簡介

在無線基站中，功率放大器（PA）在功耗，線性度，效率和成本方面主導信號鏈性能。監視和控制基站PA的性能可以最大化輸出功率，同時實現最佳線性度和效率。本文討論了使用分立元件的PA監控解決方案的元素，并描述了集成解決方案。

ADI公司擁有一套非常適合此類任務的組件。多通道數模轉換器（DAC），模數轉換器（ADC），溫度傳感器和電流傳感器以及單芯片集成解決方案正在基站中應用，以監控和控制各種模擬信號。離散傳感器和數據轉換器提供最大的性能和配置靈活性，而集成解決方案提供更低的成本，更小的尺寸和更高的可靠性。

優化基站的電源效率是電信行業公司的關鍵環境考慮因素。正在做出重大努力來降低基站的總體能耗，以減少它們對環境的影響。電能是基站日常運營成本的主要來源，PA可以承擔超過一半的功耗。因此，優化PA的功率效率可提高運營性能，并提供環境和財務效益。

具有分立元件的PA控制

圖1顯示了使用橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）晶體管的基本功率級。線性度，效率和增益之間的固有折衷決定了PA晶體管的最佳偏置條件。在整個溫度和時間內將漏極偏置電流保持在最佳值可以顯著提高PA的整體性能，同時確保其保持在穩定的輸出功率水平內。控制柵極偏置電流的一種方法是使用電阻分壓器將柵極電壓設置為在評估期間確定的固定最佳值。

不幸的是，雖然這種固定柵極電壓解決方案可以它具有很高的成本效益，它有一個嚴重的缺點：它不能糾正環境變化，制造擴散或電源電壓變化。影響PA漏極偏置電流的兩個主要因素是高壓電源線和片上溫度的變化。

更好的方法是PA門的動態控制電壓 - 使用數字控制算法測量漏極電流，使用ADC對其進行數字化，并通過高分辨率DAC或低分辨率數字電位器設置所需的偏置。該控制系統允許PA保持所需的偏置條件，以便通過用戶可編程設定點優化性能設置 - 盡管電壓，溫度和其他環境參數發生變化。

這種控制方法的關鍵因素是使用高端檢測電阻和AD8211電流檢測放大器，通過高壓電源線精確測量提供給LDMOS晶體管的電流。共模輸入范圍高達+65 V，AD8211提供20 V / V的固定增益。外部檢測電阻設置滿量程電流讀數。放大器輸出可以復用到ADC中，以生成用于監視和控制的數字數據。應注意確保電流檢測放大器的輸出電壓盡可能接近ADC的滿量程模擬輸入范圍。持續監控高壓線使功率放大器能夠連續重新調整其柵極電壓，即使在線路上檢測到電壓浪涌，從而保持最佳偏置條件。

漏極 - 源極電流LDMOS晶體管， I DS ，作為柵極 - 源極電壓的函數， V gs ，有兩個與溫度有關的項：有效電子遷移率μ和閾值電壓 V th 。

V th ，μ隨溫度升高而降低。因此，溫度變化將導致輸出功率的變化。使用一個或多個ADT75 12位溫度傳感器測量PA的環境溫度和內部溫度，可以監控電路板上的溫度變化。 ADT75是一款采用8引腳MSOP封裝的完整溫度監控系統，可在0°C至70°C范圍內提供±1°C的精度。

將溫度傳感器的電壓輸出，漏極電流和其他數據復用到ADC中，可以將溫度測量值轉換為數字數據進行監控。根據系統配置，可能需要在電路板上使用多個溫度傳感器。例如，如果使用多個PA，或者如果前端需要多個預驅動器，則每個放大器的溫度傳感器可以更好地控制系統。為了監控電流傳感器和溫度傳感器，AD7992，AD7994和AD7998多通道12位ADC可用于將模擬測量轉換為數字數據。

從電流傳感器和溫度收集的數字信息可以使用控制邏輯或微控制器連續監測傳感器。使用數字電位計或DAC動態控制PA柵極電壓 - 同時監控傳感器讀數并處理數字數據 - 可以保持優化的偏置條件。柵極電壓所需的控制程度將決定DAC的分辨率。電信公司通常在基站設計中使用多個PA，如圖2所示，以便為每個RF載波選擇PA提供更大的靈活性，并允許每個PA針對特定的調制方案進行優化。此外，組合并行PA輸出可提供更高的線性度和整體效率。在這種情況下，PA可能需要多個級聯增益級，包括可變增益放大器（VGA）和預驅動器，以滿足增益和效率要求。多通道DAC可滿足這些模塊的各種電平設置和增益控制要求。

為實現精確的PA柵極控制，AD5622，AD5627和AD5625 DAC均提供12位，單，雙和四輸出。它們具有內部緩沖器，具有出色的源和接收能力，在大多數應用中無需外部緩沖器。低功耗，保證單調性和快速建立時間的組合使這些器件成為精確電平設置應用的理想選擇。

如果精度不是主要規格且8位分辨率可以接受，則數字電位器是一種更具成本效益的選擇。這些數字可變電阻器執行與機械電位器或可變電阻器相同的電子調節功能，但具有增強的分辨率，固態可靠性和卓越的溫度性能。非易失性和一次性可編程（OTP）數字電位器是時分雙工（TDD）RF應用的理想選擇，其中PA關閉用于TDD 接收周期并通過發送周期的固定柵極電壓接通。該預編程的啟動電壓可降低導通延遲，并提高開啟發送級PA晶體管的效率。在接收狀態期間關閉PA晶體管的能力可防止發送器電路噪聲破壞接收信號并提高PA的整體效率。根據通道數量，接口類型，分辨率和非易失性存儲器的要求，可為此應用提供各種數字電位器。例如，256位AD5172，一次性可編程，雙通道，I 2 C ?兼容電位器，非常適合電平設置射頻放大器中的應用。

為了以最佳的線性度和效率監視和控制增益，需要精確測量PA輸出上復雜RF信號的功率電平。 AD8362 TruPowr?均方根功率檢測器提供50 dB至3.8 GHz的65 dB動態范圍，允許對W-CDMA，EDGE和UMTS蜂窩基站中常見的RF信號進行精確的均方根功率測量。

在圖3中，功率檢測器的輸出 V OUT 連接到PA的增益控制端子以調整其增益。 PA輸出驅動天線;定向耦合器拾取輸出的一小部分，適當地衰減它，并將其應用于功率檢測器。功率檢測器的輸出（發送器輸出信號的均方根測量值）與DAC編程的值進行比較， V SET ;并將PA增益調整為零差。因此， V SET 精確設置功率增益。 ADC的輸出（ V OUT 的數字測量）輸入更大的反饋環路，可以跟蹤AD8362測量的發射功率輸出，從而建立值 V SET 和系統確定的增益要求。

這種增益控制方法可用于信號鏈前級使用的可變增益放大器（VGA）和可變電壓放大器（VVA）。為了測量發送 - 和接收電源，AD8364 雙檢測器同時測量兩個復雜的輸入信號。在VGA或預驅動器位于PA之前且只需要一個功率檢測器的系統中，其中一個器件的增益是固定的，而 V OUT 則為控制另一個的輸入。

如果環路確定線路電流過高，它會向DAC發送命令以降低柵極電壓或關閉器件。然而，在某些應用中，如果高壓電源線上出現電壓尖峰或不可接受的高電流，則數字控制環路無法檢測到高端電流，將信號轉換為數字，并通過外部控制邏輯處理數字數據

在模擬方法中，ADCMP371比較器和RF開關可用于控制到PA的RF信號，如圖4所示。電流的輸出電壓足夠快。將感測直接與DAC設置的固定電壓進行比較。當電流傳感器輸出端出現高于固定電壓的電壓時，由于電壓或電流尖峰，比較器可以切換RF開關上的控制引腳，幾乎瞬間將RF信號切換到PA的柵極，防止損壞PA。這種繞過數字處理的直接控制速度更快，并提供更好的保護。

結合上面討論的元素，由分立器件組成的典型PA監視和控制配置如圖5所示。在這種情況下，唯一受監視和控制的放大器是PA本身，但是類似的原理適用于控制信號鏈中的任何放大器。所有分立元件均使用一個主控制器控制，并使用相同的I 2 C總線進行操作。

根據信號鏈的要求，在預驅動和最后階段可能需要放大器，以增加天線前方信號的總功率增益。不幸的是，這些額外的功率增益級對PA的整體效率有不利影響。為了最大限度地降低PA效率的降低，必須對驅動器進行監控和控制以優化性能。例如，用戶需要大量的分立元件來監控VGA上的溫度，功率和電壓電平，兩個預驅動器和兩個用于獲取圖2中信號的最終級PA。

< h3>集成監控

為解決這一擴散問題，ADI公司開發了AD7294，這是一款專為解決此問題而設計的集成監控解決方案。 AD7294包含通用監控所需的所有功能和特性，以及集成在單個芯片上的電流，電壓和溫度控制。

AD7294由一個9通道，12位ADC和一個4通道DAC組成，具有10 mA的吸收/源功能。它采用0.6μmDMOS技術制造，允許電流傳感器測量高達59.4 V的共模電平.ADC有兩個專用電流檢測通道，兩個用于檢測外部結溫的通道，一個用于檢測外部結溫度的通道芯片的內部溫度和四個未提交的ADC輸入用于通用監控。

ADC通道還具有遲滯和高 - 和低限寄存器（也可在AD7992 / AD7994 / AD7998上找到）。用戶可以預編程ADC通道的上限和下限;如果違反這些限制，被監視的信號將標記警報。滯后寄存器為用戶提供了在發生限制違規時確定警報標志的重置點的附加功能。遲滯可防止噪聲或電流傳感器讀數連續切換警報標志。

模數轉換可以通過兩種不同的方式啟動。 命令模式允許用戶根據需要轉換單個通道或一系列通道。 autocycle 模式在一系列預編程通道上自動轉換，這是系統監控的理想操作模式 - 尤其適用于持續監控信號，如信號功率和電流檢測 - 僅在預編程為高電平時提供警報 - 或違反了下限。

提供兩個雙向高側電流檢測放大器（圖7）。當PA漏極電流流過分流電阻時，小差分輸入電壓被放大。集成的電流檢測放大器可抑制高達59.4 V的共模電壓，并為其中一個多路復用ADC通道提供放大的模擬信號。兩個電流檢測放大器的固定增益均為12.5，并采用內部2.5 V輸出偏移基準電壓。

每個放大器都配有一個模擬比較器，用于故障檢測，閾值高于1.2 ×滿量程電壓。

四個12位DAC提供數字控制電壓（分辨率為1.2 mV），以控制功率晶體管的偏置電流。它們還可用于為可變增益放大器提供控制電壓。 DAC內核是一個薄膜，12位，固有單調串DAC，具有2.5 V基準電壓和5 V輸出范圍。其輸出緩沖器驅動高壓輸出級。 DAC的輸出范圍由偏移輸入控制，可以定位在0 V和15 V之間。這為最終用戶提供了對5 V跨度的12位精確控制選項，同時允許靈活性當PA晶體管遷移到更大的控制柵極電壓時，使用高達15 V的偏置電壓。此外，四個DAC吸收或提供高達10 mA電流的能力使得外部驅動緩沖器變得不必要。

結論

PA供應商正在使用多種增益級和控制技術設計更復雜的PA前端信號鏈。可用的多通道ADC和DAC系列以及模擬RF組件非常適合處理不同的系統分區和架構，使設計人員能夠實現經濟高效的分布式控制。此外，單芯片解決方案（如AD7294）在電路板面積，系統可靠性和成本方面具有顯著優勢。從定制設計的角度來看，專用功能和集成系統構建模塊的豐富功能為系統設計人員提供了前所未有的功能。