5G 傳輸的寬帶調製需要PA提供更高增益，更高效率和更嚴格線性度，而且5G的工作頻點為2.5GHz和3.5GHz
，未來會擴展到4.9GHz，甚至28GHz，所以5G係統中的關鍵技術部分——射頻功率器件也迎來了重大變化。目前基站功率放大器主要為LDMOS技術和GaAs技術。GaN PA由於具有帶寬更寬、高功率附加效率、功率密度更大、體積更小
，能較好的適用於大規模MIMO，因此5G 基站GaN射頻PA將成為主流技術，逐漸占領LDMOS和GaAs的市場，成為RF功率應用的主流技術。

 

圖1：簡化的PA原理圖

 

 為更好地了解柵極電壓和靜態電流如何影響功放交流AC性能，可以用金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）模型來代替功放，得到下麵公式：

 

 

可以看到晶體管的源漏電流Ids是柵源電壓Vgs的函數，其中包含兩項與溫度相關參數：載流有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth。高的Vgs電壓會導致高的Ids或高的功率放大器。Ids還取決於漏極電壓
，但是一般情況下會固定Vd的電壓。工程師會使用優化後的Vd電壓以獲得所需的功率水平。 Vd值對於GaN FET，通常約為50 V；對於LDMOS FET，通常約為28V。

 

下圖是方程的圖形表述形式。驅動一個小的RF輸入信號

，使其疊加到DC柵極電壓上
，從而產生AC漏極電流 。該AC電流圍繞靜態電流值 振蕩。可利用MOSFET晶體管I-V曲線和負載線分析來找到相應的AC漏極電壓 。

 

圖2：MOSFET Vgate與Ids曲線圖

 

為了確定PA的最優偏置狀態
，必須在功放的線性度、效xiao率lv和he增zeng益yi等deng參can數shu之zhi間jian進jin行xing平ping衡heng。通tong過guo對dui漏lou極ji偏pian流liu的de控kong製zhi
，使shi其qi隨sui溫wen度du和he時shi間jian的de變bian化hua而er保bao持chi恒heng定ding的de值zhi
，可ke改gai善shan功gong放fang的de總zong性xing能neng
，同tong時shi又you可ke確que保bao功gong放fang工gong作zuo在zai調tiao整zheng的de輸shu出chu功gong率lv範fan圍wei之zhi內nei。目mu前qian常chang用yong的de方fang法fa是shi動dong態tai控kong製zhi功gong放fang的de柵zha極ji電dian壓ya，首shou先xian量liang化huaPA的漏極電流和工作溫度
，通過計算生成偏置電壓的數字控製量，通過DAC或電阻設定所需的偏置
，使功放工作在所需的最佳偏置狀態，以實現最優的性能，而無論電壓、溫度和其他環境參數如何變化。

 

溫度檢測

 

Ids還取決於FET的溫度變化。閾值電壓Vth和有效電子遷移率μ會隨著溫度的上升而降低，因此，溫度的變化會引起輸出功率的變化。溫度變化造成的Ids變化需要通過調整係統中其他兩個變量之一來補償：Vd或Vgs。 調整Vgs更容易，因為隻需要很小的電壓變化即可。所以一般使用一個或多個溫度傳感器來測量功放的溫度。

 

電流檢測

 

功(gong)放(fang)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)漏(lou)極(ji)電(dian)壓(ya)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)高(gao)壓(ya)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang)變(bian)化(hua)的(de)影(ying)響(xiang)。當(dang)高(gao)壓(ya)電(dian)源(yuan)線(xian)上(shang)出(chu)現(xian)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)，或(huo)超(chao)範(fan)圍(wei)的(de)大(da)電(dian)流(liu)的(de)時(shi)候(hou)
，如(ru)果(guo)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)的(de)速(su)度(du)不(bu)夠(gou)快(kuai)，就(jiu)無(wu)法(fa)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)不(bu)受(shou)損(sun)壞(huai)。一(yi)般(ban)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)由(you)以(yi)下(xia)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)：電流傳感器、模mo數shu轉zhuan換huan器qi，以yi及ji用yong來lai處chu理li數shu字zi量liang的de外wai部bu控kong製zhi邏luo輯ji。如ru果guo環huan路lu確que定ding出chu電dian源yuan線xian上shang的de電dian流liu過guo大da，它ta就jiu向xiang模mo數shu轉zhuan換huan器qi發fa出chu命ming令ling，降jiang低di柵zha極ji電dian壓ya或huo關guan斷duan此ci部bu分fen。因yin此ci一yi般ban都dou會hui使shi用yong一yi個ge電dian流liu檢jian測ce放fang大da器qi來lai精jing確que測ce定ding高gao壓ya電dian源yuan線xian上shang的de電dian流liu。

 

電壓檢測

 

Ids變化需要通過調整係統中Vd或Vgs來補償。 調整Vgs更容易，因為隻需要很小的電壓變化即可。為了精確的確保Vgs和Vd穩定準確，我們往往需要對Vgs和Vd的電壓進行監控。PA係統都會有一個電壓檢測電路。

 

功率檢測

 

為了監測和控製功放增益，實現最優的線性度和效率，有必要精確測量功放輸出端上複雜的RF信xin號hao的de功gong率lv電dian平ping。一yi般ban情qing況kuang下xia，功gong放fang的de輸shu出chu電dian壓ya驅qu動dong天tian線xian，采cai用yong定ding向xiang耦ou合he器qi對dui功gong放fang輸shu出chu電dian壓ya進jin行xing采cai樣yang，並bing適shi當dang衰shuai減jian，然ran後hou輸shu入ru到dao功gong率lv檢jian測ce器qi或huo者zheADC中
，將功率檢測器或ADC的輸出，即發射輸出信號的測量結果同DAC輸出值比較
，調節功放增益
，使差值為零。

 

GaN功率放大器上電順序

 

為了防止在Vd正常上電時，因為Vgs電壓過高

，導致PA在飽和模式下工作，因為熱損而損壞PA。GaN 功放的上下電必須按照一定的順序進行：

 

1.Vgs先上電。確保在Vd上電時，柵極已經為低。

 

2.啟動漏極電壓電源，Vd上電至標稱值。

 

3.增加Vgs偏置電壓，達到設置所需的輸出功率。

 

4.啟動RF信號。

 

簡單說就是

 

開PA順序是：接通柵極
、接通漏極
、柵極調整

、輸入RF

 

關PA順序是：關閉RF
、柵極調整、關閉漏極、關閉柵極

 

離散器件實現GaN功率放大器的監測和控製

 

下圖是使用離散器件對功放監測和控製的結構。所有的離散器件都可以通過同類型的數據總線進行操作的，一般使用I2C數據總線。

從(cong)設(she)計(ji)的(de)觀(guan)點(dian)來(lai)看(kan)，使(shi)用(yong)離(li)散(san)器(qi)件(jian)實(shi)現(xian)監(jian)測(ce)和(he)控(kong)製(zhi)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)，可(ke)以(yi)從(cong)眾(zhong)多(duo)器(qi)件(jian)中(zhong)選(xuan)出(chu)最(zui)合(he)適(shi)的(de)元(yuan)件(jian)。比(bi)如(ru)按(an)照(zhao)自(zi)己(ji)的(de)設(she)計(ji)需(xu)求(qiu)選(xuan)取(qu)合(he)適(shi)的(de)采(cai)樣(yang)精(jing)度(du)和(he)采(cai)樣(yang)率(lv)，接(jie)口(kou)和(he)通(tong)道(dao)數(shu)的(de)ADC和DAC等。缺點同樣很明顯
，就是所需芯片數量較多，麵積較大而且成本高。

 

圖3 采用離散器件實現功率放大器的監測和控製

 

集成方案實現GaN功率放大器的監測和控製

 

為減少器件數量，TI推出了許多新器件，具有集成了多通道ADC
、DAC、精密參考和溫度檢測等功能。AMC7932就是將多通道12bit ADC，多功能GPIO，高邊電流檢測，多通道分組雙極性電壓輸出12bit DAC以及溫度監控等通用監測和控製所需的所有功能和特性集成到一起。

 

圖4 采用AMC7932實現功率放大器的監測和控製

 

AMC7932器件對PA進行控製時
，電流檢測電阻器（Rsense）上的電壓會被輸入到AMC7932內部6路12bit的ADC的輸入引腳。在內部將該電壓轉換為電流值。外部微控製器可以通過SPI或者I2C讀取AMC7932內部的寄存器值得到電流值。也可以和AMC7932內部的可調門限值進行比較，快速的進行反應。

 

AMC7932的遠端溫度傳感器可以被放得靠近PA。當PA工作時，遠端傳感器記錄下溫度的變化情況並輸入AMC7932內部6路12bit ADC的輸入口
，就可以記錄到PA的溫度。AMC7932可以設定多組門限值，可以快速的對PA溫度的變化進行門限比較和控製。並可將該信息發送到外部微控製器。該微控製器可根據來自LUT的數據對AMC7932 DAC進行更新

，使其達到規定電壓值。

 

AMC7932有32路（2組）12bit的雙極性電壓DAC，它輸出非常靈活，可以輸出兩組正電壓，兩組負電壓或者一組正電壓一組負電壓。因此可支持各類PA的檢測和控製。 比如：用一組16路DAC對多個LDMOS PA進行偏置控製，同時用另一組16路DAC對多個GaN PA進行偏置。

 

結論

 

5G的Massive MIMO架構以及GaN PA普及使得基站內的天線通道數量急劇提升。對應的PA需求量更是爆發式增長。設備商們不得不采用複雜

，高密度多功能的PA檢測和控製技術。AMC7932的單片解決方案在使得PA檢測和控製部分在電路板麵積
、係統可靠性和成本方麵具有顯著的優勢。

 

 

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