一种包络跟踪电源和包络跟踪射频功率放大器

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，更具体地说，涉及一种包络跟踪电源和 包络跟踪射频功率放大器。

背景技术

射频PA(Power Amplifier，功率放大器)用于对射频信号进行功率放大， 高效率的射频PA可降低移动通信设备的功率损耗、并提高其电池使用寿命。

传统的射频PA采用恒压源供电，但由于射频信号的包络幅值并不恒定， 因此射频PA在放大射频信号时为保持其线性度而采用了功率回退技术，这使 得在所述射频信号的包络幅值较低时射频PA的工作点偏离饱和点较远，从而 极大浪费了所述恒压源的供电功率，造成射频PA效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种包络跟踪电源和包络跟踪射频功率放大器， 以提高射频功率放大器的工作效率。

一种包络跟踪电源，包括交流信号源、采样保持器、缓冲器和低通滤波 器，其中：所述交流信号源的输出信号与射频功率放大器的输出信号的包络 保持一致；所述采样保持器的输入端连接所述交流信号源的输出端，用于对 所述交流信号源的输出信号进行采样、保持；所述缓冲器的输入端连接所述 采样保持器的输出端，用于对所述采样保持器的输出信号进行电压跟踪、电 流放大；所述低通滤波器的输入端连接所述缓冲器的输出端，用于对所述缓 冲器的输出信号进行信号恢复。

其中，所述缓冲器包括缓冲电路、求差电路和输出电压可调的直流信号 源，其中：所述直流信号源的输出电压与所述采样保持器的输出电压保持相 等或相近；所述求差电路的两个输入端分别连接所述直流信号源和所述采样 保持器的输出端；所述缓冲电路的两个输入端分别连接所述直流信号源和所 述求差电路的输出端。

其中，所述直流信号源包括蓄电池和与所述蓄电池相连的功率变换器。

其中，所述直流信号源包括蓄电池、电荷泵和多个开关，其中：所述电 荷泵的输入端接所述蓄电池，其每一个输出端连接一个所述开关。

其中，所述直流信号源包括：输出电压各不相同的多个蓄电池，以及与 所述蓄电池等数量的开关；其中，一个所述蓄电池对应相连一个所述开关。

其中，所述缓冲电路包括第二电容、第二运放、第四开关、第五开关、 第六开关、第七开关、第八开关和第九开关，其中：所述第二运放的输出端 一方面经所述第七开关接其反相输入端，一方面依次经所述第九开关和所述 第八开关接地，该反相输入端经所述第四开关接地，其同相输入端接所述求 差电路的输出端；所述第二电容的第一极板经所述第六开关接所述直流信号 源的输出端，其第二极板接所述第二运放的反相输入端；所述第五开关连接 于所述第二电容的第一极板和所述第二运放的输出端之间。

其中，所述低通滤波器包括顺次连接于所述缓冲器的输出端与地之间的 电感和第三电容。

其中，所述采样保持器包括第一电容、第一运放、第一开关、第二开关 和第三开关；其中，所述第一运放的同相输入端接地，其反相输入端经所述 第三开关接所述第一运放的输出端；所述第一电容的第一极板经所述第一开 关接所述交流信号源的输出端，其第二极板接所述第一运放的反相输入端； 所述第二开关连接于所述第一电容的第一极板与所述第一运放的输出端之 间。

其中，所述采样保持器的采样频率不低于所述交流信号源输出的信号频 谱的最高频率的2倍。

一种包络跟踪射频功率放大器，包括：射频功率放大器和上述任一种包 络跟踪电源；其中，所述射频功率放大器的电源输入端接所述包络跟踪电源。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例首先利用采样保持电路获取 射频PA的输出信号的包络的采样信号，之后利用缓冲器对所述采样信号进行 电压跟踪、电流放大，最后依靠低通滤波器的信号恢复功能，获取得到与所 述射频PA的输出信号具有相同的包络幅值、但电流更大的输出信号，从而实 现了对所述射频输出信号的包络跟踪，当以该输出信号作为所述射频PA的电 源信号时，所述射频PA可始终工作在临界饱和点，因此大大提高了所述射频 PA的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种包络跟踪电源结构示意图；

图2a为本发明实施例公开的一种输出电压可调的直流信号源结构示意 图；

图2b为本发明实施例公开的又一种输出电压可调的直流信号源结构示意 图；

图2c为本发明实施例公开的又一种输出电压可调的直流信号源结构示意 图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种包络跟踪电源，以提高射频PA(Power  Amplifier，功率放大器)的工作效率，包括交流信号源U_AC、采样保持器100、 缓冲器200和低通滤波器300，其中：

交流信号源U_AC的输出信号与射频PA的输出信号保持一致；

采样保持器100的输入端连接交流信号源U_AC的输出端，用于对交流信 号源U_AC的输出信号进行采样、保持；

缓冲器200的输入端连接采样保持器100的输出端，用于对采样保持器 100的输出信号进行电压跟踪、电流放大；

低通滤波器300的输入端连接缓冲器200的输出端，用于对缓冲器200 的输出信号进行信号恢复。

上述包络跟踪电源用于对射频PA的输出信号进行包络跟踪，并以此为电 源电压为射频PA供电，如此一来，射频PA的供电电压便可跟随射频信号的 包络幅度变化，令射频PA始终工作在临界饱和点，因此大大提高了所述射频 PA的工作效率。下面，本实施例通过逐个介绍交流信号源U_AC、采样保持器 100、低通滤波器300和缓冲器200的功能，来进一步阐述该包络跟踪电源的 工作原理。

1)关于交流信号源U_AC

射频PA的输出信号又称射频输出信号，属于连续时间信号。由于交流信 号源U_AC的输出信号与所述射频输出信号的包络完全相同，因此交流信号源 U_AC的输出信号具有与所述射频输出信号的包络幅值完全相同的电压值。

2)关于采样保持器100

采样保持器100用于按一定的时间间隔(即采样周期)对交流信号源U_AC输出的连续时间信号进行采样、保持，使之变成时间离散、幅值等于采样时 刻输入信号值的序列信号，该序列信号即称为采样信号。

由于交流信号源U_AC的输出信号与所述射频输出信号的包络始终保持一 致，因此采样保持器100的输出信号的采样信号即为所述射频输出信号的包 络的采样信号。

采样保持器100具体可采样如下所述的电路结构实现，但并不局限。

具体的，该采样保持器100包括第一电容C1、第一运放OP1、第一开关 K1、第二开关K2和第三开关K3：

其中，第一运放OP1的同相输入端接地，其反相输入端经第三开关K3 接第一运放OP1的输出端(也即采样保持器100的输出端)；

第一电容C1的第一极板经第一开关K1接交流信号源U_AC的输出端，其 第二极板接第一运放OP1的反相输入端；

第二开关K2连接于第一电容C1的第一极板与第一运放OP1的输出端之 间。

其中，为保证采样信号能够被不失真地恢复，一般需要设置采样频率应 不低于信源频谱的最高频率的2倍，即采样保持器100的采样频率不低于交 流信号源U_AC输出的信号频谱的最高频率的2倍。

3)低通滤波器300

低通滤波器300用于对接收到的离散时间信号进行信号恢复，其输出信 号直接输入射频PA的电源输入端进行供电，以驱动所述射频PA工作；其中， 信号的恢复过程是指将离散时间信号还原成连续时间信号的过程。

低通滤波器300具体可采样如下所述的电路结构实现，但并不局限。

具体的，该低通滤波器300包括顺次连接于缓冲器200的输出端与地之 间的电感L和第三电容C3。

在该电路结构下，第三电容C3直接作为射频PA的输入向射频PA供电。

4)缓冲器200

在采样保持器100和低通滤波器300之间引入缓冲器200的目的，就在 于增大采样保持器100输出的采样信号的电流值、且不改变该采样信号的电 压幅值。因为若是直流利用低通滤波器300对采样保持器100的输出信号进 行恢复，那么低通滤波器300的输出信号就是与所述射频输出信号相同的电 信号，即两者具有相同的包络幅值和电流值，这样虽然实现了对所述射频输 出信号的包络跟踪，但该电信号却没有足够的驱动能力来驱动射频PA工作， 因此，必须借助缓冲器200对采样保持器100的输出信号进行电压跟踪、电 流放大，以提高低通滤波器300的输出信号的驱动能力。

缓冲器200具体可采用如下所述的电路结构实现，但并不局限。

具体的，该缓冲器200包括缓冲电路201、求差电路202和输出电压可调 的直流信号源203；

其中，直流信号源203的输出电压与采样保持器100的输出电压保持一 致，即直流信号源203的输出电压跟随采样保持器100的输出电压进行同等 变化；

求差电路202的两个输入端分别连接直流信号源203和采样保持器100 的输出端，用于计算两个输入信号的电压之差；

缓冲电路201的两个输入端分别连接直流信号源203和求差电路202的 输出端，用于将直流信号源203的输出信号转化为离散时间信号，该离散时 间信号与采样保持器100输出的采样信号具有相同的电压幅值、但电流更大。

更为具体的，上述缓冲电路201包括第二电容C2、第二运放OP2、第四 开关K4、第五开关K5、第六开关K6第七开关K7、第八开关K8和第九开关 K9；

其中，第二运放OP2的输出端一方面经第七开关K7接其反相输入端， 一方面依次经第九开关K9和第八开关K8接地，其反相输入端经第四开关 K4接地，其同相输入端接求差电路202的输出端；

第二电容C2的第一极板经第六开关K6接直流信号源203的输出端，其 第二极板接第二运放OP2的反相输入端；

第五开关K5连接于第二电容C2的第一极板和第二运放OP2的输出端之 间。第八开关K8和第九开关K9的中间节点即为缓冲器200的输出端。

上述直流信号源203的电路结构较多，以下提供其中的三种电路结构。

参见图2a，第1种电路结构为：直流信号源203包括蓄电池VDD和与蓄 电池VDD相连的功率变换器PC；

其中，功率变换器PC用于将蓄电池VDD的输出电压转换为与采样保持器 100的输出电压相同或相近的电信号进行输出。

参见图2b，第2种电路结构为：直流信号源203包括蓄电池VDD、电荷 泵CP和多个开关K；电荷泵CP的输入端接蓄电池VDD，其每一个输出端连接 一个开关K；

其中，电荷泵CP用于将蓄电池VDD的输出电压转换为多个具有不同电压 值的电信号，并分别输送至电荷泵CP的各个输出端；此时只需跟随采样保持 器100的输出电压来控制开关K的开闭，即可令直流信号源203的输出电压 始终跟随采样保持器100的输出电压变化。举例说明，采样保持器100的输 出电压分别为a1、a2，那么相应的，电荷泵CP具有两个输出电压分别为a1、 a2的输出端b1、b2，开关K中的开关c1、c2分别与输出端b1、b2对应相连， 那么当采样保持器100的输出电压为a1时则控制c1闭合，当采样保持器100 的输出电压为a2时则控制c2闭合。

参见图2c，第3种电路形式为：直流信号源203包括输出电压各不相同 的多个蓄电池VDD，以及与蓄电池VDD等数量的开关K；其中，一个蓄电池 K对应相连一个开关K；

此时只需跟随采样保持器100的输出电压来控制开关K的开闭，即可令 直流信号源203的输出电压始终跟随采样保持器100的输出电压变化。

5)关于包络跟踪电源的工作原理

为便于描述，定义第一开关K1、第三开关K3、第四开关K4、第五开关 K5、第九开关K9属于第一开关组Φ1；定义第二开关K2、第六开关K6、第 七开关K7、第八开关K8属于第二开关组Φ2；定义交流信号源U_AC的输出电 压为U_AC；定义直流信号电源203的输出电压为VDD，其中VDD＝U_AC。

首先，当第一开关组Φ1初次闭合、第二开关组Φ2初次断开时：

第一运放OP1的同相输入端接地，利用虚短、虚断的概念，可知第一运 放OP1的反相输入端电压及其输出电压均为零；交流信号源U_AC为电容C1 充电，电容C1的采样电压为U_AC；滤波器300的输入端电压为零。

进而，当第二开关组Φ2初次闭合、第一开关组Φ1初次断开时：

电容C1放电，第一运放OP1的输出电压为电容C1的采样电压U_AC；第 二运放OP2的同相输入端电压为零，利用虚短、虚断的概念，可知第二运放 OP2的反相输入端电压及其输出电压均为零；直流信号电源203为电容C2充 电，电容C2的采样电压为VDD；滤波器300的输入端电压为零。

进而，当第一开关组Φ1二次闭合、第二开关组Φ2二次断开时：

电容C1通交流电，第一运放OP1的输出电压仍为U_AC；电容C2放电， 第二运放OP2的输出电压为电容C2的采样电压VDD；滤波器300的输入端 电压为VDD。

进而，当第二开关组Φ2二次闭合、第一开关组Φ1二次断开时：

滤波器300的输入端电压为零。

之后，在第一开关组Φ1和第二开关组Φ2交替闭合的过程中，滤波器300 的输入端电压也依次在VDD和零之间交替，经过滤波器300的信号恢复作用， 滤波器300的输出电压动态跟随射频信号的包络幅度变化，且电流更大。

基于上述公开的包络跟踪电源，本发明实施例还公开了一种包络跟踪射 频功率放大器，以实现提高射频PA的效率，包括射频PA和上述任一种包络 跟踪电源，其中所述射频PA的电源输入端接所述包络跟踪电源。

综上所述，本发明实施例首先利用采样保持电路获取交流信号源的输出 信号的采样信号(即射频输出信号的包络的采样信号)，之后利用缓冲器对 所述采样信号进行电压跟踪、电流放大，最后依靠低通滤波器的信号恢复功 能，获取得到与所述射频输出信号具有相同的包络幅值、但电流更大的输出 信号，从而实现了对所述射频输出信号的包络跟踪，当以该输出信号作为射 频PA的电源信号时，所述射频PA可始终工作在临界饱和点，因此大大提高 了所述射频PA的工作效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的 情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所 示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽 的范围。