監控基站功率放大器的優(yōu)化方案

蜂窩通信的發(fā)展與先進(jìn)調制方案的關(guān)系日益密切。在最新一代(2.5G和3G)基站中，設計策略包括實(shí)現高線(xiàn)性度同時(shí)將功耗降至最低的方法。例如，通過(guò)監控基站功率放大器(PA)的性能，可使PA的輸出功率最大化，同時(shí)獲得最佳線(xiàn)性度和效率。幸運的是，采用針對該目的量身定做的分立集成電路(IC)，就可以很簡(jiǎn)單地監控PA的輸出電平。

　　無(wú)線(xiàn)基站在功耗、線(xiàn)性度、效率和成本方面的性能主要取決于信號鏈中的PA。硅橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管所具有的低成本和大功率性能優(yōu)勢，非常適合于現代蜂窩基站PA設計。線(xiàn)性度、效率和增益的內在平衡決定著(zhù)LDMOS PA晶體管的最佳偏置條件。

　　基于環(huán)保原因，基站電源效率的優(yōu)化也是電信業(yè)各公司的重要考慮事項。為降低基站的總能耗以減小它們對環(huán)境的影響，業(yè)界正在進(jìn)行不懈的努力?；久刻斓倪\行成本主要源自電能的消耗，其中，PA消耗的電能可能就占了一半以上。因此，優(yōu)化PA的電源效率可提高基站的運行性能，有助于保護環(huán)境和提高經(jīng)濟效益。

　　控制漏極偏置電流，使其在溫度和時(shí)間變化時(shí)保持恒定，這能夠顯著(zhù)提高PA的總體性能，同時(shí)確保其輸出功率水平保持在規定范圍內。一種控制柵極偏置電流的方法是在測試/評估階段用電阻分壓器固定柵極電壓來(lái)優(yōu)化柵極電壓。

　　雖然這種固定柵極電壓解決方案頗具成本效益，但它有一個(gè)大缺點(diǎn)，就是沒(méi)有考慮到環(huán)境變化、制造的延伸性或電源電壓變化。利用一個(gè)高分辨率數模轉換器(DAC)或一個(gè)較低分辨率的數字電位計來(lái)動(dòng)態(tài)控制PA柵極電壓，可以對輸出功率進(jìn)行更好的控制。利用用戶(hù)可編程柵極電壓，即使電壓、溫度和其它環(huán)境參數發(fā)生變化，PA也能夠保持最佳偏置條件。

　　影響PA漏極偏置電流的兩個(gè)主要因素是PA的高壓供電線(xiàn)變化和片上溫度的變化。PA晶體管的漏極電壓很容易受高壓供電線(xiàn)變化的影響。通過(guò)采用一個(gè)高壓側電流(I)檢測放大器來(lái)精確測量高壓供電線(xiàn)上的電流，就可以監控PA晶體管的漏極電壓。滿(mǎn)量程電流讀數由一個(gè)外部檢測電阻(R)來(lái)設定。在監控極高電流的應用中，這個(gè)檢測電阻必須能消耗掉I2R的損耗。如果超出該電阻的額定功耗，電阻值可能發(fā)生偏移或電阻完全失效，這將造成其兩端的差分電壓超過(guò)絕對最大額定值。

　　用電流傳感器輸出表示的被測電壓可被多路復用輸入到模數轉換器(ADC)中，以產(chǎn)生監控所需的數字數據。需注意確保電流傳感器的輸出電壓應盡可能接近ADC的滿(mǎn)量程模擬輸入范圍。通過(guò)對高壓線(xiàn)的持續監控，當檢測到供電線(xiàn)上出現浪涌電壓時(shí)，功率放大器可以重新調節其柵極電壓，從而保持最佳的偏置條件。

　　LDMOS晶體管的漏源電流IDS有兩個(gè)與溫度有關(guān)的項，即有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth：

　　閾值電壓和有效電子遷移率隨溫度升高而降低。因此，溫度的變化將引起輸出功率的變化。利用一個(gè)或多個(gè)分立溫度傳感器測量PA的溫度，就可以監控電路板上的溫度變化。有多種分立式溫度傳感器可滿(mǎn)足系統要求，從各種模擬電壓輸出溫度傳感器到具有單線(xiàn)、I2C總線(xiàn)和串行外設接口(SPI)控制的各種數字輸出溫度傳感器。

　　將溫度傳感器的輸出電壓多路復用輸入到ADC中，從而使該溫度數據轉換為數字數據以供監控使用(圖1)。根據系統配置不同，電路板上可能需要使用多個(gè)溫度傳感器。例如，如果使用一個(gè)以上的PA或者前端需要多個(gè)前置驅動(dòng)器，則對每一個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器可以更好地控制系統。這種情況下，需要一個(gè)多通道ADC來(lái)轉換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類(lèi)ADC一般都具有內置超量程報警功能，當輸入超過(guò)設定的限值時(shí)就會(huì )發(fā)出警告。在PA信號鏈中，這種功能對監控溫度和電流傳感器讀數意義重大。上限和下限均可以預先設定，只有超出這些限度時(shí)才發(fā)出警告信號。

　　圖1：該模塊圖顯示了使用一個(gè)ADT75溫度傳感器和ADM4073電流傳感器多路復用到ADC模型的簡(jiǎn)化控制系統。