介紹
在無(wú)線基站中,，功放（PA）決定了信號(hào)鏈在功耗、線性度,、效率和成本方面的性能,。通過(guò)對(duì)基站中的功放性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)和控制各種類型的模擬信號(hào),。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(diǎn),。
由于環(huán)境上的原因,，對(duì)基站的電源效率的優(yōu)化也是電訊公司的一個(gè)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(lái)減少基站對(duì)環(huán)境的影響?；久刻斓闹饕\(yùn)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(yùn)行性能,，并提高環(huán)境和財(cái)務(wù)上的效益。
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(jí),。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(guò)對(duì)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),。其中的一個(gè)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(gè)評(píng)估階段中確定的最優(yōu)值,。
圖1 簡(jiǎn)化的控制系統(tǒng)
不幸的是,，雖然這個(gè)固定柵極電壓的方法的性價(jià)比很高，但主要的缺點(diǎn)是不能根據(jù)環(huán)境,、制造容差或電源電壓的變化進(jìn)行校準(zhǔn),。影響功放漏極偏流的兩個(gè)主要因素是功放高壓電源線上的變化和芯片溫度的變化。
介紹
在無(wú)線基站中,，功放（PA）決定了信號(hào)鏈在功耗,、線性度、效率和成本方面的性能,。通過(guò)對(duì)基站中的功放性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)和控制各種類型的模擬信號(hào),。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(diǎn)。
由于環(huán)境上的原因,，對(duì)基站的電源效率的優(yōu)化也是電訊公司的一個(gè)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(lái)減少基站對(duì)環(huán)境的影響,。基站每天的主要運(yùn)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(yùn)行性能,，并提高環(huán)境和財(cái)務(wù)上的效益,。
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(jí)。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(guò)對(duì)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),。其中的一個(gè)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(gè)評(píng)估階段中確定的最優(yōu)值,。
圖1 簡(jiǎn)化的控制系統(tǒng)
不幸的是,，雖然這個(gè)固定柵極電壓的方法的性價(jià)比很高，但主要的缺點(diǎn)是不能根據(jù)環(huán)境,、制造容差或電源電壓的變化進(jìn)行校準(zhǔn),。影響功放漏極偏流的兩個(gè)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(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(cè)量漏極電流，通過(guò)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(guò)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(wú)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(cè)電阻和AD8211電流檢測(cè)放大器,，準(zhǔn)確地測(cè)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(guò)外部的傳感電阻對(duì)滿量程電流讀數(shù)進(jìn)行設(shè)定,。電流檢測(cè)放大器的輸出電壓可以通過(guò)多路復(fù)用器提供給ADC，以產(chǎn)生用于監(jiān)測(cè)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(duì)高壓電源線實(shí)施恒定監(jiān)測(cè),，即使在監(jiān)測(cè)到高壓電源線上出現(xiàn)浪涌電壓時(shí),，也能重新調(diào)整功放的柵極電壓，從而維持在一個(gè)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(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(huì)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(lái)測(cè)量環(huán)境溫度和功放芯片溫度,，可以對(duì)電路板上的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),。ADT75是一個(gè)完整的溫度監(jiān)測(cè)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(guò)多路復(fù)用器輸入ADC,，可以將溫度測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為用于監(jiān)測(cè)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(duì)于每個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器就可以對(duì)系統(tǒng)提供更好的控制能力。為了監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè),。在監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)一個(gè)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(gè)增益級(jí)級(jí)聯(lián),，包括使用可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）和預(yù)驅(qū)動(dòng)，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(hào)鏈
為了對(duì)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,。同時(shí)兼有低功耗、單調(diào)性和快速穩(wěn)定時(shí)間的優(yōu)點(diǎn),，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(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(guò)固定柵壓導(dǎo)通,。這種預(yù)編程的啟動(dòng)電壓降低了開(kāi)啟延遲,，并且改善了開(kāi)啟功放晶體管時(shí)進(jìn)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(duì)接收信號(hào)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(duì)非易失性存儲(chǔ)器的要求,，有眾多的數(shù)字電位計(jì)可供選擇。例如ADI公司的AD5172,，這是一款256個(gè)位置,、一次編程、雙通道的I2C®電位計(jì),，非常適合于RF放大器中的電平設(shè)置應(yīng)用,。
為了監(jiān)測(cè)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(cè)量功放輸出端上復(fù)雜的RF信號(hào)的功率電平,。ADI公司的AD8362TruPower™均方根功率檢測(cè)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(hào)的均方根功率電平的精確測(cè)量,。
在圖3中，功率檢測(cè)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(duì)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(cè)器,。將功率檢測(cè)器的輸出，即發(fā)射輸出信號(hào)的均方根測(cè)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(cè)量結(jié)果被饋送到一個(gè)較大的反饋回路，而這個(gè)反饋回路可以對(duì)AD8362測(cè)量的發(fā)射功率輸出進(jìn)行跟蹤,，確定VSET值和系統(tǒng)決定的增益要求,。
圖3 功率檢測(cè)
這種增益控制方法可以與信號(hào)路前幾級(jí)中的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）和可變電壓放大器（VVA）結(jié)合使用。為了對(duì)發(fā)射功率和接收功率都進(jìn)行測(cè)量,，ADI公司的AD8364雙路功率檢測(cè)器可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)復(fù)合輸入信號(hào),。在使用VGA或預(yù)驅(qū)動(dòng)、且僅需要一個(gè)功率檢測(cè)器的系統(tǒng)中,，兩個(gè)器件中其中一個(gè)的增益是固定的,，而VOUT則饋送到另一個(gè)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(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(cè)高端電流,、將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并且利用外部控制邏輯電路對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理的速度不夠快,，因而無(wú)法保護(hù)器件不受損壞。
在模擬方法中,，使用一個(gè)ADI公司的ADCMP371比較器和一個(gè)RF開(kāi)關(guān)控制輸入到功放的RF信號(hào),，如圖4所示。電流檢測(cè)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(shí),，比較器可以控制RF開(kāi)關(guān)上的一個(gè)控制引腳，使其電平翻轉(zhuǎn),，并立即切斷功放柵極的RF信號(hào),，防止功放被損壞。這個(gè)直接控制方法繞過(guò)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(hù)
綜上所述,，使用分立元件的一個(gè)典型功放監(jiān)測(cè)和控制結(jié)構(gòu)如圖5所示,。其中監(jiān)測(cè)和控制的僅是功放本身，但是這一原理可應(yīng)用于信號(hào)鏈中對(duì)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(cè)和控制
根據(jù)信號(hào)鏈的要求,，在預(yù)驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)中可能需要很多個(gè)放大器,，用于增加天線前端信號(hào)的總功率增益。但是這些附加的功率增益級(jí)對(duì)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(cè)和控制驅(qū)動(dòng)器以優(yōu)化性能,。例如,，如圖2所示，用戶需要多個(gè)分立元件監(jiān)測(cè)溫度,、功率,、VGA的電壓電平,，兩個(gè)預(yù)驅(qū)動(dòng)，以及兩個(gè)末級(jí)功放的增益,。
集成監(jiān)測(cè)和控制
為了解決這一衍生問(wèn)題,，ADI公司開(kāi)發(fā)出AD7294，這是一款集成的監(jiān)測(cè)和控制解決方案,。AD7294將電流,、電壓和溫度的通用監(jiān)測(cè)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(cè)和控制功放級(jí)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(cè)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(cè)通道,、兩個(gè)用于檢測(cè)外部溫度的通道、一個(gè)用于檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度的通道,，以及四個(gè)用于通用監(jiān)測(cè)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(duì)ADC通道的上限和下限進(jìn)行編程,；當(dāng)監(jiān)測(cè)的信號(hào)越過(guò)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),。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(bào)警標(biāo)志。
模數(shù)轉(zhuǎn)換操作可以通過(guò)兩種不同的方式開(kāi)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(cè)應(yīng)用的理想模式,，特別適用于連續(xù)監(jiān)測(cè)信號(hào),，諸如信號(hào)功率和電流檢測(cè)，而且該循環(huán)模式僅在越過(guò)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(cè)放大器（圖7）。當(dāng)功放的漏極電流流過(guò)取樣電阻時(shí),，產(chǎn)生的微小差分輸入電壓將被放大,。集成的電流檢測(cè)放大器可以抑制高達(dá)59.4 V的共模電壓，并且能夠?yàn)槎嗦窂?fù)用的ADC通道之一提供放大的模擬信號(hào),。這兩個(gè)電流檢測(cè)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(cè)放大器
對(duì)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(cè),。
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?cè)鲆娣糯笃魈峁┛刂齐妷?。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(jí),。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(shí)還可以靈活地使用高達(dá)15 V的偏置電壓,，因?yàn)楣Ψ啪w管往往使用較大的控制柵壓。此外,，四個(gè)DAC高達(dá)10 mA的灌電流和源電流能力可以消除外部驅(qū)動(dòng)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(jí)和控制技術(shù)，設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的功放前端信號(hào)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(wèn)題的理想選擇,，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)高性價(jià)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(shì)。從用戶定制設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看,，專用的分立功能塊和集成系統(tǒng)的功能塊都能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供空前廣泛的設(shè)計(jì)選擇,。