手机功放发展趋势是什么？

　　GSM850/E-GSM900/DCS1800/PCS1900四种频宽的GSM/GPRS移动手机，是目前移动通讯的主流，一般传统的TDMA移动手机的硬件结构如图1。本文将详细讨论移动手机中诸多关键性零组件之一的功率放大器（Power Amplifier ，PA）。
　　
　　图1 TDMA移动手机硬件结构方块图
　　PA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2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2 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（Spurious Oscillation 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3。
　　
　　图3 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 between GSM and DCS Band）、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-Transistor HBT）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4。
　　
　　图4 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。
　　PA模块的演进第一代的手机PA模块是以PA为主（请参考图1），然后在移动手机的线路设计上，再加上功率控制回路如图4（包含耦合器、肖特基二极管），依此设计的PA称为开环PA。为了减少移动手机成本，降低能量消耗并延长电池寿命，第二代的PA模块把开环PA与其手机板上的功率控制回路合在一起，称为闭环PA，良好的设计将可延长电池的寿命，改善PA的性能及减少生产成本。
　　
　　图5 第二代功率放大器模块
　　第三代PA Module则进一步整合PA后端的天线开关模块Antenna Switch（ASM）于PA模块，如图6，其中包含了pHEMT（pesudo-High-Electron-Mobility-Transistor）切换开关器与双工器（diplexer）， 成为所谓的FEM前端模块。
　　
　　图6 第三代功率放大器模块
　　由于成本降低的需求，再加上A/D与D/A特性，随着CMOS制程的快速改善与进步，PA模块将非常可能进一步整合收发器中的部分电路，包括LNA（低噪声放大器）、Mixer（混频器）、PLL与VCO于前端模块中，此为可能的第四代PA模块产品，如图7所示。
　　
　　图7 第四代功率放大器模块
　　随着提高生产良率，降低生产成本之压力，PA模块的整合度将会继续增加，直到包含所有的高频功能为止。甚至进一步整合部份电源管理功能，此为可能的第五代PA模块产品，如图8所示。
　　
　　图8 第五代功率放大器模块
　　最后，为因应不同的频宽需求与系统成本的权衡，双模手机（例如GSM W-CDMA）也是未来发展趋势，所以双模PA亦会是未来可能的一项新产品。
　　结语
　　今后PA之发展将持续地整合更多的手机功能在一起，以减少手机组合时的零件数目，并增加PA的输出效率，以改善手机的性能，延长电池的使用时间及降低生产成本。另一方面，手机基频IC也将不断的整合外围IC的功能，故不久的未来，手机将非常可能只剩前端模块、后端模块（Back End）与人机界面（MMI）三大部分。