手机音频功放IC的作用及特性要求
什么是功放？
功率放大器（poweramplifier，简称pa）简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。
手机功放的特性要求
gsm/gprs四频手机是依据etsi/3gpp的通讯标准来传送信号，所以功率放大器的特性必须符合以下的要求。
一般而言，pa之输出功率等级在gsm850mhz/900mhz频段，分为5（33dbm）~19（5dbm）等十五个功率等级，在dcs1800mhz/pcs1900mhz频段，则有0（30dbm）~15（0dbm）等十六个功率等级，随着手机距离邻近基站的远近与手机收信状况的好坏，pa的输出功率等级必须依据基站的指示做相对调整及精确的设定，不是只有单一的输出功率。
因为gsm/gprs通讯系统乃是tdma系统（time-division-multiple-access），故信号之传送（up-link）与接收（down-link）不是同时间发生的，而pa主要是负责传送手机信号到基站，其pa功率操作反应时间必需符合etsi/3gpp通讯标准之规范，如图1所示，分三段时间区域（a）28us（b）542.8us（c）28us，在（a）区域，当手机欲传送信号到基站，pa必须在28us内做好power-ramping-up的准备工作，使pa输出功率保持在一个稳定且固定的值，以便开始做真正的手机信号传送工作，此即为（b）区域，而当信号传送完毕，一样须在（c）区域28us内做完power-ramping-down即关掉pa power，以节省电池电流消耗，同时进入接收模式（接收基站信号），另外，有两点值得一提的是：
（1）在（a）与（c）区域中，pa之反应速度要够快，以使pa能在28us内分别达到pa全功率输出与无功率输出，而且其功率输出的增加率（ramping-up）或递减率（ramping-down）也必须能有适当的快慢以达到很平滑（smooth）的功率上升、下降曲线，否则容易产生所谓的开关频谱噪声，进而影响邻近手机使用者之通话品质。
（2）在（b）区域中，pa之输出功率必须维持非常稳定，功率变动范围在±1db内，否则手机欲传之信号很容易因pa本身功率不稳定，而受到pa的调变，因而产生调变频谱噪声，此将大大提升手机本身通话时之ber（bit-error-rate），使通话品质不佳。
图1 pa的输出功率vs时间图
因移动手机与基站的最远距离约有35公里，pa的输出功率约在30~35dbm，所以pa需要较大的供应电流，其电流可高达1.6~2a，一般pa的输出效率约在50%，再加上pa工作周期（duty
cycle）到gprs class 12的应用时将会达到50%
（4个时隙），因此pa模块将会产生大量的热在ic本身，所以必须有很好的散热处理，否则pa容易因过热而损坏。
因移动手机本身常会在相当不好的环境中使用，如高速行驶、恶烈气候环境等，所以手机本身的接收灵敏度（sensitivity）要求很高，在此同时，pa所需之输出功率又要比较高，故对pa工作时相对产生的接收频带噪声功率等等特性之要求将更加严格。
一般手机pa在正常的操作模式下，输出端所看到的阻抗为50ω负载，但是当手机使用者不当使用手机，例如手握天线，甚至拔掉天线，将会发生pa负载阻抗完全偏离正常工作50ω负载，这就是所谓的pa失配（mismatch），在这样的状况下，pa功率送不出去，将会导致更多的热散在ic上，易导致pa烧坏，此外，因pa本身是大功率组件，除了输出功率，同时会产生很大的热噪声，pa本身即会有很大的稳定度问题，若是再发生失配状况，更易导致pa振荡，因而产生其它频率之噪声（spuriousoscillation noise） ，影响到其它手机系统使用者，故pa设计本身必须确保在失配状况下，pa不会发生振荡与烧坏之现象。
如同前点所说，pa乃是一个大功率组件，且其输出端功率乃是用微带传输线来做阻抗匹配，故rf信号容易经由介质耦合和空气中辐射到pa外围手机通讯电路，甚至影响邻近手机使用者。其中最典型的例子即信号耦合到pll中的vco，容易造成vco的频率偏移，此将大大影响手机本身之通话品质，故pa设计本身之屏弊与隔离乃是充满挑战的一个课题。
pa 的技术与运作pa的设计近年来由于在ic输出阻抗匹配线路之q值不佳，所以多采用多芯片模块（mcu，multi-chip-module）的结构，如图2。
图2 pa的功能方块图
依功能包括以下三大部份：
50ω输入/输出匹配线路：以便与外围电路如压控振荡器、切换开关器（switch）做适当的阻抗匹配与功率传送。
cmos功率控制ic：此ic可说是pa模块的核心，其功能含：提供hbt ic直流偏压（dc-bias）、频带选择（band-selection betweengsm and dcsband）、温度补偿、自我功率测量（确保pa所输出功率为基站需求值），输出功率调整（不同之输出功率等级调整）、功率开关（在传送与接收之间做切换）及保护装置电路（避免手机使用不当，而发生损坏之现象）。
gsm/dcs hbt pa ic：此hbt pa ic主要功能为射频信号的功率放大，目前手机pa都是利用砷化镓制程的异质结双数晶体管（gaas
hetero-junction-bipolar-transistorhbt）制造而成。在应用上，pa必须外加一控制回路才能使其运作完全符合e-gsm/dcs/pcs的标准，如图3。
图3 功率控制回路
使用上，透过基带送一个vdac值来设定pa所需传送出去的功率值，再利用传感肖特基二极管，测量pa的输出功率，其测量值与vdac的值相比较，以得到一个误差电流，再经由积分器cin积分，以决定vc的输出电压，然后，应用vc的电压值来调整pa的放大功率，如此形成一个稳定的控制回路系统，才能确保pa输出功率为基带所设定的功率值。
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手机功放的特性要求
gsm/gprs四频手机是依据etsi/3gpp的通讯标准来传送信号，所以功率放大器的特性必须符合以下的要求。
一般而言，pa之输出功率等级在gsm850mhz/900mhz频段，分为5（33dbm）~19（5dbm）等十五个功率等级，在dcs1800mhz/pcs1900mhz频段，则有0（30dbm）~15（0dbm）等十六个功率等级，随着手机距离邻近基站的远近与手机收信状况的好坏，pa的输出功率等级必须依据基站的指示做相对调整及精确的设定，不是只有单一的输出功率。
因为gsm/gprs通讯系统乃是tdma系统（time-division-multiple-access），故信号之传送（up-link）与接收（down-link）不是同时间发生的，而pa主要是负责传送手机信号到基站，其pa功率操作反应时间必需符合etsi/3gpp通讯标准之规范，如图1所示，分三段时间区域（a）28us（b）542.8us（c）28us，在（a）区域，当手机欲传送信号到基站，pa必须在28us内做好power-ramping-up的准备工作，使pa输出功率保持在一个稳定且固定的值，以便开始做真正的手机信号传送工作，此即为（b）区域，而当信号传送完毕，一样须在（c）区域28us内做完power-ramping-down即关掉pa power，以节省电池电流消耗，同时进入接收模式（接收基站信号），另外，有两点值得一提的是：
（1）在（a）与（c）区域中，pa之反应速度要够快，以使pa能在28us内分别达到pa全功率输出与无功率输出，而且其功率输出的增加率（ramping-up）或递减率（ramping-down）也必须能有适当的快慢以达到很平滑（smooth）的功率上升、下降曲线，否则容易产生所谓的开关频谱噪声，进而影响邻近手机使用者之通话品质。
（2）在（b）区域中，pa之输出功率必须维持非常稳定，功率变动范围在±1db内，否则手机欲传之信号很容易因pa本身功率不稳定，而受到pa的调变，因而产生调变频谱噪声，此将大大提升手机本身通话时之ber（bit-error-rate），使通话品质不佳。
图1 pa的输出功率vs时间图
因移动手机与基站的最远距离约有35公里，pa的输出功率约在30~35dbm，所以pa需要较大的供应电流，其电流可高达1.6~2a，一般pa的输出效率约在50%，再加上pa工作周期（duty
cycle）到gprs class 12的应用时将会达到50%
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图2 pa的功能方块图
依功能包括以下三大部份：
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图3 功率控制回路
使用上，透过基带送一个vdac值来设定pa所需传送出去的功率值，再利用传感肖特基二极管，测量pa的输出功率，其测量值与vdac的值相比较，以得到一个误差电流，再经由积分器cin积分，以决定vc的输出电压，然后，应用vc的电压值来调整pa的放大功率，如此形成一个稳定的控制回路系统，才能确保pa输出功率为基带所设定的功率值。
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