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 Maxim > 설계 지원 > 애플리케이션 노트 > [무선 및 RF]
핵심 단어: rf, power amplifiers, PA, bluetooth, ism, rfic, rf ics
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   APP 579: Mar 08, 2004
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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(Gaussian 주파수 천이 키잉)이라 하는 디지털 주파수 변조를 사용한다. 이 변조 방식을 사용할 경우,반송파가 175kHz 만큼 증가하면 "1"을 175kHz만큼 낮아지면 "0"을 나타내게 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 회로를 집적시켜 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

Figure 1. Bench setup for output power, output spectrum, and harmonic and P1db measurements.
그림 1. 출력, 출력 스펙트럼, 고조파 및 P1dB 측정을 위한 벤치 셋업

Figure 2. Bench setup for spectral splattering measurements.
그림 2. 스펙트럼 스플래터링 측정을 위한 벤치 셋업

Figure 3. Bench setup for small-signal S-parameter measurements.
그림 3. 소신호 S-파라미터 특정을 위한 벤치 셋업

Figure 4. Bench setup for noise-figure measurements.
그림 4. 잡음 지수 측정을 위한 벤치 셋업

테스트 결과

테스트 결과 A

Figure 5. Maximum output at 2.45GHz with 4dBm input power, with VCC = 3.2V.
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

Figure 6. Output spectrum with 10µs ramping time.
그림 6. 램핑 시간 10$micro;s일 때의 출력 스펙트럼

Figure 7. Output spectrum with 5µs ramping time.
그림 7. 램핑 시간 5$micro;s일 때의 출력 스펙트럼

Figure 8. Output spectrum with 1µs ramping time.
그림 8. 램핑 시간 1$micro;s일 때의 출력 스펙트럼

Figure 9. Time-domain output spectrum with -1.5MHz offset (worst case).
그림 9. 오프셋 -1.5MHz(최악 상황)에서의 시간 영역 출력 스펙트럼

Figure 10. Time-domain output spectrum with -2.5MHz offset (worst case).
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
1.42 0 17 17 1.42 0 18.14 18.14
2.42 1 17.16 16.16 2.42 1 18.59 17.59
3.42 2 17.34 15.34 3.42 2 19.01 17.01
4.42 3 17.42 14.42 4.42 3 19.32 16.32
5.42 4 17.5 13.5 5.42 4 19.72 15.72
6.42 5 17.67 12.67 6.42 5 20.04 15.04
7.42 6 17.74 11.74 7.42 6 20.3 14.3

Figure 11. PIN vs. POUT.
그림 11. PIN vs. POUT

테스트 결과 G: 소신호 S-파라미터

표 6. MAX2240 소신호 S-파라미터 측정 결과
(HP8753E 네트워크 분석기를 사용하여 측정 작업이 실시되었다. 보다 자세한 사항은 "벤치 셋업 블록 다이어그램" 부분 참조).
2.42GHz 2.45GHz 2.48GHz
VCC = 3.6V VCC = 2.7V VCC = 3.6V VCC = 2.7V VCC = 3.6V VCC = 2.7V
20 log |S11| -16.6dB -14.1dB -16.9dB -14.2dB -18.6dB -14.3dB
20 log |S21| 18.6dB 17.3dB 18.6dB 17.2dB 18.5dB 17.0dB
20 log |S12| -50.3dB -48.2dB -48.9dB -47.7dB -47.6dB -45.3dB
20 log |S22| -2.9dB -3.0dB -2.7dB -2.9dB -2.8dB -3.2dB

테스트 결과 H: 잡음 지수 측정 결과

표 7. MAX2240 잡음 지수 측정 결과
Frequency D0 D1 NF (dB)
GHz VCC = 3.6V VCC = 2.7V
2.42 0 0 -- --
1 0 13.3 13.4
0 1 9.3 9.2
1 1 5.8 5.7
2.45 0 0 -- --
1 0 13.5 13.5
0 1 9.4 9.3
1 1 5.9 5.8
2.48 0 0 -- --
1 0 13.5 13.6
0 1 9.5 9.4
1 1 6.0 5.9

테스트 결과 I: 잡음 지수 측정 결과

테스트 조건
  • VCC = 3.2V
  • FIN = 2.45GHz
  • PIN = +4dBm
  • POUT = +19.53dBm
Figure 12. Noise-power-measurement graph.
그림 12. 노이즈 출력 측정 그래프

테스트 결과 J: 고조파 측정 결과

테스트 조건
  • VCC = 3.2V
  • FIN = 2.45GHz
  • PIN = +4dBm
  • POUT = +19.53dBm
표 8. 고조파 측정 결과표
Harmonic Freq
(GHz)
Power (dBm, RBW = 100kHz measured on Agilent [HP] 8562EC)
Power (dBm, 1MHz CH BW measured on R&S FSEA, limited at 6GHz)
4.80
-28.16
-25.74
7.20
-15.00
N/A
9.60
-37.16
N/A
12.00
-42.00
N/A

테스트 결과 K: POUT vs. PIN (VCC = 3.2V, 최대 이득시)

Figure 13. PIN vs. POUT and PIN vs. ICC, Board #1.
그림 13. PIN vs. POUT 및 PIN vs. ICC, 보드 #1

MAX2240 평가 보드: 회로도 및 레이아웃

Figure 14. Schematic.
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그림 14. 회로도

Figure 15. Top-level only layout. For detailed layout information, refer to the MAX2240 data sheet.
그림 15. 상면 레이아웃. 보다 자세한 레이아웃 정보는 MAX2240 데이터 시트 참조.

CSP (chip-scale package) 권장 PCB 설계

패드 크기: 10mm (지름)
피치: 19.7mm
중간 핀 라우팅용 도선 폭: 3mm
납땜 마스크 개구부: 정밀 정렬시 14mm, 일반적으로 16mm (지름)

Figure 16. Pitch and pad size.
그림 16. 피치 및 패드 크기

애플리케이션 노트 1891, "Wafer-Level Packaging (WLP) and Its Applications" 참조.



Bluetooth는 Bluetooth Sig, Inc.의 등록상표이다.

관련 부품  APP 579: Mar 08, 2004
MAX2240 UCSP 패키지로 제공되는 2.5GHz, +20dBm 전력 증폭기 IC 전체 데이터 시트
(PDF, 192kB)
MAX2242 2.4GHz ~ 2.5GHz 선형 전력 증폭기 전체 데이터 시트
(PDF, 200kB)
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