淺談電源閉環(huán)控制優(yōu)化GSM功率放大器

利用一個(gè)低成本、低功耗的對(duì)數(shù)放大/功率檢測器件（MAX4002）配合4波段GSM/GPRS功率放大器（PA）（XIN9133）構(gòu)成PA功率輸出的閉環(huán)控制方案。這種控制技術(shù)連續(xù)調(diào)整電源電壓（Vcc）使其保持在所允許的最小值，為功率放大器提供有效保護(hù)，與當(dāng)前的GSM系統(tǒng)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

GSM移動(dòng)電話中的PA可進(jìn)行調(diào)節(jié)，精確設(shè)定輸出功率，并且不得發(fā)射帶外信號(hào)（這要求嚴(yán)格控制功率的變化斜率，避免產(chǎn)生帶外噪聲）。此外，需要限制PA只在其自身的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)射，這同樣要求嚴(yán)格控制功率的變化斜率。如果功放開環(huán)工作，系統(tǒng)又無法提供上述控制時(shí)，則很難達(dá)到GSM的規(guī)范要求。因?yàn)镻A是非線性器件，增益和輸出都隨頻率、電池電壓和溫度而變化，另外，各芯片的增益控制斜率也各不相同。

本文所提供的功率控制技術(shù)具有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

● 頻率、溫度、Vcc變化時(shí)，功率變化量最??；

● 負(fù)載阻抗變動(dòng)時(shí)保證可靠工作；

● 環(huán)路穩(wěn)定性最高；

● 對(duì)不同功率級(jí)別環(huán)路帶寬變化最??；

● 最佳的瞬態(tài)頻譜和突發(fā)響應(yīng)。

功率放大器XIN9133和MAX4002一起可以提供非常好的閉環(huán)功放輸出控制。MAX4002連續(xù)監(jiān)測、控制XIN9133的輸出功率，使功率輸出只在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)變動(dòng)，與PA負(fù)載、電源、溫度的變化無關(guān)。典型的功率輸出電平可以控制到十分之一dB，使手機(jī)生產(chǎn)商可以更好地控制輸出功率。由于GSM規(guī)范針對(duì)手機(jī)規(guī)定了輸出功率的最小值和典型值，嚴(yán)格控制輸出功率能夠?yàn)樯a(chǎn)商在手機(jī)性能方面提供更多的選擇。

比如廠商可以將輸出功率設(shè)定在所允許范圍的較低數(shù)值，以延長手機(jī)的通話時(shí)間。這個(gè)結(jié)構(gòu)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是器件工作可以更穩(wěn)定。因?yàn)槭謾C(jī)功率放大器通常直接接到天線，工作時(shí)會(huì)面臨大幅度變化的負(fù)載。

在這樣的環(huán)境下，開環(huán)控制的PA輸出功率會(huì)提高3dB，PA消耗的電流、熱效應(yīng)以及器件的穩(wěn)定性都會(huì)受到影響。另外，手機(jī)電源的電壓波動(dòng)（2.9V~5.5V）也在一定程度上影響PA的工作性能，因?yàn)楦唠娫措妷?、低?fù)載阻抗會(huì)使輸出電流增大。通過控制XIN9133的Vcc電源電壓可以減緩上述問題。

GSM功率控制系統(tǒng)構(gòu)成

許多GSM功率控制系統(tǒng)監(jiān)測輸出功率或集電極/漏極電流。XIN9133內(nèi)部有一個(gè)高速控制環(huán)路，用于調(diào)節(jié)放大器的集極電壓，并在每一級(jí)維持一個(gè)固定偏置。PA的供電電壓穩(wěn)定在3.6V最大值，大大減輕了器件在負(fù)載失配情況下的負(fù)荷。

通過調(diào)節(jié)電源電壓，Vcc控制電路在各級(jí)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，輸出功率最大，集電極電壓隨著輸出功率的減小而減小。式1給出了輸出功率和集極電壓的相互關(guān)系。XIN9133的內(nèi)部集電極電壓調(diào)節(jié)有兩個(gè)好處，一方面，它消除了影響輸出功率變化的兩個(gè)因素之一 ；另一方面，通過限制器件的最大電源電壓提供輸出級(jí)的過流保護(hù)。負(fù)載阻抗和供電電壓的波動(dòng)是導(dǎo)致輸出功率變化的主要因素。

傳統(tǒng)架構(gòu)中，PA增益（用dB/V表示）隨著功率的變化而變化，從而導(dǎo)致功率控制環(huán)路帶寬的變化。有些PA的增益（控制斜率）范圍為100dB/V ~ 1000dB/V。這樣，電路設(shè)計(jì)必需提供足夠的環(huán)路帶寬，以適應(yīng)低斜率控制時(shí)的突發(fā)模板要求，而且還要保證高斜率控制時(shí)的環(huán)路穩(wěn)定性。

XIN9133與MAX4002相結(jié)合，通過控制Vcc電源電壓使PA增益保持一致，從而解決了環(huán)路穩(wěn)定性問題。XIN9133環(huán)路帶寬由內(nèi)部控制電路和RF輸出負(fù)載決定，不隨功率大小的變化而改變。由于偏置和集電極電壓不變，使得維持寬帶環(huán)路的穩(wěn)定性更容易?？刂骗h(huán)路的一個(gè)問題是環(huán)路延時(shí)對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的影響，在本應(yīng)用中將直接影響突發(fā)脈沖的時(shí)間控制。

這是由于VCO信號(hào)功率隨溫度、頻率和供電電壓變化造成的。當(dāng)VCO信號(hào)功率變化時(shí)，環(huán)路增益亦隨之變化，影響了環(huán)路帶寬。突發(fā)定時(shí)會(huì)因此發(fā)生偏移，尤其是在低功率電平下。因?yàn)閄IN9133對(duì)輸入功率變化不敏感，突發(fā)定時(shí)保持恒定，不需要軟件補(bǔ)償。突發(fā)脈沖的上升/下降沿不夠平滑時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生開關(guān)瞬變。為了保證平滑的控制過程，必須改變集電極電壓，實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制。保持各級(jí)電路的固定偏置也可以消除反射點(diǎn)。

PA的控制原理

PA控制環(huán)路可以消除功率放大器增益變化的影響。給出了一個(gè)PA控制環(huán)路，它可以消除任何負(fù)載變動(dòng)或PA增益隨溫度變化的影響，因?yàn)镻A處于系統(tǒng)的前向通道。當(dāng)環(huán)路提供足夠的增益時(shí)，環(huán)路精度主要依賴于反饋通道的器件（功率耦合器和檢測器）。

根據(jù)Vramp，控制環(huán)路將PA增益控制電壓設(shè)置在適當(dāng)?shù)碾娖?，以便產(chǎn)生所需要的輸出功率。功率檢測器與耦合器連接，產(chǎn)生與輸出功率相關(guān)的電壓，這個(gè)電壓與基帶產(chǎn)生的Vramp進(jìn)行比較，由誤差放大器放大誤差電壓，通過調(diào)整功放的電源電壓，使誤差趨于零。這樣的閉環(huán)控制響應(yīng)不需要了解功放特性，如輸出功率隨溫度的變化、輸出功率隨供電電壓的變化等。

PA輸出功率控制環(huán)路，由XIN9133功率放大器和MAX4002功率控制器組成。除了PA和耦合器，其他電路包含在PA控制器MAX4002內(nèi)，包括RF檢測器、斜率控制器和誤差放大器。

電路能夠產(chǎn)生固定輸出功率，功率檢測器的寬動(dòng)態(tài)范圍（MAX4002為50dB）能夠在較寬的功率范圍精確設(shè)置PA的輸出功率。如上所述，控制回路中反饋通道的器件決定了增益?zhèn)鬏敽瘮?shù)。RF檢測器是其中的關(guān)鍵器件，為了達(dá)到最佳性能，它必須具有高精度和溫度穩(wěn)定性，并且，最好是對(duì)數(shù)（dB）線性響應(yīng)。控制環(huán)路要求PA的增益控制傳輸函數(shù)是單調(diào)的。當(dāng)RF檢測器是對(duì)數(shù)線性時(shí)，Vramp對(duì)PA輸出功率也是對(duì)數(shù)線性的，這樣可以簡單地校準(zhǔn)系統(tǒng)。

時(shí)隙要求

GSM移動(dòng)電話采用時(shí)分復(fù)用（TDMA）傳輸數(shù)據(jù)。TDMA格式包含8個(gè)時(shí)隙，手機(jī)功放通常在其中一個(gè)時(shí)隙發(fā)射。為了防止手機(jī)相互干擾，TDMA系統(tǒng)有嚴(yán)格的時(shí)隙要求。為了滿足GSM時(shí)隙要求，PA輸出必須具有快速的上升和下降時(shí)間，同時(shí)還需保證在時(shí)隙內(nèi)不產(chǎn)生額外的頻率分量，即使PA輸出信號(hào)的包絡(luò)非常陡峭。

Vramp設(shè)置RF輸出功率，在Vramp引腳提供控制電壓可以使PA輸出功率（Pout）限制在要求的時(shí)隙內(nèi)。這個(gè)時(shí)隙在溫度、電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)能夠滿足指標(biāo)要求。利用MAX4002控制XIN9133功放，可以保證PA輸出符合GSM規(guī)范要求。使基帶DAC輸出和PA輸出功率保持線性關(guān)系，簡化了手機(jī)生產(chǎn)中的PA校準(zhǔn)回路。

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