專利名稱：多級功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及最大限度地提高無線通訊裝置發(fā)射機(jī)中射頻功放的效率，特別是涉及高效的多級功率放大器。
背景技術(shù)：
隨著可用的高效率、低成本電子模塊的逐漸增多，移動(dòng)通信系統(tǒng)變得更加普遍。例如，有許多通信方案的變化，在這些方案中，利用各種頻率、發(fā)射模式、調(diào)制技術(shù)以及通信協(xié)議來提供類似于手持電話的無線通信手機(jī)中的雙向語音和數(shù)據(jù)通信。雖然不同的調(diào)制與發(fā)射方案各自都具有優(yōu)缺點(diǎn)，但一個(gè)共同的因素是它們都需要高效的功率放大。當(dāng)這些通信裝置變得越來越小時(shí)，由高效的功率放大器所帶來的利益就變得日益重要。在研制這些手持通信裝置時(shí)的一個(gè)重要考慮就是功耗。高效的功率系統(tǒng)減小所消耗的功率量，從而最大限度地提高設(shè)備的電源壽命。
這些無線裝置中的另外一個(gè)考慮是電路的尺寸。為了使無線通信裝置的尺寸最小，可取的是將盡可能多的功能集成到越來越少的電路模塊中。這使得無線通信裝置更小。集成部件也有利于減小功耗。市場中的消費(fèi)者更愿意要的是更小型的無線通信裝置。
無線通信裝置中所使用的大多數(shù)功率放大器系統(tǒng)必須在一個(gè)寬的工作功率電平范圍內(nèi)有效地工作。沒有復(fù)雜的電路和邏輯來控制功率放大器，內(nèi)在地很難實(shí)現(xiàn)有效的工作。通常情況下，必須使用位于控制管芯(control die)上的附加電路來控制功率放大器電路。然而，這種附加電路要求額外的空間，從而使無線通信裝置比較大，而且利用額外的功率。還有，該電路也增加了每個(gè)單元的附加成本。
在一個(gè)寬的功率輸出電平范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的功率放大的一種常規(guī)方法是根據(jù)所要求的功率輸出需求，利用射頻(RF)開關(guān)來選擇不同的功率放大器。為了在不同功率電平時(shí)獲得高效率，對每一個(gè)功率放大器都進(jìn)行了優(yōu)化。遺憾的是該技術(shù)要求使用額外的控制管芯來容納射頻開關(guān)。控制管芯給每個(gè)單元帶來了附加成本，增加了無線通信裝置的尺寸，而且還消耗額外的功率。
在一個(gè)寬的功率輸出電平范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的功率放大的另外一種常規(guī)方法是使用兩個(gè)分立的放大器，其中每一個(gè)放大器都具有不同的特性并且為在不同功率電平時(shí)獲得高效率對每一個(gè)放大器進(jìn)行了優(yōu)化。在這種設(shè)置中，能夠用分立的控制管芯來分別激勵(lì)放大器以滿足所要求的功率電平。也就是說，在任意給定的時(shí)間，兩個(gè)功率放大器中只有一個(gè)開通?？梢岳梦⒉詈掀鱽泶_保兩個(gè)放大器之間正確的相位匹配。遺憾的是，該技術(shù)依然要求一個(gè)分立的控制管芯。而且，兩個(gè)不同的放大器在其輸入端處必須具有一個(gè)所提供的匹配的相位，從而要求微波耦合器極其穩(wěn)定。
因此，業(yè)界一直在努力研制一種無線功率放大電路，該電路能夠在寬的輸出功率電平范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的功率放大，以及在經(jīng)濟(jì)上適合于大規(guī)模的大量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高效的多級功率放大器，它能夠使功率放大器的效率最大化并使所需要的控制電路最小化。因此，本發(fā)明通過將許多功率放大器部件和控制電路集成到一個(gè)集成電路(IC)上，增加了功率放大器電路的功率效率。還有，所有部件集成到一個(gè)單一的IC同時(shí)使得控制放大器所需要的控制電路的數(shù)量最少，從而使得無線裝置的尺寸縮小。此外，單一的IC可以降低每個(gè)無線裝置的制作成本。
高效的多級功率放大器使用連接到兩個(gè)射頻耦合器的具有不同放大特性的兩個(gè)放大器。在功率需求高時(shí)，功率放大器電路使用兩個(gè)放大器，而在功率需求比較低時(shí)則使用單個(gè)功率放大器的輸出。通過利用具有不同放大特性的功率放大器，無線裝置在低功率工作條件下工作時(shí)的輸出對低功率工作模式設(shè)定一最佳電平，而對高功率工作模式設(shè)定另外一個(gè)最佳電平。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，將多級功率放大器構(gòu)造得使得每個(gè)射頻耦合器的孤立端口與一個(gè)阻抗修正電路相連。當(dāng)只使用一個(gè)功率放大器時(shí)，阻抗修正電路通過使用一個(gè)外部偏置半導(dǎo)體向與未激活的功率放大器相連的耦合器提供一個(gè)適當(dāng)?shù)淖杩?，消除由單個(gè)功率放大器的工作所引起的阻抗不匹配。用這種方式，對工作與未工作的功率放大器之間的任何阻抗不匹配進(jìn)行補(bǔ)償，從而使得單個(gè)的工作放大器達(dá)到最佳性能。還有，提供了相關(guān)的工作實(shí)例以及計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，根據(jù)分析下列各附圖及詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。本發(fā)明旨在將所有這樣另外的系統(tǒng)、方法、特征以及優(yōu)點(diǎn)包含在本說明書內(nèi)，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并由后附的權(quán)利要求書來進(jìn)行保護(hù)。


圖中的各部件不一定按比例畫出，而著重于清楚地說明本發(fā)明的原理。在這些附圖中，對所有不同附圖中的相應(yīng)的部分用相同的附圖標(biāo)記來表示。
圖1是對一個(gè)便攜式通信裝置的選定部件進(jìn)行說明的框圖。
圖2是對圖1中的多級功率放大器的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明的框圖。
圖3是對多級功率放大器的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明的框圖。
圖4是對具有阻抗修正電路的多級功率放大器的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明的框圖。
圖5是對圖4的阻抗修正電路的一個(gè)實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明的示意圖。
具體實(shí)施例方式
1.概述盡管高效的多級功率放大器是詳細(xì)參考無線通信裝置中所使用的收發(fā)機(jī)來進(jìn)行說明，但在既希望具有高功率放大又希望具有低功率放大的任何系統(tǒng)中以及在低功率放大工作點(diǎn)不等于高電平功率放大工作點(diǎn)的50％的任何系統(tǒng)中，都能夠使用該高效的多級功率放大器。而且，能夠用軟件、硬件或軟硬件結(jié)合來實(shí)現(xiàn)高效的多級功率放大器。在至少一個(gè)實(shí)施例中，用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了高效的多級功率放大器的選定部分?？梢岳脤ｉT的硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的硬件部分。軟件部分能夠存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并可以由一個(gè)適當(dāng)?shù)闹噶顖?zhí)行系統(tǒng)(微處理器)來執(zhí)行。高效的多級功率放大器的硬件實(shí)現(xiàn)可以包含下列技術(shù)的任何一種或其組合，它們都是本領(lǐng)域所熟知的技術(shù)具有邏輯門的離散邏輯電路，用來對數(shù)據(jù)信號實(shí)現(xiàn)邏輯功能；具有適當(dāng)邏輯門的專用集成電路；可編程門陣列(PGA)；現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等。
此外，高效的多級功率放大器軟件，它包括一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)邏輯功能的可執(zhí)行指令的有序列表，可被包含在指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備、或裝置(例如基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)、包含處理器的系統(tǒng)、或能夠從指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置中取回指令并執(zhí)行這些指令的其他系統(tǒng))所用的或與其相連的任何計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中。在本文的上下文中，“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”可以是指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備、或裝置所使用的或與其相連的能夠包含、存儲(chǔ)、通信、傳播或傳輸所述程序的任何裝置。例如，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是下列各項(xiàng)，但不僅限于這些電的、磁的、光的、電磁的、紅外的、或半導(dǎo)體的系統(tǒng)、設(shè)備、裝置或傳播介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)更具體的例子(一個(gè)不完全的清單)包括具有一根或多根導(dǎo)線的電氣接頭(電子的)、便攜式計(jì)算機(jī)磁盤(磁的)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM或閃存)(磁的)，光纖(光的)、以及便攜式光盤只讀存儲(chǔ)器(CDROM)(光的)。注意，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)甚至可以是其上打印有程序的紙張或另外的適當(dāng)介質(zhì)，因?yàn)橥ㄟ^例如紙張或其它介質(zhì)的光學(xué)掃描能夠電子地獲取該程序、然后以一個(gè)適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行編譯、解釋或其它處理(如果必要的話)，然后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。
2.實(shí)例環(huán)境圖1是對便攜式通信裝置100的選定部件進(jìn)行說明的框圖。無線通信裝置100包括揚(yáng)聲器102、可選顯示器104、鍵盤106、以及麥克風(fēng)108，所有這些部件與基帶子系統(tǒng)110相連。為了方便圖示說明，沒有詳細(xì)地顯示基帶子系統(tǒng)110中的各部件與揚(yáng)聲器102、顯示器104、鍵盤106以及麥克風(fēng)108之間的連接。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易明白將上述部件連接到基帶子系統(tǒng)110的詳細(xì)連接要求。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，無線通信裝置100可以是，例如但不僅限于這些諸如移動(dòng)蜂窩電話這樣的便攜式無線通信手機(jī)。
揚(yáng)聲器102和顯示器104分別通過接線112和114接收來自于基帶子系統(tǒng)110的信號。同樣，鍵盤106和麥克風(fēng)108分別通過接線116和118向基帶子系統(tǒng)110提供信號?；鶐ё酉到y(tǒng)100至少包括經(jīng)由總線128進(jìn)行通信的微處理器(μP)120、存儲(chǔ)器122、模擬電路124以及數(shù)字信號處理器(DSP)126?？偩€128，盡管圖中顯示為一條單一的總線，但可以根據(jù)需要使用使基帶子系統(tǒng)110內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)之間相連的多條總線來實(shí)現(xiàn)。
微處理器120和存儲(chǔ)器122為無線通信裝置100提供信號時(shí)序、處理以及存儲(chǔ)功能。模擬電路124為基帶子系統(tǒng)110內(nèi)的信號提供模擬處理功能?；鶐ё酉到y(tǒng)110通過接線132向射頻(RF)子系統(tǒng)130提供控制信號。盡管控制信號在圖中顯示為一條單一的接線132，但控制信號可以來自于DSP126或微處理器120，并被提供給射頻子系統(tǒng)130內(nèi)的各種接點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意的是為了簡單起見，只圖示出了無線通信裝置100的基本部件。除了達(dá)到理解關(guān)于本發(fā)明的這些部件的工作和功能所需要的程度之外，并沒有對這些單獨(dú)部件的具體工作進(jìn)行詳細(xì)地說明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到無線通信裝置100或使用多級功率放大器200(也可參見圖2)的其它系統(tǒng)可以具有以不同于圖1中所示的次序和方式進(jìn)行連接的圖1中所示的部件，或可以不包括圖1中所示的所有部件，或可以包括以某種可選方式與圖1中所示的部件相連的附加部件。規(guī)定無線通信裝置100或利用多級功率放大器200的其它系統(tǒng)的任何這種變化都屬于該公布的范圍內(nèi)，并且由所附的權(quán)利要求書進(jìn)行保護(hù)。
基帶子系統(tǒng)110還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)134和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)136與138。ADC 134、DAC 136和DAC 138通過總線128與微處理器120、存儲(chǔ)器122、模擬電路124以及DSP 126進(jìn)行通信。DAC 136將基帶子系統(tǒng)110內(nèi)的數(shù)字通信信息轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬信號，以通過接線140傳輸給射頻子系統(tǒng)130。DAC 138分別通過接線142和144向存在于多級功率放大器200中的兩個(gè)放大器214、216提供基準(zhǔn)電壓的功率電平信號。接線140，圖中顯示為具有指向箭頭的兩條線，包含在數(shù)/模轉(zhuǎn)換后將要由射頻子系統(tǒng)130發(fā)射的信息。
射頻子系統(tǒng)130包括調(diào)制器146。在通過接線150接收到頻率基準(zhǔn)信號后，調(diào)制器146對接線140上的模擬信息進(jìn)行調(diào)制并通過接線152將調(diào)制后的信號提供給上變頻器154，其中所述頻率基準(zhǔn)信號還被稱為來自于合成器148的本機(jī)振蕩器信號或LO。上變頻器154也通過接線156接收來自于合成器148的頻率基準(zhǔn)信號。合成器148確定上變頻器154對接線152上的已調(diào)制信號進(jìn)行上變頻的適當(dāng)頻率。接線152上的已調(diào)制信號可以是任何經(jīng)過調(diào)制的信號，例如，但不僅限于此調(diào)相信號或調(diào)幅信號。此外，向上變頻器154提供一個(gè)調(diào)相信號、以及通過功率放大器的控制信道在多級功率放大器200中引入一個(gè)調(diào)幅信號分量都是可能的。大多數(shù)調(diào)制技術(shù)都受益于本發(fā)明下面所描述的。
上變頻器154通過接線158向多級功率放大器200提供已調(diào)制信號。當(dāng)保持高功率電平時(shí)，多級功率放大器200將接線158上的信號放大到不同的功率電平。多極功率放大器200將接線158上的已調(diào)制信號放大到適當(dāng)?shù)墓β孰娖剑酝ㄟ^接線160發(fā)射到天線162。圖示說明的是，開關(guān)164控制是否將接線160上已放大的信號傳遞到天線162上或是否把來自天線162的已接收的信號提供給濾波器166。開關(guān)164的工作由基帶子系統(tǒng)110中的控制信號通過接線132來進(jìn)行控制。
接線160上經(jīng)過放大的發(fā)射信號能量的一部分通過接線168提供給功率控制元件170。功率控制元件170形成閉環(huán)功率控制反饋回路，而且如果想要的話，將發(fā)射信號的調(diào)幅分量通過控制信道接線172提供給多級功率放大器200。
如同上面所描述的那樣，在由基帶子系統(tǒng)110所確定的適當(dāng)時(shí)間，將天線162所接收的信號通過開關(guān)164被指向接收濾波器166。接收濾波器166對所接收到的信號進(jìn)行濾波，并將接線174上的濾波后的信號提供給低噪聲放大器(LNA)176。接收濾波器166是一個(gè)帶通濾波器，它可以通過無線通信裝置100所工作的特定蜂窩系統(tǒng)的所有信道。例如，在900MHz的GSM系統(tǒng)中，接收濾波器166通過從935.1MHz到959.9MHz的所有頻率，覆蓋了每個(gè)帶寬為200kHz的所有124個(gè)相鄰信道。該濾波器的目的是濾掉所想要的范圍之外的所有頻率。LNA176將接線174上非常微弱的信號放大到下變頻器178能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成一個(gè)基帶頻率的級別?？晒┻x擇的是，能夠利用其它元件，例如，但不僅限于此，低噪聲模塊(LNB)下變頻器，來實(shí)現(xiàn)LNA 151和下變頻器178的功能。
下變頻器178通過接線180接收一個(gè)頻率基準(zhǔn)信號，該頻率基準(zhǔn)信號也稱為來自于合成器148的本機(jī)振蕩器(LO)信號。該LO信號指示下變頻器178按照適當(dāng)?shù)念l率對通過接線182從LNA176中所接收的信號進(jìn)行下變頻。經(jīng)過下變頻的頻率稱為中頻或“IF”。下變頻器178通過接線184將經(jīng)過下變頻的信號送入信道濾波器186，也稱“IF濾波器”。信道濾波器186對經(jīng)過下變頻的信號進(jìn)行濾波并通過接線188將其提供給放大器190。信道濾波器186選擇這個(gè)想要的信道，而濾掉所有的其它信道。使用GSM系統(tǒng)作為例子，實(shí)際上只接受124個(gè)相鄰信道中的一個(gè)。在接收濾波器166通過所有的信道以及下變頻器對該所有信道進(jìn)行下變頻之后，僅僅那個(gè)想要的信道正好以信道濾波器186的中心頻率出現(xiàn)。合成器148通過控制接線180上提供給下變頻器178的本機(jī)振蕩器頻率，來確定所選定的信道。放大器190對所接收的信號進(jìn)行放大，并通過接線192將放大后的信號提供給解調(diào)器194。解調(diào)器194恢復(fù)所發(fā)射的模擬信息，并通過接線196將代表該信息的信號提供給ADC 134。ADC 134以基帶頻率將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成一數(shù)字信號，并通過總線128將其傳遞到DSP 126以做進(jìn)一步的處理。
3.多級功率放大器圖2是對圖1中多級功率放大器200的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明的框圖。為了方便起見，將射頻源202(圖2)圖示為一個(gè)包含調(diào)制器146和上變頻器145(圖1)的功能的振蕩器。射頻源202通過接線158將經(jīng)過調(diào)制以及上變頻的信號提供給輸入耦合器204。輸入耦合器204是一個(gè)四端口的非對稱積分混合耦合器。可供選擇的是，輸入耦合器可以是公知的能夠分離與合成射頻能量的任何其它類型的射頻耦合裝置。輸入耦合器204包括一個(gè)直通端口206和一個(gè)耦合端口208。直通端口206賦予接線210上的信號0°相移，而耦合端口208賦予接線212上的信號進(jìn)行-90°的相移。輸入耦合器204的直通端口206通過接線210與第一放大器214的輸入相連。輸入耦合器204的耦合端口通過接線212與第二放大器216的輸入相連。
放大器214和216的每一個(gè)分別通過接線142和144接收來自于DAC138(圖1)的直流(DC)偏壓信號。在接線142和144上所通信的偏壓信號可以是不同的信號，或可以是相同的信號，這取決于本發(fā)明所采用的具體應(yīng)用。放大器214和216具有不同的工作特性。在接線142和144上的從DAC 138中所提供的直流偏壓信號分別控制放大器214和216的工作，并確定放大器214和216是處于開通還是關(guān)閉。第一放大器214通過接線218與輸出耦合器222的直通端口220相連。第二放大器216通過接線224與輸出耦合器222的耦合端口226相連。輸出耦合器222也是一個(gè)四端口的非對稱積分混合耦合器，在功能上與輸入耦合器204相似。輸出耦合器222可以與輸入耦合器204完全相同，或可以根據(jù)多級功率放大器260的具體應(yīng)用進(jìn)行不同的配置?？晒┻x擇的是，輸出耦合器222可以是公知的能夠分離與合成射頻能量的任何其它類型的射頻耦合裝置。
耦合端口208的輸入通過接線230與電阻器228相連。耦合端口226的輸出通過接線234與電阻器232相連。
電阻器228和232都接地。電阻器228和232，即公知的終端電阻器，提供高阻抗，以使得放大器214在放大器216關(guān)閉時(shí)能夠更有效地工作。(放大器216的開通和關(guān)閉功能將在下面說明)。
如上所述，第一放大器214和第二放大器216具有不同的工作特性。當(dāng)放大器214和216都在工作時(shí)，在接線160上的輸出實(shí)際上是每個(gè)放大器214和216的輸出之和。然而，也存在希望提供小于全功率輸出的情況。例如，當(dāng)條件允許時(shí)，可取的是具有較低的功率輸出以節(jié)省功率，同時(shí)依然保持放大器輸出效率。例如，可以使無線通信裝置100(圖1)移動(dòng)得更接近于基站接收機(jī)(圖中未示出)。既然低強(qiáng)度的通信信號就足夠了，那么就能減小輸出功率以節(jié)省功率。通過改變經(jīng)由接線144來自于DAC138的直流偏壓的信號，來關(guān)閉第二放大器216。因此，第一放大器214獨(dú)自工作，并為通信信號提供整個(gè)功率放大。
當(dāng)無線通信裝置100將要以低功率工作模式工作時(shí)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員指定的具體工作特性來選擇第一放大器214。這樣的工作特性可以包括靜態(tài)電流規(guī)格以及以各種功率電平輸出的效率額定值。
之后，當(dāng)無線通信裝置100以高功率模式工作時(shí)，可以根據(jù)所想要的工作特性來確定第二放大器216。第一放大器214和第二放大器216的特性(例如靜態(tài)電流和效率額定值)之和確定了高功率工作模式時(shí)的工作特性。然后第二放大器216可以由設(shè)計(jì)人員指定。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到一旦指定，就可以很方便地從許多標(biāo)準(zhǔn)化的部件中選擇第一放大器214和第二放大器216，以經(jīng)濟(jì)地促進(jìn)生產(chǎn)和組裝?？晒┻x擇的是，第一放大器214和/或第二放大器216可以是具有由設(shè)計(jì)人員所指定的工作特性的特制放大器。
在將輸入耦合器204、輸出耦合器222、電阻器228和232、第一放大器214和/或第二放大器216安裝到一個(gè)單一的印刷電路板(PCB)上，并由此生產(chǎn)一個(gè)易于安裝到無線通信裝置100(圖1)或其它類似的功能裝置內(nèi)的小型模塊化部件的生產(chǎn)過程期間，能夠?qū)崿F(xiàn)功率效率與減小尺寸。還有，可以將上面的許多元件結(jié)合到一個(gè)單個(gè)的集成電路(IC)芯片中，以進(jìn)一步促進(jìn)無線通信裝置100的尺寸的減小。
4.多級功率放大器的實(shí)施例。
圖3是對多級功率放大器300的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明的框圖。多級功率放大器300基本上是根據(jù)圖2的多級功率放大器200配置的。多級功率放大器300具有第一放大器302、第二放大器304、輸入耦合器306、輸出耦合器308，以及終端電阻器310和312。
來自于射頻源202的射頻信號經(jīng)由接線158提供給輸入耦合器306。經(jīng)過放大的輸出射頻信號通過接線160提供給射頻輸出。當(dāng)?shù)谝环糯笃?02和第二放大器304都對射頻源信號進(jìn)行放大時(shí)，以高功率模式對射頻源信號進(jìn)行放大，或者當(dāng)只有第一放大器302對射頻源信號進(jìn)行放大時(shí)，以低功率模式對射頻源信號進(jìn)行放大。
放大器302和304的都具有1000倍的放大系數(shù)(X1000)。放大器302和304的放大系數(shù)近似地等同于30分貝(dB)的增益。因此，到放大器302和/或放大器304的輸入信號被放大1000倍。
非對稱輸入耦合器306在直通端口314和耦合端口316之間的耦合率為81％。因此，輸入功率的19％通過了直通端口314，而輸入功率的81％通過了耦合端口316。例如，如果通過接線158輸送給輸入耦合器306的射頻源信號為1毫瓦(mW)，那么通過接線318輸送給第一放大器302的信號具有0.19mW的振幅，而通過接線320輸送給第二放大器304的信號具有0.81mW的振幅。因此，輸入耦合器是一個(gè)四端口的非對稱耦合器，它能將射頻源信號不對稱地分成兩個(gè)不對稱的信號分量，其中第一信號分量等于射頻源信號的19％，而第二信號分量等于射頻源信號的81％。
輸出耦合器308配置得基本上與輸入耦合器306相同。但輸出耦合器308獲得兩個(gè)信號分量并將它們合成為一個(gè)信號，該經(jīng)過放大的射頻輸出信號通過接線160提供給射頻子系統(tǒng)130(圖1)。接著上面射頻源信號為1mW的例子，第一放大器302將接線318上的0.19mW的信號放大為190mW的信號。該190mW的信號通過接線324輸送給直通端口322。第二放大器304將接線320上的0.81mW的信號放大為810mW的信號。該810mW的信號通過接線328輸送給耦合端口326。然后，輸出耦合器308將190mW的信號與810mW的信號合成為振幅為1000mW的單一射頻輸出信號。該1000mW的射頻輸出信號通過接線160發(fā)射輸出到射頻子系統(tǒng)130(圖1)。為了方便對圖3中所示的多級功率放大器300的功能進(jìn)行解釋，在圖3上示出了上面所述的信號振幅。上面所述的多級功率放大器300的工作表示的是高功率模式下的工作。
當(dāng)多級功率放大器300以低功率模式工作時(shí)，對通過接線144所提供的來自于DAC 138(圖1)的直流偏壓信號進(jìn)行修改，使得第二放大器304“關(guān)閉”。也就是說，上面所舉例說明的接線320上的0.81mW信號不被放大。因此，第二放大器304在接線328上的輸出等于0mW。因?yàn)榈谝环糯笃?02在“開通”狀態(tài)下工作，所以其在接線324上的第一放大器302的輸出等于190mW(在所舉的例子中，射頻源信號振幅等于1mW)。既然沒有信號提供給耦合端口326，那么輸出耦合器308的輸出僅等于輸送給直通端口322的信號。因此，多級功率放大器300的輸出等于190mW，并通過接線160將其輸送給射頻子系統(tǒng)130(圖1)。
在多級功率放大器300中，輸入耦合器306和輸出耦合器308被顯示成同樣的耦合器元件。偶模阻抗(Zoe)等于176.32歐姆。奇模阻抗(Zoo)等于14.18歐姆。如同上面所注意的，耦合端口，賦予射頻信號90度的相移，也就是大家知道的電長度(EL)。其它的實(shí)施例可能采用具有不同耦合率的非對稱耦合器，這取決于本發(fā)明所采用的裝置的具體應(yīng)用要求。
當(dāng)多級功率放大器300以低功率模式(第二放大器304關(guān)閉)工作時(shí)，利用終端電阻器310和312來限制通過耦合端口316和326的電流。在多級功率放大器300中，終端電阻器310和312等于50歐姆。終端電阻器310通過接線330與耦合端口316的輸入耦合，而終端電阻器312則通過連接線332與耦合端口326的輸出耦合。
5.利用匹配阻抗的多級功率放大器的實(shí)施例按照圖3中所示的多級功率放大器300，當(dāng)?shù)诙糯笃?04關(guān)閉時(shí)，耦合端口316和326之間以及直通端口314和322之間的明顯相位差，連同由關(guān)閉第二放大器304所造成的阻抗失配一起，阻止剩余的正在工作的放大器302提供其滿功率。例如，這樣配置的第一放大器304可能僅僅提供其可能功率輸出的20％到25％。
圖4是對具有阻抗修正電路418的多級功率放大器的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明的框圖。為了提高多級功率放大器300(圖3)的工作效率，阻抗修正電路402通過接線406連接到輸出耦合器404的孤立端口。阻抗修正電路402(將在下面關(guān)于圖4的進(jìn)一步的詳細(xì)說明中描述)與放大器408和410協(xié)同工作，使得當(dāng)放大器410關(guān)閉時(shí)，阻抗修正電路402對輸出耦合器404的耦合端口412呈現(xiàn)出很高的阻抗。高阻抗允許剩余的正在工作的放大器(放大器308)通過接線160有效地提供其全部的輸出功率。換句話說，通過改變輸出耦合器404的耦合端口412處的阻抗，放大器408通過接線160在輸出耦合器404的直通端口414處可產(chǎn)生比可能沒有阻抗修正電路402時(shí)大得多的功率。以這種方式，多級功率放大器400在高功率輸出和低功率輸出時(shí)都能有效地工作。
6.阻抗修正電路圖5是對阻抗修正電路402(圖4)的一個(gè)實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明的示意圖。阻抗修正電路402通過接線406與輸出耦合器404(圖4)的耦合端口412相耦合。一個(gè)阻抗元件，例如電阻器502，一直向輸出耦合器404的耦合端口412(圖4)提供一個(gè)負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施例中，電阻器502等于50歐姆。當(dāng)放大器408和410都工作時(shí)，圖5的二極管504前向偏置為導(dǎo)通狀態(tài)，這是由通過接線506的負(fù)電壓(來自于圖1中DAC 138)所造成的?？晒┻x擇的是，如果通過接線506施加零電壓，那么接線406上信號的負(fù)向分量也能使二極管504前向偏置。前向偏置二極管504可以通過旁路電容508以及接線510把電阻器502直接接地，其中電容508將對交流信號表現(xiàn)為短路。以這種方式，將電阻器502所產(chǎn)生的阻抗在接線406處呈現(xiàn)給輸出耦合器404的耦合端口412。如果通過接線506施加零電壓，那么存在于接線406上的信號的任何負(fù)向分量能夠通過二極管504傳導(dǎo)。
當(dāng)希望多級功率放大器400(圖4)提供較低的功率時(shí)，通過來自于接線144(圖4)的控制信號來關(guān)閉放大器410(圖4)，并與此同時(shí)通過經(jīng)由接線506施加正電壓引起二極管504停止導(dǎo)通來后向偏置二極管504。當(dāng)二極管504后向偏置時(shí)，通過電阻器502和電感器512向輸出耦合器404(圖4、3)的耦合端口412呈現(xiàn)出極高的阻抗，其中512對接線514上的交流信號表現(xiàn)為斷路。用這種方式，通過接線160(圖4)在輸出耦合器404的輸出端口可以提供放大器408(圖4)所產(chǎn)生的滿功率。
有利的是，能夠利用相同的生產(chǎn)加工技術(shù)來制作二極管504和放大器408與410(圖4)。例如，可以利用砷化鎵(GaAs)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)技術(shù)來制作同一管芯或集成電路芯片上的二極管504和功率放大器408與410。
輸入耦合器416和輸出耦合器404(圖4)形成一個(gè)“平衡放大器”配置。在高功率工作狀態(tài)下，放大器408和410一起工作，產(chǎn)生一個(gè)近似等于其所有單個(gè)輸出功率之和的輸出功率。在低功率工作狀態(tài)下，放大器408和二極管504同時(shí)關(guān)閉，從而對輸出耦合器404的耦合端口412呈現(xiàn)出一個(gè)高阻抗。該高阻抗以正確的相位反饋給剩余的單個(gè)工作的放大器408，這使得為放大器408提供一個(gè)50歐姆的匹配環(huán)境。用這種方式，剩余的單個(gè)工作的放大器408將在最佳負(fù)載條件下工作，并輸送一個(gè)比兩個(gè)放大器408和410都工作時(shí)低大約3dB的功率電平。盡管所舉例說明的是利用一個(gè)二極管來修正呈現(xiàn)給放大器408的阻抗，但也可以使用其它器件來修正阻抗。例如，利用一個(gè)RF開關(guān)、場效應(yīng)晶體管，或在不同條件下進(jìn)行偏置的雙極器件來修正阻抗也是可行的。
7.使用兩個(gè)阻抗修正電路的實(shí)施例參照圖4，阻抗修正電路418與輸入耦合器416的耦合端口420相耦合。阻抗修正電路418通過接線422與輸入耦合器416的耦合端口420相連。為了方便圖示說明以及表示阻抗修正電路418是可選的元件，利用虛線來顯示阻抗修正電路418。在沒有阻抗修正電路418的情況下，輸入耦合器416的耦合端口420可以連接一個(gè)固定阻抗。阻抗修正電路418在結(jié)構(gòu)上和工作情況上與上面圖4所述的阻抗修正電路402相似。
8.其它實(shí)施例雖然描述了本發(fā)明的不同實(shí)施例，但了解該技術(shù)的人員都明白，在本發(fā)明范圍內(nèi)可能有更多的實(shí)施例和實(shí)現(xiàn)形式。
權(quán)利要求
1.一種用于操作多輸出電平功率放大器的方法，包括下列步驟向存在于一個(gè)多輸出電平功率放大器中的輸入耦合器提供一個(gè)通信信號，該輸入耦合器與具有第一放大的第一功率放大器的輸入及具有第二放大的第二功率放大器的輸入相耦合，并且第一放大小于第二放大；對通信信號的放大指定一放大模式；以高功率放大模式操作該多輸出電平功率放大器，使得第一功率放大器和第二功率放大器按照所指定的放大模式來放大通信信號；以及以低功率放大模式操作該多輸出電平功率放大器，使得第一功率放大器按照所指定的放大模式來放大通信信號并關(guān)閉第二功率放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括下列步驟向第二功率放大器提供控制信號，其中該控制信號具有使得第二功率放大器關(guān)閉的第一狀態(tài)，以及使得第二功率放大器開通的第二狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括下列步驟當(dāng)?shù)诙β史糯笃鞴ぷ鲿r(shí)，將輸出阻抗修正為輸出阻抗修正電路的第一輸出阻抗值，該輸出阻抗修正電路與一輸出耦合器的輸出耦合，該輸出耦合器與第一功率放大器的輸出和第二功率放大器的輸出耦合；以及當(dāng)?shù)诙β史糯笃麝P(guān)閉時(shí)，將輸出阻抗修正為第二輸出阻抗值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括下列步驟向輸出阻抗修正電路提供控制信號，使得當(dāng)控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)將輸出阻抗修正為第一個(gè)輸出阻抗值，以及當(dāng)控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)將輸出阻抗修正為第二個(gè)輸出阻抗值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括下列步驟當(dāng)?shù)诙β史糯笃鞴ぷ鲿r(shí)，將輸入阻抗修正為與所述輸入耦合器的輸入相耦合的輸入阻抗修正電路的第一輸入阻抗值；以及當(dāng)?shù)诙β史糯笃麝P(guān)閉時(shí)，將輸入阻抗修正為第二個(gè)輸入阻抗值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，還包括下列步驟向輸入阻抗修正電路提供控制信號，使得當(dāng)控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)將輸入阻抗修正為第一輸入阻抗值，以及當(dāng)控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)將輸入阻抗修正為第二輸入阻抗值。
7.一種用于在多輸出電平功率放大器中提供多輸出放大電平的系統(tǒng)，其包括輸入耦合器，用于接收通信信號；輸出耦合器，用于向天線提供已放大的通信信號；第一放大器，具有第一放大并耦合在該輸入耦合器與該輸出耦合器之間；第二放大器，具有第二放大并耦合在該輸入耦合器和該輸出耦合器之間，并且該第二放大大于該第一放大；以及控制器，向第二放大器提供控制信號，使得當(dāng)控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)，第二放大器起動(dòng)，從而使得一多輸出電平功率放大器以高功率放大模式工作，同時(shí)，第一和第二放大器工作以放大通信信號，以及使得當(dāng)控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)，第二放大器不起動(dòng)，從而使得該多輸出電平功率放大器以低功率放大模式工作，同時(shí)，第一放大器工作以放大該通信信號而第二放大器關(guān)閉。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述輸入耦合器是輸入非對稱耦合器，該輸入非對稱耦合器配置成將所述通信信號的第一信號部分傳送到第一放大器的輸入以及配置成將所述通信信號的第二信號部分傳送到第二放大器的輸入，而且其中所述輸出耦合器是輸出非對稱耦合器，該輸出非對稱耦合器在所述多輸出電平功率放大器以高功率輸出模式工作時(shí)，將來自于第一放大器的輸出的經(jīng)放大的第一信號部分與來自于第二放大器的輸出的經(jīng)放大的第二信號部分合成在一起。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，還包括與所述輸出耦合器相耦合的輸出阻抗修正電路，使得當(dāng)控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)，該輸出阻抗修正電路具有第一阻抗值，以及使得當(dāng)控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)，該輸出阻抗修正電路具有第二阻抗值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，還包括耦合在所述輸出阻抗修正電路與所述控制器之間的耦合器，使得所述控制信號指定第一阻抗值和第二阻抗值。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，還包括與所述輸入耦合器相耦合的輸入阻抗修正電路，使得當(dāng)控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)，該輸入阻抗修正電路具有第一輸入阻抗值，以及使得當(dāng)控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)，該輸入阻抗修正電路具有第二輸入阻抗值。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，還包括耦合在所述輸入阻抗修正電路與所述控制器之間的耦合器，使得所述控制信號指定所述第一輸入阻抗值和所述第二輸入阻抗值。
13.一種用來在多輸出電平功率放大器中提供多個(gè)輸出放大電平的系統(tǒng)，包括向存在于一多輸出電平功率放大器中的輸入耦合器提供通信信號的裝置，其中該輸入耦合器與具有第一放大的第一功率放大器的輸入以及具有第二放大的第二功率放大器的輸入相耦合，而且該第一放大小于該第二放大；用來對通信信號的放大指定放大模式的裝置；用來以高功率放大模式操作該多輸出電平功率放大器的裝置，使得該第一功率放大器和該第二功率放大器按照所指定的放大模式工作以放大該通信信號；以及用來以低功率放大模式操作該多輸出電平功率放大器的裝置，使得第一功率放大器按照所指定的放大模式工作以放大該通信信號以及第二功率放大器關(guān)閉。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，還包括用來向第二功率放大器提供控制信號的裝置，其中該控制信號具有使所述第二功率放大器關(guān)閉的第一狀態(tài)以及使所述第二功率放大器開通的第二狀態(tài)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括用來在第二功率放大器工作時(shí)將輸出阻抗修正為輸出阻抗修正電路的第一輸出阻抗值的裝置，該輸出阻抗修正電路與輸出耦合器的輸出相耦合，該輸出耦合器與第一和第二功率放大器的輸出相耦合；以及用來在所述第二功率放大器關(guān)閉時(shí)將該輸出阻抗修正為第二輸出阻抗值的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括用于向輸出阻抗修正電路提供控制信號的裝置，使得當(dāng)所述控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)將輸出阻抗修正為所述第一輸出阻抗值，以及使得當(dāng)所述控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)將輸出阻抗修正為所述第二輸出阻抗值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，還包括用來在所述第二功率放大器工作時(shí)，將輸入阻抗修正為輸入阻抗修正電路的第一輸入阻抗值的裝置，該輸入阻抗修正電路與輸入耦合器的輸入相耦合；以及用來在所述第二功率放大器關(guān)閉時(shí)，將輸入阻抗修正為第二輸入阻抗值的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，還包括用于向所述輸入阻抗修正電路提供所述控制信號的裝置，使得當(dāng)所述控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)將所述輸入阻抗修正為所述第一輸入阻抗值，以及使得當(dāng)所述控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)將所述輸入阻抗修正為所述第二輸入阻抗值。
19.一種用來控制發(fā)射機(jī)功率的系統(tǒng)，包括無線通信裝置，其具有一多輸出電平功率放大器，該多輸出電平功率放大器進(jìn)一步包括輸入耦合器，用于接收通信信號；輸出耦合器，用于向天線提供已放大的通信信號；第一放大器，其具有第一放大并耦合在輸入耦合器與輸出耦合器之間；第二放大器，其具有第二放大并耦合在輸入耦合器和輸出耦合器之間，并且該第二放大大于該第一放大；控制器，其向該第二放大器提供控制信號，使得當(dāng)該控制信號處于第一狀態(tài)時(shí)，該第二放大器起動(dòng)，從而使得該多輸出電平功率放大器以高功率放大模式工作，同時(shí)，第一和第二放大器工作以放大通信信號，以及使得當(dāng)該控制信號處于第二狀態(tài)時(shí)，第二放大器不起動(dòng)，從而使得該多輸出電平功率放大器以低功率放大模式工作，同時(shí)，第一放大器工作以放大該通信信號而第二放大器關(guān)閉。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的用來控制無線通信裝置中的發(fā)射機(jī)功率的系統(tǒng)，其中所述無線通信裝置是一個(gè)蜂窩電話。
全文摘要
一種高效的、多功率輸出的功率放大器(200)使用一對具有相似特性的放大器(214，216)，其中這兩個(gè)放大器與一對射頻耦合器(204，222)相耦合。當(dāng)兩個(gè)放大器(214，216)都工作時(shí)，功率輸出(RFOUTPUT)是兩個(gè)放大器(214，216)的輸出之和。當(dāng)想要較低功率工作時(shí)，放大器(214，216)中的一個(gè)關(guān)閉，并向輸出射頻耦合器(222)的孤立端口呈現(xiàn)出一高阻抗(232)，從而確保剩余的的功率放大器的所有功率輸出(RFOUTPUT)是可提供的。
文檔編號H03F3/60GK1516920SQ02812034
公開日2004年7月28日 申請日期2002年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月13日
發(fā)明者程乃朔, 凱文·崔, 馬克·布洛姆, 崔, 布洛姆 申請人:天工方案公司