基站中功放的分立控制和集成控制

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(jiān)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(yōu)的線性度和效率。本文將討論使用分立元件的功放監(jiān)測與控制解決方案，并介紹集成的解決方案。

　　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(quán)衡考慮，確定了功放晶體管的最優(yōu)偏置狀態(tài)。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(diào)整的輸出功率范圍之內(nèi)。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(yōu)值。

　　圖1 簡化的控制系統(tǒng)

　　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(jù)環(huán)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(tài)控制功放的柵極電壓，其原理是，使用數(shù)字控制算法測量漏極電流，通過ADC將該漏極電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并且使用一個高分辨率DAC或一個較低分辨率的數(shù)字電位計設定所需的偏置。通過這個用戶可調(diào)的控制系統(tǒng)可以使功放維持在所需的偏置狀態(tài)，以實現(xiàn)最優(yōu)的性能，而無論電壓、溫度和其他環(huán)境參數(shù)如何變化。

　　這種控制方法中的一個關(guān)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(jīng)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(shù)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(chǎn)生用于監(jiān)測和控制的數(shù)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(jiān)測，即使在監(jiān)測到高壓電源線上出現(xiàn)浪涌電壓時，也能重新調(diào)整功放的柵極電壓，從而維持在一個最優(yōu)的偏置狀態(tài)。

　　LDMOS晶體管的源漏電流IDS是柵源電壓Vgs的函數(shù)，包含與溫度相關(guān)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(huán)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(jiān)測。ADT75是一個完整的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用8引腳MSOP封裝，在0°C～70°C的溫度范圍內(nèi)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(shù)據(jù)通過多路復用器輸入ADC，可以將溫度測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為用于監(jiān)測的數(shù)字量。根據(jù)系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)提供更好的控制能力。為了監(jiān)測電流傳感器和溫度傳感器，可以使用ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998多通道12-bit ADC，用于將模擬測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

　　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(shù)字量進行連續(xù)的監(jiān)測。在監(jiān)測傳感器的讀數(shù)和處理數(shù)字輸出的同時，利用數(shù)字電位計或 DAC對功放柵極電壓進行動態(tài)控制，可以維持一個最佳的偏置狀態(tài)。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(diào)制方案而優(yōu)化。并行連接功放也可以改善線性度和總效率。在這種情況下，功放可能要求使用多個增益級級聯(lián)，包括使用可變增益放大器(VGA)和預驅(qū)動，以滿足增益和效率的要求。多通道DAC可以完成這些功能塊中的各種電平設定和增益控制的要求。

　　圖2 典型的高功率放大器信號鏈