利用分立式器件提升蜂窩基站PA性能

隨著蜂窩基站技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)射頻(RF)信號(hào)的要求更為復(fù)雜。通過對(duì)基站的功率放大器(PA)性能監(jiān)測與控制，可以最大化地提高功率放大器的輸出，同時(shí)又可獲得最優(yōu)越的線性度和效率。本文將討論如何利用分立式IC對(duì)功率放大器進(jìn)行監(jiān)測與控制。

借助汲極偏壓電流控制提高PA效率

基站的性能，是由功耗、線性度、效率以及成本評(píng)價(jià)，主要由信號(hào)鏈中的功率放大器決定的。橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管的低成本和大功率放大器的特性，使它們成為當(dāng)今蜂窩基站功率放大器設(shè)計(jì)中的首選。而對(duì)線性度、效率和增益等方面的折衷考慮，則確定LDMOS功率放大器晶體管最佳的偏置狀態(tài)。

基于環(huán)境上的原因，基站電源效率的最佳化成為各電信產(chǎn)業(yè)公司的主要考慮。目前業(yè)界正致力于降低基站的總能源消耗，以此來減少基站對(duì)環(huán)境的影響?；久刻斓闹饕\(yùn)行成本是電能，而功率放大器可以消耗基站所需的一半以上的電力，所以，優(yōu)化功率放大器的效率就可以改善運(yùn)行性能，以及提供環(huán)境和財(cái)務(wù)的效益。

通過對(duì)汲極偏壓電流的控制，使其隨溫度和時(shí)間的變化保持一個(gè)恒定值，即可大幅地改善功率放大器的整體性能，同時(shí)又可確保功率放大器工作在調(diào)整的輸出功率放大器范圍之內(nèi)。其中的一個(gè)控制閘極偏流的方法，是在測試和評(píng)估階段對(duì)閘極電壓進(jìn)行優(yōu)化，然后用一個(gè)電阻分壓器將其固定起來。雖然此固定閘極電壓的方法是有效且低成本的，但主要的缺點(diǎn)是沒有考慮到環(huán)境、制造容差或電源電壓的變化。

使用一個(gè)高分辨率數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，或一個(gè)較低分辨率的數(shù)字電位計(jì)對(duì)功率放大器閘極電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，將可以對(duì)輸出功率放大器提供更強(qiáng)的控制。一種用戶可編程的閘極電壓可以使功率放大器維持在最佳偏流狀態(tài)，無論電壓、溫度以及其他環(huán)境參數(shù)如何變化。

影響PA汲極偏流二大主因剖析

兩個(gè)影響功率放大器汲極偏流的主要因素為功率放大器高壓電源在線的變化與芯片的溫度變化。功率放大器晶體管的汲極電壓容易受到高壓電源在線變化的影響。使用一個(gè)高階電流檢測放大器來精確測定高壓電源在線的電流，就可對(duì)功率放大器晶體管的汲極電壓進(jìn)行監(jiān)測。用一個(gè)外部的傳感電阻對(duì)滿刻度電流讀數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在監(jiān)測高電流的應(yīng)用中，傳感電阻必須能夠消耗I2R的功耗，若超過電阻的極限功耗，其阻值就會(huì)漂移，或者完全損壞，而造成電阻兩端之間的差動(dòng)電壓值超過絕對(duì)最大值。

電流傳感器輸出端測得電壓，可通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)取樣(圖1)，以產(chǎn)生用于監(jiān)測用的數(shù)字量。在此必須注意，電流傳感器的輸出電壓須盡量接近ADC的滿量程輸入范圍，對(duì)高壓電源線的恒久監(jiān)測，可使功率放大器監(jiān)測到高壓電源在線出現(xiàn)浪涌電壓的時(shí)，重新調(diào)整它的閘極電壓，從而維持在最優(yōu)的偏置狀態(tài)。

圖1　簡化型控制系統(tǒng)

LDMOS晶體管的源汲極間電流IDS包含與溫度相關(guān)的兩項(xiàng)，即有效電子遷移率μ和臨界電壓Vth。

臨界電壓Vth和有效電子遷移率μ將隨著溫度的上升而降低，因此溫度的變化會(huì)引起輸出功率放大器的變化。使用一個(gè)或幾個(gè)分立式溫度傳感器來測量功率放大器的溫度，可以對(duì)電路板的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，許多種分立式溫度傳感器可以滿足系統(tǒng)的需求，包括模擬量輸出的溫度傳感器；以及使用一條導(dǎo)線、I2C和SPI接口的數(shù)字量輸出的溫度傳感器。

將溫度傳感器的輸出電壓通過多任務(wù)器輸入ADC，可以把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用于監(jiān)測的數(shù)字量。根據(jù)不同的配置結(jié)構(gòu)，也許需要在電路板使用好幾個(gè)溫度傳感器。例如，若使用多個(gè)功率放大器，或者在前端需要若干個(gè)前置驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于每個(gè)放大器使用一個(gè)溫度傳感器就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供更多的控制能力。在這種情況下，就須使用多通道ADC，以便對(duì)各個(gè)溫度傳感器的模擬輸出量完成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)今的ADC中，通常都設(shè)有內(nèi)部的超量程報(bào)警功能。當(dāng)輸入超出預(yù)先編程設(shè)定的極限值時(shí)，這個(gè)附加的功能就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，此對(duì)于監(jiān)測功率放大器信號(hào)鏈中的溫度傳感器和電流傳感器的輸出，是極其有用的。監(jiān)測的上限和下限都可以預(yù)先通過程序來設(shè)定，而只有當(dāng)超出此范圍時(shí)才產(chǎn)生警示信號(hào)。在此類設(shè)計(jì)中，一般都設(shè)有磁滯緩存器(Hysteresis Register)，此緩存器確定在出現(xiàn)超范圍而發(fā)出報(bào)警信號(hào)之后的復(fù)位點(diǎn)。磁滯緩存器防止當(dāng)溫度或電流傳感器的讀數(shù)中混有大噪聲時(shí)，對(duì)警示特征位不斷地來回?fù)軇?dòng)。如某公司的I2C接口的二、四、八信道12位低功耗ADC即具有這個(gè)超量程的指示功能。