在基站應用中采用分立元件控制功放

　　蜂窩通信基站技術(shù)發(fā)展到了包含2.5G和3G的調制方案，提出了產(chǎn)生更為復雜的RF信號的要求。通過(guò)對基站中的功放(PA)性能的監測與控制，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。本文將討論如何利用分立的集成電路對功放進(jìn)行監測與控制。

　　無(wú)線(xiàn)基站的性能，從功耗、線(xiàn)性度、效率和成本來(lái)評價(jià)，則主要是由信號鏈中的功放決定的。LDMOS晶體管的低成本和大功率的特性，使它們成為當今蜂窩基站的功放設計中的放大器選擇。而對線(xiàn)性度、效率和增益等方面的固有的折衷考慮，則確定了LDMOS功放晶體管的最優(yōu)偏置狀態(tài)。

　　由于環(huán)境上的原因，對基站的電源效率的優(yōu)化也是服務(wù)于電訊行業(yè)中各公司的一個(gè)主要考慮。目前正在投入巨大的努力，以降低基站的總能源消耗，以此來(lái)減少基站對環(huán)境的影響?；久刻斓闹饕\行成本是電能，而功放可以消耗基站所需的一半以上的電力，所以，優(yōu)化功放的電源效率就可以改善運行性能和提供環(huán)境和財務(wù)上的效益。

　　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性能，同時(shí)又可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，是在測試和評估階段對柵極電壓進(jìn)行優(yōu)化，然后用一個(gè)電阻分壓器將它固定起來(lái)。雖然這個(gè)固定柵極電壓的方法是有效且低成本的，但主要的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮到環(huán)境、制造容差或電源電壓的變化。使用一個(gè)高分辨率DAC或一個(gè)較低分辨率的數字電位器對功放柵極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，將可以對輸出功率提供更強的控制。一種用戶(hù)可調的柵極電壓可以使功放維持在它的最優(yōu)偏流狀態(tài)，無(wú)論電壓、溫度和其他環(huán)境參數如何變化。

　　兩個(gè)影響功放漏極偏流的主要因素為：

　　·功放的高壓電源線(xiàn)上的變化。

　　·芯片的溫度變化。

　　功放晶體管的漏極電壓容易受到高壓電源線(xiàn)上變化的影響。使用一個(gè)高端的電流檢測放大器來(lái)精確測定高壓電源線(xiàn)上的電流，就可以對功放晶體管的漏極電壓進(jìn)行監測。用一個(gè)外部的傳感電阻對滿(mǎn)度電流讀數進(jìn)行設定。在監測高電流的應用中，傳感電阻必須能夠消耗I2R的功耗。如果超過(guò)了電阻的極限功耗，它的阻值就會(huì )漂移，或者完全損壞，而造成電阻兩端之間的差分電壓值超過(guò)了絕對的最大值。

　　在電流傳感器輸出端上測得的電壓，可以通過(guò)ADC采樣，以產(chǎn)生用于監測之用的數字量。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)的恒久監測，可以使功放在監測到高壓電源線(xiàn)上出現浪涌電壓的時(shí)候,重新調整它的柵極電壓，從而維持在一個(gè)最優(yōu)的偏置狀態(tài)。

　　LDMOS晶體管的源漏間的電流IDS包含與溫度相關(guān)的兩個(gè)參數，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將隨著(zhù)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)分立的溫度傳感器來(lái)測量功放的溫度，可以對電路板上的溫度變化進(jìn)行監測。有許多種分立的溫度傳感器可以滿(mǎn)足系統的需求，包括模擬量輸出的溫度傳感器，到使用1條導線(xiàn)的、I2C和SPI接口的數字量輸出的溫度傳感器。



　　圖1 簡(jiǎn)化的控制系統

　　將溫度傳感器的輸出電壓通過(guò)多路復用器輸入ADC，可以把溫度數據轉換成用于監測的數字量。根據不同的配置結構，也許需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整個(gè)系統提供更多的控制能力。在這種情況下，就需要使用多通道ADC，以便對各個(gè)溫度傳感器的模擬輸出量完成模數轉換。在現今的ADC中，通常都設有內部的超量程報警功能。當輸入超出了預先編程設定的極限值時(shí)，這個(gè)附加的功能就會(huì )產(chǎn)生報警信號，這對于監測功放信號鏈中的溫度傳感器和電流傳感器的輸出，是極其有用的。監測的上限和下限都可以預先通過(guò)程序來(lái)設定，而只有當超出這個(gè)范圍時(shí)才產(chǎn)生報警信號。在這類(lèi)設計中，一般也都是設置有滯后寄存器(Hysteresis registers)。這種寄存器確定了在出現超范圍而發(fā)出報警信號之后的復位點(diǎn)。滯后寄存器防止了當溫度或電流傳感器的讀數中混有大噪聲時(shí)，對報警特征位不斷地來(lái)回撥動(dòng)。如ADI公司的I2C接口的二、四、八通道12位低功耗ADC —AD7992/4/8都具有這個(gè)超量程的指示功能。

　　使用了控制邏輯電路之后，可以對電流傳感器和溫度傳感器的輸出進(jìn)行連續的監測。在對傳感器的讀數進(jìn)行監測的同時(shí)，利用數字電位器或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。電訊公司一般在基站設計中使用多個(gè)功放，如圖2所示，因為這樣可以在對每個(gè)RF載波設備選擇功放時(shí)，提供更多的靈活性。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，功放也許要求用多個(gè)增益級級聯(lián)，包括使用一些可變增益放大器(VGA)和預驅動(dòng)，以滿(mǎn)足增益和效率的要求。一個(gè)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HPA信號鏈

　　為了對功放的柵極電壓實(shí)現精確控制，如ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625，這些ADC可以提供12位的單路、兩路和四路輸出。這些器件具有極好的源電流和灌電流的能力，在大多數情況下就不再需要使用輸出緩沖器了。這些電路兼有低功耗、單調性和快速穩定時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，可以在應用中實(shí)現精確的電壓電流設定。

　　在精度不是最主要的考慮因素、8位的分辨率可接受的應用中，數字電位計是一種更低成本的選擇。這些電位計與機械式的電位計或可變電阻具有相同的電子調節功能，而且具有更好的分辨率、固態(tài)技術(shù)的可靠性以及卓越的溫度性能。非易失性和一次可編程(OTP)的數字電位計在時(shí)分雙工(TDD)RF應用中是理想的選擇；在這種應用中的TDD接收期間，功放是關(guān)閉的，在發(fā)送期間，功放是用固定柵壓且導通的。這個(gè)可編程的啟動(dòng)電壓降低了開(kāi)啟延遲，并且改善了在開(kāi)啟功放晶體管時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)時(shí)的效率。在接收期間可以關(guān)斷功放晶體管的能力，避免了發(fā)射噪聲對接收信號的破壞。這個(gè)技術(shù)也改善了功放的總效率。根據通道數量、接口類(lèi)型、分辨率和對非易失性存儲器的要求，有眾多的數字電位計可供選擇。，例如ADI公司的AD5172—256個(gè)位置、一次編程和雙通道的I2C電位計，非常適合于RF放大器中的電平設置。

　　對功放輸出端上復雜的RF信號的功率電平進(jìn)行精確測量，可以實(shí)現對放大器增益更強的控制，從而優(yōu)化了器件的效率與線(xiàn)性度。使用均方根值(rms)的功率檢測器，可以實(shí)現從W-CDMA、EDGE和UMTS的蜂窩基站中的RF信號中提取出精確的均方根功率電平。

　　在圖3中，功率檢測器的輸出被連接到了功放的增益控制端?；赩OUT和RF輸入信號之間的確定關(guān)系，功率檢測器將對VOUT端(VOUT現在是一個(gè)誤差放大器的輸出)的電壓進(jìn)行調節，直到RF輸入的電平與所設置的VSET保持一致。其中的ADC與DAC構成了一個(gè)反饋環(huán)路，而這個(gè)反饋環(huán)路對功率檢測器的輸出進(jìn)行跟蹤，并且對它的VSET輸入進(jìn)行調節。這個(gè)增益的控制方法可以使用于信號鏈的前幾級中的可變增益放大器(VGA)和可變電壓放大器(VVA)。為了對發(fā)射功率和接收功率都進(jìn)行測試，可以使用已有的雙路功率檢測器，對兩個(gè)復合信號實(shí)現同時(shí)檢測。在功放之前存在VGA或者前置驅動(dòng)器的系統中，就只需要一個(gè)功率檢測器。在這種情況下，兩個(gè)器件中的一個(gè)器件的增益是固定的，而VOUT則饋送到另一個(gè)器件的控制輸入端。



　　圖3 功率檢測

　　當高壓電源線(xiàn)上檢測到電壓尖峰，或超范圍的大電流的時(shí)候，由于數字控制環(huán)路的速度不夠快，因而無(wú)法保護器件不受損壞。數字控制環(huán)路由下列部分組成：高端電流感應的電流傳感器、模數轉換器，以及用來(lái)處理數字量的外部控制邏輯。如果環(huán)路確定出電源線(xiàn)上的電流太大，那么，它就向DAC發(fā)出一個(gè)命令，以降低柵極電壓或關(guān)斷此部分。根據模擬比較器的輸出來(lái)配合RF開(kāi)關(guān)，以控制輸入到功放的RF信號，如圖4所示。如果在電源線(xiàn)上檢測到了大電流，那就可以切斷RF信號，以防止功放被損壞。使用一個(gè)模擬比較器意味著(zhù)不需要數字處理，所以環(huán)路控制就快得多。電流傳感器的輸出電壓可以直接與DAC設置的固定電壓進(jìn)行比較。當在電流傳感器輸出端上產(chǎn)生一個(gè)高于固定電壓的電壓時(shí)，比較器可以控制RF開(kāi)關(guān)上的一個(gè)控制引腳，使其電平翻轉，并能立即切斷功放柵極的RF信號。



　　圖4 模擬比較器控制環(huán)路

　　使用分立元件的一個(gè)典型功放監測和控制結構如圖5所示。其中被監測和控制的放大器僅是功放本身，但信號鏈中的任何一個(gè)放大器都可以用這個(gè)方法來(lái)進(jìn)行監測和控制。所有的分立元件都是通過(guò)同一個(gè)數據總線(xiàn)進(jìn)行操作的，在本例中則是I2C數據總線(xiàn)，采用主控制器來(lái)實(shí)現控制。

　　從設計的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，使用分立元件實(shí)現監測和控制的主要優(yōu)點(diǎn)是，我們可以從一組經(jīng)過(guò)量身定制而精選的產(chǎn)品中選擇這些元件。供應商們正在設計由各種增益級和控制技術(shù)組成的、前所未有復雜性的功放的前端信號鏈?，F有的多通道ADC和DAC是用于不同的系統劃分和架構的理想選擇，允許設計者實(shí)現成本有效的分布式控制。



　　圖5 采用分立器件實(shí)現功率放大器的監測和控制