基站功率放大器的监控与控制

基站功率放大器的监控和控制

来源：大比特商务网

摘要：蜂窝通信的发展与先进调制方案的关系日益密切。在最新一代（2.5G和3G）基站中，设计策略包括实现高线性度同时把功耗降至最低的方法。例如，通过监控和控制基站功率放大器(PA)的性能，以使功率放大器的输出功率最大，同时获得最佳线性度和效率。幸运的是，采用为此目的量身定做的分立式集成电路(IC)，就可以很简单地监控和控制PA的输出电平。

关键字：无线基站,功率放大器,漏极偏置电流

蜂窝通信的发展与先进调制方案的关系日益密切。在最新一代(2.5G 和3G)基站中，设计策略包括实现高线性度同时把功耗降至最低的方法。例如，通过监控和控制基站功率放大器(PA)的性能，以使功率放大器的输出功率最大，同时获得最佳线性度和效率。幸运的是，采用为此目的量身定做的分立式集成电路(IC)，就可以很简单地监控和控制PA的输出电平。

无线基站在功耗、线性度、效率和成本方面的性能主要取决于信号链中的PA。硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管具有低成本和大功率性能优势，非常适合现代蜂窝基站PA设计。线性度、效率和增益的内在平衡决定着LDMOSPA晶体管的最佳偏置条件。

基于环保原因，基站电源效率的优化也是电信业各公司的重要考虑事项。为降低基站的总能耗，减小它们对环境的影响，业界正在进行不懈的努力。基站每天的运行成本主要源自电能的消耗，其中，PA消耗的电能可能就占了一半以上。因此，优化PA的电源效率可提高基站的运行性能，有助于保护环境和提高经济效益。

控制漏极偏置电流，使其在温度和时间变化时保持恒定，这能够显著提高PA的总体性能，同时确保其输出功率水平保持在规定范围内。控制栅极偏置电流的一种方法是把它与一个电阻分压器固定在一起，在测试/评估阶段优化栅极电压。

虽然这种固定栅极电压解决方案颇具成本效益，但它有一个大缺点，即没有考虑到环境的变化、制造的扩展或电源电压的差异。利用一个高分辨率数模转换器(DAC)或一个分辨率较低的数字电位计来动态控制PA栅

极电压，可以对输出功率进行更好的控制。借助用户可编程栅极电压，即使电压、温度和其它环境参数发生变化，PA也能够保持最佳偏置条件。

影响PA漏极偏置电流的两个主要因素是PA的高压供电线的变化和片内温度的变化。PA晶体管的漏极电压很容易受高压供电线变化的影响。通过采用一个高端电流(I)检测放大器来精确测量高压供电线上的电流，就可以监控PA晶体管的漏极电压。满量程电流读数由一个外接检测电阻(R)来设定。在监控极高电流的应用中，这个检测电阻必须能耐受I2R的功耗。如果超出该电阻的额定功耗，电阻值可能偏移或电阻完全失效，造成两端的差分电压超过绝对最大额定值。

测得的电压以电流传感器的输出表示，可多路复用输入到模数转换器(ADC)中，以产生监控所需的数字数据。需注意确保电流传感器的输出电压尽可能接近ADC的最大模拟输入范围。通过对高压线的持续监控，当检测到供电线上出现浪涌电压时，功率放大器可以重新调节其栅极电压，从而保持最佳的偏置条件。

LDMOS晶体管的漏源电流IDS有两个与温度有关的项，即有效电子迁移率μ和阈值电压Vth：

阈值电压和有效电子迁移率随温度升高而降低。因此，温度的变化将引起输出功率的变化。利用一个或多个分立式温度传感器测量PA的温度，就可以监控电路板上的温度变化。同时各式各样的分立式温度传感器可满足系统要求，从模拟电压输出温度传感器到数字输出温度传感器，控制接口有单线、I2C总线和串行外设接口(SPI)。

温度传感器的输出电压多路复用输入到ADC中，从而将该温度数据转换为数字数据以供监控使用(图1)。根据系统的配置不同，电路板上可能需要使用多个温度传感器。例如，如果使用一个以上的PA，或者前端需要多个前置驱动器，则对每一个放大器使用一个温度传感器可以更好地控制系统。这种情况下，需要一个多通道ADC来转换温度传感器的模拟输出。目前，各类ADC都具有内置超量程警告功能，当输入超过设定的限值时就会发出警告。在PA信号链中，这种功能对监控温度和电流传感器读数意义重大。上限和下限均可以预先设定，只有超出这些限值时才产生警告信息。这类设计一般还配有迟滞寄存器。超出限值时，该寄存器决定警告标志的复位点。迟滞寄存器可以防止高噪声的温度或电流传感器读数连续触

发警告标记。例如，ADI公司的AD7992、AD7994和AD799812位低功率I2C 接口ADC就带有这种超量程限值指示器，分别提供2、4、8个功率处理通道。

利用控制逻辑电路，可以对来自电流传感器和温度传感器的数字信息进行连续监控。通过数字电位计或DAC来动态控制PA的栅极电压，同时监控传感器的读数，可以保持最优化的偏置条件。DAC的分辨率将由栅极电压所需要的控制级别来决定。在基站设计中，电信公司普遍采用多个PA(图2)，这样为每个射频(RF)载波选择PA时灵活性更大。每个PA都可以针对某一特殊调制方案进行优化。并联多个PA还能提高线性度和总体效率。这种情况下，PA可能需要多个级联增益级，包括可变增益放大器(VGA)和前置驱动器级，以满足增益和效率要求。多通道DAC可以满足这些模块的不同电平设置和增益控制要求。

为实现对PA栅极的精确控制，ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625等DAC分别提高12位单路、双路和四路输出。这些器件具有非常出色的源电流和吸电流能力，在大多数应用中可无需输出缓冲器。低功耗、保证单调性和快速建立时间等特性相结合，能够实现精确的电平设置应用。

若精度不是主要规格，且可以接受8位分辨率，则数字电位计是更具成本效益的选择。数字电位计具有与机械电位计或可变电阻器相同的电子调整功能，而且提供更高的分辨率、固态可靠性和出色的温度性能。非易失性、一次性可编程(OTP)数字电位计非常适合时分双工(TDD)RF应用，其中，PA在TDD接收期间关断，在发射期间通过固定栅极电压导通。这种预先编程的启动电压在PA晶体管导通进入发射阶段时可减小导通延迟，提高效率。在接收期间关断PA晶体管可避免发射噪声干扰接收信号。这种技术还能提高PA的总体效率。根据通道数目、接口类型、分辨率和非易失性存储器要求的不同，有大量数字电位计可供这类应用选择。256抽头、一次性可编程、双通道的I2C电位计，例如ADI公司的AD5172，就非常适合RF放大器中的电平设置应用。

通过精确测量PA输出端的复杂RF信号的功率水平，可以对放大器增益进行更好的控制，从而优化器件的效率和线性度。利用均方根(RMS)功率检波器，可以从WCDMA、EDGE和UMTS蜂窝基站中的RF信号提取精确的功率有效值。