在基站应用中采用分立元件控制功放

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。
 
图1 简化的控制系统

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器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为：

.功放的高压电源线上的变化。

.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个参数，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m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2  典型的HPA信号链

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，一般也都是设置有滞后寄存器(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。滞后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