專利名稱：用于防止功率放大器飽和的方法和裝置的制作方法
背景本發明通常涉及一種無線電通信系統，并尤其涉及一種能有效控制蜂窩系統內射頻收送機中的功率放大器。
在美國以及世界的其他地區，蜂窩電話產業已經在商業活動中邁出了顯著步伐。其在主要大城市中的增長已經遠遠超過預期設想并且正在超過系統容量。如果這種趨勢持續，則這種快速增長的影響將很快使市場達到最小。需要創新的解決方法來滿足這些快速增長的容量需要以及保持高品質的服務并避免價格的升高。
在世界范圍內，蜂窩系統中的一個重要步驟是從模擬傳輸變化到數字傳輸。同樣重要的是，選擇有效的數字傳輸方案來實現下一代蜂窩技術。另外，可以相信，將通過使用下一代數字蜂窩系統結構和蜂窩頻率的蜂窩載波來提供第一代個人通信網絡(PCN)(使用可以被舒適攜帶并用來在家里、辦公室、街道上、汽車等地方呼叫并接收呼叫的低成本、小型無繩電話)。在這些新系統所需的主要特性增加了信息流通容量。
目前，最通用的是通過使用頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)方法來獲得信道訪問。在FDMA中，一個通信信道是其中集中了信號傳輸功率的單獨的射頻頻帶。通過使用其中僅能通過位于特定頻帶內的信號能量的帶通濾波器來限制相鄰信道之間的干擾。因此，通過給每個信道分配一個不同頻率，由可用頻率來限制系統容量。
在多數TDMA系統中，一條信道包括相同頻率上的一周期時間間隔內的時隙。這些時隙的每個周期被稱為一幀。一個給定信號的能量被確定為這些時隙中的一個。通過使用時間門電路或僅通過在合適時間接收的信號能量的其他同步元件來限制相鄰信道中的干擾。因此，減少了來自不同相關信號強度電平的干擾。
通過將傳輸信號壓縮在一個較短時隙內來增加TDMA系統中的容量。其結果，該信息必須以相應的較快速率來傳輸，這樣成比例增加了所占用的頻譜量。
使用FDMA或TDMA系統，或混合的FDMA/TDMA系統，可以如愿避免其中兩個潛在的干擾信號在相同時間占用相同頻率的情況。相反，碼分多址(CDMA)可以使信號在時間和頻率上重疊。因此，所有的CDMA信號可以共享相同的頻譜。在頻域或時域的情況中，多路信號一個接一個地出現。
對于所有這些系統，除了CDMA系統之外，對于要平衡希望給最終用戶提供足夠強的信號而在同時不會對其他用戶導致太多的干擾而言，控制信號是非常重要的技術。在射頻發射機中廣泛使用多個功率放大器(PA)以便于將一個沒有放大的RF信號放大到的預定功率電平上，該RF信號在該預定功率電平上被傳輸。在該功率電平上傳輸RF信號的這個功率電平一般被設置為基于在基站上所接收到的傳輸功率電平而增加的一些預定功率電平中的一個。在將這些信號放大到與預定功率電平過程中，PA放大得越精確，則傳輸操作就越有效。
功率放大器操作中的一個目標是減少所產生的功率損耗。為了減少功率放大器中的功率損耗，可以通過控制技術來減少提供到該放大器上的電壓。但是，當所提供的電壓減少太多時，會將該放大器帶入飽和狀態。此時，該功率放大器工作于非線性，這導致輸出信號失真。
雖然現在已經努力來增加功率放大器效能以及功率輸出，但是，不完全成功。例如，美國專利No.5430410描述了使用一種包絡檢測器來檢測功率放大器的輸出。將該功率放大器的輸出信號與功率放大器的輸入信號比較。使用輸出信號和輸入信號之差來控制該功率放大器的偏置電平以便于保持飽和功率放大器的線性操作并因此減少失真。但是，該文件沒有涉及在功率放大器飽和之前增加其效能。
此外，SU141717的摘要描述了一種用于無線電通信設備中的信號功率的放大，該專利通過在功率放大器的反向輸入端和功率放大器的輸出端之間插入一個差分放大器來試圖提高放大操作并減少失真。輸入到該差分放大器中的信號是該放大器的輸出信號的峰值檢測值以及該放大器的峰值和電壓變化值之差。該電路的目的是通過調整所供電壓以便于補償前述放大器級的偏置電平中的變化從而減小失真。
當前的功率放大器以及由申請人所公知的相關控制電路都不能經過操作達到下列目的減小電源電壓，并因此產生功率損耗的減少以及移動單元中的總溫度較少，而同時避免使該放大器飽和。此外，減小來自給使用一個功率放大器的移動電話供電的電池的電流損耗，并因此改進其性能。因此，需要一種系統，該系統可以使用由高效能非飽和功率放大器所帶來的好處。
發明綜述因此，本發明的一個目的是提供一種具有減少的所供電壓的功率放大器，該功率放大器可以減少放大器的功率損耗并在信號傳輸期間能夠被通信設備有效使用。本發明的另一個目的是提供一種用于控制該功率放大器的電路，該電路可以解決與減少的功率損耗以及失真有關的問題，并能增加功率放大器的效能以及確保該功率放大器不飽和。
本發明的這些示范性實施例使用一個放大器及其控制電路，所述電路包括一個由一個電壓饋送供電的功率放大器、一個檢測所述功率放大器輸出電壓的峰值幅度的峰值檢測器、以及一個將所述功率放大器的輸出幅度與一個恒定參考電壓進行比較并輸出校正電壓饋送信號的差分放大器。
在本發明的另一個示范性實施例中，描述了一種控制功率放大器電路的方法，該方法包括這些步驟檢測來自所述功率放大器的輸出電壓的峰值幅度、將檢測到的輸出電壓幅度與一個恒定參考電壓進行比較，輸出校正電壓信號并基于該校正電壓信號來控制所述功率放大器電路的電壓饋送。
本發明的其他實施例包括一個通信設備，該通信設備包括一個用于發射流出信號的發射機和一個用于接收入局信號的接收機，其中，該發射機另外還包括一個功率放大器用來在發射之前放大所述流出信號、一個檢測所述功率放大器輸出峰值幅度的峰值檢測器、以及一個將所述功率放大器的輸出幅度與一個恒定參考電壓進行比較并輸出被輸入到所述功率放大器中的校正信號的差分放大器。
在閱讀下列對于本發明的詳細描述的基礎上，本發明的這些以及其它特征、目的以及相關效果將更為容易理解，可以結合附圖閱讀，在這些附圖中相同的參考數字表示相同的部分，其中

圖1是可用于發射機中的公知功率放大器電路的示意圖；圖2A是處于非飽和模式的功率放大器輸出電壓擺動圖；圖2B是處于飽和模式的功率放大器輸出電壓擺動圖3是根據本發明示范性實施例的功率放大器電路和反饋電路示意圖；以及圖4是根據本發明示范性實施例的蜂窩移動電話系統的框圖。
說明將參考其中示出了本發明各種示范性實施例的附圖來描述本發明。但是，本發明可以體現于不同形式并且不應該將其構造為局限在所示特定實施例中。
在圖1中示出了可用于一個典型信號傳輸系統中的典型功率放大器電路110的示意圖。將一個RF輸入信號RFIN輸入到功率放大器電路110的功率放大器112中以便于將其放大以用于傳輸。功率放大器112包括一個圖1中所示的NPN雙極性晶體管(BJT)。另外，該BJT有一個基極116、一個發射級118和一個集電極113。集電極113有一個連接于發射級和電源電壓VCC的電感114。電感114起一個電流源的作用。該電感兩端的電壓反映了晶體管中偏置變化率。雖然示出了一個NPN晶體管，但是，對于本領域技術人員而言，顯然的是，可以使用一個PNP晶體管或任何一種諸如場效應管(EFT)這樣的其他有源放大器件來放大RF輸入信號。還應該理解的是，RFIN信號的放大不必要僅需要一個晶體管。取而代之，有可能使用多個晶體管或FET器件來正確放大RFIN。例如，還可以使用諸如達林頓結構來放大該信號。同樣，圖1中所示晶體管可以僅表示整個功率放大器112的輸出級。
功率放大器電路110還包括設置在該功率放大器112輸出端上的阻抗匹配網絡130。該阻抗匹配網絡130進一步包括電感120和122的陣列以及電容124、126和128陣列。該阻抗匹配網絡的目的在于為了使信號輸出最佳化而匹配該功率放大器的負載，并從該功率放大器112的輸出中獲得所需的信號增益。
此外，可以使用諸如RC電路(在當前實施例中沒有示出)這樣的輸出濾波器來過濾掉不希望噪聲的輸出信號。然后，將放大后的輸出信號RFOUT耦合到天線上并發射給接收機(沒有示出)。
當該功率放大器112是處于最大輸出功率時，所產生的輸出擺動的最大幅度可以是電源電壓VCC額定電壓減去飽和電壓VS。該飽和電壓時晶體管進入飽和狀態時的電壓。通常，對于一個雙極性晶體管，諸如上述對于圖1描述的其中一個，VS(即，功率放大器112的集電極和發射極兩端的電壓降)接近于2伏。
如圖2A所示，當使用典型的4.8V電壓源時，功率放大器112的晶體管正弦輸出電壓VOUT代表曲線顯示了距離飽和的一個間距。如果減少電壓饋送，如圖2A所示的信號朝x軸方向移動。另外，如果增加電壓饋送，如圖2A所示的輸出電壓從y軸方向垂直移動。只要輸出電壓VOUT的電壓擺動不超過圖中y軸上的.2V電平，則可以增加(或減少饋送到該功率放大器中的電壓)功率放大器的輸入功率，隨著電壓源的最低峰值趨于零。如圖2B所示，如果VCC不減少得太多，則輸出電壓VOUT的電壓擺動將變得不小于或等于大約.2V。距離飽和的間隔將變成零。其結果，該功率放大器112將進入飽和模式并如圖所示將輸出電壓限幅(即，失真)。當該輸出電壓如圖2B所示失真時，則阻礙了功率放大器電路110的操作。
為了進一步示出與放大器操作最佳化有關的一些考慮，如下定義該功率放大器112的效率效率＝POUT/VCC*ICC(1)其中，POUT是功率放大器112的輸出功率。可以從該方程中導出，為了增加該功率放大器的效率，必須減小電源電壓VCC或偏置電流ICC中的一個或全部。但是，如上所示，應該執行對于電壓饋送的控制而不“限幅”該信號。
根據本發明的示范性實施例，如圖3所示，除了參考圖1所描述的功率放大器電路110之外，通過還提供一個功率放大器控制電路300來解決上述問題。功率放大器控制電路300包括一個峰值檢測器310、一個差分放大器320以及一個環路濾波器330。使用這些部分來確保減小電壓饋送VCC而同時不把功率放大器112送入飽和狀態。
峰值檢測器310包括與位于來自功率放大器112輸出端的一條輸入線上的二極管314串聯的電阻312。另外，第二電阻316與電容318并聯設置并且它們每個都接收來自電壓饋送VCC的電壓。將峰值檢測器310設計為可以跟隨最小包絡，即，可以識別從功率放大器112輸出中的負峰值。這樣可以使本發明確定電壓饋送是否太靠近將導致該功率放大器112進入飽和狀態的“限幅”電壓。
將在峰值檢測器310中檢測到的峰值檢測電壓值輸出到差分放大器320的反向輸入端。然后，將峰值檢測電壓值與電壓參考值VRET比較。差分放大器320控制饋送電壓以確保功率放大器操作最佳并因此保持與飽和點的距離。經環路濾波器330(與電容334串聯的電阻332)，將從差分放大器320中輸出的差分信號發送來控制輸入到功率放大器112中的VCC值。使用環路濾波器將信號帶寬限制到一個特定電平以便于防止環路不穩定并衰減瞬態信號和噪聲信號。
電壓參考值設置了放大器工作點和飽和點之間的間距。選擇該電壓參考值以便于將VOUT最低包絡和飽和點之間的距離保持為大于零的一個值。可以使用溫度系數調整和優化來解決功率放大器和/或峰值檢測器中的溫度偏移。
如前所述，根據本發明的功率放大器電路可以用于，例如蜂窩電話系統中。這些設備可用于以不同的功率電平來放大和傳送信息，這些功率電平可用來在無線電通信系統中支持移動電話和基站間的通信。圖4表示根據本發明實施例的示范性蜂窩移動無線電話系統的框圖，在該系統中可以使用如上所述的功率放大器來產生用于數據傳輸的RF信號。該系統示出了一個示范性的基站910和移動電話920。該基站包括與MSC940相連的控制和處理單元930，而MSC940順次連接到公共切換電話網絡上(未示出)。
用于一個蜂窩的基站910包括若干由聲音信道收發器950處理的聲音。同樣，每個基站包括可以處理多于一個控制信道的控制信道收發器960。由控制和處理單元930來控制控制信道收發器960。控制信道收發器960將控制信息在基站或蜂窩的控制信道中傳送到鎖定在那個控制信道中的移動電話上。聲音信道收發器處理包括如前所述的數字控制信道定位信息的通信量或聲音信道。
當移動電話920首先進入空閑模式，它周期性掃描類似于基站910的基站的控制信道以便于確定鎖定或設置到哪個蜂窩上。移動電話920在其聲音和控制信道收發器970上接收在控制信道上傳播的絕對和相關信息。然后，處理單元980估計所接收到的包括所選蜂窩特性的控制信道信息，并確定該移動電話應該鎖定的蜂窩。所接收到的控制信道信息不僅包括關于與其相關蜂窩的絕對信息，而且還包含有關接近于與控制信道相關聯蜂窩的其它蜂窩的相對信息。周期性掃描這些相鄰蜂窩并監控主要控制信道以確定是否存在更合適的候選蜂窩。可以在于1992年10月27日由P.Dent和B.Ekelund申請的并在這里作為參考、題為“多模式信號處理”的美國專利申請No.07/967027中發現有關移動電話和基站實現方式說明的另外信息。
盡管前面已經描述了有關基站和移動站方面的示范性實施例，但是，本發明可用于任何一種無線電通信系統中。例如，衛星可以發射和接收數據從而與包括便攜式單元、PCS設備、個人數據輔助設備等設備的遠程設備進行通信。
已經參考其最佳實施例描述了本發明，本領域技術人員將可以認識到，本發明并不局限于這里所述和所示的特定實施例。在不脫離本發明范圍的情況下，除了這里所描述的之外，通過前述說明和附圖，不同的實施例和修改以及許多變型和等效實施例都將是顯然，并且可以被合理提出。
權利要求
1.一種放大器和控制電路，包括一個由電壓源供電的功率放大器；一個峰值檢測器，用于檢測所述功率放大器輸出電壓的峰值幅度；以及一個差分放大器，用于將所述功率放大器的峰值幅度與參考電壓比較并輸出校正電壓饋送信號。
2.如權利要求1的放大器和控制電路，進一步包括；與所述差分放大器相連的一個環路濾波器。
3.如權利要求1的放大器和控制電路，其中選擇所述參考電壓來確定所述功率放大器沒有進入飽和狀態。
4.如權利要求1的放大器和控制電路，其中所述功率放大器進一步包括單獨的晶體管元件的多個級。
5.如權利要求1的放大器和控制電路，進一步包括與所述功率放大器相連的一個阻抗匹配網絡。
6.如權利要求1的放大器和控制電路，其中選擇所述參考電壓以處理所述功率放大器和所述峰值檢測器中的至少一個的溫度偏差。
7.如權利要求1的放大器和控制電路，其中所述峰值檢測器是所述輸出電壓的負的峰值幅度。
8.一種用于控制功率放大器電路的方法，包括這些步驟檢測來自所述功率放大器的輸出電壓的峰值幅度；將檢測到的輸出電壓幅度與一個恒定參考電壓進行比較并輸出校正電壓信號；以及基于該校正電壓信號來控制所述功率放大器電路的電壓饋送。
9.如權利要求8的功率放大器電路控制方法，其中所述峰值幅度是所述輸出電壓的負的峰值幅度。
10.如權利要求8的功率放大器電路控制方法，其中所述比較步驟進一步包括選擇所述參考電壓來確定所述功率放大器沒有進入飽和狀態。
11.如權利要求8的功率放大器電路控制方法，其中進一步包括這些步驟阻抗匹配所述校正電壓信號。
12.如權利要求10的功率放大器電路控制方法，其中選擇所述參考電壓以處理溫度偏差。
13.一種用于發射流出信號的發射機，所述發射機進一步包括一個功率放大器用來在發射之前放大所述流出信號；一個檢測所述功率放大器輸出峰值幅度的峰值檢測器；以及一個差分放大器，將所述功率放大器的輸出幅度與一個恒定參考電壓進行比較并輸出要被輸入到所述功率放大器中的校正信號。
14.如權利要求13的發射機，進一步包括與所述差分放大器相連的一個環路濾波器。
15.如權利要求13的發射機，其中選擇所述參考電壓來確定所述功率放大器沒有進入飽和狀態。
16.如權利要求13的發射機，其中所述功率放大器進一步包括單獨的晶體管元件的多個級。
17.如權利要求13的發射機，進一步包括與所述功率放大器輸出相連的一個匹配電路。
18.如權利要求13的發射機，其中選擇所述恒定參考電壓以處理所述功率放大器和所述峰值檢測器中的至少一個的溫度偏差。
全文摘要
本發明提供了一種帶有減少提供電壓的功率放大器,該放大器順次減少放大器的功率耗散并且在信號傳輸期間可以被通信設備有效使用。此外,本發明提供了一種用于能控制輸入到功率放大器中電壓的電路,該電路可以解決與減少功率耗散有關的問題并同時提高功率放大器效率并確保該功率放大器不飽和。
文檔編號H03G3/30GK1326610SQ9981337
公開日2001年12月12日 申請日期1999年9月17日 優先權日1998年9月17日
發明者L·T·漢松 申請人:艾利森電話股份有限公司