《電子技術(shù)應(yīng)用》
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用于包絡(luò)跟蹤功率放大器的三電平包絡(luò)調(diào)制器
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
區(qū)力翔,李思臻,余 凱,章國(guó)豪
廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,廣東 廣州510006
摘要: 提出了一種三電平(3-level)包絡(luò)調(diào)制器結(jié)構(gòu),使用3-level開(kāi)關(guān)變換器取代兩電平(2-level)開(kāi)關(guān)變換器,通過(guò)三電平擬合的方法使開(kāi)關(guān)變換器的輸出電流擺率能夠跟隨輸入包絡(luò)的幅度自適應(yīng)變化,有效減少線性放大器的輸出電流,達(dá)到降低線性放大器動(dòng)態(tài)功耗的目的,從而提升系統(tǒng)的整體效率。電路設(shè)計(jì)采用55 nm CMOS工藝,仿真結(jié)果顯示,在3.3 V供電,10 MHz LTE輸入信號(hào)下,基于3-level包絡(luò)調(diào)制器的功率放大器輸出功率為27.5 dBm,效率為85%,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,效率提升了2%。
中圖分類號(hào): TN45
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190913
中文引用格式: 區(qū)力翔,李思臻,余凱,等. 用于包絡(luò)跟蹤功率放大器的三電平包絡(luò)調(diào)制器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(12):70-73,82.
英文引用格式: Ou Lixiang,Li Sizhen,Yu Kai,et al. Three-level envelope modulator for envelope tracking power amplifier[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(12):70-73,82.
Three-level envelope modulator for envelope tracking power amplifier
Ou Lixiang,Li Sizhen,Yu Kai,Zhang Guohao
School of Information Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China
Abstract: In this paper, a three-level(3-level) envelope modulator structure is proposed. The conventional two-level(2-level) switching converter is replaced by the 3-level switching converter. The switching current slew-rate can adapt to the amplitude of the input envelope by the three-level fitting method. The output current of the linear stage can be reduced effectively, and the dynamic power consumption of the linear stage can be reduced, thus the overall efficiency of the system can be improved. The circuit is designed with 55 nm CMOS technology. The simulation results show that the output power of the power amplifier is 27.5 dBm and the efficiency is about 85% under 3.3 V power supply and 10 MHz LTE input signal. Compared with the conventional structure, the efficiency is improved by 2%.
Key words : envelope modulator;3-level;efficiency improvement

0 引言

    為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,現(xiàn)代移動(dòng)通信從傳統(tǒng)的恒包絡(luò)調(diào)制逐漸發(fā)展為復(fù)雜的變包絡(luò)調(diào)制,信號(hào)的帶寬和峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)隨之上升,因此功率放大器需要長(zhǎng)時(shí)間處于低效率的功率回退區(qū)以換取足夠的線性度[1-2]。主流的功率放大器效率提升技術(shù)有Doherty技術(shù)[3]、包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)[4-5]、包絡(luò)跟蹤技術(shù)[6-8]等。其中包絡(luò)跟蹤技術(shù)能有效提升功率放大器在功率回退時(shí)的效率,但是傳統(tǒng)的包絡(luò)調(diào)制器結(jié)構(gòu)存在不足之處。當(dāng)輸入包絡(luò)幅度增加時(shí),開(kāi)關(guān)變換器的輸出電流擺率并不能隨之增加,線性放大器的輸出電流加大,損耗上升。

    本文提出一種三級(jí)(3-level)包絡(luò)調(diào)制器,其開(kāi)關(guān)變換器輸出電流擺率能自適應(yīng)地跟隨輸入包絡(luò)變化,從而減小損耗,提高系統(tǒng)效率。

1 3-level包絡(luò)調(diào)制器設(shè)計(jì)

1.1 線性放大器動(dòng)態(tài)功耗分析

    包絡(luò)調(diào)制器通常選用線性放大器、開(kāi)關(guān)變換器并聯(lián)的混合型結(jié)構(gòu),如圖1所示,開(kāi)關(guān)變換器提供絕大部分負(fù)載電流,線性放大器吸收開(kāi)關(guān)級(jí)的紋波電流。由于包絡(luò)信號(hào)中絕大部分的能量集中在低頻部分,只有小部分能量在高頻處,因此混合結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶高效。

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    為簡(jiǎn)化分析,圖1可以簡(jiǎn)化為圖2的形式,其中功率管M1、M2,反饋網(wǎng)絡(luò)βla和跨導(dǎo)放大器(OTA)組成線性放大器,2-level開(kāi)關(guān)變換器等效為受采樣電壓控制的電流源。

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    功率放大器等效為電阻Rload,阻值大小為:

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其中ηPA是功率放大器效率,Pout是功率放大器輸出功率,Arms是輸出包絡(luò)有效值。本文等效電阻大小為7 Ω。

    線性放大器功耗主要來(lái)自于功率管推挽大電流時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗,M1和M2動(dòng)態(tài)功耗表達(dá)式近似為:

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其中VDD_LA、Vla和Ila是分別是線性放大器供電電壓、輸出電壓和輸出電流。從上式可知,在輸入包絡(luò)和線性放大器電源電壓一定時(shí),功率管的動(dòng)態(tài)功耗與Ila的大小成正比。

1.2 3-level開(kāi)關(guān)變換器設(shè)計(jì)

    由圖2可知Ila是負(fù)載電流Iload和開(kāi)關(guān)電流Isw的差值(Ila=Iload-Isw),隨著輸入包絡(luò)幅度的增加,當(dāng)Iload的擺率大于Isw的擺率時(shí),Ila提供大擺率的輸出電流,損耗上升;提升Isw對(duì)Iload的跟隨能力能有效減少Ila的大小,降低損耗。首先定義3-level開(kāi)關(guān)變換器邏輯控制函數(shù),表達(dá)式為:

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    根據(jù)上述式子設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)級(jí),本文的3-level開(kāi)關(guān)變換器如圖3所示,串聯(lián)功率管M2P和M2N傳輸中間電平VDD/2,M1傳輸VDD,M3傳輸零[9]。采用判決方式與2-level相似,不同在于,3-level采用兩個(gè)閾值大小相同符號(hào)相反的單限比較器而2-level采用遲滯比較器。3-level開(kāi)關(guān)變換器工作原理為:當(dāng)Vsen<-Vs時(shí),Vsw=0;當(dāng)-Vs≤Vsen≤Vs時(shí),Vsw=VDD/2;當(dāng)Vsen>Vs時(shí),Vsw=VDD。邏輯仿真結(jié)果如圖4所示,VDD=3.3 V,輸入±20 mV三角波,從仿真圖上看到,3-level開(kāi)關(guān)變換器工作正常。

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1.3 線性放大器設(shè)計(jì)

    線性放大器需要實(shí)現(xiàn)寬帶高增益,通常采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),如圖5所示[10],M4、M6和M8、M10組成的折疊式共源共柵實(shí)現(xiàn)高增益,M12和M13、M11和M15分別組成兩個(gè)源跟隨器,為Class-AB輸出提供偏置。環(huán)路增益和相位裕度如圖6所示,環(huán)路增益約為71 dB,單位增益帶寬約為118 MHz,相位裕度約為61°。因此該結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬帶和高增益。

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    輸入信號(hào)采用最惡劣情況下的單音信號(hào),線性放大器瞬態(tài)仿真如圖7所示,輸入頻率10 MHz,線性放大器放大倍數(shù)為2,輸出單音信號(hào)范圍在1 V~3 V,從圖上看到輸出能較好地跟隨輸入線性變化。

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    圖8是整體系統(tǒng)框圖,除開(kāi)關(guān)變換器外,電流采樣控制、線性放大器與傳統(tǒng)包絡(luò)調(diào)制器相同。

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2 系統(tǒng)仿真與分析

    輸入10 MHz LTE包絡(luò)信號(hào),輸出包絡(luò)信號(hào)幅度約為1 V~3 V,負(fù)載電阻7 Ω。圖9是負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)變換器輸出電流、線性放大器輸出電流以及歸一化開(kāi)關(guān)電壓的仿真波形,從圖上看到,3-level開(kāi)關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)了其輸出電流擺率自適應(yīng),提高了對(duì)負(fù)載電流的跟蹤能力。

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    圖10是3-level與2-level結(jié)構(gòu)下線性放大器輸出電流的仿真結(jié)果對(duì)比,在相同的電感與基本相同平均開(kāi)關(guān)頻率下[11],3-level結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的2-level結(jié)構(gòu)相比能有效減少線性放大器的輸出電流,降低線性放大器動(dòng)態(tài)功耗,從而提升系統(tǒng)整體效率。

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    圖11是輸入輸出包絡(luò)仿真,從圖上看到,輸出范圍在1 V~3 V之間,輸出能夠準(zhǔn)確跟隨輸入線性變化。

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3 結(jié)論

    本文針對(duì)傳統(tǒng)包絡(luò)調(diào)制器在開(kāi)關(guān)變換器輸出電流跟蹤能力上的不足,提出了3-level包絡(luò)調(diào)制器架構(gòu)。仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)通過(guò)三電平擬合技術(shù),提高了開(kāi)關(guān)變換器對(duì)負(fù)載電流的跟蹤能力,有效減小線性放大器的輸出電流,降低線性放大器動(dòng)態(tài)功耗,從而提升系統(tǒng)整體效率。在7 Ω負(fù)載,輸出1 V~3 V,10 MHz LTE信號(hào)時(shí),功率放大器輸出功率27.5 dBm,效率約為85%,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,效率提升了約2%。

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作者信息:

區(qū)力翔,李思臻,余  凱,章國(guó)豪

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,廣東 廣州510006)

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