1. eMBB Enhanced Mobile Broadband
，即增強型移動寬帶，比4G具有更高的上傳
、下載速率
，可以進一步滿足用戶對於極致網速的要求。2. uRLLC Ultra-Reliable Low latency
， 即超可靠低時延通信，在此場景下，連接時延要達到1ms級別，而且要支持高速移動（500km/h）情況下的高可靠性連接。這一場景更多麵向車聯網、無人駕駛
、工業控製、遠程醫療等特殊應用。3. mMTC ，massive Machine Type Communications，即海量機器類通信
，支持海量終端互聯
，實現大規模物聯網業務



，可以快速促進各垂直行業（智慧城市
、智能家居
、環境監測等）的深度融合。

 

實現以上5G特點，最重要的技術變革就是5G采用了massive MIMO技術，即多天線大規模多輸入輸出。其實，MIMO技術在通信上應用不是新鮮事
，但5G采用了massive MIMO技術，它是MIMO的de擴kuo展zhan，它ta通tong過guo在zai基ji站zhan上shang增zeng加jia大da量liang天tian線xian來lai擴kuo展zhan到dao傳chuan統tong係xi統tong。數shu量liang眾zhong多duo的de天tian線xian有you助zhu於yu集ji中zhong能neng量liang，從cong而er極ji大da地di提ti高gao了le吞tun吐tu量liang和he效xiao率lv。隨sui著zhe天tian線xian數shu量liang的de增zeng加jia，網wang絡luo和he移yi動dong設she備bei都dou實shi現xian了le更geng複fu雜za的de設she計ji來lai協xie調tiaoMIMO操作。Massive MIMO利用了三個關鍵概念
，即空間分集、空間複用和波束成形。基於以上，5G Massive MIMO基站最大特點是采用64TR或者32TR天線係統，並且將RRU和天線整合在一起，天線不再像4G時代拉遠放置。本文將簡要闡述在5G Massive MIMO係統下的功放控製以及檢測模塊係統的簡要分析，並提出TI的全套解決方案。

 

5G 功放係統是TX的重要組成部分
，起到功率發射、基站覆蓋的功能
，尤其是在64TR 32TR係統裏，功放數量大幅上升
，功放的效率以及散熱會在整個AAU係統中都是耗能的大頭。所以功放監控電路設計可以起到高效控製PA、降低電路麵積、降低耗能的目的。

 

目前5G主流的功放有LDMOS PA以及 GaN PA。LDMOS PA作為一種是采用矽工藝的LDMOS（Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor，橫向擴散MOS）技術
，技術成熟，稍顯陳舊
，成本低；GaN PA是基於三五族工藝的氮化镓（GaN）技術

，GaN的de主zhu要yao優you點dian是shi其qi較jiao高gao的de功gong率lv密mi度du

，具ju有you高gao擊ji穿chuan電dian壓ya，高gao電dian流liu密mi度du
，高gao過guo渡du頻pin率lv，低di導dao通tong電dian阻zu和he低di寄ji生sheng電dian容rong。這zhe些xie特te性xing可ke轉zhuan化hua為wei高gao輸shu出chu功gong率lv、寬帶寬和高效率。GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好，而LDMOS在高頻下受到挑戰。GaN技術性能比LDMOS更好
，非常適合5G高頻應用的需求
，不過價格相對更貴。GaN的供電電壓需要更高的電平，柵壓電平需要負壓；LDMOS PA的柵壓需要正壓供電。圖1是兩種PA簡化的工作原理。通過調節柵壓電平可以起到控製PA功率輸出的目的。

 

圖1：GaN 和LDMOS PA的簡化工作原理

 

一般來說，5G AAU係統一個TX通道的額定發射功率在5W~10W量級，5G功放係統一般采用多級功放級聯的形式，來實現大功率輸出的目的。第二級通常為Doherty架構
，圖2為傳統對稱Doherty功率放大器電路示意圖。Doherty功率放大器主要由4個部分組成：功分器、主放大器（carrier PA）
、輔助放大器（Peak PA）和信號合路。其中，功分器用於將信號分別輸入到主放大器與輔助放大器中；主放大器工作在AB類工作狀態
，輸出端接1/4波長傳輸線；輔助放大器工作在C類工作狀態

，輸入端接1/4波長傳輸線；信號合路部分用於將主放大器與輔助放大器放大的信號融合。對於傳統的對稱Doherty功率放大器，功分器功率分配比為1：1

，並且主放大器與輔助放大器選用相同的晶體管。

 

圖2 Doherty PA架構示意圖

 

功放柵壓控製DAC

 

控製PA柵壓的DAC器件是5G功放監控係統的核心器件，由於5G AAU係統中天線數量較4G時代增加不少，對於DAC通道數的集成度就有了很高的要求。對於以上介紹的1級PA+ Doherty PA架構，每通道需要3個DAC供PA的柵壓。對於64TR AAU係統，則總共需要64*3=192個通道的DAC。AMC7932是TI新 推出的高集成32通道12bitDAC，其內部還集成12bit SAR型 250KSPS ADC以及片上溫度傳感器。

 

相較於上一代AMC7836，DAC的數量從16通道升級到32通道
，對於AAU場景，DAC芯片數量可以降低。其中32通道DAC
，分為2個group，每個group都可以支持正負壓供電。每個group供電範圍以及DAC的輸出範圍可以支持–10 V to 0 V, –5 V to 0 V, 0 V to 5 V, 以及 0 V to 10V。可以支持LDMOS以及GaN PA方案。其中集成的ADC可以用來轉換放置在PA附近的模擬溫度傳感器。功放的功率也隨著溫度改變而改變
，所以功放的測溫需求也是功放監控模塊的必備功能。用戶一般會在FPGA裏存儲功放功率
、溫度和對應的DAC柵壓電壓的查找表
，便於係統快速配置功放功率。圖3是AMC7932的常用原理圖
，對接的為LDMOS類型的PA。

 

 

圖3. AMC7932 原理圖

 

功放溫度/電流檢測

 

功放溫度檢測目的是一是為了檢測功放是否在正常工作，是否有過熱等異常發生；二是檢測當前功放的溫度，如果係統調整柵壓
，需要根據溫度查找表找出需要配置DAC的柵壓數值。溫度傳感器的選擇可以選取模擬電壓輸出類別的溫度傳感器或者數字接口傳感器，模擬輸出的傳感器可以輸入給AMC7932的ADC進行轉換，再通過SPI傳給FPGA等器件，所以可以節省一個數字通信接口器件，便於係統精簡。TMP235是TI推出的高性能/低成本的模擬溫度傳感器，可以實現typical+/- 0.5C, maximum +/-2.5C -40C~150C溫度範圍。TMP235放置在PA附近，可以多個PA共用一顆溫度傳感器。

 

功放電流檢測是用來檢測功放消耗的電流，檢測功放的健康狀態
，是否有過流等異常現象發生。電流檢測一般測試Ids的電流
，也可以同時檢測多路功放供電。INA281係列是TI推出的一顆高性能/低成本的電流傳感器，具有超高的共模電壓範圍，支持-4V~110V共模電壓範圍


，對於GaN 以及LDMOS 管的供電範圍都能支持，並且有很大裕量。電流檢測的原理是檢測串聯在功放供電電路上的Shunt電阻上的壓降，再經過內部放大電路，放大輸出給AMC7932的ADC
，如圖4所示。INA281的內部放大器的放大倍數有多種檔位
，從20V/V到500V/V都有不同的型號，用戶可以按照係統測試電流的範圍進行選擇。需要強調的是，INA281的內部偏移電壓offset voltage（Vos）以及Gain error都非常低，Vos 在+/-55uV級別
，gain error在+/-0.5%，可以滿足用戶精準的電流測試需求，並且溫漂性能也在很低的數量級，Vos 溫漂性能在+/-0.1uV/C. Gain drift在+/-20ppm/C。

 

圖4. INA281工作原理圖

 

AAU TDD製式下的節能功能

 

AAU係統由於MIMO的架構
，器件數量
、功放數量

、天線數量都有很大的提升
，所以AAU整機功耗也比4G RRU有明顯提高了

，降功耗就是AAU的重要目標。而功放功耗占AAU功耗的大頭

，功放降功耗也是重要目標。通常功放降功耗可以通過選取高效率的GaN功放
、DPD（數字預失真）算法等。此外還可以借助TDD係統的優勢，在上行時隙時關斷PA的柵壓，下行時隙時打開PA的柵壓，可以節省PA的功耗。具體實現方式是在柵壓控製DAC AMC7932輸出到PA柵壓間加上以及開關器件

，通過FPGA控製開關器件的打開關斷
，實現TDD下PA的工作以及關斷。TMUX4157N就是TI推出的一顆負壓開關，可以用於GaN功放係統，工作電壓支持-4V~-12V，Ron電阻1.8ohm, 支持超高的工作範圍-55C~125C，圖5是其工作的示意圖。對於LDMOS PA，需要選取支持正壓供電的開關，TMUX1247就是不錯的選擇。

 

圖5. 負壓開關TMUX4157N工作示意圖

 

 

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