基站應用中功放的分立控制和集成控制

　　介紹

　　在無線基站中，功放（PA）決定了信號鏈在功耗、線性度、效率和成本方面的性能。通過對基站中的功放性能進行監測與控制，可以最大化地提高功放的輸出，而同時又可獲得最優的線性度和效率。本文將討論使用分立元件的功放監測與控制解決方案，并介紹集成的解決方案。

　　ADI公司提供了適用于該應用的一系列元件，包括多通道數模轉換器（DAC）、模數轉換器（ADC）、溫度傳感器和電流傳感器，以及單芯片的集成解決方案，在基站中使用這些產品可以監測和控制各種類型的模擬信號。分立的傳感器和數據轉換器能夠提供最大的性能和配置靈活性，而集成解決方案則具有成本更低、尺寸更小、可靠性更高的優點。

　　由于環境上的原因，對基站的電源效率的優化也是電訊公司的一個主要考慮。目前正在投入巨大的努力，以降低基站的總能源消耗，來減少基站對環境的影響。基站每天的主要運行成本是電能，而功放可以消耗基站所需的一半以上的電力，所以，優化功放的電源效率就可以改善運行性能，并提高環境和財務上的效益。

　　使用分立元件進行功放控制

　　圖1示出了使用LDMOS晶體管的基本功率級。在線性度、效率和增益之間固有的權衡考慮，確定了功放晶體管的最優偏置狀態。通過對漏極偏流的控制，使其隨溫度和時間的變化而保持一個恒定的值，就可以極大地改善功放的總體性能，同時還可以確保功放工作在調整的輸出功率范圍之內。其中的一個控制柵極偏流的方法是，使用電阻分壓將柵極電壓固定在一個評估階段中確定的最優值。

　　圖1 簡化的控制系統

　　不幸的是，雖然這個固定柵極電壓的方法的性價比很高，但主要的缺點是不能根據環境、制造容差或電源電壓的變化進行校準。影響功放漏極偏流的兩個主要因素是功放高壓電源線上的變化和芯片溫度的變化。

　　一種較佳的方法是動態控制功放的柵極電壓，其原理是，使用數字控制算法測量漏極電流，通過ADC將該漏極電流轉換為數字量，并且使用一個高分辨率DAC或一個較低分辨率的數字電位計設定所需的偏置。通過這個用戶可調的控制系統可以使功放維持在所需的偏置狀態，以實現最優的性能，而無論電壓、溫度和其他環境參數如何變化。

　　這種控制方法中的一個關鍵因素是，使用一個高端檢測電阻和AD8211電流檢測放大器，準確地測量經由高壓電源線提供給LDMOS晶體管的電流。AD8211的共模輸入范圍高達+65 V，并且提供20 V/V的固定增益。通過外部的傳感電阻對滿量程電流讀數進行設定。電流檢測放大器的輸出電壓可以通過多路復用器提供給ADC，以產生用于監測和控制的數字量。這里必須注意，電流傳感器的輸出電壓需盡量接近ADC的滿量程輸入范圍。對高壓電源線實施恒定監測，即使在監測到高壓電源線上出現浪涌電壓時，也能重新調整功放的柵極電壓，從而維持在一個最優的偏置狀態。

　　LDMOS晶體管的源漏電流IDS是柵源電壓Vgs的函數，包含與溫度相關的兩項，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，溫度的變化會引起輸出功率的變化。使用一個或幾個ADT75 12-bit溫度傳感器來測量環境溫度和功放芯片溫度，可以對電路板上的溫度變化進行監測。ADT75是一個完整的溫度監測系統，采用8引腳MSOP封裝，在0°C～70°C的溫度范圍內具有±1°C的精度。