分立元件實(shí)現(xiàn)功放監(jiān)測(cè)與控制

1 引言

　　基站即公用移動(dòng)通信基站是無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站的一種形式，是指在一定的無(wú)線(xiàn)電覆蓋區(qū)中，通過(guò)移動(dòng)通信交換中心，與移動(dòng)電話(huà)終端之間進(jìn)行信息傳遞的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)信電臺(tái)。在無(wú)線(xiàn)基站中，功放(PA)決定了信號(hào)鏈在功耗、線(xiàn)性度、效率和成本方面的性能。通過(guò)對(duì)基站中的功放性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，可以最大化地提高功放的輸出，而同時(shí)又可獲得最優(yōu)的線(xiàn)性度和效率。本文將討論使用分立元件的功放監(jiān)測(cè)與控制解決方案，并介紹集成的解決方案。

　　2 使用分立元件進(jìn)行功放控制

　　圖1示出了使用LDMOS晶體管的基本功率級(jí)。在線(xiàn)性度、效率和增益之間固有的權(quán)衡考慮，確定了功放晶體管的最優(yōu)偏置狀態(tài)。通過(guò)對(duì)漏極偏流的控制，使其隨溫度和時(shí)間的變化而保持一個(gè)恒定的值，就可以極大地改善功放的總體性能，同時(shí)還可以確保功放工作在調(diào)整的輸出功率范圍之內(nèi)。

　　圖1 簡(jiǎn)化的控制系統(tǒng)

　　一種較佳的方法是動(dòng)態(tài)控制功放的柵極電壓，其原理是，使用數(shù)字控制算法測(cè)量漏極電流，通過(guò)ADC將該漏極電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并且使用一個(gè)高分辨率DAC或一個(gè)較低分辨率的數(shù)字電位計(jì)設(shè)定所需的偏置。通過(guò)這個(gè)用戶(hù)可調(diào)的控制系統(tǒng)可以使功放維持在所需的偏置狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能，而無(wú)論電壓、溫度和其他環(huán)境參數(shù)如何變化。

　　這種控制方法中的一個(gè)關(guān)鍵因素是，使用一個(gè)高端檢測(cè)電阻和AD8211電流檢測(cè)放大器，準(zhǔn)確地測(cè)量經(jīng)由高壓電源線(xiàn)提供給LDMOS晶體管的電流。AD8211的共模輸入范圍高達(dá)+65 V，并且提供20 V/V的固定增益。通過(guò)外部的傳感電阻對(duì)滿(mǎn)量程電流讀數(shù)進(jìn)行設(shè)定。電流檢測(cè)放大器的輸出電壓可以通過(guò)多路復(fù)用器提供給ADC，以產(chǎn)生用于監(jiān)測(cè)和控制的數(shù)字量。這里必須注意，電流傳感器的輸出電壓需盡量接近ADC的滿(mǎn)量程輸入范圍。

　　LDMOS晶體管的源漏電流IDS是柵源電壓Vgs的函數(shù)，包含與溫度相關(guān)的兩項(xiàng)，即有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth

　　閾值電壓Vth和有效電子遷移率μ隨溫度的上升而降低。因此，溫度的變化會(huì)引起輸出功率的變化。使用一個(gè)或幾個(gè)ADT75 12-bit溫度傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度和功放芯片溫度，可以對(duì)電路板上的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。ADT75是一個(gè)完整的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用8引腳MSOP封裝，在0°C～70°C的溫度范圍內(nèi)具有±1°C的精度。

　　將溫度傳感器的輸出電壓、漏極電流以及其他數(shù)據(jù)通過(guò)多路復(fù)用器輸入ADC，可以將溫度測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為用于監(jiān)測(cè)的數(shù)字量。根據(jù)系統(tǒng)配置，可能有必要在電路板上使用好幾個(gè)溫度傳感器。例如，如果使用了多個(gè)功放，或者在前端需要若干個(gè)預(yù)驅(qū)動(dòng)，那么，對(duì)于每個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器就可以對(duì)系統(tǒng)提供更好的控制能力。

　　使用控制邏輯電路或者微控制器，可以對(duì)電流傳感器和溫度傳感器的數(shù)字量進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)傳感器的讀數(shù)和處理數(shù)字輸出的同時(shí)，利用數(shù)字電位計(jì)或DAC對(duì)功放柵極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，可以維持一個(gè)最佳的偏置狀態(tài)。對(duì)于柵極電壓所需的控制量將決定DAC的分辨率。電訊公司通常在基站設(shè)計(jì)中使用多個(gè)功放，如圖2所示，這樣可以在針對(duì)每個(gè)RF載波設(shè)備選擇功放時(shí)，提供更多的靈活性，并且每個(gè)功放可以針對(duì)一個(gè)具體的調(diào)制方案而優(yōu)化。

　　圖2 典型的高功率放大器信號(hào)鏈

　　為了對(duì)功放的柵極電壓實(shí)現(xiàn)精確控制，ADI公司的12 bit DAC AD5622、AD5627和AD5625分別能夠提供的單路、兩路和四路輸出。這些器件的內(nèi)部緩沖器具有極好的源電流和灌電流的能力，在大多數(shù)應(yīng)用中可以不必使用外部緩沖器。

　　在精度不是最主要的考慮因素且8-bit的分辨率可被接受的應(yīng)用中，數(shù)字電位計(jì)是一種性?xún)r(jià)比更高的選擇。這些數(shù)字調(diào)節(jié)可變電阻執(zhí)行的電子調(diào)節(jié)功能與機(jī)械式電位計(jì)或可變電阻相同，而且具有更高的分辨率、固態(tài)技術(shù)的可靠性以及卓越的溫度性能。非易失性和一次可編程(OTP)的數(shù)字電位計(jì)在時(shí)分雙工(TDD)RF應(yīng)用中是理想的選擇;在TDD接收期間，功放關(guān)閉，在發(fā)送期間，功放通過(guò)固定柵壓導(dǎo)通。這種預(yù)編程的啟動(dòng)電壓降低了開(kāi)啟延遲，并且改善了開(kāi)啟功放晶體管時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)的效率。