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

 

本文介紹了一個基於A DuC7026實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)場效應管的漏極電流和溫度，並在某個參數超過預定的閾值時發出報警信號。

 

係統框圖

 

圖1給出了PA監測器的係統框圖。RF信號在經由可變電壓衰減器(VVA)、 ADL5323 預驅動器、功率放大器和雙向耦合器處理後
，由天線發射出去。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行采樣。 MCU把采樣數據發送到PC以便在用戶界麵(UI)上顯示。操作人員可通過用戶界麵調整係統參數。

 

圖1. 係統框圖

 

PA監測模塊

 

溫度監測: 功率放大器的功耗會影響其性能。PA某些時候工作在較高的靜態工作點
，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，調整其靜態工作點可以使係統達到最佳性能

 

圖2給出了溫度監測器的功能框圖，該係統使用 ADT75 數字溫度傳感 器來監測兩個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後，A Du C7026 MCU首先設置溫度檢測標識，然後通過I2C®總線從A DT75 讀出溫度數據

，並把該數據發送到PC。接著
，程序檢查A DT75的過溫引腳(O S/ALERT)狀態，如果溫度超過了閾值，則點亮LED。在收到配 置溫度閾值的指令時
， A DuC7026從PC讀入配置數據並通過I2C總線把閾值溫度寫入到A DT75。當微控製器收到讀入溫度閾值的指令時
，它從ADT75讀入閾值溫度並把它傳送到PC。

 

圖3. 溫度監測程序的流程圖

 

電流監測: 控製PA的漏極電流
，使其在溫度和時間變化時保持恒定，就可以極大地改善功放的總性能，同時又可確保功放工作在調整的 輸出功率範圍之內。影響PA漏極電流的兩個主要因素是PA的高壓供電線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變化的影響。我們可以用高電壓分流監測器來測量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時，操作人員可重新調整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點。

 

圖4給出了電流監測器的功能框圖。該係統使用A D 8211高壓高精度分流放大器來采集PA模塊中兩個LDMOS級的漏極電流。A D 8211的增益為固定的20V/ V，在整個工作溫度範圍內的增益誤差為±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進行采樣。漏極電流閾值由A D5243數字電位計設定
，A DuC7026通過I2C總線對 AD5243 進行控製。 係統根據 ADCMP600 比較器的輸出來判定漏極電流是否超過或低於閾值。如果漏極電流超過 閾值
，係統點亮相應的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是天線係統的一個關鍵參數
，它反映天線係統中元件之間的匹配程度。反向功率影響PA的輸出功率，反 向功率過大會導致發射出去的信號產生失真。因而，有必要監測VSWR使基站具有最優性能。

 

圖5給出了VSWR監測器的功能框圖。該係統使用雙向耦合器和 AD8364 雙通道TruP wr™檢測器來測量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測量子係統可精確地測量和控製信號的功率。A D8364 靈活性強
，可方便地對RF功率放大器、無線電收發器AGC電路和其它通訊係統實施監測和控製，其輸出可用於計算VSWR和監測傳輸線的匹配度。較大的VSWR 值表明天線出現故障
，操作人員應通過調整PA增益或電源電壓對係統進行保護。

 

圖5. VSWR監測器功能框圖。

 

自動功率控製: 根據通信係統的要求
，發射機必須確保功率放大器能滿足發射的需要，調整基站發射功率保持在精準值，控製輸出功 率在覆蓋允許範圍內，不至過小無法滿足網絡規劃時的覆蓋距離要求，而減少小區覆蓋範圍，又不會產生過強的輸出信號對相鄰基站 zaochengganrao。youyuguogonglvhuiyinqigonglvfangdaqibaohebingshixinhaofashengfeixianxingshizhen
，xitongyingtigongguogonglvbaohugongneng
，baozhenggonglvfangdaqibugongzuozaiguogonglvtiaojianxia。jiyushangshuyuanyin

，bixuduishuchugonglvjinxingcelianghekongzhiyishizhibaochiwending。

 

圖6給出了自動功率控製回路的功能框圖
，該回路包含雙向耦合器、TruP wr檢測器、微控製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。微控製器比較輸出功率的實際值與期望值，並使用PID 算法來調整控製電壓偏差
，使功率放大器工作在性能最佳的工作點上。

 

圖6. 自動功率控製回路的功能框圖

 

圖7給出了PID算法的流程圖。首先

，該程序設定初始控製參數Kp、Ki和Kd並設定輸出功率的期望值。然後
， ADC對AD8364的de輸shu出chu采cai樣yang，采cai樣yang得de到dao的de數shu據ju經jing濾lv波bo後hou轉zhuan換huan成cheng功gong率lv。程cheng序xu根gen據ju係xi統tong的de傳chuan遞di函han數shu計ji算suan出chu輸shu出chu功gong率lv的de期qi望wang值zhi與yu實shi際ji值zhi之zhi差cha
，以yi及ji下xia一yi個ge期qi望wang采cai樣yang值zhi和he控kong製zhi電dian壓ya，並bing對dui DAC寄存器進行配置。這樣就完成了一個采樣和控製過程周期
，這個過程不斷循環。

 

圖7. PID算法的流程圖

 

用戶界麵

 

UI主要用來提供人機交互界麵，實時顯示檢測數據，並響應操作員的輸入命令。圖8給出了用戶界麵程序的流程圖。程序運行後，首先 要打開串行端口並啟動通訊鏈接。然後
，可以選擇各功能模塊進行監測和控製

 

圖8. UI控製的流程圖。

 

圖9給出了一個溫度測試結果。用戶可以隨時改變高溫和低溫閾值。在本例中，高溫閾值從35°C改到31°C。當環境溫度上升到新閾值之上時
，過溫警報燈變紅
，PC發出連續的警鈴聲。

 

圖 9. 用於顯示溫度測試結果的界麵。

 

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機之間通過串口線相連，以便下位機ADuC7026與上位機PC通信
；通過 ADF4252 評估板產生的RF信號
，連接到主控板的RF信號輸入端，而後通過如下鏈路輸出： RF輸入→可調衰減器A V103→PA前級驅動功率放大器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 PC機控製，PC與ADF4252之間通過一根並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），點到多點和其它RF傳輸係統中監測和控製PA提供了一個集成的解決方案。利用ADI 公司的高精度模擬微控製器A DuC7026實現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轉換可通過外部轉換輸入或PLA轉換輸出來啟動，這個特性對需使用同步信號對前向功率進行采樣的TD-SCDM A應用係統很有幫助。PLA 集成到芯片上的好處非常明顯：用戶可以根據要求輕鬆、簡潔地實現各種邏輯。而且各種算法，例如PID控製
、VSWR監測、溫度監測和電流監測等算法都可通 過ADuC7026來實現，無需使用其它控製器。從係統設計的角度來看
，這個集成解決方案可節省PCB麵積

、方便PCB布局，降低係統成本並提高係統可靠性。

 

 

推薦閱讀：