W-CDMA手機應充分利用LMV228線(xiàn)性增益射頻功率檢波器

導言

自從寬帶碼分多址 (W-CDMA) 技術(shù)于 1997 年面世以來(lái)，便一直成為歐洲、中國及日本等地的電話(huà)廠(chǎng)商所共同采用的第三代 (3G) 蜂窩式移動(dòng)電話(huà)標準。W-CDMA 移動(dòng)電話(huà)采用直接順序碼分多址 (DS_CDMA) 技術(shù)，而且其傳送原始數據的速度可以高達 3.84Mbps。由于下行鏈路都采用正交相移鍵控 (QPSK) 調制的電路設計，因此用戶(hù)設備 (UE) 能夠傳送高達 2x3.84=7.68Mbps 的原始數據。若采用高速數據下行鏈路信息包取存 (HSDPA) 模式，廠(chǎng)商更可選用 16 正交振幅調制 (QAM) 的電路設計，確保能以高達 4x3.84=15.36Mbps 的傳送速度傳送原始數據，也確保射頻信號完整無(wú)損。但無(wú)論采用哪一電路設計，射頻載波帶寬仍然局限在 5MHz 的范圍內 (參看圖 1)。

W-CDMA 標準設有分頻雙工 (FDD) 及分時(shí)雙工 (TDD) 兩種模式。雖然世界各地鋪設的 W-CDMA 網(wǎng)絡(luò )大多采用分頻雙工模式執行雙工技術(shù)，但 W-CDMA 標準也加設了分時(shí)雙工模式，因為部分國家并不是將頻譜對等分配予上行鏈路及下行鏈路。分時(shí)雙工技術(shù)較易控制功率，這方面比分頻雙工優(yōu)勝。采用分時(shí)雙工模式時(shí)，上行及下行鏈路都以同一頻率傳送數據；因此兩種鏈路所傳送的數據都同樣衰減得很快。若果分時(shí)雙工傳輸技術(shù)可以根據來(lái)自相關(guān)基站的信號預測或估算所分配頻道的衰減速度，便可就衰減速度作出更準確的預測或估算。換言之，我們無(wú)需為其提供閉環(huán)功率控制，而且以采用分時(shí)雙工模式來(lái)說(shuō)，理論上單單采用開(kāi)環(huán)已十分足夠。由于大部分鋪設的 W-CDMA 網(wǎng)絡(luò )只采用分頻雙工模式，而 W-CDMA 分頻雙工模式的上行及下行鏈路都設有快速的閉環(huán)功率控制功能，因此用戶(hù)設備通過(guò)下行鏈路連接基站時(shí)，便需要獲得以硬件執行的射頻功率檢波功能為其提供支持，以便符合空氣接口標準的規定。下文將會(huì )介紹多款適用于手機或其他用戶(hù)設備閉環(huán)功率控制應用方案的子系統電路。

W-CDMA 分頻雙工模式的頻率分配方式

圖表 1 列出世界不同地區所獲得分配的頻帶，圖表 2 則列出每一用戶(hù)設備必須具備的傳輸功率。按照 W-CDMA 技術(shù)規格文檔對不同設備的分類(lèi)，手機是用戶(hù)設備的一種。其他受歡迎的用戶(hù)設備還有筆記本電腦的 PCMCIA 調制解調器插卡或無(wú)線(xiàn)個(gè)人數字助理。

圖表 1：W-CDMA 分頻雙工模式的頻帶分配

圖表 2：用戶(hù)設備的功率級別

目前市場(chǎng)上已出售的手機大部分都屬 2 級功率 (power-class-2) 的用戶(hù)設備，而市場(chǎng)上典型的 W-CDMA 功率放大器最高可輸出約 +29dBm 的射頻功率，因此設有高速數據下行鏈路信息包存取 (HSDPA) 模式的用戶(hù)設備開(kāi)始大受歡迎。

如何為 W-CDMA 用戶(hù)設備提供利用硬件執行的快速閉環(huán)功率控制功能

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，W-CDMA 分頻雙工模式的空氣接口對用戶(hù)設備的發(fā)射功率有特別的規定，例如發(fā)射功率必須能夠加以調節，并以每級 (1.0dB 的幅度逐級增減，以及可以每 667(s 增減一級，而且準確度必須保持在 (0.5dB 的誤差范圍內?？傊?，射頻功率控制的電路設計應符合這個(gè)規格。

線(xiàn)性放大的一般性自動(dòng)增益控制

圖 2 的電路顯示手持式設備線(xiàn)性信號放大器所采用的一般性輸出功率控制系統。由于正交相移鍵控 (QPSK) 及 16 正交振幅調制 (QAM) 信號具有高峰值系數及零交叉特性，因此 W-CDMA 信號必須具有高度的線(xiàn)性特性，正因為 W-CDMA 信號具有高度的線(xiàn)性特性，所以若直接利用電池輸出的固定供電電壓 Vcc，一般都需要為固定增益的輸出功率放大器提供偏壓。由于放大增益已固定，因此必須改變功率放大器的輸入信號功率，以便調節輸出功率。只要在功率放大器輸入端加設一個(gè)增益控制驅動(dòng)放大器，便可實(shí)現這個(gè)功能。目前，這種自動(dòng)增益控制 (AGC) 放大器通常設于 W-CDMA 芯片組的射頻發(fā)送器芯片之內。

利用 LMV228 芯片為射頻發(fā)射結構提供支持

圖 3 是我們認為很適合 W-CDMA 手機采用的 LMV228 電路圖。圖中的定向耦合器負責將功率放大器輸出的射頻信號傳送到 LMV228 芯片的輸入端。以 50( 的系統來(lái)說(shuō)，LMV228 芯片最多可以接收 +15dBm 的輸入射頻功率。輸入功率的高低可以利用芯片內置的輸入靜電釋放 (ESD) 保護二極管加以設定。定向耦合器與 LMV228 芯片之間則設有可阻隔直流電的電容器，以免高直流電電壓被輸入終端電阻達 50( 的耦合器。若果沒(méi)有這個(gè)可以阻隔直流電的電容器，直流電便會(huì )流入這個(gè) 50( 電阻，耗用不必要的電源。

目前市場(chǎng)上大部分 W-CDMA 功率放大器可以輸出最高約達 +29dBm 的線(xiàn)性射頻功率。若采用 20dB 的耦合器，傳送往 LMV228 芯片的輸入射頻功率相等于 29 - 20 = 9dBm。究竟 LMV228 芯片可以接收多少實(shí)時(shí)輸入的射頻功率？這個(gè)問(wèn)題要看用戶(hù)設備采用什么傳送通道而定，但決定采用什么通道之前必須充分考慮調制系統的最高承受能力。

20dB 定向耦合器

以圖 3 的電路圖為例來(lái)說(shuō)，定向耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積比隔離器小，因此占用印刷電路板較少的板面空間，但定向耦合器的實(shí)際大小取決于操作頻率、基底電介質(zhì)常數、以及所要求的耦合系數及隔離程度。目前定向耦合器采用以低溫共燒陶瓷 (LTCC) 基底造成的 0603 封裝，由于這種基底較為小巧，因此在 W-CDMA 頻帶范圍內其耦合系數最高只能達到 20dB。若要將耦合系數提高至 20dB 以上，便必須采用面積大很多的基底或較高級的電介質(zhì)物料，或干脆采用其他技術(shù)。但至今市場(chǎng)上仍未有這樣的定向耦合器出現。采用 0603 封裝、而 W-CDMA 頻帶范圍內的耦合系數可高達 20dB 的定向耦合器在市場(chǎng)上并不難找，目前市場(chǎng)上便有兩家廠(chǎng)商供應這類(lèi)定向耦合器。

圖 4 顯示定向耦合器的典型性能。由于隔離效果比耦合系數高 10dB，因此天線(xiàn)的反射功率可以進(jìn)一步減少，甚至比發(fā)射功率少 10dB。由于這個(gè)定向性的特性，LMV228 芯片可以檢測的功率大部分來(lái)自發(fā)射功率放大器的輸出，而天線(xiàn)失配所產(chǎn)生的反射功率在傳送到 LMV228 芯片的輸入端之前會(huì )被大幅減弱。

LMV228 的主要特色

LMV228 芯片采用特別的設計，力求可為 W-CDMA 用戶(hù)設備提供最理想的射頻功率檢波范圍。按照圖 5A 及圖 5B 所示，這款芯片可以檢測由 +15dBm 至 -25dBm 的射頻功率，因此實(shí)際檢波范圍高達 40dB 以上，而頻率反應范圍則介于 60MHz 與 2GHz 之間，視乎選用的檢波范圍而定。LMV228 芯片的內部結構設計獨特，可提供準確的溫度補償及供電電壓變動(dòng)補償輸出電壓，后者與射頻輸入信號電平 (dBm) 之間具有線(xiàn)性的函數關(guān)系。這個(gè)特性一般稱(chēng)為“以dB為線(xiàn)性”(Linear-in-dB)。LMV228 芯片可以利用介于 2.7 伏特與 5.5 伏特之間的電源供應操作。據特性測試數字顯示，這款芯片能在整個(gè)供電電壓范圍內檢測射頻功率，而由頭至尾都能發(fā)揮幾乎同樣高的性能。

LMV 芯片的輸出端設有內置式濾波器，可以檢測擴散頻譜信號的低紋波平均功率。此外，只要多加一個(gè)電容器，便可進(jìn)一步加強濾波性能。這個(gè)外接的電容器 (COUT) 可與 LMV228 芯片至接地的一段線(xiàn)路并聯(lián)連接一起。由于 LMV228 芯片的輸出電阻相等于 ROUT=19.8K(，因此另加的濾波功能只適用于直至以下截止頻率為止的頻率：fC=1/2(COUTROUT。

用戶(hù)設備的廠(chǎng)內校正程序

正如圖 5A 及 4B 所顯示，LMV228 芯片的線(xiàn)性增益檢波范圍達 30dB，這個(gè)特性有助精簡(jiǎn)整個(gè)廠(chǎng)內校正程序。功率放大器的校正程序是整個(gè) W-CDMA 用戶(hù)設備生產(chǎn)流程的重要組成部分。例如，有關(guān)“用戶(hù)設備輸出功率與控制代碼/信號之間的函數關(guān)系”的數據便利用昂貴的自動(dòng)測試設備收集，測試用的信號包括小信號以至強力的信號，而且有關(guān)數據都儲存在用戶(hù)設備的存儲器內，以供手機操作時(shí)使用。一旦基站要求提供某一數量的輸出功率，用戶(hù)設備的數字信號處理器或微控制器便會(huì )立即進(jìn)入存儲器尋找相關(guān)的控制代碼，確保功率放大器可以提供所要求的輸出功率。

我們可以通過(guò)測試為每一用戶(hù)設備搜集有關(guān)“控制代碼與輸出功率之間的函數關(guān)系”的數據，但這樣做需要花費不少時(shí)間及人力物力，因此利用統計數字配合 LMV228 芯片的線(xiàn)性增益特性作出估算不失為一個(gè)可取的方法，其好處是可以減少測試點(diǎn)及節省時(shí)間。我們若認為在 -15dBm 至 +15dBm 的檢波范圍內 Pin 與 Vout 之間具有線(xiàn)性關(guān)系，便可利用以下的線(xiàn)性公式表達這個(gè)線(xiàn)性關(guān)系：。斜率 及截取點(diǎn) 可以在生產(chǎn)過(guò)程中利用兩點(diǎn)測試尋找出來(lái)。若測試點(diǎn)分別是 及，我們只要進(jìn)行一些基本的代數運算便可計算出 及 的數值。只要 及 一經(jīng)確定，我們便可利用 這條公式估算輸出功率。

適合雙頻 W-CDMA 用戶(hù)設備采用的 LMV228 芯片

圖 6 是我們認為很適合雙頻 W-CDMA 用戶(hù)設備采用的電路方塊圖。一般來(lái)說(shuō)，印刷電路板上每一頻帶的發(fā)射路徑都相距較遠，因此每一發(fā)射頻帶都有自己的定向耦合器。我們可以將 3 個(gè) 17( 的電阻集成一起，組成電阻射頻功率組合電路，以便接收移動(dòng)電話(huà)頻帶或 W-CDMA 頻帶的輸出信號。采用 17( 的電阻的原因是，這樣可以確保在射頻范圍內所有輸入輸出端口能以 50( 為共同目標互相參照調節。電阻功率分壓器的每一條信號路徑都有 6dB 的內在損耗。

有一點(diǎn)我們不可忘記，在現實(shí)世界之中每一應用只有一條路徑是開(kāi)啟的。以這個(gè)結構為例來(lái)說(shuō)，若定向耦合器的耦合系數為 20dB，LMV228 芯片所實(shí)際接收得到的輸入信號電平只有 Pout = 20 - 6 dBm，因為組合電路會(huì )出現損耗，而信號路徑上的這些損耗也必須計算在內。

這個(gè)結構也必須采用兩個(gè)阻隔直流電電容器，以免不受歡迎的直流電流入終端電阻達 50( 的耦合器。

圖 7 是射頻功率組合電路的另一電路圖。圖中的每一信號路徑可以各有不同的衰減電平，而且每一衰減電平都可各自獨立設定。由于這個(gè)電路具有可以自由設定衰減電平的靈活性，因此可以采用非 20dB 耦合系數的定向耦合器。

移動(dòng)電話(huà)頻帶的額外衰減值可以利用以下的 EQ-1 公式列出。

由于定向耦合器規定必須以 50( 為共同目標互相參照調節，因此我們可以利用以下的 EQ-2 公式列出其關(guān)系。

此外，ZLB 也應以 50( 及 ZHB 的平行線(xiàn)為共同目標互相參照調節，由此我們可以得出 EQ-3 這一公式。

W-CDMA 頻帶的額外衰減值可以利用以下的 EQ-4 公式列出。

由于定向耦合器規定必須以 50( 為共同目標互相參照調節，因此我們可以利用以下的 EQ-5 公式列出其關(guān)系。

此外， ZHB 也應以 50( 及 ZLB 的平行線(xiàn)為共同目標互相參照調節，由此我們可以得出 EQ-6 這一公式。

我們若成功解算以上的 6 條公式，便可分別找出 R1, R2, R3, R4, ZLB 及 ZHB 等變項的數值。

總結

按照上文的介紹，LMV228 對數放大器射頻功率檢波器是位于下行鏈路上的分頻雙工模式 W-CDMA 功率控制系統的關(guān)鍵元件。LMV228 芯片可以檢測高達 +15dBm 的射頻功率，而且符合 W-CDMA 空氣接口標準有關(guān)功率控制的規定。這款芯片有 micro-SMD 及 LLP 兩種封裝可供選擇。

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