基于NB-IoT發(fā)射機(jī)的混合電源調(diào)制電路

梁振 石磊 徐肯 鄧進(jìn)麗 林樹明

摘? 要：為解決由NB-IoT高均峰比調(diào)制信號(hào)引起功率回退，進(jìn)而導(dǎo)致功率放大器效率變低的問題，文章采用40 nm 1P6M CMOS工藝設(shè)計(jì)，研究了一款適用于NB-IoT極性調(diào)制發(fā)射機(jī)的混合電源調(diào)制電路。芯片測試結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射機(jī)的輸出功率為23.48 dBm時(shí)，采用此電路的極性調(diào)制發(fā)射機(jī)的效率可以提升12.0%，測量的發(fā)射機(jī)EVM（誤差矢量幅度）為6.9%，占用帶寬為175.22 kHz，整體性能均滿足3GPP測試規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：混合電源調(diào)制器;CLASS-AB放大器;CLASS-D放大器;極性調(diào)制發(fā)射機(jī)

中圖分類號(hào)：TN752? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）24-0060-04

A Hybrid Power Supply Modulation Circuit Based on NB-IoT Transmitter

LIANG Zhen，SHI Lei，XU Ken，DENG Jinli，LIN Shuming

（Guangzhou Letswin Microelectronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510663，China）

Abstract：In order to solve the problem of power back-off caused by high PAPR modulation signal of NB-IoT，further lead to the low efficiency of power amplifier，a hybrid power supply modulation circuit for NB-IoT polar modulation transmitter is designed by means of using 40 nm 1P6m CMOS process planning. The chip test results show that when the output power of transmitter is 23.48 dBm，the efficiency of the polar modulation transmitter using this circuit can be improved by 12.0%，the measured transmitter EVM（error vector magnitude）is 6.9%，and the occupied bandwidth is 175.22 kHz. The overall performance meets the requirements of 3GPP test specification.

Keywords：hybrid power supply modulator;CLASS-AB amplifier;CLASS-D amplifier;polar modulation transmitter

0? 引? 言

作為LTE的演進(jìn)型技術(shù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是旨在支持和優(yōu)化窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的3GPP協(xié)議，并且朝著未來第五代（5G）移動(dòng)通信演進(jìn)[1]。為了延長電池的使用壽命和降低NB-IoT終端設(shè)備的成本，NB-IoT通信芯片需要低功耗設(shè)計(jì)并配備集成功率放大器。功率放大器是NB-IoT芯片中最為耗電的模塊，且最大遠(yuǎn)程通信的輸出功率需要滿足22～25 dBm。如何提升NB-IoT芯片中功率放大器的效率、降低其功耗，近年來日益受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

在極性調(diào)制發(fā)射機(jī)中，IQ正交信號(hào)在數(shù)字基帶中轉(zhuǎn)換為幅度信號(hào)和相位信號(hào)[2]，如圖1所示。相位信息搬移到射頻頻段后，通過非線性、高效率的功率放大器進(jìn)行功率放大，而幅度信息通過功率放大器的電源電壓進(jìn)行處理。在功率放大器的輸出端，相位信息和幅度信息合在一起，在高頻載波上還原出基帶信息，通過天線發(fā)射出去。極性調(diào)制發(fā)射機(jī)是非線性發(fā)射機(jī)，功率放大器中的放大MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)，具有較高的效率，對(duì)功耗要求較高的系統(tǒng)（如NB-IoT），通常采用極性調(diào)制發(fā)射機(jī)。

傳統(tǒng)的電源調(diào)制電路通過低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）實(shí)現(xiàn)[3]，如圖2所示。這種線性電源調(diào)制器具有較好的線性，輸出較小的紋波及較寬的帶寬，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的帶內(nèi)和帶外頻譜性能。然而NB-IoT的通信信號(hào)具有較高的均峰比（Peak-to-Average Power Ratio），較高的均峰比將導(dǎo)致功率放大器的功率回退，這種功率回退降低了功率放大器的工作效率[4]。

為解決由高均峰比引起的功率回退，進(jìn)而導(dǎo)致的功率放大器效率變低的問題，文章采用40 nm 1P6M CMOS工藝設(shè)計(jì)，研究了一款提升NB-IoT極性調(diào)制發(fā)射機(jī)效率的混合電源調(diào)制電路，它由線性CLASS-AB放大器、非線性CLASS-D放大器和電流比較器等電路組成。測試結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的LDO電源調(diào)制器，該電路可以使功率放大器的效率提升12.0%，發(fā)射頻譜模板（mask）和誤差矢量幅度（EVM）均滿足3GPP要求。

1? 混合電源調(diào)制電路原理

混合電源調(diào)制電路的原理圖如圖3所示，由線性CLASS-AB放大器，非線性CLASS-D放大器和CLASS-E功率放大器組成。CLASS-AB放大器工作于負(fù)反饋模式，不僅線性的跟蹤和放大包絡(luò)信號(hào)，而且還可以衰減CLASS-D放大器的開關(guān)紋波。而CLASS-D放大器提供大部分電流，以提高CLASS-E功率放大器的效率。使用遲滯比較器將CLASS-AB放大器的輸出電流與固定的閾值電流進(jìn)行比較，比較的結(jié)果經(jīng)過控制電路處理后輸出至CLASS-D放大器。在CLASS-D放大器中，當(dāng)開關(guān)SW1閉合，SW2開啟時(shí)，流過電感L1的電流ID隨時(shí)間增加，負(fù)載電流中不需要的電流成分IAB流入CLASS-AB放大器。當(dāng)電流IAB超過某一閾值時(shí)，開關(guān)SW1開啟，SW2閉合，流過電感L1的電流隨時(shí)間減小。由于電流IAB在兩個(gè)小閾值電流之間振蕩起伏，相對(duì)于PA其功耗占比很小，而CLASS-D放大器提供了大部分負(fù)載電流，因此PA的效率得到了提高。為了避免開關(guān)SW1和SW2同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)開關(guān)通過非交疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。開關(guān)頻率與閾值電流大小和電感L1取值有關(guān)，開關(guān)頻率fsw可以表示為：

其中，RL為PA的工作阻抗，V0為CLASS-AB放大器的輸出電壓，It為閾值電壓。當(dāng)輸入信號(hào)為固定電壓值Vdd/2時(shí)，開關(guān)頻率達(dá)到最大值，為：

（2）

V0中開關(guān)頻率的紋波不能過大，否則會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出模板造成一定的影響。電感L1和閾值電壓It的合理取值會(huì)大大地減小開關(guān)頻率的紋波。CLASS-D放大器的輸出阻抗、電感L1和CLASS-AB放大器的輸出阻抗組成了串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò)。因此，為了實(shí)現(xiàn)較小的開關(guān)紋波，電感L1取值應(yīng)比較大，CLASS-AB放大器的輸出阻抗應(yīng)比較小。由于低頻極點(diǎn)的存在，CLASS-AB放大器的環(huán)路增益具有一階特性，對(duì)于高于極點(diǎn)的頻率，環(huán)路增益將有一階衰減。

CLASS-AB和CLASS-D放大器的總功耗可以由式（3）表示：

（3）

其中，Rind為電感的內(nèi)阻，Req和Ceq分別為CLASS-D放大器的等效輸出阻抗和等效輸出電容。

2? 混合電源調(diào)制電路設(shè)計(jì)

2.1? CLASSAB放大器電路設(shè)計(jì)

在極性調(diào)制發(fā)射機(jī)中，幅度信號(hào)和相位信號(hào)的帶寬比IQ正交信號(hào)拓寬了5～10倍[2]。因此線性放大器AB的帶寬需要做得足夠?qū)挘瑥亩狗刃盘?hào)的傳輸不失真。除此之外，線性放大器AB需具有較低的輸出阻抗，從而抑制CLASS-D放大器的開關(guān)噪聲。

為了滿足這些要求，文章中CLASS-AB放大器采用了兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。輸入級(jí)設(shè)計(jì)為軌到軌的結(jié)構(gòu)，以擴(kuò)大輸入和輸出電壓擺動(dòng)范圍。第一級(jí)放大器為折疊式的共源共柵結(jié)構(gòu)，輸入由兩對(duì)并聯(lián)的NMOS和PMOS管組成，使得當(dāng)輸入到達(dá)接近電源或地側(cè)時(shí)，另外一對(duì)還可以正常工作。共源共柵MOS管提高了第一級(jí)放大器的輸出阻抗，從而提高CLASS-AB放大器的增益。當(dāng)輸入共模處于中間電壓值時(shí)，輸入級(jí)的總跨導(dǎo)是NMOS或NMOS對(duì)的兩倍。由MOS管PM1和NM1組成的電路為CLASS-AB放大器的輸出級(jí)，也是第二級(jí)放大器，這種類似反相器的輸出結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了輸出電壓Vout的輸出范圍，使其具有接近軌到軌的輸出能力。輸入級(jí)和輸出級(jí)都設(shè)計(jì)為軌到軌結(jié)構(gòu)，目的是使反饋增益網(wǎng)絡(luò)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，提高CLASS-AB電路的線性度。第一級(jí)的輸出端通過串聯(lián)電阻R1和C1與放大器的輸出端相連是為了補(bǔ)償放大器的主極點(diǎn)，以改善穩(wěn)定性。CLASS-AB放大器的增益帶寬積設(shè)計(jì)為200 MHz，負(fù)載電容為1 nF，仿真相位裕度大于60度。

2.2? 電流比較和控制電路

由遲滯電流比較器組成的電流檢測和控制電路原理圖，如圖5所示。該電路的主要功能是檢測和比較CLASS-AB放大器提供的電流，并為CLASS-D放大器產(chǎn)生一個(gè)的遲滯控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)應(yīng)為：當(dāng)CLASS-AB放大器輸出的電流增加到超過某一閾值電流It1+It2時(shí)，CLASS-D放大器應(yīng)開啟;當(dāng)CLASS-AB放大器輸出的電流減小到較低的閾值電流It2時(shí)，CLASS-D放大器應(yīng)關(guān)閉。圖5所示電路工作原理如下：CLASS-AB放大器輸出電流通過NM1和PM1按比例復(fù)制，復(fù)制后的兩路電流相減后流向NM2。流經(jīng)NM2和NM4的電流，通過電流鏡PM2和NM3進(jìn)行比較。流經(jīng)PM3的電流由閾值電流It1和It2來決定。PM2和NM3的輸出連接反相器INV1，并通過反相器輸出提供反饋信號(hào)V1來控制NM6和NM7的柵極電壓。當(dāng)流經(jīng)NM2的電流大于流經(jīng)PM3的電流時(shí)，反相器INV1輸出為高電平，NM6的源漏阻抗Vds6小于NM7的源漏阻抗Vds7，此時(shí)流過NM8的電流沒有輸出到PM3，而是輸出到電源，PM3的電流等于It2。當(dāng)流經(jīng)NM2的電流小于流經(jīng)PM3的電流時(shí)，反相器INV1輸出為低電平，NM6工作在截至區(qū)，PM3的電流為It1+It2。因此輸出給電流比較電路的上限閾值電流由It1+It2決定，下限閾值電流由It2決定。反相器INV1輸出的控制信號(hào)V1，經(jīng)過兩級(jí)反相器后輸出至CLASS-D放大器。

3? 測試結(jié)果

混合電源調(diào)制電路通過40 nm 1P6M CMOS工藝進(jìn)行物理驗(yàn)證，其中CLASS-D放大器的面積為0.13 mm2，CLASS-AB放大器及比較器的面積也為0.13 mm2，芯片的顯微照片如圖6所示。

3GPP規(guī)范定義CLASS3最大發(fā)射功率為21～25 dBm，發(fā)射調(diào)制信號(hào)（12tone）占用帶寬（OBW）小于200.00 kHz，EVM小于17.5%，帶內(nèi)雜散輻射（SEM）滿足測試模板要求。采用文章提出的混合電源調(diào)制電路所設(shè)計(jì)的極性調(diào)制發(fā)射機(jī)，發(fā)射性能測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7中，測量的最大發(fā)射功率值為23.48 dBm，發(fā)射調(diào)制信號(hào)占用帶寬為175.22 kHz，測量的SEM在3GPP測試標(biāo)準(zhǔn)以下。圖8中，測量的EVM為6.9%。因此測量的發(fā)射機(jī)調(diào)制性能均能滿足3GPP要求，且留有較大裕量，以覆蓋溫度、環(huán)境和生產(chǎn)工藝變化帶來的測量偏差。比較PA的效率可以得出，采用文章中混合電源調(diào)制電路的PA效率比直接調(diào)制電源PA的效率提高了12.0%。

4? 結(jié)? 論

文章采用40 nm 1P6M CMOS工藝設(shè)計(jì)，研究了一款集成于NB-IoT芯片的混合電源調(diào)制電路。芯片測試結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射機(jī)輸出功率為23.48 dBm時(shí)，測量的EVM和OBW分別為6.9%和175.22 kHz，發(fā)射機(jī)效率提升12.0%，整體性能滿足測試規(guī)范要求。

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作者簡介：梁振（1979—），男，漢族，山東泰安人，工程師，博士，研究方向：射頻集成電路設(shè)計(jì)。