专利名称：高效率线性放大器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及放大器。特别是涉及一种高效率线性放大器。
背景技术：
放大器诸如A类放大器和非线性放大器经常被用来放大具有恒包络的信号。线性放大器效率较低，而在切换模式下运行的非线性放大器效率很高。在使用非线性放大器而不是线性放大器去达到线性放大的尝试中使用了各种常规的放大器。这种常规放大器的例子有卡恩包络消除与恢复(EER)放大器、脉冲宽度调制(PWM)放大器和具有非线性元件的线性放大(LINC)放大器。图1示出了一个EER放大器100。该EER放大器100包括一个包络调制器110，一驱动器120和射频(RF)功率放大器130。包络调制器110和RF功率放大器都具有较高的效率。一个线性调制信号被分离成一个变量包络调制信号E (t)和一个恒包络RF阶段调制信号X(t)，其中X(t) =cos(coc(t)+9 ⑴)变量包络调制信号E (t)和恒包络RF阶段调制信号X (t)分别被EER放大器100 的包络调制器110和驱动器120处理，并随后被组合。更具体的，包络调制器110调制提供给RF功率放大器130的供应电压，RF功率放大器130经由驱动器120放大恒包络RF阶段调制信号X (t)。尽管EER放大器100效率高，但是其线性受到包络调制器110的频带宽度、处理的变量包络调制信号E(t)和处理的恒包络RF阶段调制信号X(t)的校准的限制。此外，包络调制器110需要一低通滤波器，这使得体积变得庞大，因此不适合与其他系统集成使用。图2示出了 PWM放大器200，其通过使用一带通德尔它-希格玛调制器210、一 S 类功率放大器220 (其是一种典型的高效的非线性功率放大器)和一个带通滤波器230进行构造。PWM放大器200调制一提供给带通德尔它-希格玛调制器210的恒包络信号的脉冲宽度或者脉冲密度。带通德尔它-希格玛调制器210随后生成一 PWM信号以提供给S类功率放大器220并放大。带通滤波器230从S类功率放大器220滤除带外的噪声。该PWM信号例如是一个单比特数字数据流，因此带通德尔它-希格玛调制器210 的操作时钟频率需要很高。更确切地说，操作时钟频率需要比相关的中心频率高数倍，通常是高四倍。因此，PWM放大器200的带宽是有限的。由于带通德尔它-希格玛调制器210需要在高操作时钟频率下运行，PWM放大器 200在更高的RF频率范围内的恒包络信号中的应用是个问题。此外，在高时钟频率下，带通德尔它-希格玛调制器210的电力消耗增加。因此，，PWM放大器200并不适用于需要进行宽带传输的应用。此外，带通滤波器230增大了 PWM放大器200的大小和成本。再者，S类功率放大器220提供的放大信号也可能被带通滤波器230削弱。图3a-b示出了一个LINC放大器300。如图3a所示，LINC放大器300具有一 LINC信号发生器(LSG) 310, 一第一功率放大器320，一第二功率放大器330和一被动组合器；340。LSG310接收输入信号S(t)，并将输入信号S(t)转变为第一信号部分S1 (t)和第二信号部分& (t)，其中每一个都是非线性恒包络信号。第一和第二功率放大器320/330每个都有分别连接到LSG310和组合器340的输入和输出。第一和第二信号部分S1 (t)/ (t) 分别提供给第一和第二功率放大器320/330并且在提供给组合器340之前被放大。组合器 340收到放大的第一和第二信号部分，它们分别用符号GS1 (t)和GS2(t)表示，并将其结合以产生一线性输出信号focS(t)。每个第一和第二功率放大器320/330的输出需要同增益和阶段相匹配，大约分别为0.5dB和0.3°。如果不使用一个复杂的反馈系统，这样的要求是很难满足的。LINC放大器300的效率依赖于第一和第二功率放大器320/330和组合器340的效率。因此，组合器340的效率是至关重要的，因为第一和第二功率放大器320/330是高效率非线性放大器。组合器340的效率取决于使用的组合器类型，其是典型的孤立的组合器或是Chireix移相组合器。孤立的组合器提供了一个线性输出，然而它的效率是有限的。另一方面，Chireix移相组合器提供更好的效率，却有线性度的问题。LINC放大器300的运作基于如图北所示的第一和第二信号部分S1 (t)/ (t)的相位α (t)的矢量。因此需要提供一种解决方案，以解决传统放大器的至少有一个上述问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种放大器。该放大器包括一个输入模块、一个切换模块和一个放大器模块。输入模块有一个被耦合以接收一输入信号的输入，一配置为提供一第一信号部分的第一输出，和一配置为提供一第二信号部分的第二输出。切换模块有一耦合以接收切换信号的切换输出，一连接到输入模块的第一输出的第一输入，一连接到输入模块的第二输出的第二输入，和至少一被配置为提供一第一复合信号的第一输出。放大器模块至少有一耦合到切换模块的第一输出的第一输入，和至少一个第一输出。第一和第二信号部分包括恒包络相位变化信号，其有不同的相位关系并且同输入信号相关。第一个复合信号包括第一和第二信号部分的时间序列部分。根据发明的另一个方面，提供了一种放大器。该放大器包括一个输入模块、包括多个开关的切换模块和放大器模块。输入模块有一个被耦合以接收一输入信号的输入，一配置为提供一个第一系列信号部分的第一输出，一配置为提供一个第二系列信号部分的第二输出。切换模块有一连接到输入模块的第一输出的第一输入和一连接到输入模块的第二输出的第二输入。切换模块也有至少一个配置为提供一个来自第一系列复合信号和第一系列复合信号部分的组的信号的第一输出。放大器模块至少有一连接到切换模块的第一输出的第一输入和一系列输出。第一系列信号部分的每个信号和第二系列信号部分的每个信号都是一个恒包络相位变化信号。一个在系列复合信号中给定的复合信号和在系列复合信号部分中给定的复合信号部分包括一信号部分子段的时间序列，该子段包括在信号部分的第一系列和第二系列的组中的至少一个中。根据本发明的另一方面，提供了一种放大方法。该放大方法包括接收一输入信号，产生多个恒包络相位调制信号部分，其对应于输入信号和在多个信号部分之中的信号部分的时间序列特别部分，以产生对应多个信号部分的至少一个复合信号。放大方法也包括放大至少一个复合信号。
下面参照附图对本发明的特定实施例进行了描述，其中图1示出了一个卡恩包络消除和恢复放大器，其包括一个包络调制器，一驱动器和一个射频(RF)功率放大器；图2示出了一脉宽调制放大器，其具有一带通德尔它-希格玛调制器，一 S类功率放大器和一带通滤波器；图3a示出了一个具有非线性部分(LINC)放大器的线性放大，该非线性部分放大器包括一 LINC信号生成器(LSG)，一第一功率放大器，一第二功率放大器和一组合器；图北示出了一个图3a中LINC放大器的运行向量相位图；图如示出了根据本发明的一实施例的第一放大器，该第一放大器包括一个输入模块、一个切换模块，一个放大器模块和一个输出模块；图4b示出根据本发明的一实施例的第二放大器，第二放大器包括一信号发生器模块、一调制器模块、一基带切换模块，一放大器模块和一输出模块；图fe-f示出了图如中放大器的一组仿真结果；和图6是根据本发明的一实施例的线性放大过程的流程图。
具体实施例本发明的多个实施例都是直接涉及线性放大器的结构和功能方面，该线性放大器可以用于需要高效放大器的应用中，如减少或者管理能量消耗。这些应用包括移动通信系统和便携式音频扩声系统。为求简明扼要，这里描述的本发明的各个实施例都仅限于线性放大器。然而，这并不排除将各种实施例应用到其他系统、设备、和/或过程中，只要其需要在本发明的各个实施例中普遍存在的基本原理，诸如操作性、功能性或者性能特征。用于解决传统放大器中的一个或多个问题或限制(例如涉及括一个或多个上述问题)的本发明典型的实施例，以下简称“放大器”，在后面参照图4到6进行了详细描述。参照图4a/b，对放大器的特定实施例中的各种结构方面做了概要介绍。同时对放大器400的操作性和功能性细节和操作模式进行了讨论。图如示出了放大器400的一个实施例400a，图4b示出了放大器400的另一个实施例400b。在第一实施例中，放大器400包括一个输入模块410，一切换模块420，一放大器模块430。根据实施例的细节，放大器400还可以包括一个输出模块440。输入模块410包括一个接收源信号或输入信号S (t)的信号发生器410a。在一个实施例中，切换模块420包括一第一切换420a和一第二切换420b。放大器模块430包括至少一个第一放大器430a，并可以进一步包括一第二放大器430b。放大器模块430的第一和第二放大器430a/430b每个都有放大增益因子‘G’，还有一输入和输出。输出模块440包括一个信号组合器440a。在输入模块410中，信号发生器410a接收输入信号S (t)，将输入信号S (t)转换为一第一个信号部分S1 α)和一第二信号部分&α)。第一和第二信号部分S1(Oz^a)是恒包络相位调制信号，在多个实施例中，有一载波信号频率ω。，下面将进一步详细描述。在一些实施例中，可以使用调制器如LINC信号发生器(例如，LINC信号部分分割电路)实现输入模块410。切换模块420设置在输入模块410和放大器模块430之间，耦合以接收第一和第二信号部分S1(Oz^a)。在一个实施例中，切换模块420有一切换输入，其被耦合以接收一频率为《sw的切换信号Ssw(t)。切换模块420先后和/或选择性地将第一和第二信号部分S1(Oz^a)结合到放大器模块430。更具体的，切换模块420在第一和第二信号部分 S1 (t) /S2 (t)中进行切换或者时序选择，以生成至少一个第一复合信号& (t)，并且在一些实施例中，还生成一第二复合信号、(t)。在不同的实施例中，切换模块420时间排序或插入第一和第二信号部分S1(Oz^a)的特定的子段、部分、段、片段或者分支来生成第一或第二复合信号&(t)/、(t)。因此，一个给定的复合信号&(t)/、(t)是第一和第二信号部分 S1(Oz^a)的一部分的一个时间分割序列。在一实施例中，切换模块420可以通过使用一套模拟开关来实现。第一和第二复合信号& (t) /S4 (t)分别被第一和第二放大器430a/430b接收并放大。在不同实施例中，第一和第二放大器430a/430b可通过使用高效非线性放大器实现。被第一和第二放大器430a/430b放大后，一第一复合放大信号和一第二复合放大信号 S6(t)生成。第一和第二复合放大信号分别通过第一和第二放大器430a/430b 的输出来提供到一输出模块组合器440a的相关输入。在一个代表性例子中，第一和第二放大器430a/430b可以是一个S类放大器。组合器440a组合第一和第二放大复合信以产生一组合输出信号 S0(t)。在特定的实施例中，组合器440a可以通过使用LINC信号组合器实现。为便于理解，下面将描述特定实施例的代表性功能和运行方面的内容。更具体地说，以下将讨论第一放大器实施例400a的操作的第一代表性模式和第二代表性模式。在第一代表性操作模式下，输入信号Si (t)可以用下述第一等式(1)表示
Si (t) = E (t) cos [ ω ct+ Φ (t) ] (1)符号E(t)表示输入信号Si(t)关于时间的瞬时振幅。第一和第二信号部分S1(Oz^a)可以通过下述第二等式( 和第三等式(3)表示S1 (t) = EmaxCos [ ω ct+ Φ (t) + α (t) ] (2)S2 (t) = EmaxCos [ ω ct+ Φ (t)-α (t) ] (3)第二和第三等式0)/(3)所示的符号Emax和α (t)分别表示，输入信号Si (t)的最大振幅、第一和第二信号部分S1 (t) /S2 (t)的各自的相位。第一和第二信号部分S1 (t) /S2 (t) 的各自的相位α (t)可以通过下述第四等式⑷表示α (t) = COS^1(Ea)ZEmax)(4)输入信号Si (t)和第一和第二信号部分S1(Oz^a)之间的关系表示为下述第五等式(5)Si (t) = [S1 (t)+S2(t)]/2(5)第一和第二信号部分S1 (t) /S2 (t)的各自的相位a (t)由切换模块420选择，切换模块420在第一和第二信号部分S1(Oz^a)间切换时其发生极性变化。因此，切换模块 420在第一、第二信号部分S1(Oz^a)之间切换的速度或频率限定了一个第一和第二信号部分S1(Oz^a)的相位a (t)极性变化的速度或者频率。因此，这一相对于在第一和第二信号部分S1(Oz^a)间切换的切换模块的相位
a (t)的极性变化可以被认为是一方波信号SGN(t)，可以通过下述等式(6)表示 ￠0SGN(t) = ^An cos (”必J) (6)
二I方波信号SGN(t)包含一系列谐波分量，在上述的等式中‘K ‘和‘η ‘分别表示一个对应于方波SGN(t)的第η次谐波的振幅。在不同实施例中，方波SGN(t)是一个正数值 (+1)或负数值(-1)。符号的‘《sw‘是方波信号SGN(t)的频率，代表切换模块420在第一、 第二信号部分S1(Oz^a)之间切换或选择的频率(或者相当于速度)。因此，第一复合信号和第二复合信号、(t)可被第七和第八等式(7)和(8) 表示如下S3 (t) = EmaxCos [ ω ct+Φ (t)+SGN(t) α (t) ](7)S4 (t) = EmaxCos [ ω ct+ Φ (t) -SGN (t) α (t) ](8)第一和第二放大复合信号可以表示为如下的第九等式(9)和第十等式(10)
权利要求
1.一种放大器，包括一输入模块，其具有一个被耦合以接收一输入信号的输入，一配置为提供一第一信号部分的第一输出，和一配置为提供一第二信号的部分的第二输出；一切换模块，其具有一个被耦合以接收一切换信号的切换输入，一连接到输入模块的第一输出的第一输入，一连接到输入模块的第二输出的第二输入，以及至少一个被配置为提供一第一复合信号的第一输出；和一放大器模块，其至少具有一耦合到切换模块的第一输出的第一输入和至少一个第一输出；其中第一和第二信号部分包括恒包络相位变化信号，其有不同的相位关系并且同输入信号相对应；并且其中第一个复合信号包括第一和第二信号部分的时间序列部分。
2.如权利要求1所述的放大器，其中切换模块包括一第一开关，其具有一耦合到输入模块的第一输出的输入和一耦合到第一切换模块输出的输出；和一第二开关，其具有一耦合到输入模块的第二输出的输入和一耦合到第一切换模块输出的输出。
3.如权利要求1所述的放大器，其中切换模块有一被配置为提供一第二复合信号的第二输出，该第二复合信号包括第一和第二信号部分的时序部分并且同第一复合信号相区分。
4.如权利要求3所述的放大器，其中放大模块有一耦合到切换模块的第二输出的第二输入和一第二输出。
5.如权利要求4所述的放大器，其进一步的包括一信号组合器，该信号组合器有分别耦合到放大模块的第一输出和第二输出的第一输入和第二输入，以及一被配置为提供一输出信号的输出。
6.如权利要求5所述的放大器，其中信号组合器提供的输出信号和接收模块接收的输入信号具有一线性关系。
7.如权利要求1所述的放大器，其中输入模块包括一生成载波频率为ω。的载波信号的调制器。
8.如权利要求7所述的放大器，其中输入模块包括一LINC信号发生器。
9.如权利要求1所述的放大器，其进一步包括一带通滤波器，其具有一耦合到放大器模块的第一输出的输入，和一被配置为提供同由输入模块接收的输入信号有线性关系的输出信号的输出。
10.如权利要求1所述的放大器，其进一步包括一低通滤波器，其具有一耦合到放大模块的第一输出的输入，和一被配置为提供同由输入模块接收的输入信号有线性关系的输出信号的输出。
11.如权利要求10所述的放大器，其中输入信号是音频信号。
12.如权利要求1所述的放大器，其中第一复合信号的一个单独周期包括第一信号部分的一半周期和第二信号部分的一半周期。
13.如权利要求1所述的放大器，其中切换信号和第一信号部分有相同的频率。
14.一种放大器，包括一个输入模块，其具有一个被耦合以接收一个输入信号的输入，一配置为提供一个第一系列信号部分的第一输出，一配置为提供一个第二系列信号部分的第二输出；一切换模块，其包括多个开关，切换模块有一连接到输入模块的第一输出的第一输入和一连接到输入模块的第二输出的第二输入，以及至少一个配置为提供一个来自第一系列复合信号和第一系列复合信号部分的组的信号的第一输出；和一放大器模块，其具有至少一连接到切换模块的第一输出的第一输入和一系列输出， 其中，第一系列信号部分内的每个信号和第二系列信号部分内的每个信号是一个恒包络相位变化信号，并且其中，一个在系列复合信号中给定的复合信号和在系列复合信号部分中给定的复合信号部分包括一信号部分子段的时间序列，该子段包括在第一系列和第二系列信号部分的组中的至少一个中。
15.如权利要求14所述的放大器，其中切换模块包括一第一开关和一第二开关。
16.如权利要求14所述的放大器，其中切换模块有一被配置为提供来自第二系列复合信号和第二系列复合信号部分的组的其中之一的信号的第二输出。
17.如权利要求14所述的放大器，其中输入模块包括一基带信号生成器。
18.如权利要求14所述的放大器，其中切换模块包括至少一联动开关对。
19.如权利要求14所述的放大器，其进一步包括一调制模块，其具有一载波信号输入， 一耦合到切换模块的第一输出的输入，以及至少一个耦合到放大器模块的一个输入的输出ο
20.如权利要求19所述的放大器，其中调制模块包括一RF调制器。
21.如权利要求14所述的放大器，其中系列的放大模块输出包括一第一输出和一第二输出，并且放大器进一步的包括一信号组合器，其具有一耦合到放大器模块的第一输出的第一输入，一耦合到放大器模块的第二输出的第二输入，和一配置为提供一输出信号的输出。
22.如权利要求21所述的放大器，其中信号组合器提供的输出信号同输入模块接收到的输入信号有一线性关系。
23.如权利要求14所述的放大器，其进一步包括一系列滤波器，其有一耦合到系列放大模块的输出的输入和一被配置为提供一输出信号的输出，其中，系列滤波器提供的输出信号和输入信号有一线性关系。
24.一放大方法，包括 接收一输入信号；对应于输入信号产生多个恒包络相位调制信号部分；多个信号部分中每个信号部分的时间序列特别部分，对应于多个信号部分产生至少一个复合信号；和放大至少一个复合信号。
25.如权利要求M所述的方法，其中多个信号部分有一第一频率，和多个信号部分中的每个部分的时间序列特别部分发生在第一频率。
26.如权利要求M所述的方法，其中多个信号部分中的信号部分的时间序列特别部分包括产生多个复合信号。
27.如权利要求M所述的方法，其进一步包括 放大多个复合信号；和组合放大的多个复合信号以产生一输出信号； 其中输出信号和输入信号具有一线性关系。
28.如权利要求M所述的方法，其进一步包括过滤放大后的复合信号来产生一输出信号，其中输出信号和输入信号具有一线性关系。
全文摘要
本发明涉及一种高效率线性放大器。该放大器包括一输入模块，其具有一个被耦合以接收一输入信号的输入，一配置为提供一第一信号部分的第一输出和一配置为提供一第二信号部分的第二输出。放大器还包括一切换模块，其具有一被耦合以接收一切换信号的切换输入，一连接到输入模块的第一输出的第一输入，一连接到输入模块的第二输出的第二输入，以及至少一个被配置为提供一第一复合信号的第一输出。放大器还包括一放大模块，其至少有一耦合到切换模块的第一输出的第一输入和至少一个第一输出，其中第一和第二信号部分包括恒包络相位变化信号，其有不同的相位关系并且同输入信号相对应，并且其中第一复合信号包括第一和第二信号部分的时间序列部分。
文档编号H03F3/20GK102165689SQ200980119630
公开日2011年8月24日 申请日期2009年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者周亦军, 谢润华·迈克尔 申请人:新加坡科技研究局