專利名稱：具有數(shù)字自適應(yīng)電源升壓的放大器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有按需(on-demand)電源升壓的放大器系統(tǒng)。
技術(shù)背景
放大器效率是放大器提供給負(fù)載的功率與提供給放大器的功率的比。放大器中的 功耗越小，放大器的效率就越好。對于具有固定電源并且處理具有高的峰均比(PAR)和低 的激勵百分比(percentageactuation)的信號的傳統(tǒng)放大器系統(tǒng)(AB類)而言，存在大量 的功率被浪費。一種用于降低功率的方法是按需電源升壓系統(tǒng)，其對非常低的電源電壓使 用H類技術(shù)。然而，具有按需電源升壓的傳統(tǒng)放大器系統(tǒng)仍具有不必要的功耗。
圖1示出了具有按需電源升壓的傳統(tǒng)放大器系統(tǒng)。假設(shè)將+6V和-6V的電源分別 施加到VCC和VEE。放大器101在輸入端子102處接收變化的輸入信號INPl和INP2并且 由來自電荷泵103A的VCCP和來自電荷泵10 的VEEP供電。電荷泵103A包括晶體管QA、 二極管DA、電容器CA和電流源1031。
晶體管QA是NPN晶體管并且被偏置為電壓跟隨器，其基極經(jīng)由混合器105和增益 電路104A耦接至變化的輸入信號，其集電極耦接至固定DC電壓VCC，并且其發(fā)射極耦接至 電流源1031。假設(shè)晶體管QA的基極-發(fā)射極結(jié)兩端的二極管壓降是0. 5V，其基極處的輸 入信號在-5V和5V之間變化，二極管DA兩端的壓降是0. 5V，并且固定DC電壓Vcc是6V。 當(dāng)晶體管QA的基極處的輸入信號是-5V時，晶體管QA截止。電容器CA的頂部處的電壓是 5. 5V(6V的固定DC電壓VCC減去二極管DA上的0. 5V的壓降)，并且電容器CA的底部處的 電壓是-6V(電流源1031飽和，使CA的底極板或節(jié)點CAPP被拉至VEE或-6V)。因此電容 器CA兩端的總電壓是11. 5V。當(dāng)晶體管QA的基極處的輸入信號從-5V上升到5V時，電容 器CA的底部處的電壓從-6V變?yōu)?3. 5V。由于電容器CA兩端的電壓不能立即改變，因此 附加的9. 5V將電容器CA的頂部處的電壓從5. 5V升壓到15V。因此，盡管僅存在可用的6V 電源Vcc，但是在需要時短暫地向放大器101提供15V的電源電壓VCCP。
類似地，電荷泵10 包括晶體管QB、二極管DB、電容器CB和電流源1032，并且向 放大器101提供在-5. 5V和-15V之間切換的電源電壓VEEP。利用該系統(tǒng)，僅通過總共12V 的DC電源就可能獲得30V的動態(tài)電源。
如圖2中所示，當(dāng)端子102上的輸入峰值預(yù)示著輸出(V0PA和V0NA)峰值將超過 電源容量時，電荷泵103A和1(X3B分別向放大器101提供超過其電源的升壓電壓VCCP和 VEEP，并且電荷泵103A和10 確保在必要時存在足夠的電源電壓以適應(yīng)(accommodate) 峰值信號從而避免限幅(clipping)并且當(dāng)輸入操作于其正常的RMS電壓范圍時仍使電源電壓保持在低電平。
增益電路104A和104B被設(shè)置為使得當(dāng)輸入信號達到峰值時，考慮到放大器101 的特定增益，電荷泵103A和10 提供的電壓VCCP和VEEP將足以向放大器101提供必要 的電源電壓?；旌掀?05確保不管端子102處的擺動極性(swing polarity)如何都能讓 合適的擺動極性到達放大器104A和104B。
雖然在傳統(tǒng)AB類系統(tǒng)上存在功率節(jié)約，但是由于晶體管QA和QB作為電壓跟隨器 工作并保持導(dǎo)通，并且即使在輸入未達到峰值(例如，圖2中的tl之前)并且沒有必要補 償過大峰值時，VCCP和VEEP仍與端子102處的輸入信號一致地連續(xù)變化，因此該按需放大 器系統(tǒng)仍具有不必要的功耗。因此，期望提供一種具有按需電源升壓的功率效率更高的放 大器系統(tǒng)。


為了能夠理解本發(fā)明的特征，下文描述了許多附圖。然而，應(yīng)當(dāng)注意，附圖僅示出 了本發(fā)明的特定實施例并且因此不應(yīng)被視為本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明可以涵蓋其他等 同有效的實施例。
圖1示出了具有按需電源升壓的傳統(tǒng)放大器系統(tǒng)。
圖2示出了圖1中示出的傳統(tǒng)放大器系統(tǒng)中的VEEP和VCCP的示例性波形。
圖3是可以替換圖1中的電荷泵103A的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電荷泵的框圖。
圖4A 4C示出了圖3中示出的電荷泵中的信號的示例性波形。
圖5示出了圖3中示出的電荷泵的示意圖。
圖6A 6E示出了圖5中示出的電荷泵中的信號的示例性波形。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有數(shù)字自適應(yīng)電源升壓的放大器系統(tǒng)。
圖8是電荷泵500和701產(chǎn)生的電壓VCCP和VEEP的示例性波形。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電荷泵的框圖。
圖10是圖9中的電荷泵900的示意圖。
圖IlA IlE示出了圖10中的電荷泵中的信號的示例性波形。
圖12是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電荷泵的框圖。
圖13是圖12的電荷泵的示意圖。
圖14A 14E是圖13中示出的電荷泵中的信號的示例性波形。
圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電荷泵的框圖。
圖16是圖15的電荷泵的示意圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電荷泵的框圖。
圖18是圖17的電荷泵的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明為圖1的傳統(tǒng)放大器系統(tǒng)提供了改進的電荷泵以提高放大器系統(tǒng)的功率 效率。電荷泵可以響應(yīng)于放大器的輸入信號的增大而在固定輸入DC電壓與升壓值(維持 一定時間周期)之間切換。電荷泵可以使用開關(guān)晶體管，該開關(guān)晶體管僅在放大器的輸入 信號超過閾值時導(dǎo)通。放大器系統(tǒng)可以用于包絡(luò)跟蹤，特別是用于例如碼分多址(CDMA)、增6強數(shù)據(jù)速率的GSM演進技術(shù)(GSM-EDGE)或者其他傳統(tǒng)蜂窩式系統(tǒng)的低占空比信號的包絡(luò) 跟蹤。放大器系統(tǒng)還可以用于諸如xDSL、ADSL和VDSL通訊(telco)操作中的具有低占空 比的高峰均比的系統(tǒng)。
圖3是可以替換圖1中的電荷泵103A的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電荷泵300的電 路圖。如所示出的，二極管Dl可以是肖特基二極管，并且負(fù)載RLOAD可以表示放大器101。 開關(guān)SWl可以是諸如PNP雙極型晶體管或ρ溝道MOSFET的有源開關(guān)器件，并且可以由控制 信號Vl控制。在一個示例中，控制信號Vl可以是將放大器101的輸入信號與閾值Tl進行 比較的比較器301的二進制輸出?？刂齐妷篤l還可以控制開關(guān)SW，以便在開關(guān)SWl閉合并 且電荷泵被啟動時使電流源Isotcei與電荷電容器Cl斷開連接，從而使電流源Isotcei停止從 VCC拉(pull)電流。單向隔離器件D(例如，二極管)可以用于使電流源Isotkei停止從Vl 拉電流。
當(dāng)負(fù)載R·的輸入信號未超過閾值Tl時，開關(guān)SWl可以斷開，電荷泵300可以不 被啟動，并且電容器Cl可以沿包括二極管Dl、電容器Cl、開關(guān)SW和電流源Isotcei的電路路 徑來由電壓VCC充電，以便向負(fù)載R_輸出電壓。當(dāng)負(fù)載R_的輸入信號超過閾值Tl時， 控制信號Vl可以變?yōu)?以便接通開關(guān)SWl，斷開開關(guān)SW，并且將輸出到負(fù)載Rumd的電壓推 送至高于電壓VCC。
圖4A是負(fù)載Rum的示例性的輸入信號，圖4B是控制電荷泵300中的開關(guān)SWl的 控制信號Vl的示例性波形，并且圖4C是電荷泵300中的電容器Cl兩端的電壓的示例性波形。
如圖4A、圖4B和圖4C中所示，當(dāng)t = 0時，負(fù)載R_的輸入信號可以低于閾值Tl， 控制信號Vl可以為高電平，開關(guān)SWl可以斷開，并且開關(guān)SW可以閉合。假設(shè)二極管Dl兩 端的壓降可以是VD 0. 5V，并且開關(guān)SWl兩端的壓降可以是VSWl IV。Rujad兩端的電壓 可以是(VCC-VD)，并且電容器Cl可被充電至
(VCC-VD) ^ (VCC-0. 5) V
當(dāng)t = tl時，負(fù)載Rum的輸入信號可以超過閾值Tl，控制信號Vl可以變?yōu)榈碗?平，并且開關(guān)SWl可以閉合，使電容器Cl與VCC串聯(lián)連接。開關(guān)SW可以斷開，使電容器Cl 和電流源Isram斷開連接。結(jié)果，Rload兩端的電壓可以增加至
(VCC-VSffl)+ (VCC-VD) ^ (VCC-I) + (VCC-0. 5) = 2VCC-1. 5V
當(dāng)t = t2時，放大器101的輸入信號可以降至閾值Tl以下，控制信號Vl可以變 為高電平，并且開關(guān)SWl可以斷開。Rum兩端的電壓可以返回到(VCC-VD)。電容器Cl兩端 的電壓可以下降至
(VCC-VD) (e-(t2"tl)/CXEL0AI))-(VCC-VSff)(卜一仏“，并且電容器 C1 可以開始 重新充電。
當(dāng)t = t3時，電容器Cl可以充滿電，并且占空比(脈沖持續(xù)時間與周期之間的 比)可以是
權(quán)利要求
1.一種具有按需電源升壓的放大器系統(tǒng)，包括 放大器電路，具有用于輸入信號的輸入端；比較器，具有用于所述輸入信號和閾值信號的輸入端以及用于二進制比較信號的輸出 端；以及電荷泵，耦接至具有預(yù)定電源電壓的電源，并且包括單向隔離器件，在輸入端處耦接至所述電源；電荷存儲器件，在第一末端處耦接至所述單向隔離器件的輸出端以及在第二末端處耦接至固定電壓，并且在所述第一末端處耦接至所述放大器電路的電源輸入端；以及開關(guān)，耦接在所述電源和所述電荷存儲器件的所述第二末端之間，并且所述開關(guān)由來自所述比較器的所述二進制比較信號控制。
2.如權(quán)利要求1所述的放大器系統(tǒng)，其中，僅當(dāng)所述輸入信號超過所述閾值信號時，所 述開關(guān)被接通以將所述電荷存儲器件的所述第二末端耦接至所述電源，以便使所述放大器 電路的所述電源輸入端處的電壓升壓超過所述預(yù)定電源電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是晶體管。
4.如權(quán)利要求3所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)選自由PNP雙極型晶體管和ρ溝道 MOSFET構(gòu)成的組。
5.如權(quán)利要求1所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述固定電壓由電流源提供。
6.如權(quán)利要求1所述的放大器系統(tǒng)，還包括第二比較器，具有用于所述輸入信號和第二閾值信號的輸入端以及用于第二二進制比 較信號的輸出端；以及第二開關(guān)，耦接至所述電荷存儲器件的所述第二末端，并且僅當(dāng)所述輸入信號超過所 述第二閾值信號時所述第二開關(guān)被接通，以便于在所述放大器電路的所述電源輸入端處的 電壓中產(chǎn)生附加的升壓臺階。
7.如權(quán)利要求6所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)是晶體管。
8.如權(quán)利要求6所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)耦接至所述電源并且被部分 接通以便在所述放大器電路的所述電源輸入端處的電壓中產(chǎn)生所述附加的升壓臺階。
9.如權(quán)利要求6所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)耦接至同一電源，以便在所述 放大器電路的所述電源輸入端處的電壓中產(chǎn)生所述附加的升壓臺階。
10.如權(quán)利要求5所述的放大器系統(tǒng)，還包括第三開關(guān)，由來自所述比較器的所述二 進制比較信號控制，以便使所述電荷存儲器件與所述電流源斷開連接。
11.如權(quán)利要求10所述的放大器系統(tǒng)，還包括第二單向隔離器件，耦接在所述比較器 的所述輸出端和所述第三開關(guān)的控制端之間。
12.—種具有按需電源升壓的放大器系統(tǒng)，包括 放大器電路，具有用于輸入信號的輸入端；比較器，具有用于所述輸入信號和第一閾值信號的輸入端以及用于二進制比較信號的 輸出端；以及電荷泵，耦接至具有預(yù)定電源電壓的電源，并且包括 單向隔離器件，在輸入端處耦接至所述電源；電荷存儲器件，在第一末端處耦接至所述單向隔離器件的輸出端以及在第二末端處耦 接至固定電壓；開關(guān)，耦接在所述電源和所述電荷存儲器件的所述第二末端之間，并且由所述二進制 比較信號控制；第二比較器，具有用于所述輸入信號和第二閾值信號的輸入端以及用于第二二進制比 較信號的輸出端；以及第二電荷泵，包括第二單向隔離器件，在輸入端處耦接至所述單向隔離器件的輸出端；第二電荷存儲器件，在第一末端處耦接至所述第二單向隔離器件的輸出端以及在第 二末端處耦接至第二固定電壓，并且在所述第一末端處耦接至所述放大器電路的電源輸入 端；以及第二開關(guān)，耦接在所述電源和所述第二電荷存儲器件的所述第二末端之間，并且由所 述第二二進制比較信號控制，其中，僅當(dāng)所述輸入信號超過所述第一閾值信號時所述開關(guān) 被接通，以便將所述電荷存儲器件的所述第二末端耦接至所述電源，從而使所述放大器電 路的所述電源輸入端處的電壓升壓以超過所述預(yù)定電源電壓，以及其中，僅當(dāng)所述輸入信號超過所述第二閾值信號時所述第二開關(guān)被接通，以便將所述 第二電荷存儲器件的所述第二末端耦接至所述電源，從而在所述放大器電路的所述電源輸 入端處的電壓中產(chǎn)生附加的升壓臺階。
13.如權(quán)利要求12所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)是晶體管。
14.如權(quán)利要求12所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)是PNP雙極型晶體管。
15.如權(quán)利要求12所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二開關(guān)是ρ溝道M0SFET。
16.如權(quán)利要求12所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述第二固定電壓由電流源提供。
17.一種用于為放大器系統(tǒng)提供按需電源升壓的方法，包括將放大器電路的輸入信號與閾值進行比較；利用來自電荷泵的電壓為所述放大器電路供電，所述電荷泵耦接至具有預(yù)定電源電壓 的電源；以及僅當(dāng)所述輸入信號超過所述閾值時啟動所述電荷泵，以便使為所述放大器電路供電的 電壓升壓超過所述預(yù)定電源電壓。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括當(dāng)所述輸入信號超過所述閾值時，使開關(guān)接通 以啟動所述電荷泵。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括將所述放大器電路的所述輸入信號與第二閾值進行比較；以及當(dāng)所述輸入信號超過所述第二閾值時，在為所述放大器電路供電的電壓中產(chǎn)生附加的 升壓臺階。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括將所述放大器電路的所述輸入信號與第三閾值進行比較；以及當(dāng)所述輸入信號超過所述第三閾值時啟動第二電荷泵，以便在為所述放大器電路供電 的電壓中提供附加的升壓臺階。
21.一種具有按需電源升壓的放大器系統(tǒng)，包括放大器電路，具有用于輸入信號的輸入端；比較器，具有用于所述輸入信號和閾值信號的輸入端以及用于二進制比較信號的輸出 端；以及電荷泵，耦接至具有預(yù)定電源電壓的第一電源和第二電源，并且包括單向隔離器件，在輸入端處耦接至所述第一電源；電荷存儲器件，在第一末端處耦接至所述單向隔離器件的輸出端并且在第二末端處耦 接至固定電壓，并且在所述第一末端處耦接至所述放大器電路的電源輸入端；以及開關(guān)，耦接在所述第二電源和所述電荷存儲器件的所述第二末端之間，并且由來自所 述比較器的所述二進制比較信號控制。
22.如權(quán)利要求21所述的放大器系統(tǒng)，其中，僅當(dāng)所述輸入信號超過所述閾值信號時 所述開關(guān)被接通，以便將所述電荷存儲器件的所述第二末端耦接至所述第二電源，從而使 所述放大器電路的所述電源輸入端處的電壓升壓超過所述預(yù)定電源電壓。
23.如權(quán)利要求21所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是晶體管。
24.如權(quán)利要求23所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)選自由PNP雙極型晶體管和ρ溝 道MOSFET構(gòu)成的組。
25.如權(quán)利要求21所述的放大器系統(tǒng)，其中，所述固定電壓由電流源提供。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有數(shù)字自適應(yīng)電源升壓的放大器系統(tǒng)，所述放大器系統(tǒng)包括用于向放大器提供電源的電荷泵。該電荷泵可以響應(yīng)于放大器的輸入信號的增大而在固定輸入DC電壓和升壓值(維持一定時間周期)之間切換。該電荷泵可以使用開關(guān)晶體管，該開關(guān)晶體管僅在放大器的輸入信號超過閾值時導(dǎo)通。該放大器系統(tǒng)可用于包絡(luò)跟蹤，特別是用于例如xDSL或vDSL的低占空比信號的包絡(luò)跟蹤。
文檔編號H02M3/07GK102047540SQ201080000771
公開日2011年5月4日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者C·埃爾-庫利, J·皮爾多梅尼克, Z·弗世 申請人:美國亞德諾半導(dǎo)體公司