在这篇文章中我们讲解一种用于LTE-A功率放大器的新型宽带混合电源调制器。本文所讲解的宽带混合电源调制器用于先进的长期演进（LTE-A，long term evolution--advanced） 的功率放大器中。本文讲解的调制器使用简单的线性放大器结构来实现100MHz的跟踪速度。该提出的调制器提出了带宽控制，以在低带宽包络中提高电源调制器的效率。所提出的降压转换器（Buck）使用功率MOS宽度控制技术来减少轻负载中的功率损耗。本文还介绍了一种新的传感测量电路，以减少芯片面积，功耗和传播延迟。该调制器采用0.18μmCMOS工艺制造，芯片面积为1561μm×1178μm。输入电压为3.5V时，输出电压可在0.9V至2.3V之间调节。此外，在输出功率POUT等于4.5W的条件下，它实现了81％的峰值效率。实验结果表明，这项工作的跟踪速度比其他最先进的设计还要更快。

I.介绍

大多数手持设备都具有无线通信功能。当无线通信的功能运行时，电池寿命将快速耗尽，这对用户来说是不方便的。例如，用户需要经常为手持设备的电池充电。此外，紧接着无线通信中的调制变得复杂，增加的峰均功率比（PAPR）使得功率放大器效率低下。包络跟踪系统可以改善这个问题。通常，包络跟踪系统是线性放大器与开关转换器的组合，但由于先前的设计放大器过于复杂，因此速度很慢。

图1

图1.（a）一般的放大器系统和（b）包络跟踪系统的方框图。

为了解决线性功率放大器的低效率，业界提出了各种包络跟踪（ET，envelope tracking）系统。在一般系统中，功率放大器的供电电源电压是固定的。电源调制器采用ET系统中的包络信号来调节功率放大器的电源电压。包络信号是同相和正交信号的绝对值。在ET系统中，通过降低功率放大器的峰值输出功率来提高功率放大器的效率。

线性电源调节器用作电源调制器。线性稳压器（ linear regulator）的优点是宽带宽且无输出纹波，但当功率PMOS的压差较大时，其效率较低。为了提高线性稳压器的低效率，有人提出了采用开关降压转换器（switching buck converter ）用于包络跟踪系统中。虽然效率提高，但是由于纹波电压其不适合用于线性功率放大器中。

II。系统架构和电路实现

图2展示出了用于LTE-A功率放大器中的所提出的宽带混合供电调制器的框图。它由两个线性放大器，一个带有两组功率MOS的开关降压（Buck）转换器，一个片外RC滤波器，一个带宽控制，一个检测电路，一个宽度控制非重叠电路以及一个驱动器所组成的。所提出的带宽控制电路在输入包络的不同带宽中提高了电源调制器的效率。传统上，电源调制器中的线性放大器被设计用于放大输入包络中的最大速度部分。线性放大器的带宽与功率损耗成比例。此外，电源调制器的线性放大器不仅提供小的纹波电流，而且在模式II中提供主电流。这意味着大部分总损耗主要由线性放大器决定。在本文中，其中一个线性放大器设计为100MHz，另一个设计为模式I的80MHz。两个线性放大器不会同时工作。

图2

图2.用于LTE-A功率放大器的所提出的宽带混合电源调制器的框图。

图2示出了用于LTE-A功率放大器的所提出的宽带混合供电调制器的框图。它由两个线性放大器，一个带两组功率MOS的开关降压（Buck）转换器，一个片外RC滤波器，一个带宽控制，一个检测电路，一个宽度控制非重叠电路和一个驱动器组成。

图3

图3.（a）传统的混合电源调制器（b）所提出的混合电源调制器

图3（a）显示了单带宽混合电源调制器，它由带RF1和RF2的线性放大器，开关降压（Buck）转换器和片外RC滤波器组成。图3（b）显示了所提出的宽带混合电源调制器。为了增加带宽，混合电源调制器增加了另一个带有RF3和RF4标识的线性放大器，以及另一组功率MOS，Mp2和Mn2。两组线性放大器用于在输入包络带宽的高于和低于80MHz之间切换以增加带宽，并且两组功率MOS用于在轻负载和重负载之间切换以减少功率损耗。

图4

图4.建议的开关电容降压转换器的子区间

图4示出了降压（Buck）转换器，它是图3中带负载的顶部。在充电期间，如图4（a）所示，MP为ON，MN为OFF，电感器（L）由输入电压（VDD）充电。在放电期间，MP为OFF，MN为ON，电感电压的极性反转，将能量传递给RL，从而降低转换器的损耗。

A.Class AB放大器

图5（a）显示了传统的AB类放大器。电压摆幅VA和VB受到第五级晶体管的限制。如图5（b）所示，新的AB类放大器由p型差分对，n型差分对和输出级实现。与传统的AB类放大器相比，新型AB类放大器需要更少的晶体管和更低的偏置电压。

图5

图5. AB类放大器的电路图。 （a）折叠共源共栅。 （b）互补差分对。

B.带宽控制电路

所提出的带宽控制电路在输入包络的不同带宽中提高了电源调制器的效率。传统上，电源调制器的线性放大器设计用于输入包络信号的最大速度分量，如图6所示。线性放大器的带宽与功率损耗成比例。此外，电源调制器中的线性放大器不仅提供小的纹波电流，而且在模式II中提供主电流。这意味着大部分总损耗主要由线性放大器决定。在本文中，其中一个线性放大器设计为100MHz，而另一个线性放大器设计为80MHz。两个线性放大器不能同时工作。

图6

图6.带宽控制的偏置电路。

当受控电压Vctr1为高电平时，偏置电路为线性放大器提供正常电压。当受控电压Vctr1从高变为低时，晶体管Mb1，Mb2，Mb3和Mb4截止。偏置电压Vb1升高到VDD，偏置电压Vb2降低到地。偏置电压Vb1和Vb2分别为VDD和地。线性放大器暂时关闭。为了确保线性放大器被关闭，晶体管Mb9，Mb10对AB类放大器的输出电压进行放电。

C.传感电路

如图7（a）所示的传统的电流检测电路，使用缩放的Mp来监视Mp电流--Ipush，而Mn电流Ipull由缩放的Mn复制。电压Vsen馈入滞后比较器，用于与参考电压（Vsen）比较以获得降压（Buck）转换器的占空比。

图7（b）显示了所提出的检测电路，它使用晶体管等比例的差分对输出级来检测电感电流并获得检测电压Vsen，然后使用逆变器将检测电压转换为转换器占空比电压，Vduty。当Ipush大于Ipull时，Vsen会增加。如果Vsen大于逆变器的Vthn，则Vduty变低以驱动功率pMOS以对电感器充电。当Ipush小于Ipull时，Vsen会减少。如果Vsen小于逆变器的Vthp，则Vduty变高以驱动转换器的功率nMOS以使电感器放电。

图7

图7.（a）迟滞比较器检测电路（b）逆变器检测电路

III。实验结果

本节介绍了一种用于LTE-A功率放大器的宽带混合电源调制器，并且具有实验结果。本文所讲解的转换器采用TSMC 0.18-μm 1P6M CMOS 1.8 / 3.3V工艺制造。该芯片面积约为1516μm×1178μm（1.78mm^2），如图8所示。

图8

图8.芯片显微照片。

在这项工作中，电感L为100nH。电源电压VDD为3.5V，当包络信号为DC时，输出电压VO可以从0.5V调节到3V。当包络信号是正弦波时，输出电压VO可以从0.9V调节到2.3V。开关降压(Buck)转换器的开关频率为100MHz。当负载电容为150pF且负载电阻为5Ω时，图9（a）和（b）分别示出了测量的20MHz和100MHz的输入包络及其相应的输出信号。所提出的电路的性能总结及其与近期论文的比较如表I所示。

图9

图9.测量的输入包络及其相应的输出信号，其中Venvelop为（a）20 MHz，（b）100 MHz

IV.结论

本文提出了一种用于LTE-A功率放大器的新型宽带混合电源调制器。本文提出了一种带宽控制，以提高低带宽包络中电源调制器的效率，并提出了一种功率MOS宽度控制，以减少轻负载时的功率损耗。本文还提出了一种新的传感检测电路，以减少芯片面积，功耗和传播延迟。实验结果证明了本文所提出的方案的快速包络跟踪和高效率的性能。

表1