基于NB-IoT发射机的混合电源调制电路

梁振 石磊 徐肯 邓进丽 林树明

摘  要：为解决由NB-IoT高均峰比调制信号引起功率回退，进而导致功率放大器效率变低的问题，文章采用40 nm 1P6M CMOS工艺设计，研究了一款适用于NB-IoT极性调制发射机的混合电源调制电路。芯片测试结果表明，当发射机的输出功率为23.48 dBm时，采用此电路的极性调制发射机的效率可以提升12.0%，测量的发射机EVM（误差矢量幅度）为6.9%，占用带宽为175.22 kHz，整体性能均满足3GPP测试规范要求。

关键词：混合电源调制器;CLASS-AB放大器;CLASS-D放大器;极性调制发射机

中图分类号：TN752       文献标识码：A 文章编号：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

作为LTE的演进型技术，窄带物联网（NB-IoT）是旨在支持和优化窄带物联网应用的3GPP协议，并且朝着未来第五代（5G）移动通信演进[1]。为了延长电池的使用寿命和降低NB-IoT终端设备的成本，NB-IoT通信芯片需要低功耗设计并配备集成功率放大器。功率放大器是NB-IoT芯片中最为耗电的模块，且最大远程通信的输出功率需要满足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，近年来日益受到学术界和工业界的广泛关注。

在极性调制发射机中，IQ正交信号在数字基带中转换为幅度信号和相位信号[2]，如图1所示。相位信息搬移到射频频段后，通过非线性、高效率的功率放大器进行功率放大，而幅度信息通过功率放大器的电源电压进行处理。在功率放大器的输出端，相位信息和幅度信息合在一起，在高频载波上还原出基带信息，通过天线发射出去。极性调制发射机是非线性发射机，功率放大器中的放大MOS管工作在开关状态，具有较高的效率，对功耗要求较高的系统（如NB-IoT），通常采用极性调制发射机。

传统的电源调制电路通过低压差线性稳压器（LDO）实现[3]，如图2所示。这种线性电源调制器具有较好的线性，输出较小的纹波及较宽的带宽，可以实现优异的带内和带外频谱性能。然而NB-IoT的通信信号具有较高的均峰比（Peak-to-Average Power Ratio），較高的均峰比将导致功率放大器的功率回退，这种功率回退降低了功率放大器的工作效率[4]。

为解决由高均峰比引起的功率回退，进而导致的功率放大器效率变低的问题，文章采用40 nm 1P6M CMOS工艺设计，研究了一款提升NB-IoT极性调制发射机效率的混合电源调制电路，它由线性CLASS-AB放大器、非线性CLASS-D放大器和电流比较器等电路组成。测试结果表明，相对于传统的LDO电源调制器，该电路可以使功率放大器的效率提升12.0%，发射频谱模板（mask）和误差矢量幅度（EVM）均满足3GPP要求。

1  混合电源调制电路原理

混合电源调制电路的原理图如图3所示，由线性CLASS-AB放大器，非线性CLASS-D放大器和CLASS-E功率放大器组成。CLASS-AB放大器工作于负反馈模式，不仅线性的跟踪和放大包络信号，而且还可以衰减CLASS-D放大器的开关纹波。而CLASS-D放大器提供大部分电流，以提高CLASS-E功率放大器的效率。使用迟滞比较器将CLASS-AB放大器的输出电流与固定的阈值电流进行比较，比较的结果经过控制电路处理后输出至CLASS-D放大器。在CLASS-D放大器中，当开关SW1闭合，SW2开启时，流过电感L1的电流ID随时间增加，负载电流中不需要的电流成分IAB流入CLASS-AB放大器。当电流IAB超过某一阈值时，开关SW1开启，SW2闭合，流过电感L1的电流随时间减小。由于电流IAB在两个小阈值电流之间振荡起伏，相对于PA其功耗占比很小，而CLASS-D放大器提供了大部分负载电流，因此PA的效率得到了提高。为了避免开关SW1和SW2同时导通，两个开关通过非交叠时钟驱动。开关频率与阈值电流大小和电感L1取值有关，开关频率fsw可以表示为：

其中，RL为PA的工作阻抗，V0为CLASS-AB放大器的输出电压，It为阈值电压。当输入信号为固定电压值Vdd/2时，开关频率达到最大值，为：

（2）

V0中开关频率的纹波不能过大，否则会对发射机的输出模板造成一定的影响。电感L1和阈值电压It的合理取值会大大地减小开关频率的纹波。CLASS-D放大器的输出阻抗、电感L1和CLASS-AB放大器的输出阻抗组成了串联分压网络。因此，为了实现较小的开关纹波，电感L1取值应比较大，CLASS-AB放大器的输出阻抗应比较小。由于低频极点的存在，CLASS-AB放大器的环路增益具有一阶特性，对于高于极点的频率，环路增益将有一阶衰减。

CLASS-AB和CLASS-D放大器的总功耗可以由式（3）表示：

（3）

其中，Rind为电感的内阻，Req和Ceq分别为CLASS-D放大器的等效输出阻抗和等效输出电容。

2  混合电源调制电路设计

2.1  CLASSAB放大器电路设计

在极性调制发射机中，幅度信号和相位信号的带宽比IQ正交信号拓宽了5～10倍[2]。因此线性放大器AB的带宽需要做得足够宽，从而使幅度信号的传输不失真。除此之外，线性放大器AB需具有较低的输出阻抗，从而抑制CLASS-D放大器的开关噪声。

为了满足这些要求，文章中CLASS-AB放大器采用了两级级联放大器结构，如图4所示。输入级设计为轨到轨的结构，以扩大输入和输出电压摆动范围。第一级放大器为折叠式的共源共栅结构，输入由两对并联的NMOS和PMOS管组成，使得当输入到达接近电源或地侧时，另外一对还可以正常工作。共源共栅MOS管提高了第一级放大器的输出阻抗，从而提高CLASS-AB放大器的增益。当输入共模处于中间电压值时，输入级的总跨导是NMOS或NMOS对的两倍。由MOS管PM1和NM1组成的电路为CLASS-AB放大器的输出级，也是第二级放大器，这种类似反相器的输出结构，扩大了输出电压Vout的输出范围，使其具有接近轨到轨的输出能力。输入级和输出级都设计为轨到轨结构，目的是使反馈增益网络具有较大的动态范围，提高CLASS-AB电路的线性度。第一级的输出端通过串联电阻R1和C1与放大器的输出端相连是为了补偿放大器的主极点，以改善稳定性。CLASS-AB放大器的增益带宽积设计为200 MHz，负载电容为1 nF，仿真相位裕度大于60度。

2.2  电流比较和控制电路

由迟滞电流比较器组成的电流检测和控制电路原理图，如图5所示。该电路的主要功能是检测和比较CLASS-AB放大器提供的电流，并为CLASS-D放大器产生一个的迟滞控制信号。控制信号应为：当CLASS-AB放大器输出的电流增加到超过某一阈值电流It1+It2时，CLASS-D放大器应开启;当CLASS-AB放大器输出的电流减小到较低的阈值电流It2时，CLASS-D放大器应关闭。图5所示电路工作原理如下：CLASS-AB放大器输出电流通过NM1和PM1按比例复制，复制后的两路电流相减后流向NM2。流经NM2和NM4的电流，通过电流镜PM2和NM3进行比较。流经PM3的电流由阈值电流It1和It2来决定。PM2和NM3的输出连接反相器INV1，并通过反相器输出提供反馈信号V1来控制NM6和NM7的栅极电压。当流经NM2的电流大于流经PM3的电流时，反相器INV1输出为高电平，NM6的源漏阻抗Vds6小于NM7的源漏阻抗Vds7，此时流过NM8的电流没有输出到PM3，而是输出到电源，PM3的电流等于It2。当流经NM2的电流小于流经PM3的电流时，反相器INV1输出为低电平，NM6工作在截至区，PM3的电流为It1+It2。因此输出给电流比较电路的上限阈值电流由It1+It2决定，下限阈值电流由It2决定。反相器INV1输出的控制信号V1，经过两级反相器后输出至CLASS-D放大器。

3  测试结果

混合电源调制电路通过40 nm 1P6M CMOS工艺进行物理验证，其中CLASS-D放大器的面积为0.13 mm2，CLASS-AB放大器及比较器的面积也为0.13 mm2，芯片的显微照片如图6所示。

3GPP规范定义CLASS3最大发射功率为21～25 dBm，发射调制信号（12tone）占用带宽（OBW）小于200.00 kHz，EVM小于17.5%，带内杂散辐射（SEM）满足测试模板要求。采用文章提出的混合电源调制电路所设计的极性调制发射机，发射性能测试结果如图7和图8所示。

图7中，测量的最大发射功率值为23.48 dBm，发射调制信号占用带宽为175.22 kHz，测量的SEM在3GPP测试标准以下。图8中，测量的EVM为6.9%。因此测量的发射机调制性能均能满足3GPP要求，且留有较大裕量，以覆盖温度、环境和生产工艺变化带来的测量偏差。比较PA的效率可以得出，采用文章中混合电源调制电路的PA效率比直接调制电源PA的效率提高了12.0%。

4  结  论

文章采用40 nm 1P6M CMOS工艺设计，研究了一款集成于NB-IoT芯片的混合电源调制电路。芯片测试结果表明，当发射机输出功率为23.48 dBm时，测量的EVM和OBW分别为6.9%和175.22 kHz，发射机效率提升12.0%，整體性能满足测试规范要求。

参考文献：

[1] 王悦怡，夏凡，张晗，等.基于NB-IoT的市政智能井盖系统 [J].现代信息科技，2020，4（7）：165-167.

[2] 梁振，李斌，黄沫，等.基于极性发射机的两点调制锁相环的设计 [J].华南理工大学学报（自然科学版），2019，47（2）：9-15.

[3] WONG A C W，DAWKINS M，DEVITA G，et al. A 1 V 5 mA Multimode IEEE 802.15.6/Bluetooth Low-Energy WBAN Transceiver for Biotelemetry Applications [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2013，48（1）：186-198.

[4] BECHTHUM E，EL SOUSSI M，DIJKHUIS J F，et al. A CMOS Polar Class-G Switched-Capacitor PA With a Single High-Current Supply，for LTE NB-IoT and Emtc [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2019，54（7）：1941-1951.

[5] KUO F W，FERREIRA S B，CHEN H N，et al. A Bluetooth Low-Energy Transceiver With 3.7-mW All-Digital Transmitter，2.75-mW High-IF Discrete-Time Receiver，and TX/RX Switchable On-Chip Matching Network [J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2017，52（99）：1144-1162.

作者简介：梁振（1979—），男，汉族，山东泰安人，工程师，博士，研究方向：射频集成电路设计。