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。本文將討論使用分立元件的功放監測與控制解決方案，并介紹集成的解決方案。
ADI公司提供了適用于該應用的一系列元件，包括多通道數模轉換器（DAC）、模數轉換器（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品可以監測和控制各種類型的模擬信號。分立的傳感器和數據轉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、可靠性更高的優點。
由于環境上的原因，對基站的電源效率的優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，并提高環境和財務上的效益。
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衡考慮，確定了功放晶體管的最優偏置狀態。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，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值。
圖1 簡化的控制系統
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環境、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控制功放的柵極電壓，其原理是，使用數字控制算法測量漏極電流，通過ADC將該漏極電流轉換為數字量，并且使用一個高分辨率DAC或一個較低分辨率的數字電位計設定所需的偏置。通過這個用戶可調的控制系統可以使功放維持在所需的偏置狀態，以實現最優的性能，而無論電壓、溫度和其他環境參數如何變化。
這種控制方法中的一個關鍵因素是，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，以產生用于監測和控制的數字量。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。對高壓電源線實施恒定監測，即使在監測到高壓電源線上出現浪涌電壓時，也能重新調整功放的柵極電壓，從而維持在一個最優的偏置狀態。
LDMOS晶體管的源漏電流IDS是柵源電壓Vgs的函數，包含與溫度相關的兩項，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測。ADT75是一個完整的溫度監測系統，采用8引腳MSOP封裝，在0°C～70°C的溫度范圍內具有±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據通過多路復用器輸入ADC，可以將溫度測量結果轉換為用于監測的數字量。根據系統配置，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提供更好的控制能力。為了監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，用于將模擬測量結果轉換為數字量。
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字量進行連續的監測。在監測傳感器的讀數和處理數字輸出的同時，利用數字電位計或DAC對功放柵極電壓進行動態控制，可以維持一個最佳的偏置狀態。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制方案而優化。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，包括使用可變增益放大器(VGA)和預驅動，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
為了對功放的柵極電壓實現精確控制，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。這些器件的內部緩沖器具有極好的源電流和灌電流的能力，在大多數應用中可以不必使用外部緩沖器。同時兼有低功耗、單調性和快速穩定時間的優點，適于精確的電平設置應用。
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用中，數字電位計是一種性價比更高的選擇。這些數字調節可變電阻執行的電子調節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、固態技術的可靠性以及卓越的溫度性能。非易失性和一次可編程（OTP）的數字電位計在時分雙工（TDD）RF應用中是理想的選擇；在TDD接收期間，功放關閉，在發送期間，功放通過固定柵壓導通。這種預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射狀態的效率。而在接收期間關斷功放晶體管的能力，避免了發射電路噪聲對接收信號的破壞，并且提高了功放的總效率。根據通道數量、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放大器中的電平設置應用。
為了監測和控制增益，實現最優的線性度和效率，有必要精確測量功放輸出端上復雜的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的頻率范圍內提供65 dB的動態范圍，可以實現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節功放的增益。功放的輸出電壓驅動天線；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，即發射輸出信號的均方根測量結果同DAC編程的值VSET比較，并且調節功放增益，使差值為零。這樣VSET可以精確地設定功率增益。ADC的輸出，即VOUT的數字測量結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測量的發射功率輸出進行跟蹤，確定VSET值和系統決定的增益要求。
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）結合使用。為了對發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合輸入信號。在使用VGA或預驅動、且僅需要一個功率檢測器的系統中，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發出一個命令，以降低柵極電壓或關斷此部分。然而，在某些應用中，如果高壓電源線上出現電壓尖峰或者超范圍的大電流，那么，由于數字控制回路檢測高端電流、將信號轉換為數字量并且利用外部控制邏輯電路對數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設定的固定電壓比較。當電流傳感器輸出端上產生的電壓高于設定電壓時，比較器可以控制RF開關上的一個控制引腳，使其電平翻轉，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字處理，因此速度更快，并且能夠提供更好的校準。
圖4 使用模擬比較器的控制環路保護
綜上所述，使用分立元件的一個典型功放監測和控制結構如圖5所示。其中監測和控制的僅是功放本身，但是這一原理可應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數據總線上進行操作。
圖5采用分立器件實現功率放大器的監測和控制
根據信號鏈的要求，在預驅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，必須監測和控制驅動器以優化性能。例如，如圖2所示，用戶需要多個分立元件監測溫度、功率、VGA的電壓電平，兩個預驅動，以及兩個末級功放的增益。
集成監測和控制
為了解決這一衍生問題，ADI公司開發出AD7294，這是一款集成的監測和控制解決方案。AD7294將電流、電壓和溫度的通用監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部溫度的通道，以及四個用于通用監測的非專用ADC輸入通道。
該ADC通道的優點在于，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）。用戶可以預先對ADC通道的上限和下限進行編程；當監測的信號越過這些限制時產生報警標志。滯后寄存器為用戶提供的功能是，在發生越限事件時確定報警標志的重置點。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連續地觸發報警標志。
模數轉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需要將單個通道轉換為多個通道的序列。循環模式可以基于預先編程的多個通道的序列自動轉換，該循環模式是系統監測應用的理想模式，特別適用于連續監測信號，諸如信號功率和電流檢測，而且該循環模式僅在越過預先編程的上限或下限時發出報警。
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）。當功放的漏極電流流過取樣電阻時，產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，并且均采用內部2.5 V輸出偏移基準源。
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固有單調串列DAC，其使用2.5 V的基準源，具有5 V的輸出范圍。該DAC的輸出緩沖器能夠驅動高壓輸出級。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動緩沖器的使用。
結論
功放供應商們正在使用多種多樣的增益級和控制技術，設計更加復雜的功放前端信號鏈。現有的多通道ADC和DAC以及模擬RF元件的產品系列是解決不同的系統劃分和架構問題的理想選擇，使設計人員能夠實現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、系統可靠性和成本方面具有顯著的優勢。從用戶定制設計的觀點來看，專用的分立功能塊和集成系統的功能塊都能夠為系統設計人員提供空前廣泛的設計選擇。
作者
Liam Riordan 在ADI公司愛爾蘭Limerick的精密轉換器應用部門工作。他畢業于科克大學，獲得電氣與電子工程學士學位。