监控基站功率放大器的优化方案

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  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将功耗降至最低的方法。例如,通过监控基站功率放大器(PA)的性能,可使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,采用针对该目的量身定做的分立集成电路(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信号链中的PA。硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管所具有的低成本和大功率性能优势,非常适合于现代蜂窝基站PA设计。线性度、效率和增益的内在平衡决定着LDMOS PA晶体管的最佳偏置条件。

  基于环保原因,基站电源效率的优化也是电信业各公司的重要考虑事项。为降低基站的总能耗以减小它们对环境的影响,业界正在进行不懈的努力。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的电源效率可提高基站的运行性能,有助于保护环境和提高经济效益。

  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水平保持在规定范围内。一种控制栅极偏置电流的方法是在测试/评估阶段用电阻分压器固定栅极电压来优化栅极电压。

  虽然这种固定栅极电压解决方案颇具成本效益,但它有一个大缺点,就是没有考虑到环境变化、制造的延伸性或电源电压变化。利用一个高分辨率数模转换器 (DAC)或一个较低分辨率的数字电位计来动态控制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。通过采用一个高压侧电流(I)检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。满量程电流读数由一个外部检测电阻(R)来设定。在监控极高电流的应用中,这个检测电阻必须能消耗掉I2R的损耗。如果超出该电阻的额定功耗,电阻值可能发生偏移或电阻完全失效,这将造成其两端的差分电压超过绝对最大额定值。

  用电流传感器输出表示的被测电压可被多路复用输入到模数转换器(ADC)中,以产生监控所需的数字数据。需注意确保电流传感器的输出电压应尽可能接近 ADC的满量程模拟输入范围。通过对高压线的持续监控,当检测到供电线上出现浪涌电压时,功率放大器可以重新调节其栅极电压,从而保持最佳的偏置条件。

  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。利用一个或多个分立温度传感器测量PA的温度,就可以监控电路板上的温度变化。有多种分立式温度传感器可满足系统要求,从各种模拟电压输出温度传感器到具有单线、I2C总线和串行外设接口(SPI)控制的各种数字输出温度传感器。

  将温度传感器的输出电压多路复用输入到ADC中,从而使该温度数据转换为数字数据以供监控使用(图1)。根据系统配置不同,电路板上可能需要使用多个温度传感器。例如,如果使用一个以上的PA或者前端需要多个前置驱动器,则对每一个放大器使用一个温度传感器可以更好地控制系统。这种情况下,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一般都具有内置超量程报警功能,当输入超过设定的限值时就会发出警告。在PA信号链中,这种功能对监控温度和电流传感器读数意义重大。上限和下限均可以预先设定,只有超出这些限度时才发出警告信号。

  
图1:该模块图显示了使用一个ADT75温度传感器和ADM4073电流传感器多路复用到ADC模型的简化控制系统。

 

  图1:该模块图显示了使用一个ADT75温度传感器和ADM4073电流传感器多路复用到ADC模型的简化控制系统。
关键字:功率放大器(131)基站(54)监控基站(1)

  这类设计一般还配有迟滞寄存器。该寄存器类型决定了超出限度时警告标识的复位点。迟滞寄存器可以防止高噪声的温度或电流传感器读数连续触发警告标识。例如,ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I2C接口ADC就带有这种超量程限值指示器,同时分别提供了2、4、8通道处理能力。

  利用控制逻辑可以对来自电流传感器和温度传感器的数字信息进行连续监控。通过数字电位计或DAC来动态控制PA栅极电压,同时监控传感器的读数,可以保持最优化的偏置条件。DAC的分辨率将由栅极电压所需的控制水平来决定。在基站设计中,电信公司普遍采用多个PA(图2),因为这样在为每个射频 (RF)载波选择PA时可提供更大的灵活性。每个PA都可以针对某一特殊调制方案进行优化。并联多个PA还能提高线性度和总体效率。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电平设置和增益控制要求。

  
图2:包含一个可变增益放大器(VGA)、多个前置驱动器级和输出级的典型蜂窝基站放大器链路。

 

  图2:包含一个可变增益放大器(VGA)、多个前置驱动器级和输出级的典型蜂窝基站放大器链路。

  为实现对PA栅极的精确控制,ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625等DAC分别提供12位单路、双路和四路输出。这些器件具有非常出色的供应电流和汲取电流能力,在大多数应用中无需输出缓冲器。通过结合低功耗、保证单调性和快速建立时间等特性,能够实现精确的电平设置应用。

  若精度不是主要规格,且可以接受8位分辨率,则数字电位计是更具成本效益的选择。数字电位计具有与机械电位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)数字电位计非常适合时分双工(TDD)RF应用,其中,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,并提高效率。能够在接收期间关断PA 晶体管可避免发射噪声破坏接收信号。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要求的不同,有大量数字电位计可供这类应用选择。256抽头、一次性可编程、双通道的I2C电位计(如ADI公司的AD5172)就非常适合RF放大器中的电平设置应用。

  通过精确测量PA输出端的复杂RF信号的功率水平,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)功率检测器,可以从WCDMA、EDGE和UMTS蜂窝基站中的RF信号提取精确的RMS功率电平。

  图3显示了一个简单的控制环路,其中,功率检测器的输出被连接到PA的增益控制端。基于输出电压VOUT与RF输入信号之间的既定关系,功率检测器将调节VOUT上的电压(VOUT现在是误差放大器输出)直到RF输入端的电平与所施加的控制电压VSET相对应。加上ADC便构成完整的反馈环路,它能够跟踪功率检测器的输出,并调节其VSET输入。这种增益控制方法可用于信号链前几级中使用的可变电压放大器(VVA)和VGA。为测量发射和接收功率,可采用两个功率检测器同时测量两个复数输入信号。在一个VGA或前置驱动放大器位于PA之前的系统中,只需一个功率检测器。此时,其中一个器件的增益是固定的,而VOUT为另一个器件提供控制输入。

  
图3:在这个简单控制环路中,功率检测器的输出被连接到功率放大器的增益控制端。

 

  图3:在这个简单控制环路中,功率检测器的输出被连接到功率放大器的增益控制端。

  当在高压供电线上检测到电压尖峰或过大电流时,某些应用中的数字控制环路可能不够快,因而无法避免器件受损。数字控制环路包括:利用电流检测来检测高压侧电流、模数转换以及通过外接控制逻辑处理数字数据。如果环路判断出线路电流过大,它会向DAC发送一个命令以降低栅极电压或者关断该部分电源。

  可以使用模拟比较器通过一个RF开关来控制PA的RF信号输入(图4)。如果在供电线上检测到大电流,可以关断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。电流检测的输出电压可以直接与DAC设置的固定电压进行比较。当电流检测的输出电压高于该固定电压时,比较器可触发RF开关上的一个控制引脚,几乎可以立即截断输入到PA栅极的RF信号。


图4:可以采用模拟比较器通过一个RF开关来控制PA的RF信号输入。

  图5所示为一个典型的采用分立器件的PA监控和控制配置。唯一被监控的放大器是PA本身,不过,信号链中的任何一个放大器都可以采用这种方式进行处理。所有分立器件都采用同一条数据总线工作,本例中为I2C数据总线,并通过一个主控制器来进行控制,以便最大程度地缩减器件数量、复杂性和成本。

  
图5:该结构图显示了基于分立器件和若干低功耗转换器的一个典型PA监控配置。在此设置中唯一被核对的放大器是PA,尽管此链路中任何放大器都可被监控。

 

  图5:该结构图显示了基于分立器件和若干低功耗转换器的一个典型PA监控配置。在此设置中唯一被核对的放大器是PA,尽管此链路中任何放大器都可被监控。

  从设计的角度来看,使用分立器件来监控基站PA的主要优势在于定制产品的选择范围相当大。PA供应商设计的PA前端信号链正越来越复杂,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实现经济高效的分布式控制。

  

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