多狀態、開關模式功率放大器系統及其操作方法
【技術領域】
[0001] 本發明通常涉及開關模式功率放大器系統及其操作方法。
【背景技術】
[0002] 無線電頻率（RF)通信主要涉及將數字基帶信息轉換為適合于通過空中接口傳送 和接收的高功率、調制的RF信號。在任何RF通信系統中，在給用于傳輸的天線提供信號之 前，系統的功率放大器在放大要被傳輸的信號方面起了重要作用。各種常見類型的功率放 大器被用于RF通信中，其中最常見的類型被歸類為具有模擬設計（例如，A、B、AB和C類） 或開關設計（例如，D和E類）。
[0003] 功率放大器常常消耗由傳輸系統所消耗的總功率的顯著部分。因此，功率放大器 的效率（即，放大器輸出信號的功率除以放大器消耗的總功率）是設計人員一直力求提高 的放大器質量。然而，放大器性能也需要重要考慮，并且具有較高理論效率的很多放大器設 計可以具有典型地低性能。例如，具有相對高理論效率的某些類放大器在線性度、失真、帶 寬等等方面可以具有相對較差的性能。由于期望優化RF功率放大器的效率和性能二者，RF 功率放大器的設計人員不斷努力開發更高效和更高性能的放大器設計。
【附圖說明】
[0004] 圖1根據示例實施例，是多狀態、開關模式功率放大器（SMPA)系統的簡化示意 圖；
[0005] 圖2是說明了放大器控制位代碼的第一例子的表，其中當被提供給3分支SMPA系 統的實施例的時候，會導致SMPA系統將其輸出信號幅值調節到7個輸出電壓電平之一；
[0006] 圖3根據示例實施例，是說明了 3分支SMPA系統的7個示例輸出電壓電平的表；
[0007] 圖4是說明了放大器控制位代碼的例子的表，其中當被提供給4分支SMPA系統的 實施例的時候，會導致SMPA系統將其輸出信號幅值調節到9個輸出電壓電平之一；
[0008] 圖5根據示例實施例，是說明了 4分支SMPA系統的9個示例輸出電壓電平的表； 以及
[0009] 圖6根據示例實施例，是一種用于操作多狀態SMPA系統的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0010] 本發明所描述的實施例包括開關模式功率放大器（SMPA)系統及其操作方法，該 放大器被配置以放大隨時間變化的信號，例如無線電頻率（RF)信號。本質上，本發明所描 述的SMPA系統實施例實現了 RF數模轉換器（DAC)功能。更具體地說，本發明所描述的SMPA 系統實施例可以特別適合于在通信系統內使用，其中在被編碼以驅動多個并聯SMPA分支 之前，RF信號被過采樣和量化。基于被提供給SMPA分支的SMPA (例如，晶體管）的驅動信 號，每個SMPA分支被配置以將直流（DC)輸入電壓轉換為放大的輸出信號。該SMPA系統將 源自多個SMPA分支的輸出信號進一步結合以產生具有可以在多個電壓電平或狀態之間調 制的電壓電平的輸出RF信號。所得到的輸出RF信號可以被重建濾波器重建。
[0011] 正如將在下面更詳細解釋的，被用于SMPA系統的N個SMPA限定了 M個輸出信號量 化狀態。更具體地說，在實施例中，輸出信號量化狀態的數量M至少等于2*N+1。根據各個 實施例，N可以是大于1的任何整數，雖然N也可以小到1(雖然可以不那么有用）。例如， 當N = 2的時候，SMPA系統的實施例能夠產生具有至少5個不同量化狀態的輸出信號。類 似地，當N = 3的時候，SMPA系統的實施例能夠產生具有至少7個不同量化狀態的輸出信 號；當N = 4的時候，SMPA系統的實施例能夠產生具有至少9個不同量化狀態的輸出信號， 依此類推。SMPA分支的數量可以被認為是任意的。較高數量的分支可以是有利的，因為它 可以導致較高的編碼效率。然而，具有較高數量的分支的系統將比具有較低分支數量的系 統更大并且更復雜。在任何情況下，本發明主題旨在包括具有任何數量SMPA分支的系統的 實施例。
[0012] 圖1根據示例實施例，是多狀態SMPA系統100的簡化示意圖。SMPA系統100包括 量化器/編碼器（QE)模塊110、N個SMPA分支120、121、122、輸出組合器160以及重建濾 波器192。在實施例中，正如將在下面更詳細解釋的，每個SMPA分支120-122可以以D類 推挽（push-pull)放大器的形式被實現。更具體地說，圖1所示的SMPA分支120-122的實 施例的電路拓撲結構與典型的電壓模式D類放大器一致。然而，正如將在下面更詳細解釋 的，輸入信號驅動不同于D類放大器的傳統輸入信號驅動。雖然圖1顯示SMPA系統100包 括3個SMPA分支120-122 (N = 3)，應了解，SMPA系統的其它實施例可以包括多于或少于3 個SMPA分支。為了描述SMPA系統的實施例的明顯的例子，圖1-圖3結合3分支SMPA系 統（例如，圖1的SMPA系統100)被描述。然而，基于本發明的描述，本領域技術人員將了 解N可以是任何實用的整數（例如，2和10之間的整數，雖然N也可以大于10)。
[0013] QE模塊110被配置以在輸入節點102接收RF輸入信號，并采樣信號以產生采樣序 列。例如，QE模塊110可以被配置以周期性地采樣輸入RF信號的電壓的幅值，并產生指示 了所測量的RF信號幅值的采樣（以采樣率）。或者，QE模塊110可以被配置以采樣輸入RF 信號的電壓。無論哪種方式，QE模塊110基本上被配置以以采樣率采樣輸入RF信號。根據 實施例，采樣率高于RF信號的基本頻率。更具體地說，采樣率被選擇為足夠高以至少滿足 Nyquist采樣標準。根據具體實施例，采樣率大約是RF信號基本頻率的4倍。在替代實施 例中，采樣率可以更高或更低（例如，低至基本頻率的兩倍）。QE模塊110可以執例如，使 用模擬-數字轉換器（ADC)，例如，sigma-delta( E - A)ADC行采樣，雖然其它類型的ADC 也可以被使用。
[0014] 根據實施例，QE模塊110還被配置以量化采樣序列中的采樣以產生一序列量化的 數字值，其中量化的數字值的量化狀態的數量對應于輸出信號量化狀態的數量（例如，在 實施例中，至少是2*N+1)。QE模塊110還被配置以編碼每個量化的數字值以產生多位編碼 值，其中每個位對應于系統的功率放大器（PA) 123-128中的不同的的一個驅動信號。因此， 在包括了 3個SMPA分支120-122和6個相應的PA 123-128的系統100中，每個編碼值可 以包括至少6個位。對應于每個編碼值的驅動信號實質上并行于SMPA分支120-122的驅 動信號輸入141-146被提供。根據實施例，正如稍后更詳細解釋的，當被提供給驅動信號輸 入141-146的時候，驅動信號可以具有相移以補償稍后由相位變換器165、166應用的相移 以及在輸出組合器160內所產生的相移，并且術語"實質上并行"旨在反映提供驅動信號可 以同相（in phase)被偏移。
[0015] 每個SMPA分支120-122包括互補對PA( g卩，對123、124,對125、126和對127、 128)。PA 123-128每個可以包括，例如，一個或多個場效應晶體管（FET)(例如，金屬氧化 物半導體場效應管（MOSFET))或雙極型晶體管。在本發明中，通過使用標號"A"和"B"，每 對中的PA 123-128彼此區分。而且，通過使用標號"-1"，"_2"和"-N"，不同的SMPA分支 120-122中的PA 123-128彼此區分。因此，例如，第一 PA分支120的兩個PA 123、124被 指定為"PA A-l"123和"PA B-l"124,第二PA分支121的兩個PA 125、126被指定為"卩八 A-2"125 和"PA B-2"126,以及第 N個PA 分支 120 的兩個 PA 127、128 被指定為"PA A-N"127 和"PA B-N"128。而且，在各個實施例中，雖然PA 123-128每個被表示為包括單級放大器， 每個PA 123-128可以由多個串聯連接的放大器級實現以達到所需的輸出功率電平（例如， 包括前置放大器和末級放大器）。
[0016] 每個PA 123-128耦合于兩個驅動信號輸入141-146之一和與SMPA分支120-122 相關聯的兩個PA輸出節點（未標示）之一之間。更具體地說，如圖1所示，第一 SMPA分支 120包括耦合于驅動信號輸入141和第