導言

自從寬帶碼分多址 (W-CDMA) 技術于 1997 年面世以來，便一直成為歐洲、中國及日本等地的電話廠商所共同采用的第三代 (3G) 蜂窩式移動電話標準。W-CDMA 移動電話采用直接順序碼分多址 (DS_CDMA) 技術，而且其傳送原始數(shù)據(jù)的速度可以高達 3.84Mbps。由于下行鏈路都采用正交相移鍵控 (QPSK) 調制的電路設計，因此用戶設備 (UE) 能夠傳送高達 2x3.84=7.68Mbps 的原始數(shù)據(jù)。若采用高速數(shù)據(jù)下行鏈路信息包取存 (HSDPA) 模式，廠商更可選用 16 正交振幅調制 (QAM) 的電路設計，確保能以高達 4x3.84=15.36Mbps 的傳送速度傳送原始數(shù)據(jù)，也確保射頻信號完整無損。但無論采用哪一電路設計，射頻載波帶寬仍然局限在 5MHz 的范圍內 (參看圖 1)。

W-CDMA 標準設有分頻雙工 (FDD) 及分時雙工 (TDD) 兩種模式。雖然世界各地鋪設的 W-CDMA 網(wǎng)絡大多采用分頻雙工模式執(zhí)行雙工技術，但 W-CDMA 標準也加設了分時雙工模式，因為部分國家并不是將頻譜對等分配予上行鏈路及下行鏈路。分時雙工技術較易控制功率，這方面比分頻雙工優(yōu)勝。采用分時雙工模式時，上行及下行鏈路都以同一頻率傳送數(shù)據(jù)；因此兩種鏈路所傳送的數(shù)據(jù)都同樣衰減得很快。若果分時雙工傳輸技術可以根據(jù)來自相關基站的信號預測或估算所分配頻道的衰減速度，便可就衰減速度作出更準確的預測或估算。換言之，我們無需為其提供閉環(huán)功率控制，而且以采用分時雙工模式來說，理論上單單采用開環(huán)已十分足夠。由于大部分鋪設的 W-CDMA 網(wǎng)絡只采用分頻雙工模式，而 W-CDMA 分頻雙工模式的上行及下行鏈路都設有快速的閉環(huán)功率控制功能，因此用戶設備通過下行鏈路連接基站時，便需要獲得以硬件執(zhí)行的射頻功率檢波功能為其提供支持，以便符合空氣接口標準的規(guī)定。下文將會介紹多款適用于手機或其他用戶設備閉環(huán)功率控制應用方案的子系統(tǒng)電路。

W-CDMA 分頻雙工模式的頻率分配方式

圖表 1 列出世界不同地區(qū)所獲得分配的頻帶，圖表 2 則列出每一用戶設備必須具備的傳輸功率。按照 W-CDMA 技術規(guī)格文檔對不同設備的分類，手機是用戶設備的一種。其他受歡迎的用戶設備還有筆記本電腦的 PCMCIA 調制解調器插卡或無線個人數(shù)字助理。

圖表 1：W-CDMA 分頻雙工模式的頻帶分配

圖表 2：用戶設備的功率級別

目前市場上已出售的手機大部分都屬 2 級功率 (power-class-2) 的用戶設備，而市場上典型的 W-CDMA 功率放大器最高可輸出約 +29dBm 的射頻功率，因此設有高速數(shù)據(jù)下行鏈路信息包存取 (HSDPA) 模式的用戶設備開始大受歡迎。

如何為 W-CDMA 用戶設備提供利用硬件執(zhí)行的快速閉環(huán)功率控制功能

簡單來說，W-CDMA 分頻雙工模式的空氣接口對用戶設備的發(fā)射功率有特別的規(guī)定，例如發(fā)射功率必須能夠加以調節(jié)，并以每級 (1.0dB 的幅度逐級增減，以及可以每 667(s 增減一級，而且準確度必須保持在 (0.5dB 的誤差范圍內?？傊?，射頻功率控制的電路設計應符合這個規(guī)格。

線性放大的一般性自動增益控制

圖 2 的電路顯示手持式設備線性信號放大器所采用的一般性輸出功率控制系統(tǒng)。由于正交相移鍵控 (QPSK) 及 16 正交振幅調制 (QAM) 信號具有高峰值系數(shù)及零交叉特性，因此 W-CDMA 信號必須具有高度的線性特性，正因為 W-CDMA 信號具有高度的線性特性，所以若直接利用電池輸出的固定供電電壓 Vcc，一般都需要為固定增益的輸出功率放大器提供偏壓。由于放大增益已固定，因此必須改變功率放大器的輸入信號功率，以便調節(jié)輸出功率。只要在功率放大器輸入端加設一個增益控制驅動放大器，便可實現(xiàn)這個功能。目前，這種自動增益控制 (AGC) 放大器通常設于 W-CDMA 芯片組的射頻發(fā)送器芯片之內。

利用 LMV228 芯片為射頻發(fā)射結構提供支持

圖 3 是我們認為很適合 W-CDMA 手機采用的 LMV228 電路圖。圖中的定向耦合器負責將功率放大器輸出的射頻信號傳送到 LMV228 芯片的輸入端。以 50( 的系統(tǒng)來說，LMV228 芯片最多可以接收 +15dBm 的輸入射頻功率。輸入功率的高低可以利用芯片內置的輸入靜電釋放 (ESD) 保護二極管加以設定。定向耦合器與 LMV228 芯片之間則設有可阻隔直流電的電容器，以免高直流電電壓被輸入終端電阻達 50( 的耦合器。若果沒有這個可以阻隔直流電的電容器，直流電便會流入這個 50( 電阻，耗用不必要的電源。

目前市場上大部分 W-CDMA 功率放大器可以輸出最高約達 +29dBm 的線性射頻功率。若采用 20dB 的耦合器，傳送往 LMV228 芯片的輸入射頻功率相等于 29 - 20 = 9dBm。究竟 LMV228 芯片可以接收多少實時輸入的射頻功率？這個問題要看用戶設備采用什么傳送通道而定，但決定采用什么通道之前必須充分考慮調制系統(tǒng)的最高承受能力。

20dB 定向耦合器

以圖 3 的電路圖為例來說，定向耦合器的優(yōu)點是體積比隔離器小，因此占用印刷電路板較少的板面空間，但定向耦合器的實際大小取決于操作頻率、基底電介質常數(shù)、以及所要求的耦合系數(shù)及隔離程度。目前定向耦合器采用以低溫共燒陶瓷 (LTCC) 基底造成的 0603 封裝，由于這種基底較為小巧，因此在 W-CDMA 頻帶范圍內其耦合系數(shù)最高只能達到 20dB。若要將耦合系數(shù)提高至 20dB 以上，便必須采用面積大很多的基底或較高級的電介質物料，或干脆采用其他技術。但至今市場上仍未有這樣的定向耦合器出現(xiàn)。采用 0603 封裝、而 W-CDMA 頻帶范圍內的耦合系數(shù)可高達 20dB 的定向耦合器在市場上并不難找，目前市場上便有兩家廠商供應這類定向耦合器。

圖 4 顯示定向耦合器的典型性能。由于隔離效果比耦合系數(shù)高 10dB，因此天線的反射功率可以進一步減少，甚至比發(fā)射功率少 10dB。由于這個定向性的特性，LMV228 芯片可以檢測的功率大部分來自發(fā)射功率放大器的輸出，而天線失配所產(chǎn)生的反射功率在傳送到 LMV228 芯片的輸入端之前會被大幅減弱。

LMV228 的主要特色

LMV228 芯片采用特別的設計，力求可為 W-CDMA 用戶設備提供最理想的射頻功率檢波范圍。按照圖 5A 及圖 5B 所示，這款芯片可以檢測由 +15dBm 至 -25dBm 的射頻功率，因此實際檢波范圍高達 40dB 以上，而頻率反應范圍則介于 60MHz 與 2GHz 之間，視乎選用的檢波范圍而定。LMV228 芯片的內部結構設計獨特，可提供準確的溫度補償及供電電壓變動補償輸出電壓，后者與射頻輸入信號電平 (dBm) 之間具有線性的函數(shù)關系。這個特性一般稱為“以dB為線性”(Linear-in-dB)。LMV228 芯片可以利用介于 2.7 伏特與 5.5 伏特之間的電源供應操作。據(jù)特性測試數(shù)字顯示，這款芯片能在整個供電電壓范圍內檢測射頻功率，而由頭至尾都能發(fā)揮幾乎同樣高的性能。

LMV 芯片的輸出端設有內置式濾波器，可以檢測擴散頻譜信號的低紋波平均功率。此外，只要多加一個電容器，便可進一步加強濾波性能。這個外接的電容器 (COUT) 可與 LMV228 芯片至接地的一段線路并聯(lián)連接一起。由于 LMV228 芯片的輸出電阻相等于 ROUT=19.8K(，因此另加的濾波功能只適用于直至以下截止頻率為止的頻率：fC=1/2(COUTROUT。

用戶設備的廠內校正程序

正如圖 5A 及 4B 所顯示，LMV228 芯片的線性增益檢波范圍達 30dB，這個特性有助精簡整個廠內校正程序。功率放大器的校正程序是整個 W-CDMA 用戶設備生產(chǎn)流程的重要組成部分。例如，有關“用戶設備輸出功率與控制代碼/信號之間的函數(shù)關系”的數(shù)據(jù)便利用昂貴的自動測試設備收集，測試用的信號包括小信號以至強力的信號，而且有關數(shù)據(jù)都儲存在用戶設備的存儲器內，以供手機操作時使用。一旦基站要求提供某一數(shù)量的輸出功率，用戶設備的數(shù)字信號處理器或微控制器便會立即進入存儲器尋找相關的控制代碼，確保功率放大器可以提供所要求的輸出功率。

我們可以通過測試為每一用戶設備搜集有關“控制代碼與輸出功率之間的函數(shù)關系”的數(shù)據(jù)，但這樣做需要花費不少時間及人力物力，因此利用統(tǒng)計數(shù)字配合 LMV228 芯片的線性增益特性作出估算不失為一個可取的方法，其好處是可以減少測試點及節(jié)省時間。我們若認為在 -15dBm 至 +15dBm 的檢波范圍內 Pin 與 Vout 之間具有線性關系，便可利用以下的線性公式表達這個線性關系：。斜率 及截取點 可以在生產(chǎn)過程中利用兩點測試尋找出來。若測試點分別是 及，我們只要進行一些基本的代數(shù)運算便可計算出 及 的數(shù)值。只要 及 一經(jīng)確定，我們便可利用 這條公式估算輸出功率。

適合雙頻 W-CDMA 用戶設備采用的 LMV228 芯片

圖 6 是我們認為很適合雙頻 W-CDMA 用戶設備采用的電路方塊圖。一般來說，印刷電路板上每一頻帶的發(fā)射路徑都相距較遠，因此每一發(fā)射頻帶都有自己的定向耦合器。我們可以將 3 個 17( 的電阻集成一起，組成電阻射頻功率組合電路，以便接收移動電話頻帶或 W-CDMA 頻帶的輸出信號。采用 17( 的電阻的原因是，這樣可以確保在射頻范圍內所有輸入輸出端口能以 50( 為共同目標互相參照調節(jié)。電阻功率分壓器的每一條信號路徑都有 6dB 的內在損耗。

有一點我們不可忘記，在現(xiàn)實世界之中每一應用只有一條路徑是開啟的。以這個結構為例來說，若定向耦合器的耦合系數(shù)為 20dB，LMV228 芯片所實際接收得到的輸入信號電平只有 Pout = 20 - 6 dBm，因為組合電路會出現(xiàn)損耗，而信號路徑上的這些損耗也必須計算在內。

這個結構也必須采用兩個阻隔直流電電容器，以免不受歡迎的直流電流入終端電阻達 50( 的耦合器。

圖 7 是射頻功率組合電路的另一電路圖。圖中的每一信號路徑可以各有不同的衰減電平，而且每一衰減電平都可各自獨立設定。由于這個電路具有可以自由設定衰減電平的靈活性，因此可以采用非 20dB 耦合系數(shù)的定向耦合器。

移動電話頻帶的額外衰減值可以利用以下的 EQ-1 公式列出。

由于定向耦合器規(guī)定必須以 50( 為共同目標互相參照調節(jié)，因此我們可以利用以下的 EQ-2 公式列出其關系。

此外，ZLB 也應以 50( 及 ZHB 的平行線為共同目標互相參照調節(jié)，由此我們可以得出 EQ-3 這一公式。

W-CDMA 頻帶的額外衰減值可以利用以下的 EQ-4 公式列出。

由于定向耦合器規(guī)定必須以 50( 為共同目標互相參照調節(jié)，因此我們可以利用以下的 EQ-5 公式列出其關系。

此外， ZHB 也應以 50( 及 ZLB 的平行線為共同目標互相參照調節(jié)，由此我們可以得出 EQ-6 這一公式。

我們若成功解算以上的 6 條公式，便可分別找出 R1, R2, R3, R4, ZLB 及 ZHB 等變項的數(shù)值。

總結

按照上文的介紹，LMV228 對數(shù)放大器射頻功率檢波器是位于下行鏈路上的分頻雙工模式 W-CDMA 功率控制系統(tǒng)的關鍵元件。LMV228 芯片可以檢測高達 +15dBm 的射頻功率，而且符合 W-CDMA 空氣接口標準有關功率控制的規(guī)定。這款芯片有 micro-SMD 及 LLP 兩種封裝可供選擇。

如欲進一步查詢有關美國國家半導體ADC產(chǎn)品的資料，可瀏覽 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/ 網(wǎng)頁。