GSM蜂窩電話RF電源管理芯片MAX1727

近年來(lái),我國(guó)移動(dòng)電話市場(chǎng)發(fā)展迅猛。截止2000年十月,我國(guó)手機(jī)用戶已達(dá)6723萬(wàn)戶,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模居世界第二。據(jù)權(quán)威部門(mén)預(yù)測(cè),2003年我國(guó)移動(dòng)用戶總數(shù)將超過(guò)1億戶,市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)起過(guò)2000億元,國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商為贏得未來(lái)的手機(jī)市場(chǎng)紛紛加大了研發(fā)力度的投入,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)手機(jī)的整體突破。

射頻（RF）電路是手機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)、也是最為關(guān)鍵的部件之一,RF電路對(duì)供電電源的輸出紋波要求較高,為避免電源開(kāi)關(guān)噪聲的影響、防止RF各部分電路之間相互干擾,需要用幾個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）分別為發(fā)送器、接收器、頻率合成器等供電,本文所介紹的MAX1727一方面可為手機(jī)RF電路提供穩(wěn)定的供電,另一方面還可為GSM蜂窩電話/PCN終端的功率放大器（PA）提供功率控制,從而為PA管提供有效的保護(hù)。圖1所示為利用MAX1727為GSM/PCN終端RF電路供電并提供增益控制的實(shí)際電路。

1 MAX1727的結(jié)構(gòu)與原理

MAX1727內(nèi)部包括四組LDO（LDO1～LDO4）、兩個(gè)高速運(yùn)算放大器和三組開(kāi)關(guān),四組LDO用于提供手機(jī)射頻部分的供電,寬帶、高速運(yùn)算放大器則用于構(gòu)成PA的功率控制環(huán)路。

1.1 LDO

MAX1727內(nèi)的各組LDO均由誤差放大器、反饋取樣電路、P溝道MOSFET構(gòu)成。所有LDO共用同一基準(zhǔn)電壓源、其準(zhǔn)電壓為1.25V,誤差放大器將各LDO輸出電壓的取樣值與基準(zhǔn)電壓相比較,當(dāng)反饋電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí),MOSFET的柵極被拉低、MOSFET導(dǎo)通,由電池提供的電流注入負(fù)載使輸出電壓升高,如果反饋至誤差放大器的取樣電壓高于基準(zhǔn),則MOSFET柵極被拉高、僅有較小的電流被注入到負(fù)載。P溝道MOSFET所需要的柵極驅(qū)動(dòng)電流非常小,從而有效地降低了LDO的靜態(tài)電流。反饋取樣電路由芯片內(nèi)部的精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,各路LDO均具有高較高的PSRR和出色的負(fù)載穩(wěn)定度及線性穩(wěn)定度。LDO4的輸出與LDO3的輸入相連,并為L(zhǎng)DO3提供預(yù)隱壓。如果需要負(fù)載與輸入間保持高度隔離,則可由LDO3供電。

線性穩(wěn)壓器輸入與輸出之間的最小壓差確定了LDO可利用的最小電池電壓,一旦輸入與輸出之間的電壓差達(dá)到最小壓差,則調(diào)整管MOSFET完全導(dǎo)通,穩(wěn)壓差達(dá)到最小壓差,則調(diào)整管MOSFET完全導(dǎo)通,穩(wěn)壓環(huán)節(jié)被禁止,此時(shí),輸出電壓將隨著輸入電壓的降低而減小,輸出與輸入之間的壓差為MOSFET漏源之間的導(dǎo)通電阻與負(fù)載電流的乘積。

獨(dú)立的限流電路用來(lái)為各路LDO提供短路保護(hù),限流門(mén)限分別為：REG1=250mA、REG2/REG3/REG4=125mA。熱過(guò)載保護(hù)電路可限制芯片的總功耗,當(dāng)芯片溫度達(dá)到150℃時(shí),溫度傳感器將關(guān)閉芯片內(nèi)的所有穩(wěn)壓器,而當(dāng)管芯溫度恢復(fù)到大約20℃時(shí)穩(wěn)壓器重新開(kāi)啟。

MAX1727線性穩(wěn)壓器輸入電壓范圍為3.1V至5.5V,可采用單節(jié)Li+電池或3節(jié)NiMH電池供電,輸出電壓如下：

LDO1：2.9V/100mA,可為發(fā)送器、接收器或頻率合成器供電。

LDO2：2.75/50mA,可為T(mén)CXO及GSM/PCN的大功率VCO供電。

LDO3：2.75/20mA,可為UHF頻率合成器供電,也可通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)精確控制VCO的上電時(shí)間。

LDO4：2.95V/20mA,可為芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源供電,并為L(zhǎng)DO3提供預(yù)穩(wěn)壓。

MAX1727穩(wěn)壓器的外部電路包括LDO各輸出端的旁路電容和基準(zhǔn)源的旁路電容,LDO輸出電容建議選用1μF、最大等效串聯(lián)電阻（ESR）為0.4Ω的電容,為了改變?cè)肼曁匦?也可選用10μF的電容,值得注意的是：有些陶瓷電容的電容值和ESR隨著溫度的變化而改變,選用電容時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮這些因素,例如選用電介質(zhì)為Z5U、Y5V的電容時(shí),電容值要高于2.2μF,以保證低溫條件下LDO的穩(wěn)定性。基準(zhǔn)旁路電容連接在CBYP引腳與GND之間,推薦選用0.01μF的無(wú)極性電容,安裝應(yīng)盡量靠近CBYP引腳,而且該引腳不允許外接負(fù)載。

1.2 運(yùn)算放大器

MAX1727內(nèi)部所含的兩個(gè)獨(dú)立的、單位增益穩(wěn)定的運(yùn)算放大器的增益帶寬積為4MHz,壓擺率為1V/μs,當(dāng)輸出負(fù)載為1kΩ//100pF時(shí),增益與相位裕量分別為8dB和63°。輸出級(jí)由差發(fā)CMOS晶體管構(gòu)成,具有極高的共模抑制比,輸入最大失調(diào)電壓為2mV、最大偏置電流為150nA,兩路運(yùn)放共用一個(gè)差斷控制輸入（PCEN）,關(guān)斷時(shí)電流降至5μA。運(yùn)放輸出級(jí)采用CMOS電路,可提供滿電源擺幅（Rail-to-Rail）輸出,實(shí)際應(yīng)用中不被選用的運(yùn)放應(yīng)將其同相輸入端接地、輸出端與反相輸入端相接以構(gòu)成單位增益緩沖放大器,這樣可以避免放大器自激或飽和而造成電源電流不一致。由于該運(yùn)放具有較高的PSRR,因而可直接采用電流供電。

1.3 功率開(kāi)關(guān)

MAX1727內(nèi)部包括三組導(dǎo)通電阻為2.5Ω的CMOS開(kāi)關(guān),一組用于LDO3上電時(shí)序的控制;另外兩組配置為單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān),以用來(lái)切換環(huán)路放大器的功率控制（APC）輸出。

2 典型應(yīng)用

TDMA系統(tǒng)（如GSM、DECT）通常利用閉合環(huán)路對(duì)PA的功率增益加以控制,這樣例嚴(yán)格制約著功放的突發(fā)輸出功率,為了保證發(fā)射脈沖符合GSM規(guī)定的功率/時(shí)間模板,并為功放管提供安全保障。圖2、圖3分別提供了兩種GSM/PCS輸出功率控制方式,其中,圖2所示電路為單運(yùn)放控制方式,圖2中處于工作狀態(tài)的PA輸出通過(guò)20dB雙向耦合器取樣,并經(jīng)過(guò)溫度被償肖特基二極管對(duì)檢波后反饋至運(yùn)算放大器的反相輸入端,基帶DAC斜率控制信號(hào)與檢波后的輸出平均功率相加,經(jīng)反相積分器產(chǎn)生APC信號(hào)。APC信號(hào)通過(guò)SPDT開(kāi)關(guān)送入工作模式下的PA增益控制端。將處于閑置狀態(tài)的PA的增益控制引腳接地可避免閑置功放意外地上電啟動(dòng),同時(shí)也能保持功放處于低電流待機(jī)模式。

如果知道了PA輸出功率隨其電源電流的變化關(guān)系,就可以通過(guò)檢測(cè)PA的電源電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制,在圖3中,PA的電源電流由檢流電阻RSENSE取樣,經(jīng)OP1放大后與基帶DAC提供的PA斜率控制信號(hào)相加,再經(jīng)過(guò)反相積分（OP2）產(chǎn)生APC控制信號(hào),該電路利用功率電流的平均工作電流作為衡量功放饋入天線平均功率的參考,通過(guò)對(duì)電源電流的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)PA輸出功率的控制。檢流電阻RSENSE的選擇需綜合考慮功率損耗與檢測(cè)精度,RSENSE越大,則功率損耗（I2R）越大,但另一方面,考慮到失調(diào)電壓的影響,選擇較大的RSENSE可以精確地檢測(cè)較小的電流,一般在選擇RSENSE時(shí),以使電流達(dá)到滿量程時(shí)取樣電壓接近100mV為最佳。