DE10000486A1 - Vorspannungsschaltung und Vorspannungszuführungsverfahren für einen mehrstufigen Leistungsverstärker - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorspannungsschaltung und ein Vorspannungszuführungsverfahren für einen mehrstufigen Leistungsverstärker, welcher eine Mehrzahl von Heteroübergangsbipolartransistoren zur Verstärkung der Leistung eines Hochfrequenzsignals aufweist, wobei ein Ansteigen eines Rx-Rauschens während des Betriebs mit niedrigem Leistungsausgang des mehrstufigen Leistungsverstärkers unterdrückt wird. Die Vorspannungsschaltung gibt ein Signal Vapc von einer externen Steuerschaltung der Basis lediglich eines HBTs des Verstärkers der ersten Stufe in einem mehrstufigen Leistungsverstärker aus. Der Basis des HBTs des Leistungsverstärkers der zweiten und jeder weiteren Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers speist der Vorspannungsschaltung einen Vorspannstrom ein, der durch Spannungsstabilisatoren entsprechend dem Steuersignal Vapc geregelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Hochfrequenzleistungsverstärker, wie er in einem Mo­ biltelefongerät verwendet wird, und insbesondere auf eine Vorspannungsschaltung und auf ein Vorspannungszuführungs­ verfahren für einen mehrstufigen Leistungsverstärker mit Heteroübergangsbipolartransistoren.

Heteroübergangsbipolartransitoren (HBT), welche mit ei­ ner einzigen Energie- bzw. Leistungseinspeisung arbeiten, ersetzen GaAs-Feldeffekttransistoren (FET) und GaAs-Transi­ storen mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) in Geräten, welche für eine Energie- bzw. Leistungsverstärkung von Hochfrequenzsignalen (RF-Signalen) in Mobiltelefonen oder anderen mobilen Kommunikationsgeräten verwendet werden. Ein GaAs-FET und ein GaAs-HEMT benötigen eine negative Span­ nungsversorgung für das Gate und daher einen negativen Spannungsgenerator in dem Mobiltelefon oder dem anderen Ge­ rät, in welchem sie verwendet werden. Im Vergleich mit ei­ nem herkömmlichen FET benötigt ein HBT nicht eine negative Vorspannung, ermöglicht eine einzige Energie- bzw. Lei­ stungsversorgungsoperation und kann Ein-/Ausschaltoperatio­ nen ähnlich wie ein Si-MOSFET durchführen, ohne dass ein analoger Schalter an der Drainseite benötigt wird. HBT-Ver­ stärker haben ebenfalls eine hohe Ausgangsenergie- bzw. - leistungsdichte und können eine bestimmte Ausgangsnennlei­ stung mit einer Anordnung erzeugen, welche kleiner als ein herkömmlicher FET-Leistungsverstärker ist, welcher dieselbe Ausgangsleistung erzeugt. Es wird daher erwartet, dass HBT- Geräte bzw. -Anordnungen als Leistungselemente in zukünfti­ gen mobilen Kommunikationsgeräten verwendet werden.

Anders als FET's sind HBT's strombetriebene Bauelemente und benötigen eine Basisstromversorgung von mehreren 10 bis 100 mA, um die hohe Ausgangsleistung von 2 W bis 4 W zu erzeu­ gen, die zur Verwendung in Mobiltelefonen benötigt wird, welche an den europäischen GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) angepasst sind. Da der Ausgangs­ strom, welcher eine bestimmte Ausgangsspannung in einer be­ stimmten Standard-CMOS-Anordnung sicherstellt, kleiner als mehrere mA ist, ist es jedoch schwierig einen derart hohen Basisstrom direkt von einem Standard-Si-CMOS-Chip zu erlan­ gen. Eine Vorspannungsschaltung wird daher benötigt, um ei­ nen Basisstrom dem bzw. den HBT's in einem HBT-Leistungs­ verstärker einzuspeisen. Eine Ausgangsleistungssteuerung wird ebenfalls in Mobiltelefonen für GSM ebenso wie für viele andere Kommunikationssysteme benötigt, und die Vor­ spannungsschaltung muss daher ebenfalls geeignet sein die Ausgangsleistung einzustellen.

Fig. 8 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Vorspannungsschaltung in einem dreistufigen HBT-Leistungs­ verstärker. Entsprechend Fig. 8 sind Transistoren TrA1 bis TrA6 Heteroübergangsbipolartransistoren zum Zuführen einer Vorspannung einem Energie bzw. Leistung verstärkenden HBT auf der Grundlage eines Eingangssignals Vapc von einer Si- CMOS-Logikschaltung wie einem (in der Figur nicht darge­ stellten) DA-Wandler. Die Transistoren TrA2, TrA6 können ebenfalls eine Änderung der Basis-Emitter-Spannung Vbe in­ folge des Temperaturkoeffizienten des entsprechenden Lei­ stung verstärkenden HBT's kompensieren. Unter Verwendung eines HBT-Prozesses ist es möglich die in Fig. 8 darge­ stellte Vorspannungsschaltung zur selben Zeit wie den Hoch­ frequenzleistungsverstärker zu bilden, d. h. die Vorspan­ nungsschaltung kann mit dem Hochfrequenzleistungsverstärker integriert ausgebildet werden, wodurch es ermöglicht wird, dass der Ausgang entsprechend der Ausgangsspannung der Si- CMOS-Logikschaltung gesteuert wird.

Viele derzeitige tragbare Telefonsysteme verwenden ebenfalls unterschiedliche Frequenzbänder für Kommunikatio­ nen zwischen einer Basisstation und einem Benutzerterminal (Zellentelefon). Beispielsweise verwendet das in Japan ver­ wendete 900 MHz Personal Digital Cellular (PDC) Zellentele­ fonsystem das 940-MHz- bis 956-MHz-Band für Übertragungen vom Terminal zur Basis und verwendet das 810-MHz bis 826- MHz-Band für Übertragungen von der Basis zum Terminal. Das europäische System GSM 900, ein mobiles Telefonsystem für das 900-MHz-Band, verwendet das 880-MHz-bis 915-MHz-Band für Übertragungen vom Terminal zur Basis und verwendet das 935-MHz- bis 970-MHz-Band für Übertragungen von der Basis zum Terminal.

Bei Kommunikationssystemen, welche unterschiedliche Frequenzbänder zum Senden und Empfangen verwenden, kann ein in dem Empfangsfrequenzband erzeugtes Rauschen (welches un­ ten als Rx-Rauschen bezeichnet wird) den Betrieb des Termi­ nals des Leistungsverstärkers während eines Signalempfangs ungünstig beeinflussen. Es werden daher Mittel zur Verrin­ gerung dieses Rx-Rauschens benötigt.

Fig. 9 zeigt einen Graphen der Rx-Rauschcharakteristik in einem typischen HBT-Leistungsverstärker. Aus Fig. 9 er­ gibt sich, dass das Rx-Rauschen ansteigt (bei etwa Vapc = 2,1 V), wenn die Ausgangsleistung (Pout) des Leistungsver­ stärkers sich verringert. Es wird festgestellt, dass das Rx-Rauschen als das Verhältnis zwischen der Ausgangslei­ stung in dem Übertragungs- bzw. Sendefrequenzband und der Ausgangsleistung in dem Empfangsfreguenzband (935 MHz) des Leistungsverstärkers definiert wird, wenn ein Mikrowellen­ signal in dem Übertragungsfrequenzband (915 MHz) lediglich dem Leistungsverstärker eingegeben wird.

Dieses Ansteigen des Rx-Rauschens ist einzigartig für Leistungsverstärker-HBT's. Fig. 10 zeigt einen Graphen der Änderung der Verstärkung in den Übertragungs- und Empfangs­ frequenzbändern bei einer bestimmten Vorspannung in einem einstufigen HBT-Leistungsverstärker. Es wird festgestellt, dass das Messen des Rx-Rauschens in dem einstufigen Lei­ stungsverstärker unter Verwendung desselben Verfahrens, welches mit einem dreistufigen Leistungsverstärker ange­ wandt wird, infolge von Schwierigkeiten, die sich auf die Messgenauigkeit beziehen, nicht leicht ist. Die in Fig. 10 dargestellten Daten wurden daher durch gleichzeitiges Ein­ geben eines Mikrowellenausgangs von einem Frequenzsynthese­ system (Synthesizer) in dem Übertragungs- bzw. Sendeband und einem Rauschausgang von einer NF-Messrauschquelle in dem Empfangsband einem einstufigen Leistungsverstärker, durch gleichzeitiges Messen eines Ausgangs in dem Übertra­ gungsband und eines Rauschens in dem Empfangsband und durch Ausdrücken der Ergebnisse als Verstärkung erzielt. Die Vor­ spannung wurde ebenfalls von einer externen Nominalquelle gegenüber einer Verwendung als Vorspannungsschaltung zuge­ führt.

Entsprechend Fig. 10 fällt die Übertragungsbandverstär­ kung (Tx) einfach in Verbindung mit einem Abfall der Basis­ spannung ab, wenn der Ausgang des Leistungsverstärkers un­ terhalb der Basisspannung Vb liegt (Vb < 1,35 V). Es wird festgestellt, dass 1,35 V die Basisspannung Vb ist, bei wel­ cher der Leistung verstärkende HBT aktiv wird. Die Verstär­ kung (Rx) in dem Empfangsband fällt jedoch ab und steigt auf eine charakteristische Spitze in Verbindung mit einem Abfall der Basisspannung an. Da das Rx-Rauschen als das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung in dem Übertra­ gungsband und der Ausgangsleistung in dem Empfangsband de­ finiert wird, wird diese Verstärkungscharakteristik einem Anstieg des Rx-Rauschens zugeschrieben.

Eine Schwierigkeit besteht daher darin, dass dann, wenn eine kontante Vorspannung dem Leistung verstärkenden HBT in jeder Stufe eines vierstufigen Leistungsverstärkers zuge­ führt wird, das Ansteigen des Rauschens in jeder Stufe ver­ stärkt und danach ausgegeben wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Schwierigkeiten ei­ ne Vorspannungsschaltung und ein Vorspannungszuführungsver­ fahren zur Unterdrückung einer Erhöhung des Rx-Rauschens bereitzustellen, wenn die Ausgangsleistung in einem mehr­ stufigen Leistungsverstärker abfällt, der Heteroübergangs­ bipolartransistoren zur Leistungsverstärkung von Hochfre­ quenzsignalen aufweist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche. Dementsprechend wird eine Vorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung zur Zuführung einer Vorspannung einem mehrstufigen Lei­ stungsverstärker mit einer Mehrzahl von Leistung verstär­ kenden Heteroübergangsbipolartransistoren (HBT) entspre­ chend einem Steuersignal von einer Steuerschaltung bereit­ gestellt, welche eine erste Vorspannungszuführungsschaltung zum Zuführen einer bestimmten Vorspannung dem HBT des Lei­ stungsverstärkers der ersten Stufe des mehrstufigen Lei­ stungsverstärkers; und eine zweite Vorspannungszuführungs­ schaltung zur Steuerung der Vorspannungszuführung jedem HBT des Leistungsverstärkers der zweiten und darauffolgenden Stufe entsprechend dem Steuersignal von der Steuerschal­ tung.

Die erste Vorspannungszuführungsschaltung führt vor­ zugsweise das Steuersignal von der Steuerschaltung als Vor­ spannung dem HBT des Leistungsverstärkers der ersten Stufe zu. Mit einer derartigen Konstruktion ist es nötig eine be­ stimmte Vorspannungsschaltung für den HBT des Leistungsver­ stärkers der ersten Stufe bereitzustellen, und es kann ein Rx-Rauschen während einer Operation der Ausgabe einer nied­ rigen Leistung des Leistungsverstärkers reduziert werden.

Alternativ erzeugt die erste Vorspannungszuführungs­ schaltung für den HBT des Leistungsverstärkers der ersten Stufe eine bestimmte konstante Spannung und führt sie ihm zu.

Des weiteren ist die erste Vorspannungszuführungsschal­ tung ein Spannungsstabilisator zur Ausgabe einer bestimmten konstanten Spannung, wenn eine konstante Spannung dazu von einer externen Quelle zugeführt wird. Mit einer derartigen Konstruktion kann eine bestimmte konstante Spannung mittels eines einfachen Schaltungsentwurfs sogar dann stabil ausge­ geben werden, wenn der Basisstrom des HBT's des Leistungs­ verstärkers der ersten Stufe sich ändert, und es kann das Rx-Rauschen während einer Operation der Ausgabe von niedri­ ger Leistung des Leistungsverstärkers weiter verringert werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Vorspannungszuführungsverfahren einer Vorspannungs­ schaltung zur Zuführung einer Vorspannung einem mehrstufi­ gen Leistungsverstärker, welcher eine Mehrzahl von Leistung verstärkenden Heteroübergangsbipolartransistoren (HBT) auf­ weist, entsprechend einem Steuersignal von einer Steuer­ schaltung. Dieses Verfahren besitzt einen Schritt des Zu­ führens einer bestimmten Vorspannung einem HBT des Lei­ stungsverstärkers der ersten Stufe; und einen Schritt zur Steuerung der Vorspannungszuführung jedem HBT des Lei­ stungsverstärkers der zweiten und darauffolgenden Stufe entsprechend dem Steuersignal von der Steuerschaltung.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Ähnliche Teile werden mit ähnlichen Bezugszeichen bezeich­ net.

Fig. 1 zeigt ein typisches Schaltungsdiagramm eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, bei welchem eine Vorspan­ nungsschaltung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm der in Fig. 1 dar­ gestellten Vorspannungsschaltung;

Fig. 3A zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwi­ schen einem Signal Vapc und einem Ausgangsstrom Ia bis Ic von der in Fig. 2 dargestellten Vorspannungsschaltung dar­ stellt;

Fig. 3B zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwi­ schen dem Signal Vapc und einer Ausgangsspannung von der in Fig. 2 dargestellten Basisschaltung darstellt;

Fig. 4 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwi­ schen der Rx-Rauschcharakteristik, der Ausgangsleistungs­ charakteristik und dem Signal Vapc von dem in Fig. 1 darge­ stellten Hochfrequenzleistungsverstärker darstellt;

Fig. 5 zeigt einen Graphen, welcher die Ergebnisse von Rx-Rauschmessungen dargestellt, wenn ein Vorspannungsstrom unabhängig von einer in Fig. 1 dargestellten externen Ein­ speisung dem HBT eingespeist wird;

Fig. 6 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Vorspannungs­ schaltung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwi­ schen der Rx-Rauschcharakteristik, der Ausgangsleistungs­ charakteristik und dem Signal Vapc unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Vorspannungsschaltung darstellt;

Fig. 8 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Vorspannungsschaltung, welche in einem dreistufigen HBT- Leistungsverstärker verwendet wird;

Fig. 9 zeigt einen Graphen, welcher die Rx-Rauschcha­ rakteristik in einem herkömmlichen Leistungsverstärker, welcher einen HBT verwendet, darstellt; und

Fig. 10 zeigt einen Graphen, welcher die Änderung der Verstärkung in den Übertragungs- und Empfangsfrequenzbän­ dern für eine bestimmte Vorspannung darstellt, welche einem einstufigen Leistungsverstärker zugeführt wird, der einen HBT verwendet.

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Er­ findung werden unten unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt ein typisches Schaltungsdiagramm eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, bei welchem eine Vorspan­ nungsschaltung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Es wird festge­ stellt, dass Fig. 1 einen mehrstufigen Leistungsverstärker, der an das System GSM 900 angepasst ist, lediglich als Bei­ spiel darstellt. Der in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenz­ leistungsverstärker 1 enthält einen mehrstufigen Leistungs­ verstärker 2 für das System GSM 900 und eine Vorspannungs­ schaltung 3 zur Zuführung einer Vorspannung dem mehrstufi­ gen Leistungsverstärker 2. Es wird festgestellt, dass die­ ser mehrstufige Leistungsverstärker 2 HBT's verwendet.

Der mehrstufige Leistungsverstärker 2 enthält HBT's 11a bis 11c zur Leistungsverstärkung; eine Eingangsanpassungs­ schaltung 12; Zwischenstufenanpassungsschaltungen 12a und 13b; Rückkopplungsschaltungen 14a bis 14c; Kollektorvor­ spannungsschaltungen 15a bis 15c; eine Ausgangsanpassungs­ schaltung 16; und Basiswiderstände Ra bis Rc für die HBT's 11a bis 11c.

Der HBT 11a verstärkt die Energie eines an dem Ein­ gangsanschluss EIN über die Eingangsanpassungsschaltung 12 eingegebenen Hochfrequenzsignals. Der HBT 11b verstärkt das Hochfrequenzsignal, welches von dem HBT 11a verstärkt und durch die Zwischenstufenanpassungsschaltung 13a zum HBT 11b durchgelassen worden ist. Der HBT 11c verstärkt das Hoch­ frequenzsignal, welches von dem HBT 11b verstärkt und durch die Zwischenstufenanpassungsschaltung 13b zu dem HBT 11c durchgelassen worden ist. Der HBT 11c läßt danach das ver­ stärkte Hochfrequenzsignal durch die Ausgangsanpassungs­ schaltung 16 zur Ausgabe an dem Ausgangsanschluss AUS hin­ durchtreten. Eine Vorspannung von der Vorspannungsschaltung 3 wird an die Basis jedes HBT's 11a bis 11c für die obige Operation angelegt.

Die Vorspannungsschaltung 3 führt eine Vorspannung der Basis jedes Leistung verstärkenden HBT's 11a bis 11c auf der Grundlage des Signals Vapc zu, welches daran durch eine Si-CMOS Logikschaltung wie einer Steuerschaltung mit einem DA-Wandler angelegt wird. Unter Verwendung eines HBT-Pro­ zesses ist es möglich die in Fig. 1 dargestellte Vorspan­ nungsschaltung zur selben Zeit wie den Hochfrequenzlei­ stungsverstärker zu bilden, d. h. die Vorspannungsschaltung kann integriert mit dem Hochfrequenzleistungsverstärker ausgebildet werden.

Fig. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm der in Fig. 1 dar­ gestellten Vorspannungsschaltung 3. Diese Vorspannungs­ schaltung 3 enthält einen Widerstand 21 und Spannungsstabi­ lisatoren 22b und 22c, welche von einem Signal Vapc von der Steuerschaltung 17 gesteuert werden. Der Anschluss Vapc, welchem das Signal Vapc eingegeben wird, ist durch den Wi­ derstand 21 mit der Basis des HBT's 11a verbunden, welcher die erste Verstärkungs- bzw. Verstärkerstufe des mehrstufi­ gen Leistungsverstärkers 2 bildet. Die Vorspannungsschal­ tung für den Verstärker der ersten Stufe ist eine stromge­ steuerte Schaltung. Der Spannungsstabilisator 22b führt ei­ ne Vorspannung der Basis des HBT's 11b zu, welcher die zweite Verstärkungs- bzw. Verstärkerstufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 bildet. Der Spannungsstabilisator 22c führt eine Vorspannung der Basis des HBT's 11c zu, wel­ cher die letzte Verstärkungs- bzw. Verstärkerstufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 bildet.

Der Spannungsstabilisator 22b enthält HBT's 24b und 25b und Widerstände 26b bis 28b. Der Widerstand 26b ist der Ba­ siswiderstand für den HBT 24b, und der Widerstand 27b ist der Basiswiderstand für den HBT 25b.

Der Kollektor des HBT's 24b ist an einen Leistungsver­ sorgungsanschluss Vcc angeschlossen, an welchen eine be­ stimmte Gleitstromversorgungsspannung angelegt wird, und der Emitter ist an den Kollektor des HBT's 25b angeschlos­ sen. Ein Knoten zwischen dem Emitter des HBT's 24b und dem Kollektor des HBT's 25b ist an die Basis des HBT's 11b in dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 durch den Eingriffs­ widerstand (intervening resistor) 28b angeschlossen. Die Basis des HBT's 24b ist an den Anschluss Vapc durch den Wi­ derstand 26b angeschlossen.

Die Basis des HBT's 25b ist durch den Widerstand 27b an den Kollektor des HBT's angeschlossen, und der Emitter ist geerdet. Es wird festgestellt, dass der HBT 25b eine Kom­ pensation zur Änderung der Basis-Emitter-Spannung Vbe ent­ sprechend dem Temperaturkoeffizienten des HBT s 11b in dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ermöglicht.

Der Spannungsstabilisator 22c enthält außerdem die HBT's 24c und 25c und die Widerstände 26c bis 28c. Der Wi­ derstand 26c ist der Basiswiderstand für den HBT 24c, und der Widerstand 27c ist der Basiswiderstand für den HBT 25c.

Der Kollektor des HBT's 24c ist an den Leistungsversor­ gungsanschluss Vcc angeschlossen, und der Emitter ist an den Kollektor des HBT's 25c angeschlossen. Ein Knoten zwi­ schen dem Emitter des HBT's 24c und dem Kollektor des HBT's 25c ist an die Basis des HBT's 11c in dem mehrstufigen Lei­ stungsverstärker 2 durch den Eingriffswiderstand 28c ange­ schlossen. Die Basis des HBT's 24c ist an den Anschluss Vapc durch den Widerstand 26c angeschlossen.

Die Basis des HBT's 25c ist durch den Widerstand 27c an den Kollektor des HBT's angeschlossen, und der Emitter ist geerdet. Es wird festgestellt, dass der HBT 25c eine Kom­ pensation zur Änderung der Basis-Emitter-Spannung Vbe ent­ sprechend dem Temperaturkoeffizienten des HBT's 11c in dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ermöglicht.

Mit einer derart ausgebildeten Vorspannungsschaltung tritt das der Basisschaltung 3 eingegebene Signal Vapc durch den Widerstand 21 hindurch und wird als Vorspannungs­ strom der Basis des HBT's 11a des Leistungsverstärkers der ersten Stufe in dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ein­ gespeist. Ein Vorspannungsstrom wird ebenfalls der Basis des HBT's 11b von dem Spannungsstabilisator 22b einge­ speist, dessen Betrieb durch das Signal Vapc gesteuert wird, und der Basis des HBT's 11c von dem Spannungsstabili­ sator 22c, dessen Betrieb ebenfalls durch das Signal Vapc gesteuert wird.

Fig. 3A stellt die Beziehung zwischen den Ausgangsströ­ men Ia bis Ic von der Vorspannungsschaltung 3 und dem Si­ gnal Vapc dar. Fig. 3B stellt die Beziehung zwischen diesem Signal Vapc und den Ausgangsspannungen von der Vorspan­ nungsschaltung 3 dar. In beiden Fig. 3A und 3B ist Ia der Ausgangsstrom und Va die Ausgangsspannung bezüglich der Basis des HBT's 11a, Ib ist der Ausgangsstrom und Vb ist die Ausgangsspannung bezüglich der Basis des HBT's 11b, und Ic ist der Ausgangsstrom und Vc die Ausgangsspannung bezüg­ lich der Basis des HBT's 11c. Vbe ist die Schwellenwert­ spannung (von etwa 1,35 V) der HBT's 11a bis 11c, 24b, 25b, 24c und 25c.

Entsprechend den Fig. 3A und 3B für das Signal gilt die Beziehung Vapc ≧ 2Vbe, speist die Vorspannungsschaltung 3 einen Vorspannungsstrom jedem der Leistung verstärkenden HBT's 11a bis 11c in dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ein, um einen Betrieb der Klasse AB zu erzielen. Wenn die Beziehung Vapc < 2Vbe gilt, wird ein Vorspannungsstrom dem HBT 11a eingespeist, d. h. dem HBT der ersten Stufe, um ei­ nen Betrieb der Klasse AB zu erzielen, es wird jedoch nicht ein Vorspannungsstrom der Basis des HBT's 11b des Lei­ stungsverstärkers der zweiten Stufe oder des HBT's 11c des Leistungsverstärkers der dritten Stufe (der letzten Stufe) eingespeist. Der HBT 11b und der HBT 11c arbeiten somit als Verstärker der Klasse C, und der Ausgang von dem mehrstufi­ gen Leistungsverstärker 2 fällt ab.

Fig. 4 stellt die Beziehung zwischen der Rx-Rauschcha­ rakteristik und der Ausgangsleistungscharakteristik (Pout) des in Fig. 1 bis 3B dargestellten Hochfrequenzlei­ stungsverstärkers für das Signal Vapc dar. Durch einen Ver­ gleich der Ergebnisse von Fig. 4 mit denen von Fig. 9 er­ gibt sich, dass die Spitze des Rx-Rauschens von -73 dBc, wenn Vapc bei dem herkömmlichen Verstärker 2,1 V beträgt, bis -82,5 dBc reduziert wird, wenn Vapc 1,9 V in einem Hoch­ frequenzleistungsverstärker 1 dieser bevorzugten Ausfüh­ rungsform beträgt. Die Beziehung zwischen dem Rx-Rauschen und der Verstärkung (Rx) in dem Empfangsband zeigt eben­ falls dieselbe Charakteristik.

Ein Ansteigen des Rx-Rauschens, wenn die Ausgangslei­ stung eines HBT-Mehrstufenleistungsverstärkers abfällt, kann somit der Verstärkungscharakteristik zugeschrieben werden, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist (in diesem Beispiel gilt Vb < 1,35 V). Wie vorausgehend beschrieben wird das Rx-Rauschen jeder Verstärkungsstufe hinzugefügt, wenn die an jede Stufe des mehrstufigen Leistungsverstär­ kers angelegte Vorspannung eine gleichförmig bestimmte Ba­ sisspannung entsprechend den Ausgang einer steuernden Si- CMOS-Anordnung ist.

Durch Zuführen einer unterschiedlichen Basisspannung jeder Verstärkerstufe auf der Grundlage eines Ausgangs von der steuernden Si-CMOS-Anordnung wird jedoch das Rx-Rau­ schen nicht durch die nachfolgenden Verstärkerstufen akku­ muliert, und die Ausgangsleistung kann daher verringert werden, während ein Ansteigen des Rx-Rauschens unterdrückt wird. Es ist ebenfalls durch Verringerung der Basisspan­ nung, welche den Verstärkern der späteren Stufe zugeführt wird, möglich einen niedrigen Stromverbrauch während eines Betriebs mit niedrigem Leistungsausgang zu erzielen.

Fig. 5 stellt die Ergebnisse der Rx-Rauschmessungen dar, welche durch Einspeisen eines Vorspannungsstroms von einer unabhängigen externen Quelle anstelle von der Vor­ spannungsschaltung 3 lediglich dem HBT 11a der ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 erzielt wird. Aus Fig. 5 ergibt sich, dass ein Ansteigen des Rx-Rauschens wahrgenommen wird, wenn die dem Verstärker der ersten Stufe zugeführte Vorspannung 1,0 V beträgt, jedoch kein Ansteigen des Rx-Rauschens beobachtet wird, wenn die Vorspannung 1,2 V oder 1,35 V beträgt. Es ist somit ebenfalls aus Fig. 5 be­ kannt, dass das Rx-Rauschen durch Zuführen einer Vorspan­ nung dem Verstärker der ersten Stufe und den Verstärkern der zweiten und darauffolgenden Stufe eines mehrstufigen Leistungsverstärkers unter Verwendung unterschiedlicher Verfahren verringert werden kann.

Wie oben beschrieben gibt eine Vorspannungsschaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung ein Signal Vapc von einer Steuerschaltung 17 der Basis lediglich des HBT's 11a des Verstärkers der ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 aus und speist der Basis des HBT's 11b, 11c, welche als Verstärker der zweiten nachfolgenden Stufe des mehrstufigen Leistungs­ verstärkers 2 arbeiten, ein Vorspannungsstrom von Span­ nungsstabilisatoren 22b und 22c ein, deren Betrieb durch dieses Signal Vapc gesteuert wird. Es ist daher möglich das Rx-Rauschen während des Betriebs mit niedriger Ausgangslei­ stung des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 zu verrin­ gern.

Zweite Ausführungsform

Wie oben beschrieben speist eine Vorspannungsschaltung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Signal Vapc der Basis des HBT's des Leistungsverstärkers der ersten Stufe eines mehrstufigen Leistungsverstärkers ein. Ein Vorspannungszuführungsverfahren einer zweiten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der obigen ersten Ausführungsform dahingehend, dass ei­ ne konstante Spannung der Basis des HBT's des Leistungsver­ stärkers der ersten Stufe ohne Bezug zu dem Signal Vapc zu­ geführt wird und ein Vorspannungsstrom der Basis des HBT's des Leistungsverstärkers der zweiten und darauffolgenden Stufe von Spannungsstabilisatoren 22b und 22c eingespeist wird, deren Betrieb durch dieses Signal Vapc gesteuert wird.

Fig. 6 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Vorspannungs­ schaltung dieser zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird festgestellt, dass ein typisches Schal­ tungsdiagramm eines Hochfrequenzleistungsverstärkers unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Schaltung identisch mit demjenigen von Fig. 1 mit der Ausnahme für das Bezugs­ zeichen der Vorspannungsschaltung ist. Eine weitere Be­ schreibung davon wird somit unten ausgelassen, wobei auf Fig. 1 und Fig. 6 zusammen Bezug genommen wird. Des weite­ ren wird festgestellt, dass ähnliche Teile in Fig. 2 und Fig. 6 durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet werden, wo­ bei lediglich Unterschiede beschrieben werden.

Insbesondere unterscheidet sich die in Fig. 6 darge­ stellte Vorspannungsschaltung 33 von derjenigen in Fig. 2 dahingehend, dass der Widerstand 21 in Fig. 2 durch einen Spannungsstabilisator 35 zum Zuführen einer konstanten Spannung unabhängig von dem Signal Vapc dem HBT 11a ersetzt ist, welcher der Verstärker der ersten Stufe des mehrstufi­ gen Leistungsverstärkers 2 ist.

Entsprechend Fig. 6 enthält die Vorspannungsschaltung 33 einen Spannungsstabilisator 35 und Spannungsstabilisato­ ren 22b und 22c. Dieser Spannungsstabilisator 35 gibt eine bestimmte konstante Spannung aus, während eine bestimmte konstante Spannung Vdrive an den Anschluss Vdrive von einer Si-CMOS-Logikschaltung wie einer Steuerschaltung 37 mit ei­ nem DA-wandler angelegt wird. Der Betrieb der Spannungssta­ bilisiatoren 22b und 22c wird durch ein Signal Vapc gesteu­ ert, welches dem Anschluss Vapc von der Steuerschaltung 37 eingegeben wird. Der Spannungsstabilisator 35 führt eine Vorspannung der Basis des oben bezeichneten HBT's 11a zu, d. h. dem Verstärker der ersten Stufe des mehrstufigen Lei­ stungsverstärkers 2.

Dieser Spannungsstabilisator 35 enthält einen HBT 41 und 42 und Widerstände 43 bis 46. Der Widerstand 43 ist ein Basiswiderstand für den HBT 41, und der Widerstand 44 ist ein Basiswiderstand für den HBT 42.

Der Kollektor des HBT's 41 ist an den Energie- bzw. Leistungszuführungsanschluss Vcc angeschlossen. Der Emitter des HBT's 41 ist über den Widerstand 44 mit der Basis des HBT's 42, über den Widerstand 45 mit Masse und über den Wi­ derstand 46 mit der Basis des HBT's 11a in einem mehrstufi­ gen Leistungsverstärker 2 verbunden. Die Basis des HBT's 41 ist über den Widerstand 43 mit dem Anschluss Vdrive verbun­ den. Der Kollektor des HBT's 42 ist mit dem Anschluss Vdrive verbunden, und der Emitter ist an Masse angeschlos­ sen.

Mit einer derartig ausgebildeten Vorspannungsschaltung wird ein Vorspannungsstrom von dem Spannungsstabilisator 35 der Basis des HBT's 11a des Verstärkers der ersten Stufe in einen mehrstufigen Leistungsverstärker 2 eingespeist. Es wird festgestellt, dass dann, wenn die bestimmte konstante Spannung Vdrive von der Steuerschaltung 37 direkt an die Basis des HBT's 11a angelegt wird, sich die Vorspannung be­ züglich einer Änderung des dem HBT 11a eingespeisten Basis­ stroms ändern wird. Die konstante Spannung Vdrive wird da­ her durch den Spannungsstabilisator 35 durchgelassen, um eine konstante Spannung an die Basis des HBT's 11a anzule­ gen.

Fig. 7 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwi­ schen der Rx-Rauschcharakteristik, der Ausgangsleistung und dem Signal Vapc in einem Hochfrequenzleistungsverstärker 1 unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Vorspannungs­ schaltung 33 darstellt.

Durch einen Vergleich der Ergebnisse von Fig. 7 mit denjenigen von Fig. 9 ergibt sich, dass die Spitze des Rx- Rauschens von -73 dBc, wenn Vapc 2,1 V beträgt, in dem her­ kömmlichen Verstärker bis auf -89,3 dBc, wenn Vapc 2,1 V be­ trägt, in einem Hochfrequenzleistungsverstärker 1 dieser bevorzugten Ausführungsform verringert wird. Des weiteren wird festgestellt, dass ebenfalls die konstante Spannung Vdrive und das Signal Vapc als von einer Steuerschaltung in dieser beispielhaften zweiten Ausführungsform der Erfindung eingespeist bzw. zugeführt beschrieben werden, sie können alternativ ebenfalls von separaten externen Schaltungen eingespeist bzw. zugeführt werden.

Wie oben beschrieben führt eine Vorspannungsschaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine konstante Vorspannung von einem Spannungs­ stabilisator 35 dem HBT 11a des Verstärkers der ersten Stufe in einem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ohne Be­ zug auf das Signal Vapc zu und speist einen Vorspannungs­ strom von den Spannungsstabilisatoren 22b und 22c, welche durch das Signal Vapc gesteuert werden, der Basis der HBT's 11b und 11c der Verstärker der nachfolgenden Stufen des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 ein. Es ist daher mög­ lich das Rx-Rauschen während des Betriebs mit geringer Aus­ gangsleistung des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 wei­ ter zu verringern.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben wurde, wird festge­ stellt, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen sich für den Fachmann ergeben. Beispielsweise wurden Vor­ spannungsschaltungen der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsformen oben im Rahmen eines Beispiels beschrie­ ben, welche HBT's aufweisen. Es versteht sich jedoch, dass eine Vorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung eben­ falls unter Verwendung anderer Transistortypen wie Si- MOSFET's und Si-Bipolartransistoren erzielt werden können.

Darüber hinaus sind Vorspannungsschaltungen der bevor­ zugten ersten und zweiten Ausführungsformen oben bezüglich eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, welcher in Mobil­ telefonterminals verwendet wird, lediglich anhand eines Beispiels beschrieben worden, es versteht sich jedoch, dass derartige Schaltungen ebenfalls in Verstärkern für andere Anwendungen verwendet werden können.

Es versteht sich ebenfalls, dass dann, wenn die externe Steuerschaltung (Si-CMOS-Schaltung) eine Mehrzahl von Aus­ gängen aufweist, das Rx-Rauschen durch Zuführen einer Vor­ spannung den Vorspannungsschaltungen weiter verringert wer­ den kann, so dass der Ausgang infolge der letzten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 abfällt.

Derartige Abänderungen und Modifizierungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, welche in den Patentan­ sprüchen definiert ist.

Vorstehend wurde eine Vorspannungsschaltung und ein Vorspannungszuführungsverfahren für einen mehrstufigen Lei­ stungsverstärker offenbart, welcher eine Mehrzahl von He­ teroübergangsbipolartransistoren zur Verstärkung der Lei­ stung eines Hochfrequenzsignals aufweist, wobei ein Anstei­ gen eines Rx-Rauschens während des Betriebs mit niedrigem Leistungsausgang des mehrstufigen Leistungsverstärkers un­ terdrückt wird. Die Vorspannungsschaltung gibt ein Signal Vapc von einer externen Steuerschaltung der Basis lediglich eines HBT's eines Verstärkers der ersten Stufe in einem mehrstufigen Leistungsverstärker aus. Der Basis des HBT's des Leistungsverstärkers der zweiten und jeder weiteren Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers speist der Vor­ spannungsschaltung einen Vorspannungsstrom ein, der durch Spannungsstabilisatoren entsprechend dem Steuersignal Vapc geregelt wird.

Claims (7)

1. Vorspannungsschaltung eines mehrstufigen Leistungsver­ stärkers zum Zuführen einer Vorspannung einem Leistungsver­ stärker, welcher eine Mehrzahl von Leistung verstärkenden Heteroübergangsbipolartransistoren (HBT's) aufweist, ent­ sprechend einem Steuersignal von einer Steuerschaltung, mit:
einer ersten Vorspannungszuführungsschaltung zum Zu­ führen einer bestimmten Vorspannung einem HBT einer ersten Leistungsverstärkungsstufe; und
einer zweiten Vorspannungszuführungsschaltung zum Steuern der Vorspannungszufuhr zu jedem HBT einer zweiten und darauffolgenden Leistungsverstärkungsstufe entsprechend dem Steuersignal von der Steuerschaltung.

2. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die erste Vorspannungszuführungsschaltung das Steuersignal von der Steuerschaltung als Vorspannung dem HBT der ersten Leistungsverstärkungsstufe zuführt.

3. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die erste Vorspannungszuführungsschaltung eine bestimmte konstante Spannung erzeugt und dem HBT der ersten Leistungsverstärkungsstufe zuführt.

4. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die erste Vorspannungszuführungsschaltung einen Spannungsstabilisator zur Ausgabe einer bestimmten konstanten Spannung bildet, wenn eine konstante Spannung darauf von einer externen Quelle zugeführt wird.

5. Vorspannungszuführungsverfahren einer Vorspannungs­ schaltung zum Zuführen einer Vorspannung einem mehrstufigen Leistungsverstärker, welcher eine Mehrzahl von Leistung verstärkenden Heteroübergangsbipolartransistoren (HBT's) aufweist, entsprechend einem Steuersignal von einer Steuer­ schaltung, mit den Schritten:
Zuführen einer bestimmten Vorspannung einem HBT der ersten Leistungsverstärkungsstufe; und
Steuern der Vorspannungszufuhr zu jedem HBT der zwei­ ten und darauffolgenden Leistungsverstärkungsstufe entspre­ chend einem Steuersignal von der Steuerschaltung.

6. Vorspannungszuführungsverfahren nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, dass das Steuersignal von der Steuer­ schaltung als Vorspannung dem HBT der ersten Leistungsver­ stärkungsstufe zugeführt wird.

7. Vorspannungszuführungsverfahren nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, dass eine bestimmte konstante Span­ nung erzeugt und dem HBT der ersten Leistungsverstärkungs­ stufe zugeführt wird.