在闭合功率控制回路中用于电源电压控制的功率放大器的双电压调节器的制作方法

专利名称：在闭合功率控制回路中用于电源电压控制的功率放大器的双电压调节器的制作方法
在闭合功率控制回路中用于电源电压控制的功率放大器的双电压调节器技术领域
本发明一般涉及功率放大器控制。本发明尤其涉及在闭合功率控制回路中用于电源电压控制的功率放大器的双电压调节器。
技术背景
随着高效、低成本的电子模块的可用性的日益增加，便携式通 信设备变得越来越普遍。便携式通信设备包括一个或多个功率放大 器，用于放大从便携式通信设备发送的信号的功率。随着日益增加的 可用率，低成本的电子模块、便携式通信设备变得越来越普遍。便携 式通信设备包括一个或多个功率放大器，用于放大从该便携式通信设 备发射的信号的功率。
随着便携式通信设备尺寸的日益减小，功率效率成为最重要的 设计标准之一。降低功耗延长了电源寿命并延长了便携式通信设备的 待机时间和通话时间。在使用非恒定幅度输出的便携式通信设备中 (即调制并放大相位分量和幅度分量的通信系统)，通常使用线性功 率放大器。当传输输出功率从最大级降低时，功率放大器的效率快速 降低。这导致了一种两难境地。为了减少功耗，当条件允许时减少功 率放大器的功率输出。不幸地，当功率输出减少时，功率放大器效率 快速降低，从而导致增加的功耗和降低的电源寿命。
—种功率放大器被称为"电源电压控制的"功率放大器。此功 率放大器方法通过控制到功率放大器的电源电压来改变功率放大器 的功率输出。电源电压控制的功率放大器(PA)的输出功率由施加 给功率放大器的一级或多级的双极性晶体管的集极端(或若作为场效 应晶体管(FET)实现时的漏极端)的经调节的电压所确定。如果利 用双极技术实现，则此功率放大器也被称为集极电压放大器控制(COVAC)功率放大器。
为了改善以低功率输出级运行的电源电压控制的功率放大器 的效率，可以应用开关电压调节器以给功率放大器提供电源电压。不 幸地，开关电压调节器可能将噪声和乱真部分(spurious component) 注入发射信号。开关电压调节器的控制带宽必须还可以在发射信号的 带宽上进行操作。
因此，人们期望控制施加到功率放大器的电源控制端口的电 压，以最小化噪声、乱真信号的产生和开关瞬态，从而最小化频谱再 生。发明内容
本发明的实施例包括电源电压控制的功率放大器，该电源电压 控制的功率放大器包括功率放大器、用于产生功率控制信号的闭合功 率控制反馈回路和耦合到该功率控制反馈回路的双电压调节器，该双 电压调节器包括第一个调节器级和第二个调节器级，其中该闭合功率 控制回路最小化该第一个调节器级产生的噪声。
本发明还提供相关的操作方法。在分析以下附图和详细描述之 后，对于所属领域的技术人员而言，本发明的其它系统、方法、特征 和优点变得显而易见。所有此种的另外的系统、方法、特征和优点被 包括在此说明书中、包括在本发明的范围内并受到所附权利要求书的 保护。


参考以下附图可以更好地理解本发明。附图内的各个部分不一 定是按比例绘制的，重点是为了清楚说明本发明的原理。此外，在附 图中，相同的参考符号表示不同图中的对应部分。
图1是说明根据本发明的一个实施例的包括功率放大器控制 元件的简化便携式收发器的框图2是说明图1的上变频器、功率放大器控制元件和电源控制 元件的框图3是说明图2的电源控制元件的实施例的框图4是说明双电压调节器操作的示例性传输包络400的示意图5是说明功率放大器控制元件的实施例操作的流程图。
具体实施方式
虽然是参考便携式收发器进行具体描述的，但功率放大器控制 元件可以在使用闭合反馈功率控制回路和电源电压控制的功率放大 器的任何通信设备中实现。
该功率放大器控制元件可以以硬件、软件或硬件和软件的组合 的方式实现。当以硬件实现时，该功率放大器控制元件可以利用专用 硬件元件和逻辑元件来实现。当该功率放大器控制元件部分地以软件 实现时，软件部分可以用于控制该功率放大器控制元件中的部件，从 而各个操作方面可以是软件控制的。软件可以存储在存储器内并由适 当的指令执行系统(微处理器)执行。该功率放大器控制元件的硬件 实现可以包括以下技术的任何一种或其组合，这些技术在所属领域中 是公知的离散电子部件、具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑 门的离散逻辑电路、具有适当逻辑门的专用集成电路、可编程门阵列 (PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等等。
功率放大器控制元件的软件包括依序排列的用于实现逻辑功 能的可执行指令，并可以包括在任何计算机可读取介质中，该计算机 可读取介质由或结合指令执行系统、装置或设备使用，所述系统、装 置或设备例如是基于计算机的系统、包含处理器的系统或可以从该指 令执行系统、装置或设备获得指令并执行指令的其它系统。
在本文的上下文中，"计算机可读介质"可以是以下任何装置 可以包含、存储、传达、传播或传送由或结合指令执行系统、装置或 设备使用的程序。该计算机可读取介质可以例如包括但不限于电的、 磁的、光学的、电磁的、红多卜的或半导体的系统、装置、设备或传播 介质。该计算机可读介质的更具体(非详尽列举)的例子包括以下各 项具有一条或多条线的电连接(电的)、便携式计算机磁盘(磁的)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存 储器(EPROM或闪存)(磁的)、光纤(光学的)和便携式光盘只读 存储器(CDROM)(光学的)。需要注意的是，该计算机可读介质甚 至可以是其上印有程序的纸或其它适合的介质，因为程序可以经由例 如对纸或其它介质的光学扫描而被电子地获取，然后被编辑、转换或 在必要时以适当的方式进行其他处理，然后存储在计算机存储器中。
图1是说明简化的便携式收发器100的框图，包括具有电源控 制元件的功率放大器控制元件的实施例。便携式收发器100包括扬声 器102、显示器104、键盘106和麦克风108，其均都连接到基带子 系统110。电源142 (其可以是直流(DC)电池或其它电源)也可以 经由连接144连接到基带子系统110，以给便携式收发器100提供电 能。在特定的实施例中，便携式收发器100例如可以是但不限于便携 式电信设备，例如蜂窝型移动电话。扬声器102和显示器104分别经 由连接112和114从基带子系统110接收信号，这对于所属领域的技 术人员是公知的。类似地，键盘106和麦克风108分别经由连接116 和118提供信号给基带子系统110。基带子系统IIO包括经由总线128 相通信的微处理器(pP) 120、存储器122、模拟电路124和数字信 号处理器(DSP) 126。虽然显示成单一的总线，但必要时可以将总 线128实现为在基带子系统110内的子系统之间连接的多条总线。
依赖于实现该功率放大器控制元件的方式，基带子系统110还 可以包括专用集成电路(ASIC) 135和现场可编程门阵列(FPGA) 133。
微处理器120和存储器122为便携式收发器100提供信号计 时、处理和存储功能。模拟电路124为基带子系统110内的信号提供 模拟处理功能。基带子系统UO诸如经由例如连接132为发射机150、 接收机160、功率放大器180和功率放大器控制元件285提供控制信 号。
基带子系统110产生称作为Vapc的功率控制信号，经由连接 146将该功率控制信号提供给功率放大器控制元件285。信号Vapc由 基带子系统110产生，并且通常通过以下描述的数字模拟转换器(DAC) 136或138之一而转换成模拟控制信号。自总线128提供所 示的功率控制信号Vapc，以指示信号可以以所属领域的技术人员公知的不同方式产生。总的来说，功率控制信号vapc作为在校准期间确定的功率放大器的峰值电压的函数来控制该功率放大器，并对应于 功率放大器的输出功率。
连接132和146处的控制信号可以来自DSP 126、 ASIC 135、 FPGA 133或来自微处理器1.20，并被提供给发射机150、接收机170、 功率放大器180和功率放大器控制元件285内的多种连接。需要注意 的是，出于简化目的，在本文中仅说明了便携式收发器100的基本部 件。由基带子系统IIO提供的控制信号控制便携式收发器100内的多 种部件。此外，可以将发射机150和接收机170的功能集成到收发器 中。
如果功率放大器控制元件285的一部分是由微处理器120执行 的软件实现的，则存储器122还包括功率放大器控制软件255。该功 率放大器控制软件255包括一个或多个可执行的代码段，所述代码段 可以被存储在存储器中并且可以在微处理器120中被执行。可选择 地，可以将功率放大器控制软件255的功能编码进ASIC 135中或可 以由FPGA 133或其它设备执行。因为存储器122可以重写，并且因 为FPGA 133是可重编程的，因此当利用这些方法之一实现时，功率 放大器控制软件255的更新可以远程发送并保存在便携式收发器100 中。
基带子系统110还包括模拟数字转换器(ADC) 134和数字模 拟转换器(DAC) 136和138。虽然将DAC 136和138示为两个单独 的设备，需要理解的是，单一的数字模拟转换器可以用于执行DAC 136和138的功能。ADC 134、 DAC 136和DAC 138还经由总线128 与微处理器120、存储器122、模拟电路124和DSP 126相通信。DAC 136将基带子系统110内的数字通信信息转换成经由连接140传输给 调制器152的模拟信号。连接140 (其被示为两条有向的箭头)包括 在从数字域转换成模拟域之后由发射机150发射的信息。
发射机150包括调制器152，调制器152调制连接140上的模拟信息，并经由连接158将调制信号提供给上变频器154。上变频器 154将连接158上的经调制信号变换成适当的发射频率，并经由连接 184将上变频信号提供给功率放大器180。功率放大器180将该信号 放大至适合该系统的功率电平，便携式收发器100设计为在该系统中 操作。
调制器152和上变频器154的细节已被省略，因为它们对于所 属领域的技术人员是已知的。例如，连接140上的数据一般由基带子 系统110格式化成同相(I)分量和正交(Q)分量。I和Q分量可以 采用不同的形式，并依据所使用的通信标准被不同地格式化。例如， 当将功率放大器模块用于等幅、等相(或等频)调制应用例如用于全 球移动通信系统(GSM)时，由调制器152提供经调相的信息。当 将功率放大器模块用于需要调相和调幅的应用(例如被称为EDGE 的GSM演进的增强数据速率)时，将发射信号的笛卡尔(cartesian) 同相(I)分量和正交(Q)分量转换成它们的极化对等体的幅度和相 位。通过调制器152执行调相，同时由功率放大器控制元件285执行 调幅，其中幅度包络由功率控制电压Vpc限定，该功率控制电压Vpc 由功率放大器控制元件285产生。功率放大器模块180的瞬时功率电 平追踪Vpc，从而产生具有相位分量和幅度分量的发射信号。已知为 极化调制技术的此种技术消除了功率放大器模块对线性放大的需求， 允许使用更高效的操作饱和模式，同时提供调相和调幅。
功率放大器180经由连接156提供经放大的信号给前端模块 162。该前端模块包括天线系统接口，该天线系统接口可以包括诸如 双工器(diplexer)，该双工器具有允许同时通过发射信号和接收信号 的滤波器对，如所属领域的技术人员所公知的。将该发射信号从前端 模块162提供给天线160。
利用由功率放大器控制元件285产生的功率控制信号Vpc，功 率放大器控制元件285确定功率放大器180可以操作来放大该发射信 号的适当功率电平。当调制标准需要时，该功率控制信号Vpc还用于 提供包络或幅度调制。功率放大器控制元件285还包括以下将描述的 电源控制元件300。功率放大器控制元件285经由连接250为功率放大器180提供经调节的电源电压(被称作为Vcc)，通过控制传送给 功率放大器180的电源电压，该功率放大器控制元件285确定该功率 放大器的输出。该功率放大器控制元件285和该电源控制元件300在 以下将详细描述。
天线160接收到的信号从该前端模块162被指引到该接收机 170。该接收机170包括下变频器172、滤波器182和解调器178。如 果利用直接变换接收器(DCR)实现，则下变频器172将接收到的信 号从RF电平变换成基带电平(DC)。可选择地，所接收的RF信号 可以被下变频至中频(IF)信号，这视应用而定。将下变频信号经由 连接174发送到滤波器182。该滤波器包括至少一个滤波器级以过滤 所接收的下变频信号，如所属领域所公知的。
将经过滤的信号经由连接176从滤波器182发送到解调器178。 该解调器178恢复所发射的模拟信息，并经由连接186将表示此信息 的信号提供给ADC 134。 ADC 134以基带频率将这些模拟信号变换 成数字信号，并经由总线128将该信号传送至DSP 126以进行进一步 的处理。
图2是说明图1的上变频器154、功率放大器控制元件285和 电源控制元件300的框图。以对功率放大器控制元件285的描述开始， 其形成闭合功率控制回路265，或"AM控制回路"，在连接156上将 在功率放大器180的输出处呈现的输出功率的一部分由耦合器222通 过连接157转移并输入到混频器226。该混频器226还经由连接198 从合成器148接收本地振荡器(LO)信号。
该混频器226将连接157上的RF信号下变频至连接228上的 中频(IF)信号。例如，该混频器226获得连接157上具有近似2千 兆赫(GHz)频率的信号，并在连接228上将该信号下变频至近似100 兆赫(MHz)的频率用于输入至可变增益元件232。该可变增益元件 232可以是例如但不限于可变增益放大器或衰减器。在这样的布置中， 该可变增益元件232可以具有近似70分贝(dB)(即+35dBA35dB) 的动态范围。该可变增益元件232经由连接234从放大器236的非反 相输出接收控制信号输入。经由连接146从图1的该基带子系统110提供该输入至放大器236。连接146上的信号是功率控制信号Vapc， 这是定义发射功率电平并提供功率分布的基准电压信号。将连接146 上的该信号提供给重建滤波器，该重建滤波器包括电阻器240和电容 器242。如此，经由连接234将发射功率电平和功率分布的基准电压 提供给可变增益元件232的控制输入。
连接246上该可变增益元件232的输出是IF信号并包括具有 AM分量和PM分量的调制并被称作为"功率测量信号"。该功率测 量信号与功率放大器180的绝对输出功率相关，并包括与呈现在该信 号中的AM和PM分量相关的非常小的误差。将连接246上可变增益 元件232的输出提供给功率检测器262的输入，而且也被提供给限幅 器248。连接246上的IF信号包括AM分量和PM分量。将连接246 上的该信号提供给功率检测器262，该功率检测器262在连接264上 提供表示呈现在连接246上的IF功率的瞬时电平的基带信号。将连 接264上该功率检测器262的输出提供给放大器268的反相输入。
该放大器268、电容器266和电容器270形成比较器284，该 比较器284经由连接272提供用于控制该功率放大器180的误差信 号。经由连接138从调制器152的输出通过功率检测器276将非反相 输入提供给放大器268。将连接138上的信号提供给该放大器268的 非反相输入，该信号包含由调制器152产生的AM调制，用于输入到 功率放大器180的控制端口 250。
该功率放大器控制元件285的增益放大了连接272上的信号， 使得输入到放大器268的连接264上的信号和连接138上的信号之间 的差异产生了连接272上的误差信号，该误差信号被用于控制功率放 大器180的输出。将连接272上的误差信号提供给可变增益元件274， 该可变增益元件274在结构上可以类似可变增益元件232。然而，该 可变增益元件274的功能与可变增益元件232的功能相反。从放大器 236的反相输出提供控制输入到可变增益元件274。如此，被提供给 功率放大器180的控制端口的连接250上的功率放大器控制信号驱动 该功率放大器180在连接156上提供适当的输出。
连接264上的信号电平和连接138上的信号电平应该相等。例如，如果可变增益元件232的输出电平增加10倍，则功率放大器180 的输出电平应相应降低，以保持放大器268的输入处的平衡。功率放 大器180的输出变化以去除可变增益元件232的增益变化。如此，连 接264上的信号的幅度保持与连接138上的信号的幅度相等。然而， 这意味连接228上的信号滞后于连接234上的信号，从而使得两个信 号无法完全去除。如此，具有AM部分和PM部分的误差信号在连接 246上被呈现。通过功率检测器262将连接246上的信号从IF信号变 换成连接264上的基带信号。通过放大器268和放大器274放大连接 264上的信号，并将该信号作为输入在连接168上提供给电源控制元 件300。该电源控制元件300控制经由连接250到功率放大器180的 电源电压，从而在连接156上该功率放大器180的输出处获得期望的 信号。该功率放大器控制元件285具有足够增益，从而可以保持连接 264上的误差信号为小。在此情形下，可变增益元件232和功率放大 器180的增益变化实质上彼此相反。
除了放大连接264上的误差信号之外，该放大器268还将连接 264上的功率测量信号与该调制器152提供的在连接138上包括AM 部分的基准电压信号进行比较。连接138上的DC电压电平影响该功 率放大器268的期望静态输出功率，不考虑AM调制。该放大器268 将连接264上的信号电平与连接138上的信号电平进行比较，然后放 大差异，从而在连接272上提供功率控制信号。该比较器284作用为 积分器，其也是低通滤波器。或者，例如通过可变增益元件232，可 以以其它方式将该信号的AM部分引入该功率放大器控制元件285。
连接272上的功率控制信号驱动可变增益放大器274，其校正 可变增益元件232关于功率放大器控制元件285的转移函数的效果。 可变增益元件232和可变增益元件274的可变增益较好 (complimentary)。由于连接264上呈现有功率测量信号，并且连接 138上呈现有AM误差信号，因此放大器268提供双重功能(1)其 放大连接138上的AM误差信号，使得经由连接250调制功率放大器 180的功率输出，以具有正确的AM量；以及(2)其执行平均功率 比较并放大结果，从而在连接272上提供控制信号，该控制信号用于驱动可变增益放大器274。该可变增益放大器274在连接168上提供 电压信号VPC，该电压信号VPC包括AM部分并驱动电源控制元件300 以控制传送至功率放大器180的电源电压。该电源控制元件285驱动 该功率放大器180至正确的平均功率输出。如此来控制功率输出，并 且将该信号期望的AM部分提供给功率放大器180的控制输入250 并呈现于连接156的功率放大器输出上。混频器226、可变增益元件 232、功率检测器262、放大器268和可变增益元件274提供连续闭 合功率控制回路265以控制功率放大器180的功率输出，同时允许经 由连接138引入发射信号的AM部分。
闭合功率控制回路265 —直允许校正由功率放大器180引起的 任何相移。锁相回路220现在包括用于回送功率放大器180的输出至 相位/频率检测器208的输入的闭合功率控制反馈回路。由该功率放 大器180产生的任何不想要的相移将由该锁相回路220进行校正。可 变增益元件232的输出经由连接246将呈现的任何相位失真传送给限 幅器24S，用于由锁相回路220进行校正。同样，强制功率放大器180 的输出相位跟随连接155上的LO信号的相位。
为了从可变增益元件232的输出去除AM，该可变增益元件232 经由连接246和连接144连接到限幅器248的输入。该限幅器248产 生仅包括连接258上的PM分量的本地振荡器信号。此LO信号经由 连接258被提供给除法器260，其将连接258上的信号除以数字"y"。 选择数字"y"以最小化合成器148的设计复杂度。将该除法器260 的输出提供给该相位/频率检测器208。
经由连接155将未被调制的输入信号从合成器148提供给除法 器202。将该未被调制的输入信号的频率除以数字"x"，以在连接204 上提供具有适当频率的信号。选择数字"x"以最小化该合成器148 的设计复杂度，并且例如可以但不限于选择以变换该合成器148的输 出为100 MHz的频率。连接204上除法器的输出被提供给调制器152。 另外，分别经由连接278和282将基带I和Q信息信号提供给调制器 152。所属领域的一般技术人员能理解I和Q基带信息信号接口。作 为调制器152操作的结果，连接252上的输出是包括以AM基准信号形式表示的AM分量和小PM误差信号的中频信号。经由连接252 将调制器152的输出提供给功率检测器276。功率检测器276的输出 还包括想要的发射信号的AM部分。连接138上提供的信号是用于输 入至该功率放大器控制元件285的基准信号。因为该功率放大器控制 元件285的带宽有限，因此优选地，在连接138上出现调幅的速率处 于该功率控制反馈回路265的带宽内。
锁相回路220内的部件为连接258和调制器连接278及282上 的PM比较提供增益，从而在连接252上提供调制器152的相位误差 输出。然后将此相位误差信号提供给限幅器248，该限幅器248在连 接258上输出包含小PM相位误差分量的信号。
当该锁相回路220的增益增加时，在连接252上包含相位误差 的调制器152的误差信号输出越来越小。然而，总是存在一些误差信 号，从而使得锁相回路220实现锁相。需要注意的是，即使在该功率 放大器180没有操作时，也总是有一些少量泄漏通过功率放大器180 流到连接156上。此少量泄漏足以提供反馈信号通过可变增益元件 232并进入锁相回路220，可以仅利用功率放大器180的泄漏输出来 锁住该锁相回路220。如此，可以将单反馈回路用于在从放大器关闭 时直到放大器i80提供全输出功率时连续控制功率放大器180的输出 功率。
将调制器152的输出经由连接252提供给限幅器249。该限幅 器249去除呈现在连接252上的AM分量，从而防止在该相位/频率 检测器208中发生任何AM至PM的变换。该相位/频率检测器208 从该限幅器249接收未被调制的输入信号。该相位/频率检测器208 还经由连接206接收除法器260的输出。该相位/频率检测器208检 测在连接256上的信号和连接206上的信号之间的任何相位差，并在 连接210上放置具有与该相位差成比例的幅度的信号。当相位差达到 360°时，相位/频率检测器208在连接210上的输出将与连接256和 206上的信号之间的频率差成比例。
相位/频率检测器208在连接210上的输出是具有值0或1的 数字信号，在两个输出状态之间具有非常小的转换时间。将连接210上的此信号提供给低通滤波器212，该低通滤波器212对连接210上 的该信号求积分并在连接214上放置DC信号，该DC信号控制发射 电压控制振荡器(TXVCO) 216的频率。该TX VC0 216的输出经 由连接184被直接提供给该功率放大器180。如此，该合成器148、 限幅器248、调制器152、限幅器256、除法器260、除法器202、相 位/频率检测器208、低通滤波器212和TX VC0216形成锁相回路 (PLL) 220，其被用于确定连接184上的发射频率。或者，该调制 器152可位于该PLL220外部。当PLL220被固定或"锁定"时，则 在连接256和206上进入相位/频率检测器208的两个信号实质上具 有相同的相位和频率，并且该相位/频率检测器208的输出在连接210 上变成零。积分低通滤波器212的输出在连接214上稳定，产生在 TXVC0 216之外的固定频率。例如，合成器148和混频器226确保 来自TXVC0 216的信号输出的频率在连接184上追踪由合成器148 提供的本地振荡器信号的频率和连接206上的IF频率之和。
当锁相回路220被锁定时，连接256上的信号的相位和连接 206上的信号的相位实质上相等。因为连接206上的PM量可能非常 小，因此锁相回路220中的增益必须足够高以放大连接206上的误差 信号至使得相位/频率检测器208可以进行比较的电平。通过利用调 制器152以期望TX VCO的相位移动的相反的方向对连接204上的 信号施加I和Q信息信号，并且因为期望该锁相回路220保持锁定， 所以来自TXVC0 216的信号输出的相位在连接184上相对由调制器 152实施的相位移动。如此，在连接206上呈现的PM误差信号通过 TX VCO 216的每一伏特很多MHz级的极高灵敏度而被最小化。
因为功率放大器控制元件285是用于连接138处的AM信号的 闭合回路，因此可以使用非线性并因此具有高效率的功率放大器180。 此外，由于放大器的相移的幅度依赖导致出现的不期望的和有害的 AM至PM变换由包括在锁相回路220内的功率放大器180校正。通 过分开AM和PM调制，并且通过为AM和PM调制提供闭合回路控 制，可以使用非线性并因此具有高效率的功率放大器。电源控制元件 300 (以下将对其进行详细描述)提供信号的AM部分并以最小化低功率无效率的方式控制功率放大器180的输出。
图3是说明图2的电源控制元件300的实施例的框图。在此实 施例中，该电源控制元件300被实现为双电压调节器310。将该双电 压调节器置于由功率放大器控制元件285创建的闭合功率控制回路 265内。在此例子中，该功率放大器180包括在320共同表示的多级 功率放大器模块。在此例子中，功率放大器级串联排列。经由连接 184提供射频输入信号(RFiN)，经由连接156提供射频输出信号 (RFOUT)。连接156上的信号是连接184上信号的放大形式。根据本 发明的实施例，连接184上的输入信号的电平并不与连接156上的输 出信号的电平成比例。在此实施例中，该功率放大器180由被称作为 Vcc的基准信号控制，该基准信号从该双电压调节器310在连接250 上提供。
该双电压调节器310包括线性电压调节器322和开关电压调节 器324。在一个实施例中，该线性电压调节器322和该开关电压调节 器324可存在于相同的管芯中，并还可以与该功率放大器180存在于 相同的管芯或不同的管芯中。该功率放大器180内的功率放大器模块 320以饱和模式进行操作，其中输出功率并不与输入功率线性相关。 当饱和操作适当偏压(biased)时，连接156处的输出功率与连接250 上的Vcc信号相关。在一个实施例中，功率放大器模块可以被实现为 一连串双极晶体管，其中将连接上的电源电压控制信号传送给功率放 大器180中每一个双极放大器模块的集极端。这是一种可能的实施， 如图3所示为其的例子。
该线性电压调节器322包括运算放大器(op amp) 326、 n型 场效应晶体管(NFET) 332和反馈连接335。该反馈连接通常包括功 率控制信号Vpc的转移函数H。因为该功率放大器控制元件285 (图 2所示)用于提供调幅，因此该双电压调节器300的带宽足以支持经 调制信号的包络带宽。将该运算放大器326的反相输入耦合到由该功 率放大器控制元件285 (图2所示)产生的功率控制信号VPC。可选 择地，可以将电平位移器(shifter) 364实施在连接168和线性电压 调节器322的输入之间，以改变提供给该线性电压调节器322的Vpc信号的电平。该运算放大器326的非反相输入经由连接335接收反馈 网络337的输出(VFB)。将该运算放大器326的输出经由连接328提 供给该晶体管332的栅极端。将该晶体管332的源极端耦合到电容 352。该晶体管332的漏极端在连接250上将该双电压调节器300的 输出Vcr提供给该功率放大器180的集极端。该漏极端250的输出也 被提供作为反馈路径335的输入。
根据本发明的实施例，该双电压调节器310包括开关电压调节 器324。该开关电压调节器324包括调节器部件336和晶体管338。 在此实施例中，该晶体管338被显示为p型场效应晶体管(PFET)。 该调节器部件336经由连接168接收Vpc信号并提供输出到该晶体管 338的栅极端340。该晶体管338的源极端344在连接346上连接到 电池电压VBATT。将该漏极端346耦合到负载电感348和负载电容352。
该晶体管332的源极端334也被耦合到该负载电感348和该负 载电容352。在此实施例中，该幵关电压调节器324高效工作以将电 池电压从约4伏(V)的值降低到约0.8V的值。高电压值和低电压值可以不同于此处所述的值并一般通过设计来选择。随后，该线性电 压调节器322将该开关电压调节器324的输出电压降低至该闭合功率控制回路265所指示的适当电平。在此实施例中，该线性电压调节器 322将连接334上的电压降低至约0.5V，这是连接250上用于控制该 功率放大器180的输出。将连接250上的Vcc信号提供给一个或多个 功率放大器模块320的电源端。如果该功率放大器180利用双极技术 在电源电压控制的布置中实现，则该功率放大器180被称作为"集极 电压控制的"电源。
然而，该开关电压调节器324在具有高工作带宽需求的系统中 相当难以实现，例如在功率放大器控制元件285和闭合功率控制回路 265中。该开关电压调节器324具有约100千赫兹(kHz)的控制带 宽，这对于具有约500 kHz开关频率的开关电压调节器是适当的带 宽。该线性电压调节器322具有约5MHz至lOMHz的带宽，而该闭 合功率控制回路265具有约1.8MHz的带宽。该开关电压调节器324 的控制端口 (连接168)经由连接168直接连接到功率控制信号Vpc。如上所述，在该开关电压调节器324的输入处通过电平位移器364提 供额外的电压位移(shift)。该电平位移器364在该开关电压调节器 324和该线性电压调节器322之间提供电压偏移(offset)。
当如图3所示实施时，便携式通信设备100的传输链中的部件 与双电压调节器310不包括开关电压调节器324时的作用相同。由于 调幅原因，该开关电压调节器324在连接346上的输出粗略跟随包络 变化，从而最小化横跨该线性电压调节器322的压降。在连接250之 上经由电源电压控制信号将准确的调幅传送给功率放大器180。实质 上，该开关电压调节器324最小化用于该线性电压调节器322准确工 作的电压余量(voltage headroom)。该开关电压调节器324提供粗略 的电压调整，而该线性电压调节器322提供精细的电压调整，并且该 功率放大器控制元件285和闭合功率控制回路265提供额外的精细电 压调整。该开关电压调节器324和该线性电压调节器322基于该功率 放大器控制元件285提供的功率控制信号Vpc的值是动态可调整的。
该开关电压调节器324具有相对较窄的带宽，而该线性电压调 节器322具有相对较宽的带宽。因此，虽然该开关电压调节器324粗 略跟随该输入信号VPC，但其无法复制输入信号中的高频变化。该线 性电压调节器322的带宽比该输入信号Vpc中变化的带宽要宽得多， 因此可以跟随该输入信号Vpc中的变化。有目的地选择该开关电压调 节器324的带宽使其较小以减少其输出中的任何电压波纹。有目的地 选择该线性电压调节器322的带宽使其较大以过滤该开关电压调节 器324的输出中的噪声和波纹，并可以跟随该输入信号Vpc。通过由 该功率放大器控制元件285执行的闭合AM功率控制来实现减少该开 关电压调节器324和该线性电压调节器322的输出中的噪声和波纹。
由于该功率放大器控制元件285的闭合回路操作，所以在该闭 合回路架构内产生该开关电压调节器324和该线性电压调节器322的 控制。因此，该双电压调节器310的控制比利用开环功率控制系统实 现的控制更准确。另外，在闭合功率控制回路中实现该双电压调节器 310使得该双电压调节器容许广泛的参数变化，并在其回路带宽内提 供误差(包括来自该开关电ffi调节器324和线性电压调节器322的噪声，以及未能由该线性电压调节器322补偿的该开关电压调节器324 的任何残留物)校正。
图4是说明该双电压调节器310的操作的示例性传输包络400 的示意图。横轴402表示时间，纵轴404表示该功率放大器180的控 制端上的电压。线406表示电池电压。曲线410说明该开关电压调节 器324的操作，藉此该开关电压调节器324执行由422指示的区域说 明的主要电压调节。在此实例中，主要的电压调节由该开关电压调节 器324执行，这比该线性电压调节器322有效的多。曲线420说明该 线性电压调节器322的操作，并说明由该线性电压调节器322执行的 精细电压调整。区域424指示由该线性电压调节器422执行的电压调 节。
图5是说明功率放大器控制元件的实施例操作的流程图。流程 图中的方框可以以所示的顺序执行、不以所示的顺序执行或并行地执 行。在方框502中，该开关电压调节器324从该功率放大器控制元件 285接收Vpc信号。在方框504中，该开关电压调节器324粗略调整 电池电压。该开关电压调节器324提供的电压调节的实例是将电池电 压从约4V调节至约0.8V，如图4中的区域422所示。该开关电压调 节器以约90%的效率提供此调节。
在方框506中，该线性电压调节器322从该功率放大器控制元 件285接收Vpc信号。在方框508中，该线性电压调节器322精细调 整电池电压。该线性电压调节器322提供的电压调节的实例是将该开 关电压调节器324的输出从约0.8V调节至约0.5V，如图4中的区域 424所示。该线性电压调节器322以比该开关电压调节器324低的效 率提供此调节，但因为该线性电压调节器322提供的调节实质上小于 该开关电压调节器324提供的调节，因此该双电压调节器310的总效 率提供有效的电压调节。通过该功率放大器控制元件285的AM功率 控制提供的校正，该线性电压调节器322减少该开关电压调节器324 的输出中的噪声和波纹。
在方框512中，通过提供持续调整的Vpc功率控制信号，该闭 合功率控制回路265中的功率放大器控制元件285的操作持续精细调整该双电压调节器310的输出。
在方框514中，该双电压调节器310通过控制传送给该功率放 大器180的电源电压Vcc来控制该功率放大器180的输出功率。
虽然己描述了本发明的各个实施例，但对于所属领域的技术人 员而言显而易见的是，在本发明的范围内还可以实现更多的实施例和 实现方案。因此，本发明仅受所附权利要求和其等同物的限制。
权利要求
1、一种动态控制功率放大器的功率输出的方法，包括提供射频(RF)信号给功率放大器；在闭合功率控制回路中产生功率控制信号；提供所述功率控制信号给第一个电压调节器；以及提供所述功率控制信号给第二个电压调节器，其中，所述闭合功率控制回路最小化由所述第一个电压调节器产生的噪声。
2、 如权利要求1所述的方法， 实现为开关电压调节器。
3、 如权利要求1所述的方法， 实现为线性电压调节器。
4、 如权利要求2所述的方法， 动态控制所述开关电压调节器。
5、 如权利要求3所述的方法， 动态控制所述线性电压调节器。还包括将所述第一个电压调节器 还包括将所述第二个电压调节器 还包括利用所述功率控制信号来 还包括利用所述功率控制信号来
6、 如权利要求5所述的方法，其中，所述功率控制信号用于对 所述线性电压调节器的输出进行精细控制。
7、 如权利要求1所述的方法，还包括将所述第一个电压调节器 和所述第二个电压调节器置于闭合功率控制反馈回路中。
8、 如权利要求6所述的方法，还包括 过滤所述开关电压调节器的输出处的电压波纹；以及 利用所述功率控制信号控制所述过滤步骤。
9、 一种电源电压控制的功率放大器，包括 功率放大器；闭合功率控制反馈回路，用于产生功率控制信号；以及 双电压调节器，耦合到所述功率控制反馈回路，所述双电压调节器包括第一个调节器级和第二个调节器级，其中，所述闭合功率控制回路最小化由所述第一个调节器级产生的噪声。
10、 如权利要求9所述的电源电压控制的功率放大器，其中，所 述第一个调节器级是具有窄带宽的开关电压调节器。
11、 如权利要求IO所述的电源电压控制的功率放大器，其中， 所述第二个调节器级是具有宽带宽的线性电压调节器。
12、 如权利要求IO所述的电源电压控制的功率放大器，其中， 所述功率控制信号动态控制所述开关电压调节器。
13、 如权利要求11所述的电源电压控制的功率放大器，其中， 所述功率控制信号动态控制所述线性电压调节器。
14、 如权利要求13所述的电源电压控制的功率放大器，其中， 所述功率控制信号用于对所述线性电压调节器的输出进行精细控制。
15、 如权利要求9所述的电源电压控制的功率放大器，其中，将 所述第一个调节器级和所述第二个调节器级置于所述闭合功率控制 反馈回路中。
16、 如权利要求14所述的电源电压控制的功率放大器，其中， 所述线性电压调节器过滤所述开关电压调节器的输出处的电压波纹， 所述过滤步骤由所述功率控制信号控制。
17、 一种便携式收发器，.包括 收发器，用于收发射频(RF)信号； 功率放大器；闭合功率控制反馈回路，用于产生功率控制信号；以及 双电压调节器，耦合到所述功率控制反馈回路，所述双电压调节器包括第一个调节器级和第二个调节器级，其中，所述闭合功率控制回路最小化由所述第一个调节器级产生的噪声。
18、 如权利要求17所述的便携式收发器，其中，所述第一个调 节器级是具有窄带宽的开关电压调节器。
19、 如权利要求17所述的便携式收发器，其中，所述第二个调 节器级是具有宽带宽的线性电压调节器。
20、 如权利要求18所述的便携式收发器，其中，所述功率控制 信号动态控制所述开关电压调节器。
21、 如权利要求19所述的便携式收发器，其中，所述功率控制 信号动态控制所述线性电压调节器。
22、 如权利要求21所迷的便携式收发器，其中，所述功率控制 信号用于对所述线性电压调节器的输出进行精细控制。
23、 如权利要求17所述的便携式收发器，其中，将所述第一个 调节器级和所述第二个调节器级置于所述闭合功率控制反馈回路中。
24、 如权利要求22所述的便携式收发器，其中，所述线性电压 调节器过滤所述开关电压调节器的输出处的电压波纹，所述过滤步骤 由所述功率控制信号控制。
25、 一种便携式收发器，包括 用于收发射频(RF)信号的模块； 用于放大所述RF信号的放大模块； 用于产生功率控制信号的模块；以及用于调节所述放大模块的输出的调节模块，其中，所述用于产生 功率控制信号的模块最小化由所述调节模块产生的噪声，并且其中， 所述调节模块包括第一个调节模块和第二个调节模块。
26、 如权利要求25所述的便携式收发器，其中，所述调节模块 还包括开关调节模块；以及线性调节模块，其中，所述开关调节模块粗略调整电压信号，所 述线性调节模块精细调整所述电压信号，以及所述用于产生功率控制 信号的模块精细调整所述第一个和第二个调节模块。
27、 如权利要求26所述的便携式收发器，其中，所述线性调节 模块过滤所述开关调节模块的输出处的电压波纹，所述过滤步骤由所 述功率控制信号控制。
全文摘要
一种电源电压控制的功率放大器包括功率放大器、用于产生功率控制信号的闭合功率控制反馈回路以及耦合到该功率控制反馈回路的双电压调节器，该双电压调节器包括第一个调节器级和第二个调节器级，其中该闭合功率控制回路最小化由该第一个调节器级产生的噪声。
文档编号H04B15/00GK101228720SQ200680026817
公开日2008年7月23日 申请日期2006年5月23日 优先权日2005年5月24日
发明者D·罗森布利特, T·索拉提 申请人:天工方案公司