基站应用中功放的分立控制和集成控制
介绍
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。
ADI公司提供了适用于该应用的一系列元件，包括多通道数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、温度传感器和电流传感器，以及单芯片的集成解决方案，在基站中使用这些产品可以监测和控制各种类型的模拟信号。分立的传感器和数据转换器能够提供最大的性能和配置灵活性，而集成解决方案则具有成本更低、尺寸更小、可靠性更高的优点。
由于环境上的原因，对基站的电源效率的优化也是电讯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，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，并提高环境和财务上的效益。
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。其中的一个控制栅极偏流的方法是，使用电阻分压将栅极电压固定在一个评估阶段中确定的最优值。
图1 简化的控制系统
不幸的是，虽然这个固定栅极电压的方法的性价比很高，但主要的缺点是不能根据环境、制造容差或电源电压的变化进行校准。影响功放漏极偏流的两个主要因素是功放高压电源线上的变化和芯片温度的变化。
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。对高压电源线实施恒定监测，即使在监测到高压电源线上出现浪涌电压时，也能重新调整功放的栅极电压，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。为了监测电流传感器和温度传感器，可以使用ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998多通道12-bit ADC，用于将模拟测量结果转换为数字量。
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。并行连接功放也可以改善线性度和总效率。在这种情况下，功放可能要求使用多个增益级级联，包括使用可变增益放大器(VGA)和预驱动，以满足增益和效率的要求。多通道DAC可以完成这些功