常用的GSM手机功率放大器输出功率控制方法

一般常见的两种GSM手机功率放大器（PA）功率控制方法为：定电流回路控制与定功率回路控制。所谓定电流回路控制，就是以一回路来控制流经功率放大器的电流，使其正比于基频所送出的功率控制信号。其方法就是用一错误放大器（EA）来侦测流经功率放大器电源（Vcc），及其本身Vcc脚位间之电流感测电阻上的压差，并以此EA输出接至功率放大器（PA）的增益控制脚位，以调整其增益，使其流经电流正比于基频所送出的功率控制信号，且与电源Vcc无关。而所谓定功率回路控制，就是用一定向耦合器（Directional Coupler）将PA部份输出功率耦合至回路侦测线路，此部份可做为温度补偿萧特基二极管峰值侦测器及缓冲器，也可做为对数放大器（Logarithmic Amplifier）。此回路之输出可依侦测到的PA输出功率大小来调整PA增益，以使PA输出功率在现有的输入信号强度下达到基频所设定的功率强度。

定电流回路控制原理

在常见的定电流回路控制方法中，其包含了一输入缓冲器（A1）、电压转电流放大器（A2）及错误放大器（A3）。其中A1之选择最好其输入端为轨对轨式（Rail to Rail），而A3之选择必须注意如下：（1）输出驱动能力要够；（2）PA输出端要为轨对轨式；（3）输入端的偏移电压值及范围要够小；（4）输入端的共模电压可及Vcc；（5）必须有很好的“电源变动拒斥比”（PSRR）及输入共模拒斥比（CMRR）；（6）高的输出回转率（Slew Rate）。此外A1、A2及A3之消耗功率必须低且能将其关闭（Shutdown）。美信MAX4130~4134及MAX4230~4234即为可考虑的选择。

除了以上分离式的方法（Discrete Solution），美信提供一单芯片的解决方案。MAX4473 PA功率控制IC可提供一精确，简单的回路控制方式来依照GSM基频之控制信号来设定流经其PA之电流。MAX4473为一电压控制，单向高电压侧电流设定放大器，其适用于无线TDMA系统（GSM，DECT）。当其用于PA功率控制时，其功能相当于一电压控制电流源，其输出可调整PA增益以得所设定之电流。故如已知PA的输出功率与所需电流之对应曲线，就可藉由控制流经PA之电流以达所需之输出功率。(图二)为MAX4473的标准应用线路，在此电路中，流经Rsense的电流相当于流入PA的电流，错误放大器A3的输出会调整PA的增益，直到Rsense上的压差等于外部增益电阻RG1上的压差。此压差愈大将产生愈大的PA电流，而RG1的压差可由A1、A2及电压转电流FET Q1来设定。

PC输入端的电压Vpc经由分压网络及A2，可设定Q1之集极（SR3）电压在Vpc/4，因而导致流经RG3及RG1之电流为Vpc/4×RG3。故可得流经PA之操作电流IccPA=（Vpc×RG1）/（4×Rsense×RG3）－（Eq1）。我们可发现IccPA与操作电压Vcc无关。此电路中，如加一逻辑低电压（＜0.4V）至 #SHDN脚位，则A1、A2、A3及Q1皆会被关闭。且A3的输出端会藉由其内部N信道FET拉至地准位。此时MAX4473之消耗电流小于1uA。一般而言，MAX4473的开机及关机的时间分别为0.9uS及0.3uS。另外为了使(图二)电路正常运作，RG1、RG2不可大于两倍的RG3，且RG1应比RG3小以防止RG1及Rsense上过大压差而使PA上的供应电源过低，因而导致发射功率过低。另设RG2等于RG1以补偿A3的输入偏压电流，且建议R3介于1K奥姆至10K奥姆。

至于Rsense选择标准如下：Rsense如选大些，可提高小电流量测的精准度，因较大的压差可忽略A3输入偏压造成之误差。但Rsense过大会造成PA供应电压过低及较大的IR功率损失。(图三)为MAX4473搭配某知名厂牌PA的应用线路，在GSM850及GSM900频带下，天线端最大输出功率2W相当于1.5A峰集极电流，故依（Eq1）可得所需基频DAC斜波振幅VDAC=（4×1.5A×0.056×4700）/680=2.32V。

在DCS1800及PCS1900频带下，天线端最大输出功率1W相当于1A峰集极电流。同样依（Eq1）可得所需VDAC=1.55V。图三中MAX4473的#SHDN、PC、 Vcc及OUT脚位上的RC网络可用来减少系统噪声，以防对接收频带（Rx band）及发射信号造成影响。

《图一 MAX4473的标准应用线路》

《图二 MAX4473搭配PA的应用线路》

定功率回路控制原理

以美信的MAX4000/MAX4001/MAX4002为例说明。MAX4000~4002为一系列之对数放大器（Log Amps）产品，其主要架构为四个具有10dB小讯号增益的放大器／限制器（amplifier/limiter）级，并将每一级的输出及第一级的输入经由一全波整流侦测器（detector）处理。此五个侦测器间各以10dB增益隔开，(图四)为其功能方块图，(图五)为其在PA功率控制上的简单应用电路。PA部份的输出功率会经由定向耦合器耦合至此Log Amp控制器的RFIN输入端，并经由其Log Amp串行处理。而每个侦测器的输出为一整流后电流，且此五个侦测器输出会加成起来形成一对数式输出（logarithmic output），然后经由一高增益gm级及缓冲级（X1）至OUT端／PA增益控制脚位。SET脚位的电压准位（通常来自基频DSP芯片的DAC输出）决定了PA在此回路下的输出功率。进而我们可依此Log Amp侦测器的特性得到对应的输入端功率准位。

《图三 MAX4000在PA功率控制上的简单应用电路》

在上控制回路，OUT输出端在Vcc=3V下会随着最小输入讯号上升至最大输入而大约从2.9V降至接近地准位。

在图五的MAX4000应用电路中值得一提的，是MAX4000 RFIN输入端内部已含输入端耦合电容，故不需外加交流耦合电路。其只需加一50奥姆电阻与输入源50奥姆阻抗作匹配即可，此外可藉由将#SHDN脚位拉至地准位关闭此回路。此时MAX4000只耗13uA电流。另外CLPF脚位上滤波电容CF的选择，会对此PA控制回路的时域（time domain）响应有部份影响。虽较大的CF值会主导其时域响应，但此回路带宽仍与PA的增益控制范围有关；可参考PA其AGC控制曲线的斜率，一般在其范围中心点时最大，两侧时最小。此外回路带宽反比于CF值，但因OUT脚位的寄生阻抗所造成的控制路径相位延迟（Phase Lag）会导致交流回路（AC loop）方程序上更复杂的极点（poles），故CF值不可无限的小，而必须由实验来决定。且一般必要时可在CF上串一电阻以改善回路动态响应。

另外在MAX4000/MAX4001/MAX4002方案中，因其提供了3种不同的输入电压范围应用（MAX4000：-58dBV至-13dBV；MAX4001：-48dBV至-3dBV； MAX4002：-43dBV至+2dBV），故用户不需外加衰减器（attenuators）。

结论

本文提供了两种控制GSM功率放大器输出功率的方法，且各有其优缺点。定功率回路控制法可提供更广的输入动态范围及更精准的定功率输出，但其需外加定向耦合器或输入衰减器（在有些厂牌方法中）。因而在讲求日益精简的手机应用上有其成本的考虑。此外非理想负载操作下可防止“over stress”的现象并且很容易校正以符合所需。另在设计空间考虑上，两者是差不多的，因定电流回路所需的Rsense大小与定功率回路的定向耦合器大小差不多。在效率考虑上，则取决于Rsense大小的选择与定向耦合器耗电量多寡而定。

（作者任职于Maxim Integrated Products）