专利名称：自动偏压放大器的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及电放大，尤其涉及用于放大器的自动偏压系统和方法。
背景技术：
移动蜂窝通信，像许多其它电子应用一样，需要偏压电路来偏压放大器，这种放大器用于例如蜂窝基站或移动电话的发射机。在一种使用双极晶体管的常规RF放大器中，RF放大器的一般偏压方法是将晶体管的基极置为固定的DC-电压。RF晶体管的集电极电流是通过在制造该设备的生产过程期间利用例如可变电阻器和二极管调整DC-电压来控制的。一旦在生产中调整和设定了偏压，除非在实际应用中被手动改变，放大器的偏压将基本上保持一致。图1示出了这种电路。
在图1所示的常规放大器中，RF晶体管的基极电压是通过借助线圈L2传递二极管D1的膝处电压到双极晶体管Q1的基极来设置的。晶体管Q1的基极电压通过改变可变电阻器VR1的电阻来调整以便控制二极管的偏流。一旦在该电路的产生期间通过调整可变电阻器VR1设定了偏压，它通常就不再改变，即使元件特性将随时间改变。在常规偏压方法中，由VCC经线圈L1提供给RF晶体管Q1的电源，以及提供给偏压电路串联可变电阻器VR1和二极管D1的电源由独立路径提供而且通常独立运作，以便由于例如RF晶体管Q1工作温度的变化导致的RF晶体管Q1工作特性的变化，不会追随串联可变电阻器VR1和二极管D1所提供的偏压变化。因此，提供给RF晶体管基极的偏压不会追随RF晶体管Q1的电特性变化，而且该偏压不会为所有情况下的RF晶体管提供足够稳定的工作点。
此外，图1所示的常规偏压方法存在下述问题和/或缺陷。首先，偏压电路在生产期间需要调谐，这将花费时间而且在设定为RF晶体管Q1基极提供的正确偏压时将增大误差风险。第二，常规电路具有某种固有的温度稳定性，因为D1和Q1具有几乎相同，但不严格一致的温度特性。因此，常规电路经常需要附加额外的温度补偿电路来提供在偏压上的必要变化，以便应某些应用的要求稳定放大器操作。例如，通过添加与VR1串联的正温度系数(PTC)电阻器提供这种温度补偿电路。这使得当温度伸高时从VCC到D1的总电阻增大，由此降低了Q1的基极电压和Q1的集电极电流。然而，即使添加了这种温度补偿电路，常规偏压方法造成偏压条件趋向于以温度函数偏移，因为假设RF晶体管Q1和温度补偿电路处于不同物理位置，在电路工作期间的各种时刻温度补偿电路与RF晶体管Q1的温度不严格一致。第三，晶体管Q1和二极管D1对的热匹配随元件而异，因此即使晶体管Q1和二极管D1对在它们的标称值尽可能最佳匹配，使用特定晶体管用作晶体管Q1以及使用特定二极管用作二极管D1一般不会得到完美的热匹配。第四，在高功率条件下，RF晶体管Q1比二极管D1温度高而且对热补偿(即，有关功率的温度瞬态)造成更大误差。最后，常规偏压方法要求在设计阶段，在放大器中将用作晶体管Q1的每种不同晶体管类型(例如，具有不同电和温度特性的晶体管)要求各自不同的单独热补偿设计，以便提供温度补偿适度的设计。例如，当将RF晶体管Q1将由一个以上制造商提供而且产品随制造商而异时，或将使用不同类型的晶体管，如双极型、MOSFET、LDMOS或GASFET时，出现不同晶体管类型。
发明内容
本发明通过提供一种用于自动偏压放大器的方法和装置克服了前述的问题和/或缺陷。本发明尤其用于偏压非线性放大器和输入信号为调幅(AM)的放大器，或者包括足够的幅度变化。本发明的自动偏压系统具有有源偏压反馈环路，它在放大器工作期间通过监视放大器的工作状态和控制放大器偏压以控制放大器工作点足以补偿放大器电特性、放大器负载、放大器温度以及输入信号的变化来调整放大器的偏压条件为想要状态。如果输入信号幅度改变，本发明的自动偏压系统提供抽样和保持功能以便在高功率周期和低功率周期期间放大器偏压保持一致，即使在高功率周期期间放大器可工作于非线性区域。此外，本发明的放大器自动偏压系统在生产期间无需手工调整放大器偏压，而且在放大器中能使用任何晶体管类型。
根据本发明的一种变型，提供有源偏压反馈环路，它包括与放大器晶体管相连的偏压测量设备，用以测量物理量，例如电压、电流、温度等。测量的物理量提供给控制电路，控制电路监视该物理量并根据该物理量的变化连续调整其输出。控制电路的输出(或者测量设备的输出)输入到抽样和保持设备，例如电容器，以及偏压电路，以便通过将提供相对稳定的放大器工作点的方式改变放大器偏压来响应所测物理量的变化。因此，本发明的偏压方法连续调整放大器偏压以便通过保持所希望的放大器工作级别来改善放大器性能。
根据本发明第二种变型，通过测量提供给放大器RF晶体管的输入端(例如集电极)的电流来提供偏压测量。测量和控制电路包括用作分压器的电阻器的串并联组合，以及抽样放大器，它们联合工作以基于测量的晶体管输入电压为抽样和保持电容器提供可变电压。抽样和保持电容器连接到放大器(例如单位放大器)的输入端，它为RF晶体管的控制端提供所想要的偏压。在操作中，抽样和保持电容器在A-级(低功率)操作期间通过测量和控制电路的输出充电到所想要的RF晶体管偏压，作为例如被VCC偏压的晶体管端子的输入电压的函数，并在放大器的AB-级(高功率)操作期间保持该偏压。
根据本发明的再一变型，串联电阻器和抽样放大器对被偏压基准电压的抽样晶体管取代，这种晶体管用作测量和控制电路。在操作中，抽样和保持电容器在A-级(低功率)操作期间通过抽样晶体管的输出充电到所想要的RF晶体管偏压，作为例如被VCC偏压的晶体管端子的输入电流的函数，并在放大器的AB-级(高功率)操作期间保持该偏压。
本发明尤其适用于设置一般的放大器偏压，因为偏压控制被自动化而且一般随时间和温度变化更为精确。一般来说，本发明的偏压方法能改善放大器性能，例如电流、温度补偿、频率响应以及功率。本发明具有各种特别的优点，包括(1)在放大器中能使用各种类型的晶体管，而且对各种特定的晶体管类型或来自不同制造商的晶体管无需独立的偏压电路设计；(2)在生产中无需调谐放大器，因为它能基于自动偏压系统的设计自动调谐；(3)无需提供自动温度补偿功能，因为这种补偿在本发明的自动偏压系统中是固有的；以及(4)消除了偏压参数的长期漂移效应以及可能由于快速放大器加载导致的偏压跟随的滞后。
本发明还特别适用于必须工作于线性或非线性区域的RF放大器和偏压放大器。由于利用了自动偏压发明，当使用AM或幅度改变的输入信号时在放大器的A-级操作和AB-级操作期间均可提供同样想要的晶体管偏压。
通过结合附图阅读说明书能更好地理解本发明的前述技术方案以及下面对优选实施例的详细描述，对于要求保护的本发明来说，这些附图仅包含作为例子而不是作为限制。
图1是常规RF放大器偏压电路；图2是根据本发明的自动偏压放大器系统的第一个实施例；图3是根据本发明的自动偏压放大器系统的第二个实施例；图4是根据本发明的自动偏压放大器系统的第三个实施例。
具体实现方式本发明的自动偏压系统包括有源偏压反馈环路，它在放大器工作期间连续调整放大器的偏压条件为所想要的状态。有源偏压反馈环路监视指示放大器工作状态的物理量的偏压测量，并连续调节放大器偏压以便控制放大器工作点来补偿放大器电特性、放大器负载、放大器温度以及输入信号的变化。因此，本发明的偏压方法改善了总体放大器电性能。
图2示意了本发明的第一个优选实施例。本发明的有源偏压反馈环路连接放大器21，而且一般包括测量设备和有源偏压设备。有源偏压反馈环路尤其包括例如测量设备28、控制设备24、抽样和保持设备26以及偏压设备30。放大器21被电源22偏压。测量设备28连接放大器21和控制设备24，而且可连接电源22。控制设备24还可连接抽样和保持设备26以及连接偏压设备30。抽样和保持设备26还连接偏压设备30。通过这种最简单的形式，本发明可包括测量电路和包含抽样和保持设备的有源偏压电路。
在操作中，测量设备28测量物理量，例如诸如电压、电流、温度等工作参数，这些参数在借助有源偏压反馈环路控制放大器工作时很有用。由测量设备28提供的测量为，例如偏压测量，而且受控制24的监控。控制设备24连续调节其输出以响应所监视的测量的变化，以便借助抽样和保持设备26及偏压设备30维持放大器21在特定的预期偏压电平。因此，测量值的任何变化将转换为放大器偏压的预期变化，这样放大器就能保持最佳工作点，即基于工作期间放大器所经受的特定级别的电流、温度、功率等提供最佳放大器电性能。应指出，图2所示的箭头是为了便于理解而不打算限制本发明。本领域的技术人员知道，本发明的有源偏压反馈环路的构成方式为，信号以不同于上述方式在各个单元之间提供。例如，抽样和保持设备可以位于测量设备和控制设备之间。
本发明尤其对在某些时间周期，例如低功率周期期间，使用经充分调制的幅度可变输入信号的放大器有用，这样放大器就处于A-级(线性)操作。在这种应用中，在A级操作期间，抽样和保持设备26将进行调整以便在AB-级(非线性)工作周期，例如高功率周期期间提供所希望的放大器偏压。这种幅度可变信号的例子有，在全球移动通信系统(GSM)的发射机中使用放大器的AM-型信号应用，或例如码分多址(CDMA)信令。尽管为便于理解下面将以GSM系统为例描述附加优选实施例，但本领域的技术人员知道本发明通常可应用于放大器设计和应用。
现在参考图3，它示出了本发明的第二个优选实施例，其包括具有自动偏压有源偏压反馈环路的放大器。晶体管Q31为双极晶体管而且其发射极接地，其集电极连接线圈L31，而基极连接线圈L32。要放大的输入信号，信号IN，连接到晶体管Q31的基极，而放大器的输出信号连接到晶体管Q31的集电极。在GSM应用中，晶体管Q31可以是RF晶体管，尤其可以是双极晶体管、MOSFET、LDMOS或GASFET等。
电阻器R31…R35和放大器A31形成微分放大器电路，用于测量Q1的集电极电流。电源VCC通过电阻器R31和线圈L31连接到晶体管Q31。两个分压器电路并联而且在VCC和地之间连接。串联电阻器R32和R33连接VCC和地以及放大器A31的输入端。串联电阻器R34和R35连接到VCC(经R31)和地以及放大器A31的另一输入端。放大器A31可以是例如运算放大器。A31在其负(-)端和输出端之间也可以有反馈电阻器。
放大器A31的输出端连接电阻器R36，R36连接二极管D31。二极管D31连接到电容器C31和放大器A32的一端。电容器C31的第二端接地。放大器A32的输出端经线圈L32连接晶体管的基极。放大器A32可以是例如单位放大器，或给定存储于电容器C31的电压，将提供所希望的放大器偏压的任何类型的放大器。如这个优选实施例所示，有源自动偏压反馈环路包括电阻器R31-R36，放大器A31和A32，二极管D31及电容器C31。
本领域的技术人员将理解，在有源自动偏压反馈环路中电阻器和电容器的特定值根据应用选择以便实现所期望的标称放大器偏压，例如晶体管Q31基极电压0.7伏(典型的晶体管基极电压工作范围为0.6～1.0伏)。线圈的值也取决于应用和放大器特性。在图3所示的实施例中，各个电路元件的某些例值包括VCC＝12V；L31＝220nH；L32＝220nH；R31＝22R；R32＝330R；R33＝12k；R34＝1k；R35＝100k；R36＝1k以及C31＝10μF。尽管在图3中没有示意，但该电路还可包含例如，与C31并联的1兆欧电阻器，用以缓慢放电电容器C31，或放大器A32的输入阻抗可用于缓慢放电该电容器。
在例如GSM系统操作中，本发明使用GSM系统的时隙结构，其中连续时隙(高功率周期)以低功率周期分隔。在低功率周期期间，放大器(例如晶体管Q31)工作于A-级(线性)模式，而在高功率周期期间，放大器工作于AB-级(非线性)模式。利用本发明的有源自动偏压反馈环路晶体管Q31被偏压到所希望的条件。图3的实施例借助电阻器R31两端的电压监视晶体管Q31的集电极电流，并在A-级工作期间连续激励DC电压到晶体管Q31的基极以便为晶体管Q31实现所期望的集电极电流。如果集电极电流太低，则放大器A31的正(+)输入端电压相对于放大器A31的负(-)输入端电压要高，使得放大器A31的输出电压增大，由此导致电容器C31的电压和晶体管Q31的基极偏压增大。晶体管Q31的基极电压将增大并使集电极电流相应增大。增大的集电极电流使得放大器A31的正(+)输入端到达负(-)输入端的电压。当达到平衡条件时，例如在A-级操作期间，在电容器C31存储将为晶体管Q31的基极提供所期望的放大器偏压的电压。因此，当使用例如单位放大器作为放大器A32时，在信号IN的信号幅度为0或极低的周期(例如低功率周期)期间，电容器C31的电压等于放大器晶体管Q31的基极电压。
电容器C31在GSM操作中提供抽样和保持功能，以便当没有或几乎没有输入信号时(例如低功率周期)存储于电容器C31的电压用于在该信号周期(例如高功率周期)期间保持晶体管基极电压为所期望的晶体管基极偏压。在低功率周期结束时，晶体管Q31的基极电压对应于期望的集电极偏压电流的电压。在高功率信号周期期间，放大器晶体管Q31工作于非线性方式(AB-级非线性操作)，而且有源自动偏压反馈无法用于控制该偏压状态。相反，在有源信号周期期间，在电容器C31中存储的电压(抽样和保持电压)激励放大器A32的输入端，它为晶体管Q31提供所期望的基极电压。因此，当提供有源输入信号作为信号IN时(例如高功率周期)，放大器偏压(例如晶体管Q31的基极电压)基本上对应几乎不提供输入信号作为信号IN时(例如低功率周期)所提供的放大器偏压。在后续的几乎无输入信号周期期间，再次控制偏压下一个有源输入信号周期。
图4是本发明的另一个优选实施例，其中用于自动偏压有源偏压反馈环路的电路元件更少。包括晶体管Q41、NPN双极晶体管的放大器，其发射极接地，集电极接线圈L41，而基极接线圈L42。要放大的输入信号，信号IN，连接到晶体管Q41的基极，而放大器的输出信号连接到晶体管Q41的集电极。在GSM应用中，晶体管Q41可以是RF晶体管，尤其可以是双极晶体管、MOSFET、LDMOS或GASFET等。
电源VCC通过电阻器R41和线圈L41连接到晶体管Q41。晶体管Q42，例如PNP双极晶体管，其发射极在电阻器R41和线圈L41之间连接。基准电压Vref连接到晶体管Q42的基极。晶体管Q42的集电极连接电容器C41的一端和放大器A41的输入端。电容器C41的另一端接地。放大器A41的输出端经线圈L42连接晶体管Q41的基极。放大器A41可以是例如单位放大器，或给定存储于电容器C41的电压，将提供所期望的放大器偏压的任何类型的放大器。如该优选实施例所示，有源自动偏压反馈环路包括晶体管Q42、电容器C41和放大器A41。
在操作中，如果晶体管Q41的集电极电流太低，则晶体管Q42的发射极电压相对于基准电压Vref要高，这使得晶体管Q42的集电极电压增大，晶体管Q42的集电极电压的增大导致从放大器A41输入电压增大，即，晶体管Q41的基极电压增大，直到在晶体管Q41的集电极电流的相应增大导致晶体管Q42的发射极电压达到平衡状态(例如，Vref+0.7V)。当达到平衡状态时，在例如信号IN几乎无输入信号周期(例如A-级操作)，而且为晶体管Q41的基极提供所期望的放大器偏压期间，电容器C41将存储指示该预期放大器偏压的电压。例如，当单位放大器用作放大器A41时，电容器C41(抽样和保持电容器)的电压将等于放大器的偏压，即晶体管Q41的基极电压。在几乎无信号功率周期(A-级)提供的放大器偏压在下面的高功率周期期间(AB-级)使用作为存储于电容器C41中的电压的结果，以便在整个低功率和高信号功率周期足以维持所期望的放大器偏压。
本领域的技术人员还将理解，在图4的有源自动偏压反馈环路中电阻器和电容器的特定值根据特定应用选择以便实现所期望的标称放大器偏压，例如晶体管Q41基极电压0.7伏(典型的晶体管基极电压工作范围为0.6～1.0伏)。线圈值也取决于应用和放大器特性。在图4所示的实施例中，各个电路元件的某些例值包括VCC＝12V；L41＝220nH；L42＝220nH；R41＝22R；C41＝10μF以及Vref＝11V。尽管在图4没有示出，但该电路还可包含，例如，与C41并联的1兆欧电阻器，用以缓慢放电电容器C41，或放大器A41的输入阻抗可用于缓慢放电电容器。
即使上面本发明是利用GSM系统例子描述的，但本领域的技术人员知道，本发明对具有充分的AM-调制或幅度变化导致保持A-级操作一个时间周期的任何放大器很有用。例如，本发明的有源自动偏压反馈系统可用于例如CDMA系统，因为本发明在输入信号的A-级周期(例如低功率)期间包含抽样和保持操作，以在输入信号的AB-级周期(例如高功率)期间维持所希望的偏压。本发明极适用于输入信号具有充分的幅度变化以便抽样和保持电容器在低信号周期期间能存储所希望的放大器偏压，而在高信号周期期间保持同一相对偏压电平的应用。此外，本发明可用于任何放大器设计，而与所使用的晶体管类型无关。
本发明尤其适用于设定一般放大器偏压，因为偏压控制是自动的而且通常随时间和温度变化更为精确。通常本发明的偏压方法能改善放大器特性，例如，电流、温度补偿、频率响应以及功率。本发明还特别适用于RF放大器，更适用于偏压必须工作于线性和非线性区域的放大器。由于利用本自动偏压发明，当利用AM或幅度可变输入信号时，在放大器的A-级操作和AB-级期间可提供同样预期的放大器偏压。当放大器经历负载快速增大导致在待用(inactive)周期后初始信号输入的温度显著变化时，本发明尤为有用。例如，当基站在长时间空闲后经历信令业务的快速增长时(例如，当蜂窝电话用户在夜晚几乎不使用后，而在早晨开始使用他们的电话时)，本发明用于蜂窝通信系统的基站发射机时允许放大器偏压快速适应放大器负载条件的变化。
尽管上面示意和描述了本发明的特定实施例，但应理解的是它们并不打算限制本发明为这些优选实施例，本发明的技术人员知道，可进行各种变化和修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在覆盖可选方案、修正和等效物，这些都可包含在由权利要求书定义的本发明的精神和范围内。
例如，本发明可利用模拟或数字技术或二者实现。同样，本发明可利用离散元件或集成电路或二者实现。此外，在本发明中使用的晶体管的类型可以是任何类型和任何传导率，即双极型、MOS、NPN、PNP等。最后，尽管本发明特别适用于包括功率(晶体)管的RF放大器，但本发明也可用于偏压任何类型的放大器。
权利要求
1.一种装置，包括第一放大器；以及连接所述第一放大器的反馈电路，它调节所述第一放大器的偏压电平，所述反馈电路包括抽样和保持电路。
2.如权利要求1的装置，其中所述反馈电路还包括用以控制所述偏压电平的调节的控制电路。
3.如权利要求2的装置，其中所述反馈电路还包括用以激励所述第一放大器的输入的偏压电路。
4.如权利要求3的装置，其中所述反馈电路还包括用以测量与所述第一放大器的操作相关的物理量的测量电路。
5.如权利要求1的装置，其中所述抽样和保持电路在低功率模式期间抽样电压，并在高功率模式期间保持所述电压，以便充分保持根据工作参数设置的所述偏压电平。
6.如权利要求4的装置，其中所述控制电路包括连接到所述第一放大器的晶体管，而所述抽样和保持电路包括连接到所述控制电路的电容器。
7.如权利要求6的装置，其中所述控制电路包括连接到所述第一放大器的第二放大器。
8.如权利要求7的装置，其中所述偏压电路包括第三放大器。
9.如权利要求4的装置，其中所述偏压电路包括第二放大器。
10.如权利要求8的装置，其中所述第一放大器包括第二晶体管。
11.如权利要求10的装置，其中所述第一放大器为RF放大器，而所述第二晶体管为双极晶体管。
12.一种装置，包括放大器；以及用以自动偏压所述放大器的输入的装置，以便基于所述放大器的工作参数的变化，以至少一种模式连续调节所述放大器的输入。
13.如权利要求12的装置，其中用以自动偏压所述放大器的输入的所述装置包括用以在低功率模式期间抽样电压而在高功率模式期间保持所述电压，以便充分保持所述输入在根据所述工作参数设置的偏压的装置。
14.如权利要求13的装置，其中所述用以自动偏压所述放大器的输入的装置还包括用以测量所述放大器的物理量的装置；用以监视所述测量的物理量并控制所述放大器的所述输入的装置；以及用以基于所述抽样和保持电压而偏压所述放大器的输入的装置。
15.如权利要求13的装置，其中所述用以抽样电压的装置为电容器。
16.在无线电信系统中，一种包括放大器系统的发射机，该放大器系统包括第一晶体管；以及连接所述第一晶体管以便偏压所述第一晶体管的反馈电路，所述反馈电路包括电容器，它抽样和保持用于偏压所述第一晶体管的电压。
17.如权利要求16的无线通信系统，还包括在所述第一晶体管和所述电容器之间连接的放大器。
18.如权利要求16的无线通信系统，还包括在所述第一晶体管和所述电容器之间连接的第二晶体管。
19.一种用于偏压放大器的方法，包括步骤测量所述放大器的工作参数，以便设置所述放大器为预定工作条件；以及基于所述工作参数，偏压所述放大器以便提供所述预定的放大器工作条件，而与所述放大器的输入信号电平无关。
20.如权利要求19的方法，还包括步骤监视所述工作参数；以及控制输入到抽样和保持电路的电压，以便在所有工作模式下设置所希望的放大器偏压。
21.如权利要求20的方法，还包括步骤抽样和保持电压以便在高功率周期期间保持所述希望的放大器偏压。
22.如权利要求21的放大器系统，其中所述抽样和保持电路包括电容器，而所述测量电路包括电阻器。
全文摘要
本发明提供一种用于自动偏压放大器的方法和装置。本发明尤其用于偏压非线性放大器和输入信号可调幅(AM)的放大器。本发明的自动偏压系统具有有源偏压反馈环路，它在放大器工作期间通过监视指示放大器工作状态的物理量和控制放大器偏压以控制放大器工作点足以补偿放大器电特性、放大器负载、放大器温度以及输入信号的变化，来连续调整放大器的偏压条件为需要状态。如果是AM输入信号，本发明的自动偏压系统可提供抽样和保持功能以便在高功率周期和低功率周期期间放大器偏压保持一致，即使在高功率周期期间放大器可工作于非线性区域。在本发明的一种变型中，放大器可以是RF晶体管，例如，双极晶体管，而且可用于移动蜂窝通信系统。此外，本发明的放大器自动偏压系统在生产期间无需手工设置放大器偏压，而且在放大器中能使用任何晶体管类型。
文档编号H03F1/34GK1408142SQ00816860
公开日2003年4月2日 申请日期2000年12月4日 优先权日1999年12月7日
发明者厄尔罗·科卡利 申请人:诺基亚公司