藍牙功率放大器: 系統(tǒng)性能回顧
MAX2240功率放大器(PA)的特性適合于Bluetooth?工作。文中給出了如下領(lǐng)域的性能：發(fā)射輸出頻譜、1dB壓縮點、S參數(shù)、噪聲系數(shù)、諧波輸出含量、增益與電源電流。Bluetooth在2.402GHz與2.48GHz之間使用GFSK調(diào)制。PA的輸出功率是+20dBm并包含輸出功率控制電路。
概述
藍牙通信是一個TDD (時分復(fù)用)系統(tǒng)，工作在2.402GHz與2.48GHz之間的ISM頻段內(nèi)。藍牙系統(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“1”，下移175kHz表示一個“0”，典型的速率為每秒1M符號。0.5BT (帶寬時間)定義為在半數(shù)據(jù)速率，即500kHz時的3dB帶寬。系統(tǒng)采用FHSS (跳頻擴頻)以改善RF鏈路的質(zhì)量和可靠性。跳頻速率達到1600hops/sec。在GFSK調(diào)制中，信號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，它還包含一個數(shù)字功率控制電路?？偣灿兴膫€數(shù)字控制輸出功率水平，使它適應(yīng)藍牙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輸入和級間匹配，簡化了IC的應(yīng)用并使PCB (印刷電路板)的面積達到最小。
藍牙對PA特性的要求
發(fā)射輸出頻譜： 發(fā)射輸出頻譜的測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)和藍牙發(fā)射頻譜包絡(luò)的要求(具體參見表1)。
發(fā)射輸出頻譜隨VCC變化關(guān)系(見測試結(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(見測試結(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(見測試結(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。當功率變化速度超過一定限度時，AM-PM的非線性效應(yīng)將導(dǎo)致輸出譜的增長。這一新的譜增長必需得到控制以便使頻譜保持在藍牙規(guī)定的帶內(nèi)雜散輻射要求以下。
1dB壓縮點測量(見測試結(jié)果F)
小信號S參數(shù)測量(見測試結(jié)果G)：因為MAX2240是典型的A類PA，器件的特性將隨輸入的變化有所不同。測量使用HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀。因此，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的瞬時特性S22并不代表真正的輸出匹配。通過校準網(wǎng)絡(luò)分析儀使其包含此效應(yīng)來補償20dB的負載或焊盤。
PA的噪聲系數(shù)(見測試結(jié)果H)：它表示PA產(chǎn)生的總熱噪聲功率的特性。
噪聲功率測量(見測試結(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。
諧波測量(見測試結(jié)果J)
PIN與POUT關(guān)系的測量以及PIN與ICC關(guān)系的測量(見測試結(jié)果K)
表1. 藍牙發(fā)射機頻譜包絡(luò)的要求
M是發(fā)射信道的整數(shù)信道號，N是正在被測量的相鄰信道的整數(shù)信道號)
| Frequency Offset | Transmit Power |
| ±550kHz | -20dBc |
| | M - N | = 2 | -20dBm |
| | M - N | > = 3 | -40dBm |
MAX2240 PA性能回顧
總的測試條件：
所有的測試在室溫下進行
調(diào)制類型：藍牙，0.5BT GFSK和175kHz的頻率偏移。
具體的產(chǎn)品信息請參考MAX2240數(shù)據(jù)資料。
測試裝置框圖
圖1. 輸出功率、輸出頻譜、諧波與P1dB的測試裝置
圖2. 頻譜泄漏的測試裝置
圖3. 小信號S參數(shù)的測試裝置
圖4. 噪聲系數(shù)的測試裝置
測試結(jié)果
測試結(jié)果A
圖5. 輸入功率4dBm時在2.45GHz的最大輸出，VCC = 3.2V
測試結(jié)果B
表2. MAX2240輸出功率譜測量，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 |
測試結(jié)果C
表3. MAX2240輸出功率譜測量，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 |
測試結(jié)果D
表4. MAX2240輸出功率譜測量，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 |
測試結(jié)果E：頻譜泄漏測量
圖6. 具有10μs斜坡時間的輸出頻譜
圖7. 具有5μs斜坡時間的輸出頻譜
圖8. 具有1μs斜坡時間的輸出頻譜
圖9. 具有-1.5MHz偏移(最壞情況)的時域輸出頻譜
圖10. 具有-2.5MHz偏移(最壞情況)的時域輸出頻譜
測試結(jié)果F：P1dB測量
表5. MAX2240 P1dB測量
| 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
測試結(jié)果G：小信號S參數(shù)
表6. MAX2240小信號S參數(shù)測量
(使用HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量。具體情況見“測試裝置框圖”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 |
測試結(jié)果H：噪聲系數(shù)測量
表7. MAX2240噪聲系數(shù)測量
| 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 | |
測試結(jié)果I：噪聲功率測量
測試條件：
VCC = 3.2V
FIN = 2.45GHz
PIN = +4dBm
POUT = +19.53dBm
圖12. 噪聲功率測量曲線圖
測試結(jié)果J：諧波測量
測試條件：
VCC = 3.2V
FIN = 2.45GHz
PIN = +4dBm
POUT = +19.53dBm
表8. 諧波測量表
| 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 |
測試結(jié)果K：POUT與PIN關(guān)系測量(在最大增益時，且VCC = 3.2V)
圖13. PIN與POUT關(guān)系及PIN與ICC關(guān)系，1號板
MAX2240評估板：原理圖與線路板布局
圖14. 原理圖
圖15. 線路板布局。具體的線路板布局信息請參考MAX2240數(shù)據(jù)資料。
CSP (芯片尺度封裝)推薦PCB設(shè)計
焊盤尺寸：10mil直徑
間距：19.7mil
中間管腳引線的線寬：3mil
助焊層：精確對準時直徑14mil，一般情況直徑16mil。
圖16. 間距與焊盤尺寸
審核編輯：郭婷
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