CN104779922A - 用于优化射频功率放大器性能的高电压包络*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，包括升压模块、降压模块、线性电源驱动模块；所述升压模块，根据单端包络信号V_AMP将电源电压V_BAT转变为一个比最大包络信号略大的直流电压，所述直流电压给降压模块和线性电源驱动模块供电；所述降压模块和线性电源驱动模块一起配合给射频功率放大器供电从而实现一个不失真的电源包络；所述线性电源驱动模块接收一对差分的包络信号输入V_envp和V_envn。可以控制射频功率放大器的电源包络以优化功率放大器在较宽的输出功率范围下的效率并提高其工作带宽，可以提高整个射频功率放大***的效率。

Description

用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种控制射频功率放大器的电源包络以优化功率放大器在较宽的输出功率范围下的效率并提高其工作带宽的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***。

背景技术

射频功率放大器是各种无线通信应用中不可或缺的关键部件，用于将收发信机输出的已调制射频信号进行功率放大，以满足无线通信所需的射频信号的功率要求。由于现代便携式无线通讯设备通常采用电池供电，因此对设备中所用部件的功耗要求非常严格。射频功率放大器是无线收发机中的一个主要的功率消耗部件，因此必须尽量降低它的功率消耗，提高射频功率放大器的效率。目前提高射频功率放大器效率的方法有以下几种：

1.   优化射频功率放大器的线性效率

通过将射频功率放大器设计工作于Class-E或Class-F等开关类射频功率放大器状态，可以提升射频功率放大器的效率，譬如，当功率放大器工作于Class-E状态时其效率最高可达到75%以上。然而，这类高效率的开关功率放大器会牺牲功率放大器的线性度，因此仅适用于要求饱和功率输出的调制方式，譬如2G GSM调制方式，而不适用于3G、4G和WiFi等需要线性功率输出的调制方式。

2.   Doherty射频功率放大器

Doherty射频功率放大器中包含两路功率放大支路，一路作为主功率放大器，工作于效率较低但线性度较好的Class-AB状态；另外一路作为辅助功率放大器，工作于效率较高但线性度较差的Class-B/C状态。两路功率放大器在各自的输出端通过阻抗变化及功率合成器完成功率合成。Doherty功率放大器通过这种有源负载调制技术，使其在较宽的输出功率范围内都保持较高的效率，且不会严重牺牲功率放大器的线性度等指标。但是Doherty功率放大器中的有源负载调制技术，通常要求较大尺寸的微带传输线，因此Doherty功率放大器仅在无线基站等领域有较广泛的应用，而在便携式无线终端中无法直接应用。

3.   Outphasing射频功率放大器

异相调制（Outphasing）射频功率放大器将一个要求线性功率放大的可变包络调制信号分解为两个恒定包络信号，并采用两个高效率的Class-E/F功率放大器分别对这两个恒定包络信号进行功率放大，之后再通过功率合成器将两路放大后的信号合成为一路信号；此路合成后的信号仍然是可变包络信号，不丢失其中调制的有效信息。异相调制射频功率放大器充分利用了开关放大器的高效率特性，而且不会牺牲线性度指标；它的缺点是，在信号分解部分需要额外的计算和功耗开销，而且异相调制信号的功率合成器较难设计。这些问题也导致了异相调制射频功率放大器在便携式移动终端上未有广泛应用。

4.   基于包络跟踪的射频功率放大器

包络跟踪技术的核心思想是通过向射频功率放大器提供随着瞬时射频信号包络电压变化的瞬时电源电压，使射频功率放大器在任意瞬时射频包络下都保持较高的工作效率，且不会牺牲射频功率放大器的线性度指标。

包络跟踪技术可以在较宽的功率范围内使功率放大器保持高效率工作，在无线通信基站及便携式移动终端上都已经获得了较为广泛的应用。作为包络跟踪***中最为核心的部分，包络***的带宽及速度需要满足越来越复杂的调制信号应用的要求。

本领域专业技术人员所周知，当功率放大器工作于较高的供电电压时，有利于提高射频功率放大器的工作带宽，这对于当前应用越来越广泛的4G/LTE通信制式具有重要的积极意义。因此，实现具有高输出电压及高带宽的包络***，非常重要。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，可以控制射频功率放大器的电源包络以优化功率放大器在较宽的输出功率范围下的效率并提高其工作带宽，可以提高整个射频功率放大***的效率。

本发明的技术方案是：

一种用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，包括升压模块、降压模块、线性电源驱动模块；

所述升压模块，根据单端包络信号VAMP将电源电压VBAT转变为一个比最大包络信号略大的直流电压，所述直流电压给降压模块和线性电源驱动模块供电；

所述降压模块和线性电源驱动模块一起配合给射频功率放大器供电从而实现一个不失真的电源包络；所述线性电源驱动模块接收一对差分的包络信号输入Venvp和Venvn。

进一步的，所述升压模块包括升降压控制模块和升降压开关功率晶体管，所述升降压控制模块由硅基CMOS工艺实现，所述升降压开关功率晶体管由GaAs pHEMT工艺实现。

进一步的，所述降压模块包括降压控制模块和降压开关功率晶体管，所述降压控制模块由硅基CMOS工艺实现，所述降压开关功率晶体管由GaAs pHEMT工艺实现。

进一步的，所述线性电源驱动模块包括在硅基CMOS芯片上的双转单放大器和前级驱动器和GaAs pHEMT晶体管。

进一步的，还包括MIPI数字接口模块，用于接收来自外部的控制信号来配置包络***的工作模式。

进一步的，所述升降压开关功率晶体管包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的源极接地，漏极通过第一电感连接电源电压VBAT，所述第二晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接，所述第二晶体管的漏极通过第一电容接地，所述第一晶体管的栅极连接第一驱动器，所述第二晶体管的栅极连接第二驱动器，所述第二驱动器通过自举电路升高电源电压。

进一步的，所述降压开关功率晶体管包括第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管的源极接地，栅极连接第三驱动器，所述第三晶体管的漏极与第四晶体管的源极连接，并通过第二电感和第二电容接地，所述第四晶体管的漏极连接升压模块的输出端，所述第四晶体管的栅极连接第四驱动器，所述第四驱动器通过自举电路升高电源电压。

进一步的，所述GaAs pHEMT晶体管包括第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管的源极接地，栅极连接前级驱动器，所述第五晶体管的漏极连接第六晶体管的源极，漏极连接升压模块的输出端，所述第五晶体管的栅极连接第七晶体管的栅极，所述第七晶体管的源极接地，漏极连接第六晶体管的栅极，所述第七晶体管的漏极还通过电阻连接第六晶体管的漏极，所述第五晶体管的漏极还连接降压模块的输出端。

本发明的优点是：

1．用硅基CMOS工艺来完成控制器功能和包络信号的预放大和处理，充分发挥CMOS工艺的大规模集成能力；同时使用具有高性能的GaAs pHEMT晶体管，利用其高耐压能力、低导通电阻和大增益带宽特性作为DC-DC转换器和线性放大器的开关功率管来高效地产生一个高于输入电源电压且快速变化的电源包络，作为射频功率放大器的供电电源。

2.   较高的供电电压要求较高的输出负载阻抗，从而可以获得较宽的工作带宽，可以提高整个射频功率放大***的效率，还能优化射频功率放大器的线性度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明包络***与两个功率放大器连接的原理框图；

图2为本发明包络***GaAs pHEMT部分的具体电路图；

图3为本发明包络***的输入和输出信号，以及射频功率放大器的输出信号的时间-电压曲线图；

图4为本发明整个射频功率放大***的效率曲线图；

图5为本发明射频功率放大器工作带宽曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：

图1示出了一个本发明所提出的包络***。包络***101接收一对差分的包络信号输入V _envp 和V _envn ，同时接收一个从差分包络输入提取的单端包络信号V _AMP ；经过包络***的处理得到一个或几个输出信号作为射频功率放大器的电源电压。在图1中示了两个功率放大器102和103作为代表，分别是用于3G/4G制式的功率放大器和用于2G GSM制式的功率放大器。在实际应用中射频功率放大器的数目不会只局限于两个，往往会更多。包络***101主要包括以下几个主要功能模块：

1.   升压模块104，其主要功能是根据单端包络信号V _AMP 将电池电压V _BAT 通过一个高效的DC-DC转换器转变为一个比最大包络信号略大的直流电压。产生的直流电压与最大包络信号的差值由射频功率放大器的性能决定，可以通过外界设置。升压模块104主要有两部分构成：升降压控制模块FSM 1和升降压开关功率晶体管。在本发明中，升降压控制模块由硅基CMOS工艺实现，而升降压开关功率晶体管由GaAs pHEMT工艺实现。由于GaAs pHEMT器件的高压、快速及低导通电阻等特性，这里升降压开关功率晶体管可以达到更好的工作带宽和工作效率。

2.   降压模块105，其主要功能是为外接的射频功率放大器提供电流支持，由于降压模块105是由一个基于BUCK的DC-DC实现的，为了优化效率及其电流跟踪的有限带宽，需要一个线性电源驱动模块106与其配合一起给射频功率放大器供电从而实现一个不失真的电源包络。降压模块105由两个主要部分构成：降压控制模块FSM 2和降压开关功率晶体管。本方案中的降压控制模块由硅基CMOS工艺实现，而降压开关功率晶体管由GaAs pHEMT工艺实现。由于GaAs pHEMT器件的高压、快速及低导通电阻等特性，这里降压开关功率晶体管可以达到更好的工作带宽和工作效率。降压模块105中的控制器在包络跟踪模式时支持快速电平包络跟踪；同时也支持在射频功率放大器平均功率模式下提供一个高效的直流电压，此模式为平均功率跟踪模式。在平均功率跟踪模式下，降压模块105工作在一个较慢的工作频率下为射频功率放大器提供电源电压。在本方案中，降压模块105的电源是由升压模块104产生的，其主要目的是为了使包络***为射频功率放大器提供一个高于输入电源电压的工作电压。

3.   线性电源驱动模块106，其主要功能是为射频功率放大器提供输出电压中的高频分量。在包络跟踪模式下，射频功率放大器的电源电压有较快的跳变，例如为了支持LTE 100RB的信号，其包络变化频率会达到数十MHz。而降压模块105最多只能支持1MHz左右的电源电压变化，其余部分均需要由线性电源驱动模块106完成，这要求线性电源驱动模块106支持近百MHz的带宽来满足电源的高速变化。本方案采用GaAs pHEMT工艺的功率晶体管来完成电源电压的线性驱动器，用硅基CMOS工艺完成前期的包络转换和放大来支持基于闭环的线性驱动。在本方案中，线性电源驱动模块106的电源是由升压模块104产生的，其主要目的是为了使包络***为射频功率放大器提供一个高于输入电源电压的工作电压。

4.   功率放大器的偏置电路和片上LDO 108，其主要功能是提供射频功率放大器的偏置电流和用于包络***的偏置电流和电压。偏置电路和片上LDO 108可以为射频功率放大器提供温度变化补偿及工艺角补偿，提升射频功率放大器的性能稳定性。

5.   MIPI数字接口模块109，其主要功能是接收来自外部的控制信号来配置包络***的工作模式。

6.   用于不同模式之间转换时的切换开关107，这些开关的主要功能是完成不同模式下所需电容的加入和置出。

本方案提出用硅基CMOS工艺来完成控制器功能和包络信号的预放大和处理，充分发挥CMOS工艺的大规模集成能力；同时使用具有高性能的GaAs pHEMT晶体管，利用其高耐压能力、低导通电阻和大增益带宽特性作为DC-DC转换器和线性放大器的开关功率管来高效地产生一个高于输入电源电压且快速变化的电源包络，作为射频功率放大器的供电电源。

图2给出了本方案的GaAs pHEMT部分的具体电路实现图。GaAs pHEMT晶体管 301和302是升压DC-DC的开关功率晶体管，其作用是提供高效的开关动作来完成将一个较低的输入电源电压V _BAT 转换成一个较高的输出电压V _BOOST 。基于GaAs pHEMT工艺的驱动器303和304用于驱动开关功率晶体管301和302。电感308是升压DC-DC中的储能元件，由于要求这一电感具有高的Q值并且其电感值较大，本方案采用片外贴片电感的实现方式。电容307用于存储产生的高压的电荷并且实现滤波功能。由于GaAs pHEMT只有N型器件，如果只用电源电压的话晶体管302会在信号通路上产生较大的压降，从而降低升压转换器的效率。为了减少这一效率的降低，本方案采用了基于GaAs pHEMT的自举电路来升高驱动器303的电源电压，由二极管305和电容306构成。当301导通而302截止时，电容306充电至电源电压VBAT减掉一个二极管阈值电压，当301截止而302导通时，电感308的电流会使功率管301的漏极、302的源极电压升高，经过电容306推高驱动器303的电源电压；此时二极管305反偏，阻断驱动器303的电源电压和电池电压VBAT之间的通路。为了配合完成升压功能，本方案在硅基CMOS芯片上实现了控制器323和相应的驱动器321和322来驱动在GaAs pHEMT芯片上的驱动器。

和升压模块相同，GaAs pHEMT晶体管309和310是降压DC-DC的开关功率晶体管，其作用是提供高效的开关动作来完成将升压模块产生的高电压V _BOOST 转换成一个较低的输出电压。驱动器311和312用于驱动开关功率晶体管310和309。电感316是降压DC-DC中的储能元件，由于要求这一电感具有高的Q值并且其电感值较大，本方案采用片外贴片电感的实现方式。电容315用于存储产生的低压的电荷并且实现滤波功能。

由于GaAs pHEMT只有N型器件，如果只用电源电压的话晶体管310会在信号通路上产生较大的压降，从而减低降压转换器的效率。为了减少这一效率的降低，本方案采用了基于GaAs pHEMT的自举电路来升高驱动器311的电源电压，由二极管313和电容314构成。当309导通而310截止时，电容314充电至电源电压VBAT减掉一个二极管阈值电压，当309截止而310导通时，电感316的电流会使功率管309的漏极、310的源极电压升高，经过电容314推高驱动器311的电源电压；此时二极管313反偏，阻断驱动器311的电源电压和电池电压VBAT之间的通路。为了配合完成降压功能，本方案在硅基CMOS芯片上实现了控制器326和相应的驱动器324和325来驱动在GaAs pHEMT芯片上的驱动器。

为了支持快速的包络跟踪，本方案采用了一个混合集成的线性电源驱动模块，功率驱动级由GaAs pHEMT晶体管317和318组成，前级的放大器由GaAs pHEMT晶体管319和片上电阻320构成。在硅基CMOS芯片上有双转单放大器328和前级驱动器327完成对输入包络信号的处理和放大。

图3示出了包络***的输入和输出信号，以及射频功率放大器的输出信号。曲线401和402是包络***的差分输入，曲线403是包络***的输出作为射频功率放大器的电源电压。包络***的输出包络403为输入包络信号401、402放大之后的信号；曲线404是射频功率放大器的输出信号，其包络405和包络***的输出包络403相似。

本方案的目的是为了提高整个射频功率放大***的效率，如图4所示。曲线502代表了射频功率放大器在恒定电源电压情况下的效率；曲线501代表了采用包络***向射频功率放大器供电之后整个射频功率放大***的综合效率，其峰值效率低于恒定电源电压下的射频功率放大器的峰值效率，然而在其它低输出功率时极大的提高了功率放大器效率。同时，在给定信号包络情况下，包络***还能优化射频功率放大器的线性度。从另一个角度看，***可以把静态预失真和功率放大器的包络调制结合在一起。

在输出功率相同的情况下，较高的供电电压要求较高的输出负载阻抗，从而可以获得较宽的工作带宽，如图5所示。曲线602代表了射频功率放大器在较低的电源电压下的工作带宽；曲线601代表了射频功率放大器在较高的电源电压下的工作带宽。本发明所提出的包络***具有升压功能，可以为射频功率放大器提供高于电池电压的供电电压，从而有助于提高射频功率放大器的工作带宽。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1. 一种用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，包括升压模块、降压模块、线性电源驱动模块；

所述升压模块，根据单端包络信号V_AMP将电源电压V_BAT转变为一个比最大包络信号略大的直流电压，所述直流电压给降压模块和线性电源驱动模块供电；

所述降压模块和线性电源驱动模块一起配合给射频功率放大器供电从而实现一个不失真的电源包络；所述线性电源驱动模块接收一对差分的包络信号输入V_envp和V_envn。

2.根据权利要求1所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，所述升压模块包括升降压控制模块和升降压开关功率晶体管，所述升降压控制模块由硅基CMOS工艺实现，所述升降压开关功率晶体管由GaAs pHEMT工艺实现。

3.根据权利要求1所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，所述降压模块包括降压控制模块和降压开关功率晶体管，所述降压控制模块由硅基CMOS工艺实现，所述降压开关功率晶体管由GaAs pHEMT工艺实现。

4.根据权利要求1所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，所述线性电源驱动模块包括在硅基CMOS芯片上的双转单放大器和前级驱动器和GaAs pHEMT晶体管。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，还包括MIPI数字接口模块，用于接收来自外部的控制信号来配置包络***的工作模式。

6.根据权利要求2所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，所述升降压开关功率晶体管包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的源极接地，漏极通过第一电感连接电源电压V_BAT，所述第二晶体管的源极与第一晶体管的漏极连接，所述第二晶体管的漏极通过第一电容接地，所述第一晶体管的栅极连接第一驱动器，所述第二晶体管的栅极连接第二驱动器，所述第二驱动器通过自举电路升高电源电压。

7.根据权利要求3所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，所述降压开关功率晶体管包括第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管的源极接地，栅极连接第三驱动器，所述第三晶体管的漏极与第四晶体管的源极连接，并通过第二电感和第二电容接地，所述第四晶体管的漏极连接升压模块的输出端，所述第四晶体管的栅极连接第四驱动器，所述第四驱动器通过自举电路升高电源电压。

8.根据权利要求4所述的用于优化射频功率放大器性能的高电压包络***，其特征在于，所述GaAs pHEMT晶体管包括第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管的源极接地，栅极连接前级驱动器，所述第五晶体管的漏极连接第六晶体管的源极，漏极连接升压模块的输出端，所述第五晶体管的栅极连接第七晶体管的栅极，所述第七晶体管的源极接地，漏极连接第六晶体管的栅极，所述第七晶体管的漏极还通过电阻连接第六晶体管的漏极，所述第五晶体管的漏极还连接降压模块的输出端。