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在基站应用中采用分立元件控制功放

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作者:Liam Riordan


蜂窝通信基站技术发展到了包含2.5G和3G的调制方案,提出了产生更为复杂的RF信号的要求。通过对基站中的功放(PA)性能的监测与控制,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。本文将讨论如何利用分立的集成电路对功放进行监测与控制。

无线基站的性能,从功耗、线性度、效率和成本来评价,则主要是由信号链中的功放决定的。LDMOS晶体管的低成本和大功率的特性,使它们成为当今蜂窝基站的功放设计中的放大器选择。而对线性度、效率和增益等方面的固有的折衷考虑,则确定了LDMOS功放晶体管的最优偏置状态。

由于环境上的原因,对基站的电源效率的优化也是服务于电讯行业中各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,以此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和提供环境和财务上的效益。

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性能,同时又可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,是在测试和评估阶段对栅极电压进行优化,然后用一个电阻分压器将它固定起来。虽然这个固定栅极电压的方法是有效且低成本的,但主要的缺点是没有考虑到环境、制造容差或电源电压的变化。使用一个高分辨率DAC或一个较低分辨率的数字电位计对功放栅极电压进行动态控制,将可以对输出功率提供更强的控制。一种用户可调的栅极电压可以使功放维持在它的最优偏流状态,无论电压、温度和其他环境参数如何变化。

两个影响功放漏极偏流的主要因素

  1. 功放的高压电源线上的变化。
  2. 芯片的温度变化。

功放晶体管的漏极电压容易受到高压电源线上变化的影响。使用一个高端的电流检测放大器来精确测定高压电源线上的电流,就可以对功放晶体管的漏极电压进行监测。用一个外部的传感电阻对满度电流读数进行设定。在监测高电流的应用中,传感电阻必须能够消耗I2R的功耗。如果超过了电阻的极限功耗,它的阻值就会漂移,或者完全损坏,而造成电阻两端之间的差分电压值超过了绝对的最大值。

在电流传感器输出端上测得的电压,可以通过ADC采样,以产生用于监测之用的数字量。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。对高压电源线的恒久监测,可以使功放在监测到高压电源线上出现浪涌电压的时候,重新调整它的栅极电压,从而维持在一个最优的偏置状态。

LDMOS晶体管的源漏间的电流IDS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

公式

阈值电压Vth和有效电子迁移率μ将随着温度的上升而降低,因此,温度的变化会引起输出功率的变化。使用一个或几个分立的温度传感器来测量功放的温度,可以对电路板上的温度变化进行监测。有许多种分立的温度传感器可以满足系统的需求,包括模拟量输出的温度传感器,到使用1条导线的、I2C和SPI接口的数字量输出的温度传感器。

图1 简化后的控制系统
图1 简化后的控制系统

将温度传感器的输出电压通过多路复用器输入ADC,可以把温度数据转换成用于监测的数字量。根据不同的配置结构,也许需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整个系统提供更多的控制能力。在这种情况下,就需要使用多通道ADC,以便对各个温度传感器的模拟输出量完成模数转换。在现今的ADC中,通常都设有内部的超量程报警功能。当输入超出了预先编程设定的极限值时,这个附加的功能就会产生报警信号,这对于监测功放信号链中的温度传感器和电流传感器的输出,是极其有用的。监测的上限和下限都可以预先通过程序来设定,而只有当超出这个范围时才产生报警信号。在这类设计中,一般也都是设置有磁滞式寄存器(Hysteresis registers)。这种寄存器确定了在出现超范围而发出报警信号之后的复位点。磁滞式寄存器防止了当温度或电流传感器的读数中混有大噪声时,对报警特征位不断地来回拨动。如ADI公司的I2C接口的二、四、八通道12位低功耗ADC ——AD7992/4/8都具有这个超量程的指示功能。

使用了控制逻辑电路之后,可以对电流传感器和温度传感器的输出进行连续的监测。在对传感器的读数进行监测的同时,利用数字电位器或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。电讯公司一般在基站设计中使用多个功放,如图2所示,因为这样可以在对每个RF载波设备选择功放时,提供更多的灵活性。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,功放也许要求用多个增益级级联,包括使用一些可变增益放大器(VGA)和预驱动,以满足增益和效率的要求。一个多通道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HPA信号链
图2 典型的HPA信号链

为了对功放的栅极电压实现精确控制,如ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625,这些ADC可以提供12位的单路、两路和四路输出。这些器件具有极好的源电流和灌电流的能力,在大多数情况下就不再需要使用输出缓冲器了。这些电路兼有低功耗、单调性和快速稳定时间的优点,可以在应用中实现精确的电压电流设定。

在精度不是最主要的考虑因素、8位的分辨率可接受的应用中,数字电位计是一种更低成本的选择。这些电位计与机械式的电位计或可变电阻具有相同的电子调节功能,而且具有更好的分辨率、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;在这种应用中的TDD接收期间,功放是关闭的,在发送期间,功放是用固定栅压且导通的。这个可编程的启动电压降低了开启延迟,并且改善了在开启功放晶体管时进入发射状态时的效率。在接收期间可以关断功放晶体管的能力,避免了发射噪声对接收信号的破坏。这个技术也改善了功放的总效率。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——256个位置、一次编程和双通道的I2C电位计,非常适合于RF放大器中的电平设置。

对功放输出端上复杂的RF信号的功率电平进行精确测量,可以实现对放大器增益更强的控制,从而优化了器件的效率与线性度。使用均方根值(rms)的功率检测器,可以实现从W-CDMA、EDGE和UMTS的蜂窝基站中的RF信号中提取出精确的均方根功率电平。

在图3中,功率检测器的输出被连接到了功放的增益控制端。基于VOUT和RF输入信号之间的确定关系,功率检测器将对VOUT端(VOUT现在是一个误差放大器的输出)的电压进行调节,直到RF输入的电平与所设置的VSET保持一致。其中的ADC与DAC构成了一个反馈环路,而这个反馈环路对功率检测器的输出进行跟踪,并且对它的VSET输入进行调节。这个增益的控制方法可以使用于信号链的前几级中的可变增益放大器(VGA)和可变电压放大器(VVA)。为了对发射功率和接收功率都进行测试,可以使用已有的双路功率检测器,对两个复合信号实现同时检测。在功放之前存在VGA或者前置驱动器的系统中,就只需要一个功率检测器。在这种情况下,两个器件中的一个器件的增益是固定的,而VOUT则馈送到另一个器件的控制输入端。

图3 功率检测
图3 功率检测

当高压电源线上检测到电压尖峰,或超范围的大电流的时候,由于数字控制环路的速度不够快,因而无法保护器件不受损坏。数字控制环路由下列部分组成:高端电流感应的电流传感器、模数转换器,以及用来处理数字量的外部控制逻辑。如果环路确定出电源线上的电流太大,那么,它就向DAC发出一个命令,以降低栅极电压或关断此部分。根据模拟比较器的输出来配合RF开关,以控制输入到功放的RF信号,如图4所示。如果在电源线上检测到了大电流,那就可以切断RF信号,以防止功放被损坏。使用一个模拟比较器意味着不需要数字处理,所以环路控制就快得多。电流传感器的输出电压可以直接与DAC设置的固定电压进行比较。当在电流传感器输出端上产生一个高于固定电压的电压时,比较器可以控制RF开关上的一个控制引脚,使其电平翻转,并能立即切断功放栅极的RF信号。

图4 模拟比较器控制环路
图4 模拟比较器控制环路

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。其中被监测和控制的放大器仅是功放本身,但信号链中的任何一个放大器都可以用这个方法来进行监测和控制。所有的分立元件都是通过同一个数据总线进行操作的,在本例中则是I2C数据总线,采用主控制器来实现控制。

从设计的观点来看,使用分立元件实现监测和控制的主要优点是,我们可以从一组经过量身定制而精选的产品中选择这些元件。供应商们正在设计由各种增益级和控制技术组成的、前所未有复杂性的功放的前端信号链。现有的多通道ADC和DAC是用于不同的系统划分和架构的理想选择,允许设计者实现成本有效的分布式控制。

图5 采用分立器件实现功率放大器的监测和控制
图5 采用分立器件实现功率放大器的监测和控制

作者简介:
Liam Riordan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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