量化不同整合度的GSM/GPRS功率放大器系統(tǒng)效能

Silicon Laboratories Mendy Ouzillou

僅僅在三年前，GSM功率放大器解決方案的整合度還很不理想，傳送系統(tǒng)解決方案需要不同的組件支持低頻、高頻和功率控制，輸入和輸出的匹配電路也需要多顆離散零件，另外還有諧波訊號的濾波功能、解耦合電容以及電源控制功能的所有支持零件。當(dāng)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)功能整合的原因在于制程技術(shù)、仿真工具、對于高Q值 (低損耗) 被動(dòng)零件的需求以及3GPP (GSM) 規(guī)格的嚴(yán)格要求。但在過去兩年里，功率放大器解決方案已將外部功能和零件整合為多芯片模塊，使得解決方案的體積和復(fù)雜性都大為降低。到了近，功率放大器技術(shù)又有新發(fā)展，低成本而高良率的單石解決方案開始出現(xiàn)，進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)所需的零件數(shù)目和復(fù)雜性。

對于設(shè)計(jì)工程師來說，功率放大器效能的測量和比較絕非易事。由于功能整合度的提高，功率放大器效能的重要量化指針都已重新定義，因此要比較不同整合度的功率放大器，規(guī)格的制定背景已變得和規(guī)格本身同樣重要。本文將分析功率放大器的兩個(gè)重要效能指針，分別是功率和效率，我們將在不同整合度和功率控制架構(gòu)下對其進(jìn)行分析。為了有效比較兩種不同整合度的功率放大器，我們將以天線和電池做為系統(tǒng)解決方案的效能參考點(diǎn)，再把它們合并成一個(gè)指針 - 平均突發(fā)電流 (average burst current)。這些觀念只要略做修改，就能擴(kuò)及其它射頻傳送系統(tǒng)。

注：本文假設(shè)GSM900和DCS1800的天線負(fù)載為50 ，功率放大器是在3.5 V以及25℃的正常環(huán)境下操作，電池的輸出電壓則為3.7 V。關(guān)于電子表格中所列的計(jì)算過程，請至以下網(wǎng)站查詢：www.silabs.com/pa-calculations。

功率放大器輸出功率與天線功率的比較

針對不同整合度或不同架構(gòu)的功率放大器，評估其效能的方式是指定天線功率要求，然后再計(jì)算功率放大器的輸出功率要求。一般說來，校準(zhǔn)后的天線功率水準(zhǔn)在低頻帶 (GSM) 為32.75 dBm，高頻帶 (DCS) 則為29.75 dBm。

傳送系統(tǒng)所使用的功率控制架構(gòu)會影響功率放大器，為了滿足天線要求而必須產(chǎn)生的功率水準(zhǔn)，目前應(yīng)用廣泛的功率控制架構(gòu)則是閉回路功率控制、供應(yīng)電壓功率控制以及供應(yīng)電流功率控制 (圖1-3)。

新的多芯片模塊和單石解決方案已可以將功率控制電路全部整合在一起，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可將它們視為黑盒子，只要關(guān)心它們的輸出功率水準(zhǔn)即可，但對于整合度較低的解決方案來說，功率控制方式仍會影響輸出功率的要求。

閉回路功率控制架構(gòu)是應(yīng)用廣泛的功率控制方式，某些常見的功率放大器解決方案仍會使用外部功率控制方式，但其外接的方向耦合器卻會造成插入損耗。為了補(bǔ)償這個(gè)額外的功率損耗，功率放大器要為GSM多提供約0.25 dB功率，為DCS多提供大約0.30 dB的功率。

供應(yīng)電壓功率控制架構(gòu)的應(yīng)用也很廣泛，部分原因就在于它不需要方向耦合器。這種功率控制架構(gòu)必須在功率放大器和電池之間增加一個(gè)很大的MOSFET晶體管或穩(wěn)壓器。單石功率放大器解決方案會采用供應(yīng)電壓功率控制方式，同時(shí)將穩(wěn)壓器整合至組件中，雖然采用這種功率控制方法的多數(shù)解決方案都已整合所有的功率控制電路，仍有些功率放大器解決方案需要外接MOSFET，該晶體管會在電池和功率放大器之間產(chǎn)生20至100 m 串聯(lián)電阻，使得電路效率降低，輸出功率也變得更小。輸出功率降低是因?yàn)殡姵睾凸β史糯笃髦g的串聯(lián)電阻會造成電壓降，使得功率放大器的操作電壓減少，進(jìn)而降低了它的輸出功率。

一種功率控制架構(gòu)會測量電池到功率放大器的電流，并由此來控制功率放大器的輸出功率。電流感測電阻通常在75 m 到100m 范圍內(nèi)，由于它是電池和功率放大器之間的串聯(lián)電阻，所以會降低電路的工作效率，進(jìn)而減少輸出功率。因?yàn)樵摷軜?gòu)相當(dāng)復(fù)雜，采用這種控制方式的多數(shù)解決方案會將所有的必要組件全部整合在一起，包括電流感測電阻在內(nèi)。

許多現(xiàn)有解決方案的諧波效能并不理想，系統(tǒng)工程師必須評估額外濾波器對于輸出功率需求的影響，如果除了天線開關(guān)模塊 (ASM) 所提供的濾波器之外，系統(tǒng)還要增加諧波濾波功能，功率放大器就必須增加0.20 dB的輸出功率來補(bǔ)償插入損耗。

分析輸出功率的重要影響因素，工程師就能針對兩種不同整合度的功率放大器解決方案，詳細(xì)比較它們的輸出功率要求。

系統(tǒng)效率與功率放大器效率的比較

3GPP規(guī)格并未對行動(dòng)臺 (mobile station) 的工作效率制定任何強(qiáng)制要求，但是“效率”的行動(dòng)臺將會提供長的通話時(shí)間。雖然功率放大器對于通話時(shí)間的影響非常大，但這不表示效率的功率放大器就能提供長的通話時(shí)間。

基本上，系統(tǒng)效率就是在天線達(dá)到特定輸出功率水準(zhǔn)下，電池所需供應(yīng)的電流，因此在分析系統(tǒng)效率時(shí)，就必須包含從電池到功率放大器的直流路徑上的所有電阻性損耗、功率放大器和天線開關(guān)之間的插入損耗、功率放大器和系統(tǒng)操作條件以及來自于外部和內(nèi)部電路的任何其它電流消耗。了解這些損耗的產(chǎn)生機(jī)制后，就可以了解系統(tǒng)功耗以及功率放大器對于系統(tǒng)功耗的影響。

功率放大器和天線之間的很小損耗有可能對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響，從表2即可看出與系統(tǒng)效率有關(guān)的并不是功率放大器的輸出功率，而是功率放大器在該輸出功率下的工作效率以及功率放大器之后的損耗值。

由于效率會受到影響，因此廠商有著很強(qiáng)烈的意愿，要將天線和功率放大器之間所有零件的插入損耗減至，特別是插入損耗的天線開關(guān)模塊。廠商的目標(biāo)不僅是減少插入損耗，然后使用輸出功率較小的功率放大器，而是希望使用輸出功率，并能在該功率下達(dá)到效率的功率放大器。

在電池和功率放大器之間的路徑上，任何損耗都會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生巨大影響，例如很小的電阻性損耗就會導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降；此時(shí)，效率所受的影響會直接正比于功率放大器的輸出功率水準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)將電池和功率放大器之間的阻抗減至，例如讓電池連接頭盡量靠近功率放大器，這種做法將為他們帶來極大好處。

系統(tǒng)效率還有另一個(gè)較為細(xì)膩的層面，即分析輔助電源供應(yīng)和外部支持電路的各種電流；除此之外，收發(fā)器電流也應(yīng)納入考慮范圍，這樣才能計(jì)算出從收發(fā)器到功率放大器輸入端所需的驅(qū)動(dòng)功率。

列出主要的損耗項(xiàng)目之后，功率放大器效率的定義即可擴(kuò)大包含所有的損耗項(xiàng)目，進(jìn)而成為系統(tǒng)效率的定義，這樣工程師就能利用這個(gè)系統(tǒng)效率值對任兩種功率放大器進(jìn)行一階比較。

調(diào)整功率放大器的輸出功率，使兩種功率放大器在天線產(chǎn)生同樣的功率，此時(shí)前述的系統(tǒng)效率值就能做為有用的系統(tǒng)效能指針。值得注意的是，雖然采用外部閉回路功率控制方式的功率放大器擁有較高的功率放大器效率，但是將所有的損耗都加入考慮后，它的系統(tǒng)效率反而較低。

平均Burst電流：天線輸出功率和系統(tǒng)效率

推導(dǎo)出兩種功率放大器的系統(tǒng)效率和輸出功率需求后，我們就能計(jì)算系統(tǒng)從電池汲取的電流值，也就是平均Burst電流，它能讓設(shè)計(jì)人員加入系統(tǒng)效率和天線端功率等兩項(xiàng)重要的優(yōu)劣評比參數(shù)，然后把它們結(jié)合在一起，成為將整個(gè)傳送系統(tǒng)都納入考量的單一指針；對于功率放大器效率和輸出功率這樣復(fù)雜的問題，沒有其它指針能夠如此簡潔而容易的表達(dá)出其精髓。

平均Burst電流的定義是全部8個(gè)槽 (slot) 的Burst電流平均值：

平均Burst電流=(天線端輸出功率) / (系統(tǒng)效率 電池電壓)

下列公式可輕易將平均Burst電流轉(zhuǎn)換為通話時(shí)間：

通話時(shí)間 = 電池容量 / 平均Burst電流

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品發(fā)展過程中都必須面對困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。零件的選擇和比較就像是其它任何計(jì)劃，如果可供選用的零件太多，整個(gè)工作就變得極為困難，尤其是這些零件還有著不同的功能整合度。選擇功率放大器時(shí)，很重要的一點(diǎn)是根據(jù)整合度來重新定義關(guān)鍵參數(shù)，平均Burst電流讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能根據(jù)較為實(shí)用的系統(tǒng)效能指針來做出決定。