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Dokumentenidentifikation DE60124448T2 03.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001148633
Titel Hochfrequenzschaltung mit Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung
Anmelder Kabushiki Kaisha Toshiba, Kawasaki, Kanagawa, JP
Erfinder Yamaguchi, c/o Intellectual Property Div., Keiichi, Tokyo, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60124448
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.04.2001
EP-Aktenzeichen 013032511
EP-Offenlegungsdatum 24.10.2001
EP date of grant 15.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H03F 1/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H03F 3/72(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzschaltung zum Realisieren eines Leistungsverstärkers mit hohem Wirkungsgrad mit einem weiten Ausgangsleistungsbereich, welcher zum Beispiel für eine Verwendung in einem Mobiltelefon oder ähnlichem geeignet ist, und eine Kommunikationseinrichtung, in der eine solche Hochfrequenzschaltung verwendet wird.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Im Allgemeinen weist der Leistungsverstärker einen Wirkungsgrad auf, welcher bei niedriger Ausgangsleistung abnimmt, da sein Wirkungsgrad für hinzugefügte Leistung wächst, wenn die Ausgangsleistung erhöht wird, und den maximalen Wert in einer Umgebung des Sättigungspunktes der Ausgangsleistung erreicht. 1A zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad und der Ausgangsleistung bei niedriger Ausgangsleistung in einem allgemeinen Verstärker. Hierbei ist der Wirkungsgrad ein Wert, der erhalten wird, indem man eine HF-(hoher Ausgang)Ausgangsleistung durch eine DC-(Gleichstrom-)Eingangsleistung dividiert, und welcher einem Kollektor-Wirkungsgrad eines bipolaren Transistors und einem Senken-Wirkungsgrad eines Feldeffekttransistors entspricht. 1B zeigt eine inverse Funktion des in 1A dargestellten Wirkungsgrades im logarithmischen Maßstab.

Wie in 1A und 1B dargestellt, verschlechtert sich der Wirkungsgrad nach und nach von 72 % bei der Ausgangsleistung von 30 dBm (genau genommen, dBmW, jedoch wird im Folgenden die Abkürzung dBm verwendet) auf 21,8 % bei der Ausgangsleistung von 20 dBm, 4,7 % bei der Ausgangsleistung von 10 dBm und 1,5 % bei der Ausgangsleistung von 5 dBm. Dementsprechend erhöht sich das Verhältnis der DC-Eingangsleistung zur HF-Ausgangsleistung nach und nach auf 1,4 bei der Ausgangsleistung von 30 dBm, 4,6 bei der Ausgangsleistung von 20 dBm, 21,2 bei der Ausgangsleistung von 10 dBm und 67,1 bei der Ausgangsleistung von 5 dBm.

Die Ursache dieser Verschlechterung des Wirkungsgrades bei niedriger Ausgangsleistung wird nun anhand eines vereinfachten Modells eines idealen Transistors erläutert. 2A und 2B zeigen Diagramme, die eine Beziehung zwischen Strom und Spannung bei den Wechselströmen angeben.

In 2A und 2B wird angenommen, dass eine Lastlinie so verläuft, wie es durch eine Strichpunktlinie KB angegeben ist, dass die Ausgangsspannung die Form einer Sinuswelle mit einem auf eine Vorspannung eingestellten Mittelwert hat und dass der Ausgangsstrom die Form einer Welle Iout(t) hat, die einer Einweggleichrichtung unterzogen wurde. Es ist anzumerken, dass Punkt B in 2A und 2B dem Vorspannungspunkt entspricht.

2A und 2B zeigen den Fall des B-Betriebs. Die HF-Ausgangsleistung ist durch das Produkt des Effektivwertes der Grundwellenkomponente Vout der Ausgangsleistung und des Effektivwertes der Grundwellenkomponente Il(t) gegeben. Die Hälfte der Fläche des Rechteckes mit dem Punkt R und dem Punkt B als einander diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten entspricht der HF-Ausgangsleistung.

Die DC-Eingangsleistung ist durch das Produkt der Vorspannung und des Mittelwertes des Ausgangsstroms Iout(t) gegeben, welches der Fläche des Rechteckes mit dem Punkt D und dem Punkt B als einander diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten (welches im Weiteren als das Rechteck DB bezeichnet wird) in 2A und 2B entspricht. Der Wirkungsgrad ist durch das Verhältnis dieser zwei Flächen gegeben.

Gegenüber dem Fall von 2A sind im Fall von 2B sowohl die Stromamplitude als auch die Spannungsamplitude auf 1/2 verringert, so dass die Ausgangsleistung 1/4 beträgt. Andererseits ist der Gleichstrom durch einen Mittelwert des HF-Stromes gegeben, so dass er ebenfalls auf 1/2 verringert ist; jedoch ist die Gleichspannung auf den Punkt B fixiert, so dass die Fläche des Rechteckes DB 1/2 beträgt. Infolgedessen wird jedes Mal, wenn die HF-Ausgangsleistung auf 1/4 verringert wird (–6 dB), der Wirkungsgrad auf 1/2 verringert. In der Praxis ist die Geschwindigkeit der Verschlechterung des Wirkungsgrades infolge des Einflusses der Kniespannung oder der Tatsache, dass der Betrieb in Wirklichkeit der AB-Betrieb ist, größer als 1/2.

Herkömmlicherweise besteht ein Weg, eine solche Verschlechterung des Wirkungsgrades bei niedriger Ausgangsleistung zu kompensieren, darin, eine Verstärkerschaltung wie in 3A dargestellt zu verwenden.

Bei dieser herkömmlichen Verstärkerschaltung sind nämlich, wie in 3A dargestellt, mehrere Verstärker mit unterschiedlichen maximalen Ausgangsleistungen, AMP1 (mit einer maximalen Ausgangsleistung von –20 dBm), AMP2 (mit einer maximalen Ausgangsleistung von 5 dBm) und AMP3 (mit einer maximalen Ausgangsleistung von 30 dBm) in Reihe geschaltet, während Vorspannungsschaltungen 75 und 76 bezüglich der AMP2 und AMP3 der späteren Stufen vorgesehen sind und eine Verbindungsform gewählt wird, indem Schalterstromkreise S71, S72, S73 und S74 umgeschaltet werden, so dass eine geeignete Leistungsverstärkung gewählt wird.

Jedoch gibt es, wie aus dem in 3B dargestellten Verstärkungsdiagramm ersichtlich ist, bei der oben beschriebenen herkömmlichen Verstärkerschaltung Fälle, in denen eine Leistung ausgegeben wird, welche in einem Bereich (B in 3B) der Ausgangsleistung zwischen 5 dBm und 30 dBm um bis zu 25 dB niedriger ist als die maximale Ausgangsleistung 30 dBm von AMP3 oder die maximale Ausgangsleistung 5 dBm von AMP2, so dass die Verschlechterung des Wirkungsgrades verursacht wird. In ähnlicher Weise ist selbst in einem Bereich (D in 3B) der Ausgangsleistung zwischen –20 dBm und 5 dBm ein Anstieg der aufgenommenen Leistung infolge der Verschlechterung des Wirkungsgrades vorhanden, obwohl er nicht so stark ist wie in dem oben beschriebenen Bereich B.

Außerdem beträgt, wie in 3A dargestellt, die Verstärkung jeder Stufe gewöhnlich ungefähr 25 dB, so dass es schwierig ist, die Verschlechterung des Wirkungsgrades durch das oben beschriebene Verfahren wesentlich abzuschwächen. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, ein Verfahren in Betracht zu ziehen, bei dem eine größere Anzahl von Verstärkungsstufen verwendet wird, doch in einem solchen Falle ist zu erwarten, dass die minimale Einheit für die Verstärkungsstufen, welche praktisch realisierbar ist, 10 dB bis 15 dB beträgt, entsprechend der Verstärkung pro Stufe eines Transistors.

In diesem Falle ist es notwendig, die Eingangs-/Ausgangsimpedanz jeder Stufe abzugleichen, und es kann eine Konversion nach oben zu einer höheren Impedanz erforderlich sein, anstelle der gewöhnlich geforderten konjugierten Anpassung von benachbarten Transistoren, was eine Erhöhung der Verluste oder eine Komplizierung einer Schaltungskonfiguration verursachen kann.

Aus diesem Grunde wurde gemäß dem Stand der Technik ein Verfahren zum Optimieren der Lastlinie des Verstärkers einer beliebigen Stufe entsprechend der Ausgangsleistung vorgeschlagen. 4A zeigt schematisch eine Schaltung zur Realisierung dieses herkömmlichen Optimierungsverfahrens.

Die in 4A dargestellte Schaltung realisiert ein Verfahren zum Umschalten einer effektiven Transistorgröße des Verstärkers, wobei mehrere Verstärker 14a und 14b parallelgeschaltet sind, während Eingangsschalter Si1 und Si2 und Ausgangsschalter So1 und So2 an der Eingangsseite bzw. der Ausgangsseite dieser Transistoren 14a und 14b vorgesehen sind und Eingangssignale von einer variablen Anpassungsschaltung 131 in einen Transistor mit geeigneter Gate-Länge oder Emitter-Fläche durch Umschalten der Schalter Si1, Si2, So1 und So2 eingespeist werden und verstärkte Signale zu einer variablen Anpassungsschaltung 130 ausgegeben werden. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt die Anpassung an einen passenden Zustand, der für eine jeweilige Transistorgröße geeignet ist, durch die variablen Anpassungsschaltungen 131 und 130.

In einer solchen herkömmlichen Verstärkerschaltung kann im Ergebnis dessen, dass mehrere Transistoren 14a und 14b selektiv auf geeignete Weise kombiniert werden, die unnötige Leistungsaufnahme verringert werden, indem die Anzahl der Transistoren verringert wird, welche bei niedriger Ausgangsleistung wirksam sind, so dass die Ströme verringert werden und der Maximalwert variiert wird, wodurch der Wirkungsgrad bei der niedrigen Ausgangsleistung maximiert wird.

In der in 4A dargestellten Schaltung wird die maximale Ausgangsleistung auf 1/2 verringert, indem die Transistorgröße auf 1/2 verringert wird, so dass der Wirkungsgrad für die Leistung in einem schmalen Bereich von ungefähr 3 dB maximiert werden kann. Um jedoch einen Bereich zu steuern, der eine Breite von 24 dB hat, wie im Falle von 3A und 3B, würde, da 24/3 = 8 ist, eine Anzahl von 28 = 256 getrennten Transistorzellen benötigt.

Außerdem ist es bei der in 4A dargestellten Schaltung notwendig, die Anpassungsbedingung sogar dann zu erfüllen, wenn sich der Anstieg der Lastlinie von BK1 zu BK2 ändert, so dass es erforderlich ist, die Anpassungsschaltung gleichzeitig zu ändern. Eine solche variable Anpassungsschaltung kann entweder durch eine in 5A dargestellte Schaltung realisiert werden, in welcher eine variable Induktivität 11 und ein variabler Kondensator 12 kombiniert sind, oder durch eine in 5B dargestellte Schaltung, in welcher verteilte konstante Schaltungen 14 bis 16 durch Schalter S1 und S2 verbunden werden, oder durch eine in 5C dargestellte Schaltung, in welcher Anpassungsschaltungen 13a und 13b unterschiedlicher Typen durch Schalter Si11, Si12, So11 und So12 umgeschaltet werden. Die Mechanismen dieser Schaltungen sind jedoch alle kompliziert, so dass die Vergrößerung einer Implementierungsfläche verursacht werden kann. Außerdem treten Verluste im Schalter, in der variablen Induktivität und der variablen Kapazität auf, so dass ihre Verwendung in der Anpassungsschaltung des Leistungsverstärkers nicht zu bevorzugen ist, da sie eine Verschlechterung des Wirkungsgrades verursachen können.

Ein weiterer Weg, um die Verschlechterung des Wirkungsgrades bei niedriger Ausgangsleistung zu kompensieren, besteht darin, eine Verstärkerschaltung zu verwenden, wie sie in 6A dargestellt ist. Diese Verstärkerschaltung realisiert ein Verfahren zur Optimierung der Stromquellenspannung, die dem Verstärker zuzuführen ist, entsprechend der Ausgangsleistung, wobei eine an einen Transistor 17 anzulegende Spannung Vdc durch variable Spannungsquellen 9 und 10 so eingestellt wird, dass der Vorspannungspunkt von B2 nach B1 bewegt wird und die Lastlinie von K2B2 in K1B1 geändert wird, wie in 6B dargestellt, so dass die Leistung und die Spannungsamplitude auf der Lastlinie maximiert werden. In diesem Falle kann die Anpassung von Eingang/Ausgang durch konstante Anpassungsschaltungen 181 und 180 anstatt durch variable Anpassungsschaltungen erfolgen.

In der in 6A dargestellten Schaltung wird die kontinuierliche Einstellung der Ausgangsleistung möglich, doch bleibt, wie in 6B dargestellt, der Anstieg der Lastlinien (K1B1 und K2B2) unverändert, so dass die variable Anpassungsschaltung im Grunde genommen unnötig ist und die HF-Ausgangsleistung zur Realisierung des maximalen Wirkungsgrades um ungefähr 6 dB verringert wird, wenn die Stromquellenspannung einfach auf 1/2 verringert wird.

Eine variable Spannungsquelle mit ausreichend hohem Wirkungsgrad, die in der Lage ist, eine umfangreiche Menge von Strömen zur Aufnahme durch den Leistungsverstärker zu liefern, kann durch einen Abspann-Gleichspannungswandler der in 6C dargestellten Art realisiert werden, in welchem ein Widerstand L und ein Kondensator C auf geeignete Weise durch Schalter Q1 und Q2 verbunden sind, die von einer Steuerschaltung gesteuert werden. Jedoch beträgt aufgrund der Referenzspannung des internen Reglers die niedrigste Ausgangsspannung nur ungefähr 1 V, und der Wirkungsgrad der variablen Spannungsquelle wird an dem Niederspannungsausgang verschlechtert, so dass es schwierig ist, den hohen Wirkungsgrad über einen weiten Ausgangsleistungsbereich aufrechtzuerhalten, und außerdem tritt das Problem auf, dass die Implementierungsfläche groß ist.

Außerdem besteht bei den Kommunikationen, bei denen zum Beispiel das CDMA-Schema zur Anwendung kommt, die Notwendigkeit, die Sendeausgangsleistung entsprechend der Entfernung zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation zu ändern. Dies hängt damit zusammen, dass es notwendig ist, Funksignale von einer Vielzahl von Mobilstationen an Empfänger-Eingangsklemmen der Mobilstation anzugleichen.

Aus diesem Grunde wird die Steuerung der Sendeleistung in dem Kommunikationssystem, welches das CDMA-Schema anwendet, so durchgeführt, dass die Sendeleistung innerhalb eines Bereiches (Dynamikbereich) von ungefähr 75 dB variiert. Demzufolge ist es erforderlich, dass der Wirkungsgrad für hinzugefügte Leistung des Leistungsverstärkers bei den Leistungen, die von der maximalen Ausgangsleistung verschieden sind, hoch ist. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für die Sendeleistungen hat annähernd die Form einer Normalverteilung, und die mittlere Sendeleistung des mobilen Endgerätes liegt im Bereich von 10 dBm bis 16 dBm, obwohl sie aufgrund von mit dem System zusammenhängenden Faktoren wie etwa der Anordnung der Basisstationen variiert. Somit ist es notwendig, einen hohen Wirkungsgrad für hinzugefügte Leistung über einen gesamten Bereich von ungefähr 0 dBm (niedrige Ausgangsleistung) bis 30 dBm (hohe Ausgangsleistung) aufrechtzuerhalten.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenzschaltung bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Leistungsverstärker mit einem weiten Dynamikbereich zu realisieren, in welchem es schwer ist, den Wirkungsgrad für hinzugefügte Leistung bei niedriger Ausgangsleistung zu verschlechtern, unter Verwendung einer einfachen Schaltung, die eine kleine Implementierungsfläche erfordert, sowie eine kompakte und leichte Kommunikationseinrichtung bereitzustellen, welche unter Verwendung einer solchen Hochfrequenzschaltung realisiert werden kann.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Hochfrequenzschaltung bereitgestellt, welche umfasst: eine Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung, die so konfiguriert ist, dass sie Eingangssignale zu einem Zeitpunkt hoher Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher eine DC-Stromquellenspannung parallel ersten Verstärkerzellen zugeführt wird, welche in Bezug auf Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind; eine Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung, die so konfiguriert ist, dass sie die Eingangssignale zu einem Zeitpunkt niedriger Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher die DC-Stromquellenspannung in Reihe zweiten Verstärkerzellen zugeführt wird, welche in Bezug auf die Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind; eine erste Verbindungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Eingangsseiten der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung mit einer Eingangsklemme verbindet, von welcher die Eingangssignale eingespeist werden; und eine zweite Verbindungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Ausgangsseiten der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung mit einer Ausgangsklemme verbindet, zu welcher die Ausgangssignale ausgegeben werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kommunikationseinrichtung bereitgestellt, welche umfasst: wenigstens eine Antenne, die so konfiguriert ist, dass sie Funksignale sendet oder empfängt; wenigstens einen Leistungsverstärker, der so konfiguriert ist, dass er die Funksignale, die von der wenigstens einen Antenne zu senden oder zu empfangen sind, verstärkt, und der eine Hochfrequenzschaltung enthält, die gebildet wird durch: eine Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung, die so konfiguriert ist, dass sie Eingangssignale zu einem Zeitpunkt hoher Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher eine DC-Stromquellenspannung parallel ersten Verstärkerzellen zugeführt wird, welche in Bezug auf Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind; eine Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung, die so konfiguriert ist, dass sie die Eingangssignale zu einem Zeitpunkt niedriger Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher die DC-Stromquellenspannung in Reihe zweiten Verstärkerzellen zugeführt wird, welche in Bezug auf die Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind; eine erste Verbindungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Eingangsseiten der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung mit einer Eingangsklemme verbindet, von welcher die Eingangssignale eingespeist werden; und eine zweite Verbindungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Ausgangsseiten der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung mit einer Ausgangsklemme verbindet, zu welcher die Ausgangssignale ausgegeben werden; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung steuert, indem sie eine von ihnen, entweder die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung oder die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung, in einen Verstärkungsbetriebs-Zustand und die andere Verstärkerzelleneinheit in einen Hochimpedanz-Zustand versetzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A und 1B sind Kurvenbilder, welche eine Beziehung zwischen der HF-Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad in einem herkömmlichen Leistungsverstärker zeigen.

2A und 2B sind Diagramme zur Erläuterung einer Verringerung des Wirkungsgrades bei niedriger Ausgangsleistung in einem herkömmlichen Leistungsverstärker.

3A und 3B sind ein Schaltplan und ein die Verstärkung darstellendes Diagramm zur Erläuterung einer beispielhaften herkömmlichen Verstärkerschaltung.

4A und 4B sind ein Schaltplan und ein Kurvenbild, welches die Beziehung zwischen Strom und Spannung zeigt, zur Erläuterung einer weiteren beispielhaften herkömmlichen Verstärkerschaltung.

5A, 5B und 5C sind Schemata, die beispielhafte Schaltungen zeigen, welche als eine variable Anpassungsschaltung in der herkömmlichen Verstärkerschaltung von 4A verwendet werden können.

6A und 6B sind ein Schaltplan und ein Kurvenbild, welches die Beziehung zwischen Strom und Spannung zeigt, zur Erläuterung einer weiteren beispielhaften herkömmlichen Verstärkerschaltung.

6C ist ein Schema, das eine beispielhafte Schaltung zeigt, welche als eine variable Spannungsquelle in der herkömmlichen Verstärkerschaltung von 6A verwendet werden kann.

7 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Leistungsverstärkers zeigt, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

8 ist ein Blockschaltbild, das einen Betriebszustand des Leistungsverstärkers von 7 zeigt.

9A und 9B sind Schemata, welche die inneren Konfigurationen einer Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung bzw. einer Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung in dem Leistungsverstärker von 7 zeigen.

10 ist ein Kurvenbild, das eine Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad in dem Leistungsverstärker von 7 zeigt.

11A und 11B sind Schaltpläne, welche äquivalente Schaltungen einer Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung bzw. einer Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung in dem Leistungsverstärker von 7 zeigen.

12 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Leistungsverstärkers zeigt, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

13A, 13B und 13C sind Schemata, welche innere Konfigurationen einer Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung, einer Verstärkerzelleneinheit mittlerer Ausgangsleistung bzw. einer Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung in dem Leistungsverstärker von 12 zeigen.

14 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Leistungsverstärkers zeigt, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

15 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Leistungsverstärkers zeigt, in dem eine Hochffrequenzschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

16A und 16B sind Schemata, die beispielhafte Konfigurationen eines Leistungsverstärkers zeigen, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

17A, 17B und 17C sind Schemata, die beispielhafte Konfigurationen eines Leistungsverstärkers zeigen, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

18A und 18B sind Schemata, die beispielhafte Konfigurationen eines Leistungsverstärkers zeigen, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

19A, 19B und 19C sind Schemata, die beispielhafte Konfigurationen eines Leistungsverstärkers zeigen, in dem eine Hochfrequenzschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

20A und 20B sind Schemata, die beispielhafte Konfigurationen von Kommunikationseinrichtungen zeigen, in denen eine Hochfrequenzschaltung der vorliegenden Erfindung gemäß der siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In der folgenden Beschreibung wird die Formulierung "Verstärkerzellen, welche AC-mäßig parallelgeschaltet sind" verwendet, um zu bezeichnen, dass Ziel-Verstärkerzellen von annähernd identischer Größe annähernd phasengleich mit annähernd identischer Amplitude geschaltet sind. Genau genommen ist, vom Standpunkt verteilter konstanter Schaltungen aus betrachtet, eine Verbindung mit exakt identischer Phase mit exakt identischer Amplitude in der Praxis schwer zu realisieren, so dass eine Formulierung "Verstärkerzellen, welche AC-mäßig parallelgeschaltet sind" in dem Sinne ausgelegt werden kann, dass sie bedeutet, dass die Wirkungsgrade der Leistungsverteilung an der Eingangsseite und der Leistungszusammensetzung an der Ausgangsseite einer Vielzahl von Zelleneinheiten, wie etwa der Zelleneinheiten 4a und 4b, 4c und 4d, die in den weiter unten beschriebenen 9A und 9B dargestellt sind, oder der Transistoren Q1 und Q2, die in den weiter unten beschriebenen 11A und 11B dargestellt sind, beide zum Beispiel größer oder gleich 50 sind. Im Falle einer Aufspaltung in N sind diese Wirkungsgrade der Leistungsverteilung und der Leistungszusammensetzung durch den folgenden Ausdruck gegeben: (|S1 T + S2 T + S3 T + ... + Sn T|)/(|S1 T| + |S2 T| + |S3 T| + ... + |Sn T|), wobei Sn T ein S Parametervektor für die Übertragung eines gemeinsamen Anschlusses T der Verteilungs- und Zusammensetzungs-Schaltungen zu einem n-ten aufgespaltenen Port ist.

Außerdem wird in der folgenden Beschreibung die Formulierung "DC-Stromquellenspannung wird parallel zugeführt" verwendet, um zu bezeichnen, dass ein nahezu identischer Spannungspegel an die Ziel-Zellen angelegt wird. Genau genommen ist es infolge eines Spannungsabfalls aufgrund von Schaltungsverlusten praktisch schwierig, einen exakt identischen Spannungspegel anzulegen, so dass eine Formulierung "DC-Stromquellenspannung wird parallel zugeführt" in dem Sinne ausgelegt werden kann, dass sie bedeutet, dass die Spannung innerhalb eines Toleranzbereiches von ± 20 bezüglich eine Vielzahl von Zelleneinheiten, wie etwa der Zelleneinheiten 4a bis 4c, die in den weiter unten beschriebenen 9A und 9B dargestellt sind, oder der Zellen, welche diese Zelleneinheiten bilden, angelegt wird.

Außerdem wird in der folgenden Beschreibung die Formulierung "DC-Stromquellenspannung wird in Reihe zugeführt" verwendet, um zu bezeichnen, dass, wenn die "Verstärkerzellen, welche AC-mäßig parallelgeschaltet sind", Transistorzellen Q1 und Q2 sind, wie sie in der weiter unten beschriebenen 11B dargestellt sind, die an einem Kollektor der Transistorzelle Q1 gegebene Spannung an diese Vielzahl von Transistorzellen aufgeteilt angelegt wird, auf eine solche Weise, dass der Gleichstrom von einem Kollektor der Transistorzelle Q1 durch einen Emitter hindurch zu einem Kollektor der Transistorzelle Q2 fließt und danach zum Beispiel geerdet wird. In diesem Beispiel wird der Fall des Emitters beschriebene der in dem bipolaren Transistor geerdet ist, doch die obige Formulierung sollte in dem Sinne ausgelegt werden, dass sie bedeutet, dass die Spannung an eine Vielzahl von Transistoren aufgeteilt angelegt wird, sogar im Falle der Verwendung von Feldeffekttransistoren oder anderen Erdungsformen.

Außerdem wird in der folgenden Beschreibung der Begriff "Transistorzelle" verwendet, um einen Satz von Transistoren zu bezeichnen, welche nahezu identische Merkmale aufweisen. Genau genommen ist es, vom Standpunkt der Herstellung von Bauelementen aus betrachtet, praktisch schwierig, Transistoren mit exakt identischen Merkmalen zu fertigen. Selbst wenn geometrisch ähnliche Transistoren verwendet werden, arbeiten sie möglicherweise nicht als identische Transistoren, in Abhängigkeit von ihren Layout-Positionen auf einem Halbleiterchip oder von Unterschieden in den sie umgebenden elektromagnetischen und thermischen Umgebungen aufgrund eines Substrates, auf welchem der Halbleiterchip implementiert ist, usw. Außerdem haben sogar innerhalb einer Halbleiterscheibe geometrisch ähnliche Transistoren nicht notwendigerweise identische Merkmale, was ein wohlbekanntes Problem ist, das mit Transistoren im Allgemeinen verbunden ist.

Es ist anzumerken, dass ein Satz von Transistoren hergestellt wird, indem mehrere winzige Transistor-Einheiten (zum Beispiel in Gate-Einheiten im Falle von FETs, in Emitter- oder Basis-Einheiten im Falle von bipolaren Transistoren), welche physikalisch unabhängig sind, in dem Leistungsverstärker gebündelt werden. Wenn eine ausreichende Leistung in diesem Zustand nicht erzielt werden kann, wird ein sogar noch größerer Transistor gebildet, indem diese Transistoren gebündelt werden. Insofern ist ein in dem Leistungsverstärker verwendeter Transistor im Allgemeinen ein Satz aus mehreren winzigen Transistoren.

[Erste Ausführungsform] (Gesamtkonfiguration)

Nunmehr wird die erste Ausführungsform einer Hochfrequenzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

7 zeigt eine beispielhafte Konfiguration eines Leistungsverstärkers, der unter Verwendung einer Hochfrequenzschaltung dieser Ausführungsform hergestellt ist.

Wie in 7 dargestellt, umfasst der Leistungsverstärker gemäß dieser Ausführungsform eine Eingangsanpassungsschaltung 3i, eine erste Verbindungseinheit 2i zum Aufspalten von Signalen, die von der Eingangsanpassungsschaltung 3i eingespeist werden, eine Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a, eine Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b, eine zweite Verbindungseinheit 2o, in welche Signale von der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b eingespeist werden, und eine Ausgangsanpassungsschaltung 3o.

Die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a weist Verstärkerzellen auf, welche in Bezug auf Eingangs- und Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind, und eine DC-Stromquellenspannung wird diesen Verstärkerzellen parallel zugeführt. Andererseits weist die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b Verstärkerzellen auf, welche in Bezug auf Eingangs- und Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind, und die DC-Stromquellenspannung wird in Reihe diesen Verstärkerzellen zugeführt.

Die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a weist eine Signaleingangsklemme INa, eine Signalausgangsklemme OUTa, eine Stromquellenspannungsklemme Vdca und eine Steuerspannungsklemme Vcnta auf, und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b weist eine Signaleingangsklemme Inb, eine Signalausgangsklemme OUTb, eine Stromquellenspannungsklemme Vdcb und eine Steuerspannungsklemme Vcntb auf.

Bei dieser Ausführungsform werden die erste und die zweite Verbindungseinheit 2i und 2o jeweils unter Verwendung ausschließlich von passiven Elementen wie etwa Spulen und Kondensatoren gebildet, so dass eine Aufspaltungsschaltung zur Verfügung gestellt wird, die von Übertragungswegen gebildet wird, wie es zum Beispiel in der zweiten Verbindungseinheit 2o angegeben ist, die in 8 dargestellt ist. Die Verwendung von aktiven Elementen zum Umschalten von Signalwegen, wie etwa von Schaltern, die in den herkömmlichen Schaltungen von 4A, 5A, 5B und 5C verwendet werden, zusätzlich zu aktiven Elementen zum Verstärken von HF-Signalen, kann nämlich die Komplizierung einer Schaltungskonfiguration, die Erhöhung der erforderlichen Anzahl von Teilen, die Vergrößerung der Implementierungsfläche und die Beeinträchtigung von Signalen infolge von Verzerrung oder Verlust verursachen, was zu höheren Kosten und zu einer geringeren Leistung führen kann.

Aus diesem Grunde wird die Verwendung solcher aktiver Elemente bei dieser Ausführungsform vermieden, und die erste und die zweite Verbindungseinheit 2i und 2o werden unter Verwendung ausschließlich passiver Elemente hergestellt, um die äquivalenten oder besseren Wirkungen mittels einer einfacheren Konfiguration zu erreichen.

(Konfiguration von Verstärkerzelleneinheiten)

Als nächstes werden die Konfigurationen der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b beschrieben.

9A und 9B zeigen beispielhafte innere Konfigurationen der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a bzw. der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b. Es ist anzumerken, dass die Verstärkerzellen 4a, 4b, 4c und 4d, die bei dieser Ausführungsform verwendet werden, von Transistoren derselben Größe gebildet werden.

Wie in 9A dargestellt, weist die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a dieser Ausführungsform zwei Verstärkerzellen 4a und 4b auf, und diese Verstärkerzellen 4a und 4b sind bezüglich der Eingangs- und Ausgangssignale parallelgeschaltet und außerdem bezüglich der DC-Stromquellenspannung Vdca parallelgeschaltet. Außerdem wird die Steuerspannung Vcnta ebenfalls parallel an die Verstärkerzellen 4a und 4b angelegt.

Wie in 9B dargestellt, weist die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b dieser Ausführungsform zwei Verstärkerzellen 4c und 4d auf, und diese Verstärkerzellen 4c und 4d sind bezüglich der Eingangs- und Ausgangssignale parallelgeschaltet und außerdem bezüglich der DC-Stromquellenspannung Vdcb in Reihe geschaltet. Außerdem wird die Steuerspannung Vcntb ebenfalls parallel an die Verstärkerzellen 4c und 4d angelegt.

Die Verstärkerzellen 4c und 4d in der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b sind durch eine Wechselstrom/Gleichstrom-(AC/DC-)Trennungseinheit 5 wie zum Beispiel eine Vorspannung T verbunden, und diese AC/DC-Trennungseinheit 5 realisiert eine Erdung von Wechselstrom der Verstärkerzelle 4c, während Gleichstrom an die DC-Stromquellenklemme der Verstärkerzelle 4d angelegt wird. Infolgedessen wird die DC-Stromquellenspannung, die an die Verstärkerzellen 4c und 4d angelegt wird, in zwei gleiche Teile aufgeteilt, d.h. von jeweils 1/2.

Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Verstärkerzellen 4a und 4b in der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a gleich der Anzahl der Verstärkerzellen 4c und 4d in der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b gesetzt, so dass die Eingangs- und die Ausgangsimpedanz im Idealfall gleich sind. Demzufolge können die Anstiege der Lastlinien identisch gemacht werden, indem die gemeinsamen Eingangs- und Ausgangsanpassungsschaltungen 3i und 3o verwendet werden. In diesem Falle beträgt für die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b die Stromquellenspannung 1/2, und die Lastlinie ist identisch, so dass der maximale Strom ebenfalls 1/2 wird und die maximale Ausgangsleistung auf 1/4 (–6 dB) verringert werden kann.

Diese Ausführungsform ist zu einem Zustand äquivalent, in welchem die Vorspannung B1 gleich 1/2 der Vorspannung B2 in 6B wird. Zum Beispiel kann im Falle der Herstellung eines Leistungsverstärkers mit der maximalen Ausgangsleistung von 30 dBm, wenn die maximale Ausgangsleistung der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a auf 30 dBm eingestellt ist, die maximale Ausgangsleistung der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b ungefähr 24 dBm sein, da die Stromquellenspannung 1/2 ist.

Für die Ausgangsleistung, die größer oder gleich 24 dBm ist, wird die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a in einen Betriebs-Zustand versetzt, während die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b in einen Nichtbetriebs-Zustand versetzt wird.

Wie bereits unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschrieben wurde, wird der Wirkungsgrad verringert, wenn die Ausgangsleistung niedriger wird als die maximale Ausgangsleistung 30 dBm. Wenn die Ausgangsleistung ungefähr 24 dBm beträgt, was die maximale Ausgangsleistung der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b ist, wird der Wirkungsgrad auf 35,4 % verringert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a in einen Nichtbetriebs-Zustand versetzt, während die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b in einen Betriebs-Zustand versetzt wird, so dass der Wirkungsgrad wieder auf 72 % erhöht wird und danach erneut auf 35 % verringert wird, wenn die Ausgangsleistung weiter verringert wird. Auf diese Weise kann durch Vorsehen mehrerer Verstärkerzelleneinheiten der Wirkungsgrad selbst bei der niedrigen Ausgangsleistung wieder auf ungefähr 72 % erhöht werden, so dass die Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad und der Ausgangsleistung einer sägezahnförmigen Linie mit einem Intervall von ungefähr 6 dB zwischen benachbarten Spitzen entspricht, wie in 10 dargestellt.

11A und 11B zeigen äquivalente Schaltungen der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b, die in 9A bzw. 9B dargestellt sind.

In 11A und 11B sind C1, C1' und C2 Gleichstrom verhindernde Kondensatoren, L1, L1' und L2 sind HF-Drosseln, R1 und R1' sind Stabilisierungswiderstände und Q1 und Q2 sind bipolare Transistoren. Es ist anzumerken, dass dieselben Wirkungen auch erzielt werden können, wenn als Q1 und Q2 Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Außerdem ist in 11B C3 ein Gleichstrom verhindernder Kondensator, um die Kollektoren von Q1 und Q2 DC-mäßig zu trennen, und C4 und L4 bilden ein Filter, welches bei dieser Ausführungsform als die AC/DC-Trennungseinheit 5 fungiert. C4 realisiert nämlich die AC-mäßige Erdung in der Signalfrequenz von Q1.

(Funktionsweise und Wirkung)

Der Leistungsverstärker gemäß dieser Ausführungsform in einer Konfiguration, wie sie oben beschrieben wurde, funktioniert wie folgt.

Zuerst werden Signale, die von einer Eingangsklemme IN zugeführt werden, durch die Eingangsanpassungsschaltung 3i und die erste Verbindungseinheit 2i hindurch in die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b eingespeist. Die Ausgangssignale der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b werden von einer Ausgangsklemme OUT durch die zweite Verbindungseinheit 2o und die Ausgangsanpassungsschaltung 3o hindurch ausgegeben.

Hierbei wird in der Hochfrequenzschaltung gemäß dieser Ausführungsform eine der Verstärkerzelleneinheiten 1a und 1b entsprechend der auszugebenden Leistung gewählt, und diese Verstärkerzelleneinheiten 1a und 1b werden mittels der Steuerspannungen Vcnta und Vcntb zwischen einem Verstärkungsbetriebs-Zustand und einem Nichtbetriebs-Zustand mit hoher Impedanz umgeschaltet. Zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet sich jeweils nur eine Verstärkerzelleneinheit im Verstärkungsbetriebs-Zustand. Zum Beispiel wird, wie in 8 dargestellt, wenn die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a in den Verstärkungsbetriebs-Zustand versetzt wird, die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b in einen Nichtbetriebs-Zustand mit hoher Impedanz versetzt.

Die Eingangs- und die Ausgangsimpedanz der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b im Nichtbetriebs-Zustand mit hoher Impedanz können als Kapazitäten Ci bzw. Co ausgedrückt werden. Die Widerstandskomponente, welche in offenen Kapazitäten enthalten ist, wird hier ignoriert, da sie nur einen vernachlässigbaren Verlust verursacht, verglichen mit der Ausgangsimpedanz der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a. Die Lastimpedanz ist, vom Standpunkt eines Ausgangsknotens 6a der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a aus betrachtet, die einer Parallelschaltung der Ausgangsanpassungsschaltung 3o und eines Zuleitungs-Trennkontaktes ("Stab") mit der offenen Kapazität Co jenseits eines Aufspaltungspunkt-Knotens 6c. Hierbei ist es erforderlich, den Abstand zwischen den Knoten 6a und 6c und den Abstand zwischen den Knoten 6b und 6c so zu wählen, dass die Impedanz des Zuleitungs-Trennkontaktes mit der offenen Kapazität Co nicht einer Kurzschlussbedingung genügt. Indem der nicht in Betrieb befindliche Transistor in den Hochimpedanz-Zustand versetzt wird, kann die in Betrieb befindliche Verstärkerzelleneinheit gewählt werden, ohne einen Schalter zu verwenden.

[Zweite Ausführungsform]

Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.

Die oben beschriebene erste Ausführungsform bezieht sich auf den Fall der Verwendung von zwei Verstärkerzelleneinheiten, wie in 7 dargestellt; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt.

Zum Beispiel beträgt die Anzahl der Schritte, die bezüglich DC in der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung in Reihe geschaltet sind, bei der ersten Ausführungsform zwei, doch diese Anzahl kann auf vier, acht und so weiter erhöht werden. Im Falle von vier Schritten können zum Beispiel die drei Typen von Verstärkerzelleneinheiten verwendet werden, welche einen Schritt, zwei Schritte und vier Schritte verwenden, oder es können zwei Typen von Verstärkerzelleneinheiten verwendet werden, welche einen Schritt und vier Schritte verwenden. In ähnlicher Weise können im Falle von acht Schritten vier Typen von Verstärkerzelleneinheiten verwendet werden, welche einen Schritt, zwei Schritte, vier Schritte und acht Schritte verwenden, oder es können irgendwelche drei Typen von diesen vier Typen verwendet werden, oder es können irgendwelche zwei Typen von diesen vier Typen verwendet werden. Es dürfte offensichtlich sein, dass die Schaltungskonfiguration komplizierter wird, wenn sich die Anzahl der Schritte erhöht. Die Anzahl der zu verwendenden Schritte sollte unter Berücksichtigung der Wirkung zu einem Zeitpunkt der Leistungssteuerung gewählt werden.

Es ist anzumerken, dass die Anzahl der Schritt nicht unbedingt die Form von 2n annehmen muss; hier wird jedoch angenommen, dass sie die Form von 2n hat. Wenn die größte Anzahl von Schritten N = 2n ist, können bis zu n+1 Typen der Verstärkerzelleneinheiten verwendet werden, welche eine jeweilige Anzahl von Schritten verwenden, die gleich 1, 2, 4, ..., 2n ist. Die Wahl der Typen der Verstärkerzelleneinheiten, die in Kombination miteinander zu verwenden sind, ist beliebig, wie oben beschrieben; es ist jedoch anzumerken, dass die Verwendung ein und derselben Anzahl von Schritten in unterschiedlichen Verstärkerzelleneinheiten einen schlechten Schaltungs-Wirkungsgrad zur Folge haben würde.

Im Folgenden wird der beispielhafte Fall von n = 2 und der Verwendung von drei Verstärkerzelleneinheiten unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. In diesem Beispiel kann ein Dynamikbereich realisiert werden, der größer oder gleich 12 dB ist.

Wie in 12 dargestellt, umfasst der Leistungsverstärker gemäß dieser Ausführungsform eine Eingangsanpassungsschaltung 3i, eine erste Verbindungseinheit 2i zum Aufspalten der Signale, die von der Eingangsanpassungsschaltung 3i eingespeist wurden, eine Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1c, eine Verstärkerzelleneinheit mittlerer Ausgangsleistung 1d, eine Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1e, eine zweite Verbindungseinheit 2o, in welche Signale von der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1c, der Verstärkerzelleneinheit mittlerer Ausgangsleistung 1d und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1e eingespeist werden, und eine Ausgangsanpassungsschaltung 3o.

Im Einzelnen weist die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1c dieser Ausführungsform, wie in 13A dargestellt, vier Verstärkerzellen 4e bis 4h auf, und diese Verstärkerzellen 4e bis 4h sind parallelgeschaltet bezüglich der Eingangs- und Ausgangssignale und außerdem parallelgeschaltet bezüglich der DC-Stromquellenspannung Vdcc. Außerdem wird die Steuerspannung Vcntc ebenfalls parallel den Verstärkerzellen 4e bis 4h zugeführt.

Außerdem weist, wie in 13B dargestellt, die Verstärkerzelleneinheit mittlerer Ausgangsleistung 1d dieser Ausführungsform zwei Verstärkerzellen 4i und 4l auf, und diese Verstärkerzellen 4i bis 41 sind parallelgeschaltet bezüglich der Eingangs- und Ausgangssignale. Außerdem sind ein Paar der Verstärkerzellen 4i und 4j und ein Paar der Verstärkerzellen 4k und 4l in Reihe geschaltet bezüglich der DC-Stromquellenspannung Vdcd, während die Verstärkerzellen der ersten Stufe 4i und 4k von diesen Paaren parallelgeschaltet sind. Außerdem wird die Steuerspannung Vcntd ebenfalls parallel den Verstärkerzellen 4i und 4l zugeführt.

Jedes Paar der Verstärkerzellen 4i und 4j, oder 4k und 4l, in der Verstärkerzelleneinheit mittlerer Ausgangsleistung 1d ist mittels einer AC/DC-Trennungseinheit 5 wie zum Beispiel einer Vorspannung T verbunden, und diese AC/DC-Trennungseinheit 5 realisiert eine Erdung von Wechselstrom der Verstärkerzellen 4i und 4k, während Gleichstrom an die DC-Stromquellenklemmen der Verstärkerzellen der zweiten Stufe 4j und 4l angelegt wird. Infolgedessen wird die DC-Stromquellenspannung, die an die Verstärkerzellen 4i bis 4l angelegt wird, in zwei gleiche Teile aufgeteilt, d.h. von jeweils 1/2.

Außerdem weist, wie in 13C dargestellt, die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1e dieser Ausführungsform vier Verstärkerzellen 4m bis 4p auf, und diese Verstärkerzellen 4m bis 4p sind parallelgeschaltet bezüglich der Eingangs- und Ausgangssignale, und sind außerdem in Reihe geschaltet bezüglich der DC-Stromquellenspannung Vdce. Außerdem wird die Steuerspannung Vcnte ebenfalls parallel den Verstärkerzellen 4m bis 4p zugeführt.

Die Verstärkerzellen 4m bis 4p in der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1e sind mittels einer AC/DC-Trennungseinheit 5 wie zum Beispiel einer Vorspannung T verbunden, und diese AC/DC-Trennungseinheit 5 realisiert eine Erdung von Wechselstrom der Verstärkerzellen 4m bis 4o, während Gleichstrom an die DC-Stromquellenklemmen der Verstärkerzellen 4n bis 4p angelegt wird. Infolgedessen wird die DC-Stromquellenspannung, die an die Verstärkerzellen 4m bis 4p angelegt wird, in vier gleiche Teile aufgeteilt, d.h. von jeweils 1/4.

In dem Leistungsverstärker gemäß dieser Ausführungsform wird es durch das Verbinden von drei Verstärkerzelleneinheiten 1c, 1d und 1e möglich, einen weiteren Dynamikbereich zu realisieren als bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Es ist anzumerken, dass der Dynamikbereich leicht erweitert werden kann, indem die Anzahl der Schritte, die bezüglich der DC in der Verstärkerzelleneinheit in Reihe zu schalten sind, weiter vergrößert wird. Zum Beispiel kann der Dynamikbereich, der größer oder gleich 18 dB ist, durch Verwendung von vier Verstärkerzelleneinheiten realisiert werden, wobei jede Verstärkerzelleneinheit durch acht geteilte Verstärkerzellen und eine Aufteilung der DC-Stromquellenspannung in höchstens acht Schritte (1/8) gebildet wird.

[Dritte Ausführungsform]

Im Folgenden wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.

Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird, wie in 11A und 11B dargestellt, die DC-Stromquellenspannung Vdc über L2 zugeführt, und der Fluss von Gleichstrom zu der Ausgangsklemme wird durch den Gleichstrom verhindernden Kondensator C2 verhindert. Bei dieser Ausführungsform wird, wie in 14 dargestellt, die DC-Stromquellenspannung Vdc von der Seite eines Knotens 6c aus angelegt, indem eine Schaltung, durch welche Gleichstrom fließen kann, als die zweite Verbindungseinheit 2o verwendet wird.

Genauer, die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a' dieser Ausführungsform hat, wie in 14 dargestellt, eine Struktur, bei welcher die Signale, die von der ersten Verbindungseinheit 2i zugeführt werden, in die bipolaren Transistoren Q1H und Q2H parallel über den Gleichstrom verhindernden Kondensator C1H eingespeist werden, während die Steuerspannung Vcnt1 in die bipolaren Transistoren Q1H und Q2H parallel über den Stabilisierungswiderstand R1H und die HF-Drossel L1H eingespeist wird. Vdc wird in die bipolaren Transistoren Q1H und Q2H parallel von der Seite der zweiten Verbindungseinheit 2o aus über L2 eingespeist.

Andererseits weist die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b' dieser Ausführungsform eine Struktur auf, bei welcher die Signale, die von der ersten Verbindungseinheit 2i zugeführt werden, in die bipolaren Transistoren Q1L und Q2L parallel über den Gleichstrom verhindernden Kondensator C1L eingespeist werden, während die Steuerspannung Vcnt2 in die bipolaren Transistoren Q1L und Q2L parallel über den Stabilisierungswiderstand R1L und die HF-Drossel L1L eingespeist wird.

In dieser Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b' wird Vdc in die bipolaren Transistoren Q1L und Q2L DC-mäßig in Reihe von der Seite der zweiten Verbindungseinheit 2o aus über L2 eingespeist. Bei Verwendung des Gleichstrom verhindernden Kondensators C3 und der HF-Drossel L4 kann nämlich nur Gleichstrom von dem bipolaren Transistor Q1L zu dem bipolaren Transistor Q2L fließen. Außerdem wird die Erdung von Wechselstrom durch den Entkopplungskondensator C4 realisiert.

Danach werden, wie in 14 dargestellt, C2 und L2 aus der in 11A dargestellten Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und der in 11B dargestellten Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b entfernt, und die DC-Stromquellenspannung wird an einer gemeinsamen Stromquellenspannungsklemme Vdc über L2 vom Knoten 6c der zweiten Verbindungseinheit 2o aus angelegt. Es ist anzumerken, dass der in 14 dargestellte Kondensator C2 ein DC-Unterbrecher für die Ausgangsanpassungsschaltung 3o ist.

Gemäß dieser dritten Ausführungsform wird die DC-Stromquellenspannung Vdc von der Seite des Knotens 6c aus zugeführt, so dass L2 und C2, die in 11A und 11B bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform dargestellt sind, unnötig werden und es möglich ist, die Schaltungsfläche zu verringern.

Es ist anzumerken, dass es als eine Modifikation dieser Ausführungsform auch möglich ist, die DC-Stromquellenspannung zum Beispiel von einem offenen Zuleitungs-Trennkontakt ("Stab") innerhalb der Ausgangsanpassungsschaltung 3o aus zuzuführen, anstatt L2 und C2 an den Positionen anzuordnen, die in 14 angegeben sind.

[Vierte Ausführungsform]

Im Folgenden wird die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.

Bei dem Leistungsverstärker der oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsform kann das Problem auftreten, dass die Anzahl der Steuersignale Vcnt wächst, wenn die Anzahl der Verstärkerzelleneinheiten erhöht wird. Dieses Problem kann bei dieser Ausführungsform wie folgt gelöst werden.

Unter Anwendung eines Verfahrens, das der oben beschriebenen dritten Ausführungsform ähnlich ist, können zwei Steuerleitungen Vcnt1 und Vcnt2 gemeinsam von der Seite der ersten Verbindungseinheit 2i aus zugeführt werden. 15 zeigt eine beispielhafte Konfiguration in diesem Fall.

Genauer, die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a'' dieser Ausführungsform hat, wie in 15 dargestellt, eine Struktur, bei welcher die Signale, die von der ersten Verbindungseinheit 2i zugeführt werden, in die bipolaren Transistoren Q1H und Q2H parallel über den Gleichstrom verhindernden Kondensator C5H eingespeist werden, während die Steuerspannung Vcnt in eine Vorspannungsschaltung BCH ebenfalls von der Seite der ersten Verbindungseinheit 2i aus eingespeist wird. Diese Vorspannungsschaltung BCH erzeugt das Steuersignal Vcnt1 gemäß der Steuerspannung Vcnt, und das durch diese Vorspannungsschaltung BCH erzeugte Signal Vcnt1 wird parallel in die bipolaren Transistoren Q1H und Q2H eingespeist. Vdc wird in die bipolaren Transistoren Q1H und Q2H parallel von der Seite der zweiten Verbindungseinheit 2o aus eingespeist, mittels der Konfiguration, die der der dritten Ausführungsform ähnlich ist.

Andererseits weist die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b'' dieser Ausführungsform eine Struktur auf, bei welcher die Signale, die von der ersten Verbindungseinheit 2i zugeführt werden, in die bipolaren Transistoren Q1L und Q2L parallel über den Gleichstrom verhindernden Kondensator C5L eingespeist werden, während die Steuerspannung Vcnt in eine Vorspannungsschaltung BCL ebenfalls von der Seite der ersten Verbindungseinheit 2i aus eingespeist wird. Diese Vorspannungsschaltung BCL erzeugt das Steuersignal Vcnt2 gemäß der Steuerspannung Vcnt, und das durch diese Vorspannungsschaltung BCL erzeugte Signal Vcnt2 wird parallel in die bipolaren Transistoren Q1L und Q2L eingespeist.

In dieser Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b'' wird Vdc in die bipolaren Transistoren Q1L und Q2L DC-mäßig in Reihe von der Seite der zweiten Verbindungseinheit 2o aus eingespeist. Bei Verwendung des Gleichstrom verhindernden Kondensators C3 und der HF-Drossel L4 kann nämlich nur Gleichstrom von dem bipolaren Transistor Q1L zu dem bipolaren Transistor Q2L fließen. Außerdem wird die Erdung von Wechselstrom durch den Entkopplungskondensator C4 realisiert.

Danach werden in dem Leistungsverstärker dieser Ausführungsform Steuersignale Vcnt1 und Vcnt2 entsprechend der gemeinsamen Steuerspannung Vcnt durch die Vorspannungsschaltungen BCH bzw. BCL erzeugt. Das Steuersignal Vcnt1, das von der Vorspannungsschaltung BCH erzeugt wird, wird den Transistoren Q1H und Q2H über eine Hochfrequenz-Drosselspule L6H zugeführt, und das Steuersignal Vcnt2, das von der Vorspannungsschaltung BCL erzeugt wird, wird den Transistoren Q1L und Q2L über eine Hochfrequenz-Drosselspule L6L zugeführt.

Bei dem Leistungsverstärker dieser Ausführungsform wird die gemeinsame Steuerspannung Vcnt für die Verstärkerzelleneinheiten verwendet, derart, dass, wenn die Anzahl der Verstärkerzelleneinheiten erhöht wird, die Menge an Leitungen für die Steuersignale verringert werden kann und es möglich ist, die Größe der Schaltung zu verringern.

Es ist anzumerken, dass es auch möglich ist, die Anzahl der Steuerleitungen durch Binarisierung oder n-arisierung mehrerer Steuersignale zu verringern und die Steuersignale durch Decodieren der binarisierten oder n-arisierten Steuersignale in einer Vorspannungsschaltung jeder Verstärkerzelleneinheit zu erzeugen.

[Fünfte Ausführungsform]

Im Folgenden wird die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. 16A, 16B, 17A, 17B, 17C, 18A und 18B zeigen verschiedene Konfigurationen des Leistungsverstärkers gemäß der fünften Ausführungsform.

In dem Leistungsverstärker der oben beschriebenen ersten vier Ausführungsformen können die Verstärkerzelleneinheiten auf separaten Halbleiterchips angebracht sein, wie in 16A dargestellt. Und zwar können die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b durch unabhängige Halbleiterchips gebildet sein und auf einem Substrat GND angebracht sein. In diesem Falle sind die Verstärkerzelleneinheiten mit der ersten und der zweiten Verbindungseinheit 2i und 2o durch Bonddrähte verbunden, und die Steuerspannungen Vcnt1 und Vcnt2 werden ebenfalls von außerhalb des Substrates GND über Bonddrähte zugeführt.

Es ist auch möglich, mehrere Verstärkerzelleneinheiten auf ein und demselben Halbleiterchip anzubringen, wie in 16B dargestellt. Und zwar werden die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b durch ein und denselben Halbleiterchip gebildet und sind auf dem Substrat GND angebracht. In diesem Falle sind die Verstärkerzelleneinheiten mit der ersten und der zweiten Verbindungseinheit 2i und 2o durch Bonddrähte verbunden, und die Steuerspannungen Vcnt1 und Vcnt2 werden ebenfalls von außerhalb des Substrates GND über Bonddrähte zugeführt. In diesem Falle der Anbringung auf ein und demselben Chip kann eine Erdelektrode breit ausgebildet werden, so dass die Erdinduktivität verringert werden kann.

Außerdem ist es im Falle der Anbringung mehrerer Verstärkerzelleneinheiten auf ein und demselben Halbleiterchip auch möglich, einen Teil der T-Aufspaltung der ersten und der zweiten Verbindungseinheit 2i und 2o in den Chip zu integrieren.

Es ist auch möglich, die Verstärkerzellen verschiedener Verstärkerzelleneinheiten auf unterschiedliche Weise anzuordnen. Und zwar können die Verstärkerzellen der Verstärkerzelleneinheiten hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheiten niedriger Ausgangsleistung 1b als obere und untere Hälfte der Verstärkerzellen angeordnet werden, wie in 17A dargestellt, oder die Verstärkerzellen der Verstärkerzelleneinheiten hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheiten niedriger Ausgangsleistung 1b können abwechselnd angeordnet werden, wie in 17B dargestellt.

Es ist auch möglich, die Verstärkerzellen in mehr als einer Reihe anzuordnen, wie in 17C, 18A und 18B dargestellt, in Abhängigkeit von der Form des Chips. Im Falle einer Anordnung der Verstärkerzellen in zwei Reihen können die Verstärkerzellen der Verstärkerzelleneinheiten hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheiten niedriger Ausgangsleistung 1b in verschiedenen Reihen angeordnet werden, wie in 17C dargestellt, oder die Verstärkerzellen der Verstärkerzelleneinheiten hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheiten niedriger Ausgangsleistung 1b können in beiden Reihen als obere und untere Hälfte der Verstärkerzellen angeordnet werden, wie in 18A dargestellt, oder die Verstärkerzellen der Verstärkerzelleneinheiten hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheiten niedriger Ausgangsleistung 1b können in einem Zickzack-Muster angeordnet werden, wie in 18B dargestellt.

Im Falle der Verwendung von zwei Verstärkerzelleneinheiten wird zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt entweder nur die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a oder nur die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b betrieben, so dass es durch Anordnen der Wärme erzeugenden Verstärkerzellen jeder Verstärkerzelleneinheit in einer verteilten Form möglich wird, die Quellen der Wärmeerzeugung zu verteilen, selbst wenn verschiedene Verstärkerzelleneinheiten zusammen angeordnet werden, so dass keine Notwendigkeit besteht, die Verstärkerzellenelemente dünner zu gestalten, um der Wärmeerzeugung oder der Erdinduktivität Rechnung zu tragen, und es möglich wird, die Vergrößerung der Chipfläche auf ein Minimum zu begrenzen.

[Sechste Ausführungsform]

Im Folgenden wird die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. 19A, 19B und 19C zeigen verschiedene Konfigurationen des Leistungsverstärkers gemäß der sechsten Ausführungsform.

Bei den oben beschriebenen ersten fünf Ausführungsformen haben die Transistoren jeder Verstärkerzelleneinheit eine einheitliche Größe und dieselbe Impedanz, und die Eingangs- und die Ausgangs-Verbindungseinheit sind symmetrisch angeordnet, da das Funktionsprinzip des Leistungsverstärkers der vorliegenden Erfindung auf der Parallelverschiebung der Lastlinie unter Verwendung der Vorspannung beruht, wie in 6B dargestellt.

In der Praxis ist jedoch die Lastlinie nicht unbedingt eine Gerade, und die Parallelverschiebung der Lastlinie mit fester Quellen- und Lastimpedanz muss aufgrund des Einflusses der Kniespannung nicht unbedingt optimal sein. In solchen Fällen besteht die Notwendigkeit einer Feinabstimmung der Quellen- und Lastimpedanz in jeder Verstärkerzelleneinheit, welche wie folgt vorgenommen werden kann.

Zunächst können, wie in 19A dargestellt, die Eingangs- und die Ausgangs-Verbindungseinheit 2i und 2o asymmetrisch entlang einer vertikalen Richtung (d.h. bezüglich der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b) ausgebildet sein. Die Feinabstimmung der Impedanzen kann dann durchgeführt werden, indem die Breiten oder Längen eines Musters von verteilten konstanten Linien der Eingangs- und der Ausgangs-Verbindungseinheit 2i und 2o geändert werden, indem die Längen, Anzahlen oder Intervalle der Bonddrähte geändert werden oder indem Chip-Teile montiert werden.

Zweitens können für verschiedene Verstärkerzelleneinheiten unterschiedliche Transistorgrößen verwendet werden. Zum Beispiel kann, wie in 19B dargestellt ist, die Feinabstimmung der Impedanzen vorgenommen werden, indem die Anzahl der Verstärkerzellen für die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a größer gewählt wird als die für die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b, so dass die Transistorgröße der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a größer wird als die der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b.

Drittens kann die Feinabstimmung der Impedanzen vorgenommen werden, indem die Positionen der Anordnung der Zellen auf dem Chip so gewählt werden, dass verschiedene Verstärkerzelleneinheiten unterschiedliche Abstände bezüglich der Anpassungsschaltungen haben. Zum Beispiel kann, wie in 19C dargestellt, die Anordnung der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung 1a zur Seite der ersten Verbindungseinheit 2i hin versetzt sein, während die Anordnung der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung 1b zur Seite der zweiten Verbindungseinheit 2o hin versetzt sein kann.

[Siebente Ausführungsform]

Im Folgenden wird die siebente Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Diese Ausführungsform ist für eine Anwendung des Leistungsverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung für Sende- und Empfangsverstärker vorgesehen, die in einer Kommunikationseinrichtung eines Funksystems verwendet werden.

Und zwar weist, wie in 20A dargestellt, die Kommunikationseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Funkeinheit 100 auf, welche Antennen 101 und 102 zum Senden und Empfangen von Funksignalen, eine Antennenweiche/einen Antennenschalter 103 zum Umschalten der Verbindung der Antennen 101 und 102, einen Sendeverstärker 104 und einen Empfangsverstärker 105 mit darin integriertem Leistungsverstärker nach einer der obigen Ausführungsformen, einen Modulator 106 zum Modulieren von Signalen, die in den Sendeverstärker 104 einzuspeisen sind, einen Demodulator 108 zum Demodulieren von Signalen, die von dem Empfangsverstärker 105 ausgegeben werden, und einen Synthesizer 107 zum Durchführen einer Synchronisationsverarbeitung mit einer Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 umfasst.

Die Kommunikationseinrichtung dieser Ausführungsform weist außerdem eine Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 zum Durchführen einer Signalverarbeitung bezüglich der Ein-/Ausgangssignale der Funkeinheit 100, eine Ein-/Ausgabeeinheit 110 zum Eingeben/Ausgeben von Ein-/Ausgangssignalen der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 bezüglich einer äußeren Umgebung, eine Steuereinheit 111 zum Steuern des Betriebs der Funkeinheit 100, der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 und der Ein-/Ausgabeeinheit 110 sowie eine Stromquelle 112 zum Zuführen von Stromquellenspannungen zu der Funkeinheit 100, der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 und der Ein-/Ausgabeeinheit 110 auf. Es ist anzumerken, dass die Ein-/Ausgabeeinheit 110 ein Mikrofon 110a und Tasten 110d als Eingabeschnittstelle zum Empfangen von Spracheingaben oder Bediensignalen von der äußeren Umgebung und einen Lautsprecher 110b, ein Display 110c und einen Vibrator 110e als Ausgabeschnittstelle bezüglich der äußeren Umgebung aufweist.

In dieser Kommunikationseinrichtung werden die Spracheingaben oder Bediensignale, die über das Mikrofon 110a oder die Tasten 110d der Ein-/Ausgabeeinheit 110 eingegeben werden, einer Signalverarbeitung in der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 unterzogen, gesteuert von der Steuereinheit 111, und werden über den Modulator 106 in den Sendeverstärker 104 eingespeist. Diese Signale werden im Sendeverstärker 104 durch die Verstärkungs-Verarbeitung wie oben beschrieben verstärkt und von der Antenne 101 oder 102 über die Antennenweiche/den Antennenschalter 103 gesendet.

Andererseits werden Funksignale, die von der Antenne 101 oder 102 empfangen werden, von dem Empfangsverstärker 105 über die Antennenweiche/den Antennenschalter 103 verstärkt, gesteuert von der Steuereinheit 111, und in der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 109 über den Demodulator 108 in Steuersignale umgewandelt, um den Betrieb des Lautsprechers 110b, des Displays 110c und des Vibrators 110e der Ein-/Ausgabeeinheit 110 zu steuern.

Es ist auch möglich, den Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Basisstation eines Mobilkommunikationssystems anzuwenden, wie in 20B dargestellt.

Und zwar weist die Basisstation des Mobilkommunikationssystems gemäß dieser Ausführungsform, wie in 20B dargestellt, wenigstens eine Funkeinheit 200 auf, welche Antennen 201 und 202 zum Senden und Empfangen von Funksignalen, eine Antennenweiche/einen Antennenschalter 203 zum Umschalten der Verbindung der Antennen 201 und 202, einen Sendeverstärker 204 und einen Empfangsverstärker 205 mit darin integriertem Leistungsverstärker nach einer der obigen Ausführungsformen und ein Modem 206 zum Modulieren von Signalen, die in den Sendeverstärker 204 einzuspeisen sind, und zum Demodulieren von Signalen, die von dem Empfangsverstärker 205 ausgegeben werden, umfasst.

Die Basisstation dieser Ausführungsform weist außerdem eine Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 zum Durchführen einer Signalverarbeitung bezüglich der Ein-/Ausgangssignale der Funkeinheit 200, eine Übertragungsweg-Verbindungseinheit 208 zum Eingeben/Ausgeben von Ein-/Ausgangssignalen der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 bezüglich einer äußeren Umgebung, eine Steuereinheit 209 zum Steuern des Betriebs der Funkeinheit 200, der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 und der Übertragungsweg-Verbindungseinheit 208 sowie eine Stromquelle 210 zum Zuführen von Stromquellenspannungen zu der Funkeinheit 200, der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 und der Übertragungsweg-Verbindungseinheit 208 auf.

In dieser Basisstation werden die von der äußeren Umgebung zugeführten Signale über die Übertragungsweg-Verbindungseinheit 208 in die Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 eingespeist, der Signalverarbeitung in der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 unterzogen und über das Modem 206 dem Sendeverstärker 204 zugeführt. Diese Signale Diese Signale werden im Sendeverstärker 204 durch die Verstärkungs-Verarbeitung wie oben beschrieben verstärkt und von der Antenne 201 oder 202 über die Antennenweiche/den Antennenschalter 203 gesendet.

Andererseits werden Funksignale, die von der Antenne 201 oder 202 empfangen werden, von dem Empfangsverstärker 205 über die Antennenweiche/den Antennenschalter 203 verstärkt und in der Basisbandsignalverarbeitungseinheit 207 über das Modem 206 in Steuersignale umgewandelt und über die Übertragungsweg-Verbindungseinheit 208 an die äußere Umgebung ausgegeben.

Der Leistungsverstärker der vorliegenden Erfindung ist für ein System geeignet, welches erfordert, dass der Leistungsverstärker einen weiten Ausgangsleistungsbereich aufweist. Zum Beispiel ist es effizient für Kommunikationen mit einer Mobilstation wie oben beschrieben, oder sogar für Kommunikationen zwischen Feststationen, wo die Funkwellenausbreitungs-Umgebung leicht geändert werden kann. Es ist außerdem effizient in einem Mobilkommunikationssystem wie etwa einem Mobiltelefonsystem, insbesondere einem Mobilkommunikationssystem, bei dem das CDMA-Schema zur Anwendung kommt und das einen weiten Dynamikbereich erfordert.

Wie beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Leistungsverstärker zu realisieren, der in der Lage ist, einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad in einem weiten Ausgangsleistungsbereich sicherzustellen, ohne variable Spannungsquellen wie etwa Schalter, variable Anpassungsschaltungen, Gleichspannungswandler usw. zu verwenden. Die Hochfrequenzschaltung der vorliegenden Erfindung kann auf MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit, monolithische integrierte Mikrowellenschaltung) implementiert werden, so dass sie in dem Leistungsverstärker für das Mobiltelefon oder Ähnliches verwendet werden kann, welcher hohe Anforderungen in Bezug auf den Energieverbrauch stellt, und es ist möglich, die Dauer des ununterbrochenen Betriebs des Mobiltelefons oder ähnlichen Gerätes beträchtlich zu verlängern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung zu einer Zeit hoher Ausgangsleistung betrieben, und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung zu einer Zeit niedriger Ausgangsleistung betrieben, zu welcher die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung dem maximalen Wirkungsgrad aufweist, so dass es möglich ist, den verschwenderischen Energieverbrauch durch die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung zu eliminieren. Außerdem sind in der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung die Verstärkerzellen AC-mäßig parallelgeschaltet, und die Spannung, die annähernd gleich der Eingangsspannung ist, wird an die Verstärkerzellen annähernd phasengleich angelegt, so dass es möglich ist, die Verstärkung hoher Ausgangsleistung zu realisieren, ohne eine Phasenverschiebung zwischen den Verstärkerzellen zu verursachen. Andererseits sind in der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung die Verstärkerzellen AC-mäßig in Reihe geschaltet, und eine geteilte Niederspannung wird an die Verstärkerzellen annähernd phasengleich angelegt, so dass es möglich ist, die Verstärkung niedriger Ausgangsleistung zu realisieren, ohne eine Phasenverschiebung zwischen den Verstärkerzellen zu verursachen.

Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend der Ausgangsleistung nur eine der Verstärkerzelleneinheiten in den Verstärkungsbetriebs-Zustand versetzt, während die anderen Verstärkerzelleneinheiten in den Hochimpedanz-Zustand versetzt werden, so dass die nicht in Betrieb befindlichen Verstärkerzelleneinheiten von den Verbindungseinheiten als offene Kapazitäten mit hohen Impedanzen betrachtet werden können, welche die im Verstärkungsbetriebs-Zustand befindliche Verstärkerzelleneinheit nicht beeinflussen.

Insbesondere kann durch Erhöhung der Anzahl der Schritte der Verstärkerzellen, die bezüglich der Stromquellenspannung in Reihe zu schalten sind, die Ausgangsleistung mit dem maximalen Wirkungsgrad um ungefähr 6 dB pro Schritt verringert werden. Außerdem kann der Leistungsverstärker in einer kompakten Größe realisiert werden, weil die variablen Spannungsquellen wie etwa Schalter, variable Anpassungsschaltungen, Gleichstromwandler usw. nicht für den Zweck des Umschaltens der Signalpfade benötigt werden.

Es ist außerdem anzumerken, dass viele Modifikationen und Änderungen der obigen Ausführungsformen, neben den oben bereits erwähnten, vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der neuen und vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend ist beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen und Varianten, sofern sie in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen, in den Schutzbereich der Erfindung einzubeziehen.


Anspruch[de]
Hochfrequenzschaltung, welche umfasst:

eine Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung (1a), die so konfiguriert ist, dass sie Eingangssignale zu einem Zeitpunkt hoher Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher eine DC-Stromquellenspannung (Vdc) parallel ersten Verstärkerzellen (4a, 4b) zugeführt wird, welche in Bezug auf Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind;

eine Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung (1b), die so konfiguriert ist, dass sie die Eingangssignale zu einem Zeitpunkt niedriger Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher die DC-Stromquellenspannung (Vdc) in Reihe zweiten Verstärkerzellen (4c, 4d) zugeführt wird, welche in Bezug auf die Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind;

eine erste Verbindungseinheit (2i), die so konfiguriert ist, dass sie Eingangsseiten der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung mit einer Eingangsklemme verbindet, von welcher die Eingangssignale eingespeist werden; und

eine zweite Verbindungseinheit (2o), die so konfiguriert ist, dass sie Ausgangsseiten der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung mit einer Ausgangsklemme verbindet, zu welcher die Eingangssignale ausgegeben werden.
Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung durch Steuerspannungen so gesteuert werden, dass eine von ihnen, entweder die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung oder die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung, in einen Verstärkungsbetriebs-Zustand versetzt wird und die andere Verstärkerzelleneinheit in einen Hochimpedanz-Zustand versetzt wird. Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Verbindungseinheit allein von passiven Elementen gebildet werden und so konfiguriert sind, dass sie einen Anpass-Zustand in Bezug auf die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung aufrechterhalten, wenn sich die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung im Hochimpedanz-Zustand befindet, oder einen Anpass-Zustand in Bezug auf die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung, wenn sich die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung im Hochimpedanz-Zustand befindet. Hochfrequenzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche umfasst:

wenigstens eine Verstärkerzelleneinheit mittlerer Ausgangsleistung, die so konfiguriert ist, dass sie die Eingangssignale zu einem Zeitpunkt mittlerer Ausgangsleistung verstärkt, und in welcher die DC-Stromquellenspannung parallel dritten Verstärkerzellen und in Reihe vierten Verstärkerzellen zugeführt wird, welche in Bezug auf die Ein-/Ausgangssignale AC-mäßig parallelgeschaltet sind.
Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die DC-Stromquellenspannung von einer Ausgangsanschlussseite der zweiten Verbindungseinheit zugeführt wird. Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine gemeinsame Steuerspannung zum Steuern der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung von einer Eingangsanschlussseite der ersten Verbindungseinheit zugeführt wird. Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung auf separaten Halbleiterchips angebracht sind. Hochfrequenzschaltung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung auf einem einzigen Halbleiterchip angebracht sind. Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 8, wobei die ersten Verstärkerzellen und die zweiten Verstärkerzellen in einem über den einzigen Halbleiterchip verteilten Muster angeordnet sind. Hochfrequenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Quellen- und Lastimpedanz sowohl der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung als auch der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung feinabgestimmt werden, indem die erste und zweite Verbindungseinheit asymmetrisch bezüglich der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung ausgebildet werden. Hochfrequenzschaltung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei Quellen- und Lastimpedanz sowohl der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung als auch der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung feinabgestimmt werden, indem für die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung unterschiedliche Transistorgrößen verwendet werden. Hochfrequenzschaltung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei Quellen- und Lastimpedanz sowohl der Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung als auch der Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung feinabgestimmt werden, indem die ersten Verstärkerzellen und die zweiten Verstärkerzellen in unterschiedlichen Abständen von Anpassungsschaltungen angeordnet werden, die an einer Eingangsseite der ersten Verbindungseinheit und an einer Ausgangsseite der zweiten Verbindungseinheit anzuschließen sind. Kommunikationseinrichtung, welche umfasst:

wenigstens eine Antenne, die so konfiguriert ist, dass sie Funksignale sendet oder empfängt;

wenigstens einen Leistungsverstärker, der so konfiguriert ist, dass er die Funksignale, die von der wenigstens einen Antenne zu senden oder zu empfangen sind, verstärkt, und der eine Hochfrequenzschaltung nach Anspruch 1 enthält; und

eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung und die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung steuert, indem sie eine von ihnen, entweder die Verstärkerzelleneinheit hoher Ausgangsleistung oder die Verstärkerzelleneinheit niedriger Ausgangsleistung, in einen Verstärkungsbetriebs-Zustand versetzt und die andere Verstärkerzelleneinheit in einen Hochimpedanz-Zustand versetzt.
Kommunikationseinrichtung nach Anspruch 13, wobei der wenigstens eine Leistungsverstärker einen ersten Leistungsverstärker enthält, der so konfiguriert ist, dass er die Funksignale verstärkt, die von der wenigstens einen Antenne gesendet werden sollen, und einen zweiten Leistungsverstärker, der so konfiguriert ist, dass er die Funksignale verstärkt, die von der wenigstens einen Antenne empfangen werden.






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