藍(lán)牙功率放大器: 系統(tǒng)性能回顧

摘要：MAX2240功率放大器(PA)的特性適合于藍(lán)牙工作。文中給出了如下領(lǐng)域的性能：發(fā)射輸出頻譜、1dB壓縮點(diǎn)、S參數(shù)、噪聲系數(shù)、諧波輸出含量、增益與電源電流。藍(lán)牙在2.402GHz與2.48GHz之間使用GFSK調(diào)制。PA的輸出功率是+20dBm并包含輸出功率控制電路。 概述 藍(lán)牙通信是一個(gè)TDD (時(shí)分復(fù)用)系統(tǒng)，工作在2.402GHz與2.48GHz之間的ISM頻段內(nèi)。藍(lán)牙系統(tǒng)使用一種稱(chēng)作0.5BT GFSK (高斯頻移鍵控)的數(shù)字頻率調(diào)制方法。使用這種調(diào)制，載波頻率上移175kHz表示一個(gè)“1”，下移175kHz表示一個(gè)“0”，典型的速率為每秒1M符號(hào)。0.5BT (帶寬時(shí)間)定義為在半數(shù)據(jù)速率，即500kHz時(shí)的3dB帶寬。系統(tǒng)采用FHSS (跳頻擴(kuò)頻)以改善RF鏈路的質(zhì)量和可靠性。跳頻速率達(dá)到1600hops/sec。在GFSK調(diào)制中，信號(hào)包含在恒定幅度包絡(luò)的載波中；這樣，PA (功率放大器)就可以進(jìn)入飽和狀態(tài)從而以高效率提供發(fā)射功率。 Maxim的MAX2240單電源、低電壓功率放大器IC是藍(lán)牙應(yīng)用理想的選擇。這款PA提供+20dBm (100mW)的額定輸出功率。除此之外，它還包含一個(gè)數(shù)字功率控制電路。總共有四個(gè)數(shù)字控制輸出功率水平，使它適應(yīng)藍(lán)牙1類(lèi)和2類(lèi)功率。數(shù)字輸入控制激活和關(guān)閉模式以便在TDD系統(tǒng)中有效地操作PA。MAX2240集成了RF輸入和級(jí)間匹配，簡(jiǎn)化了IC的應(yīng)用并使PCB (印刷電路板)的面積達(dá)到最小。 藍(lán)牙對(duì)PA特性的要求 發(fā)射輸出頻譜: 發(fā)射輸出頻譜的測(cè)量在頻域分析功率水平以確保在給定的條件下，PA能夠滿足FCC 20dB帶寬的要求(FCC 15.247)和藍(lán)牙發(fā)射頻譜包絡(luò)的要求(具體參見(jiàn)表1)。 發(fā)射輸出頻譜隨VCC變化關(guān)系(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果A、B、C和D) 發(fā)射輸出頻譜隨增益控制水平變化關(guān)系(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果A、B、C和D) 發(fā)射輸出頻譜與輸入功率變化斜率的關(guān)系(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果E)：由于PA典型的AM-PM (幅度調(diào)制-相位調(diào)制)非線性效應(yīng)，輸入功率變化速度決定了瞬間輸出功率譜。當(dāng)功率變化速度超過(guò)一定限度時(shí)，AM-PM的非線性效應(yīng)將導(dǎo)致輸出譜的增長(zhǎng)。這一新的譜增長(zhǎng)必需得到控制以便使頻譜保持在藍(lán)牙規(guī)定的帶內(nèi)雜散輻射要求以下。 1dB壓縮點(diǎn)測(cè)量(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果F) 小信號(hào)S參數(shù)測(cè)量(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果G): 因?yàn)镸AX2240是典型的A類(lèi)PA，器件的特性將隨輸入的變化有所不同。測(cè)量使用HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀。因此，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的瞬時(shí)特性S22并不代表真正的輸出匹配。通過(guò)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀使其包含此效應(yīng)來(lái)補(bǔ)償20dB的負(fù)載或焊盤(pán)。 PA的噪聲系數(shù)(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果H): 它表示PA產(chǎn)生的總熱噪聲功率的特性。 噪聲功率測(cè)量(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果I): 表示在比較寬的頻率范圍內(nèi)的噪聲功率輻射特性。 諧波測(cè)量(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果J) PIN與POUT關(guān)系的測(cè)量以及PIN與ICC關(guān)系的測(cè)量(見(jiàn)測(cè)試結(jié)果K) 表1. 藍(lán)牙發(fā)射機(jī)頻譜包絡(luò)的要求 M是發(fā)射信道的整數(shù)信道號(hào)，N是正在被測(cè)量的相鄰信道的整數(shù)信道號(hào)) Frequency Offset Transmit Power ±550kHz -20dBc | M - N | = 2 -20dBm | M - N | > = 3 -40dBm MAX2240 PA性能回顧 總的測(cè)試條件： 所有的測(cè)試在室溫下進(jìn)行 調(diào)制類(lèi)型：藍(lán)牙，0.5BT GFSK和175kHz的頻率偏移。 具體的產(chǎn)品信息請(qǐng)參考MAX2240數(shù)據(jù)資料。 測(cè)試裝置框圖 圖1. 輸出功率、輸出頻譜、諧波與P1dB的測(cè)試裝置 圖2. 頻譜泄漏的測(cè)試裝置 圖3. 小信號(hào)S參數(shù)的測(cè)試裝置 圖4. 噪聲系數(shù)的測(cè)試裝置 測(cè)試結(jié)果 測(cè)試結(jié)果A 圖5. 輸入功率4dBm時(shí)在2.45GHz 的最大輸出，VCC = 3.2V 測(cè)試結(jié)果B 表2. MAX2240輸出功率譜測(cè)量，VCC = 3.6V (頻譜分析儀的噪聲底限制了±2.5MHz的ACPR。D0和D1是MAX2240數(shù)字功率控制的輸入。) Frequency PIN DO D1 ICC POUT ±550kHz ±1.5MHz ±2.5MHz GHz dBm     mA dBm dBc dBm dBm 2.42 -2 0 0 66.97 -4.56 -22.34 -48.00 -52.87 0 1 73.59 9.54 -22.67 -35.72 -52.27 1 0 68.88 2.75 -21.00 -42.14 -52.64 1 1 94.70 17.14 -22.34 -28.29 -50.91 0 0 0 68.28 -1.12 -23.17 -23.33 -52.73 0 1 75.36 10.78 -23.16 -34.46 -52.04 1 0 70.19 4.96 -21.66 -40.18 -52.50 1 1 100.40 18.13 -23.33 -27.16 -50.67 2 0 0 69.90 2.14 -23.66 -42.68 -52.78 0 1 78.07 12.10 -24.50 -33.31 -51.86 1 0 71.99 7.19 -24.17 -38.09 -52.43 1 1 106.33 18.99 -21.50 -26.21 -50.39 2.45 -2 0 0 66.82 -4.77 -22.66 -48.18 -53.03 0 1 73.34 9.45 -21.34 -35.80 -52.30 1 0 68.70 2.55 -23.33 -42.42 -52.77 1 1 93.33 17.04 -22.67 -28.36 -50.88 0 0 0 68.01 -1.47 -21.67 -45.64 -52.88 0 1 74.98 10.64 -24.67 -34.69 -52.18 1 0 69.96 4.73 -22.50 -40.41 -52.66 1 1 99.08 17.89 -20.17 -27.55 -50.82 2 0 0 69.61 1.61 -20.50 -43.17 -52.68 0 1 77.49 11.85 -23.66 -33.55 -52.03 1 0 71.67 6.84 -20.83 -38.42 -52.60 1 1 104.88 18.90 -22.16 -26.51 -50.45 2.48 -2 0 0 66.88 -4.47 -22.67 -48.11 -53.12 0 1 73.31 9.57 -22.67 -35.74 -52.41 1 0 68.78 2.69 -22.00 -42.32 -52.83 1 1 92.61 17.01 -22.16 -28.36 -50.96 0 0 0 68.12 -1.32 -19.67 -45.70 -53.01 0 1 74.97 10.68 -22.34 -34.81 -52.20 1 0 70.04 4.93 -20.67 -40.64 -52.78 1 1 98.30 18.09 -22.67 -27.31 -50.74 2 0 0 69.73 2.06 -24.16 -42.88 -52.95 0 1 77.49 12.07 -20.50 -33.28 -51.98 1 0 71.78 6.96 -23.00 -38.41 -52.56 1 1 104.12 18.96 -23.17 -26.46 -50.64 測(cè)試結(jié)果C 表3. MAX2240輸出功率譜測(cè)量，VCC = 3.2V (頻譜分析儀的噪聲底限制了±2.5MHz的ACPR) Frequency PIN DO D1 ICC POUT ±550kHz ±1.5MHz ±2.5MHz GHz dBm     mA dBm dBc dBm dBm 2.42 -2 0 0 64.23 -4.80 -22.50 -47.78 -52.68 0 1 71.24 9.41 -21.84 -35.27 -52.07 1 0 66.20 2.56 -24.83 -41.79 -52.64 1 1 94.74 17.24 -22.33 -27.56 -50.74 0 0 0 65.53 -1.39 -22.00 -45.53 -52.73 0 1 73.21 10.51 -24.00 -34.75 -52.03 1 0 67.58 4.68 -23.67 -40.40 -52.52 1 1 99.99 18.09 -24.83 -27.07 -50.62 2 0 0 67.12 1.89 -22.16 -42.83 -52.73 0 1 76.00 11.89 -22.17 -33.32 -51.84 1 0 69.34 6.86 -20.67 -38.06 -52.44 1 1 104.86 18.74 -22.83 -26.41 -50.37 2.45 -2 0 0 64.00 -5.03 -20.66 -48.36 -52.98 0 1 70.87 9.24 -21.50 -36.10 -52.31 1 0 65.92 2.36 -22.50 -42.50 -52.79 1 1 92.98 17.04 -21.34 -28.29 -50.98 0 0 0 65.26 -1.67 -22.34 -45.90 -52.90 0 1 72.72 10.32 -22.00 -34.95 -52.20 1 0 67.27 4.47 -20.67 -40.55 -52.53 1 1 98.49 17.86 -22.84 -27.52 -50.74 2 0 0 66.34 1.61 -21.16 -43.16 -52.76 0 1 75.41 11.65 -21.84 -33.51 -51.96 1 0 69.05 6.62 -21.67 -38.62 -52.38 1 1 103.36 18.68 -20.00 -26.54 -50.41 2.48 -2 0 0 64.05 -4.94 -23.33 -48.33 -53.12 0 1 70.85 9.29 -21.83 -36.07 -52.34 1 0 65.98 2.45 -23.00 -42.49 -52.85 1 1 92.24 16.94 -22.16 -47.89 -53.16 0 0 0 65.29 -1.49 -24.33 -45.80 -53.12 0 1 72.68 10.51 -23.66 -34.84 -52.22 1 0 67.34 4.62 -23.16 -40.52 -52.73 1 1 97.52 17.91 -20.50 -27.35 -50.77 2 0 0 66.92 1.88 -22.00 -43.00 -52.92 0 1 75.37 11.75 -18.00 -33.71 -52.19 1 0 69.13 6.77 -23.34 -38.60 -52.56 1 1 102.10 18.62 -19.50 -26.75 -50.63 測(cè)試結(jié)果D 表4. MAX2240輸出功率譜測(cè)量，VCC = 2.7V (頻譜分析儀的噪聲底限制了±2.5MHz的ACPR) Frequency PIN DO D1 ICC POUT ±550kHz ±1.5MHz ±2.5MHz GHz dBm     mA dBm dBc dBm dBm 2.42 -2 0 0 60.98 -4.95 -22.17 -47.88 -52.88 0 1 68.17 -8.94 -20.16 -35.76 -52.12 1 0 62.83 -2.06 -23.67 -42.30 -52.64 1 1 90.53 -16.69 -23.67 -28.16 -50.73 0 0 0 62.28 -1.54 -22.00 -45.23 -52.70 0 1 70.21 10.20 -23.50 -34.57 -51.98 1 0 64.36 4.24 -20.67 -40.08 -52.42 1 1 93.82 17.24 -22.67 -27.63 -50.69 2 0 0 63.86 1.86 -25.50 -43.13 -54.21 0 1 73.66 11.66 -23.34 -33.23 -51.75 1 0 66.30 6.62 -23.50 -38.35 -53.64 1 1 96.25 17.47 -24.50 -27.31 -50.70 2.45 -2 0 0 60.75 -5.61 -22.50 -48.27 -52.99 0 1 68.14 9.02 -26.00 -35.74 -52.30 1 0 62.74 1.71 -21.33 -42.61 -52.80 1 1 89.21 16.54 -25.00 -28.40 -51.12 0 0 0 61.95 -2.29 -24.84 -46.12 -52.99 0 1 69.95 1.19 -22.50 -34.65 -52.07 1 0 64.20 4.26 -18.33 -40.51 -52.69 1 1 91.79 17.08 -26.33 -27.80 -50.81 2 0 0 63.71 1.46 -25.33 -42.88 -52.80 0 1 72.66 11.39 -21.33 -33.51 -52.02 1 0 65.80 6.16 -25.50 -38.45 -52.45 1 1 94.64 17.31 -24.50 -27.55 -51.03 2.48 -2 0 0 60.73 -5.49 -22.83 -47.97 -52.99 0 1 68.14 9.08 -20.16 -35.80 -52.40 1 0 62.89 2.24 -20.00 -42.14 -52.83 1 1 88.67 16.60 -24.34 -27.95 -51.06 0 0 0 62.18 -1.62 -21.83 -45.45 -53.00 0 1 70.05 10.27 -24.16 -34.56 -52.18 1 0 64.29 4.44 -21.83 -40.19 -52.70 1 1 91.25 17.05 -23.00 -27.81 -51.16 2 0 0 63.92 1.72 -20.33 -42.75 -52.86 0 1 72.93 11.55 -22.00 -33.32 -52.13 1 0 66.22 6.65 -18.33 -37.94 -52.53 1 1 93.68 17.30 -24.33 -27.54 -50.99 測(cè)試結(jié)果E：頻譜泄漏測(cè)量 圖6. 具有10µs斜坡時(shí)間的輸出頻譜 圖7. 具有5µs斜坡時(shí)間的輸出頻譜 圖8. 具有1µs斜坡時(shí)間的輸出頻譜 圖9. 具有-1.5MHz偏移(最壞情況)的時(shí)域輸出頻譜 圖10. 具有-2.5MHz偏移(最壞情況)的時(shí)域輸出頻譜 測(cè)試結(jié)果F：P1dB測(cè)量 表5. MAX2240 P1dB測(cè)量 VCC = 2.7V VCC = 3.6V D0, D1 = 1, 1 D0, D1 = 1, 1 PIN PIN, Cal POUT Gain PIN PIN, Cal POUT Gain dBm dBm dBm dB dBm dBm dBm dB -9.58 -11 9.85 20.85 -9.58 -11 10 21 -8.58 -10 10.76 20.76 -8.58 -10 10.94 20.94 -7.58 -9 11.63 20.63 -7.58 -9 11.82 20.82 -6.58 -8 12.48 20.48 -6.58 -8 12.68 20.68 -5.58 -7 13.33 20.33 -5.58 -7 13.51 20.51 -4.58 -6 14.12 20.12 -4.58 -6 14.34 20.34 -3.58 -5 14.87 19.87 -3.58 -5 15.09 20.09 -2.58 -4 15.57 19.57 -2.58 -4 15.85 19.85 -1.58 -3 16.09 19.09 -1.58 -3 16.52 19.52 -0.58 -2 16.55 18.55 -0.58 -2 17.13 19.13 0.42 -1 16.83 17.83 0.42 -1 17.67 18.67 1.42 0 17 17 1.42 0 18.14 18.14 2.42 1 17.16 16.16 2.42 1 18.59 17.59 3.42 2 17.34 15.34 3.42 2 19.01 17.01 4.42 3 17.42 14.42 4.42 3 19.32 16.32 5.42 4 17.5 13.5 5.42 4 19.72 15.72 6.42 5 17.67 12.67 6.42 5 20.04 15.04 7.42 6 17.74 11.74 7.42 6 20.3 14.3 圖11. PIN與POUT的變化關(guān)系 測(cè)試結(jié)果G：小信號(hào)S參數(shù) 表6. MAX2240小信號(hào)S參數(shù)測(cè)量 (使用HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。具體情況見(jiàn)“測(cè)試裝置框圖”部分。) 2.42GHz 2.45GHz 2.48GHz VCC = 3.6V VCC = 2.7V VCC = 3.6V VCC = 2.7V VCC = 3.6V VCC = 2.7V 20 log |S11| -16.6dB -14.1dB -16.9dB -14.2dB -18.6dB -14.3dB 20 log |S21| 18.6dB 17.3dB 18.6dB 17.2dB 18.5dB 17.0dB 20 log |S12| -50.3dB -48.2dB -48.9dB -47.7dB -47.6dB -45.3dB 20 log |S22| -2.9dB -3.0dB -2.7dB -2.9dB -2.8dB -3.2dB 測(cè)試結(jié)果H：噪聲系數(shù)測(cè)量 表7. MAX2240噪聲系數(shù)測(cè)量 Frequency D0 D1 NF (dB) GHz VCC = 3.6V VCC = 2.7V 2.42 0 0 -- -- 1 0 13.3 13.4 0 1 9.3 9.2 1 1 5.8 5.7 2.45 0 0 -- -- 1 0 13.5 13.5 0 1 9.4 9.3 1 1 5.9 5.8 2.48 0 0 -- -- 1 0 13.5 13.6 0 1 9.5 9.4 1 1 6.0 5.9 測(cè)試結(jié)果I：噪聲功率測(cè)量 測(cè)試條件： VCC = 3.2V FIN = 2.45GHz PIN = +4dBm POUT = +19.53dBm 圖12. 噪聲功率測(cè)量曲線圖 測(cè)試結(jié)果J：諧波測(cè)量 測(cè)試條件： VCC = 3.2V FIN = 2.45GHz PIN = +4dBm POUT = +19.53dBm 表8. 諧波測(cè)量表 Harmonic Freq(GHz) Power (dBm, RBW = 100kHz measured on Agilent [HP] 8562EC) Power (dBm, 1MHz CH BW measured on R&S FSEA, limited at 6GHz) 4.80 -28.16 -25.74 7.20 -15.00 N/A 9.60 -37.16 N/A 12.00 -42.00 N/A 測(cè)試結(jié)果K：POUT與PIN關(guān)系測(cè)量(在最大增益時(shí)，且VCC = 3.2V) 圖13. PIN與POUT關(guān)系及PIN與ICC關(guān)系，1號(hào)板 MAX2240評(píng)估板：原理圖與線路板布局 點(diǎn)擊看大圖 圖14. 原理圖 圖15. 線路板布局。具體的線路板布局信息請(qǐng)參考MAX2240數(shù)據(jù)資料。 CSP (芯片尺度封裝)推薦PCB設(shè)計(jì) 焊盤(pán)尺寸：10mil直徑 間距：19.7mil 中間管腳引線的線寬：3mil 助焊層：精確對(duì)準(zhǔn)時(shí)直徑14mil，一般情況直徑16mil。 圖16. 間距與焊盤(pán)尺寸 請(qǐng)參考應(yīng)用筆記晶片級(jí)封裝。