手机射频功率放大器控制环路设计方法分析

　　GSM系统为时分多址(TDMA)系统，不同的用户在时间轴上被分隔开，每个用户在特定的一个时间间隔(时隙)内接收或发送信息。TDMA系统的该特性极大地提高了频谱利用率，同时也对移动台射频前端的设计提出了极大的挑战。GSM系统要求移动台的发射机以突发方式工作，即只在规定的时隙内开机发送信息，而在其它时隙则处于关闭状态。这种开关工作状态会使发射频谱内含有大量的杂散分量，严重影响其他用户。为保证系统容量和互操作性，必须对移动台发射机的指标提出要求，这在ETSI GSM 11.10系列规范中都有规定。

　　

　　图1 PVT 功率--时间模板

　　为了达到规范要求，移动台发射机信号的上升沿和下降沿不能过于陡峭，而必须是一个缓升和缓降的过程，如图1所示。图中最上及最下两条曲线称为功率--时间模板，在测试时发射信号在每个时隙的功率--时间关系曲线不能超越这个模板，否则发射频谱纯度将不能满足要求，或者会丢失发射信息。中间曲线为射频功放的增益控制电压，由系统控制单元给出，用以控制射频输出功率。这要求能对发射机中的射频功率放大器实现精确的功率控制，同时，GSM移动台发射机根据系统要求也要能工作于几个功率等级上，这也要求精确的功率控制，为此必须采用反馈控制环路。实现功率控制的方法较多，比较常用的为输出功率检测反馈控制法，该方法直接检测射频输出功率，通过反馈环路实现闭环功率控制。另外一种方法为电流检测反馈控制法，它检测末级功放管的电流，再通过反馈环路实现对输出功率的控制。

　　输出功率检测反馈控制法

　　

　　图2 功率控制环路的数学模型

　　为便于分析，首先给出功率控制环路的数学模型，如图2所示。

　　该反馈控制系统由五大部分组成：

　　1. 比较器：该部件负责比较由系统指令单元送出的控制信号SC与反馈信号SF之间的差别，并乘以增益Ks，给出误差信号SE送到积分器，

　　2. 积分器：由以下的分析将会看出，加入积分器的目的是为了使输出电压Vo仅取决于SC和反馈增益KcKd，而与放大器增益Ka无关，从而改善环路控制特性。

　　3. 放大器：为射频功率放大器，增益可随外加控制电压的变化而变化，增益为Ka。当外加控制电压低于某一特定值Vthreshold时，放大器不导通，无输出信号。

　　4. 耦合器：耦合器为一功率取样部件，可将少量的射频功率取出。增益为Kc=10[-CF/20]，其中CF称为耦合系数。

　　5. 检波器：检波器负责将耦合器送来的射频信号进行平均值检波，得到对应的直流电压SF作为反馈信号。检波器的增益为Kd。

　　当控制环路闭合后，SC作为功率控制环路的一个输入来设定输出功率，Vo为功率放大器的输出，耦合器将一部分射频能量取出，经检波器变为反馈信号SF，然后与SC经比较器处理得到误差电压SE，再经积分器得到功率放大器的控制电压。这个过程可以表示为： Eq1 Eq2

　　Vo对时间的变化率可表示为：公式3

　　在稳态时dVo/dt=0，所以此时 Vo="SC/KdKc"。这表明射频输出功率仅与控制电压和反馈支路的增益有关，而与Ka无关，这就是带有积分器的反馈控制环路的基本特性。

　　输出功率检测反馈控制电路设计

　　下面以图3所示的实例来说明功率控制环路的详细设计步骤。

　　

　　在图3中，D1、D2和R4组成双肖特基二极管检波电路，D1和D2配对使用可以补偿温度系数的影响，本例中检波器的增益为0.45(-7dB)，可承受的输入信号范围为-20dBm--+20dBm。

　　R5、C3及U1A组成比较器和积分器，负责比较检波器的输出和控制信号SC，得出误差电压SE并积分。

　　图中增益Kc=10[-CF/20]，其中CF为耦合系数。在整个环路的设计中，耦合器的选择及积分器时间常数的确定比较关键，前者选择不当会使耦合信号的幅度超出检波器工作的动态范围，而后者决定了环路是否能在规定的时间内完成开机锁定。GSM规范要求移动台的最小功率等级为5dBm，最大为33dBm(以上值均为天线处测量值)。而本实例电路中检波器能检测的最小功率为-20dBm，最大功率为20dBm。在功率控制环路开始工作的初始阶段，系统控制单元必须先给出一个较小的功率控制信号，使环路完成锁定，进入跟踪状态。这个初始功率控制信号称为Vpedestal。Vpedestal不能太大，GSM规范指出该值应比最小功率等级低1-6dB，这里选4dB进行计算：

　　Vpedestal=(Pmin+Loss)-Pmargin=(5dBm+1dB)-4dB=2dBm

　　其中Loss为功率放大器后接器件插入损耗。为了不使反馈的射频信号低于检波器的最低可检测功率，耦合器的耦合系数应留有余量，这里取余量安全因素(Safety Factor)为3dB，综合考虑以上因素，并在最坏情况下计算，可知：