CN106033953B - 包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路 - Google Patents

Abstract

提供一种包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路，所述包络跟踪放大器包括：线性级、感应级以及开关级，其中，线性级用于对接收的包络信号进行放大，以输出与包络信号的幅值相应的电压，感应级用于根据线性级输出的电压产生控制信号，开关级用于根据感应级产生的控制信号输出与包络信号的幅值相应的电流，其中，线性级与开关级并联以向外部提供与包络信号呈线性关系的输出。采用上述包络跟踪放大器能够改善其输出，以向外提供一个具有良好线性度且高效的电源。

Description

包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路

技术领域

本发明总体说来涉及射频通信的集成电路领域，更具体地讲，涉及一种包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路。

背景技术

在射频通信中，为了克服远距离传输造成的信号衰减，也为了使接收机获得更好的SNR(信噪比)以减轻接收机的设计难度，一般都需要发射机特别是功率放大器能够提供较高的输出功率。

为此，一般要求功率放大器具有较好的线性度和高效率，即，当功率放大器的输出功率较大时，其相应的电源电压较高，当功率放大器的输出功率较小时，其相应的电源电压较低。

然而，在现有技术中，一般为功率放大器提供恒定的电源电压，即，不论功率放大器的输出功率是大是小，其电源电压均是处于较高的状态，这就导致了功率放大器在低输出功率的情况下的效率低，不仅大量能量转化成热量白白损耗掉，而且还提高了芯片的温度，同时减少了电源和芯片的使用寿命。另外，随着通信系统的不断发展和演变，有限频带内的数据传输速率越来越高，信号峰均比随之也越来越高，这对功率放大器的线性度都提出很高要求。

现有技术中一般采用功率回退的方式，即，将功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退6-10dB，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区以满足线性度要求。

虽然利用功率回退的方式来改善放大器的线性度简单、易实现，且不需要增加任何附加设备，但是这种方式会大大降低功率放大器的效率。另外，当输入功率回退到一定程度时，继续回退将不再改善功率放大器的线性度。

发明内容

本发明的示例性实施例在于提供一种能够向外部提供具有良好线性度的输出并具有高效率的包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路，将该输出提供给功率放大器，可对功率放大器的电源进行改善，以解决功率放大器的低效率问题。

根据本发明示例性实施例的一方面，提供一种包络跟踪放大器，所述包络跟踪放大器包括：线性级、感应级以及开关级，其中，线性级用于对接收的包络信号进行放大，以输出与包络信号的幅值相应的电压，感应级用于根据线性级输出的电压产生控制信号，开关级用于根据感应级产生的控制信号输出与包络信号的幅值相应的电流，其中，线性级与开关级并联以向外部提供与包络信号呈线性关系的输出。

可选地，线性级可包括线性运算放大器、第一偏置电源、第二偏置电源、第一MOS管以及第二MOS管，其中，线性运算放大器用于对接收的包络信号进行放大，第一偏置电源用于调节线性运算放大器的输出电压，并将调节后的输出电压发送给第一MOS管的栅极，第二偏置电源用于调节线性运算放大器的输出电压，并将调节后的输出电压发送给第二MOS管的栅极，第一MOS管的漏极连接到电源，第一MOS管的源极连接到第二MOS管的源极和作为线性级的输出端的节点，第二MOS管的漏极接地。

可选地，当包络信号的幅值大于等于第一设定阈值时，第一MOS管导通，第二MOS管截止，作为线性级的输出端的节点可通过与第一MOS管的漏极相连接的电源来提供电压，当包络信号的幅值小于第一设定阈值时，第一MOS管截止，第二MOS管导通，所述节点可通过与第二MOS管的漏极相连接的地进行放电。

可选地，线性级可还包括第一电阻器以及第二电阻器，其中，线性运算放大器的正向输入端接收包络信号，线性运算放大器的输出端与第一MOS管的栅极之间串联连接第一偏置电源，线性运算放大器的输出端与第二MOS管的栅极之间串联连接第二偏置电源，第一电阻器的一端连接到作为线性级的输出端的节点，第一电阻器的另一端连接到线性运算放大器的反向输入端，第二电阻器的一端连接到线性运算放大器的反向输入端，第二电阻器的另一端接地。

可选地，感应级可包括感应电阻、差分放大器、磁滞比较器以及数字隔离器，其中，感应电阻的一端连接到作为线性级的输出端的节点，感应电阻的另一端连接到作为开关级的输出端的节点，差分放大器用于对从感应电阻两端检测出的电压值进行放大，磁滞比较器用于将差分放大器输出的电压值与第二设定阈值进行比较，根据比较结果产生所述控制信号，并将产生的所述控制信号经由数字隔离器发送给开关级。

可选地，所述控制信号可包括第一控制信号和第二控制信号，其中，当差分放大器输出的电压值大于等于第二设定阈值时，磁滞比较器产生第一控制信号，当差分放大器输出的电压值小于第二设定阈值时，磁滞比较器产生第二控制信号。

可选地，开关级可包括开关驱动器、第三MOS管、第四MOS管以及电感，开关驱动器可用于对感应级产生的所述控制信号进行放大，并将放大后的控制信号发送给第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极，第三MOS管的漏极连接到电源，第三MOS管的源极连接到第四MOS管的漏极和电感的一端，第四MOS管的源极接地，电感的另一端连接到作为开关级的输出端的节点。

可选地，感应级产生的控制信号可包括第一控制信号和第二控制信号，其中，当感应级产生第一控制信号时，第三MOS管导通，第四MOS管截止，当感应级产生第二控制信号时，第三MOS管截止，第四MOS管导通。

可选地，第一MOS管、第三MOS管、第四MOS管可为NMOS管，第二MOS管可为PMOS管。

根据本发明示例性实施例的另一方面，提供一种具有上述的包络跟踪放大器的放大电路，所述放大电路包括：耦合器、包络检波器以及上述的包络跟踪放大器，其中，耦合器从射频芯片接收射频信号，并对接收的射频信号进行功率分配，以将部分功率的射频信号发送给包络检波器，包络检波器从接收到的部分功率的射频信号中解调出包络信号，并将所述包络信号发送给包络跟踪放大器，包络跟踪放大器对接收的包络信号进行放大，以向外部提供与包络信号呈线性关系的输出。

采用上述包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路，能够有效改善包络跟踪放大器的输出，以向外提供一个具有高效率且良好线性度的电源。

附图说明

图1示出根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器的结构图；

图2示出根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器的电路图；

图3示出根据本发明示例性实施例的具有图1所示的包络跟踪放大器的放大电路的结构图。

具体实施方式

现将详细描述本发明的示例性实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。

图1示出根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器的结构图。

如图1所示，根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器包括线性级10、感应级20以及开关级30。

具体说来，线性级10用于对接收的包络信号进行放大，并输出与包络信号的幅值相应的电压。可选地，可利用现有的各种装置或方法来从射频芯片发出的射频信号中获得包络信号。这里，由于包络信号遗传了由射频芯片发出的射频信号的全部特征，很好地反应了射频信号峰值的变化规律，因此可将包络信号用于对包络跟踪放大器进行控制。

这里，线性级10可使输出的电压与包络信号幅值之间呈线性变化，即，当包络信号的幅值增大时输出的电压值也随之增大，当包络信号的幅值减小时输出的电压值也随之减小。

感应级20用于根据线性级10输出的电压产生控制信号。控制信号与输出的电压的大小有关。

开关级30用于根据感应级20产生的控制信号输出与包络信号的幅值相应的电流。这里，线性级10与开关级30并联向外部提供与包络信号呈线性关系的输出。可选地，当线性级10输出的电压值增大时，开关级30输出的电流根据感应级20产生的控制信号也随之增大，当线性级10输出的电压值减小时，开关级30输出的电流根据感应级20产生的控制信号也随之减小。

采用本发明示例性实施例的包络跟踪放大器使得包络信号的幅值增大时，所述包络跟踪放大器可提升向外部提供的输出(即，同时提高线性级10输出的电压值和开关级30输出的电流)，包络信号的幅值减小时，所述包络跟踪放大器可降低向外部提供的输出(即，同时减小线性级10输出的电压值和开关级30输出的电流)，以实现向外部提供具有良好线性度的的输出，并同时提高包络跟踪放大器的效率。

下面结合图2来详细描述包络跟踪放大器的电路原理。

图2示出根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器的电路图。

如图2所示，根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器包括线性级10、感应级20以及开关级30。这里，线性级10可充当电压源来提供电压，开关级30可充当电流源来提供电流，线性级10与开关级30并联向外部提供与包络信号的幅值呈线性关系的输出。

参照图2，线性级10可包括线性运算放大器OP1、第一偏置电源Vg1、第二偏置电源Vg2、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第一电阻器R1以及第二电阻器R2。可选地，第一MOS管M1可为NMOS管，第二MOS管M2可为PMOS管。优选地，线性运算放大器OP1可具有高增益带宽、高输出动态范围和高转换速率的特性。

具体说来，线性运算放大器OP1的正向输入端接收包络信号，线性运算放大器OP1的输出端与第一MOS管M1的栅极之间串联连接第一偏置电源Vg1，第一MOS管M1的漏极连接到电源VDC，第一MOS管M1的源极连接到第二MOS管M2的源极和作为线性级10的输出端的节点A，线性运算放大器OP1的输出端与第二MOS管M2的栅极之间串联连接第二偏置电源Vg2，第二MOS管M2的漏极接地，第一电阻器R1的一端连接到节点A，第一电阻器R1的另一端连接到线性运算放大器OP1的反向输入端，第二电阻器R2的一端连接到线性运算放大器OP1的反向输入端，第二电阻器R2的另一端接地。这里，与第一MOS管M1的漏极相连接的电源VDC为恒定直流电源。

感应级20包括感应电阻R3、差分放大器OP2、磁滞比较器301以及数字隔离器302。优选地，差分放大器OP2可具有高共模抑制比、高增益带宽的性能。磁滞比较器301可具有高速响应、低静态损耗的特性。

具体说来，感应电阻R3的一端连接到节点A，感应电阻R3的另一端连接到作为开关级30的输出端的节点B(该节点B也是作为包络跟踪放大器的输出端的节点)，差分放大器OP2的正向输入端和反向输入端分别连接到感应电阻R3的两端，差分放大器OP2的输出端连接到磁滞比较器301的输入端，磁滞比较器301的输出端连接到数字隔离器302的输入端，数字隔离器302的输出端连接到开关驱动器303的输入端。

开关级30包括开关驱动器303、第三MOS管M3、第四MOS管M4以及电感L。优选地，开关驱动器303可具有高电流驱动能力、防直通保护、高速同步驱动、欠压锁定的特性。第三MOS管M3和第四MOS管M4可为NMOS管，且可具有低栅极电荷、低反向电容、低导通电阻的特性。

具体说来，开关驱动器303的输出端连接到第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极，第三MOS管M3的漏极连接到电源VDC，第三MOS管M3的源极连接到第四MOS管M4的漏极和电感L的一端，第四MOS管M4的源极接地，电感L的另一端连接到节点B。这里，与第三MOS管M3的漏极相连接的电源VDC也为恒定直流电源。应理解，这里由于开关级30采用了具有上述结构的两个MOS管(即，第三MOS管M3和第四MOS管M4)，可有效降低导通损耗，使开关级30具有输出电流高、开关品质系数高的特性，从而提高了包络跟踪放大器的效率。

以下，将以第一MOS管、第三MOS管、第四MOS管为NMOS管，第二MOS管为PMOS管为例对根据本发明实施例的包络跟踪放大器的工作原理进行描述。

具体说来，线性运算放大器OP1用于对接收的包络信号进行放大，第一偏置电源Vg1用于调节线性运算放大器OP1的输出电压，并将调节后的输出电压发送给第一NMOS管M1的栅极，第二偏置电源Vg2用于调节线性运算放大器OP1的输出电压，并将调节后的输出电压发送给第二PMOS管M2的栅极。这里，应理解，由于线性运算放大器OP1的输出端与第一NMOS管M1的栅极之间串联连接了第一偏置电源Vg1，因此，可通过第一偏置电源Vg1来控制流过第一NMOS管M1中的电流；类似地，由于在线性运算放大器的输出端OP1与第二PMOS管M2的栅极之间串联连接了第二偏置电源Vg2，因此，可通过第二偏置电源Vg2来控制流过第二PMOS管M2中的电流，使得节点A可输出与包络信号的幅值相应的电压值。

作为示例，第一NMOS管M1可为高电平导通，第二PMOS管M2可为低电平导通，可人为设定第一偏置电源Vg1和第二偏置电源Vg2的电压值，来对线性运算放大器OP1的输出电压进行调节，从而根据第一偏置电源Vg1和第二偏置电源Vg2调节后的输出电压来实现对第一NMOS管M1和第二PMOS管M2的控制。

例如，当包络信号的幅值大于等于第一设定阈值时，可使第一NMOS管M1导通，第二PMOS管M2截止，节点A通过与第一NMOS管M1的漏极相连接的电源VDC来提供电压；当包络信号的幅值小于第一设定阈值时，可使第一NMOS管M1截止，第二PMOS管M2导通，节点A通过与第二PMOS管M2的漏极相连接的地进行放电。可选地，可通过调节第一电阻器R1和第二电阻器R2的阻值来改变线性级10输出的电压值。

节点A通过感应电阻R3与节点B相连。这里，可利用现有的方法或电压检测装置来获得感应电阻R3两端的电压值。作为示例，可利用差分放大器OP2从感应电阻两端提取出的电压值，并对电压值进行放大。然而本发明不限于此，还可通过检测流经感应电阻R3上的电流，来获得感应电阻R3两端的电压值。磁滞比较器301用于将差分放大器OP2输出的电压值与第二设定阈值进行比较，根据比较结果产生控制信号，并将产生的控制信号发送给开关级30，可起到对电路中各元件的保护作用。

具体说来，磁滞比较器301产生的控制信号可包括第一控制信号和第二控制信号，当线性级10输出的电压值增大时，感应电阻R3两端的电压值也随之增大，则相应地差分放大器OP2输出的电压值也变大，然后磁滞比较器301将差分放大器OP2输出的电压值与第二设定阈值进行比较，当差分放大器OP2输出的电压值大于等于第二设定阈值时，磁滞比较器301产生第一控制信号，当差分放大器OP2输出的电压值小于第二设定阈值时，磁滞比较器301产生第二控制信号。

开关驱动器303用于对从数字隔离器302接收的控制信号进行放大，并将放大后的控制信号发送给第三NMOS管M3的栅极和第四NMOS管M4的栅极。这里，可根据放大后的控制信号实现对第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的控制，以使节点B根据所述控制信号输出与包络信号的幅值相应的电流。

可选地，当感应级20产生第一控制信号时，第三NMOS管M3导通，第四NMOS管M4截止，在此情况下，节点B通过与第三NMOS管M3的漏极相连接的电源VDC经由电感L来提供电流，即，此时电感L与第三NMOS管M3的源极相连的一端具有电压，经电感L后节点B输出一个逐步增大的电流。当感应级20产生第二控制信号时，第三NMOS管M3截止，第四NMOS管M4导通，在此情况下，节点B通过与第四NMOS管M4的源极相连接的地经由电感L进行放电，即，此时电感L与第三NMOS管M3的源极相连的一端电压为零，经电感L后节点B输出一个逐步减小的电流。

这里，当线性级10的输出电压值增大时，感应电阻R3两端的电压值也增大，相应地第三NMOS管M3处于导通状态，开关级30的输出电流也增大，因此，节点B向外部提供的输出也随之增大。

类似地，当线性级10的输出电压值减小时，感应电阻R3两端的电压值也减小，相应地第四NMOS管M4处于导通状态，开关级30的输出电流也减小，因此，节点B向外部提供的输出也随之减小。

根据本发明示例性实施例的包络跟踪放大器，不仅可向外部提供具有良好线性度的输出，还由于在开关级有效降低了导通损耗，因此可同时提高包络跟踪放大器的效率。

图3示出根据本发明示例性实施例的具有图1所示的包络跟踪放大器的放大电路的结构图。

如图3所示，根据本发明示例性实施例的具有图1所示的包络跟踪放大器的放大电路包括耦合器100、包络检波器200以及包络跟踪放大器300。

具体说来，耦合器100从射频芯片接收射频信号，并对接收的射频信号进行功率分配，以将部分功率的射频信号发送给包络检波器200。这里，耦合器100用于对从射频芯片接收的射频信号进行功率分配，以将部分功率的射频信号用于对包络跟踪放大器300进行控制，将除此之外的其他部分功率的射频信号用于信号发射。这里，部分功率可为小于设定值的功率，由于耦合器100分配后的部分功率的射频信号遗传了从射频芯片接收的射频信号的全部特征，因此可将该部分功率的射频信号的作为控制信号用于对包络跟踪放大器300进行控制。这里，可通过调节耦合器100的系数来确定用于对包络跟踪放大器300进行控制的射频信号的功率的大小。

包络检波器200从接收到的部分功率的射频信号中解调出包络信号，并将该包络信号发送给包络跟踪放大器300。作为示例，可采用峰值包络检波器从接收到的部分功率的射频信号中解调出包络信号。

这里，由于根据本发明示例性实施例的放大电路需要依照射频信号峰值的变化来调整向外部提供的输出，因此，需要了解射频信号峰值的变化规律，而由射频芯片发出的射频信号是一个任意变化的信号，由该射频信号无法得到信号峰值的变化规律(即，该射频信号无法用于对包络跟踪放大器300进行控制)，因此需要经由包络检波器200对射频信号进行处理，以得到能够反映射频信号峰值的变化规律的包络信号。

包络跟踪放大器300对接收的包络信号进行放大，以向外部提供与包络信号呈线性关系的输出。这里，包络跟踪放大器300可根据包络信号的幅值来调整向外部提供的输出，以使向外部提供的输出与包络信号之间呈线性变化。

这里，包络跟踪放大器300的内部结构以及功能与图1所示的包络跟踪放大器相同，本发明对此部分的内容不再赘述。

上述包络跟踪放大器以及具有该包络跟踪放大器的放大电路，由于可根据包络信号来调整向外部提供的输出，从而实现向外部提供一个具有良好线性度、且高效的输出。

此外，将上述包络跟踪放大器或具有该包络跟踪放大器的放大电路的输出提供给功率放大器，可使得在功率放大器输出功率较大时，增大向功率放大器提供的输出，在功率放大器输出功率较小时，降低向功率放大器提供的输出，从而提高了功率放大器效率在低输出功率情况下的效率(即，提高了功率放大器回退时的效率)，改善功率放大器的线性度。

上面已经结合具体示例性实施例描述了本发明，但是本发明的实施不限于此。在本发明的精神和范围内，本领域技术人员可以进行各种修改和变型，这些修改和变型将落入权利要求限定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种包络跟踪放大器，所述包络跟踪放大器包括：线性级、感应级以及开关级，

其中，线性级用于对接收的包络信号进行放大，以输出与包络信号的幅值相应的电压，

感应级用于根据线性级输出的电压产生控制信号，

开关级用于根据感应级产生的控制信号输出与包络信号的幅值相应的电流，

其中，线性级与开关级并联以向外部提供与包络信号呈线性关系的输出；

其中，线性级包括线性运算放大器、第一偏置电源、第二偏置电源、第一MOS管以及第二MOS管，

其中，线性运算放大器用于对接收的包络信号进行放大，

第一偏置电源用于调节线性运算放大器的输出电压，并将调节后的输出电压发送给第一MOS管的栅极，

第二偏置电源用于调节线性运算放大器的输出电压，并将调节后的输出电压发送给第二MOS管的栅极，

第一MOS管的漏极连接到电源，第一MOS管的源极连接到第二MOS管的源极和作为线性级的输出端的节点，第二MOS管的漏极接地；

其中，当包络信号的幅值大于等于第一设定阈值时，第一MOS管导通，第二MOS管截止，作为线性级的输出端的节点通过与第一MOS管的漏极相连接的电源来提供电压，

当包络信号的幅值小于第一设定阈值时，第一MOS管截止，第二MOS管导通，所述节点通过与第二MOS管的漏极相连接的地进行放电。

2.如权利要求1所述的包络跟踪放大器，其中，线性级还包括第一电阻器以及第二电阻器，

其中，线性运算放大器的正向输入端接收包络信号，线性运算放大器的输出端与第一MOS管的栅极之间串联连接第一偏置电源，线性运算放大器的输出端与第二MOS管的栅极之间串联连接第二偏置电源，第一电阻器的一端连接到作为线性级的输出端的节点，第一电阻器的另一端连接到线性运算放大器的反向输入端，第二电阻器的一端连接到线性运算放大器的反向输入端，第二电阻器的另一端接地。

3.如权利要求1所述的包络跟踪放大器，其中，感应级包括感应电阻、差分放大器、磁滞比较器以及数字隔离器，

其中，感应电阻的一端连接到作为线性级的输出端的节点，感应电阻的另一端连接到作为开关级的输出端的节点，

差分放大器用于对从感应电阻两端检测出的电压值进行放大，

磁滞比较器用于将差分放大器输出的电压值与第二设定阈值进行比较，根据比较结果产生所述控制信号，并将产生的所述控制信号经由数字隔离器发送给开关级。

4.如权利要求3所述的包络跟踪放大器，其中，所述控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，

其中，当差分放大器输出的电压值大于等于第二设定阈值时，磁滞比较器产生第一控制信号，当差分放大器输出的电压值小于第二设定阈值时，磁滞比较器产生第二控制信号。

5.如权利要求1所述的包络跟踪放大器，其中，开关级包括开关驱动器、第三MOS管、第四MOS管以及电感，

开关驱动器用于对感应级产生的所述控制信号进行放大，并将放大后的控制信号发送给第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极，

第三MOS管的漏极连接到电源，第三MOS管的源极连接到第四MOS管的漏极和电感的一端，第四MOS管的源极接地，电感的另一端连接到作为开关级的输出端的节点。

6.如权利要求5所述的包络跟踪放大器，其中，感应级产生的控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，

其中，当感应级产生第一控制信号时，第三MOS管导通，第四MOS管截止，当感应级产生第二控制信号时，第三MOS管截止，第四MOS管导通。

7.如权利要求2-6中任一权利要求所述的包络跟踪放大器，其中，第一MOS管、第三MOS管、第四MOS管为NMOS管，第二MOS管为PMOS管。

8.一种具有如权利要求1所述的包络跟踪放大器的放大电路，所述放大电路包括：耦合器、包络检波器以及权利要求1所述的包络跟踪放大器，

其中，耦合器从射频芯片接收射频信号，并对接收的射频信号进行功率分配，以将部分功率的射频信号发送给包络检波器，

包络检波器从接收到的部分功率的射频信号中解调出包络信号，并将所述包络信号发送给包络跟踪放大器，

包络跟踪放大器对接收的包络信号进行放大，以向外部提供与包络信号呈线性关系的输出。