分立元件實(shí)現(xiàn)功放監(jiān)測與控制

1 引言

　　基站即公用移動(dòng)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(qū)中，通過移動(dòng)通信交換中心，與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無線電收發(fā)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(jìn)行監(jiān)測與控制，可以最大化地提高功放的輸出，而同時(shí)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。
 

　　2 使用分立元件進(jìn)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(shí)間的變化而保持一個(gè)恒定的值，就可以極大地改善功放的總體性能，同時(shí)還可以確保功放工作在調(diào)整的輸出功率范圍之內(nèi)。

　　圖1 簡化的控制系統(tǒng)

　　一種較佳的方法是動(dòng)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(gè)高分辨率DAC或一個(gè)較低分辨率的數(shù)字電位計(jì)設(shè)定所需的偏置。通過這個(gè)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(shí)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(gè)關(guān)鍵因素是，使用一個(gè)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(dá)+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(jìn)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。

　　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(xiàng)，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(gè)或幾個(gè)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(jìn)行監(jiān)測。ADT75是一個(gè)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(gè)溫度傳感器。例如，如果使用了多個(gè)功放，或者在前端需要若干個(gè)預(yù)驅(qū)動(dòng)，那么，對于每個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器就可以對系統(tǒng)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(shù)字量進(jìn)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(shí)，利用數(shù)字電位計(jì)或DAC對功放柵極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，可以維持一個(gè)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(jì)中使用多個(gè)功放，如圖2所示，這樣可以在針對每個(gè)RF載波設(shè)備選擇功放時(shí)，提供更多的靈活性，并且每個(gè)功放可以針對一個(gè)具體的調(diào)制方案而優(yōu)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(shí)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。

　　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(jì)是一種性價(jià)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(jī)械式電位計(jì)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(jì)在時(shí)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(dòng)電壓降低了開啟延遲，并且改善了開啟功放晶體管時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)的效率。

　　 為了監(jiān)測和控制增益，實(shí)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AD8362TruPower?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(dòng)態(tài)范圍，可以實(shí)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(dòng)天線;定向耦合器對該方向中的功放輸出電壓進(jìn)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。

　　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(jìn)行測量，ADI公司的AD8364雙路功率檢測器可以同時(shí)測量兩個(gè)復(fù)合輸入信號。

　　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(gè)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(jìn)行處理的速度不夠快，因而無法保護(hù)器件不受損壞。

　　圖4 使用模擬比較器的控制環(huán)路保護(hù)

　　綜上所述，使用分立元件的一個(gè)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(gè)I2C數(shù)據(jù)總線上進(jìn)行操作。

　　圖5采用分立器件實(shí)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(dòng)級和末級中可能需要很多個(gè)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(dòng)器以優(yōu)化性能。

　　3 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(gè)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(dá)59.4 V的共模電平。內(nèi)部ADC提供兩個(gè)專用的電流檢測通道、兩個(gè)用于檢測外部溫度的通道、一個(gè)用于檢測芯片內(nèi)部溫度的通道，以及四個(gè)用于通用監(jiān)測的非專用ADC輸入通道。

　　該ADC通道的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行編程;當(dāng)監(jiān)測的信號越過這些限制時(shí)產(chǎn)生報(bào)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(shí)確定報(bào)警標(biāo)志的重置點(diǎn)。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(gè)通道轉(zhuǎn)換為多個(gè)通道的序列。循環(huán)模式可以基于預(yù)先編程的多個(gè)通道的序列自動(dòng)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(shí)發(fā)出報(bào)警。

　　在這個(gè)方案中，還提供了兩個(gè)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(shí)，產(chǎn)生的微小差分輸入電壓將被放大。

　　圖7 AD7294高端電流檢測放大器

　　對于每個(gè)放大器，均提供了一個(gè)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(gè)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(dòng)高壓輸出級。

　　4 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(jì)更加復(fù)雜的功放前端信號鏈。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。