基站功率放大器的监控和控制.docx

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1、基站功率放大器的监控和控制来源：大比特商务网摘要：蜂窝通信的发展与先进调制方案的关系日益密切。在最新一代 (2.5G和3G)基站中，设计策略包括实现高线性度同时把功耗降至最低 的方法。例如，通过监控和控制基站功率放大器(PA)的性能，以使功率放 大器的输出功率最大，同时获得最佳线性度和效率。幸运的是，采用为此 目的量身定做的分立式集成电路(IC)，就可以很简单地监控和控制PA的 输出电平。关键字：无线基站,功率放大器,漏极偏置电流蜂窝通信的发展与先进调制方案的关系日益密切。在最新一代(2.5G 和3G)基站中，设计策略包括实现高线性度同时把功耗降至最低的方法。 例如，通过监控和控制基站功率放大

2、器(PA)的性能，以使功率放大器的输 出功率最大，同时获得最佳线性度和效率。幸运的是，采用为此目的量身 定做的分立式集成电路(IC)，就可以很简单地监控和控制PA的输出电平。无线基站在功耗、线性度、效率和成本方面的性能主要取决于信号链 中的PA。硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管具有低成本和大功 率性能优势，非常适合现代蜂窝基站PA设计。线性度、效率和增益的内 在平衡决定着LDMOSPA晶体管的最佳偏置条件。基于环保原因，基站电源效率的优化也是电信业各公司的重要考虑事 项。为降低基站的总能耗，减小它们对环境的影响，业界正在进行不懈的 努力。基站每天的运行成本主要源自电能的消耗，其中

3、，PA消耗的电能 可能就占了一半以上。因此，优化PA的电源效率可提高基站的运行性能， 有助于保护环境和提高经济效益。控制漏极偏置电流，使其在温度和时间变化时保持恒定，这能够显著 提高PA的总体性能，同时确保其输出功率水平保持在规定范围内。控制 栅极偏置电流的一种方法是把它与一个电阻分压器固定在一起，在测试/ 评估阶段优化栅极电压。虽然这种固定栅极电压解决方案颇具成本效益，但它有一个大缺点， 即没有考虑到环境的变化、制造的扩展或电源电压的差异。利用一个高分 辨率数模转换器(DAC)或一个分辨率较低的数字电位计来动态控制PA栅 极电压，可以对输出功率进行更好的控制。借助用户可编程栅极电压，即 使电

4、压、温度和其它环境参数发生变化，PA也能够保持最佳偏置条件。影响PA漏极偏置电流的两个主要因素是PA的高压供电线的变化和片 内温度的变化。PA晶体管的漏极电压很容易受高压供电线变化的影响。 通过采用一个高端电流检测放大器来精确测量高压供电线上的电流， 就可以监控PA晶体管的漏极电压。满量程电流读数由一个外接检测电阻 (R)来设定。在监控极高电流的应用中，这个检测电阻必须能耐受I2R的 功耗。如果超出该电阻的额定功耗，电阻值可能偏移或电阻完全失效，造 成两端的差分电压超过绝对最大额定值。测得的电压以电流传感器的输出表示，可多路复用输入到模数转换器 (ADC)中，以产生监控所需的数字数据。需注意确

5、保电流传感器的输出电 压尽可能接近ADC的最大模拟输入范围。通过对高压线的持续监控，当检 测到供电线上出现浪涌电压时，功率放大器可以重新调节其栅极电压，从 而保持最佳的偏置条件。LDMOS晶体管的漏源电流IDS有两个与温度有关的项，即有效电子迁 移率以和阈值电压Vth :始=叩与5(心-便)， jj g阈值电压和有效电子迁移率随温度升高而降低。因此，温度的变化将 引起输出功率的变化。利用一个或多个分立式温度传感器测量PA的温度， 就可以监控电路板上的温度变化。同时各式各样的分立式温度传感器可满 足系统要求，从模拟电压输出温度传感器到数字输出温度传感器，控制接 口有单线、I2C总线和串行外设接口

6、 (SPI)。LThit block diagram shows a 野mplif沁d control system using a mod咕IADT75 temper日加r。senior and ADM4O73 Current censor muEtiptxd S ADC-温度传感器的输出电压多路复用输入到ADC中，从而将该温度数据转 换为数字数据以供监控使用（图1）。根据系统的配置不同，电路板上可能 需要使用多个温度传感器。例如，如果使用一个以上的PA，或者前端需 要多个前置驱动器，则对每一个放大器使用一个温度传感器可以更好地控 制系统。这种情况下，需要一个多通道ADC来转换温度传感器的模

7、拟输出。 目前，各类ADC都具有内置超量程警告功能，当输入超过设定的限值时就 会发出警告。在PA信号链中，这种功能对监控温度和电流传感器读数意 义重大。上限和下限均可以预先设定，只有超出这些限值时才产生警告信 息。这类设计一般还配有迟滞寄存器。超出限值时，该寄存器决定警告标 志的复位点。迟滞寄存器可以防止高噪声的温度或电流传感器读数连续触 发警告标记。例如，ADI公司的AD7992、AD7994和AD799812位低功率I2C 接口 ADC就带有这种超量程限值指示器，分别提供2、4、8个功率处理通 道。利用控制逻辑电路，可以对来自电流传感器和温度传感器的数字信息 进行连续监控。通过数字电位计或

8、DAC来动态控制PA的栅极电压，同时 监控传感器的读数，可以保持最优化的偏置条件。DAC的分辨率将由栅极 电压所需要的控制级别来决定。在基站设计中，电信公司普遍采用多个 PA（图2），这样为每个射频（RF）载波选择PA时灵活性更大。每个PA都可 以针对某一特殊调制方案进行优化。并联多个PA还能提高线性度和总体 效率。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)和前置驱动器级，以满足增益和效率要求。多通道DAC可以满足这 些模块的不同电平设置和增益控制要求。2. A typical cellular base-station amplifier chain include

9、s a variable-gain ampMfir (VGA), predriver stages, and output stages为实现对PA栅极的精确控制，ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625 等DAC分别提高12位单路、双路和四路输出。这些器件具有非常出色的源 电流和吸电流能力，在大多数应用中可无需输出缓冲器。低功耗、保证单 调性和快速建立时间等特性相结合，能够实现精确的电平设置应用。若精度不是主要规格，且可以接受8位分辨率，则数字电位计是更具成 本效益的选择。数字电位计具有与机械电位计或可变电阻器相同的电子调 整功能，而且提供更高的分辨率、固态可靠性和出色的温度性能

10、。非易失 性、一次性可编程(OTP)数字电位计非常适合时分双工(TDD)RF 应用，其 中，PA在TDD接收期间关断，在发射期间通过固定栅极电压导通。这种 预先编程的启动电压在PA晶体管导通进入发射阶段时可减小导通延迟， 提高效率。在接收期间关断PA晶体管可避免发射噪声干扰接收信号。这 种技术还能提高PA的总体效率。根据通道数目、接口类型、分辨率和非 易失性存储器要求的不同，有大量数字电位计可供这类应用选择。256抽 头、一次性可编程、双通道的I2C电位计，例如ADI公司的AD5172，就 非常适合RF放大器中的电平设置应用。通过精确测量PA输出端的复杂RF信号的功率水平，可以对放大器增 益进

11、行更好的控制，从而优化器件的效率和线性度。利用均方根(RMS)功 率检波器，可以从WCDMA、EDGE和UMTS蜂窝基站中的RF信号提取精确的 功率有效值。3- En this simple ontrc9the output of a pwer detector iscan netted to the gain-control terminal of the PA.图3显示了一个简单的控制环路，其中，功率检波器的输出端与PA的 增益控制终端相连。根据输出电压VOUT与RF输入信号之间的既定关系， 功率检波器调整VOUT上的电压（VOUT现在是误差放大器输出），直到RF 输入端的电平与所施加的控

12、制电压VSET相对应。加上ADC便构成完整的 反馈环路，它能够跟踪功率检波器的输出，并调整其VSET输入。这种增 益控制方法可用于信号链的前面几级中使用的可变电压放大器（VVA）和 VGA。要测量发射和接收功率，可采用两个功率检波器同时测量两个复数 输入信号。在VGA或前置驱动放大器位于PA之前的系统中，只需要一个 功率检波器。此时，一个器件的增益是固定的，而VOUT为另一个器件提 供控制输入。当在高压供电线上检测到电压尖峰或过大电流时，某些应用中的数字 控制环路可能不够快，无法防止器件受损。数字控制环路包括：利用电流 检测、模数转换来检测高端电流，以及通过外接控制逻辑处理数字数据。 如果环路

13、判断出线路电流过大，它会向DAC发送一个命令，降低栅极电压 或关断该部分的电源。可以使用模拟比较器并通过一个RF开关来控制PA的RF信号输入（图 4）。如果在供电线上检测到大电流，可以关断RF信号以免损害PA。采用 模拟比较器就意味着不需要数字处理技术，因此，控制环路要快得多。电 流检测的输出电压可以直接与DAC设置的固定电压进行比较。当电流检测 的输出电压高于该固定电压时，比较器可触发RF开关上的一个控制引脚， 几乎立即截断输入到PA栅极的RF信号。4, AnainaltogicQiTiF paritylb 自 uwdto control the RF signal to a PA usl

14、ng an RF switch.图5所示为一个典型的采用分立器件的PA监控和控制配置。唯一被监 控的放大器是PA本身，不过，信号链中的任一个放大器都可以采用这种 方式进行处理。所有分立器件都采用同一条数据总线工作，本例中为I2C 数据总线，并通过一个主控制器来予以控制，以最大程度地降低器件数量、 复杂性和成本。从设计的角度来看，使用分立器件来监控和控制基站PA 的主要优势在于定制产品的选择范围相当大。PA供应商设计的PA前端信 号链越来越复杂，包含了各种不同的增益级和控制技术。现有的多通道 ADC和DAC都非常适合用来处理不同的蜂窝基站系统划分及架构，从而让 基站设计人员能够实现经济高效的分布式控制。相关文章推荐：1、监控基站功率放大器的优化方案2、基站功率放大器的监控和控制3、数字电视发射及中功率放大器的设计4、汽车防撞雷达系统功率放大器设计方案5、一种基于功率放大器的恒流源设计方案6、高性能功率放大器应对绿色基站设计7、用于电力载波输出的功率放大器的设计