W-CDMA手机应充分利用LMV228线性增益射频功率检波器

导言

自从宽带码分多址 (W-CDMA) 技术于 1997 年面世以来，便一直成为欧洲、中国及日本等地的电话厂商所共同采用的第三代 (3G) 蜂窝式移动电话标准。W-CDMA 移动电话采用直接顺序码分多址 (DS_CDMA) 技术，而且其传送原始数据的速度可以高达 3.84Mbps。由于下行链路都采用正交相移键控 (QPSK) 调制的电路设计，因此用户设备 (UE) 能够传送高达 2x3.84=7.68Mbps 的原始数据。若采用高速数据下行链路信息包取存 (HSDPA) 模式，厂商更可选用 16 正交振幅调制 (QAM) 的电路设计，确保能以高达 4x3.84=15.36Mbps 的传送速度传送原始数据，也确保射频信号完整无损。但无论采用哪一电路设计，射频载波带宽仍然局限在 5MHz 的范围内 (参看图 1)。

W-CDMA 标准设有分频双工 (FDD) 及分时双工 (TDD) 两种模式。虽然世界各地铺设的 W-CDMA 网络大多采用分频双工模式执行双工技术，但 W-CDMA 标准也加设了分时双工模式，因为部分国家并不是将频谱对等分配予上行链路及下行链路。分时双工技术较易控制功率，这方面比分频双工优胜。采用分时双工模式时，上行及下行链路都以同一频率传送数据；因此两种链路所传送的数据都同样衰减得很快。若果分时双工传输技术可以根据来自相关基站的信号预测或估算所分配频道的衰减速度，便可就衰减速度作出更准确的预测或估算。换言之，我们无需为其提供闭环功率控制，而且以采用分时双工模式来说，理论上单单采用开环已十分足够。由于大部分铺设的 W-CDMA 网络只采用分频双工模式，而 W-CDMA 分频双工模式的上行及下行链路都设有快速的闭环功率控制功能，因此用户设备通过下行链路连接基站时，便需要获得以硬件执行的射频功率检波功能为其提供支持，以便符合空气接口标准的规定。下文将会介绍多款适用于手机或其他用户设备闭环功率控制应用方案的子系统电路。

W-CDMA 分频双工模式的频率分配方式

图表 1 列出世界不同地区所获得分配的频带，图表 2 则列出每一用户设备必须具备的传输功率。按照 W-CDMA 技术规格文档对不同设备的分类，手机是用户设备的一种。其他受欢迎的用户设备还有笔记本电脑的 PCMCIA 调制解调器插卡或无线个人数字助理。

图表 1：W-CDMA 分频双工模式的频带分配

图表 2：用户设备的功率级别

目前市场上已出售的手机大部分都属 2 级功率 (power-class-2) 的用户设备，而市场上典型的 W-CDMA 功率放大器最高可输出约 +29dBm 的射频功率，因此设有高速数据下行链路信息包存取 (HSDPA) 模式的用户设备开始大受欢迎。

如何为 W-CDMA 用户设备提供利用硬件执行的快速闭环功率控制功能

简单来说，W-CDMA 分频双工模式的空气接口对用户设备的发射功率有特别的规定，例如发射功率必须能够加以调节，并以每级 (1.0dB 的幅度逐级增减，以及可以每 667(s 增减一级，而且准确度必须保持在 (0.5dB 的误差范围内。总之，射频功率控制的电路设计应符合这个规格。

线性放大的一般性自动增益控制

图 2 的电路显示手持式设备线性信号放大器所采用的一般性输出功率控制系统。由于正交相移键控 (QPSK) 及 16 正交振幅调制 (QAM) 信号具有高峰值系数及零交叉特性，因此 W-CDMA 信号必须具有高度的线性特性，正因为 W-CDMA 信号具有高度的线性特性，所以若直接利用电池输出的固定供电电压 Vcc，一般都需要为固定增益的输出功率放大器提供偏压。由于放大增益已固定，因此必须改变功率放大器的输入信号功率，以便调节输出功率。只要在功率放大器输入端加设一个增益控制驱动放大器，便可实现这个功能。目前，这种自动增益控制 (AGC) 放大器通常设于 W-CDMA 芯片组的射频发送器芯片之内。

利用 LMV228 芯片为射频发射结构提供支持

图 3 是我们认为很适合 W-CDMA 手机采用的 LMV228 电路图。图中的定向耦合器负责将功率放大器输出的射频信号传送到 LMV228 芯片的输入端。以 50( 的系统来说，LMV228 芯片最多可以接收 +15dBm 的输入射频功率。输入功率的高低可以利用芯片内置的输入静电释放 (ESD) 保护二极管加以设定。定向耦合器与 LMV228 芯片之间则设有可阻隔直流电的电容器，以免高直流电电压被输入终端电阻达 50( 的耦合器。若果没有这个可以阻隔直流电的电容器，直流电便会流入这个 50( 电阻，耗用不必要的电源。

目前市场上大部分 W-CDMA 功率放大器可以输出最高约达 +29dBm 的线性射频功率。若采用 20dB 的耦合器，传送往 LMV228 芯片的输入射频功率相等于 29 - 20 = 9dBm。究竟 LMV228 芯片可以接收多少实时输入的射频功率？这个问题要看用户设备采用什么传送通道而定，但决定采用什么通道之前必须充分考虑调制系统的最高承受能力。

20dB 定向耦合器

以图 3 的电路图为例来说，定向耦合器的优点是体积比隔离器小，因此占用印刷电路板较少的板面空间，但定向耦合器的实际大小取决于操作频率、基底电介质常数、以及所要求的耦合系数及隔离程度。目前定向耦合器采用以低温共烧陶瓷 (LTCC) 基底造成的 0603 封装，由于这种基底较为小巧，因此在 W-CDMA 频带范围内其耦合系数最高只能达到 20dB。若要将耦合系数提高至 20dB 以上，便必须采用面积大很多的基底或较高级的电介质物料，或干脆采用其他技术。但至今市场上仍未有这样的定向耦合器出现。采用 0603 封装、而 W-CDMA 频带范围内的耦合系数可高达 20dB 的定向耦合器在市场上并不难找，目前市场上便有两家厂商供应这类定向耦合器。

图 4 显示定向耦合器的典型性能。由于隔离效果比耦合系数高 10dB，因此天线的反射功率可以进一步减少，甚至比发射功率少 10dB。由于这个定向性的特性，LMV228 芯片可以检测的功率大部分来自发射功率放大器的输出，而天线失配所产生的反射功率在传送到 LMV228 芯片的输入端之前会被大幅减弱。

LMV228 的主要特色

LMV228 芯片采用特别的设计，力求可为 W-CDMA 用户设备提供最理想的射频功率检波范围。按照图 5A 及图 5B 所示，这款芯片可以检测由 +15dBm 至 -25dBm 的射频功率，因此实际检波范围高达 40dB 以上，而频率反应范围则介于 60MHz 与 2GHz 之间，视乎选用的检波范围而定。LMV228 芯片的内部结构设计独特，可提供准确的温度补偿及供电电压变动补偿输出电压，后者与射频输入信号电平 (dBm) 之间具有线性的函数关系。这个特性一般称为“以dB为线性”(Linear-in-dB)。LMV228 芯片可以利用介于 2.7 伏特与 5.5 伏特之间的电源供应操作。据特性测试数字显示，这款芯片能在整个供电电压范围内检测射频功率，而由头至尾都能发挥几乎同样高的性能。

LMV 芯片的输出端设有内置式滤波器，可以检测扩散频谱信号的低纹波平均功率。此外，只要多加一个电容器，便可进一步加强滤波性能。这个外接的电容器 (COUT) 可与 LMV228 芯片至接地的一段线路并联连接一起。由于 LMV228 芯片的输出电阻相等于 ROUT=19.8K(，因此另加的滤波功能只适用于直至以下截止频率为止的频率：fC=1/2(COUTROUT。

用户设备的厂内校正程序

正如图 5A 及 4B 所显示，LMV228 芯片的线性增益检波范围达 30dB，这个特性有助精简整个厂内校正程序。功率放大器的校正程序是整个 W-CDMA 用户设备生产流程的重要组成部分。例如，有关“用户设备输出功率与控制代码/信号之间的函数关系”的数据便利用昂贵的自动测试设备收集，测试用的信号包括小信号以至强力的信号，而且有关数据都储存在用户设备的存储器内，以供手机操作时使用。一旦基站要求提供某一数量的输出功率，用户设备的数字信号处理器或微控制器便会立即进入存储器寻找相关的控制代码，确保功率放大器可以提供所要求的输出功率。

我们可以通过测试为每一用户设备搜集有关“控制代码与输出功率之间的函数关系”的数据，但这样做需要花费不少时间及人力物力，因此利用统计数字配合 LMV228 芯片的线性增益特性作出估算不失为一个可取的方法，其好处是可以减少测试点及节省时间。我们若认为在 -15dBm 至 +15dBm 的检波范围内 Pin 与 Vout 之间具有线性关系，便可利用以下的线性公式表达这个线性关系：。斜率 及截取点 可以在生产过程中利用两点测试寻找出来。若测试点分别是 及，我们只要进行一些基本的代数运算便可计算出 及 的数值。只要 及 一经确定，我们便可利用 这条公式估算输出功率。

适合双频 W-CDMA 用户设备采用的 LMV228 芯片

图 6 是我们认为很适合双频 W-CDMA 用户设备采用的电路方块图。一般来说，印刷电路板上每一频带的发射路径都相距较远，因此每一发射频带都有自己的定向耦合器。我们可以将 3 个 17( 的电阻集成一起，组成电阻射频功率组合电路，以便接收移动电话频带或 W-CDMA 频带的输出信号。采用 17( 的电阻的原因是，这样可以确保在射频范围内所有输入输出端口能以 50( 为共同目标互相参照调节。电阻功率分压器的每一条信号路径都有 6dB 的内在损耗。

有一点我们不可忘记，在现实世界之中每一应用只有一条路径是开启的。以这个结构为例来说，若定向耦合器的耦合系数为 20dB，LMV228 芯片所实际接收得到的输入信号电平只有 Pout = 20 - 6 dBm，因为组合电路会出现损耗，而信号路径上的这些损耗也必须计算在内。

这个结构也必须采用两个阻隔直流电电容器，以免不受欢迎的直流电流入终端电阻达 50( 的耦合器。

图 7 是射频功率组合电路的另一电路图。图中的每一信号路径可以各有不同的衰减电平，而且每一衰减电平都可各自独立设定。由于这个电路具有可以自由设定衰减电平的灵活性，因此可以采用非 20dB 耦合系数的定向耦合器。

移动电话频带的额外衰减值可以利用以下的 EQ-1 公式列出。

由于定向耦合器规定必须以 50( 为共同目标互相参照调节，因此我们可以利用以下的 EQ-2 公式列出其关系。

此外，ZLB 也应以 50( 及 ZHB 的平行线为共同目标互相参照调节，由此我们可以得出 EQ-3 这一公式。

W-CDMA 频带的额外衰减值可以利用以下的 EQ-4 公式列出。

由于定向耦合器规定必须以 50( 为共同目标互相参照调节，因此我们可以利用以下的 EQ-5 公式列出其关系。

此外， ZHB 也应以 50( 及 ZLB 的平行线为共同目标互相参照调节，由此我们可以得出 EQ-6 这一公式。

我们若成功解算以上的 6 条公式，便可分别找出 R1, R2, R3, R4, ZLB 及 ZHB 等变项的数值。

总结

按照上文的介绍，LMV228 对数放大器射频功率检波器是位于下行链路上的分频双工模式 W-CDMA 功率控制系统的关键元件。LMV228 芯片可以检测高达 +15dBm 的射频功率，而且符合 W-CDMA 空气接口标准有关功率控制的规定。这款芯片有 micro-SMD 及 LLP 两种封装可供选择。

如欲进一步查询有关美国国家半导体ADC产品的资料，可浏览 http://www.national.com/CHS/appinfo/power/ 网页。