CN107408926B - 具有自适应开关频率的包络跟踪电路和方法 - Google Patents

Abstract

本公开包括具有自适应开关频率的包络跟踪电路和方法。在一个实施例中，一种电路包括放大器，该放大器用以接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号并且将电压和电流输出到功率放大器电路的电源端子。可编程比较器从放大器接收输出信号并且生成具有开关频率的开关信号。开关调节器级接收开关信号并且将开关电流输出到电源端子。频率比较电路基于包络跟踪频率和开关频率来配置可编程比较器，使得开关频率跟踪包络跟踪频率。

Description

具有自适应开关频率的包络跟踪电路和方法

相关申请

本申请要求2015年3月31日提交的美国申请No.14/675,424的优先权，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

技术领域

本公开涉及电子电路和方法，特别地涉及具有自适应开关频率的包络跟踪电路和方法。

背景技术

包络跟踪(ET)是一种旨在通过根据信号包络连续地调整功率放大器的电源电压来提高功率放大器(PA)的效率的技术，以提高传输期间的效率。图1示出了一种类型的包络跟踪系统的示例配置。在该示例中，在功率放大器(PA)103的输入处提供输入信号Vin，以产生经功率放大的信号Vout。PA 103从线性放大器101和开关级102的配置接收电源电压Vdd和电源电流Idd。线性级和开关级一起工作以基于Vin的包络来调整Vdd的电平，使得PA 103在更高效的操作区域进行操作。在该示例中，例如，线性放大器101接收表示Vin的包络的包络跟踪信号(ET)。线性放大器101可以产生电压Vdd和电流Iamp。开关级102基于包络信号接收开关信号SW。在该示例中，SW通过感测Iamp来生成。开关级102产生电压Vdd和电流Isw。电流Iamp和Isw之和是由PA 103汲取的电源电流Idd。开关调节器级102提升了ET的效率，但是有噪声。线性调节器级101的速度更高，并且确保了最佳的电源电压，以实现PA的峰值效率，但是(功率)有损耗。不幸的是，噪声和效率是相互矛盾的性能要求。

对于常规包络跟踪放大器来说，在包络波形的宽的带宽范围内获得功率效率和噪声性能是一种挑战。

发明内容

本公开包括具有自适应开关频率的包络跟踪电路和方法。在一个实施例中，一种电路包括：放大器，用以接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号，并且将电压和电流输出到功率放大器电路的电源端子。可编程比较器从放大器接收输出信号并且生成具有开关频率的开关信号。开关调节器级接收开关信号并且将开关电流输出到电源端子。频率比较电路基于包络跟踪频率和开关频率来配置可编程比较器，使得开关频率跟踪包络跟踪频率。

以下详细描述和附图提供了对本公开的本质和优点的更好的理解。

附图说明

图1示出了一种类型的包络跟踪系统的示例配置。

图2示出了根据一个实施例的包络跟踪电路。

图3示出了根据另一实施例的示例包络跟踪电路。

图4示出了根据一个实施例的包络跟踪电路的示例波形。

图5示出了根据一个实施例的包络跟踪电路的示例波形。

图6示出了根据一个实施例的用于适配开关频率的方法。

具体实施方式

本公开涉及具有自适应开关频率的包络跟踪电路和方法。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述了许多示例和具体细节，以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，权利要求中表达的本公开可以单独包括这些实施例中的一些或全部特征，或者与下述其他特征组合，并且还可以包括对本文描述的特征和概念的修改和等同物。

在无线应用中，开关频率是实现效率和接收机频带噪声(RXBN)之间的折衷的关键参数。为了较高的效率，期望使开关频率尽可能高。为了较低的噪声，期望使开关频率远小于TX频带和RX频带之间的频率偏移。本公开的特征和优点包括具有以包络瞬变的速度或接近包络瞬变的速度来跟踪开关频率的能力的电路，例如，可能期望在跨大范围的包络跟踪应用中实现最佳的开关频率。

图2示出了根据一个实施例的包络跟踪电路。在一个实施例中，包络跟踪电路包括放大器201(例如，线性放大器)和开关调节器。放大器201的输出和开关调节器的输出被耦合到功率放大器(PA)电路250的电源端子。在该示例中，开关调节器包括驱动电路205、开关206和207(例如，分别是PMOS晶体管和NMOS晶体管)和电感器208。放大器201接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号(ET)，并产生输出电压Vamp和输出电流Iamp。开关调节器接收开关信号DRV(下面进一步描述)，并在电压Vamp处产生输出电流Isw。电流Iamp和Isw组合以形成到功率放大器250的电源电流Idd。

本公开的特征和优点包括允许开关调节器的开关频率跟踪包络跟踪频率的变化的电路系统。本公开的实施例可以包括，例如，可编程比较器203，用以从放大器201接收输出信号并且生成具有开关频率的开关信号DRV。DRV又作为输入被提供给驱动电路205以激活开关调节器开关206和207以控制开关调节器电流Isw。在一些实施例中，可编程比较器203可以检测放大器电流Iamp的方向并且相应地控制开关调节器。例如，如果Iamp为正，则DRV可以将开关调节器配置成使PMOS晶体管206接通并且使NMOS晶体管207关断，使得Isw增大。随着Isw的增大，Iamp可能会减小。因此，当Iamp改变方向时，DRV可以改变状态并且将开关调节器配置成使PMOS晶体管206关断并且使NMOS晶体管207接通，使得Isw减小。另一方面，Vamp跟踪ET信号。因此，由高速放大器201提供的电流Iamp可以确保Vamp跟踪ET信号，并且可以由开关级提供补充电流Isw以提高系统的效率。

可编程比较器203还可以控制开关信号DRV的开关频率。因此，本公开的特征和优点包括调整可编程比较器203以动态地改变DRV的开关频率。例如，频率比较电路204可以接收具有包络跟踪频率的第一信号和具有开关频率的第二信号。在该示例中，频率比较电路204被耦合到放大器201的输出以接收Vamp(以包络跟踪频率)，并且还被耦合到可编程比较器203的输出以接收开关信号DRV(以开关频率)。频率比较电路204基于包络跟踪频率Fet和开关频率Fsw来配置可编程比较器203，使得开关频率跟踪包络跟踪频率。例如，根据一种方法，频率比较电路204可以改变可编程比较器的滞后窗口(例如跳变点)，这可以改变开关频率。在一个实施例中，随着包络跟踪频率的减小，频率比较电路204增大可编程比较器的滞后窗口，并且随着包络跟踪频率的增大，频率比较电路204减小可编程比较器的滞后窗口。当滞后窗口增大时，DRV的开关频率可以降低，并且处于较低的频率。相反，当滞后窗口减小时，DRV的开关频率可以增大并且处于较高的频率。在下面更详细描述的一个实施例中，频率比较电路204在多个时间段期间交替地增大和减小滞后窗口，以改变开关信号的开关频率。可以使用各种技术来实现和调整比较电路中的滞后(跳变点)，包括在比较器内部设定阈值或偏移。下面提供根据一个实施例的可编程比较器的示例。

一些实施例的特征和优点还包括复制级202。例如，放大器可以包括复制输出级202。在该示例中，可编程比较器203被耦合到复制输出级202的输出。从放大器201到PA的电源端子的电流Iamp可以在复制输出级202中被复制以产生到可编程比较器203的输入的复制电流。该方法的一个优点在于复制输出级可以使用较少的电流并且没有附加的感测电阻器，使得例如较少的功率被消耗以感测Iamp的方向。

图3示出了根据另一实施例的示例包络跟踪电路。在线性放大器301中在正输入端子上接收包络跟踪信号ETDAC。ETDAC可以例如由数模转换器生成。线性放大器301包括输出级和复制输出级。输出级包括电压电平移位电路302、PMOS输出晶体管MP和NMOS输出晶体管MN。放大器301的负输入以单位增益配置被耦合到输出，使得输出电压VAMP跟踪ETDAC。电压Vamp在MP和MN的漏极之间的节点上生成，并且该电压Vamp被耦合到功率放大器(PA)350的电源端子。复制输出级包括PMOS晶体管MP1和NMOS晶体管MN1。MP1的栅极被耦合到MP的栅极，并且MN1的栅极被耦合到MN的栅极，使得在复制级中流动的电流与在输出级中流动的电流基本相同。在一个实施例中，MP1和MN1分别是MP和MN的大小的分数(例如，1：N)，使得复制级中的电流是输出级中的电流的分数。

在该示例中，复制级的输出被耦合到可编程比较器，该可编程比较器包括缓冲器306、一个或多个开关307以及被串联配置在缓冲器的输入和缓冲器的输出之间的多个电阻部件R和Rhys。缓冲器可以包括例如串联的多个CMOS反相器电路。缓冲器的输入被耦合到复制级的输出以接收输出信号，在该示例中，该输出信号是Iamp的按比例缩小的版本。缓冲器和反馈电阻器的操作如下。假设Iamp从负转变为正，则转变之前的缓冲器306的输入将为低，并且作为开关信号ETDRV的缓冲器的输出也将为低。因此，缓冲器的输出将在缓冲器的输出处的反馈电阻器耦合到地。随着Iamp变为正，通过MP和MP1的电流增大并且大于通过MN和MN1的电流。通过MP1的电流驱动输入处的反馈电阻器，并且电压开始增大。当通过MP1的电流在缓冲器的输入处产生足够的电压以使输出跳变时，缓冲器将切换状态，缓冲器的输入和输出都将为高电位，并且开关信号ETDRV将变为高电位。ETDRV上升使开关级晶体管309接通并且使晶体管310关断，这使得Isw斜升(其中Isw是来自开关级的电流，并且也可以被称为电感器电流IL)。由于放大器301的单位增益配置，VAMP保持在ETDAC值。

随着Isw斜升，Iamp将开始斜降以维持VAMP和Idd的特定电平。随着Isw持续增大，Iamp从正切换到负。现在，缓冲器306的输入将为高电位，并且缓冲器的输出也将为高电位。因此，缓冲器的输出现在将输出处的反馈电阻器耦合到高电位(例如，Vdd)。随着Iamp变为负，通过MP和MP1的电流减小，并且通过MN和MN1的电流增大。通过MN1的电流在缓冲器的输入处通过反馈电阻器吸收电流，并且电压开始减小。当通过MN1的电流在缓冲器的输入处产生足够的电压降以使输出跳变时，缓冲器将切换状态，缓冲器的输入和输出将都再次为低电位，并且开关信号ETDRV将变为低电位。ETDRV变为低电位使开关级晶体管309关断并且使晶体管310接通，这使Isw斜降。

诸如开关307的一个或多个开关被配置成与电阻部件并联，以选择性地改变缓冲器的输入和缓冲器的输出之间的电阻，以调整缓冲器的跳变点。例如，如果开关307闭合，则电阻Rhys被短路并且反馈电阻较小。较小的反馈电阻使滞后窗口增大，因为需要较多的来自复制级的电流来使缓冲器跳变。克服附加滞后和使缓冲器跳变所需的额外的时间减小了开关信号的开关频率。因此，减小的反馈电阻使滞后增加并且使开关频率减小。另一方面，如果开关307断开，则电阻Rhys与电阻R串联并且反馈电阻较大。较大的反馈电阻使滞后窗口减小，因为需要较少的来自复制级的电流来使缓冲器跳变。克服较小的滞后和使缓冲器跳变所需的减少的时间增大了开关信号的开关频率。因此，增加的反馈电阻使滞后减小并且使开关频率增大。

上述示例示出了改变可编程比较器的滞后窗口以改变开关频率的一种示例技术。本示例示出了具有两个电阻器和一个开关的电路，但是应当理解，可以使用更多的电阻部件(例如，更多的电阻器分接头)和更多的开关。例如，其他等效实现方式可以使用用于调整电阻的模拟技术来改变跳变点。根据其他实施例，模拟和数字技术还可以调整用于调整跳变点的阈值或偏移。

在该示例中，通过数字地调整缓冲器306的反馈电阻的频率比较电路来执行频率跟踪。例如，自适应开关控制电路可以包括峰谷检测器303，该峰谷检测器303具有被耦合到放大器301的输出以接收VAMP的输入。峰谷检测器303生成具有包络跟踪频率的信号。如下面在图4和图5中所示，该信号可以包括例如在包络跟踪信号ET和VAMP中的波峰和波谷处出现的脉冲。峰谷检测器303的输出通过反相器304而被耦合到包括触发器305(这里是D触发器(DFF))的频率比较电路。PKVL信号体现了包络跟踪频率。PKVL被耦合到DFF 305的复位输入。体现开关频率的开关信号ETDRV被耦合到DFF的时钟输入，并且D输入被耦合为高电位(例如，Vdd)。在该示例中，Qbar输出(HYS)被耦合到开关307以控制比较器的滞后，从而增大或减小开关频率。

频率比较电路和频率跟踪的操作可以参考图4和图5来理解。图4示出了根据一个实施例的包络跟踪电路的示例波形。这里，由VAMP体现的包络跟踪频率小于由电感器电流IL体现的开关频率。在该示例中，PKVL是在VAMP的波峰和波谷上出现的脉冲。包络跟踪频率信号PKVL和开关频率信号ETDRV在DFF中进行比较，并且用于断开和闭合反馈电阻中的开关以改变开关频率。DFF的Qbar输出是HYS。HYS＝0对应于开关断开，这设定大电阻并且增大开关频率。HYS＝1对应于开关闭合，这设定较小的电阻并且减小开关频率。PKVL使DFF复位(Qbar＝HYS＝1)，并且ETDRV将时钟信号1设定到输出(Qbar＝HYS＝0)。因此，在每个周期上，将HYS设定为0，并且开关频率增大一段时间，并且然后将HYS设定为1，并且开关频率减小一段时间以产生平均开关频率。该平均化技术是用于例如在多个时间段期间交替地增大和减小滞后窗口以改变开关信号的开关频率的示例机制。当包络跟踪频率小于开关信号频率时，在对应于包络跟踪频率与开关信号之间的频率差的较长时间段内，HYS将为1。随着该频率差减小(例如，随着包络频率增大)，滞后窗口的交替状态(例如上述的HYS＝1和HYS＝0)之间的时间平均将使开关频率随着包络频率的增大而增大。因此，开关频率跟踪包络频率。

图5示出了根据一个实施例的包络跟踪电路的示例波形。这里，由VAMP体现的包络跟踪频率近似等于由电感器电流IL体现的开关频率。因此，PKVL的频率已经增大。在该示例中，在DFF的复位输入处的PKVL的频率防止ETDRV改变DFF输出状态。HYS保持在0，开关307保持断开，导致大的反馈电阻、小的滞后窗口以及较高的用于ETDRV的开关频率。

图6示出了根据一个实施例的用于适配开关频率的方法。在601，在放大器中接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号。放大器生成到功率放大器电路的电源端子的电流和电源电压。在602，在可编程比较器中接收来自放大器的输出信号。该可编程比较器生成具有开关频率的开关信号。在603，在开关调节器中接收开关信号，并且该开关调节器生成到功率放大器电路的电源端子的开关电流。在604，比较具有包络跟踪频率的第一信号的频率和具有开关频率的第二信号的频率。基于包络跟踪频率和开关频率来配置该可编程比较器，使得开关频率跟踪包络跟踪频率。

上面的描述示出了本公开的各种实施例以及可以如何实现特定实施例的各方面的示例。上述示例不应被认为是仅有的实施例，并且被呈现以说明由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于上述公开内容和所附权利要求，可以采用其他布置、实施例、实现方式和等同物，而不脱离由权利要求限定的本公开的范围。

Claims (20)

1.一种电路，包括：

放大器，用以接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号，所述放大器包括被耦合到功率放大器电路的电源端子的输出；

可编程比较器，具有用以从所述放大器接收输出信号的输入，所述可编程比较器生成具有开关频率的开关信号；

开关调节器级，用以接收所述开关信号，所述开关调节器级包括被耦合到所述放大器的所述输出和所述电源端子的输出；以及

频率比较电路，用以接收具有所述包络跟踪频率的第一信号和具有所述开关频率的第二信号，其中所述频率比较电路基于所述包络跟踪频率和所述开关频率来配置所述可编程比较器，使得所述开关频率跟踪所述包络跟踪频率。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述频率比较电路改变所述可编程比较器的滞后窗口。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述频率比较电路随着所述包络跟踪频率的减小而增大所述可编程比较器的所述滞后窗口，并且随着所述包络跟踪频率的增大而减小所述可编程比较器的所述滞后窗口。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述频率比较电路在多个时间段期间交替地增大和减小所述滞后窗口，以改变所述开关信号的开关频率。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述放大器包括复制输出级，并且其中所述可编程比较器的所述输入被耦合到所述复制输出级的输出，其中从所述放大器到所述电源端子的电流在所述复制输出级中被复制，以产生到所述可编程比较器的所述输入的复制电流。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述放大器包括输出级，所述输出级包括被串联配置的第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管，并且其中所述复制输出级包括被串联配置的第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管，其中所述第一PMOS晶体管的栅极被耦合到所述第二PMOS晶体管的栅极，并且所述第一NMOS晶体管的栅极被耦合到所述第二NMOS晶体管的栅极。

7.根据权利要求6所述的电路，其中所述第二PMOS晶体管和所述第二NMOS晶体管是所述第一PMOS晶体管和所述第一NMOS晶体管的大小的分数。

8.根据权利要求1所述的电路，其中所述可编程比较器包括：

缓冲器，具有用以从所述放大器接收所述输出信号的输入和用于提供所述开关信号的输出；

一个或多个开关；以及

多个电阻部件，被串联配置在所述缓冲器的输入和所述缓冲器的输出之间，

其中所述一个或多个开关被配置成与一个或多个电阻部件并联，以选择性地改变所述缓冲器的输入和所述缓冲器的输出之间的电阻。

9.根据权利要求8所述的电路，其中所述缓冲器包括串联的多个反相器电路。

10.根据权利要求8所述的电路，其中所述开关频率随着所述电阻的增大而增大，并且其中所述开关频率随着所述电阻的减小而减小。

11.根据权利要求1所述的电路，其中所述频率比较电路包括触发器。

12.根据权利要求1所述的电路，还包括峰谷检测器，所述峰谷检测器具有被耦合到所述放大器的所述输出的输入，所述峰谷检测器生成具有所述包络跟踪频率的所述第一信号。

13.一种用于包络跟踪的方法，包括：

在放大器中接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号，并且根据所述包络跟踪信号，生成到功率放大器电路的电源端子的电源电压和第一电流；

在可编程比较器中接收来自所述放大器的输出信号，并且根据所述输出信号，生成具有开关频率的开关信号；

在开关调节器级中接收所述开关信号，并且根据所述开关信号，生成到所述功率放大器电路的所述电源端子的开关电流；以及

将具有所述包络跟踪频率的第一信号的频率与具有所述开关频率的第二信号的频率进行比较，并且根据所述比较，基于所述包络跟踪频率和所述开关频率来配置所述可编程比较器，使得所述开关频率跟踪所述包络跟踪频率。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括基于所述比较来改变所述可编程比较器的滞后窗口。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述可编程比较器的所述滞后窗口随着所述包络跟踪频率的减小而增大，并且所述可编程比较器的所述滞后窗口随着所述包络跟踪频率的增大而减小。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括在多个时间段期间交替地增大和减小所述滞后窗口，以改变所述开关信号的开关频率。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述可编程比较器的输入处生成所述放大器的复制输出级中的复制电流。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述可编程比较器包括缓冲器、一个或多个开关和多个电阻部件，所述多个电阻部件被串联配置在所述缓冲器的输入和所述缓冲器的输出之间，并且其中所述一个或多个开关被配置成与一个或多个电阻部件并联，以选择性地改变所述缓冲器的输入和所述缓冲器的输出之间的电阻。

19.一种电路，包括：

放大器，用以接收具有包络跟踪频率的包络跟踪信号，所述放大器包括被耦合到功率放大器电路的电源端子的输出；

可编程比较器装置，用于基于来自所述放大器的输出信号来生成具有开关频率的开关信号；

开关调节器级，用以接收所述开关信号，所述开关调节器级包括被耦合到所述放大器的所述输出和所述电源端子的输出；以及

频率比较电路，用以接收具有所述包络跟踪频率的第一信号和具有所述开关频率的第二信号，其中所述频率比较电路基于所述包络跟踪频率和所述开关频率来配置所述可编程比较器，使得所述开关频率跟踪所述包络跟踪频率。

20.根据权利要求19所述的电路，其中所述频率比较电路包括用于将所述包络跟踪频率和所述开关频率进行比较并且配置所述可编程比较器装置的装置。

Images