DE102005008372B4

DE102005008372B4 - Steuerbarer Verstärker und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102005008372B4
Application number: DE102005008372.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Simon
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP2006238447A; DE102005008372A1; US7889005B2; JP4664835B2; US20060202760A1

Abstract

Steuerbarer Verstärker, – bei dem ein Eingang (LO) zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals, ein Eingang (VCTRL) zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung und ein Ausgang (RFOUT) vorgesehen ist, – bei dem ein Strompfad zwischen einen Versorgungspotentialanschluss (VDD) und einen Bezugspotentialanschluss (GND) gekoppelt ist, – bei dem der Strompfad einen Verstärkertransistor (1) mit einer gesteuerten Strecke, die an einem ersten Anschluss mit dem Bezugspotentialanschluss (GND) gekoppelt ist, und mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang (LO) zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, umfasst, und – bei dem der Strompfad einen Kaskodetransistor (2) mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang (VCTRL) zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, und mit einer gesteuerten Strecke, die mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgang (RFOUT) des steuerbaren Verstärkers und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Verstärkertransistors (1) gekoppelt ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass der Strompfad (1, 2; 4, 5), der Eingang (LO, LOX) und der Ausgang (RFOUT, RFOUTX) zur Führung differentieller Signale ausgelegt sind, – dass eine erste Serienschaltung den Verstärkertransistor (1) und den Kaskodetransistor (2) aufweist, – dass eine zweite Serienschaltung einen weiteren Verstärkertransistor (4) und einen weiteren Kaskodetransistor (5) aufweist, und – dass ein Steuereingang des weiteren Kaskodetransistors (5) mit dem Eingang (VCTRL) zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen steuerbaren Verstärker, eine Regleranordnung mit dem steuerbaren Verstärker sowie die Verwendung eines steuerbaren Verstärkers.
Steuerbare Verstärker werden beispielsweise in der Mobilfunktechnik eingesetzt. Dort wird die Ausgangsleistung eines Senders in Systemen mit linearen Modulationsverfahren über die Eingangsleistung der Leistungsendstufe gesteuert oder geregelt. Lineare Modulationsverfahren werden beispielsweise bei den Mobilfunksystemen UMTS, Universal Mobile Telecommunications System und GSM/EDGE, Global System for Mobile Communication/Enhanced Data Rate for GSM Evolution, verwendet.
Um Sprünge in der Verstärkung zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Ausgangsleistung nicht in diskreten Schritten, sondern proportional zu einer analogen Steuerspannung zu steuern. Derartige Verstärker werden als Voltage Controlled Gain Amplifier, VGA bezeichnet. Kenngrößen einer VGA sind nicht nur die erzielbare Ausgangsleistung, sondern auch eine unerwünschte Intermodulation, die Eigenschaften bezüglich Rauschen und der Stromverbrauch, letzterer besonders bei tragbaren Anwendungen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden bisher normalerweise bipolare Schaltungstechniken zur Realisierung von VGA eingesetzt. Dabei wird das Rauschen des Senders mit einem verhältnismäßig hohen Kosten- und Chipflächenaufwand mittels einer Oberflächenwellenfilters, englisch SAW, Surface Acoustic Wave, auf geforderte Werte reduziert.
Aus TIETZE, U., SCHENK, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Aufl., Berlin [u. a.]: Springer, 1999, S. 346, 347, ISBN 3-540-64192-0 ist eine Kaskodeschaltung bekannt, bei der zum Vermeiden des Miller-Effekts die Basis des Kaskodetransistors auf ein konstantes Potential gelegt wird.
Aus der DE 101 32 800 ist eine Kaskodeschaltung bekannt, bei der Kaskodetransistoren aktiviert und deaktiviert werden können.
Aus BURGER, T.; HUANG, Q.: A 100 dB, 480 MHz OTA in 0.7 μm CMOS for sampled-data applications, Proceedings of the IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 1996, San Diego, May 1996, Seiten 101–104 ist eine Kaskodeschaltung bekannt, bei der ein Kaskodetransistor geregelt angesteuert wird, um den Kaskodeeffekt zu verstärken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen steuerbaren Verstärker anzugeben, der aufgrund seiner Kenngrößen zur Anwendung in modernen Mobilfunksystemen geeignet ist und bei dem auf ein Oberflächenwellenfilter am Ausgang verzichtet werden kann. Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung betreffen die Schaffung einer Regleranordnung mit dem steuerbaren Verstärker und dessen Verwendung in einer Hochfrequenz-Sendeanordnung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des steuerbaren Verstärkers gelöst durch einen steuerbaren Verstärker,

– bei dem ein Eingang zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals, ein Eingang zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung und ein Ausgang vorgesehen ist,
– bei dem ein Strompfad zwischen einen Versorgungspotentialanschluss und einen Bezugspotentialanschluss gekoppelt ist,
– bei dem der Strompfad einen Verstärkertransistor mit einer gesteuerten Strecke, die an einem ersten Anschluss mit dem Bezugspotentialanschluss gekoppelt ist, und mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, umfasst, und
– bei dem der Strompfad einen Kaskodetransistor mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, und mit einer gesteuerten Strecke, die mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgang des steuerbaren Verstärkers und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Verstärkertransistors gekoppelt ist, umfasst, wobei
– der Strompfad, der Eingang und der Ausgang zur Führung differentieller Signale ausgelegt sind,
– eine erste Serienschaltung den Verstärkertransistor und den Kaskodetransistor aufweist,
– eine zweite Serienschaltung einen weiteren Verstärkertransistor und einen weiteren Kaskodetransistor aufweist, und
– ein Steuereingang des weiteren Kaskodetransistors mit dem Eingang zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist.

Bezüglich der Regleranordnung wird die Aufgabe durch eine Regleranordnung mit einem steuerbaren Verstärker gelöst,

– bei dem ein Eingang zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals, ein Eingang zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung und ein Ausgang vorgesehen ist,
– bei dem ein Strompfad zwischen einen Versorgungspotentialanschluss und einen Bezugspotentialanschluss gekoppelt ist,
– bei dem der Strompfad einen Verstärkertransistor mit einer gesteuerten Strecke, die an einem ersten Anschluss mit dem Bezugspotentialanschluss gekoppelt ist, und mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, umfasst, und
– bei dem der Strompfad einen Kaskodetransistor mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, und mit einer gesteuerten Strecke, die mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgang des steuerbaren Verstärkers und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Verstärkertransistors gekoppelt ist, umfasst, wobei
– ein Hilfsstromzweig umfassend einen ersten Hilfstransistor und einen zweiten Hilfstransistor vorgesehen ist,
– der erste und der zweite Hilfstransistor mit ihren gesteuerten Strecken eine Serienschaltung bilden,
– ein Steuereingang des ersten Hilfstransistors mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors und ein Steuereingang des zweiten Hilfstransistors mit dem Steuereingang des Kaskodetransistors verbunden ist,
– ein Ausgangsanschluss des Hilfsstromzweiges unter Bildung eines Rückführungspfades mit dem Steuereingang des zweiten Hilfstransistors gekoppelt ist, und
– in dem Rückführungspfad der Eingang zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers gebildet ist.

Bezüglich der Verwendung wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung des steuerbaren Verstärkers in einer Hochfrequenz-Sendeanordnung als steuerbarer Hochfrequenz-Verstärker.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Nach dem vorgeschlagenem Prinzip wird ein hochfrequentes Eingangssignal mit dem Verstärkertransistor verstärkt. Die Steuerung des Pegels der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von einem Steuersignal erfolgt mittels des Kaskode-Transistors. Der Kaskode-Transistor ist dabei zwischen dem Verstärkertransistor und dem Ausgang des steuerbaren Verstärkers in einem gemeinsamen Strompfad angeordnet.
Der vorliegende Kaskode-Transistor erfüllt demnach zwei Funktionen. Zum einen wird die herkömmliche Kaskode-Funktion realisiert. Dabei bildet der Kaskode-Transistor bezüglich des Verstärkertransistors eine Kaskode-Stufe. Dies dient unter anderem zur Vermeidung des Miller-Effekts. Zum anderen und im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kaskode-Transistor ist bei dem vorgeschlagenen Kaskode-Transistor jedoch dessen Steuereingang nicht auf ein festes Potential gelegt, sondern am Steuereingang des Kaskode-Transistors wird ein Steuersignal zugeführt, das zur Einstellung der Verstärkung dient. Somit ergibt sich die Ausgangsleistung des steuerbaren Verstärkers in Abhängigkeit des am Steuereingang des Kaskode-Transistors anliegenden Werts.
Mit Vorteil ist das Steuersignal ein analoges Signal.
Bevorzugt ist das analoge Steuersignal eine analoge Steuerspannung, so dass mit dem vorgeschlagenen, steuerbaren Verstärker ein so genannter VGA, Voltage Controlled Gain Amplifier, aufgebaut ist.
Bevorzugt sind der Kaskode-Transistor und der Verstärkertransistor unipolare Transistoren.
Bei dem vorgeschlagenen, steuerbaren Verstärker ist bei kleiner Gate-Spannung der Drain/Source-Widerstand des Kaskode-Transistors groß. Der Spannungsabfall am Transistor reduziert die Drain/Source-Spannung des Verstärkertransistors und den Ausgangsstrom des verstärkten Signals. Die Transistoren, insbesondere der Kaskode-Transistor, werden derart im linearen Bereich betrieben, dass die Ausgangsleistung des Verstärkers über einen weiten Dynamikbereich gesteuert werden kann, ohne dass dabei Verzerrungen auftreten.
Die vorgeschlagene Verstärkeranordnung kann mit wenigen Bauteilen realisiert werden. Der die Verstärkung steuernde Kaskode-Transistor erzeugt kein zusätzliches Rauschen, so dass mit Vorteil das Signal-Rausch-Verhältnis, englisch Signal-to-Noise Ratio SNR, groß ist. Dadurch kann mit zusätzlichem Vorteil auf ein kosten- und flächenintensives Oberflächenwellenfilter verzichtet werden.
Der Arbeitsstrom durch den Verstärkertransistor wird proportional zum Signalstrom reduziert. Dadurch arbeitet die vorgeschlagene Schaltung sehr stromsparend. Dies gilt auch dann, wenn nur eine geringe Ausgangsleistung benötigt wird.
Nach dem vorgeschlagenem Prinzip wird der Ausgangsstrom des Verstärkertransistors mit dem Kaskode-Transistor gesteuert. Somit ist mit Vorteil eine VGA, Voltage-Controlled Gain Amplifier, gebildet. Die Drain/Source-Spannung des Verstärkertransistors ist über einen weiten Bereich, nämlich den Aussteuerbereich der gewünschten Anwendung, kleiner als die Differenzspannung von Gate-Spannung und Schwellenspannung eines Metal Oxide Semiconductor, MOS-Tranistors. Somit wird der Verstärker im linearen Bereich einer MOS-Transistorkennlinie betrieben. Damit ist der Drain-Strom direkt proportional zur Gate-Spannung. Es treten keine Verzerrungen auf.
Aufgrund des Aufbaus der vorgeschlagenen Verstärkeranordnung haben Fertigungsschwankungen im Halbleiterprozess, Einbrüche der Versorgungsspannung und Temperaturänderungen nur geringen Einfluss auf die Eigenschaften des Verstärkers.
Bevorzugt ist zwischen dem Versorgungspotentialanschluss und dem ersten Anschluss des Kaskode-Transistors ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last vorgesehen.
Der steuerbare Verstärker hat bevorzugt ein Mittel zum Zuführen eines BIAS-Signals, das mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors verbunden ist.
In diesem Fall ist bevorzugt ein Stromspiegel vorgesehen, der einen Eingangstransistor und einen Ausgangstransistor umfasst. Als Ausgangstransistor ist bevorzugt der Verstärkertransistor vorgesehen. Der Eingangstransistor, der bei einem Stromspiegel normalerweise als Diode verschaltet ist, ist eingangsseitig mit einer BIAS-Stromquelle verbunden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Mittel zum Zuführen eines BIAS-Signals in einer bevorzugten Weiterbildung ein Einkoppelglied. Dieses Einkoppelglied koppelt den Eingang zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors.
Im Falle der Realisierung der BIAS-Zuführung mit einem Stromspiegel ist das Einkoppelglied bevorzugt zwischen einem Steueranschluss des Eingangstransistors und dem Steueranschluss des Verstärkertransistors geschaltet.
Das Einkoppelglied kann beispielsweise einen Widerstand umfassen, der einen Steueranschluss des Eingangstransistors mit einem Steueranschluss des Verstärkertransistors koppelt, sowie eine Serienkapazität, die den Eingang zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors koppelt.
In einer alternativen Ausführung bezüglich der Zuführung des BIAS-Signals ist in einer anderen Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips das Mittel zum Zuführen des BIAS-Signals in dem Strompfad angeordnet, der auch den Kaskode-Transistor und den Verstärkertransistor umfasst. Bevorzugt ist in diesem Fall das Mittel zum Zuführen des BIAS-Signals im Fußpunkt des Verstärkertransistors angeordnet, also zwischen einem Anschluss der gesteuerten Strecke des Verstärkertransistors und einem Bezugspotentialanschluss.
Der vorgeschlagene, steuerbare Verstärker kann in einer so genannten Single-Ended-Technik ausgebildet sein, also zum Führen des Nutzsignals auf einer einzigen Leitung. Alternativ ist aber mit Vorteil auch eine Ausbildung der Anordnung in symmetrischer Schaltungstechnik möglich.
Der steuerbare Verstärker kann zum Führen von differentiellen Signalen ausgelegt sein, bei denen der eigentliche Informationsgehalt durch Subtraktion der Teilsignale auf zwei Leitungen vorliegt. Dazu gehört, dass der Strompfad zur Führung differentieller Signal ausgelegt ist und somit einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad umfasst. Der erste Strompfad umfasst eine erste Serienschaltung mit dem Verstärker und dem Kaskode-Transistor. Der zweite Strompfad umfasst eine zweite Serienschaltung mit einem weiteren Verstärkertransistor und einem weiteren Kaskode-Transistor. Der Steuereingang des weiteren Kaskode-Transistors ist mit dem Steuereingang des Kaskode-Transistors und dem Eingang zum Zuführen des Steuersignals des Verstärkers ausgebildet. Der Eingang zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals ist mit dem Steuereingang des ersten Verstärkertransistors und dem Steueranschluss des weiteren Verstärkertransistors zum Zuführen eines differentiellen Eingangssignals gekoppelt. Der Ausgang ist als differentieller Ausgang ausgebildet und mit je einem Anschluss des Kaskode-Transistors und des weiteren Kaskode-Transistors gekoppelt.
Demnach wird das hochfrequente Eingangssignal mit einem Differenzverstärker umfassend den ersten und den weiteren Verstärkertransistor verstärkt. Die Gesamtverstärkung und damit die Ausgangsleistung wird mit den beiden Kaskode-Transistoren gesteuert.
Um das differentielle Ausgangssignal in ein Single-Ended-Ausgangssignal umzusetzen, kann mit Vorteil ein sogenannter Balun an den differentiellen Ausgang angeschlossen werden, der das symmetrische Signal in ein auf einer Leitung führbares Signal konvertiert.
Bei kleiner Gate-Spannung ist der Drain/Source-Widerstand der beiden Kaskode-Transistoren groß. Der Spannungsabfall an diesen Transistoren reduziert die Drain/Source-Spannung der Verstärkertransistoren und den Signalausgangsstrom. Die Transistoren werden derart im linearen Bereich betrieben, dass die Ausgangsleistung über einen weiten Dynamikbereich kontrolliert werden kann, ohne dass dabei unerwünschte Verzerrungen auftreten. Auch in differentieller Schaltungstechnik kann der Verstärker mit verhältnismäßig einfachem Aufbau und vor allem mit wenigen Bauteilen realisiert werden. Da die die Verstärkung steuernden Kaskode-Transistoren kein zusätzliches Rauschen erzeugen, ist mit Vorteil das Signal-Rausch-Verhältnis groß. Es kann auf ein kosten- und flächenintensives Oberflächenwellenfilter zwischen dem Ausgang des Verstärkers und einem HF-Ausgang wie beispielsweise einer Antenne verzichtet werden. Da der Arbeitsstrom durch die beiden Verstärkertransistoren proportional zum Signalstrom des zu verstärkenden Signals reduziert wird, arbeitet die Schaltung sehr stromsparend, auch bei geringer Ausgangsleistung.
Der steuerbare Verstärker ist bevorzugt in unipolarer Halbleiter-Schaltungstechnik integriert. Bevorzugt sind die Transistoren, nämlich Kaskode-Transistor und Verstärkertransistor, beziehungsweise bei differentieller Ausführung die Kaskode-Transistoren und Verstärkertransistoren, sowie gegebenenfalls vorhandene, weitere Bauteile in MOS-Schaltungstechnik ausgebildet.
Bei Anwendung des steuerbaren Verstärkers in einer Hochfrequenz-Sendeanordnung als steuerbarer Hochfrequenz-Verstärker kann in einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, die Ausgangsleistung durch verteilte Verstärker zu erzeugen. So kann zusätzlich ein weiterer steuerbarer Verstärker auch im Basisband, das heißt vor der Frequenzumsetzung auf die Hochfrequenz, vorgesehen sein.
Zur Bildung eines Regelkreises kann mit Vorteil ein Hilfsstromzweig vorgesehen sein, der zwei Hilfstransistoren umfasst. Die beiden Hilfstransistoren sind bezüglich ihrer gesteuerten Strecken in einer Serienschaltung miteinander verschaltet und entsprechen in dem so gebildeten Strompfad demjenigen Strompfad, der den Kaskode-Transistor und den Verstärkertransistor umfasst. Einer der beiden Hilfstransistoren ist mit seinem Steueranschluss mit dem Steueranschluss des Verstärkertransistors, der andere Hilfstransistor mit seinem Steueranschluss mit dem Steueranschluss des Kaskode-Transistors verbunden. Ein Rückführungszweig verbindet einen Ausgang des Hilfsstromszweiges mit dem Steuereingang desjenigen Hilfstransistors, dessen Steuereingang mit dem Steuereingang des Kaskode-Transistors verbunden ist. Im Rückführungszweig kann mit Vorteil ein Differenzverstärker vorgesehen sein, an dem der Steuereingang zum Zuführen des Steuersignals für die Verstärkung gebildet ist als Sollsignal für den Regelkreis.
Der Regelkreis dient zur Verbesserung der Stabilität. Diese Regleranordnung hat insbesondere dann Vorteile, wenn nur eine geringe Ausgangsleistung abgegeben werden soll, insbesondere in Kombination mit der Ausführung des Verstärkertransistors als Teil eines Stromspiegels.
Dabei ist der Hilfszweig mit den beiden Hilfstransistoren bevorzugt als ein weiterer Ausgangszweig des Stromspiegels ausgebildet, wobei die Ausgangszweige des Stromspiegels einen gemeinsamen Eingangstransistor haben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Verstärkers nach dem vorgeschlagenem Prinzip.
2 eine Weiterbildung der Schaltung von 1 an einem Beispiel,
3 eine Weiterbildung der Schaltung von 1 an einem zweiten Beispiel,
4 eine Weiterbildung der Schaltung von 1 an einem dritten Beispiel,
5 eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltung von 1 mit Regelkreis,
6 eine beispielhafte Anwendung einer Verstärkerschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in einem Sender,
7 ein Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Basisband-Verstärkers,
8 eine Anwendung des steuerbaren Basisband-Verstärkers von 7 in einer Weiterbildung des Senders von 6,
9 eine VGA-Kennlinie nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines beispielhaften Diagramms und
10 die Intermodulation, die Seitenbandunterdrückung und die Trägerunterdrückung bei einem vorgeschlagenem Verstärker an einem beispielhaften Diagramm.
1 zeigt einen steuerbaren Verstärker mit einem Eingang LO zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals und mit einem Ausgang RFOUT, an dem ein vom hochfrequenten Eingangssignal abgeleitetes, verstärktes Ausgangssignal bereitgestellt wird. Außerdem ist ein Eingang VCTRL gebildet, der zum Zuführen eines Steuersignals für die Vorgabe der gewünschten Verstärkung ausgelegt ist. Zwischen einem Versorgungspotentialanschluss VDD und einem Bezugspotentialanschluss GND ist ein Strompfad geschaltet. Der Strompfad umfasst eine Serienschaltung mit, ausgehend vom Bezugspotentialanschluss GND, einem Verstärkertransistor 1, einem Kaskode-Transistor 2 und mit einem Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 3. Der Kaskode-Transistor 2 und der Verstärkertransistor 1 sind jeweils als Feldeffekttransistor in Metal Oxide Semiconductor, MOS-Schaltungstechnik ausgebildet. Diese Transistoren 1, 2 bilden bezüglich ihrer gesteuerten Strecken eine Serienschaltung zwischen dem Ausgang RFOUT und dem Bezugspotentialanschluss GND. Das Mittel zum Anschließen der elektrischen Last 3 ist zwischen den Versorgungspotentialanschluss und den Ausgang RFOUT geschaltet. Während der Eingang VCTRL zum Zuführen eines Steuersignals für die gewünschte Verstärkung mit dem Steueranschluss des Kaskode-Transistor 2 verbunden ist, ist der Eingang zum Zuführen eines hochfrequenten Signals LO mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors 1 verbunden.
Ein hochfrequentes Eingangssignal LO wird mit dem Verstärkertransistor 1 verstärkt. Dabei wird die Verstärkung und damit die Ausgangsleistung mit dem Kaskode-Transistor 2 gesteuert. Somit hat der Kaskode-Transistor im Unterschied zu herkömmlichen Kaskode-Transistoren kein konstantes Steuerpotential, sondern ein variables.
Die Transistoren 1, 2 werden derart im linearen Bereich betrieben, dass die Ausgangsleistung über einen weiten Dynamikbereich steuerbar ist, ohne dass Verzerrungen auftreten. Da der die Verstärkung steuernde Kaskode-Transistor 2 kein zusätzliches Rauschen erzeugt, kann auf aufwendige Oberflächenwellenfilter am Ausgang RFOUT verzichtet werden. Weil der Arbeitsstrom durch den Verstärkertransistor 1 proportional zum Signalstrom reduziert wird, arbeitet die Schaltung sehr stromsparend, auch bei geringer Ausgangsleistung.
2 zeigt eine Weiterbildung des steuerbaren Verstärkers von 1 ausgelegt für eine Differenzsignalverarbeitung. Außerdem ist ein Mittel zum Zuführen eines BIAS-Signals vorgesehen. Insoweit die Schaltung nach 2 derjenigen von 1 entspricht, wird die Beschreibung der Verschaltung und deren vorteilhafter Funktionsweise an dieser Stelle nicht noch einmal wiederholt. Im Einzelnen sind bei der Anordnung nach 2 zusätzlich zu dem Verstärkertransistor 1 und dem Kaskode-Transistor 2 ein weiterer Verstärkertransistor 4 und ein weiterer Kaskode-Transistor 5 vorgesehen, welche ebenfalls bezüglich ihrer gesteuerten Strecke eine Serienschaltung bilden. Diese weitere Serienschaltung 4, 5 ist zwischen den Ausgang RFOUTX und den Bezugspotentialanschluss GND geschaltet. Zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals ist ein differentieller Eingang LO, LOX gebildet, der über je eine Serienkapazität 6, 7 mit je einem Gate-Anschluss der Verstärkertransistoren 1, 4 verbunden ist. Der Eingang VCTRL zum Zuführen des Steuersignals für die Verstärkung ist nicht nur mit dem Steuereingang des Kaskode-Transistors 2, sondern auch mit dem Steuereingang des weiteren Kaskode-Transistors 5 verbunden. Der Ausgang zum Abgreifen des verstärkten Signals RFOUT, RFOUTX ist vorliegend ebenfalls als Differenzsignalausgang ausgebildet, wobei je eine Klemme des Ausgangs an je einem Anschluss der gesteuerten Strecken der Kaskode-Transistoren 2, 5 gebildet ist. Außerdem ist der Ausgang RFOUT, RFOUTX mit einem symmetrisch ausgebildeten Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last 8 an einen Versorgungspotentialanschluss VDD angeschlossen.
Zum Zuführen eines BIAS-Signals zur Arbeitspunkteinstellung der Verstärkertransistoren 1, 4 ist ein Stromspiegel gebildet, der einen Eingangstransistor 9 umfasst. Der Eingangstransistor 9 des Stromspiegels ist als Diode verschaltet, indem sein Source-Anschluss mit seinem Gate-Anschluss verbunden ist. Der Drain-Anschluss ist mit dem Bezugspotentialanschluss GND verbunden. Der Versorgungspotentialanschluss VDD ist außerdem über eine BIAS-Stromquelle mit dem Source-Anschluss des Eingangstransistors 9 verbunden. Die BIAS-Stromquelle ist mit Bezugszeichen 10 versehen. Der Gate-Anschluss des Eingangstransistors 9 ist außerdem über je einen Koppelwiderstand 11, 12 mit je einem Steuereingang der Verstärkertransistoren 1, 4 zum Zuführen des BIAS-Signals verbunden. Somit ist ein Stromspiegel 9, 1, 4 mit einem Eingangszweig und zwei Ausgangszweigen gebildet. Das in dem Stromspiegel gebildete Einkoppelglied zum Einkoppeln des hochfrequenten Eingangssignal umfasst dabei die beiden Widerstände 11, 12 sowie die beiden Serienkapazitäten 6, 7. Somit wird der Arbeitspunkt der Verstärkertransistoren 1, 4 durch das Stromspiegelverhältnis und den BIAS-Strom des Generators 10 eingestellt, während das hochfrequente Signal über die Kapazitäten 6, 7 eingekoppelt und entsprechend überlagert wird. In 2 ergibt sich die Höhe des BIAS-Stroms als Produkt des Stroms bereitgestellt von der Stromquelle 10, dem Übersetzungsverhältnis der Stromspiegel und der Knotenregel.
Eine andere Möglichkeit der Ruhestromeinstellung zeigt beispielhaft 3. Dort ist an dem differentiellen Eingang zum Zuführen des hochfrequenten Signals LO, LOX, der unmittelbar mit den Gate-Anschlüssen der Verstärkertransistoren 1, 4 verbunden ist, ein differentielles Signal zuführbar. Dieses Signal umfasst nicht nur den hochfrequenten Anteil, sondern auch bereits einen BIAS-Anteil zur Einstellung der Arbeitspunkte der Transistoren. Das derart zusammengesetzte Signal wird in einem Funktionsblock 11 erzeugt, der mit dem Eingang LO, LOX verbunden ist. Bezüglich der Verschaltung des Eingangs zum Zuführen des Steuersignals VCTRL, des Ausgangs RFOUT, RFOUTX sowie der beiden Serienschaltung umfassend je einen Verstärkertransistor und einen Kaskode-Transistor und der Funktionsweise wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf 2 verwiesen.
Eine noch weitere, beispielhafte Alternative zur Erzeugung des BIAS-Signals zeigt 4. Diese stimmt in ihrem Aufbau und der vorteilhaften Funktionsweise weitgehend mit der Schaltung von 3 überein, die Verstärkertransistoren 1, 4 sind jedoch nicht wie bei 3 mit je einem Anschluss ihrer gesteuerten Strecke unmittelbar mit Bezugspotentialanschluss GND verbunden. Vielmehr ist eine BIAS-Erzeugungsschaltung vorgesehen, die zwei Stromquellen und einen Widerstand umfasst. Je eine Stromquelle 12, 13 ist zwischen einen Anschluss der gesteuerten Strecke der Verstärkertransistoren 1, 4 und den Bezugspotentialanschluss GND geschaltet. Der Widerstand ist als Querwiderstand zwischen die beiden Anschlüsse der gesteuerten Strecken der Verstärkertransistoren 1, 4 stromquellenseitig angeschlossen. Der Widerstand trägt Bezugszeichen 14. Im Unterschied zu 3 wird demnach bei der Schaltung nach 4 der BIAS-Strom durch die Stromquellen 12, 13 vorgegeben und nicht über die Gate-Anschlüsse der Verstärkertransistoren 1, 4 eingestellt. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 1, 4 dienen bei 4 lediglich der Zuführung des hochfrequenten Eingangssignals.
5 zeigt beispielhaft eine Weiterbildung der Schaltung von 2 unter Bereitstellung einer Regleranordnung mit dem steuerbaren Verstärker. Insoweit, als die Schaltung von 5 mit derjenigen von 2 übereinstimmt, soll deren Beschreibung an dieser Stelle nicht wiederholt werden, um Wiederholungen. Vorliegend ist zusätzlich ein Hilfsstromzweig vorgesehen, der einen ersten Hilfstransistor 15 und einen zweiten Hilfstransistor 16 umfasst. Weiterhin umfasst der Hilfsstromzweig einen Widerstand 17, wobei der Widerstand 17, die gesteuerte Strecke des zweiten Hilfstransistors 16 und die gesteuerte Strecke des ersten Hilfstransistors 15 in dieser Reihenfolge eine Serienschaltung zwischen dem Versorgungspotentialanschluss VDD und dem Bezugspotentialanschluss GND bilden. Somit erhält der Stromspiegel einen weiteren Ausgangszweig, an dem ein zum Ausgangssignal proportionales Signal bereitgestellt wird, das als Ist-Signal für den Regelkreis dient.
Der Ist-Ausgang des Regelkreises ist zwischen dem zweiten Hilfstransistor 16 und dem Widerstand 17 gebildet und an den nicht-invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 18 geführt. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers bildet den Eingang VCTRL zum Zuführen des Steuersignals für die Verstärkung. Der Ausgang des Differenzverstärkers 18 ist mit den Steuereingängen der Kaskode-Transistoren 2, 5, aber auch mit dem Steuereingang des zweiten Hilfstransistors 16 verbunden.
Im vorliegenden Beispiel ist der Hilfsstromzweig mit den Transistoren 15, 16, die die Hilfstransistoren sind, bezüglich der übrigen Stromzweige mit Verstärker- und Kaskode-Transistoren 1, 2; 4, 5 nach unten skaliert. Das bedeutet, dass die Kanalweite- zu Kanallänge-Verhältnisse W/L der Hilfstransistoren 15, 16 um einen Faktor n reduziert sind, was mit Vorteil dazu führt, dass der Regelkreis einen verringerten Strombedarf hat.
Insbesondere bei geringer Ausgangsleistung des steuerbaren Verstärkers, also einem geringen Spannungspegel des Steuersignals VCTRL, ist die Arbeitspunkteinstellung mit dem Stromspiegel deutlich verbessert.
6 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines steuerbaren Verstärkers nach einem der Beispiele gemäß 1 bis 5 in einer Mobilfunk-Sendeanordnung. Dabei ist der mit Bezugszeichen 19 versehene, steuerbare Verstärker an den Ausgang eines Vektormodulators angeschlossen. Der Vektormodulator 21 umfasst auf Basisband-Seite einen Inphase-Eingang I sowie einen dazu um 90 Grad phasenversetzten Quadratur-Eingang Q zur Bereitstellung einer bei digitalen Modulationsverfahren und hoher Bandbreite üblichen, komplexen Signalverarbeitung. Der Vektormodulator 21 dient zur Frequenzumsetzung der Basisband-Signale auf eine Trägerfrequenz, die von einem Oszillator 22 bereitgestellt und 0/90 Grad phasenrichtig den Mischern zugeführt wird. Ausgangsseitig an den Mischern erfolgt eine Summation, welche den Ausgang des Vektormodulators 21 bildet. Bei einer Sendeanordnung kommen, insbesondere im Mobilfunk, die Vorteile des vorgeschlagenen Prinzips wie Entbehrlichkeit des Oberflächenwellenfilters, geringer Strombedarf, gute Rauscheigenschaften und geringe Intermodulation vorteilhaft zur Anwendung. Zwischen den steuerbaren Verstärker 19 und eine Antenne kann eine Leistungsendstufe mit konstanter Verstärkung geschaltet sein. Alternativ kann der steuerbare Verstärker auch selbst als steuerbare Leistungsendstufe ausgebildet und ohne weitere Verstärker an die Antenne angekoppelt sein.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Basisbandverstärkers mit steuerbarer Verstärkung als Niederfrequenz-Verstärker. Dieser umfasst als Verstärkertransistoren eine differentielle Mischer-Struktur mit zwei kreuzgekoppelten Transistorpaaren 22, 23; 24, 25, vorliegend ausgebildet in MOS-Schaltungstechnik. Je ein Transistor 22, 23 eines ersten Transistorpaares und je ein Transistor des weiteren Transistorpaares 24, 25 ist mit einem Anschluss eines symmetrischen Signaleingangs I, IX verbunden. Die Steueranschlüsse der mit dem Anschluss I verbundenen Transistoren 22, 24 sind miteinander verbunden und bilden einen ersten Anschluss eines differentiellen Steuereingangs 26. Die Steuereingänge der mit dem Komplementäranschluss IX verbundenen Transistoren 23, 25 bilden einen weiteren Anschluss des Steuereingangs 26, der vorliegend zum Zuführen des Steuersignals für die Verstärkung VCTRL dient. Zwischen dem Ausgang der Mischer-Struktur umfassend die beiden Transistorpaare 22, 23; 24, 25 und einem Ausgang IOUT, IXOUT ist ein mit Widerständen rückgekoppelter Verstärker 27 geschaltet.
8 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Basisband-Verstärkers von 7, der mit Bezugszeichen 28 versehen ist. Je ein solcher Basisband-Verstärker ist als linear steuerbarer Verstärker zwischen den Inphase- und Quadratur-Ausgang eines Digital-Analog-Konverters im Basisband-Baustein eines Senders und je einem Inphase- und Quadratur-Eingangs eines Vektormodulators 21 geschaltet. Der Vektormodulator 21 entspricht dabei in Aufbau- und Wirkungsweise der Schaltung von 6 und wird hier nicht noch einmal beschrieben. Da somit im Basisband und hochfrequenzseitig je ein steuerbarer Verstärker 28, 19 vorgesehen ist, ist mit Vorteil eine Aufteilung der Gesamtverstärkung auf Basisband und Hochfrequenzebene möglich, wobei vorliegend jeweils eine analoge Steuerspannung und damit eine proportionale Steuerung der Verstärkung und der Ausgangsleistung bezüglich eines Steuersignals ermöglicht ist. Dies dient zur Erzielung einer höheren Linearität und eines größeren Dynamikbereichs. Die Aufteilung der Gesamtverstärkung auf Basisband und Hochfrequenzseite erfolgt je nach Anwendung. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung im Basisband- oder Hochfrequenzverstärker 28, 19 eine diskrete, schrittweise Verstärkung vorgesehen sein.
9 zeigt an einem beispielhaften Diagramm sowohl die Ausgangsleistung, als auch den Strom aufgetragen als Funktion der Steuerspannung, die die Verstärkung und damit die Ausgangsleistung steuert. Man erkennt, dass der steuerbare Verstärker bezüglich der Kennlinie über einen weiten Bereich linear ist und über einen weiten Dynamikbereich von über 70 dBc gesteuert werden kann. Dabei ist der Stromverbrauch gering.
10 zeigt, ebenfalls als Funktion der Steuerspannung, die Trägerunterdrückung, die Seitenbandunterdrückung und die Intermodulation bei dem vorgeschlagenen steuerbaren Verstärker an einem beispielhaften Diagramm. Dabei wurde eine feste Eingangsleistung angenommen. Die Amplitude des unteren Seitenbandes in dBc und das Trägersignal in dBc sind nahezu konstant über die Steuerspannung.
Die größten Verzerrungen der Kennlinie treten im mittleren Bereich auf. Durch Verringerung der Eingangsleistung um 1 bis 2 dB kann die Intermodulation verkleinert und die VGA für mehr maximale Ausgangsleistung und weniger BIAS-Strom dimensioniert werden. Die Verringerung der Amplitude eines Digital-Analog-Wandlers für das Basisband-Signal, wie in 8 gezeigt, kann durch die Programmierung eines programmierbaren Verstärkers oder durch Vorschalten einer Basisband-VGA mit geringem Dynamikbereich erfolgen, siehe 7.
Bezugszeichenliste

1: Verstärkertransistor
2: Kaskode-Transistor
3: Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last
4: Verstärkertransistor
5: Kaskode-Transistor
6: Kapazität
7: Kapazität
8: Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last
9: Eingangstransistor
10: BIAS-Stromquelle
11: Funktionsblock
12: Stromquelle
13: Stromquelle
14: Widerstand
15: Hilfstransistor
16: Hilfstransistor
17: Widerstand
18: Differenzverstärker
19: VGA
20: Antenne
21: Vektormodulator
22: Transistor
23: Transistor
25: Transistor
26: Eingang
27: Verstärker
28: Basisband-VGA
GND: Bezugspotentialanschluss
I: Eingang
IX: Eingang
IOUT: Ausgang
IXOUT: Ausgang
LO: Eingang
LOX: Eingang
RFOUT: Ausgang
RFOUTX: Ausgang
VCTRL: Steuersignal-Eingang
VDD: Versorgungspotentialanschluss

Claims

Steuerbarer Verstärker, – bei dem ein Eingang (LO) zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals, ein Eingang (VCTRL) zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung und ein Ausgang (RFOUT) vorgesehen ist, – bei dem ein Strompfad zwischen einen Versorgungspotentialanschluss (VDD) und einen Bezugspotentialanschluss (GND) gekoppelt ist, – bei dem der Strompfad einen Verstärkertransistor (1) mit einer gesteuerten Strecke, die an einem ersten Anschluss mit dem Bezugspotentialanschluss (GND) gekoppelt ist, und mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang (LO) zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, umfasst, und – bei dem der Strompfad einen Kaskodetransistor (2) mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang (VCTRL) zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, und mit einer gesteuerten Strecke, die mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgang (RFOUT) des steuerbaren Verstärkers und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Verstärkertransistors (1) gekoppelt ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass der Strompfad (1, 2; 4, 5), der Eingang (LO, LOX) und der Ausgang (RFOUT, RFOUTX) zur Führung differentieller Signale ausgelegt sind, – dass eine erste Serienschaltung den Verstärkertransistor (1) und den Kaskodetransistor (2) aufweist, – dass eine zweite Serienschaltung einen weiteren Verstärkertransistor (4) und einen weiteren Kaskodetransistor (5) aufweist, und – dass ein Steuereingang des weiteren Kaskodetransistors (5) mit dem Eingang (VCTRL) zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist.
Steuerbarer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Anschließen einer elektrischen Last (3) zwischen dem Versorgungspotentialanschluss (VDD) und dem ersten Anschluss des Kaskodetransistors (2) vorgesehen ist.
Steuerbarer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Verstärker ein Mittel zum Zuführen eines Biassignals (9, 10; 11) umfasst, das mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors (1) verbunden ist.
Steuerbarer Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zuführen eines Biassignals einen Stromspiegel (1, 9) umfasst mit einem Eingangstransistor (9), an den eine Bias-Stromquelle (10) angeschlossen ist, und mit dem Verstärkertransistor (1) als Ausgangstransistor.
Steuerbarer Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zuführen eines Biassignals ein Einkoppelglied (6, 11) umfasst, das den Steuereingang des Verstärkertransistors (1) mit dem Eingang (LO) zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers koppelt.
Steuerbarer Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelglied (6, 11) zwischen einen Steueranschluss des Eingangstransistors (9) und den Steueranschluss des Verstärkertransistors (1) geschaltet ist.
Steuerbarer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Verstärker ein Mittel zum Zuführen eines Biassignals (12) umfasst, das in dem Strompfad angeordnet und mit dem ersten Anschluss der gesteuerten Strecke des Verstärkertransistors (1) verbunden ist.
Steuerbarer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Verstärker in unipolarer Halbleiter-Schaltungstechnik integriert ist.
Regleranordnung mit einem steuerbaren Verstärker, – bei dem ein Eingang (LO) zum Zuführen eines hochfrequenten Eingangssignals, ein Eingang (VCTRL) zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung und ein Ausgang (RFOUT) vorgesehen ist, – bei dem ein Strompfad zwischen einen Versorgungspotentialanschluss (VDD) und einen Bezugspotentialanschluss (GND) gekoppelt ist, – bei dem der Strompfad einen Verstärkertransistor (1) mit einer gesteuerten Strecke, die an einem ersten Anschluss mit dem Bezugspotentialanschluss (GND) gekoppelt ist, und mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang (LO) zum Zuführen des hochfrequenten Eingangssignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, umfasst, und – bei dem der Strompfad einen Kaskodetransistor (2) mit einem Steuereingang, der mit dem Eingang (VCTRL) zum Zuführen des Steuersignals des steuerbaren Verstärkers gekoppelt ist, und mit einer gesteuerten Strecke, die mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgang (RFOUT) des steuerbaren Verstärkers und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Verstärkertransistors (1) gekoppelt ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Hilfsstromzweig umfassend einen ersten Hilfstransistor (15) und einen zweiten Hilfstransistor (16) vorgesehen ist, – dass der erste und der zweite Hilfstransistor (15, 16) mit ihren gesteuerten Strecken eine Serienschaltung bilden, – dass ein Steuereingang des ersten Hilfstransistors (15) mit dem Steuereingang des Verstärkertransistors (1) und ein Steuereingang des zweiten Hilfstransistors (16) mit dem Steuereingang des Kaskodetransistors (2) verbunden ist, – dass ein Ausgangsanschluss des Hilfsstromzweiges (15, 16) unter Bildung eines Rückführungspfades (18) mit dem Steuereingang des zweiten Hilfstransistors (16) gekoppelt ist, und – dass in dem Rückführungspfad (18) der Eingang (VCTRL) zum Zuführen eines Steuersignals für die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers gebildet ist.
Verwendung eines steuerbaren Verstärkers (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Hochfrequenz-Sendeanordnung (19, 20, 21) als steuerbarer Hochfrequenz-Verstärker.