CN107623493A - 一种高效率高保真度包络调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率高保真度的包络调制器，包括依次连接的线性放大级(1)、电流传感单元(2)、迟滞比较器(3)、反直通缓冲级(4)和开关放大级(5)；线性放大级作为独立的电压源通过反馈网络放大包络信号，同时补偿开关放大级的纹波电流，电流传感单元用来检测线性放大级的输出电流，并在电流传感电阻上产生压降，与迟滞比较器的迟滞电压进行比较，从而改变开关放大级的工作状态，反直通缓冲级用来增强开关放大级输入信号的驱动能力，使得迟滞比较器的输出信号能驱动后级大尺寸的开关管；开关放大级作为受控的电流源给负载提供绝大部分的电流。实现高精度的包络跟踪，相比于传统的包络调制器结构，可实现更高的效率和保真度。
Description
技术领域
本发明涉及一种包络调制器结构，尤其涉及一种适用于包络跟踪功率放大器中的高效率高保真度包络调制器结构。
背景技术
对于包络跟踪功率放大器而言，从调制解调器或包络检测器得到的包络信号应该通过包络调制器线性放大以提供功率放大器的电源电压。包络调制器要有宽的带宽，其带宽要比包络信号的带宽大，且在整个带宽内具有高的效率。同时，包络信号的带宽是调制信号带宽的几倍，因此，很难在高效率下实现宽带信号的线性放大。
在传统的包络调制器中，为了降低功耗，电流传感电阻通常取很小，但如此小的电阻是很难精确实现的。电流传感单元中通过运用电流镜技术以减小线性放大级的输出电流，利用运放输入端“虚短”的原理，引入额外的运放以保证电流镜的漏源电压相等，但是，该运放对包络调制器的带宽有限制作用。同时，线性放大级的输出开关纹波电压较大等严重影响包络调制器的保真度。
目前主要有四种常用的包络调制器结构：低压差线性稳压器的形式、开关稳压器的形式、线性与开关放大器的并联结构和线性与开关放大器的串联结构。以上四种包络调制器要么只能实现高效率，要么只能实现高保真度。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高效率高保真度包络调制器结构，利用电流镜技术以减小线性放大级的输出电流，同时通过将电流传感电阻的一端与AB类输出buffer的漏端短接的方式，以保证电流镜的漏源电压基本相等，从而实现高效率高精度的包络跟踪。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种高效率高保真度的包络调制器采用的技术方案为：
该包络调制器包括依次连接的线性放大级、电流传感单元、迟滞比较器、反直通缓冲级和开关放大级；其中，线性放大级包括折叠式级联放大器和由第一上拉晶体管、第一下拉晶体管组成的AB类输出buffer两级级联构成，线性放大级作为独立的电压源通过反馈网络放大包络信号，同时补偿开关放大级的纹波电流；电流传感单元用来检测线性放大级的输出电流，并在电流传感电阻上产生压降，与迟滞比较器的迟滞电压进行比较，从而改变开关放大级的工作状态；反直通缓冲级用于增强开关放大级输入信号的驱动能力，使得迟滞比较器的输出信号能驱动后级大尺寸的开关管；开关放大级作为受控的电流源给负载提供绝大部分的电流；并联的电容C用来减小开关纹波电压，同时滤除开关噪声。
所述的线性放大级，其正输入端接包络输入，AB类输出buffer的第一上拉晶体管的栅极连接到电流传感单元的第二上拉晶体管的栅极，第一下拉晶体管的栅极连接到电流传感单元的第二下拉晶体管的栅极，电流传感单元的第二上拉晶体管和第二下拉晶体管的漏极以及电流传感电阻的正端同时连接到迟滞比较器的正输入端，迟滞比较器的输出端连接到反直通缓冲级的输入端，反直通缓冲级的输出端连接到开关放大级的输入端，开关放大级的输出端、第一上拉晶体管和第一下拉晶体管的漏极、电流传感电阻的负端和迟滞比较器的负输入端同时连接到负载电阻的正端，作为调制电压输出。
所述AB类输出buffer的第一上拉晶体管和第二下拉晶体管与电流传感单元的第二上拉晶体管和第二下拉晶体管为电流镜关系，且第一上拉晶体管和第一下拉晶体管的尺寸为第二上拉晶体管和第二下拉晶体管的N倍，以减小电流传感电阻上检测到的线性放大级输出电流，达到减小功耗的目的。
所述电流传感电阻很小，通常在10mΩ与1Ω之间，从而保证了电流镜的漏源电压基本相等，能精确检测AB类输出buffer的输出电流，实现高精度的包络跟踪。
本发明提出的高效率高保真度的包络调制器结构，包括线性放大级、电流传感单元、迟滞比较器、反直通缓冲级和开关放大级。线性放大级和开关放大级是主从的关系。其中，线性放大级作为独立的电压源通过反馈网络放大包络信号，同时补偿开关放大级的纹波电流，电流传感单元用来检测线性放大级的输出电流，并在电流传感电阻上产生压降，与迟滞比较器的迟滞电压进行比较，从而改变开关放大级的工作状态，反直通缓冲级的目的是增加开关放大级输入信号的驱动能力，使得迟滞比较器的输出信号能驱动后级大尺寸的开关管，开关放大级作为受控的电流源给负载提供绝大部分的电流。通过采用电流镜技术以减小传感电流，同时将电流传感电阻的一端与AB类输出buffer的漏端短接，以保证电流镜的漏源电压基本相等，从而实现高效率高精度的包络跟踪。
有益效果：本发明提供的高效率高保真度的包络调制器结构，与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过利用电流镜技术，使得电流传感电阻上的传感电流得以减小N倍，从而减小包络调制器的整体功耗；
2、本发明通过将电流传感电阻的一端与AB类输出buffer的漏端短接，以保证电流镜的漏源电压基本相等，省去了额外的运放对包络调制器带宽的限制，实现高精度的包络跟踪。
附图说明
图1为本发明的高效率高保真度的包络调制器结构示意图；
图2为本发明与传统结构的瞬时电流消耗的仿真结果对比图；
图3为本发明与传统结构的输出三阶交调点OIP3的仿真结果对比图，横坐标表示输入功率，纵坐标表示OIP3，单位均为dBm。
图中有：线性放大级1、电流传感单元2、迟滞比较器3、反直通缓冲级4、开关放大级5、折叠式级联放大器OTA、第一上拉晶体管M1、第一下拉晶体管M2、第二上拉晶体管M3、第二下拉晶体管M4、电流传感电阻Rsen。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明
本发明的高效率高保真度包络调制器包括依次连接的线性放大级1、电流传感单元2、迟滞比较器3、反直通缓冲级4和开关放大级5；其中，线性放大级1包括折叠式级联放大器OTA和由第一上拉晶体管M1、第一下拉晶体管M2组成的AB类输出buffer两级级联构成，线性放大级作为独立的电压源通过反馈网络放大包络信号，同时补偿开关放大级的纹波电流；电流传感单元2用来检测线性放大级的输出电流，并在电流传感电阻Rsen上产生压降，与迟滞比较器3的迟滞电压进行比较，从而改变开关放大级5的工作状态；反直通缓冲级4用于增强开关放大级5输入信号的驱动能力，使得迟滞比较器3的输出信号能驱动后级大尺寸的开关管；开关放大级5作为受控的电流源给负载提供绝大部分的电流；并联的电容C用来减小开关纹波电压，同时滤除开关噪声。
所述AB类输出buffer的第一上拉晶体管M1和第二下拉晶体管M2与电流传感单元2的第二上拉晶体管M3和第二下拉晶体管M4为电流镜关系，且第一上拉晶体管M1和第一下拉晶体管M2的尺寸为第二上拉晶体管M3和第二下拉晶体管M4的N倍，以减小电流传感电阻Rsen上检测到的线性放大级1输出电流，达到减小功耗的目的。
所述电流传感电阻Rsen很小，通常在10mΩ与1Ω之间，从而保证了电流镜的漏源电压基本相等，能精确检测AB类输出buffer的输出电流，实现高精度的包络跟踪。
如图1所示，包络输入接线性放大级的正输入端，AB类输出buffer第一上拉晶体管M1的栅极连接到电流传感单元第二上拉晶体管M3的栅极，第一下拉晶体管M2的栅极连接到电流传感单元第二下拉晶体管M4的栅极，电流传感单元第二上拉晶体管M3和第二下拉晶体管M4的漏极以及电流传感电阻的正端同时连接到迟滞比较器的正输入端，迟滞比较器的输出端连接到反直通缓冲级的输入端，反直通缓冲级的输出端连接到开关放大级的输入端，开关放大级的输出端、第一上拉晶体管M1和第二下拉晶体管M2的漏极、电流传感电阻的负端和迟滞比较器的负输入端同时连接到负载电阻的正端，作为调制电压输出。
这里，具体到应用于包络跟踪功率放大器中的包络调制器，为了减小功耗，电流传感单元通过一个比负载电阻小得多的串联传感电阻来实现，然而，在集成电路设计中并不是一个好的解决方法，因为要精确实现这么小的电阻是很困难的。
如图2为相同的功率放大器条件下，仿真得到的基于本发明提出的高效率高保真度包络调制器结构的包络跟踪功率放大器与基于传统包络调制器结构的包络跟踪功率放大器的瞬时电流消耗曲线。从仿真结果可以看出，本发明提出的包络调制器结构的功耗要小于传统包络调制器结构的功耗。
如图3为相同的功率放大器条件下，仿真得到的基于本发明提出的高效率高保真度包络调制器的包络跟踪功率放大器与基于传统包络调制器结构的包络跟踪功率放大器的输出三阶交调点OIP3随输入信号功率的变化曲线。从仿真结果可以看出，在比较宽的输入信号功率范围内，本发明提出结构的OIP3要大于传统结构的OIP3。
综上所述，本发明在电流传感单元中通过利用电流镜技术来减小传感电流，并将电流传感电阻的一端与AB类输出buffer的漏端短接，省去了额外的运放对包络调制器带宽的限制，同时保证电流镜的漏源电压基本相等，从而实现高效率高精度的包络跟踪。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高效率高保真度的包络调制器，其特征在于：该包络调制器包括依次连接的线性放大级(1)、电流传感单元(2)、迟滞比较器(3)、反直通缓冲级(4)和开关放大级(5)；其中，线性放大级(1)包括折叠式级联放大器(OTA)和由第一上拉晶体管(M1)、第一下拉晶体管(M2)组成的AB类输出buffer两级级联构成，线性放大级作为独立的电压源通过反馈网络放大包络信号，同时补偿开关放大级的纹波电流；电流传感单元(2)用来检测线性放大级的输出电流，并在电流传感电阻(Rsen)上产生压降，与迟滞比较器(3)的迟滞电压进行比较，从而改变开关放大级(5)的工作状态；反直通缓冲级(4)用于增强开关放大级(5)输入信号的驱动能力，使得迟滞比较器(3)的输出信号能驱动后级大尺寸的开关管；开关放大级(5)作为受控的电流源给负载提供绝大部分的电流；并联的电容C用来减小开关纹波电压，同时滤除开关噪声。
2.根据权利要求1所述的高效率高保真度的包络调制器，其特征在于：所述的线性放大级(1)，其正输入端接包络输入，AB类输出buffer的第一上拉晶体管(M1)的栅极连接到电流传感单元(2)的第二上拉晶体管(M3)的栅极，第一下拉晶体管(M2)的栅极连接到电流传感单元(2)的第二下拉晶体管(M4)的栅极，电流传感单元(2)的第二上拉晶体管(M3)和第二下拉晶体管(M4)的漏极以及电流传感电阻(Rsen)的正端同时连接到迟滞比较器(3)的正输入端，迟滞比较器(3)的输出端连接到反直通缓冲级(4)的输入端，反直通缓冲级(4)的输出端连接到开关放大级(5)的输入端，开关放大级(5)的输出端、第一上拉晶体管(M1)和第一下拉晶体管(M2)的漏极、电流传感电阻(Rsen)的负端和迟滞比较器(3)的负输入端同时连接到负载电阻(Rload)的正端，作为调制电压输出。
3.根据权利要求1所述的高效率高保真度包络调制器，其特征在于：所述AB类输出buffer的第一上拉晶体管(M1)和第二下拉晶体管(M2)与电流传感单元(2)的第二上拉晶体管(M3)和第二下拉晶体管(M4)为电流镜关系，且第一上拉晶体管(M1)和第一下拉晶体管(M2)的尺寸为第二上拉晶体管(M3)和第二下拉晶体管(M4)的N倍，以减小电流传感电阻(Rsen)上检测到的线性放大级(1)输出电流，达到减小功耗的目的。
4.根据权利要求1所述的高效率高保真度包络调制器，其特征在于：所述电流传感电阻(Rsen)很小，通常在10mΩ与1Ω之间，从而保证了电流镜的漏源电压基本相等，能精确检测AB类输出buffer的输出电流，实现高精度的包络跟踪。
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