DE10240595A1 - Steuerbare Dämpfungseinheit - Google Patents

Abstract

Eine steuerbare Dämpfungseinheit 24 weist einen Eingang 26 und einen Ausgang 29 auf und beinhaltet ein erstes resistives Element 27, einen ersten Kondensator 30, der seriell zwischen den Eingang und den Ausgang eingeschleift ist, einen ersten steuerbaren Nebenschlusstransistor 33, der zwischen den Ausgang und einen Versorgungsanschluss über ein zweites resistives Element 34 eingeschleift ist, sowie einen steuerbaren Bypass-Transistor 28, der zwischen den Eingang und den Ausgang eingeschleift ist. Die steuerbare Dämpfungseinheit 24 kann einen Teil eines Funkempfängerschaltkreises 20 bilden, wobei die Dämpfungseinheit zwischen einem Anpassungsschaltkreis 23 und einem rauscharmen Verstärker 25 positioniert ist.

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare Dämpfungseinheit.
• Häufig ist eine steuerbare Dämpfungseinheit vor einem rauscharmen Verstärker (LNA) in dem Signalpfad eines Funkempfängers eingebaut. Steuerbare Dämpfungseinheiten sind auch als schaltbare oder programmierbare Dämpfungseinheiten bekannt. Die normale Wirkung der Dämpfungseinheit besteht darin, die Linearitätseigenschaften und die Fähigkeit der Leistungshandhabung des Empfängers zu verbessern, ohne die Rauschzahl zu erhöhen oder die Verstärkung zu reduzieren, wenn das Signal/Rauschzahl-Verhältnis (SNR) ausreichend hoch ist, um ohne Verlust an Information geopfert zu werden. Eine derartige Dämpfungseinheit ist in US-B-6.147.568 beschrieben und schematisch in Fig. 1 gezeigt.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 beinhaltet die Dämpfungseinheit 10 ein Paar bipolarer npn-Transistoren Q1 und Q2, deren Emitter/Kollektor-Pfade umgekehrt parallel zwischen einen Punkt 1 in dem Hochfrequenz- Signaleingangspfad und den Signalrückkehrpfad G (gezeigt als Massepotential) geschaltet sind. Eine Vorspannung ist an den Punkt 1 in dem Signaleingangspfad und an die Kollektorelektrode des Transistors Q1 und die Emitterelektrode des Transistors Q2, die miteinander verbunden sind, mittels eines hochohmigen Widerstands R2 von einer Spannungsquelle Vr angelegt. Die Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind so angeordnet, dass sie einzeln mittels eines Vorspannungssteuerschaltkreises 3 vorgespannt werden. Der Punkt 1 in dem Eingangssignalpfad ist mit dem Eingang eines rauscharmen Verstärkers 2 mittels eines Kopplungskondensators C1 verbunden.
• Die Transistoren Q1, Q2, der Steuerschaltkreis 3, der Kondensator C1 und der Verstärker 2 können sämtlich auf einem integrierten Schaltkreischip 4 in dem Hochfrequenzsignalpfad vorgesehen sein.
• Wenn die von dem Steuerschaltkreis 3 zugeführten Vorspannungsströme gleich null sind, sind beide Transistoren Q1 und Q1 nicht leitend, und das Hochfrequenzeingangssignal wird dem Verstärker 2 ohne Dämpfung zugeführt. Wenn durch den Schaltkreis 3 Vorspannungsströme zugeführt werden, sind beide Transistoren Q1 und Q2 gesättigt, und ihre geringe dynamische Ausgangsimpedanz schließt das Eingangssignal nach Masse hin kurz. Die tatsächlich erreichte Dämpfung ist von dem Wert der Nebenschlussimpedanz abhängig.
• Die Dämpfungseinheit weist zwei Betriebsarten auf: voreingestellt und variabel. In dem Voreinstellungsmodus werden die Basis-Vorspannungsströme zwischen null und den jeweiligen Werten umgeschaltet, die den erforderlichen Voreinstellungs-Dämpfungswert bereitstellen. In dem Modus mit variabler Dämpfung werden die Vorspannungsströme entweder in Stufen oder kontinuierlich variiert, um die erforderliche Dämpfungsvariation zu erzielen.
• Da die Dämpfungseinheit, wenn sie ausgeschaltet ist, keine Quelle irgendeiner signifikanten Rauschleistung ist, weisen die Transistoren Q1 und Q2 jeweils eine Emitterfläche auf, die für die erforderliche maximale Dämpfung so klein wie möglich ist, um einen Rauschfluss von dem Substrat und den parasitären Widerständen (nicht gezeigt) zu begrenzen. In diesem Zustand spannt die Vorspannung von der Quelle Vr die Übergänge von Kollektor/Basis von Q1 und von Emitter/Basis von Q2 vor, um die Übergangskapazitäten zu verringern. Der maximale Wert dieser Sperrvorspannung ist durch die maximale sichere Sperrspannung für den Emitter/Basis-Übergang des Transistors Q2 beschränkt. Der Wert des Widerstands R2 sollte in der Größenordnung von 20 kΩ oder mehr liegen, um seinen Rauschbeitrag zu minimieren.
• Wenn die Dämpfungseinheit eingeschaltet ist, ist es erforderlich, dass sie sehr linear ist. Folglich sind die zwei Transistoren Q1 und Q2 umgekehrt parallel geschaltet. Die umgekehrt parallele Verbindung der Transistoren Q1 und Q2 stellt sicher, dass für irgendeine gegebene Polarität des Hochfrequenzeingangssignals einer von ihnen stets in "normalem" Betrieb ist, während der andere in der inversen Richtung arbeitet, was bewirkt, dass ihre kombinierten dynamischen Ausgangsimpedanzen über den interessierenden Spannungsbereich hinweg viel linearer sind.
• Die Basen der Transistoren Q1 und Q2 sind unabhängig vorgespannt, da der Transistor, der in der inversen Richtung arbeitet, eine niedrigere Eingangsimpedanz aufweist und den Hauptteil des Vorspannungsstroms "stehlen" könnte, wenn die Basen verbunden wären. Die Ausgangsimpedanz der zwei parallelen Transistoren bleibt über wenigstens + oder - 100 mV über die Kollektor-Emitter-Pfade hinweg linear, und der Kurzschlussstrom kann so hoch wie der Vorspannungsstrom multipliziert mit dem Vorwärts-Beta sein. Dies erzeugt eine lineare Dämpfung für Eingangssignalleistungen von bis zu 3 dBm bis 10 dBm in Abhängigkeit vom Dämpfungswert. Die maximale Eingangsleistung kann erhöht werden, wenn ein niederohmiger Widerstand R3 seriell zwischen den Punkt 1 und die miteinander verbundenen Kollektor- und Emitter-Elektroden der Transistoren Q1 beziehungsweise Q2 geschaltet wird. Dies verbessert außerdem die Linearität der Dämpfungseinheit 10, für den gleichen maximalen Pegel an Dämpfung müssen jedoch die Emitter- und Kollektorflächen der Transistoren Q1 und Q2 zusammen mit den Vorspannungsströmen vergrößert werden. Bei hohen Frequenzen resultieren diese größeren Flächen in einem höheren Rauschfluss von dem Substrat und den parasitären Widerständen.
• Für eine Erweiterung des Dämpfungsbereichs ist es möglich, zwei oder mehr Dämpfungseinheiten 10 parallel zu schalten.
• Die Dämpfungseinheit von Fig. 1 weist den Nachteil auf, dass die Eingangsimpedanz des Empfängers von der durch die Dämpfungseinheit bereitgestellten Dämpfung abhängig ist, was Anpassungsprobleme verursachen kann.
• Eine pin-Dioden-Dämpfungseinheit, wie jene in "Reducing IM Distortion in CDMA Cellular" von Dick Bain, RF Design, Dezember 1997, Seiten 46 bis 53 beschriebene, erfordert einen separaten Anpassungsschaltkreis, der eine große Fläche auf der Leiterplatte des Empfängers einnimmt. Ein verstärkungsgesteuerter LNA, wie jener in "A Direct Conversion Receiver for 900 MHz (ISM Band) Spread-Spectrum Digital Cordless Telephone" von Hull et al., IEEE J. Solid-State Circuits, Bd. 31, Nr. 12, 1996, Seiten 1955 bis 1963 offenbarte, kann auf dem Empfängerchip integriert werden, zeigt jedoch keine Verbesserungen in den Linearitätseigenschaften und der Leistungshandhabung direkt proportional zu den Dämpfungspegeln.
• Diese Erfindung stellt eine steuerbare Dämpfungseinheit gemäß Anspruch 1 bereit.
• Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 der begleitenden Zeichnungen beschrieben, die schematische Diagramme von Funkempfängern mit steuerbaren Dämpfungseinheiten gemäß der Erfindung darstellen.
• Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Funkempfängerschaltkreis 20 gezeigt, der seriell zwischen einem HF-Eingang 21 und einem HF-Ausgang 22 einen Anpassungsschaltkreis 23, einen steuerbaren Dämpfungsschaltkreis 24 und einen rauscharmen Verstärker 25 (LNA) beinhaltet. Der Dämpfungsschaltkreis 24 und der LNA 25 sind auf einem einzigen Chip integriert, während der Anpassungsschaltkreis 23 extern ist. Ein Eingang 26 des Dämpfungsschaltkreises 24 ist durch die Verbindung mit einer Spannungsquelle Vr über einen hochohmigen ersten Widerstand 27 vorgespannt. Ein n-leitender Bypass-Feldeffekttransistor 28 ist zwischen den Eingang 26 und einen Ausgang 29 der Dämpfungseinheit 24 über einen ersten Kondensator 30 eingeschleift. Der Kondensator 30 ermöglicht, dass der LNA 25 und die Dämpfungseinheit 24 unabhängig vorgespannt werden. Ein zweiter Kondensator 31 und ein zweiter Widerstand 32 sind seriell zwischen den Eingang 26 der Dämpfungseinheit und den ersten Kondensator 30 eingeschleift. Ein erster Erdungstransistor 33 ist zwischen einen an der Verbindungsstelle des zweiten Widerstands 32 mit dem ersten Kondensator 30 gebildeten Knoten und Massepotential über einen dritten Widerstand 34 eingeschleift. Die Impedanz des zweiten Kondensators 31 ist ungefähr gleich dem Wert des Imaginärteils der Eingangsimpedanz des LNA 25. Die Kapazität des ersten Kondensators 30 ist viel größer als die Kapazität des zweiten Kondensators 31. Die Summe der Widerstandswerte des zweiten Widerstands 32 und des dritten Widerstands 33 ist ungefähr gleich dem Realteil der Eingangsimpedanz des LNA 25. Die Betriebsweise des Dämpfungsschaltkreises 24 ist wie folgt.
• Wenn keine Dämpfung erforderlich ist, liegt ein Steuersignal X₁, das an die Gate-Elektrode des Erdungstransistors 33 angelegt ist, auf niedrigem Pegel, und X₂, das an die Gate-Elektrode des Bypass-Transistors angelegt ist, liegt auf hohem Pegel. Dies schaltet den Erdungstransistor 33 aus, wodurch der Ausgang 29 von Masse isoliert wird, und schaltet den Bypass-Transistor 28 ein, was den Eingang 26 mit dem Ausgang unter Umgehung des zweiten Widerstands 32 verbindet. Wenn der Bypass-Transistor 28 breit ist, schließt die parasitäre Kapazität seiner Source und Drain das Eingangssignal kurz und macht es anfällig für Substratrauschen. Wenn er hingegen schmal ist, ist sein Serienwiderstand hoch, was Rauschen erzeugt. Die Breite des Bypass-Transistors 28 wird in Abhängigkeit von dem Empfänger, mit dem er verwendet wird, als ein Kompromiss gewählt.
• Wenn eine Dämpfung erforderlich ist, wechselt X₁ auf niedrigen Pegel und X₂ auf hohen Pegel. Dies schaltet den Bypass-Transistor 28 aus, was dazu führt, dass der zweite Widerstand 32 insoweit aktiv wird, dass er dann Signale dämpft, die am Eingang empfangen werden. Der Erdungstransistor 33 wird eingeschaltet, wodurch ein Teil des am Eingang 26 empfangenen Signals mit Masse kurzgeschlossen wird. In diesem Zustand ist der Wert der bereitgestellten Dämpfung durch den Widerstandswert des zweiten Widerstands 32 und durch das Verhältnis des Widerstandswerts des zweiten Widerstands zu dem Widerstandswert des dritten Widerstands 34 festgelegt. Die Eingangsimpedanz der Dämpfungseinheit 24 ist ungefähr die gleiche, unabhängig davon, ob die Dämpfungseinheit 24 hinsichtlich der Dämpfung gesteuert ist oder nicht.
• Die Dämpfungseinheit 24 weist zwei Zustände auf, an und aus. Eine Dämpfungseinheit mit drei Zuständen ist in Fig. 3 gezeigt.
• Bezugnehmend auf Fig. 3 ist ein Funkempfänger 40 gezeigt, wobei für gleiche Elemente die Bezugszeichen des Funkempfängers von Fig. 2 beibehalten wurden. Zwischen den zweiten Widerstand 32 und den ersten Kondensator 30 ist ein erster serieller Transistor 41 eingefügt, dessen Gate-Elektrode so geschaltet ist, dass sie das Signal X₂ empfängt. Ein vierter Widerstand 42 und ein zweiter serieller Transistor 43 sind seriell zwischen den zweiten Kondensator 31 und den ersten Kondensator 30 geschaltet. Ein zweiter Erdungstransistor 44 ist zwischen einen an der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten seriellen Transistors 41, 43 und des ersten Kondensators 30 ausgebildeten Knoten und Massepotential über einen fünften Widerstand 45 eingeschleift. Der zweite serielle Transistor 43 und der zweite Erdungstransistor 44 empfangen gemeinsam ein Steuersignal X₃ an ihren Gate-Elektroden.
• Bei der Anordnung von Fig. 3 wird der erste serielle Transistor 41 eingeschaltet, und der erste Erdungstransistor wird ausgeschaltet, wenn das Signal X₂ auf hohem Pegel liegt. Wenn das Signal X₂ auf hohem Pegel liegt, liegen die Signale X₁ und X₃ auf niedrigem Pegel. In diesem Zustand legen die Widerstände 32 und 34 das Ausmaß an bereitgestellter Dämpfung fest. Wie bei der Anordnung von Fig. 2 ist die Summe der Widerstandswerte dieser Widerstände 32, 34 ungefähr gleich dem Realteil der Eingangsimpedanz des LNA 25.
• Die Summe der Widerstandswerte der Widerstände 42 und 45 ist ebenfalls gleich dem Realteil der Eingangsimpedanz des LNA 25. Die Werte dieser Widerstände unterscheiden sich jedoch von den Werten der Widerstände 42 und 45. Auf diese Weise führt die Bereitstellung eines Signals X₃ mit hohem Pegel und von Signalen X₁ und X₂ mit niedrigem Pegel, die dazu führt, dass der Widerstand 42 in dem Pfad zwischen dem Eingang und dem Ausgang aktiv ist, zu einem unterschiedlichen Grad an Dämpfung, während die Eingangsimpedanz der Dämpfungseinheit 24 im Wesentlichen unverändert ist. Wenn keine Dämpfung erforderlich ist, werden ein Signal X₁ mit hohem Pegel und Signale X₂ und X₃ mit niedrigem Pegel bereitgestellt.
• Die Dämpfungseinheit von Fig. 3 stellt somit drei verschiedene Dämpfungspegel bereit. Weitere Pegel können durch Einbauen weiterer Stufen bereitgestellt werden, wie für den Fachmann ersichtlich. Wenn ein hoher Dämpfungspegel durch eine derartige Stufe erforderlich ist, kann der Erdungstransistor jener Stufe direkt mit Masse verbunden werden, d. h. sein Widerstand kann weggelassen werden. Dämpfungseinheiten mit zwei oder mehr Dämpfungspegeln können als programmierbar, steuerbar oder schaltbar beschrieben werden.
• Unter bestimmten Umständen kann die Vorspannung Vr auf null Volt oder Masse gesetzt werden, was ermöglicht, dass die Dämpfungseinheit 24 ohne eine Gleichstromversorgung in jeglichem Betriebszustand verwendet werden kann.
• Die Rauschzahl eines mit der Dämpfungseinheit 24 aufgebauten Schaltkreises kann durch die Verwendung von Kondensatoren verbessert werden, die von dem Substrat abgeschirmt sind, auf dem sie ausgebildet sind.
• Wenngleich die Ausführungsformen Feldeffekttransistoren verwenden, kann die Erfindung auch unter Verwendung von Bipolartransistoren implementiert werden.

Claims (7)

1. Steuerbare Dämpfungseinheit mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei die Dämpfungseinheit beinhaltet:
ein erstes resistives Element und einen ersten Kondensator, die seriell zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet sind;
einen ersten steuerbaren Nebenschlusstransistor, der zwischen den Ausgang und einen Versorgungsanschluss über ein zweites resistives Element eingeschleift ist; und
einen steuerbaren Bypass-Transistor, der zwischen den Eingang und den Ausgang eingeschleift ist.

2. Steuerbare Dämpfungseinheit nach Anspruch 1, die des Weiteren einen ersten seriellen Transistor beinhaltet, der seriell mit dem ersten resistiven Element verbunden ist, wobei der erste serielle Transistor so angeordnet ist, dass er in Verbindung mit dem ersten Nebenschlusstransistor geschaltet wird.

3. Steuerbare Dämpfungseinheit nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die des Weiteren ein drittes resistives Element und einen zweiten steuerbaren seriellen Transistor, die seriell zwischen den Eingang und den Ausgang eingeschleift sind, sowie einen zweiten steuerbaren Nebenschlusstransistor beinhaltet, der zwischen den Ausgang und den Versorgungsanschluss über ein drittes resistives Element eingeschleift ist, wobei der zweite serielle Transistor so angeordnet ist, dass er in Verbindung mit dem zweiten Nebenschlusstransistor geschaltet wird.

4. Steuerbare Dämpfungseinheit nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die des Weiteren einen zweiten Kondensator beinhaltet, der zwischen den Ausgang und den ersten Nebenschlusstransistor eingeschleift ist.

5. Steuerbare Dämpfungseinheit nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die des Weiteren eine Quelle einer Gleichstrom- Vorspannung beinhaltet, die mit dem Eingang verbunden ist.

6. Steuerbare Dämpfungseinheit, im Wesentlichen wie in Fig. 2 oder Fig. 3 der begleitenden Zeichnungen gezeigt und/oder unter Bezugnahme auf diese beschrieben.

7. Funkempfänger, der eine steuerbare Dämpfungseinheit nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch beinhaltet.