隨著蜂窩基站技術(shù)的不斷發(fā)展，對射頻(RF)信號的要求更為復(fù)雜。通過對基站的功率放大器(PA)性能監(jiān)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(yōu)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(jìn)行監(jiān)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(dǎo)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(dāng)今蜂窩基站功率放大器設(shè)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(tài)。

基于環(huán)境上的原因，基站電源效率的最佳化成為各電信產(chǎn)業(yè)公司的主要考慮。目前業(yè)界正致力于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(yōu)化功率放大器的效率就可以改善運行性能，以及提供環(huán)境和財務(wù)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(diào)整的輸出功率放大器范圍之內(nèi)。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(jìn)行優(yōu)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(huán)境、制造容差或電源電壓的變化。

使用一個高分辨率數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，或一個較低分辨率的數(shù)字電位計對功率放大器閘極電壓進(jìn)行動態(tài)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(tài)，無論電壓、溫度以及其他環(huán)境參數(shù)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(jìn)行監(jiān)測。用一個外部的傳感電阻對滿刻度電流讀數(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，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(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)取樣(圖1)，以產(chǎn)生用于監(jiān)測用的數(shù)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(jiān)測，可使功率放大器監(jiān)測到高壓電源在線出現(xiàn)浪涌電壓的時，重新調(diào)整它的閘極電壓，從而維持在最優(yōu)的偏置狀態(tài)。

圖1　簡化型控制系統(tǒng)

LDMOS晶體管的源汲極間電流IDS包含與溫度相關(guān)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(jìn)行監(jiān)測，許多種分立式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；以及使用一條導(dǎo)線、I2C和SPI接口的數(shù)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(wù)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(qū)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(tǒng)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(shù)字轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)今的ADC中，通常都設(shè)有內(nèi)部的超量程報警功能。當(dāng)輸入超出預(yù)先編程設(shè)定的極限值時，這個附加的功能就會產(chǎn)生報警信號，此對于監(jiān)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(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)超出此范圍時才產(chǎn)生警示信號。在此類設(shè)計中，一般都設(shè)有磁滯緩存器(Hysteresis Register)，此緩存器確定在出現(xiàn)超范圍而發(fā)出報警信號之后的復(fù)位點。磁滯緩存器防止當(dāng)溫度或電流傳感器的讀數(shù)中混有大噪聲時，對警示特征位不斷地來回?fù)軇印Ｈ缒彻镜腎2C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。

使用控制邏輯電路之后，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對功率放大器閘極電壓進(jìn)行動態(tài)控制，可以維持一個最佳的偏置狀態(tài)。對于閘極電壓所需的控制量將決定DAC的分辨率。電信公司一般在基站設(shè)計中使用多個功率放大器(圖2)，因為可以在對每個RF載波設(shè)備選擇功率放大器時，提供更多的靈活性。每個功率放大器可以針對一個具體的調(diào)變方案而優(yōu)化，結(jié)合并聯(lián)功率放大器也可以改善線性度和整體效率，在這種情況下，功率放大器也許要用多個串聯(lián)增益級，包括使用一些可變增益放大器(VGA)和前置驅(qū)動器，以滿足增益和效率的要求。一個多信道DAC可以完成這些功能區(qū)塊中的各種電位準(zhǔn)設(shè)定和增益控制的要求。

圖2　典型的HPA信號鏈

為了對功率放大器的閘極電壓實現(xiàn)精確控制，有這些ADC可以提供12位的單信道、雙信道和四信道輸出。這些組件具有極好的源(Source)電流和灌(Sink)電流的能力，在大多數(shù)情況下就無須使用輸出緩沖器。這些電路兼有低功耗、單調(diào)性以及快速穩(wěn)定時間的優(yōu)點，可以實現(xiàn)精確的位準(zhǔn)設(shè)定應(yīng)用。

數(shù)字電位計為最佳低成本選擇方案

在精密度不是最主要的考慮因素、8位的分辨率是可接受的應(yīng)用中，數(shù)字電位計是一種更低成本的選擇。這些電位計與機械式的電位計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。非揮發(fā)性和一次可編程(OTP)的數(shù)位電位計在分時雙工(TDD)RF應(yīng)用中是理想的選擇；在此種應(yīng)用中的TDD接收期間，功率放大器是關(guān)閉的，在發(fā)送期間，功率放大器是采用固定閘壓且導(dǎo)通的。此可編程的啟動電壓降低開啟延遲，并且改善在開啟功率放大器晶體管時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)時的效率，在接收期間可以關(guān)斷功率放大器晶體管的能力，避免發(fā)射噪聲對接收信號的破壞，此技術(shù)也改善功率放大器的總效率。根據(jù)信道數(shù)量、接口類型、分辨率和對非揮發(fā)性內(nèi)存的要求，有眾多的數(shù)字電位計可供選擇，如某公司即有二百五十六個位置、一次編程和雙通道的I2C電位計，非常適合于RF放大器中的電位準(zhǔn)設(shè)置。

對功率放大器輸出端復(fù)雜的RF信號的功率放大器電位準(zhǔn)進(jìn)行精確測量，可以實現(xiàn)對放大器增益更強的控制，從而優(yōu)化組件的效率與線性度。使用均方根值(rms)的功率放大器檢測器，可以實現(xiàn)從寬帶分碼多重存取(WCDMA)、增強數(shù)據(jù)率GSM演進(jìn)(EDGE)以及通信行動電信系統(tǒng)(UMTS)的蜂窩基站RF信號中，提取出精確的均方根功率放大器電位準(zhǔn)。

模擬比較器加快回授回路控制速度

在圖3中，功率放大器檢測器的輸出被連接至功率放大器的增益控制端。基于VOUT和RF輸入信號之間的確定關(guān)系，功率放大器檢測器將對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輸入的電位準(zhǔn)與所設(shè)置的VSET保持一致。其中的ADC與DAC構(gòu)成一個回授回路，而這個回授回路對功率放大器檢測器的輸出進(jìn)行跟蹤，并且對它的VSET輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)。此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)射功率放大器和接收功率放大器都進(jìn)行測試，使用已有的雙路功率放大器檢測器，對兩個復(fù)合信號實現(xiàn)同時檢測。在功率放大器之前存在VGA或者前置驅(qū)動器的系統(tǒng)中，就只需要一個功率放大器檢測器。在這種情況下，兩個組件中的一個組件的增益是固定的，而VOUT則饋送到另一個組件的控制輸入端。

圖3　功率傳輸量檢測

當(dāng)高壓電源在線檢測到電壓尖峰，或超范圍的大電流時，由于數(shù)字控制回路的速度不夠快，因而無法保護(hù)組件不受損壞。數(shù)字控制回路由下列部分組成：高端電流感應(yīng)的電流傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及用來處理數(shù)字量的外部控制邏輯。如果回路確定出電源在線的電流太大，它就會向DAC發(fā)出一個命令，以降低閘極電壓或關(guān)斷此部分。根據(jù)模擬比較器的輸出來配合RF開關(guān)，以控制輸入到功率放大器的RF信號(圖4)，若在電源在線檢測到大電流，就可以切斷RF信號，以防止功率放大器被損壞。使用一個模擬比較器意味著無需數(shù)字處理，所以回路控制就快得多。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)上的一個控制接腳，使其電位準(zhǔn)翻轉(zhuǎn)，并能立即切斷功率放大器閘極的RF信號。

圖4　模擬比較器控制回路

分立式器件方案兼顧彈性/成本優(yōu)勢

使用分立式器件的一個典型功率放大器監(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率放大器本身，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，所有的分立式器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，采用主控制器實現(xiàn)控制。

圖5　采用分立式器件實現(xiàn)功率放大器的監(jiān)測和控制。

從設(shè)計的觀點來看，使用分立式器件實現(xiàn)監(jiān)測和控制的主要優(yōu)點是，可以從一組經(jīng)過量身訂制的產(chǎn)品中選擇這些組件。供貨商們正在設(shè)計由各種增益級和控制技術(shù)組成的、前所未有復(fù)雜性的功率放大器的前端信號鏈。現(xiàn)有的多通道ADC和DAC是用于不同的系統(tǒng)畫分和架構(gòu)的理想選擇，允許設(shè)計者實現(xiàn)成本有效的分布式控制。