基站中功放的分立控制和集成控制

在無(wú)線(xiàn)基站中，功放(PA)決定了信號鏈在功耗、線(xiàn)性度、效率和成本方面的性能。通過(guò)對基站中的功放性能進(jìn)行監測與控制，可以最大化地提高功放的輸出，而同時(shí)又可獲得最優(yōu)的線(xiàn)性度和效率。本文將討論使用分立元件的功放監測與控制解決方案，并介紹集成的解決方案。

　　使用分立元件進(jìn)行功放控制

　　圖1示出了使用LDMOS晶體管的基本功率級。在線(xiàn)性度、效率和增益之間固有的權衡考慮，確定了功放晶體管的最優(yōu)偏置狀態(tài)。通過(guò)對漏極偏流的控制，使其隨溫度和時(shí)間的變化而保持一個(gè)恒定的值，就可以極大地改善功放的總體性能，同時(shí)還可以確保功放工作在調整的輸出功率范圍之內。其中的一個(gè)控制柵極偏流的方法是，使用電阻分壓將柵極電壓固定在一個(gè)評估階段中確定的最優(yōu)值。

　　圖1 簡(jiǎn)化的控制系統

　　不幸的是，雖然這個(gè)固定柵極電壓的方法的性?xún)r(jià)比很高，但主要的缺點(diǎn)是不能根據環(huán)境、制造容差或電源電壓的變化進(jìn)行校準。影響功放漏極偏流的兩個(gè)主要因素是功放高壓電源線(xiàn)上的變化和芯片溫度的變化。

　　一種較佳的方法是動(dòng)態(tài)控制功放的柵極電壓，其原理是，使用數字控制算法測量漏極電流，通過(guò)ADC將該漏極電流轉換為數字量，并且使用一個(gè)高分辨率DAC或一個(gè)較低分辨率的數字電位計設定所需的偏置。通過(guò)這個(gè)用戶(hù)可調的控制系統可以使功放維持在所需的偏置狀態(tài)，以實(shí)現最優(yōu)的性能，而無(wú)論電壓、溫度和其他環(huán)境參數如何變化。

　　這種控制方法中的一個(gè)關(guān)鍵因素是，使用一個(gè)高端檢測電阻和AD8211電流檢測放大器，準確地測量經(jīng)由高壓電源線(xiàn)提供給LDMOS晶體管的電流。 AD8211的共模輸入范圍高達+65 V，并且提供20 V/V的固定增益。通過(guò)外部的傳感電阻對滿(mǎn)量程電流讀數進(jìn)行設定。電流檢測放大器的輸出電壓可以通過(guò)多路復用器提供給ADC，以產(chǎn)生用于監測和控制的數字量。這里必須注意，電流傳感器的輸出電壓需盡量接近ADC的滿(mǎn)量程輸入范圍。對高壓電源線(xiàn)實(shí)施恒定監測，即使在監測到高壓電源線(xiàn)上出現浪涌電壓時(shí)，也能重新調整功放的柵極電壓，從而維持在一個(gè)最優(yōu)的偏置狀態(tài)。

　　LDMOS晶體管的源漏電流IDS是柵源電壓Vgs的函數，包含與溫度相關(guān)的兩項，即有效電子遷移率µ和閾值電壓Vth

　　閾值電壓Vth和有效電子遷移率µ隨溫度的上升而降低。因此，溫度的變化會(huì )引起輸出功率的變化。使用一個(gè)或幾個(gè)ADT75 12-bit溫度傳感器來(lái)測量環(huán)境溫度和功放芯片溫度，可以對電路板上的溫度變化進(jìn)行監測。ADT75是一個(gè)完整的溫度監測系統，采用8引腳MSOP封裝，在0°C～70°C的溫度范圍內具有±1°C的精度。

　　將溫度傳感器的輸出電壓、漏極電流以及其他數據通過(guò)多路復用器輸入ADC，可以將溫度測量結果轉換為用于監測的數字量。根據系統配置，可能有必要在電路板上使用好幾個(gè)溫度傳感器。例如，如果使用了多個(gè)功放，或者在前端需要若干個(gè)預驅動(dòng)，那么，對于每個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器就可以對系統提供更好的控制能力。為了監測電流傳感器和溫度傳感器，可以使用ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998多通道12-bit ADC，用于將模擬測量結果轉換為數字量。

　　使用控制邏輯電路或者微控制器，可以對電流傳感器和溫度傳感器的數字量進(jìn)行連續的監測。在監測傳感器的讀數和處理數字輸出的同時(shí)，利用數字電位計或 DAC對功放柵極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，可以維持一個(gè)最佳的偏置狀態(tài)。對于柵極電壓所需的控制量將決定DAC的分辨率。電訊公司通常在基站設計中使用多個(gè)功放，如圖2所示，這樣可以在針對每個(gè)RF載波設備選擇功放時(shí)，提供更多的靈活性，并且每個(gè)功放可以針對一個(gè)具體的調制方案而優(yōu)化。并行連接功放也可以改善線(xiàn)性度和總效率。在這種情況下，功放可能要求使用多個(gè)增益級級聯(lián)，包括使用可變增益放大器(VGA)和預驅動(dòng)，以滿(mǎn)足增益和效率的要求。多通道DAC可以完成這些功能塊中的各種電平設定和增益控制的要求。

　　圖2 典型的高功率放大器信號鏈