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GSM850/E-GSM900/DCS1800/PCS1900四種頻寬的GSM/GPRS移動(dòng)手機(jī)，是目前移動(dòng)通訊的主流，一般傳統(tǒng)的TDMA移動(dòng)手機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1。本文將詳細(xì)討論移動(dòng)手機(jī)中諸多關(guān)鍵性零組件之一的功率放大器(Power Amplifier ,PA)。 圖1 TDMA移動(dòng)手機(jī)硬件結(jié)構(gòu)方塊圖 PA的特性要求：GSM/GPRS四頻手機(jī)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(gè)功率等級，在DCS1800MHz/PCS1900MHz頻段，則有0(30dBm)~15(0dBm)等十六個(gè)功率等級，隨著手機(jī)距離鄰近基站的遠(yuǎn)近與手機(jī)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?yàn)镚SM/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(shí)間發(fā)生的，而PA主要是負(fù)責(zé)傳送手機(jī)信號到基站，其PA功率操作反應(yīng)時(shí)間必需符合ETSI/3GPP通訊標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)范，如圖2所示，分三段時(shí)間區(qū)域(a)28us(b)542.8us(c)28us，在(a)區(qū)域，當(dāng)手機(jī)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(gè)穩(wěn)定且固定的值，以便開始做真正的手機(jī)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(shí)進(jìn)入接收模式(接收基站信號)，另外，有兩點(diǎn)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(dá)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_(dá)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(jìn)而影響鄰近手機(jī)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(dòng)范圍在±1dB內(nèi)，否則手機(jī)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(jī)本身通話時(shí)之BER(Bit-error-rate)，使通話品質(zhì)不佳。 圖2 PA的輸出功率VS時(shí)間圖 因移動(dòng)手機(jī)與基站的最遠(yuǎn)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(dá)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(shí)將會(huì)達(dá)到50% (4個(gè)時(shí)隙)，因此PA模塊將會(huì)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(dòng)手機(jī)本身常會(huì)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(jī)本身的接收靈敏度(Sensitivity)要求很高，在此同時(shí)，PA所需之輸出功率又要比較高，故對PA工作時(shí)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(yán)格。 一般手機(jī)PA在正常的操作模式下，輸出端所看到的阻抗為50Ω負(fù)載，但是當(dāng)手機(jī)使用者不當(dāng)使用手機(jī)，例如手握天線，甚至拔掉天線，將會(huì)發(fā)生PA負(fù)載阻抗完全偏離正常工作50Ω負(fù)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(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱噪聲，PA本身即會(huì)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(Spurious Oscillation noise) ，影響到其它手機(jī)系統(tǒng)使用者，故PA設(shè)計(jì)本身必須確保在失配狀況下，PA不會(huì)發(fā)生振蕩與燒壞之現(xiàn)象。 如同前點(diǎn)所說，PA乃是一個(gè)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(jī)通訊電路，甚至影響鄰近手機(jī)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(jī)本身之通話品質(zhì)，故PA設(shè)計(jì)本身之屏弊與隔離乃是充滿挑戰(zhàn)的一個(gè)課題。 PA 的技術(shù)與運(yùn)作PA的設(shè)計(jì)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3。 圖3 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 between GSM and DCS Band)、溫度補(bǔ)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(hù)裝置電路(避免手機(jī)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(jī)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-Transistor HBT)制造而成。在應(yīng)用上，PA必須外加一控制回路才能使其運(yùn)作完全符合E-GSM/DCS/PCS的標(biāo)準(zhǔn)，如圖4。 圖4 功率控制回路 使用上，透過基帶送一個(gè)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(gè)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(gè)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。 PA模塊的演進(jìn)第一代的手機(jī)PA模塊是以PA為主(請參考圖1)，然后在移動(dòng)手機(jī)的線路設(shè)計(jì)上，再加上功率控制回路如圖4(包含耦合器、肖特基二極管)，依此設(shè)計(jì)的PA稱為開環(huán)PA。為了減少移動(dòng)手機(jī)成本，降低能量消耗并延長電池壽命，第二代的PA模塊把開環(huán)PA與其手機(jī)板上的功率控制回路合在一起，稱為閉環(huán)PA，良好的設(shè)計(jì)將可延長電池的壽命，改善PA的性能及減少生產(chǎn)成本。 圖5 第二代功率放大器模塊 第三代PA Module則進(jìn)一步整合PA后端的天線開關(guān)模塊Antenna Switch(ASM)于PA模塊，如圖6，其中包含了pHEMT(pesudo-High-Electron-Mobility-Transistor)切換開關(guān)器與雙工器(diplexer), 成為所謂的FEM前端模塊。 圖6 第三代功率放大器模塊 由于成本降低的需求，再加上A/D與D/A特性，隨著CMOS制程的快速改善與進(jìn)步，PA模塊將非常可能進(jìn)一步整合收發(fā)器中的部分電路，包括LNA(低噪聲放大器)、Mixer(混頻器)、PLL與VCO于前端模塊中，此為可能的第四代PA模塊產(chǎn)品，如圖7所示。 圖7 第四代功率放大器模塊 隨著提高生產(chǎn)良率，降低生產(chǎn)成本之壓力，PA模塊的整合度將會(huì)繼續(xù)增加，直到包含所有的高頻功能為止。甚至進(jìn)一步整合部份電源管理功能，此為可能的第五代PA模塊產(chǎn)品，如圖8所示。 圖8 第五代功率放大器模塊 最后，為因應(yīng)不同的頻寬需求與系統(tǒng)成本的權(quán)衡，雙模手機(jī)(例如GSM W-CDMA)也是未來發(fā)展趨勢，所以雙模PA亦會(huì)是未來可能的一項(xiàng)新產(chǎn)品。 結(jié)語 今后PA之發(fā)展將持續(xù)地整合更多的手機(jī)功能在一起，以減少手機(jī)組合時(shí)的零件數(shù)目，并增加PA的輸出效率，以改善手機(jī)的性能，延長電池的使用時(shí)間及降低生產(chǎn)成本。另一方面，手機(jī)基頻IC也將不斷的整合外圍IC的功能，故不久的未來，手機(jī)將非常可能只剩前端模塊、后端模塊(Back End)與人機(jī)界面(MMI)三大部分。 |
