在基站應(yīng)用中采用分立元件控制功放

使用了控制邏輯電路之后，可以對(duì)電流傳感器和溫度傳感器的輸出進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。在對(duì)傳感器的讀數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，利用數(shù)字電位器或DAC對(duì)功放柵極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，可以維持一個(gè)最佳的偏置狀態(tài)。對(duì)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(gè)功放，如圖2所示，因?yàn)檫@樣可以在對(duì)每個(gè)RF載波設(shè)備選擇功放時(shí)，提供更多的靈活性。每個(gè)功放可以針對(duì)一個(gè)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(gè)增益級(jí)級(jí)聯(lián)，包括使用一些可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和預(yù)驅(qū)動(dòng)，以滿足增益和效率的要求。一個(gè)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3 功率檢測(cè)

為了對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)可編程的啟動(dòng)電壓降低了開啟延遲，并且改善了在開啟功放晶體管時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)時(shí)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(duì)接收信號(hào)的破壞。這個(gè)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(duì)非易失性存儲(chǔ)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(gè)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(duì)功放輸出端上復(fù)雜的RF信號(hào)的功率電平進(jìn)行精確測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)從W-CDMA、EDGE和UMTS的蜂窩基站中的RF信號(hào)中提取出精確的均方根功率電平。

在圖3中，功率檢測(cè)器的輸出被連接到了功放的增益控制端。基于VOUT和RF輸入信號(hào)之間的確定關(guān)系，功率檢測(cè)器將對(duì)VOUT端(VOUT現(xiàn)在是一個(gè)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(gè)反饋環(huán)路，而這個(gè)反饋環(huán)路對(duì)功率檢測(cè)器的輸出進(jìn)行跟蹤，并且對(duì)它的VSET輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)增益的控制方法可以使用于信號(hào)鏈的前幾級(jí)中的可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和可變電壓放大器(VVA)。為了對(duì)發(fā)射功率和接收功率都進(jìn)行測(cè)試，可以使用已有的雙路功率檢測(cè)器，對(duì)兩個(gè)復(fù)合信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)。在功放之前存在VGA或者前置驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)中，就只需要一個(gè)功率檢測(cè)器。在這種情況下，兩個(gè)器件中的一個(gè)器件的增益是固定的，而VOUT則饋送到另一個(gè)器件的控制輸入端。
 
圖4 模擬比較器控制環(huán)路
 
圖5 采用分立器件實(shí)現(xiàn)功率放大器的監(jiān)測(cè)和控制

當(dāng)高壓電源線上檢測(cè)到電壓尖峰，或超范圍的大電流的時(shí)候，由于數(shù)字控制環(huán)路的速度不夠快，因而無(wú)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(lái)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(gè)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(lái)配合RF開關(guān)，以控制輸入到功放的RF信號(hào)，如圖4所示。如果在電源線上檢測(cè)到了大電流，那就可以切斷RF信號(hào)，以防止功放被損壞。使用一個(gè)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(gè)高于固定電壓的電壓時(shí)，比較器可以控制RF開關(guān)上的一個(gè)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(hào)。

使用分立元件的一個(gè)典型功放監(jiān)測(cè)和控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中被監(jiān)測(cè)和控制的放大器僅是功放本身，但信號(hào)鏈中的任何一個(gè)放大器都可以用這個(gè)方法來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。所有的分立元件都是通過(guò)同一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，使用分立元件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制的主要優(yōu)點(diǎn)是，我們可以從一組經(jīng)過(guò)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(jí)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(hào)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。