基站功率放大器的監(jiān)控和控制 - 全文

蜂窩通信的發(fā)展與先進調制方案的關系日益密切。在最新一代（2.5G和3G）基站中，設計策略包括實現高線性度同時把功耗降至最低的方法。例如，通過監(jiān)控和控制基站功率放大器(PA)的性能，以使功率放大器的輸出功率最大，同時獲得最佳線性度和效率。幸運的是，采用為此目的量身定做的分立式集成電路(IC)，就可以很簡單地監(jiān)控和控制PA的輸出電平。

無線基站在功耗、線性度、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)晶體管具有低成本和大功率性能優(yōu)勢，非常適合現代蜂窩基站PA設計。線性度、效率和增益的內在平衡決定著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，減小它們對環(huán)境的影響，業(yè)界正在進行不懈的努力?；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)境和提高經濟效益。

控制漏極偏置電流，使其在溫度和時間變化時保持恒定，這能夠顯著提高PA的總體性能，同時確保其輸出功率水平保持在規(guī)定范圍內?？刂茤艠O偏置電流的一種方法是把它與一個電阻分壓器固定在一起，在測試/評估階段優(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，但它有一個大缺點，即沒有考慮到環(huán)境的變化、制造的擴展或電源電壓的差異。利用一個高分辨率數模轉換器(DAC)或一個分辨率較低的數字電位計來動態(tài)控制PA柵極電壓，可以對輸出功率進行更好的控制。借助用戶可編程柵極電壓，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主要因素是PA的高壓供電線的變化和片內溫度的變化。PA晶體管的漏極電壓很容易受高壓供電線變化的影響。通過采用一個高端電流(I)檢測放大器來精確測量高壓供電線上的電流，就可以監(jiān)控PA晶體管的漏極電壓。滿量程電流讀數由一個外接檢測電阻(R)來設定。在監(jiān)控極高電流的應用中，這個檢測電阻必須能耐受I2R的功耗。如果超出該電阻的額定功耗，電阻值可能偏移或電阻完全失效，造成兩端的差分電壓超過絕對最大額定值。

測得的電壓以電流傳感器的輸出表示，可多路復用輸入到模數轉換器(ADC)中，以產生監(jiān)控所需的數字數據。需注意確保電流傳感器的輸出電壓盡可能接近ADC的最大模擬輸入范圍。通過對高壓線的持續(xù)監(jiān)控，當檢測到供電線上出現浪涌電壓時，功率放大器可以重新調節(jié)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有兩個與溫度有關的項，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。利用一個或多個分立式溫度傳感器測量PA的溫度，就可以監(jiān)控電路板上的溫度變化。同時各式各樣的分立式溫度傳感器可滿足系統要求，從模擬電壓輸出溫度傳感器到數字輸出溫度傳感器，控制接口有單線、I2C總線和串行外設接口(SPI)。

溫度傳感器的輸出電壓多路復用輸入到ADC中，從而將該溫度數據轉換為數字數據以供監(jiān)控使用（圖1）。根據系統的配置不同，電路板上可能需要使用多個溫度傳感器。例如，如果使用一個以上的PA，或者前端需要多個前置驅動器，則對每一個放大器使用一個溫度傳感器可以更好地控制系統。這種情況下，需要一個多通道ADC來轉換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類ADC都具有內置超量程警告功能，當輸入超過設定的限值時就會發(fā)出警告。在PA信號鏈中，這種功能對監(jiān)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，只有超出這些限值時才產生警告信息。這類設計一般還配有遲滯寄存器。超出限值時，該寄存器決定警告標志的復位點。遲滯寄存器可以防止高噪聲的溫度或電流傳感器讀數連續(xù)觸發(fā)警告標記。例如，ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I2C接口ADC就帶有這種超量程限值指示器，分別提供2、4、8個功率處理通道。

利用控制邏輯電路，可以對來自電流傳感器和溫度傳感器的數字信息進行連續(xù)監(jiān)控。通過數字電位計或DAC來動態(tài)控制PA的柵極電壓，同時監(jiān)控傳感器的讀數，可以保持最優(yōu)化的偏置條件。DAC的分辨率將由柵極電壓所需要的控制級別來決定。在基站設計中，電信公司普遍采用多個PA（圖2），這樣為每個射頻(RF)載波選擇PA時靈活性更大。每個PA都可以針對某一特殊調制方案進行優(yōu)化。并聯多個PA還能提高線性度和總體效率。這種情況下，PA可能需要多個級聯增益級，包括可變增益放大器(VGA)和前置驅動器級，以滿足增益和效率要求。多通道DAC可以滿足這些模塊的不同電平設置和增益控制要求。

為實現對PA柵極的精確控制，ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625等DAC分別提高12位單路、雙路和四路輸出。這些器件具有非常出色的源電流和吸電流能力，在大多數應用中可無需輸出緩沖器。低功耗、保證單調性和快速建立時間等特性相結合，能夠實現精確的電平設置應用。

若精度不是主要規(guī)格，且可以接受8位分辨率，則數字電位計是更具成本效益的選擇。數字電位計具有與機械電位計或可變電阻器相同的電子調整功能，而且提供更高的分辨率、固態(tài)可靠性和出色的溫度性能。非易失性、一次性可編程(OTP)數字電位計非常適合時分雙工(TDD) RF應用，其中，PA在TDD接收期間關斷，在發(fā)射期間通過固定柵極電壓導通。這種預先編程的啟動電壓在PA晶體管導通進入發(fā)射階段時可減小導通延遲，提高效率。在接收期間關斷PA晶體管可避免發(fā)射噪聲干擾接收信號。這種技術還能提高PA的總體效率。根據通道數目、接口類型、分辨率和非易失性存儲器要求的不同，有大量數字電位計可供這類應用選擇。256抽頭、一次性可編程、雙通道的I2C電位計，例如ADI公司的AD5172，就非常適合RF放大器中的電平設置應用。

通過精確測量PA輸出端的復雜RF信號的功率水平，可以對放大器增益進行更好的控制，從而優(yōu)化器件的效率和線性度。利用均方根(RMS)功率檢波器，可以從WCDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的RF信號提取精確的功率有效值。

圖3顯示了一個簡單的控制環(huán)路，其中，功率檢波器的輸出端與PA的增益控制終端相連。根據輸出電壓VOUT與RF輸入信號之間的既定關系，功率檢波器調整VOUT上的電壓（VOUT現在是誤差放大器輸出），直到RF輸入端的電平與所施加的控制電壓VSET相對應。加上ADC便構成完整的反饋環(huán)路，它能夠跟蹤功率檢波器的輸出，并調整其VSET輸入。這種增益控制方法可用于信號鏈的前面幾級中使用的可變電壓放大器(VVA)和VGA。要測量發(fā)射和接收功率，可采用兩個功率檢波器同時測量兩個復數輸入信號。在VGA或前置驅動放大器位于PA之前的系統中，只需要一個功率檢波器。此時，一個器件的增益是固定的，而VOUT為另一個器件提供控制輸入。

當在高壓供電線上檢測到電壓尖峰或過大電流時，某些應用中的數字控制環(huán)路可能不夠快，無法防止器件受損。數字控制環(huán)路包括：利用電流檢測、模數轉換來檢測高端電流，以及通過外接控制邏輯處理數字數據。如果環(huán)路判斷出線路電流過大，它會向DAC發(fā)送一個命令，降低柵極電壓或關斷該部分的電源。

可以使用模擬比較器并通過一個RF開關來控制PA的RF信號輸入（圖4）。如果在供電線上檢測到大電流，可以關斷RF信號以免損害PA。采用模擬比較器就意味著不需要數字處理技術，因此，控制環(huán)路要快得多。電流檢測的輸出電壓可以直接與DAC設置的固定電壓進行比較。當電流檢測的輸出電壓高于該固定電壓時，比較器可觸發(fā)RF開關上的一個控制引腳，幾乎立即截斷輸入到PA柵極的RF信號。

圖5所示為一個典型的采用分立器件的PA監(jiān)控和控制配置。唯一被監(jiān)控的放大器是PA本身，不過，信號鏈中的任一個放大器都可以采用這種方式進行處理。所有分立器件都采用同一條數據總線工作，本例中為I2C數據總線，并通過一個主控制器來予以控制，以最大程度地降低器件數量、復雜性和成本。

從設計的角度來看，使用分立器件來監(jiān)控和控制基站PA的主要優(yōu)勢在于定制產品的選擇范圍相當大。PA供應商設計的PA前端信號鏈越來越復雜，包含了各種不同的增益級和控制技術?，F有的多通道ADC和DAC都非常適合用來處理不同的蜂窩基站系統劃分及架構，從而讓基站設計人員能夠實現經濟高效的分布式控制。