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)。
 
圖1 簡(jiǎn)化的控制系統

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m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2  典型的HPA信號鏈

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。