隨著蜂窩基站技術的不斷發展，對射頻(RF)信號的要求更為復雜。通過對基站的功率放大器(PA)性能監測與控制，可以最大化地提高功率放大器的輸出，同時又可獲得最優越的線性度和效率。本文將討論如何利用分立式IC對功率放大器進行監測與控制。

借助汲極偏壓電流控制提高PA效率

基站的性能，是由功耗、線性度、效率以及成本評價，主要由信號鏈中的功率放大器決定的。橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管的低成本和大功率放大器的特性，使它們成為當今蜂窩基站功率放大器設計中的首選。而對線性度、效率和增益等方面的折衷考慮，則確定LDMOS功率放大器晶體管最佳的偏置狀態。

基于環境上的原因，基站電源效率的最佳化成為各電信產業公司的主要考慮。目前業界正致力于降低基站的總能源消耗，以此來減少基站對環境的影響。基站每天的主要運行成本是電能，而功率放大器可以消耗基站所需的一半以上的電力，所以，優化功率放大器的效率就可以改善運行性能，以及提供環境和財務的效益。

通過對汲極偏壓電流的控制，使其隨溫度和時間的變化保持一個恒定值，即可大幅地改善功率放大器的整體性能，同時又可確保功率放大器工作在調整的輸出功率放大器范圍之內。其中的一個控制閘極偏流的方法，是在測試和評估階段對閘極電壓進行優化，然后用一個電阻分壓器將其固定起來。雖然此固定閘極電壓的方法是有效且低成本的，但主要的缺點是沒有考慮到環境、制造容差或電源電壓的變化。

使用一個高分辨率數字模擬轉換器(DAC)，或一個較低分辨率的數字電位計對功率放大器閘極電壓進行動態控制，將可以對輸出功率放大器提供更強的控制。一種用戶可編程的閘極電壓可以使功率放大器維持在最佳偏流狀態，無論電壓、溫度以及其他環境參數如何變化。

影響PA汲極偏流二大主因剖析

兩個影響功率放大器汲極偏流的主要因素為功率放大器高壓電源在線的變化與芯片的溫度變化。功率放大器晶體管的汲極電壓容易受到高壓電源在線變化的影響。使用一個高階電流檢測放大器來精確測定高壓電源在線的電流，就可對功率放大器晶體管的汲極電壓進行監測。用一個外部的傳感電阻對滿刻度電流讀數進行設定，在監測高電流的應用中，傳感電阻必須能夠消耗I2R的功耗，若超過電阻的極限功耗，其阻值就會漂移，或者完全損壞，而造成電阻兩端之間的差動電壓值超過絕對最大值。

電流傳感器輸出端測得電壓，可通過模擬數字轉換器(ADC)取樣(圖1)，以產生用于監測用的數字量。在此必須注意，電流傳感器的輸出電壓須盡量接近ADC的滿量程輸入范圍，對高壓電源線的恒久監測，可使功率放大器監測到高壓電源在線出現浪涌電壓的時，重新調整它的閘極電壓，從而維持在最優的偏置狀態。

圖1　簡化型控制系統

LDMOS晶體管的源汲極間電流IDS包含與溫度相關的兩項，即有效電子遷移率μ和臨界電壓Vth。

臨界電壓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放大器的變化。使用一個或幾個分立式溫度傳感器來測量功率放大器的溫度，可以對電路板的溫度變化進行監測，許多種分立式溫度傳感器可以滿足系統的需求，包括模擬量輸出的溫度傳感器；以及使用一條導線、I2C和SPI接口的數字量輸出的溫度傳感器。

將溫度傳感器的輸出電壓通過多任務器輸入ADC，可以把溫度數據轉換成用于監測的數字量。根據不同的配置結構，也許需要在電路板使用好幾個溫度傳感器。例如，若使用多個功率放大器，或者在前端需要若干個前置驅動器，對于每個放大器使用一個溫度傳感器就可以對整個系統提供更多的控制能力。在這種情況下，就須使用多通道ADC，以便對各個溫度傳感器的模擬輸出量完成模擬數字轉換。在現今的ADC中，通常都設有內部的超量程報警功能。當輸入超出預先編程設定的極限值時，這個附加的功能就會產生報警信號，此對于監測功率放大器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。監測的上限和下限都可以預先通過程序來設定，而只有當超出此范圍時才產生警示信號。在此類設計中，一般都設有磁滯緩存器(Hysteresis Register)，此緩存器確定在出現超范圍而發出報警信號之后的復位點。磁滯緩存器防止當溫度或電流傳感器的讀數中混有大噪聲時，對警示特征位不斷地來回撥動。如某公司的I2C接口的二、四、八信道12位低功耗ADC即具有這個超量程的指示功能。