet ist: zu detektieren, dass sich der HF-PA in einem inaktiven Modus befindet, in dem kein HF-Eingang bereitgestellt wird, jedoch ein Ruhestrom durch den HF-PA fließt; ansprechend auf die Detektion, dass sich der HF-PA in dem inaktiven Modus befindet: den Ruhestrom zu messen, den gemessenen Ruhestrom mit einem Referenzstrom zu vergleichen, um einen Fehlerstrom zu erzeugen, einen Korrekturvorspannungsterm auf der Basis des Fehlerstroms zu erzeugen, und die PA-Vorspannung auf der Basis des Korrekturvorspannungsterms zu aktualisieren; und einen Steueranschlusstreiber, der dazu ausgebildet ist, die PA-Vorspannung an einem Steueranschluss des HF-PA anzulegen.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß Anspruch 11, bei dem das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement ein Proportional-lntegral-Differential(PID)-Steuerelement ist.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß Anspruch 11 oder 12, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Nachschlagtabelle, die Abbildungen von Temperaturwerten auf PA-Vorspannungswerte aufweist.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die Temperaturkompensationsschaltung ferner dazu ausgebildet ist, die PA-Vorspannung auf der Basis einer Polynomoperation zu bestimmen, die die PA-Vorspannung aus der gemessenen Temperatur erzeugt.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die Bestimmung der PA-Vorspannung auf einer stückweisen linearen Abbildung von Temperatur auf PA-Vorspannung basiert.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Temperaturkompensationsschaltung ferner dazu ausgebildet ist, die PA-Vorspannung auf der Basis einer Abbildung von Temperatur auf PA-Vorspannung zu bestimmen, wobei die Abbildung vor einem Normalbetrieb des HF-PA erzeugt wird und die Abbildung durch folgende Schritte erzeugt wird: Bestimmen einer charakteristischen Abbildung für einen charakteristischen HF-PA, der sich von dem HF-PA unterscheidet, wobei die charakteristische Abbildung eine Mehrzahl von Temperaturen über einen Betriebstemperaturbereich für den charakteristischen HF-PA abdeckt; und Basieren der Abbildung für den HF-PA auf der charakteristischen Abbildung.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß Anspruch 16, bei dem die Abbildungserzeugung ferner durch Folgendes durchgeführt wird: Versetzen des HF-PA in den inaktiven Modus; Messen einer Kalibrierungstemperatur für den HF-PA; Bestimmen einer Kalibrierungs-PA-Vorspannung auf der Basis der Kalibrierungstemperatur und Anlegen der Kalibrierungs-PA-Vorspannung an einen Steueranschluss des HF-PA; Messen eines Kalibrierungsruhestrom; Vergleichen des Kalibrierungsruhestroms mit dem Referenzstrom, um einen Kalibrierungsfehlerstrom zu erzeugen; Verwenden einer Geschlossener-Regelkreis-Steuertechnik und des Kalibrierungsfehlerstroms, um einen Kalibrierungskorrekturterm zu erzeugen; und Erzeugen einer Abbildung für den HF-PA auf der Basis der charakteristischen Abbildung und des Kalibrierungskorrekturterms.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem der HF-PA einen Lateral-Diffundierter-Metalloxidhalbleiter(LDMOS)-Feldeffekttransistor oder einen Galliumnitrid(GaN)-basierten Transistor aufweist, wobei der Steueranschluss des HF-PA ein Gate-Anschluss des LDMOS oder des GaN-basierten Transistors ist und die HF-PA-Vorspannung eine an den Gate-Anschluss angelegte Spannung ist.
Das Vorspannungssteuerelement gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem die Detektion, dass sich der HF-PA in einem inaktiven Modus befindet, durch Empfangen eines Aktivierungssignals für das Geschlossener-Regelkreis-Steuerelement durchgeführt wird.