蜂窩通信的發展與先進調制方案的關系日益密切。在最新一代(2.5G和3G)基站中，設計策略包括實現高線性度同時把功耗減至最小的方法。例如，通過監控基站功率放大器的性能，可以把功率放大器(PA)的輸出功率最大化，同時獲得最佳線性度和效率。幸運的是，采用為此目的量身定做的分立式集成電路(IC)，就可以很簡單地監控PA的輸出電平。

　　無線基站在功耗、線性度、效率和成本方面的性能主要取決于PA和信號鏈路。硅橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管具有低成本和大功率的優勢，非常適合于現代蜂窩基站PA設計。對線性度、效率和增益進行綜合權衡才能夠保持LDMOS PA晶體管的最佳偏置條件。

 　　基于環保原因，基站功率效率的優化也是電信業各公司的主要考慮事項。為降低基站的總能耗，減小它們對環境的污染，業界正在做大量的努力。基站每天的運行成本主要源自電能的消耗，其中，PA消耗的電能可能就占了一半以上，因此，優化PA的功率效率可提高基站的運行性能，有助于環保和成本降低。

 　　控制漏極偏置電流，使其在溫度和時間變化時保持恒定，這能夠顯著提高PA的總體性能，同時確保其輸出功率級保持在規定范圍以內。控制柵極偏置電流的方法之一是把它和一個電阻分壓器固定在一起，在測試/評估階段優化柵極電壓。

 　　雖然這種固定柵極電壓解決方案頗具成本效益，但它有一個主要缺點，即沒有考慮到環境的變化、制造的擴展或電源電壓的變異。利用一個高分辨率數模轉換器(DAC)或一個分辨率較低的數字分壓計來動態控制PA柵極電壓，可以對輸出功率進行更好的控制。利用用戶可編程柵極電壓，即使電壓、溫度和其它環境參數發生變化，PA也能夠保持它的最佳偏置條件。

 　　影響PA漏極偏置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。通過采用一個高端電流(I)感測放大器來精確測量高壓供電線上的電流，就可以監控PA晶體管的漏極電壓。滿刻度讀數由一個外接感測電阻(R)來設定。在監控極高電流的應用中，這個感測電阻的功耗必須為I²R。如果該電阻的額定功耗超出，它的值可能偏移或完全錯誤，造成端接器件上的差分電壓超過最大絕對額定值。

 　　測得的電壓，以電流傳感器的輸出表示，可被多路輸入到模數轉換器(ADC)中，以產生監控所需的數字信息。需注意確保電流傳感器的輸出電壓盡可能接近ADC的最大模擬輸入范圍。通過對高壓線的持續監控，當感測到供電線上出現浪涌電壓時，功率放大器可以重新調節自己的柵極電壓，從而保持一個最佳的偏置條件。

　　LDMOS晶體管的漏源電流IDS，有兩個與溫度有關的項，即有效電子遷移率μ和閾值電壓Vth：

 　　閾值電壓和有效電子遷移率隨溫度升高而降低。因此，溫度的變化將引起輸出功率的變化。通過利用一個或多個分立式溫度傳感器對PA的溫度進行測量，就可以監控板上的溫度變化。要滿足系統的要求，從模擬電壓輸出溫度傳感器到單線數字輸出溫度傳感器、Inter-IC總線(I²C)，乃至串行外設接口(SPI)控制，有各式廣泛的分立式溫度傳感器可供選擇。

 　　把溫度傳感器的輸出多路輸入到ADC中，把該溫度數據轉換為數字數據以供監控所用(圖1)。根據系統的配置情況，板上有可能需要使用大量溫度傳感器。例如，如果有一個以上的PA被采用，或者前端需要多個前置驅動器，讓每一個放大器使用一個溫度傳感器可對系統提供更多的控制。本例中，需要一個多通道ADC來轉換溫度傳感器的模擬輸出。目前，各類ADC都具有內置溢出(out-of-range)警告功能，當輸入超過已定限值時會給出警告。在PA信號鏈路中，這種功能對監控溫度和電流傳感器讀數意義重大。高端限值和低端限值都可以預先設定，只有超出這些限值時才產生警告信息。這類設計一般還帶有滯后寄存器。若限值超出，由這種寄存器決定警告標記的復位點。滯后寄存器可以防止溫度或電流傳感器讀數連續觸發警告標記。例如，Analog Devices公司的AD7992、AD7994和AD7998 12位低功率I²C接口ADC就帶有這種溢出限值指示器，同時分別可提供2、4和8個功率處理通道。

 　　利用控制邏輯電路，可以對來自電流傳感器和溫度傳感器的混合數字信息進行連續的監控。通過數字分壓計或DAC來動態控制PA的柵極電壓，同時監控傳感器的讀數，可以保持一個最優化的偏置條件。DAC的分辨率將由柵極電壓所需要的控制級別來決定。在基站設計中，電信公司普遍采用多個PA(圖2)，因為這樣一來，在為每一個射頻(RF)載波選擇PA時靈活性更大。每一個PA都可以針對某一特殊調制方案被優化。再把PA并聯起來，就可以提供更高的線性度和更高的總體效率。在這種情況下，PA可能需要多個級聯增益級，包括可變增益放大器(VGA)和前置驅動器級，以滿足增益和效率要求。多通道DAC可以滿足這些模塊的不同的電平設定(level-setting)和增益控制要求。

　　為了實現PA的精確柵極控制，DAC，比如Analog Devices公司的AD5321、AD5627和AD5625就分別具有12位、單、雙和四路輸出。這些部件具有非常出色的源/匯功能(source and sink capabilities)，在大多數應用中可無需輸出緩沖器。低功率、單調性保證和穩定時間短等優勢相結合，能夠實現精確的電平設定應用。

　　若精度不是主要規格，且可以接受8位的分辨率，則數字分壓計是更具成本效益的選擇。數字分壓計具有和機械分壓計或可變電阻器相同的電子調節功能，而且提供更高的分辨率、固態可靠性和出色的溫度性能。非易失性、一次性可編程(OTP)數字分壓計非常適合于時分雙工(TDD)RF應用，此時，PA在TDD接收期間關斷，在發射期間通過固定柵極電壓導通。這種預先編程的啟動電壓在PA晶體管導通進入發射階段時可減小導通延遲，提高效率。在接收期間關斷PA晶體管的能力可避免發射噪聲干擾接收信號。這種技術還能提高PA的總體效率。根據通道數目、接口類型、分辨率和非易失性存儲器的要求，有大量數字分壓計可供這類應用選擇。256滑點、一次性可編程、雙通道的I²C分壓計，比如Analog Devices公司的AD5172，就非常適合于RF放大器中的電平設定應用。

　　通過對PA輸出端上的復雜RF信號的功率級的精確測量，可以對放大器增益進行更好的控制，從而優化器件的效率和線性度。利用均方根(RMS)功率檢波器，可從WCDMA、EDGE和UMTS蜂窩基站中的RF信號中提取精確的rms功率級。
　　
　　圖3顯示了一個簡單的控制環路，其中，功率檢波器的輸出端與PA的增益控制終端相連。基于輸出電壓V_OUT和RF輸入信號之間的已定關系，功率檢波器調節V_OUT電壓(這里，V_OUT是誤差信號放大器的輸出)，直到RF輸入電平與加載的控制電壓VSET相匹配。加上ADC，構成完整的反饋環路，其能夠跟蹤功率檢波器的輸出，并調節它的V_SET輸入。這種增益控制方法可用于電壓可變放大器(VVA)和VGA，后者用雜信號鏈路的前面數級。要測量發射和接收功率，可采用兩個功率檢波器同時測量兩個復雜輸入信號。在VGA或前置驅動放大器位于PA之前的系統中，只需要一個功率檢波器。這時，一個器件的增益是固定的，而V_OUT提供另一個器件的控制輸入。

　　在高壓供電線能感測到電壓尖刺或過大電流的情形下，某些應用中的數字控制環路可能不夠快到防止器件受損。數字控制環路包括：利用電流感測、模數轉換來感測高端電流，以及通過外接控制邏輯處理數字數據。如果環路判斷出線上電流過大，它會向DAC發送一個命令，降低柵極電壓或關斷該部分的電源。

　　可以使用模擬比較器通過一個RF開關來控制輸入到PA的RF信號(圖4)。如果在供電線上感測到大電流，可關斷RF信號以免損害PA。采用模擬比較器就意味著不需要數字處理技術，因此，控制環路要快得多。電流感測的輸出電壓可以直接與DAC設定的固定電壓進行比較。當電壓較高，在電流感測的輸出端產生固定電壓時，比較器可觸發RF開關上的一個控制引腳，幾乎立即就截斷輸入到PA柵極的RF信號。

　　圖5所示為一個典型的采用分立式元件的PA監控結構。唯一被監控的放大器是PA本身；不過，信號鏈路中的任一個放大器都可以采用這種方式進行處理。所有這些分立式元件都脫離同一條數據總線工作，這里是I²C數據總線，并通過一個主控制器來予以控制，以最小化部件數目、復雜性和成本。

　　從設計的角度來看，使用分立式元件來監控基站PA的主要優勢在于定制產品的選擇范圍相當大。PA銷售商設計的PA前端鏈路越來越復雜，包含了各種不同的增益級和控制技術。現有的多通道ADC和DAC都非常適合用來處理不同的蜂窩基站系統劃分及架構，從而讓基站設計人員能夠執行具成本效益的分布式控制。