基站功率放大器的監(jiān)控和控制 - 全文

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)把功耗降至最低的方法。例如，通過監(jiān)控和控制基站功率放大器(PA)的性能，以使功率放大器的輸出功率最大，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)控和控制PA的輸出電平。

無(wú)線基站在功耗、線性度、效率和成本方面的性能主要取決于信號(hào)鏈中的PA。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性能優(yōu)勢(shì)，非常適合現(xiàn)代蜂窩基站PA設(shè)計(jì)。線性度、效率和增益的內(nèi)在平衡決定著LDMOS PA晶體管的最佳偏置條件。

基于環(huán)保原因，基站電源效率的優(yōu)化也是電信業(yè)各公司的重要考慮事項(xiàng)。為降低基站的總能耗，減小它們對(duì)環(huán)境的影響，業(yè)界正在進(jìn)行不懈的努力。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的電源效率可提高基站的運(yùn)行性能，有助于保護(hù)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益。

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)確保其輸出功率水平保持在規(guī)定范圍內(nèi)。控制柵極偏置電流的一種方法是把它與一個(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)大缺點(diǎn)，即沒有考慮到環(huán)境的變化、制造的擴(kuò)展或電源電壓的差異。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)字電位計(jì)來(lái)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。借助用戶可編程?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內(nèi)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)檢測(cè)放大器來(lái)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。滿量程電流讀數(shù)由一個(gè)外接檢測(cè)電阻(R)來(lái)設(shè)定。在監(jiān)控極高電流的應(yīng)用中，這個(gè)檢測(cè)電阻必須能耐受I2R的功耗。如果超出該電阻的額定功耗，電阻值可能偏移或電阻完全失效，造成兩端的差分電壓超過絕對(duì)最大額定值。

測(cè)得的電壓以電流傳感器的輸出表示，可多路復(fù)用輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中，以產(chǎn)生監(jiān)控所需的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。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)檢測(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)其柵極電壓，從而保持最佳的偏置條件。

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。利用一個(gè)或多個(gè)分立式溫度傳感器測(cè)量PA的溫度，就可以監(jiān)控電路板上的溫度變化。同時(shí)各式各樣的分立式溫度傳感器可滿足系統(tǒng)要求，從模擬電壓輸出溫度傳感器到數(shù)字輸出溫度傳感器，控制接口有單線、I2C總線和串行外設(shè)接口(SPI)。

溫度傳感器的輸出電壓多路復(fù)用輸入到ADC中，從而將該溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以供監(jiān)控使用（圖1）。根據(jù)系統(tǒng)的配置不同，電路板上可能需要使用多個(gè)溫度傳感器。例如，如果使用一個(gè)以上的PA，或者前端需要多個(gè)前置驅(qū)動(dòng)器，則對(duì)每一個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器可以更好地控制系統(tǒng)。這種情況下，需要一個(gè)多通道ADC來(lái)轉(zhuǎn)換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類ADC都具有內(nèi)置超量程警告功能，當(dāng)輸入超過設(shè)定的限值時(shí)就會(huì)發(fā)出警告。在PA信號(hào)鏈中，這種功能對(duì)監(jiān)控溫度和電流傳感器讀數(shù)意義重大。上限和下限均可以預(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)一般還配有遲滯寄存器。超出限值時(shí)，該寄存器決定警告標(biāo)志的復(fù)位點(diǎn)。遲滯寄存器可以防止高噪聲的溫度或電流傳感器讀數(shù)連續(xù)觸發(fā)警告標(biāo)記。例如，ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I2C接口ADC就帶有這種超量程限值指示器，分別提供2、4、8個(gè)功率處理通道。

利用控制邏輯電路，可以對(duì)來(lái)自電流傳感器和溫度傳感器的數(shù)字信息進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。通過數(shù)字電位計(jì)或DAC來(lái)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(lái)決定。在基站設(shè)計(jì)中，電信公司普遍采用多個(gè)PA（圖2），這樣為每個(gè)射頻(RF)載波選擇PA時(shí)靈活性更大。每個(gè)PA都可以針對(duì)某一特殊調(diào)制方案進(jìn)行優(yōu)化。并聯(lián)多個(gè)PA還能提高線性度和總體效率。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電平設(shè)置和增益控制要求。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)PA柵極的精確控制，ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625等DAC分別提高12位單路、雙路和四路輸出。這些器件具有非常出色的源電流和吸電流能力，在大多數(shù)應(yīng)用中可無(wú)需輸出緩沖器。低功耗、保證單調(diào)性和快速建立時(shí)間等特性相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的電平設(shè)置應(yīng)用。

若精度不是主要規(guī)格，且可以接受8位分辨率，則數(shù)字電位計(jì)是更具成本效益的選擇。數(shù)字電位計(jì)具有與機(jī)械電位計(jì)或可變電阻器相同的電子調(diào)整功能，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)字電位計(jì)非常適合時(shí)分雙工(TDD) RF應(yīng)用，其中，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)器要求的不同，有大量數(shù)字電位計(jì)可供這類應(yīng)用選擇。256抽頭、一次性可編程、雙通道的I2C電位計(jì)，例如ADI公司的AD5172，就非常適合RF放大器中的電平設(shè)置應(yīng)用。

通過精確測(cè)量PA輸出端的復(fù)雜RF信號(hào)的功率水平，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，可以從WCDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的RF信號(hào)提取精確的功率有效值。

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。根據(jù)輸出電壓VOUT與RF輸入信號(hào)之間的既定關(guān)系，功率檢波器調(diào)整VOUT上的電壓（VOUT現(xiàn)在是誤差放大器輸出），直到RF輸入端的電平與所施加的控制電壓VSET相對(duì)應(yīng)。加上ADC便構(gòu)成完整的反饋環(huán)路，它能夠跟蹤功率檢波器的輸出，并調(diào)整其VSET輸入。這種增益控制方法可用于信號(hào)鏈的前面幾級(jí)中使用的可變電壓放大器(VVA)和VGA。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)數(shù)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。此時(shí)，一個(gè)器件的增益是固定的，而VOUT為另一個(gè)器件提供控制輸入。

當(dāng)在高壓供電線上檢測(cè)到電壓尖峰或過大電流時(shí)，某些應(yīng)用中的數(shù)字控制環(huán)路可能不夠快，無(wú)法防止器件受損。數(shù)字控制環(huán)路包括：利用電流檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)檢測(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)路判斷出線路電流過大，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并通過一個(gè)RF開關(guān)來(lái)控制PA的RF信號(hào)輸入（圖4）。如果在供電線上檢測(cè)到大電流，可以關(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。電流檢測(cè)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)電流檢測(cè)的輸出電壓高于該固定電壓時(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)典型的采用分立器件的PA監(jiān)控和控制配置。唯一被監(jiān)控的放大器是PA本身，不過，信號(hào)鏈中的任一個(gè)放大器都可以采用這種方式進(jìn)行處理。所有分立器件都采用同一條數(shù)據(jù)總線工作，本例中為I2C數(shù)據(jù)總線，并通過一個(gè)主控制器來(lái)予以控制，以最大程度地降低器件數(shù)量、復(fù)雜性和成本。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，使用分立器件來(lái)監(jiān)控和控制基站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供應(yīng)商設(shè)計(jì)的PA前端信號(hào)鏈越來(lái)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(lái)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?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的分布式控制。