利用分立式器件提升蜂窝基站PA性能

随着蜂窝基站技术的不断发展，对射频(RF)信号的要求更为复杂。通过对基站的功率放大器(PA)性能监测与控制，可以最大化地提高功率放大器的输出，同时又可获得最优越的线性度和效率。本文将讨论如何利用分立式IC对功率放大器进行监测与控制。

借助汲极偏压电流控制提高PA效率

基站的性能，是由功耗、线性度、效率以及成本评价，主要由信号链中的功率放大器决定的。横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管的低成本和大功率放大器的特性，使它们成为当今蜂窝基站功率放大器设计中的首选。而对线性度、效率和增益等方面的折衷考虑，则确定LDMOS功率放大器晶体管最佳的偏置状态。

基于环境上的原因，基站电源效率的最佳化成为各电信产业公司的主要考虑。目前业界正致力于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，而功率放大器可以消耗基站所需的一半以上的电力，所以，优化功率放大器的效率就可以改善运行性能，以及提供环境和财务的效益。

通过对汲极偏压电流的控制，使其随温度和时间的变化保持一个恒定值，即可大幅地改善功率放大器的整体性能，同时又可确保功率放大器工作在调整的输出功率放大器范围之内。其中的一个控制闸极偏流的方法，是在测试和评估阶段对闸极电压进行优化，然后用一个电阻分压器将其固定起来。虽然此固定闸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。

使用一个高分辨率数字模拟转换器(DAC)，或一个较低分辨率的数字电位计对功率放大器闸极电压进行动态控制，将可以对输出功率放大器提供更强的控制。一种用户可编程的闸极电压可以使功率放大器维持在最佳偏流状态，无论电压、温度以及其他环境参数如何变化。

影响PA汲极偏流二大主因剖析

两个影响功率放大器汲极偏流的主要因素为功率放大器高压电源在线的变化与芯片的温度变化。功率放大器晶体管的汲极电压容易受到高压电源在线变化的影响。使用一个高阶电流检测放大器来精确测定高压电源在线的电流，就可对功率放大器晶体管的汲极电压进行监测。用一个外部的传感电阻对满刻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，若超过电阻的极限功耗，其阻值就会漂移，或者完全损坏，而造成电阻两端之间的差动电压值超过绝对最大值。

电流传感器输出端测得电压，可通过模拟数字转换器(ADC)取样(图1)，以产生用于监测用的数字量。在此必须注意，电流传感器的输出电压须尽量接近ADC的满量程输入范围，对高压电源线的恒久监测，可使功率放大器监测到高压电源在线出现浪涌电压的时，重新调整它的闸极电压，从而维持在最优的偏置状态。

图1　简化型控制系统

LDMOS晶体管的源汲极间电流IDS包含与温度相关的两项，即有效电子迁移率μ和临界电压Vth。

临界电压Vth和有效电子迁移率μ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放大器的变化。使用一个或几个分立式温度传感器来测量功率放大器的温度，可以对电路板的温度变化进行监测，许多种分立式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；以及使用一条导线、I2C和SPI接口的数字量输出的温度传感器。

将温度传感器的输出电压通过多任务器输入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，也许需要在电路板使用好几个温度传感器。例如，若使用多个功率放大器，或者在前端需要若干个前置驱动器，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，就须使用多通道ADC，以便对各个温度传感器的模拟输出量完成模拟数字转换。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，此对于监测功率放大器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，而只有当超出此范围时才产生警示信号。在此类设计中，一般都设有磁滞缓存器(Hysteresis Register)，此缓存器确定在出现超范围而发出报警信号之后的复位点。磁滞缓存器防止当温度或电流传感器的读数中混有大噪声时，对警示特征位不断地来回拨动。如某公司的I2C接口的二、四、八信道12位低功耗ADC即具有这个超量程的指示功能。

使用分立式器件的一个典型功率放大器监测和控制结构如图5所示。其中被监测和控制的放大器仅是功率放大器本身，但信号链中的任何一个放大器都可以用这个方法来进行监测和控制，所有的分立式器件都是通过同一个数据总线进行操作的，在本例中则是I2C数据总线，采用主控制器实现控制。

图5　采用分立式器件实现功率放大器的监测和控制。

从设计的观点来看，使用分立式器件实现监测和控制的主要优点是，可以从一组经过量身订制的产品中选择这些组件。供货商们正在设计由各种增益级和控制技术组成的、前所未有复杂性的功率放大器的前端信号链。现有的多通道ADC和DAC是用于不同的系统画分和架构的理想选择，允许设计者实现成本有效的分布式控制。