手機功率放大器的功效

什么是功放？

功率放大器（Power Amplifier，簡稱PA）簡稱功放，俗稱“擴音機”，是音響系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，它的任務(wù)是把來自信號源（專業(yè)音響系統(tǒng)中則是來自調(diào)音臺）的微弱電信號進行放大以驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。

手機功放的特性要求

GSM/GPRS四頻手機是依據(jù)ETSI/3GPP的通訊標準來傳送信號，所以功率放大器的特性必須符合以下的要求。

一般而言，PA之輸出功率等級在GSM850MHz/900MHz頻段，分為5(33dBm)~19(5dBm)等十五個功率等級，在DCS1800MHz/PCS1900MHz頻段，則有0(30dBm)~15(0dBm)等十六個功率等級，隨著手機距離鄰近基站的遠近與手機收信狀況的好壞，PA的輸出功率等級必須依據(jù)基站的指示做相對調(diào)整及精確的設(shè)定，不是只有單一的輸出功率。

因為GSM/GPRS通訊系統(tǒng)乃是TDMA系統(tǒng)(Time-Division-multiple-Access)，故信號之傳送(up-Link)與接收(down-Link)不是同時間發(fā)生的，而PA主要是負責傳送手機信號到基站，其PA功率操作反應時間必需符合ETSI/3GPP通訊標準之規(guī)范，如圖1所示，分三段時間區(qū)域(a)28us(b)542.8us(c)28us，在(a)區(qū)域，當手機欲傳送信號到基站，PA必須在28us內(nèi)做好Power-ramping-up 的準備工作，使PA輸出功率保持在一個穩(wěn)定且固定的值，以便開始做真正的手機信號傳送工作，此即為(b)區(qū)域，而當信號傳送完畢，一樣須在(c)區(qū)域28us內(nèi)做完P(guān)ower-ramping-down即關(guān)掉PA Power，以節(jié)省電池電流消耗，同時進入接收模式(接收基站信號)，另外，有兩點值得一提的是：
(1)在(a)與(c)區(qū)域中，PA之反應速度要夠快，以使PA能在28us內(nèi)分別達到PA全功率輸出與無功率輸出，而且其功率輸出的增加率(ramping-up)或遞減率(ramping-down)也必須能有適當?shù)目炻赃_到很平滑(smooth)的功率上升、下降曲線，否則容易產(chǎn)生所謂的開關(guān)頻譜噪聲，進而影響鄰近手機使用者之通話品質(zhì)。
(2)在(b)區(qū)域中，PA之輸出功率必須維持非常穩(wěn)定，功率變動范圍在±1dB內(nèi)，否則手機欲傳之信號很容易因PA本身功率不穩(wěn)定，而受到PA的調(diào)變，因而產(chǎn)生調(diào)變頻譜噪聲，此將大大提升手機本身通話時之BER(Bit-error-rate)，使通話品質(zhì)不佳。

圖1 PA的輸出功率VS時間圖

因移動手機與基站的最遠距離約有35公里，PA的輸出功率約在30~35dBm，所以PA需要較大的供應電流，其電流可高達1.6~2A，一般PA的輸出效率約在50%，再加上PA工作周期(duty cycle)到GPRS Class 12的應用時將會達到50% (4個時隙)，因此PA模塊將會產(chǎn)生大量的熱在IC本身，所以必須有很好的散熱處理，否則PA容易因過熱而損壞。

因移動手機本身常會在相當不好的環(huán)境中使用，如高速行駛、惡烈氣候環(huán)境等，所以手機本身的接收靈敏度(Sensitivity)要求很高，在此同時，PA所需之輸出功率又要比較高，故對PA工作時相對產(chǎn)生的接收頻帶噪聲功率等等特性之要求將更加嚴格。

一般手機PA在正常的操作模式下，輸出端所看到的阻抗為50Ω負載，但是當手機使用者不當使用手機，例如手握天線，甚至拔掉天線，將會發(fā)生PA負載阻抗完全偏離正常工作50Ω負載，這就是所謂的PA失配(mismatch)，在這樣的狀況下，PA功率送不出去，將會導致更多的熱散在IC上，易導致PA燒壞，此外，因PA本身是大功率組件，除了輸出功率，同時會產(chǎn)生很大的熱噪聲，PA本身即會有很大的穩(wěn)定度問題，若是再發(fā)生失配狀況，更易導致PA振蕩，因而產(chǎn)生其它頻率之噪聲(Spurious Oscillation noise) ，影響到其它手機系統(tǒng)使用者，故PA設(shè)計本身必須確保在失配狀況下，PA不會發(fā)生振蕩與燒壞之現(xiàn)象。

如同前點所說，PA乃是一個大功率組件，且其輸出端功率乃是用微帶傳輸線來做阻抗匹配，故RF信號容易經(jīng)由介質(zhì)耦合和空氣中輻射到PA外圍手機通訊電路，甚至影響鄰近手機使用者。其中最典型的例子即信號耦合到PLL中的VCO，容易造成VCO的頻率偏移，此將大大影響手機本身之通話品質(zhì)，故PA設(shè)計本身之屏弊與隔離乃是充滿挑戰(zhàn)的一個課題。

PA 的技術(shù)與運作PA的設(shè)計近年來由于在IC輸出阻抗匹配線路之Q值不佳，所以多采用多芯片模塊(MCU，Multi-Chip-Module)的結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 PA的功能方塊圖

依功能包括以下三大部份：

50Ω輸入/輸出匹配線路：以便與外圍電路如壓控振蕩器、切換開關(guān)器(Switch)做適當?shù)淖杩蛊ヅ渑c功率傳送。

CMOS功率控制IC：此IC可說是PA模塊的核心，其功能含：提供HBT IC直流偏壓(DC-Bias)、頻帶選擇(Band-Selection between GSM and DCS Band)、溫度補償、自我功率測量(確保PA所輸出功率為基站需求值)，輸出功率調(diào)整(不同之輸出功率等級調(diào)整)、功率開關(guān)(在傳送與接收之間做切換)及保護裝置電路(避免手機使用不當，而發(fā)生損壞之現(xiàn)象)。

GSM/DCS HBT PA IC：此HBT PA IC主要功能為射頻信號的功率放大，目前手機PA都是利用砷化鎵制程的異質(zhì)結(jié)雙數(shù)晶體管(GaAs Hetero-Junction-Bipolar-Transistor HBT)制造而成。在應用上，PA必須外加一控制回路才能使其運作完全符合E-GSM/DCS/PCS的標準，如圖3。

圖3 功率控制回路

使用上，透過基帶送一個VDAC值來設(shè)定PA所需傳送出去的功率值，再利用傳感肖特基二極管，測量PA的輸出功率，其測量值與VDAC的值相比較，以得到一個誤差電流，再經(jīng)由積分器Cin積分，以決定VC的輸出電壓，然后，應用VC的電壓值來調(diào)整PA的放大功率，如此形成一個穩(wěn)定的控制回路系統(tǒng)，才能確保PA輸出功率為基帶所設(shè)定的功率值。