波形包络提取与峰值提取_用于4G通信的CMOS包络跟踪功率放大器设计（ETPA）

在互联网时代，知识是廉价的，图书馆、百度学术、知网，同行的资料都可以参考，但是仅有这些参考资料是不行的，有人指导更好，没有的话势必要走很多弯路，有些东西不会有人写在纸上给你，而这些东西却非常关键。我也是过来人，对于ETPA，这里分享下我的设计过程，分享一些关健而其它资料没有的东西。希望有助于需要的人。

这篇文章尽可能不提ETPA的理论，不推公式，可以在其它资料上找到的东西都尽量不写，我只是分享下设计与仿真的过程。

该ETPA来源于2019年工信部举办的大学生集成电路创新创业大赛IEEE杯赛题

• 设计指标：

1. 射频载波频率：2.535GHz

2.基带频率:0-20MHz（调制方式16QAM）

3. 输出信号功率＞23dBm

4.PAE>35%

5.比赛提供CMOS 65nm PDK

要求提供管级电路仿真结果

• 分析：射频输出约200mW，PAE 35%，调制电源需要提供200/0.35=571mW，按600mW算，调制电源需要能输出600mW功率，电源静态功率尽可能小（小于输出功率10%），供电电源3.3V。 PA输入0dBm，增益25dB，输出25dBm，满足要求

本设计重点参考电子科技大学2016年硕士毕业论文：高效率 CMOS 包络放大器芯片设计，（致谢）

• 包络检波器设计

设计1，最简单的共漏极MOS管整流，为了使输出信号不太小，NMOS具有一定面积，1*10=10um²，NMOS管的开启电压Vth约0.25V，0.25V以上信号通过，0.25V以下信号截止，RC带通滤波器对整流信号滤波，输出检波信号。

可以看见，0.25V以上检波没有问题，而0.25V以下的信号丢失了！

这里说明下图右上的LTE模拟信号，可以用Matlab生成，可以使用ADS生成，当时这个波形文件就花了我几天时间，这里介绍下怎么用ADS生成vitruoso可用的PWL波形文件

将导出的TIM文件用TXT打开，可以看见横轴和纵轴数据，另存，将TXT后缀改为dat格式，这样virtuoso就可以使用该波形文件

现在回到上述问题，0.25V以下信号丢失！使用新结构

分析下原理：CS管输入，采用最小尺寸，因此输入对电压不是很敏感（上一次输入管尺寸较大），输入mV级信号没问题，电流镜左PMOS最小尺寸 410nm*1，右PMOS 3u*30，电流放大多少倍你自己算下^^,右下NMOS二极管接法做负载，电路使用晶体管寄生电容和电流镜PMOS的电阻效应构成RC低通滤波器，从波形看检波管明显放大的输入信号，这一点也不同于第一个检波器，检波器最大可输出3.3V电压，静态功耗392uA（第一个检波器可以认为没有静态功耗）。

• 运算放大器设计（闭环做线性稳压器使用）

检波器输出接线性稳压器输入，线性稳压器放大LTE信号中低功率高频信号

要求：基带信号20MHz，要求运放在0-20MHz保持良好的相位裕度，也即运放带宽大于20MHz，我们定为30MHz吧（带宽内增益、相移为常数），然后就是稳定，开环增益定位40dB。有这两个指标就可以往下设计了

差分输入级：2um*2，放大输入信号，折叠式共源共栅晶体管尺寸从上至下依次为120um*1，600*1，300*1，300*1，400*1，120*1，中间两个300*1的晶体管是为输出推挽级提供浮动偏置用的，输出管提供功率输出，因此尺寸很大，PMOS 3*50，NMOS 1*50，

仿真

• 控制电路设计

为什么要控制电路呢？我们先看看控制电路在整个电路中的位置，信号提取电阻Rs一般远小于负载电阻，比如负载50姆，则Rs500 毫欧。

我们已经知道，ETPA的调制电源是由线性电源电源和开关电源并联构成，线性电源效率低但是带宽宽，开关电源效率高但带宽不行（线性度差），而4G信号的特征是低频（直流及极低频）信号功率占70%以上，10MHz以上高频信号功率占总功率不到15%，因此工程师自然想到用开关放大器（即开关电源）放大低频信号，线性放大器（线性电源）放大高频信号，这样就兼顾了效率和线性度，简直是不要太完美！控制电路就是用来分裂信号中的高频和低频信号，将低频信号提取出来给开光放大器放大，那么控制电路是怎么做到的呢？控制电路核心就是一个滞回电压比较器，滞回比较器的滞回量h直接决定从哪个频点区别高频和低频。信号变化太快（频率高），时间小于滞回量h，那么滞回比较器“反应不过来”依然保持在原来的状态，只有低频信号才能引起滞回比较器的“兴趣”，这样低频信号就被“提取”出来了。我们从滞回比较器的波形可以看见这种效果

要设计这个控制电路，就需要了解滞回比较器的运行原理，核心就是正反馈！正反馈强，反应快，正反快弱，比较器反应就慢！正反馈强度直接关联高低频分裂点！

分析下原理图，差分放大器输入→电流镜提取并放大电流，判定级正反馈使M7或M8其中一个迅速饱和，输出方波（不一定是标准的方波），输出级轨对轨电压输出。判定级是比较器的核心，很多人不明白判定级的工作原理，这里说一下，M6、M9是作为电流镜右支的负载，M10尾电流源（也作负载），M7、M8这种MOS管这种接发就构成正反馈了，滞回比较器输入的是差模电压，也就是M4和M5通过的电流总有一个在增大另一个在减小，假设Im4增大，Im5减小，此时M7会渐渐的饱和，漏极电压减小，也即M8栅压减小，M8电流进一步减小，从而M8漏压上升→M7栅压上升，M7更加趋向饱和，这样一个过程使得增加的会增加更快，减小的会减小更快，要饱和的迅速饱和，要截止的迅速截止。其工作原理就是如此，理解并熟练应用反馈可以让我们在模拟电路中如虎添翼。以下是我的virtuoso原理图

管子参数如下：M3、M4、M6、M9、M10 200nm*1，M4、M5、M13、M14 200*2，M1、M2 、M7、M8、M11、M12 400*2

输出不需要严格的轨到归，控制器的输出只给开关放大器输入，需要的是相位与幅度基本无关。仿真结果看出，2M低频可以清晰提取，10M就被过滤了，高低频区分点后来再根据需要调整，仿真中可以完美提取1M以及更低的频率。控制器静态电流75uA。

• 开关电源（开关放大器）

在这个设计中，开关放大器是最简单的模块，只需要将控制器输出波形“整形”成标准方波并提供轨到轨输出，最后输出级提供足够的功率输出就行了，基本就是用2或4个非门“整形”，大尺寸推挽级输出，输出串联滤波电感，提取基波合成到线性电源输出端。

推挽输出管尺寸均为2um*50，片外电感1-10uH，负载50欧姆

静态功耗就不提了（理论上为0），后期再仿真整个电源，待更新