集成電路、無線通信單元、以及用于提供電源的方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于無線通信單元、用于提供電源的發送機架構和電路。本發明可用于，但不限于，線性發送機的電源集成電路和無線通信單元，以及對應的功率放大器電源方法。
【【背景技術】】
[0002]本發明的主要關注點和應用為可在無線通信應用中使用的射頻功率放大器(rad1 frequency power amplifier)。持續加載在有限的可用于射頻通信系統的頻譜上的壓力迫使頻譜效率線性調制方案(spectrally-efficient linear modulat1n schemes)的發展。由于大量線性調制方案的包絡(envelope)波動，導致傳輸給天線的平均功率實際上顯著地低于最大功率，由此造成了功率放大器的低效率。特別地，在該領域中，已有大量的研究工作用于發展有能力在功率放大器的回退(back-off)(線性(linear))區域提供高性能的高效的拓撲結構。
[0003]為了最小化來自頻譜再生長(spectral re-growth)的非期望的帶外福射(out-of-band emiss1n)，線性調制方案需要對調制信號進行線性放大。然而，典型的射頻放大裝置中所使用的有源器件(active devices)本質上是非線性(non-linear)的。僅且僅當很小一部分被消耗的直流電(DC power)轉化(transformed into)為射頻功率時，放大裝置的傳遞函數(transfer funct1n)可趨近于一條直線，也即，在理想的線性放大器情形下。這樣的操作方式(mode of operat1n)提供直流到射頻功率的低效率的轉化，因此不能被便攜式(用戶)無線通信單元所接受。另外，該低效率同樣被認為會給基站造成問題。
[0004]進一步，便攜式(用戶)設備的重點在于增加電池的壽命。為同時獲得線性度(linearity)和效率(efficiency)，所謂的線性化技術被用于改善更高效率的放大器類別(例如‘AB’類，‘B’類或‘C’類放大器)的線性度。已存在各種各樣的線性化技術，例如，笛卡爾反饋(Cartesian Feedback)，前饋(Feed-forward)，自適應預失真(AdaptivePre-distort1n)，這些線性技術通常用于設計線性發送機(transmitter)。
[0005]線性放大器(例如，AB類)的輸出端的電壓通常根據最終的射頻功率放大器設備的要求而設定。通常情況下，所述功率放大器的最小電壓會顯著地大于AB類的放大器的輸出電路所要求的電壓。因此，它們并非是最有效的放大技術。由于所述功率放大器的最小電源電壓(supply voltage) (Vmin)的要求，所述發送機(主要是功率放大器)的效率由所述輸出設備兩端的電壓，和任意下拉設備元件上的任意過電壓(excess voltage)所決定。
[0006]為提升上行通信信道的傳輸比特率，包括振幅調制(amplitude modulat1n, AM)元件的更大的星座調制機制(constellat1n modulat1n schemes)被研究，實際上，成為需求。這些調整機制，例如16比特的正交幅度調制(16-QAM)，需要使用線性功率放大器(Power Amplifier，PA)，并且與調制包絡波形(modulat1n envelope waveform)的高波峰(crest)因素(也即，波動的程度)有關。這與之前通常使用的恒定包絡調制機制(constantenvelope modulat1n schemes)形成對比，并導致功率效率和線性度的顯著降低。
[0007]為克服上述的效率和線性度問題，提出大量的解決方案。一種使用的技術涉及調制功率放大器的電源電壓(supply voltage)來匹配所述射頻功率放大器所傳輸的射頻功率波形的包絡。包絡調制(Envelope modulat1n)需要將來自功率放大器的反饋信號提供給放大器的至少一個控制端口。已提供的使用了包絡調制技術的方案包括:包絡消除與恢復(Envelope Eliminat1n And Restorat1n，EER)矛口包絡足艮蹤(Envelope Tracking，ET)。該兩種方案均需要給所述功率放大器的電源端(supply port)應用寬頻帶電源信號。
[0008]眾所周知，在高峰值平均功率(peak-to-average power, PAPR)高功率傳輸條件下，使用功率放大器電源射頻包絡跟蹤可同時改善功率放大器的效率和線性度。圖1描述了兩種可選的技術的圖示，第一種技術提供固定電壓電源105給功率放大器PA，而第二種技術中，功率放大器電源電壓調制為跟蹤所述射頻包絡波形115。無論被放大的所述調制后的射頻波形的本性是什么，在固定電源方案中，使用了額外的功率放大器電源電壓余量110(也因此潛在地被浪費)。然而，在功率放大器電源電壓跟蹤射頻包絡波形115的方案中，額外的功率放大器電源電壓余量120可通過調制所述射頻功率放大器的電源而被降低，因此，允許所述功率放大器電源來精確地跟蹤即時的射頻包絡。
[0009]眾所周知，開關模式電源(Switched-Mode Power Supply，SMPS)技術可用于提供改進的效率。開關模式電源為電子的供電電源，其集成有開關穩壓器(switchingregulator)以在電能轉換時具備高效率。與其他的電源類似，開關模式電源將功率(power)從源端(例如，無線通信單元的電池)傳輸給負載端(例如，功率放大器單元)，同時改變電壓和電流特性。開關模式電源通常用于高效地提供調制后的輸出電壓，通常該輸出電壓與輸入電壓具有不同的電平。與線性電源(linear power supply)不同的是，開關模式電源的通道晶體管在全開(full-on)和截止(full-off)狀態之間進行快速切換，由此可將功率的浪費最小化。電壓調節則是通過改變開狀態(“on”)與關狀態(“off”)的時間比例來實現。與此相反，線性電源必須浪費額外的電壓來調整輸出。高效率為開關模式電源的主要優勢。在需要更高的效率、更小的尺寸或更輕的重量的電源時，開關穩壓器被用來替代線性穩壓器。但是，開關穩壓器更為復雜，如果沒有得到很好地抑制，開關穩壓器的轉換電流將產生電氣噪聲，而簡單的設計將具有很差的功率因素。
[0010]圖2舉例說明了輸入功率210與輸出功率205的相對示意圖200，當功率放大器的電源(漏極)電壓(drain voltage)被調制為使用包絡跟蹤技術后，可獲得各種各樣的功能優勢和操作優勢。通過使能功率放大器的電源(漏極)電壓跟蹤即時的射頻包絡115，在調幅-調幅(Amplitude Modulat1n to Amplitude Modulat1n，AM-AM)曲線 220 的范圍上的恒定增益(constant gain) 215處，功率放大器可保持適度壓縮。與不允許功率放大器的電源電壓跟蹤所述功率放大器的即時的射頻包絡的技術相比，為了發送機獲得相同的線性度，對所述即時的射頻包絡115的電源電壓的跟蹤(使用包絡跟蹤)允許更高的輸出功率能力225。進一步，包絡跟蹤圖200還可被看作是，與采用具有固定電源的功率放大器的增益的架構相比，使用包絡跟蹤230可支持功率放大器增益衰減。本領域技術人員將了解，這主要是由功率放大器本身的特性以及在為包絡跟蹤選擇操作環境時所述功率放大器的工作點的函數(funct1n of the operat1n point)所致。
[0011]因此，與使用固定的功率放大器電源電壓的功率放大器增益相比，使用包絡跟蹤技術所獲得的功率放大器的增益將被縮減230。對于高峰值平均功率比環境，包絡跟蹤技術還可支持高效的增益潛能。此外，對于相同的輸出功率，功率放大器可操作在更低的溫度下，由此可減少熱量損失和增加效率。但是，同樣可知，包絡跟蹤技術要求高效率、高帶寬的電源調制器(supply modulator)以及對射頻包絡進行精確的跟蹤，因此，在實際中很難實現。
[0012]圖3舉例說明了在功率放大器電源(漏極)電壓被調制為使用包絡跟蹤技術時所需的頻率310與包絡譜線密度(envelope spectral density) 305的相對示意圖300。圖3還舉例說明了頻率360與綜合振幅調制功率(integrated amplitude modulatedpower) 355的相對示意圖350。包絡譜線密度展示了不同的調制情形的一些公共特征，例如，包括大部分的能量的低頻區(low-frequency reg1n)，和必須在4_8MHz再現的高頻區(high-frequency reg1n)。如圖所示，該兩種能量區域被另一區域所分離，該另一區域大致覆蓋10KHz-400KHz的范圍，且包括很少的能量。
[0013]有鑒于此，需要有改進的電源集成電路、無線通信單元和使用線性和高效的發送機架構來控制功率放大器的電源電壓的方法，特別的，需要有一種能夠以高效節能方式(power efficient manner)提供電源電壓的寬頻帶電源架構。
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【發明內容】
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[0014]因此，本發明力圖減輕、緩和或消除上面提及的一個或多個缺點中的某一個或者它們的組合。如附加的權利要求所述，本發明提供集成電路和無線通信單元。
[0015]本發明的各方面將明顯地來自參下來將要描述的實施例并將參考接下來將描述的實施例進行說明。
[0016]在閱讀了接下來的詳細的依據各種圖形和圖示所描述優選的實施例之后，本發明的各方面對于本領域技術人員應該是顯而易見地。
【【附圖說明】】
[0017]更詳細的，本發明的各方面和實施例將以依據附圖的實施例進行描述。為了簡單和簡潔，圖形中的元件并未依據比例進行繪制。為了容易理解，參考數字符號已包括在相應的圖示中。
[0018]圖1描述的附圖表示了提供固定電壓電源給功率放大器的第一電壓技術，和功率放大器電源電壓調制為跟蹤射頻包絡的第二電源技術。
[0019]圖2以圖示的方式描述了當功率放大器電源(漏極)電壓調制為使用包絡跟蹤技術后可獲得的各種功能和操作優點。
[0020]圖3以圖示的方式描述了當功率放大器的電源(漏極)電壓調制為使用包絡跟蹤技術后功率譜密度(power spectral density，PSD)與頻率的對照。
[0021]圖4描述了適用于支持包絡跟蹤的無線通信單元的一個實施例方框圖。
[0022]圖5描述了無線通信單元的發送鏈的電源電路500的一部分的大致實施例的方框圖。
[0023]圖6描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路600的一部分的更詳細的實施例方框圖。
[0024]圖7描述了適用于支持包絡跟蹤和固定漏極的無線通信單元的發送鏈的電源單元的時序圖。
[0025]圖8描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0026]圖9仍描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0027]圖10仍描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0028]圖11仍描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0029]圖12仍描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0030]圖13仍描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0031]圖14仍描述了適合于支持包絡跟蹤的無線通信單元的發送鏈的電源電路的一部分的更進一步的實施例的方框圖。
[0032]圖15描述了包絡跟蹤的一個實施例的流程圖。
[0033]圖16描述了一種可在本發明的實施例中實施信號處理功能的典型的計算機系統。
【【具體實施方式】】
[0034]本發明實施例將依據無線通信單元(例如，用于第三代合作伙伴計劃(ThirdGenerat1n Partnership Project, 3GPP?)的用戶設備)中所使用的一個或多個集成電路為例進行描述。但是，對于本領域技術人員而言，本發明的構思可用于任何類型的集成電路、無線通信單元或得益于改進后的線性度和效率的無線發送機。在本發明的一些實施例中，功率放大器(為線性發送機的一部分)的電源，被調整為寬頻帶電源，該寬頻帶電源可為射頻功率放大器提供改進的線性度和效率。雖然本發明實施例描述的是關于包絡跟蹤技術的方案，但是實際上本發明可實施