基站功率放大器的监控和控制

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。

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，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。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(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(SPI)。

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AD7998 12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。