CN112636701A - 一种功率放大器校准方法 - Google Patents

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CN112636701A CN202011400169.8A CN202011400169A CN112636701A CN 112636701 A CN112636701 A CN 112636701A CN 202011400169 A CN202011400169 A CN 202011400169A CN 112636701 A CN112636701 A CN 112636701A
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郑家骏
吴敏洁
周俊
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Jiangsu Keda Hengxin Semiconductor Technology Co ltd
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    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/32—Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion
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Abstract

本发明公开了一种功率放大器校准方法，该方法包括：根据输出电压范围的不同定义两种工作模式；在工作模式一下，保持供电电压不变，建立输出电压与打开的放大器单元数量关系的物理模型一；在工作模式二下，保持打开的放大器单元数量不变，建立输出电压与供电电压关系的物理模型二；对物理模型一和物理模型二分别进行校准。本发明功率放大器校准方法利用了功率放大器的物理原理，根据输出电压的不同分别建立物理模型，在电压较小时，利用物理模型一，通过控制打开的放大器单元数量实现对输出电压的精准控制；在输出电压较大时，利用物理模型二，通过控制供电电压实现对输出电压的精准控制，使得该校准方法可以覆盖全输出范围，保证了校准精度。

Description

一种功率放大器校准方法
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，特别涉及一种功率放大器校准方法。
背景技术
功率放大器是无线发射系统的关键组成部分，其性能直接决定了发射信号的指标，其功耗也在发射系统中占比最大的部分。当功率放大器集成到CMOS 工艺，如何达到所需要的输出功率和线性度，或者在不影响性能的情况下有效降低功耗，至关重要。
当功率放大器集成到CMOS工艺，在同样的输出功率和线性需求下所需要的功耗会比较大，而当输出功率持续变大时，线性度更是不能被保障。由于半导体工艺偏差和温度变化，在同一个设定下，输出功率和线性范围也会变化，需要校准，但功率输出范围非常大，输出功率和控制机制通常不是线性关系，这给校准带来很大难度。因此，急需一种校准方法来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种具有覆盖全输出范围、校准精度高的功率放大器校准方法。其采用如下技术方案：
一种功率放大器校准方法，其包括：
根据输出电压范围的不同定义两种工作模式；
在工作模式一下，保持供电电压不变，建立输出电压与打开的放大器单元数量关系的物理模型一；
在工作模式二下，保持打开的放大器单元数量不变，建立输出电压与供电电压关系的物理模型二；
对物理模型一和物理模型二分别进行校准。
作为本发明的进一步改进，所述物理模型一表示为：
Figure BDA0002816686820000021
其中，VL为输出电压，icode为打开的放大器单元数量关系，系数Vmax和α分别为：
Figure BDA0002816686820000022
其中，ZL为负载的阻抗，Ion为放大器单元打开时的电流，Zon为放大器单元打开时的输出阻抗，Zm为匹配网络的阻抗。
作为本发明的进一步改进，通过对系数Vmax和α校准实现对物理模型一的校准，具体可通过量测两个工作点的数据(icode1,VL1)和(icode2,VL2)并带入以下公式计算系数Vmax和α：
Figure BDA0002816686820000023
通过解二元一次方程可得到：
Figure BDA0002816686820000024
作为本发明的进一步改进，在工作模式二下，根据功率放大器内MOS管的工作区间和公式将功率放大器划分为六个工作区间，按照输出电压从低到高依次为：电阻区、弱翻转区、线性转换区、夹断区、饱和区、被压缩区。
作为本发明的进一步改进，在所述电阻区，物理模型二表示为：
VL＝a1VAM+a0
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据 (VL1,VAM1)和(VL1,VAM1)带入上述公式，得到系数a1和a0：
Figure BDA0002816686820000031
作为本发明的进一步改进，在所述弱翻转区，物理模型二表示为：
Figure BDA0002816686820000032
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数b0、b1、b2。
作为本发明的进一步改进，在所述线性转换区，物理模型二表示为：
VL＝c1VAM+c0
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数c0和c1。
作为本发明的进一步改进，在所述夹断区，物理模型二表示为：
Figure BDA0002816686820000033
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数d0、d1、d2。
作为本发明的进一步改进，在所述饱和区，物理模型二表示为：
VL＝e1VAM+e0
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数e0和e1。
作为本发明的进一步改进，在所述被压缩区，物理模型二表示为：
Figure BDA0002816686820000034
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数f0、f1、f2。
本发明的有益效果：
本发明功率放大器校准方法利用了功率放大器的物理原理，根据输出电压的不同分别建立物理模型，在电压较小时，利用物理模型一，通过控制打开的放大器单元数量实现对输出电压的精准控制；在输出电压较大时，利用物理模型二，通过控制供电电压实现对输出电压的精准控制，使得该校准方法可以覆盖全输出范围，保证了校准精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明优选实施例中功率放大器校准方法的流程图；
图2是本发明优选实施例中。
图3是本发明优选实施例中功率放大器的等效电路图；
图4是本发明优选实施例通过实际量测以及本发明的校准后的物理模型一分别得到的输出电压和数字控制之间的关系图；
图5是实际量测以及本发明的校准算法两者之间的结果误差；
图6是用供电电压来控制输出电压时功率放大器的示意图；
图7是通过10个量测结果以及本发明的校准后的物理模型二分别得到的输出电压和供电电压之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提出的校准方法是基于功率放大器的物理工作原理，建立功率放大器全输出范围的模型，在此模型的基础上进行校准，可以有效减少所需要的量测点，在使用时也可大幅减少所需要的存储单元。
当功率放大器也同时用来实现幅度调制时，控制机制的线性度对输出信号的指标有直接影响。本发明的模型是连续的，高精准度的，可同时用于功率放大器的线性补偿。由于功率放大器的输出不是线性，输入控制需要先乘以输出功率变化函数的反函数。校准之后的系数会存放在存储单元，当发射机确定了发射功率，可以选择相对应的反函数公式产生的预失真补偿表格来确保输出信号的线性。
而不管是功率校准还是线性校准，最终是要找到一个可以实现的算法来算出在特定输出电压时的输入控制。
当功率放大器集成到CMOS收发器上时，要覆盖输出电压范围，通常会分为两种工作模式。
当输出电压比较小时，是数字功率放大器，输入是数字控制线，通过开不同个数的输出单元达到不同的输出电压。
当输出电压变大时，用纯数字功率放大器会产生杂散，效率也会变差，控制功率放大器供电电压会是更好的选择。输出电压和供电电压的关系不是线性，相对应模型会更复杂。下面结合具体实施例进行详细描述。
如图1所示，为本发明优选实施例中的功率放大器校准方法，包括以下步骤：
S10、根据输出电压范围的不同定义两种工作模式。
S20、在工作模式一下，保持供电电压不变，建立输出电压与打开的放大器单元数量关系的物理模型一。
S30、在工作模式二下，保持打开的放大器单元数量不变，建立输出电压与供电电压关系的物理模型二。
S40、对物理模型一和物理模型二分别进行校准。
具体的，在工作模式一下，输出电压较小，功率放大器为数字功率放大器，其架构如图2所示，其中，Zm为匹配网络的阻抗；ZL为负载的阻抗，可选的， ZL为50欧姆；i_code为控制输出电压的数字控制线，当需要的输出电压变大，通过i_code控制打开更多的放大器单元，更大的输出电流流到负载产生更大的输出电压。
如图3所示，为功率放大器的等效电路。其中，Zon和Zoff分别是放大器单元在开和关时状态下的输出阻抗，Zon、Zoff、Zm和ZL在特定频率下是一个常数，等效输出阻抗Zeff公式如下：
Figure BDA0002816686820000051
其中，icode为打开的放大器单元数量关系，Za和Zb分别如下：
Figure BDA0002816686820000061
Io＝icode·Ion+(N-icode)Ioff＝(Ion-Ioff)icode+N·Ioff#(3)
Vo＝IoZeff#(4)
负载上的电压即为输出电压VL，输出电压VL为：
Figure BDA0002816686820000062
当我们假设Ioff＝0或者Zoff＝∞，式5可以简化成：
Figure BDA0002816686820000063
进一步的，输出电压VL为：
Figure BDA0002816686820000064
其中，A、B、C分别：
Figure BDA0002816686820000065
当icode＞0，式(7)可以表示为：
Figure BDA0002816686820000066
式(7)中存在平方数，校准算法和补偿反函数的计算都会比较复杂。优选的，本发明用了一个更简单的算法，通过以下公式取代公式(7)：
Figure BDA0002816686820000071
式(10)即为本发明建立的物理模型一，其中，VL为输出电压，icode为打开的放大器单元数量关系，系数Vmax和α分别为：
Figure BDA0002816686820000072
当校准结束后，Vmax和α的值可以得出，icode可以用下面的反函数公式产生预失真表格以确保最后的输出电压的正确性和有足够的线性度。
Figure BDA0002816686820000073
上述两个系数Vmax和α需要校准，需要在产线上量测两个工作点状态 (icode1,VL1)和(icode2,VL2)，然后就可以通过下面的算法得出Vmax和α。
Figure BDA0002816686820000074
通过解二元一次方程可得到：
Figure BDA0002816686820000075
在一实施例中，用两组数字控制icode和输出电压VL的值(258,270.4967473) 和(504,441.5247145)可以算出Vmax＝1310.6145,α＝992.0651，此时，如图4所示，为通过实际量测以及本发明的校准后的物理模型一分别得到的输出电压和数字控制之间的关系图，可以看出两者基本重叠。图5为实际量测以及本发明的校准算法两者之间的结果误差，可以看出误差非常小，验证了物理模型一及其校准方法的准确性。
在工作模式二下，输出电压较大，用功率放大器供电电压来控制输出电压。如图6所示，为功率放大器的示意图。其中，M0和M1是两个串联在一起的 NMOS管，VAM为功率放大器供电电压，是图中V_AM点的电压，VPM是图中V_PM点M0的栅极电压，ID1和ID0分别是M0和M1的漏极电流，VDS1和VDS0分别是M0和M1的漏极电压，即：
ID＝ID1＝ID0，VAM＝VDS1+VDS0
其中，M1的栅级和漏级通过一个等效电阻和一个电感接在一起，可以假设M1的栅级和漏级电压相同，即：
VG1＝VD1
通过定义以下常数简化公式：
Figure BDA0002816686820000081
以下为M1的工作区间及其公式：
在M1预夹断发生之前，VDS1≤VDS1-off，其漏极电流可用以下公式表示， VDS为漏极电压，VGS为栅极电压，VTH为阈值电压：
Figure BDA0002816686820000082
VDS1-off＝VGS1-VTH1
当VDS1＞VDS1-off，夹断发生之后，其漏极电流等于：
Figure BDA0002816686820000083
其中，λ1为沟道长度调制系数。
结合式
Figure BDA0002816686820000084
和式
Figure BDA0002816686820000085
得到：
Figure BDA0002816686820000091
以下为M0的工作区间及其公式：
由于M0的栅级电压范围更宽，他的工作区间会更多一些：
VGs0＝VPM，
VDS0-off＝VGS0-VTH0＝VPM-VTH0
Figure BDA0002816686820000092
综合M0和M1的工作区间和公式，整个功率放大器的工作区间总共有6 个，如表1所示，按照输出电压从低到高依次为：电阻区Resistor、弱翻转区 Triode、线性转换区Transition、夹断区Pinch-off、饱和区Saturation、被压缩区 Compression。
Figure BDA0002816686820000093
得到物理模型后，我们需要有足够简单的校准算法，以便有少数的量测就能计算得到功率控制表格和线性预失真补偿表格。一次或二次多项式被用来表示电流和电压的关系。为了简化，同时保持足够精确度，我们直接用VL替代ID，假设电流和电压可以用同一套公式。
在工作区间1，即电阻区，功率放大器原理类似于一个电阻，可用线性方程来建模，物理模型二表示为：
VL＝a1VAM+a0#(1)
校准时需要量测两个点的数据(VL1,VAM1)和(VL1,VAM1)带入上述公式，得到系数a1和a0：
Figure BDA0002816686820000101
然后功率放大器的供电电压和输出电压的关系可以用下面的方程表示：
Figure BDA0002816686820000102
在工作区间2，即弱翻转区，通过二阶函数来表示这个工作区间，物理模型二表示为：
Figure BDA0002816686820000103
从公式(4)可以推出以下的方程来计算VAM:
Figure BDA0002816686820000104
式(4)的斜率为：
Figure BDA0002816686820000105
工作区间1，2，和3之间的转换应该是连续平滑的，所以工作区间2和左右两个区间的接点斜率应该是相同的。区间3的斜率为c1，工作区间1的斜率为a1，得出下式：
Figure BDA0002816686820000106
解出VAMa和VAMc：
Figure BDA0002816686820000107
将式(8)带入式(1)和(18)，得到：
Figure BDA0002816686820000111
工作区间3和左右两个工作区间的接点应该在这条曲线上，即(VAMa,VLa) 和(VAMc,VLc)，把式(8)和(9)代入下式：
Figure BDA0002816686820000112
此时，我们需要另外一个量测点(VAM3,VL3)来得出所以系数：
Figure BDA0002816686820000113
从式(11)可知：
Figure BDA0002816686820000114
其中：
Figure BDA0002816686820000115
将式(13)代入式(11)，得到：
Figure BDA0002816686820000116
其中：
Figure BDA0002816686820000117
算出b0：
Figure BDA0002816686820000121
综合式(16)和(12)可得：
Figure BDA0002816686820000122
在工作区间3，即线性翻转区，通过线性函数来表示这个工作区间，物理模型二表示为：
VL＝c1VAM+c0#(18)
通过两个量测点(VAM4,VL4)和(VAM5,VL5)可以进行校准：
Figure BDA0002816686820000123
得到：
Figure BDA0002816686820000124
在工作区间4，即夹断区，通过二次函数来表示这个工作区间，物理模型二表示为：
Figure BDA0002816686820000125
从式(21)可以得出这个区间的预失真反函数是：
Figure BDA0002816686820000126
跟工作区间2类似，需要另外一个量测点(VAM6,VL6)，来得到这个区间的函数：
Figure BDA0002816686820000131
Figure BDA0002816686820000132
Figure BDA0002816686820000133
Figure BDA0002816686820000134
Figure BDA0002816686820000135
在工作区间5，即饱和区，通过线性函数来表示这个工作区间，物理模型二表示为：
VL＝e1VAM+e0#(28)
通过两个量测点(VAM7，VL7)和(VAM8，VL8)可以进行校准：
Figure BDA0002816686820000136
得到：
Figure BDA0002816686820000137
在工作区间6，即被压缩区，通过二次函数来表示这个工作区间，物理模型二表示为：
Figure BDA0002816686820000141
从式(31)得到预失真反函数是：
Figure BDA0002816686820000142
斜率为：
Figure BDA0002816686820000143
工作区间5和6的接点斜率相同：2f2VAMe+f1＝e1#(34)
可得VAMe：
Figure BDA0002816686820000144
将式(35)代入式(31)，得到：
Figure BDA0002816686820000145
工作区间5和6的接点(VAMe,VLe)在这条曲线上，将式(35)和(36)代入式(31)，得到：
Figure BDA0002816686820000146
二次函数总共有三个未知数，需要另外两个量测点：(VAM9,VL9)和 (VAM10,VL10)，代入得到：
Figure BDA0002816686820000147
从式(37)和(38)可得：
Figure BDA0002816686820000148
其中：
Figure BDA0002816686820000151
把式(39)代入式(38)可得：
Figure BDA0002816686820000152
其中：
Figure BDA0002816686820000153
可得：
Figure BDA0002816686820000154
结合式(39)和式(43)可得：
Figure BDA0002816686820000155
在一实施例中，如图7所示，为通过10个量测结果以及本发明的校准后的物理模型二分别得到的输出电压和供电电压之间的关系图，可以看出两者基本吻合。
本发明功率放大器校准方法利用了功率放大器的物理原理，根据输出电压的不同分别建立物理模型，在电压较小时，利用物理模型一，通过控制打开的放大器单元数量实现对输出电压的精准控制；在输出电压较大时，利用物理模型二，通过控制供电电压实现对输出电压的精准控制，使得该校准方法可以覆盖全输出范围，保证了校准精度。
本发明只需要量测十二个点，并计算出系数，就可以产生功率放大器两种工作模式下所有输出功率范围内的功率控制表格和线性预失真补偿表格，实现量产。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种功率放大器校准方法，其特征在于，包括：
根据输出电压范围的不同定义两种工作模式；
在工作模式一下，保持供电电压不变，建立输出电压与打开的放大器单元数量关系的物理模型一；
在工作模式二下，保持打开的放大器单元数量不变，建立输出电压与供电电压关系的物理模型二；
对物理模型一和物理模型二分别进行校准。
2.如权利要求1所述的功率放大器校准方法，其特征在于，所述物理模型一表示为：
Figure FDA0002816686810000011
其中，VL为输出电压，icode为打开的放大器单元数量关系，系数Vmax和α分别为：
Figure FDA0002816686810000012
其中，ZL为负载的阻抗，Ion为放大器单元打开时的电流，Zon为放大器单元打开时的输出阻抗，Zm为匹配网络的阻抗。
3.如权利要求2所述的功率放大器校准方法，其特征在于，通过对系数Vmax和α校准实现对物理模型一的校准，具体可通过量测两个工作点的数据(icode1,VL1)和(icode2,VL2)并带入以下公式计算系数Vmax和α：
Figure FDA0002816686810000013
通过解二元一次方程可得到：
Figure FDA0002816686810000021
4.如权利要求1所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在工作模式二下，根据功率放大器内MOS管的工作区间和公式将功率放大器划分为六个工作区间，按照输出电压从低到高依次为：电阻区、弱翻转区、线性转换区、夹断区、饱和区、被压缩区。
5.如权利要求4所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在所述电阻区，物理模型二表示为：
VL＝a1VAM+a0
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据(VL1,VAM1)和(VL1,VAM1)带入上述公式，得到系数a1和a0：
Figure FDA0002816686810000022
6.如权利要求4所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在所述弱翻转区，物理模型二表示为：
Figure FDA0002816686810000023
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数b0、b1、b2。
7.如权利要求4所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在所述线性转换区，物理模型二表示为：
VL＝c1VAM+c0
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数c0和c1。
8.如权利要求4所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在所述夹断区，物理模型二表示为：
Figure FDA0002816686810000031
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数d0、d1、d2。
9.如权利要求4所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在所述饱和区，物理模型二表示为：
VL＝e1VAM+e0
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数e0和e1。
10.如权利要求4所述的功率放大器校准方法，其特征在于，在所述被压缩区，物理模型二表示为：
Figure FDA0002816686810000032
其中，VL为输出电压，VAM为供电电压，校准时通过量测工作点的数据带入上述公式，得到系数f0、f1、f2。
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