基站应用中功率放大器的分立和集成控制

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着信号链性能。监测和控制基站PA的性能，可以最大限度地提高输出功率，同时实现最佳的线性度和效率。本文讨论使用分立元件的PA监视和控制解决方案的要素，并介绍集成解决方案。

ADI公司拥有一套非常适合此类任务的元件。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应用于基站，以监测和控制各种模拟信号。分立传感器和数据转换器提供最大的性能和配置灵活性，而集成解决方案则提供更低的成本、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。人们正在做出重大努力来减少基站的整体能耗，以减少其对环境的影响。电能是基站日常运营成本的主要来源，PA可能负责一半以上的功耗。因此，优化PA的电源效率可提高运行性能，并提供环境和经济效益。

带分立元件的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权衡决定了PA晶体管的最佳偏置条件。在整个温度和时间范围内将漏极偏置电流保持在最佳值可以显著提高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评估期间确定的固定最佳值。

图1.简化的控制系统。

不幸的是，虽然这种固定栅极电压解决方案具有相当的成本效益，但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内温度的变化。

更好的方法是动态控制PA栅极电压——使用数字控制算法测量漏极电流，用ADC将其数字化，并通过高分辨率DAC或低分辨率数字电位计设置所需的偏置。该控制系统允许PA保持所需的偏置条件，以优化性能（由用户可编程设定点设置），无论电压、温度和其他环境参数发生变化。

这种控制方法的一个关键因素是使用高端检测电阻和电流检测放大器AD8211通过高压电源线精确测量提供给LDMOS晶体管的电流。AD8211共模输入范围高达+65 V，提供20 V/V固定增益。外部检测电阻设置满量程电流读数。放大器输出可多路复用至ADC，以生成用于监测和控制的数字数据。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。对高压线路的持续监控使功率放大器能够连续重新调整其栅极电压，即使线路上检测到电压浪涌，也能保持最佳偏置条件。

LDMOS晶体管的漏源电流，我DS，作为栅源电压的函数，VGS，有两个与温度相关的项：有效电子迁移率、μ和阈值电压，V千.

V千并且μ随着温度的升高而降低。因此，温度变化会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的环境和内部温度，可以监控电路板上的温度变化。ADT75是一款完整的温度监控系统，采用8引脚MSOP封装，在0°C至70°C范围内提供±1°C精度。

将温度传感器的电压输出、漏极电流和其他数据多路复用到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。为了同时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传感器收集的数字信息可以使用控制逻辑或微控制器进行连续监控。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，从而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，以便在为每个RF载波选择PA时提供更大的灵活性，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输出可改善线性度和整体效率。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可以满足这些模块的各种电平设置和增益控制要求。

图2.典型的高功率放大器信号链。

为实现精确的PA栅极控制，AD5622、AD5627和AD5625 DAC分别提供12位、单路、双路和四路输出。 它们具有具有出色拉电流和灌电流能力的内部缓冲器，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，并且8位分辨率可以接受，则数字电位计是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计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）数字电位计非常适合时分双工（TDD）RF应用，在这些应用中，PA在TDD接收周期内关闭，在发射周期内由固定栅极电压导通。这种预编程的启动电压降低了导通延迟，提高了发射级PA晶体管的开启效率。在接收状态期间关闭PA晶体管的能力可防止发射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、分辨率和对非易失性存储器的要求，该应用提供各种数字电位计。例如，256位AD5172是一款一次性可编程、双通道I2C兼容电位计，非常适合RF放大器中的电平设置应用。®

为了以最佳线性度和效率监测和控制增益，必须精确测量PA输出端复杂RF信号的功率电平。AD8362 TruPowr rms功率检波器™提供50 Hz至3.8 GHz的65 dB动态范围，可对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外，连接到PA的增益控制端以调节其增益。PA输出驱动天线;定向耦合器拾取输出的一小部分，适当衰减，并将其应用于功率检测器。功率检波器的输出（发射器输出信号的均方根测量值）与DAC编程的值进行比较，V设置;PA增益调整为零差。因此V设置精确设置功率增益。ADC的输出，数字测量V外，馈入更大的反馈环路，该反馈环路可以跟踪AD8362测量的发射功率输出，确定V设置以及系统确定的增益要求。

图3.功率吞吐量检测。

这种增益控制方法可与信号链前几级中使用的可变增益放大器（VGA）和变压放大器（VVA）一起使用。为了测量发射和接收功率，AD8364双通道检波器可同时测量两个复数输入信号。在VGA或预驱动器位于PA之前，并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外馈送另一个的控制输入。

如果环路确定线路电流过高，则向DAC发送命令以降低栅极电压或关断器件。然而，在某些应用中，如果高压电源线上出现电压尖峰或无法接受的高电流，数字控制环路将无法检测高端电流，将信号转换为数字信号，也无法通过外部控制逻辑足够快地处理数字数据以防止器件损坏。

在模拟方法中，可以使用ADCMP371比较器和RF开关来控制PA的RF信号，如图4所示。电流检测的输出电压直接与DAC设置的固定电压进行比较。当电流传感器的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，几乎瞬间切断PA栅极的RF信号，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。

图4.使用模拟比较器的控制环路保护。

结合上述元素，典型的PA监测和控制配置由分立器件组成，如图5所示。在这种情况下，唯一被监测和控制的放大器是PA本身，但类似的原理也适用于信号链中任何放大器的控制。所有分立元件均使用一个主控制器进行控制，并在相同的I下运行2C总线。

图5.使用分立器件监视和控制 PA。

根据信号链的要求，在预驱和最后级可能需要许多放大器，以增加天线前方信号的整体功率增益。不幸的是，这些额外的功率增益级会对PA的整体效率产生不利影响。为了最大限度地减少PA效率的下降，必须对驱动器进行监测和控制，以优化性能。例如，用户需要大量分立元件来监控VGA上的温度、功率和电压电平，需要两个预驱动器和两个用于增益图2所示信号的最终级PA。

集成监测和控制

为了解决这一扩散问题，ADI公司开发了AD7294，这是一款专为解决这一问题而设计的集成监测和控制解决方案。AD7294包含通用电流、电压和温度监测和控制所需的所有功能和特性，集成在单个芯片上。

图6.用于监测和控制 PA 级的集成解决方案。

AD7294由一个9通道、12位ADC和一个4通道DAC组成，灌电流/拉电流能力为10 mA。它采用 0.6μm DMOS 技术制造，允许电流传感器测量高达 59.4 V 的共模电平。该ADC具有两个专用电流检测通道、两个用于检测外部结温的通道、一个用于检测芯片内部温度的通道，以及四个用于通用监控的非专用ADC输入。

ADC通道还具有迟滞以及上限和下限寄存器（也可在AD7992/AD7994/AD7998上找到）的额外优势。用户可以对ADC通道的上限和下限进行预编程;如果违反这些限制，受监控的信号将标记警报。迟滞寄存器为用户提供了在发生超出限制时确定警报标志复位点的附加功能。迟滞可防止嘈杂的温度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。命令模式允许用户按需转换单个通道或一系列通道。自动循环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，特别是对于连续监控信号，如信号功率和电流检测，并且仅在违反预编程的上限或下限时发出警报。

提供两个双向高端电流检测放大器（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。集成电流检测放大器可抑制高达59.4 V的共模电压，并向其中一个多路复用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，并利用一个内部2.5 V输出失调基准电压源。

图7.AD7294 高端电流检测细节

每个放大器都配有一个模拟比较器，用于检测高于1.2×满量程电压阈值的故障。

四个 12 位 DAC 提供数字控制电压（分辨率为 1.2mV），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 内核是一款薄膜、12 位、固有单调串 DAC，具有 2.5V 基准电压源和 5V 输出范围。其输出缓冲器驱动高压输出级。DAC的输出范围由失调输入控制，可定位在0 V至15 V之间。这为最终用户提供了在 5V 范围内进行 12 位精确控制的选项，同时允许在 PA 晶体管迁移到更大的控制栅极电压时灵活地使用高达 15V 的偏置电压。此外，四个DAC能够吸收或拉出高达10 mA的电流，因此无需外部驱动缓冲器。

结论

PA供应商正在使用各种增益级和控制技术设计更复杂的PA前端信号链。多通道ADC和DAC以及模拟RF组件的可用系列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。或者，AD7294等单芯片解决方案在电路板面积、系统可靠性和成本方面具有显著优势。从定制设计的角度来看，丰富的专用功能和集成系统构建模块为系统设计人员提供了前所未有的授权。

审核编辑：郭婷