CN105917579B - 放大器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于放大器系统的线性化电路基于输入RF信号的包络，改善了功率放大器的线性度。所述线性化电路包括RF信号产生电路、副本电路和自适应放大器。所述RF信号产生电路根据输入数字信号的相位和幅值产生所述RF信号。所述副本电路从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压。所述自适应放大器基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压，施加所述自适应偏置电压到所述功率放大器和所述副本电路，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度。

Description

放大器系统和方法
技术领域
本文公开的解决方案大体涉及功率放大器，更具体地涉及改善功率放大器的线性度。
背景技术
无线收发器的性能很大程度上依赖于所述无线收发器用于放大信号以进行例如后续传输的放大器的性能，如线性度、效率等。为了使功率放大器实现良好的功率效率，需要功率放大器输入级具有相对较高的电压摆幅。典型地，在输入级处获得这样的高输入电压摆幅同时又能保持良好的线性度关系，除了功率放大器电路以外，还需要一些线性化电路。此外，输入级处的电压变化应尽可能小以避免压缩和幅值的非线性度。在实践中，不理想的是，这些目标需要利用较大的晶体管来实现放大器。
数字预失真和闭环极性架构代表了用于改善功率放大器线性度的两种传统解决方案。使用闭环极性架构解决方案，功率放大器的输出基于增益控制进行下变频，然后，与用于驱动功率放大器的信号的相位和幅值进行比较。使用这样的闭环极性架构解决方案可以显著降低功率放大器的负载、温度等的变化。然而，这种解决方案的代价是增加了设计的复杂度、较大的芯片面积、以及增加了功耗。使用数字预失真解决方案，在校准期间先测量功率放大器的非线性度，然后对输入信号进行适当的预失真，以补偿所测量的功率放大器的非线性度。虽然与闭环极性架构解决方案相比，预失真解决方案的复杂度较低、需要的芯片面积较小、而且使用较少的功率，但是数字预失真解决方案有时较低效，特别是当系统需要以变化的条件(例如变化的环境条件)进行操作时。因此，仍需改进线性化解决方案，在不过度增加关联放大器的复杂度、尺寸、和/或功率的情况下，实现变化操作条件下的期望效果。
发明内容
本文公开的解决方案改善了功率放大器(例如B类、AB类、和一些C类放大器)的线性度，所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入电压的增加而增加。为此目的，例如在副本电路中，复制所述功率放大器的操作，以提取由数字输入信号的相位和幅值产生的射频(RF)信号的包络。然后，使用所提取的包络改善所述功率放大器放大所述RF信号时的线性度。
独立权利要求书限定了本发明的各个方案，从属权利要求限定了各个方案的实施例。在一个示例性实施例中，一种线性化电路基于输入到功率放大器且由输入数字信号的相位和幅值产生的RF信号的包络，改善了B类或AB类或C类功率放大器的线性度。所述示例性线性化电路包括副本电路和自适应放大器。所述副本电路被配置用来从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压。所述自适应放大器可操作地连接到所述副本电路和所述功率放大器。所述自适应放大器被配置为基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压。所述自适应放大器施加所述自适应偏置电压到所述功率放大器和所述副本电路，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度。所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入电压幅值的增大而增大。
在另一个示例性实施例中，一种放大器系统包括功率放大器、RF信号产生电路和线性化电路。所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入电压幅值的增大而增大。所述RF信号产生电路可操作地连接所述功率放大器，并被配置为由输入到所述RF信号产生电路的数字信号的相位和幅值产生RF信号。所述线性化电路基于输入到所述功率放大器的所述RF信号的包络改善所述功率放大器线性度，其中所述线性化电路包括副本电路和自适应放大器。所述副本电路可操作地连接所述RF信号产生电路。所述副本电路被配置用来从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压。所述自适应放大器可操作地连接所述副本电路和所述功率放大器。所述自适应放大器被配置为基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压，其中，所述自适应放大器施加所述自适应偏置电压到所述功率放大器和所述副本电路，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度。
按照另一个示例性实施例，一种改善B类或AB类或C类功率放大器线的性度的方法基于输入到功率放大器且由输入数字信号的相位和幅值产生的模拟RF信号的包络。所述方法包括从所述RF信号中提取包络，并基于所提取的包络产生感测电压。所述方法还包括：基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压，其中，将所述自适应偏置电压施加到所述功率放大器，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度，以及，所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入电压幅值的增加而增加。
附图说明
图1示出了根据一个示例性实施例的放大器系统的方框图；
图2示出了根据一个示例性实施例的改善功率放大器的线性度的方法。
图3示出了图1所示放大器系统的一个示例性实现的电路图。
图4示出了图1所示放大器系统的另一示例性实现的电路图。
图5示出了按照本文所公开的解决方案进行线性化的功率放大器的跨导结果，与未使用任何线性化技术的功率放大器进行比较。
图6示出了关于本文所公开的解决方案的RF包络仿真。
具体实施方式
控制收发器中功率放大器的线性度对于改善收发器的整体性能至关重要。本文使用的术语“功率放大器”是指输出功率大于输入功率的任何放大器。在一些实施例中，功率放大器可以包括前置功率放大器(例如，在进一步放大之前用于提高输入信号的功率而不降低信噪比的放大器)、功率放大器放大器单元阵列中的放大器单元(例如，前置功率放大器单元阵列)、无线收发器天线之前的末级放大器等。然而，应当理解，本文所讨论的功率放大器可以是用于增加信号功率的任何放大器。
用于改善功率放大器线性度的传统解决方案包括已经讨论过的数字预失真和闭环极性架构解决方案。另一个可能的解决方案，当功率放大器的输入级在线性区域中操作时，通过跟踪施加到功率放大器的RF信号的包络，改善线性度。在传统解决方案中，包络跟踪可以通过处理仅由数字输入信号的幅值(称为幅值调制信号)产生的低频模拟信号，复制施加到功率放大器的RF信号的包络来实现。该复制包络用作调节功率放大器的偏压的基础。然后，功率放大器响应于所施加的偏置电压，放大幅度相位调制RF信号，其中该幅度相位调制RF信号由数字输入信号的幅值和相位产生。该解决方案最显著的缺点是实现每一解决方案所需增加的设计复杂度和电路占地面积。例如，该解决方案需要用于产生施加到功率放大器的幅度相位调制RF信号的电路、和用于产生用于复制RF包络的幅值调制信号的电路。
本文呈现的解决方案使用单个RF信号发生器，该单个RF信号发生器既给功率放大器提供幅度相位调制RF信号，也给用来复制RF信号包络的副本电路提供幅度相位调制RF信号。结果，本文公开的解决方案不仅具有较低的复杂度和较小占地面积，还能放宽对线性化电路的带宽要求，下文将进一步讨论。
图1示出了示例性放大器系统100的方框图，放大器系统100包括RF信号产生电路110、功率放大器120、用于改善功率放大器120的线性度的线性化电路130。RF信号产生电路110根据输入数字信号DATA的幅值和相位产生RF信号。更具体地，RF信号产生电路110将输入数据比特转换成所需射频(SRF)的模拟信号。功率放大器120放大SRF，以便输出比SRF具有更大功率的RF信号SRFout。为此目的，功率放大器120的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入电压幅值的增大而增大。示例性功率放大器120包括B类、AB类、C类放大器。
本文公开的线性化电路130通过控制施加到功率放大器120的偏压改善功率放大器120的线性度。为此目的，线性化电路130包括副本电路132和自适应放大器134。使用与施加到功率放大器120相同的RF信号SRF，副本电路132通过重复功率放大器120的至少一些操作来提取RF信号的包络。更具体地，副本电路132将RF信号转换成表示RF包络的低频信号以实现对RF包络的提取。基于所提取的包络，副本电路132产生感测电压Vsense，感测电压Vsense表明了功率放大器120的工作点变化，即，当输入包络变化时，功率放大器120输入级的操作条件变化了多少。基于Vsense，自适应放大器134产生用于功率放大器的自适应偏置电压VAB，其中VAB表示用于设置功率放大器120的工作点的功率放大器120的控制电压。还施加参考电压Vref到自适应放大器134，以调谐自适应放大器134，其中Vref表示Vsense的理想电平。还将自适应偏置电压反馈到副本电路132的输入。通过施加VAB到功率放大器120并反馈VAB到副本电路132，自适应放大器134可以按照所提取的包络调节功率放大器120和副本电路132，因此，改善了功率放大器120的线性度。
图2示出了用于改善功率放大器120的线性操作的示例性方法200。在示例性方法200中，将由数字输入信号的相位和幅值产生的RF信号SRF，施加到线性化电路130。线性化电路130从输入SRF中提取RF信号的包络(方框210)，并基于所提取的包络产生感测电压Vsense(方框220)。然后，线性化电路130基于Vsense产生自适应偏置电压VAB(方框230)。如先前讨论的，输出自适应偏置电压VAB施加到功率放大器120，并反馈到线性化电路130中的副本电路132。
图3示出了图1所示的放大器系统100的示例性电路图。如图3所示，副本电路132的一个示例性实现包括差分输入跨导级，差分输入跨导级包括正半单元晶体管M1C+和负半单元晶体管M1C-。RF信号产生电路110根据数字输入信号的幅值和相位产生RF信号，RF信号包括正RF信号SRF+和负RF信号SRF-。正RF信号SRF+施加到正半单元晶体管M1C+的输入，负RF信号SRF-施加到负半单元晶体管M1C-的输入。差分输入跨导级的输出连接节点136，以提供Vsense给自适应放大器134，从而，提供输出电压(Vsense)到自适应放大器134的输入。
又如图3所示，功率放大器120的一个示例性实现还包括差分输入跨导级，差分输入跨导级包括正半单元晶体管M1A和负半单元晶体管M1B，其中正RF信号SRF+施加到正半单元晶体管M1A的输入，负RF信号SRF-施加到负半单元晶体管M1B的输入。在一个示例性实施例中，功率放大器120和副本电路132的输入级晶体管以饱和模式操作。将自适应放大器134响应于Vsense而输出的自适应偏置电压VAB提供给副本电路132的第二输入，即，晶体管M3C的栅极)，从而，作用于副本电路132的差分输入跨导级的半单元晶体管M1C+和M1C-的漏极。自适应放大器134还施加VAB到功率放大器120的偏压输入，即，级联晶体管M3A和M3B的栅极，由此驱动功率放大器120的半单元晶体管M1A和M1B的漏极。用VAB驱动级联晶体管M3A和M3B降低了对这些晶体管的跨导要求，可以在不牺牲性能的前提下，使用较小的晶体管作为这些级联晶体管M3A和M3B。此外，较小的级联晶体管在输出处产生较小的寄生电容。因此，该实施例不仅从输入到放大器的RF信号得到自适应偏置电压，从而由于只需要一个信号发生电路而降低了复杂度和功率需求，同时与传统解决方案相比，也减小了实现所需的电路尺寸。
图4示出了图1所示放大器系统100的另一示例性电路图。在这个实施例中，副本电路132还包括第二级联级晶体管M2C，以及功率放大器120还包括第二级联级(包括第一和第二级联晶体管M2A和M2B)。根据这一实现方案，M2晶体管增加了级联级(M2和M3晶体管)的总阻抗，因此，降低了从输入级看的总跨导。在RF信号的负半周期中，RF信号的电压在功率放大器120的偏置点下，因此不产生输出电流。本地振荡器电路140以功率放大器120处的本地振荡器频率的两倍对RF信号进行采样，以排除RF信号产生电路110的输出中的任何抖动。由于输入电压电平非常高，功率放大器120的级联晶体管M2A和M2B与功率放大器120的输入晶体管M1A和M1B之间的跨导率也应较高，以避免输入级处的压缩和幅值非线性。另外，由于级联晶体管M2A和M2B仅用于对信号进行闸控，这些晶体管的沟道长度可以保持为最小。因此，级联晶体管M2A和M2B的跨导可以很高。本文公开的线性化解决方案是通过响应于所提取出的RF包络自适应地改变级联晶体管M2A和M2B的漏极电压来实现的，例如，向驱动级联晶体管M2A和M2B的漏极的晶体管M3A和M3B的栅极提供VAB。较高的RF信号值通过有效地增加级联晶体管M3A和M3B的栅极偏置电压，有效地增加了级联晶体管M3A和M3B的跨导(gm)。这使得级联晶体管M3A和M3B具有较小的尺寸，同时具有较小的压缩以及功率放大器120的级联晶体管(M2和M3晶体管)的较大有效跨导，即，如图5所示，与没有线性化的情况相比，输入级跨导变化不大，这有效地增加了功率放大器的线性度。
应当理解，Vsense反映了RF包络的变化，自适应放大器134使用Vsense来校正这些变化。跟随包络形状的自适应放大器134放宽了带宽要求，这是因为在零RF信号值时存在施加到两个分支(例如，功率放大器120和副本电路132的正分支和负分支)的小偏置电流，这显著地平滑了过渡点(通过比较图6的中间曲线与图6的底部曲线可以看出)。更具体地，因为以小偏置电流对输入晶体管M1C+和M1C-进行偏置，两个输入晶体管M1C+和M1C-传导电流，防止M3C的晶体管电流为零保持自适应放大器的输出平滑(如图6顶部曲线中的VAB所示)。该平滑放宽了自适应放大器134的宽带操作要求。
当与IQ调制器一起使用时，功率放大器120包括同相功率放大器和正交功率放大器，本文所公开的线性化解决方案包括两条线性化路径——并联连接的同相路径和正交路径。在这种情况下，同相路径基于RF信号同相部分的包络改善同相功率放大器的线性度，而正交路径基于RF信号正交部分的包络改善正交功率放大器的线性度。为此目的，同相路径包括图1所示的线性化电路130的同相版本，而正交路径包括图1所示的线性化电路130的正交版本。更具体地，同相路径包括可操作地连接到RF信号产生电路110的同相输出的同相副本电路132、和可操作地连接到同相副本电路132和同相功率放大器120的同相自适应放大器134。类似地，正交路径包括可操作地连接到RF信号产生电路110的正交输出的正交副本电路132、和可操作地连接到正交副本电路132和正交功率放大器120的正交自适应放大器134。
如上所述，本文讨论的功率放大器可以包括一个或者更多个功率放大器单元(例如，功率放大器阵列)。在这种情况下，RF信号和由线性化电路130确定的自适应偏置电压施加到每一个功率放大器单元，以改善每一个功率放大器单元的线性度。
通过将相同的RF信号传递至本文公开的线性化电路130和功率放大器120，与过去的解决方案相比，本文公开的线性化解决方案显著降低了复杂度和占地面积。
本文公开的多种元件被描述为一些电路，例如，RF信号产生电路、线性化电路、副本电路、本地振荡器电路等。这些电路中的每一个都可以由硬件和/或在控制器或处理器上执行的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)具体实现，包括专用集成电路(ASIC)。此外，本文公开的多种元件被描述为一些放大器，例如，功率放大器、自适应放大器等。应当理解，这些放大器中的每一个都表示以硬件具体实现的一种电路。
尽管本文所公开的解决方案的细节以NMOS晶体管进行描述，应当理解，本文所公开的解决方案可以替代地用PMOS晶体管来实现。
当然，在不偏离本发明的基本特征的情况下，本发明可以用与本文具体阐述的方式不同的方式来实现。这些实施例应当看作是说明性的而非限制性的，本发明意欲囊括所附权利要求书的含义和等价范围内的所有变化。

Claims (17)

1.一种线性化电路，用于基于输入到B类或AB类或C类功率放大器且由输入数字信号的相位和幅值产生的射频RF信号的包络，改善所述功率放大器的线性度，所述线性化电路包括：
副本电路，被配置用于接收所产生的RF信号，从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压；以及
自适应放大器，可操作地连接到所述副本电路和所述功率放大器，所述自适应放大器被配置为基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压，
其中，所述自适应放大器施加所述自适应偏置电压到所述功率放大器和所述副本电路，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度；以及
所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着所述RF信号的幅值的增大而增大。
2.根据权利要求1所述的线性化电路，其中所述功率放大器包括前置功率放大器。
3.根据权利要求1所述的线性化电路，其中，所述功率放大器包括多个功率放大器单元，以及所述RF信号和所述自适应偏置电压施加到每一个功率放大器单元，以改善每一个功率放大器单元的线性度。
4.根据权利要求1所述的线性化电路，其中：
所述功率放大器包括并联连接的同相功率放大器和正交功率放大器；以及
所述线性化电路包括并联连接的同相路径和正交路径，所述同相路径用于基于所述RF信号的同相部分的包络，改善所述同相功率放大器的线性度，所述正交路径用于基于所述RF信号的正交部分的包络，改善所述正交功率放大器的线性度；
所述同相路径包括同相副本电路，被配置用于接收所述RF信号的同相部分，以及所述同相自适应放大器可操作地连接到所述同相副本电路和所述同相功率放大器；以及
所述正交路径包括正交副本电路，被配置用于接收所述RF信号的正交部分，以及所述正交自适应放大器可操作地连接到所述正交副本电路和所述正交功率放大器。
5.根据权利要求1所述的线性化电路，其中所述副本电路包括：
差分输入跨导级，包括正半单元晶体管和负半单元晶体管；
其中，所述RF信号包括正RF信号和负RF信号；
所述正RF信号施加到所述正半单元晶体管的输入，所述负RF信号施加到所述负半单元晶体管的输入；以及
所述差分输入跨导级的输出连接到所述自适应放大器的输入，并提供所述感测电压到所述自适应放大器的输入。
6.根据权利要求1所述的线性化电路，其中所述感测电压表示根据所提取的包络产生的所述功率放大器的工作点。
7.一种放大器系统，包括：
功率放大器，其中所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入到所述功率放大器的RF信号的幅值的增大而增大；
RF信号产生电路，可操作地连接到所述功率放大器，并被配置用于根据输入到所述RF信号产生电路的数字信号的相位和幅值，产生RF信号；以及
线性化电路，用于基于输入到所述功率放大器的射频RF信号的包络，改善所述功率放大器的线性度，所述线性化电路包括：
副本电路，可操作地连接到所述RF信号产生电路，所述副本电路被配置用于从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压；以及
自适应放大器，可操作地连接到所述副本电路和所述功率放大器，所述自适应放大器被配置为基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压，其中，所述自适应放大器施加所述自适应偏置电压到所述功率放大器和所述副本电路，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度。
8.根据权利要求7所述的放大器系统，其中所述功率放大器包括前置功率放大器。
9.根据权利要求7所述的放大器系统，其中，所述功率放大器包括多个功率放大器单元，以及所述RF信号和所述自适应偏置电压施加到每一个功率放大器单元，以改善每一个功率放大器单元的线性度。
10.根据权利要求7所述的放大器系统，其中：
所述功率放大器包括并联连接的同相功率放大器和正交功率放大器；以及
所述线性化电路包括并联连接的同相路径和正交路径，所述同相路径用于基于所述RF信号的同相部分的包络，改善所述同相功率放大器的线性度，所述正交路径用于基于所述RF信号的正交部分的包络，改善所述正交功率放大器的线性度；
所述同相路径包括同相副本电路，被配置用于接收所述RF信号的同相部分，以及所述同相自适应放大器可操作地连接到所述同相副本电路和所述同相功率放大器；以及
所述正交路径包括正交副本电路，被配置用于接收所述RF信号的正交部分，以及所述正交自适应放大器可操作地连接到所述正交副本电路和所述正交功率放大器。
11.根据权利要求10所述的放大器系统，其中所述副本电路包括：
差分输入跨导级，包括正半单元晶体管和负半单元晶体管；
其中，所述RF信号包括正RF信号和负RF信号；
所述正RF信号施加到所述正半单元晶体管的输入，所述负RF信号施加到所述负半单元晶体管的输入；以及
所述差分输入跨导级的输出连接到所述自适应放大器的输入，并提供所述感测电压到所述自适应放大器的输入。
12.一种用于基于输入到B类或AB类或C类功率放大器且由输入数字信号的相位和幅值产生的模拟射频RF信号的包络改善所述功率放大器的线性度的方法，所述方法包括：
从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压；以及
基于所述感测电压产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压；
其中，通过根据所述包络调节所述功率放大器和复制操作，将所述自适应偏置电压施加到所述功率放大器，以改善所述功率放大器的线性度；以及
所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入到所述功率放大器的所述RF信号的幅值的增大而增大。
13.一种收发器，包括放大器系统，所述放大器系统包括：
功率放大器，其中所述功率放大器的工作点的设定使得平均放大器电流随着输入到所述功率放大器的RF信号的幅值的增大而增大；
RF信号产生电路，可操作地连接到所述功率放大器，并被配置用于根据输入到所述RF信号产生电路的数字信号的相位和幅值，产生RF信号；以及
线性化电路，用于基于输入到所述功率放大器的射频RF信号的包络，改善所述功率放大器的线性度，所述线性化电路包括：
副本电路，可操作地连接到所述RF信号产生电路，所述副本电路被配置用于从所述RF信号中提取所述包络，并基于所提取的包络产生感测电压；以及
自适应放大器，可操作地连接到所述副本电路和所述功率放大器，所述自适应放大器被配置为基于所述感测电压，产生用于所述功率放大器的自适应偏置电压，其中，所述自适应放大器施加所述自适应偏置电压到所述功率放大器和所述副本电路，以通过根据所述包络调节所述功率放大器和所述副本电路，改善所述功率放大器的线性度。
14.根据权利要求13所述的收发器，其中所述功率放大器包括前置功率放大器。
15.根据权利要求13所述的收发器，其中，所述功率放大器包括多个功率放大器单元，以及所述RF信号和所述自适应偏置电压施加到每一个功率放大器单元，以改善每一个功率放大器单元的线性度。
16.根据权利要求13所述的收发器，其中：
所述功率放大器包括并联连接的同相功率放大器和正交功率放大器；以及
所述线性化电路包括并联连接的同相路径和正交路径，所述同相路径用于基于所述RF信号的同相部分的包络，改善所述同相功率放大器的线性度，所述正交路径用于基于所述RF信号的正交部分的包络，改善所述正交功率放大器的线性度；
所述同相路径包括同相副本电路，被配置用于接收所述RF信号的同相部分，以及所述同相自适应放大器可操作地连接到所述同相副本电路和所述同相功率放大器；以及
所述正交路径包括正交副本电路，被配置用于接收所述RF信号的正交部分，以及所述正交自适应放大器可操作地连接到所述正交副本电路和所述正交功率放大器。
17.根据权利要求16所述的收发器，其中所述副本电路包括：
差分输入跨导级，包括正半单元晶体管和负半单元晶体管；
其中，所述RF信号包括正RF信号和负RF信号；
所述正RF信号施加到所述正半单元晶体管的输入，所述负RF信号施加到所述负半单元晶体管的输入；以及
所述差分输入跨导级的输出连接到所述自适应放大器的输入，并提供所述感测电压到所述自适应放大器的输入。
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