PA輸入端匹配直流電源電路的作用
2017-6-14 10:54:54??????點(diǎn)擊：
零中頻架構(gòu)收發(fā)器，顧名思義，去除掉了中頻的零件，由于具備了低成本，低復(fù)雜度，以及高整合度，這使得零中頻架構(gòu)的收發(fā)器，在手持裝置，越來越受歡迎。但連帶也有一些缺失，其中一項(xiàng)便是所謂的VCO Pulling，如下圖[1-3] :
在零中頻架構(gòu)中，因?yàn)橹黝l訊號(hào)的頻率與LO 相同，所以有可能會(huì)泄漏并造成干擾，而整個(gè)發(fā)射路徑中，最可能的泄漏來源為直流電源PA 輸出端與天線端，因?yàn)橹绷麟娫碢A 輸出端的能量最強(qiáng)，因此會(huì)以傳導(dǎo)方式干擾，而天線端則是會(huì)直接以輻射方式干擾，使調(diào)變精確度下降，導(dǎo)致相位誤差，頻率誤差，以及EVM 都會(huì)有所劣化。因此不論是高通，或是MTK，都會(huì)建議收發(fā)器與直流電源PA要分別放在兩個(gè)獨(dú)立的屏蔽框里，也是為了避免VCO Pulling[1]。
除此之外，直流電源PA 輸入端的匹配若沒調(diào)校好，會(huì)因反射而干擾VCO，導(dǎo)致調(diào)變精確度下降，如下圖 :
而直流電源PA 輸入端的匹配直流電源電路設(shè)計(jì)，其擺放位置需依平臺(tái)而定，例如若為MTK 的MT6252，則需靠近收發(fā)器，但若為高通的WTR1605L，則需靠近直流電源PA。
有時(shí)會(huì)遇到的問題是，將直流電源PA 輸入端的SAW Filter 拔掉，其相位誤差與EVM 會(huì)變差，此時(shí)可能有人會(huì)認(rèn)為是SAW Filter 的關(guān)系，但這是個(gè)誤解，因?yàn)橄辔徽`差與EVM，都是帶內(nèi)噪聲，而SAW Filter 是用來抑制帶外噪聲，換言之，SAW Filter無法改善相位誤差與EVM，相反地，若SAW Filter 的Group Delay 過大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)有所失真，進(jìn)而劣化EVM。
因此合理的解釋，便是VCO Pulling，當(dāng)直流電源PA 輸入端放SAW Filter，此時(shí)收發(fā)器看出去的S11 很好，不會(huì)有訊號(hào)反射。
但是當(dāng)直流電源PA 輸入端的SAW Filter 拔掉時(shí)，其發(fā)射訊號(hào)由于Layout 走線阻抗關(guān)系，導(dǎo)致收發(fā)器看出去的S11 不好，訊號(hào)反射打到VCO，使得調(diào)變精確度下降，其相位誤差與EVM 變差。故此時(shí)應(yīng)針對(duì)直流電源PA 輸入端的Matching 再作微調(diào)，以減少反射[3]。
另外，由[4-6]可知，當(dāng)RF 訊號(hào)的直流電源諧波過大時(shí)，可在直流電源PA 輸入端，設(shè)計(jì)LC 低通直流電源濾波器，先抑制直流電源PA 輸入端的直流電源諧波，避免因直流電源PA 的非線性效應(yīng)，而使其更加惡化。
特別注意的是，不可將LC 低通直流電源濾波器，設(shè)計(jì)在直流電源PA 輸出端，因?yàn)闀?huì)動(dòng)到Load-pull。
由上圖可知，不同的Load-pull，會(huì)有不同直流電源諧波值，第二象限是高直流電源諧波區(qū)，若該LC 低通直流電源濾波器，使Load-pull 跑到第二象限，進(jìn)而導(dǎo)致直流電源諧波值變大，那么該直流電源濾波器抑制直流電源諧波的能力，便大打折扣。
如上圖，假設(shè)該直流電源濾波器，其直流電源諧波的Insertion Loss 為10 dB，但因更動(dòng)了Load-pull，使其直流電源諧波增加了10 dB，那么最終直流電源諧波會(huì)因其抵消結(jié)果，而并未所有抑制，故若將LC 低通直流電源濾波器，設(shè)計(jì)在直流電源PA 輸出端，那么該直流電源濾波器抑制直流電源諧波的能力，便大打折扣，即便最終直流電源諧波仍獲得改善，也會(huì)因Load-pull 更動(dòng)，而導(dǎo)致其他發(fā)射端的性能都劣化[4-6]。
而由[1-2]可知，直流電源PA 的輸入端，其實(shí)也是DA(Driver Amplifier)的Load-pull :
因此這部分的匹配若沒調(diào)校好，會(huì)使DA 的線性度不夠，導(dǎo)致在直流電源PA 輸入端，開關(guān)頻譜已偏高的情況發(fā)生，再加上直流電源PA 是主要的非線性貢獻(xiàn)者，如此便會(huì)導(dǎo)致直流電源PA輸出端的開關(guān)頻譜更差。
當(dāng)然WCDMA 的ACLR，也是一樣道理，因此直流電源PA 輸入端的ACLR 不能太差，否則直流電源PA 輸出端的ACLR，肯定只會(huì)更差，而一線品牌大廠，其正負(fù)5MHz 的ACLR，都要求至少-40 dBc，
所以直流電源PA 輸入端，其正負(fù)5MHz 的ACLR 至少要-50 dBc。另外EVM 也是一樣道理，由下圖可知，當(dāng)直流電源PA 輸入端的Matching 調(diào)校為較收斂的狀況時(shí)，其EVM 也跟著改善[2]。
由于直流電源PA 的輸入功率范圍一向很廣，以RFMD 的RF3225 為例，其輸入功率范圍為0 dBm ~ 6 dBm，這表示收發(fā)器的輸出功率，即便扣掉Mismatch Loss 與Insertion Loss，仍符合直流電源PA 的輸入功率范圍，因此一般而言，較少調(diào)校此處的匹配，通常都是要debug 時(shí)，才會(huì)調(diào)校此處。而由以上可以看出，若直流電源PA 輸入端走線阻抗控制做得夠好，有收斂在50歐姆附近，理論上拿掉 是不至于出太大問題。當(dāng)然，直流電源PA 輸入端Matching 拿掉，就無法兜低通直流電源濾波器，來解傳導(dǎo)雜散，不過若是高通平臺(tái)。還可以靠調(diào)NV 的方式來解。下圖是直流電源PA_Enable、ANT_SEL、V_ramp 三條曲線[1]。
這三條曲線，對(duì)于直流電源諧波以及開關(guān)頻譜，都會(huì)有影響，建議直流電源PA_Enable 比V_ramp早開啟，而且最好能早一段時(shí)間。而Ant_sel 可以比直流電源PA_en 早開啟，也可以比直流電源PA_en晚開啟，看怎樣的NV 值 其直流電源諧波以及開關(guān)頻譜會(huì)最低。
前面提到，若直流電源PA 輸入端走線阻抗控制做得夠好，有收斂在50歐姆附近，理論上其直流電源PA 輸入端的Matching 可拿掉。而若直流電源PA 沒有內(nèi)建DC Block，則直流電源PA 輸入端需擺放串聯(lián)電容。然而，由[7-8]可知，串聯(lián)電容會(huì)使阻抗有所偏移，破壞原本已經(jīng)控制好的阻抗。那這該如何處理呢 ?
上式是容抗的公式，由上式可知，當(dāng)電容值極大時(shí)，其阻抗會(huì)近乎于零。而作阻抗匹配前，要先將落地組件拔除，且串聯(lián)零歐姆電阻，來得知走線的原始阻抗[8]，因此可知串聯(lián)零歐姆電阻，并不會(huì)改變?cè)甲杩?。而前述已知，電容值極大時(shí)，其阻抗會(huì)近乎于零，相當(dāng)于零歐姆電阻，故可知若想抵擋直流訊號(hào)，但又不想使阻抗有所偏移時(shí)，可以擺放大電容，來同時(shí)兼具這兩種需求。然而這邊所謂的大電容，并不需要到uF 等級(jí)，因?yàn)閡F 等級(jí)的電容，至少都是0603 的尺寸，若擺放在走線，不僅占空間，同時(shí)也會(huì)因?qū)挾扰c走線差異過大，產(chǎn)生很大的阻抗不連續(xù)，以至于Mismatch Loss 增加，如下圖:
因此pF 等級(jí)的電容即可，以DCS 1800/PCS 1900 為例，由下圖可知，串聯(lián)56 pF的電容，其阻抗幾乎不變。
由前述我們可總結(jié)，直流電源PA 輸入端匹配直流電源電路設(shè)計(jì)的作用，主要是用來debug 的 :
1. 頻率誤差/相位誤差, EVM，調(diào)制頻譜 => 減少反射，避免VCO Pulling。
2. 傳導(dǎo)雜散 => 設(shè)計(jì)低通直流電源濾波器，減少直流電源諧波。
3. ACLR，開關(guān)頻譜 => 提升DA 線性度。
若阻抗控制有做好，原則上可以拿掉，以節(jié)省空間。但建議初始設(shè)計(jì)時(shí)，還是先擺放，以防萬一，確認(rèn)其發(fā)射性能皆無大礙時(shí)，下一版直流電源PCB 設(shè)計(jì)再將其拿掉。
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