JPH06503449A - 動的にバイアスされた増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 動的にバイアスされた増幅器 発明の分野 本発明は、電子増幅器に関する。さらに詳しくは通信装置用の動的にバイアスさ れた増幅器（ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｂｉａｓｅｄ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に関 する。

背景技術 バッテリで電力供給される双方向携帯用無線機などの通信装置においては、高い 動作効率と低い電流ドレーン特性とを示す電力増幅器に対する必要性が大きい。

これは、携帯用無線機内で使用することのできるバッテリ容量の量が制限されて いるためと、バッテリを再充電せずにより長期間無線機を動作させたいという無 線機ユーザの要望が高まっているなめである。無線機に用いられる電力増幅器は 、無線機の主な電流消費装置の１つであるので、無線機の設計においては、常に より効率の高い増幅器に対する必要性がある。残念ながら、「クラスＢ」増幅器 などの高効率を示す電力増幅器は、周波数スプラッタ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ３ｐ ＋ａｔｔｅｒ）として知られる問題を持つ傾向がある。これは、クラスＢ増幅器 が非常に速く　（増幅器をバイアスするのに充分高い入力信号が増幅器に対して 印加されるや否や）オンになるためである。増幅器のこのような高速のオン・オ フ動作により、望ましくない周波数の高調波が送信される。

望ましくない高調波は、時分割多重（ＴＤＭ）通信装置において、特に問題とな るが、これは送信機の動作が高速であるためであり、このためさらに高調波の問 題が大きくなる。周波数スプラソタは、被送信信号を妨害するだけでなく、多く の国で通信装置に対して課している取締り機関の要件（ＦＣＣなど）を満足する 際に問題を起こす。

高い効率が得られ、なおかつ周波数スプラッタが最小である高効率増幅器回路に 対する必要性は、通信装置に用いるのに非常に有用であり、特にＴＤＭの用途に おいて有用である。クラスＢ増幅器または他の高効率増幅器クラスの高効率増幅 器特性を持ち、なおかつクラスＡ増幅器（または同様の他のスプラッタの低いク ラス）の低スプラッタ特性を与えるバイアス回路があれば、周波数スブラッタに 関する問題を最小限に抑えるために非常に便利であろう。

発明の概要 簡単に言うと、本発明により、バイアス・レベルを調整することができる増ｎ器 が開示される。この増幅器は、入力信号を受信し、出力信号を導出する少なくと も１つの増幅器段によって構成される。この増幅器はさらに、少なくとも１つの 増幅器段に結合され、増幅器のバイアス・レベルを調整するための制御手段も有 する。本発明の他の解釈においては、この増幅器は、あるバイアス・レベルの実 質的に線形のモードと、第２のバイアス・レベルの実質的に非線形のモードとで 二者択一的に動作する。

バイアス・レベルを調整することのできる増幅器を有する送信機によって構成さ れる無線機も開示される。本発明の別の解釈においては、この無線機は時分割多 重（ＴＤＭ）無線機である。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による増幅器回路の図である。

第２図は、第１図の増幅器に関する制御信号を示すタイミング図である。

第３図は、本発明による無線機の概略図である。

第４図は、第１図の増幅器の典型的なバイアス手順を示す流れ図である。

好適な実施例の詳細説明 第１図には、本発明による増幅器回路１００の構成が示される。この回路１００ は、好ましくは、無線通信用に用いられるような無線周波数電力増幅器である増 幅器１０２によって構成される。好適な実施例は無線周波数（ＲＦ）増幅器とし て説明されるが、オーディオや電力用に用いられるような他の種類の増幅器回路 も本発明により実現することができる。増幅器１０２の入力には、帯域通過フィ ルタ部１０４が結合され、これは無線周波数信号が最終増幅器１０２の入力に到 達する前にこの信号を濾波するために用いられる。回路１００には、双方向無線 機で通常用いられるような前置増幅器１０６が含まれることが好ましい。

前置増幅器１０６の出力はフィルタ１０４に結合され、増幅器１０２に印加され る無線周波数信号のゲインを大きくするために主に用いられる。前置増幅器１０ ６はさらに、入力にフィルタ部１０８を有し、望ましくない信号を削減したり、 あるいは前置増幅器１０６に到達しないようにする。フィルタ１０８には、ミキ サ１１０が結合され、これは送信機の前端により発生される無線周波数（ＲＦ） 信号と、局部発振器信号（Ｌ○）とを混合する。この混合された信号出力は、フ ィルタ１０８の入力に印加される。

回路１００には、さらにコントローラ１１８などの制御手段も含まれる。この制 御手段は、オンチップ・メモリ。

制御回路構成、タイミング回路構成などを有する、モトローラ社１１Ｍｃ６８Ｈ ｃ１１Ａ８マイクロコントローラなどの入手可能ないくつかのマイクロプロセッ サまたはマイクロコントローラのうちの任意のものでよい。コントローラ１１８ は、当技術で既知の個別の回路または集積回路を用いて設計することもできる。

コントローラ１１８の内部のタイミング手段は、望ましくない無線周波数スプラ ッタがｒｆ増増幅１０２により放出されるのを最小限に抑えるために、前置増幅 器１０６と増幅器１０２の両方のバイアス条件をいつ変更するかを決定する。図 中にＤＥＬＴＡ−ＢＩＡＳ　（デルタ−バイアス）と示された、コントローラ１ １８の出力ライン１２２は、直列抵抗１１４を介して増幅器１０２に接続される 。ＤＥＬＴＡ−ＢＩＡＳ　ライン１２２は、主に増幅器１０２のバイアス・レベ ルを変更するために用いられ、このバイアス・レベルは増幅器１０２に供給され る電流の量を制御することにより調整される。＃！２出カフカライン１２４ＴＸ −ＥＮと示される）は、積算器１１２に接続され、積算器１１２は、前置増幅器 １０６と、直列抵抗１１６を介して増幅器１０２とに接続される。いずれの直列 抵抗１１６゜１１４も、出力ライ／１２４．１２２から増幅器１０２内に流れる 電流の量を制限して、同装置をバイアスするように設計されている。積算器１１ ２は、ライン１２４　（ＴＸ−ＥＮと示される）を介して出力された信号から、 時間に関してランプ機能（ｒａｍｐ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を発生する（電流の駆 動レベルを増減させる）際に採用される。増加（または減少）中の電流バイアス （ＴＸ−ＥＮ　ＲＡＭＰ）が前置増幅器１０６および増幅器１０２の両方に流れ 込み、同装置のバイアスを適合させる。前置増幅器１０６．増幅器１０２および その他の関連部品によって構成される部分を、デルタ・バイアス部１２０と呼ぶ 。

第２図には、本発明によるタイミング図が示される。ＴＸＥＮと記された一番上 のタイミング・ラインは、無線機３００　（第３図に図示）が送信する期間（高 信号）を示す。この実施例においては、送信の長さは約９６５マイクロ秒である 。好適な実施例においては、無線機３００は時分割多重（ＴＤＭ）無線機であり 、これはＴＤＭｆ＆線機に見られる高い送信デユーティ・サイクルのために、本 発明の利点によく適している。ＲＸ　ＥＮと記された２番目のタイミング・ライ ンは、無線機３００が情報を受信するとき（高信号）と、情報を受信していない とき（低信号）とを示し、ここでは非受信モードは約１ミリ秒と示されている。

ＲＸ　ＥＮが低のとき、ミキサ１１０がオンになり、これによりフィルタ１０８ を通して低レベルｒｆが前置増幅器１０６の入力に運ばれる。ＴＸ　ＥＮ　ＲＡ ＭＰＡイアス・レベルが前置増幅器１０６をオンにする前に、ＲＦ駆動信号が前 置増幅器１０６の入力に現れる。

３番目のタイミング　ラインは、ＤＥＬＴＡ　ＢＩＡＳラインで、これはコント ローラ１１８を介して増幅器１０２に印加されるバイアス・レベルのタイミング である。図に示されるように、デルタ・バイアス・レベルは、無線機３００が情 報の受信を完了するとすぐに、約３０マイクロ秒の間、高になる。情報の受信と 情報信号の送信との間の時間は５マイクロ秒であるので、増幅器１０２に対する バイアス・レベルは、増幅器１０２がＲＦ傷信号送信を開始するのに先立ち、デ ルタ・バイアス”・レベル（第１バイアス・レベル）になる。ＤＥＬＴＡ　ＢＩ ＡＳ信号が高である時間は、１１バイアス・レベルである。増幅器１０２を動作 前に第１バイアス・レベルにバイアスさせることにより、周波数スプラッタは最 小限に抑えられる。これは第１バイアス・レベルが増幅器１０２を実質的に線形 の動作モードに入れるためである。

これは従来のクラスＡの動作モードまたは他の線形クラスの動作に増幅器１０２ を入れるのと同様である。クラスＡ増幅器は、ターン・オン時に低いレベルの高 調波を発生するという利点を持つので、無線機３００が送信を開始するときに、 周波数スプラッタは最小限に保持される。無線機３００が送信を開始するのと同 時に、コントローラ１１８の第２出カラインは、積算器１１２により発生された 第２バイアス・レベル（ＴＸ　ＥＮ　ＲＡＭＰ）を前置増幅器１０６と増幅器１ ０２の両方に与える。積算器１１２（第１図）は、バイアス・レベルを第２図に 示されるようなランプ機能に入れる。ゆっくりと上昇するバイアス・レベルを前 置増幅器１０６に与えることにより、増幅器１０２に印加されている入力信号の レベルが次第に上昇し、それにより増幅器１０２の出カスプラッタがさらに小さ くなる。ＴＸ−ＥＮＲＡＭＰがほぼ一定のレベル（第２バイアス・レベル）に到 達するまでに、３０マイクロ秒が過ぎると第１バイアス・レベル（ＤＥＬＴＡ　 ＢＩＡＳ）期間（第１）くイエス・レベル）の値が下がる。第１および第２バイ アス、レベル、ライン（ＤＥＬＴＡ　ＢＩＡＳおよびＴＸ　ＥＮ　ＲＡＭＰ）は 両方とも増幅器１０２に接続されているので、増幅器はＤＥＬＴＡ　ＢＩＡＳが 過ぎると第２バイアス・レベルのままになる。このレベルは、増幅器１０２を実 質的に非線形の動作モードに入れるように選択される。増幅器１０２を非線形モ ード、または高効率モードに入れることにより、周波数スプラ・ンタの問題力τ 最小限に抑えられている間、電流の節約が最大となる（増幅器１０２が過渡的な ターン・オン状態から抜けて送信を開始する）。第２バイアス・レベルにバイア スされてＩ／）るので、増幅器１０２はクラスＢ増幅器のように動作し、このバ イアス・レベルは増幅器１０２に対するＲＦ粗駆動二より決まる。増幅器１０２ は、無線機３００が送信を終了する（ＴＸ　ＥＮが低になる）まで第２バイアス ・レベルに留まる。無線機３００が送信を終了した時点で第１　Ｂイエス・レベ ル（ＤＥＬＴＡ　５ｒＡｓ）は高になり、増幅器１０２ｉよ実質的に線形の動作 モードに戻される。同時に、第２ノ（イエス・レベルのレベルがゆっくりと下が り、増幅器１０２をオフにする際の周波数スプラノタの問題をさらに小さくする 。

無線機３００のようなＴＤＭ無線機におり１ては、このような動的バイアス・レ ベルの変化は、これがなし１場合：よ大きな量になる増幅器１０２により発生さ れる高調波の量を小さくすることを助ける。増幅器動作の過渡的時期ζ：）くイ エス・レベルを適合させるこれと同じ考え方は、増幅器の過渡的動作に関して周 波数または歪の問題が起こるほとんどすべての増幅器において採用することがで きる。特定の時間隔が示されているが、これらの間隔は特定の設計上の必要性に あわせて修正することができることは、当業者には理解いただけよう。バイアス ・レベル間の関係も、全体の設計に特定の結果が得られるように修正することが できる。

第３図には無線機３００が示されるが、無線機３００は当技術で既知のものと同 様の時分割多重無線機であることが好ましい。無線機３００は、情報信号を受信 するために用いられる受信機３０６と、情報を送信するために用いられる送信機 ３１２とによって構成される。送信機３１２は、上述のようなデルタ・バイアス 増幅器部１２０によって構成され、さらに送信機３１２の一部は部分３１４とな っており、これは従来のＲＦ送信機３１２を構築する回路構成の残りの部分とな っている。受信機３０６と送信機３１２は両方とも、アンテナ・スイッチ３０４ を介してアンテナ３０２に選択的に結合される。スピーカ３０８が受信機３０６ に接続され、受信機３０６により受信されるオーディオ信号を提示する。マイク ロホン３１０は送信機３１２に接続され、音声メツセージを送信機３１２を介し て送信する。無線機３００はデータ送信を行うこともでき、送信（音声／データ ）方法は無線機３００が用いられる用途に依存する。

コントローラまたは制御手段１１８は、受信機３０６と送信機３１２の両方に結 合され、同装置の動作を制御する。

無線機３００のようなＴＤＭ無線機におし１ては、コントローラ１１８は無線機 の受信および送信の時期を制御する。

本発明のために、コントローラ１１８は、デルタ・ノくイアス増輻器部１２０に おいて増幅器のバイアスを制御する。

無線機３００がいつ送信していつ受信するのかを正確（：知ることにより、コン トローラ１１８は増幅器の）くイエス・レベル、特に増幅器１０２のレベルを１ ７１つ適合させるの力）を決定する。コントローラ１１８は主に、増幅器１０２ を第１バイアス・レベルに初期化して、必要に応じて増幅器１０２を第２バイア ス・レベルに適応させる。コントローラ１１８にはまた、増幅器１０２をバイア スするために必要な電ｆＬ（第１バイアス・レベル）を駆動するための電流駆動 回路構成が含まれることもある。

第４図には、増幅器の典型的なバイアス手順を示す流れ図が示される。ステップ ４０２においては、コントローラ１１８は受信機３０６が受信を完了したか否か を判定し、イエスの場合は、コントローラ１１８はライン１２２を介して、所定 の時間隔の間第１バイアス・レベル（ＤＥＬＴＡＢＩＡＳ）を送る。この場合、 用いられる時間隔は３０マイクロ秒であるが、この時間は無線機の種類や利用さ れる信号化体系に応じて可変することができる。ＤＥＬＴＡ　ＢＩＡＳまたは第 １バイアス・レベルを短い時間に削減することにより、増幅器１０２は増幅器が 動作状態にオンされる間、実質的に線形の動作モードの利点を受け、なおかつ増 幅器１０２を駆動する電流ドレーン全体を小さくする。

ステップ４０６においては、コントローラ１１８は、送信機が送信を開始したか 否かを判定し、この実施例においては、コントローラは受信機が受信を完了して から５マイクロ秒後に送信を開始することを知ることになっている。

無線機３００が送信を開始したことが判定されると、第２バイアス・ライン１２ ４が起動され（ＴＸ　ＥＮ）　、これにより積算！１１２にバイアスが送られ、 積算器１１２は正のランプ・バイアス（ＴＸ　ＥＮ　ＲＡＭＰ）を増幅器１０２ と前置増幅器１０６の両方に発生する（ステップ４０８）。

約２５マイクロ秒後に、ＴＸ　ＥＮ　ＲＡＭＰが実質的に一定のレベル（第２バ イアス・レベルと呼ばれる）に達すると、ＤＥＬＴＡ　ＢＩＡＳの時間隔は経過 する。この時点で、前置増幅器１０６および増幅器１０２は、送信サイクルの残 りの間ずっとこの第２バイアス・レベルにおいて動作される。ステップ４１０に おいては、コントローラは無線機３００が送信を終了したか否かを判定し、終了 している場合は、ステップ４１２において、別の第１バイアス・レベル（ＤＥＬ ＴＡ　ＢＩＡＳ）を増幅器１０２に送り、増幅器１０２のターン・オフの間（送 信終了）、所定の時間隔の間（３０μｓ）増幅器１０２を実質的に線形のモード に入れる。これとほぼ同時に、第２バイアス・レベルが、コントローラ１１８の 出力ライン１２４からきた信号がら積算器１１２により達成される負のランプ・ レベルでレベルが下げられる。

このステップが終了すると、サイクル全体が繰り返され、増幅器に対するバイア ス・レベルは、送信前に、また送信手順が終了するとすぐに修正される。

当業者には理解されるように、本発明は、低電流ドレーン増幅器の設計（たとえ ばクラスＢ、ＣまたはＥ増幅器など）には増幅器の高速のターン・オおよび／オ フのために周波数スプラッタが起こるという問題を解決する。増幅器１０２の重 要なターン・オンおよびターン・オフ時間（過渡時間）の間に増幅器を実質的に 線形の動作モード（実質的にはクラスＡ動作または他の線形動作クラス）に入れ ることができるので、周波数スプラッタが最小限に抑えられる。増幅器が第１バ イアス状態（ＤＥＬＴＡ　ＢＩＡＳ）にいる時間は、送信サイクル全体と比較す ると非常に短いので、増幅器１０２を線形モードに設定するために利用される余 分な電流はわずかなものである。実質的には有害な周波数スプラッタ（高調波） が削減されるので、このトレードオフは価値のあるものである。増幅器１０２の ために余分な出力フィルタを用いずに屑波数スプラッタを最小限にできるという 事実により、他の節約も実現される。余分な出力フィルタを用いると、無線機３ ００の製品コストを増大させるだけでなく、貴重なスペースも費やす。

本発明は特定の実施例に関して説明されているが、前記の説明に照らして、当業 者には多くの代替案、修正および変形が可能であることは明かである。従って、 本発明は添付の請求項の精神と範囲とに入るすべての代替案、修正および変形を 包含するものとする。

第２図 第３図 第４図 特表平６−ｓｏ３４４９（７）

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．入力信号を受信し、出力信号を発生する少なくとも１つの増幅器段；および 前記の少なくとも１つの増幅器段に結合され、前記の少なくとも１つの増幅器段 を第１バイアス・レベルに初期化し、前記の少なくとも１つの増幅器段を第２バ イアス・レベルにおいて動作させる制御手段； によって構成されることを特徴とする増幅器。
2. ２．前記の少なくとも１つの増幅器段が、前記第１バイアス・レベルにおける実 質的に線形のモードと、前記第２レベルにおける実質的に非線形のモードとで動 作する請求項１記載の増幅器。
3. ３．前記の少なくとも１つの増幅器段が、前記第１バイアス状態にバイアスされ たときに実質的にクラスＡ動作モードで動作し、前記の少なくとも１つの増幅器 段が前記第２バイアス状態にバイアスされたときに実質的にクラスＢ動作モード で動作する請求項２記載の増幅器。
4. ４．前記の少なくとも１つの増幅器段が無線周波数増幅器である請求項３記載の 増幅器。
5. ５．前記の少なくとも１つの増幅器段が、前記の少なくとも１つの増幅器段が出 力信号を導出する前に、所定の時間隔の間、前記第１バイアス・レベルに初期化 される請求項１記載の増幅器。
6. ６．前記制御手段が、前記第１バイアス・レベルにおける所定の時間隔が経過し た後で、前記第２バイアス・レベルにおいて前記の少なくとも１つの増幅器段を 動作させる請求項５記載の増幅器。
7. ７．前記制御手段が、前記増幅器段が出力信号を発生するのを停止した後で前記 の少なくとも１つの増幅器段を所定の時間隔の間、前記第１バイアス・レベルに 戻す請求項６記載の増幅器。
8. ８．前記の少なくとも１つの増幅器段が、前記第１バイアス・レベルの高調波が 低い出力信号モードで動作し、前記の少なくとも１つの増幅器段が第２バイアス ・レベルの高効率モードで動作する請求項１記載の増幅器。
9. ９．入力信号を受信し、出力信号を発生する少なくとも１つの増幅器段；および 前記の少なくとも１つの増幅器段に結合され、前記の少なくとも１つの増幅器段 が出力信号を発生しないうちと、出力信号が発生されてから所定の時間の間、前 記増幅器を第１バイアス・レベルにおいて初期化し、前記の少なくとも１つの増 幅器段が出力信号の発生を開始した後で、前記の少なくとも１つの増幅器段を第 ２バイアス・レベルにおいて動作させ、前記出力信号が前記の少なくとも１つの 増幅器段により発生されなくなると実質的にすぐに、所定の時間の間前記の少な くとも１つの増幅器段を前記第１バイアス・レベルに再びバイアスする制御手段 ；によって構成されることを特徴とする増幅器。
10. １０．前記の少なくとも１つの増幅器段が前記第１バイアス状態の実質的に線形 のモードと、前記第２状態における実質的に非線形のモードとで動作する請求項 ９記載の増幅器。
11. １１．情報を送信することのできる無線機であって：増幅器を有する送信機；お よび 前記増幅器に結合され、前記増幅器を第１バイアス・レベルに初期化し、前記の 少なくとも１つの増幅器段を第２バイアス・レベルにおいて動作させる制御手段 ；：によって構成されることを特徴とする無線機。
12. １２．前記無線機が時分割多重（ＴＤＭ）無線機である請求項１１記載の無線機 。
13. １３．前記制御手段が、前記無線機が情報の送信を開始するのに先立ち前記増幅 器を前記第１バイアス手段に初期化し、前記制御手段はさらに、前記無線機が情 報の送信を開始した後で所定の時間隔の間前記増幅器を前記第１バイアス・レベ ルに残しておく請求項１１記載の無線機。
14. １４．前記制御手段が、前記増幅器が所定の時間隔の間前記第１バイアス・レベ ルにいた後で第２バイアス・レベルに前記増幅器を適合させる請求項１３記載の 無線機。
15. １５．前記制御手段が、前記無線機が情報の送信を停止すると実質的にすぐに、 所定の時間隔の間前記増幅器を前記第１バイアス・レベルに戻す請求項１４記載 の無線機。
16. １６．前記増幅器に結合された前置増幅器によってさらに構成され、前記前置増 幅器も前記無線機が情報の送信を開始すると実質的にすぐに前記前置増幅器のバ イアス・レベルを調整する前記制御手段に結合されている請求項１１記載の無線 機。
17. １７．前記制御手段が、前記無線機の送信中に、前記前置増幅器に対してバイア ス・レベルを増大させることにより、前記前置増幅器のバイアス・レベルを調整 する請求項１６記載の無線機。
18. １８．前記制御手段が、前記無線機が情報の送信を停止している間、前記前置増 幅器に対してバイアス・レベルを減少させる請求項１７記載の無線機。
19. １９．前記増幅器が第１状態の実質的に線形のモードと、第２状態の実質的に非 線形のモードとで動作する請求項１１記載の無線機。
20. ２０．出力信号を発生することのできる増幅器を動的にバイアスする方法であっ て： 前記増幅器が出力信号を発生する前に、前記増幅器を第１バイアス・レベルにバ イアスする段階；および前記増幅器が出力信号の発生を開始した後で、前記増幅 器を第２バイアス・レベルに適合させる段階；によって構成されることを特徴と する増幅器を動的にバイアスする方法。
21. ２１．前記増幅器が出力信号の発生を完了している実質的な間の所定の時間、前 記増幅器を前記第１バイアス・レベルに戻す段階によってさらに構成されること を特徴とする請求項２０記載の増幅器を動的にバイアスする方法。
22. ２２．前記増幅器が前記第１バイアス状態にバイアスされた後で、前記増幅器に 結合された前置増幅器に対してバイアスをかける段階によってさらに構成される ことを特徴とする請求項２１記載の増幅器を動的にバイアスする方法。
23. ２３．前記前置増幅器にかけられたバイアスが正の増分バイアス・レベルである 請求項２２記載の増幅器を動的にバイアスする方法。