专利名称：效率自适应调整的功率放大器及其实现方法
效率自适应调整的功率放大器及其实现方法
技术领域：
本发明涉及移动通信系统中功率;^文大器的设计领域，尤其涉及一种效率 自适应调整的功率放大器及其实现方法。技术背景近年来，随着3G网络的大规模建设，为了降低CAPEX (设备投资)和 OPEX (运营成本)，功率放大器效率的提高越来越成为运营商关注的焦点。 功率放大器的核心问题是线性化和高效率，因此，新一代功率放大器线性化 技术数字预失真(DPD)技术得到了极大的发展。而增强效率的技术发展相 对比较滞后，可以提高功率放大器效率的技术常见的有Doherty技术、包 络跟踪(Envelope tracking )、 包络消除再生寸支术(Envelope elimination restoration )、 自适应偏置技术(adaptive bias)、峰值减小技术(Crest factor reduction)等。更高的效率不仅能够为运营商节省电费，还能节省电源等配 套设施的投资，而且由于生产工艺的简化，降低了整机散热的要求，增加设 备稳定性，使网络性能更好。在功率放大器中，功率管的栅压作为一个可控制参数，它对功率;^文大器 的效率起着举足轻重的作用。目前常见的栅压控制技术主要有两种第一种栅压控制技术采用的方案是在功率》文大器最大输出功率处，调 整栅压，使功率放大器效率达到最大，并固定该;败压值。在这种技术中，固 定的栅压值只保证了功率放大器在最大输出功率处效率最高，但是当功率放 大器输出功率减小时，效率会很快降低。而功率;^文大器在实际工程应用中， 功率放大器大部分工作时间在低输出功率处，这就导致了功率放大器在低输 出功率时，浪费了大量的能源。第二种栅压控制技术采用的方案是如图l所示的原理图中，功率放大器的栅压控制电路釆用模拟电路搭建，使功率放大器中末级功放管的栅压值 随着推动级功放管电流的变化而变化，从而自适应提高功率放大器低输出功率处效率。这种方法中，采用和推动级功放管电流有关的栅压控制电路，虽 然提高了功率放大器在低输出功率时效率，但是由于采用纯硬件的4册压控制 电路，会导致功率放大器中末级功放管增益发生4艮大的波动，不能够增益补 偿，而为了使增益波动满足系统指标，就必须牺牲功率放大器效率，因此效 率提高有限。另外，另外一个关键点是实际工程使用中，末级功放管的栅压 值会随着温度的变化而发生比较大的变化，如果采用图l电路，就不能够弥 补由于温度的变化而带来的栅压值的变化，从而降低功率放大器整体性能。
发明内容本发明的第一目的就是要克服上述两种栅压控制技术的不足，提高功率 放大器的整体效率，而提出一种效率自适应调整的功率放大器，同时，也作 为本发明的第二目的，提供一种自适应调整功率放大器效率的方法。为实现所述第一目的，本发明采用如下技术方案本发明效率自适应调整的功率放大器，包括级联的至少两级功放管，各 级功放管依次对信号进行推进放大，该功率放大器还包括电流检测电路，用于从首级的功放管中提取与所输出的电流值； 控制模块，对应所述电流值计算出至少一个功放管中将要进行重设的栅极电压值，依据该栅极电压值在相应的功放管的4册极施加电压。所述控制模块存储至少 一 个主映射关系表格，该主映射关系表格表征所迷电流值与至少一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系，供直4妄对应电流值使用栅极电压值。所述控制模块存储的主映射关系表格的个数与功放管的级数相等，主映射关系表格表征所述电流值与其中 一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系。所述控制模块与至少一个功放管之间串接有控制接口电路，该控制接口 电路对控制模块所输出的电压实施稳压和整型，以便输出稳定的电压至相应 的功放管。该功率放大器还包括增益补偿电路，该控制模块根据所述电流值计算出 增益补偿值，该增益补偿电路依据该增益补偿值对输入首级功放管的信号进 行增益补偿。所述控制模块还储存表征所述电流值与增益#卜偿值的辅映射关系表格， 供直接对应电流值使用增益补偿值。所述控制模块包括控制芯片、A/D变换器和D/A变换器，A/D变换器串 接于控制芯片与所述电流检测电路之间，用于将所述电流4企测电路冲企测出的 电流值转换为数字信号并传输至控制芯片；控制芯片存储所述主、辅映射关 系表格，并负责对应所述电流值计算出相应的栅极电压值和增益补偿值；所 述D/A变换器串接于控制芯片与各功放管/增益补偿电路之间，将所述栅极电 压值/增益补偿值转换为模拟信号并传输至相应的功放管/增益补偿电路。 所述控制芯片为单片机、DSP、 FPGA和ARM中任意一种。 适应本发明的第二目的，本发明自适应调整功率放大器效率的方法，包 括如下步骤1) 从首级的功放管处检测获得其输出的电流值；2) 以该电流值与至少 一个功放管的栅极电压值的对应关系计算该相应 的功放管将要进行重设的栅极电压值；3) 以该栅极电压值为基准，重置相应的功》文管的栅极电压。其中，该电流值与栅极电压值已以主映射关系表格的形状被预设。 此外，还包括步骤4)以检测所得的电流值计算对功率放大器自身的增 益补偿值并实施增益补偿。同理，该电流值与增益补偿值已以辅映射关系表格的形状被预i殳。 与现有技术相比，本发明具备如下优点本发明克服了现有功率放大器 低输出功率处效率低下的缺点，使功率放大器的效率在整体上得到"R高，不 受多级功放管的影响；此外，本发明还采取增益补偿的方式对功率放大器的 效率进行强化；同时，在结构上采用软硬结合的方式，有利于保持较低的成
'图1为传统的效率自适应调整的功率放大器的电路原理框图； 图2为本发明效率自适应调整的功率放大器的电路原理框图。
具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进 一 步的说明请参阅图2,本发明效率自适应调整的功率放大器，具体包括增益补 偿电路8、进行推动的首级功放管11、末级功放管12、控制接口电路71、控 制接口电路72、 A/D变换器4、 D/A变换器61、 D/A变换器62、 D/A变换器 63、 MCU控制芯片5以及电流检测电路3。其中，控制芯片5， A/D变换器 4和各D/A变换器61， 62, 63组合成为本发明所述的控制模块。工作原理移动通信射频信号进入功率放大器后，先通过首级功;改管11 进行预放大，再输出至末级功放管12，经最后放大后，变为放大后的射频信 号输出。在首级功放管11处，采用与之电性连接的电流检测电路3检测首级 功放管11输出的电流值，进入A/D变换器4， A/D变换器4采样该模拟信号， 变为数字信号后，进入MCU控制芯片5， MCU控制芯片5根据数字化的该 电流值，采用提高功率放大器效率的栅压控制算法，计算出将要对各个功放 管11, 12的栅极电压进行重设的各个栅极电压值，把各个棚-极电压值分别经 过相应的D/A变换器61, 62和控制接口电路71， 72进行稳压整型等处理后， 重置各个相应的功放管12, 11的栅极电压，即末级功放管12和首级功》文管 11的栅极电压，从而提高功率放大器效率，另外，在调整末级功放管12栅 极电压时，如果增益发生了变化，则MCU控制芯片5通过D/A变换器63， 来控制增益补偿电路8，从而达到整个功率放大器增益补偿的目的。如下介绍实际操作中本发明自适应调整功率放大器效率的方法的各个详 细处理步骤步骤l:射频信号经过天线接收后，进入功率放大器的首级功放管11。 这些信号可以是WCDMA、 CDMA、 TD-SCDMA、 WiMax、 GSM等等现有 制式不同频段射频信号；步骤2:射频信号经过步骤1的处理后，变为预放大后的信号，此处也 可再经一级功放管(未图示)，视具体情况而定；步骤3:经过步骤2后预放大的信号，进入功率放大器末级功放管12， 进行最后放大变为放大后的射频信号输出；步骤4:步骤2中预放大过程中，由电流检测电路3检测首级功放管11 的电流值，该电流检测电路3可采用INA138实现；步骤5:步骤4中得到的电流值，经过A/D变换器4，变为数字信号进 入MCU控制芯片5;步骤6: MCU控制芯片5，根据步骤5中得到的电流值，基于预先存储在MCU控制芯片5中的表征所述检测而得的电流值和末级功放管12的将要 进行重设的栅极电压值的主映射关系表格，得到对应的4册极电压值，通过D/A 变换器61，变为模拟栅极电压值。此处的MCU可以是单片机、DSP、 FPGA、 ARM等可编程器件；步骤7:步骤6得到的模拟栅极电压值经过控制接口电路71进行稳压整 型后，控制功率放大器中的末级功放管12重置其栅极电压；步骤8:步骤6中的MCU控制芯片5，相应的基于预先存储在MCU控 制芯片5中的表征检测而得的电流值和首级功放管11的将要进行重设的栅极 电压值的另一主映射关系表格，得出首级功放管11的将要进行重设的栅极电 压值，经过D/A变换器62，变为模拟的栅极电压值，由于功率放大器中首级 功放管11对效率影响很小，这里的栅极电压值可以是一个与输出功率无关的 栅极电压值，即为一基本固定的数值；步骤9:步骤8中模拟栅极电压值通过控制接口电路72后，控制功率》文 大器中的推动级即首级功放管11的栅极电压进行重置；步骤10:步骤7中控制功率放大器中的末级功放管12时，会影响到整 个功率;^文大器增益值，此时MCU控制芯片5根据步骤5中得到的电流值的 数字信号，基于预先存储在MCU中的表征所述检测而得的电流值和增益补 偿值的对应关系的辅映射关系表格，把对应的增益补偿值通过D/A变换器 63，变为模拟增益补偿值，控制增益补偿电路8对输入至首级功放管11的信 号进行增益补偿，从而达到了整个功率放大器增益补偿的目的；步骤11:经过以上步骤1至10的过程后，会较大幅度的提高了功率放 大器在低输出功率时的工作效率，从而提高功率放大器的整体效率。另夕卜，步骤6和步骤IO分别提到了存储在MCU控制芯片5中的主映射 关系表格和辅映射关系表格，这两个表格对本发明所提出的一种提高功率放 大器效率装置及实现方法至关重要。尽管步骤8提到的推动级功放管的栅极 电压与输出功率无关，但是本发明并不排除在末级功放管12的前置功放管应 用主映射关系表格以便做精确调整的可能性。此外，对于同一功放管的同一 主映射关系表格，其数量也不局限于一张，可通过设置两张完全相同的主映 射关系表格进行备份，以防止控制芯片5出现逻辑或物理损坏时可立即启动 新的主映射关系表格。同理，对于多个功放管的不同主映射关系表格也可进 行合并，将其合并于同一主映射关系表格中。本发明所提出的效率自适应调整的功率放大器及其实现方法，能够大大 提高现有功率放大器的整体工作效率，具有较广阔的应用前景。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受 上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改 变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求
1、一种效率自适应调整的功率放大器，包括级联的至少两级功放管，各级功放管依次对信号进行推进放大，其特征在于该功率放大器还包括电流检测电路，从首级的功放管检测其输出的电流值；控制模块，对应所述电流值计算出至少一个功放管中将要进行重设的栅极电压值，依据该栅极电压值在相应的功放管的栅极施加电压。
2、 根据权利要求1所述的效率自适应调整的功率放大器，其特征在于 所述控制模块存储至少一个主映射关系表格，该主映射关系表格表征所述电 流值与至少一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间的映射关系，供直 接对应电流值使用栅极电压值。
3、 根据权利要求2所述的效率自适应调整的功率放大器，其特征在于 所述控制模块存储的主映射关系表格的个数与功放管的级数相等，主映射关 系表格表征所述电流值与其中 一个功放管的将要进行重设的栅极电压值之间 的映射关系。
4、 根据权利要求1至3中任意一项所述的效率自适应调整的功率放大 器，其特征在于所述控制模块与至少一个功放管之间串接有控制接口电路， 该控制接口电路对控制模块所输出的电压实施稳压和整型，以便输出稳定的电压至相应的功》文管。
5、 根据权利要求4所述的效率自适应调整的功率放大器，其特征在于 该功率放大器还包括增益补偿电路，该控制模块根据所述电流值计算出增益 补偿值，该增益补偿电路依据该增益补偿值对输入首级功放管的信号进行增 益补偿。
6、 根据权利要求5所述的效率自适应调整的功率放大器，其特征在于 所述控制模块还储存表征所述电流值与增益补偿值的辅映射关系表格，供直 接对应电流值使用增益补偿值。
7、 根据权利要求6所述的效率自适应调整的功率放大器，其特征在于 所述控制模块包括控制芯片、A/D变换器和D/A变换器，A/D变换器串接于 控制芯片与所述电流检测电路之间，用于将所述电流检测电路检测出的电流值转换为数字信号并传输至控制芯片；控制芯片存储所述主、辅映射关系表 格，并负责对应所述电流值计算出相应的栅极电压值和增益补偿值；所述D/A 变换器串接于控制芯片与各功放管/增益补偿电路之间，将所述栅极电压值/ 增益补偿值转换为模拟信号并传输至相应的功放管/增益补偿电路。
8、 根据权利要求7所述的效率自适应调整的功率放大器，其特征在于 所述控制芯片为单片机、DSP、 FPGA和ARM中任意一种。
9、 一种自适应调整功率放大器效率的方法，其特征在于包括如下步骤 1)检测首级的功放管输出的电流值；2 )以该电流值与至少 一 个功》文管的栅极电压 <直的对应关系计算该相应 的功放管将要进行重设的栅极电压值；3) 以该栅-极电压值为基准，重置相应的功》文管的栅-极电压。
10、 根据权利要求9所述的自适应调整功率放大器效率的方法，其特征 在于所述检测而得的电流值与栅极电压值已以主映射关系表格的形式被预 设。
11、 根据权利要求9或10所述的自适应调整功率放大器效率的方法， 其特征在于其还包括步骤4) 以电流值计算对功率放大器自身的增益补偿值并实施增益补偿。
12、 根据权利要求11所述的自适应调整功率放大器效率的方法，其特 征在于所述检测而得的电流值与增益补偿值已以辅映射关系表格的形式被 预设。
全文摘要
本发明公开一种效率自适应调整的功率放大器，包括级联的至少两级功放管，各级功放管依次对信号进行推进放大，该功率放大器还包括电流检测电路，从首级的功放管检测其输出的电流值；控制模块，对应所述电流值计算出至少一个功放管中将要进行重设的栅极电压值，依据该栅极电压值在相应的功放管的栅极施加电压。控制模块中存储有电流值与各功放管将要进行重设的栅极电压值的关系表格。相应地，本发明还公开这种功率放大器的实现方法。本发明能自适应调整/提高功率放大器的整体效率；此外，通过采取增益补偿的方式对功率放大器的效率进行强化；采用软硬件结合的方法实现，保持较低的成本，且由此弥补了由于温度变化而带来的功率放大器性能的恶化。
文档编号H03F3/21GK101247109SQ20081002697
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月24日 优先权日2008年3月24日
发明者刘大能, 刘海涛, 张占胜, 潘栓龙 申请人:京信通信系统(中国)有限公司