GSM蜂窩電話RF電源管理芯片MAX1727

近年來,我國移動電話市場發展迅猛。截止2000年十月,我國手機用戶已達6723萬戶,網絡規模居世界第二。據權威部門預測,2003年我國移動用戶總數將超過1億戶,市場規模將會起過2000億元,國產手機廠商為贏得未來的手機市場紛紛加大了研發力度的投入,力爭實現國產手機的整體突破。

射頻（RF）電路是手機設計中的難點、也是最為關鍵的部件之一,RF電路對供電電源的輸出紋波要求較高,為避免電源開關噪聲的影響、防止RF各部分電路之間相互干擾,需要用幾個低壓差線性穩壓器（LDO）分別為發送器、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RF電路提供穩定的供電,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。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際電路。

1 MAX1727的結構與原理

MAX1727內部包括四組LDO（LDO1～LDO4）、兩個高速運算放大器和三組開關,四組LDO用于提供手機射頻部分的供電,寬帶、高速運算放大器則用于構成PA的功率控制環路。

1.1 LDO

MAX1727內的各組LDO均由誤差放大器、反饋取樣電路、P溝道MOSFET構成。所有LDO共用同一基準電壓源、其準電壓為1.25V,誤差放大器將各LDO輸出電壓的取樣值與基準電壓相比較,當反饋電壓低于基準電壓時,MOSFET的柵極被拉低、MOSFET導通,由電池提供的電流注入負載使輸出電壓升高,如果反饋至誤差放大器的取樣電壓高于基準,則MOSFET柵極被拉高、僅有較小的電流被注入到負載。P溝道MOSFET所需要的柵極驅動電流非常小,從而有效地降低了LDO的靜態電流。反饋取樣電路由芯片內部的精密電阻分壓網絡構成,各路LDO均具有高較高的PSRR和出色的負載穩定度及線性穩定度。LDO4的輸出與LDO3的輸入相連,并為LDO3提供預隱壓。如果需要負載與輸入間保持高度隔離,則可由LDO3供電。

線性穩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到最小壓差,則調整管MOSFET完全導通,穩壓差達到最小壓差,則調整管MOSFET完全導通,穩壓環節被禁止,此時,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漏源之間的導通電阻與負載電流的乘積。

獨立的限流電路用來為各路LDO提供短路保護,限流門限分別為：REG1=250mA、REG2/REG3/REG4=125mA。熱過載保護電路可限制芯片的總功耗,當芯片溫度達到150℃時,溫度傳感器將關閉芯片內的所有穩壓器,而當管芯溫度恢復到大約20℃時穩壓器重新開啟。

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

LDO1：2.9V/100mA,可為發送器、接收器或頻率合成器供電。

LDO2：2.75/50mA,可為TCXO及GSM/PCN的大功率VCO供電。

LDO3：2.75/20mA,可為UHF頻率合成器供電,也可通過內部開關精確控制VCO的上電時間。

LDO4：2.95V/20mA,可為芯片內部基準電壓源供電,并為LDO3提供預穩壓。

MAX1727穩壓器的外部電路包括LDO各輸出端的旁路電容和基準源的旁路電容,LDO輸出電容建議選用1μF、最大等效串聯電阻（ESR）為0.4Ω的電容,為了改變噪聲特性,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,選用電容時應當考慮這些因素,例如選用電介質為Z5U、Y5V的電容時,電容值要高于2.2μF,以保證低溫條件下LDO的穩定性。基準旁路電容連接在CBYP引腳與GND之間,推薦選用0.01μF的無極性電容,安裝應盡量靠近CBYP引腳,而且該引腳不允許外接負載。

1.2 運算放大器

MAX1727內部所含的兩個獨立的、單位增益穩定的運算放大器的增益帶寬積為4MHz,壓擺率為1V/μs,當輸出負載為1kΩ//100pF時,增益與相位裕量分別為8dB和63°。輸出級由差發CMOS晶體管構成,具有極高的共模抑制比,輸入最大失調電壓為2mV、最大偏置電流為150nA,兩路運放共用一個差斷控制輸入（PCEN）,關斷時電流降至5μA。運放輸出級采用CMOS電路,可提供滿電源擺幅（Rail-to-Rail）輸出,實際應用中不被選用的運放應將其同相輸入端接地、輸出端與反相輸入端相接以構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。由于該運放具有較高的PSRR,因而可直接采用電流供電。

1.3 功率開關

MAX1727內部包括三組導通電阻為2.5Ω的CMOS開關,一組用于LDO3上電時序的控制;另外兩組配置為單刀雙擲（SPDT）開關,以用來切換環路放大器的功率控制（APC）輸出。

2 典型應用

TDMA系統（如GSM、DECT）通常利用閉合環路對PA的功率增益加以控制,這樣例嚴格制約著功放的突發輸出功率,為了保證發射脈沖符合GSM規定的功率/時間模板,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所示電路為單運放控制方式,圖2中處于工作狀態的PA輸出通過20dB雙向耦合器取樣,并經過溫度被償肖特基二極管對檢波后反饋至運算放大器的反相輸入端,基帶DAC斜率控制信號與檢波后的輸出平均功率相加,經反相積分器產生APC信號。APC信號通過SPDT開關送入工作模式下的PA增益控制端。將處于閑置狀態的PA的增益控制引腳接地可避免閑置功放意外地上電啟動,同時也能保持功放處于低電流待機模式。

如果知道了PA輸出功率隨其電源電流的變化關系,就可以通過檢測PA的電源電流來實現對輸出功率的控制,在圖3中,PA的電源電流由檢流電阻RSENSE取樣,經OP1放大后與基帶DAC提供的PA斜率控制信號相加,再經過反相積分（OP2）產生APC控制信號,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,通過對電源電流的檢測實現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精度,RSENSE越大,則功率損耗（I2R）越大,但另一方面,考慮到失調電壓的影響,選擇較大的RSENSE可以精確地檢測較小的電流,一般在選擇RSENSE時,以使電流達到滿量程時取樣電壓接近100mV為最佳。