文獻(xiàn)標(biāo)識碼: 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.
0 引言
為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,,現(xiàn)代移動通信從傳統(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時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,開關(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(3-level)包絡(luò)調(diào)制器,,其開關(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
1.1 線性放大器動態(tài)功耗分析
包絡(luò)調(diào)制器通常選用線性放大器,、開關(guān)變換器并聯(lián)的混合型結(jié)構(gòu),如圖1所示,,開關(guān)變換器提供絕大部分負(fù)載電流,,線性放大器吸收開關(guān)級的紋波電流。由于包絡(luò)信號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。
為簡化分析,,圖1可以簡化為圖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開關(guān)變換器等效為受采樣電壓控制的電流源。
功率放大器等效為電阻Rload,,阻值大小為:
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自于功率管推挽大電流時產(chǎn)生的動態(tài)損耗,,M1和M2動態(tài)功耗表達(dá)式近似為:
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,,功率管的動態(tài)功耗與Ila的大小成正比,。
1.2 3-level開關(guān)變換器設(shè)計
由圖2可知Ila是負(fù)載電流Iload和開關(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,,Ila提供大擺率的輸出電流,損耗上升,;提升Isw對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開關(guān)變換器邏輯控制函數(shù),,表達(dá)式為:
根據(jù)上述式子設(shè)計開關(guān)級,,本文的3-level開關(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采用兩個閾值大小相同符號相反的單限比較器而2-level采用遲滯比較器。3-level開關(guān)變換器工作原理為:當(dāng)Vsen<-Vs時,,Vsw=0,;當(dāng)-Vs≤Vsen≤Vs時,Vsw=VDD/2,;當(dāng)Vsen>Vs時,,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開關(guān)變換器工作正常。
1.3 線性放大器設(shè)計
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)同時實(shí)現(xiàn)了寬帶和高增益,。
輸入信號采用最惡劣情況下的單音信號,,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,。
圖8是整體系統(tǒng)框圖,,除開關(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,。
2 系統(tǒng)仿真與分析
輸入10 MHz LTE包絡(luò)信號,輸出包絡(luò)信號幅度約為1 V~3 V,,負(fù)載電阻7 Ω,。圖9是負(fù)載電流、開關(guān)變換器輸出電流,、線性放大器輸出電流以及歸一化開關(guān)電壓的仿真波形,,從圖上看到,3-level開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)了其輸出電流擺率自適應(yīng),,提高了對負(fù)載電流的跟蹤能力,。
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)果對比,在相同的電感與基本相同平均開關(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,,降低線性放大器動態(tài)功耗,從而提升系統(tǒng)整體效率,。
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,。
3 結(jié)論
本文針對傳統(tǒng)包絡(luò)調(diào)制器在開關(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)通過三電平擬合技術(shù),,提高了開關(guān)變換器對負(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信號時,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,,章國豪
(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,,廣東 廣州510006)