四頻段GSM/EDGE功率放大器模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

眾所周知，目前GSM系統(tǒng)是世界上應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，而隨著高速率、高可靠性的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出和逐步進(jìn)入商用階段，GSM系統(tǒng)的升級(jí)也迫在眉睫。作為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM的升級(jí)版本，EDGE有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，EDGE系統(tǒng)采用了線性的8-PSK調(diào)制方式，可以大大提升通信速率，同時(shí)，EDGE系統(tǒng)沿用了GSM的時(shí)分復(fù)用的架構(gòu)，只需要在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)少量部件即能實(shí)現(xiàn)EDGE功能，升級(jí)費(fèi)用很低。

截至2006年底，全球已經(jīng)有分布在100多個(gè)國(guó)家的200多個(gè)運(yùn)營(yíng)商公開(kāi)承諾采用EDGE技術(shù)，他們所代表的移動(dòng)用戶超過(guò)10億戶，其中有百余家運(yùn)營(yíng)商已開(kāi)通EDGE網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)，覆蓋全球60個(gè)地區(qū)。EDGE已經(jīng)表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展實(shí)力，據(jù)專家分析，EDGE與GSM網(wǎng)絡(luò)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)共生現(xiàn)象，為了適應(yīng)這樣的市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，廣大運(yùn)營(yíng)商、終端產(chǎn)品提供商和芯片設(shè)計(jì)公司開(kāi)始研究和推出能夠同時(shí)支持EDGE/GSM系統(tǒng)的產(chǎn)品和方案。

盡管EDGE與GSM在技術(shù)上具有一定的同源性，但EDGE畢竟是GSM的演進(jìn)系統(tǒng)，在手持無(wú)線通信產(chǎn)品核心芯片的設(shè)計(jì)上存在一定的不同之處，這尤其表現(xiàn)在射頻模塊上：由于EDGE是一個(gè)線性調(diào)制系統(tǒng)，其收發(fā)模塊必須也是一個(gè)線性模塊，而傳統(tǒng)的GSM手機(jī)中的功率放大器基本上都是非線性器件，不能實(shí)現(xiàn)EDGE功能，因而需要設(shè)計(jì)新的射頻功率放大器模塊才能支持EDGE系統(tǒng)。

如何才能實(shí)現(xiàn)高效能且多頻段的GSM/EDGE功率放大器模塊？銳迪科微電子新推出的RDA6216提供了一個(gè)比較成功的設(shè)計(jì)方案。

RDA6216功率放大器模塊的基本特性

RDA6216是由銳迪科微電子開(kāi)發(fā)的一款同時(shí)支持EDGE系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)的四頻段功率放大器模塊。這款芯片中的功率放大器和控制器分別采用了高穩(wěn)定性的InGap/GaAs HBT工藝和CMOS工藝，芯片封裝為6mm6mm LGA，射頻輸入輸出端均匹配在50歐姆，Ramping控制端集成了瞬態(tài)頻譜濾波器，芯片外圍電路只需要一個(gè)濾波電容即可，因而可以簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)，同時(shí)減少PCB占用的空間。

目前市場(chǎng)上的EDGE功率放大器通常有兩種結(jié)構(gòu)，一種采用Polar-loop結(jié)構(gòu)，另一種采用功率倒退法來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一種結(jié)構(gòu)的功率附加效率較高，但需要功率檢測(cè)，并且需要復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)功率放大器的輸出相位和幅度，因而設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，芯片面積大。第二種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，芯片面積小，缺點(diǎn)是靜態(tài)電流較大，效率較低。

RDA6216采用了第二種方案，因而整個(gè)模塊的面積很小，即為6mm6mm LGA封裝。同時(shí)在設(shè)計(jì)中通過(guò)優(yōu)化功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和功率放大器的靜態(tài)電流，盡量改善了第二種方案的缺點(diǎn)。實(shí)際上，在EDGE模式下RDA6216的靜態(tài)電流很低，GSM/EGSM頻段靜態(tài)電流為150mA，DCS/PCS頻段靜態(tài)電流為85mA，并且RDA6216也具有較高的最大線性功率附加效率，GSM/EGSM頻段為28%，DCS/PCS頻段為29%。

RDA6216中還集成了CMOS控制芯片，當(dāng)用作GSM功率放大器時(shí)，通過(guò)控制VRAMP端可以控制功率放大器的電源電壓，從而控制功率放大器的輸出功率，同時(shí)在VRAMP管腳處還集成了瞬態(tài)頻譜濾波器可以有效地抑制功率放大器開(kāi)關(guān)時(shí)所形成的開(kāi)關(guān)譜。GSM模式下，GSM/EGSM頻段最大輸出功率為34.5dBm，最大功率附加效率為50%，DCS/PCS頻段最大線性輸出功率為32.5dBm，最大功率附加效率為53%。另外，RDA6216中EDGE/GSM間的切換非常靈活，只需要通過(guò)控制模式選擇管腳電位即能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

在RDA6216的基礎(chǔ)上銳迪科微電子還開(kāi)發(fā)出另一款四頻段低成本高效率GSM/GPRS功率放大器模塊RDA6212，芯片封裝同樣為6mm6mm LGA，所有頻段最大發(fā)射效率均在50%以上，各項(xiàng)性能指標(biāo)均與目前主流的GSM芯片產(chǎn)品一致，這款芯片即將上市。

RDA6216功率放大器模塊的工作原理

圖1為RDA6216的功能模塊圖，它是由一個(gè)GSM/EGSM功率放大器、DCS/PCS功率放大器、CMOS控制器和兩個(gè)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成。BANDS是GSM/EGSM和DCS/PCS的選擇管腳，TXENA是控制整個(gè)芯片模塊的開(kāi)關(guān)管腳，VMODE是GSM/EDGE模式的選擇管腳，VRAMP為射頻輸出功率的控制管腳，GSM/EGSM RFIN和GSM/EGSM RFOUT分別為GSM/EGSM頻段的射頻輸入輸出端，DCS/PCS RFIN和DCS/PCS RFOUT分別為DCS/PCS頻段的射頻輸入輸出端。

圖1、RDA6216的功能模塊圖

當(dāng)VMODE為高時(shí)，功率放大器模塊實(shí)現(xiàn)的是線性放大功能，因而可以放大EDGE信號(hào)，此時(shí)CMOS控制器的輸出為一個(gè)接近電源電壓的電壓，功率放大器模塊增益固定，輸出功率直接受輸入功率控制。由于具有良好的線性放大功能，輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)功率放大器后失真很小，從而能夠有效地放大EDGE信號(hào)。通過(guò)選擇BANDS管腳可以選擇GSM/EGSM頻段和DCS/PCS頻段，然后選擇TXENA來(lái)控制相應(yīng)頻段功率放大器的打開(kāi)和關(guān)閉。

當(dāng)VMODE為低時(shí)，功率放大器模塊用來(lái)放大GSM信號(hào)，此時(shí)CMOS控制器的輸出電壓與VRAMP電壓相關(guān)，而輸出功率與CMOS控制器的輸出電壓相關(guān)，因而通過(guò)控制VRAMP端可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。在GSM開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，可以由基帶來(lái)控制VRAMP的上升和下降速度，有效地減小開(kāi)關(guān)瞬間所帶來(lái)的開(kāi)關(guān)譜。同樣通過(guò)選擇BANDS管腳可以選擇GSM/EGSM頻段和DCS/PCS頻段，然后選擇TXENA來(lái)控制相應(yīng)頻段功率放大器的打開(kāi)和關(guān)閉。

RDA6216功率放大器模塊的應(yīng)用

圖2為RDA6216的演示用PCB板，這款芯片的外圍電路非常簡(jiǎn)單，只是在電源端VCCCT處增加一個(gè)22μF濾波電容即可，這主要得益于RDA6216的高集成度。簡(jiǎn)單的外圍電路可以減小PCB的空間，有利于手機(jī)的小型化，并能減小因?yàn)橥鈬娐窂?fù)雜所造成的信號(hào)間串?dāng)_問(wèn)題，因而可以簡(jiǎn)化手機(jī)主板的設(shè)計(jì)工作，加快手機(jī)的研發(fā)周期。

圖2、RDA6216的演示用PCB板

由于RDA6216外圍電路和控制邏輯都非常簡(jiǎn)單，并且射頻輸入輸出均匹配在50歐姆，所以很容易與目前市場(chǎng)上的絕大部分射頻收發(fā)器和基帶芯片兼容。