CN1074609C - 提高放大器效率的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
发射机(107)包括放大电路(209)和控制电路(215，217，219)，处理器(219)将栅压信号(213)供给放大电路(203)并响应放大器控制电压(211)的值动态调节它，以维持放大电路(203)的输出功率为恒定值，电压(211)是由积分电路(217)产生的。该处理器产生功率输出控制信号(218)，来动态调节栅压信号到其最大值，使放大电路(203)尽可能工作在饱和点附近，并保持恒定功率输出，从而实现高效的功率放大。
Description
本发明涉及放大器，特别涉及改进放大器效率的方法和装置。
用户的需求推动了电子学领域的工艺革新和进步。经过积极的开发和制造，工业界生产的电子元器件日益微型化，这为提供特别轻和小巧的手持式便携电子设备开辟了广阔的前景。这些小型设备，例如便携式无线电话机，一般是由电池供电工作的。由于无线电话机的工作耐久性取决于随机附带的电池的寿命，因此这一点越来越成为用户购机时考虑的主要因素。为了延长电池最长工作时间以满足用户要求，应尽量使无线电话机的功率消耗最佳化。
无线电话机以及其它双向通信设备中最基本的装置是放大器。放大器用于放大所传输的射频(RF)信号，使该无线电话机可与一个固定地点的收发信机通信，这个收发信机在该陆线电话系统与其他的包含在一个地区内的多址便携式或移动的无线电话系统之间接口。已有的放大器一般采用FET(场效应晶体管)作为放大器器件。最近，工业界已从过去的生产硅MOSFET(金属氧化物半导体FET)转向生产镓砷FET，以提高效率。这种镓砷FET当其栅极施加负电压时被偏置进入工作状态。
为了便于采用镓砷FET的无线电话机的设计和制造，偏置镓砷FET进入工作状态所需的栅电压通常设定为固定的负电压。该无线电话机的放大器可以最大采用500毫安的电流实现射频信号的放大，使输出功率电平的幅值达到29dBm。为此，该放大器必须尽可能高效地工作，使电池供电的手持无线电话机耐用。
据此，现在需要一种提高放大器工作效率的方法和装置，特别是采用镓砷FET放大器件的那些放大器。
本发明提供了一种发射机，包括放大电路，用以将一个输入信号放大成为已放大的输出信号，和控制放大电路的控制电路，该放大电路耦合到电源上，和具有第一、第二和第三输入端、一个输出端、一个饱和点、一个响应放大器控制信号的放大量和一个响应栅极电压信号的栅极偏压，该输入信号耦合到放大电路的第一输入端，放大器控制信号耦合到放大电路的第二输入端，栅极电压信号耦合到放大电路的第三输入端，已放大的输出信号具有输出功率电平，并耦合到放大电路的输出端，其特征在于，该控制电路包括：检测电路，用于检测放大的输出信号中的输出功率电平，所述检测电路耦合到该放大电路的输出端；积分电路，响应所述检测电路，用于产生放大器控制信号来设定放大电路的放大量，以使已放大的输出信号的输出功率电平维持在一恒定电平上，所述积分电路耦合到所述检测电路的输出端，还耦合到该放大电路的第二输入端；以及处理器电路，用于动态改变栅极电压到其最大工作值，使放大电路工作在饱和点上或附近，以提高效率，所述处理器电路耦合到所述积分电路、该放大电路的第三输入端和电压源。
本发明提供了一种用以控制放大电路的方法，该放大电路耦合到电源上和具有第一、第二和第三输入端、一个输出端、一个饱和点、一个响应栅电压信号的栅偏压、和响应放大器控制信号将一个输入信号放大成为已放大的输出信号，该输入信号耦合到该放大电路的第一输入端上，放大器控制信号耦合到该放大电路的第二输入端上，栅极电压耦合到该放大电路的第三输入端上，放大后的输出信号耦合到该放大电路的输出端上，其特征在于，该方法包括以下步骤：(a)检测已放大的输出信号的功率电平和产生一个已检测的输出功率电平信号；(b)根据已检测的输出功率电平信号和功率电平控制信号改变放大器控制信号；(c)产生放大器控制信号，使已放大的输出信号保持恒定；及(d)动态改变栅极电压信号到其最大负工作值，使放大电路工作在饱和点上或附近，从百提高效率。
本发明提供了一种控制RF通信设备的放大电路的方法，该放大电路耦合到电源上，具有第一、第二和第三输入端、一个输出端、个饱和点、一个响应栅极电压信号的栅极偏压，并将一个输入信号放大为具有多个功率电平之一的已放大的输出信号，该输入信号耦合到该放大电路的第一输入端，栅极电压信号耦合到该放大电路的第三输入端，已放大的输出信号耦合到该放大电路的输出端，该方法包括以下步骤：(a)使放大电路在正向隔离方式下衰减；(b)当RF通信设备处于正常通信范围之外时，增强放大电路功率，使已放大的输出信号所具有的功率电平大于多个功率电平，以维持通信；和(c)当RF通信设备工作在正常通信范围之内时，动态改变栅极电压信号，以使放大电路尽可能靠近饱和点工作，而不阻止该放大电路维持该已放大输出信号为多个功率电平的最好的一个功率电平。
图1示出采用本发明的无线电话通信系统的方框图。
图2示出采用本发明的带有放大电路和相应的控制电路的发射机的方框图。
图3示出采用本发明的带有放大电路和相应的控制电路的发射机的示意图。
图4示出采用本发明的带有放大电路和相应的控制电路的发射机的另一实施例的示意图。
图5示出采用本发明的一有效算法的方法流程图。
图6示出采用本发明的发射机控制算法的方法流程图。
本发明包括一个带有放大电路和控制电路的发射机，放大电路用于将输入信号放大成为一个放大的输出信号，控制电路用于控制放大电路。该放大电路与一个电源相连，并且具有一个第一、第二和第三输入端和一个输出端、一个饱和点、响应一个放大器控制信号电压的放大幅值、和响应于门电压信号的栅偏压。该控制电路包括检测电路，用以检测放大的输出信号的输出电平；积分电路，响应于该检测电路产生放大器控制信号，所述控制信号设定放大电路的放大量度，使放大的输出信号的输出电平保持在一个预定不变的电平值；以及处理器电路，用于动态地改变门电压信号到最大工作幅值，以允许放大电路能工作在饱和点或在其附近，从而提高放大器效率。
图1示出采用本发明的无线电话通信系统的方框图。一个无线电话系统通常包括一固定收发信机101，它将RF(无线电频率)信号发送到位于本地区内的便携式和移动式无线电话机中。这样一种电话称为便携式无线电话机103。
便携式无线电话机103以摩托罗拉公司的型号为F19UVD0960AA的产品为例，包括天线105、发射机107、接收机109、处理器111和用户接口113。
天线105用于发射RF信号到固定收发信机101，以及从后者接收射频信号。根据所接收的信号，天线105将该信号转变成电RF信号，并传送该信号到接收机109。接收机109将收到的电RF信号解调处理，并将解调的RF信号变成数据信号，继而将此数据信号提供给处理器111。现在由便携式无线电话机103的其余部分使用的上述数据信号可包含供处理器111使用的控制信息和/或声音数据，该数据可耦连到具有用户接口113的扬声器，以便提供可听到的输出给用户。
处理器111根据所传送的RF信号，可提供要发射的信息及控制信息给发射机107。发射机107收到要发射的信息后将其转变为电RF信号。这个电RF信号经过发射机107内的放大器根据控制信息被放大。发射机107将放大的电RF信号送到天线105，该天线将电RF信号转变成RF信号，以便发射到空中由固定收发话机101使用。
图2示出发射机107的方框图，该发射机采用本发明具有放大电路203和相应的控制电路，包括(但不局限于)检测电路215、积分电路217和处理器电路219。控制电路可采用如下面图3和图4所示的功能块，可安装到一个或多个电路板上，并能装入任何便携式RF通信设备的壳体内，例如装在无线电话103内。
放大电路203至少包括一个放大器件，最好是镓砷FET(场效应晶体管)。一个电源209(例如电池)，用VB+表示，用于向放大电路203馈电。尽管包括电源209的电池被制造得在它正需充电时可提供一个特定电压，例如6V，但当该电池已充分放电到低于该特定电压时，放大电路203必须能工作。
放大电路203将来自RF(射频)输入电路205(一般含有要发射的声音和数据)的RF输入信号204放大为已放大的RF输出信号206。RF输入信号204被放大以在RF输出信号206中的功率值与限定发射机107的工作的多个预定功率输出电平之一相对应。放大电路203将已放大的RF输出信号206输出到RF输出电路207。
图2的方框图包括几个控制环路，即输出功率控制环路和栅偏压控制环路，它们相互关联，可使放大电路203的工作效率最佳化。处理器电路219对于输出功率控制环路和栅偏压控制环路是共用的。请注意，尽管发射机107使用了综合处理电路219，但发射机107的与处理器相关的功能性(processor-dependent functionality)可由设备中心处理器(例如图1所示的处理器111)单独完成。
输出功率控制环路利用放大器控制信号211改变放大电路203的放大幅值，从而将RF输出信号206的功率值维持在一个恒定的电平上。该输出功率控制环路包括检测电路215、处理器电路219和积分电路217。此外，当发射机107运行时该输出功率控制环路起作用。
检测电路215耦合在放大电路203与RF输出电路206以及积分电路217之间，用于检测RF输出信号206的功率电平。一经检测，检测电路215产生一个检测的功率输出信号216并输出到积分电路217。检出的功率输出信号216与RF输出信号206中的功率值相对应。
处理器电路219耦合到积分电路217上，为其提供一个功率输出控制信号218。该信号218包括一个用以限定RF输出信号206的功率值的预定值。该预定值是在制造期间存入处理器电路219的存储器内的多个状态(phasing)值之一。
积分电路217高效地将检出的功率输出信号216与功率输出控制信号218相比较，确保RF输出信号206中功率值与该功率的应该值间的一致性。积分电路217依此调整放大器控制信号211的幅值，以保证放大电路203提供一精确的和恒定的RF输出信号206。
栅偏压控制环路动态地改变放大电路203的栅偏压，以建立其所要求的工作点。该栅偏压响应由处理器电路219耦合到放大电路203的栅电压信号213。在优选的实施例中，镓砷FET包括靠负电压偏置的放大电路203的放大器件；为此，栅电压信号213由一个负电压构成。该栅偏压控制环路包括处理器电路219、电源209和放大器控制信号211。每当功率电平变化、信道变化或无线电话机103的初始接通电源，栅偏压控制环路就可以动作。
处理器电路219动态地改变栅电压信号213的负电压，以使该放大电路203工作在饱和点附近，并尽可能工作在B类状态。当放大器件的工作点处于其特性曲线(即栅压信号213几乎等于限定放大电路203的饱和点的截止电压)的极限点时，放大器工作在上述B类状态。通过控制放大电路203，使其工作在饱和点附近，这样以减少电流使用(current usage)的形式实现了放大电路203工作效率的提高。
处理器电路219通过增大或减小栅压信号213的负电压控制放大电路203保持运行在饱和点附近。当放大控制信号211的幅值为电源209幅值的预定值时，可认为放大电路203工作在饱和点附近。将放大器控制信号211和电源209连接到处理器电路219，该处理器电路219能确定放大电路203是否过于接近饱和点，如果“是”，则调整栅电压信号213的负电压到防止饱和的较小负电压值。一般不希望放大器工作在饱和点上，这可能会出现损坏放大器件的某些特性，导致放大电路工作效率的下降。
虽然考虑了防止饱和，但处理器电路219同样考虑了调整放大电路203，以使其尽可能工作在饱和点附近，尽可能提高放大效率。当放大器控制信号211不在上述预定值范围内时，处理器电路219调节栅压信号213的电压到更负的值。
因随着放大电路203接近或临近饱和点而使RF输出信号206中的功率值会减小，故输出功率控制环路和栅偏压控制环路相互作用，以使输出功率控制环路能够将RF输出信号206的功率值维持在一个恒定的电平上，同时栅偏压控制环路动态改变栅压信号213为最大负压，使放大电路203工作在靠近饱和点，以提高效率。
此外，以上述方式动态改变栅压信号213，本发明较好地将RF输出信号206中的功率值维持在必要的恒定值上，甚至在镓砷FET放大器处于最坏温度或界入损失条件下，这些当前的发射机工作在所设置的负栅电压。
图3示出本发明的带有放大电路203和相应的控制电路的发射机107，其控制电路包括(但不限于)检测电路215、积分电路217和处理器电路219。图3更具体地限定的发射机107的组件由放大电路203和控制电路构成，后者形成输出功率控制环路和栅偏压控制环路，以保证放大电路203的有效工作。
多级放大电路203从RF输入电路205接收RF输入信号204。这个RF输入信号204是由RF输入电路205产生的频率调制信息信号组成的。RF输入电路205接收由被转换的通常由无线电话机103的用户通过麦克风(未示出)提供的声音信号构成的电信息信号和数据信号。VCO(压控振荡器)301将这些信息信号与一定频率的振荡信号相组合，产生频率调制信息信号。这个信息信号送至缓冲器303，它既作为滤波器(带宽滤波器)，又作为放大器件，用于增大频率调制信息信号的幅值。在放大电路203的放大之前，RF输入信号204接到由可变电阻器构成的衰减器305。当发射机107不发射时，调节这个衰减器305可提供高阻尼，或调节衰减器305到低衰耗，允许RF输入信号204的传输。
RF输入信号204送至功率放大器307，构成放大电路203的初始级。功率放大器307利用专门提供到功率放大器307的放大控制信号211将RF输入信号204放大到所述的幅值。在优选的实施例中，响应放大控制信号211的功率放大器307能够将RF输入信号204放大到从约+8dBm的功率电平到约+17dBm的功率电平。
功率放大器309接到功率放大器驱动器307的输出端，构成放大电路203的末级。根据所接收的由功率放大驱动器307已放大的RF输入信号204，功率放大器309再次放大该信号204，使其功率电平高达+30dBm。功率放大器309由于采用门电压信号213被偏置而工作，在本优选实施例中，功率放大器309是镓砷FET，需要在负电压范围(0V——-5.4V)内工作。已由功率放大器307和功率放大器309放大的RF输入信号204达到适于通过天线(如图1的天线105)发射的电平，该信号206从放大电路203输出。在发射之前，这个RF输出信号206可由RF输出电路207的双I带阻滤波器311进行滤波。
输出功率控制环路通过改变放大器控制信号211将RF输出信号206的功率值维持在一个固定不变的电平上，直接控制放大电路203的放大量。如所示的，输出功率控制环路包括检测电路215、处理器电路219和积分电路217。
检测电路215耦合在放大电路203和RF输出电路207之间，用于检测在RF输出电路207滤波之前的RF输出信号的功率电平。检测电路215具有定向耦合器313。该定向耦合器313包括一个电磁耦合器，它将RF输出信号206耦合到检测器315上，而不会引起RF输出信号206的过量损失。定向耦合器313还具有一个电阻和一个二级管，用于定向地将RF输出信号206耦合到检测器315上。检测器315(低通滤波器)有效地输出已检测的功率输出信号216，该信号具有相应于RF输出信号206的功率值的电压。接着将已检测的功率输出信号216传送给积分电路217。
为了将RF输出信号206的功率大小维持在一个固定的电平上，输出功率控制环路根据处理器电路219的工作，提供功率输出控制信号218。这个控制信号218是与应在RF输出信号206中包含的功率大小相符合的电压信号，由微处理器317产生，这种微处理器设在处理器电路219中，例如可用Motorola公司的68HC11微控制器。首先，微处理器317识别发自固定收发信机101(见图1)的功率控制指令(未未出)，然后确定发射机107应工作在哪一个预定的功率输出电平上。
其次，微处理器317取出存在有关的存储器319中的状态值，选定功率输出控制信号218的电压。在制造无线电话机103时，已将各状态值编程存入存储器319。所存入的状态值一般由多个预定的功率输出电平构成。这些功率输出电平中的每一个都与实际功率值有关，实际功率值限定了根据特定功率输出电平放大之后应在RF输出信号206中所含的功率幅值。例如，80(hex)可对应27.5dBm。微处理器317能够从功率控制指令给出的功率输出电平中参考预定的功率输出电平，而从存入存储器319中的各状态值中恢复实际功率值。微处理器317将功率输出控制信号218的电压设置为相应于所恢复的实际功率值。
功率输出控制信号218从微处理器317输出后经第一数/模(D/A)转换器321后耦合到积分电路217上。第一数/模转换器321将微处理器317输出的数字功率输出控制信号218转换为可由积分电路217识别的模拟功率输出控制信号218。
积分电路217将检测的功率输出信号216和功率输出控制信号218相比较，根据比较结果改变放大器控制信号211，从而控制在RF输出信号206中的功率大小。积分电路217包括用以将检测的功率输出信号216与功率输出控制信号218相比较的积分器323。检测的功率输出信号216和功率输出控制信号218耦合到积分器323的负(-)和(+)输入端上。如果检测的功率输出信号216小于功率输出控制信号218的电压，则积分器323增大输出电压。反之，如果检测的功率输出信号216大于功率输出控制信号218的电压，则积分器323降低输出电压。
积分电路217还包括缓冲器325，连接在积分器323输出侧和功率放大器307之间。缓冲器325包括一个npn晶体管327和一个P沟道增强型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)329。电阻331的一端接到npn晶体管327的基极，另一端接到积分器323的输出侧。当积分器323输出侧电压升高时，例如当检测的功率输出信号216小于功率输出控制信号218时，流过npn晶体管327基极的电流增大，使流入该晶体管327集电极的电流也变大。晶体管327的集电极连接到MOSFET329的栅极。
当流入npn晶体管327的集电极的电流增大时，使跨接在电源209和MOSFET329源极到MOSFET329的栅极之间的第二电阻333上的电压升高，于是MOSFET329导通。导通后含有放大控制信号211的MOSFET329的漏电流中一部分流入功率放大器307。功率放大器307根据放大器控制信号211的大小，增加放大电路203的放大量。此外，漏电流的其他部分流过第三电阻335和第四电阻337，在晶体管327的发射级上产生电压，使晶体管327截止。
另一种情况是，积分器的输出电压下降时，导致流入npn晶体管327基极的电流减少。尔后，流入晶体管327集电极的电流减少，使电阻333上的电压进一步下降。电阻333上的压降使MOSFET3-29截止，减小了放大器控制信号211。该控制信号211的减小促使功率放大器307减小放大电路203的放大量。
栅偏压控制环路迫使放大电路203尽可能工作在饱和点附近，而不会防碍输出功率控制环路将RF输出信号206中的功率保持在必要的量值上。如前所述，放大电路203工作在靠近饱和点是通过控制栅电压信号213的负电压大小决定的，该负电压来自功率放大器309的镓砷FET的栅极。当放大电路203靠近饱和点工作时，其输出功率减小，栅极电压信号213的负压大小可动态增大或减小，从而维持RF输出信号206的功率为所需数值，以及使放大回路203的效率最佳。
处理器电路219的微处理器317响应电源209的电压电平和放大器控制信号211，动态地增加或减少栅极电压信号213的负值。电源209和放大器控制信号211的电压电平分别经过处理器电路219中的模/数(A/D)转换器339和341处理后送到微处理器317。模/数转换器339和341将连续的随时间变化的电源209和放大控制信号211的模拟电压转变成由微处理器317可识别的离散的数字值。
微处理器317根据存入存储器319内的预定值，将电源209电压电平和放大器控制信号211相比较。如果电源209的电压电平在放大器控制信号211的电压预定值内，则微处理器317决定减少放大电路203的负值，以防止放大电路203不致饱和。另一种情况是，如果电源209的电压超出放大器控制信号211的预定电压范围，则微处理器317决定增大放大电路203的负值，迫使放大电路203靠近饱和点工作，从而改善了功率放大器203的效率。
微处理器317响应先前确定的栅极压信号213的负值的增大或减小，产生一个数字信号，该数字信号输出到处理器电路219的第二数/模(D/A)转换器343。转换器343将该数字信号转变为一个成正比的正的模拟电压。这个正的模拟电压耦合到一个具有运算放大器配置345的运算放大器的负输入端。
运算放大器配置345将数/模转换器343输出的正模拟电压反向放大。这种转换是必要的，因为带有放大电路203的功率放大器309的镓砷FET由于其栅极上的负电压偏置工作。在运算放大器配置345内的电阻值的选择应使由微处理器317产生的电压放大到偏置放大电路203的适当的值。由运算放大器345产生的已放大的负模拟电压输出到放大电路203作为栅极电压信号213。
图4算出用以产生栅极电压信号213的另一种装置。图4与图3的区别只表现在处理器电路219的算法和功能方面。图3的微处理器317是根据放大器控制信号341和与之连接的电源209的信号比较结果产生相应于栅极电压信号213的电压。在图4中，不需要这种比较；因此图4的比较器电路219不需包含第一和第二模/数转换器339和341或数/模转换器343，该电路内的微处理器417不需从电源209和放大器控制信号211输入。栅极电压信号213由另一个运算放大器445是直接响应放大器控制信号211(输出功率控制回路的)的电压变化而产生的。
尽管不是间接地产生栅极电压信号213，微处理器417将通过一人固定不变的电压源443和一个电阻R1使基准电压耦合到包括运算放大器配置445的运算放大器的负(-)输入端上。此外，由微处理器417控制的负电压源447偏置该运算放大器配置445。
栅极电压信号213是通过将比较基准电压与耦合到包括运算放大器配置445的运算放大器的正(+)输入端上的放大控制信号211相比较而产生的。电阻R2的反馈环路耦合在包括运算放大器的输出端与运算放大器的负输入端之间。由电阻R3构成的电阻分压器也耦合到运算放大器的正输入端上，电阻R4耦合在运算放大器的正输入端与地之间。其结果是，当输出功率控制回路使放大器控制信号211变高时，增大了RF输出信号206中功率值，运算放大器输出的栅极电压信号213的负电压下降，防止了放大电路203饱和，并使放大电路易于维持该RF输出信号206中的功率恒定值。另一种情况是，当输出功率控制回路使放大控制信号211的电压下降并降低了在RF输出信号206中的功率值时，运算放大器输出端的栅电压信号213更负，迫使放大电路203接近饱和点，以提高效率。
在优选的实施例中，另一个运算放大器配置445由下式构型(其中V栅表示栅电压信号213的电压，V控表示放大器控制信号211的电压，V基表示由微处理器417提供的基准电压)：
这里电阻值满足R1＝R2＝R3＝10KΩ、R4＝1KΩ、V基＝4.75伏，
于是得出下式：
V栅＝V控×[0.182]-4.75
据此，按上式，因栅电压信号213与放大器控制信号211有关，故放大电路203可实现效率的提高，同时可维持在RF输出信号206中的功率值为恒定值。
实验证明，通过按如上方式动态地改变放大电路203的栅极电压信号213导致增强了电流节省。与现有技术中只设定栅电压信号为恒定值相反，通过动态地改变栅电压信号213，在传输段的10个点上的测量的漏电流值展示了在调节该信号213到达其最大负电压值时，RF输出信号206中的功率值保持在一恒定值上，并且平均节省约19.2mA的电流。
虽然图3和4示出了动态改变栅极电压信号213只耦合到功率放大器309上，但应注意，附加放大器级的栅极电压也可按上述的方式独立地动态地改变，以提高效率。例如，参见图3，微处理器317产生一个附加的栅极电压并通过附加的数/模转换器和运算放大器配置将它耦合到功率放大器307的栅极上。再参见图4，功率放大器307的可变栅极电压可由一个类似的另一个运算放大器的配置来产生，这个附加放大器配置包括适当值的电阻器，具有耦连到其输入端上的放大控制信号211和基准电压。
采用图5流程图所示的优选算法可获得上述的效率。该算法可由处理器电路219储存和执行，在步骤501启动算法之后，在步骤503，处理器电路219将栅压信号213和放大电路203的栅电压设定到标称电压值，例如-4V。接着，在步骤505，处理器电路219确定发射机107是否被键控或实际准备好发射，重复该步骤505直到发射机107被键控为止。
步骤505在一旦确定发射机107被键控，处理器电路219就确定是增大还是降低放大电路203的栅压，以便提高效率。在步骤507，处理器电路219确定电源209的电压VB+与放大器控制电压211的差值是否在预定范围内。在本实施例中，这个预定范围是0.2伏，它与位于积分电路217(见图3)内的FET晶体管329上的最小压降相对应。如果VB+与控制电压间的差值小于或等于0.2伏，则在步骤509增加栅电压信号213(“栅压”)，亦即负值变小。在本实施例中，栅压增大1或更多LOD/A步级，这取决于该算法的确切实施。较大的D/A步级会加速趋向放大电路203朝饱和点，而较小的D/A步级将提供更大的分辨率。这防止放大电路203不致工作在太靠近饱和，同时又能试图增加或维持RF输出信号206中的功率量度的增加电平。
如果VB+和控制电压的差值大于0.2伏，则处理器电路219将减少栅压，使其更负，以迫使放大电路203更接近饱和，从而提高放大电路203的效率。然而，在降低栅压之前，在步骤511，处理器电路19确定栅压是否太接近负电源最小电压。在本实施例中，负电源具有一条线(rail)或最小值刚好低于-5.4V，这个值可根据所使用的具体的负电源电路来调整。如果栅压太接近，则处理器电路219返回步骤507。如果栅压不是太接近负电源最小电压，则在步骤513减小栅压或使其更负。
在增加或减小栅压后，在步骤515，处理器电路219再确定发射机是否被键控？如果发射机107被键控，则处理器电路219返回到步骤507。反之，处理器电路219返回到步骤503。
图6示出采用图5的有效算法的发射机控制算法。图6的发射机控制算法可由图2的处理器电路219来采用，以命令发射机107工作。在步骤601，(无线电话机103)开机，在步骤603，处理器电路219确定是否起动发射机预键控(prekey)。这个预键控在结合图4在前面已讨论了，它是由处理器电路219提供的一个电压，以对放大电路203提供一个初始的偏置。直到预键控被起动为止处理器电路219不会转入该算法的下一个指令块。
一旦预键控被起动，则处理器电路219进到步骤605，放大电路203被置为正向隔离方式。正向隔离方式通过将栅压信号213设为接近0伏的一个值来经放大电路203增大RF输入信号204的衰减量。
接着，在步骤607，处理器电路219确定发射机107是否被键控。如果发射机107不被键控，则处理器电路219返回步骤605。如果发射机107被键控，则处理器电路219进到步骤609，来确定是否需要功率增强。
如果无线电话机103努力由于与此有关的近发无线电缺陷或位于无线电话机103与收发信机之间的由自然或人为的结构物造成故障，试图维持与收发信机101(见图1)保持通信，处理器电路219可控制发射机107以增加功率。例如在当蜂窝无线电话机103工作在收发信机101(它具有分界收发信机)的覆盖边界上或之外时，该无线电话机103可瞬间增大功率在多个预定功率输出电平值中最大的一个值之上，以维持与收发信机101通信。当出现这种情况时，处理器电路219进到步骤611，进入功率增强方式。
步骤611的功率增强方式可使RF输出信号206中的功率值短暂地增大。这是由微处理器219增大功率输出控制信号218，使放大控制信号211和放大电路205的放大系数增大来实现的。因功率增强方式会消耗大量电功率，故选择只在短的时间内采用此功率增强方式。一旦完成功率增强，处理器电路219进到步骤609，确定该无线电设备是否仍处于功率增强方式。
如果不再需要功率增强方式，则处理器电路219进到步骤613，启始高效方式。步骤613的高效方式在前述的图5的算法中已公开，这里不再赘述。一旦从步骤613高效方式退出，处理器电路219进到步骤615，确定发射机107是否“去键控”(dekeyed)。如果“否”，处理器电路219返回步骤613，再起始高效方式，如果发射机107已“去键控”，则处理器电路219返回步骤603，等待起动预键控。
综上所述，本发明提供一种提高无线电话机103的放大器效率的方法和设备。通过增加组成放大电路的镓砷FET的栅压的负值，使放大电路工作在饱和点附近，可实现电流的节省。但因放大电路必须维持功率值为恒定值并且放大电路在饱和点附近工作会降低功率值，故栅压必须通过动态改变，以得到恒定的输出功率。为此，利用栅偏压控制环路改变栅压的负值，这有助于输出功率控制环路维持恒定的放大器输出功率，也就是说，栅极压可动态改变到其最大负向值同时能保持恒定的放大器输出功率。
Claims (10)
1.一种发射机，包括放大电路，用以将一个输入信号放大成为已放大的输出信号，和控制放大电路的控制电路，该放大电路耦合到电源上，和具有第一、第二和第三输入端、一个输出端、一个饱和点、一个响应放大器控制信号的放大量和一个响应栅极电压信号的栅极偏压，该输入信号耦合到放大电路的第一输入端，放大器控制信号耦合到放大电路的第二输入端，栅极电压信号耦合到放大电路的第三输入端，已放大的输出信号具有输出功率电平，并耦合到放大电路的输出端，其特征在于，该控制电路包括：
检测电路，用于检测放大的输出信号中的输出功率电平，所述检测电路耦合到该放大电路的输出端；
积分电路，响应所述检测电路，用于产生放大器控制信号来设定放大电路的放大量，以使已放大的输出信号的输出功率电平维持在一恒定电平上，所述积分电路耦合到所述检测电路的输出端，还耦合到该放大电路的第二输入端；以及
处理器电路，用于动态改变栅极电压到其最大工作值，使放大电路工作在饱和点上或附近，以提高效率，所述处理器电路耦合到所述积分电路、该放大电路的第三输入端和电压源。
2.根据权利要求1的发射机，其特征在于，所述积分电路还耦合到所述处理器电路，使所述积分电路所产生的放大器控制信号根据已放大的输出信号的功率电平和由处理器电路提供的功率输出控制信号的比较进行变化。
3.根据权利要求1的发射机，其特征在于，放大器控制信号还耦合到所述处理器电路上，用于确定放大电路是否正工作在饱和点附近。
4.根据权利要求3的发射机，其特征在于，确定放大电路是否工作在饱和点附近还包括电源和放大器控制信号的差值与一个预定值之间的比较。
5.根据权利要求3的发射机，其特征在于，所述处理器电路响应于放大电路是否工作在饱和点附近的判断，增大或减小栅极电压信号。
6.根据权利要求1的发射机，其特征在于，所述处理器电路还包括一个运算放大器配置，用于将栅极电压信号反相。
7.一种用以控制放大电路的方法，该放大电路耦合到电源上和具有第一、第二和第三输入端、一个输出端、一个饱和点、一个响应栅极电压信号的栅偏压、和响应放大器控制信号将一个输入信号放大成为已放大的输出信号，该输入信号耦合到该放大电路的第一输入端上，放大器控制信号耦合到该放大电路的第二输入端上，栅极电压耦合到该放大电路的第三输入端上，放大后的输出信号耦合到该放大电路的输出端上，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)检测已放大的输出信号的功率电平和产生一个已检测的输出功率电平信号；
(b)根据已检测的输出功率电平信号和功率电平控制信号改变放大器控制信号；
(c)产生放大器控制信号，使已放大的输出信号保持恒定；及
(d)动态改变栅极电压信号到其最大负工作值，使放大电路工作在饱和点上或附近，从百提高效率。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，动态改变的所述步骤(d)包括以下步骤：
通过将放大器控制信号与电源相比较，确定放大电路是否已达到饱和点；
响应确定已达到饱和点，以一个第一预定增量值增加栅极电压信号；和
响应确定未达到饱和点，以一个第二预定增量值减少栅极电压信号；
其中第一预定增量值与第二预定增量值是用于增加和减少栅极电压的固定数值。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述减少步骤包括以下步骤：
确定栅极电压是否小于一个预定值。
10.一种控制RF通信设备的放大电路的方法，该放大电路耦合到电源上，具有第一、第二和第三输入端、一个输出端、一个饱和点、一个响应栅极电压信号的栅极偏压，并将一个输入信号放大为具有多个功率电平之一的已放大的输出信号，该输入信号耦合到该放大电路的第一输入端，栅极电压信号耦合到该放大电路的第三输入端，已放大的输出信号耦合到该放大电路的输出端，该方法包括以下步骤：
(a)使放大电路在正向隔离方式下衰减；
(b)当RF通信设备处于正常通信范围之外时，增强放大电路功率，使已放大的输出信号所具有的功率电平大于多个功率电平，以维持通信；和
(c)当RF通信设备工作在正常通信范围之内时，动态改变栅极电压信号，以使放大电路尽可能靠近饱和点工作，而不阻止该放大电路维持该已放大输出信号为多个功率电平的最好的一个功率电平。
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