降低ab类功率放大器中功耗的高频漏极电源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率放大器的领域，特别是通过功率输出级的电源的调制以提高放大器效率的放大器的控制。本发明在无线发射器的领域中特别有用。
【背景技术】
[0002]在无线技术中，例如电信、数字广播、诸如3G和4G “通用基站”的高级移动应用、以及数字电视广播，诸如FETs、晶体管以及他们的组合的射频半导体被用于设置高功率放大器，或者称为功率放大器(PA)。这些组件用于将电压和电流放大到一定的水平。这样的功率放大器通常在A类、AB类或B类模式中操作。这些输出级展示出低电平的信号失真，但功耗的程度高。由于典型的传导损耗和开关损耗，以及控制单元的操作的损耗，需要额外的功率量。这个额外的功率，也称为耗散功率，最终转化为热。耗散功率基本上是由电源电压、电负载、可控性、信号振幅和输出频率所确定的。
[0003]作为耗散功率的结果，对于输出功率的所需量，需要一个多倍的供给功率量。RF输出功率和供给功率之间的比值称为功率放大器的效率(n)，其范围从0%到ιοο%。功率放大器的效率取决于几个参数，最重要的参数是:调制的类型、偏置电路(放大器的类)和输出功率。在目前最先进的应用中，对于具有固定电源电压的功率放大器的效率的典型值是在15%和30%之间。这种低效率以电费的形式直接地转换成无线系统拥有者的高成本！
[0004]过去十年中已经研宄了几种提高效率的技术，包括多尔蒂(Doherty)放大器，F类放大器，包络(envelope)消除和恢复/包络跟踪(EER/ET)和LINC放大器。虽然大多数的这些技术已经理论上存在多年，但是一直难以实现商业化，直到最近几年左右。它们之中，包络跟踪技术将成为最有前途的方式来在多数应用中实现效率从目前的约15%到高达60%。接下来的图显示了一个典型的包络跟踪功率放大器是如何工作的。
[0005]为了实现如这个图中预测的适当的跟踪波形，一个人在其电源模块的设计中(至少作为其设计的一部分)要使用线性放大器。这些线性放大器自身效率低，这导致典型的包络跟踪功率放大器的总效率较低。
[0006]我们提供用于在高效率功率放大器中使用的可变漏极电源的新颖方法和系统，在其中我们不使用任何线性放大器，因此可以比普通包络跟踪电源达到更高的效率。下图示出该原理。
[0007]功率放大器电路(输出级)被分类为用于模拟设计的A，B，AB和C类，以及用于开关设计的D和E类，基于通过放大装置的输入信号的导通角或““流通角”” Θ θ，即，在放大装置导通的期间的该输入信号周期中放大装置导通的部分。导通角的图像是从放大一个正弦信号获得的。(如果该设备始终导通，Θ θ = 360°。)流通角与放大器的功率效率密切关联。功率放大器的各种分类在下面介绍。
[0008]A 类
[0009]输入信号的100%被使用(导通角θ = 360°或2 ，即有源元件在其线性范围内工作的所有时间)。其中，效率不是一个考虑因素，多数小信号线性放大器被设计为A类，这意味着输出设备总是在导通区中。与其他类型相比，A类放大器通常更线性、更简单，但很低效。这种类型的放大器最常用在小信号级中或用在低功率应用(例如驱动耳机)中。
[0010]B 类
[0011]输入信号的50%被使用(Θ = 180°或JT，即有源元件工作在其线性范围的时间的一半，并且在其另一半或多或少被关闭)。在大多数B类中，有两个输出设备(或成套的输出设备)，其中每一个交替地导通输入信号的恰好180度(或半周期)；可选的射频(RF)放大器也可以使用单个有源元件来实现。
[0012]如果从一个有源元件到另一个的切换不理想，这些放大器会受到交叉失真，因为当两个互补型晶体管(即，一个PNP型，一个NPN型)被连接为两个发射极跟随器时，即它们的基极和发射极端子共用时，需要基极电压在两个设备都关闭的区域之间摆动。
[0013]AB 类
[0014]这里的两个有源元件导通多于一半的时间，作为减少B类放大器的交叉失真的装置。在互补的发射极跟随器的例子中，偏置网络允许或多或少的静态电流，从而在A类和B类之间某处提供操作点。有时增加一个数字，如ABl或AB2，更高的数字意味着更高的静态电流，因此A类的性能更高。
[0015]D 类
[0016]这些用途的切换，实现了非常高的功率效率(在现代设计中90%以上)。通过允许每个输出设备为完全开启或关闭，损耗被最小化。模拟输出由脉冲宽度调制(PWM)产生，即有源元件被接通为更短或更长的时间间隔，而不是改变其电阻。有更复杂的交换方案，如三角积分(sigma-delta)调制，以提高一些方面性能，如更低的失真或更佳的效率。
[0017]其他类
[0018]有几种其他的放大器分类，尽管它们主要是前述分类的变型。例如，H类和G类放大器是由跟随输入信号的供电轨迹的变化标记的(分别以离散的步骤或以连续的方式)。由于多余的电压被保持在最低量，被浪费在输出设备上的热量可被减少。被供给这些导轨的放大器本身可以是任何类。这些种类的放大器更复杂，并且主要用于专业应用，如非常高的功率单元。此外，E类和F类放大器在文献中通常被描述为无线电频率应用，其中传统类别的效率从它们的理想值大幅偏离。这些类使用其输出网络的谐波调谐以实现更高的效率，并且可以被认为是C类的一个子集，由于其导通角特性。
[0019]当输入信号功率达到接近PA的饱和电平时，每个RF功率放大器使输入信号失真。这些失真可作为AM/AM和AM/PM失真被调制，这在很多通信文献中有所描述。在一些应用中，例如在OFDM系统中，因为接收器对这些类型失真的灵敏度，整个通信系统的设计者使用PA在其饱和点具有足够的裕量(margin)，以确保输出信号的失真不超过可接受的阈值。使用不同的预失真方法，这种裕量可被减小并且PA的功率效用可被增加。
[0020]美国专利公开号7，482，869 B2公开了一种射频放大级，用于驱动RF放大器。本公开被指向随着时间的过去使用多个将被选择的预定电源电平，这取决于包络信号，其跟随将由RF放大器放大的信号的包络的变化。该电路使用线性放大器跟踪包络，并且其使用求和，以便在多个预定电源之间提供插入值。这两项特征都导致低效率。此外，不利地，求和电路通常包括一个大电感。
[0021]在美国专利申请公开号2012/0，309，333 Al中，描述了一个无线电发射机，其包括用于供电到功率放大器的漏极调制电源。如上面简要描述的在先公开，该公开的漏极调制电源也包括多个串行结构的电压源，以在几个步骤中改变输出电压。该电源控制器控制多个电流放大模块，以便基于所接收的发送基带信号的电压分布，精确地划分主电源电压。该电路的最大速度被限制在每个电流放大模块的最大开关频率。
【发明内容】
[0022]在现有技术的状态中描述的漏极调制电路和方法存在各种问题，这些问题被本发明的实施例所解决。为了精确地跟踪所讨论的RF信号的包络，需要实现非常快的开关速度。此外，具有足够电流的充足的电压电平需要被提供给功率放大器级。
[0023]为此，根据第一方面，本发明提供了一种用于向给功率放大器提供供给调制的功率信号的方法，所述该方法包括:
[0024]基于用于驱动功率放大器的输入信号的调制来接收包络信号；
[0025]驱动具有至少两个放大元件的阵列，放大元件被并联连接从而使得它们每个由基本上恒定的直流电源供电，每个放大元件在至少一个阶段期间被驱动，所述的至少一个阶段独立于任何其它放大元件，所述至少一个阶段基于所述包络信号和