提升手機上行鏈路效率的射頻功放架構--包絡跟蹤介紹

包絡跟蹤(E T)的原理並不意味著任何信號的成形(shaping)/變換,而是包括在最合適的條件下配置線性功率放大器,以便同時提高效率和線性度。 包絡跟蹤(E T)的基本原理如圖1所示。 A/AB類放大器的功率能力是動態的適應為瞬時電源電壓的函數。 儘管已知這種原理比EER具有更低的效率性能,但它強烈地緩解了EER所面臨的同步和操作帶寬受限等關鍵問題。 此外,這一原理並不需要預失真系統,並在非常廣泛的功率範圍內能持續運行,這是一個有利於它應用的強有力的優點。 包絡跟蹤可以通過自適應調製電源電壓(漏極/集電極E T)或動態偏置(bias)功率晶體管來進行,也可以兩者兼而有之。 由於電源級特性的動態變化,ET的缺點在於會出現功率增益調製的現象。 包絡跟蹤(E T)功放的體系結構我們將在後面的文章中進行詳細介紹。

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圖1、包絡跟蹤(ET)的發射機架構

使用帶通Delta-Sigma調製器的PA體系結構

可以使用Delta-Sigma調製器將射頻輸入信號轉換為數字數據(即方波信號),可以有效地使用開關類放大器,例如類S功率級(圖2)放大射頻信號。 Delta-Sigma調製能夠抑制感興趣頻帶的帶外量化噪聲。 由於輸出帶通濾波器抑制掉了帶外雜散信號,這樣原始信號就能簡單地被恢復出來。

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圖2、基於Delta-Sigma帶通調製器的發射機架構

這一原理不受LINC或EER等同步問題的限制。 不需要額外的外部無源器件。 效率最大化的功率範圍是由Delta-Sigma調製器的動態範圍決定的,並且比Doherty或EER的功率範圍寬得多。 同樣,這種拓撲結構也出現了一些問題。 首先,它收緊了輸出濾波器的帶外抑制的規格要求。 第二,設計一個帶通Delta-Sigma ADC工作在幾千兆赫茲(GHz),以滿足具有寬信道帶寬(WLAN為20MHz)、高動態範圍(WCDMA為74dB)是一項複雜的任務,需要非常高的時鐘頻率。 這是以犧牲高電流消耗為代價的,這與設計一個高效的發射機系統的初衷是相矛盾的。 到目前為止,大多數這種發射機架構的工作都涉及800MHz到1GHz之間的低波段範圍。 為了擴展高載波頻率應用的性能,有人提出了一種低功率數字帶通Delta-Sigma調製器的解決方案。 然而,這一種拓撲調製器是在納米CMOS工藝上開發的,這些工藝幾乎不符合高壓PA的應用。 因此,功率能力、高載波頻率、寬信道帶寬等難以用該體系結構來同時滿足。

結論

從先前的回顧來看,基於包絡調製器(例如EER)的PA體系結構非常消耗芯片的面積,並且可能不太符合複雜的多標準或寬帶MIMO移動手機中應用。 BoM清單或者器件面積是手機制造商的一個關鍵因素,必須將其限制在嚴格的最低限度,因為印刷電路板的上層基本上被用戶界面顯示屏/鍵盤所佔據。 這也是為什麼現在手機中很少使用隔離器的原因。 由於帶寬的限制和由此產生的電流消耗,Delta-Sigma調製器驅動的S類(開關類) PA拓撲也很少被考慮。 “理想”的PA架構可能包括結合幾種技術,如漏極/集電極,柵極/基極和/或負載線( load-line)調製,同時開關功放,以擴大功率可重構性範圍。 後面我們將以發展的觀點講述硅芯片的完全集成解決方案 以及低PA die的面積的設計思路,“低消耗”架構,既不需要外部組件,也不需要預失真系統。包絡跟蹤將會被重點介紹。 各種包絡檢測和(離散或連續)驅動原理的發展將詳細介紹PA動態重構和效率增強的解決方案。 後面描述的PA體系結構試圖提出0.25µm BICMOS技術的優點和集成高功率器件與低功率模擬信號的工藝。 從技術的角度來看,功率放大器的設計是由各種因素之間的嚴格權衡來決定的藝術,我們將繼續討論。


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