常用的GSM手機功率放大器輸出功率控制方法

一般常見的兩種GSM手機功率放大器（PA）功率控制方法為：定電流迴路控制與定功率迴路控制。所謂定電流迴路控制，就是以一迴路來控制流經功率放大器的電流，使其正比於基頻所送出的功率控制信號。其方法就是用一錯誤放大器（EA）來偵測流經功率放大器電源（Vcc），及其本身Vcc腳位間之電流感測電阻上的壓差，並以此EA輸出接至功率放大器（PA）的增益控制腳位，以調整其增益，使其流經電流正比於基頻所送出的功率控制信號，且與電源Vcc無關。而所謂定功率迴路控制，就是用一定向耦合器（Directional Coupler）將PA部份輸出功率耦合至迴路偵測線路，此部份可做為溫度補償蕭特基二極體峰值偵測器及緩衝器，也可做為對數放大器（Logarithmic Amplifier）。此迴路之輸出可依偵測到的PA輸出功率大小來調整PA增益，以使PA輸出功率在現有的輸入信號強度下達到基頻所設定的功率強度。

定電流迴路控制原理

在常見的定電流迴路控制方法中，其包含了一輸入緩衝器（A1）、電壓轉電流放大器（A2）及錯誤放大器（A3）。其中A1之選擇最好其輸入端為軌對軌式（Rail to Rail），而A3之選擇必須注意如下：（1）輸出驅動能力要夠；（2）PA輸出端要為軌對軌式；（3）輸入端的偏移電壓值及範圍要夠小；（4）輸入端的共模電壓可及Vcc；（5）必須有很好的“電源變動拒斥比”（PSRR）及輸入共模拒斥比（CMRR）；（6）高的輸出迴轉率（Slew Rate）。此外A1、A2及A3之消耗功率必須低且能將其關閉（Shutdown）。美信MAX4130~4134及MAX4230~4234即為可考慮的選擇。

除了以上分離式的方法（Discrete Solution），美信提供一單晶片的解決方案。MAX4473 PA功率控制IC可提供一精確，簡單的迴路控制方式來依照GSM基頻之控制信號來設定流經其PA之電流。MAX4473為一電壓控制，單向高電壓側電流設定放大器，其適用於無線TDMA系統（GSM，DECT）。當其用於PA功率控制時，其功能相當於一電壓控制電流源，其輸出可調整PA增益以得所設定之電流。故如已知PA的輸出功率與所需電流之對應曲線，就可藉由控制流經PA之電流以達所需之輸出功率。(圖二)為MAX4473的標準應用線路，在此電路中，流經Rsense的電流相當於流入PA的電流，錯誤放大器A3的輸出會調整PA的增益，直到Rsense上的壓差等於外部增益電阻RG1上的壓差。此壓差愈大將產生愈大的PA電流，而RG1的壓差可由A1、A2及電壓轉電流FET Q1來設定。

PC輸入端的電壓Vpc經由分壓網路及A2，可設定Q1之集極（SR3）電壓在Vpc/4，因而導致流經RG3及RG1之電流為Vpc/4×RG3。故可得流經PA之操作電流IccPA=（Vpc×RG1）/（4×Rsense×RG3）－（Eq1）。我們可發現IccPA與操作電壓Vcc無關。此電路中，如加一邏輯低電壓（＜0.4V）至 #SHDN腳位，則A1、A2、A3及Q1皆會被關閉。且A3的輸出端會藉由其內部N通道FET拉至地準位。此時MAX4473之消耗電流小於1uA。一般而言，MAX4473的開機及關機的時間分別為0.9uS及0.3uS。另外為了使(圖二)電路正常運作，RG1、RG2不可大於兩倍的RG3，且RG1應比RG3小以防止RG1及Rsense上過大壓差而使PA上的供應電源過低，因而導致發射功率過低。另設RG2等於RG1以補償A3的輸入偏壓電流，且建議R3介於1K歐姆至10K歐姆。

至於Rsense選擇標準如下：Rsense如選大些，可提高小電流量測的精準度，因較大的壓差可忽略A3輸入偏壓造成之誤差。但Rsense過大會造成PA供應電壓過低及較大的IR功率損失。(圖三)為MAX4473搭配某知名廠牌PA的應用線路，在GSM850及GSM900頻帶下，天線端最大輸出功率2W相當於1.5A峰集極電流，故依（Eq1）可得所需基頻DAC斜波振幅VDAC=（4×1.5A×0.056×4700）/680=2.32V。

在DCS1800及PCS1900頻帶下，天線端最大輸出功率1W相當於1A峰集極電流。同樣依（Eq1）可得所需VDAC=1.55V。圖三中MAX4473的#SHDN、PC、 Vcc及OUT腳位上的RC網路可用來減少系統雜訊，以防對接收頻帶（Rx band）及發射信號造成影響。

《圖一　MAX4473的標準應用線路》

《圖二　MAX4473搭配PA的應用線路》

定功率迴路控制原理

以美信的MAX4000/MAX4001/MAX4002為例說明。MAX4000~4002為一系列之對數放大器（Log Amps）產品，其主要架構為四個具有10dB小訊號增益的放大器／限制器（amplifier/limiter）級，並將每一級的輸出及第一級的輸入經由一全波整流偵測器（detector）處理。此五個偵測器間各以10dB增益隔開，(圖四)為其功能方塊圖，(圖五)為其在PA功率控制上的簡單應用電路。PA部份的輸出功率會經由定向耦合器耦合至此Log Amp控制器的RFIN輸入端，並經由其Log Amp串列處理。而每個偵測器的輸出為一整流後電流，且此五個偵測器輸出會加成起來形成一對數式輸出（logarithmic output），然後經由一高增益gm級及緩衝級（X1）至OUT端／PA增益控制腳位。SET腳位的電壓準位（通常來自基頻DSP晶片的DAC輸出）決定了PA在此迴路下的輸出功率。進而我們可依此Log Amp偵測器的特性得到對應的輸入端功率準位。

《圖三　MAX4000在PA功率控制上的簡單應用電路》

在上控制迴路，OUT輸出端在Vcc=3V下會隨著最小輸入訊號上升至最大輸入而大約從2.9V降至接近地準位。

在圖五的MAX4000應用電路中值得一提的，是MAX4000 RFIN輸入端內部已含輸入端耦合電容，故不需外加交流耦合電路。其只需加一50歐姆電阻與輸入源50歐姆阻抗作匹配即可，此外可藉由將#SHDN腳位拉至地準位關閉此迴路。此時MAX4000只耗13uA電流。另外CLPF腳位上濾波電容CF的選擇，會對此PA控制迴路的時域（time domain）響應有部份影響。雖較大的CF值會主導其時域響應，但此迴路頻寬仍與PA的增益控制範圍有關；可參考PA其AGC控制曲線的斜率，一般在其範圍中心點時最大，兩側時最小。此外迴路頻寬反比於CF值，但因OUT腳位的寄生阻抗所造成的控制路徑相位延遲（Phase Lag）會導致交流迴路（AC loop）方程式上更複雜的極點（poles），故CF值不可無限的小，而必須由實驗來決定。且一般必要時可在CF上串一電阻以改善迴路動態響應。

另外在MAX4000/MAX4001/MAX4002方案中，因其提供了3種不同的輸入電壓範圍應用（MAX4000：-58dBV至-13dBV；MAX4001：-48dBV至-3dBV； MAX4002：-43dBV至+2dBV），故使用者不需外加衰減器（attenuators）。

結論

本文提供了兩種控制GSM功率放大器輸出功率的方法，且各有其優缺點。定功率迴路控制法可提供更廣的輸入動態範圍及更精準的定功率輸出，但其需外加定向耦合器或輸入衰減器（在有些廠牌方法中）。因而在講求日益精簡的手機應用上有其成本的考量。此外非理想負載操作下可防止“over stress”的現象並且很容易校正以符合所需。另在設計空間考量上，兩者是差不多的，因定電流迴路所需的Rsense大小與定功率迴路的定向耦合器大小差不多。在效率考量上，則取決於Rsense大小的選擇與定向耦合器耗電量多寡而定。

（作者任職於Maxim Integrated Products）