CN112290898B - 一种应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路。本发明提供的降频采样与控制电路包括采样单元、滤波单元、比较单元，通过对包络跟踪电源调制器中线性放大器的输出电流进行采样、低通滤波和比较，得到所述电流控制信号DUTY，利用DUTY对开关放大器的功率开关进行控制，能够在有效滤除包络信号中的高频成分的同时保证开关放大器对平均功率的跟踪速度，提高包络跟踪电源调制器的效率。

Description

一种应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路。
背景技术
为了实现高速数据传输，现代无线通信系统中的信号调制技术变得越来越复杂，随之产生的一个显著的问题是，所传输信号的峰值-平均功率比越来越大。信号是通过功率放大器发送的，高峰值-平均功率比的信号对功率放大器的效率提出了严峻的挑战。传统的功率放大器采用固定电压的电源供电，信号的峰值-平均功率比越大，功率放大器的效率越低。包络跟踪电源调制器能够根据信号的包络轨迹变化动态地调节功率放大器的电源电压，进而减小能量损耗，提高功率放大器的效率。
包络跟踪电源调制器通常包括一个线性放大器和一个开关放大器。线性放大器具有大带宽低效率的特性，开关放大器具有低带宽高效率的特性。开关放大器负责提供输出包络电源中的低频成分，线性放大器负责提供输出包络电源中的高频成分，二者的相互结合使得包络跟踪电源调制器具有很高的速度和较高的效率。
开关放大器由功率级和控制级两个部分组成。功率级通常包含有功率开关和电感，以开关电源的方式对能量进行转换。控制级通常包含有一个或多个控制信号，其中一个电流控制信号与线性放大器输出电流相关。这个电流控制信号的获得方法是，通过电流采样电路得到线性放大器的输出电流，将这个输出电流与参考值比较，如果输出电流大于参考值，则电流控制信号为高电平（或低电平），如果输出电流小于参考值，则电流控制信号为低电平（或高电平）。
开关放大器的开关频率与电流控制信号有密切的联系。影响开关放大器效率的因素之一是开关损耗，开关损耗与开关频率成正比，因此开关频率越大开关放大器的开关损耗越大。为了将开关频率控制在合理的范围内，需要对电流控制信号进行控制，以降低电流控制信号的频率。传统的控制方法使用增大线性放大器输出电流的采样电阻、减小开关放大器控制级中迟滞比较器的迟滞电压、增大开关放大器控制级的功率电感等方式降低电流控制信号频率。这些方法不能得到一个纯净的低频控制信号，高频的成分始终或多或少的存在于开关控制信号中，既增大了开关损耗，也会因频率落入带内而对被发送信号造成电磁干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有开关放大器跟踪速度的应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路。
本发明提供的应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路，其结构包括：采样单元，滤波单元，比较单元；其中：
所述采样单元包括：采样电阻，该采样电阻用于将线性放大器输出端与包络跟踪电源调制器的输出端隔离；
所述采样单元还包括：镜像NMOS晶体管，镜像PMOS晶体管；
所述镜像NMOS晶体管与包络跟踪电源调制器中线性放大器输出级NMOS功率晶体管的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；所述镜像PMOS晶体管与包络跟踪电源调制器中线性放大器输出级PMOS功率晶体管的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；所述N的值为200或相近的数量级；所述镜像NNOS晶体管的源极与所述镜像PMOS晶体管的源极连在一起；
所述采样电阻一端连接所述镜像NNOS晶体管的源极，另一端连接包络跟踪电源调制器中线性放大器的输出端。
可选地，在本发明中，所述采样单元还包括：镜像NMOS晶体管，镜像PMOS晶体管，分压电阻，运算跨导放大器；
所述镜像NMOS晶体管与包络跟踪电源调制器中线性放大器输出级NMOS功率晶体管的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；所述镜像PMOS晶体管与包络跟踪电源调制器中线性放大器输出级PMOS功率晶体管的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；所述N的值为200-1000（建议值为200，一般不超过1000）；所述镜像NNOS晶体管的源极与所述镜像PMOS晶体管的源极连在一起；
所述采样电阻一端连接所述镜像NNOS晶体管的源极，另一端连接包络跟踪电源调制器中线性放大器的输出端；
所述运算跨导放大器同相输入端连接线性放大器的输出端，反相输入端连接所述镜像NMOS晶体管的源极，输出端连接所述采样电阻的一端；
所述分压电阻一端连接所述采样电阻，另一端连接所述镜像NMOS晶体管的源极；
所述滤波单元，有相同的两个；所述两个滤波单元的输入端连接所述采样电阻的两端，输出端连接所述比较单元。
可选的，每个滤波单元包含第一滤波电阻，该第一滤波电容构成一阶RC滤波器。
可选的，每个滤波单元包含第一滤波电阻、第一滤波电容、第二滤波电阻、第二滤波电容，它们构成二阶RC滤波器。
可选的，每个滤波单元包含第一滤波电阻，第一滤波电容，第二滤波电阻，第二滤波电容，第三滤波电阻，第三滤波电容，构成三阶RC滤波器。
可选的，每个滤波单元包含第一滤波电阻，第一滤波电容，第二滤波电阻，第二滤波电容，第三滤波电阻，第三滤波电容，第四滤波电阻，第四滤波电容，构成四阶RC滤波器。
本发明中，所述比较单元包括：迟滞比较器；
可选的，所述迟滞比较器的迟滞电压为固定值；
可选的，所述迟滞比较器的迟滞电压可调。
本发明中，通过所述采样单元对线性放大器的输出电流进行采样并转换成采样电压值；通过所述滤波单元，将采样电压值中的高频成分进行滤除；通过所述比较单元，将采样电压值与所述迟滞比较器的迟滞电压进行比较，迟滞比较器的输出电压即为所述低频电流控制信号。本发明彻底滤除了电流控制信号中的高频成分，降低了电流控制信号的频率，提高了包络跟踪电源调制器的效率。同时，能够保证开关放大器以合理的速度跟踪包络跟踪电源调制器输出功率的变化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的信号处理流程图。
图2是本发明实施例提供的一种采样单元的电路示意图。
图3是本发明实施例提供的又一种采样单元的电路示意图。
图4是本发明实施例提供的又一种采样单元的电路示意图。
图5是本发明实施例提供的一种滤波单元的电路示意图。
图6是本发明实施例提供的又一种滤波单元的电路示意图。
图7是本发明实施例提供的又一种滤波单元的电路示意图。
图8是本发明实施例提供的又一种滤波单元的电路示意图。
图9是本发明实施例提供的一种比较单元的电路示意图。
图10是本发明实施例提供的又一种比较单元的电路示意图。
图11是本发明实施例提供的一种在包络跟踪电源调制器中应用的示意图。
图12是本发明实施例提供的又一种在包络跟踪电源调制器中应用的示意图。
图13是本发明实施例提供的又一种在包络跟踪电源调制器中应用的示意图。
图14是本发明实施例提供的又一种在包络跟踪电源调制器中应用的示意图。
图15是本发明实施例提供的又一种在包络跟踪电源调制器中应用的示意图。
图中标号：1为线性放大器，11、12、13为采样单元，14、15为节点，16为运算跨导放大器，2为负载，211、212、221、222、231、232、241、242为滤波模块，3、5、6、7、8为开关放大器，4为控制电路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是电连接，也可以是互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
首先对本发明的设计思路和设计的相关信号进行说明，参见图1所示，整体电路分为 三个单元，分别是采样单元、滤波单元、比较单元。采样单元的采样对象是包络跟踪电源调制器中线性放大器的输出电流，被采样的电流整体或者部分或者按一定比例复制后流到采样电阻Rsen上，在Rsen上产生压降。Rsen两端电位记为Vout和Voutc，Rsen上的压降即为Vout和Voutc的差值。滤波单元对Vout和Voutc的波形进行低通滤波，经滤过后，Vout变为Vof，Voutc变为Vocf。比较单元对Vof和Vocf进行比较，内部包括一个迟滞比较器，输出信号记为DUTY，是一个频率变化的方波，这个信号可用于控制包络跟踪电源调制器中开关放大器的功率开关。
本实施例中采样单元的一个可选的实施方案，参见图2所示。模块1为线性放大器，VIP和VIN分别为它的同相输入端和反相输入端；模块11为采样单元，包括一个采样电阻Rsen；模块2代表其他电路，一般为负载。线性放大器1的输出功率管为MP1和MN1，在低压工艺中，MP1和MN1常常使用隔离MOS管隔开，在这种应用中同样可以使用本技术，可以将靠近MP1的隔离MOS管算入MP1的源漏电阻，将靠近MN1的隔离MOS管算入MN1的源漏电阻。线性放大器1为负载提供电流，此电流从Vout流出线性放大器，经过Rsen后流入负载。Rsen上的压降为Voutc与Vout的差，此电压与线性放大器1的输出电流成比例。
本实施例中采样单元的一个可选的实施方案，参见图3所示。模块12为采样单元，镜像NMOS晶体管MN2与MN1的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；镜像PMOS晶体管MP2与MP1的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起； N的值为200或相近的数量级。在低压工艺中，MP1和MN1常常使用隔离MOS管隔开，在这种应用中同样可以使用本技术，可以将靠近MP1的隔离MOS管算入MP1的源漏电阻，将靠近MN1的隔离MOS管算入MN1的源漏电阻，因此在采样单元12中，也应当将同比例复制的隔离MOS管添加进来。线性放大器1的输出电流可以从Vout节点流出到负载，镜像晶体管的电流从Voutc流经采样电阻Rsen到负载，这个电流近似与线性放大器1的输出电流成比例，比例约为1:N，因此采样电阻Rsen上的压降与线性放大器1的输出电流成比例。
本实施例中采样单元的一个可选的实施方案，参见图4所示。模块13为采样单元，镜像NMOS晶体管MN2与MN1的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；镜像PMOS晶体管MP2与MP1的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起； N的值为200或相近的数量级。在低压工艺中，MP1和MN1常常使用隔离MOS管隔开，在这种应用中同样可以使用本技术，可以将靠近MP1的隔离MOS管算入MP1的源漏电阻，将靠近MN1的隔离MOS管算入MN1的源漏电阻，因此在采样单元13中，也应当将同比例复制的隔离MOS管添加进来。线性放大器1的输出电流从节点15流出到负载，镜像MOS管的输出电流从节点14流出，到电阻Rvd，运算跨导放大器16能够通过负反馈，使节点15和节点14的电压相同或相近，从而保证从镜像晶体管流出的电流与线性放大器的输出电流的比值为1:N或者近似1:N。镜像晶体管的输出电流流经电阻Rvd、采样电阻Rsen后，进入运算跨导放大器16，在采样电阻Rsen上形成压降，采样电阻Rsen两端电压分别为Vout和Voutc。调节电阻Rvd和采样电阻Rsen的阻值和阻值比，可以调节采样电阻Rsen两端的电压变化的幅度。
本实施例中滤波单元的一个可选的实施方案，参见图5所示。滤波模块211对输入信号Vout进行低通滤波，输出Vof；滤波模块212对输入信号Voutc进行低通滤波，输出Vocf；滤波模块211与滤波模块212完全相同，均是由一个电阻和一个电容构成的一阶低通滤波器。
本实施例中滤波单元的一个可选的实施方案，参见图6所示。滤波模块221对输入信号Vout进行低通滤波，输出Vof；滤波模块222对输入信号Voutc进行低通滤波，输出Vocf；滤波模块221与滤波模块222完全相同，均是由两个电阻和两个电容构成的二阶低通滤波器。
本实施例中滤波单元的一个可选的实施方案，参见图7所示。滤波模块231对输入信号Vout进行低通滤波，输出Vof；滤波模块232对输入信号Voutc进行低通滤波，输出Vocf；滤波模块231与滤波模块232完全相同，均是由三个电阻和三个电容构成的三阶低通滤波器。
本实施例中滤波单元的一个可选的实施方案，参见图8所示。滤波模块241对输入信号Vout进行低通滤波，输出Vof；滤波模块242对输入信号Voutc进行低通滤波，输出Vocf；滤波模块241与滤波模块242完全相同，均是由四个电阻和四个电容构成的四阶低通滤波器。
本实施例中比较单元的一个可选的实施方案，参见图9所示，包含一个比较器。Vip是比较器的同相输入端，Vin是比较器的反相输入端，Vout是比较器的输出端，输出信号为DUTY，Vof和Vocf送入比较器的输入端。因为在不同的包络跟踪电源调制器中，DUTY信号的使用方法不同，因此这里不严格规定Vof和Vocf具体送入哪一个输入端，当DUTY信号与所需要的逻辑相反时，可以选择交换Vof和Vocf的位置，例如Vof连接Vip、Vocf连接Vin时，可以改为Vof连接Vin、Vocf连接Vip，也可以选择在比较器输出端连接一个反相器。所用比较器为迟滞比较器，图9还给出了所用比较器输出电压与输入电压的关系，以Vin为固定电压为例，当Vip电压大于 Vin+VH时，输出Vout为高电平，当Vip电压小于Vin-VH时，输出Vout为低电平，其中VH为迟滞比较器的迟滞电压，为电路的固有参数，建议设计为几百毫伏。
本实施例中比较单元的一个可选的实施方案，参见图10所示，包含一个比较器。Vip是比较器的同相输入端，Vin是比较器的反相输入端，Vout是比较器的输出端，输出信号为DUTY；控制信号Sc为电压或者电流信号，用来控制比较器的迟滞电压大小；Vof和Vocf送入比较器的输入端。因为在不同的包络跟踪电源调制器中，DUTY信号的使用方法不同，因此这里不严格规定Vof和Vocf具体送入哪一个输入端，当DUTY信号与所需要的逻辑相反时，可以选择交换Vof和Vocf的位置，例如Vof连接Vip、Vocf连接Vin时，可以改为Vof连接Vin、Vocf连接Vip，也可以选择在比较器输出端连接一个反相器。图9还给出了所用比较器输出电压与输入电压的关系，其中迟滞电压V(Sc)是控制信号Sc的函数。以Vin为固定电压为例，当Vip电压大于 Vin+V(Sc)时，输出Vout为高电平，当Vip电压小于Vin-V(Sc)时，输出Vout为低电平，使用控制信号Sc可以灵活调整迟滞电压的大小。
本发明通过低通滤波有效控制DUTY的频率，彻底去除DUTY中的高频成分。但是，当包络跟踪电源调制器的输出功率发生变化时，这种变化的平均功率也会被低通滤波消耗，如果滤波器的截止频率过低，DUTY跟踪平均功率变化的速度也会变慢，对效率不利。为了在保证有效滤除包络信号中的高频成分的同时保证对平均功率的跟踪速度，要求经低通滤波后的信号|Vof-Vocf|，其高频成分的峰峰值小于大约2倍的比较单元中比较器的迟滞电压。技术人员可根据此规则灵活设计电路的参数。
本实施例在包络跟踪电源调制器中的一个可选的应用方案如图11所示。线性放大器 1和开关放大器3共同为负载提供射频功率放大器PA提供电流。开关放大器3由本发明降频采样与控制电路4和功率级电路组成；功率级电路通常包含功率晶体管、两项不交叠电路及功率管的驱动电路组成；降频采样与控制电路4由比较单元、滤波单元和采样单元组成，各单元可由所述任意可选实施方案实现；降频采样与控制电路4直接控制功率级电路。
本实施例在包络跟踪电源调制器中的一个可选的应用方案如图12所示。线性放大器 1和开关放大器5共同为负载提供射频功率放大器PA提供电流。开关放大器5由本发明降频采样与控制电路4、其他控制级电路和功率级电路组成；功率级电路通常包含功率晶体管、两项不交叠电路及功率管的驱动电路组成；其他控制电路为设计人员根据性能需要自行设计的其他控制逻辑；降频采样与控制电路4由比较单元、滤波单元和采样单元组成，各单元可由所述任意可选实施方案实现；其他控制级电路结合DUTY信号及其他设计人员自定义信号共同控制功率级电路。
本实施例在包络跟踪电源调制器中的一个可选的应用方案如图13所示。线性放大器 1和开关放大器6共同为负载提供射频功率放大器PA提供电流，电容Cc将线性放大器输出端与负载隔离，这样线性放大器仅需要提供输出电流的部分交流成分。开关放大器6由本发明降频采样与控制电路4和功率级电路组成；功率级电路通常包含功率晶体管、两项不交叠电路及功率管的驱动电路组成；降频采样与控制电路4由比较单元、滤波单元和采样单元组成，各单元可由所述任意可选实施方案实现；降频采样与控制电路4直接控制功率级电路。
本实施例在包络跟踪电源调制器中的一个可选的应用方案如图14所示。线性放大器 1和开关放大器7共同为负载提供射频功率放大器PA提供电流，电容Cc将线性放大器输出端与负载隔离，这样线性放大器仅需要提供输出电流的部分交流成分。开关放大器7由本发明降频采样与控制电路4、其他控制级电路和功率级电路组成；功率级电路通常包含功率晶体管、两项不交叠电路及功率管的驱动电路组成；其他控制电路为设计人员根据性能需要自行设计的其他控制逻辑；降频采样与控制电路4由比较单元、滤波单元和采样单元组成，各单元可由所述任意可选实施方案实现；其他控制级电路结合DUTY信号及其他设计人员自定义信号共同控制功率级电路。
本实施例在包络跟踪电源调制器中的一个可选的应用方案如图15所示。线性放大器 1和开关放大器8共同为负载提供射频功率放大器PA提供电流，电容Cc将线性放大器输出端与负载隔离，这样线性放大器仅需要提供输出电流的部分交流成分。开关放大器8由本发明降频采样与控制电路4、其他控制级电路和功率级电路组成；功率级电路通常包含功率晶体管、两项不交叠电路及功率管的驱动电路组成；其他控制电路为设计人员根据性能需要自行设计的其他控制逻辑；降频采样与控制电路4由比较单元、滤波单元和采样单元组成，各单元可由所述任意可选实施方案实现；其他控制级电路结合DUTY信号及其他设计人员自定义信号共同控制功率级电路。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种应用于包络跟踪电源调制器的降频采样与控制电路，其特征在于，包括：采样单元，滤波单元，比较单元；其中：
所述采样单元包括：采样电阻，镜像NMOS晶体管，镜像PMOS晶体管；
所述采样电阻用于将线性放大器输出端与包络跟踪电源调制器的输出端隔离；
所述镜像NMOS晶体管与包络跟踪电源调制器中线性放大器输出级NMOS功率晶体管的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；所述镜像PMOS晶体管与包络跟踪电源调制器中线性放大器输出级PMOS功率晶体管的长度相等，宽度比为1：N，二者的栅极连在一起，二者的漏极连在一起；所述N的值为200-1000；所述镜像NNOS晶体管的源极与所述镜像PMOS晶体管的源极连在一起；
所述采样电阻一端连接所述镜像NNOS晶体管的源极，另一端连接包络跟踪电源调制器中线性放大器的输出端；
所述滤波单元，有相同的两个；两个滤波单元的输入端连接所述采样电阻的两端，输出端连接所述比较单元；
所述采样单元还包括：分压电阻，运算跨导放大器；
所述运算跨导放大器同相输入端连接包络跟踪电源调制器中线性放大器的输出端，反相输入端连接所述镜像NMOS晶体管的源极，输出端连接所述采样电阻的一端；
所述分压电阻一端连接所述采样电阻，另一端连接所述镜像NMOS晶体管的源极；
所述两个滤波单元，每个滤波单元为一阶、二阶、三阶或四阶RC低通滤波器；每一阶RC低通滤波器由一滤波电阻和一滤波电容组成；
为了在保证有效滤除包络信号中的高频成分的同时保证对平均功率的跟踪速度，要求经两个低通滤波器滤波后输出信号差的绝对值，其高频成分的峰峰值小于2倍的比较单元中比较器的迟滞电压。
2.根据权利要求1所述的降频采样与控制电路，其特征在于，所述比较单元包括迟滞比较器；所述迟滞比较器的迟滞电压为固定值。
3.根据权利要求1所述的降频采样与控制电路，其特征在于，所述比较单元包括迟滞比较器；所述迟滞比较器的迟滞电压可调。
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