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(shí)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(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(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)。
 
圖1 簡化的控制系統(tǒng)

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，以此來減少基站對環(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(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(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。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(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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)候,重新調(diào)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(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m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(gè)或幾個(gè)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2  典型的HPA信號鏈

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(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(yù)驅(qū)動，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(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(gè)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(shí)，這個(gè)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(gè)范圍時(shí)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(shí)，對報(bào)警特征位不斷地來回?fù)軇?。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。