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功率檢測器 - 基于簡單功率跟蹤技術的射頻功率放大器效率優化

由于 CDMA2000 射頻信號在不同的通道結構下會表現出不同的峰均包絡，高波峰因數的射頻信號會對相鄰頻道造成更多干擾。在測試射頻功率放大器時，高波峰因數的通道結構應該采用最差情況測量法。

功率檢測器

射頻功率檢測器使用射頻輸出信號，產生出一個經整流的直流電壓，用以確定直流-直流變換器或切換器的輸出電壓。

在本應用中，選用 LMV225，因為它可從 0dBm 直到 -40dBm 范圍內提供 40 dB 的 linear-in-dB 檢測。

手機射頻功率控制對保證 CDMA 系統平穩工作非常重要。由于所有用戶都共享相同的射頻頻段，如 IS-95 中是 1.25MHz，那么每個用戶對其它用戶來說都是隨機雜訊。因此，每個用戶的發射功率都要進行細心控制，以防止任何一個用戶對同一個射頻頻段內的其它用戶造成干擾。

在按照應用框圖使用時，LMV225 具備以下兩種不同的功能：

第一種功能是前面提到的射頻輸出功率控制。

第二種功能是確定射頻功率放大器的供電電壓。本文的以下部分將討論 LVM225 的第二種功能。

切換器或直流-直流變換器

切換器可使手機用到電池的整個電壓工作范圍，這樣，即使在電池近于完全放電情況下（3V 以下），手機仍可以保持峰值性能。

一般情況下，這類應用中的切換器采用脈沖寬度調制模式（PWM）和旁路模式(BYPASS)。通常切換器工作在 PWM 模式，以提高手機的效率。在 PWM 模式下，可編程輸出電壓是 VCON 的函數。公式 3 顯示 LM3200 可編程輸出電壓（SW）與控制電壓（VCON）之間的關系。

美國國家半導體公司的射頻功率放大器切換器完全適合這類應用。其中一個最新產品就是 LM3200。LM3200 能夠產生一個在 0.8V 與 3.6V 之間、動態可變的輸出電壓，PWM 模式下負載電流高達 300mA，旁路(BYPASS)模式下則達 500mA。

設計考慮

在對本應用中每個功能塊作簡單討論后，我們可以轉向對設計步驟的說明。

假設我們要為一個 IS-95 射頻功率放大器設計一個簡單的效率增強電路。最大射頻輸出功率為 +28dBm，并用 LMV225 作射頻功率檢測器。公式 3 是切換器的可編程輸出電壓方程式。

圖 3 為手機功率放大器的輸出概率圖，可以作效率優化工作的指南。此概念圖顯示，大多數時間里，CDMA 射頻功率放大器工作在 +15dBm 或以下的輸出功率上。如果我們在這個工作范圍內降低 CDMA 射頻功率放大器的直流功耗，則手機就可以節省相當多的電池能耗，延長使用時間。

最簡單的辦法是把 CDMA 射頻功率放大器的供電電壓設在最低值上，當輸出射頻功率為 +15dBm 以下。

圖 4 顯示了兩種不同供電電壓下（VCC=3.4 V 和 VCC=1.4V），CDMA 射頻功率放大器的性能。VCC=3.4V 時的 1dB 壓縮點約為 +28 dBm，而在 VCC=1.4V 時約為 +20dBm。圖中還有兩種情況下的三階互調失真。

根據數據表，一般當 VCC=3.4V 時，CDMA 射頻功率放大器從小功率直到 +28dBm 的所有功率上都可以使用。在 VCC=3.4V 情況下，POUT=+28dBm 時第三階互調失真的水平比基礎水平低 28dBc，C/3IM=-28dBc。在 VCC=1.4V 時，POUT=+15dBm 時三階互調失真比基礎水平低 30dB， C/3IM=-30dBc。

由于 ACPR 是互調失真的函數，我們可以預測：當VCC=1.4V 時 POUT=+15 的 ACPR 與 VCC=3.4V 時 POUT=+28dBm 一樣好。基于這一點以及圖 3 中的統計信息，我們可以將 CDMA 射頻功率放大器的供電電壓設為 VCC=1.4，當功率在 15 dBm 以下，從而減少電池的能耗。

圖 5 顯示了供電電壓為 VCC=3.4V 和 VCC=1.4V 時的直流功耗，證實了節電的效果。工作點 A 是 VCC=3.4V 時 POUT=+15dBm，可以在第二個 Y軸讀它的 PDC , 其PDC是+27dBm。當供電電壓換為 VCC=1.4V 時，POUT=+15dBm 的工作點成為 AA。它的 PDC 為 +22.5dBm。

因此，供電電壓從 VCC=3.4 到 VCC=1.4V 后的節能效果為：27-22.5=4.5dB。4.5dB 的效果相當于節省了 50% 的能量。

應用電路

圖 6 是用于降低 CDMA 射頻功率放大器電池能耗的應用電路。我們將切換器的控制電壓設為 VCON=0.467V。這個 0.467V 可以用一個分壓器從 VDD=2.8V 的電源得到。根據公式 3，這一 0.467V 將產生一個 VOUT=3*0.467=1.4V。然后，將 VOUT=1.4V 供給射頻功率放大器的 VCC。當 POUT=+15dBm 或更低時，我們需要設置 BYPASS=Low，將切換器置于 PWM 模式。

LM225 用于檢測是否切換器需要處于 Bypass 模式。我們用 R1= 1.8k( 作為分接電阻，實現射頻功率放大器輸出與 LMV225 輸入端 31dB 的耦合。圖 4 是 LMV225 響應與射頻功率放大器 POUT 的關系曲線。在 POUT=+15dBm 時，檢測電壓 VDET=1.45V。

在本應用電路中，基帶芯片要檢查 VDET 的值。當 VDET 高于 1.45V 時，基帶芯片向 BYPASS 發送一個邏輯高電平信號，將交換器置為 Bypass 模式。

10dBm 時的節能

這是另一種節省電池的例子。工作點 B 是在 VCC=3.4V 時 POUT=+10dBm。在這一供電電壓下，POUT=+15dBm 的 PDC 約為 26dBm。如果我們將供電電壓降低至 VCC=1.4V，則工作點變為 BB，而 POUT=+15dBm 時的 PDC 約為 20dBm。即有 6dB 的節能效果，或者功耗瓦數降低了 75%。