基站應(yīng)用中功放的分立控制和集成控制

　　介紹

　　在無線基站中，功放（PA）決定了信號(hào)鏈在功耗、線性度、效率和成本方面的性能。通過對(duì)基站中的功放性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)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)的線性度和效率。本文將討論使用分立元件的功放監(jiān)測(cè)與控制解決方案，并介紹集成的解決方案。

　　ADI公司提供了適用于該應(yīng)用的一系列元件，包括多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、溫度傳感器和電流傳感器，以及單芯片的集成解決方案，在基站中使用這些產(chǎn)品可以監(jiān)測(cè)和控制各種類型的模擬信號(hào)。分立的傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能夠提供最大的性能和配置靈活性，而集成解決方案則具有成本更低、尺寸更小、可靠性更高的優(yōu)點(diǎn)。

　　由于環(huán)境上的原因，對(duì)基站的電源效率的優(yōu)化也是電訊公司的一個(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，來減少基站對(duì)環(huán)境的影響?；久刻斓闹饕\(yùn)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(yùn)行性能，并提高環(huán)境和財(cái)務(wù)上的效益。

　　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(jí)。在線性度、效率和增益之間固有的權(quán)衡考慮，確定了功放晶體管的最優(yōu)偏置狀態(tài)。通過對(duì)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(diào)整的輸出功率范圍之內(nèi)。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(píng)估階段中確定的最優(yōu)值。

　　圖1 簡化的控制系統(tǒng)

　　不幸的是，雖然這個(gè)固定柵極電壓的方法的性價(jià)比很高，但主要的缺點(diǎn)是不能根據(jù)環(huán)境、制造容差或電源電壓的變化進(jìn)行校準(zhǔn)。影響功放漏極偏流的兩個(gè)主要因素是功放高壓電源線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(shù)字控制算法測(cè)量漏極電流，通過ADC將該漏極電流轉(zhuǎn)換為數(shù)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(shù)字電位計(jì)設(shè)定所需的偏置。通過這個(gè)用戶可調(diào)的控制系統(tǒng)可以使功放維持在所需的偏置狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能，而無論電壓、溫度和其他環(huán)境參數(shù)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(cè)電阻和AD8211電流檢測(cè)放大器，準(zhǔn)確地測(cè)量經(jīng)由高壓電源線提供給LDMOS晶體管的電流。AD8211的共模輸入范圍高達(dá)+65 V，并且提供20 V/V的固定增益。通過外部的傳感電阻對(duì)滿量程電流讀數(shù)進(jìn)行設(shè)定。電流檢測(cè)放大器的輸出電壓可以通過多路復(fù)用器提供給ADC，以產(chǎn)生用于監(jiān)測(cè)和控制的數(shù)字量。這里必須注意，電流傳感器的輸出電壓需盡量接近ADC的滿量程輸入范圍。對(duì)高壓電源線實(shí)施恒定監(jiān)測(cè)，即使在監(jiān)測(cè)到高壓電源線上出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，也能重新調(diào)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(shù)，包含與溫度相關(guān)的兩項(xiàng)，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溫度傳感器來測(cè)量環(huán)境溫度和功放芯片溫度，可以對(duì)電路板上的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。ADT75是一個(gè)完整的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用8引腳MSOP封裝，在0°C～70°C的溫度范圍內(nèi)具有±1°C的精度。