在基站應(yīng)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(diào)制方案，提出了產(chǎn)生更為復(fù)雜的RF信號的要求。通過對基站中的功放(PA)性能的監(jiān)測與控制，可以最大化地提高功放的輸出，而同時又可獲得最優(yōu)的線性度和效率。本文將討論如何利用分立的集成電路對功放進(jìn)行監(jiān)測與控制。

　　無線基站的性能，從功耗、線性度、效率和成本來評價，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(dāng)今蜂窩基站的功放設(shè)計(jì)中的放大器選擇。而對線性度、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，以此來減少基站對環(huán)境的影響。基站每天的主要運(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)行性能和提供環(huán)境和財(cái)務(wù)上的效益。

　　通過對漏極偏流的控制，使其隨溫度和時間的變化而保持一個恒定的值，就可以極大地改善功放的總性能，同時又可確保功放工作在調(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，然后用一個電阻分壓器將它固定起來。雖然這個固定柵極電壓的方法是有效且低成本的，但主要的缺點(diǎn)是沒有考慮到環(huán)境、制造容差或電源電壓的變化。使用一個高分辨率DAC或一個較低分辨率的數(shù)字電位器對功放柵極電壓進(jìn)行動態(tài)控制，將可以對輸出功率提供更強(qiáng)的控制。一種用戶可調(diào)的柵極電壓可以使功放維持在它的最優(yōu)偏流狀態(tài)，無論電壓、溫度和其他環(huán)境參數(shù)如何變化。

　　兩個影響功放漏極偏流的主要因素為：

　　·功放的高壓電源線上的變化。

　　·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上變化的影響。使用一個高端的電流檢測放大器來精確測定高壓電源線上的電流，就可以對功放晶體管的漏極電壓進(jìn)行監(jiān)測。用一個外部的傳感電阻對滿度電流讀數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在監(jiān)測高電流的應(yīng)用中，傳感電阻必須能夠消耗I2R的功耗。如果超過了電阻的極限功耗，它的阻值就會漂移，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ADC采樣，以產(chǎn)生用于監(jiān)測之用的數(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。對高壓電源線的恒久監(jiān)測，可以使功放在監(jiān)測到高壓電源線上出現(xiàn)浪涌電壓的時候,重新調(diào)整它的柵極電壓，從而維持在一個最優(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)的兩個參數(shù)，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將隨著溫度的上升而降低，因此，溫度的變化會引起輸出功率的變化。使用一個或幾個分立的溫度傳感器來測量功放的溫度，可以對電路板上的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測。有許多種分立的溫度傳感器可以滿足系統(tǒng)的需求，包括模擬量輸出的溫度傳感器，到使用1條導(dǎo)線的、I2C和SPI接口的數(shù)字量輸出的溫度傳感器。



　　圖1 簡化的控制系統(tǒng)

　　將溫度傳感器的輸出電壓通過多路復(fù)用器輸入ADC，可以把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用于監(jiān)測的數(shù)字量。根據(jù)不同的配置結(jié)構(gòu)，也許需要在電路板上使用好幾個溫度傳感器。例如，如果使用了多個功放，或者在前端需要若干個預(yù)驅(qū)動，那么，對于每個放大器使用一個溫度傳感器就可以對整個系統(tǒng)提供更多的控制能力。在這種情況下，就需要使用多通道ADC，以便對各個溫度傳感器的模擬輸出量完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)今的ADC中，通常都設(shè)有內(nèi)部的超量程報(bào)警功能。當(dāng)輸入超出了預(yù)先編程設(shè)定的極限值時，這個附加的功能就會產(chǎn)生報(bào)警信號，這對于監(jiān)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(jiān)測的上限和下限都可以預(yù)先通過程序來設(shè)定，而只有當(dāng)超出這個范圍時才產(chǎn)生報(bào)警信號。在這類設(shè)計(jì)中，一般也都是設(shè)置有滯后寄存器(Hysteresis registers)。這種寄存器確定了在出現(xiàn)超范圍而發(fā)出報(bào)警信號之后的復(fù)位點(diǎn)。滯后寄存器防止了當(dāng)溫度或電流傳感器的讀數(shù)中混有大噪聲時，對報(bào)警特征位不斷地來回?fù)軇印Ｈ鏏DI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(xù)的監(jiān)測。在對傳感器的讀數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的同時，利用數(shù)字電位器或DAC對功放柵極電壓進(jìn)行動態(tài)控制，可以維持一個最佳的偏置狀態(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(shè)計(jì)中使用多個功放，如圖2所示，因?yàn)檫@樣可以在對每個RF載波設(shè)備選擇功放時，提供更多的靈活性。每個功放可以針對一個具體的調(diào)制方案而優(yōu)化。并行連接功放也可以改善線性度和總效率。在這種情況下，功放也許要求用多個增益級級聯(lián)，包括使用一些可變增益放大器(VGA)和預(yù)驅(qū)動，以滿足增益和效率的要求。一個多通道DAC可以完成這些功能塊中的各種電平設(shè)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(xiàn)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(shù)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(diào)性和快速穩(wěn)定時間的優(yōu)點(diǎn)，可以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的電壓電流設(shè)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(yīng)用中，數(shù)字電位計(jì)是一種更低成本的選擇。這些電位計(jì)與機(jī)械式的電位計(jì)或可變電阻具有相同的電子調(diào)節(jié)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(shù)字電位計(jì)在時分雙工(TDD)RF應(yīng)用中是理想的選擇；在這種應(yīng)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(dǎo)通的。這個可編程的啟動電壓降低了開啟延遲，并且改善了在開啟功放晶體管時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)時的效率。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。這個技術(shù)也改善了功放的總效率。根據(jù)通道數(shù)量、接口類型、分辨率和對非易失性存儲器的要求，有眾多的數(shù)字電位計(jì)可供選擇。，例如ADI公司的AD5172—256個位置、一次編程和雙通道的I2C電位計(jì)，非常適合于RF放大器中的電平設(shè)置。

　　對功放輸出端上復(fù)雜的RF信號的功率電平進(jìn)行精確測量，可以實(shí)現(xiàn)對放大器增益更強(qiáng)的控制，從而優(yōu)化了器件的效率與線性度。使用均方根值(rms)的功率檢測器，可以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)在是一個誤差放大器的輸出)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到RF輸入的電平與所設(shè)置的VSET保持一致。其中的ADC與DAC構(gòu)成了一個反饋環(huán)路，而這個反饋環(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(diào)節(jié)。這個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，對兩個復(fù)合信號實(shí)現(xiàn)同時檢測。在功放之前存在VGA或者前置驅(qū)動器的系統(tǒng)中，就只需要一個功率檢測器。在這種情況下，兩個器件中的一個器件的增益是固定的，而VOUT則饋送到另一個器件的控制輸入端。



　　圖3 功率檢測

　　當(dāng)高壓電源線上檢測到電壓尖峰，或超范圍的大電流的時候，由于數(shù)字控制環(huán)路的速度不夠快，因而無法保護(hù)器件不受損壞。數(shù)字控制環(huán)路由下列部分組成：高端電流感應(yīng)的電流傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及用來處理數(shù)字量的外部控制邏輯。如果環(huán)路確定出電源線上的電流太大，那么，它就向DAC發(fā)出一個命令，以降低柵極電壓或關(guān)斷此部分。根據(jù)模擬比較器的輸出來配合RF開關(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。使用一個模擬比較器意味著不需要數(shù)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(shè)置的固定電壓進(jìn)行比較。當(dāng)在電流傳感器輸出端上產(chǎn)生一個高于固定電壓的電壓時，比較器可以控制RF開關(guān)上的一個控制引腳，使其電平翻轉(zhuǎn)，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典型功放監(jiān)測和控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中被監(jiān)測和控制的放大器僅是功放本身，但信號鏈中的任何一個放大器都可以用這個方法來進(jìn)行監(jiān)測和控制。所有的分立元件都是通過同一個數(shù)據(jù)總線進(jìn)行操作的，在本例中則是I2C數(shù)據(jù)總線，采用主控制器來實(shí)現(xiàn)控制。

　　從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，使用分立元件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和控制的主要優(yōu)點(diǎn)是，我們可以從一組經(jīng)過量身定制而精選的產(chǎn)品中選擇這些元件。供應(yīng)商們正在設(shè)計(jì)由各種增益級和控制技術(shù)組成的、前所未有復(fù)雜性的功放的前端信號鏈?，F(xiàn)有的多通道ADC和DAC是用于不同的系統(tǒng)劃分和架構(gòu)的理想選擇，允許設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)成本有效的分布式控制。



　　圖5 采用分立器件實(shí)現(xiàn)功率放大器的監(jiān)測和控制