W-CDMA手機(jī)應(yīng)充分利用LMV228線性增益射頻功率檢波器

導(dǎo)言

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

W-CDMA 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(shè)的 W-CDMA 網(wǎng)絡(luò)大多采用分頻雙工模式執(zhí)行雙工技術(shù)，但 W-CDMA 標(biāo)準(zhǔn)也加設(shè)了分時(shí)雙工模式，因?yàn)椴糠謬也⒉皇菍㈩l譜對(duì)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(shù)據(jù)；因此兩種鏈路所傳送的數(shù)據(jù)都同樣衰減得很快。若果分時(shí)雙工傳輸技術(shù)可以根據(jù)來自相關(guān)基站的信號(hào)預(yù)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(zhǔn)確的預(yù)測或估算。換言之，我們無需為其提供閉環(huán)功率控制，而且以采用分時(shí)雙工模式來說，理論上單單采用開環(huán)已十分足夠。由于大部分鋪設(shè)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(shè)有快速的閉環(huán)功率控制功能，因此用戶設(shè)備通過下行鏈路連接基站時(shí)，便需要獲得以硬件執(zhí)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。下文將會(huì)介紹多款適用于手機(jī)或其他用戶設(shè)備閉環(huán)功率控制應(yīng)用方案的子系統(tǒng)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(qū)所獲得分配的頻帶，圖表 2 則列出每一用戶設(shè)備必須具備的傳輸功率。按照 W-CDMA 技術(shù)規(guī)格文檔對(duì)不同設(shè)備的分類，手機(jī)是用戶設(shè)備的一種。其他受歡迎的用戶設(shè)備還有筆記本電腦的 PCMCIA 調(diào)制解調(diào)器插卡或無線個(gè)人數(shù)字助理。

圖表 1：W-CDMA 分頻雙工模式的頻帶分配

圖表 2：用戶設(shè)備的功率級(jí)別

目前市場上已出售的手機(jī)大部分都屬 2 級(jí)功率 (power-class-2) 的用戶設(shè)備，而市場上典型的 W-CDMA 功率放大器最高可輸出約 +29dBm 的射頻功率，因此設(shè)有高速數(shù)據(jù)下行鏈路信息包存取 (HSDPA) 模式的用戶設(shè)備開始大受歡迎。

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

簡單來說，W-CDMA 分頻雙工模式的空氣接口對(duì)用戶設(shè)備的發(fā)射功率有特別的規(guī)定，例如發(fā)射功率必須能夠加以調(diào)節(jié)，并以每級(jí) (1.0dB 的幅度逐級(jí)增減，以及可以每 667(s 增減一級(jí)，而且準(zhǔn)確度必須保持在 (0.5dB 的誤差范圍內(nèi)?？傊?，射頻功率控制的電路設(shè)計(jì)應(yīng)符合這個(gè)規(guī)格。

線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(shè)備線性信號(hào)放大器所采用的一般性輸出功率控制系統(tǒng)。由于正交相移鍵控 (QPSK) 及 16 正交振幅調(diào)制 (QAM) 信號(hào)具有高峰值系數(shù)及零交叉特性，因此 W-CDMA 信號(hào)必須具有高度的線性特性，正因?yàn)?W-CDMA 信號(hào)具有高度的線性特性，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(hào)功率，以便調(diào)節(jié)輸出功率。只要在功率放大器輸入端加設(shè)一個(gè)增益控制驅(qū)動(dòng)放大器，便可實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。目前，這種自動(dòng)增益控制 (AGC) 放大器通常設(shè)于 W-CDMA 芯片組的射頻發(fā)送器芯片之內(nèi)。

利用 LMV228 芯片為射頻發(fā)射結(jié)構(gòu)提供支持

圖 3 是我們認(rèn)為很適合 W-CDMA 手機(jī)采用的 LMV228 電路圖。圖中的定向耦合器負(fù)責(zé)將功率放大器輸出的射頻信號(hào)傳送到 LMV228 芯片的輸入端。以 50( 的系統(tǒng)來說，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(nèi)置的輸入靜電釋放 (ESD) 保護(hù)二極管加以設(shè)定。定向耦合器與 LMV228 芯片之間則設(shè)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(dá) 50( 的耦合器。若果沒有這個(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。

目前市場上大部分 W-CDMA 功率放大器可以輸出最高約達(dá) +29dBm 的線性射頻功率。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)問題要看用戶設(shè)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(diào)制系統(tǒng)的最高承受能力。

20dB 定向耦合器

以圖 3 的電路圖為例來說，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(shù)、以及所要求的耦合系數(shù)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(nèi)其耦合系數(shù)最高只能達(dá)到 20dB。若要將耦合系數(shù)提高至 20dB 以上，便必須采用面積大很多的基底或較高級(jí)的電介質(zhì)物料，或干脆采用其他技術(shù)。但至今市場上仍未有這樣的定向耦合器出現(xiàn)。采用 0603 封裝、而 W-CDMA 頻帶范圍內(nèi)的耦合系數(shù)可高達(dá) 20dB 的定向耦合器在市場上并不難找，目前市場上便有兩家廠商供應(yīng)這類定向耦合器。

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(shù)高 10dB，因此天線的反射功率可以進(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自發(fā)射功率放大器的輸出，而天線失配所產(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(shè)計(jì)，力求可為 W-CDMA 用戶設(shè)備提供最理想的射頻功率檢波范圍。按照?qǐng)D 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(dá) 40dB 以上，而頻率反應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，可提供準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償及供電電壓變動(dòng)補(bǔ)償輸出電壓，后者與射頻輸入信號(hào)電平 (dBm) 之間具有線性的函數(shù)關(guān)系。這個(gè)特性一般稱為“以dB為線性”(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(yīng)操作。據(jù)特性測試數(shù)字顯示，這款芯片能在整個(gè)供電電壓范圍內(nèi)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(shè)有內(nèi)置式濾波器，可以檢測擴(kuò)散頻譜信號(hào)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(qiáng)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。

用戶設(shè)備的廠內(nèi)校正程序

正如圖 5A 及 4B 所顯示，LMV228 芯片的線性增益檢波范圍達(dá) 30dB，這個(gè)特性有助精簡整個(gè)廠內(nèi)校正程序。功率放大器的校正程序是整個(gè) W-CDMA 用戶設(shè)備生產(chǎn)流程的重要組成部分。例如，有關(guān)“用戶設(shè)備輸出功率與控制代碼/信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系”的數(shù)據(jù)便利用昂貴的自動(dòng)測試設(shè)備收集，測試用的信號(hào)包括小信號(hào)以至強(qiáng)力的信號(hào)，而且有關(guān)數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在用戶設(shè)備的存儲(chǔ)器內(nèi)，以供手機(jī)操作時(shí)使用。一旦基站要求提供某一數(shù)量的輸出功率，用戶設(shè)備的數(shù)字信號(hào)處理器或微控制器便會(huì)立即進(jìn)入存儲(chǔ)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。

我們可以通過測試為每一用戶設(shè)備搜集有關(guān)“控制代碼與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系”的數(shù)據(jù)，但這樣做需要花費(fèi)不少時(shí)間及人力物力，因此利用統(tǒng)計(jì)數(shù)字配合 LMV228 芯片的線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(jié)省時(shí)間。我們?nèi)粽J(rèn)為在 -15dBm 至 +15dBm 的檢波范圍內(nèi) Pin 與 Vout 之間具有線性關(guān)系，便可利用以下的線性公式表達(dá)這個(gè)線性關(guān)系：。斜率 及截取點(diǎn) 可以在生產(chǎn)過程中利用兩點(diǎn)測試尋找出來。若測試點(diǎn)分別是 及，我們只要進(jìn)行一些基本的代數(shù)運(yùn)算便可計(jì)算出 及 的數(shù)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 用戶設(shè)備采用的 LMV228 芯片

圖 6 是我們認(rèn)為很適合雙頻 W-CDMA 用戶設(shè)備采用的電路方塊圖。一般來說，印刷電路板上每一頻帶的發(fā)射路徑都相距較遠(yuǎn)，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)電話頻帶或 W-CDMA 頻帶的輸出信號(hào)。采用 17( 的電阻的原因是，這樣可以確保在射頻范圍內(nèi)所有輸入輸出端口能以 50( 為共同目標(biāo)互相參照調(diào)節(jié)。電阻功率分壓器的每一條信號(hào)路徑都有 6dB 的內(nèi)在損耗。

有一點(diǎn)我們不可忘記，在現(xiàn)實(shí)世界之中每一應(yīng)用只有一條路徑是開啟的。以這個(gè)結(jié)構(gòu)為例來說，若定向耦合器的耦合系數(shù)為 20dB，LMV228 芯片所實(shí)際接收得到的輸入信號(hào)電平只有 Pout = 20 - 6 dBm，因?yàn)榻M合電路會(huì)出現(xiàn)損耗，而信號(hào)路徑上的這些損耗也必須計(jì)算在內(nèi)。

這個(gè)結(jié)構(gòu)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(dá) 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(hào)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(dú)立設(shè)定。由于這個(gè)電路具有可以自由設(shè)定衰減電平的靈活性，因此可以采用非 20dB 耦合系數(shù)的定向耦合器。

移動(dòng)電話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(guī)定必須以 50( 為共同目標(biāo)互相參照調(diào)節(jié)，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(yīng)以 50( 及 ZHB 的平行線為共同目標(biāo)互相參照調(diào)節(jié)，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(guī)定必須以 50( 為共同目標(biāo)互相參照調(diào)節(jié)，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(yīng)以 50( 及 ZLB 的平行線為共同目標(biāo)互相參照調(diào)節(jié)，由此我們可以得出 EQ-6 這一公式。

我們?nèi)舫晒馑阋陨系?6 條公式，便可分別找出 R1, R2, R3, R4, ZLB 及 ZHB 等變項(xiàng)的數(shù)值。

總結(jié)

按照上文的介紹，LMV228 對(duì)數(shù)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(tǒng)的關(guān)鍵元件。LMV228 芯片可以檢測高達(dá) +15dBm 的射頻功率，而且符合 W-CDMA 空氣接口標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)功率控制的規(guī)定。這款芯片有 micro-SMD 及 LLP 兩種封裝可供選擇。

如欲進(jìn)一步查詢有關(guān)美國國家半導(dǎo)體ADC產(chǎn)品的資料，可瀏覽 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/ 網(wǎng)頁。