在基站應(yīng)用中采用分立元件控制功放

　　蜂窩通信基站技術(shù)發(fā)展到了包含2.5G和3G的調(diào)制方案，提出了產(chǎn)生更為復(fù)雜的RF信號(hào)的要求。通過(guò)對(duì)基站中的功放(PA)性能的監(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。本文將討論如何利用分立的集成電路對(duì)功放進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

　　無(wú)線(xiàn)基站的性能，從功耗、線(xiàn)性度、效率和成本來(lái)評(píng)價(jià)，則主要是由信號(hào)鏈中的功放決定的。LDMOS晶體管的低成本和大功率的特性，使它們成為當(dāng)今蜂窩基站的功放設(shè)計(jì)中的放大器選擇。而對(duì)線(xiàn)性度、效率和增益等方面的固有的折衷考慮，則確定了LDMOS功放晶體管的最優(yōu)偏置狀態(tài)。

　　由于環(huán)境上的原因，對(duì)基站的電源效率的優(yōu)化也是服務(wù)于電訊行業(yè)中各公司的一個(gè)主要考慮。目前正在投入巨大的努力，以降低基站的總能源消耗，以此來(lái)減少基站對(duì)環(huán)境的影響?；久刻斓闹饕\(yùn)行成本是電能，而功放可以消耗基站所需的一半以上的電力，所以，優(yōu)化功放的電源效率就可以改善運(yùn)行性能和提供環(huán)境和財(cái)務(wù)上的效益。

　　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性能，同時(shí)又可確保功放工作在調(diào)整的輸出功率范圍之內(nèi)。其中的一個(gè)控制柵極偏流的方法，是在測(cè)試和評(píng)估階段對(duì)柵極電壓進(jìn)行優(yōu)化，然后用一個(gè)電阻分壓器將它固定起來(lái)。雖然這個(gè)固定柵極電壓的方法是有效且低成本的，但主要的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮到環(huán)境、制造容差或電源電壓的變化。使用一個(gè)高分辨率DAC或一個(gè)較低分辨率的數(shù)字電位器對(duì)功放柵極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，將可以對(duì)輸出功率提供更強(qiáng)的控制。一種用戶(hù)可調(diào)的柵極電壓可以使功放維持在它的最優(yōu)偏流狀態(tài)，無(wú)論電壓、溫度和其他環(huán)境參數(shù)如何變化。

　　兩個(gè)影響功放漏極偏流的主要因素為：

　　·功放的高壓電源線(xiàn)上的變化。

　　·芯片的溫度變化。

　　功放晶體管的漏極電壓容易受到高壓電源線(xiàn)上變化的影響。使用一個(gè)高端的電流檢測(cè)放大器來(lái)精確測(cè)定高壓電源線(xiàn)上的電流，就可以對(duì)功放晶體管的漏極電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。用一個(gè)外部的傳感電阻對(duì)滿(mǎn)度電流讀數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在監(jiān)測(cè)高電流的應(yīng)用中，傳感電阻必須能夠消耗I2R的功耗。如果超過(guò)了電阻的極限功耗，它的阻值就會(huì)漂移，或者完全損壞，而造成電阻兩端之間的差分電壓值超過(guò)了絕對(duì)的最大值。

　　在電流傳感器輸出端上測(cè)得的電壓，可以通過(guò)ADC采樣，以產(chǎn)生用于監(jiān)測(cè)之用的數(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。對(duì)高壓電源線(xiàn)的恒久監(jiān)測(cè)，可以使功放在監(jiān)測(cè)到高壓電源線(xiàn)上出現(xiàn)浪涌電壓的時(shí)候,重新調(diào)整它的柵極電壓，從而維持在一個(gè)最優(yōu)的偏置狀態(tài)。

　　LDMOS晶體管的源漏間的電流IDS包含與溫度相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)，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將隨著溫度的上升而降低，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)分立的溫度傳感器來(lái)測(cè)量功放的溫度，可以對(duì)電路板上的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有許多種分立的溫度傳感器可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求，包括模擬量輸出的溫度傳感器，到使用1條導(dǎo)線(xiàn)的、I2C和SPI接口的數(shù)字量輸出的溫度傳感器。



　　圖1 簡(jiǎn)化的控制系統(tǒng)

　　將溫度傳感器的輸出電壓通過(guò)多路復(fù)用器輸入ADC，可以把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用于監(jiān)測(cè)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)整個(gè)系統(tǒng)提供更多的控制能力。在這種情況下，就需要使用多通道ADC，以便對(duì)各個(gè)溫度傳感器的模擬輸出量完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)今的ADC中，通常都設(shè)有內(nèi)部的超量程報(bào)警功能。當(dāng)輸入超出了預(yù)先編程設(shè)定的極限值時(shí)，這個(gè)附加的功能就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，這對(duì)于監(jiān)測(cè)功放信號(hào)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(cè)的上限和下限都可以預(yù)先通過(guò)程序來(lái)設(shè)定，而只有當(dāng)超出這個(gè)范圍時(shí)才產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。在這類(lèi)設(shè)計(jì)中，一般也都是設(shè)置有滯后寄存器(Hysteresis registers)。這種寄存器確定了在出現(xiàn)超范圍而發(fā)出報(bào)警信號(hào)之后的復(fù)位點(diǎn)。滯后寄存器防止了當(dāng)溫度或電流傳感器的讀數(shù)中混有大噪聲時(shí)，對(duì)報(bào)警特征位不斷地來(lái)回?fù)軇?dòng)。如ADI公司的I2C接口的二、四、八通道12位低功耗ADC —AD7992/4/8都具有這個(gè)超量程的指示功能。

　　使用了控制邏輯電路之后，可以對(duì)電流傳感器和溫度傳感器的輸出進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。在對(duì)傳感器的讀數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，利用數(shù)字電位器或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。電訊公司一般在基站設(shè)計(jì)中使用多個(gè)功放，如圖2所示，因?yàn)檫@樣可以在對(duì)每個(gè)RF載波設(shè)備選擇功放時(shí)，提供更多的靈活性。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。并行連接功放也可以改善線(xiàn)性度和總效率。在這種情況下，功放也許要求用多個(gè)增益級(jí)級(jí)聯(lián)，包括使用一些可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和預(yù)驅(qū)動(dòng)，以滿(mǎn)足增益和效率的要求。一個(gè)多通道DAC可以完成這些功能塊中的各種電平設(shè)定和增益控制的要求。



　　圖2  典型的HPA信號(hào)鏈

　　為了對(duì)功放的柵極電壓實(shí)現(xiàn)精確控制，如ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625，這些ADC可以提供12位的單路、兩路和四路輸出。這些器件具有極好的源電流和灌電流的能力，在大多數(shù)情況下就不再需要使用輸出緩沖器了。這些電路兼有低功耗、單調(diào)性和快速穩(wěn)定時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，可以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的電壓電流設(shè)定。

　　在精度不是最主要的考慮因素、8位的分辨率可接受的應(yīng)用中，數(shù)字電位計(jì)是一種更低成本的選擇。這些電位計(jì)與機(jī)械式的電位計(jì)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；在這種應(yīng)用中的TDD接收期間，功放是關(guān)閉的，在發(fā)送期間，功放是用固定柵壓且導(dǎo)通的。這個(gè)可編程的啟動(dòng)電壓降低了開(kāi)啟延遲，并且改善了在開(kāi)啟功放晶體管時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)時(shí)的效率。在接收期間可以關(guān)斷功放晶體管的能力，避免了發(fā)射噪聲對(duì)接收信號(hào)的破壞。這個(gè)技術(shù)也改善了功放的總效率。根據(jù)通道數(shù)量、接口類(lèi)型、分辨率和對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的要求，有眾多的數(shù)字電位計(jì)可供選擇。，例如ADI公司的AD5172—256個(gè)位置、一次編程和雙通道的I2C電位計(jì)，非常適合于RF放大器中的電平設(shè)置。

　　對(duì)功放輸出端上復(fù)雜的RF信號(hào)的功率電平進(jìn)行精確測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器增益更強(qiáng)的控制，從而優(yōu)化了器件的效率與線(xiàn)性度。使用均方根值(rms)的功率檢測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)從W-CDMA、EDGE和UMTS的蜂窩基站中的RF信號(hào)中提取出精確的均方根功率電平。

　　在圖3中，功率檢測(cè)器的輸出被連接到了功放的增益控制端。基于VOUT和RF輸入信號(hào)之間的確定關(guān)系，功率檢測(cè)器將對(duì)VOUT端(VOUT現(xiàn)在是一個(gè)誤差放大器的輸出)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到RF輸入的電平與所設(shè)置的VSET保持一致。其中的ADC與DAC構(gòu)成了一個(gè)反饋環(huán)路，而這個(gè)反饋環(huán)路對(duì)功率檢測(cè)器的輸出進(jìn)行跟蹤，并且對(duì)它的VSET輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)增益的控制方法可以使用于信號(hào)鏈的前幾級(jí)中的可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和可變電壓放大器(VVA)。為了對(duì)發(fā)射功率和接收功率都進(jìn)行測(cè)試，可以使用已有的雙路功率檢測(cè)器，對(duì)兩個(gè)復(fù)合信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)。在功放之前存在VGA或者前置驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)中，就只需要一個(gè)功率檢測(cè)器。在這種情況下，兩個(gè)器件中的一個(gè)器件的增益是固定的，而VOUT則饋送到另一個(gè)器件的控制輸入端。



　　圖3 功率檢測(cè)

　　當(dāng)高壓電源線(xiàn)上檢測(cè)到電壓尖峰，或超范圍的大電流的時(shí)候，由于數(shù)字控制環(huán)路的速度不夠快，因而無(wú)法保護(hù)器件不受損壞。數(shù)字控制環(huán)路由下列部分組成：高端電流感應(yīng)的電流傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及用來(lái)處理數(shù)字量的外部控制邏輯。如果環(huán)路確定出電源線(xiàn)上的電流太大，那么，它就向DAC發(fā)出一個(gè)命令，以降低柵極電壓或關(guān)斷此部分。根據(jù)模擬比較器的輸出來(lái)配合RF開(kāi)關(guān)，以控制輸入到功放的RF信號(hào)，如圖4所示。如果在電源線(xiàn)上檢測(cè)到了大電流，那就可以切斷RF信號(hào)，以防止功放被損壞。使用一個(gè)模擬比較器意味著不需要數(shù)字處理，所以環(huán)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(gè)高于固定電壓的電壓時(shí)，比較器可以控制RF開(kāi)關(guān)上的一個(gè)控制引腳，使其電平翻轉(zhuǎn)，并能立即切斷功放柵極的RF信號(hào)。



　　圖4 模擬比較器控制環(huán)路

　　使用分立元件的一個(gè)典型功放監(jiān)測(cè)和控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中被監(jiān)測(cè)和控制的放大器僅是功放本身，但信號(hào)鏈中的任何一個(gè)放大器都可以用這個(gè)方法來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。所有的分立元件都是通過(guò)同一個(gè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行操作的，在本例中則是I2C數(shù)據(jù)總線(xiàn)，采用主控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

　　從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，使用分立元件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制的主要優(yōu)點(diǎn)是，我們可以從一組經(jīng)過(guò)量身定制而精選的產(chǎn)品中選擇這些元件。供應(yīng)商們正在設(shè)計(jì)由各種增益級(jí)和控制技術(shù)組成的、前所未有復(fù)雜性的功放的前端信號(hào)鏈。現(xiàn)有的多通道ADC和DAC是用于不同的系統(tǒng)劃分和架構(gòu)的理想選擇，允許設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)成本有效的分布式控制。



　　圖5 采用分立器件實(shí)現(xiàn)功率放大器的監(jiān)測(cè)和控制