CN114944818A - 功率放大器系统 - Google Patents
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Abstract
公开一种功率放大器系统，其具有具有第一供应节点的载波放大器、具有第二供应节点的峰值放大器，和包络跟踪(ET)电路系统。所述ET电路系统具有：第一跟踪放大器，其在所述第一供应节点处生成第一电压信号；第二跟踪放大器，其在所述第二供应节点处生成第二电压信号；以及晶体管，其联接在所述第一供应节点和所述第二供应节点之间。控制电路具有耦合到所述第一跟踪放大器和所述第二跟踪放大器中的两者或任一个的输出的第一输入以及耦合到所述晶体管的控制输入端子的控制输出端子，其中所述控制电路被配置成随着所述峰值放大器渐进地变为有源而渐进地接通所述晶体管以将电流从所述第一供应节点传递到所述第二供应节点。
Description
相关申请
本申请要求2021年2月15日提交的临时专利申请序列号63/149,556的权益，所述临时专利申请的公开内容全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及射频传输器，且更确切地说涉及控制射频传输器内的多尔蒂(Doherty)型功率放大器的包络跟踪电路。
背景技术
移动通信装置在当今社会用于提供无线通信服务已经变得越来越普遍。这些移动通信装置的流行部分是由此些装置上现启用的许多功能驱动的。此些装置中处理能力的提高意味着移动通信装置已经从纯通信工具演进为能够增强用户体验的复杂移动多媒体中心。
重新定义的用户体验需要由例如无线保真(Wi-Fi)、长期演进(LTE)和第五代新无线电(5G-NR)等无线通信技术提供的较高数据速率。为了实现移动通信装置中的较高数据速率，可采用复杂功率放大器来增加由移动通信装置传送的射频(RF)信号的输出功率(例如，维持每位足够的能量)。
已经提议且在移动通信装置内的传输器链中实施各种功率放大器布置以提供所要输出功率，同时还满足5G-NR的功率电平控制要求。一种此类功率放大器布置是多尔蒂放大器，其使用载波放大器在高达平均功率的电压下操作，且使用载波放大器和峰值放大器在平均功率和峰值功率之间的电压下操作。虽然多尔蒂放大器提供用于提供功率放大的选项，但功率放大期间的能量效率和线性仍有改进空间。
发明内容
公开一种功率放大器系统，其具有具有第一供应节点的载波放大器、具有第二供应节点的峰值放大器，和包络跟踪(ET)电路系统。所述ET电路系统具有：第一跟踪放大器，其在第一供应节点处生成第一电压信号；第二跟踪放大器，其在第二供应节点处生成第二电压信号；以及晶体管，其联接在第一供应节点和第二供应节点与控制输入端子之间。第一跟踪放大器和第二跟踪放大器还可被称作并行放大器。控制电路具有联接到第一跟踪放大器和第二跟踪放大器中的两者或任一个的输出的第一输入以及联接到晶体管的控制输入端子的控制输出端子，其中控制电路被配置成随着峰值放大器渐进地变为有源而渐进地接通晶体管以将电流从第一供应节点传递到第二供应节点。
本公开涉及利用仅多尔蒂功率放大器实现额外增强的传输器效率的包络跟踪操作，其中仅多尔蒂放大器与平均功率跟踪放大器相比展示增加了约5％额外功率增加效率，且其中组合的仅多尔蒂与包络跟踪与平均功率跟踪放大器相比展示约+18％的额外功率增加效率。
在另一方面中，上述方面中的任一个个别地或一起和/或如本文所描述的各个单独方面和特征可组合以实现额外优点。除非本文中相反地指示，否则如本文所公开的各个特征和元件中的任一个可与一个或多个其它所公开的特征和元件组合。
所属领域的技术人员将在结合附图阅读优选实施例的以下详细描述之后了解本公开的范围并且认识到本公开的另外的方面。
附图说明
并入在本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与描述内容一起用以阐释本公开的原理。
图1是包含包络跟踪电路系统的功率放大器系统的示意图，所述包络跟踪电路系统根据本公开配置以从激励多尔蒂功率放大器的单个跟踪器电路生成两个经调制供应电压。
图2A是展示图1的多尔蒂放大器的峰值放大器的峰值电流与载波放大器的主电流的曲线图。
图2B是展示图1的多尔蒂放大器的峰值放大器和载波放大器的电压与载波放大器电流的曲线图。
图3是展示理想多尔蒂放大器的供电电压(Vcc)载波和Vcc峰值摆动的曲线图。
图4是展示图1的多尔蒂放大器的Vcc载波和Vcc峰值摆动的曲线图。
图5是示出由本公开的功率放大器系统提供的效率改进的曲线图。
具体实施方式
下文阐述的实施例表示使所属领域的技术人员能够实践实施例的必要信息，并且说明实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述后，所属领域的技术人员将理解本公开的概念并且将认识到本文中未特别阐述的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求书的范围内。
应理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各个元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分。举例来说，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包含相关联列举项中的一个或多个的任何和所有组合。
应理解，当例如层、区或衬底等元件被称为“在另一元件上”或延伸“到另一元件上”时，其可以直接在所述另一元件上或直接延伸到所述另一元件上，或者还可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当例如层、区或衬底等元件被称为“在另一元件之上”或“在另一元件之上”延伸时，其可以直接在所述另一元件之上或直接在所述另一元件之上延伸，或者还可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件之上”或“直接在另一元件之上延伸”时，不存在中间元件。还应理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，其可以直接连接或联接到所述另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，不存在中间元件。
在本文中可以使用例如“下方(below)”或“上方(above)”或“上部(upper)”或“下部(lower)”或“水平”或“竖直”等相对术语来描述如图所示的一个元件、层或区与另一元件、层或区的关系。应理解，这些术语和上文所论述的术语旨在涵盖除图中描绘的定向外的装置的不同定向。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不希望限制本公开。如本文中所使用，单数形式“一”和“所述”意图也包含复数形式，除非上下文另外清楚地指示。应进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
除非另外定义，否则本文所使用的所有术语(包含技术术语和科技术语)具有本公开所属领域的一般技术人员通常所理解的相同含义。应进一步理解，本文所使用的术语应被解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地如此定义，否则将不会在理想化的或过度正式的意义上进行解释。
本文中参考本公开的实施例的示意性图示描述实施例。如此，层和元件的实际尺寸可不同，且预期由于例如制造技术和/或容差造成的相对于图示的形状的变化。举例来说，被示出或描述为正方形或矩形的区可具有圆化或弯曲特征，且展示为直线的区可具有一些不规则性。因此，图中示出的区为示意性的且其形状并不希望说明装置的区的精确形状，且不希望限制本公开的范围。此外，结构或区的大小可能出于说明性目的而相对于其它结构或区夸示，且因此提供这些大小是为了说明本发明主题的大体结构，且这些大小可或可不按比例绘制。各图之间的共同元件可在本文中用共同元件编号展示，且随后可能不重复描述。
本公开涉及利用被称作DiVeRT的方法的包络跟踪集成电路(ETIC)，DiVeRT代表双瞬态电压增强型快速跟踪，其从单个跟踪器电路创建两个同时经调制供电电压，且因此启用调制功率放大器的集极的新功率放大器拓扑。
与功率放大器的最终输出级分开地调制驱动级允许宽调制带宽ET，例如ET200MHz，其中第一驱动器级的调制使相应Vcc时间对准到射频(RF)包络，且其中最终级的调制使相应Vcc时间对准到RF包络，其通常因级间网络而稍微延迟。
针对仅多尔蒂(或负载调制)功率放大器分开地调制载波放大器级和峰值放大器级，也就是说，载波放大器和峰值放大器的单独包络跟踪，几乎无偿地实现这两个放大器级的额外偏置控制，且使归因于峰值放大器的接通或关断的降级最小化，并增强除负载调制本身外的效率且恢复归因于仅多尔蒂方法的使用而造成的效率下降。此称为D2E，其代表根据本公开的多尔蒂和双ET方法。
调制在类似功率或不同功率电平下传输相同RF调制信号的传输(TX)分集中使用的两个功率放大器允许利用在ET(例如，ProET(渐进Voffset包络跟踪)或正常ET)或平均功率跟踪(APT)或APeT的不同模式中调制功率放大器的驱动器和最终输出级两者的传统方法来操作，所述APeT代表在停用跟踪放大器的情况下在使用APT控制器的同时在ET中操作。
图1是根据本公开包含多尔蒂功率放大器(PA)12和包络跟踪(ET)电路系统14的功率放大器系统10的示意图。在图1的示例性实施例中，包络跟踪电路系统14呈ETIC的形式。
多尔蒂PA 12具有具有第一供应节点18的载波放大器16，和具有第二供应节点22的峰值放大器20。多尔蒂PA 12具有射频(RF)信号输入24，其将RF信号26联接到载波放大器16和峰值放大器20。然而，RF信号26在到达峰值放大器20之前通过表示为“Ka”的第一阻抗反相器28。在操作中，载波放大器16生成主电流信号IM，其在到达RF输出32之前通过第二阻抗反相器30。峰值放大器20生成峰值电流信号i*Ip，其在经由RF输出32输出之前与主电流信号IM同相组合。负载RL联接在RF输出32和例如接地等固定电压节点之间。负载RL通常为RF信号26的经放大型式传输所经过的天线。
ET电路系统14的单个跟踪器电路34将功率供应到多尔蒂放大器12。单个跟踪器电路34被配置成生成两个经调制Vcc供应电压Vcc和Vccaux。微电荷泵(MCP)36的输出经由功率电感器40联接到第一供应输出38。MCP 36由电池电压VBAT激励。第一供应节点18联接到第一供应输出38以为载波放大器16供电。
ET电路系统14还包含第一跟踪放大器42，其借助于第一偏移电容器44的相对大的电容(～2.2μF)联接到第一供应输出38。在操作期间跨第一偏移电容器44存在第一偏移电压VOFFA。第一反馈(FB)网络46联接在第一供应输出38和第一跟踪放大器42的第一跟踪输入48之间。
ET电路系统14还包含第二跟踪放大器50，其借助于第二偏移电容器54的相对小的电容(～10nF)联接到第二供应输出52。在操作期间跨第二偏移电容器54存在第二偏移电压VOFFB。第二反馈(FB)网络56联接在第二供应输出52和第二跟踪放大器50的第二跟踪输入58之间。第二供应节点22联接到第二供应输出52以为峰值放大器20供电。
跟踪放大器供应60生成激励第一跟踪放大器42的第一跟踪放大器供应电压VSUPA。跟踪放大器供应60还生成激励第二跟踪放大器50的第二跟踪放大器供应电压VSUPB。在一些实施例中，MCP 36可供应直流电压，跟踪放大器供应60使用所述直流电压来生成第一跟踪放大器供应电压VSUPA和第二跟踪放大器供应电压VSUPB。
场效应晶体管(FET)62具有经由第一输出38联接到第一供应节点18的第一电流端子64。FET 62还具有经由第二供应输出52联接到第二供应节点22的第二电流端子66。控制端子68用于控制FET 62。控制电路70的控制输出72联接到控制端子68，其中控制电路70被配置成控制FET 62以按线性方式表现为电流源或表现为闭合开关或断开开关。在至少一些实施例中，控制电路70包含数字处理器，其被配置成从查找表读取值，将值应用于数/模转换器，且从模/数转换器读取信号值。在图1的示例性实施例中，控制电路70具有联接到第二跟踪放大器50的跟踪输出76的第一感测输入74，以及联接到第二供应输出52的第二感测输入78。第一感测输入74和第二感测输入78之间的差分感测电压等于第二偏移电压VOFFB。
外部收发器产生在控制电路70的Vramp输入80处接收的目标Vramp调制信号VTGT(t)。控制电路70被配置成通过同时在第一目标信号输出82处生成第一目标信号VTGTA(t)且在第二目标信号输出84处生成第二目标信号VTGTB(t)来响应于目标Vramp调制信号VTGT(t)。第一目标信号VTGTA(t)和第二目标VTGTB(t)可具有相对于彼此不同的振幅形状和不同的时间对准。第一目标信号输出82联接到第一跟踪放大器42的第一目标信号输入86。作为响应，第一跟踪放大器42生成第一跟踪放大器信号VAMPA(t)。第二目标信号输出84联接到第二跟踪放大器50的第二目标信号输入88。作为响应，第二跟踪放大器50生成第二跟踪放大器信号VAMPB(t)。第一供应电压Vcc和第二供应电压Vccaux两者跟踪第一跟踪放大器信号VAMPA(t)和第二跟踪放大器信号VAMPB(t)。
在多尔蒂放大器12的操作期间，跨载波放大器16的RF电压的包络称为Vm，且相关联电流表示为IM。跨峰值放大器的RF电压的包络称为Vp，且相关联电流表示为j*Ip，其中j是展示峰值电流Ip与主电流IM之间的90度相差的虚分量。此外，对于多尔蒂放大器12操作为仅多尔蒂功率放大器，假设负载线变换在两个放大器级之间不必相同。
图2A和2B展示在多尔蒂放大器12正使用D2E方法操作的情况下的各种电流和电压，其中比相对于峰值包络-6dB点低得多而激活峰值放大器20；也就是说，负载线调制的多尔蒂操作远低于峰值包络功率而终止或到期，且接着载波放大器和峰值放大器两者各自递送点B和点C之间的功率的一半。
调制的平均点不必落在点A处，而是可落在两者之间，其中负载调制已经减小由载波放大器在点A′处所经历的最大阻抗，因此减小负载调制效率增强且因此利用在载波放大器16上具有包络跟踪来与理想多尔蒂放大器相比恢复效率。
峰值放大器20在其被激活时经历不同的调制RF电压，且因此可利用在峰值放大器20上具有单独的ET调制。由峰值放大器20在点A处所经历的电压等于由载波放大器16在点A处所经历的电压的约一半，且由峰值放大器20在点B处所经历的电压等于由载波放大器16在点B处所经历的相同电压，其是点A处峰值放大器20处的电压的两倍。由载波放大器16从点B到点C所经历的电压类似于由载波放大器20在这些点处所经历的电压。
在6dB的峰均比的调制信号和理想多尔蒂案例的情况下，图3展示载波放大器16和峰值放大器20的经调制Vcc电压，其中由峰值放大器预期的Vcc_peaking的调制电压摆动为约Vccmax/2到Vccmax。在多尔蒂放大器12正操作为仅多尔蒂功率放大器的情况下，调制电压改变，因为负载调制在时间上较早激活且在到达RF调制的峰值包络之前到期。
如图4中所展示，峰值放大器20上的供应电压Vcc的调制相比于载波放大器16的供应电压Vcc的调制具有较低动态范围。这是因为，最小电压大致为等于图4中描绘的Vccm0/2的电压。因此，第二偏移电容器54可预充电到Vccm0/2附近的值以为第二跟踪放大器50供电，这驱动从较低电压供应对峰值放大器20的供应以改进效率。两个单独的Vcc调制电压Vcc_carrier(t)≥Vcc_peaking(t)允许载波放大器16和峰值放大器20中的每一个上的不同负载线转换和/或两个不同阻抗反相器比率。由于此灵活性，功率效率可最大化。
借助于用于载波放大器16和峰值放大器20的不同供应电压可存在不同线性化，以使多尔蒂放大器12的总体线性最大化。举例来说，可与存储在包络跟踪查找表(ET-LUT)中的值成比例地调整载波供应调制Vcc_carrier(t)，这提供载波放大器16的等增益操作。峰值供应调制Vcc_peaking(t)可具有相对于载波供应调制Vcc_carrier的另一ET-LUT关系，其允许峰值放大器20的等增益操作，使得多尔蒂放大器12的总体增益通过利用两个可用的经调制供应而线性化。对比于Vcc_carrier的相对于ET-LUT关系的Vcc_peaking ET-LUT改变可直接在ET电路系统14内部实施，所述ET电路系统使用由Vcc_carrier使用的输入调制Vramp信号作为目标且经由内置映射改变修改此信号以创建用于Vcc_peaking的另一目标信号，如图1所示。
图5示出点A下方、两个峰值点A和B之间，以及点B上方所预期的效率改进。给定点A中所见的高负载线和点A′处仍有一些良好效率，载波放大器16的效率良好，但负载线归因于“仅”操作在点A′处已经丢失，但归因于点A和点C之间的Vcc_carrier的经调制供应ET操作而得以改进以保持在压缩附近操作。
峰值放大器20的效率良好，但表示跨ETIC的Vcc(t)和Vccaux(t)之间的FET元件的电压的(Vm(t)-Vp(t))之间的差正耗散用于流经此FET的经调制峰值电流的功率，因此提供使从Vccm0电压供电的峰值放大器始终处于点A和点B之间的等效方式。
峰值放大器20在开始时以较低供应Vccmin_peaking偏置，其中峰值放大器被激活且Vcc_peaking电压的控制允许较好地控制峰值放大器20的RF性能，且在栅极/基极和集极(未图示)处指派较好偏置控制，这与仅RF晶体管(未图示)的栅极/基极上的偏置控制形成对比。Vcc_peaking的最小Vcc可不同于最小Vcc_carrier，条件是这有助于在峰值放大器开始或停止供应RF电流时较好地优化峰值放大器20的行为。在其中峰值放大器20接通的过渡点处，最小Vcc还可处于Vcc_carrier电压的约一半处，条件是Vp包络是Vm包络的一半。间接地，载波放大器16和峰值放大器20可经线性化，因为其各自具有依据来自每一ET-LUT的值调整的其自身的经调制Vcc波形。
应注意，在本公开的实施例中，载波放大器调制供应电压Vcc_carrier(t)始终大于或等于峰值放大器调制供应电压Vcc_peaking(t)。因此，本公开的实施例被配置成用于DiVeRT方法，其中要求Vcc(t)≥Vccaux(t)。
此外，载波放大器调制供应电压Vcc_carrier(t)具有低峰均比和较低峰值与最小电压比。因此，用于第一跟踪放大器42的跟踪器放大器供应电压VSUPA可较低，这增加包络跟踪器电路系统14的能量效率。此外，用于峰值放大器20的峰值放大器调制供应电压Vcc_peaking(t)具有减小的峰值与最小电压比摆动。分别用于以不同方式为第一跟踪放大器42和第二跟踪放大器20供电的两个不同电压VSUPA小于VSUPB的存在实现ET电路系统14的最大能量效率。
可存在使用Vcc和Vccaux供应电压的不同功率放大器拓扑的混合和匹配。此外，如果每一功率放大器处的两个RF包络之间存在任何时间上的失配，则可存在Vcc_carrier(t)和Vcc_peaking(t)之间的不同时间对准。每一功率放大器级可按AB类偏置且利用经由相应供应路径的每一放大器的ET振幅调制-振幅调制线性化。
经审慎考虑，上述方面和/或如本文所描述的各个单独的方面和特征中的任一个可组合以实现额外优点。除非本文中相反地指示，否则如本文所公开的各种实施例中的任一个可与一个或多个其它所公开的实施例组合。
所属领域的技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有此些改进和修改都认为是在本文公开的概念和所附权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种功率放大器系统，其包括：
载波放大器，其具有第一供应节点；
峰值放大器，其具有第二供应节点；以及
包络跟踪(ET)电路系统，其包括：
第一跟踪放大器，其被配置成在所述第一供应节点处生成第一电压信号；
第二跟踪放大器，其被配置成在所述第二供应节点处生成第二电压信号；
晶体管，其具有联接所述第一供应节点的第一电流端子和联接到所述第二供应节点的第二电流端子；以及
控制电路，其具有联接到所述第一跟踪放大器和所述第二跟踪放大器中的两者或任一个的输出的第一输入以及联接到所述晶体管的控制输入端子的控制输出端子，其中所述控制电路被配置成随着所述峰值放大器渐进地变为有源而渐进地接通所述晶体管以将电流从所述第一供应节点传递到所述第二供应节点。
2.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述控制电路通过监测所述控制电路的所述第一输入处的跟踪输出电压而确定所述峰值放大器正变得越来越有源。
3.根据权利要求2所述的功率放大器系统，其中所述控制电路的第二输入联接到所述第二节点以监测所述第二节点处的电压。
4.根据权利要求3所述的功率放大器系统，其中所述控制电路被配置成监测所述第一输入和所述第二输入之间的差分电压，且作为响应随着所述峰值放大器渐进地变为有源而渐进地接通所述晶体管以将电流从所述第一供应节点传递到所述第二节点。
5.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述第一供应信号具有遵循由所述ET电路系统接收的射频信号的包络的第一振幅调制，且所述第二供应信号具有遵循由所述ET电路系统接收的所述射频信号的所述包络的第二振幅调制。
6.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述控制电路被配置成致使为所述峰值放大器供应的峰值电流的变化率大于为所述载波放大器供应的载波电流的变化率，直至所述载波电流和所述峰值电流大体上相等。
7.根据权利要求6所述的功率放大器系统，其中为所述峰值放大器供应的峰值电流的所述变化率的斜率是为所述载波放大器供应的所述载波电流的所述变化率的斜率的至少两倍。
8.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述ET电路系统集成到ET集成电路(ETIC)中。
9.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述ET电路系统被配置成确保为所述载波放大器供电的所述第一供应节点处的电压保持大于或等于为所述峰值放大器供电的所述第二供应节点处的所述电压。
10.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述ET电路系统进一步包括跟踪器电路，所述跟踪器电路具有微电荷泵，所述微电荷泵的输出经由功率电感器联接到所述第一供应节点。
11.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述晶体管为场效应晶体管。
12.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述载波放大器和所述峰值放大器在多尔蒂放大器配置中联接。
13.根据权利要求12所述的功率放大器系统，其进一步包括联接在所述载波放大器的信号输出和所述峰值放大器的信号输出之间的第一阻抗反相器。
14.根据权利要求13所述的功率放大器系统，其进一步包括联接在所述载波放大器的信号输入和所述峰值放大器的信号输入之间的第二阻抗反相器。
15.根据权利要求14所述的功率放大器系统，其中所述第一阻抗反相器和所述第二阻抗反相器具有大体上不同的阻抗反相器比率。
16.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其进一步包括第一电容器联接在第一跟踪放大器的输出和所述第一供应节点之间。
17.根据权利要求16所述的功率放大器系统，其进一步包括联接在所述第二跟踪放大器的输出和所述第二供应节点的之间的第二电容器。
18.根据权利要求16所述的功率放大器系统，其中所述第二电容器的电容比所述第一电容器的电容小一个数量级。
19.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述控制电路进一步被配置成基于存储在第一包络跟踪查找表(ET-LUT)中的值调整所述第一供应节点处的供应电压以提供所述载波放大器的等增益操作。
20.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述控制电路进一步被配置成基于存储在第二ET-LUT中的值调整所述第二供应节点处的供应电压以提供所述峰值放大器的等增益操作。
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