一种具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路的制作方法

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路。

背景技术：

移动通信技术的快速发展，极大地方便了广大群众的工作生活，然而随着移动通信技术的发展，急剧增长的数据传输量及有限的通信频段之间的矛盾日益凸显，为了解决这一问题，各种复杂的调制技术被提出，复杂的调制技术能够快速的传输更多的数据，但是会导致传输信号具有更大的峰均功率比（papr），更大的papr对于射频功率放大器rfpa及其电源调制器的设计提出了严峻的挑战。当rfpa传输高papr信号时，采用传统供电方法将导致绝大多数的能量都通过热能的形式耗散，这一方面导致效率降低，另一方面也会给芯片带来散热问题。包络跟踪电源调制技术因为能根据信号的包络轨迹变化动态调节rfpa的电源电压，进而提高rfpa的功率附加效率pae，成为了rfpa传输高papr信号时主流的电源调制技术。

对于rfpa电源调制器的设计，应当从rfpa输入信号的频谱特性着手考虑。由于通信信号的能量频谱特性，绝大多数的能量集中在很低的频率，因此包络跟踪电源调制器根据频率将能量分成多个部分（例如低频和高频），每个部分的能量由不同的电路提供，故其架构称为混合型电源调制器，其中低频部分的能量通常由高转换效率的降压型开关电压转换器提供，高频部分的能量由高压摆率的线性放大器提供。

对于混合型包络跟踪电源调制器设计，在线性放大器的输出和负载之间通过抬升一个直流电平voff_ac，使得输出包络具有更大的峰值电压，从另一方面可以理解为在特定峰值电压情况下，可以降低线性放大器的电源电压，从而使得包络跟踪电源调制器的效率得以提高。此外，通过引入直流电平，可以输出更大的功率，从而能够满足高功率用户设备（hpue）对于电源的输出功率需求。这一直流电平的抬升是通过一个uf级别的片外电容实现稳定的。

高带宽的包络跟踪电源调制器会引入高的开关频率fsw，高的开关频率将导致很大的开关损耗；此外，在高带宽电源调制器的设计中，电路（迟滞比较器、功率管驱动电路等）的延时不可忽视，这一延时将导致开关放大器功率级提供能量与包络所需能量不匹配，开关放大器难以更进一步帮助线性放大器减轻驱动压力，因此高带宽包络所导致的高开关频率应当消除。

本发明针对一种适用于提升混合型高带宽包络跟踪电源调制器效率的具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路，能够实现可重构的ac耦合电压，通过rc滤波延时电路，降低功率管开关频率，从而提升调制器的整体效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可用于混合型包络跟踪电源调制器、提升调制器效率的具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路。

本发明提供的具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路，具有两条负反馈控制环路，用于实现可重构的ac耦合电压及提升包络跟踪电源调制器的效率。该交流耦合控制电路由duty_ac脉冲发生器、自适应脉宽扩展电路（awpw）构成；其中：

所述duty_ac脉冲发生器为第一条负反馈环路的核心电路，用于产生一脉冲控制信号，以控制功率级开关状态，当ac耦合电压voff_ac小于设计值vac0时,使得功率管导通，从而增大ac耦合电压；duty_ac脉冲发生器电路由两个ac耦合电压检测器、源随器、比较器及二选一选择器mux构成；其中，第一ac耦合电压检测器（记为voff_ac_det1）由二阶低通rc滤波器及运放构成，用于检测ac耦合电压值。第一ac耦合电压检测器具有两个输入端及一个输出端，两个输入端分别与一个ac耦合电容cac上下极板连接；鉴于包络带宽为100m，duty_ac脉冲发生器所产生检测信号duty_ac远远低于此带宽，因此需要对duty_ac输入信号进行滤波处理，以降低脉冲发生器的功耗。由于输出包络峰值超过5v，为了保证ac耦合电压检测器中的运放输入端没有耐压问题，运放输入端采用电阻分压，同时接上对地电容构成二阶rc低通滤波器。运放输入端电压的分压比例为1/3，输出端电压为ac耦合电压的1/5采样。ac耦合采样电压v1及ac耦合参考电压vac_ref分别通过源随器与第一比较器comp1输入端连接，获得脉冲信号duty_ac1。第二ac耦合电压检测器（记为voff_ac_det2）电路设计与voff_ac_det1完全一致，其作用在于实现voff_ac=0的功能。在设计值vac0=0的条件下，voff_ac_det2及第二比较器comp0使能，其他情况均不使能；第二比较器comp0与两个ac耦合电压检测电路的输出连接，获得脉冲信号duty_ac0。用于控制功率级充放电状态的脉冲信号duty_ac由二选一选择器mux选择获得，在vac0=0的条件下，sel=0，其他情况下sel=1。

所述自适应脉宽拓展电路（awpw），由脉宽拓展控制电压(vwpw)发生器及双脉冲控制电路构成，该电路为第二条负反馈环路的核心电路，当voff_ac大于设计值vac0时，通过该电路对duty_hys(该信号为迟滞控制级所产生信号，表征了线性放大器输出电流的方向)进行延时滤波处理，降低功率管的开关频率及导通时间，从而达到提升调制器效率及稳定ac耦合电压的效果。脉宽拓展控制电压(vwpw)发生器由电流源、电流沉、开关管sw1和sw2、电容ct构成；mos管m11-m13栅极连接在一块构成一对电流镜，mos管m12与m14-15串联形成电源地通路，mos管m14-m15与mos管m16-m17栅极相互连接构成电流镜，开关管sw1、sw2与mos管m13、mos管m16-m17构成的电流镜串联，电容ct接在开关管sw1与sw2之间，开关管sw1、sw2分别用于电容ct的充放电。当duty_ac=1时，开关管sw1关闭，开关管sw2导通，电容ct放电，vwpw降低，当duty_ac=0时，sw1导通，sw2关闭，ct充电，vwpw升高，该电压用于控制双脉冲发生器中rc延时滤波电路。双脉冲控制电路由rc延时滤波电路及逻辑门构成，vwpw用于控制rc延时滤波电路，rc延时滤波电路用于对整个系统中迟滞部分产生的脉冲信号duyt_hys的下降沿进行延时滤波处理，输出信号的上升沿与原信号基本保持一致。栅极由vwpw进行控制，mos管m20可等效成一电阻，通过负反馈的方式调节vwpw从而调节该mos管的等效电阻，从而调节rc滤波延时电路的延时大小及滤波频率，从而稳定ac耦合电压voff_ac。

本发明提供的具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路，可应用于混合型包络跟踪电源调制器，提升混合型高带宽包络跟踪电源调制器效率，本发明通过具有自动脉宽拓展功能的交流耦合电路，能够稳定实现0-2.25v的ac耦合电压。此外，自动脉宽拓展功能降低了功率级的开关损耗，从而提升了整体效率。

附图说明

图1是100m包络跟踪电源调制器的电路结构。

图2是duty_ac脉冲发生器的电路。

图3是脉宽拓展控制电压发生器电路。

图4是rc延时滤波电路。

图5是双脉冲控制电路。

图6是后仿瞬态波形。

图7是效率曲线图。

具体实施方式

以下根据附图及设计实例对本发明进行详细说明。

本发明设计的是一种适用于提升混合型高带宽包络跟踪电源调制器效率的具有自动脉宽拓展功能的交流耦合控制电路。图1为100m包络跟踪电源调制器的整体架构图，本发明公开了其中的duty_acgenerator及自适应脉宽拓展电路（awpw）电路，duty_acgenerator产生的脉冲信号duty_ac作为awpw输入信号之一，与迟滞控制（hysteresiscontrol）产生的脉冲信号duty_hys同时通过awpw电路中的双脉冲控制电路，最后获得驱动信号。

如图1所示，混合型包络跟踪电源调制器当中功率管的开关状态由检测线性放大器（la）功率管电流流向的迟滞控制模块（hysteresiscontrol）及实现交流耦合功能的控制模块(duty_acgenerator、awpw)共同控制，交流耦合功能的控制模块构成双负反馈机制，分别调节vac_off高于、低于设计值vac0时功率管的导通状态。当vac_off＜vac0时，duty_ac信号直接控制功率管导通，从而使得vac_off上升；当vac_off＞vac0时，通过调节duty_hys的脉宽，从而减小功率管的导通时间，具体导通时间由自适应脉宽拓展控制电路控制，从而降低vac_off，最终使得vac_off在vac0，有效避免由基于传统的pfm控制模式单反馈的交流耦合实现方式可能导致的耦合电压向上漂移的问题。此外对于高带宽大输出功率的包络跟踪调制器，自动脉宽拓展电路能够降低功率管的开关频率，有效降低开关损耗，从而提升整体效率。

图2为duty_ac脉冲发生器，当ac耦合电压voff_ac小于设计值vac0，该电路可控制功率级导通，从而提升voff_ac至vac0以上。该电路由偏置电路、两个电压检测器、两个比较器、一个mux构成。其中，mos管m1-m2,mos管m5-m10构成偏置电路，mos管m3、m4构成源随器，由偏置电路提供电流，并且作为有源负载。ac耦合参考电压vac_ref及ac耦合检测电压v1分别与mos管m3、m4的栅极链接，对ac耦合参考电压vac_ref及ac耦合检测电压v1进行电压抬升。mos管m3同时可以充当buffer的作用，其漏端接一去耦电容c_decouple,从而起到稳定该点直流电压的作用。两个电压检测器voff_ac_det1/2具有相同的电路结构，其作用在于检测ac耦合电压voff_ac大小，具体电路图如图2右上角所示，由运放(ota)、电阻及电容构成。运放输入端的电容、电阻构成二阶rc低通滤波器，对输入检测信号vip、vin进行滤波处理，其中vip与vin分别与耦合电容cac(图1所示)的上极板或者下极板连接。两个比较器具有相同的通用型电路结构，用于比较检测电压与参考电压的大小，产生脉冲信号。两个比较器的输出与二选一选择器mux连接，mux由sel信号进行控制。

当ac耦合设计值vac0大于0时，voff_ac_det2、comp0不使能，sel=1，d1选通。此时voff_ac_det1正负两个输入端口分别接包络跟踪输出vo_et（耦合电容cac上极板）及级线性放大器输出vo_la（耦合电容cac上极板），voff_ac_det1其输出结果v1为两者差值的1/5采样。该采样结果通过m4进行电压抬升之后接入第一比较器comp1负端，ac耦合参考电压经过mos管m3进行相同幅度电压抬升后的电压接入第一比较器comp1的正向输入端，两者进行比较，获得duty_ac1，与mux的d1端进行连接，最终传送到duty_ac。当voff_ac小于设计值vac0时，该电路输出信号duty_ac=0，使得功率管导通，从而提升voff_ac，否则duty_ac=1，功率的开关状态由duty_hys进行控制。当ac耦合电压设计值为0v时，此时sel=0，duty_ac=d0=duty_ac0。若voff_ac<0，则v2>v1，duty_ac=0，此时功率级导通，voff_ac将上升到0v以上。

图3-图5构成了自适应脉宽拓展电路。图3为脉宽拓展控制电压发生器，该电路的作用在于通过负反馈环路获得控制电压vwpw，从而用于控制图4所示的rc延时滤波电路。在脉宽拓展控制电压(vwpw)发生器中，mos管m11-m13栅极连接在一块构成一对电流镜，mos管m12与mos管m14-m15串联形成电源地通路，mos管m14-m15与mos管m16-m17栅极相互连接构成电流镜，开关管sw1、sw2与mos管m13、mos管m16-m17构成的电流镜串联，电容ct接在sw1与sw2之间，开关管sw1、sw2分别用于控制电容ct的充放电。当voff_ac高于设计值vac0时，duty_ac=1，此时对电容进行充电，vwpw上升；当voff_ac低于设计值vac0时，duty_ac=0，此时对电容进行放电，vwpw降低。

图4为自适应rc延时滤波电路，其功能为对输入信号duty_hys_in下降沿进行延时处理。mos管m18-m19，mos管m21-m23构成数字逻辑反相器，mos管m20栅极由vwpw控制，构成自适应可控的等效电阻，与电容c构成rc延时滤波电路。该电路的下降沿延时大小受到vwpw控制，该电压信号由负反馈得到，voff_ac-vac0保持时间越长，vwpw越大，duty_hys_in下降沿延时越大、rc延时滤波电路的通带越窄，功率管导通时间越短，因此voff_ac更容易恢复到设计值vac0。

图5为双脉冲控制电路，用于产生最后的控制脉冲。其由rc延时滤波电路、mux及相关逻辑门构成。其作用是对duty_hys及duty_ac信号进行处理，最后得到控制功率级工作状态的数字信号duty。当duty_ac=0时，sel=1，duty=duty_ac=0；当duty_ac=1时，duty_hys在由0跳变到1（并保持为1）时，sel=1，duty=d1=duty_hys；当duty_ac=1，duty_hys在由1跳变到0时，sel=0，duty=d0,duty的下降沿滞后于duty_hys，若duty_hys频率高，其duty_hys=0的时间低于延时时，该脉冲将被滤除。事实证明在高带宽包络跟踪电源调制器中大量存在这类脉冲，将其滤除能有效提升效率。