2.4GHz WLAN的+23dBm 37%效率的PA前級(jí)驅(qū)動(dòng)

市場(chǎng)上有很多種為藍(lán)牙、HomeRF和DECT (數(shù)字歐洲無(wú)繩電話)這類2.4GHz FHSS (跳頻擴(kuò)頻)應(yīng)用優(yōu)化的收發(fā)機(jī)。這些IC大部分具有很有限的發(fā)射功率，因此只能限制在非常短的距離內(nèi)傳輸。許多正在尋找使他們的產(chǎn)品從競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出的方法的PC卡制造商都在給他們的產(chǎn)品增加外部PA (功率放大器)以擴(kuò)展傳輸范圍。藍(lán)牙和HomeRF在天線上的最大輸出功率為+20dBm (100mW)，而2.4GHz DECT能夠發(fā)射+24dBm (250mW)的功率。在這些應(yīng)用中的PA通常需要提供+23dBm至+27dBm的功率以克服在PA和天線之間(見(jiàn)圖1)的RF開(kāi)關(guān)和雙工器所引入的3dB損耗。為了延長(zhǎng)電池壽命，藍(lán)牙和DECT使用GFSK (高斯頻移鍵控)調(diào)制而HomeRF使用兩級(jí)和四級(jí)的FSK調(diào)制，這些方法允許PA工作在飽和狀態(tài)，因此比線性功率放大器具有更高的功率效率。

圖1. 用于藍(lán)牙、HomeRF和DECT的2.4GHz FHSS WLAN收發(fā)機(jī)

本篇應(yīng)用筆記展示了具有集成功率檢測(cè)器、在關(guān)閉模式下耗電量?jī)H0.5μA的使用CSP (芯片尺度封裝)結(jié)構(gòu)的(1.5mm x 2.0mm) MAX2242 2.4GHz PA的性能(見(jiàn)圖2)。同時(shí)還介紹了在此作為PA前級(jí)驅(qū)動(dòng)器件的MAX2644 2.4GHz LNA。MAX2242 PA最初是為2.4GHz IEEE802.11b DSSS (直接序列擴(kuò)頻)應(yīng)用設(shè)計(jì)的。在DSSS應(yīng)用中，這款PA可以提供+22.5dBm的線性輸出功率，使用3.3V供電、電源電流310mA時(shí)ACPR為-33dBc。在本應(yīng)用中飽和輸出功率為+26.5dBm，對(duì)于2.4GHz DECT應(yīng)用來(lái)說(shuō)是十分理想的。MAX2242使用外部電阻設(shè)置器件的偏置電流，這就從根本上允許該器件能夠?yàn)闈M足特定的應(yīng)用而調(diào)整性能。設(shè)計(jì)+23dBm飽和功率的目的是為了在PA和天線之間存在大約3dB的損耗的情況下，仍然可以在天線上提供+20dBm的輸出功率。因?yàn)樵S多現(xiàn)有的FHSS收發(fā)信機(jī)IC只能提供-7dBm至-13dBm的輸出功率，所以需要一個(gè)PA前級(jí)驅(qū)動(dòng)提供必需的輸入功率使PA能夠進(jìn)入飽和狀態(tài)。具有17dB小信號(hào)增益和+4dBm輸出P1dB壓縮點(diǎn)的MAX2644是理想的候選產(chǎn)品。

圖2. MAX2242的典型應(yīng)用電路

對(duì)現(xiàn)有的MAX2242評(píng)估板電路和性能做一些改動(dòng)?，F(xiàn)有的電路需要一些改動(dòng)以達(dá)到期望的性能。外部偏置電阻改為91k。并聯(lián)輸出電容，C2，從1.8pF換成2.2pF并把它移動(dòng)到離器件輸出稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方(在評(píng)估板設(shè)計(jì)圖上5.5刻度的地方，距離輸出上拉電感230mils)。級(jí)間RF旁路電容C8挪到更靠里的地方(在C7和C8的焊盤之間，距離焊盤A2 70mils)，C10則向外移動(dòng)(距離焊盤A4 135mils)。移動(dòng)這些電容有助于提高級(jí)間增益，在線性模式下，為提高器件的ACPR性能，級(jí)間增益有所下降。元件的位置請(qǐng)見(jiàn)圖3并參考MAX2242評(píng)估板快速瀏覽數(shù)據(jù)資料獲得電路板設(shè)計(jì)的幫助。

圖3. +23dBm輸出的MAX2242元件布置指南

在室溫下(TA = +25℃)，3.0V供電，175mA電源電流(37％的功率附加效率，PAE)的條件下，MAX2242被調(diào)諧為提供+23dBm的飽和輸出功率。測(cè)量輸出功率、電源電流、增益和PAE隨輸入功率、供電電壓和頻率變化的關(guān)系(見(jiàn)圖4至圖7)。這款PA的一個(gè)有趣的特性是，當(dāng)沒(méi)有RF功率輸入時(shí)，電源電流降至29mA，而與之同類的其他PA則保持偏置電流超過(guò)150mA (見(jiàn)圖8)。最后還使用低于載波35dB的最壞情況下的激勵(lì)評(píng)估了PA的諧波含量。

圖4. MAX2242 PA的輸出功率和電源電流隨輸入功率變化關(guān)系

圖5. MAX2242 PA的增益隨輸入功率變化關(guān)系

圖6. MAX2242 PA的功率附加效率(PAE)隨輸入功率變化關(guān)系

圖7. MAX2242 PA的輸出功率與頻率的關(guān)系

圖8. 無(wú)RF輸入功率時(shí)MAX2242 PA的電源電流

MAX2644 2.4GHz LNA由于其+4dBm的輸出P1dB壓縮點(diǎn)、17dB的小信號(hào)增益、8mA的低電流和集成輸出匹配網(wǎng)絡(luò)而被選作PA的前級(jí)驅(qū)動(dòng)器件。MAX2644評(píng)估板無(wú)需任何改動(dòng)可以直接使用，并且有現(xiàn)貨供應(yīng)。在本應(yīng)用中，測(cè)量了MAX2644輸出功率和電源電流隨輸入功率和供電電壓的變化關(guān)系(見(jiàn)圖9和圖10)。當(dāng)使用-13dBm至-7dBm的輸入功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，MAX2644在3V供電和2.45GHz頻率時(shí)提供3dBm至6dBm的輸出功率。

圖9. MAX2644 PA前級(jí)驅(qū)動(dòng)器輸出功率隨輸入功率變化關(guān)系

圖10. MAX2644的電源電流隨輸入功率變化關(guān)系

下面測(cè)試MAX2644和MAX2242的級(jí)聯(lián)性能以得到這些發(fā)射機(jī)IC可獲得的輸出功率范圍。兩者級(jí)聯(lián)后在輸入功率為-12dBm到-5dBm時(shí)可以提供+23dBm的輸出，輸入-13dBm，也就是預(yù)計(jì)的最壞輸入功率時(shí)輸出降至+22.9dBm (見(jiàn)圖11)。3V供電時(shí)的電源電流約為185mA (見(jiàn)圖12)。從2.40GHz的+23.3dBm到2.48GHz的+22.8dBm，輸出功率隨頻率的變化相當(dāng)穩(wěn)定(見(jiàn)圖13)。

圖11. MAX2644和MAX2242的級(jí)聯(lián)性能

圖12. MAX2644和MAX2242的總電源電流隨輸入功率變化關(guān)系

圖13. MAX2644和MAX2242級(jí)聯(lián)輸出功率隨頻率的變化

測(cè)量得到的性能表明，MAX2644和MAX2242是任何需要最小電路板面積的低 成本、低電流FHSS無(wú)線設(shè)計(jì)中PA和PA驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的完美選擇。選擇MAX2644作為接收通道的LNA，其17dB增益、2.45GHz時(shí)2.0dB的噪聲系數(shù)和集成的輸出匹配，可以幫助進(jìn)一步降低成本并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。