【導讀】我國于2019年進(jìn)入5G部署預商用階段，國務(wù)院要求力爭在2020年啟動(dòng)5G的全面商用。5G時(shí)代，移動(dòng)通信基礎設施將迎來(lái)全面的更新，5G基站建設迫在眉睫。由于5G普遍采用Massive MIMO架構，基站內的天線(xiàn)通道數量急劇提升。4G時(shí)代，天線(xiàn)形態(tài)基本是4T4R或者8T8R，按照三個(gè)扇區，對應的射頻PA需求量為12個(gè)或者24個(gè)；5G基站以64T64R大規模天線(xiàn)陣列為主，對應的PA需求量高達192個(gè)，PA數量將大幅增長(cháng)。
5G 傳輸的寬帶調制需要PA提供更高增益，更高效率和更嚴格線(xiàn)性度，而且5G的工作頻點(diǎn)為2.5GHz和3.5GHz，未來(lái)會(huì )擴展到4.9GHz，甚至28GHz，所以5G系統中的關(guān)鍵技術(shù)部分——射頻功率器件也迎來(lái)了重大變化。目前基站功率放大器主要為L(cháng)DMOS技術(shù)和GaAs技術(shù)。GaN PA由于具有帶寬更寬、高功率附加效率、功率密度更大、體積更小，能較好的適用于大規模MIMO，因此5G 基站GaN射頻PA將成為主流技術(shù)，逐漸占領(lǐng)LDMOS和GaAs的市場(chǎng)，成為RF功率應用的主流技術(shù)。
圖1：簡(jiǎn)化的PA原理圖
為更好地了解柵極電壓和靜態(tài)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(chǎng)效應晶體管（MOSFET）模型來(lái)代替功放，得到下面公式：
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(guān)參數：載流有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth。高的Vgs電壓會(huì )導致高的Ids或高的功率放大器。Ids還取決于漏極電壓，但是一般情況下會(huì )固定Vd的電壓。工程師會(huì )使用優(yōu)化后的Vd電壓以獲得所需的功率水平。 Vd值對于GaN FET，通常約為50 V；對于LDMOS FET，通常約為28V。
下圖是方程的圖形表述形式。驅動(dòng)一個(gè)小的RF輸入信號，使其疊加到DC柵極電壓上，從而產(chǎn)生AC漏極電流 。該AC電流圍繞靜態(tài)電流值 振蕩?？衫肕OSFET晶體管I-V曲線(xiàn)和負載線(xiàn)分析來(lái)找到相應的AC漏極電壓 。
圖2：MOSFET Vgate與Ids曲線(xiàn)圖
為了確定PA的最優(yōu)偏置狀態(tài)，必須在功放的線(xiàn)性度、效率和增益等參數之間進(jìn)行平衡。通過(guò)對漏極偏流的控制，使其隨溫度和時(shí)間的變化而保持恒定的值，可改善功放的總性能，同時(shí)又可確保功放工作在調整的輸出功率范圍之內。目前常用的方法是動(dòng)態(tài)控制功放的柵極電壓，首先量化PA的漏極電流和工作溫度，通過(guò)計算生成偏置電壓的數字控制量，通過(guò)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(tài)，以實(shí)現最優(yōu)的性能，而無(wú)論電壓、溫度和其他環(huán)境參數如何變化。
溫度檢測
Ids還取決于FET的溫度變化。閾值電壓Vth和有效電子遷移率μ會(huì )隨著(zhù)溫度的上升而降低，因此，溫度的變化會(huì )引起輸出功率的變化。溫度變化造成的Ids變化需要通過(guò)調整系統中其他兩個(gè)變量之一來(lái)補償：Vd或Vgs。 調整Vgs更容易，因為只需要很小的電壓變化即可。所以一般使用一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器來(lái)測量功放的溫度。
電流檢測
功放晶體管的漏極電壓容易受到高壓電源線(xiàn)上變化的影響。當高壓電源線(xiàn)上出現電壓尖峰，或超范圍的大電流的時(shí)候，如果控制環(huán)路的速度不夠快，就無(wú)法保護器件不受損壞。一般控制環(huán)路由以下部分組成：電流傳感器、模數轉換器，以及用來(lái)處理數字量的外部控制邏輯。如果環(huán)路確定出電源線(xiàn)上的電流過(guò)大，它就向模數轉換器發(fā)出命令，降低柵極電壓或關(guān)斷此部分。因此一般都會(huì )使用一個(gè)電流檢測放大器來(lái)精確測定高壓電源線(xiàn)上的電流。
電壓檢測
Ids變化需要通過(guò)調整系統中Vd或Vgs來(lái)補償。 調整Vgs更容易，因為只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(jìn)行監控。PA系統都會(huì )有一個(gè)電壓檢測電路。
功率檢測
為了監測和控制功放增益，實(shí)現最優(yōu)的線(xiàn)性度和效率，有必要精確測量功放輸出端上復雜的RF信號的功率電平。一般情況下，功放的輸出電壓驅動(dòng)天線(xiàn)，采用定向耦合器對功放輸出電壓進(jìn)行采樣，并適當衰減，然后輸入到功率檢測器或者ADC中，將功率檢測器或ADC的輸出，即發(fā)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(shí)，因為Vgs電壓過(guò)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(jìn)行：
1.Vgs先上電。確保在Vd上電時(shí)，柵極已經(jīng)為低。
2.啟動(dòng)漏極電壓電源，Vd上電至標稱(chēng)值。
3.增加Vgs偏置電壓，達到設置所需的輸出功率。
4.啟動(dòng)RF信號。
簡(jiǎn)單說(shuō)就是
開(kāi)PA順序是：接通柵極、接通漏極、柵極調整、輸入RF
關(guān)PA順序是：關(guān)閉RF、柵極調整、關(guān)閉漏極、關(guān)閉柵極
離散器件實(shí)現GaN功率放大器的監測和控制
下圖是使用離散器件對功放監測和控制的結構。所有的離散器件都可以通過(guò)同類(lèi)型的數據總線(xiàn)進(jìn)行操作的，一般使用I2C數據總線(xiàn)。
從設計的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，使用離散器件實(shí)現監測和控制的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以從眾多器件中選出最合適的元件。比如按照自己的設計需求選取合適的采樣精度和采樣率，接口和通道數的ADC和DAC等。缺點(diǎn)同樣很明顯，就是所需芯片數量較多，面積較大而且成本高。
圖3 采用離散器件實(shí)現功率放大器的監測和控制
集成方案實(shí)現GaN功率放大器的監測和控制
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制所需的所有功能和特性集成到一起。
圖4 采用AMC7932實(shí)現功率放大器的監測和控制
AMC7932器件對PA進(jìn)行控制時(shí)，電流檢測電阻器（Rsense）上的電壓會(huì )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。外部微控制器可以通過(guò)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(mén)限值進(jìn)行比較，快速的進(jìn)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(shí)，遠端傳感器記錄下溫度的變化情況并輸入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(mén)限值，可以快速的對PA溫度的變化進(jìn)行門(mén)限比較和控制。并可將該信息發(fā)送到外部微控制器。該微控制器可根據來(lái)自L(fǎng)UT的數據對AMC7932 DAC進(jìn)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(lèi)PA的檢測和控制。 比如：用一組16路DAC對多個(gè)LDMOS PA進(jìn)行偏置控制，同時(shí)用另一組16路DAC對多個(gè)GaN PA進(jìn)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(xiàn)通道數量急劇提升。對應的PA需求量更是爆發(fā)式增長(cháng)。設備商們不得不采用復雜，高密度多功能的PA檢測和控制技術(shù)。AMC7932的單片解決方案在使得PA檢測和控制部分在電路板面積、系統可靠性和成本方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。
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