усилитель мощности с двойным режимом работы

Формула изобретения

1. Усилитель мощности с двойным режимом работы, содержащий, по меньшей мере, одно усилительное устройство, имеющее вход коллекторного питания, сигнальный вход и выход, причем усилительное устройство, генерирующее сигнал на выходе, имеет усиленные параметры входного сигнала, подаваемого на сигнальный вход, устройство преобразования напряжения, содержащее вход для подачи питания и выход, подключенный к входу коллекторного питания, отличающееся тем, что устройство преобразования напряжения дополнительно содержит вход выбора режима для генерирования первого напряжения на выходе в ответ на первый управляющий сигнал и второго напряжения в ответ на второй управляющий сигнал, причем первый и второй управляющие сигналы поступают на вход выбора режима.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что на вход для подачи питания поступает напряжение Vcc, а второй управляющий сигнал является по существу равным напряжению Vcc.

3. Усилитель по п.2, отличающийся тем, что первый управляющий сигнал является напряжением, которое на 3,2 дБ меньше, чем второй управляющий сигнал.

4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что первым управляющим сигналом выбирается аналоговый режим, а вторым управляющим сигналом выбирается цифровой режим.

5. Усилитель по п. 4, отличающийся тем, что устройство преобразования напряжения является импульсным источником питания с напряжением Vcc на входе для подачи питания, причем импульсный источник питания отключается в цифровом режиме, тем самым позволяя напряжению Vcc пройти через устройство преобразования напряжения к выходу, и включается в аналоговом режиме для подачи к выходу заранее установленного напряжения.

6. Усилитель по п.4 или 5, отличающийся тем, что при подаче к сигнальному входу сигнала постоянной огибающей выбирается аналоговый режим.

7. Усилитель по п.6, отличающийся тем, что сигнал постоянной огибающей является частотно модулированным сигналом.

8. Усилитель по п.4 или 5, отличающийся тем, что при подаче к сигнальному входу сигнала переменной огибающей выбирается цифровой режим.

9. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что сигнал переменной огибающей является сигналом, модулированным способом /4-дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится в основном к области усилителей, а более конкретно к усилителям мощности с двойным режимом работы.

Предшествующий уровень техники

Быстрое увеличение числа радиотелефонов для сотовых структур связи, связанное с желанием иметь дополнительные услуги, привело к использованию более современных способов радиосвязи, например, многостанционного доступа с временным уплотнением каналов (МДВУ). МДВУ увеличивает емкость системы по сравнению с современной аналоговой системой благодаря использованию цифровой модуляции и способам кодирования речи. Передача способом МДВУ имеет несколько временных окон.

Линейный способ модуляции /4 DQPSK (относительная квадратурная фазовая манипуляция по восьми точкам) используется для передачи цифровой информации по каналу. Использование линейной модуляции в американской сотовой системе связи обеспечивает эффективное использование спектра, что допускает передачу данных по каналу со скоростями 48,6 кбит/с. Модуляция /4 DQPSK обеспечивает передачу цифровой информации с кодированием последовательной пары битов (двойной информации), известных как символы, в пределах одного из четырех фазовых углов (/4, 3/4) с использованием кода Грея. Эти углы кодируются дифференциально, чтобы получить 8-точечное созвездие.

Передатчики, предназначенные для использования в американской цифровой сотовой системе радиосвязи, должны работать и в аналоговом и в цифровом режимах. Цифровой режим использует модуляцию DQPSK со сдвигом /4 и может быть реализован при помощи линейного передатчика. Аналогичный режим использует обычную частотную модуляцию и допускает применение нелинейных передатчиков с более высоким КПД.

Обычные линейные усилители имеют по закону меньше КПД, чем усилители постоянной огибающей благодаря этим типам сигналов, которые они могут усиливать. Усилитель постоянной огибающей может выдать сигнал на выходе только на одном уровне мощности во времени. Следовательно, он может быть оптимизирован по максимальному КПД на этом уровне мощности. Эта оптимизация влечет размещение нагрузочного импеданса на устройстве так, что для вычисленной выходной мощности амплитуда коллекторного напряжения переменного тока почти равна или даже превышает напряжение питания постоянного тока. В таком состоянии усилитель почти точно или фактически находится в состоянии насыщения и имеет оптимальный КПД.

Линейный усилитель должен усиливать сигналы на уровнях мощности, которые изменяются в течение времени с какой бы то не было амплитудной модуляцией, которая бы отразилась на входном сигнале. В линейном усилителе насыщение исключается или возможно некоторое искажение огибающей. Это искажение приводит к потере амплитудной информации и распространению спектра передачи на соседние каналы. Схема усилителя должна усиливать так, что при максимальной мощности на выходе усилитель не имеет состояния насыщения. Поскольку усилитель можно оптимизировать на хорошем КПД при максимальном уровне мощности на выходе, то КПД быстро падает по мере уменьшения выходной мощности.

Из-за этого у американской системы цифровой сотовой радиосвязи имеется проблема, которая должна работать и в линейном, и с постоянной огибающей режимах. Сравнивая современные аналогичные радиопередатчики с усилителями постоянной огибающей, КПД будет намного ниже, чем в цифровых радиопередатчиках. В линейном режиме работы КПД оптимизируется для максимальной мощности на выходе, но в этом случае сигнал действует только в течение короткого периода времени. Средняя величина КПД будет меньше, чем КПД для максимальной мощности из-за этого. Для цифровой сотовой системы радиосвязи это не является жестким ограничением, поскольку в системе МДВУ передатчик используется только в течение 1/3 времени (только каждое третье временное окно используется передатчиком). Даже если средняя величина КПД очень низкая в этом режиме работы, то ток передачи не намного меньше (а может быть выше), чем у обычного аналогового радиопередатчика.

Проблема усложняется в том случае, когда аналоговый радиопередатчик используется для аналогового вызова с помощью сигнала с постоянной огибающей. В настоящее время передатчик остается включенным в течение 100% времени переговоров и, поскольку он работает при средней мощности, которая на 3,2 дБ меньше максимальной величины мощности на выходе, КПД имеет очень малую величину. Информация, действующая на контрольных схемах, вызывает падение на 12% в пределах верхней части диапазона. Это равнозначно существенному увеличению тока передачи. Требования увеличенного потребления тока будут значительно снижены временем, в течение которого будут использоваться аккумуляторы для питания радиотелефона. В конечном счете появляется необходимость использования схемы усилителя, которая эффективно работает и в линейном, и с постоянной огибающей режимах.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение охватывает двухрежимный усилитель мощности, который состоит из не менее одного усилительного устройства. Это усилительное устройство имеет вход коллекторного напряжения, питания, сигнальный вход и выход. Каждое усилительное устройство формирует сигнал на выходе, который имеет параметры усилительного входного сигнала, подаваемого на сигнальный вход.

Двухрежимный усилитель мощности, кроме этого, имеет устройство преобразования напряжения, имеющее вход выбора режима, вход и выход усиленного сигнала. Устройство преобразования напряжения генерирует первое напряжение на выходе в ответ на появление первого управляющего сигнала, второе напряжение на выходе в ответ на появление второго управляющего сигнала. Первый и второй управляющие сигналы подаются на вход выбора режима усиления усилительного устройства. Выход преобразователя напряжения связан с входом источника коллекторного напряжения усилительного устройства.

Краткое описание изобретения

Фиг. 1 изображает предложенный вариант исполнения двухрежимного усилителя мощности настоящего изобретения.

На фиг. 2 приводится другой вариант исполнения двухрежимного усилителя мощности настоящего изобретения.

Фиг. 3 изображает блок-схему программы способа усиления в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 изображен еще один вариант исполнения двухрежимного усилителя мощности в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 изображает блок-схему типового радиотелефона в соответствии с настоящим изобретением.

Варианты осуществления изобретения

Двухрежимный усилитель мощности работает линейно в линейном режиме при использовании в цифровой сотовой системе, а также в режиме с постоянной огибающей при использовании в аналоговой сотовой системе, реализованной в соответствии с настоящим изобретением. Подобная эффективная работа получается без использования схемы ВЧ коммутации.

Предложенный вариант исполнения настоящего изобретения иллюстрируется на фиг. 1. B состав усилителя включены оконечный каскад усилителя мощности (101) и два предусилителя усилителя мощности (102, 103), соединенные с входом ВЧ сигнала (502). Усилители мощности (101 - 103) включены последовательно с оконечным усилителем мощности (101), обеспечивающим выход усиленного ВЧ сигнала. Усилители мощности (101 - 103), используемые в предложенном варианте исполнения изобретения, реализованы на базе микросхемы MHW927A, изготовленные фирмой Моторола, Инк.

Преобразователь напряжения (104) подсоединен к источнику коллекторного напряжения каждого каскада усилителя мощности. Преобразователь напряжения (104) должен быть эффективным источником, каким в предложенном варианте исполнения изобретения является импульсный источник питания. Преобразователь напряжения (104) подключается к напряжению V_cc, которое равно 12,5 В в варианте исполнения. Преобразователь напряжения (104) способен обеспечить напряжением в два номинала от V_cc. Какое напряжение выдать устанавливается линией выбора аналогового или цифрового режима (105), соединенной с преобразователем (104). Логический сигнал высокого потенциала на этой линии связи (105) устанавливает аналогичный режим, а логический сигнал низкого потенциала устанавливает цифровой режим. В предложенном варианте высоковольтный логический сигнал равен +5 В, а низковольтный логический сигнал равен 0 В. Аналоговый режим соответствует, как уже принято в технике, режиму с постоянной огибающей, а цифровой режим называется линейным.

В том случае, когда устанавливается цифровой режим, преобразователь напряжения (104) выдает напряжение V₁, которое почти равно напряжению V_cc, т.е. в предложенном примере равно 12,5 В. Оно соответствует рассчитанному напряжению усилителей мощности (101 - 103) и позволяет усилителям (101 - 103) иметь свое заложенное проектом значение линейности при его номинальном значении мощности на выходе. Подача напряжения 12,5 В на усилители мощности (101 - 103) достигается отключением преобразователя напряжения (104) и включением внутреннего проходного устройства, которое позволяет всему напряжению V_cc достичь усилителей с минимальной потерей. Проходным устройством является транзистор, поэтому напряжение V_cc минус падение напряжения на транзисторе равняется тому напряжению, которое подается на усилители мощности.

Если выбирается аналоговый режим, то включается преобразователь напряжения (104) и появляется заранее заданное напряжение V₂ у усилителей мощности (101 - 103), которое значительно меньше, чем напряжение V_cc. В предложенном варианте это напряжение равно 8,65 В. С этим пониженным напряжением питания амплитуда переменной составляющей коллекторного напряжения при пониженной выходной мощности будет снова почти равна напряжению питания постоянного тока как это было для максимальной выходной мощности при линейном режиме усиления с более высоким напряжением питания V_cc. Следовательно, КПД в аналогом режиме все еще остается оптимальным.

В идеальном вараинте соотношение между V₁ и V₂ совпадает с отношением между мощностью с линейным максимум на выходе и мощностью режима усиления сигнала с постоянной огибающей. В случае американской цифровой сотовой системы радиосвязи это отличие равно 3,2 дБ, поэтому V₂ на 3,2 дБ меньше V₁. Однако для оптимальной работы в состоянии фактического насыщения разность между напряжениями V₁ и V₂ отличается от принятого для идеального случая значения из-за действия насыщения и других допущений, неучитываемых в идеальном случае.

Для того, чтобы проиллюстрировать использование усилителя мощности, работающего в двух режимах усиления, реализованного в соответствии с настоящим изобретением, сразу предложим, что гибридный цифроаналоговый радиотелефон используется в американской цифровой сотовой системе радиосвязи. Сигнал выбора режима (105) имеет низкий потенциал, который устанавливается цифровой режим. Таким образом отключается импульсный источник питания, что позволяет напряжение V_cc, равное 12,5 В, использовать для коллекторного питания усилителей мощности (101 - 103). Более высокое коллекторное напряжение позволяет усилителям мощности (101 - 103) работать в линейном режиме с их заданным значением мощности при номинальном значении выходной мощности.

Если радиотелефон работает в аналоговой сотовой системе, то сигнал выбора режима (105) имеет высокий уровень потенциала, которым выбирается аналоговый режим работы усилителей. Импульсный источник питания (104) включается, вырабатывая напряжение 8,65 В, которое поступает на коллекторы усилителей мощности (101 - 103). Поскольку передаваемым сигналом является сигнал постоянной огибающей при пониженной выходной мощности, то уменьшенное коллекторное напряжение позволяет усилителям мощности (101 - 103) иметь более высокий КПД при коллекторном напряжении переменной составляющей, почти равной напряжению питания. Описанный выше способ питания настоящего изобретения объясняется блок-схемой фиг. 3.

Еще один пример исполнения настоящего изобретения приводится на фиг. 2. В этом примере используется такой модуль 4-каскадного усилителя модности как модуль MHW927A фирмы Моторола. Напряжение смещения для последних двух каскадов (203) и напряжение смещения, и напряжение питания для первых двух каскадов (204) объединены между собой. Коллекторы у последних двух каскадов объединены также между собой. Эти коллекторы подсоединены к преобразователю напряжения (204), который выдает два номинала напряжений. Преобразователь напряжения (204) аналогичен преобразователю напряжения (104), который рассмотрен в предложенном примере. Сигнал, который должен быть усилен, подается на ВЧ вход (502), а на ВЧ выходе (202) появляется усиленный сигнал. Схема выбора напряжения смещения (401), представленная более подробно на фиг. 4, формирует напряжение смещения V_bb.

Выбор напряжения V_bb обеспечивается линией выбора аналогового или цифрового режима (516). Устанавливая на этой линии низкопотенциальное напряжение, чтобы выбрать цифровой режим, отключается транзистор (412), обеспечивая напряжением смещения только оконечный каскад (420) усилителя мощности, равным падению напряжения на диоде (411) 0,70 В. Теперь усилитель мощности находится в линейном режиме усиления. В том случае, когда на линии выбора аналогового или цифрового режима (516) появляется напряжение высокого потенциала, транзистор (412) переходит в состояние насыщения, а напряжение на оконечном каскаде (420) усилителя мощности равно напряжению насыщения 0,20 В транзистора (412). Резистор (410), подключенный к контактному выводу коллектора транзистора (412), выбирается очень малого номинала, т.е. в предложенном примере он равен 0,1 Ом, для ограничения тока. Каскады предварительного усиления усилителя мощности (421 - 422) постоянно обеспечены напряжением V_bb, которое является напряжением смещения.

Пример на фиг. 2 будет использован для иллюстрации величины КПД, обеспечиваемой усилителем мощности с двойным режимом работы. Линия соединения напряжения смещения удерживается на уровне 9,5 В. Коллекторное напряжение последних двух каскадов изменялось в пределах от номинальной величины напряжения питания 12,5 В до значения 8,65 В, которое на 3,2 дБ меньше. Результаты этой операции приведены в таблице.

Кпд системы был вычислен при допуске, что сопротивление полевого транзистора токопроводящего устройства при работе в цифровом режиме равно 0,2 Ом и что КПД преобразователя напряжения при работе в аналоговом режиме равно 85%. Вычисление КПД для усилителей мощности определяется по следующей формуле



где P_o - выходная мощность.

Кпд системы вычисляется с появлением мощности рассеяния преобразователя напряжения в знаменатель уравнения для _pa. Приведенная выше таблица показывает, что, даже при более высоких потерях преобразователя, принцип работы все еще улучшает КПД на 4% по сравнению с цифровым режимом работы.

На фиг. 5 воспроизводится блок-схема обычного передатчика радиосвязи, реализованного в соответствии с настоящим изобретением. Реальная схема, составленная из функциональных блоков чертежа, может быть смонтирована на одной или нескольких печатных платах и помещена внутри обычного корпуса радиотелефона. Радиопередатчику требуется только высокоэффективный усилитель модности с двойным режимом работы (104) согласно настоящему изобретению, заставляющий работать этот усилитель либо в линейном режиме, либо в нелинейном режиме. Эффективность усиления ЧМ сигнала и усиления сигнала, модулированного способом модуляции /4 DQPSK, таким образом, возможна при одновременной минимизации габаритов и затрат на изготовление печатной платы.

Микрофон (54) преобразует речевой сигнал в электрический, информационный сигнал, поступаемый по линии (56), используется, когда, подобно обычной сотовой радиотелефонной связи, ЧМ информационный сигнал должен формироваться радиотелефоном. Информационный сигнал, поступаемый по линии (58), используется, когда цифровой кодированный сигнал модулирован в форме сложного модулированного информационного сигнала, который должен формироваться радиотелефоном.

Информационный сигнал, действующий на линии (56), поступает в задающий генератор, управляемый напряжением (60), где информационный сигнал объединяется с сигналом задающего генератора определенной частоты. Частотно-модулированный информационный сигнал (62) генерируется генератором (60), управляемый напряжением, для модулятора (64). Когда радиотелефон должен передать ЧМ информационный сигнал, модулятор (64) фактически не изменяет ЧМ информационный сигнал (62), а только "пропускает сквозь" ЧМ информационный сигнал. Задающий генератор (60) и модулятор (64) вместе могут составить гибридную аппаратуру модуляции (68).

информационный сигнал (58) поступает в вокодер (72), где аналоговый информационный сигнал преобразуется в цифровой сигнал и кодируется согласно способу кодирования и формируется цифровой, кодированный сигнал (76), который поступает в модулятор (64). Модулятор (64) модулирует цифровой, кодированный сигнал (76), чтобы получить сложный, модулированный информационный сигнал с заранее заданной частотой.

Модулированный информационный сигнал, модулированный либо с помощью способа частотной модуляции, либо с помощью способа модуляции сигналом сложной конфигурации, поступает в смеситель (80). Смеситель (80) преобразует этот сигнал с помощью несущей, сдвинутой на частоту передачи, генерируемой синтезатором (90), и поступает в смеситель (80). Смеситель (80) преобразует модулированный информационный сигнал с помощью несущей (92). После этого смеситель (80) выдает модулированный информационный сигнал (96) на несущей частоте, определяемой частотой задающих генераторов- синтезаторов (90 и 60).

Модулированный информационный сигнал (96) поступает в фильтр (540), который пропускает полосу частот, расположенную почти симметрично или точно относительно частоты несущей, передаваемой формы колебания. Этот фильтр (540) выдает отфильтрованный сигнал (502), содержащий модулированный информационный сигнал, который поступает в усилитель мощности (500), реализованный согласно настоящему изобретению. Усилитель мощности (500) усиливает модулированный информационный сигнал до уровней мощностей, необходимых для подачи через антенну (506). Перед передачей усиленный сигнал, как показано на фиг. может быть отфильтрован вторым фильтром (507), который может, например, составлять часть схемы дуплексера (антенного переключателя). Фильтр (507) размещается включенным последовательно между усилителем мощности (500) и антенной (506).

Процессор (508) выдает управляющие сигналы (510, 512, 514 и 515), чтобы управлять работой задающего генератора (60), вокодера (72), модулятора (64) и синтезатора (90) соответственно, которые управляют модуляцией информационного сигнала, генерируемого микрофоном (54).

Процессор (508) устанавливает, что информационный сигнал, формируемый микрофоном (54), или модулируется задающим генератором (60), чтобы получить ЧМ информационный сигнал, или, наоборот, кодируется вокодером (72) согласно требованиям схемы цифрового кодирования и модулируется модулятором (64), чтобы получить сложный модулированный информационный сигнал.

Так как модулированные сигналы, поступаемые в усилитель (500), в предложенном примере, являются частотно-модулированными или модулированными сложным образом сигналами, то процессор (508) выдает сигнал выбора аналогового или цифрового режима (516) в усилитель (500), чтобы заставить работать усилитель (504) либо в линейном режиме, либо в нелинейном режиме. Линейный режим допускается в том случае, когда должен быть передан модулированный сигнал способом /4 DQPSK, а нелинейный режим допускается в том случае, когда должен быть передан ЧМ сигнал.

На фиг. 5 к тому же приведена схема приемника радиотелефона для сигнала, передаваемого в антенну (506). Сигнал, передаваемый в антенну (506), поступает в фильтр (517), который пропускает сигналы нужных частот, в смеситель (518). Смеситель (518) принимает сигнал задающего генератора (519) из синтезатора (90) и генерирует преобразованный сигнал, который поступает в демодулятор (520). Демодулятор (520) обеспечивает демодулированным, электрическим информационным сигналом громкоговоритель (521). Процессор (508) может выдать сигнал (520A) в демодулятор (120), чтобы управлять его работой. Громкоговоритель (521) преобразует электрические информационные сигналы в звуковые сигналы.