Analog Devices

第42卷第2期

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基站应用中功放的分立控制和集成控制

作者:Liam Riordan

介绍
在无线基站中,功放(PA)决定了信号链在功耗、线性度、效率和成本方面的性能。通过对基站中的功放性能进行监测与控制,可以最大化地提高功放的输出,而同时又可获得最优的线性度和效率。本文将讨论使用分立元件的功放监测与控制解决方案,并介绍集成的解决方案。

ADI公司提供了适用于该应用的一系列元件,包括多通道数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、温度传感器和电流传感器,以及单芯片的集成解决方案,在基站中使用这些产品可以监测和控制各种类型的模拟信号。分立的传感器和数据转换器能够提供最大的性能和配置灵活性,而集成解决方案则具有成本更低、尺寸更小、可靠性更高的优点。

由于环境上的原因,对基站的电源效率的优化也是电讯公司的一个主要考虑。目前正在投入巨大的努力,以降低基站的总能源消耗,来减少基站对环境的影响。基站每天的主要运行成本是电能,而功放可以消耗基站所需的一半以上的电力,所以,优化功放的电源效率就可以改善运行性能,并提高环境和财务上的效益。

使用分立元件进行功放控制
图1示出了使用LDMOS晶体管的基本功率级。在线性度、效率和增益之间固有的权衡考虑,确定了功放晶体管的最优偏置状态。通过对漏极偏流的控制,使其随温度和时间的变化而保持一个恒定的值,就可以极大地改善功放的总体性能,同时还可以确保功放工作在调整的输出功率范围之内。其中的一个控制栅极偏流的方法是,使用电阻分压将栅极电压固定在一个评估阶段中确定的最优值。

图1 简化的控制系统

不幸的是,虽然这个固定栅极电压的方法的性价比很高,但主要的缺点是不能根据环境、制造容差或电源电压的变化进行校准。影响功放漏极偏流的两个主要因素是功放高压电源线上的变化和芯片温度的变化。

一种较佳的方法是动态控制功放的栅极电压,其原理是,使用数字控制算法测量漏极电流,通过ADC将该漏极电流转换为数字量,并且使用一个高分辨率DAC或一个较低分辨率的数字电位计设定所需的偏置。通过这个用户可调的控制系统可以使功放维持在所需的偏置状态,以实现最优的性能,而无论电压、温度和其他环境参数如何变化。

这种控制方法中的一个关键因素是,使用一个高端检测电阻和AD8211电流检测放大器,准确地测量经由高压电源线提供给LDMOS晶体管的电流。AD8211的共模输入范围高达+65 V,并且提供20 V/V的固定增益。通过外部的传感电阻对满量程电流读数进行设定。电流检测放大器的输出电压可以通过多路复用器提供给ADC,以产生用于监测和控制的数字量。这里必须注意,电流传感器的输出电压需尽量接近ADC的满量程输入范围。对高压电源线实施恒定监测,即使在监测到高压电源线上出现浪涌电压时,也能重新调整功放的栅极电压,从而维持在一个最优的偏置状态。

LDMOS晶体管的源漏电流IDS是栅源电压Vgs的函数,包含与温度相关的两项,即有效电子迁移率µ和阈值电压Vth

阈值电压Vth和有效电子迁移率µ随温度的上升而降低。因此,温度的变化会引起输出功率的变化。使用一个或几个ADT75 12-bit温度传感器来测量环境温度和功放芯片温度,可以对电路板上的温度变化进行监测。ADT75是一个完整的温度监测系统,采用8引脚MSOP封装,在0°C~70°C的温度范围内具有±1°C的精度。

将温度传感器的输出电压、漏极电流以及其他数据通过多路复用器输入ADC,可以将温度测量结果转换为用于监测的数字量。根据系统配置,可能有必要在电路板上使用好几个温度传感器。例如,如果使用了多个功放,或者在前端需要若干个预驱动,那么,对于每个放大器使用一个温度传感器就可以对系统提供更好的控制能力。为了监测电流传感器和温度传感器,可以使用ADI公司的AD7992AD7994AD7998多通道12-bit ADC,用于将模拟测量结果转换为数字量。

使用控制逻辑电路或者微控制器,可以对电流传感器和温度传感器的数字量进行连续的监测。在监测传感器的读数和处理数字输出的同时,利用数字电位计或DAC对功放栅极电压进行动态控制,可以维持一个最佳的偏置状态。对于栅极电压所需的控制量将决定DAC的分辨率。电讯公司通常在基站设计中使用多个功放,如图2所示,这样可以在针对每个RF载波设备选择功放时,提供更多的灵活性,并且每个功放可以针对一个具体的调制方案而优化。并行连接功放也可以改善线性度和总效率。在这种情况下,功放可能要求使用多个增益级级联,包括使用可变增益放大器(VGA)和预驱动,以满足增益和效率的要求。多通道DAC可以完成这些功能块中的各种电平设定和增益控制的要求。

图2 典型的高功率放大器信号链

为了对功放的栅极电压实现精确控制,ADI公司的12 bit DAC AD5622AD5627AD5625分别能够提供的单路、两路和四路输出。这些器件的内部缓冲器具有极好的源电流和灌电流的能力,在大多数应用中可以不必使用外部缓冲器。同时兼有低功耗、单调性和快速稳定时间的优点,适于精确的电平设置应用。

在精度不是最主要的考虑因素且8-bit的分辨率可被接受的应用中,数字电位计是一种性价比更高的选择。这些数字调节可变电阻执行的电子调节功能与机械式电位计或可变电阻相同,而且具有更高的分辨率、固态技术的可靠性以及卓越的温度性能。非易失性和一次可编程(OTP)的数字电位计在时分双工(TDD)RF应用中是理想的选择;在TDD接收期间,功放关闭,在发送期间,功放通过固定栅压导通。这种预编程的启动电压降低了开启延迟,并且改善了开启功放晶体管时进入发射状态的效率。而在接收期间关断功放晶体管的能力,避免了发射电路噪声对接收信号的破坏,并且提高了功放的总效率。根据通道数量、接口类型、分辨率和对非易失性存储器的要求,有众多的数字电位计可供选择。例如ADI公司的AD5172,这是一款256个位置、一次编程、双通道的I2C®电位计,非常适合于RF放大器中的电平设置应用。

为了监测和控制增益,实现最优的线性度和效率,有必要精确测量功放输出端上复杂的RF信号的功率电平。ADI公司的AD8362 TruPower™均方根功率检测器能够在50 Hz~3.8 GHz的频率范围内提供65 dB的动态范围,可以实现W-CDMA、EDGE和UMTS蜂窝基站中的典型RF信号的均方根功率电平的精确测量。

在图3中,功率检测器的输出VOUT被连接到功放的增益控制端以调节功放的增益。功放的输出电压驱动天线;定向耦合器对该方向中的功放输出电压进行采样,使其适当衰减,并且将其施加到功率检测器。将功率检测器的输出,即发射输出信号的均方根测量结果同DAC编程的值VSET比较,并且调节功放增益,使差值为零。这样VSET可以精确地设定功率增益。ADC的输出,即VOUT的数字测量结果被馈送到一个较大的反馈回路,而这个反馈回路可以对AD8362测量的发射功率输出进行跟踪,确定VSET值和系统决定的增益要求。

图3 功率检测

这种增益控制方法可以与信号路前几级中的可变增益放大器(VGA)和可变电压放大器(VVA)结合使用。为了对发射功率和接收功率都进行测量,ADI公司的AD8364双路功率检测器可以同时测量两个复合输入信号。在使用VGA或预驱动、且仅需要一个功率检测器的系统中,两个器件中其中一个的增益是固定的,而VOUT则馈送到另一个器件的控制输入端。

如果反馈回路确定出电源线上的电流太大,则向DAC发出一个命令,以降低栅极电压或关断此部分。然而,在某些应用中,如果高压电源线上出现电压尖峰或者超范围的大电流,那么,由于数字控制回路检测高端电流、将信号转换为数字量并且利用外部控制逻辑电路对数字量进行处理的速度不够快,因而无法保护器件不受损坏。

在模拟方法中,使用一个ADI公司的ADCMP371比较器和一个RF开关控制输入到功放的RF信号,如图4所示。电流检测放大器的输出电压可以直接与DAC设定的固定电压比较。当电流传感器输出端上产生的电压高于设定电压时,比较器可以控制RF开关上的一个控制引脚,使其电平翻转,并立即切断功放栅极的RF信号,防止功放被损坏。这个直接控制方法绕过了数字处理,因此速度更快,并且能够提供更好的校准。

图4 使用模拟比较器的控制环路保护

综上所述,使用分立元件的一个典型功放监测和控制结构如图5所示。其中监测和控制的仅是功放本身,但是这一原理可应用于信号链中对任一放大器的控制。使用主控制器控制所有的分立元件,并且在同一个I2C数据总线上进行操作。

图5采用分立器件实现功率放大器的监测和控制

根据信号链的要求,在预驱动级和末级中可能需要很多个放大器,用于增加天线前端信号的总功率增益。但是这些附加的功率增益级对功放的总效率有不良影响。为了将影响降至最低,必须监测和控制驱动器以优化性能。例如,如图2所示,用户需要多个分立元件监测温度、功率、VGA的电压电平,两个预驱动,以及两个末级功放的增益。

集成监测和控制
为了解决这一衍生问题,ADI公司开发出AD7294,这是一款集成的监测和控制解决方案。AD7294将电流、电压和温度的通用监测和控制所需的所有功能和特性集成到一个芯片中。

图6 监测和控制功放级的集成解决方案

AD7294集成了9通道12-bit ADC和4通道DAC,具有10 mA 灌/源电流能力。它采用0.6 µm DMOS工艺制造,这使电流传感器能够测量高达59.4 V的共模电平。内部ADC提供两个专用的电流检测通道、两个用于检测外部温度的通道、一个用于检测芯片内部温度的通道,以及四个用于通用监测的非专用ADC输入通道。

该ADC通道的优点在于,其具有迟滞寄存器以及上限下限寄存器(AD7992/AD7994/AD7998也具有该特性)。用户可以预先对ADC通道的上限和下限进行编程;当监测的信号越过这些限制时产生报警标志。滞后寄存器为用户提供的功能是,在发生越限事件时确定报警标志的重置点。迟滞寄存器可以防止大噪声的温度传感器或电流传感器的读数连续地触发报警标志。

模数转换操作可以通过两种不同的方式开始。命令模式使用户能够根据需要将单个通道转换为多个通道的序列。循环模式可以基于预先编程的多个通道的序列自动转换,该循环模式是系统监测应用的理想模式,特别适用于连续监测信号,诸如信号功率和电流检测,而且该循环模式仅在越过预先编程的上限或下限时发出报警。

在这个方案中,还提供了两个双向高端电流检测放大器(图7)。当功放的漏极电流流过取样电阻时,产生的微小差分输入电压将被放大。集成的电流检测放大器可以抑制高达59.4 V的共模电压,并且能够为多路复用的ADC通道之一提供放大的模拟信号。这两个电流检测放大器都具有12.5的固定增益,并且均采用内部2.5 V输出偏移基准源。

图7 AD7294高端电流检测放大器

对于每个放大器,均提供了一个模拟比较器,用于高于1.2倍满量程电压阈值的故障检测。

四个12-bit DAC可以提供数字控制的电压(分辨率1.2 mV),用于控制功率晶体管的偏置电流。它们还可用于为可变增益放大器提供控制电压。DAC的核心部分是薄膜、12-bit固有单调串列DAC,其使用2.5 V的基准源,具有5 V的输出范围。该DAC的输出缓冲器能够驱动高压输出级。DAC的输出范围受偏移输入的控制,输出范围是0 V~15 V。这可以为终端用户提供5 V范围内的12-bit精度的控制能力,同时还可以灵活地使用高达15 V的偏置电压,因为功放晶体管往往使用较大的控制栅压。此外,四个DAC高达10 mA的灌电流和源电流能力可以消除外部驱动缓冲器的使用。

结论
功放供应商们正在使用多种多样的增益级和控制技术,设计更加复杂的功放前端信号链。现有的多通道ADC和DAC以及模拟RF元件的产品系列是解决不同的系统划分和架构问题的理想选择,使设计人员能够实现高性价比的分布式控制方案。但是作为另一种方案,诸如AD7294的单片解决方案在电路板面积、系统可靠性和成本方面具有显著的优势。从用户定制设计的观点来看,专用的分立功能块和集成系统的功能块都能够为系统设计人员提供空前广泛的设计选择。

作者
Liam Riordan [liam.riordan@analog.com]在ADI公司爱尔兰Limerick的精密转换器应用部门工作。他毕业于科克大学,获得电气与电子工程学士学位。
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