在基站應用中采用分立元件控制功放

蜂窩通信基站技術發展到了包含2.5G和3G的調制方案，提出了產生更為復雜的RF信號的要求。通過對基站中的功放(PA)性能的監測與控制，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。本文將討論如何利用分立的集成電路對功放進行監測與控制。

無線基站的性能，從功耗、線性度、效率和成本來評價，則主要是由信號鏈中的功放決定的。LDMOS晶體管的低成本和大功率的特性，使它們成為當今蜂窩基站的功放設計中的放大器選擇。而對線性度、效率和增益等方面的固有的折衷考慮，則確定了LDMOS功放晶體管的最優偏置狀態。
 
圖1 簡化的控制系統

由于環境上的原因，對基站的電源效率的優化也是服務于電訊行業中各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，以此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和提供環境和財務上的效益。

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性能，同時又可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，是在測試和評估階段對柵極電壓進行優化，然后用一個電阻分壓器將它固定起來。雖然這個固定柵極電壓的方法是有效且低成本的，但主要的缺點是沒有考慮到環境、制造容差或電源電壓的變化。使用一個高分辨率DAC或一個較低分辨率的數字電位器對功放柵極電壓進行動態控制，將可以對輸出功率提供更強的控制。一種用戶可調的柵極電壓可以使功放維持在它的最優偏流狀態，無論電壓、溫度和其他環境參數如何變化。

兩個影響功放漏極偏流的主要因素為：

.功放的高壓電源線上的變化。

.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上變化的影響。使用一個高端的電流檢測放大器來精確測定高壓電源線上的電流，就可以對功放晶體管的漏極電壓進行監測。用一個外部的傳感電阻對滿度電流讀數進行設定。在監測高電流的應用中，傳感電阻必須能夠消耗I2R的功耗。如果超過了電阻的極限功耗，它的阻值就會漂移，或者完全損壞，而造成電阻兩端之間的差分電壓值超過了絕對的最大值。

在電流傳感器輸出端上測得的電壓，可以通過ADC采樣，以產生用于監測之用的數字量。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。對高壓電源線的恒久監測，可以使功放在監測到高壓電源線上出現浪涌電壓的時候,重新調整它的柵極電壓，從而維持在一個最優的偏置狀態。

LDMOS晶體管的源漏間的電流IDS包含與溫度相關的兩個參數，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m將隨著溫度的上升而降低，因此，溫度的變化會引起輸出功率的變化。使用一個或幾個分立的溫度傳感器來測量功放的溫度，可以對電路板上的溫度變化進行監測。有許多種分立的溫度傳感器可以滿足系統的需求，包括模擬量輸出的溫度傳感器，到使用1條導線的、I2C和SPI接口的數字量輸出的溫度傳感器。
 
圖2  典型的HPA信號鏈

將溫度傳感器的輸出電壓通過多路復用器輸入ADC，可以把溫度數據轉換成用于監測的數字量。根據不同的配置結構，也許需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整個系統提供更多的控制能力。在這種情況下，就需要使用多通道ADC，以便對各個溫度傳感器的模擬輸出量完成模數轉換。在現今的ADC中，通常都設有內部的超量程報警功能。當輸入超出了預先編程設定的極限值時，這個附加的功能就會產生報警信號，這對于監測功放信號鏈中的溫度傳感器和電流傳感器的輸出，是極其有用的。監測的上限和下限都可以預先通過程序來設定，而只有當超出這個范圍時才產生報警信號。在這類設計中，一般也都是設置有滯后寄存器(Hysteresis registers)。這種寄存器確定了在出現超范圍而發出報警信號之后的復位點。滯后寄存器防止了當溫度或電流傳感器的讀數中混有大噪聲時，對報警特征位不斷地來回撥動。如ADI公司的I2C接口的二、四、八通道12位低功耗ADC —AD7992/4/8都具有這個超量程的指示功能。