DE102004039830A1

DE102004039830A1 - Verstärkerschaltung mit einstellbarer wertdiskreter Verstärkung, Verwendung der Verstärkerschaltung und Verfahren zum Betreiben eines wertdiskret einstellbaren Verstärkers

Info

Publication number: DE102004039830A1
Application number: DE102004039830A
Authority: DE
Inventors: Zdravko Boos
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-18
Also published as: US7242251B2; DE102004039830B4; US20060049875A1

Abstract

Es ist eine Verstärkerschaltung angegeben, in der eine erste Verstärkerstufe (V1) und zumindest eine zweite Verstärkerstufe (V1') jeweils zwischen Signaleingang (I) und Signalausgang (O) angeordnet sind. Sie sind mit einem ersten Verstärkungsfaktor sowie einem Schalteingang ausgebildet. Weiterhin enthält die Verstärkerschaltung eine dritte Verstärkerstufe (V2) mit einem zweiten Verstärkungsfaktor, die zwischen Signaleingang (I) und Signalausgang (O) angeordnet ist. Eine Steuerschaltung (21) ist zur Verstärkungseinstellung mit jeder Verstärkerstufe (V1, V2) gekoppelt. Die Steuerschaltung weist einen ersten Steuerblock (211), ausgebildet für eine Eintaktsignalverarbeitung, und einen zweiten Steuerblock, ausgebildet für eine Gegentaktsignalverarbeitung, auf. Bei einer Verstärkungsänderung der ersten und zumindest einer zweiten Verstärkerstufe (V1, V1') ist sie zur Zuführung von Steuersignalen des ersten Steuerblocks (211) an die Verstärkerstufe (V1, V1') und bei einer Verstärkungsänderung der zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V2) zur Zuführung von Steuersignalen des zweiten Steuerblocks an alle Verstärkerstufen (V1, V1', V2) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit einer wertdiskret einstellbaren Verstärkung sowie seine Verwendung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines wertdiskret einstellbaren Verstärkers.
Die Einführung von Mobilfunksystemen der dritten Generation erfordern eine sehr genaue Einhaltung von Leistungspegeln abgestrahlter Signale. So verlangt beispielsweise der Mobilfunkstandard UMTS/WCDMA eine Steuerung der abgegebenen Sendeleistung, damit die mehreren auf einem Frequenzband sendenden Nutzer sich nicht gegenseitig zu stark stören. Die Leistungssteuerung, die sowohl von den Basisstationen als auch den Mobilstationen durchgeführt wird, sieht einen "weichen Übergang" zwischen zwei verschiedenen Signalpegeln während eines Sende- oder eines Empfangsvorgangs vor, so dass dabei Störsignale vermieden werden. Es besteht somit die grundsätzliche Forderung, einerseits die spektralen Forderungen des jeweiligen Mobilfunkstandards einzuhalten und andererseits einen Phasen- bzw. Amplitudenfehler des abgestrahlten Signals zu reduzieren.
Für den Mobilfunkstandard der dritten Generation UMTS/WCDMA und den Standard CDMA2000 ist ein Kontrollbereich von 80 dB mit einer Genauigkeit von 1 dB spezifiziert. Für diese Anforderungen können sowohl reine spannungsgesteuerte Verstärker als auch wertdiskrete und programmierbare Verstärker verwendet werden.
In einem programmierbaren Verstärker (PGC Programmable Gain controlled Amplifier) werden gewöhnlich Verstärkerstufen mit einer hohen Verstärkung zusammen mit weiteren Verstärkerstufen mit niedriger Verstärkung geeignet kombiniert. Dadurch ist es möglich, einen großen Verstärkungsbereich mit gleichzeitig ausreichender Auflösung und Genauigkeit abzudecken. Um beispielsweise den geforderten Bereich von 80 dB Verstärkung mit einer Genauigkeit von 1 dB abzudecken, ist dem Erfinder bekannt in einem programmierbaren Verstärker ein Verstärkungsblock mit jeweils fünf oder sechs 1 dB-Stufen und ein zweiter Verstärkungsblock mit 13 6-dB-Verstärkungsstufen vorgesehen.
In einem solchen Verstärker wird bei Verstärkungsänderung über ein Vielfaches von 6 dB, also z.B. von 5 auf 6 dB, der zweite Verstärkungsblock mit den 6-dB-Schritten aktiviert und dessen Verstärkung um 6 dB erhöht bzw. erniedrigt. Gleichzeitig wird die Gesamtverstärkung des ersten Blockes mit den 1 dB Stufen entsprechend entgegengesetzt verändert.
Beispielsweise schaltet der erste Verstärkungsblock mit den 1 dB Stufen von einer Verstärkung +5 dB auf eine Verstärkung von 0 dB, während der zweite Verstärkungsblock seine Verstärkung von 0 dB auf +6 dB ändert. Die Teilung des programmierbaren Verstärkers in zwei Verstärkungsblöcke mit unterschiedlicher Auflösung und unterschiedlicher Verstärkung erlaubt vorteilhaft eine Reduzierung des Platzverbrauchs und der Leistung.
Andererseits zeigt die Teilfigur A der 4 ein häufiges Problem eines bekannten programmierbaren Verstärkers. In dem Beispiel wird die Verstärkung von 6 dB im programmierbaren Verstärker auf 5 dB reduziert. Die Verstärkung von 6 dB bedeutet, dass der zweite Verstärkerblock des programmierbaren Verstärkers mit einer Verstärkerstufe aktiv ist, während der erste Verstärkerblock mit den 1 dB Verstärkerstufen abgeschaltet ist. Zur Reduzierung auf 5 dB wird nun der erste Block mit seinen Verstärkerstufen aktiviert und in seiner Verstärkung voll ausgesteuert. Gleichzeitig wird der zweite Verstärkerblock abgeschaltet.
Dies führt im Bereich des Übergangs der Verstärkung von +6 dB auf +5 dB zu einer Überhöhung des Signals, wie es in Teilfigur A der 4 dargestellt ist. Eine solche Überhöhung führt zu einem Amplituden- und einem Phasenfehler im zu sendenden Signal und erhöht damit die Bitfehlerrate. Darüber hinaus können zudem nachfolgende Schaltungen durch den hohen Eingangswert beschädigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen programmierbaren Verstärker vorzusehen, der einen weichen Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Verstärkungen erlaubt und eine Überhöhung verhindert. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines wertdiskret einstellbaren Verstärker vorzusehen, das möglichst wenig zusätzliche Störungen erzeugt. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin eine Verwendung für einen solchen Verstärker vorzusehen.

Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der nebengeordneten Patentansprüche 1, 11 bzw. 13 gelöst.

Bezüglich der Anordnung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verstärkerschaltung, die eine erste Verstärkerstufe und zumindest eine zweite Verstärkerstufe umfasst. Die beiden Verstärkerstufen sind jeweils zwischen einem Signaleingang und einem Signalausgang der Verstärkerschaltung schaltbar angeordnet. Sie sind für eine Verstärkung mit einem ersten Verstärkungsfaktor ausgebildet und enthalten einen Schalteingang, der mit einem Stelleingang zur Zuführung eines Stellsignals für eine Verstärkungseinstellung gekoppelt ist. Weiterhin enthält die Verstärkerschaltung zumindest eine dritte Verstärkerstufe, die ebenfalls schaltbar zwischen Signaleingang und Signalausgang angeordnet ist. Die dritte Verstärkerstufe ist zur Verstärkung eingangsseitig anliegender Signale mit einem zweiten Verstärkungsfaktor ausgebildet. Eine Steuerschaltung zur Verstärkungseinstellung, die mit den Schalteingängen der ersten, zweiten und dritten Verstärkerstufe und mit dem Stelleingang gekoppelt ist, ist weiterhin zur Eintakt und Gegentaktsignalverarbeitung ausgebildet. Im besonderen ist sie zur Zuführung von Schaltsignalen und Steuersignalen an die Verstärkerstufen ausgebildet, wobei die Schalt- und Steuersignale aus einem Eintaktsignal bei einem Schaltvorgang der ersten und zumindest einen zweiten Verstärkerstufe oder aus einem Gegentaktsignal bei einem Schaltvorgang der zumindest einen dritten Verstärkerstufe abgeleitet sind.

Eine Signalverarbeitung bezüglich einer Verstärkungsänderung erfolgt somit sowohl über eintaktförmige Signale als auch gegentaktförmige Signale. Die Ausführung der Verstärkerschaltung mit einem ersten Steuerblock ausgebildet für eine Eintaktsignalverarbeitung und einem zweiten Steuerblock ausgebildet für die Gegentaktsignalverarbeitung ermöglicht einen weichen Übergang zwischen zwei verschiedenen Verstärkungen bzw. Verstärkungsfaktoren bei einem Schaltvorgang oder einer Verstärkungsänderung der zumindest einen dritten Verstärkerstufe.

Die Gegentaktsignalverarbeitung verhindert eine Überhöhung eines zu sendenden Signals bei einem Schaltvorgang der zumindest einen dritten Verstärkerstufe bei einem gleichzeitigen Schaltvorgang der zumindest einen ersten und zweiten Verstärkerstufe, da die aus dem Gegentaktsignal abgeleiteten Schaltsignale für die Verstärkerstufen symmetrische Eigenschaften zeigen und so wenig fehleranfällig sind.

Insbesondere für Schaltvorgänge, die sowohl die zumindest eine erste und zweite Verstärkerstufe als auch die zumindest eine dritte Verstärkerstufe betreffen, ist es zweckmäßig, den zweiten Steuerblock zur Gegentaktsignalverarbeitung und zur Erzeugung von Steuersignalen an alle Verstärkerstufen auszubilden.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Verstärkerstufen zur Gegentaktsignalverstärkung mit einem Differenzverstärker ausgebildet. Eingangsseitig ist somit die Verstärkerschaltung zur Zuführung eines Differenzsignals ausgeführt. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfassen die Verstärkerstufen eine Kaskodeschaltung mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker. Der Eingang des Differenzverstärkers ist mit dem Signaleingang der Verstärkerschaltung gekoppelt.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist zur Versorgung einer jeden Verstärkerstufe eine schaltbare Stromquelle vorgesehen, die eine gesteuerte Strecke umfasst. In dieser Ausbildung ist die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung folglich aus einer Reihe parallel geschalteter einzelner Verstärkerstufen ausgeführt. Einige dieser Verstärkerstufen weisen dabei eine erste Verstärkung auf, andere eine zweite Verstärkung. Durch Hinzufügen bzw. Abschalten der einzelnen Verstär kerstufen der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung ist so eine Signalverstärkung in wertdiskreten Schritten möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind fünf erste und zweite Verstärkerstufen mit jeweils einer Verstärkung von 1 dB vorgesehen, und zumindest eine dritte Verstärkerstufe mit einem Verstärkungsfaktor von 6 dB.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung enthält der Schalteingang der zumindest einen ersten, zweiten und dritten Verstärkerstufe einen ersten Schalter, der mit der Steuerschaltung und im besonderen mit dem ersten Steuerblock zur Zuführung der Schaltsignale gekoppelt ist. Weiterhin enthält der Schalteingang einen zweiten Schalter, der mit der Steuereinrichtung und besonders mit dem zweiten Steuerblock zur Zuführung eines aus der Gegentaktsignalverarbeitung erzeugten Signals gekoppelt ist.

Zweckmäßigerweise weisen der erste und der zweite Schalter einen Steuereingang auf, der mit der Steuerschaltung verbunden ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der zweite Steuerblock einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Ausgang auf. Der erste Ausgang ist mit der ersten und zumindest einen zweiten Verstärkerstufe gekoppelt, während der zweite Ausgang mit der zumindest einen dritten Verstärkerstufe gekoppelt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zumindest eine dritte Verstärkerstufe mit einem Verstärkungsfaktor ausgebildet, welcher dem Verstärkungsfaktor der zumindest einen ersten und zweiten Verstärkerstufe multipliziert mit einer um eins höheren Zahl als die Anzahl der zumindest einen ersten und zweiten Verstärkerstufe entspricht. In die ser Ausführungsform wird so eine Verstärkungsänderung in gleichen Schritten über den gesamten Verstärkungsbereich erreicht.

Bezüglich der Verwendung einer solchen Verstärkerschaltung wird die Aufgabe gelöst, indem die Verstärkerschaltung in einem Sender für kontinuierlich zu sendende Signale eingesetzt wird. Bevorzugt ist die Verstärkerschaltung für die Verstärkung von Signal nach dem Mobilfunkstandard UMTS/WCDMA oder CDMA2000 benutzbar. In anderer vorteilhafter Weise ist sie für die Verstärkung von Signalen nach einem anderen Kommunikationsstandard benutzbar, der eine Leistungskontrolle von zu sendenden Signalen während des Sendevorgangs vorsieht.

Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben eines wertdiskret einstellbaren Verstärkers wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem ein Verstärker vorgesehen wird, der zumindest zwei Verstärkerstufen mit einer ersten Verstärkung und zumindest eine dritte Verstärkerstufe mit einer zweiten Verstärkung aufweist. An diesen wird ein zu verstärkendes Signal angelegt. Anschließend werden Gegentaktsignale zum Einstellen der Verstärkerstufen für eine Änderung der Verstärkung erzeugt. Diese werden in abgeleiteter Form als Schalt- und Steuersignale den einzelnen Verstärkerstufen zum Einstellen ihrer Verstärkung zugeführt. Nach einem Einstellen der Verstärkerstufen mit Hilfe der Gegentaktsignale werden Eintaktsignale erzeugt, welche die gleiche Verstärkung der Verstärkerstufen innerhalb des einstellbaren Verstärkers hervorrufen. Diese Eintaktsignale werden den Verstärkerstufen zugeführt.

Folglich wird bei einer Detektion eines Übergangs, welche die dritte Verstärkerstufe betrifft, eine Gegentaktsignalverarbeitung initiiert, die Gegentaktsignale erzeugt, welche den gleichen Zustand wie die für die aktuelle Verstärkung verwendeten eintaktförmigen Signale aufweisen. Diese gegentaktförmigen Signale werden nun weiterverarbeitet und gegebenenfalls den Verstärkerstufen zugeführt, wobei die eintaktförmige Signalverarbeitung deaktiviert wird. Erst danach wird mit Hilfe der Gegentaktsignale eine Verstärkungsänderung vorgenommen. Folglich wird eine Verstärkungsänderung mit Schaltsignalen durchgeführt, die bevorzugt aus Gegentaktsignalen abgeleitet oder durch Gegentaktsignalverarbeitung erzeugt werden. Solche Schaltsignale sind besonders unanfällig gegenüber Störungen. Erst nach einer Verstärkungsänderung wird wieder auf eine Eintaktsignalverarbeitung zurückgeschaltet.

Eine Gegentaktsignalverarbeitung bzw. die Zuführung von Gegentaktsignalen zur Verstärkungsänderung wird demnach immer dann vorgenommen, wenn eine Verstärkungsänderung erfolgt, welche die dritte Verstärkerstufe betrifft. Dadurch ergibt sich eine außerordentlich gute Anpassung der Steuersignale an die erste und die dritte Verstärkerstufe. Dieses Verfahren kann in Empfängern und in Sendern sowohl in der Basisbandsignalverarbeitung als auch in der Hochfrequenzverarbeitung eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung,
2 Zeit-Signal-Diagramm einiger Signale in der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens,
4 ein Zeit-Leistungs-Diagramm eines Signals während eines Verstärkungsübergangs.
1 zeigt eine Verstärkerschaltung, wie sie beispielsweise in einem programmierbaren Verstärker für den Mobilfunkstandard WCDMA/UMTS einsetzbar ist. Der Verstärker kann sowohl in einem eigenen Halbleiterkörper als auch zusammen mit weiteren Bauelementen für den Sende- bzw. den Empfangspfad in einen Transceiverchip eingesetzt sein. Der Verstärker weist einen Eingang I auf sowie einen Ausgang O, die als Differenzsignaleingänge bzw. Differenzsignalausgänge ausgeführt sind. Fünf Verstärkerstufen sind parallel zwischen den Eingang I und den Ausgang O geschaltet. Von ihnen seien für die weitere Beschreibung die Verstärkerstufen V1 und V1' besonders hervorgehoben.
Jede Verstärkerstufe ist mit einer Differenzverstärkerstufe 31 ausgeführt, der eine Kaskodeschaltung 32 nachgeschaltet ist. Die Steuereingänge des Differenzverstärkers 31 sind mit dem Eingang I gekoppelt. Die Steuereingänge der beiden Kaskodetransistoren der Kaskodeschaltung 32 sind an einen weiteren Eingang angeschlossen, dem ein Einstellsignal UB zugeführt wird. Die Verstärkerstufen 31 der Verstärker V1 sind zur Versorgung über zwei Spulen L an ein Versorgungspotenzial V_dd angeschlossen. Weiterhin sind sie über einen als Stromquelle wirkenden Feldeffekttransistor S an ein Massepotenzial 11 gekoppelt. Die aus Feldeffekttransistoren gebildeten Verstärkerstufen V1 und V1' besitzen jeweils eine Verstärkung um den Faktor 1 dB. Ein eingangsseitig anliegendes Signal wird so um jeweils 1 dB verstärkt und am Ausgang O abgegeben. Eine Ver stärkung erfolgt nur, wenn der Transistor S leitend geschaltet ist.
In gleicher Weise sind die weiteren fünf Verstärkerstufen V2 aufgebaut, die ebenfalls zwischen den Eingang I und den Ausgang O parallel geschaltet sind. Auch diese weisen eine Differenzverstärkerstufe sowie eine nachgeschaltete Kaskodeschaltung auf, deren Drainanschlüsse mit dem Versorgungspotential V_dd und deren Sourceanschlüsse über jeweils einen als Stromquelle wirkenden Feldeffekttransistor S mit dem Massepotenzial 11 gekoppelt sind. Unterschiedlich gegenüber den Verstärkerstufen V1 ist jedoch die Ausbildung der Verstärkerstufen V2 und V2' für eine Verstärkung um jeweils 6 dB. Ein eingangsseitig anliegendes Signal wird so um 6 dB pro Verstärkerstufe V2 und V2' verstärkt. Die unterschiedliche Verstärkung kann beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Dimensionierung der Verstärkerstufen in den beiden Blöcken erfolgen.
Zur Ansteuerung der jeweiligen als Stromquelle wirkenden Feldeeffekttransistoren S ist der Steueranschluss eines jeden Transistors S mit einem Schalter verbunden. Der jeweils andere Anschluss der Schalter führt zu einer Steuer- und Kontrolllogik 21, der über einen Drei-Leiter-Bus das Steuersignal zur Verstärkungseinstellung der gesamten Anordnung zugeführt wird. Die Steuerlogik weist einen ersten Steuerblock 211 auf. Der Steuerblock 211 ist zur Eintaktsignalverarbeitung und zur Zuführung von Schaltsignalen an die einzelnen Verstärkerstufen ausgebildet.
Zu Ansteuerung der Verstärkerstufen V1, V1' und der weiteren Stufen mit einem 1 dB Verstärkung sind Schalter Φ1.1, Φ1.2, Φ1.3, Φ1.4 und Φ1.5 vorgesehen, die mit einem Anschluss mit dem Steuergate der Feldeffekttransistoren S und mit dem ande ren Anschluss mit der Steuerschaltung 21 verbunden sind. Die Schalter werden von der Steuerschaltung 21 angesteuert.
Symmetrisch dazu ist auch für die Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufen V2 jeweils ein Schalter Φ1.6 bis Φ1.10 vorgesehen. Durch Schließen und Öffnen der jeweiligen Schalter Φ1.1 bis Φ1.10 wird so der jeweilige Feldeffekttransistor S leitend geschaltet und die den Transistoren S zugeordnete Verstärkerstufe V1 bzw. V2 mit Strom versorgt. Die Transistoren S bilden daher eine schaltbare Stromquelle. Insgesamt lässt sich im Ausführungsbeispiel der 1 die Verstärkung der Anordnung in 1-dB-Schritten von 0 dB bis 35 dB einstellen.
Weiterhin ist jeder Steueranschluss der Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufen V1 sowie der als Stromquelle wirkenden Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufe V2 über jeweils einen Schalter Φ2.1 bis Φ2.10 an einen Differenzverstärker 100 angeschlossen. Der Differenzverstärker 100 ist zwischen eine Stromquelle 101 und ein Massepotential 102 geschaltet. Er umfasst zwei Feldeffekttransistoren, wobei einem Steueranschluss des einen Feldeffekttransistors ein Referenzsignal REF zuführbar ist und der andere Feldeffekttransistor mit seinem Steueranschluss an die Steuer- und Kontrolllogik 21 angeschlossen ist. Die Quellenanschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren des Differenzverstärkers 100 sind über einen Kondensator 104 miteinander verbunden.
Die Schalter Φ2.1 bis Φ2.5 sind mit einem Abgriff an einen Ausgangsabgriff des Differenzverstärkers 100 angeschlossen, die Schalter Φ2.6 bis Φ2.10 sind mit dem zweiten Abgriff des Differenzverstärkers 100 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Schalter Φ2.1 bis Φ2.10 führen zu den Steueran schlüssen der Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufe V1 und V2. Durch diese Anordnung sind die Schalter Φ2.1 bis Φ2.10 zur Zuführung von Schaltsignalen an die Feldeffekttransistoren S ausgebildet, die aus einem Gegentaktsignal abgeleitet sind. Gemeinsam mit dem block 212 bildet der Differenzverstärker 100 einen zweiten Steuerblock zur Gegentaktsignalverarbeitung. Die den Transistoren und Schaltern Φ2.1 bis Φ2.10 zugeführten Signale werden durch die Gegentaktverstärkung des Differenzverstärkers 100 erzeugt. Hingegen werden den Schaltern Φ1.1 bis Φ1.10 Signale von der Steuerlogik in im besonderen von dem ersten Steuerblock 211 zugeführt, die von Eintaktsignalen abgeleitet sind. Hier erfolgt somit eine Eintaktsignalverarbeitung.
Bei einem Betrieb der erfindungsgemäßen Verstärkerstufe sind einige der Schalter Φ1.x geschlossen, sodass sich eine definierte Verstärkung der Verstärkerschaltung ergibt. Beispielsweise sind die Schalter Φ1.1 bis Φ1.4 sowie der Schalter Φ1.6 geschlossen. Die Steuer- und Kontrollschaltung 21 gibt ein Schaltsignal an die Steueranschlüsse der Transistoren S der Verstärkerstufen V1 und V2 ab, sodass nun sich eine Gesamtverstärkung von insgesamt +10 dB ergibt. Diese setzt sich aus einer Verstärkung von +6 dB der ersten Verstärkerstufe V2 zusammen, sowie aus vier Verstärkerstufen V1 mit einer Verstärkung von jeweils +1 dB.
Soll die Verstärkung nun um 1 dB auf +11 dB erhöht werden, so schließt die Steuer- und Kontrolllogik über ihren Steueranschluss den Schalter Φ1.5, sodass, ein entsprechendes Steuersignal an dem Feldeffekttransistor S anliegt. Dadurch wird der mit dem Feldeffekttransistor verbundenen Verstärkerstufe die notwendige Versorgungsspannung zugeführt und diese dar auf hin aktiviert. Die Verstärkung der gesamten Verstärkerschaltung beträgt nunmehr +11 dB.
Soll die Verstärkung um ein weiteres dB, also auf 12 dB, angehoben werden, so bedeutet das, dass nunmehr eine weitere Verstärkerstufe mit 6 dB Verstärkung hinzugeschaltet werden muss. Bei einem einfachen Schließen des Schalters Φ1.7 bei gleichzeitigem Öffnen der Schalter Φ1.1 bis Φ1.5 würde dies zu der auf der Teilfigur A der 4 bekannten Überhöhung des Ausgangssignals führen, da die Steuerschaltung Eintaktsignale verarbeitet und diese nicht symmetrisch oder synchron sind. Insbesondere ist auf Synchronität zu achten, damit es nicht zu einem plötzlichen Abfall der Ausgangspegels oder einer Zunahme kommt. Um dies zu verhindern, wird auf eine Gegentaktsignalverarbeitung umgeschaltet.
Dies erfolgt, indem am Steuerausgang 211 der Steuer- und Kontrollschaltung 21 ein Signal an den Differenzverstärker 100 angelegt wird, der am Ausgang des Differenzverstärkers einen Signal erzeugt, das dem den Schaltern Φ1.1 bis Φ1.5 und den Steueranschlüssen der Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufen zugeführten Signalen entspricht. Somit wird die Gegentaktlogik auf den gleichen Zustand wie die Eintaktlogik gezwungen.
Der Vorteil der nunmehr folgenden Gegentaktsignalverarbeitung liegt darin, dass das Abschalten der Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufen V1 und das Zuschalten der zusätzlichen Verstärkerstufe V2 gleichzeitig und in jeweils genau entgegengesetzten Richtung erfolgt. Eine Zunahme eines Signals an einem Ausgangsabgriff des Differenzverstärker führt zu einer entsprechend gleichen Abnahme am anderen Abgriff. Mit anderen Worten sind die Abschaltsignale sowie die Zuschaltsignale zeitgleich und symmetrisch, sodass ein Überhöhen bzw. ein Überschwingen während des Übergangs verhindert wird.
Nachdem an den Anschlüssen der Schalter Φ2.1 bis Φ2.6 die gleichen Signale wie an den Anschlüssen der Schalter Φ1.1 bis Φ1.6 anliegen, schließt die Kontrolllogik 21 die Schalter Φ2.1 bis Φ2.5. Gleichzeitig wird auch der Schalter Φ2.6 geschlossen. Nach dem Schließen der Schalter kann die Eintaktlogik mit den Schaltern Φ1.1 bis Φ1.6 deaktiviert werden, die Schalter Φ1.1 bis Φ1.6 werden geöffnet. Die Feldeffekttransistoren S der Verstärkerstufen V1 und V2 werden nun durch ein Gegentaktsignal angesteuert, der Zustand und die Verstärkung der Anordnung ist aber noch unverändert.
Für den eigentlichen Umschaltvorgang wird nun der Schalter Φ2.7 geschlossen und gleichzeitig die Schalter Φ2.1 bis Φ2.5 geöffnet. Der Übergang erfolgt zeitgleich, wobei aufgrund des verwendeten Differenzsignals die Ansteuerung synchron ist. Nach dem Umschaltvorgang werden die gleichen Steuersignale an die Anschlüsse der Schalter Φ1.6 und Φ1.7 gelegt und diese in einem nächsten Schritt geschlossen. Letztlich werden die Schalter Φ2.6 und Φ2.7 wieder geöffnet und die Gegentaktsignalverarbeitung deaktiviert. Eine weitere Verstärkungsänderung bzw. eine Verstärkungserhöhung erfolgt nun wieder in einer Eintaktsignalverarbeitung.
Die erfindungsgemäße Gegentaktsignalverarbeitung wird daher immer dann durchgeführt, wenn eine Verstärkerstufe V2 hinzu- bzw. weggeschaltet wird. Den Übergang bei einer Verringerung der Verstärkung von beispielsweise 12 dB auf 11 dB zeigt die Teilfigur B der 4. Der Übergang ist hier gleichförmig ohne ein zusätzliches Überschwingen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses wird vor allem in einem Verstärker eingesetzt, der mehrere Verstärkungsstufen mit unterschiedlicher Verstärkung aufweist. Dabei kann es sich wie im Ausführungsbeispiel um einen Verstärker mit Verstärkungsstufen handeln, die zwei unterschiedliche Verstärkungen aufweisen. Zusätzlich lassen sich aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Verstärker benutzen, deren einzelne Verstärkungsstufen ebenfalls unterschiedliches Verstärkungsverhalten besitzen. Als Beispiel sei hierfür ein Verstärker mit Verstärkerstufen genannt, die binäre Verstärkungsfaktoren enthalten.
Nach einer Detektion einer Verstärkungsänderung in Schritt S1 wird in Schritt S2 geprüft, ob die Verstärkungsänderung ein Aktivieren bzw. ein Abschalten einer Verstärkerstufe mit einem zweiten Verstärkungsfaktor beinhaltet. Ist dies nicht der Fall, wird nur eine Verstärkerstufe mit einem ersten Verstärkungsfaktor hinzu- bzw. weggeschaltet. Dies kann weiterhin über die Zuführung eines eintaktförmigen Signals erfolgen. Eine Umschaltung in eine Gegentaktsignalverarbeitung wird nicht durchgeführt.
Ergibt die Verstärkungsänderung jedoch, dass eine zusätzliche Verstärkerstufe mit der zweiten Verstärkung hinzu- bzw. weggeschaltet werden muss, so wird in Schritt S3 die Gegentaktsignalverarbeitung aktiviert. Beispielsweise wird in der Steuer- und Kontrolllogik die Logik für die Gegentaktsignalverarbeitung mit der notwendigen Spannung versorgt und die entsprechenden Signale zugeführt. In Schritt S4 wird der Zustand der Gegentaktlogik bzw. der Zustand der Gegentaktsignal verarbeitenden Schaltungen dem Zustand der Eintaktlogik angepasst. Mit anderen Worten werden nun Gegentaktsignale erzeugt, die den gleichen Zustand wie die Eintaktsignale auf weisen, welche für die Steuerung der einzelnen Verstärkerstufen verwendet werden.
Dies ist notwendig, um im Schritt S4 die Gegentaktsignale zur Steuerung der einzelnen Verstärkerstufen den Steuerschaltungen zu verwenden. Wenn Gegentaktsignale und Eintaktsignale nun den gleichen Zustand besitzen, werden unerwünschte Störungen in der Verstärkung bzw. in den Ausgangssignalen reduziert. Gleichzeitig lassen sich die Steuersignale abgeleitet aus der Ein- und Gegentaktsignalverarbeitung austauschen, sodass in Schritt S5 die Eintaktsignal verarbeitende Logik deaktiviert werden kann. Die weitere Steuerung erfolgt nun in Gegentaktlogik, und es wird in Schritt S6 die notwendige Verstärkungsänderung mit Hilfe gegentaktförmiger Signale durchgeführt.
Dies wird im Ausführungsbeispiel der 1 durchgeführt, indem die Schalter Φ2.1 bis Φ2.10 entsprechend den Vorgaben geöffnet oder geschlossen werden. Die Eintaktlogik für die Ansteuerung der Schalter Φ1.1 bis Φ1.10 ist indes hingegen abgeschaltet und die Schalter Φ1.1 bis Φ1.10 geöffnet.
In Schritt S7 wird die Eintaktlogik wieder aktiviert und in Schritt S8 dem Zustand der Gegentaktlogik angepasst. Die durch die Eintaktlogik erzeugten oder abgeleiteten Schalt- und Steuersignale besitzen nun wieder den gleichen Zustand wie die Schaltsignale der Gegentaktsignalverarbeitung. Insbesondere ist nun aufgrund der Veränderung der Verstärkerstufe ein zusätzliches Signal hinzugekommen bzw. ein Eintaktsignal weggefallen. In Schritt S9 wird die Gegentaktlogik wieder abgeschaltet.
2 zeigt die zeitliche Abfolge einer Verstärkungserhöhung und die dazugehörigen Signale Φ1 und Φ2 für die Schalter Φ1.x und Φ2.x. In diesem Beispiel wird die Verstärkung um insgesamt 10 dB erhöht. In den ersten fünf Schritten werden jeweils Verstärkungsstufen V1 hinzugeschaltet, sodass sich am Ende eine Verstärkung von +5 dB ergibt. Dies erfolgt mit Hilfe einer reinen Eintaktlogik. Für eine Erhöhung auf +6 dB müssen alle Verstärkerstufen V1 deaktiviert und eine Verstärkerstufe V2 mit einer +6 dB-Verstärkung aktiviert werden. Dies erfolgt, indem kurz vor der Umschaltung die Steuersignale Φ2 für die Schalter Φ2.x aktiviert werden. Die Gegentaktsignalverarbeitung wird aktiviert. Während des kurzen Zeitraums T1 wird der Zustand der Gegentaktsignal verarbeitenden Logik dem Zustand der Eintaktsignal verarbeitenden Logik angepasst. Die von der Steuer- und Kontrollschaltung abgegebenen Gegentakt- und Eintaktsignale besitzen dann den gleichen Zustand. Nun kann am Ende der Zeitspanne T1 die Eintaktsignal verarbeitende Logik abgeschaltet werden.
Dies ist im Ausführungsbeispiel angedeutet, indem die Signale Φ1 für die Schalter Φ1.1 bis Φ1.5 auf einen logisch niedrigen Pegel fallen. Sodann erfolgt eine Aktivierung der Verstärkerstufe V2 und eine Deaktivierung der Verstärkerstufen V1. Am Beginn des Zeitraums T2 wird die Eintaktsignal verarbeitende Logik wieder aktiviert und der Zustand der eintaktförmigen Steuersignale an den Zustand der Gegentaktsignale angepasst. Am Ende des Zeitraums T2 besitzen die Steuersignale wieder den gleichen Zustand. Die Gegentaktsignal verarbeitende Logik wird wieder deaktiviert.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit Feldeffekttransistoren implementiert. Dabei können NMOS- und PMOS-Feldeffekttransistoren oder auch eine Kombination von beiden Typen verwendet werden. In einer alternativen Ausgestaltungsform werden die einzelnen Verstärkerstufen V1 bis V2 mit Bipolartransistoren ausgeführt. Neben den als Stromquelle S wirkenden Feldeffekttransistoren können auch andere Stromquellen eingesetzt werden. Die Schalter Φ1.1 bis Φ1.10 sowie Φ2.1 bis Φ2.10 lassen sich ebenfalls durch Feldeffekttransistoren realisieren.
Die gesamte Anordnung ist in einfacher weise in CMOS-Technologie oder reiner NMOS- bzw. PMOS-Technologie in einem Halbleiterkörper zu implementieren. Zur Detektion und Erkennung, ob eine Verstärkerschaltung V2 hinzu- bzw. weggeschaltet werden muss, lassen sich logische Bauelemente, beispielsweise AND-Gatter, einsetzen. Die Steuerschaltung 21 schaltet so von einer Eintaktsignalverarbeitung auf eine Gegentaktsignalverarbeitung, wenn dies für die Veränderung der Verstärkung notwendig ist. Die Gegentaktsignalverarbeitung reduziert das Übersprechen eines Signals bei einem Umschalten der Verstärkung im Gegensatz zur Eintaktsignalverarbeitung. Dies wird möglich, da eine Gegentaktsignalverarbeitung relativ unabhängig und unsensibel gegenüber Veränderungen in der Temperatur, der Versorgungsspannung oder Prozessstreuungen ist. Um die einzelnen Verstärkungspositionen zu decodieren, wird hier, wie in 2 dargestellt, eine binäre Decodertabelle verwendet. Der Inhalt einer Decodertabelle ist abhängig von den benutzten Verstärkerstufen. So lassen sich Verstärker mit Verstärkungsfaktoren realisieren, die untereinander eine binäre Gewichtung haben. Ebenso kann statt dessen eine reine Software bzw. ein Mikrocontroller oder eine feststehende Schalttabelle eingesetzt werden.

1, 11: Potenzialanschlüsse
V1, V2: Verstärkerstufen
I: Eingang
O: Ausgang
S: Feldeffekttransistoren, Stromquelle
8, 9: Schalter
Φ1.1,..., Φ1.10: Eintaktsignalschalter
Φ2.1,..., Φ2.10: Gegentaktschalter
21: Steuerlogik
211: Gegentaktausgang
100: Differenzverstärker
101, 102: Potenzialanschlüsse
L: Spulen
3L: Drei-Leiter-Bus
T1, T2: Zeiträume
S1,..., S9: Verfahrensschritte

Claims

Verstärkerschaltung mit wertdiskret einstellbarer Verstärkung, umfassend: – einen Signaleingang (I) zur Zuführung eines Signals; – einen Signalausgang (O) zur Bereitstellung eines verstärkten Signals; – einen Stelleingang (3L) zur Zuführung eines Stellsignals für eine Verstärkungsänderung; – eine Steuerschaltung (21) zur Verstärkungsänderung, die mit dem Stelleingang (3L) gekoppelt ist; – eine erste Verstärkerstufe (V1) und zumindest eine zweite Verstärkerstufe (V1'), die jeweils zwischen dem Signaleingang (I) und dem Signalausgang (O) angeordnet sind und jeweils aufweisend jeweils einen ersten Verstärkungsfaktor sowie einen Schalteingang zur Verstärkungseinstellung, der mit der Steuerschaltung (21) gekoppelt ist; – zumindest eine dritte Verstärkerstufe (V2), die zwischen dem Signaleingang (I) und dem Signalausgang (O) angeordnet ist und einen zweiten Verstärkungsfaktor sowie einen Schalteingang aufweist, der mit der Steuerschaltung (21) gekoppelt ist; – wobei die Steuerschaltung einen ersten Steuerblock (211) ausgebildet für eine Eintaktsignalverarbeitung und einen zweiten Steuerblock ausgebildet für eine Gegentaktsignalverarbeitung umfasst und bei einer Verstärkungsänderung der ersten und zumindest einen zweiten Verstärkerstufe (V1, V1') zur Zuführung von Steuersignalen des ersten Steuerblocks (211) an die erste und zumindest eine zweite Verstärkerstufe (V1, V1') und bei einer Verstärkungsänderung der zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V2) zur Zuführung von Steuersignalen des zweiten Steuerblocks an die erste und zumindest eine zweite und zumindest eine dritte Verstärkerstufe (V1, V1', V2) ausgebildet ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zumindest eine zweite Verstärkerstufe (V1, V1') und die zumindest eine dritte Verstärkerstufe (V2) zur Gegentaktsignalverstärkung mit einem Differenzverstärker (31) ausgebildet sind.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zumindest einen zweiten und zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V2, V1', V2) eine Kaskodeschaltung (32) mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker (31) umfasst, dessen Eingang mit dem Signaleingang (I) gekoppelt ist.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung der ersten und zumindest einen zweiten und zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V1, V1', V2) jeweils eine schaltbare Stromquelle (S) vorgesehen ist, die eine gesteuerte Strecke umfasst.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steuerblock einen Differenzverstärker (100) mit einem erste und einem zweiten Ausgang umfasst, wobei der erste Ausgang mit der ersten und zumindest einen zweiten Verstärkerstufe (V1, V1') gekoppelt und der zweite Ausgang mit der zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V2) gekoppelt ist.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schalteingang der ersten und zumindest einen zweiten und zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V1, V1', V2) ein erster Schalter (8) und ein zweiter Schalter (9) angeschlossen ist, wobei der erste Schalter (8) mit der Steuerschaltung (31) zur Zuführung des Schaltsignals der ersten Steuerblocks und der zweite Schalter (9) mit der Steuereinrichtung (31) zur Zuführung des Schaltsignals des zweiten Steuerblocks gekoppelt ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schalter (8, 9) einen Steuereingang aufweisen, der mit der Steuerschaltung (31) verbunden ist.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine dritte Verstärkerstufe (V2) mit einem Verstärkungsfaktor ausgebildet ist, welcher gleich dem Verstärkungsfaktor der ersten und zumindest einen zweiten Verstärkerstufe (V1, V1') multipliziert mit einer um 1 höheren Zahl als die Anzahl der zumindest einen ersten und zweiten Verstärkerstufe (V1, V1') ist.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt fünf erste und zweite Verstärkungsstufen (V1, V1') mit jeweils einer Verstärkung von 1 dB vorgesehen sind und der Verstärkungsfaktor der zumindest einen dritten Verstärkungsstufe (V2) 6 dB beträgt.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelleingang (3L) der Verstärkerschaltung (21) mit einem 3-Leiter-Bus ausgebildet ist.
Verwendung einer Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung in einem Sender für zeitkontinuierlich zu sendende Signale eingesetzt wird.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung für die Verstärkung von Signalen nach dem Mobilfunkstandard UMTS/WCDMA oder CDMA2000 oder nach einem anderen Kommunikationsstandard benutzt wird, der eine Leistungssteuerung von zu sendenden Signalen vorsieht.
Verfahren zum Betreiben eines in seine Verstärkung wertdiskret einstellbaren Verstärker, umfassend die Schritte: – Vorsehen eines Verstärkers, der zumindest zwei Verstärkerstufen (V1, V1') mit einer ersten Verstärkung und zumindest eine dritte Verstärkerstufe (V2) mit einer zweiten Verstärkung aufweist; – Anlegen des zu verstärkenden Signals; – Erzeugen von Gegentaktsignalen zum Einstellen der Verstärkerstufen (V1, V1', V2); – Einstellen der Verstärkerstufen (V1, V1', V2) mit Schalt- und Steuersignalen, die aus den Gegentaktsignalen abgeleitet werden; – Erzeugen von Eintaktsignalen für die geänderte Verstärkung; – Zuführen der Schalt- und Steuersignale, die aus den Eintaktsignalen abgeleitet werden; – Verstärken des angelegten Signals.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erzeugens die Schritte umfasst: – Bereitstellen von Gegentaktsignalen, welche die gleiche Verstärkung hervorrufen wie die Eintaktsignale; – Gleichzeitiges Zuführen der aus den Eintaktsignalen und Gegentaktsignalen abgeleiteten Schalt- und Steuersignalen; – Abschalten der aus den Eintaktsignalen abgeleiteten Schalt- und Steuersignalen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst: – Detektieren eines Signals, dass zu einer Verstärkungsänderung auffordert; – Erzeugen von Gegentaktsignalen zum Einstellen der Verstärkerstufen (V1, V1', V2), wenn eine Verstärkung der zumindest einen dritten Verstärkerstufe (V2) geändert werden soll.