Управление обратной связью по напряжению питания позволяет оптимизировать усилитель мощности GSM

Для управления выходом усилителя мощности (УМ) с обратной связью в статье предлагается использовать недорогой маломощный логарифмический усилитель и датчик мощности MAX4002 вместе с четырехдиапазонным GMS/GPRS усилителем мощности XIN9133.

Усилитель мощности в сотовых телефонах GSM имеет регулируемую точно устанавливаемую выходную мощность, и в его выходном спектре должны отсутствовать составляющие, находящиеся за пределами соответствующего частотного диапазона. Это требует плавного прецизионного управления мощностью, позволяющего избежать генерации внеполосных шумов. Усилитель мощности зачастую ограничивается передачей только в его собственных тайм-слотах, что опять же требует постоянного плавного управления.

Без такого управления работа усилителя мощности, не имеющего обратной связи, не обеспечивает требований стандарта GSM, поскольку УМ сам по себе недостаточно точен по нескольким причинам: во-первых, это нелинейное устройство; во-вторых, коэффициент усиления и выходная мощность изменяются с частотой (а также с напряжением питания от батареи и с температурой окружающей среды); в-третьих, характеристика управления усилением варьируется от устройства к устройству внутри партии усилителей.

Алгоритм управления мощностью, который описан в этой статье, предлагает следующие возможности:

• минимальную зависимость мощности от частоты, температуры и напряжения питания;
• надежную работу в присутствии флуктуаций импеданса нагрузки;
• максимальную стабильность петли;
• минимальную зависимость ширины полосы частот петли от уровня мощности.

Объединение усилителя мощности XIN9133 с логарифмическим усилителем MAX4002 (рис. 1) обеспечивает управление с обратной связью с жесткой регулировкой выходной мощности УМ. MAX4002 непрерывно оценивает и поддерживает уровень выходной мощности XIN9133 внутри узкого диапазона, который не зависит от флуктуаций нагрузки усилителя мощности, параметров электропитания и температуры. Типовые уровни выходной мощности находятся в пределах десятков децибел, что позволяет разработчикам телефонов эффективно управлять настройкой выходной мощности.

Поскольку стандарт GSM для гарнитур¹ указывает типовые и минимальные уровни выходной мощности, жесткое управление настройкой выходной мощности дает производителям больше возможностей для оптимизации соотношения параметров устройства. Производитель может, например, увеличить время работы устройства установкой мощности вблизи нижнего края рабочего диапазона.

Вторым преимуществом такой архитектуры является большая надежность устройства. Поскольку усилитель мощности в гарнитурах часто подключается напрямую к антенне, в процессе рабочего цикла схема может быть подвержена флуктуациям нагрузки. В случае с архитектурой управления мощностью без обратной связи мощность выхода может увеличиваться на 3 дБ, что отрицательным образом влияет на энергопотребление усилителя мощности, тепловые параметры устройства и его надежность. Вдобавок ко всему сказанному, широкий диапазон напряжения питания телефона (обычно от 2,9 до 5,5 В) подвергает УМ нежелательным воздействиям, поскольку для обеспечения высокого выходного тока требуется комбинация высокого напряжения и низкого импеданса нагрузки. Управление мощностью в XIN9133 уменьшает значимость этой проблемы благодаря регулировке и подстройке напряжения питания, подаваемого на усилитель мощности.

Принцип работы

Большинство систем управления мощностью для устройств GSM контролирует либо мощность в прямом направлении, либо ток коллектора или стока. Однако XIN9133 содержит высокоскоростную петлю управления, которая регулирует напряжение коллектора усилителя при поддержании постоянного смещения во всех каскадах. Напряжение питания усилителя мощности изменяется максимум до 3,6 В, что весьма сильно снижает нагрузки на устройство вследствие воздействия несогласованной нагрузки.

Цепи управления напряжением питания (рис. 2) благодаря регулированию мощности держат каскады в насыщении при всех уровнях мощности. Напряжения коллектора уменьшаются до такого уровня, насколько это требуется для обеспечения заданной выходной мощности. Такое управление выходной мощностью может быть описано соотношением:

Это соотношение показывает взаимосвязь между выходной мощностью и напряжением на коллекторе (напряжением питания). Внутренне регулируемое коллекторное напряжение в XIN9133 приносит двоякую пользу. Оно устраняет один из двух ключевых факторов, влияющих на изменение выходной мощности, а также защищает выходной каскад от перегрузки по току посредством ограничения максимального напряжения питания устройства. Флуктуации импеданса нагрузки и электропитания являются доминирующими факторами, влияющими на отклонения выходной мощности:

В традиционных архитектурах усиление УМ (выраженное в дБ/В) изменяется с уровнем мощности, и это изменяет ширину полосы пропускания петли, управляющей мощностью. Усиление (управляемая характеристика) для некоторых УМ может изменяться от 100 дБ/В до таких высоких значений, как 1000 дБ/В. Таким образом, необходимо сохранить ширину полосы пропускания петли достаточно большой, что отрицательно сказывается на стабильности петли в областях с высокой крутизной.

Объединение архитектуры XIN9133 и схемы MAX4002 решает проблему нестабильности петли, потому что управление напряжением питания обеспечивает более постоянное усиление УМ. Ширина полосы пропускания петли XIN9133 определяется шириной полосы внутренних управляющих цепей и ВЧ-нагрузкой выхода, которые не изменяются с уровнями мощности. Поскольку смещение и коллекторные напряжения не изменяются, такой режим работы упрощает поддержание стабильности в петле с широкой полосой пропускания.

Управление петлей имеет один недостаток — задержки внутри петли снижают ее стабильность, что отрицательно сказывается на временных интервалах. Одна из причин этой проблемы — изменение входной мощности сигнала с ГУН, связанное с изменением температуры, частоты или напряжения питания. Когда изменяется мощность ГУН, изменяется и усиление петли, что снижает ее полосу пропускания. Временные интервалы могут затем сдвигаться, особенно при низких уровнях мощности. Поскольку XIN9133 не чувствителен к изменениям входной мощности, временные интервалы постоянны и не требуют программной корректировки.

Переходные процессы при коммутации имеют место в тех случаях, когда участки роста и спада не являются гладкими. Чтобы обеспечить гладкую форму управляющей характеристики, необходимо управлять выходной мощностью путем изменения коллекторного напряжения. Поддержание постоянного смещения на всех каскадах также исключает скачки.

Принцип работы петли управления УМ

Преимущество петли управления усилителем мощности — ее невосприимчивость к изменениям усиления УМ. Блок-схема на рис. 3 показывает, каким образом работает управляющая петля УМ. Любые флуктуации нагрузки или температурные зависимости в функции управления усилением исключаются, поскольку УМ находится в цепи прямой передачи системы. Когда усиление петли достаточно велико, ее точность в основном зависит от элементов в цепи обратной связи (ответвитель и детектор).

Основываясь на напряжении V_ramp, контур управления устанавливает управляющее усилением УМ напряжение на таком уровне, который позволит обеспечить необходимое значение выходной мощности. Детектор подключается к ответвителю и создает напряжение, зависимое от измеренной выходной мощности УМ. Это напряжение сравнивается с V_ramp , которое генерируется baseband-чипом гарнитуры. Ошибка между V_ramp и измеренной мощностью доводится до нуля усилителем ошибки, который устанавливает напряжение питания V_supply для УМ. Результирующий отклик петли обратной связи не требует ровных характеристик УМ, таких как зависимость выходной мощности от температуры или от напряжения питания.

Реализация петли управления УМ

На рис. 4 показана петля для управления выходной мощностью УМ, состоящая из усилителя мощности XIN9133 и контроллера MAX4002. За исключением усилителя мощности и ответвителя, все элементы блок-схемы (рис. 3) содержатся в контроллере MAX4002 (он состоит из радиочастотного детектора, преобразователя с генератором пилообразного напряжения и усилителя ошибки).

Усиление с цепью обратной связи

Схема, показанная на рис. 4, создает постоянный уровень выходной мощности. Широкий динамический диапазон детектора (50 дБ для контроллера MAX4002) также позволяет использовать цепи для точной установки уровней мощности УМ в широком диапазоне мощностей. Выходные уровни УМ устанавливаются варьированием опорного напряжения V_ramp. Нелинейность в передаточной функции усиления УМ не появляется в общей (суммарной) передаточной функции P_out от V_ramp. Форма этой кривой определяется реакцией детектора.

Как было сказано выше, элементы цепи обратной связи контура управления определяют передаточную функцию по усилению. Детектор — наиболее важный из этих элементов, поэтому для лучшего сочетания параметров он должен быть точным, термически стабильным и предпочтительно линейным. Для управляющего контура только одно требование — чтобы передаточная функция по усилению УМ была монотонной. С линейным детектором зависимость между V_ramp и выходной мощностью УМ также линейна, делая возможной прямую калибровку системы.

Временная маска

Мобильные телефоны GSM используют схему многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA) для передачи данных. Формат TDMA содержит восемь тайм-слотов, и усилители мощности гарнитур обычно передают в одном из этих слотов. Чтобы предотвратить интерференцию между сотовыми телефонами, системы TDMA определяют суженный временной профиль. Чтобы соответствовать временной маске GSM, выходная мощность УМ должна расти и спадать очень быстро, оставаясь внутри временной маски и не генерируя паразитные частотные гармоники.

Как описано выше, входное значение V_ramp устанавливает выходную ВЧ-мощность. Приложение некоторого изменяющегося сигнала к выводу V_ramp приводит к изменению уровня мощности УМ внутри требуемой временной маски (рис. 5). Временная маска удовлетворяет необходимым пределам (показано зелеными линиями) при любом варьировании температуры, напряжения и нагрузки в широких диапазонах.

Контур, формируемый добавлением контроллера MAX4002 к усилителю мощности XIN9133, представляет собой мощный инструмент управления выходом УМ для обеспечения соответствия стандарту GSM. Обеспечивая линейную реакцию между выходом УМ и выходом baseband ЦАП, контроллер УМ улучшает параметры усилителя мощности. В результате управляющий контур УМ получается точным, термостабильным и достаточно быстродействующим для того, чтобы отвечать требованиям стандарта к параметрам временной маски.

Пример конструкции

Демонстрационная плата с описанным в статье устройством выпускается компанией Xindium Technologies (рис. 6). Фотографии платы в нижней части рисунка представляют вид каждого слоя в 4-слойной плате, показывая, как проста и компактна топология схемы при совместном использовании усилителя мощности XIN9133 и контроллера MAX4002.

Более подробную информацию запрашивайте у авторизированных дистрибьюторов www.maxim-ic.ru.

¹ Здесь и далее по тексту статьи под «гарнитурой» будет пониматься любое устройство, имеющее беспроводной интерфейс, соответствующий стандарту GSM. Например, это может быть модуль-модем или сотовый телефон. (Прим. перев.)