2.4GHz WLAN的+23dBm 37%效率的PA前级驱动

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         本文给出了WLAN应用中FHSS装置的PA和PA驱动器MAX2644与MAX2242的折衷设计方案和测得的性能。调整偏置、RF线路板布局和匹配以提高在2450MHz的性能。输入功率为-12dBm时,输出功率可达+23dBm。3V供电时的电源电流为185mA。

         市场上有很多种为蓝牙、HomeRF和DECT (数字欧洲无绳电话)这类2.4GHz FHSS (跳频扩频)应用优化的收发机。这些IC大部分具有很有限的发射功率,因此只能限制在非常短的距离内传输。许多正在寻找使他们的产品从竞争中脱颖而出的方法的PC卡制造商都在给他们的产品增加外部PA (功率放大器)以扩展传输范围。蓝牙和HomeRF在天线上的最大输出功率为+20dBm (100mW),而2.4GHz DECT能够发射+24dBm (250mW)的功率。在这些应用中的PA通常需要提供+23dBm至+27dBm的功率以克服在PA和天线之间(见图1)的RF开关和双工器所引入的3dB损耗。为了延长电池寿命,蓝牙和DECT使用GFSK (高斯频移键控)调制而HomeRF使用两级和四级的FSK调制,这些方法允许PA工作在饱和状态,因此比线性功率放大器具有更高的功率效率。

图1. 用于蓝牙、HomeRF和DECT的2.4GHz FHSS WLAN收发机

         本篇应用笔记展示了具有集成功率检测器、在关闭模式下耗电量仅0.5μA的使用CSP (芯片尺度封装)结构的(1.5mm x 2.0mm) MAX2242 2.4GHz PA的性能(见图2)。同时还介绍了在此作为PA前级驱动器件的MAX2644 2.4GHz LNA。MAX2242 PA最初是为2.4GHz IEEE802.11b DSSS (直接序列扩频)应用设计的。在DSSS应用中,这款PA可以提供+22.5dBm的线性输出功率,使用3.3V供电、电源电流310mA时ACPR为-33dBc。在本应用中饱和输出功率为+26.5dBm,对于2.4GHz DECT应用来说是十分理想的。MAX2242使用外部电阻设置器件的偏置电流,这就从根本上允许该器件能够为满足特定的应用而调整性能。设计+23dBm饱和功率的目的是为了在PA和天线之间存在大约3dB的损耗的情况下,仍然可以在天线上提供+20dBm的输出功率。因为许多现有的FHSS收发信机IC只能提供-7dBm至-13dBm的输出功率,所以需要一个PA前级驱动提供必需的输入功率使PA能够进入饱和状态。具有17dB小信号增益和+4dBm输出P1dB压缩点的MAX2644是理想的候选产品。

图2. MAX2242的典型应用电路

         对现有的MAX2242评估板电路和性能做一些改动。现有的电路需要一些改动以达到期望的性能。外部偏置电阻改为91k。并联输出电容,C2,从1.8pF换成2.2pF并把它移动到离器件输出稍微远一点的地方(在评估板设计图上5.5刻度的地方,距离输出上拉电感230mils)。级间RF旁路电容C8挪到更靠里的地方(在C7和C8的焊盘之间,距离焊盘A2 70mils),C10则向外移动(距离焊盘A4 135mils)。移动这些电容有助于提高级间增益,在线性模式下,为提高器件的ACPR性能,级间增益有所下降。元件的位置请见图3并参考MAX2242评估板快速浏览数据资料获得电路板设计的帮助。

图3. +23dBm输出的MAX2242元件布置指南

         在室温下(TA = +25℃),3.0V供电,175mA电源电流(37%的功率附加效率,PAE)的条件下,MAX2242被调谐为提供+23dBm的饱和输出功率。测量输出功率、电源电流、增益和PAE随输入功率、供电电压和频率变化的关系(见图4至图7)。这款PA的一个有趣的特性是,当没有RF功率输入时,电源电流降至29mA,而与之同类的其他PA则保持偏置电流超过150mA (见图8)。最后还使用低于载波35dB的最坏情况下的激励评估了PA的谐波含量。

图4. MAX2242 PA的输出功率和电源电流随输入功率变化关系

图5. MAX2242 PA的增益随输入功率变化关系

图6. MAX2242 PA的功率附加效率(PAE)随输入功率变化关系

图7. MAX2242 PA的输出功率与频率的关系

图8. 无RF输入功率时MAX2242 PA的电源电流

         MAX2644 2.4GHz LNA由于其+4dBm的输出P1dB压缩点、17dB的小信号增益、8mA的低电流和集成输出匹配网络而被选作PA的前级驱动器件。MAX2644评估板无需任何改动可以直接使用,并且有现货供应。在本应用中,测量了MAX2644输出功率和电源电流随输入功率和供电电压的变化关系(见图9和图10)。当使用-13dBm至-7dBm的输入功率驱动时,MAX2644在3V供电和2.45GHz频率时提供3dBm至6dBm的输出功率。

图9. MAX2644 PA前级驱动器输出功率随输入功率变化关系

图10. MAX2644的电源电流随输入功率变化关系

         下面测试MAX2644和MAX2242的级联性能以得到这些发射机IC可获得的输出功率范围。两者级联后在输入功率为-12dBm到-5dBm时可以提供+23dBm的输出,输入-13dBm,也就是预计的最坏输入功率时输出降至+22.9dBm (见图11)。3V供电时的电源电流约为185mA (见图12)。从2.40GHz的+23.3dBm到2.48GHz的+22.8dBm,输出功率随频率的变化相当稳定(见图13)。

图11. MAX2644和MAX2242的级联性能

图12. MAX2644和MAX2242的总电源电流随输入功率变化关系

图13. MAX2644和MAX2242级联输出功率随频率的变化

         测量得到的性能表明,MAX2644和MAX2242是任何需要最小电路板面积的低 成本、低电流FHSS无线设计中PA和PA驱动级器件的完美选择。选择MAX2644作为接收通道的LNA,其17dB增益、2.45GHz时2.0dB的噪声系数和集成的输出匹配,可以帮助进一步降低成本并改善系统的动态范围。