监控基站功率放大器的优化方案

 

　　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将功耗降至最低的方法。例如，通过监控基站功率放大器(PA)的性能，可使PA的输出功率最大化，同时获得最佳线性度和效率。幸运的是，采用针对该目的量身定做的分立集成电路(IC)，就可以很简单地监控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)晶体管所具有的低成本和大功率性能优势，非常适合于现代蜂窝基站PA设计。线性度、效率和增益的内在平衡决定着LDMOS PA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以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，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。一种控制栅极偏置电流的方法是在测试/评估阶段用电阻分压器固定栅极电压来优化栅极电压。

　　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，就是没有考虑到环境变化、制造的延伸性或电源电压变化。利用一个高分辨率数模转换器(DAC)或一个较低分辨率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。利用用户可编程栅极电压，即使电压、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的高压供电线变化和片上温度的变化。PA晶体管的漏极电压很容易受高压供电线变化的影响。通过采用一个高压侧电流(I)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部检测电阻(R)来设定。在监控极高电流的应用中，这个检测电阻必须能消耗掉I2R的损耗。如果超出该电阻的额定功耗，电阻值可能发生偏移或电阻完全失效，这将造成其两端的差分电压超过绝对最大额定值。

　　用电流传感器输出表示的被测电压可被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。需注意确保电流传感器的输出电压应尽可能接近ADC的满量程模拟输入范围。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μ和阈值电压Vth：

　　

 

　　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。有多种分立式温度传感器可满足系统要求，从各种模拟电压输出温度传感器到具有单线、I2C总线和串行外设接口(SPI)控制的各种数字输出温度传感器。

　　将温度传感器的输出电压多路复用输入到ADC中，从而使该温度数据转换为数字数据以供监控使用(图1)。根据系统配置不同，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拟输出。目前，各类ADC一般都具有内置超量程报警功能，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，只有超出这些限度时才发出警告信号。

　　

 

　　图1：该模块图显示了使用一个ADT75温度传感器和ADM4073电流传感器多路复用到ADC模型的简化控制系统。