以多个所需功率输出电平提供电力的功率放大电路及方法

摘要

本发明提供一种用于以多种不同功率电平向负载供电的方法和装置。该方法包括当放大具有通用调制格式的信号时，在放大器的高、低功率输出间改变。提供给低功率输出的功率放大器的偏压将不同于提供给高功率输出的功率放大器的偏压。功率放大器的输出所具有的负载阻抗不同于高功率输出的功率放大器输出的输出处负载的阻抗。在至少一个实施例中，功率放大器根据功率放大器是否正从高功率输出转变到低功率输出，或功率放大器是否正从低功率输出转变到高功率输出，从而以不同阈值电平，在高、低功率输出间改变。

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于以多个所需功率输出电平提供电力的功率放大电路及方法，更具体涉及响应所需功率输出电平，调整连接到功率放大器的输出的负载，以便允许进一步降低放大器偏压信号而不超出预定失真极限的功率放大电路。

背景技术

许多无线通信协议提供在通信网络中操作的发射机，其能以可变输出功率电平发射。具有可变输出功率电平的一个原因是因为适应了可放在与基站处于可变距离处的移动发射机。在某些实例中，无线通信协议要求以相对恒定或固定的功率电平接收由基站接收的信号。两种这样的协议的例子包括码分多路存取(CDMA)或宽带码分多路存取(WCDMA)。为适应这种要求，根据正接收的信号的电平，移动发射机将以几种功率输出电平中的一种发射。

能改变发射输出功率的其它例子包括全球数字移动电话系统(GSM)，其提供从20dB到30dB间的移动发射机的输出功率控制的范围，其可以2dB阶(step)控制，能改变发射输出功率的其它例子还包括早前的模拟蜂窝标准，其在无线发射机的功率输出中要求七个4dB阶。

以前，通常将能输送一系列功率输出的功率放大器设计成以最高输出电平最有效地操作。这是因为当功率放大器正以最高功率输出电平操作时比当功率放大器以较低功率电平操作时，能消耗相对更大量的功率。因此，这通常导致功率放大器以较低功率电平损失了功率效率。然而，通常只有当路径损耗为最大时，才会要求移动站以其最大功率电平发射。因此，移动站通常以较低功率电平发射，移动站发射所需的时间也占有更大的时间百分比。

用来以较低功率输出值提高操作效率的一种在前技术包括降低提供给放大器的偏压信号。然而，对能降低的偏压信号的量是有限制的。偏压降低太多会导致失真，并增加相邻信道不满足功率要求的可能性。

已经用来以较低功率输出值提高操作效率的另一技术是调整连接到功率放大器的输出的负载阻抗。然而，当功率输出值更远离所要求的初始最大值时，对维持性能来说，更大的阻抗变化变得十分必要。

至少一种现有参考文献已经尝试通过调整功率放大器电路来适应发射机操作环境中的变化，即，属于Motorola、发明人为Klomsdorf等、名为“Method And Apparatus for Modulation Dependent SignalAmplification”的美国专利No.6,281,748，，其内容在此合并作为参考。Klomsdorf等公开了一种能发射具有不同调制格式(例如，四相移键控(QPSK)、二进制相移键控(BPSK)和/或正交幅度调制(QAM))的信号的多模式通信发射机。发射机包括具有用于不同通信调制格式的不同阻抗值的调制格式切换的放大器。

Klomsdorf等还公开了一种通过调整应用于其上的偏压，降低功率放大器中的功耗的方法。例如，参见其它专利中的名为“AmplifierBias Control Device”的美国专利No.5,625,322。

然而，本发明人已经认识到，在低功率输出电平，通过降低连接到功率放大器上的输出的阻抗，能进一步降低偏压信号，同时在相邻信道中发射的噪声或功率量保持在低于相邻信道功率要求的水平。因此，在不以较高功率输出电平牺牲功率效率的情况下，能以较低功率输出电平实现更高的效率。

发明内容

本发明提供一种在功率放大器中，以多种不同功率电平向负载提供电力的方法。该方法包括当放大具有通用调制格式的信号时，在功率放大器的高、低功率输出间改变。使提供给低功率输出的功率放大器的偏压不同于提供给高功率输出的功率放大器的偏压。因此，使低功率输出时的功率放大器的输出所具有的阻抗不同于在高功率输出时的功率放大器输出的输出所具有的阻抗。

在至少一个实施例中，根据功率放大器是否正从高功率输出转变到低功率输出，或功率放大器是否正从低功率输出转变到高功率输出，功率放大器以不同阈值电平在高低功率输出间改变。

在另一实施例中，一种在扩充范围上，经功率放大电路，将电力提供给负载的方法包括定义一组多个所需功率输出电平，而每个功率输出电平都是可扩充范围的子集。偏压信号供电电平和输出阻抗与每个所需功率输出电平有关。然后，选择所需功率输出电平。随后，根据所选定的所需功率输出电平，调整该偏压信号供电电平，选择输出阻抗。之后，通过功率放大电平接收信号并放大。

本发明进一步提供一种功率放大电路，其包括这样功率放大器：其输出具有在功率放大电路的操作范围内的高、低输出功率电平。该功率放大电路进一步包括连接到功率放大器的可变偏压电路，其中可变偏压电路至少具有第一和第二功率放大器偏压结构，该功率放大电路还包括连接到功率放大器的输出的可变阻抗电路，其中可变阻抗电路至少具有第一和第二功率放大器阻抗结构。相对于高输出功率电平的功率放大器的偏压结构，在低输出功率电平的缩减偏压结构中构造功率放大器，并且相对于高输出功率电平的功率放大器的负载，在低输出功率电平时，功率放大器具有增加的阻抗。

在另一实施例中，功率放大电路包括控制电路，该控制电路包括偏压调整电路，以及阻抗选择电路，用于接收信号，其选择所需输出功率电平中的一个，还用于产生偏压调整控制信号和阻抗选择控制信号，分别由可变偏压电路和可变阻抗电路接收上述信号。

在仔细考虑下述结合以下描述的本发明的详细说明以及附图之后，对本领域的普通技术人员来说，更容易清楚本发明的各个方面、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的至少一个实施例的功率放大电路的框图；

图2是图1中示例说明的功率放大电路的更详细的电路示意图；

图3是根据本发明的至少一个实施例，示例说明预定功率输出电平间的滞后切换的图和示例电路；

图4是根据至少一个实施例，一组多个预定所需功率输出电平的图，其中所需功率输出电平对应于具有重叠部分的所需功率输出电平范围；

图5是根据至少一个实施例的可变阻抗电路的电路示意图，该电路能够与已在负载阻抗网络中出现的阻抗并联从而选择性地连接一个或多个另外的阻抗；

图6是根据至少一个实施例的另一阻抗电路的电路示意图，该电路能与已经在负载阻抗网络中出现的阻抗串联从而有选择地连接另外的阻抗；

图7是根据至少一个实施例的另外的阻抗电路的电路示意图，该电路包括能与现有阻抗并联从而有选择地连接的另一阻抗和能与现有阻抗串联从而有选择地连接的另一阻抗；

图8是包含图1中示例说明的功率放大电路的发射机的框图；

图9是能包含图8的发射机以及图1的功率放大电路的无线通信装置的框图；

图10是根据本发明的至少一个实施例，用于以多种所需功率输出电平提供电力的方法的流程图；以及

图11是图10中示例说明的，包括选择新的所需功率输出电平的方法的更详细的流程图。

具体实施方式

图1示例说明了根据本发明的至少一个实施例，在包括一组多个预定所需功率输出电平的扩充范围上，将电力提供给负载的功率放大电路100。功率放大电路100包括功率放大器102，具有用于接收将放大的信号的输入端104、用于接收偏压信号的第二输入端106以及在此产生放大信号的输出端108。

功率放大器102的输出连接到可变阻抗电路110。可变阻抗电路110包括可单独选择的多个阻抗状态，每个阻抗状态显示出对功率放大器102的输出108的可能不同的阻抗。由阻抗选择控制信号112控制选择特定阻抗状态。可变阻抗电路的输出产生功率放大电路100的放大的输出信号114，其可转发给天线，用于发射无线通信信号。

由可变偏压电路116产生偏压信号，该偏压信号经第二输入106，由功率放大器接收。可变偏压电路能产生可变供电电平，其中供电电平通常受偏压调整信号118控制。至少在所述的实施例中，由控制电路120产生偏压调整控制信号118和阻抗选择控制信号112。由偏压调整电路112产生偏压调整控制信号118以及由阻抗选择电路124产生阻抗选择控制信号112。偏压调整电路122和阻抗选择电路124接收都所需输出功率电平信号126，由所需输出功率电平信号126产生阻抗选择控制信号和偏压调整控制信号118。

在图2中示例说明了图1的功率放大电路100的至少一个实施例的更详细的电路示意图130。更详细的电路示意图130的功率放大器102包括连接到输入104的输入匹配电路132。输入匹配电路将功率放大器102的输入阻抗与激励级放大器134的输入阻抗匹配。激励级放大器134包括连接到激励级放大器134的偏压输入的输入106A和连接到电源电压138的供电输入136。经电感器140，将电源电压138连接到激励级放大器134的供电输入，电感器140过滤具有交流电信号分量的信号部分。连接在电源电压电平138和地144之间的电容器142提供另外的滤波。

激励级放大器134的输出经级间匹配电路148连接到末级放大器146。级间匹配电路148是包括阻抗元件(诸如电感器和电容器)的阻抗网络，用于在放大器级间提供射频匹配。

与激励级134类似，末级放大器146包括连接到可变偏压电路116的偏压信号输入106B。在某些情况下，由末级接收的偏压信号可与提供给激励级的偏压信号相同或不同。在偏压信号不同的实例中，可变偏压电路可需要用于产生每个不同偏压信号的单独或另外的电路元件。尽管在本实施例中公开的功率放大器102示例说明了具有至少两个放大级134和146的功率放大器，功率放大器102可包括任意多级，包括具有单级的功率放大器或具有两级以上的多级的功率放大器。通常，级间匹配电路148将存在于功率放大器102的每个顺序放大级之间。

末级放大器146的输出连接到输出阻抗电路。在示例的实施例中，输出阻抗电路是可变阻抗电路110。输出阻抗电路可包括一个或多个阻抗级。在示例的实施例中，可变阻抗电路110包括两级150和152。在示例的例子中，仅能可变地调整第二级152。在其它实例中，配上同样能可变地调整的另外的阻抗级是很有利的。

可变阻抗电路110的第一级150包括与功率放大器102的输出串联连接的传输线元件154。不直接连接到功率放大器102的输出的传输线元件154的末端经电容器156连接到地，经电感器158连接到电源电压。与连接在电源电压138和激励级的供电输入136间的电感器140类似，电感器158过滤具有AC信号分量的信号部分。与电容器142类似，电容器160提供另外的滤波。

可变阻抗电路110的第二级152，与第一级类似，包括传输线元件162。传输线元件162与可变阻抗电路110的第一级150的传输线元件154串联连接。用作另外的阻抗元件的电容器164将不是直接连接到第一级150的传输线元件154上的传输线元件162的末端连接到地。第二电容器166，用作另外的阻抗元件，当启动pin二极管168时，能有选择地连接到可变阻抗网络110的第二级152的有效阻抗网络上。

当启动pin二极管168时，第二电容器166有效地与电容器164并联。通过在二极管168的两端提供足够的DC差分电压，启动pin二极管168。二极管的一端连接到地。二极管168的另一端经用来过滤AC信号分量的电感器172，连接到由控制电路120产生的控制信号170。可另外使用其它类型的开关元件来代替pin二极管168。例如，可另外使用晶体管，如场效应晶体管或双极晶体管，或微电子机械系统(MEMS)。在可变阻抗电路110的最后(第二)级152的输出与功率放大电路100的输出114间连接DC阻塞电容器174。

在所示的实施例中，控制电路120连接到将对应于所需输出功率电平的信号提供给控制电路120的微处理器174。然后，控制电路120将从微处理器174接收的所需输出电平转换成分别适合于由可变偏压电路和可变阻抗网络使用的偏压调整控制信号和阻抗选择控制信号。另外，定向耦合器175(诸如电磁耦合器)可用来检测输入信号的信号电平，然后，能由控制电路120使用对应于输入信号的所检测的信号177来确定偏压调整控制信号和阻抗选择控制信号，特别地，所需功率输出电平是基于输入信号104的线性放大。尽管在所示的实施例中，控制电路120与微处理器174分开，本领域的技术人员将很容易意识到，在其它实施例中，可以将控制电路120和微处理器174集成到单个组合元件中。

根据至少一个实施例，阻抗选择控制信号和可变偏压调整信号的至少一个包含滞后切换。特别地，根据所需输出功率电平正从较高功率电平转变到较低功率电平176还是所需输出功率电平正从较低功率电平改变到较高功率电平178，阻抗选择控制信号和可变偏压调整信号将改变在不同阈值点处的值。通过控制阻抗变化或偏流变化的电路切换，结合以其阈值电平的滞后切换，功率放大电路100能限制当功率电平在或接近一个转变点操作时出现的切换的数量。这能消除或降低有时在传送信号中出现的不良效应，诸如可以消除或降低每次出现切换时，引入信号中的另外的噪声或不连续的情况的发生。

能用来结合滞后切换的电路元件的例子包括滞后比较器180。在示例性的实施例中，如图3所示，滞后比较器的一个输入连接到所需输出功率值，另一输入连接到基准电压。然后，在滞后比较器180的输出产生相应的控制信号，例如，阻抗选择控制信号170。该实施例特别适合于当在两个可能的阻抗状态间切换时的情况。在其它的实例中，能对微处理器编程来产生相同或相似的结果，也很容易产生用于区别甚至更多的阻抗状态的控制信号。

图4是示例说明多个预定所需功率输出电平集190的例子的图。通常，每个预定所需功率输出电平将与它、相应的偏压调整值和阻抗选择值关联，为更有效地操作，在预定所需功率输出电平的定义操作范围上优化它。

当所需输出功率改变时，将新的所需输出功率与当前选定的预定所需功率输出电平的操作范围进行比较。如果新的所需输出功率小于当前选定的预定所需功率输出电平的下限，那么就选择包含该新的所需输出功率的较低预定所需功率输出电平。如果新的所需输出功率大于当前选定的预定所需功率输出电平的上限，那么就选择包含该新的所需输出功率电平的更高的预定所需功率输出电平。通过重叠预定所需输出功率电平的范围的至少一部分，能类似地实现滞后切换效应。

在某些实例中，相同的阻抗选择值和/或偏压调整值能与多个预定所需功率输出电平关联。这将决不允许改变阻抗值和偏压值，在一些情况中，将改变当前选定的预定所需功率输出电平。

通过，当所需功率输出电平增加时，将增加偏压信号的值，并降低连接到功率放大器输出的阻抗值。通过一起控制输出阻抗和偏压信号，能超出输出阻抗和偏压信号的一个或另一个的某些限制，但不超出噪声限制或在相邻信道中产生的溢出电力的量。例如，在低功率放大电平，通过增加功率放大器的输出的负载阻抗，能将偏压信号降低到比还没有改变输出阻抗时还要低的电平。这从而产生了更大功率效率的机会。

图5示例说明包括第二级202的可变阻抗电路200的另外的实施例，第二级202具有用于分别单独地有选择地将至少一个另外的阻抗208、210与现有的阻抗212并联的至少一条控制线204、206。

图6示例说明包括第二级222的可变阻抗电路220的另外的实施例，第二级具有用于有选择地串联阻抗228的一对控制线224、226。特别地，当施加足够的差分电压时，经pin二极管230两端的控制线224、226，有选择地启动较低阻抗交替信号，其允许阻抗228充分地分流。在本实施例中，阻抗228包括与传输线元件234串联的DC阻塞电容器232，以及与pin二极管230串联的DC阻塞电容器233。

图7示例说明包括第二级242的可变阻抗电路240的另一可选实施例，除有选择地串联阻抗228外，如图6所示，允许阻抗244有选择地与现有阻抗212并联，如图2和5所示。

图8示例说明发射机的例子，其包含本发明的特征。更准确地说，图8示例说明发射机的框图250，其包括RF输入电路252和在图1和2中示例说明的功率放大电路100。具体来说，使用压控振荡器(VCO)254将信息信号与预定频率的振荡信号结合以产生频率调制信息信号。然后，将频率调制信息信号连接到充当滤波器(特别是带通滤波器)和使频率调制信息信号的幅度增加的放大装置的缓冲器256。在由缓冲器256放大后，通过可由放大器控制信号260调整的可变衰减器258连接缓冲器的输出，以便在发射机250不发射时提供高衰减或提供低衰减以允许传输RF输入信号262。

然后，将RF输入信号262连接到形成功率放大器102的初始级的驱动级134。驱动级134的输出连接到形成功率放大器102的末级的放大器146的输入。在从功率放大器102的驱动级134接收到RF信号后，功率放大器102的末级146进一步放大RF信号以便生成经可变阻抗电路110连接到天线264的RF输出信号，其中可变阻抗电路110连接到功率放大器102的输出。

图9示例说明诸如蜂窝电路的无线通信装置300的框图，在该无线通信装置300中，能进一步合并图8的发射机以及图1的功率放大电路以允许无线通信装置300享有本发明的好处。如图9所示，在无线通信装置300中，由微处理器302确定特定的射频。经接口电路306，将特定射频传送到频率合成器304。由接口电路306对由接收器308接收的数据信号进行解码并连接到微处理器302，由微处理器302生成将由发射机250发射的数据信号并在由发射机252发射前，由接口电路306格式化。由接口电路306启动或禁止发射机250和接收机308的操作状态。

在优选实施例中，微处理器302形成处理单元174的一部分，处理单元174结合接口电路306在存储在存储部件310中的程序的控制下，执行必要的处理功能。同时，微处理器302和接口电路306能包括一个或多个微处理器，一个或多个微处理器能包括数字信号处理器(DSP)。存储器部件310包括一种或多种形式的易失和/或非易失性存储器，包括常规的ROM 312、EPROM 314、RAM 316或EEPROM318。本领域的技术人员将容易意识到，其它类型的存储器也是可能的。

无线通信装置的特性特征通常存储在EEPROM 318中(如果可用的话，也可存储在板上EEPROM中的微处理器中)并且能包括用于在传统蜂窝系统中操作所需的号码赋值(NAM)和/或用于与无绳基站操作所需的基站标识(BID)。另外存储在存储器部件310中的是在向扩充范围上的负载提供电力中使用的多组预存指令，包括调整偏压信号供电电平，以及根据所选定的所需功率输出电平，选择输出阻抗。

由形成用户接口电路326的一部分的音频处理电路324控制用户音频、麦克风320和扬声器322的控制。用户接口电路326另外包括用户接口处理电路328，其管理任何键盘330和/或显示器332的操作。另外，可预见到任何键盘操作可被包括作为触敏显示器的一部分。

图10示例说明了根据本发明的至少一个实施例，用于以多种所需功率输出电平提供电力的方法400的流程图。该方法包括定义一组多个所需功率输出电平402，其中将偏压信号供电电平和输出阻抗与每个所需功率输出电平关联404。通常，每个所需功率输出电平是功率放大电路的扩展操作范围的子集。在至少一个实施例中，每个所需功率输出电平对应于所需输出功率值的范围。

在定义所需功率输出电平组，并且将偏压信号供电电平与输出阻抗与每个所需功率输出电平关联后，选择特定所需功率输出电平406。根据选择的所需功率输出电平，调整偏压信号供电电平408并选择输出阻抗410，以对应于选定的所需功率输出电平。然后，接收将要放大的信号412并放大所接收的信号414。该方法将继续放大所接收的信号，直到选择新的所需功率输出电平为止416。

图11示例说明与图10所示的方法有关的选择新的所需功率输出电平的更详细的流程图。特别地，该方法包括选择新的所需功率输出值418。然后，将新的所需功率输出电平与在前选择的所需功率输出电平进行比较420。如果新的所需功率输出电平实质上与在前功率输出电平不相同422，那么选择对应于新的功率输出电平的输出阻抗424，并调整对应于新的功率输出电平的偏压信号供电电平426。在定义的所需功率输出电平对应于功率输出值的范围的情况下，确定新的所需功率输出是否在包括在当前选定的所需功率输出电平中的值的范围内。如果新的功率输出值基本上等于在前选定的功率输出电平，那么维持当前选定的输出阻抗和偏压信号供电电平。

尽管以确保由本发明人拥有并允许本领域的普通技术人员做出和使用本发明的方式描述了本发明及当前看来的最佳方式，应该理解和意识到，对在此公开的示例性实施例还有许多等效，在不脱离由所附权利要求书而非示例性实施例限制的本发明的范围的前提下，可以对其所做出许多改进和修改。