图1. 偏置温度补偿方法。

　　功率放大器的OEM们希望能在当今竞争激烈的2G和3G基站市场保持较强的竞争力，这样他们就需要找到一种既能降低成本，又能不断提高射频性能并拥有更强功能的新方法。Spider IA4910是一种获得可调偏置的全集成数字解决方案，该方案降低了与实现偏置功能相关的总体成本，同时又为2G和3G基站应用提供了一种管理LDMOS温度响应的功能。

　　获得可调偏置电压的几种选择

　　当今的蜂窝系统对线性度要求越发严格，需要将晶体管偏置在AB类，从而获得相对于功率的效率和线性之间的有效折衷。过去，使用高精度多匝微调电位器产生并设置静态偏置已能获得AB类工作所要求的静态栅极控制电压。然而，当前设计工程师的需求已从需要人工边测边调进行偏置设定的简单模拟偏置电路转向更为复杂、更昂贵的模拟电路，或者是可以实现每种功能所需的由若干个分立集成电路组成的数字偏置电路。

图2：带有参数输入端和读出器的Spider接口。

　　正是由于具有竞争力的放大器设计要求更为精确的、可为每个射频晶体管及其特定的最佳温度曲线而定制的偏置响应，这些更为复杂、更为昂贵的电路才应运而生。与末级器件相比，驱动级或预驱动级LDMOS器件需要完全不同的偏置电压和温度响应。

　　可调偏置具有许多优势，比如：最佳温度响应、具备重新设置偏置以补偿漂移或老化而造成影响的功能，或者全自动化的工厂校准和测试的劳动力成本优势。设计工程师若要利用这些优势，就需要采取某种数字偏置方案。对一个典型结构的功率放大器(前置放大级有两个晶体管，输出级有四个晶体管)而言，实现可调偏置基本功能的必要材料开支包括：若干EMI滤波器、单独的偏置电路、一个D/C连接器、一个EEPROM、若干模/数和数/模转换器。然而，这依然不能提供一个完整解决方案级的选择。

　　全集成数字动态偏置方案

　　Spider IA4910是一种全新的、完全集成的数字动态偏置解决方案，其可编程的模拟输出端可随温度变化自动偏置各种功率晶体管，尤其适用于LDMOS器件。采用Spider，可调偏置的目标就变成如何在整个温度范围内获得射频功率放大器各种参数的最佳性能。

　　Spider拥有独特的固件结构，它可以双向处理数据，通过一条数据总线直接与微处理器进行数据及数字命令的发送和接收，并将命令转变为偏置大功率晶体管所需的模拟输出。

图3：基于电位器的静态偏置电路。

　　Spider利用8位粗调和8位微调输出端数/模转换器，以2mV的分辨率来设置偏置电压。输出电压是Vout=20mV×OC+2.5mV×OF，其中OC+OF为写入粗调和微调数/模转换器中的数值，介于0到255之间。Spider的4个输出端的任何一个都可驱动一个LDMOS管的栅极控制端。微调电压是为精确设置偏置电压并随温度变化以更小的步幅进行跟踪而设计的。跟踪范围是256×2.5mV=5.12V。由于具有超稳定内部电压参考，电压设置精度在-40至100摄氏度温度范围内小于2mV。

　　Spider(IA4910)还具有以下功能，因而它是一种完整的解决方案：

　　1. 随温度变化自动补偿

　　2. 随温度变化的可编程响应

　　3. 内置温度传感器

　　4. 可对偏置电压进行微调和粗调，调节范围为0V-5V

　　5. 单个Spider可偏置四个射频器件，并具有独立的温度响应

　　6. 四个Spider可通过一根数据总线连接

　　7. Spider直接与微处理器通信

　　8. 配置外部电流/温度传感器接口

　　9. 基于Windows的图形用户界面，易于使用

　　10. 紧凑的16针TSSOP封装

　　Spider软件包包括四个LDMOS晶体管的通道接口面板、多个Spider寻址方式、内部和外部传感器参数读出器、直接寄存器存取、一个ASCII码输入/输出监视翱冢约岸脸?写入特定温度斜率参数。

　　使用IA4910优化射频性能变量

图4：基于Spider的动态偏置电路。

　　以下应用实例详细说明了典型的射频功率放大器从传统的使用电位器的偏置方法转变为使用Spider数字偏置的偏置电路方法，并展示了这两种方法射频性能随温度变化的区别。

　　此例在一个已匹配好的测试环境中使用单级大功率分立LDMOS晶体管，首先使用电位器偏置电路，然后使用Spider。该器件是一个AGR21125 LDMOS，并已利用W-CDMA调制信号进行过测试，更突出了使用电位器时和使用spider时两者之间的射频线性性能差异。此例侧重于最小化在温度变化范围内的任何效率波动，对在温度范围内的增益和 ACPR(邻近信道功率比)变化的考虑列于其次。更关注最小化的增益或ACPR波动的设计工程师也可以轻松地最优化其中某个参数，这样可以得到一个效率稍微增高的方案。

　　本文的应用实例的工作条件为：

　　频率：2,140MHz；

　　调制：双载波3GPP W-CDMA，10MHz偏移；

　　阶段1：静态电位器偏置情况下，在-30至+85摄氏度的温度范围内进行功率扫描射频测试；

　　阶段2：动态Spider偏置情况下，在-30至+85摄氏度温度范围内进行功率扫描射频测试；

　　四个Spider VGS输出通道之一用于驱动单个AGR21125 LDMOS晶体管。

　　Spider带来的设计改进

　　如上所述，与传统电位器电路相比，Spider大大改善了温度性能(最小化效率波动，显著减少了增益和ACPR随温度的变化)。而对于关心在温度变化范围内优化多级功放总体射频性能的设计工程师而言，能够通过对偏置电压进行微调确定各级器件的响应是一种非常重要的新手段。

　　除这些射频性能方面的显著优点之外，Spider还提供了一个增强放大器功能并降低设计、生产和调谐阶段成本的新机会。实际上，由于Spider极大地减少了元件总数和电路复杂度，因此用它实现偏置功能比分立或多芯片方案更经济。在一个典型的射频功率放大器中，通常每个射频功率晶体管都有一个偏置电路，所以会有多个与偏置相关的直流/模拟/数字监视线路，而每条线路都需要EMI滤波，占据了大部分的射频腔空间。还有内部和外部的模/数和数/模转换器，并且由于需要布置许多与射频功率晶体管物理位置相连的进出线路，增加了电路板的尺寸和布局复杂度。相比之下，每个Spider提供了四个独立的偏置电压，四个Spider可以相互连接，共有16个独立的偏置电压，这样就不再需要分立元件设计方法所需的电位器及相关直流元件，也不再需要多芯片数字偏置所需的芯片和相关元件(D/A、A/D等)。

表1：对材料开支的成本节约。

　　另外，由于Spider具有将模拟信号转变为数字信号所需的模/数转换器及根据数字指令生成模拟偏置电压所需的数/模转换器，这样就不再需要许多转换器芯片。最后一点，Spider的放置位置可以仅需要一根串行接口线布线在射频腔外。而由于四个Spider器件可连接在同一根串行线上，极大地减少了布线的数量，从而生产出更小、更简单、更廉价的放大器。

　　除简化布局和布线及减少材料成本外，Spider还简化了调整和校准过程，将手工螺丝刀调整转变成为高准确度、自动化固件参数调整。

　　Spider不但让LDMOS器件应用的设计工程师获益，而且为关心无线基础设施市场面临的或即将面临的“旧无线系统”协同运行限制的用户提供了一些更广泛的潜在益处。由于在可预见的未来，基站环境很可能继续保持多平台，采用软件定义特性以帮助管理功率放大器线性化过程是确保这些资本密集型基础设施保持可持续使用的关键。Spider提供了一种能支持W-CDMA、CDMA2000和EDGE调制类型的通用平台所需的偏置变化。这些简单的功能可以让服务提供商部署新标准覆盖的同时，无需重新投入大量的资金，从而在系统层面上具有深远的意义。

　　本文小结

　　Spider IA4910将射频功率晶体管偏置功能从昂贵的、在调试阶段设置的固定变量转变为数字控制的动态变量，可以按要求显著改善温度变化范围内关键变量的射频性能(自动或可编程响应)。除这些射频性能方面的改善外，Spider还大大减少了自行设计的分立元件或多芯片方法所需的分立元件及相关的电路。Spider是一种集成化解决方案级别的产品，既能最小化技术指标变动，又能减少各个阶段的成本。