2.5G和3G基站用功率放大器的监控

蜂窝通信的发展与先进调制方案的关系日益密切。在最新一代(2.5G和3G)基站中，设计策略包括实现高线性度同时把功耗减至最小的方法。例如，通过监控基站功率放大器的性能，可以把功率放大器(PA)的输出功率最大化，同时获得最佳线性度和效率。幸运的是，采用为此目的量身定做的分立式集成电路(IC)，就可以很简单地监控PA的输出电平。

无线基站在功耗、线性度、效率和成本方面的性能主要取决于PA和信号链路。硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管具有低成本和大功率的优势，非常适合于现代蜂窝基站PA设计。对线性度、效率和增益进行综合权衡才能够保持LDMOS PA晶体管的最佳偏置条件。

基于环保原因，基站功率效率的优化也是电信业各公司的主要考虑事项。为降低基站的总能耗，减小它们对环境的污染，业界正在做大量的努力。基站每天的运行成本主要源自电能的消耗，其中，PA消耗的电能可能就占了一半以上，因此，优化PA的功率效率可提高基站的运行性能，有助于环保和成本降低。

控制漏极偏置电流，使其在温度和时间变化时保持恒定，这能够显著提高PA的总体性能，同时确保其输出功率级保持在规定范围以内。控制栅极偏置电流的方法之一是把它和一个电阻分压器固定在一起，在测试/评估阶段优化栅极电压。

虽然这种固定栅极电压解决方案颇具成本效益，但它有一个主要缺点，即没有考虑到环境的变化、制造的扩展或电源电压的变异。利用一个高分辨率数模转换器(DAC)或一个分辨率较低的数字分压计来动态控制PA栅极电压，可以对输出功率进行更好的控制。利用用户可编程栅极电压，即使电压、温度和其它环境参数发生变化，PA也能够保持它的最佳偏置条件。

影响PA漏极偏置电流的两个主要因素是PA的高压供电线的变化和片上温度的变化。PA晶体管的漏极电压很容易受高压供电线变化的影响。通过采用一个高端电流(I)感测放大器来精确测量高压供电线上的电流，就可以监控PA晶体管的漏极电压。满刻度读数由一个外接感测电阻(R)来设定。在监控极高电流的应用中，这个感测电阻的功耗必须为I2R。如果该电阻的额定功耗超出，它的值可能偏移或完全错误，造成端接器件上的差分电压超过最大绝对额定值。

测得的电压，以电流传感器的输出表示，可被多路输入到模数转换器(ADC)中，以产生监控所需的数字信息。需注意确保电流传感器的输出电压尽可能接近ADC的最大模拟输入范围。通过对高压线的持续监控，当感测到供电线上出现浪涌电压时，功率放大器可以重新调节自己的栅极电压，从而保持一个最佳的偏置条件。

LDMOS晶体管的漏源电流IDS，有两个与温度有关的项，即有效电子迁移率μ和阈值电压Vth：

阈值电压和有效电子迁移率随温度升高而降低。因此，温度的变化将引起输出功率的变化。通过利用一个或多个分立式温度传感器对PA的温度进行测量，就可以监控板上的温度变化。要满足系统的要求，从模拟电压输出温度传感器到单线数字输出温度传感器、Inter-IC总线(I2C)，乃至串行外设接口(SPI)控制，有各式广泛的分立式温度传感器可供选择。
 
　　把温度传感器的输出多路输入到ADC中，把该温度数据转换为数字数据以供监控所用(图1)。根据系统的配置情况，板上有可能需要使用大量温度传感器。例如，如果有一个以上的PA被采用，或者前端需要多个前置驱动器，让每一个放大器使用一个温度传感器可对系统提供更多的控制。本例中，需要一个多通道ADC来转换温度传感器的模拟输出。目前，各类ADC都具有内置溢出(out-of-range)警告功能，当输入超过已定限值时会给出警告。在PA信号链路中，这种功能对监控温度和电流传感器读数意义重大。高端限值和低端限值都可以预先设定，只有超出这些限值时才产生警告信息。这类设计一般还带有滞后寄存器。若限值超出，由这种寄存器决定警告标记的复位点。滞后寄存器可以防止温度或电流传感器读数连续触发警告标记。例如，Analog Devices公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I2C接口ADC就带有这种溢出限值指示器，同时分别可提供2、4和8个功率处理通道。

利用控制逻辑电路，可以对来自电流传感器和温度传感器的混合数字信息进行连续的监控。通过数字分压计或DAC来动态控制PA的栅极电压，同时监控传感器的读数，可以保持一个最优化的偏置条件。DAC的分辨率将由栅极电压所需要的控制级别来决定。在基站设计中，电信公司普遍采用多个PA(图2)，因为这样一来，在为每一个射频(RF)载波选择PA时灵活性更大。每一个PA都可以针对某一特殊调制方案被优化。再把PA并联起来，就可以提供更高的线性度和更高的总体效率。在这种情况下，PA可能需要多个级联增益级，包括可变增益放大器(VGA)和前置驱动器级，以满足增益和效率要求。多通道DAC可以满足这些模块的不同的电平设定(level-setting)和增益控制要求。

为了实现PA的精确栅极控制，DAC，比如Analog Devices公司的AD5321、AD5627和AD5625就分别具有12位、单、双和四路输出。这些部件具有非常出色的源/汇功能(source and sink capabilities)，在大多数应用中可无需输出缓冲器。低功率、单调性保证和稳定时间短等优势相结合，能够实现精确的电平设定应用。

若精度不是主要规格，且可以接受8位的分辨率，则数字分压计是更具成本效益的选择。数字分压计具有和机械分压计或可变电阻器相同的电子调节功能，而且提供更高的分辨率、固态可靠性和出色的温度性能。非易失性、一次性可编程(OTP)数字分压计非常适合于时分双工(TDD)RF应用，此时，PA在TDD接收期间关断，在发射期间通过固定栅极电压导通。这种预先编程的启动电压在PA晶体管导通进入发射阶段时可减小导通延迟，提高效率。在接收期间关断PA晶体管的能力可避免发射噪声干扰接收信号。这种技术还能提高PA的总体效率。根据通道数目、接口类型、分辨率和非易失性存储器的要求，有大量数字分压计可供这类应用选择。256滑点、一次性可编程、双通道的I2C分压计，比如Analog Devices公司的AD5172，就非常适合于RF放大器中的电平设定应用。

通过对PA输出端上的复杂RF信号的功率级的精确测量，可以对放大器增益进行更好的控制，从而优化器件的效率和线性度。利用均方根(RMS)功率检波器，可从WCDMA、EDGE和UMTS蜂窝基站中的RF信号中提取精确的rms功率级。

图3显示了一个简单的控制环路，其中，功率检波器的输出端与PA的增益控制终端相连。基于输出电压VOUT和RF输入信号之间的已定关系，功率检波器调节VOUT电压(这里，VOUT是误差信号放大器的输出)，直到RF输入电平与加载的控制电压VSET相匹配。加上ADC，构成完整的反馈环路，其能够跟踪功率检波器的输出，并调节它的VSET输入。这种增益控制方法可用于电压可变放大器(VVA)和VGA，后者用杂信号链路的前面数级。要测量发射和接收功率，可采用两个功率检波器同时测量两个复杂输入信号。在VGA或前置驱动放大器位于PA之前的系统中，只需要一个功率检波器。这时，一个器件的增益是固定的，而VOUT提供另一个器件的控制输入。

在高压供电线能感测到电压尖刺或过大电流的情形下，某些应用中的数字控制环路可能不够快到防止器件受损。数字控制环路包括：利用电流感测、模数转换来感测高端电流，以及通过外接控制逻辑处理数字数据。如果环路判断出线上电流过大，它会向DAC发送一个命令，降低栅极电压或关断该部分的电源。

可以使用模拟比较器通过一个RF开关来控制输入到PA的RF信号(图4)。如果在供电线上感测到大电流，可关断RF信号以免损害PA。采用模拟比较器就意味着不需要数字处理技术，因此，控制环路要快得多。电流感测的输出电压可以直接与DAC设定的固定电压进行比较。当电压较高，在电流感测的输出端产生固定电压时，比较器可触发RF开关上的一个控制引脚，几乎立即就截断输入到PA栅极的RF信号。

图5所示为一个典型的采用分立式元件的PA监控结构。唯一被监控的放大器是PA本身；不过，信号链路中的任一个放大器都可以采用这种方式进行处理。所有这些分立式元件都脱离同一条数据总线工作，这里是I2C数据总线，并通过一个主控制器来予以控制，以最小化部件数目、复杂性和成本。

从设计的角度来看，使用分立式元件来监控基站PA的主要优势在于定制产品的选择范围相当大。PA销售商设计的PA前端链路越来越复杂，包含了各种不同的增益级和控制技术。现有的多通道ADC和DAC都非常适合用来处理不同的蜂窝基站系统划分及架构，从而让基站设计人员能够执行具成本效益的分布式控制。