电源闭环控制优化GSM功率放大器

    利用一个低成本、低功耗的对数放大/功率检测器件（MAX4002）配合4波段GSM/GPRS功率放大器(PA)（XIN9133）构成PA功率输出的闭环控制方案。这种控制技术连续调整电源电压（Vcc）使其保持在所允许的zui小值，为功率放大器提供有效保护，与当前的GSM系统相比具有明显优势。

    GSM中的PA可进行调节，设定输出功率，并且不得发射带外信号（这要求严格控制功率的变化斜率，避免产生带外噪声）。此外，需要限制PA只在其自身的时隙内进行发射，这同样要求严格控制功率的变化斜率。如果功放开环工作，系统又无法提供上述控制时，则很难达到GSM的规范要求。因为PA是非线性器件，增益和输出都随频率、电池电压和温度而变化，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术具有以下几项关键优势：

    ● 频率、温度、Vcc变化时，功率变化量zui小；

    ● 负载阻抗变动时保证可靠工作；

    ● 环路稳定性zui高；

    ● 对不同功率级别环路带宽变化zui小；

    ● *的瞬态频谱和突发响应。

    功率放大器XIN9133和MAX4002（图1）一起可以提供非常好的闭环功放输出控制。MAX4002连续监测、控制XIN9133的输出功率，使功率输出只在一个狭窄的范围内变动，与PA负载、电源、温度的变化无关。典型的功率输出电平可以控制到十分之一dB,使手机生产商可以更好地控制输出功率。由于GSM规范针对手机规定了输出功率的zui小值和典型值，严格控制输出功率能够为生产商在手机性能方面提供更多的选择。比如厂商可以将输出功率设定在所允许范围的较低数值，以延长手机的通话时间。这个结构的第二个优点是器件工作可以更稳定。因为手机功率放大器通常直接接到天线，工作时会面临大幅度变化的负载。在这样的环境下，开环控制的PA输出功率会提高3dB，PA消耗的电流、热效应以及器件的稳定性都会受到影响。另外，手机电源的电压波动(2.9V~5.5V)也在一定程度上影响PA的工作性能，因为高电源电压、低负载阻抗会使输出电流增大。通过控制XIN9133的Vcc电源电压可以减缓上述问题。 
 许多GSM功率控制系统监测输出功率或集电极/漏极电流。XIN9133内部有一个高速控制环路，用于调节放大器的集极电压，并在每一级维持一个固定偏置。PA的供电电压稳定在3.6Vzui大值，大大减轻了器件在负载失配情况下的负荷。

    通过调节电源电压，图2所示Vcc控制电路在各级达到饱和状态时，输出功率zui大，集电极电压随着输出功率的减小而减小。式1给出了输出功率和集极电压的相互关系。XIN9133的内部集电极电压调节有两个好处，一方面，它消除了影响输出功率变化的两个因素之一 ；另一方面，通过限制器件的zui大电源电压提供输出级的过流保护。负载阻抗和供电电压的波动是导致输出功率变化的主要因素。  传统架构中，PA增益（用dB/V表示）随着功率的变化而变化，从而导致功率控制环路带宽的变化。有些PA的增益（控制斜率）范围为100dB/V ~ 1000dB/V。这样，电路设计必需提供足够的环路带宽，以适应低斜率控制时的突发模板要求，而且还要保证高斜率控制时的环路稳定性。

    XIN9133与MAX4002相结合，通过控制Vcc电源电压使PA增益保持一致，从而解决了环路稳定性问题。XIN9133环路带宽由内部控制电路和RF输出负载决定，不随功率大小的变化而改变。由于偏置和集电极电压不变，使得维持宽带环路的稳定性更容易。控制环路的一个问题是环路延时对环路稳定性的影响，在本应用中将直接影响突发脉冲的时间控制。这是由于VCO信号功率随温度、频率和供电电压变化造成的。当VCO信号功率变化时，环路增益亦随之变化，影响了环路带宽。突发定时会因此发生偏移，尤其是在低功率电平下。因为XIN9133对输入功率变化不敏感，突发定时保持恒定，不需要软件补偿。突发脉冲的上升/下降沿不够平滑时，将会产生开关瞬变。为了保证平滑的控制过程，必须改变集电极电压，实现输出功率的控制。保持各级电路的固定偏置也可以消除反射点。

    PA的控制原理

    PA控制环路可以消除功率放大器增益变化的影响。图3给出了一个PA控制环路，它可以消除任何负载变动或PA增益随温度变化的影响，因为PA处于系统的前向通道。当环路提供足够的增益时，环路精度主要依赖于反馈通道的器件（功率耦合器和检测器）。 
   根据Vramp，控制环路将PA增益控制电压设置在适当的电平，以便产生所需要的输出功率。功率检测器与耦合器连接，产生与输出功率相关的电压，这个电压与基带产生的Vramp进行比较，由误差放大器放大误差电压，通过调整功放的电源电压，使误差趋于零。这样的闭环控制响应不需要了解功放特性，如输出功率随温度的变化、输出功率随供电电压的变化等。

    图4是PA输出功率控制环路，由XIN9133功率放大器和MAX4002功率控制器组成。除了PA和耦合器，图3中的其他电路包含在PA控制器MAX4002内，包括RF检测器、斜率控制器和误差放大器。
电路能够产生固定输出功率，功率检测器的宽动态范围(MAX4002为50dB)能够在较宽的功率范围设置PA的输出功率。如上所述，控制回路中反馈通道的器件决定了增益传输函数。RF检测器是其中的关键器件，为了达到*性能，它必须具有高精度和温度稳定性，并且，是对数(dB)线性响应。控制环路要求PA的增益控制传输函数是单调的。当RF检测器是对数线性时，Vramp对PA输出功率也是对数线性的，这样可以简单地校准系统。

    时隙要求

    GSM采用时分复用（TDMA）传输数据。TDMA格式包含8个时隙，手机功放通常在其中一个时隙发射。为了防止手机相互干扰，TDMA系统有严格的时隙要求。为了满足GSM时隙要求，PA输出必须具有快速的上升和下降时间，同时还需保证在时隙内不产生额外的频率分量，即使PA输出信号的包络非常陡峭。

    Vramp设置RF输出功率，在Vramp引脚提供控制电压可以使PA输出功率(Pout)限制在要求的时隙内（图5）。这个时隙在温度、电压和负载变化范围内能够满足指标要求。利用MAX4002控制XIN9133功放，可以保证PA输出符合GSM规范要求。使基带DAC输出和PA输出功率保持线性关系，简化了手机生产中的PA校准回路。