2.5G和3G基站用功率放大器的監(jiān)控

        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)把功耗減至最小的方法。例如，通過監(jiān)控基站功率放大器的性能，可以把功率放大器(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，采用為此目的量身定做的分立式集成電路(IC)，就可以很簡(jiǎn)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PA和信號(hào)鏈路。硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管具有低成本和大功率的優(yōu)勢(shì)，非常適合于現(xiàn)代蜂窩基站PA設(shè)計(jì)。對(duì)線性度、效率和增益進(jìn)行綜合權(quán)衡才能夠保持LDMOS PA晶體管的最佳偏置條件。

 　　基于環(huán)保原因，基站功率效率的優(yōu)化也是電信業(yè)各公司的主要考慮事項(xiàng)。為降低基站的總能耗，減小它們對(duì)環(huán)境的污染，業(yè)界正在做大量的努力。基站每天的運(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的功率效率可提高基站的運(yùn)行性能，有助于環(huán)保和成本降低。

 　　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)確保其輸出功率級(jí)保持在規(guī)定范圍以內(nèi)?？刂茤艠O偏置電流的方法之一是把它和一個(gè)電阻分壓器固定在一起，在測(cè)試/評(píng)估階段優(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)主要缺點(diǎn)，即沒有考慮到環(huán)境的變化、制造的擴(kuò)展或電源電壓的變異。利用一個(gè)高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或一個(gè)分辨率較低的數(shù)字分壓計(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?hào)艠O電壓，即使電壓、溫度和其它環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化，PA也能夠保持它的最佳偏置條件。

 　　影響PA漏極偏置電流的兩個(gè)主要因素是PA的高壓供電線的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)高端電流(I)感測(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。滿刻度讀數(shù)由一個(gè)外接感測(cè)電阻(R)來設(shè)定。在監(jiān)控極高電流的應(yīng)用中，這個(gè)感測(cè)電阻的功耗必須為I²R。如果該電阻的額定功耗超出，它的值可能偏移或完全錯(cuò)誤，造成端接器件上的差分電壓超過最大絕對(duì)額定值。

 　　測(cè)得的電壓，以電流傳感器的輸出表示，可被多路輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中，以產(chǎn)生監(jiān)控所需的數(shù)字信息。需注意確保電流傳感器的輸出電壓盡可能接近ADC的最大模擬輸入范圍。通過對(duì)高壓線的持續(xù)監(jiān)控，當(dāng)感測(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)自己的柵極電壓，從而保持一個(gè)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：

 　　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。通過利用一個(gè)或多個(gè)分立式溫度傳感器對(duì)PA的溫度進(jìn)行測(cè)量，就可以監(jiān)控板上的溫度變化。要滿足系統(tǒng)的要求，從模擬電壓輸出溫度傳感器到單線數(shù)字輸出溫度傳感器、Inter-IC總線(I²C)，乃至串行外設(shè)接口(SPI)控制，有各式廣泛的分立式溫度傳感器可供選擇。

 　　把溫度傳感器的輸出多路輸入到ADC中，把該溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以供監(jiān)控所用(圖1)。根據(jù)系統(tǒng)的配置情況，板上有可能需要使用大量溫度傳感器。例如，如果有一個(gè)以上的PA被采用，或者前端需要多個(gè)前置驅(qū)動(dòng)器，讓每一個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器可對(duì)系統(tǒng)提供更多的控制。本例中，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都具有內(nèi)置溢出(out-of-range)警告功能，當(dāng)輸入超過已定限值時(shí)會(huì)給出警告。在PA信號(hào)鏈路中，這種功能對(duì)監(jiān)控溫度和電流傳感器讀數(shù)意義重大。高端限值和低端限值都可以預(yù)先設(shè)定，只有超出這些限值時(shí)才產(chǎn)生警告信息。這類設(shè)計(jì)一般還帶有滯后寄存器。若限值超出，由這種寄存器決定警告標(biāo)記的復(fù)位點(diǎn)。滯后寄存器可以防止溫度或電流傳感器讀數(shù)連續(xù)觸發(fā)警告標(biāo)記。例如，Analog Devices公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I²C接口ADC就帶有這種溢出限值指示器，同時(shí)分別可提供2、4和8個(gè)功率處理通道。

 　　利用控制邏輯電路，可以對(duì)來自電流傳感器和溫度傳感器的混合數(shù)字信息進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控。通過數(shù)字分壓計(jì)或DAC來動(dòng)態(tài)控制PA的柵極電壓，同時(shí)監(jiān)控傳感器的讀數(shù)，可以保持一個(gè)最優(yōu)化的偏置條件。DAC的分辨率將由柵極電壓所需要的控制級(jí)別來決定。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@樣一來，在為每一個(gè)射頻(RF)載波選擇PA時(shí)靈活性更大。每一個(gè)PA都可以針對(duì)某一特殊調(diào)制方案被優(yōu)化。再把PA并聯(lián)起來，就可以提供更高的線性度和更高的總體效率。在這種情況下，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?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的電平設(shè)定(level-setting)和增益控制要求。

　　為了實(shí)現(xiàn)PA的精確柵極控制，DAC，比如Analog Devices公司的AD5321、AD5627和AD5625就分別具有12位、單、雙和四路輸出。這些部件具有非常出色的源/匯功能(source and sink capabilities)，在大多數(shù)應(yīng)用中可無需輸出緩沖器。低功率、單調(diào)性保證和穩(wěn)定時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的電平設(shè)定應(yīng)用。

　　若精度不是主要規(guī)格，且可以接受8位的分辨率，則數(shù)字分壓計(jì)是更具成本效益的選擇。數(shù)字分壓計(jì)具有和機(jī)械分壓計(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)字分壓計(jì)非常適合于時(shí)分雙工(TDD)RF應(yīng)用，此時(shí)，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，提高效率。在接收期間關(guān)斷PA晶體管的能力可避免發(fā)射噪聲干擾接收信號(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)器的要求，有大量數(shù)字分壓計(jì)可供這類應(yīng)用選擇。256滑點(diǎn)、一次性可編程、雙通道的I²C分壓計(jì)，比如Analog Devices公司的AD5172，就非常適合于RF放大器中的電平設(shè)定應(yīng)用。

　　通過對(duì)PA輸出端上的復(fù)雜RF信號(hào)的功率級(jí)的精確測(cè)量，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)功率檢波器，可從WCDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的RF信號(hào)中提取精確的rms功率級(jí)。
　　
　　圖3顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的控制環(huán)路，其中，功率檢波器的輸出端與PA的增益控制終端相連?；谳敵鲭妷篤_OUT和RF輸入信號(hào)之間的已定關(guān)系，功率檢波器調(diào)節(jié)V_OUT電壓(這里，V_OUT是誤差信號(hào)放大器的輸出)，直到RF輸入電平與加載的控制電壓VSET相匹配。加上ADC，構(gòu)成完整的反饋環(huán)路，其能夠跟蹤功率檢波器的輸出，并調(diào)節(jié)它的V_SET輸入。這種增益控制方法可用于電壓可變放大器(VVA)和VGA，后者用雜信號(hào)鏈路的前面數(shù)級(jí)。要測(cè)量發(fā)射和接收功率，可采用兩個(gè)功率檢波器同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)復(fù)雜輸入信號(hào)。在VGA或前置驅(qū)動(dòng)放大器位于PA之前的系統(tǒng)中，只需要一個(gè)功率檢波器。這時(shí)，一個(gè)器件的增益是固定的，而V_OUT提供另一個(gè)器件的控制輸入。

　　在高壓供電線能感測(cè)到電壓尖刺或過大電流的情形下，某些應(yīng)用中的數(shù)字控制環(huán)路可能不夠快到防止器件受損。數(shù)字控制環(huán)路包括：利用電流感測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換來感測(cè)高端電流，以及通過外接控制邏輯處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。如果環(huán)路判斷出線上電流過大，它會(huì)向DAC發(fā)送一個(gè)命令，降低柵極電壓或關(guān)斷該部分的電源。

　　可以使用模擬比較器通過一個(gè)RF開關(guān)來控制輸入到PA的RF信號(hào)(圖4)。如果在供電線上感測(cè)到大電流，可關(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。電流感測(cè)的輸出電壓可以直接與DAC設(shè)定的固定電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電壓較高，在電流感測(cè)的輸出端產(chǎn)生固定電壓時(shí)，比較器可觸發(fā)RF開關(guān)上的一個(gè)控制引腳，幾乎立即就截?cái)噍斎氲絇A柵極的RF信號(hào)。

　　圖5所示為一個(gè)典型的采用分立式元件的PA監(jiān)控結(jié)構(gòu)。唯一被監(jiān)控的放大器是PA本身；不過，信號(hào)鏈路中的任一個(gè)放大器都可以采用這種方式進(jìn)行處理。所有這些分立式元件都脫離同一條數(shù)據(jù)總線工作，這里是I²C數(shù)據(jù)總線，并通過一個(gè)主控制器來予以控制，以最小化部件數(shù)目、復(fù)雜性和成本。

　　從設(shè)計(jì)的角度來看，使用分立式元件來監(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銷售商設(shè)計(jì)的PA前端鏈路越來越復(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)人員能夠執(zhí)行具成本效益的分布式控制。