DE202005022009U1

DE202005022009U1 - Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet

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Publication number: DE202005022009U1
Application number: DE202005022009U
Authority: DE
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-12-31
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2012-04-03
Anticipated expiration: 2015-12-24
Also published as: JP2006191590A; KR20060077818A; EP1848106A3; JP4773199B2; EP1677414A1; US20060145757A1; CN1822492A; EP1848106A2; CN1822492B; US7342444B2; EP3893390A1; EP1848106B1

Abstract

Leistungsverstärkungsvorrichtung, umfassend: einen Trägerverstärker (504; CA) und einen Spitzenwertverstärker (506; PA1, ..., PAN-1), die parallelgeschaltet sind und jeweils Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen (1412, 1414; 1422, 1424) aufweisen; Mittel zum Ansteuern des Trägerverstärkers (504; CA) und des Spitzenwertverstärkers (506; PA1, ..., PAN-1) unter Verwendung einer asymmetrischen Leistungsansteuerung (500), die einen Kuppler (1202) enthält; und entweder ein Dämpfungsglied (1204) zwischen dem Koppler (1202) und dem Trägerverstärker (504; CA) oder einen Verstärker, der mit einer Eingangs-Anpassungsschaltung des Spitzenwertverstärkers verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsverstärkungsvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad und hoher Linearität; und insbesondere eine Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, bei der ein Doherty-Mikrowellenverstärker zum Einsatz kommt.
Wie in der Technik wohlbekannt ist, hat ein Doherty-Leistungsverstärker eine aus einem Trägerverstärker (carrier amplifier) und einem Spitzenwertverstärker (Spitzenverstärker, peaking amplifier) bestehende Struktur, die unter Verwendung eines Viertelwellentransformators (λ/4-Leitung) parallelgeschaltet sind. Ferner wird der Doherty-Verstärker durch ein Verfahren der symmetrischen Leistungsansteuerung angesteuert, bei dem der Spitzenwertverstärker eine Lastimpedanz des Trägerverstärkers durch Erhöhung der Strommenge steuert, die der Last von dem Spitzenwertverstärker bei Erhöhung des Leistungspegels zugeführt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad verbessert.
In einem Amplitudenmodulations-(AM-)-Sender einer Rundsendeeinrichtung wurde ein Doherty-Mikrowellenverstärker verwendet, in dem eine Hochleistungs-Niederfrequenz-(NF-)-Vakuumröhre oder eine Mittelfrequenz-(MF-)-Vakuumröhre zum Einsatz kommt. Es wurden vielfältige Vorschläge zur Implementierung des Doherty-Mikrowellenverstärkers mit einer Halbleitervorrichtung ohne Verwendung einer Vakuumröhre unterbreitet, und es wurden zahlreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Vorschläge zu implementieren.
Ein Doherty-Verstärker, bei dem ein Verfahren der asymmetrischen Leistungsansteuerung angewendet wird, hat einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Linearität erreicht. Insbesondere ist der Doherty-Verstärker, der in Basisstationen und Mobilteilen für Mobilkommunikationen angewendet wird, unter Verwendung von Halbleitervorrichtungen von annähernd derselben Größe, derselben Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen und einer Eingangs-Leistungsansteuerung implementiert worden. In diesem Falle ist ein Trägerverstärker für den Betrieb in Klasse AB vorgespannt, und ein Spitzenwertverstärker in Klasse C. Da der Spitzenwertverstärker eine geringere Vorspannung aufweist als der Trägerverstärker, ist es problematisch, dass der Strompegel des Spitzenwertverstärkers immer niedriger ist als der des Trägerverstärkers, in Abhängigkeit von einem Leistungspegel.
1 zeigt die Amplitude einer Stromkomponente entsprechend einem jeweiligen Vorspannungspegel, d. h. einem Stromflusswinkel. Wie in 1 dargestellt, ist die Amplitude einer Grundschwingungsstromkomponente des Spitzenwertverstärkers, der mit einem niedrigeren Pegel vorgespannt ist, niedriger als die des Trägerverstärkers. Der Trägerverstärker, dessen Arbeitspunkt die Klasse AB ist, weist einen Stromflusswinkel im Bereich von π bis 2π auf und hat daher eine Amplitude der Grundschwingungsstromkomponente im Bereich von 0,5 bis 0,536 bei maximaler Eingangsleistung. Dagegen weist der Spitzenwertverstärker, der in der Klasse C betrieben wird, einen Stromflusswinkel im Bereich von 0 bis π auf und hat daher eine Amplitude der Grundschwingungsstromkomponente im Bereich von 0 bis 0,5. Dementsprechend erreicht die Grundschwingungsstromkomponente des Spitzenwertverstärkers nicht die des Trägerverstärkers. Infolgedessen tritt eine Lastmodulation auf (eine Erscheinung, bei welcher die Lastimpedanz des Frontendes einer Stromquelle sich mit der Amplitude des von der Stromquelle erzeugten Stroms ändert), und weiterhin werden ernste Probleme beim Doherty-Betrieb verursacht.
Außerdem wird, wie in der später beschriebenen 9A dargestellt, aufgrund des niedrigeren Vorspannungspegels des Spitzenwertverstärkers die Grundschwingungsstromkomponente des Spitzenwertverstärkers nur detektiert, wenn eine treibende Spannung desselben gleich einem oder höher als ein gewisser Pegel ist.
Daher ist, wenn der Trägerverstärker mit einer maximalen Eingangsleistung angesteuert wird, der Pegel der Grundschwingungsstromkomponente des Spitzenwertverstärkers niedriger als der des Trägerverstärker, und ferner wird der Spitzenwertverstärker nicht mit der erforderlichen maximalen Eingangsleistung angesteuert, wodurch ein wesentlich niedrigerer Grundschwingungsstrom erzeugt wird. Infolgedessen ist der Doherty-Verstärker nicht in der Lage, eine gewünschte maximale Ausgangsleistung zu erzeugen.
Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, wurde ein Forschungsergebnis veröffentlicht, das eine beträchtliche Verbesserung eines typischen Doherty-Verstärkers im Hinblick auf eine maximale Ausgangsleistung unter Beibehaltung des hohen Wirkungsgrades desselben betrifft, durch Anwendung einer Hüllkurvenverfolgungs-Vorrichtung oder einer Eingangsleistungsverfolgungs-Vorrichtung. Ferner wurden verschiedene Forschungsarbeiten durchgeführt, um den Doherty-Verstärker in einer Mikrowellen-Bandbreite real zu implementieren, und eine solche Implementierung ist in 2 dargestellt.
Ein Doherty-Verstärker, der in 2 dargestellt ist, enthält: einen Trägerverstärker 204 und einen Spitzenwertverstärker 206, die parallelgeschaltet sind; einen Leistungsteiler 200 zum Zuführen derselben Leistung zu dem Trägerverstärker 204 und dem Spitzenwertverstärker 206; eine Übertragungsleitung 202 zum Synchronisieren der Phasen zwischen dem Trägerverstärker 204 und dem Spitzenwertverstärker 206; eine Offset-Leitung 208 zum Erzeugen einer geeigneten Lastmodulation durch Erhöhen eines Impedanzausgangs, während der Spitzenwertverstärker 206 nicht arbeitet; und Viertelwellen-Übertragungsleitungen 210 und 212 zur Durchführung des Doherty-Betriebs.
Ein solcher Doherty-Verstärker wie in 2 ist auf eine solche Weise implementiert, dass der Trägerverstärker und der Spitzenwertverstärker dieselben Eingangs-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen haben und denselben Ausgang liefern, so dass von jedem Doherty-Verstärker eine maximale Ausgangsleistung erzeugt werden kann. Ferner können, indem nacheinander die Ausgangs-Anpassungsschaltungen und andererseits die Offset-Leitung 208 an den Ausgangsenden der Transistoren in dem Träger- und dem Spitzenwertverstärker vorgesehen werden, ein Imaginärteil ebenso wie ein Realteil angepasst werden, wodurch der Doherty-Betrieb ermöglicht wird und zugleich die maximale Ausgangsleistung erzielt wird (siehe Y. Yang et al., "Optimum Design for Linearity and Efficiency of Microwave Doherty Amplifier Using a New Load Matching Technique", Microwave Journal, Bd. 44, Nr. 12, S. 20–36, Dezember 2002).
Ferner zeigt 3 einen N-Wege-Doherty-Verstärker mit einer optimalen Gestaltung hinsichtlich Wirkungsgrad und Linearität, wobei er eine Verbesserung eines typischen Doherty-Verstärkers darstellt (siehe Y. Yang et al., "A Fully Matched N-way Doherty Amplifier with Optimized Linearity", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., Bd. 51, Nr. 3, S. 986–993, März 2003).
Anders als bei der in 2 dargestellten Konfiguration führt der in 3 dargestellte N-Wege-Doherty-Verstärker den Doherty-Betrieb mit einem einzelnen Trägerverstärker 302 und einer Anzahl von (N – 1) Spitzenwertverstärkern 304 durch. Ferner wird ein N-Wege-Splitter 300 verwendet, um denselben Eingang dem einzelnen Trägerverstärker 302 und den Spitzenwertverstärkern 304 zuzuführen.
4 zeigt einen N-stufigen Doherty-Verstärker zum schrittweisen Erzielen eines hohen Wirkungsgrades ab einem wesentlich niedrigeren Leistungspegel, verglichen mit einem allgemeinen Doherty-Verstärker (siehe N. Srirattana et al., "Analysis and design of a high efficiency multistage Doherty amplifier for WCDMA", EuMC Digest 2003, Bd. 3, S. 1337–1340, Okt. 2003). Der in 4 dargestellte Doherty-Verstärker weist einen N-Wege-Leistungsteiler 400 zur Durchführung des Doherty-Betriebs durch Einspeisen desselben Eingangs in einen einzelnen Trägerverstärker 402 und einer Anzahl von (N – 1) Spitzenwertverstärkern 404 auf.
Im Folgenden wird eine kurze Erläuterung des Doherty-Verstärkers gegeben. Zuallererst wird der Trägerverstärker 402 eingeschaltet, und dann wird ein erster Spitzenwertverstärker PA₁ eingeschaltet, um den Doherty-Betrieb durchzuführen. Danach dienen sowohl der Trägerverstärker 402 als auch der erste Spitzenwertverstärker PA₁ als ein Trägerverstärker, während ein zweiter Spitzenwertverstärker PA₂ als ein Spitzenwertverstärker dient, wodurch sie zusammen den Doherty-Betrieb durchführen. Eine solche Betriebsweise wird bis hin zum letzten Spitzenwertverstärker PA_N-1 durchgeführt. Da der Doherty-Betrieb schrittweise und sukzessive, wie oben beschrieben, durchgeführt wird, kann ein maximaler Wirkungsgrad ab einem wesentlich niedrigeren Leistungspegel erzielt werden. Ferner ist es auch möglich, den maximalen Wirkungsgrad wiederholt über Zwischen-Leistungspegeln zu erzielen, so dass ein hoher Wirkungsgrad über einer vollständigen Leistungspegelbereich erzielt werden kann.
Unterdessen wurde, um ein Problem zu lösen, das darin besteht, dass der Doherty-Verstärker aufgrund einer niedrigen Vorspannung keinen maximalen Leistungsausgang erzeugt, wenn der Doherty-Verstärker unter Verwendung einer Halbleitervorrichtung implementiert ist, ein Doherty-Verstärker vorgeschlagen, bei dem eine Hüllkurvenverfolgungs-Vorrichtung (envelope tracking device) verwendet wird (siehe Y. Yang et al., "A Microwave Doherty Amplifier Employing Envelope Tracking Technique for High Efficiency and Linearity", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Bd. 13, Nr. 9, September 2003, und J. Cha et al., "An Adaptive Bias Controlled Power Amplifier with a Load-Modulated Combining Scheme for High Efficiency and Linearity", IEEE MTT-S Int. Microwave Sympo. Bd. 1, S. 81–84, Juni 2003).
Jedoch ist sogar bei dem vorgeschlagenen Doherty-Verstärker noch eine zusätzliche Vorrichtung zur Steuerung des Leistungspegels des Spitzenwert- und des Träger-Leistungsverstärkers erforderlich, um eine verbesserte Linearität und den maximalen Ausgang zu erreichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Doherty-Verstärker bereitzustellen, der eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, um dadurch eine optimierte Linearität unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades zu erreichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungsverstärkungsvorrichtung bereitzustellen, die den Doherty-Verstärker verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Doherty-Leistungsverstärker bereitgestellt, der enthält: einen Trägerverstärker und einen oder mehrere Spitzenwertverstärker, die parallelgeschaltet sind und jeweils eine Eingangs- und eine Ausgangs-Anpassungsschaltung aufweisen, wobei die Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen in dem Träger- und den Spitzenwertverstärkern auf eine solche Weise voneinander verschieden ausgeführt sind, dass Lastimpedanzen des Trägerverstärkers und der Spitzenwertverstärker verringert werden, um eine geeignete Leistungsanpassung zu bewirken.
Die obigen und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei:
1 ein Diagramm zum Vergleichen einer Grundschwingungsstromkomponente eines Trägerverstärkers und eines Spitzenwertverstärkers bei einem herkömmlichen Doherty-Verstärker zeigt;
2 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Doherty-Verstärkers zeigt; 3 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen N-Wege-Doherty-Leistungsverstärkungsvorrichtung bereitstellt, bei der ein symmetrischer Leistungstreiber zur Anwendung kommt;
4 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen N-stufigen Doherty-Leistungsverstärkungsvorrichtung, bei der ein symmetrischer Leistungstreiber zur Anwendung kommt, zeigt;
5 ein beispielhaftes Blockschaltbild einer N-Wege-(N = 2)Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Blockschaltbild einer N-Wege-(wobei N eine positive ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist)Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ein Blockschaltbild einer N-stufigen (wobei N eine positive ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist) Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Schema zur Erläuterung eines Funktionsprinzips eines Doherty-Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9A ein Diagramm zum Vergleichen einer Grundschwingungsstromkomponente als Funktion eines Eingangsleistungspegels zwischen der herkömmlichen Doherty-Leistungsverstärkungsvorrichtung von 3 und der neuen Leistungsverstärkungsvorrichtung von 6 zeigt;
9B ein Diagramm zeigt, das eine Impedanzverteilung als Funktion eines Eingangsleistungspegels veranschaulicht, zur Erläuterung einer Lastmodulation, die bei der in 6 dargestellten Leistungsverstärkungsvorrichtung auftritt;
10A ein Diagramm darstellt, das die Lastimpedanz von 9B anhand einer Lastlinie zeigt;
10B ein Diagramm zeigt, das eine Lastlinie veranschaulicht, die erreicht wird, indem Anpassungsschaltungen variiert werden, um die Änderungen der Lastimpedanz von 9B abzuleiten, zwecks Erzielung einer maximalen Ausgangsleistung von der Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
11A ein Diagramm einer Zwei-Ton-Simulation zeigt, in dem ein IM3-Pegel als Funktion einer mittleren Ausgangsleistung dargestellt ist;
11B ein Diagramm einer Zwei-Ton-Simulation zeigt, in dem eine IM3-Phase als Funktion einer mittleren Ausgangsleistung dargestellt ist;
12 ein detailliertes Blockschaltbild des asymmetrischen Leistungstreibers zeigt, der in 5 und 6 dargestellt ist;
13A eine Metalloxid-Halbleiter-(Metal Oxide Semiconductor, MOS)Vorrichtung zeigt, die in der Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
13B einen Basis-Übergangs-Transistor-(Base Junction Transistor, BJT)Vorrichtung zeigt, die in der Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
14 ein Blockschaltbild einer Leistungsverstärkungsvorrichtung mit einer Vorspannungssteuerung (bias controller) gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
15A ein Korrelationsdiagramm der Korrelation zwischen einem Nachbarkanal-Leistungsverhältnis (Adjacent Channel Leckage Ratio, ACLR) und der mittleren Ausgangsleistung der dargestellten Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
15B ein Korrelationsdiagramm der Korrelation zwischen dem Drain-Wirkungsgrad und der mittleren Ausgangsleistung der Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
16A ein Korrelationsdiagramm der Korrelation zwischen einem ACLR und der mittleren Ausgangsleistung in einer optimierten Anpassungsschaltung zeigt; und
16B ein Korrelationsdiagramm der Korrelation zwischen dem Drain-Wirkungsgrad und der mittleren Ausgangsleistung in einer optimierten Anpassungsschaltung zeigt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer N-Wege-(im Falle von N = 2)Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 5 dargestellte Leistungsverstärkungsvorrichtung enthält einen asymmetrischen Leistungstreiber 500, eine Übertragungsleitung 502, einen Trägerverstärker 504 und einen Spitzenwertverstärker 506, die parallelgeschaltet sind, eine Offset-Leitung 508, eine erste Viertelwellen-Übertragungsleitung 510 und eine zweite Viertelwellen-Übertragungsleitung 512.
Der Trägerverstärker 504 bildet zusammen mit dem Spitzenwertverstärker 506 einen Doherty-Verstärker. Der Träger- und der Spitzenwertverstärker 504 und 506 haben dieselben Eingangs- bzw. Ausgangs-Anpassungsschaltungen.
Der asymmetrische Leistungstreiber 500 führt eine asymmetrische Leistungsansteuerung des Träger- und des Spitzenwertverstärkers 504 und 506 durch. Vorzugsweise wird dem Spitzenwertverstärker 506 mehr Leistung zugeführt als dem Trägerverstärker 504. Hierbei wird eine Leistungskapazität in ”gm” gemessen, und eine Einheit davon ist IN. Ferner bezeichnet die Leistungskapazitat auch eine Vorrichtungs- bzw. Gerätegröße.
Mit dem asymmetrischen Leistungstreiber 500 wird dem Träger- und dem Spitzenwertverstärker 504 und 506 asymmetrische Leistung zugeführt, ohne dem Träger- und dem Spitzenwertverstärker 504 und 506, wie im herkömmlichen Fall, die symmetrische Leistung zuzuführen. Der asymmetrische Leistungstreiber 500 wird unter Bezugnahme auf 12 ausführlich beschrieben.
Die Übertragungsleitung 502 dient dazu, Phasen zwischen dem Träger- und dem Spitzenwertverstärker 504 und 506 zu synchronisieren. Genauer, die Übertragungsleitung 502 ermöglicht, dass jeder der Verstärker 504 und 506 dieselben Eingangs-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen hat, so dass jeder der Verstärker Leistung mit derselben charakteristischen Impedanz, z. B. 50 Ohm, ausgeben kann, wodurch die Erzeugung einer maximalen Ausgangsleistung des Doherty-Verstärkers ermöglicht wird.
Alternativ dazu kann die Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf eine solche Weise implementiert sein, dass eine maximale Ausgangsleistung von dem Doherty-Verstärker erhalten wird, indem unterschiedliche Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen in dem Träger- und dem Spitzenwertverstärker 504 und 506 gebildet werden. Zu diesem Zweck müssen die Lastimpedanzen des Träger- und des Spitzenwertverstärkers in geeigneter Weise verringert werden, um eine bessere Linearität zu erzielen, und auch für eine korrekte Leistungsanpassung. Insbesondere muss, da der Arbeitspunkt des Spitzenwertverstärkers niedriger ist als der des Trägerverstärkers, die Lastimpedanz des Spitzenwertverstärkers stärker verringert werden als die des Trägerverstärkers, wie in 10B dargestellt, um dadurch eine bessere Linearität und eine korrekte Leistungsanpassung zu erreichen.
Die Offset-Leitung 508 ermöglicht, dass eine geeignete Lastmodulation stattfindet, indem sie den Impedanzausgang erhäht, während der Spitzenwertverstärker 506 nicht in Betrieb ist.
Die erste Viertelwellen-Übertragungsleitung 510 dient als ein Impedanzinverter, wodurch sie den Doherty-Betrieb implementiert. Zum Beispiel reversiert die erste Viertelwellen-Übertragungsleitung 510 einen Ausgang als 2R_o, wobei R_o die Lastimpedanz bezeichnet. Die zweite Viertelwellen-Übertragungsleitung 512 ändert die Lastimpedanz von 50 Ohm auf 25 Ohm. In diesem Falle sollte, da die Leistungsverstärkungsvorrichtung gebildet wird, indem ein einziger Trägerverstärker 504 und eine Anzahl (N – 1) von Spitzenwertverstärkern 506 parallelgeschaltet werden, die Lastimpedanz derselben gleich R_o/N gemacht werden, bezogen auf eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm. Zum Beispiel zeigt 5 die 2-Wege-Leistungsverstärkungsvorrichtung (d. h. N = 2), und daher sollte die zweite Viertelwellen-Übertragungsleitung 512 dafür vorgesehen sein, die Lastimpedanz von 50 Ohm in 25 Ohm zu ändern, wobei die charakteristische Impedanz der zweiten Viertelwellen-Übertragungsleitung 512 ausgedrückt werden kann als √ (50 × 25) Ohm.
Wie oben beschrieben, ist der in 5 dargestellte Leistungsverstärker unter Verwendung des asymmetrischen Leistungstreibers 500 implementiert und weist eine Konfiguration auf, die eine Parallelschaltung des Träger- und des Spitzenwertverstärkers 504 und 506 mit angepassten Ein-/Ausgängen beinhaltet. In diesem Falle sind die Ausgangsenden der beiden Verstärker 504 und 506 durch ein Doherty-Netzwerk implementiert, das aus der Offset-Leitung 508 und einem Viertelwellentransformator (λ/4-Leitung) mit der ersten und der zweiten Viertelwellen-Übertragungsleitung 510 und 512 besteht.
6 zeigt eine N-Wege-(wobei N eine positive ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist) Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die N-Wege-Leistungsverstärkungsvorrichtung enthält einen asymmetrischen N-Wege-Leistungstreiber 600, einen Übertragungsleitungsblock 602, einen Doherty-Verstärker 604, eine Offset-Leitung 606 und eine erste und eine zweite Viertelwellen-Übertragungsleitung 608 und 610.
Der Doherty-Verstärker 604 besteht aus einer Anzahl N von Verstärkern, die einen einzigen Trägerverstärker CA und die Anzahl (N – 1) von Spitzenwertverstärkern PA₁ bis PA_(N-1) umfasst, wobei jeder der Verstärker Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen enthält.
Der asymmetrische N-Wege-Leistungstreiber 600 führt eine asymmetrische Leistungsansteuerung des Trägerverstärkers CA bzw. der N – 1 Spitzenwertverstärker PA₁ bis PA_(N-1) durch. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jede Leistung, die den N – 1 Spitzenwertverstärkern zugeführt wird, gleich der oder um mehr als einen spezifischen Wert höher als die, welche dem Trägerverstärker zugeführt wird. In diesem Zusammenhang kann der asymmetrische N-Wege-Leistungstreiber 600 für die N – 1 Spitzenwertverstärker eine asymmetrische Leistungsansteuerung oder eine symmetrische Leistungsansteuerung durchführen. Das heißt, es kann entweder jedem der Spitzenwertverstärker dieselbe Leistung zugeführt werden, oder jeweils eine andere Leistung.
Alternativ dazu ist es auch möglich zu gestatten, dass der asymmetrische N-Wege-Leistungstreiber 600 den Eingangs-Anpassungsschaltungen in den Spitzenwertverstärkern jeweils verschiedene Eingangsverhältnisse zuführt.
Außerdem ist es möglich, um die asymmetrische Leistungsansteuerung durchzuführen, gleiche Eingangs-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen in dem Trägerverstärker und den N – 1 Spitzenwertverstärkern vorzusehen. Alternativ dazu können der Trägerverstärker und die N – 1 Spitzenwertverstärker voneinander verschiedene Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen haben, wobei die Eingangs- und die Ausgangs-Anpassungsschaltungen in den N – 1 Spitzenwertverstärkern alle dieselbe oder unterschiedliche Konfigurationen haben.
7 zeigt eine N-stufige (wobei N eine positive ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 2 ist) Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die N-stufige Leistungsverstärkungsvorrichtung enthält einen N-stufigen asymmetrischen Leistungstreiber 700, eine Übertragungsleitung 702, einen Doherty-Verstärker 704, eine Offset-Leitung 706, eine Anzahl N von ersten Viertelwellen-Übertragungsleitungen 708 und eine zweite Viertelwellen-Übertragungsleitung 710. Wie in 6 dargestellt, besteht der Doherty-Verstärker 704 aus einer Anzahl N von Verstärkern, die einen einzigen Trägerverstärker CA und eine Anzahl (N – 1) von Spitzenwertverstärkern PA₁ bis PA₍ _N-1) umfasst, wobei der Träger- und die Spitzenwertverstärker jeweils Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen enthalten.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform ist im Wesentlichen dieselbe wie die in 6 gezeigte, mit dem Unterschied, dass die ersten Viertelwellen-Übertragungsleitungen 708 eine Kaskadenschaltung aufweisen. Der Doherty-Verstärker führt schrittweise einen Doherty-Betrieb durch, auf eine ähnliche Weise wie der in 4 dargestellte Leistungsverstärker. Das heißt, der Trägerverstärker CA wird eingeschaltet, und dann wird ein erster Spitzenwertverstärker PA₁ eingeschaltet, wodurch der Doherty-Betrieb durchgeführt wird. Als nächstes dienen sowohl der Trägerverstärker CA als auch der erste Spitzenwertverstärker PA₁ zusammen als ein Trägerverstärker, und außerdem dient der zweite Spitzenwertverstärker PA₂ als ein Spitzenwertverstärker, wodurch sie den Doherty-Betrieb durchführen. Mit einer solchen Konfiguration kann ein maximaler Wirkungsgrad ab einem wesentlich niedrigeren Leistungspegel erzielt werden, und ferner ist es auch möglich, den maximalen Wirkungsgrad bei einem Zwischen-Pegel zu erzielen, so dass ein hoher Wirkungsgrad über einem vollständigen Leistungsbereich erzielt werden kann.
Der N-stufige asymmetrische Leistungstreiber 700 führt eine symmetrische Leistungsansteuerung des Trägerverstärkers CA und der Spitzenwertverstärker PA₁ bis PA(_N-1) durch. Insbesondere ist die Leistung, die den N – 1 Spitzenwertverstärkern zugeführt wird, um mehr als einen spezifischen Wert höher als die, welche den Trägerverstärkern zugeführt wird.
Alternativ dazu ist es auch möglich zu gestatten, dass der N-stufige asymmetrische Leistungstreiber 700 den Eingags-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen in den Spitzenwertverstärkern asymmetrische Leistung mit verschiedenen Eingangsverhältnissen zuführt. Ferner können der Trägerverstärker und die N – 1 Spitzenwertverstärker dieselben Eingangs-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen haben. Oder der Trägerverstärker und jeder der Spitzenwertverstärker können voneinander verschiedene Eingangs-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen haben, wobei die Eingangs-/Ausgangs-Anpassungsschaltungen in den Spitzenwertverstärkern entweder gleich oder verschieden sein können.
Hierbei haben, wie in Verbindung mit 1 beschrieben wurde, der Trägerverstärker und die Spitzenwertverstärker mit Eingangs-/Ausgangsanpassung Arbeitspunkte, die als eine Klasse AB bzw. eine Klasse C vorgespannt sind, und daher weisen sie einen Unterschied in den Grundschwingungsstromkomponenten auf. Dabei weisen die als Klasse C vorgespannten Spitzenwertverstärker eine geringere Verstärkung auf als der Trägerverstärker. Dementsprechend erreicht, wenn der Trägerverstärker seinen maximalen Grundschwingungsstrom-Pegel erreicht, der Spitzenwertverstärker nicht seinen maximalen Grundschwingungsstrom-Pegel. Das entsprechende Verhältnis wird ausgedrückt durch σ, das definiert ist als
wobei I_1,C und I_1,P die Grundschwingungsstromkomponenten des Trägerverstärkers bzw. des Spitzenwertverstärkers bezeichnen; K den Anteil der Spannung bezeichnet, wo der Spitzenwertverstärker zu leiten beginnt; und I_1,P·(1 – K) den Grundschwingungsstrom-Pegel des Spitzenwertverstärkers bei der maximalen Eingangsansteuerung für den Trägerverstärker angibt.
8 zeigt ein konzeptuelles Schema der Leistungsverstärkungsvorrichtung, die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in 8 dargestellt, sind ein Trägerverstärker und ein Spitzenwertverstärker als Stromquellen I_C bzw. I_P angegeben, wobei die Lastimpedanzen des Trägerverstärkers, des Spitzenwertverstärkers und des Doherty-Verstärkers mit Z_C, Z_P bzw. Z_L bezeichnet sind.
Zunächst ist in einem Bereich niedriger Leistung (0 < V_in < K·V_in,max) der Spitzenwertverstärker ausgeschaltet, was einen geöffneten Zustand der Stromquelle I_P zur Folge hat. Somit arbeitet der Trägerverstärker in Abhängigkeit von einer Viertelwellen-Übertragungsleitung (= λ/4-Leitung) und der Lastimpedanz Z_L des Doherty-Verstärkers.
Ferner arbeiten in einem Bereich hoher Leistung (K·V_in,max < V_in < V_in,max) sowohl der Träger- als auch der Spitzenwertverstärker, und daher werden die Lastimpedanzen der Verstärker durch jeweilige Funktionen der Stromquellen bestimmt, die durch die folgende Gleichung 2 definiert sind.
9A zeigt ein Diagramm zum Vergleichen von Grundschwingungsstromkomponenten entsprechend einem Eingangsspannungspegel zwischen dem herkömmlichen Doherty-Verstärker und der neuen Leistungsverstärkungsvorrichtung. Die Stromkomponenten für den Trägerverstärker und den Spitzenwertverstärker, die durch jeweilige Leistungsansteuerung erreicht werden, können durch eine folgende Gleichung 3 ausgedrückt werden (hierbei wird ein Verstärker mit symmetrischer Leistungsansteuerung als ”even” [”gleich”] bezeichnet, während ein Verstärker mit asymmetrischer Leistungsansteuerung als ”uneven” [”ungleich”] bezeichnet wird):
wobei K·V_in,max einen Eingangsspannungspegel bezeichnet, bei welchem ein Spitzenwertverstärker der Klasse C bei niedriger Vorspannung ausgelöst wird.
Wie in 9A dargestellt, erhöht sich, wenn sich die Eingangsleistung erhöht, die Grundschwingungsstromkomponente dementsprechend in der Stromquelle. Hierbei erreicht, wenn die Eingangsleistung in gleicher Höhe dem Trägerverstärker und dem Spitzenwertverstärker zugeführt wird, die Grundschwingungsstromkomponente des Trägerverstärkers einen maximalen Pegel, während die Grundschwingungsstromkomponente des Spitzenwertverstärkers aufgrund einer Vorspannungs-Differenz zu dem Trägerverstärker und dem Spitzenwertverstärker den maximalen Pegel nicht erreicht. Daher tritt bei der ”gleichen” (”even”) Betriebsart (d. h. dem symmetrischen Leistungsantrieb) eine Differenz in der Grundschwingungsstromkomponente auf.
Um derartige Probleme zu überwinden, wendet die vorliegende Erfindung eine ”ungleiche” Betriebsart (d. h. die asymmetrische Leistungsansteuerung) an, um dadurch die Grundschwingungsstromkomponenten des Trägerverstärkers und des Spitzenwertverstärkers in Abhängigkeit von der maximalen Eingangsleistung aneinander anzugleichen. 9B zeigt ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen der Lastimpedanz und dem Eingangsleistungspegel entsprechend den Grundschwingungsstromkomponenten von 9A veranschaulicht.
Wie in 9B dargestellt, sind bei einem niedrigen Leistungspegel, bei dem nur der Trägerverstärker arbeitet, die Lastimpedanzen bei der asymmetrischen Leistungsansteuerung und bei der symmetrischen Leistungsansteuerung dieselben, d. h. 100 Ohm. Anders ausgedrückt, bei dem niedrigen Leistungspegel arbeitet nur der Trägerverstärker bei der Lastimpedanz von 100 Ohm, das heißt zweimal 50 Ohm. Daher wird die Leistungsverstärkungsvorrichtung so häufig benutzt, dass der maximale Wirkungsgrad an einem Punkt erreicht werden kann, der 1/4 der maximalen Leistung derselben entspricht, die anhand der Lastimpedanz ermittelt werden kann. Jedoch bei einem hohen Leistungspegel, wenn der Spitzenwertverstärker gerade zu leiten beginnt, beginnt sich die Lastimpedanz zu verringern.
Bei dem herkömmlichen Verstärker, der eine symmetrische Leistungsansteuerung verwendet, findet die Lastmodulation nicht richtig statt, und dementsprechend haben der Trägerverstärker und der Spitzenwertverstärker an einem Punkt, wo eine maximale Ausgangsleistung erzeugt wird, eine Impedanz, die wesentlich größer als 50 Ohm ist. Anders ausgedrückt, wie in 9B dargestellt, kann in dem Bereich höherer Leistung nur dort, wo sich die Lastimpedanz von einer unendlichen Spitzenimpedanz auf 50 Ohm ändert, die maximale Ausgangsleistung des Doherty-Verstärkers erreicht werden. In der ”symmetrischen” Betriebsart wird jedoch ein solcher Betrieb nicht durchgeführt. Dagegen haben bei dem eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendenden Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung der Trägerverstärker und der Spitzenwertverstärker eine Impedanz von 50 Ohm an einem Punkt, wo die maximale Ausgangsleistung erreicht wird. Und auch in dem gesamten Bereich hoher Leistung findet die Lastmodulation bei einer niedrigerem Impedanz statt, im Vergleich zu dem Fall eines Verstärkers, der eine symmetrische Leistungsansteuerung verwendet. Daher weist der eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendende Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Linearität unter Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrades auf und erzeugt ferner eine gewünschte maximale Ausgangsleistung, wodurch der Gesamtnutzen der Halbleitervorrichtung verbessert wird.
10A stellt ein Diagramm dar, das Änderungen der Lastimpedanz von 9B anhand einer Lastlinie zeigt.
Ein linkes Diagramm von 10A zeigt eine Lastlinie der symmetrischen Leistungsansteuerung und der asymmetrischen Leistungsansteuerung, die erhalten wird, wenn der Spitzenwertverstärker bei einem niedrigen Leistungspegel gerade eingeschaltet worden ist. Die Lastlinie ist nahezu dieselbe wie die in 9B dargestellte. Das heißt, bei dem niedrigeren Leistungspegel wird die Lastimpedanz in der ”asymmetrischen” und der ”symmetrischen” Betriebsart doppelt so groß, was durch die Lastlinien des linken Diagramms von 10A angegeben ist.
Ein rechtes Diagramm in 10A zeigt die Lastlinien der symmetrischen und der asymmetrischen Leistungsansteuerung an einem Punkt, wo eine maximale Leistung erreicht ist. Wie in 9B dargestellt, kann im Falle der symmetrischen Leistungsansteuerung die maximale Ausgangsleistung aufgrund einer großen Impedanz nicht erreicht werden. Außerdem wird, was die Linearität anbelangt, eine wesentlich niedrigere Lastlinie gebildet, im Vergleich zu dem Fall der symmetrischen Leistungsansteuerung. Anders ausgedrückt, bei dem ”symmetrischen” Doherty-Verstärker, d. h. bei dem herkömmlichen Doherty-Verstärker, der aufgrund einer ungeeigneten Lastmodulation eine vergleichsweise große Impedanz aufweist, verhindert die Lastlinie wegen der hohen Impedanz eine Erzeugung der maximalen Ausgangsleistung, was bedeutet, dass es bei dem ”asymmetrischen” Doherty-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, die maximale Ausgangsleistung zu erreichen.
10B stellt ein Diagramm dar, das Lastlinien zeigt, die durch Ändern der Lastimpedanz von 9B erhalten wurden, um die maximale Ausgangsleistung der Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Um die maximale Leistung für die große Impedanz zu erzeugen, die durch die ungeeignete Lastmodulation in dem eine symmetrische Leistungsansteuerung verwendenden Doherty-Verstärker verursacht wird, und um die Linearität werter zu verbessern, sollten die Anpassungsschaltungen so verändert werden, dass die Lastlinie der asymmetrischen Leistungsansteuerung erhalten werden kann. Wie in 10B dargestellt, kann, wenn sich eine Neigung der Lastlinie vergrößert, indem die große Impedanz verringert wird, eine optimierte Lastlinie erreicht werden. Dementsprechend ist es möglich, die Linearität des eine symmetrische Leistungsansteuerung verwendenden Doherty-Verstärkers zu verbessern, und ferner, die maximale Leistung zu erreichen.
11A zeigt ein Diagramm einer Zwei-Ton-Simulation, in dem ein Pegel der Intermodulation dritter Ordnung (IM3) als Funktion einer mittleren Ausgangsleistung dargestellt ist, wobei eine Ursache, weshalb die eine asymmetrische Leistungsansteuerung verwendende Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die optimierte Linearität erreicht, unter Verwendung der Zwei-Ton-Simulation analysiert wird.
Es wird darauf verwiesen, dass IM3 bezeichnet, dass ein unbekanntes Signal mit zwei oder mehr Frequenzen, die ein nichtlineares System oder eine nichtlineare Schaltung passieren, gemischt und dann zusammen mit ihnen moduliert wird. Ferner bezeichnet IMD (intermodulation distortion) eine Verzerrung, die durch eine solche Intermodulation erzeugt wird. Insbesondere können im Falle der IM3-Komponente, d. h. von Zwei-Ton-Frequenzen f1 und f2, obwohl ein Signal mit verschiedenen hybriden Komponenten ausgegeben wird, mehrere Harmonische wie 2*f1, 3*f2 und so weiter durch ein Filter entfernt werden. Da jedoch harmonische Frequenzen dritter Ordnung, die mit dem f1- und f2-Signal überlappt sind, z. B. 2*f1–f2 und 2*f2–f1, selbst durch ein Filter nicht entfernt werden können, zeigen sie einen Index der Linearität an.
Außerdem beinhaltet die Zwei-Tone-Simulation eine Analyse oder eine Messung, die unter Verwendung von zwei Frequenzkomponenten in einer Messvorrichtung, einer Testvorrichtung, einer Harmonic-Balance-Vorrichtung oder Ähnlichem durchgeführt wird. Im Falle einer Messung von IMS und IMD werden Zwei-Ton-Signale mit versetzten Frequenzen (Zwei-Ton-Abstand) um eine mittlere Frequenz herum eingeleitet, um dadurch die IMD zwischen den beiden Signalen, d. h. die Linearität des Verstärkers, zu analysieren.
Wie in 11A dargestellt, werden, wenn sich die asymmetrische Leistungsansteuerung im Term des IM3 erhöht, anders ausgedrückt, wenn sich x in 1:x, d. h. einem Verhältnis des Spitzenwert-Leistung erhöht, die Verteilungen der IM3-Pegel in dem Träger- und dem Spitzenwertverstärker zusammen breiter in einem Bereich. Andererseits werden in einem Falle, wenn die Phasen durch eine Verringerung der Ausgangsleistung allmählich entgegengesetzt werden, die Verteilungen der IM3-Pegel schmaler.
Das heißt, die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Leistungsverstärkungsvorrichtung, die die optimierte Linearität aufweist, erzielt die hohe Linearität durch Anwendung eines Verfahrens zum Verschieben (Offsetting) des IM3-Pegels des Träger- und des Spitzenwertverstärkers. In diesem Falle ist der IM3-Pegel jedes Verstärkers niedriger als der des Leistungsverstärkers der Klasse AB. Außerdem wird, wenn der Pegel niedriger wird, der IM3-Pegel weiter verschoben, wodurch die Linearität beträchtlich verbessert wird. Dementsprechend sollten der Träger- und der Spitzenwertverstarker so gestaltet werden, dass sie die optimierte Linearität aufweisen. Insbesondere wird bei einem niedrigen Leistungspegel der Spitzenwertverstärker ausgeschaltet, und weiter arbeitet dann nur der Trägerverstärker. Daher ist es wünschenswert, den Trägerverstärker so zu konstruieren, dass er im linearen Betrieb arbeitet. Anpassungsänderungen (matching variations, MV), die in 11A und 11B dargestellt sind, wurden zwischen dem Träger- und Spitzenwertverstärker mit asymmetrischer Leistungsansteuerung verglichen, die so konstruiert sind, dass sie durch Anwendung des oben erläuterten Konzepts mit höherer Linearität arbeiten.
11B zeigt ein Diagramm einer Zwei-Ton-Simulation, in dem eine IM3-Phase als Funktion einer mittleren Leistung dargestellt ist, wobei eine Ursache, weshalb die die asymmetrische Leistungsansteuerung verwendende Leistungsverstärkungsvorrichtung die optimierte Linearität erreicht, unter Verwendung der Zwei-Ton-Simulation wie in 11A analysiert wird.
Wie dargestellt, wird, wenn die Phasendifferenz zwischen dem Trägerverstärker und dem Spitzenwertverstärker infolge der Erhöhung der Ausgangsleistung 180 Grad erreicht und die IM3-Pegel der Verstärker dieselben sind, die Offset-Wirkung erzeugt. Im Falle der Leistungsverstärker, die die asymmetrische Leistungsansteuerung verwenden, ist ein der Phasendifferenz von 180 Grad entsprechender Bereich weiter verteilt. Das heißt, bei dem hohen Leistungspegel ist es wünschenswert, die Verstärker auf eine solche Weise zu konstruieren, dass die IM3-Pegel des Träger- und des Spitzenwertverstärkers dieselben sind und die Phasendifferenz zwischen ihnen 180 Grad beträgt, um dadurch den Offset der Verstärker effizient durchzuführen. Zusammenfassend gilt, unter Bezugnahme auf 11B, dass, wenn sich die asymmetrische Leistungsansteuerung erhöht, sich die IM3-Phase des Trägerverstärkers von einem niedrigen mittleren Ausgangspunkt zu einer Abwärtsrichtung hin (negativer Wert) vergrößert. Im Gegensatz dazu vergrößert sich die IM3-Phase des Spitzenwertverstärkers zu einer Aufwärtsrichtung hin (positiver Wert), wodurch der Bereich vergrößert wird, der der Phasendifferenz von 180 Grad entspricht. Ferner werden, wenn die Anpassungsschaltungen so geändert werden, dass eine optimierte Impedanz erreicht wird, die Phasen nicht wesentlich geändert, während sich der IM3-Pegel verringert, wie in 11A dargestellt. Weiterhin verringert sich, wenn sich die asymmetrische Leistungsansteuerung erhöht, der IM3-Pegel in einem Bereich hoher mittlerer Ausgangsleistung. Dementsprechend können, wenn die IM3-Pegel niedrig und gleich sind und die Phasen zueinander entgegengesetzt sind, der Träger- und der Spitzenwertverstärker linear und mit einer geeigneten Lastmodulation ausgelegt werden, wodurch die optimierte Linearität erreicht wird.
12 zeigt ein Beispiel des asymmetrischen Leistungstreibers 500, der in 5 dargestellt ist. Auch wenn dies nicht speziell beschrieben und dargestellt ist, versteht es sich, dass der in 5 dargestellte asymmetrische Leistungstreiber gleichermaßen für alle bevorzugten Ausführungsformen der Leistungsverstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Der asymmetrische Leistungstreiber 500 enthält einen 3 dB Hybridkoppler 1202 und ein Dämpfungsglied 1204. Der 3 dB Hybridkoppler 1202 wird für eine symmetrische Leistungsansteuerung verwendet und dient dazu, eine Eingangsleistung mit dem Trägerverstärker 504 und dem Spitzenwertverstärker 506 zu koppeln. Das Dämpfungsglied 1204 ist zwischen den 3 dB Hybridkoppler 1202 und den Trägerverstärker 504 geschaltet, um die Amplitude der dem Trägerverstärker 504 zugeführten Leistung zu dämpfen, wodurch er die dem Spitzenwertverstärker 506 zugeführte Leistung relativ zu der des Trägerverstärkers 504 erhöht.
Alternativ dazu kann der 3 dB Hybridkoppler durch einen Wilkinson-Teiler ersetzt werden, und ferner kann anstelle des oben erwähnten Dämpfungsgliedes 1204 ein Verstärker mit einer Eingangs-Anpassungsschaltung des Spitzenwertverstärkers 504 verbunden sein, wodurch ermöglicht wird, die Leistungsansteuerung des Spitzenwertverstärkers 504 zu verstärken.
Es wurde beschrieben, dass das Dämpfungsglied oder der Verstärker bei dieser Ausführungsform mit der Eingangs-Anpassungsschaltung des Trägerverstärkers oder der des Spitzenwertverstärkers verbunden ist; die Verbindung des Dämpfungsglieds oder des Verstärkers kann jedoch zur Erzielung einer relativen Differenz in der Leistungsansteuerung geändert werden, ohne auf die oben erwähnte Verbindung beschränkt zu sein.
Ferner kann die asymmetrische Leistungsansteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anwenden, um zu bewirken, dass die dem Spitzenwertverstärker zugeführte Eingangsleistung um 4 dB höher als die dem Trägerverstärker zugeführte wird, indem ein Koppler mit einem optionalen Kopplungsverhältnis verwendet wird, z. B. ein 5 dB Koppler wie der von Anaren inc., USA, beziehbare Koppler 1A1305-5.
13A und 13B beschreiben Beispiele der Träger- und der Spitzenwertverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in 13A dargestellt, enthalten der Träger- und der Spitzenwertverstärker jeweils eine Metalloxid-Halbleiter-(Metal Oxide Semiconductor, MOS)Feldeffekttransistor-(FET-)-Vorrichtung, die einen Gate-Anschluss G zum Anlegen einer Gate-Vorspannung zusammen mit einer Eingangs-Anpassungsschaltung in dem Träger-/Spitzenwertverstärker, einen Drain-Anschluss D zum Anlegen einer Drain-Vorspannung zusammen mit einer Ausgangs-Anpassungsschaltung in dem Träger-/Spitzenwertverstärker und einen mit einer Erde verbundenen Source-Anschluss S aufweist.
Wie in 13B dargestellt, enthalten der Träger- und der Spitzenwertverstärker jeweils eine Basis-Übergangs-Transistor-(Base Junction Transistor, BJT) Vorrichtung, die einen Basis-Anschluss B zum Anlegen einer Basis-Vorspannung zusammen mit der Eingangs-Anpassungsschaltung in dem Träger-/Spitzenwertverstärker, einen Kollektor-Anschluss C zum Anlegen einer Kollektor-Vorspannung zusammen mit der Ausgangs-Anpassungsschaltung in dem Träger-/Spitzenwertverstärker und einen mit einer Erde verbundenen Emitter-Anschluss E aufweist.
14 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild der in 5 dargestellten Leistungsverstärkungsvorrichtung, die mit einer Vorspannungssteuerung (bias controller) versehen ist.
Die Leistungsverstärkungsvorrichtung enthält einen Kuppler 1400, einen Leistungsdetektor 1402, eine Vorspannungssteuerung 1406, einen asymmetrischen Leistungsteiler 500, eine Übertragungsleitung 502, einen Trägerverstärker 504, einen Spitzenwertverstärker 506, eine Offset-Leitung 508, eine erste Viertelwellen-Übertragungsleitung 510 und eine zweite Viertelwellen-Übertragungsleitung 512.
Der Trägerverstärker 504 ist mit einem MOSFET 1410, wie er in Verbindung mit 13A beschrieben wurde, einer Eingangs-Anpassungsschaltung 1412 und einer Ausgangs-Anpassungsschaltung 1414 versehen, wobei die Eingangs- und die Ausgangs-Anpassungsschaltung 1412 und 1414 durch den MOSFET 1410 verbunden sind. Genauer, der Gate-Anschluss G und der Drain-Anschluss D der Vorrichtung 1410 sind mit der Eingangs- bzw. der Ausgangs-Anpassungsschaltung 1412 und 1414 verbunden.
In ähnlicher Weise ist der Spitzenwertverstärker 506 mit einem MOSFET 1420, einer Eingangs-Anpassungsschaltung 1422 und einer Ausgangs-Anpassungsschaltung 1424 versehen, wobei die Eingangs- und die Ausgangs-Anpassungsschaltung 1422 und 1424 durch den MOSFET 1420 verbunden sind. Genauer, der Gate-Anschluss G und der Drain-Anschluss D der Vorrichtung 1420 sind mit der Eingangs- bzw. der Ausgangs-Anpassungsschaltung 1422 und 1424 verbunden.
Die Vorspannungssteuerung 1406 ist mit dem Träger- und dem Spitzenwertverstarker 504 bzw. 506 verbunden. Die Vorspannungssteuerung 1406 steuert eine Vorspannung des Träger- und des Spitzenwertverstärkers 504 und 506, wodurch sie die Linearität und den Wirkungsgrad der Leistungsverstärkungsvorrichtung optimiert. Genauer, die Vorspannungssteuerung 1406 legt Gate-Steuerspannungen an die Gate-Anschlüsse G der MOSFETs 1410 bzw. 1420 an und legt ferner selektiv Drain-Steuerspannungen an die Drain-Anschlüsse D der MOSFETs 1410 bzw. 1420 an, wodurch sie die Gate-Vorspannung und die Drain-Vorspannung steuert.
Die restlichen Komponenten sind dieselben wie die in Verbindung mit 5 beschriebenen, daher wird auf eine ausführliche Beschreibung derselben der Einfachheit halber verzichtet.
In diesem Falle kann für diese Ausführungsform sowohl die in 13B dargestellte BJT-Vorrichtung als auch die MOSFET-Vorrichtung von 13A verwendet werden. Eine Verbindungsbeziehung und eine Funktionsweise derselben sind für Fachleute leicht verständlich, daher wird auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet.
Im Folgenden werden der Wirkungsgrad und die Linearität der Leistungsverstärkungsvorrichtung mit dem oben erwähnten asymmetrischen Leistungstreiber unter Bezugnahme auf 15A und 15B betrachtet.
15A zeigt ein Diagramm, das ein Versuchsergebnis zeigt, das mit der in 12 dargestellten Konfiguration erhalten wurde, zur Untersuchung eines Nachbarkanal-Leistungsverhältnisses (Adjacent Channel Leckage Ratio, ACLR), d. h. der Linearität, gemessen unter Verwendung einer Vorrichtung MRF281, die von Motorola Inc., USA, beziehbar ist, in Abhängigkeit von der mittleren Ausgangsleistung. Das ACLR bezeichnet, dass ein Signal mit einem Spektrum wie etwa CDMA unter Verwendung von ”Markierung zu Markierung” (marker-to-marker) auf dem Spektrum zwischen seinem eigenen Kanal und einem benachbarten Kanal verglichen wird, der von einem Frequenzbereich durch einen zufälligen Offset entfernt ist. Anders ausgedrückt, das ACLR gibt einen Wert an, der erhalten wird, indem eine Markierung des eigenen Kanals von einem anderen Kanal subtrahiert wird. Das Spektrum des benachbarten Kanals wird durch nichtlineare Kennlinien des Verstärkers erzeugt. Außerdem wird das ACLR als ein Index verwendet, der die Linearität des Verstärkers kennzeichnet.
Wie in 15A dargestellt, wird die Linearität verbessert, wenn sich das Ungleichheits-Verhältnis (uneven ratio) erhöht. Dies beweist, dass sich die maximale Ausgangsleistung erhöht, und ferner wird das Betriebsverhalten hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessert.
15B stellt ein Diagramm dar, das ein Ergebnis eines Versuches zum Drain-Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der mittleren Ausgangsleistung zeigt. Wie dargestellt, ermöglicht es die asymmetrische Leistungsansteuerung, einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Dieses Ergebnis zeigt, dass die Leistungsverstärkungsvorrichtung, die die asymmetrische Leistungsansteuerung verwendet, eine hohe Linearität bei Aufrechterhaltung des hohen Wirkungsgrades erreichen kann.
16A und 16B stellen Diagramme dar, die ein Versuchsergebnis zeigen, das unter Verwendung der asymmetrischen Leistungsansteuerung erhalten wurde, wobei auch Verbesserungsgrade der Wirksamkeit der Anpassungsänderungen (matching variation, MV) und der Linearität durch Optimierung der Anpassungsschaltungen während der symmetrischen Leistungsansteuerung geprüft werden.
In erster Linie zeigt 16A ACLR-Kennlinien in Abhängigkeit von der mittleren Ausgangsleistung. Wenn die symmetrische Leistungsansteuerung angewendet worden ist und die Anpassungsschaltung optimiert worden ist, wird das ACLR im Vergleich zu dem Verstärker der Klasse AB beträchtlich verbessert. Ferner wird, wenn die Anpassungsschaltung und die asymmetrische Leistungsansteuerung angewendet worden sind, die Linearität bei einem hohen Leistungspegel weiter verbessert.
16B zeigt den Drain-Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der mittleren Ausgangsleistung. Im Falle der Anwendung der Anpassungsschaltung und der asymmetrischen Leistungsansteuerung wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt.
Im Ergebnis ist festzustellen, dass, wenn die herkömmliche symmetrische Leistungsansteuerung angewendet wurde, sich die Lasten des Träger- und des Spitzenwertverstärkers beträchtlich erhöhen, wodurch die Implementierung des optimierten Betriebsverhaltens verhindert wird. Wenn dagegen die asymmetrische Leistungsansteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wurde, ist es möglich, eine optimierte Linearität und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung kann Probleme lösen, die bei herkömmlichen Doherty-Mikrowellenverstärkern entstehen, bei welchen eine ungeeignete Lastmodulation auftritt und keine maximale Ausgangsleistung erzeugt wird, und kann dadurch einen hohen Wirkungsgrad und eine optimierte Linearität erreichen. Wenn die vorliegende Erfindung in einem existierenden Mobilkommunikationsnetz oder in CDMA-basierten Stationen/Mobilteilen angewendet wird, können ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Linearität erreicht werden, wodurch die preisliche Wettbewerbsfähigkeit und die Zuverlässigkeit verbessert werden. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung einfach und mit geringen Kosten unter Verwendung eines asymmetrischen Leistungstreibers oder eines Kopplers für eine asymmetrische Leistungsansteuerung implementiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

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N. Srirattana et al., ”Analysis and design of a high efficiency multistage Doherty amplifier for WCDMA”, EuMC Digest 2003, Bd. 3, S. 1337–1340, Okt. 2003 [0013]
Y. Yang et al., ”A Microwave Doherty Amplifier Employing Envelope Tracking Technique for High Efficiency and Linearity”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Bd. 13, Nr. 9, September 2003 [0015]
J. Cha et al., ”An Adaptive Bias Controlled Power Amplifier with a Load-Modulated Combining Scheme for High Efficiency and Linearity”, IEEE MTT-S Int. Microwave Sympo. Bd. 1, S. 81–84, Juni 2003 [0015]

Claims

Leistungsverstärkungsvorrichtung, umfassend: einen Trägerverstärker (504; CA) und einen Spitzenwertverstärker (506; PA₁, ..., PA_N-1), die parallelgeschaltet sind und jeweils Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsschaltungen (1412, 1414; 1422, 1424) aufweisen; Mittel zum Ansteuern des Trägerverstärkers (504; CA) und des Spitzenwertverstärkers (506; PA₁, ..., PA_N-1) unter Verwendung einer asymmetrischen Leistungsansteuerung (500), die einen Kuppler (1202) enthält; und entweder ein Dämpfungsglied (1204) zwischen dem Koppler (1202) und dem Trägerverstärker (504; CA) oder einen Verstärker, der mit einer Eingangs-Anpassungsschaltung des Spitzenwertverstärkers verbunden ist.
Leistungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lastimpedanzen des Trägerverstärkers (504; CA) und des Spitzenwertverstärkers (506; PA₁, ..., PA_N-1) niedriger sind als Eingangsimpedanzen des Trägerverstärkers (504; CA) und des Spitzenwertverstärkers (506; PA₁, ..., PA_N-1).
Leistungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner mindestens einen weiteren Spitzenwertverstärker umfasst.