Control discreto e integrado de amplificadores de potencia en aplicaciones de estaciones base

Introducción

En las estaciones base inalámbricas, el amplificador de potencia (PA) domina el rendimiento de la cadena de señal en términos de disipación de potencia, linealidad, eficiencia y coste. La monitorización y el control del rendimiento del PA en una estación base permiten maximizar la potencia de salida y conseguir una linealidad y eficiencia óptimas. En este artículo se analizan los elementos de una solución de supervisión y control de AP mediante componentes discretos y se describe una solución integrada.

Analog Devices dispone de una gama de componentes que se adaptan perfectamente a estas tareas. Los convertidores digital-analógico (DAC) multicanal, los convertidores analógico-digital (ADC), los sensores de temperatura y de corriente, así como las soluciones integradas de un solo chip, se aplican en las estaciones base para supervisar y controlar diversas señales analógicas. Los sensores discretos y los convertidores de datos ofrecen el máximo rendimiento y flexibilidad de configuración, mientras que las soluciones integradas ofrecen menor coste, menor tamaño y mayor fiabilidad.

Optimizar la eficiencia energética de una estación base es una consideración medioambiental clave para las empresas del sector de las telecomunicaciones. Se están realizando esfuerzos considerables para reducir el consumo total de energía de las estaciones base con el fin de reducir su impacto medioambiental. La energía eléctrica es la fuente principal de los costes de funcionamiento diarios de una estación base, y el PA puede ser responsable de más de la mitad de la disipación de energía. Por tanto, optimizar la eficiencia energética del PA mejora el rendimiento operativo y ofrece beneficios medioambientales y económicos.

Control AP con componentes discretos

La figura 1 muestra una etapa de potencia básica que utiliza un transistor semiconductor de óxido metálico de difusión lateral (LDMOS). Las compensaciones inherentes entre la linealidad, la eficiencia y la ganancia determinan la condición de polarización óptima para el transistor PA. Mantener la corriente de polarización de drenaje en un valor óptimo en función de la temperatura y el tiempo puede mejorar significativamente el rendimiento general del PA, al tiempo que garantiza que se mantiene dentro de los niveles de potencia de salida regulados. Una forma de controlar la corriente de polarización de la puerta es utilizar un divisor resistivo para ajustar la tensión de la puerta a un valor óptimo fijo determinado durante la evaluación.

Por desgracia, aunque esta solución de tensión de puerta fija puede ser bastante rentable, tiene un grave inconveniente: no corrige los cambios ambientales, la desviación de fabricación o las variaciones de la tensión de alimentación. Los dos factores principales que afectan a la corriente de polarización de drenaje del PA son las variaciones en la línea de alimentación de alta tensión y la temperatura en el chip.

Un enfoque mejor es control dinámico del voltaje de la puerta del PA, utilizando un algoritmo de control digital para medir la corriente de drenaje, digitalizándola con un ADC y ajustando la polarización necesaria mediante un DAC de alta resolución o un potenciómetro digital de menor resolución. Este sistema de control permite que el AP mantenga la condición de polarización necesaria para un rendimiento óptimo -definida por un punto de ajuste programable por el usuario- a pesar de los cambios de tensión, temperatura y otros parámetros ambientales.

Un factor clave en este enfoque de control es la medición precisa de la corriente suministrada al transistor LDMOS a través de la línea de alimentación de alto voltaje, utilizando una resistencia de detección de lado alto y un amplificador de detección de corriente AD8211. Con un rango de entrada en modo común de hasta +65 V, el AD8211 proporciona una ganancia fija de 20 V/V. La resistencia de detección externa define la lectura de la corriente de escala completa. La salida del amplificador se puede multiplexar en un ADC para generar datos digitales para la supervisión y el control. Hay que tener cuidado de que la tensión de salida del amplificador de detección de corriente se acerque lo más posible al rango de entrada analógica de escala completa del ADC. La supervisión constante de la línea de alta tensión permite al amplificador de potencia reajustar continuamente su tensión de puerta, incluso cuando se detectan sobretensiones en la línea, manteniendo así una condición de polarización óptima.

La corriente de drenaje-fuente del transistor LDMOS, I_DSen función de la tensión de la red, V_gstiene dos términos que dependen de la temperatura: la movilidad efectiva de los electrones, µ, y la tensión umbral, V_th.

V_th y µ disminuyen al aumentar la temperatura. Por lo tanto, los cambios de temperatura provocarán cambios en la potencia de salida. Midiendo la temperatura ambiental e interna del PA mediante uno o varios sensores de temperatura ADT75 de 12 bits, es posible controlar los cambios de temperatura en la placa. El ADT75, un completo sistema de control de la temperatura en un encapsulado MSOP de 8 pines, ofrece una precisión de ±1°C de 0°C a 70°C.

La multiplexación de la salida de tensión del sensor de temperatura, la corriente de drenaje y otros datos en un ADC permite convertir las mediciones de temperatura en datos digitales para su control. Según la configuración del sistema, puede ser necesario utilizar varios sensores de temperatura en la placa. Por ejemplo, si se utiliza más de un PA -o si se necesita más de un preamplificador en la parte delantera- un sensor de temperatura para cada amplificador permite controlar mejor el sistema. Para controlar los sensores de corriente y temperatura, los ADC multicanal de 12 bits AD7992, AD7994 y AD7998 son útiles para convertir las mediciones analógicas en datos digitales.

La información digital recogida por los sensores de corriente y temperatura se puede monitorizar de forma continua, utilizando la lógica de control o un microcontrolador. El control dinámico de la tensión de la puerta del PA mediante un potenciómetro digital o un DAC -mientras se controlan las lecturas del sensor y se procesan los datos digitales- permite mantener una condición de polarización optimizada. El grado de control necesario sobre la tensión de la puerta determinará la resolución del DAC. Las empresas de telecomunicaciones suelen utilizar múltiples AP en las estaciones base, como se muestra en la figura 2, para ofrecer una mayor flexibilidad en la selección de un AP para cada portadora de RF y para permitir que cada AP se optimice para un esquema de modulación concreto. Además, la combinación de salidas paralelas de PA puede mejorar la linealidad y la eficiencia general. En este caso, los PA pueden requerir múltiples etapas de ganancia en cascada, incluyendo amplificadores de ganancia variable (VGA) y preamplificadores, para cumplir los requisitos de ganancia y eficiencia. Un DAC multicanal puede satisfacer los distintos requisitos de ajuste de nivel y control de ganancia de estos bloques.

Para conseguir un control preciso de la puerta PA, los DAC AD5622, AD5627 y AD5625 ofrecen salidas de 12 bits, simples, dobles y cuádruples, respectivamente. Disponen de búferes internos con una excelente capacidad de origen y de disipación, lo que elimina la necesidad de búferes externos en la mayoría de las aplicaciones. La combinación de bajo consumo de energía, monotonicidad garantizada y tiempo de asentamiento rápido hace que estas piezas sean ideales para aplicaciones de control de nivel preciso.

Cuando la precisión no es una especificación primordial y la resolución de 8 bits es aceptable, un potenciómetro digital es una opción más rentable. Estas resistencias variables digitales realizan las mismas funciones de control electrónico que los potenciómetros mecánicos o las resistencias variables, pero con una resolución mejorada, fiabilidad de estado sólido y un rendimiento superior en cuanto a la temperatura. No volátil y programable sólo una vez (OTP) son ideales para las siguientes aplicaciones duplexación por división de tiempo (TDD) cuando el AP está desactivado para TDD recibir y se activa mediante una tensión de puerta fija para el transmite período. Esta tensión de arranque preprogramada reduce el retardo de encendido y mejora la eficiencia del encendido del transistor PA para el transmite escenario. La posibilidad de desconectar el transistor PA durante la transmisión del recibir evita que el ruido del circuito transmisor corrompa la señal recibida y mejora la eficacia global del PA. Dependiendo del número de canales, del tipo de interfaz, de la resolución y de la necesidad de memoria no volátil, existen diversos potenciómetros digitales para esta aplicación. Por ejemplo, el AD5172, un dispositivo de 256 posiciones, programable una sola vez, de dos canales de I²C^®-compatible, es muy adecuado para aplicaciones de control de nivel en amplificadores de RF.

Para supervisar y controlar la ganancia con una linealidad y eficacia óptimas, es necesario medir con precisión los niveles de potencia de las señales de RF complejas a la salida del amplificador de potencia. El detector de potencia RMS TruPowr™ AD8362 proporciona un rango dinámico de 65 dB desde 50 Hz hasta 3,8 GHz, lo que permite medir con precisión la potencia RMS de las señales de RF que suelen encontrarse en las estaciones base celulares W-CDMA, EDGE y UMTS.

En la figura 3, la salida del detector de potencia, V_OUTse conecta al terminal de control de ganancia del PA para ajustar su ganancia. La salida del PA alimenta la antena; el acoplador direccional recupera una fracción de la salida, la atenúa adecuadamente y la aplica al detector de potencia. La salida del detector de potencia, una medida efectiva de la señal de salida del transmisor, se compara con el valor programado por el DAC, V_SETy la ganancia del PA se ajusta para que la diferencia sea cero. Así, V_SET define con precisión la ganancia de potencia. La salida del ADC, una medida digital de V_OUT alimenta un bucle de retroalimentación mayor, que puede seguir la potencia de salida transmitida, medida por el AD8362, ajustando el V_SET y el requisito de ganancia determinado por el sistema.

Este método de control de la ganancia puede utilizarse con los amplificadores de ganancia variable (VGA) y los amplificadores de tensión variable (VVA) que se utilizan en las etapas anteriores de la cadena de señales. Para medir ambos transmite- y recibir potencia, AD8364 doble el detector mide simultáneamente dos señales complejas de entrada. En un sistema en el que un VGA o preamplificador precede al PA, y sólo se necesita un detector de potencia, la ganancia de uno de los dispositivos es fija, mientras que V_OUT alimenta la entrada de control del otro.

Si el bucle determina que la corriente de línea es demasiado alta, envía una orden al DAC para que reduzca la tensión de puerta o apague la pieza. Sin embargo, en algunas aplicaciones, si se producen picos de tensión o corrientes inaceptables en la línea de alimentación de alta tensión, el bucle de control digital no puede detectar la corriente en el lado de alta tensión, convertir la señal en digital y procesar los datos digitales a través de la lógica de control externa con la suficiente rapidez como para no dañar el dispositivo.

En un enfoque analógico, se puede utilizar un comparador ADCMP371 y un conmutador de RF para controlar la señal de RF al PA, como se muestra en la Figura 4. La tensión de salida del sensor de corriente se compara directamente con la tensión fija establecida por el DAC. Cuando en la salida del sensor de corriente aparece una tensión superior a la fija, debido a un pico de tensión o de corriente, el comparador puede conmutar un pin de control en el interruptor de RF, cortando casi instantáneamente la señal de RF a la puerta del PA, evitando así que se dañe el PA. Este control directo, que evita el procesamiento digital, es mucho más rápido y ofrece mayor protección.

Combinando los elementos comentados anteriormente, en la Figura 5 se muestra una configuración típica de supervisión y control de AP, formada por dispositivos discretos. En este caso, el único amplificador supervisado y controlado es el propio PA, pero un principio similar se aplicaría al control de cualquier amplificador de la cadena de señal. Todos los componentes discretos están controlados por un controlador maestro y funcionan con la misma I²Autobús C.

En función de los requisitos de la cadena de señales, pueden ser necesarios varios amplificadores en las etapas previas y finales para aumentar la ganancia de potencia global de la señal aguas arriba de la antena. Desgraciadamente, estas etapas adicionales de ganancia de potencia tienen un efecto negativo en la eficiencia global del PA. Para minimizar la degradación de la eficacia del PA, los conductores deben ser supervisados y controlados para optimizar el rendimiento. Por ejemplo, el usuario necesitaría un número importante de componentes discretos para controlar la temperatura, la potencia y los niveles de tensión en la VGA, los dos predrivers y los dos AP de la etapa final utilizados para aumentar la señal en la Figura 2.

Vigilancia y control integrados

Para resolver este problema de proliferación, Analog Devices ha desarrollado el AD7294, una solución integrada de supervisión y control diseñada específicamente para resolver este problema. El AD7294 contiene todas las funciones y características necesarias para la monitorización y el control de propósito general de la corriente, la tensión y la temperatura, integradas en un solo chip.

El AD7294 consta de un ADC de 9 canales de 12 bits y un DAC de 4 canales con una capacidad de recepción/recepción de 10 mA. Está fabricado con tecnología DMOS de 0,6 µm, lo que permite al sensor de corriente medir niveles de modo común de hasta 59,4 V. El convertidor A/D tiene dos canales de detección de corriente dedicados, dos canales de detección de la temperatura de la unión externa, un canal de detección de la temperatura del chip interno y cuatro entradas del convertidor A/D no comprometidas para la supervisión general.

Los canales ADC tienen la ventaja añadida de histéresis y top y límite inferior (también se encuentra en el AD7992/AD7994/AD7998). El usuario puede preprogramar límites altos y bajos para un canal del CAD; la señal monitorizada alertará si se violan estos límites. El registro de histéresis proporciona al usuario la capacidad adicional de determinar el punto en el que se reinicia la bandera de alerta si se violan los límites. La histéresis evita que una lectura ruidosa del sensor de temperatura o de corriente active permanentemente el indicador de alerta.

Las conversiones analógico-digitales pueden iniciarse de dos maneras diferentes. El comando permite al usuario convertir un solo canal o una secuencia de canales a la carta. El sitio autociclo el modo de ciclo automático se convierte automáticamente en una secuencia de canales preprogramados, un modo de funcionamiento ideal para la supervisión del sistema, especialmente para la supervisión continua de señales como la intensidad de la señal y la detección de corriente, y proporciona alertas sólo cuando se violan los límites altos o bajos preprogramados.

Hay dos amplificadores bidireccionales de detección de corriente en el lado alto (Figura 7). Cuando la corriente de drenaje del PA fluye a través de una resistencia de derivación, la pequeña tensión diferencial de entrada se amplifica. Los amplificadores de detección de corriente integrados rechazan tensiones de modo común de hasta 59,4 V y proporcionan una señal analógica amplificada a uno de los canales CAN multiplexados. Ambos amplificadores de detección de corriente tienen una ganancia fija de 12,5 y utilizan una referencia de desplazamiento de salida interna de 2,5 V.

Con cada amplificador se suministra un comparador analógico para la detección de fallos por encima de un umbral de 1,2× la tensión de fondo de escala.

Los cuatro DAC de 12 bits proporcionan una tensión controlada digitalmente (con una resolución de 1,2 mV) para controlar las corrientes de polarización de los transistores de potencia. También pueden utilizarse para proporcionar tensiones de control a los amplificadores de ganancia variable. El corazón del DAC es un DAC de cadena de película fina intrínsecamente monótona de 12 bits con una referencia de 2,5 V y un rango de salida de 5 V. Su búfer de salida acciona la etapa de salida de alta tensión. El rango de salida del DAC, que se controla mediante la entrada de offset, se puede ajustar entre 0 V y 15 V. Esto permite al usuario final tener un control preciso de 12 bits en un intervalo de 5 V, a la vez que proporciona la capacidad de utilizar tensiones de polarización de hasta 15 V, ya que los transistores PA migran a tensiones de puerta de control más altas. Además, la capacidad de los cuatro DAC de absorber o generar corrientes de hasta 10 mA hace innecesarios los amortiguadores de control externos.

Conclusión

Los proveedores de megafonía diseñan cadenas de señales frontales de megafonía cada vez más complejas, utilizando diversas etapas de ganancia y técnicas de control. Las familias disponibles de ADC y DAC multicanal y los componentes analógicos de RF se adaptan bien a las diferentes particiones y arquitecturas del sistema, lo que permite a los diseñadores implementar un control distribuido rentable. Además, las soluciones de un solo chip, como el AD7294, ofrecen importantes ventajas en términos de superficie de la placa, fiabilidad del sistema y coste. Desde el punto de vista del diseño personalizado, la gran cantidad de bloques de construcción de funciones dedicadas y sistemas embebidos proporciona una autonomía sin precedentes a los diseñadores de sistemas.