藍(lán)牙功率放大器系統(tǒng)性能介紹 - 全文

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?？偣灿兴膫€(gè)數(shù)字控制輸出功率水平，使它適應(yīng)藍(lán)牙1類和2類功率。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

圖14. 原理圖

圖15. 線路板布局。

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