DE10000484A1 - Spannung/Strom-Wandler - Google Patents

Abstract

Ein Spannung/Strom-Wandler verfügt über ein erstes Paar Bauteile mit langen Verbindungsleitungen mit Transistoren T1 und T2, deren Emitter über Widerstände R1 und R2 von gleichem Wert mit einer Konstantstromquelle CC1 verbunden sind. Dieses erste Paar bildet eine Transkonduktanz-Hauptstufe. Eine Transkonduktanz-Hilfsstufe oder -Korrekturstufe ist gegenphasig an die Hauptstufe angeschlossen. Die Korrekturstufe beruht auf einem anderen Paar Bauteile mit langen Verbindungsleitungen mit Transistoren T3 und T4, deren Emitter über Widerstände R3 und R4 mit einer anderen Konstantstromquelle CC2 verbunden sind. Der lineare Teil der Transkonduktanz der Korrekturstufe ist wesentlich kleiner als derjenige der Hauptstufe, jedoch ist der nichtlineare Teil im Wesentlichen dem der Hauptstufe gleich. So kann die nichtlineare Verzerrung wesentlich verringert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannung/Strom-Wandler, wie er nachfolgend kurz als Wandler bezeichnet wird. Derartige Wandler werden vielfach eingesetzt, z. B. in rauscharmen Verstärkern (LNA = Low Noise Amplifier), Mischern und bei automatischer Verstärkungsregelung (AGR).

Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ei­ nen bekannten Typ eines derartigen Wandlers oder einen "Transduktorverstärker", der auf einem Paar aktiver Bautei­ le, die als erster und zweiter npn-Transistor T1 und T2 dar­ gestellt sind, mit langen Anschlussleitungen beruht. Die Emitter der Transistoren T1 und T2 sind über Widerstände R1 bzw. R2 mit einem Anschluss einer Stromquelle mit langen Verbindungsleitungen in Form einer Konstantstromquelle CC1 verbunden, deren anderer Anschluss mit Masse gnd verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren T1 und T2 erzeugen Differenzstrom-Ausgangssignale OUT1 bzw. OUT2 des Wandlers. Die Basisanschlüsse der Transistoren T1 und T2 sind mit Dif­ ferenzeingangsanschlüssen IN1 bzw. IN2 und über Widerstände R5 und R6 mit einer Vorspannungsquelle BS verbunden.

Bei relativ niedrigen Differenzeingangsspannungen in den in Fig. 1 dargestellten Wandler ist die Transkonduktanz oder das Vorwärtsleitvermögen im Wesentlichen linear, so dass der Differenzausgangsstrom im Wesentlichen proportional zur Dif­ ferenzeingangsspannung ist. Jedoch ist die Transkonduktanz tatsächlich nicht linear, sondern sie enthält nichtlineare Terme, die zu Verzerrungen führen. Die Hauptnichtlinearität innerhalb der Transkonduktanz ist von dritter Ordnung oder kubischer Form, und die Transkonduktanz gm kann wie folgt geschrieben werden:

gm = gml.v + α.v³ (1)

wobei gml die Kleinsignal-Transkonduktanz ist, v die Diffe­ renzeingangsspannung ist und α eine Konstante ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannung/­ Strom-Wandler mit verbesserter Linearität zu schaffen.

Diese Aufgabe ist durch den Wandler gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge­ staltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Es hat sich herausgestellt, dass die nichtlinearen Terme der Transkonduktanz, wie der kubische Term, dadurch im Wesentli­ chen aufgehoben, oder stark verringert, werden können, dass eine zweite Transkonduktanzstufe gegenphasig zu einer ersten Hauptstufe geschaltet wird. Die zweite oder "korrigierende" Transkonduktanzstufe kann so ausgebildet werden, dass sie wesentlich weniger Energie als die Hauptstufe verbraucht und, wegen Störsignalen, parallel zur Hauptstufe geschaltet ist. Die Transkonduktanz der Hauptstufe ist wesentlich grö­ ßer als die der Korrekturstufe, so dass die Transkonduktanz- Hauptstufe die dominierende Störsignalquelle bleibt und da­ her das Störsignalverhalten nicht wesentlich beeinträchtigt ist.

Daher ist es möglich, einen Spannung/Strom-Wandler mit we­ sentlich verbesserter Linearität zu schaffen, ohne dass an­ dere Funktionseigenschaften, wie der Energieverbrauch und die Störsignalerzeugung, wesentlich oder in nicht akzeptier­ barer Weise beeinträchtigt werden. Dies wird durch das Hin­ zufügen nur einer relativ kleinen Anzahl von Komponenten zum Wandler erzielt, so dass der Kostenmangel unwesentlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines bekannten Spannung/Strom- Wandlers;

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Wandlers gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 ist ein Schaltbild zum Veranschaulichen einer Anwen­ dung des Wandlers der Fig. 2 in einer Mischstufe eines Su­ perheterodynempfängers.

In allen Zeichnungen sind gleiche Teile mit denselben Be­ zugszahlen gekennzeichnet.

Der in Fig. 2 dargestellte Wandler beruht auf dem bekann­ ten, in Fig. 1 dargestellten Typ eines Wandlers dahinge­ hend, dass er eine Transkonduktanz-Hauptstufe in Form eines Paars Bauteile mit langen Verbindungsleitungen aufweist, nämlich mit Transistoren T1 und T2, Emitterwiderständen R1 und R2 desselben Werts, einer Konstantstromquelle CC1 sowie Widerständen R5 und R6 zum Vorbelasten der Transistoren T1 und T2 mit der Spannung einer Vorspannungsquelle BS. Diese Stufe ist im Wesentlichen mit dem in Fig. 1 dargestellten Wandler identisch, und sie arbeitet auf dieselbe Weise. Ins­ besondere unterliegt die Transkonduktanz derselben Nichtli­ nearität, und sie kann, mit einer Näherung von zumindest zweiter Ordnung, durch den Ausdruck (1) wiedergegeben wer­ den.

Der Wandler der Fig. 2 verfügt über eine Transkonduktanz- Hilfsstufe oder -Korrekturstufe, die ebenfalls vom Typ eines Paars mit langen Verbindungsleitungen ist, die jedoch gegen­ phasig zur ersten Stufe geschaltet ist. Die Korrekturstufe verfügt über einen dritten und einen vierten pnp-Transistor T3 und T4, deren Emitter über Widerstände R3 bzw. R4 mit ei­ nem Anschluss einer zweiten Konstantstromquelle CC2 verbun­ den sind, deren anderer Anschluss mit einer Versorgungslei­ tung VCC verbunden ist. Die Basis des Transistors T3 ist mit der Basis des Transistors T1 verbunden, wohingegen die Basis des Transistors T4 mit der Basis des Transistors T2 verbun­ den ist. Der Kollektor des Transistors T3 ist mit dem Emit­ ter des Transistors T2 verbunden, wohingegen der Kollektor des Transistors T4 mit dem Emitter des Transistors T1 ver­ bunden ist. Die Korrekturstufe empfängt so dasselbe Diffe­ renzeingangssignal wie die Hauptstufe, jedoch werden die Differenzausgangsströme über die Widerstände R1 und R2 ge­ genphasig geliefert.

Die Widerstände R3 und R4 sind vom selben Wert, und sie sind, in Kombination mit dem von der Konstantstromquelle CC2 gelieferten Strom, dergestalt, dass die Transkonduktanz der Korrekturstufe einen linearen Term aufweist, der wesentlich kleiner als der lineare Term der Transkonduktanz der Haupt­ stufe ist, sowie Verzerrungsterme, wie den Verzerrungsterm der Ordnung oder den kubischen Term, die im Wesentlichen dem Verzerrungsterm oder den Termen in der Transkonduktanz der Hauptstufe entsprechen. Typischerweise ist der Wert jedes der Widerstände R3 und R4 zwischen vier und fünf Mal höher als derjenige der Widerstände R1 und R2. Ebenfalls ist typi­ scherweise der durch die erste Konstantstromquelle CC1 ge­ lieferte Strom im Wesentlichen zehn Mal höher als der durch die zweite Konstantstromquelle CC2 gelieferte Strom. Jedoch können diese Werte vom Fachmann leicht ausgewählt oder ein­ gestellt werden, z. B. unter Verwendung von Simulationstech­ niken, um die nichtlineare Verzerrung zu minimieren.

Obwohl das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel auf Bipolartransistoren beruht, können beliebige andere aktive Bauteile verwendet werden, wie Feldeffekttransistoren, CMOS- Bauteile und Galliumarsenid-Bauteile. Im Fall eines Feldef­ fekttransistors oder anderer Bauteile mit "quadratischer" Übergangsfunktion ist der Term dritter Ordnung oder der ku­ bische Term bereits relativ klein, jedoch kann diese Technik dazu verwendet werden, für eine wesentliche Verbesserung der Linearität bei wenig oder nur geringen Einbußen hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Störsignalerzeugung zu sorgen.

Der in Fig. 2 dargestellte Wandler verfügt über viele An­ wendungsmöglichkeiten, von denen in der Fig. 3 nur eine nur beispielhaft veranschaulicht ist. Der Wandler ist für einpo­ lige Eingangssignale beschaltet, wie in Fig. 2 dargestellt. So ist der Eingang IN2 durch einen Kondensator C2 wechsel­ spannungsmäßig geerdet, wohingegen der andere Eingang IN1 über einen Kopplungskondensator C1 zum Sperren von Gleich­ strom verfügt. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Ausgänge OUT1 und OUT2 mit einem Frequenzwandler oder einem Mischer vom Gilbert-Typ verbunden, um die Frequenz rf eines Eingangssignals durch den Superheterodyneffekt mit dem Dif­ ferenzausgangssignal lo-, lo+ eines Ortsoszillators zu än­ dern.

Der Mischer verfügt über Transistoren T5 und T6, die als Paar mit langen Verbindungsleitungen angeschlossen sind, wo­ bei der Reststrom vom Ausgang OUT1 des Wandlers 1 geliefert wird. Ein weiteres Paar mit langen Verbindungsleitungen mit Transistoren T7 und T8 liefert seinen Reststrom in ähnlicher Weise über den Ausgang OUT2 des Wandlers 1. Die Basisan­ schlüsse der Transistoren T6 und T7 sind mit einem Eingangs­ anschluss IN3 verbunden, wohingegen die Basisanschlüsse der Transistoren T5 und T8 mit einem Eingangsanschluss IN4 ver­ bunden sind. Die Kollektoren der Transistoren T5 und T7 sind über einen Lastwiderstand R7 mit der Versorgungsleitung vcc verbunden, wohingegen die Kollektoren der Transistoren T6 und T8 über einen Lastwiderstand R8 mit der Versorgungslei­ tung vcc verbunden sind. Die Ausgangssignale des Mischers entstehen an den Lastwiderständen R7 und R8. So kann, wenn ein ausgeglichenes oder Differenzausgangssignal erforderlich ist, dasselbe an den beiden Widerständen R7 und R8 abgegrif­ fen werden. Alternativ kann, wenn ein einpoliges oder nicht ausgeglichenes Ausgangssignal erforderlich ist, dasselbe an einem der Widerstände R7 und R8 abgegriffen werden.

Im Fall des in Fig. 3 dargestellten Mischers sorgt die Li­ nearitätsverbesserung für ein reineres Ausgangssignal des Mischers. Zum Beispiel verringert eine Verringerung von Ver­ zerrungstermen dritter Ordnung, oder deren Fehlen, Verzer­ rungskomponenten der dritten Harmonischen im Mischeraus­ gangssignal oder beseitigt sie im Wesentlichen.

Im Wesentlichen dieselbe Schaltungsanordnung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, kann auch dazu verwendet werden, eine Verstärkungsregelung zum Beispiel in einem Radioempfänger aufzubauen. Zum Beispiel kann eine Zwischenfrequenz(ZF)-Ver­ stärkerstufe die in Fig. 3 dargestellte Form aufweisen. In diesem Fall wirken die Transistoren T5 bis T8 als Verstär­ kerstufe, und der Wandler 1 empfängt die Spannung zur auto­ matischen Verstärkungsregelung, um die Verstärkung des Ver­ stärkers einzustellen.

Claims (11)

1. Spannung/Strom-Wandler mit einem ersten Paar Bauteilen mit langen Verbindungsleitungen mit einem ersten und einem zweiten aktiven Bauteil (T1, T2) von erstem Leitungstyp und einer ersten Reststromquelle (CC1), wobei das erste und das zweite aktive Bauteil jeweils einen Ausgangsanschluss, einen Steueranschluss und einen gemeinsamen Anschluss aufweisen, gekennzeichnet durch ein zweites Paar Bauteile mit langen Verbindungsleitungen mit einem dritten und einem vierten ak­ tiven Bauteil (T3, T4) vom zweiten Leitungstyp, der dem ers­ ten Leitungstyp entgegengesetzt ist, und mit einer zweiten Reststromquelle (CC2), wobei der Steueranschluss des dritten aktiven Bauteils mit dem Steueranschluss des ersten aktiven Bauteils verbunden ist, während sein Ausgangsanschluss mit dem gemeinsamen Anschluss des zweiten aktiven Bauteils ver­ bunden ist, und wobei der Steueranschluss des vierten akti­ ven Bauteils mit dem Steueranschluss des zweiten aktiven Bauteils verbunden ist und sein Ausgangsanschluss mit dem gemeinsamen Anschluss des ersten aktiven Bauteils verbunden ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Anschlüsse des ersten und zweiten aktiven Bauteils (T1, T2) über einen ersten bzw. einen zweiten Wi­ derstand (R1, R2) mit im Wesentlichen demselben ersten Wert mit der ersten Reststromquelle (CC1) verbunden sind.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reststromquelle (CC1) eine erste Konstant­ stromquelle aufweist.

4. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Anschlüsse des dritten und des vierten aktiven Bauteils (T3, T4) über einen dritten bzw. einen vierten Widerstand (R3, R4) mit im Wesentlichen demselben zweiten Wert mit der zweiten Reststromquelle (CC2) verbunden sind.

5. Wandler nach Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert größer als der erste ist.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert im Wesentlichen zwischen dem Vier- und dem Fünffachen des ersten Werts liegt.

7. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reststromquelle (CC2) eine zweite Konstantstromquelle aufweist.

8. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reststrom des ersten Paars Bauteile (T1, T2) mit langen Verbindungsleitungen größer als der Reststrom des zweiten Paars Bauteile (T3, T4) mit langen Verbindungsleitungen ist.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reststrom des ersten Paars Bauteile (T1, T2) mit langen Verbindungsleitungen im Wesentlichen das Zehnfache des Rest­ stroms des zweiten Paars Bauteile (T3, T4) mit langen Ver­ bindungsleitungen ist.

10. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bis vierte aktive Bauteil (T1-T4) jeweils einen Bipolartransistor aufweist, dessen Ausgangs-, Steuer- und gemeinsamer Anschluss aus einer Kol­ lektor-, einer Basis- bzw. einer Emitterelektrode bestehen.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das erste bis vierte aktive Bauteil je­ weils einen Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Aus­ gangs-, Steuer- und gemeinsamer Anschluss aus einer Drain-, Gate- bzw. Sourceelektrode bestehen.