手機(jī)功率放大器的功效

什么是功放？

功率放大器（Power Amplifier，簡稱PA）簡稱功放，俗稱“擴(kuò)音機(jī)”，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(hào)源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調(diào)音臺(tái)）的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

手機(jī)功放的特性要求

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(hào)，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(jí)在GSM850MHz/900MHz頻段，分為5(33dBm)~19(5dBm)等十五個(gè)功率等級(jí)，在DCS1800MHz/PCS1900MHz頻段，則有0(30dBm)~15(0dBm)等十六個(gè)功率等級(jí)，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(jí)必須依據(jù)基站的指示做相對(duì)調(diào)整及精確的設(shè)定，不是只有單一的輸出功率。

因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/GSM">GSM/GPRS通訊系統(tǒng)乃是TDMA系統(tǒng)(Time-Division-multiple-Access)，故信號(hào)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(hào)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1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(hào)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(hào)傳送工作，此即為(b)區(qū)域，而當(dāng)信號(hào)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(hào))，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(hào)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1 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(duì)PA工作時(shí)相對(duì)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(hào)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(hào)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 between GSM and DCS Band)、溫度補(bǔ)償、自我功率測(cè)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(jí)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(hào)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3。

圖3 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(cè)量PA的輸出功率，其測(cè)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。