新方法產(chǎn)生100mW藍(lán)牙放大器

本應(yīng)用筆記提供了從1994年至今的藍(lán)牙?歷史，以及愛(ài)立信?公司在系統(tǒng)發(fā)展中的作用。藍(lán)牙在 2400MHz 和 2500MHz 之間的 ISM 頻段工作，在 79 個(gè)間隔為 1MHz 的信道上使用 FHSS。本應(yīng)用筆記還介紹了如何將藍(lán)牙用于輸出功率為100mW的遠(yuǎn)程系統(tǒng)。示例詳細(xì)介紹了分立功率放大器（PA）、MAX2240以及支持偏置和功率控制電路。

介紹

高功率 100m 范圍內(nèi)的藍(lán)牙應(yīng)用需要能夠在 100.2GHz 時(shí)提供 4mW 輸出功率的放大器。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相比，MAX2240功率放大器（PA）用于遠(yuǎn)距離藍(lán)牙應(yīng)用，具有集成功率控制功能，采用超小型封裝，成本低，并且需要最少的外部元件。

背景：關(guān)于藍(lán)牙

愛(ài)立信移動(dòng)通信公司（瑞典隆德）于1994年發(fā)起了一項(xiàng)研究，以調(diào)查移動(dòng)電話及其配件之間低功耗、低成本無(wú)線電接口的可行性。1無(wú)線電接口的目的是消除移動(dòng)電話與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）卡和耳機(jī)之間的電纜。最初，該鏈路稱為多通信器 （MC） 鏈路。隨著新無(wú)線鏈路工作的進(jìn)展，很明顯，可以使用短程無(wú)線電鏈路的應(yīng)用種類沒(méi)有限制。廉價(jià)的短程無(wú)線電技術(shù)將使便攜式設(shè)備之間的通信在經(jīng)濟(jì)上可行。然而，要使該系統(tǒng)取得成功，必須獲得足夠數(shù)量的行業(yè)支持。1997年，愛(ài)立信與其他便攜式設(shè)備制造商接洽，以提高人們對(duì)該技術(shù)的興趣，并于1998年成立了一個(gè)由移動(dòng)電話和計(jì)算機(jī)行業(yè)（愛(ài)立信，諾基亞?，英特爾，東?芝?和IBM?）公司組成的特別興趣小組（SIG）。該聯(lián)盟的成立是為了建立空中接口和系統(tǒng)軟件的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并推廣該技術(shù)。1998年<>月，SIG公開(kāi)推出了新的無(wú)線連接解決方案。SIG以十世紀(jì)統(tǒng)一丹麥的國(guó)王的名字稱短距離無(wú)線連接解決方案為“藍(lán)牙”。

藍(lán)牙系統(tǒng)或多或少地在 2400MHz 到 2500MHz 的未經(jīng)許可的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療 （ISM） 頻段上運(yùn)行，在世界各地略有不同。該系統(tǒng)采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）方案，在多個(gè)用戶之間共享頻譜，并在無(wú)線電發(fā)射功率超過(guò)0dBm（1mW）時(shí)合法占用頻段。總共使用了 79 個(gè)跳頻通道，通道間隔為 1MHz，采用兩級(jí)頻移鍵控 （FSK） 調(diào)制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1Mbps的比特率，并采用高斯調(diào)制濾波，帶寬時(shí)間（BT）積（每比特帶寬）為0.5。

該系統(tǒng)采用類似于現(xiàn)有IEEE? 802.11 FHSS無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）系統(tǒng)中使用的空中接口;一些更改允許使用低成本硬件（例如，放松靈敏度、放松鏡像抑制以及跳頻每個(gè)數(shù)據(jù)包，沒(méi)有快速周轉(zhuǎn)時(shí)間）。但是，通道頻率相同，調(diào)制方案與兩電平FSK基本相同。這些調(diào)制特性決定了發(fā)射器所需的放大器類型。藍(lán)牙中采用恒定包絡(luò)FSK調(diào)制方案，允許使用飽和模式發(fā)射放大器。

適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用的藍(lán)牙

藍(lán)牙系統(tǒng)最初被設(shè)想為短距離鏈路（長(zhǎng)達(dá) 10m）。然而，隨著可能的藍(lán)牙應(yīng)用的擴(kuò)展，潛在的最終用戶表達(dá)了對(duì)更大范圍的渴望。鑒于系統(tǒng)的接收器靈敏度固定在-70dBm，增加范圍的實(shí)際解決方案是增加無(wú)線電發(fā)射功率。對(duì)更大發(fā)射功率的需求導(dǎo)致了對(duì)另一類無(wú)線電發(fā)射輸出功率的定義。選擇的峰值發(fā)射功率為100mW，而峰值發(fā)射功率為1mW，理想情況下可將范圍提高約10倍至100m，并將發(fā)射功率保持在100mW有效各向同性輻射功率（EIRP）的歐洲ETSI規(guī)定范圍內(nèi)。較高的輸出使得需要在RF收發(fā)器之后添加單獨(dú)的PA（圖1）。更高的發(fā)射功率水平成為藍(lán)牙無(wú)線電接口規(guī)范的一部分，并被定義為 1 類操作。

圖1.藍(lán)牙無(wú)線電系統(tǒng)圖。

1 類發(fā)射功率規(guī)范在 1.0 版藍(lán)牙規(guī)范的無(wú)線電部分有詳細(xì)說(shuō)明。2輸出功率限制為最大發(fā)射輸出功率100mW。如果使用 1 類電源，規(guī)范要求發(fā)射器實(shí)施功率控制，以最大限度地減少整體干擾并優(yōu)化無(wú)線電功耗。藍(lán)牙傳輸規(guī)范確立了對(duì)整個(gè)無(wú)線電的要求。PA 規(guī)格源自 PA 后面元件的系統(tǒng)要求和組件特性（圖 1）。RF 開(kāi)關(guān)、RF 帶通濾波器和連接器的功率損耗約為 3dB（圖 2）。

圖2.藍(lán)牙前端可以簡(jiǎn)化為這種表示形式。

影響發(fā)射PA的各種規(guī)格，包括涵蓋雜散發(fā)射和其他工作條件的規(guī)格。所有放大器輸出規(guī)格都意味著使用調(diào)制信號(hào)。除了藍(lán)牙無(wú)線電規(guī)范外，藍(lán)牙無(wú)線電的實(shí)施還會(huì)產(chǎn)生一些特定的系統(tǒng)要求。PA工作條件包括+2.7V電源電壓直流至 +5V直流;溫度范圍為 -20°C 至 +60°C;輸入功率電平為0dBm至+4dBm;電源電流小于140mA;目標(biāo)效率為30%至40%。PA必須提供開(kāi)關(guān)控制，以允許在接收時(shí)隙期間關(guān)斷。PA 應(yīng)在幾微秒內(nèi)打開(kāi)/關(guān)閉。在關(guān)斷模式下，PA集電極電流（I抄送） 應(yīng)小于 10μA。 PA 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)包括成本低于 1.00 美元（美國(guó)）、尺寸小于 10mm x 10mm，以及解決方案設(shè)計(jì)時(shí)間不超過(guò)一周。

無(wú)線電發(fā)射輸出功率規(guī)格隱含在電源電壓、溫度和頻率的所有工作條件下。所有功率均在100kHz帶寬內(nèi)測(cè)量。最小發(fā)射輸出功率為0dBm，而最大發(fā)射輸出功率為+20dBm。功率可在+4dBm至+20dBm范圍內(nèi)單調(diào)控制，最小步長(zhǎng)為2dB，最大步長(zhǎng)為8dB。

帶內(nèi)雜散電平是指相鄰和交替信道功率的允許電平，以及2400MHz至2500MHz頻段內(nèi)的任何殘余雜散信號(hào)。主要監(jiān)管限值是 20MHz 帶沿處的 -1dBc 頻譜功率限值。所有規(guī)格均使用符合藍(lán)牙調(diào)制信號(hào)特性的輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。所有帶外雜散發(fā)射均指2400MHz至2500MHz頻段之外的信號(hào)。這些規(guī)格包括從 36MHz 到 30GHz 的最大雜散電平 -1dBc;從30GHz到1.12GHz的最大-75dBc;從47.1GHz到8.1GHz和從9.5GHz到15.5GHz至少-3dBc。

經(jīng)典方法

設(shè)計(jì)帶功率控制的PA的“經(jīng)典”或傳統(tǒng)方法以兩級(jí)PA為中心，該P(yáng)A由分立功率晶體管和無(wú)源元件構(gòu)成，或者最近采用采用中等尺寸塑料封裝的PA集成電路（IC）（例如，8引腳SO或MLP16封裝）。這種PA方法僅提供RF信號(hào)路徑、基本偏置和相當(dāng)基本的模擬功率控制。實(shí)現(xiàn)用于電源控制的藍(lán)牙 100mW 1 類規(guī)范需要額外的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的功率控制發(fā)射放大器功能。

給定具有模擬功率控制輸入的開(kāi)環(huán)PA，功率檢測(cè)、功率電平設(shè)置和閉環(huán)控制方案通過(guò)外部電路實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單的平方律二極管檢波器通常用于檢測(cè)有限范圍內(nèi)的功率，并產(chǎn)生與PA輸出功率成比例的電壓輸出。通常，將檢波器電壓與對(duì)應(yīng)于所需PA輸出功率電平的設(shè)定電壓電平進(jìn)行比較。配置為積分器的運(yùn)算放大器用作閉環(huán)控制放大器，以驅(qū)動(dòng)模擬控制輸入，直到檢測(cè)到的電壓等于設(shè)定電壓。這種方法的可能實(shí)現(xiàn)包括使用溫度補(bǔ)償二極管檢測(cè)器的2位數(shù)字控制（圖3）。3

圖3.經(jīng)典功率控制PA解決方案。

很明顯，傳統(tǒng)方法需要大量外部元件才能完全實(shí)現(xiàn)功率控制功能和數(shù)字接口：檢波二極管、電容、電阻、運(yùn)算放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。雖然配置可以設(shè)計(jì)為可以接受工作，但經(jīng)典的電源控制解決方案有幾個(gè)缺點(diǎn)，使其對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)沒(méi)有吸引力。主要缺點(diǎn)是物料清單 （BOM） 成本太高。圖3所示電路的大批量BOM成本約為1.76美元，包括PA。藍(lán)牙 SIG 成員表示藍(lán)牙無(wú)線電的目標(biāo)成本為 5.00 美元，4巴勒斯坦權(quán)力機(jī)構(gòu)不可能占總成本的三分之一。

該解決方案的另一個(gè)缺點(diǎn)是所需的印刷電路板（PCB）面積相對(duì)較大。大多數(shù)藍(lán)牙無(wú)線電實(shí)現(xiàn)必須適合小空間，例如模塊。在這里，RF模塊的總占位面積可能小至10mm x 14mm。5圖3中的電路可能會(huì)消耗該區(qū)域本身。PA的大型塑料封裝、外部匹配以及分立式功率檢測(cè)和控制電路的組合限制了最小占位面積。

此外，所示的分立方法非常耗費(fèi)設(shè)計(jì)。必須投入大量時(shí)間與實(shí)際電路配合使用，以實(shí)現(xiàn)精確的功率檢測(cè)、穩(wěn)定的閉環(huán)控制以及建立所需的數(shù)字控制功率電平。在達(dá)到符合規(guī)范的1類功率控制解決方案之前，肯定需要對(duì)電路元件值和PCB實(shí)現(xiàn)進(jìn)行大量調(diào)整。這些缺點(diǎn)對(duì)于藍(lán)牙無(wú)線電項(xiàng)目和/或支持藍(lán)牙的產(chǎn)品是不可接受的。藍(lán)牙無(wú)線電必須便宜、小巧且及時(shí)開(kāi)發(fā)。實(shí)際上，無(wú)線電設(shè)計(jì)人員需要藍(lán)牙 1 類 PA 功能的替代解決方案。

新解決方案

Maxim開(kāi)發(fā)的新型PA IC專門滿足藍(lán)牙系統(tǒng)要求和藍(lán)牙市場(chǎng)的特定需求。MAX2240 PA IC消除了傳統(tǒng)方法的主要缺點(diǎn);它為 PA 解決方案引入了新的外形尺寸和成本結(jié)構(gòu)。MAX2240單電源PA專為藍(lán)牙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但也可用于工作在2.4GHz至2.5GHz ISM頻段的其他FSK調(diào)制系統(tǒng)。PA 在 V 的最高功率模式下提供標(biāo)稱 +20dBm （100mW） 輸出功率抄送+3V時(shí)直流.

MAX2240采用新的架構(gòu)，電源控制功能與同一IC上的PA相結(jié)合（圖4）。該架構(gòu)從根本上簡(jiǎn)化了整個(gè) PA 解決方案。內(nèi)核PA級(jí)與開(kāi)環(huán)數(shù)字電源控制方案和關(guān)斷/偏置控制相結(jié)合。兩個(gè)數(shù)字控制位（D0、D1）控制四種不同的輸出功率電平狀態(tài)。數(shù)字功率控制輸入經(jīng)過(guò)解碼，以驅(qū)動(dòng)RF路徑中的可變?cè)鲆娣糯笃?/u>（VGA）級(jí)，從而驅(qū)動(dòng)輸出功率。這四種狀態(tài)提供明確定義的輸出功率電平，而數(shù)字代碼設(shè)置的功率步進(jìn)約為6dB/步。輸出功率電平根據(jù)輸入功率、溫度、電源電壓范圍和制造變化進(jìn)行一階優(yōu)化。