专利名称：具有数字自适应电源升压的放大器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有按需(on-demand)电源升压的放大器系统。
技术背景
放大器效率是放大器提供给负载的功率与提供给放大器的功率的比。放大器中的 功耗越小，放大器的效率就越好。对于具有固定电源并且处理具有高的峰均比(PAR)和低 的激励百分比(percentageactuation)的信号的传统放大器系统(AB类)而言，存在大量 的功率被浪费。一种用于降低功率的方法是按需电源升压系统，其对非常低的电源电压使 用H类技术。然而，具有按需电源升压的传统放大器系统仍具有不必要的功耗。
图1示出了具有按需电源升压的传统放大器系统。假设将+6V和-6V的电源分别 施加到VCC和VEE。放大器101在输入端子102处接收变化的输入信号INPl和INP2并且 由来自电荷泵103A的VCCP和来自电荷泵10 的VEEP供电。电荷泵103A包括晶体管QA、 二极管DA、电容器CA和电流源1031。
晶体管QA是NPN晶体管并且被偏置为电压跟随器，其基极经由混合器105和增益 电路104A耦接至变化的输入信号，其集电极耦接至固定DC电压VCC，并且其发射极耦接至 电流源1031。假设晶体管QA的基极-发射极结两端的二极管压降是0. 5V，其基极处的输 入信号在-5V和5V之间变化，二极管DA两端的压降是0. 5V，并且固定DC电压Vcc是6V。 当晶体管QA的基极处的输入信号是-5V时，晶体管QA截止。电容器CA的顶部处的电压是 5. 5V(6V的固定DC电压VCC减去二极管DA上的0. 5V的压降)，并且电容器CA的底部处的 电压是-6V(电流源1031饱和，使CA的底极板或节点CAPP被拉至VEE或-6V)。因此电容 器CA两端的总电压是11. 5V。当晶体管QA的基极处的输入信号从-5V上升到5V时，电容 器CA的底部处的电压从-6V变为+3. 5V。由于电容器CA两端的电压不能立即改变，因此 附加的9. 5V将电容器CA的顶部处的电压从5. 5V升压到15V。因此，尽管仅存在可用的6V 电源Vcc，但是在需要时短暂地向放大器101提供15V的电源电压VCCP。
类似地，电荷泵10 包括晶体管QB、二极管DB、电容器CB和电流源1032，并且向 放大器101提供在-5. 5V和-15V之间切换的电源电压VEEP。利用该系统，仅通过总共12V 的DC电源就可能获得30V的动态电源。
如图2中所示，当端子102上的输入峰值预示着输出(V0PA和V0NA)峰值将超过 电源容量时，电荷泵103A和1(X3B分别向放大器101提供超过其电源的升压电压VCCP和 VEEP，并且电荷泵103A和10 确保在必要时存在足够的电源电压以适应(accommodate) 峰值信号从而避免限幅(clipping)并且当输入操作于其正常的RMS电压范围时仍使电源电压保持在低电平。
增益电路104A和104B被设置为使得当输入信号达到峰值时，考虑到放大器101 的特定增益，电荷泵103A和10 提供的电压VCCP和VEEP将足以向放大器101提供必要 的电源电压。混合器105确保不管端子102处的摆动极性(swing polarity)如何都能让 合适的摆动极性到达放大器104A和104B。
虽然在传统AB类系统上存在功率节约，但是由于晶体管QA和QB作为电压跟随器 工作并保持导通，并且即使在输入未达到峰值(例如，图2中的tl之前)并且没有必要补 偿过大峰值时，VCCP和VEEP仍与端子102处的输入信号一致地连续变化，因此该按需放大 器系统仍具有不必要的功耗。因此，期望提供一种具有按需电源升压的功率效率更高的放 大器系统。
为了能够理解本发明的特征，下文描述了许多附图。然而，应当注意，附图仅示出 了本发明的特定实施例并且因此不应被视为本发明的范围的限制，本发明可以涵盖其他等 同有效的实施例。
图1示出了具有按需电源升压的传统放大器系统。
图2示出了图1中示出的传统放大器系统中的VEEP和VCCP的示例性波形。
图3是可以替换图1中的电荷泵103A的根据本发明一个实施例的电荷泵的框图。
图4A 4C示出了图3中示出的电荷泵中的信号的示例性波形。
图5示出了图3中示出的电荷泵的示意图。
图6A 6E示出了图5中示出的电荷泵中的信号的示例性波形。
图7示出了根据本发明一个实施例的具有数字自适应电源升压的放大器系统。
图8是电荷泵500和701产生的电压VCCP和VEEP的示例性波形。
图9是根据本发明一个实施例的电荷泵的框图。
图10是图9中的电荷泵900的示意图。
图IlA IlE示出了图10中的电荷泵中的信号的示例性波形。
图12是根据本发明一个实施例的电荷泵的框图。
图13是图12的电荷泵的示意图。
图14A 14E是图13中示出的电荷泵中的信号的示例性波形。
图15是根据本发明一个实施例的电荷泵的框图。
图16是图15的电荷泵的示意图。
图17是根据本发明一个实施例的电荷泵的框图。
图18是图17的电荷泵的示意图。
具体实施方式
本发明为图1的传统放大器系统提供了改进的电荷泵以提高放大器系统的功率 效率。电荷泵可以响应于放大器的输入信号的增大而在固定输入DC电压与升压值(维持 一定时间周期)之间切换。电荷泵可以使用开关晶体管，该开关晶体管仅在放大器的输入 信号超过阈值时导通。放大器系统可以用于包络跟踪，特别是用于例如码分多址(CDMA)、增6强数据速率的GSM演进技术(GSM-EDGE)或者其他传统蜂窝式系统的低占空比信号的包络 跟踪。放大器系统还可以用于诸如xDSL、ADSL和VDSL通讯(telco)操作中的具有低占空 比的高峰均比的系统。
图3是可以替换图1中的电荷泵103A的根据本发明一个实施例的电荷泵300的电 路图。如所示出的，二极管Dl可以是肖特基二极管，并且负载RLOAD可以表示放大器101。 开关SWl可以是诸如PNP双极型晶体管或ρ沟道MOSFET的有源开关器件，并且可以由控制 信号Vl控制。在一个示例中，控制信号Vl可以是将放大器101的输入信号与阈值Tl进行 比较的比较器301的二进制输出。控制电压Vl还可以控制开关SW，以便在开关SWl闭合并 且电荷泵被启动时使电流源Isotcei与电荷电容器Cl断开连接，从而使电流源Isotcei停止从 VCC拉(pull)电流。单向隔离器件D(例如，二极管)可以用于使电流源Isotkei停止从Vl 拉电流。
当负载R·的输入信号未超过阈值Tl时，开关SWl可以断开，电荷泵300可以不 被启动，并且电容器Cl可以沿包括二极管Dl、电容器Cl、开关SW和电流源Isotcei的电路路 径来由电压VCC充电，以便向负载R_输出电压。当负载R_的输入信号超过阈值Tl时， 控制信号Vl可以变为0以便接通开关SWl，断开开关SW，并且将输出到负载Rumd的电压推 送至高于电压VCC。
图4A是负载Rum的示例性的输入信号，图4B是控制电荷泵300中的开关SWl的 控制信号Vl的示例性波形，并且图4C是电荷泵300中的电容器Cl两端的电压的示例性波形。
如图4A、图4B和图4C中所示，当t = 0时，负载R_的输入信号可以低于阈值Tl， 控制信号Vl可以为高电平，开关SWl可以断开，并且开关SW可以闭合。假设二极管Dl两 端的压降可以是VD 0. 5V，并且开关SWl两端的压降可以是VSWl IV。Rujad两端的电压 可以是(VCC-VD)，并且电容器Cl可被充电至
(VCC-VD) ^ (VCC-0. 5) V
当t = tl时，负载Rum的输入信号可以超过阈值Tl，控制信号Vl可以变为低电 平，并且开关SWl可以闭合，使电容器Cl与VCC串联连接。开关SW可以断开，使电容器Cl 和电流源Isram断开连接。结果，Rload两端的电压可以增加至
(VCC-VSffl)+ (VCC-VD) ^ (VCC-I) + (VCC-0. 5) = 2VCC-1. 5V
当t = t2时，放大器101的输入信号可以降至阈值Tl以下，控制信号Vl可以变 为高电平，并且开关SWl可以断开。Rum两端的电压可以返回到(VCC-VD)。电容器Cl两端 的电压可以下降至
(VCC-VD) (e-(t2"tl)/CXEL0AI))-(VCC-VSff)(卜一仏“，并且电容器 C1 可以开始 重新充电。
当t = t3时，电容器Cl可以充满电，并且占空比(脉冲持续时间与周期之间的 比)可以是
权利要求
1.一种具有按需电源升压的放大器系统，包括 放大器电路，具有用于输入信号的输入端；比较器，具有用于所述输入信号和阈值信号的输入端以及用于二进制比较信号的输出 端；以及电荷泵，耦接至具有预定电源电压的电源，并且包括单向隔离器件，在输入端处耦接至所述电源；电荷存储器件，在第一末端处耦接至所述单向隔离器件的输出端以及在第二末端处耦接至固定电压，并且在所述第一末端处耦接至所述放大器电路的电源输入端；以及开关，耦接在所述电源和所述电荷存储器件的所述第二末端之间，并且所述开关由来自所述比较器的所述二进制比较信号控制。
2.如权利要求1所述的放大器系统，其中，仅当所述输入信号超过所述阈值信号时，所 述开关被接通以将所述电荷存储器件的所述第二末端耦接至所述电源，以便使所述放大器 电路的所述电源输入端处的电压升压超过所述预定电源电压。
3.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述开关是晶体管。
4.如权利要求3所述的放大器系统，其中，所述开关选自由PNP双极型晶体管和ρ沟道 MOSFET构成的组。
5.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述固定电压由电流源提供。
6.如权利要求1所述的放大器系统，还包括第二比较器，具有用于所述输入信号和第二阈值信号的输入端以及用于第二二进制比 较信号的输出端；以及第二开关，耦接至所述电荷存储器件的所述第二末端，并且仅当所述输入信号超过所 述第二阈值信号时所述第二开关被接通，以便于在所述放大器电路的所述电源输入端处的 电压中产生附加的升压台阶。
7.如权利要求6所述的放大器系统，其中，所述第二开关是晶体管。
8.如权利要求6所述的放大器系统，其中，所述第二开关耦接至所述电源并且被部分 接通以便在所述放大器电路的所述电源输入端处的电压中产生所述附加的升压台阶。
9.如权利要求6所述的放大器系统，其中，所述第二开关耦接至同一电源，以便在所述 放大器电路的所述电源输入端处的电压中产生所述附加的升压台阶。
10.如权利要求5所述的放大器系统，还包括第三开关，由来自所述比较器的所述二 进制比较信号控制，以便使所述电荷存储器件与所述电流源断开连接。
11.如权利要求10所述的放大器系统，还包括第二单向隔离器件，耦接在所述比较器 的所述输出端和所述第三开关的控制端之间。
12.—种具有按需电源升压的放大器系统，包括 放大器电路，具有用于输入信号的输入端；比较器，具有用于所述输入信号和第一阈值信号的输入端以及用于二进制比较信号的 输出端；以及电荷泵，耦接至具有预定电源电压的电源，并且包括 单向隔离器件，在输入端处耦接至所述电源；电荷存储器件，在第一末端处耦接至所述单向隔离器件的输出端以及在第二末端处耦 接至固定电压；开关，耦接在所述电源和所述电荷存储器件的所述第二末端之间，并且由所述二进制 比较信号控制；第二比较器，具有用于所述输入信号和第二阈值信号的输入端以及用于第二二进制比 较信号的输出端；以及第二电荷泵，包括第二单向隔离器件，在输入端处耦接至所述单向隔离器件的输出端；第二电荷存储器件，在第一末端处耦接至所述第二单向隔离器件的输出端以及在第 二末端处耦接至第二固定电压，并且在所述第一末端处耦接至所述放大器电路的电源输入 端；以及第二开关，耦接在所述电源和所述第二电荷存储器件的所述第二末端之间，并且由所 述第二二进制比较信号控制，其中，仅当所述输入信号超过所述第一阈值信号时所述开关 被接通，以便将所述电荷存储器件的所述第二末端耦接至所述电源，从而使所述放大器电 路的所述电源输入端处的电压升压以超过所述预定电源电压，以及其中，仅当所述输入信号超过所述第二阈值信号时所述第二开关被接通，以便将所述 第二电荷存储器件的所述第二末端耦接至所述电源，从而在所述放大器电路的所述电源输 入端处的电压中产生附加的升压台阶。
13.如权利要求12所述的放大器系统，其中，所述第二开关是晶体管。
14.如权利要求12所述的放大器系统，其中，所述第二开关是PNP双极型晶体管。
15.如权利要求12所述的放大器系统，其中，所述第二开关是ρ沟道M0SFET。
16.如权利要求12所述的放大器系统，其中，所述第二固定电压由电流源提供。
17.一种用于为放大器系统提供按需电源升压的方法，包括将放大器电路的输入信号与阈值进行比较；利用来自电荷泵的电压为所述放大器电路供电，所述电荷泵耦接至具有预定电源电压 的电源；以及仅当所述输入信号超过所述阈值时启动所述电荷泵，以便使为所述放大器电路供电的 电压升压超过所述预定电源电压。
18.如权利要求17所述的方法，还包括当所述输入信号超过所述阈值时，使开关接通 以启动所述电荷泵。
19.如权利要求17所述的方法，还包括将所述放大器电路的所述输入信号与第二阈值进行比较；以及当所述输入信号超过所述第二阈值时，在为所述放大器电路供电的电压中产生附加的 升压台阶。
20.如权利要求17所述的方法，还包括将所述放大器电路的所述输入信号与第三阈值进行比较；以及当所述输入信号超过所述第三阈值时启动第二电荷泵，以便在为所述放大器电路供电 的电压中提供附加的升压台阶。
21.一种具有按需电源升压的放大器系统，包括放大器电路，具有用于输入信号的输入端；比较器，具有用于所述输入信号和阈值信号的输入端以及用于二进制比较信号的输出 端；以及电荷泵，耦接至具有预定电源电压的第一电源和第二电源，并且包括单向隔离器件，在输入端处耦接至所述第一电源；电荷存储器件，在第一末端处耦接至所述单向隔离器件的输出端并且在第二末端处耦 接至固定电压，并且在所述第一末端处耦接至所述放大器电路的电源输入端；以及开关，耦接在所述第二电源和所述电荷存储器件的所述第二末端之间，并且由来自所 述比较器的所述二进制比较信号控制。
22.如权利要求21所述的放大器系统，其中，仅当所述输入信号超过所述阈值信号时 所述开关被接通，以便将所述电荷存储器件的所述第二末端耦接至所述第二电源，从而使 所述放大器电路的所述电源输入端处的电压升压超过所述预定电源电压。
23.如权利要求21所述的放大器系统，其中，所述开关是晶体管。
24.如权利要求23所述的放大器系统，其中，所述开关选自由PNP双极型晶体管和ρ沟 道MOSFET构成的组。
25.如权利要求21所述的放大器系统，其中，所述固定电压由电流源提供。
全文摘要
本发明涉及一种具有数字自适应电源升压的放大器系统，所述放大器系统包括用于向放大器提供电源的电荷泵。该电荷泵可以响应于放大器的输入信号的增大而在固定输入DC电压和升压值(维持一定时间周期)之间切换。该电荷泵可以使用开关晶体管，该开关晶体管仅在放大器的输入信号超过阈值时导通。该放大器系统可用于包络跟踪，特别是用于例如xDSL或vDSL的低占空比信号的包络跟踪。
文档编号H02M3/07GK102047540SQ201080000771
公开日2011年5月4日 申请日期2010年3月19日 优先权日2009年3月20日
发明者C·埃尔-库利, J·皮尔多梅尼克, Z·弗世 申请人:美国亚德诺半导体公司