Verstärkeranordnung mit gesteuerter Rückführung von Verlustleistung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung für ein Anfangssignal, das eine Anfangsfrequenz aufweist,

- wobei die Verstärkeranordnung einen Eingangssignalermittler aufweist, dem das Anfangssignal zugeführt wird und der an- hand des Anfangssignals ein erstes Eingangssignal und ein zweites Eingangssignal ermittelt,

- wobei der Eingangssignalermittler das erste Eingangssignal einem ersten Verstärker zuführt, der das erste Eingangssig ^¬ nal zu einem ersten Ausgangssignal verstärkt,

- wobei der Eingangssignalermittler das zweite Eingangssignal einem zweiten Verstärker zuführt, der das zweite Eingangs ^¬ signal zu einem zweiten Ausgangssignal verstärkt,

- wobei die Ausgangssignale untereinander gleiche Amplituden und die Anfangsfrequenz aufweisen und deren Phasenversatz gegeneinander, bezogen auf die Anfangsfrequenz, vom Betrag der Amplitude des Anfangssignals abhängt,

- wobei die Verstärker ihre Ausgangssignale einem gemeinsamen Koppelelement zuführen, das anhand der Ausgangssignale ein Nutzsignal und ein Verlustsignal bildet,

- wobei das Koppelelement derart ausgebildet ist, dass

-- eine Gesamtleistung, die das Nutzsignal und das Verlust ^¬ signal zusammen aufweisen, unabhängig vom Phasenversatz der Ausgangssignale ist,

-- eine Teilleistung, die das Nutzsignal aufweist, maximal ist, wenn der Phasenversatz der Ausgangssignale einen vorbestimmten Wert aufweist, und

-- die Teilleistung, die das Nutzsignal aufweist, mit der Abweichung des Phasenversatzes der Ausgangssignale von dem vorbestimmten Wert abnimmt,

- wobei das Koppelelement das Nutzsignal einer Last zuführt und das Verlustsignal einer Gleichrichtereinrichtung zuführt, - wobei die Gleichrichtereinrichtung das Verlustsignal gleichrichtet und das gleichgerichtete Verlustsignal einer Stromversorgungseinrichtung der Verstärkeranordnung zuführt .

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren für eine derartige Verstärkeranordnung.

Eine Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art und auch ein Betriebsverfahren für eine derartige Verstärkeranordnung sind beispielsweise aus der US 6,133,788 A und aus der US 6,285,251 Bl bekannt.

Es ist bekannt, dass ein einzelner Verstärker seinen maxima- len Wirkungsgrad nur dann erreicht, wenn er bei seinem maxi ^¬ malen gesättigten Ausgangsniveau (oder zumindest in dessen Nähe) betrieben wird. Um den maximalen Wirkungsgrad über einen relativ großen Leistungsbereich aufrecht erhalten zu können, werden daher Verstärkeranordnungen verwendet, die zwei Verstärker aufweisen. Die beiden Verstärker werden derart betrieben, dass sie beide bei ihrem maximalen gesättigten Ausgangsniveau arbeiten. Die Ausgangssignale werden mittels ei ^¬ nes geeigneten Koppelelements zu einem Nutzsignal vereinigt. Die Amplitude des Nutzsignals wird dadurch eingestellt, dass der Phasenversatz der beiden Ausgangssignale entsprechend eingestellt wird. Als Koppelelement wird in der Regel ein Hybrid oder ein Ringkoppler verwendet.

Wenn der Phasenversatz der Ausgangssignale von Null verschie- den ist, fällt zusätzlich zum Nutzsignal auch ein Verlustsig ^¬ nal an. Das Verlustsignal führt zu negativen Rückwirkungen auf die Verstärker. Zur Vermeidung derartiger Rückwirkungen kann beispielsweise ein Widerstand vorgesehen sein, der das Verlustsignal in Wärme umwandelt. Das Verwenden des Wider- Stands verbessert die Betriebsbedingungen (reduzierte Rück ^¬ wirkungen auf die Verstärker, reduzierte Verzerrungen usw.) der Verstärkeranordnung. Der Widerstand führt aber zugleich - insbesondere bei großem Phasenversatz, d. h. geringer Teil- leistung des Nutzsignals - zu einer verringerten Gesamteffi ^¬ zienz der Verstärkeranordnung.

Die genannten Verstärkeranordnungen werden unter anderem bei Mobilfunkgeräten eingesetzt. Sie werden auch bei anderen batteriegespeisten Geräten eingesetzt. Bei batteriegespeisten Geräten ist die Energieeffizienz von besonderer Bedeutung. Es ist daher bereits versucht worden, anstelle des Widerstands eine Gleichrichtereinrichtung zu verwenden, welche das Ver- lustsignal gleichrichtet und das gleichgerichtete Verlustsig ^¬ nal einer Stromversorgungseinrichtung der Verstärkeranordnung zuführt .

Im Stand der Technik wird die Gleichrichtereinrichtung mit ungesteuerten Gleichrichterelementen (= Dioden) aufgebaut. Bei Verwendung derartiger Gleichrichterelemente ist die Be ^¬ grenzerwirkung der Gleichrichterelemente nicht beeinflussbar. Dadurch ist der effektive Widerstand der Gleichrichtereinrichtung modulationsabhängig, d. h. abhängig vom Phasenver- satz der Ausgangssignale voneinander. Auf Grund der Veränderbarkeit des effektiven Widerstands der Gleichrichtereinrichtung ist die Gleichrichtereinrichtung nicht bei allen Phasenversätzen gut angepasst. Es kommt bei manchen Phasenversätzen zu Reflexionen in die Verstärker, die ihrerseits nichtlineare Verzerrungen und Effizienzminderungen zur Folge haben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden und derart zu betreiben, dass Reflexionen in die Verstärker nach Möglichkeit vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch eine Verstärkeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 4.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Eine vorteilhafte Aus- gestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist Ge ^¬ genstand des abhängigen Anspruchs 6.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass die

Gleichrichtereinrichtung als Gleichrichterelemente aktive Bauteile aufweist und dass die aktiven Bauteile synchron zur Anfangsfrequenz gesteuert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist vorgesehen, die Verstärkeranordnung entsprechend zu betreiben, also die als Gleichrichterelemente wirkenden aktiven Bauteile synchron zur Anfangsfrequenz zu steuern und dadurch das Verlustsignal gleich zu richten.

Auf Grund der Verwendung der synchron zur Anfangsfrequenz angesteuerten aktiven Bauelemente (kurz: eines Synchrongleichrichters) können die Sperr- und Leitzeiten der aktiven Bauelemente gesteuert werden. Dadurch kann die effektive Lastim- pedanz für die Verlustleistung optimiert werden. Im Zusammenwirken mit dem Koppelelement und der Einstellung des Phasenversatzes kann dadurch erreicht werden, dass

- der Last das Nutzsignal mit der gewünschten Teilleistung zugeführt wird,

- beide Verstärker mit einer optimalen (insbesondere modula ^¬ tionsunabhängigen) Lastimpedanz arbeiten,

- Modulationsnichtlinearitäten, Verzerrungen und Rückwirkungen gering gehalten werden und

- dennoch eine hohe Gesamteffizienz erreicht wird.

Die aktiven Bauelemente können nach Bedarf ausgebildet sein. Bevorzugt handelt es sich um Feldeffekttransistoren, insbesondere um MOSFETs.

Zur Optimierung der Ansteuerung der aktiven Bauelemente kann insbesondere vorgesehen sein, dass einer Steuereinrichtung für die Gleichrichtereinrichtung der Phasenversatz der Aus- gangssignale zugeführt wird und die Steuereinrichtung den Phasenversatz bei der Ermittlung von Steuersignalen für die aktiven Bauelemente berücksichtigt. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:

FIG 1 ein Blockschaltbild einer Verstärkeranordnung, FIG 2 ein Zeigerdiagramm,

FIG 3 eine Gleichrichtereinrichtung und

FIG 4 und 5 Zeitdiagramme.

Gemäß FIG 1 weist eine Verstärkeranordnung 1 einen Eingangs- signalermittler 2 auf. Dem Eingangssignalermittler 2 wird ein Anfangssignal s zugeführt. Das Anfangssignal s ist ein Wech ^¬ selsignal, das eine Anfangsfrequenz f und eine Amplitude a aufweist. Der Begriff „Anfangsfrequenz" wurde hierbei so gewählt, um den Zusammenhang mit dem Anfangssignal s anzudeu- ten. Eine weitergehende Bedeutung kommt dem Begriff „Anfangs ^¬ frequenz" nicht zu. Oftmals handelt es sich bei dem Anfangs ^¬ signal s um ein Signal in einem Frequenzbereich oberhalb von 20 MHz. In manchen Fällen weist das Anfangssignal s sogar ei ^¬ ne Anfangsfrequenz f von über einem GHz auf. Teilweise werden sogar 10 GHz überschritten.

Der Eingangssignalermittler 2 ermittelt anhand des Anfangssignals s ein erstes Eingangssignal sl. Das erste Eingangs ^¬ signal sl weist die Anfangsfrequenz f auf. Falls ein erster Verstärker 3, der das erste Eingangssignal sl zu einem ersten Ausgangssignal Sl verstärkt, Nichtlinearitäten aufweist, kann das erste Eingangssignal sl vom Eingangssignalermittler 2 entsprechend vorverzerrt werden, so dass die Nichtlinearitä ^¬ ten des ersten Verstärkers 3 vorkompensiert werden.

Der Eingangssignalermittler 2 führt das Eingangssignal sl dem ersten Verstärker 3 zu. Der erste Verstärker 3 verstärkt das erste Eingangssignal sl zum ersten Ausgangssignal Sl. Der Eingangssignalermittler 2 ermittelt anhand des Anfangssignals s weiterhin ein zweites Eingangssignal s2. Das zweite Eingangssignal s2 weist ebenfalls die Anfangsfrequenz f auf. Falls ein zweiter Verstärker 4, der das zweite Eingangssignal s2 zu einem zweiten Ausgangssignal S2 verstärkt, Nichtlinea- ritäten aufweist, kann das zweite Eingangssignal s2 vom Ein ^¬ gangssignalermittler 2 entsprechend vorverzerrt werden, so dass die Nichtlinearitäten des zweiten Verstärkers 4 vorkom- pensiert werden.

Der Eingangssignalermittler 2 führt das zweite Eingangssignal s2 dem zweiten Verstärker 4 zu. Der zweite Verstärker 4 verstärkt das zweite Eingangssignal s2 zum zweiten Ausgangssig- nal S2.

Der Eingangssignalermittler 2 kann in bekannter Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Eingangssignalermittler 2 als digitaler Signalprozessor ausgebildet sein, der anhand des Anfangssignals s Quadratursignale ermittelt, anhand derer wiederum das erste Eingangssignal sl und das zweite Eingangs ^¬ signal s2 ermittelt werden. Aufbau und Wirkungsweise eines digitalen Signalprozessors und die Ermittlung von Quadratursignalen sind Fachleuten allgemein bekannt.

Das erste Ausgangssignal Sl und das zweite Ausgangssignal S2 weisen untereinander gemäß FIG 2 die gleiche Amplitude A auf. Die Amplitude A ist unabhängig von der Amplitude a des An ^¬ fangssignals s. Sie liegt im Bereich der Maximalamplitude der Verstärker 3, 4. Das erste Ausgangssignal Sl und das zweite

Ausgangssignal S2 weisen jedoch - bezogen auf die Anfangsfre ^¬ quenz f - einen Phasenversatz φ gegeneinander auf. Der Phasenversatz φ hängt von der Amplitude a des Anfangssignals s ab .

In der Regel sind die Verstärker 3, 4 gleich ausgebildet und werden gleichartig (insbesondere mit der gleichen Verstär ^¬ kung) betrieben. In der Regel gelten die obigen Aussagen (gleiche Amplitude, die nicht von der Amplitude a des An ^¬ fangssignals s abhängig ist, und Phasenversatz, der von der Amplitude a des Anfangssignal s abhängig ist) daher in analo ^¬ ger Weise auch für die den Verstärkern 3, 4 zugeführten Ein- gangssignale sl, s2.

Die Verstärker 3, 4 führen ihre Ausgangssignale Sl, S2 gemäß FIG 1 einem gemeinsamen Koppelelement 5 zu. Das Koppelelement 5 bildet anhand der Ausgangssignale Sl, S2 ein Nutzsignal N und ein Verlustsignal V. Das Koppelelement 5 kann beispiel ^¬ weise als Ringkoppler, als Richtkoppler, als 90°-Hybrid oder als 180°-Hybrid ausgebildet sein. In diesen Fällen bildet das Koppelelement 5 ein Summensignal und ein Differenzsignal der beiden Ausgangssignale Sl, S2. Das Summensignal entspricht in diesem Fall dem Nutzsignal N, das Differenzsignal dem Ver ^¬ lustsignal V.

Das Koppelelement 5 ist ein verlustfrei arbeitendes Koppel ^¬ element 5. Es ist derart ausgebildet, dass es die ihm zuge- führten Ausgangssignale Sl, S2 verlustfrei in das Nutzsignal N und das Verlustsignal V umwandelt. Insbesondere ist daher eine Gesamtleistung, die das Nutzsignal N und das Verlustsig ^¬ nal V zusammen aufweisen, unabhängig vom Phasenversatz φ der Ausgangssignale Sl, S2. Eine Amplitude (und damit verbunden auch eine Teilleistung) , die das Nutzsignal N aufweist, ist hingegen gemäß FIG 2 vom Phasenversatz φ abhängig. Wenn der Phasenversatz φ gleich einem vorbestimmten Wert ist, ist die Teilleistung des Nutzsignals N maximal, die des Verlustsig ^¬ nals V minimal. Im optimalen Fall ist in diesem Fall die Teilleistung des Nutzsignals N gleich der Summe der Einzel ^¬ leistungen der beiden Ausgangssignale Sl, S2, die Teilleis ^¬ tung des Verlustsignals V gleich Null. Je weiter der Phasenversatz φ von dem vorbestimmten Wert abweicht, desto geringer ist die Teilleistung des Nutzsignals N. Die Teilleistung des Nutzsignals N nimmt also mit der Abweichung des Phasenversat ^¬ zes φ von dem vorbestimmten Wert ab, in der Regel sogar streng monoton. Der vorbestimmte Wert, bei dem die Teilleistung des Nutzsig ^¬ nals N maximal ist, hängt von der Art des Koppelelements 5 ab. Er kann beispielsweise 90° oder 180° betragen. In der Darstellung von FIG 2 wurde angenommen, dass der vorbestimmte Wert 0° ist.

Das Koppelelement 5 führt das Nutzsignal N einer Last 6 zu. Das Koppelelement 5 führt weiterhin das Verlustsignal V einer Gleichrichtereinrichtung 7 zu. Die Last 6 kann beispielsweise entsprechend der Darstellung von FIG 1 insbesondere eine Sen ^¬ deantenne sein. Es sind jedoch auch andere Lasten denkbar. Im Falle einer Sendeantenne ist die Verstärkeranordnung 1 Be ^¬ standteil eines sogenannten „Outphasing-Senders" . Die Gleich ^¬ richtereinrichtung 7 richtet das Verlustsignal V gleich. Das gleichgerichtete Verlustsignal führt die Gleichrichterein ^¬ richtung 7 einer Stromversorgungseinrichtung 8 der Verstärkeranordnung 1 zu.

Gemäß FIG 3 ist die Gleichrichtereinrichtung 7 als Brücken- gleichrichter ausgebildet. Diese Ausgestaltung stellt den Regelfall der Gleichrichtereinrichtung 7 dar. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar, insbesondere eine Ausgestaltung als einfacher Halbwellengleichrichter . Gemäß FIG 3 weist die Gleichrichtereinrichtung 7 als Gleichrichterelemen- te 9 aktive Bauelemente auf. Die aktiven Bauelemente 9 können nach Bedarf ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die aktiven Bauelemente 9 als Feldeffekttransistoren ausgebildet, insbe ^¬ sondere als MOSFETs. Auch eine Ausgestaltung als IGBT ist je ^¬ doch möglich.

Allgemein ist es ausreichend, wenn pro Strompfad der Gleich ^¬ richtereinrichtung 7 mindestens eines der im jeweiligen

Strompfad befindlichen Gleichrichterelemente 9 als aktives Bauelement 9 ausgebildet ist. Bei der Ausgestaltung der

Gleichrichtereinrichtung 7 gemäß FIG 3 könnten also beispielsweise zwei der vier Gleichrichterelemente 9 als einfa ^¬ che, ungesteuerte Gleichrichterelemente (= Dioden) ausgebil- det sein. Gemäß FIG 3 sind jedoch alle Gleichrichterelemente 9 als aktive Bauelemente ausgebildet.

Die aktiven Bauelemente 9 werden gemäß den FIG 4 und 5 syn- chron zur Anfangsfrequenz f gesteuert. Dadurch richten sie das Verlustsignal V gleich.

Zur korrekten Ansteuerung der aktiven Bauelemente 9 wird einer Steuereinrichtung 10 für die Gleichrichtereinrichtung 7 - selbstverständlich - ein mit der Anfangsfrequenz f oszillierendes Signal zugeführt, beispielsweise das Anfangssignal s oder ein korrespondierendes Taktsignal. Anhand dieses Signals ermittelt die Steuereinrichtung 10, welche Brückenzweige der Gleichrichtereinrichtung 7 jeweils leitend gesteuert werden dürfen und welche Brückenzweige gesperrt bleiben müssen. Vor ^¬ zugsweise wird der Steuereinrichtung 10 weiterhin der Phasenversatz φ der Ausgangssignale Sl, S2 zugeführt. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 10 den Phasenversatz φ bei der Ermittlung von Steuersignalen cl, c2 für die aktiven Bau- elemente 9 berücksichtigen. Dies ist in den FIG 4 und 5 da ^¬ durch angedeutet, dass für den Phasenversatz φ bei der Darstellung von FIG 5 andere Sperr- und Leitzeiten der aktiven Bauelemente 9 eingezeichnet sind als für den Phasenversatz φ bei der Darstellung von FIG 4.

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson ^¬ dere kann auf einfache Weise eine hohe Energieeffizienz er ^¬ reicht werden, wobei dennoch nahezu keine Rückkopplungen auf die Verstärker 3, 4 auftreten. Dadurch ergibt sich insbeson- dere eine gute Linearität der Verstärker 3, 4.

Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung 1 ist für verschie ^¬ dene Einsatzzwecke verwendbar. Bevorzugt wird die erfindungs ^¬ gemäße Verstärkeranordnung 1 bei mobilen, batteriegespeisten Geräten verwendet, beispielsweise bei Mobilfunkgeräten ein ^¬ schließlich Mobiltelefonen. Auch eine Verwendung bei Hochleistungssendern ist möglich. Beispiele derartiger Hochleistungssender sind beispielsweise die Sendeverstärker für die Sendeantennen und die Gradientenspulen von Magnetresonanzanlagen .

Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Bezugszeichenliste

1 Verstärkeranordnung

2 Eingangssignalermittler

3, 4 Verstärker

5 Koppelelement

6 Last

7 Gleichrichtereinrichtung

8 Stromversorgungseinrichtung

9 Gleichrichterelemente/aktive Bauelemente

10 Steuereinrichtung a, A Amplituden

cl , c2 Steuersignale

f Anfangsfrequenz

N Nutzsignal

s Anfangssignal

sl , s2 Eingangssignale

Sl, S2 Ausgangssignale

V Verlustsignal

Phasenversatz