擴(kuò)頻無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)IS-95/3GPP對(duì)線性度和相鄰?fù)ǖ?a class="cblue" href="http://forexkbc.com/search/?q=功率" title="功率">功率比(ACPR)做出了嚴(yán)格規(guī)定,。為滿足要求,，寬頻碼分多址(W-CDMA)無(wú)線手機(jī)中要求采用高線性度的A類(lèi)或A-B類(lèi)RF" title="RF">RF功率放大器。不過(guò),，在輸出功率為+28dBm時(shí),，這種類(lèi)型功率放大器的功率附加效率(PAE)最大只有35%左右；如果輸出功率降低,，則PAE值更低,。
在通話模式下功率放大器不會(huì)持續(xù)工作。當(dāng)手機(jī)用戶不說(shuō)話時(shí),，功率放大器就會(huì)以半速率(50%工作時(shí)間)或1/8速率工作,，所以在通話模式時(shí)無(wú)需擔(dān)心手機(jī)發(fā)熱。但是在數(shù)據(jù)模式下,，功率放大器會(huì)一直工作直到數(shù)據(jù)傳輸完畢,。功率放大器的低效率及連續(xù)作業(yè)很快就會(huì)耗盡電池電量,，而隨之產(chǎn)生的內(nèi)部功耗還會(huì)使手機(jī)過(guò)熱。
對(duì)支援高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的早期W-CDMA手機(jī)而言,，功耗是一個(gè)主要難題,。它迫使設(shè)計(jì)人員使用更大的散熱片、更強(qiáng)的冷卻氣流以及更大容量的電池,。幸運(yùn)的是,，在過(guò)去幾年中，隨著CDMA和W-CDMA手機(jī)用功率放大器在功效方面取得顯著進(jìn)步,，上述問(wèn)題已經(jīng)得到了緩解,。
在CDMA和W-CDMA系統(tǒng)，功率放大器的RF功率輸出并非總是最大,。為最佳化蜂巢式容量(基地臺(tái)能同時(shí)處理的傳輸通道數(shù)量),，每支手機(jī)都要控制各自的RF輸出功率，以便基地臺(tái)接收到的有效訊號(hào)噪音比程度對(duì)每只手機(jī)而言都是相同的,。
從特定區(qū)域內(nèi)許多手機(jī)的RF輸出功率程度概率分布可知,，一部標(biāo)準(zhǔn)的CDMA或W-CDMA手機(jī)的平均輸出功率為：郊區(qū)+10dBm左右；市內(nèi)+5dBm左右,。所以,，提高功率放大器效率的一個(gè)有效目標(biāo)并不是最大功率程度，而是在+5dBm到+10dBm之間尋找一個(gè)合適的范圍,。
CDMA和W-CDMA功率放大器需要兩個(gè)供電電壓(見(jiàn)圖),。VREF為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器階和功率放大器階提供偏置，而VCC則用來(lái)偏置驅(qū)動(dòng)器和功率放大器的集電極,。透過(guò)調(diào)整這兩個(gè)電壓,，設(shè)計(jì)人員能夠降低功率放大器的供電電流。
當(dāng)RF發(fā)射功率為零時(shí),，功率放大器會(huì)自動(dòng)將靜態(tài)電流拉到100mA(典型值),，而此時(shí)VREF和VCC分別為3V和3.4V。將VREF從3V 降到2.9V能使靜態(tài)電流降低大約20mA,。
F1：CDMA/W-CDMA手機(jī)功率放大器設(shè)計(jì)中需要兩個(gè)
供電電壓：Vref和Vcc,。可透過(guò)調(diào)整這兩個(gè)電壓
減小功率放大器的工作電流,。
所以，設(shè)計(jì)人員透過(guò)降低VREF可以在很大程度上減少功率放大器的靜態(tài)電流,，但是要保證功率放大器的線性度和ACPR不低于規(guī)范要求,。
降低VREF和VCC
如果我們掌握了經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，能夠根據(jù)功率放大器的不同輸出功率程度提供所需最小的VREF電壓,，那么就能主動(dòng)地把VREF控制與放大器的功率控制過(guò)程結(jié)合起來(lái),。如果這種方法難度太高,，我們可以簡(jiǎn)單地對(duì)VREF進(jìn)行兩階調(diào)控，分別對(duì)應(yīng)于低功率模式(小于10dBm)和高功率模式(大于10dBm),。
為了透過(guò)基頻控制D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)VREF進(jìn)行調(diào)整,，我們選用了一個(gè)具有大輸出電流能力和外部增益調(diào)節(jié)的低功率運(yùn)算放大器。
在典型的無(wú)線手機(jī)中,，功率放大器的VCC直接取自單單元鋰離子電池,，因此VCC的工作范圍在3.2V到4.2V之間。如上所述,，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明 CDMA和W-CDMA的功率放大器多數(shù)時(shí)間工作在+5到+10dBm的功率程度,。
在這樣的程度下，設(shè)計(jì)人員可以在不損失功率放大器線性度的情況下顯著降低VCC,，同時(shí)減少因集電極偏置過(guò)大產(chǎn)生的功耗,。
在低功率程度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在集電極偏置持續(xù)低于0.6V的情況下,，我們?nèi)阅鼙３峙c基地臺(tái)間的正常通訊,。
透過(guò)一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的高效dc/dc降壓轉(zhuǎn)換器可以為功率放大器集電極提供可變的偏置電壓。
我們可以利用基頻處理器的一個(gè)專(zhuān)門(mén)數(shù)位類(lèi)比轉(zhuǎn)換器輸出來(lái)調(diào)整該降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,。
控制功率放大器集電極電壓的dc/dc轉(zhuǎn)換器必須能對(duì)控制訊號(hào)做出快速響應(yīng),。通常，在來(lái)自基頻處理器的模擬控制電平變化后的30微秒內(nèi),，dc /dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓應(yīng)該穩(wěn)定在新設(shè)定電壓值的90%以內(nèi),。
該轉(zhuǎn)換器晶片在其VCC控制輸入和對(duì)功率放大器集電極實(shí)施偏置的輸出電壓之間提供適當(dāng)?shù)膬?nèi)部增益。它還在高頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作以減小電感的大小,。
在功率放大器和電池之間連接dc/dc轉(zhuǎn)換器會(huì)使一個(gè)問(wèn)題變得突出,，即在低電池電壓下需要高RF功率。為了提供+28dBm的RF功率同時(shí)維持功率放大器的線性度指標(biāo),，制造商們推薦最小的VCC是3.4V,。為了在3.4V電壓下保持35%的PAE，我們還需要高達(dá)530mA的功率放大器集電極電流,。
+28dBm的RF功率：102.8 mW = 631mW
所需的功率放大器功率(VCC ICC)：631mW/(PAE/100)?1,803mW,。
在VCC=3.4V時(shí)，所需的功率放大器電流(ICC)：ICC = 1,803mW/3.4V = 530mA,。
為了支援3.4V的VCC和530mA的ICC,，充當(dāng)功率放大器電源的dc/dc轉(zhuǎn)換器要求有一定的輸入－輸出余量。
例如,，如果該轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部P溝道MOSFET(PFET)的導(dǎo)通阻抗是0.4Ω,，而電感阻抗是0.1Ω，那么在這兩個(gè)元件上的串聯(lián)壓降為 (0.4Ω+0.1Ω) 530mA = 265mV。所以,，當(dāng)電池電壓低于3.665V時(shí),，該dc/dc轉(zhuǎn)換器就無(wú)法支援3.4V的輸出。
在電池電壓低于3.665V的情況下,，最好是將功率放大器集電極與電池短接,。否則，就無(wú)法充分利用鋰離子電池的電量,。
通常的解決方案是透過(guò)并聯(lián)一個(gè)低Rds的PFET,，來(lái)旁路電感和內(nèi)部PFET。這個(gè)旁路FRET(可內(nèi)建或外接)在高功率模式下,，將電池電壓直接連到功率放大器的集電極,。為了同時(shí)滿足高RF功率和低電池電壓，必須采用這種旁路方法,。
最佳化PAE
最佳化PAE的最佳做法是連續(xù)調(diào)整功率放大器集電極的偏置電壓,。不過(guò)，這種方法需要工廠校準(zhǔn)以及復(fù)雜的軟體,，以確保在集電極偏置電壓連續(xù)變化的情況下,，仍能具有良好的PA線性和ACPR。退而求其次的做法是對(duì)集電極偏置電壓做步進(jìn)調(diào)整,，通常是兩至四階,。
例如，在一個(gè)四階系統(tǒng)中,，包括的VCC值可能有：Vbatt,、1.5V、1V和0.6V,。該系統(tǒng)的總體效率幾乎可以與對(duì)功率放大器集電極偏置進(jìn)行連續(xù)控制的系統(tǒng)相媲美,，而且在低或中功率程度，電感只需要提供小于150mA的峰值電流,。