基站应用中使用分立元件的PA监控解决方案

简介

在无线基站中，功率放大器（PA）在功耗，线性度，效率和成本方面主导信号链性能。监视和控制基站PA的性能可以最大化输出功率，同时实现最佳线性度和效率。本文讨论了使用分立元件的PA监控解决方案的元素，并描述了集成解决方案。

ADI公司拥有一套非常适合此类任务的组件。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集成解决方案正在基站中应用，以监控和控制各种模拟信号。离散传感器和数据转换器提供最大的性能和配置灵活性，而集成解决方案提供更低的成本，更小的尺寸和更高的可靠性。

优化基站的电源效率是电信行业公司的关键环境考虑因素。正在做出重大努力来降低基站的总体能耗，以减少它们对环境的影响。电能是基站日常运营成本的主要来源，PA可以承担超过一半的功耗。因此，优化PA的功率效率可提高运营性能，并提供环境和财务效益。

具有分立元件的PA控制

图1显示了使用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）晶体管的基本功率级。线性度，效率和增益之间的固有折衷决定了PA晶体管的最佳偏置条件。在整个温度和时间内将漏极偏置电流保持在最佳值可以显着提高PA的整体性能，同时确保其保持在稳定的输出功率水平内。控制栅极偏置电流的一种方法是使用电阻分压器将栅极电压设置为在评估期间确定的固定最佳值。

不幸的是，虽然这种固定栅极电压解决方案可以它具有很高的成本效益，它有一个严重的缺点：它不能纠正环境变化，制造扩散或电源电压变化。影响PA漏极偏置电流的两个主要因素是高压电源线和片上温度的变化。

更好的方法是PA门的动态控制电压 - 使用数字控制算法测量漏极电流，使用ADC对其进行数字化，并通过高分辨率DAC或低分辨率数字电位器设置所需的偏置。该控制系统允许PA保持所需的偏置条件，以便通过用户可编程设定点优化性能设置 - 尽管电压，温度和其他环境参数发生变化。

这种控制方法的关键因素是使用高端检测电阻和AD8211电流检测放大器，通过高压电源线精确测量提供给LDMOS晶体管的电流。共模输入范围高达+65 V，AD8211提供20 V / V的固定增益。外部检测电阻设置满量程电流读数。放大器输出可以复用到ADC中，以生成用于监视和控制的数字数据。应注意确保电流检测放大器的输出电压尽可能接近ADC的满量程模拟输入范围。持续监控高压线使功率放大器能够连续重新调整其栅极电压，即使在线路上检测到电压浪涌，从而保持最佳偏置条件。

漏极 - 源极电流LDMOS晶体管， I DS ，作为栅极 - 源极电压的函数， V gs ，有两个与温度有关的项：有效电子迁移率μ和阈值电压 V th 。

V th ，μ随温度升高而降低。因此，温度变化将导致输出功率的变化。使用一个或多个ADT75 12位温度传感器测量PA的环境温度和内部温度，可以监控电路板上的温度变化。 ADT75是一款采用8引脚MSOP封装的完整温度监控系统，可在0°C至70°C范围内提供±1°C的精度。

将温度传感器的电压输出，漏极电流和其他数据复用到ADC中，可以将温度测量值转换为数字数据进行监控。根据系统配置，可能需要在电路板上使用多个温度传感器。例如，如果使用多个PA，或者如果前端需要多个预驱动器，则每个放大器的温度传感器可以更好地控制系统。为了监控电流传感器和温度传感器，AD7992，AD7994和AD7998多通道12位ADC可用于将模拟测量转换为数字数据。

从电流传感器和温度收集的数字信息可以使用控制逻辑或微控制器连续监测传感器。使用数字电位计或DAC动态控制PA栅极电压 - 同时监控传感器读数并处理数字数据 - 可以保持优化的偏置条件。栅极电压所需的控制程度将决定DAC的分辨率。电信公司通常在基站设计中使用多个PA，如图2所示，以便为每个RF载波选择PA提供更大的灵活性，并允许每个PA针对特定的调制方案进行优化。此外，组合并行PA输出可提供更高的线性度和整体效率。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）和预驱动器，以满足增益和效率要求。多通道DAC可满足这些模块的各种电平设置和增益控制要求。

为实现精确的PA栅极控制，AD5622，AD5627和AD5625 DAC均提供12位，单，双和四输出。它们具有内部缓冲器，具有出色的源和接收能力，在大多数应用中无需外部缓冲器。低功耗，保证单调性和快速建立时间的组合使这些器件成为精确电平设置应用的理想选择。

如果精度不是主要规格且8位分辨率可以接受，则数字电位器是一种更具成本效益的选择。这些数字可变电阻器执行与机械电位器或可变电阻器相同的电子调节功能，但具有增强的分辨率，固态可靠性和卓越的温度性能。非易失性和一次性可编程（OTP）数字电位器是时分双工（TDD）RF应用的理想选择，其中PA关闭用于TDD 接收周期并通过发送周期的固定栅极电压接通。该预编程的启动电压可降低导通延迟，并提高开启发送级PA晶体管的效率。在接收状态期间关闭PA晶体管的能力可防止发送器电路噪声破坏接收信号并提高PA的整体效率。根据通道数量，接口类型，分辨率和非易失性存储器的要求，可为此应用提供各种数字电位器。例如，256位AD5172，一次性可编程，双通道，I 2 C ®兼容电位器，非常适合电平设置射频放大器中的应用。

为了以最佳的线性度和效率监视和控制增益，需要精确测量PA输出上复杂RF信号的功率电平。 AD8362 TruPowr™均方根功率检测器提供50 dB至3.8 GHz的65 dB动态范围，允许对W-CDMA，EDGE和UMTS蜂窝基站中常见的RF信号进行精确的均方根功率测量。

在图3中，功率检测器的输出 V OUT 连接到PA的增益控制端子以调整其增益。 PA输出驱动天线;定向耦合器拾取输出的一小部分，适当地衰减它，并将其应用于功率检测器。功率检测器的输出（发送器输出信号的均方根测量值）与DAC编程的值进行比较， V SET ;并将PA增益调整为零差。因此， V SET 精确设置功率增益。 ADC的输出（ V OUT 的数字测量）输入更大的反馈环路，可以跟踪AD8362测量的发射功率输出，从而建立值 V SET 和系统确定的增益要求。

这种增益控制方法可用于信号链前级使用的可变增益放大器（VGA）和可变电压放大器（VVA）。为了测量发送 - 和接收电源，AD8364 双检测器同时测量两个复杂的输入信号。在VGA或预驱动器位于PA之前且只需要一个功率检测器的系统中，其中一个器件的增益是固定的，而 V OUT 则为控制另一个的输入。

如果环路确定线路电流过高，它会向DAC发送命令以降低栅极电压或关闭器件。然而，在某些应用中，如果高压电源线上出现电压尖峰或不可接受的高电流，则数字控制环路无法检测到高端电流，将信号转换为数字，并通过外部控制逻辑处理数字数据

在模拟方法中，ADCMP371比较器和RF开关可用于控制到PA的RF信号，如图4所示。电流的输出电压足够快。将感测直接与DAC设置的固定电压进行比较。当电流传感器输出端出现高于固定电压的电压时，由于电压或电流尖峰，比较器可以切换RF开关上的控制引脚，几乎瞬间将RF信号切换到PA的栅极，防止损坏PA。这种绕过数字处理的直接控制速度更快，并提供更好的保护。

结合上面讨论的元素，由分立器件组成的典型PA监视和控制配置如图5所示。在这种情况下，唯一受监视和控制的放大器是PA本身，但是类似的原理适用于控制信号链中的任何放大器。所有分立元件均使用一个主控制器控制，并使用相同的I 2 C总线进行操作。

根据信号链的要求，在预驱动和最后阶段可能需要放大器，以增加天线前方信号的总功率增益。不幸的是，这些额外的功率增益级对PA的整体效率有不利影响。为了最大限度地降低PA效率的降低，必须对驱动器进行监控和控制以优化性能。例如，用户需要大量的分立元件来监控VGA上的温度，功率和电压电平，两个预驱动器和两个用于获取图2中信号的最终级PA。

< h3>集成监控

为解决这一扩散问题，ADI公司开发了AD7294，这是一款专为解决此问题而设计的集成监控解决方案。 AD7294包含通用监控所需的所有功能和特性，以及集成在单个芯片上的电流，电压和温度控制。

AD7294由一个9通道，12位ADC和一个4通道DAC组成，具有10 mA的吸收/源功能。它采用0.6μmDMOS技术制造，允许电流传感器测量高达59.4 V的共模电平.ADC有两个专用电流检测通道，两个用于检测外部结温的通道，一个用于检测外部结温度的通道芯片的内部温度和四个未提交的ADC输入用于通用监控。

ADC通道还具有迟滞和高 - 和低限寄存器（也可在AD7992 / AD7994 / AD7998上找到）。用户可以预编程ADC通道的上限和下限;如果违反这些限制，被监视的信号将标记警报。滞后寄存器为用户提供了在发生限制违规时确定警报标志的重置点的附加功能。迟滞可防止噪声或电流传感器读数连续切换警报标志。

模数转换可以通过两种不同的方式启动。 命令模式允许用户根据需要转换单个通道或一系列通道。 autocycle 模式在一系列预编程通道上自动转换，这是系统监控的理想操作模式 - 尤其适用于持续监控信号，如信号功率和电流检测 - 仅在预编程为高电平时提供警报 - 或违反了下限。

提供两个双向高侧电流检测放大器（图7）。当PA漏极电流流过分流电阻时，小差分输入电压被放大。集成的电流检测放大器可抑制高达59.4 V的共模电压，并为其中一个多路复用ADC通道提供放大的模拟信号。两个电流检测放大器的固定增益均为12.5，并采用内部2.5 V输出偏移基准电压。

每个放大器都配有一个模拟比较器，用于故障检测，阈值高于1.2 ×满量程电压。

四个12位DAC提供数字控制电压（分辨率为1.2 mV），以控制功率晶体管的偏置电流。它们还可用于为可变增益放大器提供控制电压。 DAC内核是一个薄膜，12位，固有单调串DAC，具有2.5 V基准电压和5 V输出范围。其输出缓冲器驱动高压输出级。 DAC的输出范围由偏移输入控制，可以定位在0 V和15 V之间。这为最终用户提供了对5 V跨度的12位精确控制选项，同时允许灵活性当PA晶体管迁移到更大的控制栅极电压时，使用高达15 V的偏置电压。此外，四个DAC吸收或提供高达10 mA电流的能力使得外部驱动缓冲器变得不必要。

结论

PA供应商正在使用多种增益级和控制技术设计更复杂的PA前端信号链。可用的多通道ADC和DAC系列以及模拟RF组件非常适合处理不同的系统分区和架构，使设计人员能够实现经济高效的分布式控制。此外，单芯片解决方案（如AD7294）在电路板面积，系统可靠性和成本方面具有显着优势。从定制设计的角度来看，专用功能和集成系统构建模块的丰富功能为系统设计人员提供了前所未有的功能。