分立元件实现功放监测与控制

1 引言

　　基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。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。

　　2 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。

　　图1 简化的控制系统

　　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。

　　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。

　　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。

　　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 AD5622、AD5627和AD5625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。

　　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。