射频(RF)基站的幕后故事(第2部分)

笔者在以前的博客文章里谈论了功率放大器(PA)及其在无线基站中的使用。主要阐明静态电流(或者说是流过PA的直流 (DC) 电流)如何在影响整体系统性能和效率方面发挥重大作用。此外,还可对该静态电流(IDSQ)进行选择,以优化功耗和信号(射频【RF】)增益。

 

既然您已理解了这个概念,那么让我们假设这样的情景:您马上抓起一个PA前往离您最近的实验室,为获得一个规定的IDSQ电流值而对栅极进行偏置。经过一些负载线分析后,您选择了一个q点,并用该信息来对该PA的栅极进行偏置。成功了!一切似乎都在按计划进行。为了犒劳自己,您决定赶着去吃顿快餐。您稍事休息后返回实验室,令您惊奇的是,您发现IDSQ值已发生了变化。

 

这是怎么回事呢?哦,原来该PA在器件运行过程中显示出的非线性主要依赖于温度。当您离开时,该PA在慢慢升温,产生了不同的IDSQ值。这是一个问题,因为IDSQ的变化会影响系统性能(这些变化会引起信号失真)。

 

为了从数学方面解释这个温度依赖性的概念,图1将该PA简化成了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模型。

1MOSFET对温度的依赖性

 

上图展示了晶体管处于饱和状态时的特性。您从方程式1中可看到,在整个温度范围内影响该器件非线性行为的两个参数是该器件的载流子迁移率(μ)和阈值电压(Vth)。这个简化的模型展示了温度如何影响PA性能 ——实际上,RF PA的范围很广,从横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)到氮化镓(GaN),再到砷化镓(GaAs)技术,不一而足。尽管这些技术表现出不同的器件行为,但它们却都因为各自在整个温度范围内的阈值电压(Vth)和迁移率(μ)变化而显示出相似的温度依赖性。即使这些参数发生最不起眼的变化也会影响性能,原因是这会改变流经PA的电流,从而导致不可预测的输出功率。

 

为抵御非线性的影响,大多数解决方案都包括可在整个PA上记录电流或温度的监测系统。让我们回顾一下它们是什么。

 

电流检测

 

该方法包括一个模数转换器(ADC)和一个电流检测放大器,以便通过在整个检测电阻器RSENSE上测量差分电压来监测IDSQ,如图2所示。当IDSQ在整个温度范围内变化时,微控制器(MCU)可采用积分算法对数模转换器(DAC)电压进行数字调节。当所测的IDSQ和预期值有出入时,MCU可更新DAC电压,使IDSQ更接近该预期值。

2:电流监测与控制

 

温度检测

 

为了实施这个方法,在整个温度范围内均对该PA进行了表征,以便为给定IDSQ获得含有温度与栅极电压(VGS)数据的查找表(LUT)。图3展示了范例表征曲线。

3Vgate与温度 ——表征曲线

 

在运行过程中,MCU可回头查阅存储器中所存的LUT。温度传感器可在整个PA上测量温度,该温度用来插入规定电流所需的栅极电压。一旦计算出这个值,MCU就会对DAC进行数字更新,从而产生更新过的偏置电压。图4展示了该系统。

4:温度监测与控制

 

正如您可能已注意到的,为实现可高效优化PA性能的稳健解决方案,需要若干组件。这些组件包括ADC、电流检测放大器、DAC、温度传感器、精密参考块和接口连接型MCU(最后一项但并非最不重要的一项)。

 

为减少组件数量,许多新器件经设计后具有集成的ADC、DAC、精密参考和温度检测功能。在这些器件中就有TI的模拟监测与控制(AMC)产品。在下一篇博客文章中将非常详细地介绍这些AMC产品,但对于喜欢预先进行研究的人士,欢迎您查看这些产品:AMC7812AMC7836AMC7834

 

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/04/24/what-happens-behind-the-scenes-of-rf-base-stations-part-2