射频(RF)基站的幕后故事(第1部分)

 我们在自己的日常活动(或是给亲戚打电话、或是给朋友发短信、甚至是通过移动设备阅读这篇博客文章)中使用射频(RF)通信。空气里有许多信号在快速传播,然而,大多数这样的信号是哪里产生的呢?大部分RF通信源自蜂窝塔或无线基站,例如图1所示的基站塔。

1:手机基站

这些基站内有很多组件,因此一份完整的总结将变成一篇博士论文!但笔者不会面面俱到去赘述,而是集中讨论一种对任何基站而言均至关重要的组件:功率放大器(PA)。

 

正如您可能已猜到的,PA的目的是将低功率RF信号放大成高功率RF信号(被驱入基站发射器)。

 

在注入任何RF信号之前,要把一种直流(DC)电压(Vgate)施加到PA的栅极并对该电压进行调节,直到所需的漏极电流流过PA。该电流通常被称为静态电流 —— 无RF输入存在时流动的电流。可对该静态电流值进行选择,以适合最终应用(包括调制系统和器件运行级别)。图2是典型PA设置的简化原理图。

2:简化的PA原理图

 

为更好地了解栅极电压和静态电流如何影响RF(交流 (AC) )性能,您可以用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模型来代替PA,得出下面的表达式:

 

(处于饱和状态的MOSFET)

(1)

 

(2)

 

图3是两个方程式的图形表述形式。驱动一个小的RF输入信号,使其叠加到DC栅极电压上,从而产生一种AC漏极电流ΔIds。该AC电流围绕静态电流值Idsq(见图3a)振荡。您可利用MOSFET晶体管I-V曲线和负载线分析来找到相应的AC漏极电压ΔVds(见图3b)。在确定AC漏极电压与AC漏极电流之间的关系时,方程式2可进一步简化为方程式3。

 

(3)

 

在图3a中,使用跨导的斜率计算结果gm,您可进一步将表达式归纳为:

 

(4)

 

因此该放大器的电压增益ΔVds/ΔVgate被诠释为–Rs gm,这可换算成:

 

–Rs 2 Idsq/(Vgate – Vth)

 

上述表达式主要阐明该配置的增益与静态电流Idsq直接成比例。此外,还可对Idsq进行选择,以确保输出电压摆幅不会因饱和而受限;这就是您应该在RF运行之前选一个Idsq值的原因,此举需要一种规定的DC栅极电压。

3:(aMOSFET VgateIds曲线图

bMOSFET共源负载线分析

 

传统上,大多数PA偏置系统均采用分立式解决方案,有些这样的解决方案像PA栅极上的电位计(可变电阻分压器)一样简单。较新的方法利用精密数模转换器(DAC)和/或数字电位计的准确性和数字接口。横向扩散MOSFET(LDMOS)、砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)等不同的PA技术需要不同等级的栅极电压用于器件运行。例如,GaN和GaAs需要负偏置系统,而LDMOS则需要适用于器件运行的正电压。出于这个原因,许多PA偏置解决方案现在也开始把具有双极性范围的DAC列为一部分。

 

PA在器件运行过程中显示出的非线性主要依赖于温度。这些非线性可显著影响性能,因为它们会导致不可预测的器件行为。笔者在以后的博文中将讨论这些非线性,敬请关注。

 

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原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/03/20/what-happens-behind-the-scenes-of-rf-base-stations-part-1