高速無線資料傳輸的需求使得行動通訊系統漸漸由第二代行動通訊系統(2G)轉向第三代行動通訊系統(3G)，導致手機的射頻無線電路設計更形複雜，為了達到頻譜分配的最高頻寬效率，必須使用高頻譜效率線性調變技術...
高速無線資料傳輸的需求使得行動通訊系統漸漸由第二代行動通訊系統(2G)轉向第三代行動通訊系統(3G)，導致手機的射頻無線電路設計更形複雜，為了達到頻譜分配的最高頻寬效率，必須使用高頻譜效率線性調變技術，而這些非固定的包絡調變技術在傳輸路徑中需有線性射頻功率放大器(PA)，以維持低的排斥鄰接頻道功率(ACPR)和誤差向量調變(EVM)，如何提升射頻功率放大器運作效率以成眾所關切的議題。
為了達到頻譜分配的最高頻寬效率，3G使用高頻譜效率線性調變技術，如四進制相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying)、八相位移鍵控(8-Phase Shift Keying)和垂直振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation)，這些非固定的包絡調變技術在傳輸路徑中需有線性射頻功率放大器，以維持低的排斥鄰接頻道功率和誤差向量調變。一般CDMA通訊應用技術的線性射頻功率放大器採用A類放大結構以符合標準線性需求，理論上Ａ類放大器在1dB的壓縮點下具有約30%的效率，且Ａ類放大器在低於1dB壓縮點的輸出功率下運作時效率會下降。
在IS-95和CDMA2000系統中，射頻功率放大器運作在1dB的壓縮點下6～40dB，所以射頻功率放大器通常以非常低的效率執行，而射頻放大器可說是手機中最耗電的元件之一，根據研究顯示射頻功率放大器在正常手機操作中的電池耗電量占20%～40%，所以，減少射頻功率放大器的耗電量可以延長手機電池壽命或延長通話時間。
提升射頻功率放大器運作效率的簡易方法，包括採用以dB為線性(Linear-in-dB)的射頻功率檢波器和直流-直流(DC-DC)變換器，這種提升效率的方式是透過直流-直流變換器將射頻功率放大器的直流供電電壓在兩個不同的數值間轉換，若在1dB左右的壓縮點，其功率增加效率(PAE)可超過40%，目前一般市面上的CDMA2000射頻功率放大器皆可使用此方法，來提升手機的用電效率。
在CDMA射頻功率放大器中通常有兩種供電電壓引腳，即供電電壓(VCC)和電壓偏壓(VBIAS)(圖1)，還有一種簡稱為VREF的參考電壓引腳。VREF無論在任何情況下電壓值都要保持在2.85V，若將VREF設為接地電壓值便可關閉射頻功率放大器，因為大多數的CDMA射頻功率放大器都有高功率和低功率兩種模式，以低電流控制技術端(VCONT)便可用以設定功率放大器的運作模式。射頻輸出功率較高時，CDMA射頻功率放大器即須以高功率模式運作以保持低失真，若輸出訊號值較低時，可將CDMA射頻功率放大器切換為低功率模式，不過缺點是會造成兩個路徑間的訊號路徑相位調變不同，這樣可能會造成基頻處理和校正的問題。
圖2顯示當降低直流供電電壓VCC和VBIAS時，CDMA射頻功率放大器一般輸出功率對輸入功率(POUT vs. PIN)的效能，當降低射頻功率放大器的電流供電電壓VCC時，仍可取得所需的輸出射頻功率。
直流轉換射頻(DC-to-RF)效率或功率增加效率(PAE)的公式如下：
(詳細公式請見新通訊57期11月號)
直流電源耗電量的公式如下：
(詳細公式請見新通訊57期11月號)
這兩個公式顯示降低射頻功率放大器的供電電壓便可降低直流電源耗電量，雖然射頻功率放大器業者都以放大器在1dB壓縮點測量功率增加效率，射頻功率放大器本身卻很少在1dB壓縮點下運作，不過，高峰值功率增加效率(PAEMAX)的射頻功率放大器有良好的耗熱效率，另一方面，當輸出射頻功率較低時，射頻功率放大器的PAE值會下降。
針對由電池供電的手機，我們應注意輸出射頻功率的概率分佈(圖3)，以估算行動系統的平均效率，平均效率是行動系統能否在實際操作時將電池電源轉成有用發射功率的指標。如圖3所示，在大部分時間中，手機的射頻功率放大器運作輸出功率，在IS-95系統中為POUT=+15dBm或以下，所以在低訊號使用範圍下提升射頻功率放大器的功率增加效率可減少手機耗電量。要提升射頻功率放大器功率以增加效率似乎簡單，但降低射頻功率放大器時須考慮幾個規格，包括排斥鄰接頻道功率、誤差向量調變和供電電壓轉換的時間。
ACPR指的是平均輸出功率在偏移頻率對在傳送頻率的比，雖然ACPR在IS-95或IS-98空中介面標準中，並非像在CDMA2000系統中為必要需求，一般還是建議手機射頻設計工程師要驗證此值，確定是否符合表1的規格，不良的排斥鄰接頻道功率值代表傳送電路並未達到線性標準，所以射頻訊號在進入基地台前便會失真。
因為CDMA2000的射頻訊號在不同的應用中顯示不同的峰值對平均值的比，所以高波峰因數射頻訊號會在鄰接頻率頻道中造成更多干擾，因此，在測試射頻功率放大器，應該使用具有高波峰因數的調變技術來作測量。
在射頻輸出訊號電路使用射頻功率檢波器可產生代表輸出功率的直流電壓，此電壓可決定直流-直流變換器或切換器的輸出電壓。手機中的射頻功率控制對確保CDMA系統的穩定運作來說非常重要，所有手機用戶用的是相同的無線電頻率(在IS-95系統中，頻寬為1.25MHz)，所以每個用戶對其他用戶來說都是隨機雜訊，因此必須精確控制個別用戶的射頻輸出功率，以防某一用戶干擾其他使用相同傳送頻率及頻寬的用戶。
切換器使手機能盡量利用整個電池電壓操作範圍，讓手機即使在電池(3V以下)近乎完全放電的情況下也能在最佳效能下運作。一般而言，用於這種應用方式的切換器具有脈波寬度調變模式(PWM)和旁路模式(BYPASS)，切換器通常會以PWM模式運作以提升手機耗電效率，在PWM模式中，可設定的輸出電壓是VCON的函數。
美國國家半導體(NS)新推出的射頻功率放大器轉換器LM3200即適合此應用方式，LM3200能產生介乎0.8V～3.6V間的動態可變輸出電壓，在PWM模式中的負載電流高達300mA，在旁路模式則高達500mA。公式EQ_3顯示LM3200可設定輸出和控制電壓(VCON)的關係：
(詳細關係請見新通訊57期11月號)
在簡短討論過每種應用後，現在我們要開始說明整個設計程序。
假設有客戶要求我們為IS-95射頻功率放大器設計一個簡易的效率強化電路，射頻功率最大輸出值為+28dBm，且將LMV225做為射頻功率檢波器，切換器的可設定輸出電壓方程式為EQ_3。
圖3為手機功率放大器的輸出概率圖，將做為效率最佳化的指標，此圖顯示CDMA射頻功率放大器在大部分的時間是以+15dBm以下的輸出功率運作，如果我們可以將此運作範圍中的CDMA射頻功率放大器之直流電耗電量降低，便能大幅減少手機的耗電量，進而延長通話時間。最簡單的解決方式就是輸出射頻功率在+15dBm以下時，將CDMA射頻功率放大器供應電壓VCC設為最小值。
圖2顯示CDMA射頻功率放大器在兩個不同供應電壓(VCC=3.4V和VCC=1.4V)下的運作情形。 1dB壓縮點在VCC=3.4V時的功率約為+28dBm，在VCC=1.4V時約為20dBm，我們也將兩種情況中的三階互調失真納入圖中。
一般CDMA射頻放大器的功率範圍(當VCC=3.4V時)可從最小的輸出功率值一直到+28dBm，完全符合排斥鄰接頻道功率的要求，在VCC=3.4V時，三階互調失真值在POUT=+28dBm時是28dBc，C/3IM=-28dBc；在VCC=1.4V時，三階互調失真值在POUT=+15dBm時是30dBc，C/3IM=-30dBc。
因為排斥鄰接頻道功率是互調失真的函數，我們可以預計排斥鄰接頻道功率在POUT=+15dBm且VCC=1.4V時的情況，應與在POUT=+28dBm且VCC=3.4V時的情況一樣好，我們可以依圖3的資料數據將CDMA射頻功率放大器在其功率為+15dBm以下時的VCC設為1.4V，以減少電池耗電量。
圖4顯示供應電壓在VCC=3.4V和VCC=1.4V時的直流電耗電量以及節省電池耗電量的情形，運作點「A」在VCC=3.4V時的POUT=+15dBm，從第二條Y軸上可看出其PDC等於+27dBm；當供應電壓變成VCC=1.4V時，POUT=+15dBm的運作點是「AA」，其PDC等於+22.5dBm。所以從VCC=3.4至VCC=1.4V所節省的耗電量為27-22.5=4.5dB，4.5dB的省電量等於節省一半以上的耗電量。
圖5是減少CDMA射頻放大器電池使用量的建議應用電路，我們將切換器的控制電壓設為VCON=0.467V，0.467V可從VDD=2.8V供應電壓的分壓器取得。依照EQ_3公式，0.467V會產生VOUT=3×0.467=1.4V，接著，此1.4V會供應給射頻功率放大器的VCC。當POUT等於+15dBm以下時，我們須將旁路模式設為「低」(BYPASS=Low)，以將切換器設為PWM模式。
LMV225用以決定切換器是否要設為旁路模式，我們以R1=1.8k做為敲觸式電阻(Tapping Resistor)，讓射頻放大器的輸出和LMV225的輸入可達到31dB的耦合，圖6是LMV225的反應和射頻放大器的POUT，當POUT=+15dBm時，所測得的電壓VDET=1.45V。
在此應用電路中，基頻晶片須檢查VDET值，當VDET超過1.45V，基頻晶片會傳送邏輯高速訊號至BYPASS，將切換器設為旁路模式。
圖4顯示節省電池耗電量的圖例，運作點「B」代表VCC=3.4V時，POUT=+10dBm。在此供應電壓值下，POUT=+15dBm時的PDC約為26dBm，若將供應電壓降低為VCC=1.4V，運作點會變成「BB」且POUT=+15dBm時的PDC約為20dBm，代表節省6dB的耗電量，也就是節省75%以上的瓦特功率。
如前展示將LMV225搭配切換器使用，減少CDMA射頻功率放大器的電池耗電量，及展示其所帶來的應用彈性和優點，透過附加這種簡易電路，可以在IS-95和CDMA2000手機最常使用的運作點，將CDMA射頻功率放大器的直流電耗電量節省50%。