手機音頻功放IC的作用及特性要求

什么是功放？

功率放大器（PowerAmplifier，簡稱PA）簡稱功放，俗稱“擴音機”，是音響系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，它的任務(wù)是把來自信號源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調(diào)音臺）的微弱電信號進行放大以驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。

手機功放的特性要求

GSM/GPRS四頻手機是依據(jù)ETSI/3GPP的通訊標(biāo)準(zhǔn)來傳送信號，所以功率放大器的特性必須符合以下的要求。

一般而言，PA之輸出功率等級在GSM850MHz/900MHz頻段，分為5（33dBm）~19（5dBm）等十五個功率等級，在DCS1800MHz/PCS1900MHz頻段，則有0（30dBm）~15（0dBm）等十六個功率等級，隨著手機距離鄰近基站的遠近與手機收信狀況的好壞，PA的輸出功率等級必須依據(jù)基站的指示做相對調(diào)整及精確的設(shè)定，不是只有單一的輸出功率。

因為GSM/GPRS通訊系統(tǒng)乃是TDMA系統(tǒng)（Time-Division-multiple-Access），故信號之傳送（up-Link）與接收（down-Link）不是同時間發(fā)生的，而PA主要是負責(zé)傳送手機信號到基站，其PA功率操作反應(yīng)時間必需符合ETSI/3GPP通訊標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)范，如圖1所示，分三段時間區(qū)域（a）28us（b）542.8us（c）28us，在（a）區(qū)域，當(dāng)手機欲傳送信號到基站，PA必須在28us內(nèi)做好Power-ramping-up的準(zhǔn)備工作，使PA輸出功率保持在一個穩(wěn)定且固定的值，以便開始做真正的手機信號傳送工作，此即為（b）區(qū)域，而當(dāng)信號傳送完畢，一樣須在（c）區(qū)域28us內(nèi)做完P(guān)ower-ramping-down即關(guān)掉PA Power，以節(jié)省電池電流消耗，同時進入接收模式（接收基站信號），另外，有兩點值得一提的是：

（1）在（a）與（c）區(qū)域中，PA之反應(yīng)速度要夠快，以使PA能在28us內(nèi)分別達到PA全功率輸出與無功率輸出，而且其功率輸出的增加率（ramping-up）或遞減率（ramping-down）也必須能有適當(dāng)?shù)目炻赃_到很平滑（smooth）的功率上升、下降曲線，否則容易產(chǎn)生所謂的開關(guān)頻譜噪聲，進而影響鄰近手機使用者之通話品質(zhì)。

（2）在（b）區(qū)域中，PA之輸出功率必須維持非常穩(wěn)定，功率變動范圍在±1dB內(nèi)，否則手機欲傳之信號很容易因PA本身功率不穩(wěn)定，而受到PA的調(diào)變，因而產(chǎn)生調(diào)變頻譜噪聲，此將大大提升手機本身通話時之BER（Bit-error-rate），使通話品質(zhì)不佳。

圖1 PA的輸出功率VS時間圖

因移動手機與基站的最遠距離約有35公里，PA的輸出功率約在30~35dBm，所以PA需要較大的供應(yīng)電流，其電流可高達1.6~2A，一般PA的輸出效率約在50%，再加上PA工作周期（duty

cycle）到GPRS Class 12的應(yīng)用時將會達到50%

（4個時隙），因此PA模塊將會產(chǎn)生大量的熱在IC本身，所以必須有很好的散熱處理，否則PA容易因過熱而損壞。

因移動手機本身常會在相當(dāng)不好的環(huán)境中使用，如高速行駛、惡烈氣候環(huán)境等，所以手機本身的接收靈敏度（Sensitivity）要求很高，在此同時，PA所需之輸出功率又要比較高，故對PA工作時相對產(chǎn)生的接收頻帶噪聲功率等等特性之要求將更加嚴格。

一般手機PA在正常的操作模式下，輸出端所看到的阻抗為50Ω負載，但是當(dāng)手機使用者不當(dāng)使用手機，例如手握天線，甚至拔掉天線，將會發(fā)生PA負載阻抗完全偏離正常工作50Ω負載，這就是所謂的PA失配（mismatch），在這樣的狀況下，PA功率送不出去，將會導(dǎo)致更多的熱散在IC上，易導(dǎo)致PA燒壞，此外，因PA本身是大功率組件，除了輸出功率，同時會產(chǎn)生很大的熱噪聲，PA本身即會有很大的穩(wěn)定度問題，若是再發(fā)生失配狀況，更易導(dǎo)致PA振蕩，因而產(chǎn)生其它頻率之噪聲（SpuriousOscillation noise） ，影響到其它手機系統(tǒng)使用者，故PA設(shè)計本身必須確保在失配狀況下，PA不會發(fā)生振蕩與燒壞之現(xiàn)象。

如同前點所說，PA乃是一個大功率組件，且其輸出端功率乃是用微帶傳輸線來做阻抗匹配，故RF信號容易經(jīng)由介質(zhì)耦合和空氣中輻射到PA外圍手機通訊電路，甚至影響鄰近手機使用者。其中最典型的例子即信號耦合到PLL中的VCO，容易造成VCO的頻率偏移，此將大大影響手機本身之通話品質(zhì)，故PA設(shè)計本身之屏弊與隔離乃是充滿挑戰(zhàn)的一個課題。

PA 的技術(shù)與運作PA的設(shè)計近年來由于在IC輸出阻抗匹配線路之Q值不佳，所以多采用多芯片模塊（MCU，Multi-Chip-Module）的結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 PA的功能方塊圖

依功能包括以下三大部份：

50Ω輸入/輸出匹配線路：以便與外圍電路如壓控振蕩器、切換開關(guān)器（Switch）做適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ渑c功率傳送。

CMOS功率控制IC：此IC可說是PA模塊的核心，其功能含：提供HBT IC直流偏壓（DC-Bias）、頻帶選擇（Band-Selection betweenGSM and DCSBand）、溫度補償、自我功率測量（確保PA所輸出功率為基站需求值），輸出功率調(diào)整（不同之輸出功率等級調(diào)整）、功率開關(guān)（在傳送與接收之間做切換）及保護裝置電路（避免手機使用不當(dāng)，而發(fā)生損壞之現(xiàn)象）。

GSM/DCS HBT PA IC：此HBT PA IC主要功能為射頻信號的功率放大，目前手機PA都是利用砷化鎵制程的異質(zhì)結(jié)雙數(shù)晶體管（GaAs

Hetero-Junction-Bipolar-TransistorHBT）制造而成。在應(yīng)用上，PA必須外加一控制回路才能使其運作完全符合E-GSM/DCS/PCS的標(biāo)準(zhǔn)，如圖3。

圖3 功率控制回路

使用上，透過基帶送一個VDAC值來設(shè)定PA所需傳送出去的功率值，再利用傳感肖特基二極管，測量PA的輸出功率，其測量值與VDAC的值相比較，以得到一個誤差電流，再經(jīng)由積分器Cin積分，以決定VC的輸出電壓，然后，應(yīng)用VC的電壓值來調(diào)整PA的放大功率，如此形成一個穩(wěn)定的控制回路系統(tǒng)，才能確保PA輸出功率為基帶所設(shè)定的功率值。