專利名稱：帶有減小功率損耗的雙頻帶、雙重模式功率放大器的制作方法
本申請是于1998年6月10日申請的未決序列號為08/094615的美國申請(代理摘要P09698-RMOT)的部分延續(xù)，而該美國申請是于1997年7月3日申請的序列號為08/888168的未決美國申請(代理摘要P08247-RMOT)以及是于1997年9月29日申請的序列號為08/939870的美國申請(代理摘要P08521-RMOT)的部分延續(xù)，所述這兩項中的每個都被分配給本申請的受讓人并且其中每個在這里被作為參考而引入。
本發(fā)明通常涉及功率放大器并且并且特別涉及一種雙頻帶、雙重模式功率放大器。
在美國，根據(jù)能使國家進入地理服務(wù)市場的許可證計劃，蜂窩操作許可已經(jīng)由聯(lián)邦通信委員會(FCC)所授予。蜂窩許可證開始是允許射頻(RF)位于800MHz的范圍內(nèi)。美國的大多數(shù)800MHz的蜂窩電話系統(tǒng)都使用高級移動電話服務(wù)(AMPS)模擬空中接口標準。隨后已經(jīng)開發(fā)和實現(xiàn)了用于800MHz的最新產(chǎn)生的空中接口標準。D-AMPS標準包括數(shù)字和模擬蜂窩通信。因此，目前，在美國存在運行于800MHz的模擬(AMPS)和數(shù)字(D-AMPS)蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)。
為了響應對于蜂窩服務(wù)所增加的需求，開發(fā)了許多數(shù)字空中接口標準從而在“個人通信服務(wù)”或PCS的保護下提供聲音、數(shù)據(jù)、傳真以及文本信息的有效的數(shù)字通信。
在美國，是在1900MHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)可操作的PCS系統(tǒng)，諸如基于GSM TDMA(時分多路訪問)或IS-95CDMA(碼分多路訪問)空中接口標準的系統(tǒng)。同時，可以繼續(xù)運行現(xiàn)存的800MHz蜂窩系統(tǒng)。
因此，在美國，目前存在運行于800MHz的模擬和數(shù)字蜂窩系統(tǒng)以及運行于1900MHz的數(shù)字PCS系統(tǒng)。希望接收來自運行于800MHz系統(tǒng)以及來自運行于1900MHz系統(tǒng)服務(wù)的移動用戶必須或是使用能分別工作于蜂窩或800MHz頻帶和PCS或1900MHz頻帶的兩種不同的移動收發(fā)器，或是最好使用可以接收和發(fā)送處于兩個頻帶范圍內(nèi)的RF信號的單個“雙頻帶”移動收發(fā)器。另外，希望使用模擬和數(shù)字系統(tǒng)進行通信的移動用戶必須或是使用兩種不同的移動收發(fā)器或使最好使用單個的“雙模式”收發(fā)器。理想的，移動收發(fā)器可以既工作于雙模式也可以工作于雙頻帶以便于給用戶提供最靈活和最強的功能性。
但是，在用于移動收發(fā)器的功率放大器中，問題出現(xiàn)了，該功率放大器一般被優(yōu)化以用于特定頻帶(即，PCS或AMPS)以及工作于特定模式(即，模擬或數(shù)字模式)。這個問題以兩種方式出現(xiàn)一種是作為阻抗匹配問題出現(xiàn)，一種是作為放大器偏置問題出現(xiàn)。
為了獲得最大效率，在傳輸之前，放大器輸出端的阻抗必須和雙工器/同向雙工器的阻抗匹配。但是，匹配電路的阻抗是依賴于工作頻率。因此，最佳匹配工作于800MHz的放大器阻抗的通用匹配電路一般不能最佳匹配工作于1900MHz的相同放大器阻抗。此外，放大器的阻抗依賴于工作模式。因此，最佳匹配以AMPS模式工作于800MHz的放大器阻抗的通用匹配電路一般不能精確匹配以D-AMPS模式工作于1900MHz的相同放大器阻抗。
由于放大器的效率依賴于由所使用的調(diào)制技術(shù)所確定的放大器工作模式或類別，因此由此帶來了偏置問題。一般地，模擬通信系統(tǒng)使用公知的頻率調(diào)制(FM)技術(shù)來將模擬信息調(diào)制在一個載波上，而數(shù)字通信系統(tǒng)使用諸如π/4DQPSK(差分正交相移鍵控)調(diào)制這樣的數(shù)字調(diào)制方法。使用頻率調(diào)制的傳輸?shù)男盘柖际峭ㄟ^偏置以及工作于非線性或飽和模式的功率放大器來進行最有效的放大。另一方面，使用π/4DQPSK調(diào)制傳輸?shù)男盘柺峭ㄟ^偏置以及工作于線性模式的功率放大器來進行最有效的放大。
對于這些問題的一種可能的解決方法是提供一種如

圖1所示的用于高頻帶(1900MHz)和低頻帶(800MHz)的分離的放大器鏈。但是，這種解決方法的昂貴、多余并且是浪費的。另外，由于低頻帶放大器必須放大數(shù)字和模擬信號，因此，低頻帶放大器偏置的問題仍然存在。
在具有單獨一個放大器鏈的收發(fā)器中，對于阻抗匹配問題的一種可能的解決方法是在其輸出端提供帶有分離的、可切換的高通和低通匹配網(wǎng)絡(luò)。但是，該開關(guān)必須可以進行高功率處理，這需要較大昂貴的開關(guān)。另外，800MHz處的匹配將有必要是一種混合匹配，這樣的匹配導致模擬模式中的效率的降低。
對于阻抗匹配問題的另一種解決方法是提供一種能覆蓋所需頻帶并在傳輸頻帶處具有峰值的寬帶功率匹配電路。但是，當所需匹配頻率相差一個倍頻程或更多并且每個頻帶內(nèi)的所需帶寬相對窄時，這種結(jié)構(gòu)將導致浪費帶寬。Fano限制顯示，當存在一個電抗性元件(諸如，晶體管的漏極-源極電容)時，在寬帶匹配中存在實際的限制。
在具有單獨放大器鏈的收發(fā)器中，對于阻抗匹配問題的現(xiàn)有技術(shù)的解決方法是通過分離偏置電平來解決偏置問題，盡管該阻抗匹配保持為常數(shù)。如果使用一個單獨的放大器來放大模擬和數(shù)字信號，則該放大器必須被偏置以便于僅滿足線性需要而盡可能多地保持模擬有效性。這種結(jié)構(gòu)趨于效率低。當無線電話變得更小以及能量消耗需要變得更為嚴格時，這種效率低的操作是非常所不希望的。
因此，在該技術(shù)領(lǐng)域中存在對于這種功率放大器的需求，該功率放大器電路可以有效地工作于800MHz和1900MHz系統(tǒng)中以及工作于模擬和數(shù)字系統(tǒng)中。這種雙頻帶、雙模式功率放大器最好能提供對于上述問題有效的一體化解決方法。
一種有效的雙頻帶雙模式功率放大器設(shè)計時必須還要考慮這樣一個事實在現(xiàn)代蜂窩電話中，要更多考慮能量消耗。為了減小現(xiàn)代蜂窩電話的實際大小，蜂窩電話電池已經(jīng)在大小上從4個或5個電池減小為3個。帶由更少的電池，則可供蜂窩電話使用的能量就更少了，其導致“通話時間”的有效縮短。這種蜂窩電話大小和蜂窩電池的減少的一個附加影響是從蜂窩電話電路工作中散發(fā)處的熱量被限制在一個更小的實際區(qū)域中。
因此，在雙頻帶和雙模式蜂窩電話中，迫切需要提供一種帶有低功率損耗特性的功率放大器。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于射頻收發(fā)器的能夠以線性或飽和的工作模式來有效地放大RF信號的功率放大器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種功率放大器，該功率放大器能夠有效放大位于若干頻帶或范圍內(nèi)的RF信號并帶有低電流損耗。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種雙頻帶、雙模式功率放大器電路，該電路可以被選擇地設(shè)置于放大DQPSK調(diào)制信號的線性模式以及放大頻率調(diào)制信號的飽和工作模式。
可以在具有包括低頻帶驅(qū)動放大器和高頻帶驅(qū)動放大器的驅(qū)動放大器級的功率放大器電路中實現(xiàn)上述以及其它目的。末級放大器級包括一個用于放大數(shù)字調(diào)制信號的TDMA放大器和一個用于放大頻率調(diào)制(模擬)信號的飽和(非線性)模式放大器。一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和輸入濾波器級連接該驅(qū)動放大器級和末級放大器級。根據(jù)所需的工作模式，可以將一個合適的驅(qū)動放大器耦合到一個合適的末級放大器上以便于最有力和最有效地放大處于若干頻帶中的任何一個的模擬或數(shù)字RF信號。
同向雙工匹配電路被耦合到線性模式的末級放大器上以便于阻抗匹配并用于分離DAMPS(800MHz頻帶)和PCS(1900MHz頻帶)數(shù)字信號。將一個功率阻抗匹配電路耦合到飽和模式末級放大器的輸出端。
該放大器電路包括用于對應于無線電話的數(shù)字和模擬模式從而可選擇地分別將該放大器電路設(shè)置于線性模式或飽和模式的裝置。在線性或數(shù)字模式中，該線性末級放大器被偏置在導通狀態(tài)而飽和模式的放大器可以被偏置在截止狀態(tài)。同樣地，飽和模式的放大器可以被偏置在導通狀態(tài)而線性放大器被偏置在截止狀態(tài)。
該放大器電路可以包括這樣一種裝置，當該放大器電路被有選擇地分別設(shè)置于線性模式或飽和模式時，所述裝置用于有選擇地或是將第一同向雙工匹配電路的輸出端連接到輸出線上，或是將低通匹配電路的輸出端連接到輸出線上。
在一個實施例中，一個隔離器被連接到同向雙工匹配電路的低頻帶或高頻帶輸出中的一個或多個輸出上。
在低頻帶模擬通路中，在該耦合裝置之前提供一個雙工器以用于減小該耦合裝置所需的RF功率。
在另一個實施例中，在雙驅(qū)動放大器級之前設(shè)置開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和輸入濾波器級，以便于改進功率耗散。
在又一個實施例中，為每種工作模式提供分離的RF功率放大器鏈從而進一步減少被浪費的能量。
在閱讀附圖時，從隨后的詳細的說明書中，將使本發(fā)明的這些以及其它目的以及特征和有益效果變得顯著，在附圖中，相同的參考符號表示相同的元件。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中公知的雙放大器鏈結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是帶有可用于雙頻帶操作的同向雙工器功率匹配電路的單獨放大器鏈的示意圖。
圖3是雙頻帶、雙模式放大器鏈的示意圖。
圖4是雙頻帶、雙模式放大器鏈的另一個實施例的示意圖。
圖5是用于圖4中實施例的諧波陷波電路的示意圖。
圖6是雙頻帶、雙模式放大器鏈的另一個實施例的示意圖。
圖7是雙頻帶、雙模式放大器鏈的另一個實施例的示意圖。
圖8是雙頻帶、雙模式放大器鏈的另一個實施例的示意圖。
圖9是雙頻帶、雙模式放大器鏈的另一個實施例的示意圖。
圖10是雙頻帶、雙模式放大器鏈的另一個實施例的示意圖。
圖11是用于圖8中實施例的諧波濾波電路的示意圖。
現(xiàn)將參考其中示出本發(fā)明最佳實施例的附圖來描述本發(fā)明。但是，本發(fā)明可以體現(xiàn)于許多不同的形式而不應該被構(gòu)造為局限于所示的這些特定實施例。確切地說，提供這些最佳實施例是為了使所公開的內(nèi)容全面和完整，并且對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，能完全覆蓋本發(fā)明的范圍。
在該申請中，術(shù)語“雙工器”和“同向雙工器”都是三個端口、射頻(RF)可選的分離器。使用雙工器可以使RF收發(fā)器使用公共天線來同時傳送并接收相鄰頻率，盡管一個同向雙工器可以將輸入信號分離為高頻帶或低頻帶信號。
首先參考圖2，由參考數(shù)字200來表示雙頻帶功率放大器電路。功率放大器電路200具有一個用于匹配多頻帶功率放大器的同向雙工匹配電路205。在RF輸入端口210，將射頻(RF)信號輸入到多頻帶放大器220中。放大器220放大該RF信號并將放大后的RF信號輸出到位于端口225處的同向雙工器功率匹配電路205。
在圖2所示的實施例中，放大后的RF信號落入兩個頻帶中的一個之中。但是，本發(fā)明可以變型從而與能夠放大包含多于兩個頻帶RF信號的功率放大器一起使用。
落入第一頻帶的RF信號將通過濾波器/匹配電路230進入到雙工器235中。同樣地，落入第二頻帶的RF信號將通過濾波器/匹配電路240進入到雙工器245中。
濾波器/匹配電路230將RF信號阻隔在第二頻帶中并為位于第一頻帶中的信號提供一個合適的阻抗匹配。同樣地，濾波器/匹配電路240將RF信號阻隔在第一頻帶中并提供一個合適的阻抗以匹配位于第二頻帶中的信號。
雙工器235的輸出被耦合到同向雙工器260中以便于使用天線270來傳輸。根據(jù)放大器200中所使用的通信系統(tǒng)以及是否需要全雙工器工作于1900MHz，確定雙工器235是否是必要的。同樣地，雙工器245的輸出被耦合到同向雙工器260中以便于使用天線270來傳輸。
在未決的美國專利申請no.08/888168(代理摘要EUS00502)中更詳細地描述了圖2所示的實施例以及其實現(xiàn)方式。
現(xiàn)參考圖3，一般由參考數(shù)字300來表示雙模式、雙頻帶放大器電路。該放大器電路300最好包括在無線電話(未示出)的發(fā)射機或收發(fā)器中以用于放大兩個不同頻帶或范圍內(nèi)的模擬和數(shù)字信號，并因而為該無線電話提供雙頻帶、雙模式功能。放大器電路300包括連接到方式選擇開關(guān)304上的RF輸入端口302。根據(jù)該無線電話是工作于數(shù)字模式還是工作于模擬模式，方式選擇開關(guān)304的設(shè)置將分別導致輸入的RF信號在數(shù)字路徑306中傳輸或在模擬路徑308中傳輸。通過來自該無線電話內(nèi)的微處理器(未示出)的模式控制信號來控制這個方式選擇開關(guān)304的位置。由該微處理器提供的控制信號被用來有選擇地將放大器電路300設(shè)置為線性工作模式或飽和(非線性)工作模式。
數(shù)字路徑306包括一個線性放大器310，該放大器有效地放大使用諸如DQPSK調(diào)制技術(shù)這樣的調(diào)制技術(shù)調(diào)制的信號。該線性放大器310的輸出被耦合到同向雙工匹配電路330中，該同向雙工匹配電路有效地從800MHz信號中分離出1900MHz信號并在兩個頻率范圍內(nèi)提供用于放大器310的阻抗匹配。下面更詳細地描述同向雙工匹配電路330的結(jié)構(gòu)和功能。
同向匹配電路330由一個1900MHz輸出334和一個800MHz輸出336。1900MHz輸出經(jīng)路徑339耦合到同向雙工器370，該同向雙工器370將1900MHz輸出信號耦合到天線380上。另外，如果希望全雙工器操作用于1900MHz的操作例如用于CDMA或多速率TDMA系統(tǒng)，則可以在1900MHz輸出334和同向雙工器370之間提供一個雙工器。
模擬路徑308包括一個有效放大頻率調(diào)制信號的非線性放大器320。將該非線性放大器320的輸出耦合到能為該非線性放大器320提供50-Ohm阻抗匹配的匹配電路340。匹配電路340還幫助抑制反饋到1900MHz路徑339中的諧波含量。
由于分別提供了分離的線性和非線性放大器310、320，因此，非線性放大器可以作為深度飽和的C類放大器或作為開關(guān)模式的E類放大器來工作。以前的解決方法其中單個放大器被用于所需的線性和非線性放大，要求將放大器偏置(AB類)以剛剛滿足于線性需要而僅可能多地保持非線性功效。其結(jié)果是混合匹配，而這對于線性或非線性放大來說不是最佳的。本發(fā)明克服這種局限性，提供了一種可以有力和有效地放大位于不同頻帶內(nèi)信號的放大器電路。
將位于線345上的匹配電路340的輸出和位于線338上的同向雙工匹配電路330的800MHz輸出提供給高功率開關(guān)350。根據(jù)蜂窩電話是分別工作于數(shù)字模式還是模擬模式，高功率開關(guān)350經(jīng)輸出線361將或是同向雙工匹配電路330的800MHz輸出(對應于數(shù)字800MHz信號)或是匹配電路340的輸出(對應于模擬800MHz信號)耦合到雙工器360。如同方式選擇開關(guān)304的情況，由來自無線電話微處理器的模式控制信號來控制高功率開關(guān)350。另外，高功率開關(guān)350為線性放大器310提供隔離，因此，可以防止線性放大器310通過非線性放大器320和匹配電路340被加載。
通過根據(jù)蜂窩電話的所需工作模式(即，數(shù)字或模擬)來將Vcc輸入316、326切換為導通或截止狀態(tài)，從而提供對于線性放大器310和非線性放大器320的直流偏置。
雙工器360是通用的被設(shè)計允許全雙工器工作于800MHz的雙工器。雙工器360將800MHz信號耦合到同向雙工器370，同向雙工器370依次將這些信號耦合到天線380中以便于傳輸。
圖3所示的實施例特別適用于工作于1900MHz的半雙工狀態(tài)的TDMA收發(fā)器。但是，如上所述，通過在路徑339中提供一個額外的雙工器從而允許全雙工器工作于1900MHz，使該電路可以容易地施加于CDMA或多速率TDMA收發(fā)器中。
在未決的美國專利申請no.08/888168中詳細描述了基本上與圖2中所示的雙工匹配電路205相同的雙工匹配電路330。在未決的美國專利申請no.08/939870中詳細描述了圖3中所示的實施例及其實現(xiàn)方式。
現(xiàn)參考圖4，第二雙頻帶雙模式發(fā)生器結(jié)構(gòu)表示為400。通過將放大器分離為驅(qū)動級和末級并且根據(jù)所需的放大器400的工作模式有選擇地連接合適的驅(qū)動級和末級，放大器400因此在設(shè)計上改進了圖2和3中所示的放大器。放大器400包括一個被調(diào)諧和偏置從而有效放大位于1900MHz頻帶內(nèi)信號的1900MHz驅(qū)動放大器402，以及一個被調(diào)諧和偏置從而有效放大位于800MHz頻帶內(nèi)信號的800MHz驅(qū)動放大器412。
放大器400還包括一對末級放大器404和414。末級放大器404被偏置和調(diào)諧以用于如同AB類放大器那樣的線性操作從而有效地放大數(shù)字調(diào)制的RF信號，而末級放大器414被偏置和調(diào)諧以用于一個有效操作模式的飽和操作狀態(tài)，諸如深度飽和的C類放大器或開關(guān)模式的E類放大器或一些其它的較高效能的操作模式，從而有效地放大頻率調(diào)制的模擬RF信號。
借助于包括開關(guān)422、424和426的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)418來將驅(qū)動放大器402、412連接到末級放大器404、414上。每個開關(guān)422、424、以及426可以是一個場效應晶體管(FET)開關(guān)，其設(shè)計對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言都是公知的?？梢杂杀绢I(lǐng)域技術(shù)人員替換其它合適的各種類型開關(guān)。借助于來自相關(guān)微處理器的控制線(未示出)或其它控制邏輯(未示出)來控制開關(guān)422、424和426的開/關(guān)狀態(tài)。
開關(guān)422將1900MHz驅(qū)動放大器402的輸出耦合到線性末級放大器404的輸入端。800MHz驅(qū)動放大器412的輸出耦合到節(jié)點428。將節(jié)點428依次經(jīng)開關(guān)424耦合到線性末級放大器404的輸入端并經(jīng)開關(guān)426耦合到飽和末級放大器414。通過來自無線電話內(nèi)的微處理器(未示出)的模式控制信號來控制開關(guān)422、424和426的位置。
由末級放大器404輸出的信號經(jīng)過濾波和選通該信號的匹配網(wǎng)絡(luò)430并根據(jù)該信號的頻率內(nèi)容選擇是到達雙工器460(如果必要)還是到達雙工器465(經(jīng)開關(guān)445)。最好地，該匹配網(wǎng)絡(luò)430是共同未決的美國申請no。08/888168中所述的那種同向雙工匹配電路。
在一個實施例中，在1900MHz驅(qū)動放大器402的輸出和開關(guān)422之間提供第一濾波器410，而在800MHz驅(qū)動放大器412的輸出和節(jié)點428之間提供第二濾波器420。這些濾波器410、420在末級增益級之前將輸入信號濾波并因此提供對于所接收頻帶噪聲的濾除并減少信號的偕波含量。在一個實施例中，這些濾波器410、420是聲表面波(SAW)帶通濾波器，其設(shè)計在本領(lǐng)域中是公知的。
通過給末級放大器提供濾波后的信號，使由線性放大器最后的放大更有效。在放大器增益級之間設(shè)置濾波器可以用更少的電極來實現(xiàn)雙工器460、465，并減少最后放大器增益級的插入損耗并導致較低的直流電流損耗。由于放大器400的較低的插入損耗，因此，最后放大器級不需要發(fā)展為具有許多輸出的RF功率。這具有許多所希望的結(jié)果，其中包括較小的模子尺寸以及較低的直流電流損耗。
在一個實施例中，將諧波陷波電路455耦合到同向雙工匹配電路430的輸入端。該諧波陷波電路455的功能在于減小由同向雙工匹配電路430輸出信號的諧波含量并且將VDD提供給末級放大器404。圖5示出了諧波陷波電路455的一個實施例，該諧波陷波電路455包括連接到一對并聯(lián)可切換電感520、525上的高功率開關(guān)510。
電感520、525依次連接到與同向雙工匹配電路430輸入端相連的電容530上。電感520和電容530組合構(gòu)成諧振于800MHz的并聯(lián)諧振電路，而電感525和電容530組合構(gòu)成諧振于1900MHz的并聯(lián)諧振電路，因此，根據(jù)開關(guān)510的狀態(tài)(根據(jù)放大器400的工作狀態(tài)來設(shè)置)，諧波陷波電路455將工作來衰減800MHz頻帶或1900MHz頻帶中的諧波信號。如同開關(guān)422、424和426的情況一樣，借助于來自相關(guān)微處理器或其它控制邏輯(未示出)的控制線(未示出)來控制開關(guān)510。
由于線性末級放大器404工作于AB類模式，輸出信號的諧波含量高于使用A類放大器時的情況。在末級放大器404的輸出端提供一個諧波陷波電路，因此通過將輸出能量抑制到所需頻率從而可以增加末級放大器404的功效。
再次參考圖4，該放大器可以工作于可選模式中的一種模式來放大處于800MHz頻帶內(nèi)的模擬或數(shù)字信號或者放大處于1900MHz頻帶內(nèi)的數(shù)字信號。對于1900MHz的操作模式，開關(guān)422閉合而開關(guān)424斷開。另外，在1900MHz的操作模式中，可以斷開開關(guān)426來提供對于末級放大器404、414的額外的隔離。將1900MHz頻帶內(nèi)的數(shù)字調(diào)制輸入信號經(jīng)輸入端405輸入到放大器400中并被提供給1900MHz驅(qū)動放大器402。由1900MHz驅(qū)動放大器402輸出的信號被耦合到末級放大器404的輸入端，如上所述，該末級放大器被偏置工作于線性模式。放大器404有效放大數(shù)字調(diào)制信號并輸出該放大信號到同向雙工匹配電路430中。
為了放大800MHz頻帶中的模擬RF信號，(800MHz模擬模式)開關(guān)422和424打開，而開關(guān)426閉合。經(jīng)輸入端415將800MHz頻帶內(nèi)的頻率調(diào)制信號(即，模擬或FM)輸入到放大器400中并且將這些信號提供給800MHz驅(qū)動放大器412。由800MHz驅(qū)動放大器412輸出的信號經(jīng)閉合開關(guān)426連接到末級放大器414的輸入端。末級放大器414偏置工作于飽和模式，并因此有效地放大該FM信號并將這個被放大的信號輸出到匹配電路440中。
為了放大800MHz頻帶中的數(shù)字調(diào)制(例如，π/4DQPSK)RF信號，(800MHz數(shù)字模式)開關(guān)422和424打開，而開關(guān)426閉合。經(jīng)輸入端415將800MHz頻帶內(nèi)的數(shù)字調(diào)制信號輸入到放大器400中并且將這些信號提供給800MHz驅(qū)動放大器412。由800MHz驅(qū)動放大器412輸出的信號經(jīng)節(jié)點428和開關(guān)426連接到末級放大器404的輸入端。如上所述，末級放大器404偏置工作于線性模式。放大器404有效地放大該數(shù)字調(diào)制信號并將這個被放大的信號輸出到同向雙工匹配電路430中。開關(guān)445的操作與參考圖3所述的開關(guān)350的相同。
如上所述，在現(xiàn)代蜂窩電話中，功率損耗是一個非常關(guān)注的問題。為了減小電帶蜂窩電話的實際大小，蜂窩電話電池其大小已經(jīng)從四個或五個電池單元減小到三個電池單元。適用較少的電池單元，則對于蜂窩電話而言就有較少的可用能量，其結(jié)果導致縮短了有效的“通話時間”。對于蜂窩電話大小和蜂窩電話電池的減少的一個額外的影響是將由蜂窩電話電路工作所耗散的熱量限制在較小的物理區(qū)域中。因此，熱切希望減小發(fā)射機電路中浪費的能量。
為了說明在雙頻帶雙模式功率放大器中的功率耗散的影響，我們再次參考圖1中公知的雙頻帶發(fā)射機鏈。假設(shè)組合網(wǎng)絡(luò)120有一個等于L的功率耗散，提供給放大器105的電壓等于V，從放大器105輸出的實際連接到天線180上的功率是Po，放大器的效率是E，我們可以寫出下列用于從電源流入放大器105中的電流的方程式(1)I=(Po·L)/(E·V)就是，位于放大器105輸出端的功率等于(Po·L)。由放大器105輸出的功率與所提供的功率之間的差被認為是耗散功率Pd，可以將其寫成如下方式(2)Pd=Ps-Po·L方程(2)可以重寫為下列形式
(3)Pd=(V·I)-Po·L使用方程(1)，我們可以寫出如下方程(3)(4)Pd=(1/E-1)·Po·L從方程(1)和(4)中，我們可以看出，通過減少在組合網(wǎng)絡(luò)的損耗L，我們可以減少由該功率放大器引起的電流，并還能減小該電路中所耗散的功率和熱量。
某些雙模式雙頻帶蜂窩電話不需要在任何一個頻帶中的工作于數(shù)字模式的全雙工器操作。例如，在支持IS-136的雙模式雙頻帶蜂窩電話或用于移動通信系統(tǒng)(GSM)標準的全球系統(tǒng)中，使用半雙工器操作來執(zhí)行數(shù)字通信。因此，在這種系統(tǒng)中，在800MHz模擬路徑中僅需要一個雙工器，由于雙工器是一個損耗相當高的器件(2-3dB)，因此，從數(shù)字路徑中去掉雙工器會導致電路中功率耗散的顯著減少。
在圖6示出了顯示從數(shù)字路徑中去掉雙工器的本發(fā)明的一個實施例。在圖6所示的放大器電路600中，去掉位于同向雙工匹配電路430輸出端的雙工器并用環(huán)行器(circulator)610來替換它，該環(huán)行器610將由同向雙工匹配電路430的1900MHz匹配電路輸出的信號耦合到同向雙工器470中。同向雙工匹配電路430的800MHz的輸出被耦合到依次耦合到高功率開關(guān)630的隔離器620中。環(huán)行器610的輸出經(jīng)輸出線640A耦合到同向雙工器470上。高功率開關(guān)630的輸出經(jīng)輸出線640B耦合到同向雙工器470上。隔離器620比雙工器具有更少的損耗，其結(jié)果導致800MHz線性模式操作中效率的提高。
可以理解的是，術(shù)語“環(huán)行器”是指一種特定類型的隔離器，即，其設(shè)計是本領(lǐng)域公知的三端器件。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，廣義的術(shù)語“隔離器”包括環(huán)行器。
由于對于800MHz線性半雙工操作而言不需要雙工器645，因此在800MHz頻帶內(nèi)分開發(fā)射和接收信號的雙工器645被移動到800MHz飽和(模擬)路徑中的高功率開關(guān)630的輸入側(cè)上。這樣導致在高功率開關(guān)630中具有較低的RF功率需求，因此在ASIC上需要較少的實際空間來實現(xiàn)。800MHz飽和模式和1900MHz線性模式中的性能不應該受這種變化的影響，這樣在800MHz模式中將導致接近于100mA的節(jié)約。
在圖6所示的實施例中，用TDMA末級放大器來替換線性末級放大器，TDMA末級放大器是用于放大800MHz和1900MHz頻帶內(nèi)TDMA信號的。
除了如上所述的之外，放大器600的操作與所描述的圖4中所示的相關(guān)實施例的相同。
在圖7中示出了作為本發(fā)明的另一個實施例的電路700。在所示的實施例中，F(xiàn)ET開關(guān)網(wǎng)絡(luò)725和與線性模式相關(guān)的濾波器已經(jīng)相對于圖6的實施例而向上游移動。1900MHz RF輸入端405被直接耦合到濾波器710上，而800MHz RF輸入端415被直接耦合到濾波器720上。
FET開關(guān)網(wǎng)絡(luò)725包括開關(guān)722、724和726。開關(guān)722耦合在濾波器710的輸出端和TDMA驅(qū)動器702的輸入端之間。開關(guān)724被耦合在節(jié)點28和TDMA驅(qū)動器702之間，而開關(guān)726被耦合在接點728和800MHz驅(qū)動器712之間。濾波器720的輸出被耦合到節(jié)點728。通過來自無線電話內(nèi)的微處理器(未示出)的模式控制信號來控制開關(guān)722、724和726的位置。
如同圖4中所示的實施例，該放大器可以工作于可選模式中的一種模式來放大處于800MHz頻帶內(nèi)的模擬或數(shù)字信號或者放大處于1900MHz頻帶內(nèi)的數(shù)字信號。對于1900MHz的操作模式，開關(guān)722閉合而開關(guān)724斷開。將1900MHz頻帶內(nèi)的數(shù)字調(diào)制輸入信號經(jīng)輸入端405輸入并被提供給濾波器710。經(jīng)開關(guān)722將由濾波器710輸出的信號耦合到TDMA驅(qū)動放大器702的輸入端。將TDMA驅(qū)動器702的輸出提供給TDMA末級放大器604，該放大器有效地放大這個數(shù)字調(diào)制信號并將該放大信號輸出到同向雙工匹配電路430中。
為了放大800MHz頻帶中的模擬RF信號，(800MHz模擬模式)開關(guān)722和724打開，而開關(guān)726閉合。經(jīng)輸入端415將800MHz頻帶內(nèi)的頻率調(diào)制信號(即，模擬或FM)輸入到放大器700中并且將這些信號提供給濾波器720。由濾波器720輸出的信號經(jīng)閉合開關(guān)726連接到800MHz驅(qū)動放大器712的輸入端。第二濾波器704被耦合到800MHz驅(qū)動放大器712的輸出端并被耦合到末級放大器414的輸入端。
末級放大器414被偏置工作于飽和模式，因此能有效地放大該FM信號并輸出該被放大信號到匹配電路440。
為了放大800MHz頻帶中的數(shù)字調(diào)制(例如，π/4DQPSK)RF信號，(800MHz數(shù)字模式)開關(guān)722和726打開，而開關(guān)724閉合。經(jīng)輸入端415將800MHz頻帶內(nèi)的數(shù)字調(diào)制信號輸入到放大器700中并且將這些信號提供給濾波器720。由濾波器720輸出的信號經(jīng)節(jié)點728和開關(guān)724連接到TDMA放大器702的輸入端。來自TDMA驅(qū)動放大器702的信號被提供給TDMA末級放大器604。如上所述，末級放大器604偏置工作于線性模式。放大器604有效地放大該數(shù)字調(diào)制信號并將這個被放大的信號輸出到同向雙工匹配電路430中。
通過將濾波器710、712和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)725向前移動到驅(qū)動放大器702、712之前，可以實現(xiàn)兩個目標。第一，可以減少濾波器710、712以及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)725中的電流耗散，這是因為功率損耗發(fā)生在較低功率電平處，從而導致所需電流的減少。第二，必須由開關(guān)722、724、726處理的RF功率減少，從而減少了實現(xiàn)開關(guān)所需的晶體管面積的數(shù)量。
在其中TDMA低頻帶(800MHz)和高頻帶(1900MHz)模式具有顯著不同的功率需要的情況中，為每個工作頻帶提供一個RF功率放大器鏈是有益的。在圖8中示出了這樣一種放大器的實施例。功率放大器電路800具有一個高頻帶輸入端705和一個低頻帶輸入端715。在輸入端705輸入的高頻帶信號經(jīng)過濾波器710并到達TDMA驅(qū)動器806和TDMA末級放大器825。在TDMA末級放大器825的輸出端提供一個諧波陷波電路840A。在TDMA末級放大器825的輸出端提供一個1900MHz匹配電路以匹配該輸出信號的阻抗。被放大的900MHz輸出信號然后經(jīng)過環(huán)行器610到達同向雙工器470以便于經(jīng)過天線將其傳輸。
在輸入端715輸入的低頻帶信號經(jīng)過濾波器720到達包括開關(guān)822、824的模式選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。對于TDMA操作，閉合開關(guān)822，同時打開開關(guān)824。因此，在TDMA操作中，低頻帶輸入信號經(jīng)過TDMA驅(qū)動器802到達TDMA末級830，在那里這些信號被放大以用于傳輸。在TDMA末級放大器830的輸出端提供一個800MHz匹配電路855A。在TDMA末級放大器830的輸出端提供一個諧波陷波電路840B。經(jīng)一個環(huán)行器620和高功率開關(guān)630將穿過匹配電路855A的信號傳送到同向雙工器470以便于經(jīng)過天線480將其傳輸。
對于模擬操作，打開開關(guān)822并且閉合開關(guān)824，這樣導致輸入信號經(jīng)過包括800MHz驅(qū)動器812、濾波器804、飽和末級放大器835以及800MHz匹配電路855B的低頻帶模擬放大器鏈。諧波陷波電路840C被耦合到飽和末級放大器835的輸出端?？梢匀鐖D11所示那樣來將諧波陷波電路840A、840B以及840C作為并聯(lián)諧振電路來實現(xiàn)。諧波陷波電路840A、840B以及840C的功能與參考圖4描述的諧波陷波電路相同，即，降低通過匹配電路850、855A、855B輸出信號中的諧波含量，并且分別將VDD提供給末級放大器825、830、835。
由于提供分離的高頻帶和低頻帶放大器鏈，因此不需要如同在其他實施例中所提供的同向雙工匹配電路。與其他實施例相比，圖8的實施例通過為每種操作模式提供最佳的插入損耗從而使每個末級放大器的性能最佳。使每種操作模式中的功率需要設(shè)計最佳化導致模子大小、成本以及電流損耗這些特性最佳化。使每個輸出級的損耗最小化因此能使電流損耗和熱量損失最小化。盡管出于空間考慮，這種結(jié)構(gòu)不是理想化的，但是，如果有足夠的空間可以利用，則這種結(jié)構(gòu)對于使電路中浪費的能量數(shù)量最小而言是非常有益的。
圖9示出了本發(fā)明的另一個改進的設(shè)計，其中，在800MHz匹配電路920和雙工器465之間插入一個低損耗隔離器910。包括低損耗隔離器910可以提供一個固定負載以便于飽和末級放大器414功率匹配，這樣使放大器414的功效最大。
圖10示出了本發(fā)明的又一個改進的設(shè)計，其中去掉同向雙工器以利于包括若干天線970A、970B以及相關(guān)天線饋送點950A、950B的天線結(jié)構(gòu)960。通過去掉該同向雙工器，可以消除與該同向雙工器有關(guān)的損耗，進一步增加功效并且減少功率放大器電路中的功率耗散。
已經(jīng)關(guān)于其實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將可以認識到本發(fā)明不局限于這里所描述和所示的特定實施例。在不脫離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的情況下，除了這里所示之外的不同實施例和應用以及許多變型、改變以及等效裝置將是顯然的或可以通過前面說明和附圖合理地得到啟示。因此，這意味著，可以僅通過后面的權(quán)利要求的精神和范圍來限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1．一種用于放大RF信號的功率放大器電路，所述功率放大器電路可選擇地工作于線性模式或非線性模式，并且可選擇地工作來放大位于第一頻帶或第二頻帶中的RF信號，該功率放大器包括用于分別接收第一頻帶和第二頻帶中的RF信號的第一和第二RF輸入端；第一和第二末級放大器；具有一個輸入端、一個低頻帶輸出和一個高頻帶輸出的匹配網(wǎng)絡(luò)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入被耦合到所述第一末級放大器的輸出上；一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于分別響應被設(shè)置于線性模式或非線性模式中的所述放大器電路，有選擇地將所述第二RF輸入端耦合到所述第一和第二末級放大器中的一個上；以及耦合在所述匹配網(wǎng)絡(luò)的高頻帶輸出和第一輸出線之間的一個隔離器。
2．如權(quán)利要求1所述的功率放大器，進一步包括耦合到所述第二末級放大器輸出上的一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；耦合到所述阻抗匹配電路輸出上的一個雙工器；以及耦合到所述阻抗匹配電路低頻帶輸出和所述雙工器輸出上的開關(guān)電路，當有選擇地分別將所述放大器電路設(shè)置為線性模式或非線性模式時，該開關(guān)電路用于有選擇地將所述匹配網(wǎng)絡(luò)的低頻帶輸出或所述雙工器輸出中的一個耦合到第二輸出線上。
3．如權(quán)利要求2所述的功率放大器，進一步包括一個隔離器，連接于所述匹配電路的低頻帶輸出和所述開關(guān)電路之間。
4．如權(quán)利要求3所述的功率放大器，其中將所述第一和第二輸出線連接到一個同向雙工器上。
5．如權(quán)利要求3所述的功率放大器，進一步包括分別與所述第一和第二RF輸入端相連的第一和第二驅(qū)動放大器；所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括耦合到所述第二驅(qū)動放大器輸出上的一個節(jié)點，耦合于所述第一驅(qū)動放大器和所述第一末級放大器輸入之間的第一開關(guān)，耦合于所述節(jié)點和所述第一末級放大器的所述輸入之間的第二開關(guān)，以及耦合于所述節(jié)點和所述第二末級放大器的輸入之間的第三開關(guān)。
6．如權(quán)利要求5所述的功率放大器，進一步包括設(shè)置于所述第一驅(qū)動放大器和所述第一開關(guān)之間的第一濾波器，以及設(shè)置于所述第二驅(qū)動放大器和所述節(jié)點之間的第二濾波器。
7．如權(quán)利要求6所述的功率放大器，其中所述第一和第二濾波器是聲表面波濾波器。
8．如權(quán)利要求2所述的功率放大器，進一步包括一個隔離器，連接于所述阻抗匹配電路和所述開關(guān)電路之間。
9．一種用于放大RF信號的功率放大器電路，所述功率放大器電路可選擇地工作于線性模式或非線性模式，并且可選擇地工作來放大位于第一頻帶或第二頻帶中的RF信號，該功率放大器包括第一和第二RF輸入端，用于分別接收第一頻帶和第二頻帶中的RF信號；第一和第二驅(qū)動放大器；分別與所述第一和第二驅(qū)動放大器相連的第一和第二末級放大器；具有一個輸入端、一個低頻帶輸出和一個高頻帶輸出的匹配網(wǎng)絡(luò)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入被耦合到所述第一末級放大器的輸出上；一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于分別響應被設(shè)置于線性模式或非線性模式中的所述放大器電路，有選擇地將所述第二RF輸入端耦合到所述第一和第二驅(qū)動放大器中的一個上。
10．如權(quán)利要求1所述的功率放大器，進一步包括耦合在所述匹配網(wǎng)絡(luò)的高頻帶輸出和第一輸出線之間的一個隔離器。
11．如權(quán)利要求9所述的功率放大器，進一步包括耦合到所述第二末級放大器輸出上的一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；耦合到所述阻抗匹配電路輸出上的一個雙工器；以及耦合到所述阻抗匹配電路低頻帶輸出和所述雙工器輸出上的開關(guān)電路，當有選擇地分別將所述放大器電路設(shè)置為線性模式或非線性模式時，該開關(guān)電路用于有選擇地將所述匹配網(wǎng)絡(luò)的低頻帶輸出或所述雙工器輸出中的一個耦合到第二輸出線上。
12．如權(quán)利要求11所述的功率放大器，進一步包括耦合在所述匹配網(wǎng)絡(luò)的低頻帶輸出和所述開關(guān)電路之間的一個隔離器。
13．如權(quán)利要求12所述的功率放大器，其中將所述第一和第二輸出線耦合到同向雙工器上。
14．如權(quán)利要求12所述的功率放大器，其中所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括耦合到所述第二RF輸入端上的一個節(jié)點，耦合于所述第一RF輸入端和所述第一驅(qū)動放大器的一個輸入之間的第一開關(guān)，耦合于所述節(jié)點和所述第一驅(qū)動放大器的所述輸入之間的第二開關(guān)，以及耦合于所述節(jié)點和所述第二驅(qū)動放大器的一個輸入之間的第三開關(guān)。
15．如權(quán)利要求14所述的功率放大器，進一步包括設(shè)置于所述第一RF輸入端和所述第一開關(guān)之間的第一濾波器，以及設(shè)置于所述第二RF輸入端和所述節(jié)點之間的第二濾波器。
16．如權(quán)利要求15所述的功率放大器，其中所述第一和第二濾波器是聲表面波濾波器。
17．如權(quán)利要求10所述的功率放大器，進一步包括連接于所述阻抗匹配電路和所述開關(guān)電路之間的一個隔離器。
18．一種用于放大RF信號的功率放大器電路，所述功率放大器電路可選擇地工作于線性模式或非線性模式，并且可選擇地工作來放大位于第一頻帶或第二頻帶中的RF信號，該功率放大器包括用于分別接收第一頻帶和第二頻帶中的RF信號的第一和第二RF輸入端；耦合到所述第一RF輸入端的第一TDMA末級放大器；第二TDMA末級放大器；一個飽和放大器；以及一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于分別響應被設(shè)置于線性模式或非線性模式中的所述放大器電路，有選擇地將所述第二RF輸入端耦合到所述第二TDMA放大器和所述飽和放大器中的一個上。
19．如權(quán)利要求18所述的功率放大器，進一步包括與所述第一TDMA放大器的一個輸出相連的第一隔離器；與所述第二TDMA放大器的一個輸出相連的第二隔離器；與所述飽和放大器相連的一個雙工器。
20．如權(quán)利要求19所述的功率放大器，進一步包括開關(guān)電路，耦合到所述第二隔離器和所述雙工器的一個輸出上，該開關(guān)電路用于有選擇地將所述第二TDMA放大器的所述輸出以及所述飽和放大器的所述輸出耦合到第一輸出線上從而分別響應被設(shè)置于TDMA模式或飽和模式的所述放大器電路。
21．一種用于放大RF信號的功率放大器電路，所述功率放大器電路可選擇地工作于線性模式或非線性模式，并且可選擇地工作來放大位于第一頻帶或第二頻帶中的RF信號，該功率放大器包括具有一個高頻帶輸入和一個低頻帶輸入的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)；與所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)相連的一個驅(qū)動放大器級；具有一個TDMA放大器和一個飽和放大器的一個末級放大器級；其中響應對于TDMA模式或模擬模式的一個選擇，將所述的低頻帶輸入耦合到所述TDMA放大器或所述飽和放大器中的一個上。
全文摘要
一種功率放大器,具有包括一個低頻帶驅(qū)動放大器和高頻帶驅(qū)動放大器的驅(qū)動放大級。末級放大器級包括一個用于放大數(shù)字調(diào)制信號的一個線性模式放大器和一個用于放大頻率調(diào)制(模擬)信號的飽和(非線性)模式放大器。一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接驅(qū)動放大器級和末級放大器級。根據(jù)所需的操作模式,將一個合適的驅(qū)動放大器耦合到一個合適的末級放大器上以便于最有力以及最有效地放大處于任何一種頻帶范圍內(nèi)的模擬或數(shù)字RF信號。將一個匹配電路耦合到線性模式末級放大器上以用于阻抗匹配以及用于分離D－AMPS(800MHz頻帶)和PCS(1900MHz頻帶)數(shù)字信號。將一個功率阻抗匹配電路耦合到飽和模式末級放大器的輸出端。在一個實施例中,將一個隔離器耦合到同向雙工匹配電路的一個或多個低頻帶或高頻帶輸出上。在低頻帶模擬通路中,在耦合裝置之前提供一個雙工器以減小耦合裝置所需的RF功率。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和輸入濾波器級可以位于驅(qū)動放大器級之前。
文檔編號H04B1/40GK1324514SQ99812472
公開日2001年11月28日 申請日期1999年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月22日
發(fā)明者R·D·貝施, R·C·梅多夫斯 申請人:艾利森公司