基站應(yīng)用中功率放大器的分立和集成控制

在無線基站中，功率放大器（PA）在功耗、線性度、效率和成本方面主導(dǎo)著信號鏈性能。監(jiān)測和控制基站PA的性能，可以最大限度地提高輸出功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的線性度和效率。本文討論使用分立元件的PA監(jiān)視和控制解決方案的要素，并介紹集成解決方案。

ADI公司擁有一套非常適合此類任務(wù)的元件。多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、溫度傳感器和電流傳感器以及單芯片集成解決方案正應(yīng)用于基站，以監(jiān)測和控制各種模擬信號。分立傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供最大的性能和配置靈活性，而集成解決方案則提供更低的成本、更小的尺寸和更高的可靠性。

優(yōu)化基站的電源效率是電信行業(yè)公司的關(guān)鍵環(huán)境考慮因素。人們正在做出重大努力來減少基站的整體能耗，以減少其對環(huán)境的影響。電能是基站日常運(yùn)營成本的主要來源，PA可能負(fù)責(zé)一半以上的功耗。因此，優(yōu)化PA的電源效率可提高運(yùn)行性能，并提供環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

帶分立元件的PA控制

圖1顯示了使用橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）晶體管的基本功率級。線性度、效率和增益之間的固有權(quán)衡決定了PA晶體管的最佳偏置條件。在整個(gè)溫度和時(shí)間范圍內(nèi)將漏極偏置電流保持在最佳值可以顯著提高PA的整體性能，同時(shí)確保其保持在穩(wěn)定的輸出功率水平內(nèi)?？刂茤艠O偏置電流的一種方法是使用電阻分壓器將柵極電壓設(shè)置為評估期間確定的固定最佳值。

圖1.簡化的控制系統(tǒng)。

不幸的是，雖然這種固定柵極電壓解決方案具有相當(dāng)?shù)某杀拘б?，但它有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：它不能糾正環(huán)境變化、制造擴(kuò)散或電源電壓變化。影響PA漏極偏置電流的兩個(gè)主要因素是高壓電源線和片內(nèi)溫度的變化。

更好的方法是動態(tài)控制PA柵極電壓——使用數(shù)字控制算法測量漏極電流，用ADC將其數(shù)字化，并通過高分辨率DAC或低分辨率數(shù)字電位計(jì)設(shè)置所需的偏置。該控制系統(tǒng)允許PA保持所需的偏置條件，以優(yōu)化性能（由用戶可編程設(shè)定點(diǎn)設(shè)置），無論電壓、溫度和其他環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化。

這種控制方法的一個(gè)關(guān)鍵因素是使用高端檢測電阻和電流檢測放大器AD8211通過高壓電源線精確測量提供給LDMOS晶體管的電流。AD8211共模輸入范圍高達(dá)+65 V，提供20 V/V固定增益。外部檢測電阻設(shè)置滿量程電流讀數(shù)。放大器輸出可多路復(fù)用至ADC，以生成用于監(jiān)測和控制的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。應(yīng)注意確保電流檢測放大器的輸出電壓盡可能接近ADC的滿量程模擬輸入范圍。對高壓線路的持續(xù)監(jiān)控使功率放大器能夠連續(xù)重新調(diào)整其柵極電壓，即使線路上檢測到電壓浪涌，也能保持最佳偏置條件。

LDMOS晶體管的漏源電流，我DS，作為柵源電壓的函數(shù)，VGS，有兩個(gè)與溫度相關(guān)的項(xiàng)：有效電子遷移率、μ和閾值電壓，V千.

V千并且μ隨著溫度的升高而降低。因此，溫度變化會導(dǎo)致輸出功率的變化。使用一個(gè)或多個(gè)ADT75 12位溫度傳感器測量PA的環(huán)境和內(nèi)部溫度，可以監(jiān)控電路板上的溫度變化。ADT75是一款完整的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，采用8引腳MSOP封裝，在0°C至70°C范圍內(nèi)提供±1°C精度。

將溫度傳感器的電壓輸出、漏極電流和其他數(shù)據(jù)多路復(fù)用到ADC中，可以將溫度測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)配置，可能需要在電路板上使用多個(gè)溫度傳感器。例如，如果使用多個(gè)PA，或者前端需要多個(gè)預(yù)驅(qū)動器，則每個(gè)放大器的溫度傳感器可以更好地控制系統(tǒng)。為了同時(shí)監(jiān)控電流傳感器和溫度傳感器，AD7992、AD7994和AD7998多通道12位ADC可用于將模擬測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

從電流傳感器和溫度傳感器收集的數(shù)字信息可以使用控制邏輯或微控制器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。使用數(shù)字電位計(jì)或DAC動態(tài)控制PA柵極電壓，同時(shí)監(jiān)控傳感器讀數(shù)并處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而保持優(yōu)化的偏置條件。柵極電壓所需的控制程度將決定DAC的分辨率。電信公司通常在基站設(shè)計(jì)中使用多個(gè)PA，如圖2所示，以便在為每個(gè)RF載波選擇PA時(shí)提供更大的靈活性，并允許每個(gè)PA針對特定的調(diào)制方案進(jìn)行優(yōu)化。此外，組合并行PA輸出可改善線性度和整體效率。在這種情況下，PA可能需要多個(gè)級聯(lián)增益級，包括可變增益放大器（VGA）和預(yù)驅(qū)動器，以滿足增益和效率要求。多通道DAC可以滿足這些模塊的各種電平設(shè)置和增益控制要求。

圖2.典型的高功率放大器信號鏈。

為實(shí)現(xiàn)精確的PA柵極控制，AD5622、AD5627和AD5625 DAC分別提供12位、單路、雙路和四路輸出。 它們具有具有出色拉電流和灌電流能力的內(nèi)部緩沖器，在大多數(shù)應(yīng)用中無需外部緩沖器。低功耗、保證單調(diào)性和快速建立時(shí)間的組合使這些器件成為精確電平設(shè)置應(yīng)用的理想選擇。

如果精度不是主要規(guī)格，并且8位分辨率可以接受，則數(shù)字電位計(jì)是更具成本效益的選擇。這些數(shù)字可變電阻器執(zhí)行與機(jī)械電位計(jì)或可變電阻器相同的電子調(diào)節(jié)功能，但具有增強(qiáng)的分辨率、固態(tài)可靠性和卓越的溫度性能。非易失性和一次性可編程（OTP）數(shù)字電位計(jì)非常適合時(shí)分雙工（TDD）RF應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，PA在TDD接收周期內(nèi)關(guān)閉，在發(fā)射周期內(nèi)由固定柵極電壓導(dǎo)通。這種預(yù)編程的啟動電壓降低了導(dǎo)通延遲，提高了發(fā)射級PA晶體管的開啟效率。在接收狀態(tài)期間關(guān)閉PA晶體管的能力可防止發(fā)射器電路噪聲破壞接收信號，并提高PA的整體效率。根據(jù)通道數(shù)量、接口類型、分辨率和對非易失性存儲器的要求，該應(yīng)用提供各種數(shù)字電位計(jì)。例如，256位AD5172是一款一次性可編程、雙通道I2C兼容電位計(jì)，非常適合RF放大器中的電平設(shè)置應(yīng)用。?

為了以最佳線性度和效率監(jiān)測和控制增益，必須精確測量PA輸出端復(fù)雜RF信號的功率電平。AD8362 TruPowr rms功率檢波器?提供50 Hz至3.8 GHz的65 dB動態(tài)范圍，可對W-CDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中常見的RF信號進(jìn)行精確的均方根功率測量。

在圖3中，功率檢測器的輸出，V外，連接到PA的增益控制端以調(diào)節(jié)其增益。PA輸出驅(qū)動天線;定向耦合器拾取輸出的一小部分，適當(dāng)衰減，并將其應(yīng)用于功率檢測器。功率檢波器的輸出（發(fā)射器輸出信號的均方根測量值）與DAC編程的值進(jìn)行比較，V設(shè)置;PA增益調(diào)整為零差。因此V設(shè)置精確設(shè)置功率增益。ADC的輸出，數(shù)字測量V外，饋入更大的反饋環(huán)路，該反饋環(huán)路可以跟蹤AD8362測量的發(fā)射功率輸出，確定V設(shè)置以及系統(tǒng)確定的增益要求。

圖3.功率吞吐量檢測。

這種增益控制方法可與信號鏈前幾級中使用的可變增益放大器（VGA）和變壓放大器（VVA）一起使用。為了測量發(fā)射和接收功率，AD8364雙通道檢波器可同時(shí)測量兩個(gè)復(fù)數(shù)輸入信號。在VGA或預(yù)驅(qū)動器位于PA之前，并且只需要一個(gè)功率檢測器的系統(tǒng)中，其中一個(gè)器件的增益是固定的，而V外饋送另一個(gè)的控制輸入。

如果環(huán)路確定線路電流過高，則向DAC發(fā)送命令以降低柵極電壓或關(guān)斷器件。然而，在某些應(yīng)用中，如果高壓電源線上出現(xiàn)電壓尖峰或無法接受的高電流，數(shù)字控制環(huán)路將無法檢測高端電流，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，也無法通過外部控制邏輯足夠快地處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以防止器件損壞。

在模擬方法中，可以使用ADCMP371比較器和RF開關(guān)來控制PA的RF信號，如圖4所示。電流檢測的輸出電壓直接與DAC設(shè)置的固定電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電流傳感器的輸出端出現(xiàn)高于固定電壓的電壓時(shí)，由于電壓或電流尖峰，比較器可以切換RF開關(guān)上的控制引腳，幾乎瞬間切斷PA柵極的RF信號，防止損壞PA。這種繞過數(shù)字處理的直接控制速度更快，并提供更好的保護(hù)。

圖4.使用模擬比較器的控制環(huán)路保護(hù)。

結(jié)合上述元素，典型的PA監(jiān)測和控制配置由分立器件組成，如圖5所示。在這種情況下，唯一被監(jiān)測和控制的放大器是PA本身，但類似的原理也適用于信號鏈中任何放大器的控制。所有分立元件均使用一個(gè)主控制器進(jìn)行控制，并在相同的I下運(yùn)行2C總線。

圖5.使用分立器件監(jiān)視和控制 PA。

根據(jù)信號鏈的要求，在預(yù)驅(qū)和最后級可能需要許多放大器，以增加天線前方信號的整體功率增益。不幸的是，這些額外的功率增益級會對PA的整體效率產(chǎn)生不利影響。為了最大限度地減少PA效率的下降，必須對驅(qū)動器進(jìn)行監(jiān)測和控制，以優(yōu)化性能。例如，用戶需要大量分立元件來監(jiān)控VGA上的溫度、功率和電壓電平，需要兩個(gè)預(yù)驅(qū)動器和兩個(gè)用于增益圖2所示信號的最終級PA。

集成監(jiān)測和控制

為了解決這一擴(kuò)散問題，ADI公司開發(fā)了AD7294，這是一款專為解決這一問題而設(shè)計(jì)的集成監(jiān)測和控制解決方案。AD7294包含通用電流、電壓和溫度監(jiān)測和控制所需的所有功能和特性，集成在單個(gè)芯片上。

圖6.用于監(jiān)測和控制 PA 級的集成解決方案。

AD7294由一個(gè)9通道、12位ADC和一個(gè)4通道DAC組成，灌電流/拉電流能力為10 mA。它采用 0.6μm DMOS 技術(shù)制造，允許電流傳感器測量高達(dá) 59.4 V 的共模電平。該ADC具有兩個(gè)專用電流檢測通道、兩個(gè)用于檢測外部結(jié)溫的通道、一個(gè)用于檢測芯片內(nèi)部溫度的通道，以及四個(gè)用于通用監(jiān)控的非專用ADC輸入。

ADC通道還具有遲滯以及上限和下限寄存器（也可在AD7992/AD7994/AD7998上找到）的額外優(yōu)勢。用戶可以對ADC通道的上限和下限進(jìn)行預(yù)編程;如果違反這些限制，受監(jiān)控的信號將標(biāo)記警報(bào)。遲滯寄存器為用戶提供了在發(fā)生超出限制時(shí)確定警報(bào)標(biāo)志復(fù)位點(diǎn)的附加功能。遲滯可防止嘈雜的溫度或電流傳感器讀數(shù)連續(xù)切換警報(bào)標(biāo)志。

模數(shù)轉(zhuǎn)換可以通過兩種不同的方式啟動。命令模式允許用戶按需轉(zhuǎn)換單個(gè)通道或一系列通道。自動循環(huán)模式在一系列預(yù)編程通道上自動轉(zhuǎn)換，這是系統(tǒng)監(jiān)控的理想操作模式，特別是對于連續(xù)監(jiān)控信號，如信號功率和電流檢測，并且僅在違反預(yù)編程的上限或下限時(shí)發(fā)出警報(bào)。

提供兩個(gè)雙向高端電流檢測放大器（圖 7）。當(dāng)PA漏極電流流過分流電阻時(shí)，小差分輸入電壓被放大。集成電流檢測放大器可抑制高達(dá)59.4 V的共模電壓，并向其中一個(gè)多路復(fù)用ADC通道提供放大的模擬信號。兩個(gè)電流檢測放大器的固定增益均為12.5，并利用一個(gè)內(nèi)部2.5 V輸出失調(diào)基準(zhǔn)電壓源。

圖7.AD7294 高端電流檢測細(xì)節(jié)

每個(gè)放大器都配有一個(gè)模擬比較器，用于檢測高于1.2×滿量程電壓閾值的故障。

四個(gè) 12 位 DAC 提供數(shù)字控制電壓（分辨率為 1.2mV），以控制功率晶體管的偏置電流。它們還可用于為可變增益放大器提供控制電壓。DAC 內(nèi)核是一款薄膜、12 位、固有單調(diào)串 DAC，具有 2.5V 基準(zhǔn)電壓源和 5V 輸出范圍。其輸出緩沖器驅(qū)動高壓輸出級。DAC的輸出范圍由失調(diào)輸入控制，可定位在0 V至15 V之間。這為最終用戶提供了在 5V 范圍內(nèi)進(jìn)行 12 位精確控制的選項(xiàng)，同時(shí)允許在 PA 晶體管遷移到更大的控制柵極電壓時(shí)靈活地使用高達(dá) 15V 的偏置電壓。此外，四個(gè)DAC能夠吸收或拉出高達(dá)10 mA的電流，因此無需外部驅(qū)動緩沖器。

結(jié)論

PA供應(yīng)商正在使用各種增益級和控制技術(shù)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的PA前端信號鏈。多通道ADC和DAC以及模擬RF組件的可用系列非常適合處理不同的系統(tǒng)分區(qū)和架構(gòu)，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的分布式控制?；蛘?，AD7294等單芯片解決方案在電路板面積、系統(tǒng)可靠性和成本方面具有顯著優(yōu)勢。從定制設(shè)計(jì)的角度來看，豐富的專用功能和集成系統(tǒng)構(gòu)建模塊為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的授權(quán)。

審核編輯：郭婷