DE19945709C2 - Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunkts eines Leistungsverstärkers und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunkts eines Leistungsverstärkers und deren Ver­ wendung.

Lineare Leistungsverstärker werden bei sehr kleinem Ruhestrom betrieben, um hohe Wirkungsgrade, insbesondere bei reduzier­ ten Ausgangsleistungen zu erreichen. Die elektrischen Eigen­ schaften eines solchen, im Class AB Betrieb betriebenen Ver­ stärkers, sind sehr stark vom Wert des Ruhestroms abhängig. Innerhalb des gesamten Temperaturbereichs, in dem der Lei­ stungsverstärker betrieben wird, ist ein konstanter Ruhestrom Voraussetzung für konstante und reproduzierbare elektrische Kenndaten. Aufgrund der hohen Basis-Emitter-Durchlaßspannung UBE bei einem Heterobipolartransistor, im folgenden auch als HBT bezeichnet, von typischerweise 1,3 V und einer zugleich niedrigen Versorgungsspannung von 3 V ist eine exakte Ruhe­ stromeinstellung problematisch.

In Grebene, Alan B.: Bipolar and MOS analog integrated cir­ cuit design, New York [u. a.]: John Wiley & Sons, 1984, S. 174 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Stromspiegelschaltung beschrieben. Diese weist einen zusätzlichen Transistor auf, durch den die Basisanschlüsse der jeweiligen Stromspiegel­ transistoren gespeist werden.

In EP 0 942 524 A2 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Funkfrequenzverstärker beschrieben. Dieser weist insbesondere eine Verstärkerschaltung mit einem Leistungstransistor auf, dessen Arbeitspunkt von einer Steuerschaltung geregelt wird.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung zur Einstel­ lung des Arbeitspunkts für einen Leistungsverstärker besteht das Problem, das der zur Verfügung stehende maximale Span­ nungshub nicht ausreicht, um eine stabile Arbeitspunktein­ stellung zu gewährleisten. Die in Fig. 1 gezeigte Schal­ tungsanordnung zur Arbeitspunkteinstellung weist eine Span­ nungsquelle auf, die eine Spannung U erzeugt. Über einen Wi­ derstand RAP ist die Spannungsquelle sowohl mit dem Steuer­ eingang eines ersten Verstärkertransistors TV1 als auch einem als Diode arbeitenden ersten Transistor TAP1 verbunden. Der erste Transistor TAP1 ist über einen zweiten ebenfalls als Diode arbeitenden Transistor TAP2 mit einem ersten Bezugspo­ tential GND verbunden. Erzeugt die Spannungsquelle eine Aus­ gangsspannung U von 3 V, so fallen an den beiden Transistoren TAP1 und TAP2, da diese jeweils Heterobipolar-Transistoren sind, jeweils 1,3 V ab. Dadurch können am Widerstand RAP nur­ mehr maximal 0,4 V abfallen. Die Basis-Emitter-Spannung UBE schwankt mit ca. 2 mV pro K. Dies hat zur Folge, daß der Spannungshub oftmals nicht ausreicht, um eine stabile Ar­ beitspunkteinstellung zu gewährleisten.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunkts eines Leistungsverstärkers an­ zugeben, bei der der Ruhestrom unabhängig von der Temperatur möglichst konstant ist und ein möglichst stabiler Ar­ beitspunkt gewährleistet ist, sowie eine Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung anzugeben.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunkts eines Leistungsverstärkers mit den im Pa­ tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst, sowie durch die Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 7.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Regelung des Ar­ beitspunkts eines Leistungsverstärkers weist einen Stromspie­ gel mit einem ersten und einem zweiten Heterobipolartransi­ stor auf. Ein dritter und ein vierter Transistor sind in Emitterschaltung vorgesehen, wobei der Steuereingang des dritten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Heterobipo­ lartransistors und der Steuereingang des vierten Transistors mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden sind. Ein fünfter Transistor ist in Kollektorschaltung vorgesehen. Der Steuereingang des fünften Transistors ist mit dem Kollektor des vierten Transistors und dessen Emitter mit dem Steuerein­ gang des zweiten Heterobipolar-Transistors verbunden. Eine Spannungsquelle ist über einen Widerstand mit dem Kollektor des zweiten Heterobipolartransistors, über einen weiteren Wi­ derstand mit dem Kollektor des dritten Transistors, über ei­ nen zweiten weiteren Widerstand mit dem Kollektor des vierten Transistors und mit dem Kollektor des fünften Transistors verbunden.

Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Heterobipo­ lartransistor derart aufgebaut und zueinander angeordnet, daß sie die gleichen thermischen Eigenschaften aufweisen.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß der erste und zweite He­ terobipolartransistor in einem integrierten Schaltkreis in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.

Der zweite Heterobipolartransistor kann Teil des ersten He­ terobipolartransistors sein.

Es ist zusätzlich von Vorteil, daß der dritte, der vierte und der fünfte Transistor jeweils ein Heterobipolartransistor sind.

Zur Unterdrückung von hochfrequenten Störsignalanteilen ist vorteilhafter Weise zwischen die Steuereingänge des zweiten, dritten, vierten und fünften Transistors und ein Bezugspoten­ tial jeweils ein Kondensator geschaltet.

Die Schaltungsanordnung findet vorteilhafter Weise in einem Mobiltelefon Verwendung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Regelung des Ar­ beitspunkts eines Leistungsverstärkers wird im folgenden an­ hand zweier Figuren weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Arbeitspunktein­ stellung herkömmlicher Art.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunktes eines Leistungsverstärkers.

Auf die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung wurde bereits in der Beschreibungseinleitung eingegangen. Zur Erläuterung der Schaltung wird deshalb auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Die in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunktes eines Leistungsverstärkers weist einen ersten Heterobipolartransistor HBT1 auf, der zu­ sammen mit einem zweiten Heterobipolartransistor HBT2 einen Stromspiegel bildet. Das zu verstärkende Eingangssignal liegt an der Klemme E an und wird über eine Kapazität C1 dem Steu­ ereingang des ersten Heterobipolartransistors HBT1 zugeführt. Das durch den ersten Heterobipolartransistor HBT1 verstärkte Signal ist an der Ausgangsklemme A, welche über eine Kapazi­ tät C2 mit dem Kollektor des ersten Heterobipolartransistors HBT1 verbunden ist, abgreifbar. Der Kollektor des ersten He­ terobipolartransistors HBT1 ist zusätzlich über eine Indukti­ vität L1 mit einer Spannungsquelle, die eine Spannung U2 er­ zeugt, verbunden. Der Emitter des ersten Heterobipolartransi­ stors HBT1 liegt auf einem Bezugspotential GND. Ein Wider­ stand R1 verbindet die beiden Steuereingänge der Heterobipo­ lartransistoren HBT1 und HBT2. Der Steuereingang des zweiten Heterobipolartransistors HBT2 ist zusätzlich über eine Kapa­ zität C mit dem Bezugspotential GND verbunden. Eine Span­ nungsquelle, die eine Ausgangsspannung U erzeugt, ist einer­ seits mit dem Bezugspotential GND und andererseits über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Kollektor des zweiten Heterobi­ polartransistors HBT2, über einen dritten Widerstand R3 mit dem Kollektor eines dritten Transistors T3, über einen vier­ ten Widerstand R4 mit dem Kollektor eines vierten Transistors T4 und dem Kollektor eines fünften Transistors T5 verbunden. Der Steuereingang des dritten Transistors T3 ist einerseits mit dem Kollektor des zweiten Heterobipolartransistors HBT2 und andererseits über eine Kapazität C mit dem Bezugspotential GND verbunden. Die Emitteranschlüsse des dritten Transistors T3 und des vierten Transistors T4 sind jeweils mit dem Be­ zugspotential GND verbunden, wohingegen der Emitteranschluß des fünften Transistors T5 mit dem Steuereingang des zweiten Heterobipolartransistors HBT2 verbunden ist. Der Steuereingang des vierten Transistors T4 ist sowohl mit dem Kollektor des dritten Transistors T3, dem dritten Widerstand R3 als auch über eine Kapazität C mit dem Bezugspotential GND ver­ bunden. Entsprechend ist auch der Steuereingang des fünften Transistors T5 sowohl mit dem Kollektor des vierten Transi­ stors T4, dem vierten Widerstand R4 als auch über eine Kapa­ zität C mit dem Bezugspotential GND verbunden. Der Emitter des zweiten Heterobipolartransistors HBT2 ist mit dem Bezugs­ potential GND verbunden. Die Eingangsklemme E ist neben der Kapazität C1 auch mit einer Wechselspannungsquelle verbunden.

Sämtliche Transistoren HBT1, HBT2, T3, T4, T5 sind in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 als npn-Transistoren ausge­ führt.

Der dritte, vierte und fünfte Transistor T3, T4 und T5 sind vorteilhafterweise jeweils als Heterobipolartransistor ausge­ führt.

Der erste und der zweite Heterobipolartransistor HBT1 und HBT2 sind vorteilhafterweise derart aufgebaut und zueinander angeordnet, daß sie die gleichen thermischen Eigenschaften aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der erste und der zweite Heterobipolartransistor HBT1, HBT2 in einem integrierten Schaltkreis in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind. Zusätzlich kann der zweite He­ terobipolartransistor HBT2 Teil des ersten Heterobipolartran­ sistors HBT1 sein. So kann der zweite Heterobipolartransistor HBT2 als Referenztransistor ein Finger des als Endstufentran­ sistors ausgeführten ersten Heterobipolartransistors HBT1 sein.

Im folgenden wird das Funktionsprinzip der Schaltungsanord­ nung gemäß Fig. 2 beschrieben. Unter der Annahme, daß sich die Temperatur erhöht, erhöht sich auch der Kollektorstrom ICHBT2 des zweiten Heterobipolartransistors HBT2. Damit er­ höht sich auch der Strom IR2 durch den zweiten Widerstand R2.

Eine Erhöhung des Kollektorstroms ICHBT2 im zweiten Heterobi­ polartransistor HBT2 hat zur Folge, daß die Kollektoremitter­ spannung im zweiten Heterobipolartransistor HBT2 sinkt. Damit sinkt auch die Basisemitterspannung am dritten Transistor T3 und auch der Basisstrom IBT3 des dritten Transistors T3. Dies wiederum hat zur Folge, daß die Kollektoremitterspannung am dritten Transistor T3 steigt, wo hingegen die Kollektoremit­ terspannung am vierten Transistor T4 sinkt. Damit sinkt auch die Basisemitterspannung am fünften Transistor T5, die Kol­ lektoremitterspannung am fünften Transistor T5, die Basise­ mitterspannung am zweiten Heterobipolartransistor HBT2 und der Basisstrom IBHBT2 des zweiten Heterobipolartransistors HBT2. Dadurch ist der durch die eingangs angenommene Tempera­ turerhöhung bewirkte Erhöhung des Kollektorstroms ICHBT2 des zweiten Heterobipolartransistors HBT2 wirksam entgegnet wor­ den. Die Temperaturerhöhung kann damit kompensiert werden. Das gleiche gilt entsprechend auch für eine Temperaturverrin­ gerung.

Der dritte und der vierte Transistor T3 und T4 dienen jeweils zur Erhöhung des Spannungshubs und zur 180° Phasendrehung.

Der in der Kollektorgrundschaltung angeordnete fünfte Transi­ stor T5 dient als Impedanzwandler und hat einen niederohmigen Ausgang.

Der Flächenbedarf des zweiten bis fünften Transistors HBT2, T3, T4, T5 kann klein gehalten werden, da diese Transistoren lediglich zur Steuerung des ersten Heterobipolartransistors HBT1 dienen.

Die Kapazitäten C dienen als Filter zur Vermeidung von stö­ renden Hochfrequenzsignalanteilen.

Der dritte Transistor T3 in Ermittergrundschaltung dient als Verstärker und erzeugt ein um 180° gegenüber seinem Eingangs­ signal phasenverschobenes Ausgangssignal. Entsprechendes gilt für den vierten Transistor T4. Der fünfte Transistor T5 in Kollektorgrundschaltung erzeugt keine Phasenverschiebung zwi­ schen seinem Eingangs- und Ausgangssignal. Ebensowenig wird durch den fünften Transistor T5 dessen Eingangssignal ver­ stärkt.

Für den Kollektorstrom ICHBT1 des ersten Heterobipolartransi­ stors HBT1 gilt in erster Näherung folgende Gleichung:

Vorteilhafterweise kann durch die in Fig. 2 gezeigte erfin­ dungsgemäße Schaltungsanordnung die am zweiten Widerstand R2 abfallende Spannung gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Schal­ tungsanordnung und der am Widerstand RAP abfallenden Spannung erhöht werden. Dadurch ist ein größerer Spannungshub und eine bessere Temperaturkompensation möglich. Wird beispielsweise mit der Spannungsquelle eine Spannung U von 3 V erzeugt, so können bei der Schaltung gemäß Fig. 2 am zweiten Widerstand R2 ca. 1,7 V abfallen, welche sich aus der Differenz zwischen der von der Spannungsquelle erzeugten Spannung (U = 3 V) und der am zweiten Heterobipolartransistor HBT2 abfallenden Kollek­ tormitterspannung in Höhe von ca. 1,3 V bis 1,4 V ergibt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung fallen am Wider­ stand RAP lediglich maximal 0,4 V ab.

Je ähnlicher sich die beiden Heterobipolar-Transisoren HBT1 und HBT2 bezüglich ihrer thermischen Eigenschaften sind, de­ sto besser funktioniert die Temperaturkompensation.

Der dritte Transistor T3, der vierte Transistor T4 und der fünfte Transistor T5 sind vorteilhafterweise ebenfalls He­ terobipolartransistoren. Dies ist jedoch nicht zwingend er­ forderlich. Die Transistoren T3 bis T5 können auch Bipolar­ transistoren sein.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Regelung des Arbeitspunkts eines Leistungsverstärkers,
bei der ein Stromspiegel mit einem ersten und einem zweiten Heterobipolartransistor (HBT1, HBT2) vorgesehen ist, bei der ein dritter und ein vierter Transistor (T3, T4) in Emitterschaltung vorgesehen sind, wobei der Steuereingang des dritten Transistors (T3) mit dem Kollektor des zweiten He­ terobipolartransistors (HBT2) und der Steuereingang des vier­ ten Transistors (T4) mit dem Kollektor des dritten Transi­ stors (T3) verbunden sind,
bei der ein fünfter Transistor (T5) in Kollektorschaltung vorgesehen ist, und dessen Steuereingang mit dem Kollektor des vierten Transistors (T4) und dessen Emitter mit dem Steu­ ereingang des zweiten Heterobipolartransistors (HBT2) verbun­ den ist,
bei der eine Spannungsquelle vorgesehen ist, die über einen Widerstand (R2) mit dem Kollektor des zweiten Heterobipolar­ transistors (HBT2), über einen weiteren Widerstand (R3) mit dem Kollektor des dritten Transistors (T3), über einen zwei­ ten weiteren Widerstand (R4) mit dem Kollektor des vierten Transistors (T4) und mit dem Kollektor des fünften Transi­ stors (T5) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Heterobipolartransistor (HBT1, HBT2) derart aufgebaut und zueinander angeordnet sind, daß sie die gleichen thermischen Eigenschaften aufweisen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste und der zweite Heterobipolartransistor (HBT1, HBT2) in einem integrierten Schaltkreis in unmittelba­ rer Nähe zueinander angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zweite Heterobipolartransistor (HBT2) Teil des ersten Heterobipolartransistors (HBT1) ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der dritte, der vierte und der fünfte Transistor (T3, T4, T5) jeweils ein Heterobipolartransistor ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der zwischen die Steuereingänge des zweiten, dritten, vierten und fünften Transistors (HBT2, T3, T4, T5) und ein Bezugspotential jeweils ein Kondensator (C) geschaltet ist.

7. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, in einem Mobiltelefon.