Autor: Ritesh Jain, Pratik Kalyanasundaram y Himanshu Khatri, Renesas Electronics
Los amplificadores de potencia modernos en estaciones base se polarizan usando un controlador de polarización separado para mantener su rendimiento óptimo en función de la temperatura. Esto puede ser un control en bucle cerrado o abierto con retroalimentación de corriente o temperatura, respectivamente. Este artículo analiza la arquitectura del controlador de polarización y los retos asociados con el diseño del sistema.
En una estación transceptora base (BTS), el amplificador de potencia (PA) juega un papel crucial al proporcionar una considerable potencia de radiofrecuencia (RF) a la antena para la cobertura requerida (2W a 15W es el promedio y de 16W a 120W es el requisito máximo para 5G). La linealidad y eficiencia del PA son parámetros críticos que deben mantenerse en diversas temperaturas ambientales según el perfil de misión. Dado que la corriente de polarización del PA es función de la temperatura, se necesita un circuito adicional de control de polarización para monitorear y ajustar la polarización del PA según la temperatura. A diferencia de los PAs en dispositivos móviles, un esquema de polarización adaptativa basada en seguimiento de envolvente puede no ser óptimo debido a la gran potencia de RF involucrada.
Un diagrama típico de bloques de un PA y su controlador de polarización en una cadena de transmisión se muestra en la Figura 1. El controlador de polarización suele estar disponible como un paquete separado, pero también puede integrarse dentro del módulo PA. Funciona al detectar la polarización del PA y ajustarla según una lógica de control predefinida para mantener un rendimiento óptimo. Este artículo discutirá los tres subcomponentes principales del controlador de polarización: la generación de polarización ajustable, el monitoreo de polarización y la lógica de control, y explicará su funcionalidad y los desafíos de diseño.
Figura 1. Diagrama de bloques general de una cadena de transmisores, que muestra un módulo PA y el controlador de polarización con sus principales subcomponentes. También se muestra la interfaz digital entre el controlador host BTS y el controlador de polarización.
Generación de polarización ajustable
Primero describamos cómo se puede polarizar un PA con un voltaje de puerta ajustable. Para entregar más de 40 dBm (10W) de potencia de salida, es necesario un transistor de alta ruptura. Esto no solo ayuda a reducir la corriente de polarización con un tamaño de dispositivo razonable, sino que también ofrece coincidencias de entrada y salida de banda ancha. Esto hace que los dispositivos de nitruro de galio (GaN) sean una opción popular, ya que normalmente operan a un voltaje de drenaje de 28-48V y proporcionan una buena amplificación de RF y eficiencia de transferencia de potencia. Otras opciones populares para salidas de menor potencia son el arseniuro de galio (GaAs) y el semiconductor de óxido de metal lateralmente difuso (LDMOS).
Sin embargo, estas tecnologías avanzadas son caras, ofrecen menores niveles de integración y sufren de muchas más variaciones de proceso en comparación con sus contrapartes de silicio. Bajo una polarización óptima para amplificación, la corriente de drenaje de un transistor es típicamente una función polinómica o exponencial de su voltaje de puerta. Esto hace que la corriente de polarización sea muy sensible a las variaciones de voltaje de puerta, mientras que exhibe una débil dependencia del voltaje de drenaje. En muchas aplicaciones, el voltaje de puerta se genera usando circuitos de espejo de corriente que son impulsados por fuentes de corriente precisas independientes del suministro. Además, estas fuentes de corriente pueden diseñarse para tener pendientes de temperatura precisas que pueden ayudar a lograr un rendimiento óptimo en el rango de temperatura de operación.
Tabla 1. Voltajes de polarización de puerta para diferentes tecnologías de transistores PA. Tenga en cuenta que los voltajes exactos para diferentes transistores pueden variar y esta tabla solo proporciona una idea general del rango de voltaje aplicable para ese proceso.
Sin embargo, los altos costos del troquel, los grandes dispositivos, el bajo nivel de integración, las discrepancias entre dispositivos y las variaciones de parte a parte hacen que este enfoque sea poco práctico para dispositivos PA típicos basados en tecnologías GaN, GaAs y LDMOS. En cambio, es ventajoso tener un chip controlador de polarización separado implementado en una tecnología basada en silicio que no solo aborde muchas de estas preocupaciones, sino que también ofrezca una integración digital robusta. Normalmente, el voltaje de puerta se genera usando un convertidor digital a analógico (DAC) de alta precisión controlado por el procesador de banda base.
El siguiente parámetro importante es el rango de voltaje de salida del DAC, que depende de la tecnología de transistores utilizada en el PA. La Tabla 1 describe los rangos de voltaje de polarización de puerta para algunas de las tecnologías populares. Un amplificador de potencia típico está precedido por un amplificador controlador. En muchas implementaciones, se pueden usar diferentes tecnologías para el amplificador de potencia y el amplificador controlador. Por ejemplo, el dispositivo PA puede ser un transistor GaN, mientras que el amplificador controlador puede ser un dispositivo GaAs HBT o LDMOS. Por lo tanto, se desea que el controlador de polarización DAC tenga rangos de voltaje tanto positivos como negativos. También necesita manejar un voltaje relativamente grande y, al mismo tiempo, ofrecer dispositivos lo suficientemente rápidos y pequeños para la implementación digital. Por lo tanto, un proceso bipolar-CMOS-DMOS (BCDMOS) que puede manejar grandes voltajes de salida de doble riel y también permite la integración de sistemas digitales en el mismo troquel es una opción popular [1]. Los procesos BCDMOS modernos se basan en los nodos de proceso CMOS heredados de 180 nm o 130 nm, que son de costo relativamente bajo y están fácilmente disponibles. La resolución del DAC también es un parámetro de diseño importante que determina la precisión del sesgo. En este caso, la mayoría de los productos del mercado proporcionan DAC de 12 bits como estándar, lo que conduce a una resolución de polarización de 1,2 mV y 2,4 mV para un rango de voltaje de 5 V y 10 V respectivamente.
La secuenciación del sesgo de PA también es una consideración importante aquí. Es fundamental que el transistor PA permanezca apagado antes de aplicar la polarización de drenaje, especialmente para dispositivos HEMT en modo de agotamiento que están completamente encendidos con polarización de puerta cero y requieren un apagado activo (Tabla 1). Los controladores de polarización también integran una lógica de secuenciación a través de una línea de habilitación de PA que se activa solo después del voltaje de drenaje, p. a través de la lógica de buena potencia del generador de suministro de drenaje. Además, para los HEMT de agotamiento, el voltaje de drenaje debe afirmarse después del suministro negativo para garantizar que el transistor esté apagado.
Ahora, revisemos el encendido y apagado del PA a través de esta salida DAC. El tiempo de conmutación del transmisor en una radio 5G debe ser de un máximo de 10 microsegundos como lo especifica el 3GPP [2]. El cambio de megafonía por sí solo debe ser mucho más rápido. Sin embargo, la salida del DAC cargada con una capacitancia de puerta de PA grande puede provocar un tiempo de estabilización prolongado para los voltajes de encendido y apagado. Este problema se puede solucionar utilizando dos DAC: el DAC principal genera el voltaje de encendido mientras que el DAC de referencia (REFDAC) genera el voltaje de apagado. El terminal de puerta es alimentado por estos DAC a través de un interruptor SPDT, como se muestra en la Figura 2. Se agregan condensadores grandes, generalmente 10 veces el capacitor de polarización de puerta, a cada salida de DAC para estabilizar aún más el voltaje y actuar como depósitos de carga para ayudar en la conmutación rápida.
Figura 2. Conmutación rápida de PA mediante interruptor SPDT (señal EN) con dos DAC que generan voltajes de encendido y apagado por separado, almacenados en capacitores externos Cext.
Los PA BTS modernos de alta eficiencia están diseñados con arquitectura Doherty y tienen dos transistores por etapa. Además, los módulos PA comerciales a veces pueden integrar el controlador y la etapa final en un solo paquete, duplicando así el número de transistores. Un PA puede requerir hasta 4 canales DAC para su control de polarización. El DAC de referencia que genera el voltaje de apagado se puede compartir entre varias puertas, mientras que el voltaje de encendido puede ser diferente según la clase de operación del transistor. Actualmente, las radios MIMO masivas (mMIMO) modernas pueden tener 64 canales de transmisión, por lo que requieren 256 canales de polarización. Claramente, para los productos de control de polarización, la integración multicanal dentro de un paquete es una característica atractiva para reducir la lista de materiales (BOM) y las complejidades del enrutamiento. Esto también es un desafío de ingeniería debido al tamaño de la matriz y las limitaciones térmicas. Los productos modernos ofrecen hasta 8 canales y los más grandes probablemente se encuentren en etapa de desarrollo.
Monitoreo de polarización
Recordemos nuestra declaración del problema original: la corriente de polarización del PA es función de la temperatura. Necesitamos una manera de detectar esta variación para determinar cuándo y cuánto control de polarización se necesita. Esto puede hacerse detectando directamente la corriente de polarización y luego ajustando la polarización del PA para mantenerla en un nivel casi constante, formando así un control en bucle cerrado. Otra forma es detectar la temperatura del PA y proporcionar un voltaje de polarización basado en una tabla de búsqueda predeterminada, formando así un control en bucle abierto. Existen diferentes tipos de desafíos asociados con cada tipo de control.
La Figura 3 muestra la detección de corriente para el control de circuito cerrado. Aquí, se coloca una pequeña resistencia de detección externa entre el suministro y el inductor del estrangulador, lo que da como resultado una caída de voltaje proporcional que se amplifica (con un amplificador de detección de corriente) y se digitaliza (con un convertidor analógico a digital o ADC). Por tanto, este voltaje es una medida directa de la corriente. Tenga en cuenta que esta caída de voltaje debe ser muy pequeña, ya que también reduce el margen de voltaje del PA, lo que afecta directamente la potencia de salida y degrada la eficiencia. Para una caída de 0,1 V con hasta 1 A de corriente de polarización, se puede utilizar una resistencia de detección de 100 mΩ. Una resolución de detección de corriente de 1 mA implica una resolución de voltaje de 100 μV para esta lectura, lo cual es una precisión extremadamente difícil de lograr dado el voltaje de suministro de 5 V-48 V y la presencia de ruido directo y acoplado. Por lo tanto, dicho sensor debe tener un rendimiento de bajo ruido, alta ganancia y una excelente relación de rechazo de modo común (CMRR) junto con un desacoplamiento y blindaje adecuados. Los nodos de detección también deben tener una excelente clasificación ESD y un manejo de voltaje de 48 V.
Figura 3. Control de polarización de bucle cerrado basado en detección de corriente de un transistor PA.
La detección de temperatura en el control de bucle abierto se muestra en la Figura 4. Un sensor de temperatura externo, que podría ser un diodo, se coloca muy cerca del PA. Este sensor es alimentado por el controlador de polarización y el voltaje de salida resultante se alimenta a un convertidor analógico a digital (ADC). Según la lectura de temperatura, el sesgo de PA puede modificarse de acuerdo con una tabla de consulta predeterminada (LUT). Este proceso puede automatizarse, donde la temperatura se mide de forma periódica y el voltaje de polarización del PA se actualiza en consecuencia. Este puede ser un arreglo más simple que la detección actual discutida anteriormente, pero también tiene sus propios desafíos. En primer lugar, es posible que no permita un control preciso del sesgo de la AP. La variación de temperatura en el sensor depende de su ubicación y proximidad con respecto a los puntos de acceso PA. Por lo tanto, el sensor puede ver una variación de temperatura reducida que afecta la precisión de polarización. Como la temperatura es sólo una medida indirecta de la corriente de polarización, se necesita una calibración cuidadosa para mapear los dos parámetros. Por otro lado, la polarización basada en la temperatura se puede utilizar para todos los dispositivos, mientras que el sensor de corriente se puede implementar únicamente con el suministro del dispositivo principal. En cualquiera de los esquemas, el controlador de polarización también debe tener un sensor de temperatura interno para tener en cuenta cualquier variación de temperatura local.
Figura 4. Control de polarización de bucle abierto basado en detección de temperatura de un transistor PA. Aquí se utiliza el transistor bipolar externo como sensor de temperatura.
Lógica de control
La lógica de control es responsable de ajustar el voltaje de polarización basado en la corriente o temperatura detectada. Esta lógica de control no puede estar codificada de manera rígida; es decir, debe ser programable para tener en cuenta las variaciones del proceso del PA. Este es uno de los motivos por los cuales no se puede usar un control automático analógico para el bucle cerrado. La lógica de control puede implementarse en un microprocesador integrado; sin embargo, esto a menudo resulta excesivo. Una solución óptima es programar la lógica en el controlador anfitrión de la BTS, que luego configura el controlador de polarización adjunto a través de una interfaz digital como I2C o SPI (ver Figura 1). Esto puede permitir a los fabricantes de radios y a los operadores optimizar la lógica de control según sus restricciones de misión.
Específicamente para el control en bucle abierto, a veces se integra una tabla de búsqueda (LUT) dentro del controlador de polarización para mapear la temperatura a la polarización requerida del PA. Esto se implementa en la memoria no volátil para preservar el mapeo incluso cuando la radio está apagada. Tiene el beneficio de reducir la carga en el controlador anfitrión. En tales implementaciones, la LUT también puede integrar una lógica de interpolación y un modo de control autónomo basado en el mapa de la LUT.
Resumen
El control de polarización de los PAs es crucial para asegurar un rendimiento óptimo de la radio en todas las condiciones. Aunque el principio esencial permanece igual, existen numerosas formas que difieren en sus detalles de implementación y, por lo tanto, requieren una consideración cuidadosa desde la perspectiva del sistema. Para la integración del sistema, es importante comprender las características del controlador de polarización y sus compensaciones asociadas en los tres subcomponentes discutidos para seleccionar la mejor solución aplicable. Es igualmente importante que los diseñadores de circuitos integrados comprendan los diferentes desafíos y el sistema general antes de diseñar estas soluciones.
