蜂窩通信的發展與先進調制方案的關系日益密切。在最新一代(2.5G和3G)基站中，設計策略包括實現高線性度同時將功耗降至最低的方法。例如，通過監控基站功率放大器(PA)的性能，可使PA的輸出功率最大化，同時獲得最佳線性度和效率。幸運的是，采用針對該目的量身定做的分立集成電路(IC)，就可以很簡單地監控PA的輸出電平。
無線基站在功耗、線性度、效率和成本方面的性能主要取決于信號鏈中的PA。硅橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管所具有的低成本和大功率性能優勢，非常適合于現代蜂窩基站PA設計。線性度、效率和增益的內在平衡決定著LDMOS PA晶體管的最佳偏置條件。
基于環保原因，基站電源效率的優化也是電信業各公司的重要考慮事項。為降低基站的總能耗以減小它們對環境的影響，業界正在進行不懈的努力。基站每天的運行成本主要源自電能的消耗，其中，PA消耗的電能可能就占了一半以上。因此，優化PA的電源效率可提高基站的運行性能，有助于保護環境和提高經濟效益。
控制漏極偏置電流，使其在溫度和時間變化時保持恒定，這能夠顯著提高PA的總體性能，同時確保其輸出功率水平保持在規定范圍內。一種控制柵極偏置電流的方法是在測試/評估階段用電阻分壓器固定柵極電壓來優化柵極電壓。
雖然這種固定柵極電壓解決方案頗具成本效益，但它有一個大缺點，就是沒有考慮到環境變化、制造的延伸性或電源電壓變化。利用一個高分辨率數模轉換器 (DAC)或一個較低分辨率的數字電位計來動態控制PA柵極電壓，可以對輸出功率進行更好的控制。利用用戶可編程柵極電壓，即使電壓、溫度和其它環境參數發生變化，PA也能夠保持最佳偏置條件。
影響PA漏極偏置電流的兩個主要因素是PA的高壓供電線變化和片上溫度的變化。PA晶體管的漏極電壓很容易受高壓供電線變化的影響。通過采用一個高壓側電流(I)檢測放大器來精確測量高壓供電線上的電流，就可以監控PA晶體管的漏極電壓。滿量程電流讀數由一個外部檢測電阻(R)來設定。在監控極高電流的應用中，這個檢測電阻必須能消耗掉I2R的損耗。如果超出該電阻的額定功耗，電阻值可能發生偏移或電阻完全失效，這將造成其兩端的差分電壓超過絕對最大額定值。
用電流傳感器輸出表示的被測電壓可被多路復用輸入到模數轉換器(ADC)中，以產生監控所需的數字數據。需注意確保電流傳感器的輸出電壓應盡可能接近 ADC的滿量程模擬輸入范圍。通過對高壓線的持續監控，當檢測到供電線上出現浪涌電壓時，功率放大器可以重新調節其柵極電壓，從而保持最佳的偏置條件。
LDMOS晶體管的漏源電流IDS有兩個與溫度有關的項，即有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth：
閾值電壓和有效電子遷移率隨溫度升高而降低。因此，溫度的變化將引起輸出功率的變化。利用一個或多個分立溫度傳感器測量PA的溫度，就可以監控電路板上的溫度變化。有多種分立式溫度傳感器可滿足系統要求，從各種模擬電壓輸出溫度傳感器到具有單線、I2C總線和串行外設接口(SPI)控制的各種數字輸出溫度傳感器。
將溫度傳感器的輸出電壓多路復用輸入到ADC中，從而使該溫度數據轉換為數字數據以供監控使用(圖1)。根據系統配置不同，電路板上可能需要使用多個溫度傳感器。例如，如果使用一個以上的PA或者前端需要多個前置驅動器，則對每一個放大器使用一個溫度傳感器可以更好地控制系統。這種情況下，需要一個多通道ADC來轉換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類ADC一般都具有內置超量程報警功能，當輸入超過設定的限值時就會發出警告。在PA信號鏈中，這種功能對監控溫度和電流傳感器讀數意義重大。上限和下限均可以預先設定，只有超出這些限度時才發出警告信號。
圖1：該模塊圖顯示了使用一個ADT75溫度傳感器和ADM4073電流傳感器多路復用到ADC模型的簡化控制系統。
圖1：該模塊圖顯示了使用一個ADT75溫度傳感器和ADM4073電流傳感器多路復用到ADC模型的簡化控制系統。
關鍵字：功率放大器(131)基站(54)監控基站(1)
這類設計一般還配有遲滯寄存器。該寄存器類型決定了超出限度時警告標識的復位點。遲滯寄存器可以防止高噪聲的溫度或電流傳感器讀數連續觸發警告標識。例如，ADI公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I2C接口ADC就帶有這種超量程限值指示器，同時分別提供了2、4、8通道處理能力。
利用控制邏輯可以對來自電流傳感器和溫度傳感器的數字信息進行連續監控。通過數字電位計或DAC來動態控制PA柵極電壓，同時監控傳感器的讀數，可以保持最優化的偏置條件。DAC的分辨率將由柵極電壓所需的控制水平來決定。在基站設計中，電信公司普遍采用多個PA(圖2)，因為這樣在為每個射頻 (RF)載波選擇PA時可提供更大的靈活性。每個PA都可以針對某一特殊調制方案進行優化。并聯多個PA還能提高線性度和總體效率。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)和前置驅動器級，以滿足增益和效率要求。多通道DAC可以滿足這些模塊的不同電平設置和增益控制要求。
圖2：包含一個可變增益放大器(VGA)、多個前置驅動器級和輸出級的典型蜂窩基站放大器鏈路。
圖2：包含一個可變增益放大器(VGA)、多個前置驅動器級和輸出級的典型蜂窩基站放大器鏈路。
為實現對PA柵極的精確控制，ADI公司的AD5321、AD5627和AD5625等DAC分別提供12位單路、雙路和四路輸出。這些器件具有非常出色的供應電流和汲取電流能力，在大多數應用中無需輸出緩沖器。通過結合低功耗、保證單調性和快速建立時間等特性，能夠實現精確的電平設置應用。
若精度不是主要規格，且可以接受8位分辨率，則數字電位計是更具成本效益的選擇。數字電位計具有與機械電位計或可變電阻器相同的電子調節功能，而且提供更高的分辨率、固態可靠性和出色的溫度性能。非易失性、一次性可編程(OTP)數字電位計非常適合時分雙工(TDD)RF應用，其中，PA在TDD接收期間關斷，在發射期間通過固定柵極電壓導通。這種預先編程的啟動電壓在PA晶體管導通進入發射階段時可減小導通延遲，并提高效率。能夠在接收期間關斷PA 晶體管可避免發射噪聲破壞接收信號。這種技術還能提高PA的總體效率。根據通道數目、接口類型、分辨率和非易失性存儲器要求的不同，有大量數字電位計可供這類應用選擇。256抽頭、一次性可編程、雙通道的I2C電位計(如ADI公司的AD5172)就非常適合RF放大器中的電平設置應用。
通過精確測量PA輸出端的復雜RF信號的功率水平，可以對放大器增益進行更好的控制，從而優化器件的效率和線性度。利用均方根(RMS)功率檢測器，可以從WCDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的RF信號提取精確的RMS功率電平。
圖3顯示了一個簡單的控制環路，其中，功率檢測器的輸出被連接到PA的增益控制端。基于輸出電壓VOUT與RF輸入信號之間的既定關系，功率檢測器將調節VOUT上的電壓(VOUT現在是誤差放大器輸出)直到RF輸入端的電平與所施加的控制電壓VSET相對應。加上ADC便構成完整的反饋環路，它能夠跟蹤功率檢測器的輸出，并調節其VSET輸入。這種增益控制方法可用于信號鏈前幾級中使用的可變電壓放大器(VVA)和VGA。為測量發射和接收功率，可采用兩個功率檢測器同時測量兩個復數輸入信號。在一個VGA或前置驅動放大器位于PA之前的系統中，只需一個功率檢測器。此時，其中一個器件的增益是固定的，而VOUT為另一個器件提供控制輸入。
圖3：在這個簡單控制環路中，功率檢測器的輸出被連接到功率放大器的增益控制端。
圖3：在這個簡單控制環路中，功率檢測器的輸出被連接到功率放大器的增益控制端。
當在高壓供電線上檢測到電壓尖峰或過大電流時，某些應用中的數字控制環路可能不夠快，因而無法避免器件受損。數字控制環路包括：利用電流檢測來檢測高壓側電流、模數轉換以及通過外接控制邏輯處理數字數據。如果環路判斷出線路電流過大，它會向DAC發送一個命令以降低柵極電壓或者關斷該部分電源。
可以使用模擬比較器通過一個RF開關來控制PA的RF信號輸入(圖4)。如果在供電線上檢測到大電流，可以關斷RF信號以免損害PA。采用模擬比較器就意味著不需要數字處理技術，因此控制環路要快得多。電流檢測的輸出電壓可以直接與DAC設置的固定電壓進行比較。當電流檢測的輸出電壓高于該固定電壓時，比較器可觸發RF開關上的一個控制引腳，幾乎可以立即截斷輸入到PA柵極的RF信號。
圖4：可以采用模擬比較器通過一個RF開關來控制PA的RF信號輸入。
圖5所示為一個典型的采用分立器件的PA監控和控制配置。唯一被監控的放大器是PA本身，不過，信號鏈中的任何一個放大器都可以采用這種方式進行處理。所有分立器件都采用同一條數據總線工作，本例中為I2C數據總線，并通過一個主控制器來進行控制，以便最大程度地縮減器件數量、復雜性和成本。
圖5：該結構圖顯示了基于分立器件和若干低功耗轉換器的一個典型PA監控配置。在此設置中唯一被核對的放大器是PA，盡管此鏈路中任何放大器都可被監控。
圖5：該結構圖顯示了基于分立器件和若干低功耗轉換器的一個典型PA監控配置。在此設置中唯一被核對的放大器是PA，盡管此鏈路中任何放大器都可被監控。
從設計的角度來看，使用分立器件來監控基站PA的主要優勢在于定制產品的選擇范圍相當大。PA供應商設計的PA前端信號鏈正越來越復雜，包含了各種不同的增益級和控制技術。現有的多通道ADC和DAC都非常適合用來處理不同的蜂窩基站系統劃分及架構，從而讓基站設計人員能夠實現經濟高效的分布式控制。