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| 애플리케이션 노트 579
|
Bluetooth 전력 앰프: 시스템 성능 검토 |
개요: MAX2240 전력 앰프(PA)는 Bluetooth 동작에 특성화되어 있다. 이 소자의 성능은 송신 출력 스펙트럼, 1dB 압축 포인트, S-파라미터, 잡음 지수, 고조파 출력 내용, 이득 및 소비 전류 등의 면에서 검토할 수 있다. Bluetooth는 2.402GHz ~ 2.48GHz의 GFSK 변조를 사용한다. PA 출력은 +20dBm이며 출력 제어 회로를 포함하고 있다.
개요
Bluetooth 통신은 2.402GHz ~ 2.48GHz의 ISM 대역에서 동작하는 TDD(시분할 듀플렉스) 시스템이다. Bluetooth 시스템은 0.5BT GFSK(가우시안 주파수 천이 키잉)이라 하는 디지털 주파수 변조를 사용한다. 이 변조 방식을 사용할 경우,반송파가 175kHz 만큼 증가하면 "1"을 175kHz만큼 낮아지면 "0"을나타내게 된다. 속도는 일반적으로 초당 1M 심볼이다. 0.5BT(대역폭 시간)는 데이터 전송 속도의 절반, 즉 500kHz에서의 3dB 대역폭을 정의한다. 이 시스템은 FHSS(주파수 도약 확산 스펙트럼)을 채용하여 RF 링크의 품질과 신뢰성을 향상시켜준다. 도약 속도는 최대 1600hops/sec이다. GFSK 변조에서 신호는 일정한 진폭 엔빌로프 안에 담기게 되므로 PA를 포화 상태로 구동하여 높은 효율로 전력을 전달할 수 있게 된다.
Maxim의 단일 전원 저전압 전력 앰프 IC인 MAX2240은 Bluetooth 애플리케이션에 이상적이다. 이 PA는 +20dBm(100mW)의 공칭 출력을 제공한다. 또한 이 소자는 디지털 출력 제어 회로를 갖고 있다. 네 개의 디지털 제어 방식 출력 레벨이 있어 Bluetooth Class-1 및 Class-2 출력과의 호환성을 갖는다. 디지털 입력은 액티브 동작 모드와 셧다운 동작 모드를 제어하여 PA가 TDD 시스템 안에서 효율적으로 동작할 수 있도록 한다. MAX2240은 RF 입력 및 단간(interstage) 매칭 회로를집적시켜 IC 애플리케이션 회로를 단순화할 수 있고 PCB 면적을 최소화할 수 있다.
Bluetooth에 필요한 PA 특성
전송 출력 스펙트럼: 전송 출력 스펙트럼 측정을 통해 주파수 영역에서의 전력 레벨을 분석하여 주어진 조건에서 FCC 20dB 대역폭 요구사항(FCC 15.247)과 Bluetooth 전송 스펙트럼 마스크 요구사항을 PA가 만족할 수있도록 한다 (자세한 내용은 표 1 참조).
- 전송 출력 스펙트럼 vs. VCC (테스트 결과 A, B, C, D 참조)
- 전송 출력 스펙트럼 vs. 이득 제어 레벨 (테스트 결과 A, B, C, D 참조)
- 전송 출력 스펙트럼 vs. 입력 램핑 (테스트 결과 E 참조): PA의 전형적인 AM-PM(진폭 변조-위상 변조) 비선형성 효과로 인해 입력 램핑 속도가 전송 출력 스펙트럼을 결정한다. 램핑 속도가 한계 이상이 되면 AM-PM 비선형성 효과에 의해 스펙트럼 출력이 증가하게 된다. 이 새로운 스펙트럼 증가 현상은 Bluetooth가 규정하는 대역 내 오류 방사 요구사항 이하가 되도록 제어해야만 한다.
1dB 압축 포인트 측정 (테스트 결과 F 참조)
소신호 S-파라미터 측정 (테스트 결과 G 참조): MAX2240이 전형적인 Class-A PA이므로, 이 소자 특성은 PA로의 입력에 따라 달라지게 된다. HP 8753E 네트워크 분석기를 사용하여 측정 작업을 실시하기 때문에 S22는 네트워크 분석기의 과도 동작에 의해 실제 출력 매칭을 나타내지 못한다. 20dB 부하/패드는 네트워크 분석기의 영점 조절에 의해 이 효과를 포함하도록 보상된다.
PA의 잡음 지수 (테스트 결과 H 참조): PA에 의한 전체 열 잡음 출력을 특성화한다.
잡음 출력 측정 (테스트 결과 I 참조): 넓은 주파수 범위에서의 잡음 출력 방사를 특성화한다.
고조파 측정 (테스트 결과 J 참조)
PIN vs. POUT 측정 및 PIN vs. ICC 측정 (테스트 결과 K 참조)
표 1. Bluetooth 송신기를 위한 스펙트럼 마스크 요구사항
(M은 전송 채널의 정수 채널 번호, N은 측정되는 인접 채널의 정수 채널 번호이다.)
| Frequency Offset |
Transmit Power |
|
±550kHz
|
-20dBc
|
|
| M - N | = 2
|
-20dBm
|
|
| M - N | > = 3
|
-40dBm
|
MAX2240 PA 성능 개관
전반적인 테스트 조건:
- 모든 테스트는 실온에서 실시된다.
- 변조 형식: Bluetooth, GFSK(0.5BT 및 175kHz 주파수 이동)
- 자세한 제품 정보는 MAX2240 데이터 시트 참조.
벤치 셋업 블록 다이어그램
그림 1. 출력, 출력 스펙트럼, 고조파 및 P1dB 측정을 위한 벤치 셋업
그림 2. 스펙트럼 스플래터링 측정을 위한 벤치 셋업
그림 3. 소신호 S-파라미터 특정을 위한 벤치 셋업
그림 4. 잡음 지수 측정을 위한 벤치 셋업
테스트 결과
테스트 결과 A
그림 5. VCC = 3.2V일 때 2.45GHz, 4dBm 입력에 대한 최대 출력
테스트 결과 B
표 2. VCC = 3.6V일 때 MAX2240 출력 스펙트럼 측정값
(스펙트럼 분석기 잡음 플로어에 의해 ±2.5MHz ACPR 제한 발생. D0 및 D1의경우, MAX2240으로 디지털 전력 제어 입력)
| Frequency |
PIN |
DO |
D1 |
ICC |
POUT |
±550kHz |
±1.5MHz |
±2.5MHz |
| GHz |
dBm |
|
|
mA |
dBm |
dBc |
dBm |
dBm |
|
2.42
|
-2
|
0
|
0
|
66.97
|
-4.56
|
-22.34
|
-48.00
|
-52.87
|
|
0
|
1
|
73.59
|
9.54
|
-22.67
|
-35.72
|
-52.27
|
|
1
|
0
|
68.88
|
2.75
|
-21.00
|
-42.14
|
-52.64
|
|
1
|
1
|
94.70
|
17.14
|
-22.34
|
-28.29
|
-50.91
|
|
0
|
0
|
0
|
68.28
|
-1.12
|
-23.17
|
-23.33
|
-52.73
|
|
0
|
1
|
75.36
|
10.78
|
-23.16
|
-34.46
|
-52.04
|
|
1
|
0
|
70.19
|
4.96
|
-21.66
|
-40.18
|
-52.50
|
|
1
|
1
|
100.40
|
18.13
|
-23.33
|
-27.16
|
-50.67
|
|
2
|
0
|
0
|
69.90
|
2.14
|
-23.66
|
-42.68
|
-52.78
|
|
0
|
1
|
78.07
|
12.10
|
-24.50
|
-33.31
|
-51.86
|
|
1
|
0
|
71.99
|
7.19
|
-24.17
|
-38.09
|
-52.43
|
|
1
|
1
|
106.33
|
18.99
|
-21.50
|
-26.21
|
-50.39
|
|
2.45
|
-2
|
0
|
0
|
66.82
|
-4.77
|
-22.66
|
-48.18
|
-53.03
|
|
0
|
1
|
73.34
|
9.45
|
-21.34
|
-35.80
|
-52.30
|
|
1
|
0
|
68.70
|
2.55
|
-23.33
|
-42.42
|
-52.77
|
|
1
|
1
|
93.33
|
17.04
|
-22.67
|
-28.36
|
-50.88
|
|
0
|
0
|
0
|
68.01
|
-1.47
|
-21.67
|
-45.64
|
-52.88
|
|
0
|
1
|
74.98
|
10.64
|
-24.67
|
-34.69
|
-52.18
|
|
1
|
0
|
69.96
|
4.73
|
-22.50
|
-40.41
|
-52.66
|
|
1
|
1
|
99.08
|
17.89
|
-20.17
|
-27.55
|
-50.82
|
|
2
|
0
|
0
|
69.61
|
1.61
|
-20.50
|
-43.17
|
-52.68
|
|
0
|
1
|
77.49
|
11.85
|
-23.66
|
-33.55
|
-52.03
|
|
1
|
0
|
71.67
|
6.84
|
-20.83
|
-38.42
|
-52.60
|
|
1
|
1
|
104.88
|
18.90
|
-22.16
|
-26.51
|
-50.45
|
|
2.48
|
-2
|
0
|
0
|
66.88
|
-4.47
|
-22.67
|
-48.11
|
-53.12
|
|
0
|
1
|
73.31
|
9.57
|
-22.67
|
-35.74
|
-52.41
|
|
1
|
0
|
68.78
|
2.69
|
-22.00
|
-42.32
|
-52.83
|
|
1
|
1
|
92.61
|
17.01
|
-22.16
|
-28.36
|
-50.96
|
|
0
|
0
|
0
|
68.12
|
-1.32
|
-19.67
|
-45.70
|
-53.01
|
|
0
|
1
|
74.97
|
10.68
|
-22.34
|
-34.81
|
-52.20
|
|
1
|
0
|
70.04
|
4.93
|
-20.67
|
-40.64
|
-52.78
|
|
1
|
1
|
98.30
|
18.09
|
-22.67
|
-27.31
|
-50.74
|
|
2
|
0
|
0
|
69.73
|
2.06
|
-24.16
|
-42.88
|
-52.95
|
|
0
|
1
|
77.49
|
12.07
|
-20.50
|
-33.28
|
-51.98
|
|
1
|
0
|
71.78
|
6.96
|
-23.00
|
-38.41
|
-52.56
|
|
1
|
1
|
104.12
|
18.96
|
-23.17
|
-26.46
|
-50.64
|
테스트 결과 C
표 3. VCC = 3.2V일 때 MAX2240 출력 스펙트럼 측정값
(스펙트럼 분석기 잡음 플로어에 의해 ±2.5MHz ACPR 제한 발생)
| Frequency |
PIN |
DO |
D1 |
ICC |
POUT |
±550kHz |
±1.5MHz |
±2.5MHz |
| GHz |
dBm |
|
|
mA |
dBm |
dBc |
dBm |
dBm |
|
2.42
|
-2
|
0
|
0
|
64.23
|
-4.80
|
-22.50
|
-47.78
|
-52.68
|
|
0
|
1
|
71.24
|
9.41
|
-21.84
|
-35.27
|
-52.07
|
|
1
|
0
|
66.20
|
2.56
|
-24.83
|
-41.79
|
-52.64
|
|
1
|
1
|
94.74
|
17.24
|
-22.33
|
-27.56
|
-50.74
|
|
0
|
0
|
0
|
65.53
|
-1.39
|
-22.00
|
-45.53
|
-52.73
|
|
0
|
1
|
73.21
|
10.51
|
-24.00
|
-34.75
|
-52.03
|
|
1
|
0
|
67.58
|
4.68
|
-23.67
|
-40.40
|
-52.52
|
|
1
|
1
|
99.99
|
18.09
|
-24.83
|
-27.07
|
-50.62
|
|
2
|
0
|
0
|
67.12
|
1.89
|
-22.16
|
-42.83
|
-52.73
|
|
0
|
1
|
76.00
|
11.89
|
-22.17
|
-33.32
|
-51.84
|
|
1
|
0
|
69.34
|
6.86
|
-20.67
|
-38.06
|
-52.44
|
|
1
|
1
|
104.86
|
18.74
|
-22.83
|
-26.41
|
-50.37
|
|
2.45
|
-2
|
0
|
0
|
64.00
|
-5.03
|
-20.66
|
-48.36
|
-52.98
|
|
0
|
1
|
70.87
|
9.24
|
-21.50
|
-36.10
|
-52.31
|
|
1
|
0
|
65.92
|
2.36
|
-22.50
|
-42.50
|
-52.79
|
|
1
|
1
|
92.98
|
17.04
|
-21.34
|
-28.29
|
-50.98
|
|
0
|
0
|
0
|
65.26
|
-1.67
|
-22.34
|
-45.90
|
-52.90
|
|
0
|
1
|
72.72
|
10.32
|
-22.00
|
-34.95
|
-52.20
|
|
1
|
0
|
67.27
|
4.47
|
-20.67
|
-40.55
|
-52.53
|
|
1
|
1
|
98.49
|
17.86
|
-22.84
|
-27.52
|
-50.74
|
|
2
|
0
|
0
|
66.34
|
1.61
|
-21.16
|
-43.16
|
-52.76
|
|
0
|
1
|
75.41
|
11.65
|
-21.84
|
-33.51
|
-51.96
|
|
1
|
0
|
69.05
|
6.62
|
-21.67
|
-38.62
|
-52.38
|
|
1
|
1
|
103.36
|
18.68
|
-20.00
|
-26.54
|
-50.41
|
|
2.48
|
-2
|
0
|
0
|
64.05
|
-4.94
|
-23.33
|
-48.33
|
-53.12
|
|
0
|
1
|
70.85
|
9.29
|
-21.83
|
-36.07
|
-52.34
|
|
1
|
0
|
65.98
|
2.45
|
-23.00
|
-42.49
|
-52.85
|
|
1
|
1
|
92.24
|
16.94
|
-22.16
|
-47.89
|
-53.16
|
|
0
|
0
|
0
|
65.29
|
-1.49
|
-24.33
|
-45.80
|
-53.12
|
|
0
|
1
|
72.68
|
10.51
|
-23.66
|
-34.84
|
-52.22
|
|
1
|
0
|
67.34
|
4.62
|
-23.16
|
-40.52
|
-52.73
|
|
1
|
1
|
97.52
|
17.91
|
-20.50
|
-27.35
|
-50.77
|
|
2
|
0
|
0
|
66.92
|
1.88
|
-22.00
|
-43.00
|
-52.92
|
|
0
|
1
|
75.37
|
11.75
|
-18.00
|
-33.71
|
-52.19
|
|
1
|
0
|
69.13
|
6.77
|
-23.34
|
-38.60
|
-52.56
|
|
1
|
1
|
102.10
|
18.62
|
-19.50
|
-26.75
|
-50.63
|
테스트 결과 D
표 4. VCC = 2.7V일 때 MAX2240 출력 스펙트럼 측정값
(스펙트럼 분석기 잡음 플로어에 의해 ±2.5MHz ACPR 측정 제한 발생)
| Frequency |
PIN |
DO |
D1 |
ICC |
POUT |
±550kHz |
±1.5MHz |
±2.5MHz |
| GHz |
dBm |
|
|
mA |
dBm |
dBc |
dBm |
dBm |
|
2.42
|
-2
|
0
|
0
|
60.98
|
-4.95
|
-22.17
|
-47.88
|
-52.88
|
|
0
|
1
|
68.17
|
-8.94
|
-20.16
|
-35.76
|
-52.12
|
|
1
|
0
|
62.83
|
-2.06
|
-23.67
|
-42.30
|
-52.64
|
|
1
|
1
|
90.53
|
-16.69
|
-23.67
|
-28.16
|
-50.73
|
|
0
|
0
|
0
|
62.28
|
-1.54
|
-22.00
|
-45.23
|
-52.70
|
|
0
|
1
|
70.21
|
10.20
|
-23.50
|
-34.57
|
-51.98
|
|
1
|
0
|
64.36
|
4.24
|
-20.67
|
-40.08
|
-52.42
|
|
1
|
1
|
93.82
|
17.24
|
-22.67
|
-27.63
|
-50.69
|
|
2
|
0
|
0
|
63.86
|
1.86
|
-25.50
|
-43.13
|
-54.21
|
|
0
|
1
|
73.66
|
11.66
|
-23.34
|
-33.23
|
-51.75
|
|
1
|
0
|
66.30
|
6.62
|
-23.50
|
-38.35
|
-53.64
|
|
1
|
1
|
96.25
|
17.47
|
-24.50
|
-27.31
|
-50.70
|
|
2.45
|
-2
|
0
|
0
|
60.75
|
-5.61
|
-22.50
|
-48.27
|
-52.99
|
|
0
|
1
|
68.14
|
9.02
|
-26.00
|
-35.74
|
-52.30
|
|
1
|
0
|
62.74
|
1.71
|
-21.33
|
-42.61
|
-52.80
|
|
1
|
1
|
89.21
|
16.54
|
-25.00
|
-28.40
|
-51.12
|
|
0
|
0
|
0
|
61.95
|
-2.29
|
-24.84
|
-46.12
|
-52.99
|
|
0
|
1
|
69.95
|
1.19
|
-22.50
|
-34.65
|
-52.07
|
|
1
|
0
|
64.20
|
4.26
|
-18.33
|
-40.51
|
-52.69
|
|
1
|
1
|
91.79
|
17.08
|
-26.33
|
-27.80
|
-50.81
|
|
2
|
0
|
0
|
63.71
|
1.46
|
-25.33
|
-42.88
|
-52.80
|
|
0
|
1
|
72.66
|
11.39
|
-21.33
|
-33.51
|
-52.02
|
|
1
|
0
|
65.80
|
6.16
|
-25.50
|
-38.45
|
-52.45
|
|
1
|
1
|
94.64
|
17.31
|
-24.50
|
-27.55
|
-51.03
|
|
2.48
|
-2
|
0
|
0
|
60.73
|
-5.49
|
-22.83
|
-47.97
|
-52.99
|
|
0
|
1
|
68.14
|
9.08
|
-20.16
|
-35.80
|
-52.40
|
|
1
|
0
|
62.89
|
2.24
|
-20.00
|
-42.14
|
-52.83
|
|
1
|
1
|
88.67
|
16.60
|
-24.34
|
-27.95
|
-51.06
|
|
0
|
0
|
0
|
62.18
|
-1.62
|
-21.83
|
-45.45
|
-53.00
|
|
0
|
1
|
70.05
|
10.27
|
-24.16
|
-34.56
|
-52.18
|
|
1
|
0
|
64.29
|
4.44
|
-21.83
|
-40.19
|
-52.70
|
|
1
|
1
|
91.25
|
17.05
|
-23.00
|
-27.81
|
-51.16
|
|
2
|
0
|
0
|
63.92
|
1.72
|
-20.33
|
-42.75
|
-52.86
|
|
0
|
1
|
72.93
|
11.55
|
-22.00
|
-33.32
|
-52.13
|
|
1
|
0
|
66.22
|
6.65
|
-18.33
|
-37.94
|
-52.53
|
|
1
|
1
|
93.68
|
17.30
|
-24.33
|
-27.54
|
-50.99
|
테스트 결과 E: 스펙트럼 스플래터링 측정 결과
그림 6. 램핑 시간 10$micro;s일 때의 출력 스펙트럼
그림 7. 램핑 시간 5$micro;s일 때의 출력 스펙트럼
그림 8. 램핑 시간 1$micro;s일 때의 출력 스펙트럼
그림 9. 오프셋 -1.5MHz(최악 상황)에서의 시간 영역 출력 스펙트럼
그림 10. 오프셋 -2.5MHz(최악 상황)에서의 시간 영역 출력 스펙트럼
테스트 결과 F: P1dB 측정 결과
표 5. MAX2240 P1dB 측정 결과
| VCC = 2.7V |
VCC = 3.6V |
| D0, D1 = 1, 1 |
D0, D1 = 1, 1 |
| PIN |
PIN, Cal |
POUT |
Gain |
PIN |
PIN, Cal |
POUT |
Gain |
| dBm |
dBm |
dBm |
dB |
dBm |
dBm |
dBm |
dB |
| -9.58 |
-11 |
9.85 |
20.85 |
-9.58 |
-11 |
10 |
21 |
| -8.58 |
-10 |
10.76 |
20.76 |
-8.58 |
-10 |
10.94 |
20.94 |
| -7.58 |
-9 |
11.63 |
20.63 |
-7.58 |
-9 |
11.82 |
20.82 |
| -6.58 |
-8 |
12.48 |
20.48 |
-6.58 |
-8 |
12.68 |
20.68 |
| -5.58 |
-7 |
13.33 |
20.33 |
-5.58 |
-7 |
13.51 |
20.51 |
| -4.58 |
-6 |
14.12 |
20.12 |
-4.58 |
-6 |
14.34 |
20.34 |
| -3.58 |
-5 |
14.87 |
19.87 |
-3.58 |
-5 |
15.09 |
20.09 |
| -2.58 |
-4 |
15.57 |
19.57 |
-2.58 |
-4 |
15.85 |
19.85 |
| -1.58 |
-3 |
16.09 |
19.09 |
-1.58 |
-3 |
16.52 |
19.52 |
| -0.58 |
-2 |
16.55 |
18.55 |
-0.58 |
-2 |
17.13 |
19.13 |
| 0.42 |
-1 |
16.83 |
17.83 |
0.42 |
-1 |
17.67 |
18.67 |
|
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