在無線基站中，功率放大器（PA）在功耗、線性度、效率和成本方面主導著信號鏈性能。監測和控制基站PA的性能，可以最大限度地提高輸出功率，同時實現最佳的線性度和效率。本文討論使用分立元件的PA監視和控制解決方案的要素，并介紹集成解決方案。

ADI公司擁有一套非常適合此類任務的元件。多通道數模轉換器（DAC）、模數轉換器（ADC）、溫度傳感器和電流傳感器以及單芯片集成解決方案正應用于基站，以監測和控制各種模擬信號。分立傳感器和數據轉換器提供最大的性能和配置靈活性，而集成解決方案則提供更低的成本、更小的尺寸和更高的可靠性。

優化基站的電源效率是電信行業公司的關鍵環境考慮因素。人們正在做出重大努力來減少基站的整體能耗，以減少其對環境的影響。電能是基站日常運營成本的主要來源，PA可能負責一半以上的功耗。因此，優化PA的電源效率可提高運行性能，并提供環境和經濟效益。

帶分立元件的PA控制

圖1顯示了使用橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）晶體管的基本功率級。線性度、效率和增益之間的固有權衡決定了PA晶體管的最佳偏置條件。在整個溫度和時間范圍內將漏極偏置電流保持在最佳值可以顯著提高PA的整體性能，同時確保其保持在穩定的輸出功率水平內。控制柵極偏置電流的一種方法是使用電阻分壓器將柵極電壓設置為評估期間確定的固定最佳值。

圖1.簡化的控制系統。

不幸的是，雖然這種固定柵極電壓解決方案具有相當的成本效益，但它有一個嚴重的缺點：它不能糾正環境變化、制造擴散或電源電壓變化。影響PA漏極偏置電流的兩個主要因素是高壓電源線和片內溫度的變化。

更好的方法是動態控制PA柵極電壓——使用數字控制算法測量漏極電流，用ADC將其數字化，并通過高分辨率DAC或低分辨率數字電位計設置所需的偏置。該控制系統允許PA保持所需的偏置條件，以優化性能（由用戶可編程設定點設置），無論電壓、溫度和其他環境參數發生變化。

這種控制方法的一個關鍵因素是使用高端檢測電阻和電流檢測放大器AD8211通過高壓電源線精確測量提供給LDMOS晶體管的電流。AD8211共模輸入范圍高達+65 V，提供20 V/V固定增益。外部檢測電阻設置滿量程電流讀數。放大器輸出可多路復用至ADC，以生成用于監測和控制的數字數據。應注意確保電流檢測放大器的輸出電壓盡可能接近ADC的滿量程模擬輸入范圍。對高壓線路的持續監控使功率放大器能夠連續重新調整其柵極電壓，即使線路上檢測到電壓浪涌，也能保持最佳偏置條件。

LDMOS晶體管的漏源電流，我DS，作為柵源電壓的函數，VGS，有兩個與溫度相關的項：有效電子遷移率、μ和閾值電壓，V千.

V千并且μ隨著溫度的升高而降低。因此，溫度變化會導致輸出功率的變化。使用一個或多個ADT75 12位溫度傳感器測量PA的環境和內部溫度，可以監控電路板上的溫度變化。ADT75是一款完整的溫度監控系統，采用8引腳MSOP封裝，在0°C至70°C范圍內提供±1°C精度。

將溫度傳感器的電壓輸出、漏極電流和其他數據多路復用到ADC中，可以將溫度測量值轉換為數字數據進行監控。根據系統配置，可能需要在電路板上使用多個溫度傳感器。例如，如果使用多個PA，或者前端需要多個預驅動器，則每個放大器的溫度傳感器可以更好地控制系統。為了同時監控電流傳感器和溫度傳感器，AD7992、AD7994和AD7998多通道12位ADC可用于將模擬測量轉換為數字數據。

從電流傳感器和溫度傳感器收集的數字信息可以使用控制邏輯或微控制器進行連續監控。使用數字電位計或DAC動態控制PA柵極電壓，同時監控傳感器讀數并處理數字數據，從而保持優化的偏置條件。柵極電壓所需的控制程度將決定DAC的分辨率。電信公司通常在基站設計中使用多個PA，如圖2所示，以便在為每個RF載波選擇PA時提供更大的靈活性，并允許每個PA針對特定的調制方案進行優化。此外，組合并行PA輸出可改善線性度和整體效率。在這種情況下，PA可能需要多個級聯增益級，包括可變增益放大器（VGA）和預驅動器，以滿足增益和效率要求。多通道DAC可以滿足這些模塊的各種電平設置和增益控制要求。

圖2.典型的高功率放大器信號鏈。

為實現精確的PA柵極控制，AD5622、AD5627和AD5625 DAC分別提供12位、單路、雙路和四路輸出。 它們具有具有出色拉電流和灌電流能力的內部緩沖器，在大多數應用中無需外部緩沖器。低功耗、保證單調性和快速建立時間的組合使這些器件成為精確電平設置應用的理想選擇。

如果精度不是主要規格，并且8位分辨率可以接受，則數字電位計是更具成本效益的選擇。這些數字可變電阻器執行與機械電位計或可變電阻器相同的電子調節功能，但具有增強的分辨率、固態可靠性和卓越的溫度性能。非易失性和一次性可編程（OTP）數字電位計非常適合時分雙工（TDD）RF應用，在這些應用中，PA在TDD接收周期內關閉，在發射周期內由固定柵極電壓導通。這種預編程的啟動電壓降低了導通延遲，提高了發射級PA晶體管的開啟效率。在接收狀態期間關閉PA晶體管的能力可防止發射器電路噪聲破壞接收信號，并提高PA的整體效率。根據通道數量、接口類型、分辨率和對非易失性存儲器的要求，該應用提供各種數字電位計。例如，256位AD5172是一款一次性可編程、雙通道I2C兼容電位計，非常適合RF放大器中的電平設置應用。?

為了以最佳線性度和效率監測和控制增益，必須精確測量PA輸出端復雜RF信號的功率電平。AD8362 TruPowr rms功率檢波器?提供50 Hz至3.8 GHz的65 dB動態范圍，可對W-CDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中常見的RF信號進行精確的均方根功率測量。

在圖3中，功率檢測器的輸出，V外，連接到PA的增益控制端以調節其增益。PA輸出驅動天線;定向耦合器拾取輸出的一小部分，適當衰減，并將其應用于功率檢測器。功率檢波器的輸出（發射器輸出信號的均方根測量值）與DAC編程的值進行比較，V設置;PA增益調整為零差。因此V設置精確設置功率增益。ADC的輸出，數字測量V外，饋入更大的反饋環路，該反饋環路可以跟蹤AD8362測量的發射功率輸出，確定V設置以及系統確定的增益要求。

圖3.功率吞吐量檢測。

這種增益控制方法可與信號鏈前幾級中使用的可變增益放大器（VGA）和變壓放大器（VVA）一起使用。為了測量發射和接收功率，AD8364雙通道檢波器可同時測量兩個復數輸入信號。在VGA或預驅動器位于PA之前，并且只需要一個功率檢測器的系統中，其中一個器件的增益是固定的，而V外饋送另一個的控制輸入。

如果環路確定線路電流過高，則向DAC發送命令以降低柵極電壓或關斷器件。然而，在某些應用中，如果高壓電源線上出現電壓尖峰或無法接受的高電流，數字控制環路將無法檢測高端電流，將信號轉換為數字信號，也無法通過外部控制邏輯足夠快地處理數字數據以防止器件損壞。

在模擬方法中，可以使用ADCMP371比較器和RF開關來控制PA的RF信號，如圖4所示。電流檢測的輸出電壓直接與DAC設置的固定電壓進行比較。當電流傳感器的輸出端出現高于固定電壓的電壓時，由于電壓或電流尖峰，比較器可以切換RF開關上的控制引腳，幾乎瞬間切斷PA柵極的RF信號，防止損壞PA。這種繞過數字處理的直接控制速度更快，并提供更好的保護。

圖4.使用模擬比較器的控制環路保護。

結合上述元素，典型的PA監測和控制配置由分立器件組成，如圖5所示。在這種情況下，唯一被監測和控制的放大器是PA本身，但類似的原理也適用于信號鏈中任何放大器的控制。所有分立元件均使用一個主控制器進行控制，并在相同的I下運行2C總線。

圖5.使用分立器件監視和控制 PA。

根據信號鏈的要求，在預驅和最后級可能需要許多放大器，以增加天線前方信號的整體功率增益。不幸的是，這些額外的功率增益級會對PA的整體效率產生不利影響。為了最大限度地減少PA效率的下降，必須對驅動器進行監測和控制，以優化性能。例如，用戶需要大量分立元件來監控VGA上的溫度、功率和電壓電平，需要兩個預驅動器和兩個用于增益圖2所示信號的最終級PA。

集成監測和控制

為了解決這一擴散問題，ADI公司開發了AD7294，這是一款專為解決這一問題而設計的集成監測和控制解決方案。AD7294包含通用電流、電壓和溫度監測和控制所需的所有功能和特性，集成在單個芯片上。

圖6.用于監測和控制 PA 級的集成解決方案。

AD7294由一個9通道、12位ADC和一個4通道DAC組成，灌電流/拉電流能力為10 mA。它采用 0.6μm DMOS 技術制造，允許電流傳感器測量高達 59.4 V 的共模電平。該ADC具有兩個專用電流檢測通道、兩個用于檢測外部結溫的通道、一個用于檢測芯片內部溫度的通道，以及四個用于通用監控的非專用ADC輸入。

ADC通道還具有遲滯以及上限和下限寄存器（也可在AD7992/AD7994/AD7998上找到）的額外優勢。用戶可以對ADC通道的上限和下限進行預編程;如果違反這些限制，受監控的信號將標記警報。遲滯寄存器為用戶提供了在發生超出限制時確定警報標志復位點的附加功能。遲滯可防止嘈雜的溫度或電流傳感器讀數連續切換警報標志。

模數轉換可以通過兩種不同的方式啟動。命令模式允許用戶按需轉換單個通道或一系列通道。自動循環模式在一系列預編程通道上自動轉換，這是系統監控的理想操作模式，特別是對于連續監控信號，如信號功率和電流檢測，并且僅在違反預編程的上限或下限時發出警報。

提供兩個雙向高端電流檢測放大器（圖 7）。當PA漏極電流流過分流電阻時，小差分輸入電壓被放大。集成電流檢測放大器可抑制高達59.4 V的共模電壓，并向其中一個多路復用ADC通道提供放大的模擬信號。兩個電流檢測放大器的固定增益均為12.5，并利用一個內部2.5 V輸出失調基準電壓源。

圖7.AD7294 高端電流檢測細節

每個放大器都配有一個模擬比較器，用于檢測高于1.2×滿量程電壓閾值的故障。

四個 12 位 DAC 提供數字控制電壓（分辨率為 1.2mV），以控制功率晶體管的偏置電流。它們還可用于為可變增益放大器提供控制電壓。DAC 內核是一款薄膜、12 位、固有單調串 DAC，具有 2.5V 基準電壓源和 5V 輸出范圍。其輸出緩沖器驅動高壓輸出級。DAC的輸出范圍由失調輸入控制，可定位在0 V至15 V之間。這為最終用戶提供了在 5V 范圍內進行 12 位精確控制的選項，同時允許在 PA 晶體管遷移到更大的控制柵極電壓時靈活地使用高達 15V 的偏置電壓。此外，四個DAC能夠吸收或拉出高達10 mA的電流，因此無需外部驅動緩沖器。

結論

PA供應商正在使用各種增益級和控制技術設計更復雜的PA前端信號鏈。多通道ADC和DAC以及模擬RF組件的可用系列非常適合處理不同的系統分區和架構，使設計人員能夠實現經濟高效的分布式控制。或者，AD7294等單芯片解決方案在電路板面積、系統可靠性和成本方面具有顯著優勢。從定制設計的角度來看，豐富的專用功能和集成系統構建模塊為系統設計人員提供了前所未有的授權。

審核編輯：郭婷