监控基站功率放大器的优化方案
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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。
关键字： 蜂窝通信， 功率放大器(PA)， DAC， ADC
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。
这类设计一般还配有迟滞寄存器。该寄存器类型决定了超出限度时警告标识的复位点。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识。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，同时分别提供了2、4、8通道处理能力。
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