CN103795356A - 一种包络跟踪的射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种包络跟踪射频功率放大器，包括输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器，延时部件，钳位电路和射频功率放大器；输入方向耦合器将输入信号分为两部分，一部分信号经包络信号检测电路，包络信号放大器和钳位电路，最后为射频功率放大器提供偏置；另一部分信号经延时部件，使得射频功率放大器的偏置电压和输入信号完全同步；最后实现实时包络跟踪。其中包络信号放大器是对包络信号进行放大，使其足够为射频功率放大器提供偏置；钳位电路是对包络信号放大器放大的信号的幅值进行限制，减小包络跟踪射频放大器的失真。本发明的各个部件可以设计为宽频工作，可以兼容多个无线通讯标准。

Description

一种包络跟踪的射频功率放大器

技术领域

本发明涉及手机通信领域，尤其涉及一种包络跟踪的射频功率放大器。

背景技术

随着第三代无线通信系统和第四代无线通信系统的发展和推广，移动终端的功耗问题引起业界越来越多的重视，低功耗的移动终端成为业界研究的一个热门课题。

为了提高功率放大器的发射效率，现在通信系统中采用非恒包络调制方式进行信号调制。目前，为了有效地解决射频功率放大器的效率和线性度的矛盾，业界通常采用包络跟踪技术。

现有的包络跟踪技术，常用DC-DC转换器作为射频功率放大器的电源偏置，但是现有技术方案的主要缺陷在于：第三代无线通信系统和第四代无线通信系统的包络线信号带宽最大达到20MHz以上，所需的DC-DC转换器其转换频率要在极高的频率，其频率将达到几十MHz以上，此时的DC-DC一方面其工作频率过高，很难设计，另一方面其工作在很高的频率下，其转换效率会降低，进而产生多余的功率消耗。

发明内容

鉴于上述技术存在的不足，为了解决上述方案中DC-DC转换器实现困难和效率低弊端，本发明的目的旨在提供一种能够满足宽带包络信号需求，且能够实时跟踪包络信号的射频功率放大器。

本发明通过如下技术方案实现：

    一种包络跟踪射频功率放大器，包括输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器，延时部件，钳位电路和射频功率放大器，通过对输入信号的包络信号进行动态实时跟踪，使所述的射频功率放大器的偏置电压随输入信号的包络动态变化，且所述的偏置电压被限制在所述的射频功率放大器的最低正常工作电压和系统电压之间。

 所述的输入方向耦合器将输入信号分为功率大小的两部分，其中功率大的一部分输入所述的延时部件，功率小的另一部分输入所述的包络信号检测电路。

所述的包络信号检测电路将所述的输入方向耦合器的输入信号的包络信号检测出来。

所述的包络信号放大器由线性放大电路和开关级电路两部分组成，所述的包络信号放大器将所述的包络信号检测电路输出的包络信号进行放大。

所述的钳位电路由二极管电路构成，将所述的包络信号放大器输出的包络信号钳位，使其输出电压被限制在所述的射频功率放大器的最低正常工作电压和系统电压之间。

所述的延时部件由一个单位增益缓冲器构成，其产生一个与经过所述包络信号检测电路，所述的包络信号放大电路和所述的钳位电路产生的延时相等的延时，使所述的射频功率放大器的输入信号和偏置电压同步。

所述的射频功率放大器由输入宽带匹配电路、功率放大器电路和输出宽带匹配电路构成，将所述的钳位电路输出的信号作为偏置电压，将所述的延时部件的输出信号作为输入信号，对信号进行功率放大，并输出。

所述的输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器、延时部件、射频功率放大器和钳位电路为能适应宽频带工作的电路。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

一、电路易于实现：包络信号的放大器的设计要比高频工作的DC-DC要容易实现；

二、包络信号能做到实时跟踪；本发明提供是是一个连续的包络跟踪信号，经过所述延时模块的处理，可以达到包络信号与射频放大器要发射的信号严格的同步，能够最大程度的优化功率放大器的效率;

三、提供了钳位电路，保证了射频功率放大器的偏置信号不会超过V _DD 也不会低于其正常工作的最低电压V _min ，可以在兼顾低功耗的同时减小电路的失真;

四、可以实现宽频跟踪，兼容多个无线通信标准。

附图说明

图1是常用的包络跟踪射频功率放大器的结构示意图；

图2是本发明提出的包络跟踪射频功率放大器的结构示意图；

图3是是本发明提出的包络跟踪射频功率放大器中的包络信号放大器的结构示意图；

图4是本发明提出的包络跟踪射频功率放大器中的功率放大器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

图1所示的是常用的包络跟踪射频功率放大器的结构示意图。其工作原理如下：

frf(t)是功率放大器要发射的信号，该信号经过输入方向耦合器被分为两个信号，frf ₁(t)和frf ₂(t)，其中frf ₁(t)包含了要发射信号frf(t)的大部分功率，frf ₂(t)经过输入方向耦合器，含有frf(t)的信号信息，其主要是为后级的包络信号检测电路，提供包络信号；

包络检测电路从信号frf ₂(t)中分离出包络线信号E(t)；

DC-DC转换器根据包络线信号E(t)将电源电压进行调制，产生控制电压V _bias (t)，V _bias (t)进而给射频功率放大器PA提供偏置；

信号frf ₁(t)包含了要发射信号frf(t)的大部分功率，其经过延时部件，其作用是产生一个延时t ₁，使得延时后的信号frf ₁(t-t ₁)；

假设信号frf ₂(t)经过包络检测电路，DC-DC转换电路产生的延时是t ₂，则为了保证输入到功率放大器PA的包络信号E(t)与经过延时部件产生的信号frf ₁(t-t ₁)严格的同步，则要求t ₁= t ₂;

最后将信号frf ₁(t-t ₁)送到射频功率放大器PA 的输入端，将V _bias (t)输入射频功率放大器PA的偏置端，放大后的输出信号用f _out (t)表示。

从上述工作原理可以看出，通过对输入信号的包络信号进行动态跟踪，使射频功率放大器PA的偏置动态变化，能够达到提高射频功率放大器效率的效果。

图2所示的是本发明的提出的一种包络跟踪射频功率放大器的结构示意图：

一种包络跟踪射频功率放大器，包括输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器，延时部件和射频功率放大器；

还包括：钳位电路；

射频信号通过所述的输入方向耦合器输入电路，所述的输入方向耦合器一端与所述的包络信号检波电路的输入端相连，所述的包络信号检波电路的输出端与所述包络信号放大器的输入端相连，所述的包络信号放大器的输出端与所述的钳位电路的输入相连，所述的钳位电路的输出端与所述的射频功率放大器的偏置输入端相连；

所述的输入方向耦合器的另一个输出端与所述的延时部件的所述输入相连，所述的延时部件的输出端与所述的射频功率放大器的输入端相连。

frf(t)是功率放大器要发射的信号，该信号经过输入方向耦合器被分为两个信号，frf ₁(t)和frf ₂(t)，其中frf ₁(t)包含了要发射信号frf(t)的大部分功率，frf ₂(t)经过输入方向耦合器，含有frf(t)的信号信息，其主要是为后级的包络信号检测电路，提供包络信号；

包络检测电路从信号frf ₂(t)中分离出包络线信号E(t)；

包络信号放大器将包络信号E(t)进行放大，设放大倍数为A，其中A大于1，得到信号AE(t)；

所述的包络信号放大器的结构示意图如图3所示：

其连接关系为：

所述的包络信号放大器主要由线性放大部分和开关电路部分，以及负反馈部分组成；其中线性放大部分由运算放大器和电阻R₁以及电阻R₂组成，其三者构成同相放大电路，主要为所述的PA提供偏置电压，此时的放大倍数A为，

所述的开关电路部分，主要由PMOS管M1和NMOS管M2以及电感Ｌ组成，其主要为所述的PA提供偏置电流；

所诉的线性放大电路和开关电路分为所述的PA提供偏置电压和偏置电流，使的PA能够获得足够的输入功率，使输出功率满足电路的需求；

所述的负反馈部分由负反馈电阻R _f 和迟滞比较器构成，反馈电阻Rf用来检测所述线性放大的输出电流，当电路较小时，则控制所述的PMOS管导通，此时L将产生电流，为PA提供电流，弥补线性放大电路电流较小的缺陷。

假设在时刻t _b 时，此时的包络信号E(t _b )幅值较大，导致了放大后的信号大于或等于系统电压V _DD ；假设在时刻t _s 时，此时的包络信号E(t _s )幅值较小，导致了放大后的信号小于或等于射频功率放大器的最低正常工作电压V _min ；这样可以在进行功耗优化的同时，减小系统的失真。

将信号A E(t)输入到钳位电路中，得到信号V _bias (t)，钳位电路的作用将信号限制在V _min 和V _DD 之间，保证电路的正常工作；所述的钳位电路可以用二极管电路实现。

信号frf ₁(t)包含了要发射信号frf(t)的大部分功率，其经过延时部件，其作用是产生一个延时t ₁，使得延时后的信号frf ₁(t- t ₁)；

假设信号frf ₂(t)经过包络信号放大器和钳位电路产生的延时是t₂，则为了保证输入到功率放大器PA的包络信号E(t)与经过延时部件产生的信号frf ₁(t- t ₁)严格的同步，则要求t ₁=t ₂；

最后将信号frf1(t- t1)送到射频功率放大器PA 的输入端，将V _bias (t)输入射频功率放大器PA的偏置端，放大后的输出信号用f _out (t)表示。

所述的功率放大器PA的结构示意图如4所述，其主要由三部分组成：输入宽带匹配网络，功率放大电路和输出宽带匹配网络，其中所述的输入宽带匹配网络用来实现宽频带下的输入阻抗匹配，所述的功率放大电路用来实现功率放大的功能，所述的输出宽带匹配网络用来实现宽频带线的输出阻抗匹配，三者共同作用实现宽带功率放大器PA的功率放大功能；

所述的功率放大器PA的偏置电压由钳位电路的输出电压V _bias (t)提供；

所述的输入宽带匹配网络由电容Cin1，电容Cin2，电感Lin1和电感Lin2组成；

所述的功率放大器电路是以三极管Q1和三极管Q2为主的构成的功率放大器电路，其中电阻R1，电容C1，偏置电压Vbias1以及三极管Q1构成功率放大器的第一级电路；电容Cinter和电感Linter构成功率放大器的级间匹配电路；电阻R2，电容C2，偏置电压Vbias2以及三极管Q2构成功率放大器的第二级电路；

所述的输出宽带匹配电路由电感Lout1，电感Lout2，电容Cout1和电容Cout2组成。

由于所述的输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器，延时部件，射频功率放大器和钳位电路都可以设计为能适应宽频带工作的电路，因此本发明可以实现宽频带包络信号跟踪，兼容多个无线通信标准。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，包括输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器，延时部件，钳位电路和射频功率放大器，通过对输入信号的包络信号进行动态实时跟踪，使所述的射频功率放大器的偏置电压随输入信号的包络动态变化，且所述的偏置电压被限制在所述的射频功率放大器的最低正常工作电压和系统电压之间。

2.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的输入方向耦合器将输入信号分为功率大小的两部分，其中功率大的一部分输入所述的延时部件，功率小的另一部分输入所述的包络信号检测电路。

3.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的包络信号检测电路将所述的输入方向耦合器的输入信号的包络信号检测出来。

4.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的包络信号放大器由线性放大电路和开关级电路两部分组成，所述的包络信号放大器将所述的包络信号检测电路输出的包络信号进行放大。

5.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的钳位电路由二极管电路构成，将所述的包络信号放大器输出的包络信号钳位，使其输出电压被限制在所述的射频功率放大器的最低正常工作电压和系统电压之间。

6.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的延时部件由一个单位增益缓冲器构成，其产生一个与经过所述包络信号检测电路，所述的包络信号放大电路和所述的钳位电路产生的延时相等的延时，使所述的射频功率放大器的输入信号和偏置电压同步。

7.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的射频功率放大器由输入宽带匹配电路、功率放大器电路和输出宽带匹配电路构成，将所述的钳位电路输出的信号作为偏置电压，将所述的延时部件的输出信号作为输入信号，对信号进行功率放大，并输出。

8.根据权利要求1所述的包络跟踪射频功率放大器，其特征在于，所述的输入方向耦合器，包络信号检测电路，包络信号放大器、延时部件、射频功率放大器和钳位电路为能适应宽频带工作的电路。

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