0 引言

    為了實現高速數據傳輸，現代移動通信從傳統的恒包絡調制逐漸發展為復雜的變包絡調制，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有Doherty技術^[3]、包絡消除與恢復技術^[4-5]、包絡跟蹤技術^[6-8]等。其中包絡跟蹤技術能有效提升功率放大器在功率回退時的效率，但是傳統的包絡調制器結構存在不足之處。當輸入包絡幅度增加時，開關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)包絡調制器，其開關變換器輸出電流擺率能自適應地跟隨輸入包絡變化，從而減小損耗，提高系統效率。

1 3-level包絡調制器設計

1.1 線性放大器動態功耗分析

    包絡調制器通常選用線性放大器、開關變換器并聯的混合型結構，如圖1所示，開關變換器提供絕大部分負載電流，線性放大器吸收開關級的紋波電流。由于包絡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，因此混合結構能夠實現寬帶高效。

    為簡化分析，圖1可以簡化為圖2的形式，其中功率管M1、M2，反饋網絡β_la和跨導放大器(OTA)組成線性放大器，2-level開關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R_load，阻值大小為：

其中η_PA是功率放大器效率，P_out是功率放大器輸出功率，A_rms是輸出包絡有效值。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生的動態損耗，M1和M2動態功耗表達式近似為：

其中V_{DD_LA}、V_la和I_la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，在輸入包絡和線性放大器電源電壓一定時，功率管的動態功耗與I_la的大小成正比。

1.2 3-level開關變換器設計

    由圖2可知I_la是負載電流I_load和開關電流I_sw的差值(I_la=I_load-I_sw)，隨著輸入包絡幅度的增加，當I_load的擺率大于I_sw的擺率時，I_la提供大擺率的輸出電流，損耗上升；提升I_sw對I_load的跟隨能力能有效減少I_la的大小，降低損耗。首先定義3-level開關變換器邏輯控制函數，表達式為：

    根據上述式子設計開關級，本文的3-level開關變換器如圖3所示，串聯功率管M2P和M2N傳輸中間電平V_DD/2，M1傳輸V_DD，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開關變換器工作原理為：當V_sen<-V_s時，V_sw=0；當-V_s≤V_sen≤V_s時，V_sw=V_DD/2；當V_sen>V_s時，V_sw=VDD。邏輯仿真結果如圖4所示，V_DD=3.3 V，輸入±20 mV三角波，從仿真圖上看到，3-level開關變換器工作正常。

1.3 線性放大器設計

    線性放大器需要實現寬帶高增益，通常采用折疊式共源共柵結構，如圖5所示^[10]，M4、M6和M8、M10組成的折疊式共源共柵實現高增益，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。環路增益和相位裕度如圖6所示，環路增益約為71 dB，單位增益帶寬約為118 MHz，相位裕度約為61°。因此該結構同時實現了寬帶和高增益。

    輸入信號采用最惡劣情況下的單音信號，線性放大器瞬態仿真如圖7所示，輸入頻率10 MHz，線性放大器放大倍數為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是整體系統框圖，除開關變換器外，電流采樣控制、線性放大器與傳統包絡調制器相同。

2 系統仿真與分析

    輸入10 MHz LTE包絡信號，輸出包絡信號幅度約為1 V~3 V，負載電阻7 Ω。圖9是負載電流、開關變換器輸出電流、線性放大器輸出電流以及歸一化開關電壓的仿真波形，從圖上看到，3-level開關變換器實現了其輸出電流擺率自適應，提高了對負載電流的跟蹤能力。

    圖10是3-level與2-level結構下線性放大器輸出電流的仿真結果對比，在相同的電感與基本相同平均開關頻率下^[11]，3-level結構與傳統的2-level結構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功耗，從而提升系統整體效率。

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

3 結論

    本文針對傳統包絡調制器在開關變換器輸出電流跟蹤能力上的不足，提出了3-level包絡調制器架構。仿真結果表明，該結構通過三電平擬合技術，提高了開關變換器對負載電流的跟蹤能力，有效減小線性放大器的輸出電流，降低線性放大器動態功耗，從而提升系統整體效率。在7 Ω負載，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%，與傳統結構相比，效率提升了約2%。

參考文獻

[1] WANG Z.Envelope tracking power amplifier for wireless communications[M].Boston：Artech House，2014.

[2] WANG Z.Demystifying envelope tracking: use for high-efficiency power amplifiers for 4G and beyond[J].IEEE Microwave Magazine，2015，16(3)：106-129.

[3] KIM B，KIM J，KIM I，et al.Microwave doherty power amplifier for high efficiency and linearity[C].International Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimeter Wave Circuits，2006：22-25.

[4] KIM I，WOO Y Y，KIM J，et al.High-efficiency hybrid EER transmitter using optimized power amplifier[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，56(11)：2582-2593.

[5] CHEN J，U-YEN K，KENNY J S.An envelope elimination and restoration power amplifier using a CMOS dynamic power supply circuit[C].Microwave Symposium Digest 2004 IEEE MTT-S International，2004.

[6] ASBECK P，POPOVIC Z.ET comes of age：envelope tracking for higher-efficiency power amplifiers[J].IEEE Microwave Magazine，2016，17(3)：16-25.

[7] LIU X，ZHANG H，ZHAO M，et al.A 2.4 V 23.9 dBm 35.7%-PAE-32.1 dBc-ACLR LTE-20 MHz envelope shaping and tracking system with a multiloop controlled AC coupling supply modulator and a mode switching PA[C].Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers(ISSCC)，2017.

[8] YANG S H，LIN Y T，MA Y S，et al.A single-inductor dual-output converter with linear amplifier-driven cross regulation for prioritized energy-distribution control of envelope-tracking supply modulator[C].Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers(ISSCC)，2017.

[9] YOO S M，JANN B，DEGANI O，et al.A class-G dual-supply switched-capacitor power amplifier in 65 nm CMOS[C].2012 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，2012：233-236.

[10] WANG F，KIMBALL D F，LIE D Y，et al.A monolithic high-efficiency 2.4-GHz 20-dBm SiGe BiCMOS envelope-tracking OFDM power amplifier[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2007，42(6)：1271-1281.

[11] KIM J H，JO G D，OH J H，et al.3.54GHz 10W envelope tracking amplifier with 43% efficiency utilizing the 1.5 bit-high efficiency envelope amplifier[C].2011 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications，2011：21-24.

作者信息:

區力翔，李思臻，余  凱，章國豪

(廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州510006)