專利名稱：功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率放大器，尤其涉及在連續(xù)的功率范圍內(nèi)能夠控制輸 出功率的功率放大器，并且，尤其涉及對調(diào)制信號進(jìn)行高效率放大的功 率放大器。
背景技術(shù)：
以往，公知有一種為了進(jìn)行高效率放大，通過并聯(lián)多個功率放大單 元而構(gòu)成功率放大器的技術(shù)(非專利文獻(xiàn)l)。
圖1示出了功率放大器的基本結(jié)構(gòu)的以往示例。該以往的功率放大 器由多個F級放大電路構(gòu)成。各F級放大電路由場效應(yīng)晶體管(Filed Effect Transistor,也稱為FET)、連接FET漏極的A/4傳輸線、電容 器C、諧調(diào)電路、電阻、用于將來自電壓Vdd的直流電源連接到FET上的 RF扼流圈(也稱為RFC)、以及向FET提供必要信號輸入電平的驅(qū)動器構(gòu) 成。通過使各F級放大電路的入/4傳輸線在輸出側(cè)連接，將來自多個F 級放大電路的輸出信號合成，構(gòu)成發(fā)送輸出信號。
另外，通過切斷驅(qū)動器的輸出，可以停止對應(yīng)的F級放大電路的動作。
各F級放大電路一般具有如圖2所示的輸入輸出功率特性(也稱為 輸入輸出特性)以及對應(yīng)電源效率(即輸出信號的功率與電源供給的直 流功率的比，以下只稱為效率)的輸入功率特性。輸出功率位于飽和輸 出功率Ps附近(或者輸入功率位于飽和輸入功率附近)時，可以獲得高 效率，但輸入輸出特性呈很強(qiáng)的非線性。另外，在輸入輸出功率小的區(qū)域內(nèi)，輸入輸出特性呈現(xiàn)良好的線性，但效率卻顯著降低。
圖1所示的以往的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于恒定振幅(振幅一定)的發(fā)送輸 入信號的放大，所以，即使存在輸入輸出特性的非線性，也不會造成嚴(yán) 重問題。因此，通過使各F級放大電路在飽和輸出的狀態(tài)下工作，可以
獲得高效率。在圖1的以往的結(jié)構(gòu)中，通過對工作的F級放大電路的個 數(shù)進(jìn)行控制，可以獲得多個發(fā)送輸出信號的功率級。即，可以進(jìn)行發(fā)送 功率控制。而且，即使在不同的發(fā)送功率級上也能獲得高效率。
另外，還公知有以下的以往的技術(shù)為了防止因無線發(fā)送機(jī)的發(fā)送
頻率變化而導(dǎo)致的合成輸出信號的相互調(diào)制失真的惡化，對并聯(lián)設(shè)置的 晶體管功率放大器的前級的可變衰減器的衰減量進(jìn)行控制，不會使兩個 晶體管功率放大電路的工作狀態(tài)產(chǎn)生很大的差異(專利文獻(xiàn)1)。
一一專禾U文獻(xiàn)1: Alireza Shirvani， David K. Su， and Bruce A. Wooley， "A CMOS RF Power Amplifier With Parallel Amplification for Efficient Power Control, " IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS. VOL. 37， NO. 6， JUNE 2002.
專利文獻(xiàn)l:特開2001-237651號公報
圖1所示的以往的結(jié)構(gòu)適于恒定振幅信號的高效率放大以及發(fā)送功 率控制。然而，存在著如下的問題非恒定振幅信號時的發(fā)送功率控制 的功率級是離散的，不能獲得連續(xù)的輸出功率級。
而且，還存在著如下的問題在使用該以往結(jié)構(gòu)進(jìn)行非恒定振幅信
號(振幅非一定信號)的功率放大時，由于各F級放大電路的強(qiáng)非線性，
發(fā)送輸出信號中會產(chǎn)生很大失真。
另外，即使在進(jìn)行非恒定振幅信號的發(fā)送輸出信號的功率控制(即， 該平均功率的控制)的情況下，也存在著所獲得的平均功率級是離散的， 不能獲得連續(xù)的平均輸出功率級的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明是鑒于以上的問題點而作出的，其目的在于提供一 種在恒定振幅信號的情況下，在連續(xù)的功率范圍內(nèi)能夠控制輸出功率，另一方面，在非恒定振幅信號的情況下，能夠進(jìn)行高效率放大的功率放 大器，和提供一種在連續(xù)的功率范圍內(nèi)能夠控制平均輸出功率的功率放 大器。
并且提供一種在輸出頻帶內(nèi)，能夠更加低失真并且高效率地生成非 恒定振幅的輸出信號的高效率功率放大器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的功率放大器是一種輸入輸入信號10， 并響應(yīng)該輸入信號，將放大后的信號作為輸出信號11輸出的功率放大器 1 (圖3)，其由以下各單元構(gòu)成
并聯(lián)連接的N (N是大于等于2的整數(shù))個功率放大單元12，使其 響應(yīng)上述輸入信號IO，并輸出放大信號；
輸出合成單元14，其合成來自該N個功率放大器12的各個信號， 并將其作為該功率放大器的輸出信號ll輸出；以及
振幅控制單元15，其根據(jù)上述輸入信號IO的振幅，從上述N個功 率放大器12中選擇應(yīng)該動作的功率放大單元。
上述功率放大器也可以具有如下的特征即上述振幅控制單元15由 對該功率放大器的輸入信號的振幅進(jìn)行調(diào)整的N個并聯(lián)的振幅調(diào)整器以 及控制器構(gòu)成，該控制器為了使上述輸出信號的振幅相對于上述輸入信 號的振幅變成實際上連續(xù)的函數(shù)，從上述N個功率放大單元中選擇應(yīng)該 動作的功率放大單元并使其動作，而且對上述振幅調(diào)整器進(jìn)行控制。
另外，上述功率放大器也可以具有使上述控制器根據(jù)上述輸入信號 的振幅選擇上述功率放大單元，并對上述振幅調(diào)整器進(jìn)行控制的特征。
根據(jù)本發(fā)明的功率放大器，輸出功率相對于輸入功率可以變?yōu)檫B續(xù) 的函數(shù)，其結(jié)果是在連續(xù)的功率范圍內(nèi)可以進(jìn)行高效率的發(fā)送功率控制。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例的功率放大器，補(bǔ)償各功率放大單元的輸入 輸出特性的非線性，構(gòu)成等效線性放大器，并且，通過按照輸入信號的 瞬時功率來組合等效線性放大器，可以構(gòu)成線性的、高效率的放大器。 由此，即使對于非恒定振幅的發(fā)送輸入信號也能實現(xiàn)高效率、線性的放 大。另外，在使用N個功率放大單元的情況下，通過增大N可以擴(kuò)大能 夠進(jìn)行高效率放大的輸入輸出功率范圍。該特征在對峰值一平均值功率比(PAPR)大的非恒定振幅信號進(jìn)行放大時特別有利。另外，在該情況 下，通過調(diào)整輸入信號的平均功率可以連續(xù)地控制輸出信號的平均功率。 另外，根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的功率放大器，通過根據(jù)調(diào)制信號 的振幅對工作的飽和放大單元的個數(shù)進(jìn)行控制，可以生成AM調(diào)制波或者 QAM調(diào)制波的發(fā)送輸出信號。另外，各飽和放大單元只對來自本機(jī)振蕩器 的恒定振幅信號進(jìn)行放大，所以可以進(jìn)行高效率的動作。因此，本發(fā)明 實施例結(jié)構(gòu)的整體也變?yōu)楦咝?。另外，通過設(shè)置足夠數(shù)量的飽和放大 單元，或者通過設(shè)置用于補(bǔ)償誤差成分的線性放大單元，可以生成在發(fā) 送頻帶內(nèi)失真低的發(fā)送輸出信號。


圖1是表示以往例的線性功率放大器的方框圖。 圖2是表示F級放大電路的輸入輸出功率特性的曲線圖。 圖3是本發(fā)明的基本實施例的功率放大器的方框圖。 圖4是本發(fā)明實施例1的功率放大器的方框圖。 圖5是本發(fā)明實施例2的功率放大器的方框圖。 圖6是本發(fā)明實施例3的功率放大器的方框圖。 圖7是本發(fā)明實施例7的功率放大器的方框圖。 圖8是表示本發(fā)明實施例1的功率放大器的輸入輸出功率特性的曲 線圖。
圖9是表示本發(fā)明實施例2的功率放大器的輸入輸出功率特性的曲線圖。
圖10是表示本發(fā)明實施例2的等效線性放大器的輸入輸出功率特性 的曲線圖。
圖11是對本發(fā)明實施例3的振幅調(diào)整器的功率放大單元的非線性進(jìn) 行補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ恼f明圖。
圖12是本發(fā)明實施例8的高效率發(fā)送信號發(fā)生器的方框圖。 圖13是本發(fā)明實施例9的高效率發(fā)送信號發(fā)生器的方框圖。 圖14是本發(fā)明實施例10的高效率發(fā)送信號發(fā)生器的方框圖。圖15是本發(fā)明實施例11的高效率發(fā)送信號發(fā)生器的方框圖。
圖16是本發(fā)明實施例12的高效率發(fā)送信號發(fā)生器的方框圖。
圖17是本發(fā)明實施例13的高效率發(fā)送信號發(fā)生器的方框圖。
圖18是本發(fā)明實施例的輸出合成電路的方框圖。
圖19是本發(fā)明實施例的可變輸出匹配電路的方框圖。
圖20是本發(fā)明實施例的飽和輸出單元的導(dǎo)通/切斷結(jié)構(gòu)例的方框圖。
圖21是表示本發(fā)明實施例的調(diào)制信號和發(fā)送輸出信號的曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明特別適用于無線通信發(fā)送機(jī)內(nèi)的功率放大器，但不僅限于此， 也可以應(yīng)用于具有其他用途的功率放大器。
圖3示出了本發(fā)明的基本實施例的功率放大器1。功率放大器1由N (N是大于等于2的整數(shù))個功率放大單元12、輸出合成單元14、以及 振幅控制單元15構(gòu)成。在本實施例中，利用振幅控制單元15調(diào)整發(fā)送 輸入信號10的功率，并將調(diào)整后的功率供給各功率放大單元12。振幅控 制單元15根據(jù)輸入信號進(jìn)行功率放大單元12的導(dǎo)通/切斷控制。輸出合 成單元14將來自正在動作(即，導(dǎo)通狀態(tài))的各功率放大單元12的輸 出信號合成為大致等于功率之和，并將其作為發(fā)送輸出信號11輸出。
功率放大單元12可以是例如使用FET等的放大元件的放大電路。該 輸入輸出特性和效率特性一般與圖2所示的F級放大器的特性類似。如 果將功率放大單元12的飽和輸出功率設(shè)為Ps，則可達(dá)到使輸出為幾乎接 近該飽和功率Ps的高效率。
振幅控制單元15可以是包括微處理器的電路，能夠根據(jù)來自發(fā)送輸 入信號10的信息控制其他電路元件。
振幅控制單元15為了使發(fā)送輸出信號11的振幅相對于發(fā)送輸入信 號10的振幅為連續(xù)函數(shù)，進(jìn)行N個功率放大單元12的導(dǎo)通/切斷控制， 以及對輸入到其中的信號的功率調(diào)整系數(shù)進(jìn)行控制。[實施例1]
圖4示出了本發(fā)明的實施例1的功率放大器101。功率放大器101 由N (N是大于等于2的整數(shù))個功率放大單元112、 N個振幅調(diào)整器113、 功率合成器114、以及控制器115構(gòu)成。振幅控制單元15由N個振幅調(diào) 整器113和控制器115構(gòu)成。在本實施例中，利用各控制調(diào)整器113調(diào) 整發(fā)送輸入信號110的功率，并將調(diào)整后的功率供給各功率放大單元112。 控制器115控制各振幅調(diào)整器113的功率調(diào)整系數(shù)，并且進(jìn)行功率放大 單元112的導(dǎo)通/切斷控制。功率合成器114將來自正在動作(即，導(dǎo)通 狀態(tài))的各功率放大單元112的輸出信號合成為大致等于功率之和，并 將其作為發(fā)送輸出信號111輸出。
功率放大單元112可以是例如使用FET等的放大元件的放大電路。 該輸入輸出特性和效率特性一般與圖2所示的F級放大器的特性類似。 如果將功率放大單元112的飽和輸出功率設(shè)為Ps，則可達(dá)到使輸出為幾 乎接近該飽和功率Ps的高效率。
控制器115可以是包含微處理器的電路，能夠根據(jù)來自發(fā)送輸入信 號110的信息控制其他電路元件。
振幅調(diào)整器113可以是公知的任意的調(diào)整器，響應(yīng)來自控制器115 的控制信號，對發(fā)送輸入信號的振幅進(jìn)行調(diào)整。
控制器115為了使發(fā)送輸出信號111的振幅相對于發(fā)送輸入信號110 的振幅為連續(xù)函數(shù)，進(jìn)行N個功率放大單元112的導(dǎo)通/切斷控制，以及 對振幅調(diào)整器113的功率調(diào)整系數(shù)進(jìn)行控制。對于該控制，不失一般性， 在N=2的情況下，參照圖8進(jìn)行說明。
在圖8所示的曲線圖中，曲線a、 b分別表示功率放大單元112-1和 112-2的輸入輸出特性。例如將發(fā)送輸入信號110的功率和所希望的發(fā)送 輸出信號111的功率的關(guān)系設(shè)為曲線c。在該情況下，將兩個功率放大單 元112-1和112-2的飽和輸出功率分別設(shè)為Psl、 Ps2 (PsKPs2)，將分 別與其對應(yīng)的輸入功率設(shè)為Pa、 Pb，并且，將發(fā)送輸入信號110的功率設(shè) 為x。
關(guān)于事先規(guī)定的輸入功率級Ph P2、 P3，發(fā)送輸入信號功率x在x^Pi的范圍內(nèi)時，只選擇功率放大單元112-1。并且，通過調(diào)整振幅調(diào)整器 113-1的功率調(diào)整系數(shù)，當(dāng)x從0變化到h時，向功率放大單元112-1 的輸入從O變化到Pa。由此，功率放大器112-1輸出0 Psl的功率。
接著，發(fā)送輸入信號功率x在PXx^P2的范圍內(nèi)時，只選擇功率放 大單元112-2。并且，通過調(diào)整振幅調(diào)整器113-2的功率調(diào)整系數(shù)，當(dāng)x 從P,變化到h時，功率放大單元112-2的輸出功率為Psl Ps2。
另外，發(fā)送輸入信號功率x在P2〈x^P3的范圍內(nèi)時，同時選擇功率 放大單元112-1和112-2，通過同時調(diào)整振幅調(diào)整器113-1和113-2，使 得當(dāng)x從P2變化到h時，功率放大單元112-1和112-2的輸出功率的和 被調(diào)整為Ps2 Psl+Ps2。
由此，發(fā)送輸出信號111的功率在從0到(Psl+Ps2)的范圍內(nèi)，如 圖8的曲線所示，可以獲得連續(xù)的輸入輸出特性。并且，發(fā)送輸入信號 功率x在大于等于Pi的范圍內(nèi)，由于功率放大單元112-1和112-2分別 在靠近飽和輸出功率的領(lǐng)域內(nèi)動作，所以可以獲得高效率。
一般情況下，在圖4所示的本實施例的結(jié)構(gòu)中，輸出功率在從0到 EPsi (Psi是各功率放大單元112-i的飽和輸出功率)的范圍內(nèi)可以實 現(xiàn)連續(xù)的輸入輸出特性。另外，發(fā)送輸入信號功率x在大于等于Psl (假 設(shè)Psl〈Psi， i二2、 3，…，N)的功率范圍內(nèi)可以獲得高效率。另外，輸 入輸出功率特性為連續(xù)函數(shù)的情況下，輸入輸出振幅特性也為連續(xù)函數(shù)。
圖5示出了本發(fā)明的實施例2的功率放大器102。功率放大器102 與功率放大器101類似，但在功率放大器102中，在振幅調(diào)整器113和 功率放大單元112之間插入有用于補(bǔ)償功率放大單元112的非線性前置 補(bǔ)償器(Pre-distorter:也稱為PD) 116。各PD116和各功率放大單元 112形成N個等效線性放大器117。各等效線性放大器117具有相同的增 益值G。圖9示出了各等效線性放大器117的輸入輸出特性(曲線a)以 及作為其基礎(chǔ)的功率放大單元112的輸入輸出特性(曲線b)。如果將功 率放大單元112的飽和輸出功率設(shè)為Ps，則等效線性放大器117在0 Ps的輸出范圍內(nèi)具有線性的輸入輸出特性。另外，等效線性放大器117的效率在特定的輸出功率(例如圖9的P0)中，與功率放大單元112的 效率相同。因此，等效線性放大器117的效率的輸出具有幾乎接近其最 大輸出功率Ps的高效率。
控制器115進(jìn)行N個功率放大單元112的導(dǎo)通/切斷控制(即，等效 線性放大器117的導(dǎo)通/切斷)，并且，對振幅調(diào)整器113的功率調(diào)整系 數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。對于該控制，不失一般性，在N=2的情況下，參照 圖IO進(jìn)行說明。
將兩個等效線性放大器117-1和117-2的最大輸出功率設(shè)為Psl、 Ps2 (Psl〈Ps2)。當(dāng)發(fā)送輸入信號110的功率x在x^ (Psl/G)的范圍內(nèi) 時，只選擇等效線性放大器117-1。并且，將振幅調(diào)整器113-1的功率調(diào) 整系數(shù)設(shè)為l。由此，發(fā)送輸出信號lll的功率為Gx。
接著，當(dāng)發(fā)送輸入信號110的功率x在(Psl/G) 〈x^ (Ps2/G)的 范圍內(nèi)時，只選擇等效線性放大器117-2。并且，將振幅調(diào)整器113-2的 功率調(diào)整系數(shù)設(shè)為1。此時的發(fā)送輸出信號111的功率也為Gx。
另外，當(dāng)發(fā)送輸入信號110的功率x在(Ps2/G) 〈xS[ (Psl+Ps2) /G]的范圍內(nèi)時，同時選擇等效線性放大器117-1和117-2，并使其動作， 將振幅調(diào)整器113-1、 113-2的功率調(diào)整系數(shù)分別設(shè)定為Psl/(Psl+Ps2)、 Ps2/ (Psl+Ps2)。其結(jié)果，發(fā)送輸出信號111的功率為G[Psl/ (Psl+Ps2) ]x+G[Ps2/ (Psl+Ps2) ]x二Gx。因此，發(fā)送輸出信號111在 從O到(Psl+Ps2)的范圍內(nèi)可以保證線性的輸入輸出特性。另夕卜，發(fā)送 輸入信號功率x在大于等于Psl/G的情況下，由于等效線性放大器117-1 和117-2分別在接近最大輸出功率的區(qū)域內(nèi)動作，所以為高效率。
一般情況下，在圖5所示的本實施例的結(jié)構(gòu)中，輸出功率在從O到 SPsi (Psi是各等效線性放大器117-i的飽和輸出功率)的范圍內(nèi)可以 實現(xiàn)連續(xù)的輸入輸出特性。另外，發(fā)送輸入信號功率x在大于等于Psl/G (假設(shè)Psl〈Psi， i=2、 3，…，N)的功率范圍內(nèi)可以獲得高效率。
另一方面，發(fā)送輸入信號110是非恒定振幅信號的情況下，控制器 115根據(jù)發(fā)送輸入信號110的瞬時功率，進(jìn)行如上所述的等效線性放大器 117的選擇和振幅控制器13的控制，由此，可以實現(xiàn)線性放大。[實施例3]
圖6示出了本發(fā)明的實施例3的功率放大器103。功率放大器103 與放大器102類似，但在功率放大器103中，不同點在于，利用振幅調(diào) 整器113來實現(xiàn)PD116的功能，該P(yáng)D116用于補(bǔ)償功率放大單元112的 非線性。本實施例中的振幅調(diào)整器113的功率調(diào)整量由以下兩部分構(gòu)成: 第1調(diào)整量，用于構(gòu)成補(bǔ)償功率放大單元112的非線性的等效線性放大 器119;和第2調(diào)整量，用于將發(fā)送輸入信號110的功率調(diào)整到等效線性 放大器119的輸入范圍內(nèi)。
各振幅調(diào)整器113首先形成增益為G、最大輸出功率為Ps的等效線 性放大器119，然后利用與圖5所示的實施例2相同的方法設(shè)定第2調(diào)整 量。將由該第2調(diào)整量調(diào)整后的發(fā)送輸入信號110的功率設(shè)為圖11中的 xl。接著，由于與xl對應(yīng)的所希望的輸出功率lll為Gxl，所以調(diào)整器 將xl調(diào)整為x2，以使功率放大單元112輸出Gxl。振幅調(diào)整器113的總 的功率調(diào)整量為第1調(diào)整量和第2調(diào)整量的積。
在圖5或圖6所示的結(jié)構(gòu)中，可以將各等效線性放大器117、 119的 最大輸出功率設(shè)為相同。在這種情況下，控制器115可以如下地對功率 放大單元112和振幅調(diào)整器113進(jìn)行控制。g卩，將各等效線性放大器117、 119的最大輸出功率設(shè)為Ps，將！■設(shè)為1 N的整數(shù)。當(dāng)發(fā)送輸入信號110 的功率x在[(r-l) Ps/G]〈x^ (rPs/G)時，選擇r個功率放大單元112， 將分別與其對應(yīng)的振幅調(diào)整器113的功率控制系數(shù)設(shè)定為1/r。由此，由 于各個動作的等效線性放大器117、 119輸出G (1/r) x的功率，所以發(fā) 送輸出信號lll的功率為Gx。
另外，在上述的x的范圍內(nèi)，各個動作的等效線性放大器117、 119 的輸出功率在[Ps (r-1) /r] Ps的范圍內(nèi)。在r二l以外(即，x大于等 于Ps/G)的情況下，由于各個動作的等效線性放大器117、 119在接近最
大輸出功率的區(qū)域內(nèi)動作，所以為高效率。在該高效率.中可以放大的輸 入輸出功率的范圍是101og (N) (dB)。 [實施例5]在圖5或圖6所示的結(jié)構(gòu)中，可以將各等效線性放大器117、 119的 第i (i=l、 2、…、N)個最大輸出功率設(shè)為2"—1)。在該情況下，控制器 115可以如下地對功率放大單元112和振幅調(diào)整器113進(jìn)行控制。即，將 r設(shè)為1 (2N-l)的整數(shù)，當(dāng)發(fā)送輸入信號110的功率x在[(r-1)Ps/G]〈x S (rPs/G)時，用N位二進(jìn)制數(shù)表示r，使在該二進(jìn)制數(shù)中為1的各位 的編號(其中將LSB設(shè)為第1位，將MSB設(shè)為第N位)所對應(yīng)的等效線 性放大器117、 119動作。而且，將第i個動作的等效線性放大器117、 119所對應(yīng)的振幅調(diào)整器113的功率調(diào)整系數(shù)設(shè)為2 (i-l) /r。由此， 第i個動作的等效線性放大器117、 119輸出G[2 (i-1) /r]x的功率， 發(fā)送輸出信號111的功率為2 {G[2 (i-1) /r]x} (i為動作的等效線性放 大器)，由于22"—"=r，所以作為發(fā)送輸出信號lll的功率結(jié)果為Gx。
另外，在上述的x的范圍內(nèi)，各個動作的等效線性放大器117、 119 的輸出功率在[Ps (r-1) /r] Ps的范圍內(nèi)。在r^以外(即，x大于等 于Ps/G)的情況下，由于各個動作的等效線性放大器117、 119在接近最
大輸出功率的區(qū)域內(nèi)動作，所以為高效率。在該高效率中可以放大的輸 入輸出功率的范圍是101og (2N-1) (dB)。 [實施例6]
在上述實施例的任意一項中，控制器15可以根據(jù)所希望的發(fā)送輸出 信號lll的平均功率，相對于振幅調(diào)整器113，設(shè)定功率調(diào)整量a。艮卩， 控制器115根據(jù)上述實施例所示的發(fā)送輸入信號110的瞬時功率，將所 設(shè)定的功率調(diào)整系數(shù)和功率調(diào)整量a的積提供給各振幅調(diào)整器113。功率 調(diào)整量a可以根據(jù)所希望的發(fā)送輸出信號111的平均功率來設(shè)定。在將 本實施例應(yīng)用于上述實施例的情況下，對于恒定振幅信號，可以進(jìn)行在 連續(xù)的功率范圍內(nèi)的發(fā)送功率控制。另外，將本實施例應(yīng)用于實施例2 5的情況下，對于非恒定振幅信號，可以進(jìn)行在連續(xù)的功率范圍內(nèi)的發(fā)送 功率控制。
圖7示出了本發(fā)明的實施例7的功率放大器104。功率放大器104 與圖4所示的功率放大器101類似，但在線性功率放大器104中，其特征在于，發(fā)送輸入信號110經(jīng)過發(fā)送功率控制用振幅調(diào)整器118，供給各 振幅調(diào)整器113?？刂破?15可以根據(jù)所希望的發(fā)送輸出信號111的平均 功率對發(fā)送功率控制用振幅調(diào)整器118設(shè)定一定的功率調(diào)整量a 。
另外，圖7示出了在圖6的結(jié)構(gòu)中設(shè)置發(fā)送功率控制用振幅調(diào)整器 118的示例，但即使在圖4或圖5所示的實施例的結(jié)構(gòu)中也可以設(shè)置發(fā)送 功率控制用振幅調(diào)整器118。
以下，對將本發(fā)明應(yīng)用于高效率發(fā)送信號發(fā)生器時的實施例進(jìn)行說 明。然而，本發(fā)明不僅限于發(fā)送信號發(fā)生器，還可以應(yīng)用于所有種類的 功率放大器。
圖12示出了本發(fā)明的實施例8的高效率發(fā)送信號發(fā)生器201。高效 率發(fā)送信號發(fā)生器201由恒定振幅本機(jī)振蕩器222、 N (N為大于等于2 的整數(shù))個飽和放大單元212、輸出合成電路214、以及振幅控制部215 構(gòu)成。振幅控制單元15由振幅控制部215構(gòu)成，功率放大單元12由飽 和放大單元212構(gòu)成。作為輸出合成電路214，優(yōu)選可以將動作的各飽和 放大單元212的輸出幾乎無損失地進(jìn)行合成的合成電路。飽和放大單元 212例如可以使用利用了 FET的F級放大電路等。各飽和放大單元212的 飽和輸出功率可以設(shè)為相等，也可以設(shè)為不同的飽和輸出功率。
在圖12的結(jié)構(gòu)中，本機(jī)振蕩器222輸出一定振幅的余弦波cos (" Ct+4)Q)。此處，00f2iifc， fc是規(guī)定的頻率，4)。是初始相位。由于不失 一般性，所以假定<1>。=0，即使本機(jī)振蕩器222的輸出作為cos ("J)也 不妨礙。將調(diào)制信號210設(shè)為a (t )。振幅控制部215根據(jù)調(diào)制信號a (t) 的瞬時值對導(dǎo)通的飽和放大單元212的個數(shù)進(jìn)行控制。因此，導(dǎo)通的飽 和放大單元212的個數(shù)n是調(diào)制信號a (t)的函數(shù)。
參照圖21，對導(dǎo)通的飽和放大單元212的個數(shù)n的設(shè)定方法進(jìn)行說 明。在圖21中，作為一例，將飽和放大單元的個數(shù)設(shè)為n二4。圖21 (a) 示出了調(diào)制信號a (t)的波形的一例。調(diào)制信號a (t)的調(diào)制范圍如圖 所示介于0和a。之間。將導(dǎo)通的飽和放大單元212的個數(shù)n如下設(shè)定。公式l
<formula>formula see original document page 15</formula>
5 導(dǎo)通的飽和放大單元212對本機(jī)振蕩器222的輸出信號進(jìn)行放大，
輸出b。cos ("A)。此處，(1/2) b。2為飽和輸出功率。用s (t)表示發(fā) 送輸出信號211，在n個飽和放大單元212導(dǎo)通的情況下，s (t) 二n b。 cos (w。t) =b (t) cos ("A)。此處，b (t) = n b。是s (t)的包絡(luò)線波 形。圖21 (b)示出了b (t)的波形。另外，圖21 (b)中的波形c (t)
io是將圖21 (a)所示的調(diào)制信號a (t)乘以(4 b。) /a。所得的波形，是 所希望的s (t)的包絡(luò)線波形。以下，將c (t) cos ("。t)稱為所希望 的發(fā)送輸出。另一方面，b (t)是將c (t)量化的圖形。此處，設(shè)e (t) =b (t) c (t)， e (t)是誤差成分，具有| e (t) |〇(1/2) b。的性質(zhì)。 可以將b (O看作是c (t)和e (t)的疊加。當(dāng)事先規(guī)定了 c (t)的
15最大值，即(Nb。)時，通過增大N，可以減小b。，因此，可以減小誤差 成分e (t)。
在上述說明中，將各飽和放大單元212的飽和輸出功率設(shè)為相同， 但也可以以2次冪的關(guān)系將飽和輸出功率設(shè)為b。、 2b。、 4b。、…、2N—'b。。 在該情況下，根據(jù)導(dǎo)通的飽和放大單元212的組合，可以獲得0、 b。、 2b。、 20 3b。、…、(2N-1) b。這樣的b (t)的電平。該情況下也是，當(dāng)規(guī)定了所希 望的發(fā)送輸出信號s (t)的最大振幅，即(2N-1) b。時，使N足夠大，可 以減小b。，由此，可以將噪聲成分e(t)抑制在規(guī)定值以下。
在圖12的結(jié)構(gòu)中，由于各飽和放大單元212導(dǎo)通時在飽和點動作， 所以為高效率。如果各飽和放大單元212具有相同的效率ri，則圖12的 25結(jié)構(gòu)的整體效率rb為
公式2<formula>formula see original document page 15</formula>為高效率。在公式2中，Pi表示導(dǎo)通的飽和放大單元212的輸出功率。
另外，在圖12的結(jié)構(gòu)中，發(fā)送輸出信號211是被調(diào)制信號210調(diào)制 的振幅調(diào)制波(雄波)。 [實施例9]
圖13示出了本發(fā)明實施例9的高效率發(fā)送信號發(fā)生器202。在實施 例9中，高效率發(fā)送信號發(fā)生器202由恒定振幅局部發(fā)生器212、 N (N 為大于等于2的整數(shù))個飽和放大單元212、輸出合成電路214、振幅控 制部215、極坐標(biāo)調(diào)制處理部216、以及相位調(diào)制器217構(gòu)成。與圖12 的結(jié)構(gòu)例8的結(jié)構(gòu)相比，在實施例9中，不同點在于，新設(shè)置了將調(diào)制 信號210分解為振幅成分218和相位成分219而輸出的極坐標(biāo)調(diào)制處理 部216和相位調(diào)制器217。
調(diào)制信號210是復(fù)合信號，可以表示為a(t)exp(j4) (t))。此處， a(t)和cl) (t)分別為調(diào)制信號210的振幅成分和相位成分。極坐標(biāo)調(diào)制 處理部216將調(diào)制信號210分解為振幅成分218和相位成分219，并輸出 振幅成分a(t)和相位成分ci) (t)。在相位調(diào)制器217中，利用(J) (t)對本 機(jī)振蕩器222的輸出信號cos("。t)進(jìn)行相位調(diào)制，輸出相位調(diào)制波 cos(w。t+4) (t))。該相位調(diào)制波與圖12的實施例8所說明的處理相同， 通過多個飽和放大單元212、輸出合成電路214以及振幅控制部215，利 用a(t)進(jìn)行振幅調(diào)制。結(jié)果，發(fā)送輸出信號211變成了對調(diào)制信號210 進(jìn)行振幅"相位調(diào)制的調(diào)制波a(t)cos("。t+(i) (t))，即正交振幅調(diào)制波 (QAM波)。
另外，由于各飽和放大單元212導(dǎo)通時在飽和點動作，所以為高效 率。圖13結(jié)構(gòu)的整體的效率ilT同樣用公式2表示，由于n^r!，所以是
高效率。
圖14示出了本發(fā)明實施例10的高效率發(fā)送信號發(fā)生器203。與圖 12所示的實施例8的結(jié)構(gòu)相比較，在實施例10中，不同點為新設(shè)置了振幅調(diào)制部220和線性放大單元221。參照圖21對該實施例進(jìn)行說明 在圖14的結(jié)構(gòu)中，假設(shè)不考慮線性放大單元221的輸出，則發(fā)送輸出信 號211的振幅為圖21 (b)所示的b (t)。將線性放大單元221的增益設(shè) 為k。振幅調(diào)制部215以-(1/k) e (t)的形式將上述e (t) = b (t) c (t)提供給振幅調(diào)制部220。振幅調(diào)制部220對本機(jī)振蕩器222的輸出， 根據(jù)-(1/k) e (t)進(jìn)行振幅調(diào)制，輸出-(1/k) e (t) cos("ct)。因 此，線性放大單元221輸出-e (t) cos(co。t)。如果將其代入到計算式中， 則發(fā)送輸出信號211的振幅為-e (t) + b (O =c (t)。此處，c (t)為 上述所希望的s (t)的包絡(luò)線波形。因此，在圖14所示的實施例10的 結(jié)構(gòu)中，發(fā)送輸出信號211為所希望的發(fā)送輸出。
圖14的結(jié)構(gòu)的整體的效率i]T為iiT二(Ps (t) / (PDC1+PDC2) }。此處， Ps (t) = (1/2) c2(t)， P。u是線性放大器221所消耗的直流功率，P^是 導(dǎo)通的各飽和放大單元212所消耗的直流功率的和。在各飽和放大單元 212的效率相同的情況下，PDC2= (1/2) b2(t)/ ri—Ps (O / q。由此， IU為
公式3
<formula>formula see original document page 17</formula>
在公式3中，由于Ps (t)隨時間變化，所以iu也隨時間變' 為該時間平均的riT (時間平均)為
<formula>formula see original document page 17</formula>
一般情況下，線性放大器的效率比較低，但如圖12所示的實剖 所說明的那樣，通過增大飽和放大單元212的個數(shù)N，可以減小e(所以可以使線性放大單元221的輸出信號非常小。該情況下，即使線性 放大單元221的效率很低，P。cu也非常小。因此，r\T (時間平均)^n。 所以，如果平均來看，則圖14的實施例10的結(jié)構(gòu)整體的效率為高效率。 [實施例11]
圖15示出了本發(fā)明的實施例11的高效率發(fā)送信號發(fā)生器204。與 圖13所示的實施例9的結(jié)構(gòu)相比較，在實施例11中，不同點在于，新 設(shè)置了振幅調(diào)制部220和線性放大單元221。另外，與圖14所示的實施 例10的結(jié)構(gòu)相比較，在實施例11中，不同點在于，將來自本機(jī)振蕩器 222的輸出信號通過相位調(diào)制器217進(jìn)行相位調(diào)制后，提供給各飽和放大 單元212和振幅調(diào)制部220。振幅調(diào)制部220和線性放大單元221的動作 與圖14的實施例10相同。
在本實施例的情況下，線性放大單元221輸出-e(t)cos(co。t+d) (t))，發(fā)送輸出信號211為c (t) cos (" 。t+》(t))，是所希望的發(fā)送輸出。 另外，與圖14所示的實施例10所說明的理由相同，圖15的結(jié)構(gòu)的整體 效率如果平均來看是高效率。
圖16示出了本發(fā)明的實施例12的高效率發(fā)送信號發(fā)生器205。與 圖12所示的實施例8的結(jié)構(gòu)相比較，在實施例12中，不同點在于，在 輸出合成電路214的后面新設(shè)置了頻帶限制濾波器230，從頻帶限制濾波 器230輸出的信號為發(fā)送輸出信號。
在實施例12的結(jié)構(gòu)中，頻帶限制濾波器230將發(fā)送信號頻帶外的上 述誤差成分e (t)的頻率成分除去，由此，發(fā)送輸出信號211的包絡(luò)變 得平滑，同時，除去從飽和放大單元212輸出的高頻波成分。與實施例 12的結(jié)構(gòu)相同，即使對于圖13的實施例9的結(jié)構(gòu)，也能在輸出合成電路 214的后面設(shè)置平滑濾波器230。
另外，即使對于圖14及圖15所示的實施例10及實施例11的結(jié)構(gòu)， 也能在輸出合成電路214的后面設(shè)置平滑濾波器或者頻帶限制濾波器 230。在這些情況下，頻帶限制濾波器230除去從1:包和放大單元212中輸 出的高頻波成分。[實施例13]
圖17示出了本發(fā)明的實施例13的高效率發(fā)送信號發(fā)生器206。與 圖12所示的實施例8的結(jié)構(gòu)相比，在實施例13中，不同點在于，輸出 合成電路214由振幅控制部215控制。
在實施例13的結(jié)構(gòu)中，振幅控制器215根據(jù)各飽和放大單元212的 導(dǎo)通/切斷，調(diào)整輸出合成電路214的電特性，將輸出合成電路214的功 率損失抑制為最小。 (其他實施例)
圖18示出了本發(fā)明的其他實施例的高效率發(fā)送信號發(fā)生器所使用 的輸出合成電路的示例。在上述實施例8至實施例11的任意一個實施例 中，輸出合成電路214可以使用例如圖18 (a)所示的結(jié)構(gòu)。18 (a)所 示的輸出合成電路214是將來自各飽和放大單元212的輸出進(jìn)行簡單地 連接并輸出的電流合成電路。
圖18 (b)示出了輸出合成電路214的另一結(jié)構(gòu)例。圖18 (b)所示 的輸出合成電路214將來自各飽和放大單元212的輸出連接之后，經(jīng)過 輸出匹配電路280輸出。
圖18 (c)示出了輸出合成電路214的其他結(jié)構(gòu)例。在上述實施例8 至實施例11的任意一個實施例中，輸出合成電路214可以使用例如圖18 (c)所示的結(jié)構(gòu)。18 (c)所示的輸出合成電路214將來自各飽和放大 單元212的輸出接線之后，經(jīng)過輸出可變輸出匹配電路281輸出?？勺?輸出匹配電路281根據(jù)來自振幅控制部215的控制，按照各飽和放大單 元212的導(dǎo)通/切斷，調(diào)整其電特性，由此，將輸出合成電路214中的功 率損失抑制為最小。
圖19示出了圖18所示的可變輸出匹配電路281的結(jié)構(gòu)的一例。圖 19所示的可變輸出匹配電路281由并聯(lián)設(shè)置的多個開放或者接地的電抗 282構(gòu)成。電抗282的幵放和接地狀態(tài)的切換，由被振幅控制部215控制 的開關(guān)283的切換來進(jìn)行?？勺冚敵銎ヅ潆娐?81的電氣特性是通過改 變接地的并聯(lián)電抗282的個數(shù)來進(jìn)行調(diào)整。
圖20示出了在上述實施例的任意一個中，利用振幅控制部215對飽和放大單元212的導(dǎo)通/切斷進(jìn)行控制的具體結(jié)構(gòu)例。例如，在圖20 (a) 所示的結(jié)構(gòu)中，飽和放大單元212由飽和放大器300和設(shè)置在其RF輸入 側(cè)的RF開關(guān)301構(gòu)成。振幅控制部215通過RF開關(guān)301的振幅控制輸 入端子，對RF開關(guān)301的導(dǎo)通/切斷進(jìn)行控制。由此，實現(xiàn)飽和放大單 元212的導(dǎo)通/切斷。
在圖20 (b)所示的另一結(jié)構(gòu)中，飽和放大單元212由飽和放大器 300和偏置控制電路302構(gòu)成。振幅控制部215通過偏置控制電路302的 振幅控制輸入端子，對偏置控制電路302的狀態(tài)進(jìn)行控制，由此，實現(xiàn) 飽和放大單元212的導(dǎo)通/切斷。
本發(fā)明的功率放大器可以應(yīng)用于例如移動電話系統(tǒng)的基站和移動局 內(nèi)的發(fā)送機(jī)和高效率發(fā)送信號發(fā)生器，也可以在各種各樣的需要功率放 大器的技術(shù)領(lǐng)域中使用。
權(quán)利要求
1、一種功率放大器(1)，用于輸入輸入信號(10)，并且響應(yīng)于該輸入信號，將放大后的信號作為輸出信號(11)輸出，，其包括并聯(lián)連接的N個功率放大單元(12)，其響應(yīng)上述輸入信號(10)而輸出所放大的信號，N是大于1的整數(shù)；輸出合成單元(14)，其合成來自該N個功率放大單元(12)的各個信號，并將所合成的信號作為該功率放大器的輸出信號(11)輸出；以及振幅控制單元(15)，其根據(jù)上述輸入信號(10)的振幅，從上述N個功率放大單元(12)中選擇應(yīng)導(dǎo)通的功率放大單元，該功率放大器，還包括輸出恒定包絡(luò)線信號的本機(jī)振蕩器(222)，上述功率放大器(201)接收調(diào)制信號(210)作為上述功率放大器的輸入信號，并且輸出經(jīng)放大的調(diào)制信號(211)作為上述功率放大器的輸出信號，其中，上述N個功率放大單元由為了將來自上述本機(jī)振蕩器的恒定包絡(luò)線信號放大而并聯(lián)連接的N個飽和放大單元構(gòu)成；上述振幅控制單元由根據(jù)上述調(diào)制信號(210)的振幅而選擇性地導(dǎo)通上述N個飽和放大單元(212)的振幅控制部(215)構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，還包括 極坐標(biāo)調(diào)制處理部(216)，將接收到的調(diào)制信號(210)分為振幅成分(218)和相位成分(219)，將振幅成分(218)提供給上述振幅控制 部(215);相位調(diào)制器(217)，從該極坐標(biāo)調(diào)制處理部(216)接收上述相位成 分(219)，利用上述相位成分(219)對來自上述本機(jī)振蕩器(222)的恒定包絡(luò)線信號進(jìn)行相位調(diào)制，并將相位調(diào)制信號提供給上述多個飽和 放大單元(212)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，還包括-振幅調(diào)制部(220)，在上述振幅控制部(215)的控制下，對來自上述本機(jī)振蕩器(222)的恒定包絡(luò)線信號進(jìn)行振幅調(diào)制；線性放大單元(221)，對來自該振幅調(diào)制部(220)的輸出信號進(jìn)行 線性放大，并提供給上述輸出合成電路(214)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率放大器，還包括振幅調(diào)制部(220)，在上述振幅控制部(215)的控制下，對來自上 述相位調(diào)制器(217)的相位調(diào)制信號進(jìn)行振幅調(diào)制；線性放大單元(221)，對來自該振幅調(diào)制部(220)的輸出信號進(jìn)行 線性放大，并提供給上述輸出合成電路(214)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，還包括 設(shè)置在上述輸出合成電路(214)后面的頻帶限制濾波器(230)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中由上述振幅控制部(215) 控制上述輸出合成電路(214)的電特性。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中上述輸出合成電路(214) 合成來自上述多個飽和放大單元(212)的輸出信號，并將所合成的信號 經(jīng)由輸出匹配電路(280)輸出。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率放大器，其中上述輸出匹配電路是由 上述振幅控制部(215)控制的可變輸出匹配電路(281)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率放大器，其中上述可變輸出匹配電路 由并聯(lián)的多個電抗構(gòu)成，該多個電抗的接地狀態(tài)由上述振幅控制部(215) 控制。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中上述多個飽和放大單元中的每一個包括用于飽和放大的飽和放大器；偏置控制電路，位于該飽和放大器的輸入端；以及 RF開關(guān)，其開或關(guān)狀態(tài)由上述振幅控制器(215)控制；或者 偏置控制電路將偏置電壓提供給該飽和放大器，該偏置電壓的狀態(tài) 由上述振幅控制器(215)控制。
全文摘要
一種功率放大器。該功率放大器(1)，輸入輸入信號(10)，并響應(yīng)該輸入信號，將放大后的信號作為輸出信號(11)輸出，其由以下各單元構(gòu)成并聯(lián)連接的N(N是大于等于2的整數(shù))個功率放大單元(12)，其響應(yīng)輸入信號(10)而輸出放大信號；輸出合成單元(14)，其合成來自該N個功率放大器(12)的各個信號，并將其作為該功率放大器的輸出信號(11)輸出；以及振幅控制單元(15)，其根據(jù)上述輸入信號(10)的振幅，從上述N個功率放大器(12)中選擇應(yīng)該動作的功率放大單元。從而能夠在恒定振幅信號的情況下，在連續(xù)的功率范圍內(nèi)控制輸出功率，并在非恒定振幅信號的情況下，進(jìn)行低失真且高效率的放大。
文檔編號H03F3/24GK101320963SQ200810128098
公開日2008年12月10日 申請日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者山尾泰, 廣田哲夫, 鈴木恭宜, 凝 陳 申請人:株式會社Ntt都科摩