專利名稱：一種串聯結構包絡線跟蹤電源及其控制系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信及功率變換技術，特別涉及一種應用于無線通信基站供電系統的串聯結構包絡線跟蹤電源及其控制系統。
背景技術：
功率放大器(Power Amplifier，PA)在移動通信手機基站中承擔著重要的作用，同時其功率消耗也達到基站功率的50%。傳統的移動通信采用諸如頻移鍵控和相移鍵控等數字調制方式，其PA的射頻(Radio Frequency, RF)輸入信號的包絡線幅值是恒定的，采用恒定電壓供電的非線性PA可以對信號實現高效的放大。然而，隨著移動通信用戶數量的迅猛增長以及人們對數據傳輸率要求的進一步提高，第三代(3rd Generation, 3G)移動通信是發(fā)展的必然趨勢。與傳統方式不同，3G通信采用諸如正交相移鍵控和正交幅值調制等調制方式，數據脈沖的包絡線不再恒定不變。若仍采用恒定電壓為PA供電，則會產生較大的功率損耗，PA的效率僅為15%左右。因此，供電電壓最好跟隨RF輸入信號包絡線的變化而變化，即采用包絡線跟蹤技術(Envelope Tracking, ET)。據相關研究報道,對一個歐洲典型通信網絡而言，3G通信時采用ET技術，將比傳統供電方式每年節(jié)省28兆瓦的功率消耗和3000萬美元的電費開支，并可減少11萬噸的CO2排放?，F階段，國際電信聯盟確定的3G主流無線接口標準主要有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三種，而無論采用哪種標準，其RF輸入信號都具有多載波和非恒定包絡的共同特點。因此，包絡線跟蹤電源具有廣闊的應用前景和巨大的社會、經濟價值，同時對保護環(huán)境和減弱溫室效應也具有重要的現實意義。由于ET電源所需跟蹤的是RF信號的包絡線，因此其必須滿足高帶寬(最高達幾十MHz)的要求。而開關變換器直接跟蹤變化幅值的參考信號時，開關頻率往往需要達到參考信號頻率的5 10倍，這限制了包絡線跟蹤電源跟蹤帶寬的提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的，在于提供一種串聯結構包絡線跟蹤電源，其采用階梯波電壓產生單元和A類線性放大器串聯結構，其可以減小A類線性放大器輸出電壓的擺幅，提高包絡線跟蹤電源輸出電壓的變化范圍。本發(fā)明的另一目的，在于提供一種串聯結構包絡線跟蹤電源的控制系統，針對包絡線跟蹤電源基本控制策略中閉環(huán)無法有效抑制階梯波電壓對輸出電壓影響的問題，采用階梯波電壓前饋方法，同時采用頻率補償方法擴展級聯運放的等效級聯帶寬，保證前饋控制策略相對低頻部分的實現；以及輸出電壓高頻尖峰抑制方法以匹配階梯波電壓到輸出電壓間兩條通路的傳遞函數，消除階梯波電壓中高頻分量對輸出電壓的影響，從而提高跟蹤電源輸出電壓的線性度及跟蹤效果。為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是一種串聯結構包絡線跟蹤電源，包括A類線性放大器、輸出電壓控制電路和階梯波電壓產生單元，其中，輸出電壓控制電路包括采樣電路、電壓調節(jié)器、差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路;A類線性放大器的輸出電壓與階梯波電壓產生單元的輸出電壓相疊加形成輸出電壓，所述輸出電壓經過采樣電路與參考電壓相比較，其誤差信號經過電壓調節(jié)器調節(jié)，依次經由差分隔離信號傳遞電路的一個輸入端和增益匹配電路傳遞至A類線性放大器，所述差分隔離信號傳遞電路的另一個輸入端接地，從而實現包絡線跟蹤電源輸出電壓的閉環(huán)調節(jié)。 上述A類線性放大器包括調整管和直流偏置電源，所述調整管的柵極連接輸出電壓控制電路中增益匹配電路的輸出端，其源極連接采樣電路的輸入端，而漏極連接直流偏置電源的正極，所述直流偏置電源的負極連接階梯波電壓產生單元的輸出正端。一種如前所述的串聯結構包絡線跟蹤電源的控制系統，包括包含有頻率補償電路的階梯波電壓前饋電路和高頻尖峰抑制電路，其中，階梯波電壓前饋電路的一個輸入端接地，另一個輸入端連接階梯波電壓產生單元的輸出正端，所述階梯波電壓前饋電路的輸出端連接差分隔離信號傳遞電路的接地端；高頻尖峰抑制電路的一個輸入端連接階梯波電壓產生單元的輸出正端，另一個輸入端接地，而所述高頻尖峰抑制電路的輸出正端連接A類線性放大器的參考地端，輸出負端接地。上述階梯波電壓前饋電路包括4個電阻和I個運算放大器，第一電阻的一端接地，另一端分別連接第二電阻的一端和運算放大器的反相輸入端，而第二電阻的另一端連接運算放大器的輸出端，并連接至差分隔離信號傳遞電路的接地端；第三電阻的一端連接階梯波電壓產生單元的輸出正端，另一端分別連接第四電阻的一端和運算放大器的同相輸入端，而第四電阻的另一端接地；所述頻率補償電路包括2個電阻和2個電容，第五電阻和第一電容串聯后，并接在第一電阻的兩端，第六電阻和第二電容串聯后，并接在第三電阻的兩端。采用上述方案后，本發(fā)明與現有技術相比，其主要特點如下(I)線性放大器的輸出電壓疊加在階梯波電壓產生單元的輸出電壓之上，以階梯波電壓的輸出正端作為線性放大器的參考地，并采用差分隔離信號傳遞電路進行不同參考地之間的控制信號傳遞；(2)對跟蹤電源采用前饋控制，包括階梯波電壓前饋電路、頻率補償電路和高頻尖峰抑制電路，從而進一步提高輸出電壓的線性度及跟蹤效果。


圖I是本發(fā)明包絡線跟蹤電源串聯組合結構示意圖；圖2是圖I中差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路的具體電路結構圖；圖3是不考慮運放帶寬限制的系統控制框圖；圖4是未加入前饋控制電路的輸出電壓波形圖；圖5是加入階梯波電壓前饋后的系統控制框圖；圖6是前饋控制電路結構示意圖；圖7是加入前饋控制電路并考慮運放帶寬限制的系統控制框圖；圖8是加入前饋控制電路后的輸出電壓波形。上述附圖中的主要符號名稱=Q1為A類線性放大器的調整管，Vlinear為其漏極偏置電壓，Vg linear為其柵極輸入電壓，Vo linear為A類線性放大器的輸出電壓。Vo multi是階梯波電壓產生單元的輸出電壓凡為負載電阻，Vref是輸出電壓參考信號，V。是最終輸出電壓，Ru和Rd是輸出電壓采樣電路的分壓電阻，vo Gv是電壓調節(jié)器的輸出電壓，Vff是前饋電路輸出電壓(無前饋時，接GND信號)。OP1以及R1, R2分別為差分隔離信號傳遞電路的運算放大器和相應電阻，OP2以及R3, R4分別為增益匹配電路的運算放大器和相應電阻^和K2分別是OP1和OP2的直流電壓增益，Gv(S)是電壓調節(jié)器的傳遞函數，Glin(S)是A類線性放大器的電壓傳遞函數，H(S)是輸出電壓采樣系數；0匕為階梯波電壓前饋電路&頻率補償電路的運算放大器，K3為其直流電壓增益，HR1^P Cz分別為其外圍電路中的電阻和電容山和C分別是高頻尖峰抑制電路的電感和電容，V’。Jiulti是階梯波電壓經過高頻尖峰抑制電路之后的電壓；1\、T2和T3分別是運算放大器OPi、OP2和OP3的主極點常數，Tfflain是運算放大器級聯通路中最低頻率的主極點常數。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。如圖I所示，本發(fā)明提供一種串聯結構包絡線跟蹤電源，包括A類線性放大器、輸出電壓控制電路和階梯波電壓產生單元，其中，輸出電壓控制電路包括采樣電路、電壓調節(jié)器、差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路，所述A類線性放大器的輸出電壓疊加在階梯波電壓產生單元的輸出電壓之上，并采用差分運算放大器件進行不同參考地之間的控制信號傳遞。圖I給出了包絡線跟蹤電源串聯組合結構的示意圖，圖中A類線性放大器與階梯波電壓產生單元相串聯，A類線性放大器的輸出電壓與階梯波電壓產生單元的輸出電壓相疊加組成最終的輸出電壓。包絡線跟蹤電源的參考信號為所需要跟蹤的包絡線信號，輸出電壓經過采樣電路與參考電壓相比較，其誤差信號經過電壓調節(jié)器調節(jié)，依次經由差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路傳遞至A類線性放大器中調整管Q1的柵極，從而實現包絡線跟蹤電源輸出電壓的閉環(huán)調節(jié)。圖2是所述差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路的電路連接結構示意圖。圖3給出了不考慮運放帶寬限制時的系統控制框圖，圖中可以得到輸出電壓的頻域表達式
權利要求
1.一種串聯結構包絡線跟蹤電源，其特征在于包括A類線性放大器、輸出電壓控制電路和階梯波電壓產生單元，其中，輸出電壓控制電路包括采樣電路、電壓調節(jié)器、差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路;A類線性放大器的輸出電壓與階梯波電壓產生單元的輸出電壓相疊加形成輸出電壓，所述輸出電壓經過采樣電路與參考電壓相比較，其誤差信號經過電壓調節(jié)器調節(jié)，依次經由差分隔離信號傳遞電路的一個輸入端和增益匹配電路傳遞至A類線性放大器，所述差分隔離信號傳遞電路的另一個輸入端接地，從而實現包絡線跟蹤電源輸出電壓的閉環(huán)調節(jié)。
2.如權利要求I所述的一種串聯結構包絡線跟蹤電源，其特征在于所述A類線性放大器包括調整管和直流偏置電源，所述調整管的柵極連接輸出電壓控制電路中增益匹配電路的輸出端，其源極連接采樣電路的輸入端，而漏極連接直流偏置電源的正極，所述直流偏置電源的負極連接階梯波電壓產生單元的輸出正端。
3.—種如權利要求I所述的串聯結構包絡線跟蹤電源的控制系統，其特征在于包括包含有頻率補償電路的階梯波電壓前饋電路和高頻尖峰抑制電路，其中，階梯波電壓前饋電路的一個輸入端接地，另一個輸入端連接階梯波電壓產生單元的輸出正端，所述階梯波電壓前饋電路的輸出端連接差分隔離信號傳遞電路的接地端；高頻尖峰抑制電路的一個輸入端連接階梯波電壓產生單元的輸出正端，另一個輸入端接地，而所述高頻尖峰抑制電路的輸出正端連接A類線性放大器的參考地端，輸出負端接地。
4.如權利要求3所述的一種串聯結構包絡線跟蹤電源的控制系統，其特征在于所述階梯波電壓前饋電路包括4個電阻和I個運算放大器，第一電阻的一端接地，另一端分別連接第二電阻的一端和運算放大器的反相輸入端，而第二電阻的另一端連接運算放大器的輸出端，并連接至差分隔離信號傳遞電路的接地端；第三電阻的一端連接階梯波電壓產生單元的輸出正端，另一端分別連接第四電阻的一端和運算放大器的同相輸入端，而第四電阻的另一端接地；所述頻率補償電路包括2個電阻和2個電容，第五電阻和第一電容串聯后，并接在第一電阻的兩端，第六電阻和第二電容串聯后，并接在第三電阻的兩端。
全文摘要
本發(fā)明公開一種串聯結構包絡線跟蹤電源，包括A類線性放大器、輸出電壓控制電路和階梯波電壓產生單元，其中，輸出電壓控制電路包括采樣電路、電壓調節(jié)器、差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路；A類線性放大器的輸出電壓與階梯波電壓產生單元的輸出電壓相疊加形成輸出電壓，所述輸出電壓經過采樣電路與參考電壓相比較，其誤差信號經過電壓調節(jié)器調節(jié)，依次經由差分隔離信號傳遞電路和增益匹配電路傳遞至A類線性放大器，從而實現包絡線跟蹤電源輸出電壓的閉環(huán)調節(jié)。此結構可減小A類線性放大器輸出電壓的擺幅，提高包絡線跟蹤電源輸出電壓的變化范圍。本發(fā)明還公開一種針對前述串聯結構包絡線跟蹤電源的控制系統。
文檔編號H03F1/32GK102624339SQ20121010430
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權日2012年4月10日
發(fā)明者郗煥, 金茜, 阮新波 申請人:南京航空航天大學