監(jiān)控基站功率放大器的優(yōu)化方案 - 全文

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　　蜂窩通信的發(fā)展與先進(jìn)調(diào)制方案的關(guān)系日益密切。在最新一代(2.5G和3G)基站中，設(shè)計(jì)策略包括實(shí)現(xiàn)高線性度同時(shí)將功耗降至最低的方法。例如，通過監(jiān)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)獲得最佳線性度和效率。幸運(yùn)的是，采用針對(duì)該目的量身定做的分立集成電路(IC)，就可以很簡單地監(jiān)控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(hào)鏈中的PA。硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管所具有的低成本和大功率性能優(yōu)勢(shì)，非常適合于現(xiàn)代蜂窩基站PA設(shè)計(jì)。線性度、效率和增益的內(nèi)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(xiàng)。為降低基站的總能耗以減小它們對(duì)環(huán)境的影響，業(yè)界正在進(jìn)行不懈的努力?；久刻斓倪\(yùn)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(yùn)行性能，有助于保護(hù)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)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，這能夠顯著提高PA的總體性能，同時(shí)確保其輸出功率水平保持在規(guī)定范圍內(nèi)。一種控制柵極偏置電流的方法是在測(cè)試/評(píng)估階段用電阻分壓器固定柵極電壓來優(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(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或一個(gè)較低分辨率的數(shù)字電位計(jì)來動(dòng)態(tài)控制PA柵極電壓，可以對(duì)輸出功率進(jìn)行更好的控制。利用用戶可編程柵極電壓，即使電壓、溫度和其它環(huán)境參數(shù)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變化的影響。通過采用一個(gè)高壓側(cè)電流(I)檢測(cè)放大器來精確測(cè)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(shù)由一個(gè)外部檢測(cè)電阻(R)來設(shè)定。在監(jiān)控極高電流的應(yīng)用中，這個(gè)檢測(cè)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絕對(duì)最大額定值。

　　用電流傳感器輸出表示的被測(cè)電壓可被多路復(fù)用輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中，以產(chǎn)生監(jiān)控所需的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。需注意確保電流傳感器的輸出電壓應(yīng)盡可能接近ADC的滿量程模擬輸入范圍。通過對(duì)高壓線的持續(xù)監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到供電線上出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，功率放大器可以重新調(diào)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(gè)與溫度有關(guān)的項(xiàng)，即有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth：

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　　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(cè)量PA的溫度，就可以監(jiān)控電路板上的溫度變化。有多種分立式溫度傳感器可滿足系統(tǒng)要求，從各種模擬電壓輸出溫度傳感器到具有單線、I2C總線和串行外設(shè)接口(SPI)控制的各種數(shù)字輸出溫度傳感器。

　　將溫度傳感器的輸出電壓多路復(fù)用輸入到ADC中，從而使該溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以供監(jiān)控使用(圖1)。根據(jù)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器，則對(duì)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(tǒng)。這種情況下，需要一個(gè)多通道ADC來轉(zhuǎn)換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類ADC一般都具有內(nèi)置超量程報(bào)警功能，當(dāng)輸入超過設(shè)定的限值時(shí)就會(huì)發(fā)出警告。在PA信號(hào)鏈中，這種功能對(duì)監(jiān)控溫度和電流傳感器讀數(shù)意義重大。上限和下限均可以預(yù)先設(shè)定，只有超出這些限度時(shí)才發(fā)出警告信號(hào)。

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　　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(fù)用到ADC模型的簡化控制系統(tǒng)。

　　這類設(shè)計(jì)一般還配有遲滯寄存器。該寄存器類型決定了超出限度時(shí)警告標(biāo)識(shí)的復(fù)位點(diǎn)。遲滯寄存器可以防止高噪聲的溫度或電流傳感器讀數(shù)連續(xù)觸發(fā)警告標(biāo)識(shí)。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，同時(shí)分別提供了2、4、8通道處理能力。

　　利用控制邏輯可以對(duì)來自電流傳感器和溫度傳感器的數(shù)字信息進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。通過數(shù)字電位計(jì)或DAC來動(dòng)態(tài)控制PA柵極電壓，同時(shí)監(jiān)控傳感器的讀數(shù)，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的控制水平來決定。在基站設(shè)計(jì)中，電信公司普遍采用多個(gè)PA(圖2)，因?yàn)檫@樣在為每個(gè)射頻(RF)載波選擇PA時(shí)可提供更大的靈活性。每個(gè)PA都可以針對(duì)某一特殊調(diào)制方案進(jìn)行優(yōu)化。并聯(lián)多個(gè)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(gè)級(jí)聯(lián)增益級(jí)，包括可變?cè)鲆娣糯笃?/u>(VGA)和前置驅(qū)動(dòng)器級(jí)，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(shè)置和增益控制要求。

　　

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　　圖2：包含一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、多個(gè)前置驅(qū)動(dòng)器級(jí)和輸出級(jí)的典型蜂窩基站放大器鏈路。

　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)PA柵極的精確控制，ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625等DAC分別提供12位單路、雙路和四路輸出。這些器件具有非常出色的供應(yīng)電流和汲取電流能力，在大多數(shù)應(yīng)用中無需輸出緩沖器。通過結(jié)合低功耗、保證單調(diào)性和快速建立時(shí)間等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的電平設(shè)置應(yīng)用。

　　若精度不是主要規(guī)格，且可以接受8位分辨率，則數(shù)字電位計(jì)是更具成本效益的選擇。數(shù)字電位計(jì)具有與機(jī)械電位計(jì)或可變電阻器相同的電子調(diào)節(jié)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(shù)字電位計(jì)非常適合時(shí)分雙工(TDD)RF應(yīng)用，其中，PA在TDD接收期間關(guān)斷，在發(fā)射期間通過固定柵極電壓導(dǎo)通。這種預(yù)先編程的啟動(dòng)電壓在PA晶體管導(dǎo)通進(jìn)入發(fā)射階段時(shí)可減小導(dǎo)通延遲，并提高效率。能夠在接收期間關(guān)斷PA晶體管可避免發(fā)射噪聲破壞接收信號(hào)。這種技術(shù)還能提高PA的總體效率。根據(jù)通道數(shù)目、接口類型、分辨率和非易失性存儲(chǔ)器要求的不同，有大量數(shù)字電位計(jì)可供這類應(yīng)用選擇。256抽頭、一次性可編程、雙通道的I2C電位計(jì)(如ADI公司的AD5172)就非常適合RF放大器中的電平設(shè)置應(yīng)用。

　　通過精確測(cè)量PA輸出端的復(fù)雜RF信號(hào)的功率水平，可以對(duì)放大器增益進(jìn)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)功率檢測(cè)器，可以從WCDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的RF信號(hào)提取精確的RMS功率電平。

　　圖3顯示了一個(gè)簡單的控制環(huán)路，其中，功率檢測(cè)器的輸出被連接到PA的增益控制端。基于輸出電壓VOUT與RF輸入信號(hào)之間的既定關(guān)系，功率檢測(cè)器將調(diào)節(jié)VOUT上的電壓(VOUT現(xiàn)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(duì)應(yīng)。加上ADC便構(gòu)成完整的反饋環(huán)路，它能夠跟蹤功率檢測(cè)器的輸出，并調(diào)節(jié)其VSET輸入。這種增益控制方法可用于信號(hào)鏈前幾級(jí)中使用的可變電壓放大器(VVA)和VGA。為測(cè)量發(fā)射和接收功率，可采用兩個(gè)功率檢測(cè)器同時(shí)測(cè)量兩個(gè)復(fù)數(shù)輸入信號(hào)。在一個(gè)VGA或前置驅(qū)動(dòng)放大器位于PA之前的系統(tǒng)中，只需一個(gè)功率檢測(cè)器。此時(shí)，其中一個(gè)器件的增益是固定的，而VOUT為另一個(gè)器件提供控制輸入。

　　

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　　圖3：在這個(gè)簡單控制環(huán)路中，功率檢測(cè)器的輸出被連接到功率放大器的增益控制端。

　　當(dāng)在高壓供電線上檢測(cè)到電壓尖峰或過大電流時(shí)，某些應(yīng)用中的數(shù)字控制環(huán)路可能不夠快，因而無法避免器件受損。數(shù)字控制環(huán)路包括：利用電流檢測(cè)來檢測(cè)高壓側(cè)電流、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及通過外接控制邏輯處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。如果環(huán)路判斷出線路電流過大，它會(huì)向DAC發(fā)送一個(gè)命令以降低柵極電壓或者關(guān)斷該部分電源。

　　可以使用模擬比較器通過一個(gè)RF開關(guān)來控制PA的RF信號(hào)輸入(圖4)。如果在供電線上檢測(cè)到大電流，可以關(guān)斷RF信號(hào)以免損害PA。采用模擬比較器就意味著不需要數(shù)字處理技術(shù)，因此控制環(huán)路要快得多。電流檢測(cè)的輸出電壓可以直接與DAC設(shè)置的固定電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電流檢測(cè)的輸出電壓高于該固定電壓時(shí)，比較器可觸發(fā)RF開關(guān)上的一個(gè)控制引腳，幾乎可以立即截?cái)噍斎氲絇A柵極的RF信號(hào)。

　　

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　　圖4：可以采用模擬比較器通過一個(gè)RF開關(guān)來控制PA的RF信號(hào)輸入。

　　圖5所示為一個(gè)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(hào)鏈中的任何一個(gè)放大器都可以采用這種方式進(jìn)行處理。所有分立器件都采用同一條數(shù)據(jù)總線工作，本例中為I2C數(shù)據(jù)總線，并通過一個(gè)主控制器來進(jìn)行控制，以便最大程度地縮減器件數(shù)量、復(fù)雜性和成本。

　　

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　　圖5：該結(jié)構(gòu)圖顯示了基于分立器件和若干低功耗轉(zhuǎn)換器的一個(gè)典型PA監(jiān)控配置。在此設(shè)置中唯一被核對(duì)的放大器是PA，盡管此鏈路中任何放大器都可被監(jiān)控。

　　從設(shè)計(jì)的角度來看，使用分立器件來監(jiān)控基站PA的主要優(yōu)勢(shì)在于定制產(chǎn)品的選擇范圍相當(dāng)大。PA供應(yīng)商設(shè)計(jì)的PA前端信號(hào)鏈正越來越復(fù)雜，包含了各種不同的增益級(jí)和控制技術(shù)?，F(xiàn)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(tǒng)劃分及架構(gòu)，從而讓基站設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的分布式控制。