利用分立式器件提升蜂窝基站PA性能

随着蜂窝基站技术的不断发展，对射频(RF)信号的要求更为复杂。通过对基站的功率放大器(PA)性能监测与控制，可以最大化地提高功率放大器的输出，同时又可获得最优越的线性度和效率。本文将讨论如何利用分立式IC对功率放大器进行监测与控制。

借助汲极偏压电流控制提高PA效率

基站的性能，是由功耗、线性度、效率以及成本评价，主要由信号链中的功率放大器决定的。横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管的低成本和大功率放大器的特性，使它们成为当今蜂窝基站功率放大器设计中的首选。而对线性度、效率和增益等方面的折衷考虑，则确定LDMOS功率放大器晶体管最佳的偏置状态。

基于环境上的原因，基站电源效率的最佳化成为各电信产业公司的主要考虑。目前业界正致力于降低基站的总能源消耗，以此来减少基站对环境的影响。基站每天的主要运行成本是电能，而功率放大器可以消耗基站所需的一半以上的电力，所以，优化功率放大器的效率就可以改善运行性能，以及提供环境和财务的效益。

通过对汲极偏压电流的控制，使其随温度和时间的变化保持一个恒定值，即可大幅地改善功率放大器的整体性能，同时又可确保功率放大器工作在调整的输出功率放大器范围之内。其中的一个控制闸极偏流的方法，是在测试和评估阶段对闸极电压进行优化，然后用一个电阻分压器将其固定起来。虽然此固定闸极电压的方法是有效且低成本的，但主要的缺点是没有考虑到环境、制造容差或电源电压的变化。

使用一个高分辨率数字模拟转换器(DAC)，或一个较低分辨率的数字电位计对功率放大器闸极电压进行动态控制，将可以对输出功率放大器提供更强的控制。一种用户可编程的闸极电压可以使功率放大器维持在最佳偏流状态，无论电压、温度以及其他环境参数如何变化。

影响PA汲极偏流二大主因剖析

两个影响功率放大器汲极偏流的主要因素为功率放大器高压电源在线的变化与芯片的温度变化。功率放大器晶体管的汲极电压容易受到高压电源在线变化的影响。使用一个高阶电流检测放大器来精确测定高压电源在线的电流，就可对功率放大器晶体管的汲极电压进行监测。用一个外部的传感电阻对满刻度电流读数进行设定，在监测高电流的应用中，传感电阻必须能够消耗I2R的功耗，若超过电阻的极限功耗，其阻值就会漂移，或者完全损坏，而造成电阻两端之间的差动电压值超过绝对最大值。

电流传感器输出端测得电压，可通过模拟数字转换器(ADC)取样(图1)，以产生用于监测用的数字量。在此必须注意，电流传感器的输出电压须尽量接近ADC的满量程输入范围，对高压电源线的恒久监测，可使功率放大器监测到高压电源在线出现浪涌电压的时，重新调整它的闸极电压，从而维持在最优的偏置状态。

图1　简化型控制系统

LDMOS晶体管的源汲极间电流I_DS包含与温度相关的两项，即有效电子迁移率μ和临界电压V_th。

临界电压V_th和有效电子迁移率μ将随着温度的上升而降低，因此温度的变化会引起输出功率放大器的变化。使用一个或几个分立式温度传感器来测量功率放大器的温度，可以对电路板的温度变化进行监测，许多种分立式温度传感器可以满足系统的需求，包括模拟量输出的温度传感器；以及使用一条导线、I²C和SPI接口的数字量输出的温度传感器。

将温度传感器的输出电压通过多任务器输入ADC，可以把温度数据转换成用于监测的数字量。根据不同的配置结构，也许需要在电路板使用好几个温度传感器。例如，若使用多个功率放大器，或者在前端需要若干个前置驱动器，对于每个放大器使用一个温度传感器就可以对整个系统提供更多的控制能力。在这种情况下，就须使用多通道ADC，以便对各个温度传感器的模拟输出量完成模拟数字转换。在现今的ADC中，通常都设有内部的超量程报警功能。当输入超出预先编程设定的极限值时，这个附加的功能就会产生报警信号，此对于监测功率放大器信号链中的温度传感器和电流传感器的输出，是极其有用的。监测的上限和下限都可以预先通过程序来设定，而只有当超出此范围时才产生警示信号。在此类设计中，一般都设有磁滞缓存器(Hysteresis Register)，此缓存器确定在出现超范围而发出报警信号之后的复位点。磁滞缓存器防止当温度或电流传感器的读数中混有大噪声时，对警示特征位不断地来回拨动。如某公司的I²C接口的二、四、八信道12位低功耗ADC即具有这个超量程的指示功能。

使用控制逻辑电路之后，可以对电流传感器和温度传感器的输出进行连续的监测。在对传感器的读数进行监测的同时，利用数字电位器或DAC对功率放大器闸极电压进行动态控制，可以维持一个最佳的偏置状态。对于闸极电压所需的控制量将决定DAC的分辨率。电信公司一般在基站设计中使用多个功率放大器(图2)，因为可以在对每个RF载波设备选择功率放大器时，提供更多的灵活性。每个功率放大器可以针对一个具体的调变方案而优化，结合并联功率放大器也可以改善线性度和整体效率，在这种情况下，功率放大器也许要用多个串联增益级，包括使用一些可变增益放大器(VGA)和前置驱动器，以满足增益和效率的要求。一个多信道DAC可以完成这些功能区块中的各种电位准设定和增益控制的要求。

图2　典型的HPA信号链

为了对功率放大器的闸极电压实现精确控制，有这些ADC可以提供12位的单信道、双信道和四信道输出。这些组件具有极好的源(Source)电流和灌(Sink)电流的能力，在大多数情况下就无须使用输出缓冲器。这些电路兼有低功耗、单调性以及快速稳定时间的优点，可以实现精确的位准设定应用。

数字电位计为最佳低成本选择方案

在精密度不是最主要的考虑因素、8位的分辨率是可接受的应用中，数字电位计是一种更低成本的选择。这些电位计与机械式的电位计或可变电阻具有相同的电子调节功能，而且具有更好的分辨率、固态技术的可靠性以及卓越的温度性能。非挥发性和一次可编程(OTP)的数位电位计在分时双工(TDD)RF应用中是理想的选择；在此种应用中的TDD接收期间，功率放大器是关闭的，在发送期间，功率放大器是采用固定闸压且导通的。此可编程的启动电压降低开启延迟，并且改善在开启功率放大器晶体管时进入发射状态时的效率，在接收期间可以关断功率放大器晶体管的能力，避免发射噪声对接收信号的破坏，此技术也改善功率放大器的总效率。根据信道数量、接口类型、分辨率和对非挥发性内存的要求，有众多的数字电位计可供选择，如某公司即有二百五十六个位置、一次编程和双通道的I2C电位计，非常适合于RF放大器中的电位准设置。

对功率放大器输出端复杂的RF信号的功率放大器电位准进行精确测量，可以实现对放大器增益更强的控制，从而优化组件的效率与线性度。使用均方根值(rms)的功率放大器检测器，可以实现从宽带分码多重存取(WCDMA)、增强数据率GSM演进(EDGE)以及通信行动电信系统(UMTS)的蜂窝基站RF信号中，提取出精确的均方根功率放大器电位准。

模拟比较器加快回授回路控制速度

在图3中，功率放大器检测器的输出被连接至功率放大器的增益控制端。基于V_OUT和RF输入信号之间的确定关系，功率放大器检测器将对V_OUT端(V_OUT现在是一个误差放大器的输出)的电压进行调节，直到RF输入的电位准与所设置的V_SET保持一致。其中的ADC与DAC构成一个回授回路，而这个回授回路对功率放大器检测器的输出进行跟踪，并且对它的V_SET输入进行调节。此增益的控制方法可以使用于信号链的前几级中的可变增益放大器(VGA)和可变电压放大器(VVA)。为了对发射功率放大器和接收功率放大器都进行测试，使用已有的双路功率放大器检测器，对两个复合信号实现同时检测。在功率放大器之前存在VGA或者前置驱动器的系统中，就只需要一个功率放大器检测器。在这种情况下，两个组件中的一个组件的增益是固定的，而V_OUT则馈送到另一个组件的控制输入端。

图3　功率传输量检测

当高压电源在线检测到电压尖峰，或超范围的大电流时，由于数字控制回路的速度不够快，因而无法保护组件不受损坏。数字控制回路由下列部分组成：高端电流感应的电流传感器、模拟数字转换器以及用来处理数字量的外部控制逻辑。如果回路确定出电源在线的电流太大，它就会向DAC发出一个命令，以降低闸极电压或关断此部分。根据模拟比较器的输出来配合RF开关，以控制输入到功率放大器的RF信号(图4)，若在电源在线检测到大电流，就可以切断RF信号，以防止功率放大器被损坏。使用一个模拟比较器意味着无需数字处理，所以回路控制就快得多。电流传感器的输出电压可以直接与DAC设置的固定电压进行比较，当在电流传感器输出端上产生一个高于固定电压的电压时，比较器可以控制RF开关上的一个控制接脚，使其电位准翻转，并能立即切断功率放大器闸极的RF信号。

图4　模拟比较器控制回路

分立式器件方案兼顾弹性/成本优势

使用分立式器件的一个典型功率放大器监测和控制结构如图5所示。其中被监测和控制的放大器仅是功率放大器本身，但信号链中的任何一个放大器都可以用这个方法来进行监测和控制，所有的分立式器件都是通过同一个数据总线进行操作的，在本例中则是I²C数据总线，采用主控制器实现控制。

图5　采用分立式器件实现功率放大器的监测和控制。

从设计的观点来看，使用分立式器件实现监测和控制的主要优点是，可以从一组经过量身订制的产品中选择这些组件。供货商们正在设计由各种增益级和控制技术组成的、前所未有复杂性的功率放大器的前端信号链。现有的多通道ADC和DAC是用于不同的系统画分和架构的理想选择，允许设计者实现成本有效的分布式控制。

作者：Liam Riordan，ADI公司