应用笔记 3175

基站RF功率放大器的偏置


摘要 : 为得到适当的RF性能,基站里的功率放大器需要偏置。文本阐述了两种通用的RF偏置方式,分析了他们的特性,并给出了用现有IC实现的方法。

现在的基站放大器通常选择横向DMOS (LDMOS) MOSFET作为功率器件,本文也用它来借以阐释偏置技术。

RF类别和偏置

RF电路中的LDMOS放大器表现出不同程度的非线性,取决于它的直流偏置电平,该电平上叠加了RF波形。也就是说,如果保持恒定的RF门极信号,输出电流(Iout)的谐波成分会随着加在LDMOS器件门极上的直流偏压的变化而改变(图1)。LDMOS放大器输出电流的谐波成分是一个非常重要的问题,因为在RF负载上,它所产生的干扰功率会影响本波段(带内干扰)或邻近波段(带外干扰)。

图1. 采用没有任何控制的直流偏置的LDMOS器件门控
图1. 采用没有任何控制的直流偏置的LDMOS器件门控

当输出电流以360°导通角跟随输入电压时,会得到最好的线性度。MOSFET工作在这种状态(即A类工作状态)所产生的失真比用其他方式偏置时小。可是,从功耗的角度来看,A类工作状态是最不可取的,因为它消耗大量的直流电流。

在较高的RF功率下,假定标称电源电压为28V,此时放大器中的直流功耗将大得惊人。正是由于这个原因,RF工程师在放大链路的最后一级使用AB类偏置,同时他们喜欢在功耗小几个数量级的前级中使用A类工作模式。在AB类中,输出电流不完全跟随输入电压,因此放大器的导通角低于360°。

AB类的RF信号失真比A类更显著。其失真频谱比A类的更宽更密集。但是,由于进入放大器的平均电流更低,AB类的功耗也更低。简而言之,商用RF放大器类别的选择是在线性度和效率之间权衡的结果。

偏置要求和LDMOS特性

LDMOS功放要求偏置电路随着温度和电源电压的改变控制功放电流中的直流分量。最终目的是确保放大器的RF增益,以及其失真电平,在规定要求的界限内变化。从这方面来看,正确的偏置可协助线性化技术最大限度减小失真。决定LDMOS增益的方程是Iout = K (Vgs - Vth)²,其中K是一个常数,反映电子迁移率对增益的影响,Vth是FET的门限。K和Vth都和温度有关。图2显示了LDMOS特性随温度的变化曲线。AB类中,设计者倾向于将偏置设置在交叉点的左侧,使增益具有正温度系数。A类中,放大器通常工作于交叉点的右侧区域。

图2. 随温度变化的LDMOS特性
图2. 随温度变化的LDMOS特性

用DS1847来控制A类和AB类偏置

图3显示了一个采用DS1847双组、温度控制的可变电阻控制LDMOS放大器门极的电路。DS1847内部的温度传感器向其查询表提供了一个读取温度。根据查询表IC调节两个256位可变电阻,为放大器门极提供正确的偏置电压。用户对查询表编程使LDMOS放大器产生固定的输出电流。有关LDMOS特性,请参考图2 (或制造商提供的详细数据曲线)。通过两个电阻衰减参考电压,可获得一个对温度不敏感的电压。

图3. 采用DS1847双组、温度控制的可变电阻控制LDMOS放大器的门极
图3. 采用DS1847双组、温度控制的可变电阻控制LDMOS放大器的门极

类似文章出现在2003年11期的Wireless Design &Development上。