本應用筆記提供了從1994年至今的藍牙?歷史，以及愛立信?公司在系統(tǒng)發(fā)展中的作用。藍牙在 2400MHz 和 2500MHz 之間的 ISM 頻段工作，在 79 個間隔為 1MHz 的信道上使用 FHSS。本應用筆記還介紹了如何將藍牙用于輸出功率為100mW的遠程系統(tǒng)。示例詳細介紹了分立功率放大器（PA）、MAX2240以及支持偏置和功率控制電路。

介紹

高功率 100m 范圍內(nèi)的藍牙應用需要能夠在 100.2GHz 時提供 4mW 輸出功率的放大器。與傳統(tǒng)設計技術相比，MAX2240功率放大器（PA）用于遠距離藍牙應用，具有集成功率控制功能，采用超小型封裝，成本低，并且需要最少的外部元件。

背景：關于藍牙

愛立信移動通信公司（瑞典隆德）于1994年發(fā)起了一項研究，以調(diào)查移動電話及其配件之間低功耗、低成本無線電接口的可行性。1無線電接口的目的是消除移動電話與個人計算機（PC）卡和耳機之間的電纜。最初，該鏈路稱為多通信器 （MC） 鏈路。隨著新無線鏈路工作的進展，很明顯，可以使用短程無線電鏈路的應用種類沒有限制。廉價的短程無線電技術將使便攜式設備之間的通信在經(jīng)濟上可行。然而，要使該系統(tǒng)取得成功，必須獲得足夠數(shù)量的行業(yè)支持。1997年，愛立信與其他便攜式設備制造商接洽，以提高人們對該技術的興趣，并于1998年成立了一個由移動電話和計算機行業(yè)（愛立信，諾基亞?，英特爾，東?芝?和IBM?）公司組成的特別興趣小組（SIG）。該聯(lián)盟的成立是為了建立空中接口和系統(tǒng)軟件的事實標準，并推廣該技術。1998年<>月，SIG公開推出了新的無線連接解決方案。SIG以十世紀統(tǒng)一丹麥的國王的名字稱短距離無線連接解決方案為“藍牙”。

藍牙系統(tǒng)或多或少地在 2400MHz 到 2500MHz 的未經(jīng)許可的工業(yè)科學醫(yī)療 （ISM） 頻段上運行，在世界各地略有不同。該系統(tǒng)采用跳頻擴頻（FHSS）方案，在多個用戶之間共享頻譜，并在無線電發(fā)射功率超過0dBm（1mW）時合法占用頻段。總共使用了 79 個跳頻通道，通道間隔為 1MHz，采用兩級頻移鍵控 （FSK） 調(diào)制。該系統(tǒng)實現(xiàn)1Mbps的比特率，并采用高斯調(diào)制濾波，帶寬時間（BT）積（每比特帶寬）為0.5。

該系統(tǒng)采用類似于現(xiàn)有IEEE? 802.11 FHSS無線局域網(wǎng)（WLAN）系統(tǒng)中使用的空中接口;一些更改允許使用低成本硬件（例如，放松靈敏度、放松鏡像抑制以及跳頻每個數(shù)據(jù)包，沒有快速周轉時間）。但是，通道頻率相同，調(diào)制方案與兩電平FSK基本相同。這些調(diào)制特性決定了發(fā)射器所需的放大器類型。藍牙中采用恒定包絡FSK調(diào)制方案，允許使用飽和模式發(fā)射放大器。

適用于遠程應用的藍牙

藍牙系統(tǒng)最初被設想為短距離鏈路（長達 10m）。然而，隨著可能的藍牙應用的擴展，潛在的最終用戶表達了對更大范圍的渴望。鑒于系統(tǒng)的接收器靈敏度固定在-70dBm，增加范圍的實際解決方案是增加無線電發(fā)射功率。對更大發(fā)射功率的需求導致了對另一類無線電發(fā)射輸出功率的定義。選擇的峰值發(fā)射功率為100mW，而峰值發(fā)射功率為1mW，理想情況下可將范圍提高約10倍至100m，并將發(fā)射功率保持在100mW有效各向同性輻射功率（EIRP）的歐洲ETSI規(guī)定范圍內(nèi)。較高的輸出使得需要在RF收發(fā)器之后添加單獨的PA（圖1）。更高的發(fā)射功率水平成為藍牙無線電接口規(guī)范的一部分，并被定義為 1 類操作。

圖1.藍牙無線電系統(tǒng)圖。

1 類發(fā)射功率規(guī)范在 1.0 版藍牙規(guī)范的無線電部分有詳細說明。2輸出功率限制為最大發(fā)射輸出功率100mW。如果使用 1 類電源，規(guī)范要求發(fā)射器實施功率控制，以最大限度地減少整體干擾并優(yōu)化無線電功耗。藍牙傳輸規(guī)范確立了對整個無線電的要求。PA 規(guī)格源自 PA 后面元件的系統(tǒng)要求和組件特性（圖 1）。RF 開關、RF 帶通濾波器和連接器的功率損耗約為 3dB（圖 2）。

圖2.藍牙前端可以簡化為這種表示形式。

影響發(fā)射PA的各種規(guī)格，包括涵蓋雜散發(fā)射和其他工作條件的規(guī)格。所有放大器輸出規(guī)格都意味著使用調(diào)制信號。除了藍牙無線電規(guī)范外，藍牙無線電的實施還會產(chǎn)生一些特定的系統(tǒng)要求。PA工作條件包括+2.7V電源電壓直流至 +5V直流;溫度范圍為 -20°C 至 +60°C;輸入功率電平為0dBm至+4dBm;電源電流小于140mA;目標效率為30%至40%。PA必須提供開關控制，以允許在接收時隙期間關斷。PA 應在幾微秒內(nèi)打開/關閉。在關斷模式下，PA集電極電流（I抄送） 應小于 10μA。 PA 實現(xiàn)目標包括成本低于 1.00 美元（美國）、尺寸小于 10mm x 10mm，以及解決方案設計時間不超過一周。

無線電發(fā)射輸出功率規(guī)格隱含在電源電壓、溫度和頻率的所有工作條件下。所有功率均在100kHz帶寬內(nèi)測量。最小發(fā)射輸出功率為0dBm，而最大發(fā)射輸出功率為+20dBm。功率可在+4dBm至+20dBm范圍內(nèi)單調(diào)控制，最小步長為2dB，最大步長為8dB。

帶內(nèi)雜散電平是指相鄰和交替信道功率的允許電平，以及2400MHz至2500MHz頻段內(nèi)的任何殘余雜散信號。主要監(jiān)管限值是 20MHz 帶沿處的 -1dBc 頻譜功率限值。所有規(guī)格均使用符合藍牙調(diào)制信號特性的輸入信號進行測量。所有帶外雜散發(fā)射均指2400MHz至2500MHz頻段之外的信號。這些規(guī)格包括從 36MHz 到 30GHz 的最大雜散電平 -1dBc;從30GHz到1.12GHz的最大-75dBc;從47.1GHz到8.1GHz和從9.5GHz到15.5GHz至少-3dBc。

經(jīng)典方法

設計帶功率控制的PA的“經(jīng)典”或傳統(tǒng)方法以兩級PA為中心，該PA由分立功率晶體管和無源元件構成，或者最近采用采用中等尺寸塑料封裝的PA集成電路（IC）（例如，8引腳SO或MLP16封裝）。這種PA方法僅提供RF信號路徑、基本偏置和相當基本的模擬功率控制。實現(xiàn)用于電源控制的藍牙 100mW 1 類規(guī)范需要額外的電路來實現(xiàn)完整的功率控制發(fā)射放大器功能。

給定具有模擬功率控制輸入的開環(huán)PA，功率檢測、功率電平設置和閉環(huán)控制方案通過外部電路實現(xiàn)。簡單的平方律二極管檢波器通常用于檢測有限范圍內(nèi)的功率，并產(chǎn)生與PA輸出功率成比例的電壓輸出。通常，將檢波器電壓與對應于所需PA輸出功率電平的設定電壓電平進行比較。配置為積分器的運算放大器用作閉環(huán)控制放大器，以驅動模擬控制輸入，直到檢測到的電壓等于設定電壓。這種方法的可能實現(xiàn)包括使用溫度補償二極管檢測器的2位數(shù)字控制（圖3）。3

圖3.經(jīng)典功率控制PA解決方案。

很明顯，傳統(tǒng)方法需要大量外部元件才能完全實現(xiàn)功率控制功能和數(shù)字接口：檢波二極管、電容、電阻、運算放大器和數(shù)模轉換器（DAC）。雖然配置可以設計為可以接受工作，但經(jīng)典的電源控制解決方案有幾個缺點，使其對藍牙系統(tǒng)沒有吸引力。主要缺點是物料清單 （BOM） 成本太高。圖3所示電路的大批量BOM成本約為1.76美元，包括PA。藍牙 SIG 成員表示藍牙無線電的目標成本為 5.00 美元，4巴勒斯坦權力機構不可能占總成本的三分之一。

該解決方案的另一個缺點是所需的印刷電路板（PCB）面積相對較大。大多數(shù)藍牙無線電實現(xiàn)必須適合小空間，例如模塊。在這里，RF模塊的總占位面積可能小至10mm x 14mm。5圖3中的電路可能會消耗該區(qū)域本身。PA的大型塑料封裝、外部匹配以及分立式功率檢測和控制電路的組合限制了最小占位面積。

此外，所示的分立方法非常耗費設計。必須投入大量時間與實際電路配合使用，以實現(xiàn)精確的功率檢測、穩(wěn)定的閉環(huán)控制以及建立所需的數(shù)字控制功率電平。在達到符合規(guī)范的1類功率控制解決方案之前，肯定需要對電路元件值和PCB實現(xiàn)進行大量調(diào)整。這些缺點對于藍牙無線電項目和/或支持藍牙的產(chǎn)品是不可接受的。藍牙無線電必須便宜、小巧且及時開發(fā)。實際上，無線電設計人員需要藍牙 1 類 PA 功能的替代解決方案。

新解決方案

Maxim開發(fā)的新型PA IC專門滿足藍牙系統(tǒng)要求和藍牙市場的特定需求。MAX2240 PA IC消除了傳統(tǒng)方法的主要缺點;它為 PA 解決方案引入了新的外形尺寸和成本結構。MAX2240單電源PA專為藍牙系統(tǒng)設計，但也可用于工作在2.4GHz至2.5GHz ISM頻段的其他FSK調(diào)制系統(tǒng)。PA 在 V 的最高功率模式下提供標稱 +20dBm （100mW） 輸出功率抄送+3V時直流.

MAX2240采用新的架構，電源控制功能與同一IC上的PA相結合（圖4）。該架構從根本上簡化了整個 PA 解決方案。內(nèi)核PA級與開環(huán)數(shù)字電源控制方案和關斷/偏置控制相結合。兩個數(shù)字控制位（D0、D1）控制四種不同的輸出功率電平狀態(tài)。數(shù)字功率控制輸入經(jīng)過解碼，以驅動RF路徑中的可變增益放大器（VGA）級，從而驅動輸出功率。這四種狀態(tài)提供明確定義的輸出功率電平，而數(shù)字代碼設置的功率步進約為6dB/步。輸出功率電平根據(jù)輸入功率、溫度、電源電壓范圍和制造變化進行一階優(yōu)化。

圖4.這個簡化框圖代表MAX2240低成本藍牙PA。

此外，通過包含與溫度和電源無關的偏置，以及RF輸入和級間匹配的集成，應用大大簡化。片內(nèi)溫度和電源穩(wěn)定的偏置電路可在所有工作條件下保持穩(wěn)定且可預測的PA性能;它消除了外部施加的偏置電壓或電流。IC采用+2.7V電源供電直流至 +5V直流，使其能夠直接在主機移動通信設備中由未穩(wěn)壓的電池電壓運行。大多數(shù)RF信號路徑阻抗匹配電路都集成在一起。輸出級匹配未集成在芯片中，以實現(xiàn)最佳PA效率，并允許在輸出功率、諧波和效率之間進行權衡。

PA提供數(shù)字關斷（使能）控制輸入，以便進入由基帶IC選擇的活動或關斷模式。在停機模式下，電源電流減小至約 0.5μA。這種數(shù)字關斷控制允許PA在發(fā)射時隙期間導通，在所有其他時間關斷，從而最大限度地降低總無線電電流消耗。

毫無疑問，MAX2240 PA最先進的方面是采用芯片級封裝（CSP）。該封裝是一種IC芯片級封裝技術，其中焊料凸點通過特殊的后處理步驟連接到IC的鍵合焊盤上，而芯片仍處于原始晶圓形式。凸塊以 0.5mm 的標準引線間距放置在網(wǎng)格陣列中。MAX2240的網(wǎng)格為3 x 3陣列，包含1個焊錫凸點，具有超小的56.1mm x 56.1mm凈芯片/芯片尺寸（UCSP?封裝）。連接焊球后，將晶圓切割，將IC轉換為裸片形式。在裸片形式中，芯片可以直接安裝到印刷電路板（PCB）上，類似于傳統(tǒng)的表面貼裝器件。該器件放置在焊盤布局上，并與PCB上的其他元件一起進行紅外焊接回流，將芯片直接安裝到PCB上。芯片級器件以卷帶形式發(fā)貨，與其他表面貼裝器件類似。在芯片的背面放置一個索引區(qū)域標記，以表示芯片的 A1 引腳。CSP 技術的使用創(chuàng)造了業(yè)界最小的 PA IC 產(chǎn)品，有助于加快藍牙 <> 類集成到移動電話、筆記本電腦、個人數(shù)字助理 （PDA） 和其他便攜式設備中。

MAX2240設計用于簡單的應用集成和設計導入（圖5）。該器件采用單正電源電壓 （V抄送).每個電源電壓連接都需要一個RF旁路電容（典型值為220pF）接地。在 V 上抄送建議使用引腳、小型 1.2nH 系列電感器（電路板走線）和并聯(lián) 18pF 電容器，以優(yōu)化 PA 性能。RF輸入（RFIN）具有內(nèi)部阻抗匹配網(wǎng)絡和隔直電容。因此，可以直接將50Ω傳輸線連接到RFIN。

圖5.MAX2240應用電路

MAX2240的輸出級是輸出晶體管的集電極。直流偏置和阻抗匹配從外部施加到芯片上，以實現(xiàn)比集成的低匹配元件更高的效率和輸出功率。最佳性能發(fā)生在提供給PA輸出晶體管的阻抗下。在2.45GHz時，該阻抗為15.2Ω + j17.9Ω，以輸入負載為50Ω的匹配網(wǎng)絡。主要功率匹配結構為低通網(wǎng)絡，由串聯(lián)傳輸線段T1和開截線輸電線路段T2組成。傳輸線網(wǎng)絡的作用類似于串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。

傳輸線T1和T2表示為特定特性阻抗線的電氣長度，但可以用不同的阻抗線設計。T2的長度應選擇在基波的二次諧波頻率下提供短路，并在輸出端顯著衰減其幅度：在4.9GHz的二次諧波頻率下的四分之一波長。三次諧波頻率通過扼流電感中的寄生電容衰減。該電容在較高頻率下滾降扼流圈阻抗，在三次諧波頻率處表現(xiàn)為低阻抗。輸出串聯(lián)電容器用作隔直電容器和最終匹配元件。此處，建議值為 10pF。輸出級還需要連接到V抄送通過電感器（建議為 22nH）。確切的值并不重要，但在2.4GHz時應提供數(shù)百Ω阻抗，并在2.4GHz或以下自諧振。最后，所有數(shù)字輸入都與互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯電平兼容，并設計用于直接連接到數(shù)字基帶IC。

與傳統(tǒng)的閉環(huán)PA解決方案相比，新PA方法的優(yōu)勢顯而易見。對BOM成本、PCB尺寸和設計時間的檢查清楚地表明，與傳統(tǒng)PA解決方案相比，新方法的整體改進顯著（見下表1）。

表 1.比較兩個藍牙 PA 的物料清單

MAX2240無需檢波二極管、運算放大器、電阻、電容和DAC元件，從而降低了藍牙PA實現(xiàn)的BOM成本。只需幾個旁路電容和一個簡單的輸出匹配網(wǎng)絡即可適當?shù)厥┘覯AX2240。這種簡化導致 BOM 成本是傳統(tǒng)方法成本的一半。低于 1.00 美元的 BOM 成本支持實現(xiàn)大約 5 美元的藍牙無線電成本目標的努力，并為進一步的成本改進奠定了一條途徑。

對經(jīng)典PA方案和MAX2240應用所需PCB面積的一階估計顯示，方案尺寸差異很大。傳統(tǒng)的PA方法需要大約10mm x 14mm （140mm2）的PCB空間來實現(xiàn)圖3所示的示例。相比之下，MAX2240需要的占位面積約為4mm x 8mm （32mm2），僅為傳統(tǒng)方法面積的四分之一。小尺寸使MAX2240非常適合集成到模塊中。

審核編輯：郭婷