分立元件實現功放監測與控制

1 引言

　　基站即公用移動通信基站是無線電臺站的一種形式，是指在一定的無線電覆蓋區中，通過移動通信交換中心，與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發信電臺。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。

　　2 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。

　　圖1 簡化的控制系統

　　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。

　　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。

　　將溫度傳感器的輸出電壓、漏極電流以及其他數據通過多路復用器輸入ADC，可以將溫度測量結果轉換為用于監測的數字量。根據系統配置，可能有必要在電路板上使用好幾個溫度傳感器。例如，如果使用了多個功放，或者在前端需要若干個預驅動，那么，對于每個放大器使用一個溫度傳感器就可以對系統提供更好的控制能力。

　　使用控制邏輯電路或者微控制器，可以對電流傳感器和溫度傳感器的數字量進行連續的監測。在監測傳感器的讀數和處理數字輸出的同時，利用數字電位計或DAC對功放柵極電壓進行動態控制，可以維持一個最佳的偏置狀態。對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計中使用多個功放，如圖2所示，這樣可以在針對每個RF載波設備選擇功放時，提供更多的靈活性，并且每個功放可以針對一個具體的調制方案而優化。

　　圖2 典型的高功率放大器信號鏈

　　為了對功放的柵極電壓實現精確控制，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。這些器件的內部緩沖器具有極好的源電流和灌電流的能力，在大多數應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用中，數字電位計是一種性價比更高的選擇。這些數字調節可變電阻執行的電子調節功能與機械式電位計或可變電阻相同，而且具有更高的分辨率、固態技術的可靠性以及卓越的溫度性能。非易失性和一次可編程(OTP)的數字電位計在時分雙工(TDD)RF應用中是理想的選擇;在TDD接收期間，功放關閉，在發送期間，功放通過固定柵壓導通。這種預編程的啟動電壓降低了開啟延遲，并且改善了開啟功放晶體管時進入發射狀態的效率。