專利名稱：高效率雙模式功率放大器設(shè)備的制作方法
一般來講，本發(fā)明涉及放大器領(lǐng)域，具體來講，是涉及雙模式功率放大器。
與提供各種附加業(yè)務(wù)的要求相聯(lián)系的蜂窩無線電話數(shù)量的迅速發(fā)展，促進(jìn)了時(shí)分多址聯(lián)接(TDMA)這種改進(jìn)的傳輸技術(shù)的利用。TDMA通過利用數(shù)字調(diào)制和話音編碼技術(shù)增加了蜂窩系統(tǒng)的容量，從而勝過了當(dāng)前的模擬系統(tǒng)。TDMA傳輸是由多個(gè)時(shí)隙組成的。
一種π/4差分正交相移鍵控(π/4DQPSK)的線性調(diào)制技術(shù)用于通過信道發(fā)送數(shù)字信息。在美國數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中利用線性調(diào)制提供了允許利用48.6kbps信道數(shù)據(jù)速率的頻譜效率。π/4DQPSK根據(jù)葛萊(gray)編碼，利用將公知的符號，即把連續(xù)比特對編碼為四個(gè)相角(± (π)/4 、±3/4π)之一來傳送數(shù)據(jù)信息。這些相角而后再被差分編碼產(chǎn)生一個(gè)八點(diǎn)的點(diǎn)陣。
設(shè)計(jì)為用于美國數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)要求工作在模擬與數(shù)字兩種模式。數(shù)字模式利用π/4相移的DQPSK調(diào)制，并且可以利用一種線性發(fā)射機(jī)來實(shí)現(xiàn)。模擬模式利用常規(guī)的頻率調(diào)制，并且可以利用較高效率的非線性反射機(jī)。
由于各種類型的信號都必須放大，與恒定包絡(luò)放大器相比，常規(guī)的線性放大器固有地是低效率的。恒定包絡(luò)放大器所要求的輸出信號在時(shí)間上僅為一個(gè)功率電平。因此，在該功率電平上對于峰值效率可以被優(yōu)化。對于裝置來說，這種優(yōu)化是發(fā)生在某一個(gè)負(fù)載阻抗上，以至于，在設(shè)計(jì)的功率輸出中，交流集電極電壓幅度會接近，或甚至于超過直流供電電壓。在這種狀況下，放大器接近于，或?qū)嶋H上處于飽和，并具有最佳的效率。
線性放大器必須放大功率電平隨時(shí)間變化的信號。而無論輸入信號已被壓縮過的幅度調(diào)制。在線性放大器中不允許飽和，否則將引起嚴(yán)重的包絡(luò)失真。這種失真會丟失幅度信息和將發(fā)射的頻譜擴(kuò)展到鄰近信道。該放大器電路必須這樣工作，即在峰值功率輸出，而放大器不處于飽和狀態(tài)。而在峰值功率輸出情況下，有可能優(yōu)化好的效率，但是隨著功率輸出的下降效率也很快地下降了。
對于試圖工作在線性和恒定包絡(luò)兩種模式的美國數(shù)字蜂窩無線電來說產(chǎn)生了一個(gè)問題。當(dāng)與具有恒定包絡(luò)放大器的當(dāng)前的模擬無線電相比較時(shí)，在數(shù)字無線電中效率是非常低的。在線性模式中，對于峰功率輸出效率是被優(yōu)化的，但是這個(gè)信號的持續(xù)期將是很短的時(shí)間。由于這個(gè)原因，平均效率將低于峰功率效率。因?yàn)槔肨DMA系統(tǒng)和發(fā)射機(jī)僅在1/3時(shí)間工作(僅每個(gè)第三時(shí)隙由無線通信所利用)，所以對于數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)這不是一個(gè)嚴(yán)格的限制。甚至于在這種模式下平均效率差的情況下，與常規(guī)的模擬無線電系統(tǒng)比較，發(fā)射電流也不會明顯變壞(和或許好些)。
當(dāng)這種無線電設(shè)備用于具有恒定包絡(luò)信號的模擬呼收時(shí)，問題就出現(xiàn)了。此時(shí)發(fā)射機(jī)在講話時(shí)間100%工作，并因?yàn)榘l(fā)射機(jī)工作在低于最佳功率輸出3.2dB的一個(gè)平均功率上，所以效率是差。在測試電路上的數(shù)據(jù)表示在12個(gè)百分點(diǎn)的范圍內(nèi)下降。這轉(zhuǎn)換為發(fā)射電流的實(shí)質(zhì)的增加。該增加的電流要求將實(shí)質(zhì)上降低了無線電話正常使用的電池供電時(shí)間。從而存在著使一個(gè)放大器電路有效地工作在線性和恒定包絡(luò)兩種模式的需要。
本發(fā)明包含一種雙模式功率放大器設(shè)備，該設(shè)備至少由一個(gè)放大裝置所組成。該至少一個(gè)放大裝置具有一個(gè)集電極供電輸入端，一個(gè)信號輸入端，和一個(gè)輸出端。每個(gè)放大裝置在輸出端產(chǎn)生一個(gè)信號，該信號具有耦合到信號輸入端的輸入信號的已放大的特性。
該雙模式功率放大器設(shè)備還包括電壓變換裝置，該裝置具有一個(gè)模式選擇輸入端，一個(gè)電源輸入端和一個(gè)輸出端。該電壓變換裝置響應(yīng)于第一控制信號在輸出端產(chǎn)生一個(gè)第一電壓和響應(yīng)于第二控制信號在輸出端產(chǎn)生一個(gè)第二電壓。該第一和第二控制信號被耦合到該放大裝置的模式選擇輸入端。該電壓變換裝置的輸出端連接到該放大裝置的集電極供電的輸入端。


圖1表示本發(fā)明的雙模式功率放大器設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例。
圖2表示本發(fā)明的雙模式功率放大器的另一個(gè)實(shí)施例。
圖3表示本發(fā)明方法的流程圖。
圖4表示本發(fā)明的雙模式功率放大器設(shè)備的再一個(gè)實(shí)施例。
圖5表示按照本發(fā)明的典型無線電話的方框圖。
雙模式功率放大器設(shè)備在線性模式中線性地工作被用于數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，同時(shí)恒定包絡(luò)模式用于現(xiàn)存的模擬蜂窩系統(tǒng)。這種有效的工作是在無RF開關(guān)的情況下實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例如圖1所示。該設(shè)備由未級功率放大器(101)和兩個(gè)與RF輸入信號(502)相連接的功率放大器驅(qū)動器(102-103)組成。功率放大器(101-103)與輸出被放大的RF信號的未級功率放大器(101)相串聯(lián)連接。用于該優(yōu)選實(shí)施例的功率放大器(101-103)是Motorola公司制造的MHW927A。
電壓變換器(104)連接到各功率放大器級的集電極供電電源。電壓變換器(104)必須是一種高效率電源，在本優(yōu)選實(shí)施例中是一個(gè)開關(guān)電源。電壓變換器(104)連接到在本優(yōu)選實(shí)施例中是12.5V的電壓Vcc。電壓變換器(104)能夠從Vcc產(chǎn)生兩個(gè)電壓。產(chǎn)生哪個(gè)電壓是由連接到變換器(104)的模擬/數(shù)字模式選擇線(105)來選擇的。在這條線(105)上的邏輯高電平選擇模擬模式及邏輯低電平選擇數(shù)字模式。在該優(yōu)選實(shí)施例中，邏輯高電平是+5V和邏輯低電平是0V。在現(xiàn)有技術(shù)中模擬模式也稱為恒定包絡(luò)模式和數(shù)字模式稱為線性模式。
當(dāng)選擇數(shù)字模式時(shí)，電壓變換器(104)供給一個(gè)接近于Vcc的電壓V1，在本優(yōu)選實(shí)施例中為12.5V。這是功率放大器(101-103)的設(shè)計(jì)電壓，并允許放大器(101-103)在其額定功率輸出情況下提供其設(shè)計(jì)的線性值。對放大器(101-103)提供的12.5V是通過關(guān)斷電壓變換器(104)和導(dǎo)通允許全部Vcc以最小的損耗加到放大器的內(nèi)部通過器件來實(shí)現(xiàn)的。該通過器件是一只晶體管，這樣Vcc減去該晶體管兩端的電壓降等于加到功率放大器上的電壓。
如果選模擬模式，電壓變換器(104)工作和產(chǎn)生明顯低于Vcc的預(yù)定電壓V2加到功率放大器(101-103)。在本優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)電壓是8.65V。在減小功率輸出情況下，交流集電極電壓的幅度與在較高供電電壓Vcc放大器處于峰值線性功率輸出一樣，也將是接近直流供電電壓的。因此，在模擬模式中效率仍然最佳。
在理想狀態(tài)下，V1與V2之間的關(guān)系是與峰值線性模式功率與恒定包絡(luò)模式功率之間關(guān)系一樣的。對于美國數(shù)字蜂窩系統(tǒng)而言，這個(gè)差為3.2dB，因此使V2小于V13.2dB。但是，對于在理想狀態(tài)的最佳性能而言，由于飽和和其他非理想因素的影響，V1與V2之間的差要偏離理想狀態(tài)。
為了說明本發(fā)明的雙模式功率放大器設(shè)備的利用，首先假設(shè)該混合數(shù)字/模擬無線電話是工作在美國數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中。該模式選擇信號(105)置于低電平以選數(shù)字模式。該模式關(guān)斷開關(guān)電源(104)，因此允許將12.5V的Vcc加到功率放大器(101-103)的集電極供電端。較高的集電極電壓允許以其額定輸出功率，在其線性度的設(shè)計(jì)值線性地工作。
當(dāng)無線電話正工作在模擬蜂窩系統(tǒng)中，模式選擇信號(105)是高電平，以選擇該放大器設(shè)備的模擬模式。開關(guān)電源(104)工作，產(chǎn)生一個(gè)加到功率放大器(101-103)集電極的8.65V電壓。在減小功率輸出情況下因?yàn)樗l(fā)射的信號是恒定包絡(luò)信號，所以減小的集電極電壓允許功率放大器(101-103)有效地工作在交流集電極電壓接近于供電電壓的狀態(tài)。上述本發(fā)明的方法如圖3的流程圖所示。
本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例如圖2所示。這個(gè)實(shí)施例由四級諸如MotorolaMHW927A模塊的功率放大器模塊組成。對于后面兩級(203)的偏置和前面兩級(204)的偏置與供電是連接在一起的。后兩級的集電極也是連接在一起的。這些集電極連接到產(chǎn)生兩種電壓的電壓變換器(204)。電壓變換器(204)是與優(yōu)選實(shí)施例所描述的電壓變換器(104)相同種類的。將要被放大的信號耦合到RF輸入端(502)，并且RF輸出端(202)是被放大的信號。如圖4所更為詳細(xì)說明的偏置選擇電路(401)產(chǎn)生偏置電壓Vbb。
通過模擬/數(shù)字選擇線(516)實(shí)現(xiàn)Vbb選擇。通過將這條線置于低電位選擇數(shù)字模式，晶體管(412)被關(guān)斷，使得功率放大器末級(420)僅有二極管(411)兩端的0.70V的偏置電壓?，F(xiàn)在該功率放大器工作在線性模式。當(dāng)模擬/數(shù)字選擇線(516)為高電平，晶體管(412)飽和，功率放大器末級(420)的偏置電壓為晶體管(412)的0.20V飽和電壓。晶體管(412)集電極支路上的電阻(410)選擇的非常小，在優(yōu)選實(shí)施例中為0.1Ω，用于電流限制。功率放大器驅(qū)動器(421-422)總具有作為偏置電壓的Vbb。
圖2的實(shí)施例將用于說明由該雙模式功率放大器提供的效率。所連接的偏置保持在9.5V。后兩級的集電極電壓是在額定供電電壓12.5V與低于3.2dB的8.65V之間改變。這種操作的結(jié)果說明在下列數(shù)字平均值功率數(shù)字峰值功率模擬平均值功率Po=37.8dBmPo=41.0dBmPo=37.8dBmVcc=12.5VVcc=12.5VVcc=8.65VIcc(A)1.49A2.29A1.59AIb(mA)193mA192mA193mAηpa(%)29.4%41.4%38.7%系統(tǒng)效率28.8%N/A33.6%(%)系統(tǒng)效率是對于數(shù)字模式假設(shè)場效應(yīng)晶體管(FET)通過器件的電阻為0.2Ω和對于模擬模式假設(shè)電壓變換器效率為85%計(jì)算的。對于功率放大器的效率計(jì)算可按下面公式確定ηpa＝ (Po)/(Vb×Ib+Vcc×Icc)其中Po是輸出功率。
系統(tǒng)效率是在ηpa表達(dá)式的分母加上電壓變換器的消耗功率計(jì)算的。從上表可以看出，甚至在某些較高變換器損耗的情況下，這一概念仍然相對于數(shù)字模式來說，改善效率4%。
圖5說明本發(fā)明的典型無線發(fā)射機(jī)的方框圖。以該功能方框圖實(shí)施的實(shí)際電路可以安裝在一塊或多塊電路板上和裝在一個(gè)常規(guī)的無線電話機(jī)殼中。該無線發(fā)射機(jī)僅要求本發(fā)明的高效率雙模式功率放大器設(shè)備(104)，通過提供一個(gè)裝置操作放大器工作在線性模式或非線性模式。因此，對于頻率調(diào)制信號和π/4DQPSK調(diào)制信號的有效放大是可能的，而同時(shí)，減小了電路的尺寸和成本。
送話器(54)將話音信號變換為電的信息信號(56和58)。當(dāng)在類似的常規(guī)蜂窩無線電話系統(tǒng)中，在線(56)上提供的信息信號被利用，通過無線電話設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)頻率調(diào)制信號。當(dāng)在離散的數(shù)字系統(tǒng)中，將由無線電話機(jī)利用在線(58)上提供的信息信號產(chǎn)生由已調(diào)編碼信號形成的一種復(fù)合已調(diào)信息信號。
在線(56)上產(chǎn)生的信息信號被提供給電壓控制振蕩器(60)，在該振蕩器中信息信號與某個(gè)頻率的振蕩信號相組合。由電壓控制振蕩器(60)產(chǎn)生的已頻率調(diào)制的信息信號(62)送到調(diào)制器(64)。當(dāng)無線電話機(jī)發(fā)射頻率調(diào)制信息信號時(shí)，調(diào)制器(64)不改變該已頻率調(diào)制信息信號(62)，而是“通過”(Passes-through)該頻率調(diào)制信息信號。振蕩器(60)和調(diào)制器(64)可以共同組成混合調(diào)制設(shè)備(68)。
信息信號(58)被送到聲碼器(72)，在聲碼器中，模擬信號被數(shù)字化和被按照某種編碼方案編碼，并產(chǎn)生一種離散的編碼信號(76)，該編碼信號而后被送到調(diào)制器(74)。調(diào)制器(64)調(diào)制該離散的編碼信號(76)為預(yù)定頻率的復(fù)合已調(diào)信息信號。
由按照頻率調(diào)制技術(shù)或復(fù)合調(diào)制技術(shù)調(diào)制的已調(diào)信息信號被送到混頻器(80)?；祛l器(80)將這一信號與一個(gè)由合成器(90)產(chǎn)生并送到混頻器(80)的偏移傳輸頻率載波(offsettranemissionfrequencecarrierwave)相混頻?；祛l器(80)將已調(diào)信息信號與載波(92)相混頻。而后，混頻器(80)根據(jù)由合成器(90和60)振蕩頻率確定的載波頻率的載波產(chǎn)生一個(gè)已調(diào)信息信號(96)。
已調(diào)信息信號(96)被耦合到濾波器(540)，該濾波器構(gòu)成中心頻率約為或接近發(fā)射波載波的通帶。這個(gè)濾波器(54)產(chǎn)生含有已調(diào)信息信號的已濾波信號(502)，該信號被耦合到本發(fā)明的功率放大器(500)。功率放大器(500)將已調(diào)信息信號放大到足以通過天線(506)發(fā)送的功率電平。在被放大的信號發(fā)送之前，如所表示的那樣，該被放大的信號可以由另外的濾波器(507)濾波，該濾波器例如可以構(gòu)成一個(gè)雙工器的一部分。該濾波器(507)被插入配置在功率放大器(500)與天線(506)之間。
處理器(508)提供控制信號(510、512、514和515)，以分別控制振蕩器(60)、聲碼器(72)、調(diào)制器(64)、和合成器(90)的操作，從而控制由送話器(54)產(chǎn)生的信息信號的調(diào)制。
處理器(508)控制由送話器(54)產(chǎn)生的信息信號是被振蕩器(60)調(diào)制形成頻率調(diào)制的信息信號，還是按照一種離散編碼方案被聲碼器(72)編碼和被調(diào)制器(64)調(diào)制，形成復(fù)合已調(diào)信息信號。
在優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)送到放大器(500)上的已調(diào)信號是頻率調(diào)制或復(fù)合調(diào)制信息信號時(shí)，處理器(508)提供模擬/數(shù)字選擇信號(516)給放大器(500)，使放大器(500)工作在線性模式或者非線性模式。當(dāng)π/4DQPSK已調(diào)信號將被發(fā)射時(shí)，啟動線性模式;而當(dāng)FM信號將被發(fā)射時(shí)，啟動非線性模式。
圖5還說明由于傳送到天線(506)的信號的無線電話設(shè)備的接收電路。傳送到天線(506)的信號被送到濾波器(517)，該濾波器使所要求的頻率的信號通過，而到達(dá)混頻器(518)。該混頻器(518)接收來自合成器(90)的振蕩信號(519)，和產(chǎn)生一個(gè)送給解調(diào)器(520)的混頻信號。解調(diào)器(520)將被解調(diào)的電的信息信號送到揚(yáng)聲器(521)。處理器(508)可以送一個(gè)信號(520A)到解調(diào)器(520)控制其操作。揚(yáng)聲器(521)變換電的信息信號為可聞性信號。
權(quán)利要求
1.一種雙模式功率放大器設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個(gè)具有一個(gè)集電極供電輸入端、一個(gè)信號輸入端和一個(gè)輸出端的放大裝置，該放大裝置在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)信號，該信號具有耦合到信號輸入端的輸入信號的被放大的特性；和具有一個(gè)模式選擇輸入端，一個(gè)電源輸入端和一個(gè)電源輸出端的電壓變換裝置，該電壓變換裝置響應(yīng)于第一控制信號在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)第一電壓和響應(yīng)于第二控制信號在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)第二電壓，該第一和第二控制信號耦合到模式選擇輸入端，該電壓變換裝置的輸出耦合到該集電極供電輸入端。
2.權(quán)利要求1的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于還包括該第一控制信號選擇一個(gè)模擬模式而第二控制信號選擇一個(gè)數(shù)字模式。
3.權(quán)利要求2的雙模式功率放大器設(shè)備，其中，當(dāng)該輸入信號是恒定包絡(luò)信號時(shí)，選擇模擬模式。
4.權(quán)利要求3的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于恒定包絡(luò)信號是頻率調(diào)制信號。
5.權(quán)利要求2的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于當(dāng)輸入信號是一個(gè)可變包絡(luò)信號時(shí)，選擇數(shù)字模式。
6.權(quán)利要求5的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于可變包絡(luò)信號是π/4差分正交相移鍵控已調(diào)制信號。
7.權(quán)利要求1的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于一個(gè)電壓Vcc連接到電源輸入端而且第二控制信號是一個(gè)基本上類似于Vcc的電壓。
8.權(quán)利要求7的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于第一控制信號是一個(gè)低于第二控制信號3.2dB的電壓。
9.權(quán)利要求2的雙模式功率放大器設(shè)備，其特征在于該電壓變換裝置是一個(gè)具有Vcc電源輸入的開關(guān)電源，該開關(guān)電源在數(shù)字模式中是關(guān)斷的，因此允許Vcc通過電壓變換裝置到其輸出端，而在模擬模式中該開關(guān)電源是工作的，因此提供一個(gè)預(yù)定電壓到輸出端。
10.一種具有模擬模式和數(shù)字模式的雙模式功率放大器設(shè)備，響應(yīng)于一個(gè)模式選擇信號，這些模式是可以選擇的，該設(shè)備包括多個(gè)放大裝置，每個(gè)放大裝置具有一個(gè)集電極供電輸入端，一個(gè)射頻信號輸入端和一個(gè)輸出端，該多個(gè)放大裝置在輸出端產(chǎn)生一個(gè)被放大了的，來自該射頻信號輸入端的射頻信號，和電壓變換裝置，該裝置具有與模式選擇信號相連接的一個(gè)控制輸入端，一個(gè)與電壓Vcc相連接的電源輸入端，和一個(gè)與集電極供電輸入端相連接的控制電壓輸出端，在數(shù)字模式時(shí)該電壓變換裝置允許Vcc通過而到達(dá)控制電壓輸出端，并且在模擬模式時(shí)在該控制電壓輸出端產(chǎn)生一個(gè)預(yù)定的電壓。
全文摘要
本發(fā)明的雙模式功率放大器由數(shù)個(gè)經(jīng)其集電極供電線路與一個(gè)電壓變換器(104)相連接的功率放大器(101—103)所組成，以便選擇數(shù)字模式或模擬模式。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例用于一種混合數(shù)字/模擬電話設(shè)備中。在數(shù)字模式中，電壓變換器被關(guān)斷且該電壓變換器(104)的供電電壓被送到功率放大器(101—103)的各集電極，這使功率放大器(101—103)在數(shù)字傳輸條件下以最佳的線性工作。在模擬環(huán)境下，電壓變換器(104)工作并提供一個(gè)減小了的電壓給功率放大器(101—103)，使其在這種模式下以更高的效率工作。
文檔編號H03G3/20GK1076567SQ9310125
公開日1993年9月22日 申請日期1993年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月13日
發(fā)明者戴爾·G·施文特, 拉什德·M·奧斯曼, 加里·M·克里斯蒂阿諾 申請人:莫托羅拉公司