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(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。
ADI公司提供了適用于該應(yīng)用的一系列元件，包括多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)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(chǎn)品可以監(jiān)測和控制各種類型的模擬信號。分立的傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(yōu)點。
由于環(huán)境上的原因，對基站的電源效率的優(yōu)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(huán)境的影響?；久刻斓闹饕\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(yōu)化功放的電源效率就可以改善運行性能，并提高環(huán)境和財務(wù)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(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(zhǔn)。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(shè)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(zhǔn)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(shè)定。電流檢測放大器的輸出電壓可以通過多路復(fù)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(fù)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(yù)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(shè)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(shè)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(yù)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(shè)定和增益控制的要求。
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(xiàn)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(nèi)部緩沖器具有極好的源電流和灌電流的能力，在大多數(shù)應(yīng)用中可以不必使用外部緩沖器。同時兼有低功耗、單調(diào)性和快速穩(wěn)定時間的優(yōu)點，適于精確的電平設(shè)置應(yīng)用。
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(yīng)用中，數(shù)字電位計是一種性價比更高的選擇。這些數(shù)字調(diào)節(jié)可變電阻執(zhí)行的電子調(diào)節(jié)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(tài)技術(shù)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(shù)字電位計在時分雙工（TDD）RF應(yīng)用中是理想的選擇；在TDD接收期間，功放關(guān)閉，在發(fā)送期間，功放通過固定柵壓導(dǎo)通。這種預(yù)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(fā)射狀態(tài)的效率。而在接收期間關(guān)斷功放晶體管的能力，避免了發(fā)射電路噪聲對接收信號的破壞，并且提高了功放的總效率。根據(jù)通道數(shù)量、接口類型、分辨率和對非易失性存儲器的要求，有眾多的數(shù)字電位計可供選擇。例如ADI公司的AD5172，這是一款256個位置、一次編程、雙通道的I2C®電位計，非常適合于RF放大器中的電平設(shè)置應(yīng)用。
為了監(jiān)測和控制增益，實現(xiàn)最優(yōu)的線性度和效率，有必要精確測量功放輸出端上復(fù)雜的RF信號的功率電平。ADI公司的AD8362 TruPower™均方根功率檢測器能夠在50 Hz～3.8 GHz的頻率范圍內(nèi)提供65 dB的動態(tài)范圍，可以實現(xiàn)W-CDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的典型RF信號的均方根功率電平的精確測量。
在圖3中，功率檢測器的輸出VOUT被連接到功放的增益控制端以調(diào)節(jié)功放的增益。功放的輸出電壓驅(qū)動天線；定向耦合器對該方向中的功放輸出電壓進行采樣，使其適當(dāng)衰減，并且將其施加到功率檢測器。將功率檢測器的輸出，即發(fā)射輸出信號的均方根測量結(jié)果同DAC編程的值VSET比較，并且調(diào)節(jié)功放增益，使差值為零。這樣VSET可以精確地設(shè)定功率增益。ADC的輸出，即VOUT的數(shù)字測量結(jié)果被饋送到一個較大的反饋回路，而這個反饋回路可以對AD8362測量的發(fā)射功率輸出進行跟蹤，確定VSET值和系統(tǒng)決定的增益要求。
圖3 功率檢測
這種增益控制方法可以與信號路前幾級中的可變增益放大器（VGA）和可變電壓放大器（VVA）結(jié)合使用。為了對發(fā)射功率和接收功率都進行測量，ADI公司的AD8364雙路功率檢測器可以同時測量兩個復(fù)合輸入信號。在使用VGA或預(yù)驅(qū)動、且僅需要一個功率檢測器的系統(tǒng)中，兩個器件中其中一個的增益是固定的，而VOUT則饋送到另一個器件的控制輸入端。
如果反饋回路確定出電源線上的電流太大，則向DAC發(fā)出一個命令，以降低柵極電壓或關(guān)斷此部分。然而，在某些應(yīng)用中，如果高壓電源線上出現(xiàn)電壓尖峰或者超范圍的大電流，那么，由于數(shù)字控制回路檢測高端電流、將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并且利用外部控制邏輯電路對數(shù)字量進行處理的速度不夠快，因而無法保護器件不受損壞。
在模擬方法中，使用一個ADI公司的ADCMP371比較器和一個RF開關(guān)控制輸入到功放的RF信號，如圖4所示。電流檢測放大器的輸出電壓可以直接與DAC設(shè)定的固定電壓比較。當(dāng)電流傳感器輸出端上產(chǎn)生的電壓高于設(shè)定電壓時，比較器可以控制RF開關(guān)上的一個控制引腳，使其電平翻轉(zhuǎn)，并立即切斷功放柵極的RF信號，防止功放被損壞。這個直接控制方法繞過了數(shù)字處理，因此速度更快，并且能夠提供更好的校準(zhǔn)。
圖4 使用模擬比較器的控制環(huán)路保護
綜上所述，使用分立元件的一個典型功放監(jiān)測和控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中監(jiān)測和控制的僅是功放本身，但是這一原理可應(yīng)用于信號鏈中對任一放大器的控制。使用主控制器控制所有的分立元件，并且在同一個I2C數(shù)據(jù)總線上進行操作。
圖5采用分立器件實現(xiàn)功率放大器的監(jiān)測和控制
根據(jù)信號鏈的要求，在預(yù)驅(qū)動級和末級中可能需要很多個放大器，用于增加天線前端信號的總功率增益。但是這些附加的功率增益級對功放的總效率有不良影響。為了將影響降至最低，必須監(jiān)測和控制驅(qū)動器以優(yōu)化性能。例如，如圖2所示，用戶需要多個分立元件監(jiān)測溫度、功率、VGA的電壓電平，兩個預(yù)驅(qū)動，以及兩個末級功放的增益。
集成監(jiān)測和控制
為了解決這一衍生問題，ADI公司開發(fā)出AD7294，這是一款集成的監(jiān)測和控制解決方案。AD7294將電流、電壓和溫度的通用監(jiān)測和控制所需的所有功能和特性集成到一個芯片中。
圖6 監(jiān)測和控制功放級的集成解決方案
AD7294集成了9通道12-bit ADC和4通道DAC，具有10 mA 灌/源電流能力。它采用0.6 µm DMOS工藝制造，這使電流傳感器能夠測量高達59.4 V的共模電平。內(nèi)部ADC提供兩個專用的電流檢測通道、兩個用于檢測外部溫度的通道、一個用于檢測芯片內(nèi)部溫度的通道，以及四個用于通用監(jiān)測的非專用ADC輸入通道。
該ADC通道的優(yōu)點在于，其具有遲滯寄存器以及上限和下限寄存器（AD7992/AD7994/AD7998也具有該特性）。用戶可以預(yù)先對ADC通道的上限和下限進行編程；當(dāng)監(jiān)測的信號越過這些限制時產(chǎn)生報警標(biāo)志。滯后寄存器為用戶提供的功能是，在發(fā)生越限事件時確定報警標(biāo)志的重置點。遲滯寄存器可以防止大噪聲的溫度傳感器或電流傳感器的讀數(shù)連續(xù)地觸發(fā)報警標(biāo)志。
模數(shù)轉(zhuǎn)換操作可以通過兩種不同的方式開始。命令模式使用戶能夠根據(jù)需要將單個通道轉(zhuǎn)換為多個通道的序列。循環(huán)模式可以基于預(yù)先編程的多個通道的序列自動轉(zhuǎn)換，該循環(huán)模式是系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)用的理想模式，特別適用于連續(xù)監(jiān)測信號，諸如信號功率和電流檢測，而且該循環(huán)模式僅在越過預(yù)先編程的上限或下限時發(fā)出報警。
在這個方案中，還提供了兩個雙向高端電流檢測放大器（圖7）。當(dāng)功放的漏極電流流過取樣電阻時，產(chǎn)生的微小差分輸入電壓將被放大。集成的電流檢測放大器可以抑制高達59.4 V的共模電壓，并且能夠為多路復(fù)用的ADC通道之一提供放大的模擬信號。這兩個電流檢測放大器都具有12.5的固定增益，并且均采用內(nèi)部2.5 V輸出偏移基準(zhǔn)源。
圖7 AD7294高端電流檢測放大器
對于每個放大器，均提供了一個模擬比較器，用于高于1.2倍滿量程電壓閾值的故障檢測。
四個12-bit DAC可以提供數(shù)字控制的電壓（分辨率1.2 mV），用于控制功率晶體管的偏置電流。它們還可用于為可變增益放大器提供控制電壓。DAC的核心部分是薄膜、12-bit固有單調(diào)串列DAC，其使用2.5 V的基準(zhǔn)源，具有5 V的輸出范圍。該DAC的輸出緩沖器能夠驅(qū)動高壓輸出級。DAC的輸出范圍受偏移輸入的控制，輸出范圍是0 V～15 V。這可以為終端用戶提供5 V范圍內(nèi)的12-bit精度的控制能力，同時還可以靈活地使用高達15 V的偏置電壓，因為功放晶體管往往使用較大的控制柵壓。此外，四個DAC高達10 mA的灌電流和源電流能力可以消除外部驅(qū)動緩沖器的使用。
結(jié)論
功放供應(yīng)商們正在使用多種多樣的增益級和控制技術(shù)，設(shè)計更加復(fù)雜的功放前端信號鏈?，F(xiàn)有的多通道ADC和DAC以及模擬RF元件的產(chǎn)品系列是解決不同的系統(tǒng)劃分和架構(gòu)問題的理想選擇，使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)高性價比的分布式控制方案。但是作為另一種方案，諸如AD7294的單片解決方案在電路板面積、系統(tǒng)可靠性和成本方面具有顯著的優(yōu)勢。從用戶定制設(shè)計的觀點來看，專用的分立功能塊和集成系統(tǒng)的功能塊都能夠為系統(tǒng)設(shè)計人員提供空前廣泛的設(shè)計選擇。
作者
Liam Riordan 在ADI公司愛爾蘭Limerick的精密轉(zhuǎn)換器應(yīng)用部門工作。他畢業(yè)于科克大學(xué)，獲得電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。