新方法产生100mW蓝牙放大器

本应用笔记提供了从1994年至今的蓝牙®历史，以及爱立信®公司在系统发展中的作用。蓝牙在 2400MHz 和 2500MHz 之间的 ISM 频段工作，在 79 个间隔为 1MHz 的信道上使用 FHSS。本应用笔记还介绍了如何将蓝牙用于输出功率为100mW的远程系统。示例详细介绍了分立功率放大器（PA）、MAX2240以及支持偏置和功率控制电路。

介绍

高功率 100m 范围内的蓝牙应用需要能够在 100.2GHz 时提供 4mW 输出功率的放大器。与传统设计技术相比，MAX2240功率放大器（PA）用于远距离蓝牙应用，具有集成功率控制功能，采用超小型封装，成本低，并且需要最少的外部元件。

背景：关于蓝牙

爱立信移动通信公司（瑞典隆德）于1994年发起了一项研究，以调查移动电话及其配件之间低功耗、低成本无线电接口的可行性。1无线电接口的目的是消除移动电话与个人计算机（PC）卡和耳机之间的电缆。最初，该链路称为多通信器 （MC） 链路。随着新无线链路工作的进展，很明显，可以使用短程无线电链路的应用种类没有限制。廉价的短程无线电技术将使便携式设备之间的通信在经济上可行。然而，要使该系统取得成功，必须获得足够数量的行业支持。1997年，爱立信与其他便携式设备制造商接洽，以提高人们对该技术的兴趣，并于1998年成立了一个由移动电话和计算机行业（爱立信，诺基亚®，英特尔，东®芝®和IBM®）公司组成的特别兴趣小组（SIG）。该联盟的成立是为了建立空中接口和系统软件的事实标准，并推广该技术。1998年<>月，SIG公开推出了新的无线连接解决方案。SIG以十世纪统一丹麦的国王的名字称短距离无线连接解决方案为“蓝牙”。

蓝牙系统或多或少地在 2400MHz 到 2500MHz 的未经许可的工业科学医疗 （ISM） 频段上运行，在世界各地略有不同。该系统采用跳频扩频（FHSS）方案，在多个用户之间共享频谱，并在无线电发射功率超过0dBm（1mW）时合法占用频段。总共使用了 79 个跳频通道，通道间隔为 1MHz，采用两级频移键控 （FSK） 调制。该系统实现1Mbps的比特率，并采用高斯调制滤波，带宽时间（BT）积（每比特带宽）为0.5。

该系统采用类似于现有IEEE® 802.11 FHSS无线局域网（WLAN）系统中使用的空中接口;一些更改允许使用低成本硬件（例如，放松灵敏度、放松镜像抑制以及跳频每个数据包，没有快速周转时间）。但是，通道频率相同，调制方案与两电平FSK基本相同。这些调制特性决定了发射器所需的放大器类型。蓝牙中采用恒定包络FSK调制方案，允许使用饱和模式发射放大器。

适用于远程应用的蓝牙

蓝牙系统最初被设想为短距离链路（长达 10m）。然而，随着可能的蓝牙应用的扩展，潜在的最终用户表达了对更大范围的渴望。鉴于系统的接收器灵敏度固定在-70dBm，增加范围的实际解决方案是增加无线电发射功率。对更大发射功率的需求导致了对另一类无线电发射输出功率的定义。选择的峰值发射功率为100mW，而峰值发射功率为1mW，理想情况下可将范围提高约10倍至100m，并将发射功率保持在100mW有效各向同性辐射功率（EIRP）的欧洲ETSI规定范围内。较高的输出使得需要在RF收发器之后添加单独的PA（图1）。更高的发射功率水平成为蓝牙无线电接口规范的一部分，并被定义为 1 类操作。

图1.蓝牙无线电系统图。

1 类发射功率规范在 1.0 版蓝牙规范的无线电部分有详细说明。2输出功率限制为最大发射输出功率100mW。如果使用 1 类电源，规范要求发射器实施功率控制，以最大限度地减少整体干扰并优化无线电功耗。蓝牙传输规范确立了对整个无线电的要求。PA 规格源自 PA 后面元件的系统要求和组件特性（图 1）。RF 开关、RF 带通滤波器和连接器的功率损耗约为 3dB（图 2）。

图2.蓝牙前端可以简化为这种表示形式。

影响发射PA的各种规格，包括涵盖杂散发射和其他工作条件的规格。所有放大器输出规格都意味着使用调制信号。除了蓝牙无线电规范外，蓝牙无线电的实施还会产生一些特定的系统要求。PA工作条件包括+2.7V电源电压直流至 +5V直流;温度范围为 -20°C 至 +60°C;输入功率电平为0dBm至+4dBm;电源电流小于140mA;目标效率为30%至40%。PA必须提供开关控制，以允许在接收时隙期间关断。PA 应在几微秒内打开/关闭。在关断模式下，PA集电极电流（I抄送） 应小于 10μA。 PA 实现目标包括成本低于 1.00 美元（美国）、尺寸小于 10mm x 10mm，以及解决方案设计时间不超过一周。

无线电发射输出功率规格隐含在电源电压、温度和频率的所有工作条件下。所有功率均在100kHz带宽内测量。最小发射输出功率为0dBm，而最大发射输出功率为+20dBm。功率可在+4dBm至+20dBm范围内单调控制，最小步长为2dB，最大步长为8dB。

带内杂散电平是指相邻和交替信道功率的允许电平，以及2400MHz至2500MHz频段内的任何残余杂散信号。主要监管限值是 20MHz 带沿处的 -1dBc 频谱功率限值。所有规格均使用符合蓝牙调制信号特性的输入信号进行测量。所有带外杂散发射均指2400MHz至2500MHz频段之外的信号。这些规格包括从 36MHz 到 30GHz 的最大杂散电平 -1dBc;从30GHz到1.12GHz的最大-75dBc;从47.1GHz到8.1GHz和从9.5GHz到15.5GHz至少-3dBc。

经典方法

设计带功率控制的PA的“经典”或传统方法以两级PA为中心，该PA由分立功率晶体管和无源元件构成，或者最近采用采用中等尺寸塑料封装的PA集成电路（IC）（例如，8引脚SO或MLP16封装）。这种PA方法仅提供RF信号路径、基本偏置和相当基本的模拟功率控制。实现用于电源控制的蓝牙 100mW 1 类规范需要额外的电路来实现完整的功率控制发射放大器功能。

给定具有模拟功率控制输入的开环PA，功率检测、功率电平设置和闭环控制方案通过外部电路实现。简单的平方律二极管检波器通常用于检测有限范围内的功率，并产生与PA输出功率成比例的电压输出。通常，将检波器电压与对应于所需PA输出功率电平的设定电压电平进行比较。配置为积分器的运算放大器用作闭环控制放大器，以驱动模拟控制输入，直到检测到的电压等于设定电压。这种方法的可能实现包括使用温度补偿二极管检测器的2位数字控制（图3）。3

图3.经典功率控制PA解决方案。

很明显，传统方法需要大量外部元件才能完全实现功率控制功能和数字接口：检波二极管、电容、电阻、运算放大器和数模转换器（DAC）。虽然配置可以设计为可以接受工作，但经典的电源控制解决方案有几个缺点，使其对蓝牙系统没有吸引力。主要缺点是物料清单 （BOM） 成本太高。图3所示电路的大批量BOM成本约为1.76美元，包括PA。蓝牙 SIG 成员表示蓝牙无线电的目标成本为 5.00 美元，4巴勒斯坦权力机构不可能占总成本的三分之一。

该解决方案的另一个缺点是所需的印刷电路板（PCB）面积相对较大。大多数蓝牙无线电实现必须适合小空间，例如模块。在这里，RF模块的总占位面积可能小至10mm x 14mm。5图3中的电路可能会消耗该区域本身。PA的大型塑料封装、外部匹配以及分立式功率检测和控制电路的组合限制了最小占位面积。

此外，所示的分立方法非常耗费设计。必须投入大量时间与实际电路配合使用，以实现精确的功率检测、稳定的闭环控制以及建立所需的数字控制功率电平。在达到符合规范的1类功率控制解决方案之前，肯定需要对电路元件值和PCB实现进行大量调整。这些缺点对于蓝牙无线电项目和/或支持蓝牙的产品是不可接受的。蓝牙无线电必须便宜、小巧且及时开发。实际上，无线电设计人员需要蓝牙 1 类 PA 功能的替代解决方案。

新解决方案

Maxim开发的新型PA IC专门满足蓝牙系统要求和蓝牙市场的特定需求。MAX2240 PA IC消除了传统方法的主要缺点;它为 PA 解决方案引入了新的外形尺寸和成本结构。MAX2240单电源PA专为蓝牙系统设计，但也可用于工作在2.4GHz至2.5GHz ISM频段的其他FSK调制系统。PA 在 V 的最高功率模式下提供标称 +20dBm （100mW） 输出功率抄送+3V时直流.

MAX2240采用新的架构，电源控制功能与同一IC上的PA相结合（图4）。该架构从根本上简化了整个 PA 解决方案。内核PA级与开环数字电源控制方案和关断/偏置控制相结合。两个数字控制位（D0、D1）控制四种不同的输出功率电平状态。数字功率控制输入经过解码，以驱动RF路径中的可变增益放大器（VGA）级，从而驱动输出功率。这四种状态提供明确定义的输出功率电平，而数字代码设置的功率步进约为6dB/步。输出功率电平根据输入功率、温度、电源电压范围和制造变化进行一阶优化。

图4.这个简化框图代表MAX2240低成本蓝牙PA。

此外，通过包含与温度和电源无关的偏置，以及RF输入和级间匹配的集成，应用大大简化。片内温度和电源稳定的偏置电路可在所有工作条件下保持稳定且可预测的PA性能;它消除了外部施加的偏置电压或电流。IC采用+2.7V电源供电直流至 +5V直流，使其能够直接在主机移动通信设备中由未稳压的电池电压运行。大多数RF信号路径阻抗匹配电路都集成在一起。输出级匹配未集成在芯片中，以实现最佳PA效率，并允许在输出功率、谐波和效率之间进行权衡。

PA提供数字关断（使能）控制输入，以便进入由基带IC选择的活动或关断模式。在停机模式下，电源电流减小至约 0.5μA。这种数字关断控制允许PA在发射时隙期间导通，在所有其他时间关断，从而最大限度地降低总无线电电流消耗。

毫无疑问，MAX2240 PA最先进的方面是采用芯片级封装（CSP）。该封装是一种IC芯片级封装技术，其中焊料凸点通过特殊的后处理步骤连接到IC的键合焊盘上，而芯片仍处于原始晶圆形式。凸块以 0.5mm 的标准引线间距放置在网格阵列中。MAX2240的网格为3 x 3阵列，包含1个焊锡凸点，具有超小的56.1mm x 56.1mm净芯片/芯片尺寸（UCSP™封装）。连接焊球后，将晶圆切割，将IC转换为裸片形式。在裸片形式中，芯片可以直接安装到印刷电路板（PCB）上，类似于传统的表面贴装器件。该器件放置在焊盘布局上，并与PCB上的其他元件一起进行红外焊接回流，将芯片直接安装到PCB上。芯片级器件以卷带形式发货，与其他表面贴装器件类似。在芯片的背面放置一个索引区域标记，以表示芯片的 A1 引脚。CSP 技术的使用创造了业界最小的 PA IC 产品，有助于加快蓝牙 <> 类集成到移动电话、笔记本电脑、个人数字助理 （PDA） 和其他便携式设备中。

MAX2240设计用于简单的应用集成和设计导入（图5）。该器件采用单正电源电压 （V抄送).每个电源电压连接都需要一个RF旁路电容（典型值为220pF）接地。在 V 上抄送建议使用引脚、小型 1.2nH 系列电感器（电路板走线）和并联 18pF 电容器，以优化 PA 性能。RF输入（RFIN）具有内部阻抗匹配网络和隔直电容。因此，可以直接将50Ω传输线连接到RFIN。

图5.MAX2240应用电路

MAX2240的输出级是输出晶体管的集电极。直流偏置和阻抗匹配从外部施加到芯片上，以实现比集成的低匹配元件更高的效率和输出功率。最佳性能发生在提供给PA输出晶体管的阻抗下。在2.45GHz时，该阻抗为15.2Ω + j17.9Ω，以输入负载为50Ω的匹配网络。主要功率匹配结构为低通网络，由串联传输线段T1和开截线输电线路段T2组成。传输线网络的作用类似于串联电感和并联电容。

传输线T1和T2表示为特定特性阻抗线的电气长度，但可以用不同的阻抗线设计。T2的长度应选择在基波的二次谐波频率下提供短路，并在输出端显着衰减其幅度：在4.9GHz的二次谐波频率下的四分之一波长。三次谐波频率通过扼流电感中的寄生电容衰减。该电容在较高频率下滚降扼流圈阻抗，在三次谐波频率处表现为低阻抗。输出串联电容器用作隔直电容器和最终匹配元件。此处，建议值为 10pF。输出级还需要连接到V抄送通过电感器（建议为 22nH）。确切的值并不重要，但在2.4GHz时应提供数百Ω阻抗，并在2.4GHz或以下自谐振。最后，所有数字输入都与互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电平兼容，并设计用于直接连接到数字基带IC。

与传统的闭环PA解决方案相比，新PA方法的优势显而易见。对BOM成本、PCB尺寸和设计时间的检查清楚地表明，与传统PA解决方案相比，新方法的整体改进显著（见下表1）。

表 1.比较两个蓝牙 PA 的物料清单

MAX2240			经典扩声解决方案
不。	元件	成本（$）	不。	元件	成本（$）
1	功放集成电路	0.75	1	功放IC解决方案	1
4	电容器	0.04	1	Om 放大器（低 V操作系统)	0.3
1	感应器	0.05	2	检波二极管	0.13
			2	PNP 晶体管	0.1
			2	感应器	0.1
			9	电容器	0.09
			8	电阻	0.04
物料清单总成本		0.84	物料清单总成本		1.76

MAX2240无需检波二极管、运算放大器、电阻、电容和DAC元件，从而降低了蓝牙PA实现的BOM成本。只需几个旁路电容和一个简单的输出匹配网络即可适当地施加MAX2240。这种简化导致 BOM 成本是传统方法成本的一半。低于 1.00 美元的 BOM 成本支持实现大约 5 美元的蓝牙无线电成本目标的努力，并为进一步的成本改进奠定了一条途径。

对经典PA方案和MAX2240应用所需PCB面积的一阶估计显示，方案尺寸差异很大。传统的PA方法需要大约10mm x 14mm （140mm²）的PCB空间来实现图3所示的示例。相比之下，MAX2240需要的占位面积约为4mm x 8mm （32mm²），仅为传统方法面积的四分之一。小尺寸使MAX2240非常适合集成到模块中。

审核编辑：郭婷