CN1022364C - 动态偏置放大器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能被动态偏置的放大器(102)，一控制器118确定何时改变放大器(102)的偏置，以获得低的邻道频率干扰。这里通过将放大器(102)的偏置电平在基本上线性(甲类)和基本上非线性(乙类)工作模式中间改变而实现的。在放大器进入和脱离工作状态的临界时间，使放大器102处于基本上线性的工作模式，从而减小产生的输出谐波，本发明的另一方面是一种能使用动态偏置放大器(102)的无线电设备300。

Description

本发明涉及电子放大器，特别涉及用于通信设备中的动态偏置放大器。

在通信设备中，例如在电池驱动的双向便携式无线电设备中，非常需要具有高工作效率、低漏电流特性的功率放大器。这是因为便携式无线电设备中的电池容量有限，而且使用者迫切需要长时间使用无线电设备而不必给电池充电。由于用于无线电设备中的功率放大器是设备中主要的耗电器件，因此在无线电设备的设计中一直需要高效率的功率放大器。遗撼的是，显示高效率的“乙类”功率放大器往往会出现邻道频率干扰问题，这是由于乙类放大器导通很快（只要加在放大器上的输入信号足够高，就能够偏置放大器）。放大器的这种高速通断使不希望的谐波被传送出去。由于发射器的高速动作加重了谐波问题，这使不需要的谐波在时分多路复用（TDM）通信设备中成为一个问题。频率干扰不仅干扰发送信号，而且在对于满足多数国家对通信设备的限制性规定，如FCC，方面带来问题。

能获得高效率并且有最小频率干扰的高效放大电路在通信设 备特别是TDM设备的应用中特别有用。一种能具有乙类放大器或其它高效放大器的高效放大器特性的并具有甲类放大器（或类似低干扰类放大器）的低干扰性的偏置电路在减少有关邻道频率干扰问题方面特别有益。

因此，本发明公开了一种能调节其偏置电平的放大器。该放大器包括至少一个接收输入信号并提供输出信号的放大级，还有一个与至少一个放大级耦合的控制装置，用于调整放大器的偏置电平。另一方面，本发明的放大器交替地在两种偏置电平下工作。它在第一种电平下基本上以线性方式工作，在第二种电平下基本上以非线性方式工作。

本发明还公开了一种无线电设备，其发射器具有一个能够调整其偏置电平的放大器，本发明的另一方面，无线电设备是一TDM无线电设备。

图1是根据本发明的放大器电路图;

图2是图1放大器控制信号的时序图;

图3是根据本发明的无线电设备的示意图;

图4是图1放大器典型偏置序列的流程图。

图1示出了根据本发明的放大器电路100，电路100包括一个最好是如在无线电通讯中所用的射频功率放大器的放大器102。虽然最佳实施例是以射频（RF）放大器为例说明的，其它类型的放大电路，例如用于音响，电力设备中的放大器也可利用本发明 的方法来实施。与放大器102的输入端耦合的是带通滤波器104，用于在射频信号到达末级放大器102之前对其进行滤波。电路100最好包括一个前置放大器106，如在双向无线电设备中常用的前置放大器，前置放大器106的输出耦合到滤波器104，并且主要用于增加加到放大器102上的射频信号的增益。前置放大器的输入端也有一滤波器108，用以减小或防止不需要的信号进入前置放大器106。与滤波器108耦合的是一混频器110，它将发射机前端产生的射频信号（RF）与本地振荡信号（LO）混频，混频信号输出加到滤波器108的输入端。

电路100还包括一个控制装置如控制器118，控制装置可以是任何一种可得到的微处理器或微控制器，如MC68HC11A8型微控制器，它具有片载存贮器，控制电路，计时电路等。控制器118也可利用本领域公知的分立或集成电路设计。控制器118中的计时装置确定何时改变前置放大器106和放大器102的偏置状态以把从射频放大器102发出的不需要的射频干扰减至最小。控制器118的输出线122（图中标为DELTA-BIAS）通过串联电阻114与放大器102相连。DELTA    BIAS线122主要用于改变放大器102的偏置电平，方法是通过控制提供给放大器102的电流量来修正偏置电平。另一输出线124（图中标为TX-EN线）与一积分器112相连，积分器112与前置放大器106相连，并通过串联电阻116与放大器102相连。串联电阻116和114 被设计成能限制从输出线124和122流至放大器102的电流以偏置这两器件。积分器112用于从通过线124（标为TX-EN）输出的信号中产生一随时间变化的斜波函数（增加或减小电流驱动电平）。增加（或减小）的偏置电流（TX-EN    RAMP）流入前置放大器106和放大器102以便适应两器件的偏置，包括前置放大器106，放大器102和其它相关元件的部分称为增量（delta）偏置部分120。

图2示出了根据本发明的时序图。最上面的TX    EN计时线示出了当无线电设备300（示于图3）发射时（信号高）的时间周期。在本实施例中，发送长度约为965微秒。在最佳实施例中，无线电设备300是一时分多路复用TDM无线电设备，由于其高发送占空比，本发明带来的好处完全适用于这种设备。第二条计时线RX    EN示出了无线电设备300接收信息时（信号高）及不接收信息时（信号低）的时间周期，不接收信息的时间约为1毫秒。当RX    EN低时，混频器110导通，通过滤波器108输出低电平射频信号至前置放大器的输入端，射频驱动信号在TX-EN    RAMP偏置电平使前置放大器106导通前出现在其输入端。

第三条计时线是DELTA偏置线，它是通过控制器118加到放大器102上的偏置电平的时序图，图中可看出，DELTA偏置电平随无线电设备300接收信息完毕而变高约30微秒。由于接收和发送信息信号间的时间是5微秒，在放大器102开始发送射频信号之前，加到放大器102上的偏置电平将处于DELTA偏置电平（第一 偏置电平）。DELTA偏置信号高的时间间隔是第一偏置电平，在放大器102开始工作前将其偏置到第一偏置电平，邻道频率干扰被减至最小，这是由于第一偏置电平使放大器102处于基本线性工作的状态。这类似于将放大器102置于传统的甲类工作状态成其它线性工作状态。由于甲类放大器具有导通时产生低谐波的优点，当无线电设备300开始发送信息时，邻道频率干扰被控制到最小。在无线电设备300开始发送信息的同时，来自控制器118的第二输出线124开始将积分器112（TX-EN    RAMP）产生的第二偏置电平加到前置放大器106和放大器102上。积分器112（图1）将偏置电平变成图2所示的斜波函数。通过在前置放大器106上加一个缓慢上升的偏置电平，加到放大器102上的输入信号电平逐渐上升，从而进一步减小了放大器102的输出邻道干扰，当TX-EN    RAMP达到大约恒定电平（第二偏置电平）时，在30微秒时间区间结束后，第一偏置电平（DELTA-BIAS）时间间隔的值已下降。由于第一和第二偏置线（DELTA    BIAS和TX-EN    RAMP）都与放大器102相连，在增量偏置结束后此放大器只剩下第二偏置电平。选择这一电平是为了使放大器102处于基本上非线性的工作模式。通过使放大器102处于非线性模式或高效模式，在邻道频率干扰被压至最小时（放大器102脱离瞬态导通状态并开始发射时），最大限度地节约了电流，偏置在第二偏置电平时，放大器102象一个乙类放大器那样工作，其偏置电平由加到其上的射频驱动信号 所确定。放大器102保持在第二偏置电平下，直到无线电设备300完成其发送（TX    EN下降），在此时，第一偏置电平（DELTA-BIAS）上升使放大器102回到基本上线性的工作状态。同时，第二偏置电平缓慢下降，进一步减小与放大器102关断相关的邻道频率干扰问题。在一个TDM无线电设备中，如无线电设备300中，这些动态偏置电平的变化有助于减少放大器102可能产生的大量谐波。在放大器工作的瞬态期间改变偏置电平的概念可用于任何频率或失真问题与瞬态工作有关的放大器。虽然示出了特定的时间间隔，本领域的技术人员将会理解，这些间隔可根据特定的设计要求而修改，正如偏置电平间的关系也可以调整以在总体设计中取得特定的结果。

图3示出了一台无线电设备300，最好是本领域公知的那种TDM无线电设备。无线电设备300包括一台用于接收信息信号的接收器306和一台用于发送信息的发送器312。发送器312包括上面已说明的增量偏置的放大器部分120，发送器312的一部分是314，它作为平衡电路，构成传统的射频发送器312。接收器306和发送器312通过天线开关304有选择地与天线302耦合。一扬声器308与接收器306相连以表现接收器306收到的音频信号。话筒310与发送器312相连，使声音信息通过发送器312发送出去。无线电设备300也能传送数据，传送（声音/数据）的方法取决于无线电设备300的应用目的。

控制器或控制装置118与接收器306和发送器312二者耦合，并控制这两个器件的工作。在一TDM无线电设备中，例如无线电设备300中，控制器控制无线电设备何时接收和发送信号。为了本发明的目的，控制器118控制增量偏置放大器部分120中放大器的偏置。通过准确了解无线电设备300何时发送和接收，控制器118决定何时改变放大器的偏置电平，特别是放大器102的偏置电平。控制器118首先将放大器102偏置于第一偏置电平，并在需要时将放大器的偏置变为第二偏置电平，控制器118也可包括电流驱动电路以便驱动所需的电流（第一偏置电平）到偏置放大器102。

图4示出了放大器典型偏置序列流程图。在步骤402，控制器118确定接收器306是否已完成接收，如果是，控制器118通过线122发送一个第一偏置电平（DELTA-BIAS）持续预定的时间间隔，在此例中，所用时间间隔是30微秒，但根据无线电设备及所用的通讯模式的不同也可改变此时间间隔，通过将DELTA    BIAS或第一偏置电平减小到一个很短的持续时间，放大器102在导通进入工作状态期间获得了基本上线性工作的优点，而驱动放大器102的总漏电流被减至最小。

在步骤406，控制器118确定发送器是否已开始工作，在此实施例中，控制器将获知在接收器完成接收后发送器将开始发送信号5微秒，一旦它确定无线电设备300已开始发送信息，就启动第二偏置线124（TX-EN），该线传送一个偏置给积分器112，积分器 112产生一个正斜偏置（TX-EN    RAMP）给放大器102和前置放大器106（步骤408）。约25微秒后，一旦TX    EN    RAMP达到基本上恒定的电平（指第二偏置电平），DELTA偏置的时间间隔即结束，在这一点，前置放大器106和放大器102在传送周期的剩余部分工作在第二偏置电平。在步骤410，控制器确定无线电设备300是否已完成发送，如果是，在步骤412发送另一个第一偏置电平（DELTA    BIAS）给放大器102，以便使放大器102在关断（完成发送）期间的预定时间间隔（30微秒）处于基本上线性的模式中。大约同时，第二偏置电平以负斜电平形式下降，这是由积分器112利用来自控制器118输出线124的信号进行的。这一步骤一旦完成，整个周期重复，放大器的偏置电平在传送前并且在传送程序完成前被改变。

正如本领域的技术人员所能看出的那样，本发明解决了由于放大器的快速通断造成的低漏电流的放大器（例如乙类、丙类、戍类）设计中所具有的邻道频率干扰问题，通过使放大器102在临界导通关断期间（瞬态）处于基本上线性的工作模式（基本上是甲类工作状态或其它线性工作状态），邻道频率干扰被降至最小。由于与整个传送周期相比放大器处于第一偏置状态（DELIA    BIAS）的时间很短，使放大器102处于线性状态所消耗的附加电流非常小，所花的代价是值得的，因为有害的邻道频率干扰（谐波）大大地被减少了。由于没有给放大器增加附加的输出滤波，而减少了邻道频 率干扰，其它方面的节省也实现了，因为附加的输出滤波不仅增加无线电300的造价，而且也占据宝贵的空间。

虽然结合具体实施例说明了本发明，但很明显，本领域的技术人员显然可根据上述说明做出各种变化，修改和改进。因此，本发明将包括所有落入所附权利要求书范围和精神内的变化，修改和改进。

Claims (6)

1、一种动态偏置放大器，其特征在于包括：

一前置放大级，具有一输入端和一输出端；

一放大级，具有一输入端，该放大级与所述前置放大级耦合以接收来自前置放大级输出端的一输入信号，并在放大器的输出端提供一输出信号；

一控制器具有第一和第二输出端口并与所述放大级和前置放大级耦合，该控制器在所述放大级提供输出信号之前，通过第一端口向放大级输送一第一偏置信号，将放大级置于第一偏置阈值电平，在放大级提供输出信号时，该控制器通过第二端口向前置放大级和放大级输送一第二偏置信号，该信号增加偏置电平直到达到所存贮的第二偏置阈值电平，这使控制器停止向放大级发送第一偏置信号，并使前置放大级和放大级被偏置在第二偏置阈值电平。

2、根据权利要求1所述的放大器，其中所述放大级在第一偏置阈值电平时以基本上线性的模式工作，在第二偏置阈值电平时，以基本上非线性的模式工作。

3、根据权利要求2所述的放大器，其中所述放大级被偏置在第一偏置阈值电平时在基本上为甲类的工作状态下工作，被偏置在第二偏置阈值电平时，在基本上为乙类的工作状态下工作。

4、根据权利要求1所述的放大器，其中所述放大级在提供输出信号前的一预定时间间隔内被预置于第一偏置阈值电平。

5、根据权利要求4所述的放大器，其中控制器使所述放大级在第一偏置阈值电平的预定时间结束后工作于第二偏置阈值电平，并且只要所述放大级提供输出信号就将其维持在第二偏置阈值电平。

6、根据权利要求1所述的放大器，其中第一和第二偏置信号是由控制器发送的用于偏置放大级和前置放大级的偏置电流。

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