手机音频功放IC的作用及特性要求

手机音频功放IC的作用及特性要求,Amplifier chip

什么是功放?
功率放大器(PowerAmplifier，简称PA)简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源(专业音响系统中则是来自调音台)的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

手机功放的特性要求
GSM/GPRS四频手机是依据ETSI/3GPP的通讯标准来传送信号，所以功率放大器的特性必须符合以下的要求。
一般而言，PA之输出功率等级在GSM850MHz/900MHz频段，分为5(33dBm)~19(5dBm)等十五个功率等级，在DCS1800MHz/PCS1900MHz频段，则有0(30dBm)~15(0dBm)等十六个功率等级，随着手机距离邻近基站的远近与手机收信状况的好坏，PA的输出功率等级必须依据基站的指示做相对调整及精确的设定，不是只有单一的输出功率。
因为GSM/GPRS通讯系统乃是TDMA系统(Time-Division-multiple-Access)，故信号之传送(up-Link)与接收(down-Link)不是同时间发生的，而PA主要是负责传送手机信号到基站，其PA功率操作反应时间必需符合ETSI/3GPP通讯标准之规范，如图1所示，分三段时间区域(a)28us(b)542.8us(c)28us，在(a)区域，当手机欲传送信号到基站，PA必须在28us内做好Power-ramping-up的准备工作，使PA输出功率保持在一个稳定且固定的值，以便开始做真正的手机信号传送工作，此即为(b)区域，而当信号传送完毕，一样须在(c)区域28us内做完Power-ramping-down即关掉PA Power，以节省电池电流消耗，同时进入接收模式(接收基站信号)，另外，有两点值得一提的是：
(1)在(a)与(c)区域中，PA之反应速度要够快，以使PA能在28us内分别达到PA全功率输出与无功率输出，而且其功率输出的增加率(ramping-up)或递减率(ramping-down)也必须能有适当的快慢以达到很平滑(smooth)的功率上升、下降曲线，否则容易产生所谓的开关频谱噪声，进而影响邻近手机使用者之通话品质。
(2)在(b)区域中，PA之输出功率必须维持非常稳定，功率变动范围在±1dB内，否则手机欲传之信号很容易因PA本身功率不稳定，而受到PA的调变，因而产生调变频谱噪声，此将大大提升手机本身通话时之BER(Bit-error-rate)，使通话品质不佳。

图1 PA的输出功率VS时间图
因移动手机与基站的最远距离约有35公里，PA的输出功率约在30~35dBm，所以PA需要较大的供应电流，其电流可高达1.6~2A，一般PA的输出效率约在50%，再加上PA工作周期(duty
cycle)到GPRS Class 12的应用时将会达到50%
(4个时隙)，因此PA模块将会产生大量的热在IC本身，所以必须有很好的散热处理，否则PA容易因过热而损坏。
因移动手机本身常会在相当不好的环境中使用，如高速行驶、恶烈气候环境等，所以手机本身的接收灵敏度(Sensitivity)要求很高，在此同时，PA所需之输出功率又要比较高，故对PA工作时相对产生的接收频带噪声功率等等特性之要求将更加严格。
一般手机PA在正常的操作模式下，输出端所看到的阻抗为50Ω负载，但是当手机使用者不当使用手机，例如手握天线，甚至拔掉天线，将会发生PA负载阻抗完全偏离正常工作50Ω负载，这就是所谓的PA失配(mismatch)，在这样的状况下，PA功率送不出去，将会导致更多的热散在IC上，易导致PA烧坏，此外，因PA本身是大功率组件，除了输出功率，同时会产生很大的热噪声，PA本身即会有很大的稳定度问题，若是再发生失配状况，更易导致PA振荡，因而产生其它频率之噪声(SpuriousOscillation noise) ，影响到其它手机系统使用者，故PA设计本身必须确保在失配状况下，PA不会发生振荡与烧坏之现象。
如同前点所说，PA乃是一个大功率组件，且其输出端功率乃是用微带传输线来做阻抗匹配，故RF信号容易经由介质耦合和空气中辐射到PA外围手机通讯电路，甚至影响邻近手机使用者。其中最典型的例子即信号耦合到PLL中的VCO，容易造成VCO的频率偏移，此将大大影响手机本身之通话品质，故PA设计本身之屏弊与隔离乃是充满挑战的一个课题。
PA 的技术与运作PA的设计近年来由于在IC输出阻抗匹配线路之Q值不佳，所以多采用多芯片模块(MCU，Multi-Chip-Module)的结构，如图2。


图2 PA的功能方块图
依功能包括以下三大部份：
50Ω输入/输出匹配线路：以便与外围电路如压控振荡器、切换开关器(Switch)做适当的阻抗匹配与功率传送。
CMOS功率控制IC：此IC可说是PA模块的核心，其功能含：提供HBT IC直流偏压(DC-Bias)、频带选择(Band-Selection betweenGSM and DCSBand)、温度补偿、自我功率测量(确保PA所输出功率为基站需求值)，输出功率调整(不同之输出功率等级调整)、功率开关(在传送与接收之间做切换)及保护装置电路(避免手机使用不当，而发生损坏之现象)。
GSM/DCS HBT PA IC：此HBT PA IC主要功能为射频信号的功率放大，目前手机PA都是利用砷化镓制程的异质结双数晶体管(GaAs
Hetero-Junction-Bipolar-TransistorHBT)制造而成。在应用上，PA必须外加一控制回路才能使其运作完全符合E-GSM/DCS/PCS的标准，如图3。

图3 功率控制回路
使用上，透过基带送一个VDAC值来设定PA所需传送出去的功率值，再利用传感肖特基二极管，测量PA的输出功率，其测量值与VDAC的值相比较，以得到一个误差电流，再经由积分器Cin积分，以决定VC的输出电压，然后，应用VC的电压值来调整PA的放大功率，如此形成一个稳定的控制回路系统，才能确保PA输出功率为基带所设定的功率值。