高效率CMOS包络跟踪技术的研究与设计

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随着通信技术的进一步发展,无线通讯设备将会越来越复杂,高效率的使用能源不仅能够延长电池的使用寿命,而且也会大大减少电子仪器的散热,提高仪器的可靠性。目前,包络跟踪技术由于其电路结构简单,易于集成以及提高系统效率效果明显等特点成为国内外研究的热点,本文对包络跟踪技术进行了详细的研究,并给出了数种提高效率的新结构,这些结构对于提高电路系统的效率具有非常重要的意义。首先,几种常见的包络放大器结构被一一简介,并分别对比了它们的优点和缺点,以便后文选择结构。紧接着是包络放大器的功耗分析,在这一部分,我们对包络放大器的每一个部分分别进行了分析,为后面提高效率的方法提供思路。本文首先采用了经典的包络放大器结构来设计一款基于0.18μm工艺的芯片,其中线性级由一个两级放大器构成,主要用来提供高频电流以及消除来自于开关的纹波电流;开关级由一个降压型DC-DC变换器和一些控制电路以及一个片外的电感构成,提供低频电流(占总电流比重很大),以此来提高效率。最终版图面积0.8mm×0.5mm。在电源电压3.3V,10MHz LTE信号,负载8欧姆情况下,最终输出功率为27dBm,整体效率为74%。然而,包络放大器的效率还有较大的提高空间,接着本文重点关注提高效率的方法并提出了三种提高效率的方法。在第一种方法中,利用一个轨到轨放大器来放大差异,使控制电路变得更加“准时”,这样开关打开和关断变得更及时,效率也因此提高了2个百分点(76%),版图面积却没有因此增加。在第二种方法中,我们发现当线性级的输出级放大器的NMOS管的栅压大于一个阈值电压时,线性级开始吸收纹波电流,我们将这些纹波电流用一个电容存储起来,最终将效率提高了2.3个百分点(76.3%)。在第三种方法中,提出了一种更激进的方法,当功率放大器输出功率低于一定值时,线性级和开关级停止工作,由一个直流电流提供电流,当输出功率较大时,所有电路模块都参与工作。这种方法有可能极大地提高整个系统的效率,最终初步仿真效率超过了87%。
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