監(jiān)控基站功率放大器的優(yōu)化方案

蜂窩通信的發(fā)展與先進調(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)計策略包括實現(xiàn)高線性度同時將功耗降至最低的方法。例如，通過監(jiān)控基站功率放大器(PA)的性能，可使PA的輸出功率最大化，同時獲得最佳線性度和效率。幸運的是，采用針對該目的量身定做的分立集成電路(IC)，就可以很簡單地監(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信號鏈中的PA。硅橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管所具有的低成本和大功率性能優(yōu)勢，非常適合于現(xiàn)代蜂窩基站PA設(shè)計。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。為降低基站的總能耗以減小它們對環(huán)境的影響，業(yè)界正在進行不懈的努力?；久刻斓倪\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行性能，有助于保護環(huán)境和提高經(jīng)濟效益。

　　控制漏極偏置電流，使其在溫度和時間變化時保持恒定，這能夠顯著提高PA的總體性能，同時確保其輸出功率水平保持在規(guī)定范圍內(nèi)。一種控制柵極偏置電流的方法是在測試/評估階段用電阻分壓器固定柵極電壓來優(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，但它有一個大缺點，就是沒有考慮到環(huán)境變化、制造的延伸性或電源電壓變化。利用一個高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或一個較低分辨率的數(shù)字電位計來動態(tài)控制PA柵極電壓，可以對輸出功率進行更好的控制。利用用戶可編程柵極電壓，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主要因素是PA的高壓供電線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。通過采用一個高壓側(cè)電流(I)檢測放大器來精確測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)由一個外部檢測電阻(R)來設(shè)定。在監(jiān)控極高電流的應(yīng)用中，這個檢測電阻必須能消耗掉I2R的損耗。如果超出該電阻的額定功耗，電阻值可能發(fā)生偏移或電阻完全失效，這將造成其兩端的差分電壓超過絕對最大額定值。

　　用電流傳感器輸出表示的被測電壓可被多路復(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應(yīng)盡可能接近ADC的滿量程模擬輸入范圍。通過對高壓線的持續(xù)監(jiān)控，當(dāng)檢測到供電線上出現(xiàn)浪涌電壓時，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有兩個與溫度有關(guān)的項，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。利用一個或多個分立溫度傳感器測量PA的溫度，就可以監(jiān)控電路板上的溫度變化。有多種分立式溫度傳感器可滿足系統(tǒng)要求，從各種模擬電壓輸出溫度傳感器到具有單線、I2C總線和串行外設(shè)接口(SPI)控制的各種數(shù)字輸出溫度傳感器。

　　將溫度傳感器的輸出電壓多路復(fù)用輸入到ADC中，從而使該溫度數(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)配置不同，電路板上可能需要使用多個溫度傳感器。例如，如果使用一個以上的PA或者前端需要多個前置驅(qū)動器，則對每一個放大器使用一個溫度傳感器可以更好地控制系統(tǒng)。這種情況下，需要一個多通道ADC來轉(zhuǎn)換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類ADC一般都具有內(nèi)置超量程報警功能，當(dāng)輸入超過設(shè)定的限值時就會發(fā)出警告。在PA信號鏈中，這種功能對監(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，只有超出這些限度時才發(fā)出警告信號。

　　圖1：該模塊圖顯示了使用一個ADT75溫度傳感器和ADM4073電流傳感器多路復(fù)用到ADC模型的簡化控制系統(tǒng)。