DE60226317T2 - Schaltung für leistungsverstärker - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungssteuerschaltung und ein Verfahren, und insbesondere auf die Steuerung von einer Ausgangsleistung von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker.
  • BESCHREIBUNG ZUM STAND DER TECHNIK
  • In modernen Telekommunikationssystemen werden Funkfrequenz (RF)-Leistungsverstärker dazu verwendet, um eine Ausgangsleistung von Mobilvorrichtungen (wie beispielsweise Zellular-Telefone, Drahtlos-Telefone, Zweiwege-Pager, Drahtlos-LAN, AM/FM-Analogübertrager) vor und während einer Signalübertragung zu steuern. Diese RF-Leistungsverstärker erzeugen typischerweise eine Ausgangsleistung im Bereich von 50 mW bis 3 W. Bekannte RF-Leistungsverstärker können eine Ausgangsleistung bei einer RF-Last (welche im Allgemeinen eine Antenne ist) über ein Vorspannen eines Ausgangstransistors steuern.
  • Im Allgemeinen muss bei RF-Leistungsverstärkern eine Impedanz am Ausgangstransistor mit der nominalen Impedanz von der Last übereinstimmen, um Probleme, wie beispielsweise ungewünschte Stehwellen (resultierend aus einer Signalreflexion an der Last) in der Einrichtung zu vermeiden. Ein wirksamer Antennenbetrieb erfordert, dass die Antenne auf den Schaltungsdienst abgestimmt ist, um eine maximale Energieübertragung sicherzustellen. Die Qualität der Systemabstimmung wird hinsichtlich eines Parameters gemessen, welcher als Stehwellenverhältnis (VSWR) bekannt ist. Dieser Parameter kann für Frequenzen bestimmt werden, bei welchen ein bestimmtes System arbeitet. Ein optimaler Betrieb in einem RF- Leistungsverstärker erfordert ein 1:1-VSWR bei allen relevanten Frequenzen. Unglücklicherweise besitzen viele herkömmliche Antennen ein hohes VSWR (beispielsweise größer als 3:1), welches eine Wirksamkeit nachteilig beeinflusst, insbesondere bei Breitband-Antennen, außer wenn eine bestimmte Form eines Kompensations-Abstimmnetzwerkes verwendet wird. Eine Verwendung von solchen Kompensations-Abstimmnetzwerken ist unvorteilhaft, weil sie dazu neigen, eine verfügbare Übertragungsleistung zu verringern und den Betrieb des Systems verlangsamen.
  • Die Impedanz von einer Last, wie beispielsweise eine Antenne, variiert mit der Bewegung und Position, und somit ist eine Impedanz-Variation bei mobilen Vorrichtungen üblich. Die Impedanz-Variation führt zu einer Spannungsschwingung über der Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor von dem RF-Leistungsverstärker. Beispielsweise ist es erforderlich, dass ein RF-Leistungsverstärker, welcher eine Zellular-Telefon-Antenne mit einer 50 Ohm Nominalimpedanz antreibt, zu bestimmten Zeiten eine hohe Ausgangs-Transistorimpedanz antreibt, welches zu einem VSWR von bis zu 20:1 führen kann.
  • Im Wesentlichen können fehlabgestimmte Lasten (und somit ein hohes VSWR) zu einer Verschlechterung des RE-Leistungsverstärkers führen. Diese Verschlechterung, oder sogar Transistor-Fehlerhaftigkeit, tritt resultierend aus einer Übersteigung von der Kollektor-Emitter-Spannung und des Kollektor-Stroms auf, welche an einen Bipolar-Transistor (hier der Ausgangstransistor) innerhalb der Beschränkungen des „Sekundärer Zusammenbruch"-Effektes sicher angelegt werden können.
  • Der Ausgangstransistor ist nicht dazu in der Lage, einen d.c.-Strom zu ziehen (da ein Transistor dazu verwendet wird, um die d.c.-Komponente zu entfernen), und somit stellt die Ausgangs-Vorspannschaltung einen erhöhten Vorspann-Strom bereit, welcher zu einer erhöhten Eingangsleistung an den Ausgangstransistor führt. Wenn ein System ein hohes VSWR und eine hohe Lastimpedanz, und somit eine hohe Spannungsschwingung an der Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor, erfährt, ist es möglich, dass eine negative Verstärkung im Ausgangsverstärker auftreten kann.
  • Das United States Patent 5,455,968 (Pham) offenbart einen variablen Leistungsverstärker, welcher ein Endstufen-Verstärkungselement enthält. Dieses Element ist an ein Vorspann-Netzwerk gekoppelt, welches dabei unterstützt, eine Stabilität bereitzustellen, wenn Ausgabe-Fehlabstimmung-Bedingungen ein 5:1-VSWR übersteigen.
  • Das japanische Patent JP 11284522 beschreibt ein System zur Beibehaltung einer konstanten Ausgangsleistung in einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker. Ein Ausgangssignal von einem zweiten Verstärker wird erfasst, verarbeitet, und einem ersten Verstärker eingegeben. Das System enthält die Verwendung von einem direktionalen Koppler.
  • Daher ist es ersichtlich, dass es wünschenswert ist, eine Ausgangsleistung von einem RF-Leistungsverstärker zu steuern, wenn die Impedanz von der Last variiert.
  • Das United States Patent 4,924,191 offenbart einen Prozessor zur Optimierung des Betriebspunktes von jedem von einer Mehrzahl von Verstärkungselementen als eine Funktion von den Verstärkungselement-Eigenschaften.
  • UMRISS
  • Gemäß einem ersten Aspekt von der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern von einer Ausgabe von einem Leistungsverstärker, welcher eine Treiberstufe und eine Ausgangsstufe hat, bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Erfassen eines ersten und eines zweiten elektrischen Parameters an einem Ausgang von der Ausgangsstufe; ein Verarbeiten des ersten Parameters mit einem ersten Referenzsignal, um ein gesteuertes Vorspann-Signal zu erzeugen; ein Verarbeiten des zweiten Parameters mit einem zweiten Referenzsignal, um ein Vorspann-Reduktionssignal zu erzeugen; ein Zuführen des gesteuerten Vorspann-Signals an einen Vorspann-Eingang von sowohl der Treiber- als auch der Ausgangsstufe; und ein Zuführen des Vorspann-Reduktionssignals an den Vorspann-Eingang von der Treiberstufe, um die Vorspannung, welche durch das gesteuerte Vorspannsignal bereitgestellt ist, zu reduzieren, enthält.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt von der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Schaltung bereitgestellt, welche enthält: einen Leistungsverstärker, wobei der Leistungsverstärker eine Treiberstufe und eine Ausgangsstufe enthält; eine externe Steuerschleife, wobei die externe Steuerschleife enthält: ein Erfassungsmittel zum Erfassen eines ersten elektrischen Parameters an einem Ausgang von der Ausgangsstufe; einen ersten Referenzsignal-Generator zum Erzeugen eines ersten Referenzsignals; ein Vorspann-Mittel zum Empfangen des ersten Referenzsignals und zum Zuführen eines gesteuerten Vorspann-Signals an einen Vorspann-Eingang von sowohl der Treiber- als auch der Ausgangsstufe in Ansprechen auf den erfassten ersten elektrischen Parameter und dem ersten Referenzsignal; eine Schutzschaltung, wobei die Schutzschaltung enthält: ein Erfassungsmittel zum Erfassen eines zweiten elektrischen Parameters an einem Ausgang von der Ausgangsstufe; einen zweiten Referenzsignal-Generator zum Erzeugen eines zweiten Referenzsignals; ein Vorspann-Reduktionsmittel zum Empfangen des zweiten Referenzsignals und zum Zuführen eines Vorspann-Signals an den Vorspann-Eingang von der Treiberstufe in Ansprechen auf den erfassten zweiten elektrischen Parameter und das zweite Referenzsignal, um das gesteuerte Vorspann-Signal zu reduzieren.
  • Die wie oben beschriebene Leistungsverstärkerschaltung kann in einer Mobiltelekommunikationsvorrichtung verwendet werden.
  • Vorzugsweise mildert die vorliegende Erfindung Probleme im Zusammenhang mit einer Ausgangsleistungssteuerung im Stand der Technik. Ebenfalls können Niedrigspannung-Transistoren (und weitere Niedrigspannung-Technologien) verwendet werden, und die Erfindung kann auf einer integrierten Schaltung unter Verwendung eines Minimums von Bauteilen implementiert werden. Wenn hohe Ausgangs-Fehlabstimmung-Bedingungen in der Schaltung resultieren, welche ein hohes VSWR erfährt, wirkt die vorliegende Erfindung zur Reduktion der Schaltungs-Ausgangsleistungs-Variation.
  • Ein weiterer Vorteil wird dadurch erlangt, dass sowohl der Treiber-Transistor als auch der Ausgangs-Transistor gegen übermäßige Spannungspegel geschützt werden.
  • Es wird hervorgehoben, dass der Ausdruck „enthält" oder „enthaltend" in dieser Beschreibung dazu verwendet wird, um das Vorliegen von erwähnten Merkmalen, Integers, Stufen oder Bauteilen zu spezifizieren, jedoch nicht die Hinzufügung von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, Integers, Stufen oder Bauteilen oder Gruppen davon ausschließt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Schaubild von einem RF-Leistungsverstärker;
  • 2 ist ein schematisches Schaubild von einem RF-Leistungsverstärker gemäß einer Ausführungsform von der Erfindung;
  • 3 ist ein schematisches Schaubild, welches den RF-Leistungsverstärker von 2 im größeren Detail anzeigt; und
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Betriebsstufen von der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG VON DEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 stellt einen RF-Leistungsverstärker 10 dar, bei welchem ein RF-Signal 12 an einen Treiber-Transistor 14 eingegeben wird. Die Kollektor-Elektrode von dem Treiber-Transistor 14 ist an einen Kondensator 16 gekoppelt, welcher wiederum an einen Ausgangstransistor 20 gekoppelt ist. Eine Ausgangs-Vorspannschaltung 18 ist an die Basis-Elektrode von dem Ausgangstransistor 20 gekoppelt. Schließlich ist die Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor 20 an eine RF-Last 22 gekoppelt. Im Allgemeinen ist die RF-Last 22 eine Antenne.
  • Im Betrieb wird das RF-Signal 12 durch den Treibertransistor 14 verstärkt, und der Kondensator 16 dient zur Entfernung von jeglicher d.c.-Komponente (welches lediglich die a.c.-Komponente hinterlässt) von dem verstärkten Signal, bevor es dem Ausgangstransistor 20 eingegeben wird. Ein ungefähr konstanter Vorspann-Strom wird aus der Ausgangs-Vorspannschaltung 18 ausgegeben und wirkt zur Vorspannung des Ausgangstransistors 20, so dass der Ausgangstransistor-Kollektor-Strom gesteuert wird.
  • Der Kondensator 16 wirkt zur Abstimmung von einer Impedanz in der Schaltung und kann durch jegliches geeignete Impedanz-Abstimmelement ersetzt werden.
  • In 2 ist ein RF-Leistungsverstärker an eine externe Steuerschleife und eine Schutzschaltung gekoppelt. Genauer gesagt wird im RF-Leistungsverstärker ein RF-Signal 32 einem Treiber-Transistor 34 eingegeben. Die Kollektor-Elektrode von dem Treiber-Transistor 34 ist mit einem Kondensator 36 gekoppelt, welcher wiederum mit einem Ausgangstransistor 38 gekoppelt ist. Eine Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor 38 ist an eine RF-Last 40 gekoppelt (welche im Allgemeinen eine Antenne ist).
  • Alternativ kann der Kondensator 36 durch ein weiteres geeignetes RF-Abstimmmittel (wie beispielsweise ein Kondensator und ein Shunt-Element in Serie, oder ein Umwandler) ersetzt werden, wie durch die Impedanz-Übertragungseigenschaften bestimmt, welche innerhalb des RF-Leistungsverstärkers erfordert sind.
  • Die externe Steuerschleife enthält einen d.c.-Strom-Erfasser 42, welcher an den RF-Leistungsverstärker an der Kollektor-Elektrode von sowohl dem Treibertransistor 34 als auch dem Ausgangstransistor 38 verbunden ist. Der d.c.-Strom-Erfasser 42 und ein Referenzstrom 46 sind an einen Regulator 44 gekoppelt, wobei der Regulator 44 an einen Vorspann-Steuersignal-Generator 48 gekoppelt ist. Die externe Steuerschleife enthält ferner eine Verbindung von dem Vorspann-Steuersignal-Generator 48 an die Basis-Elektrode von dem Treibertransistor 34 als auch an die Basiselektrode von dem Ausgangstransistor 38.
  • Die Schutzschaltung enthält einen Spannungseinhüllende-Erfasser 50 und eine Schutzpegel-Referenz 52, welche beide an eine Vorspann-Reduktionsschaltung 54 gekoppelt sind. Der Spannungseinhüllende-Erfasser 50 ist an die Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor 38 verbunden, und ebenfalls ist die Vorspann-Reduktionsschaltung 54 an die Basis-Elektrode von dem Treibertransistor 34 verbunden.
  • Im Betrieb wirkt der RF-Leistungsverstärker auf eine ähnliche Art und Weise zu dem RF-Leistungsverstärker 10 von 1. Der d.c.-Strom-Erfasser 42 erfasst eine jegliche Spannungsschwingung (resultierend aus einer Impedanz-Variation auf die RF-Last 40) an der Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor 38.
  • Der d.c.-Strom-Erfasser 42 erfasst den d.c.-Strom an der Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor 38. Im Allgemeinen wird jegliche Schwankung in diesem Strom durch eine Impedanz-Variation auf die RF-Last 40 bewirkt. Der erfasste Strom wird aus dem d.c.-Strom-Erfasser 42 ausgegeben und dem Regulator 44 zugeführt, welcher den erfassten Strom in Kombination mit dem Referenzstrom 46 verarbeitet. Wenn der erfasste Strom niedriger als ein vorbestimmter Schwellwert ist, erzeugt der Regulator 44 einen höher regulierten Ausgangsstrom, und wenn der erfasste Strom höher als ein vorbestimmter Schwellwert ist, erzeugt der Regulator 44 einen niedriger regulierten Ausgangsstrom. Der regulierte Ausgangsstrom wird dem Vorspann-Steuersignal-Generator 48 zugeführt, welcher einen geeigneten Vorspann-Strom dem Treibertransistor 34 und dem Ausgangstransistor 38 bereitstellt, um jegliche Impedanz-Variation auf die RF-Last 40 zu kompensieren.
  • Der Spannungseinhüllende-Erfasser 50 erfasst die Spannungseinhüllende an der Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor 38. Dieses Signal wird in Kombination mit einem Schutzpegel-Referenzsignal 52 in der Vorspann-Reduktionsschaltung 54 verarbeitet. Das resultierende Signal wird der Basis-Elektrode von dem Treibertransistor 34 zugeführt, um sicherzustellen, dass eine Spannungsschwingung am Ausgangstransistor 38 einen übermäßigen Pegel nicht erreicht.
  • 3 stellt den RF-Leistungsverstärker von 2 im größeren Detail dar, jedoch werden gleiche Bezugszeichen dort verwendet, wo gleiche Elemente dargestellt sind. Genauer gesagt, kann ein zusätzliches Detail gefunden werden, indem ein erstes Drosselelement 35 und ein zweites Drosselelement 39 zwischen dem d.c.-Strom-Erfasser 42 und jeweils dem Treibertransistor 34 und dem Ausgangstransistor 38 gekoppelt sind.
  • In der externen Steuerschleife enthält der d.c.-Strom-Erfasser 42 einen Widerstand 420, welcher mit der Eingangsleitung von dem Regulator 44 verbunden ist. Der Regulator 44 ist derart gezeigt, dass er einen Widerstand 440 und ein AND-Gate 441 enthält.
  • In der Schutzschaltung enthält der Spannungseinhüllende-Erfasser 50 eine Diode 500 und einen ersten Widerstand 501, welche in Serie verbunden sind. Ein Kondensator 402 ist zwischen dem Ausgang von der Diode 500 und Masse gekoppelt, und ein zweiter Widerstand 503 ist zwischen dem Ausgang von dem ersten Widerstand 501 und Masse gekoppelt. Die Schutzpegel-Referenz 52 enthält einen Widerstand 520, welcher zwischen Masse und dem Schutzpegel-Referenzausgang gekoppelt ist. Dieser Ausgang ist mit einer Emitter-Elektrode von einem Transistor 540 verbunden, welcher sich innerhalb der Vorspann-Reduktionsschaltung 54 befindet. Zusätzlich sind ein erster Widerstandsblock 56, welcher mit der Basis-Elektrode von dem Treibertransistor 34 verbunden ist, und ein zweiter Widerstandsblock 58, welcher mit der Basis-Elektrode von dem Ausgangstransistor 38 verbunden ist, dargestellt.
  • Der Betrieb von der Schaltung von 3 ist oben mit Bezug auf 2 beschrieben.
  • Wie in 4 gezeigt, enthalten die ersten Betriebsstufen von der vorliegenden Erfindung die Erfassung 60, 62 von zwei Parametern (nämlich der d.c.-Strom und die Spannungseinhüllende) an der Kollektor-Elektrode von dem Ausgangstransistor. Der erfasste d.c.-Strom wird mit Bezug auf einen Referenzstrom reguliert 64, und dann wird ein Vorspann-Steuersignal unter Verwendung des regulierten Signals erzeugt 66. Eine Steuerschleife ist vollendet, wenn das Vorspann-Steuersignal an die Basis-Elektrode von sowohl dem Ausgangstransistor als auch dem Treibertransistor zugeführt wird 68, 70.
  • Zurückkehrend zur erfassten Spannungseinhüllenden, wird ein Vorspann-Signal unter Verwendung der erfassten Spannungseinhüllenden mit Bezug auf eine Referenzspannung erzeugt 72. Es wird eine Schutzfunktion durchgeführt, wenn das Vorspann-Reduktionssignal an eine Basis-Elektrode von dem Treibertransistor zugeführt wird 70. Sowohl die Steuerschleife-Funktion als auch die Schutz-Funktion werden auf eine kontinuierliche Basis während des Betriebes von dem RF-Leistungsverstärker durchgeführt.
  • Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebene Schaltungsarchitektur nicht erschöpfend ist, und dass Variationen auf diesen Aufbau vorgenommen werden können, um ein ähnliches Ergebnis während der Verwendung des gleichen erfindungsgemäßen Konzeptes zu erzielen.
  • Es kann daher erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung eine Leistungsverstärkerschaltung bereitstellt, welche gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen wesentliche Vorteile hat.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Steuern einer Ausgabe von einem Leistungsverstärker (10), welcher eine Treiberstufe (14) und eine Ausgangsstufe (20) hat, wobei das Verfahren enthält: Erfassen eines ersten und eines zweiten elektrischen Parameters an einer Ausgabe von der Ausgangsstufe (20); Verarbeiten des ersten Parameters mit einem ersten Referenzsignal, um ein gesteuertes Vorspann-Signal zu erzeugen; Verarbeiten des zweiten Parameters mit einem zweiten Referenzsignal, um ein Vorspann-Reduktionssignal zu erzeugen; Zuführen des gesteuerten Vorspann-Signals an einen Vorspann-Eingang von sowohl der Treiberstufe (14) als auch der Ausgangsstufe (20); Zuführen des Vorspann-Reduktionssignals an den Vorspann-Eingang von der Treiberstufe (14), um die durch das gesteuerte Vorspann-Signal bereitgestellte Vorspannung zu reduzieren, so dass der Ausgang von dem Leistungsverstärker geschützt wird.
  2. Verfahren zum Steuern einer Ausgabe von einem Leistungsverstärker nach Anspruch 1, bei welchem der erste elektrische Parameter ein elektrischer Strom ist.
  3. Verfahren zum Steuern einer Ausgabe von einem Leistungsverstärker nach Anspruch 1, bei welchem der zweite elektrische Parameter eine Ausgangs-Spannungseinhüllende ist.
  4. Elektrische Schaltung, welche enthält: einen Leistungsverstärker (10), wobei der Leistungsverstärker (10) eine Treiberstufe (34) und eine Ausgangsstufe (38) enthält; eine externe Steuerschleife, wobei die externe Steuerschleife enthält: ein Erfassungsmittel (42) zum Erfassen eines ersten elektrischen Parameters an einem Ausgang von der Ausgangsstufe (38); einen ersten Referenzsignal-Generator (44) zum Erzeugen eines ersten Referenzsignals; ein Vorspannmittel (48) zum Empfangen des ersten Referenzsignals und zum Zuführen eines gesteuerten Vorspann-Signals an einen Vorspann-Eingang von sowohl der Treiberstufe (34) als auch der Ausgangsstufe (38) in Ansprechen auf den erfassten ersten elektrischen Parameter und das erste Referenzsignal; eine Schutzschaltung, wobei die Schutzschaltung enthält: ein Erfassungsmittel (50) zum Erfassen eines zweiten elektrischen Parameters an einem Ausgang von der Ausgangsstufe (38); einen zweiten Referenzsignal-Generator (52) zum Erzeugen eines zweiten Referenzsignals; ein Vorspann-Reduktionsmittel (54) zum Empfangen des zweiten Referenzsignals und zum Zuführen eines Vorspann-Signals an den Vorspann-Eingang von der Treiberstufe (34) in Ansprechen auf den erfassten zweiten elektrischen Parameter und das zweite Referenzsignal, um das gesteuerte Vorspann-Signal zu reduzieren.
  5. Mobiltelekommunikationsvorrichtung, welche die Leistungsverstärkungsschaltung nach Anspruch 4 enthält.
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