ADI公司提供三種 PA監測器1實(shí)現方案：一種是分立器件方案，一種是基于 AD72942 的 12位的集成型監測和控制系統的方案，以及一種基于 ADuC7026 高精度 模擬微控制器3的集成型方案。分立方案需要使用的器件較多，而且 PCB布局復雜，PCB面積也較大，這些因素都導致較高的成本。A D7294的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、成本低且可靠性高，但缺點(diǎn)是需要使用外部微控制器(MCU)來(lái)實(shí)現PA監控功能。 A DuC7026與A D7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn)，主要的區別是A DuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個(gè)特性在TD-SCDMA應用中很有用。

 

本文介紹了一個(gè)基于A(yíng) DuC7026實(shí)現功率放大器監控的參考設計，功能包括設置輸出功率、監測電壓駐波比(VSW R)、監測橫向擴散金屬氧化物半導體 (L DMOS)場(chǎng)效應管的漏極電流和溫度，并在某個(gè)參數超過(guò)預定的閾值時(shí)發(fā)出報警信號。

 

系統框圖

 

圖1給出了PA監測器的系統框圖。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA)、 ADL5323 預驅動(dòng)器、功率放大器和雙向耦合器處理后，由天線(xiàn)發(fā)射出去。A DuC7026的片上MCU對PA模塊中兩級LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進(jìn)行采樣。 MCU把采樣數據發(fā)送到PC以便在用戶(hù)界面(UI)上顯示。操作人員可通過(guò)用戶(hù)界面調整系統參數。

 

圖1. 系統框圖

 

PA監測模塊

 

溫度監測: 功率放大器的功耗會(huì )影響其性能。PA某些時(shí)候工作在較高的靜態(tài)工作點(diǎn)，但輸出功率較低。大量的能量在LDMOS器件上被 轉換成熱量，這不僅浪費了能量，而且降低了可靠性。監測PA的溫度，調整其靜態(tài)工作點(diǎn)可以使系統達到最佳性能

 

圖2給出了溫度監測器的功能框圖，該系統使用 ADT75 數字溫度傳感 器來(lái)監測兩個(gè)LDMOS級的溫度。ADT75（有8引腳MSOP和SOIC封裝形式可供選擇）把溫度轉化成分辨率為0.0625°C的 數字信號，其關(guān)斷模式可將電源電流降低到3μA（典型值）。

 

圖2. 溫度監測器功能框圖。

 

圖3給出了溫度監測程序的流程圖。在收到溫度檢測指令后，A Du C7026 MCU首先設置溫度檢測標識，然后通過(guò)I2C®總線(xiàn)從A DT75 讀出溫度數據，并把該數據發(fā)送到PC。接著(zhù)，程序檢查A DT75的過(guò)溫引腳(O S/ALERT)狀態(tài)，如果溫度超過(guò)了閾值，則點(diǎn)亮LED。在收到配 置溫度閾值的指令時(shí)， A DuC7026從PC讀入配置數據并通過(guò)I2C總線(xiàn)把閾值溫度寫(xiě)入到A DT75。當微控制器收到讀入溫度閾值的指令時(shí)，它從ADT75讀入閾值溫度并把它傳送到PC。

 

圖3. 溫度監測程序的流程圖

 

電流監測: 控制PA的漏極電流，使其在溫度和時(shí)間變化時(shí)保持恒定，就可以極大地改善功放的總性能，同時(shí)又可確保功放工作在調整的 輸出功率范圍之內。影響PA漏極電流的兩個(gè)主要因素是PA的高壓供電線(xiàn)的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(xiàn)變化的影響。我們可以用高電壓分流監測器來(lái)測量LDMOS的漏極電流。如果連續地監測漏極電流，當在電源上出現電壓波動(dòng)時(shí)，操作人員可重新調整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點(diǎn)。

 

圖4給出了電流監測器的功能框圖。該系統使用A D 8211高壓高精度分流放大器來(lái)采集PA模塊中兩個(gè)LDMOS級的漏極電流。A D 8211的增益為固定的20V/ V，在整個(gè)工作溫度范圍內的增益誤差為±0.5%（典型值 ）。 AD8211 緩存的輸出電壓直接輸出到模數轉換器，由A DuC7026 的片上ADC進(jìn)行采樣。漏極電流閾值由A D5243數字電位計設定，A DuC7026通過(guò)I2C總線(xiàn)對 AD5243 進(jìn)行控制。 系統根據 ADCMP600 比較器的輸出來(lái)判定漏極電流是否超過(guò)或低于閾值。如果漏極電流超過(guò) 閾值，系統點(diǎn)亮相應的LED向操作人員報警。

 

圖4. 電流監測器功能框圖。

 

電壓駐波比(VSWR)監測: VSWR是天線(xiàn)系統的一個(gè)關(guān)鍵參數，它反映天線(xiàn)系統中元件之間的匹配程度。反向功率影響PA的輸出功率，反 向功率過(guò)大會(huì )導致發(fā)射出去的信號產(chǎn)生失真。因而，有必要監測VSWR使基站具有最優(yōu)性能。

 

圖5給出了VSWR監測器的功能框圖。該系統使用雙向耦合器和 AD8364 雙通道TruP wr™檢測器來(lái)測量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測量子系統可精確地測量和控制信號的功率。A D8364 靈活性強，可方便地對RF功率放大器、無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統實(shí)施監測和控制，其輸出可用于計算VSWR和監測傳輸線(xiàn)的匹配度。較大的VSWR 值表明天線(xiàn)出現故障，操作人員應通過(guò)調整PA增益或電源電壓對系統進(jìn)行保護。

 

圖5. VSWR監測器功能框圖。

 

自動(dòng)功率控制: 根據通信系統的要求，發(fā)射機必須確保功率放大器能滿(mǎn)足發(fā)射的需要，調整基站發(fā)射功率保持在精準值，控制輸出功 率在覆蓋允許范圍內，不至過(guò)小無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)的覆蓋距離要求，而減少小區覆蓋范圍，又不會(huì )產(chǎn)生過(guò)強的輸出信號對相鄰基站 造成干擾。由于過(guò)功率會(huì )引起功率放大器飽和并使信號發(fā)生非線(xiàn)性失真，系統應提供過(guò)功率保護功能，保證功率放大器不工作在過(guò)功率條件下?；谏鲜鲈?，必須對輸出功率進(jìn)行測量和控制以使之保持穩定。

 

圖6給出了自動(dòng)功率控制回路的功能框圖，該回路包含雙向耦合器、TruP wr檢測器、微控制器和可變電壓衰減器。雙向耦合器把前向功率傳送到TruP wr 檢測器，檢測器跟蹤信號幅度的變化。A DuC7026的片上ADC對檢測器的輸出采樣。微控制器比較輸出功率的實(shí)際值與期望值，并使用PID 算法來(lái)調整控制電壓偏差，使功率放大器工作在性能最佳的工作點(diǎn)上。

 

圖6. 自動(dòng)功率控制回路的功能框圖

 

圖7給出了PID算法的流程圖。首先，該程序設定初始控制參數Kp、Ki和Kd并設定輸出功率的期望值。然后， ADC對AD8364的輸出采樣，采樣得到的數據經(jīng)濾波后轉換成功率。程序根據系統的傳遞函數計算出輸出功率的期望值與實(shí)際值之差，以及下一個(gè)期望采樣值和控制電壓，并對 DAC寄存器進(jìn)行配置。這樣就完成了一個(gè)采樣和控制過(guò)程周期，這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)。

 

圖7. PID算法的流程圖

 

用戶(hù)界面

 

UI主要用來(lái)提供人機交互界面，實(shí)時(shí)顯示檢測數據，并響應操作員的輸入命令。圖8給出了用戶(hù)界面程序的流程圖。程序運行后，首先 要打開(kāi)串行端口并啟動(dòng)通訊鏈接。然后，可以選擇各功能模塊進(jìn)行監測和控制

 

圖8. UI控制的流程圖。

 

圖9給出了一個(gè)溫度測試結果。用戶(hù)可以隨時(shí)改變高溫和低溫閾值。在本例中，高溫閾值從35°C改到31°C。當環(huán)境溫度上升到新閾值之上時(shí)，過(guò)溫警報燈變紅，PC發(fā)出連續的警鈴聲。

 

圖 9. 用于顯示溫度測試結果的界面。

 

硬件連接

 

圖10給出了PA監測器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電，它與PC機之間通過(guò)串口線(xiàn)相連，以便下位機ADuC7026與上位機PC通信；通過(guò) ADF4252 評估板產(chǎn)生的RF信號，連接到主控板的RF信號輸入端，而后通過(guò)如下鏈路輸出： RF輸入→可調衰減器A V103→PA前級驅動(dòng)功率放大器ADL5323→雙定向耦合器ZABDC10-25HP→RF輸出→頻譜儀Agilent 4396B。其中ADF4252評估板的輸出頻率通過(guò) PC機控制，PC與ADF4252之間通過(guò)一根并口轉串口的電纜連接。

 

圖 10. PA監測器演示電路板的硬件連接。

 

結論

 

T該參考 設計為在蜂窩基站（GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA），點(diǎn)到多點(diǎn)和其它RF傳輸系統中監測和控制PA提供了一個(gè)集成的解決方案。利用ADI 公司的高精度模擬微控制器A DuC7026實(shí)現PA監測器應用可以增加靈活性，因為它具有多通道高性能12位ADC和DAC，以及片上可編程邏輯陣列(PL A)。其 AD轉換可通過(guò)外部轉換輸入或PLA轉換輸出來(lái)啟動(dòng)，這個(gè)特性對需使用同步信號對前向功率進(jìn)行采樣的TD-SCDM A應用系統很有幫助。PLA 集成到芯片上的好處非常明顯：用戶(hù)可以根據要求輕松、簡(jiǎn)潔地實(shí)現各種邏輯。而且各種算法，例如PID控制、VSWR監測、溫度監測和電流監測等算法都可通 過(guò)ADuC7026來(lái)實(shí)現，無(wú)需使用其它控制器。從系統設計的角度來(lái)看，這個(gè)集成解決方案可節省PCB面積、方便PCB布局，降低系統成本并提高系統可靠性。

 

 

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