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利用一個低成本、低功耗的對數(shù)放大/功率檢測器件（MAX4002）配合4波段GSM/GPRS功率放大器(PA)（XIN9133）構成PA功率輸出的閉環(huán)控制方案。這種控制技術連續(xù)調整電源電壓（Vcc）使其保持在所允許的最小值，為功率放大器提供有效保護，與當前的GSM系統(tǒng)相比具有明顯優(yōu)勢。

    GSM移動電話中的PA可進行調節(jié)，精確設定輸出功率，并且不得發(fā)射帶外信號（這要求嚴格控制功率的變化斜率，避免產生帶外噪聲）。此外，需要限制PA只在其自身的時隙內進行發(fā)射，這同樣要求嚴格控制功率的變化斜率。如果功放開環(huán)工作，系統(tǒng)又無法提供上述控制時，則很難達到GSM的規(guī)范要求。因為PA是非線性器件，增益和輸出都隨頻率、電池電壓和溫度而變化，另外，各芯片的增益控制斜率也各不相同。

    本文所提供的功率控制技術具有以下幾項關鍵優(yōu)勢：

    ● 頻率、溫度、Vcc變化時，功率變化量最??；

    ● 負載阻抗變動時保證可靠工作；

    ● 環(huán)路穩(wěn)定性最高；

    ● 對不同功率級別環(huán)路帶寬變化最??；

    ● 最佳的瞬態(tài)頻譜和突發(fā)響應。

    功率放大器XIN9133和MAX4002（圖1）一起可以提供非常好的閉環(huán)功放輸出控制。MAX4002連續(xù)監(jiān)測、控制XIN9133的輸出功率，使功率輸出只在一個狹窄的范圍內變動，與PA負載、電源、溫度的變化無關。典型的功率輸出電平可以控制到十分之一dB,使手機生產商可以更好地控制輸出功率。由于GSM規(guī)范針對手機規(guī)定了輸出功率的最小值和典型值，嚴格控制輸出功率能夠為生產商在手機性能方面提供更多的選擇。比如廠商可以將輸出功率設定在所允許范圍的較低數(shù)值，以延長手機的通話時間。這個結構的第二個優(yōu)點是器件工作可以更穩(wěn)定。因為手機功率放大器通常直接接到天線，工作時會面臨大幅度變化的負載。在這樣的環(huán)境下，開環(huán)控制的PA輸出功率會提高3dB，PA消耗的電流、熱效應以及器件的穩(wěn)定性都會受到影響。另外，手機電源的電壓波動(2.9V~5.5V)也在一定程度上影響PA的工作性能，因為高電源電壓、低負載阻抗會使輸出電流增大。通過控制XIN9133的Vcc電源電壓可以減緩上述問題。 
 許多GSM功率控制系統(tǒng)監(jiān)測輸出功率或集電極/漏極電流。XIN9133內部有一個高速控制環(huán)路，用于調節(jié)放大器的集極電壓，并在每一級維持一個固定偏置。PA的供電電壓穩(wěn)定在3.6V最大值，大大減輕了器件在負載失配情況下的負荷。

    通過調節(jié)電源電壓，圖2所示Vcc控制電路在各級達到飽和狀態(tài)時，輸出功率最大，集電極電壓隨著輸出功率的減小而減小。式1給出了輸出功率和集極電壓的相互關系。XIN9133的內部集電極電壓調節(jié)有兩個好處，一方面，它消除了影響輸出功率變化的兩個因素之一 ；另一方面，通過限制器件的最大電源電壓提供輸出級的過流保護。負載阻抗和供電電壓的波動是導致輸出功率變化的主要因素。  傳統(tǒng)架構中，PA增益（用dB/V表示）隨著功率的變化而變化，從而導致功率控制環(huán)路帶寬的變化。有些PA的增益（控制斜率）范圍為100dB/V ~ 1000dB/V。這樣，電路設計必需提供足夠的環(huán)路帶寬，以適應低斜率控制時的突發(fā)模板要求，而且還要保證高斜率控制時的環(huán)路穩(wěn)定性。

    XIN9133與MAX4002相結合，通過控制Vcc電源電壓使PA增益保持一致，從而解決了環(huán)路穩(wěn)定性問題。XIN9133環(huán)路帶寬由內部控制電路和RF輸出負載決定，不隨功率大小的變化而改變。由于偏置和集電極電壓不變，使得維持寬帶環(huán)路的穩(wěn)定性更容易?？刂骗h(huán)路的一個問題是環(huán)路延時對環(huán)路穩(wěn)定性的影響，在本應用中將直接影響突發(fā)脈沖的時間控制。這是由于VCO信號功率隨溫度、頻率和供電電壓變化造成的。當VCO信號功率變化時，環(huán)路增益亦隨之變化，影響了環(huán)路帶寬。突發(fā)定時會因此發(fā)生偏移，尤其是在低功率電平下。因為XIN9133對輸入功率變化不敏感，突發(fā)定時保持恒定，不需要軟件補償。突發(fā)脈沖的上升/下降沿不夠平滑時，將會產生開關瞬變。為了保證平滑的控制過程，必須改變集電極電壓，實現(xiàn)輸出功率的控制。保持各級電路的固定偏置也可以消除反射點。

    PA的控制原理

    PA控制環(huán)路可以消除功率放大器增益變化的影響。圖3給出了一個PA控制環(huán)路，它可以消除任何負載變動或PA增益隨溫度變化的影響，因為PA處于系統(tǒng)的前向通道。當環(huán)路提供足夠的增益時，環(huán)路精度主要依賴于反饋通道的器件（功率耦合器和檢測器）。 
   根據(jù)Vramp，控制環(huán)路將PA增益控制電壓設置在適當?shù)碾娖?，以便產生所需要的輸出功率。功率檢測器與耦合器連接，產生與輸出功率相關的電壓，這個電壓與基帶產生的Vramp進行比較，由誤差放大器放大誤差電壓，通過調整功放的電源電壓，使誤差趨于零。這樣的閉環(huán)控制響應不需要了解功放特性，如輸出功率隨溫度的變化、輸出功率隨供電電壓的變化等。

    圖4是PA輸出功率控制環(huán)路，由XIN9133功率放大器和MAX4002功率控制器組成。除了PA和耦合器，圖3中的其他電路包含在PA控制器MAX4002內，包括RF檢測器、斜率控制器和誤差放大器。
電路能夠產生固定輸出功率，功率檢測器的寬動態(tài)范圍(MAX4002為50dB)能夠在較寬的功率范圍精確設置PA的輸出功率。如上所述，控制回路中反饋通道的器件決定了增益?zhèn)鬏敽瘮?shù)。RF檢測器是其中的關鍵器件，為了達到最佳性能，它必須具有高精度和溫度穩(wěn)定性，并且，最好是對數(shù)(dB)線性響應?？刂骗h(huán)路要求PA的增益控制傳輸函數(shù)是單調的。當RF檢測器是對數(shù)線性時，Vramp對PA輸出功率也是對數(shù)線性的，這樣可以簡單地校準系統(tǒng)。

    時隙要求

    GSM移動電話采用時分復用（TDMA）傳輸數(shù)據(jù)。TDMA格式包含8個時隙，手機功放通常在其中一個時隙發(fā)射。為了防止手機相互干擾，TDMA系統(tǒng)有嚴格的時隙要求。為了滿足GSM時隙要求，PA輸出必須具有快速的上升和下降時間，同時還需保證在時隙內不產生額外的頻率分量，即使PA輸出信號的包絡非常陡峭。

    Vramp設置RF輸出功率，在Vramp引腳提供控制電壓可以使PA輸出功率(Pout)限制在要求的時隙內（圖5）。這個時隙在溫度、電壓和負載變化范圍內能夠滿足指標要求。利用MAX4002控制XIN9133功放，可以保證PA輸出符合GSM規(guī)范要求。使基帶DAC輸出和PA輸出功率保持線性關系，簡化了手機生產中的PA校準回路。