用于2.4GHz FHSS WLAN的+23dBm PA及具有37%效率的PA前级驱动

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Abstract

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。

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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
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
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91kΩ。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230mil)。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 70mil)，C10则向外移动(距离焊盘A4 135mil)。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
图3. +23dBm输出的MAX2242元件布置指南

在室温下(TA = +25°C)，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
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
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
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。