DE102005010643B4 - Stromsparende differenzielle Breitbandtreiberschaltung - Google Patents

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Abstract

Stromsparende differenzielle Breitbandtreiberschaltung (1, 100) mit:
a) einem differenziellen Eingangsverstärker (6) zum Verstärken eines differenziellen Eingangssignals (IN+, IN–) in ein erstes Zwischensignal (Z1–) und ein zweites Zwischensignal (Z1+) eines differenziellen Zwischensignals (Z1–, Z1+);
b) einem ersten Transimpedanzverstärker (12), der einen invertierenden Eingang (16), einen nicht-invertierenden (14) Eingang und einen Ausgang (18) aufweist, wobei an dem nichtinvertierenden Eingang (14) das erste Zwischensignal (Z1–) anliegt und der Ausgang (18) über einen ersten Rückkopplungswiderstand (26) zur Stromgegenkopplung an den invertierenden Eingang (16) des ersten Transimpedanzverstärkers (12) angeschlossen ist;
c) einem zweiten Transimpedanzverstärker (13), der einen invertierenden Eingang (17), einen nicht-invertierenden Eingang (15) und einen Ausgang aufweist, wobei an dem nichtinvertierenden Eingang (15) das zweite Zwischensignal (Z1+) anliegt und der Ausgang (19) über einem zweiten Rückkopplungswiderstand (27) zur Stromgegenkopplung an den invertierenden Eingang (17) des zweiten Transimpedanzverstärkers (13) angeschlossen ist;
d) wobei ein dritter Rückkopplungswiderstand (28) zwischen den invertierenden...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine stromsparende differenzielle Breitbandtreiberschaltung, welche insbesondere als Leitungstreiberschaltung für die Datenübertragung über Zweidrahttelefonleitungen nach einem xDSL-Verfahren einsetzbar ist.
  • An Treiberschaltungen für xDSL-Anwendungen werden besonders hohe Linearitäts- und Bandbreitenanforderungen gestellt, um über Zweidrahttelefonleitungen ein großes Datenvolumen mit geringer Fehlerrate zu übertragen. Dazu werden häufig bekannte Schaltungsanordnungen für Operationsverstärker, wie sie beispielsweise in U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, Springer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-540-42849-6, in Kapitel 5, Seiten 491–596 beschrieben sind, in schnellen komplementären bipolaren Technologien und BiCMOS Technologien ausgeführt.
  • Beispielsweise ist in der EP 0 994 610 A2 eine Treiberschaltung für eine DSL-Anwendung beschrieben, bei der zwei differentielle Operationsverstärker zur einem nicht-invertierenden Leitungstreiber verschaltet sind. Dabei wird eine synthetisierte Impedanz mittels Rückkopplungswiderständen an eine DSL-Leitungsimpedanz angepasst.
  • Eine besondere Herausforderung besteht darin, die jeweilige Verlustleistung von Treiberschaltungen, welche zu verstärkende differenzielle Datensignale in eine Zweidrahttelefonleitung treiben, verlustleistungsarm auszuführen. Dies ist bei zu übertragenden xDSL-Signalen besonders schwierig, da deren Crest-Faktor von typischerweise 5,2 bis 6,8 relativ hoch ist.
  • Der Crest-Faktor bezeichnet den Spitzenwert einer Wellenform, dividiert durch die Effektivspannung der Wellenform. Die Ef fektivspannung bzw. der Effektivwert ist diejenige Gleichspannung, welche in einem Verbraucher dieselbe Leistung herruft, wie die (unregelmäßige) Wechselspannungswellenform. Beispielsweise hat ein Sinus-Wechselspannungssignal einen Crest-Faktor von 1,4. Da xDSL-Signale Wechselspannungen bis 30 MHz und sehr unregelmäßige Wellenform aufweisen, liegt deren Crest-Faktor entsprechend hoch.
  • Eine entsprechende Treiberschaltung für xDSL-Signale muss daher so ausgelegt sein, dass auftretende Spitzenwerte des zu verstärkenden Datensignals auch zuverlässig verstärkt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei Leitungstreibern mit Verstärkerstufen vom Typ A ein jeweiliger Bias-Strom für die Verstärkerstufen so groß gewählt werden muss, dass auftretende Spitzenwerte, welche auch nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit von ca. 10–7 auftreten können, zuverlässig verstärkt ausgegeben werden können. Ein derart hoch vorgehaltener ständiger Bias-Strom führt daher zu einer ungewünscht hohen Verlustleistung der Treiberschaltung.
  • Um die Verlustleistung zu verringern, wurden in der Vergangenheit Vorschläge gemacht, wie beispielsweise in "A 744 mW Adaptive Supply Full-Rate ADSL CO Driver", ISSCC 2002, J. W. Pierdomenico, S. Wurcer, B. Day. Dort wurde vorgeschlagen, im Bedarfsfall, also bei auftretenden Spitzenwerten des zu übertragenden Signals die benötigte Betriebsspannung der eingesetzten Verstärkerstufen bzw. Operationsverstärker zu erhöhen.
  • Eine entsprechende Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik zeigt die 3. Die Schaltungsanordnung LD dient dem Verstärken eines differenziellen Eingangssignals IN+, IN– in ein differenzielles Ausgangssignal OUT+, OUT–. Dazu sind zwei Treiberverstärker DA1, DA2 vorgesehen, mit jeweils einem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang N, NI und einem Ausgang A. Die jeweiligen Ausgänge A sind über Rückkopplungswiderstände R1, R3 an die jeweiligen invertierenden Eingänge N verbunden. Ferner ist zwischen den nicht-invertierenden Eingängen N ein dritter Rückkopplungswiderstand R2 geschaltet.
  • An die nicht-invertierenden Eingänge NI sind die jeweiligen Signale IN+, IN– des differenziellen Eingangssignals IN+, IN– zugeführt. Ferner weisen die beiden Treiberverstärker DA1 jeweils Versorgungsspannungsanschlüsse V1, V2 auf, an die Versorgungsspannungspotenziale VCCP, VEEP angelegt sind. Die Versorgungsspannungspotenziale VCCP, VEEP sind von einer Spitzenspannungsversorgung SOP geliefert, die selbst an Standardversorgungsspannungen VCC, VEE angekoppelt ist. Die Standardversorgungsspannung VCC, VEE spricht dabei beispielsweise VCC = 6 V, VEE = –6 V. Außerdem ist der Spitzenspannungsversorgung SOP das differenzielle Eingangssignal IN+, IN– zugeführt.
  • Von der Spitzenspannungsversorgung SOP wird überwacht, ob in dem Eingangssignal IN+, IN– Spannungsspitzen auftreten. Falls dies der Fall ist, erzeugt die Spitzenspannungsversorgung gegenüber den Standardversorgungsspannungen VCC, VEE erhöhte Versorgungsspannungspotenziale VCCP, VEEP, welche an die Treiberverstärker DA1, DA2 geführt sind. Dadurch ist gewährleistet, dass auch Signalspitzenwerte zuverlässig in das differenzielle Ausgangssignal OUT+, OUT– übertragen werden. Zur Bereitstellung der erhöhten Versorgungsspannung VCCP, VEEP sind in der Spitzenspannungsversorgung SOP Ladungspumpen vorgesehen. Nachteilig bei der Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß der 3 ist insbesondere der erhöhte Schaltungsaufwand durch die Spitzenspannungsversorgung SOP und vernachlässigte Linearitätsanforderungen.
  • Ein weiteres Problem bei der Verstärkung von xDSL-Signalen besteht darin, dass zum Zeitpunkt eines Spitzenwertes die schnellsten Signaltransienten auftreten. An jedem internen Leitungsknoten, beispielsweise an den Eingängen von Operationsverstärkern, treten herstellungsbedingt parasitäre Kapazi täten auf, welche zumeist nichtlinear sind. Das bedeutet, dass bei hohen internen Spannungs- bzw. Signalhüben auf Grund dieser Nichtlinearitäten Signalverzerrungen erzeugt werden.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine stromsparende diefferentiele Breitbandtreiberschaltung zu schaffen, welche eine niedrige Verlustleistung aufweist und zur Vermeidung von Signalverzerrungen durch parasitäre nichtlineare Kapazitäten möglichst geringe interne Signalhübe aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine stromsparende differenzielle Breitbandtreiberschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Demgemäß ist eine Breitbandtreiberschaltung mit einem differenziellen Eingangsverstärker zum Verstärken eines differenziellen Eingangssignals in ein erstes Zwischensignal und ein zweites Zwischensignal des differenziellen Zwischensignals vorgesehen.
  • Es ist ein erster Transimpedanzverstärker, der einen invertierenden Eingang, einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang aufweist, vorgesehen, wobei an dem nichtinvertierenden Eingang das erste Zwischensignal anliegt und der Ausgang über einen ersten Rückkopplungswiderstand zur Stromgegenkopplung an den invertierenden Eingang des ersten Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist.
  • Ferner ist ein zweiter Transimpedanzverstärker vorgesehen, der einen invertierenden Eingang, einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei an dem nichtinvertierenden Eingang das zweite Zwischensignal anliegt und der Ausgang über einen ersten Rückkopplungswiderstand zur Stromgegenkopplung an den invertierenden Eingang des zweiten Transimpedanzverstärkers angeschlossen ist.
  • Dabei ist außerdem ein dritter Rückkopplungswiderstand zwischen den invertierenden Ausgängen des ersten und des zweiten Transimpedanzverstärkers zur Einstellung des Verstärkungsfaktors der Breitbandtreiberschaltung vorgesehen, und es ist ein verstärktes differenzielles Ausgangssignal an den Ausgängen der beiden Transimpedanzverstärker abgreifbar.
  • Zur Spannungsgegenkopplung ist ein erster weiterer Rückkopplungswiderstand zwischen dem Ausgang des zweiten Transimpedanzverstärkers und einem nicht-invertierenden Eingang des differenziellen Eingangsverstärkers geschaltet, und es ist ein zweiter weiterer Rückkopplungswiderstand zwischen dem Ausgang des ersten Transimpedanzverstärkers und einem invertierenden Eingang des differenziellen Eingangsverstärkers geschaltet.
  • Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht insbesondere darin, als Ausgangstreiberstufe in Stromgegenkopplung betriebene Transimpedanzverstärker mit einem differenziellen Eingangsverstärker zu kombinieren. Durch die Stromgegenkopplung an die nicht-invertierenden Eingänge ist durch die Dimensionierung der Rückkopplungswiderstände dessen Verstärkungsfaktor ohne Bandbreitenverlust einstellbar. Bei üblichen spannungsgegengekoppelten Verstärkerstufen wird indes die Bandbreite kleiner. Die erfindungsgemäß eingesetzten stromgegengekoppelten Transimpedanzverstärker ermöglichen es, den Signalhub zwischen dem ersten und zweiten Zwischensignal somit besonders niedrig zu halten.
  • Mittels der Spannungsgegenkopplung und gegebenenfalls weiterer Rückkopplungs- und Synthetisierwiderstände wird neben der aus der Stromgegenkopplung aufgebauten Regelschleife eine weitere äußere Regelschleife zur Einstellung der Verstärkung des differenziellen Eingangsverstärkers vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass sich durch den Abgleich der Rückkopplungswiderstände der Verstärkungsfaktor der gesamten Breitbandtreiberschaltung einstellen lässt, wobei der erste, zweite und dritte Rückkopplungswiderstand der Verstärkungseinstellung der Transimpedanzverstärker dient und so die an Ausgängen des differenziellen Eingangsverstärkers anliegenden Signalhübe vorteilhaft einstellbar bzw. reduzierbar sind. Außerdem ist eine Synthetisierung der Ausgangsimpedanz der Breitbandtreiberschaltung über ein derartiges Widerstandnetzwerk möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils ein Eingangspufferverstärker zum Treiben des ersten und zweiten Zwischensignals dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Transimpedanzverstärkers und dem nicht-invertierenden Eingang des zweiten Transimpedanzverstärkers vorgeschaltet.
  • Es ist ferner von Vorteil, dass jeweils ein Ausgangspufferverstärker zum Treiben des Ausgangssignals dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Transimpedanzverstärkers nachgeschaltet ist. Durch entsprechende Pufferverstärker wird die mögliche Ausgangsstromstärke der Breitbandtreiberschaltung erhöht. Es ist dabei insbesondere von Vorteil, wenn die Eingangs- und/oder Ausgangspufferverstärker einen Verstärkungsfaktor von Eins aufweisen. Durch den Einsatz von Pufferverstärkern wird ermöglicht, auch besonders hohe Lasten an einer an den Ausgängen der Schaltung anliegenden Zweidrahtleitung zu treiben. Die Eingangspufferverstärker dienen dabei zur Ansteuerung der Transimpedanzverstärker.
  • In einer Ausführungsform der Breitbandtreiberschaltung liegen an Ausgängen des differenziellen Eingangsverstärkers parasitäre nicht-lineare Kondensatoren vor. Es ist dann von besonderem Vorteil, dass die Rückkopplungswiderstände zur Verstärkungseinstellung der Breitbandtreiberschaltung derart dimensioniert sind, dass der Spannungshub des differenziellen Zwischensignals im Wesentlichen niedriger ist als der Spannungshub einer Versorgungsspannung der Breitbandtreiberschaltung. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird eine besonders lineare Breitbandtreiberschaltung über einen großen Aussteuerbereich und eine große Frequenzbandbreite erreicht.
  • Gemäß noch einer bevorzugten Weiterbildung der Breitbandtreiberschaltung ist eine dynamische Bias-Steuereinrichtung vorgesehen, welche in Abhängigkeit des differenziellen Ausgangssignals einen Bias-Strom des ersten und/oder zweiten Transimpedanzverstärkers steuert. Dabei ist es von besonderem Vor teil, wenn die Bias-Steuereinrichtung über Ankoppelkondensatoren an die Ausgänge der beiden Transimpedanzverstärker gekoppelt ist, wobei die Bias-Steuereinrichtung bei einem ansteigenden Spannungshub des differenziellen Ausgangssignals der Breitbandtreiberschaltung die Bias-Ströme der beiden Transimpedanzverstärker erhöht.
  • Die Bias-Steuereinrichtung ermöglicht es also, solange keine Eingangssignalspitzenwerte vorliegen, welche durch die Breitbandtreiberschaltung übertragen werden müssen, dass die entsprechenden Bias-Ströme für die Transimpedanzverstärker einen verhältnismäßig niedrigen Wert aufweisen. Sobald die Bias-Steuereinrichtung jedoch einen ansteigenden Spannungshub erkennt, werden die Bias-Ströme erhöht, um so zuverlässig auch eine Übertragung bzw. ein Treiben des Spitzenwertes des Eingangssignals zu gewährleisten. Die Bias-Steuereinrichtung führt daher zu einer verbesserten Verlustleistung der Gesamt-Breitbandtreiberschaltung.
  • Es ist von besonderem Vorteil, wenn der differenzielle Eingangsverstärker als Typ AB-Verstärker ausgeführt ist. Besonders die Kombination eines Typ AB-Verstärkers mit den stromgegengekoppelten Transimpedanzverstärkern liefert eine Breitbandtreiberschaltung, deren Leistungsaufnahme bei hoher Signalbandbreite besonders gering ist und die ein besonders lineares Signalverhalten zeigt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rückkopplungswiderstände derart dimensioniert, dass die synthetisierte Ausgangsimpedanz der Breitbandtreiberschaltung im Wesentlichen die Impedanz der an die Ausgänge angeschlossenen Last, insbesondere 100 Ohm beträgt. Mit einer 56 Ohm Ausgangsimpedanz sind beispielsweise unter Verwendung eines Standard 4:3 Einkoppeltransformators Signale auf 100 Ohm Zweidrahtleitungen zu übertragen.
  • In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste, zweite und dritte Rückkopplungswiderstand derart dimensioniert, dass der Verstärkungsfaktor der die beiden Transimpedanzverstärker umfassenden differenziellen Verstärkungsstufe größer ist als Eins. Eine derartige Dimensionierung erlaubt auf Grund der Stromgegenkopplung einen besonders niedrigen Signalhub des differenziellen Zwischensignals, wodurch eventuelle parasitäre Kapazitäten weniger kritisch die Linearität der Breitbandtreiberschaltung beeinflussen.
  • Ferner ist die Breitbandstreiberschaltung vorzugsweise vollständig integriert ausgeführt, um AC-Stabilitätsprobleme möglichst auszuschließen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren.
  • Es zeigt dabei die
  • 1: ein Blockschaltbild einer Breitbandtreiberschaltung;
  • 2: ein Blockschaltbild einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Breitbandtreiberschaltung; und
  • 3: eine Treiberschaltung nach dem Stand der Technik.
  • In den Figuren sind, sofern nichts anderes angegeben ist, funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
  • In der 1 ist eine stromsparende differenzielle Breitbandtreiberschaltung 1 dargestellt. Die Breit bandtreiberschaltung 1 weist ein Eingangspaar 2, 3 zum Einkoppeln eines differenziellen Eingangssignals IN+, IN– und ein Ausgangspaar 4, 5 zum Auskoppeln eines getriebenen differenziellen Ausgangssignals OUT+, OUT– auf.
  • Es ist ein differenzieller Eingangsverstärker 6 mit einem nicht-invertierenden Eingang 7, einem invertierenden Eingang 8, einem invertierenden Ausgang 9 und einem nichtinvertierenden Ausgang 10 vorgesehen, wobei dem nichtinvertierenden Eingang 7 ein erstes Eingangssignal IN+ und dem invertierenden Eingang 8 ein zweites Eingangssignal IN– des differenziellen Eingangssignals IN+, IN– zugeführt ist. Der Eingangsverstärker ist vorzugsweise als Klasse AB-Verstärker ausgeführt, welcher besonders stromsparend ist, da beispielsweise gegenüber Klasse A-Verstärkern der Ruhestrom bzw. Bias-Strom reduziert ist.
  • Es ist eine zweite Verstärkerstufe 11 mit einem ersten Transimpedanzverstärker 12 und einem zweiten Transimpedanzverstärker 13 vorgesehen. Die Transimpedanzverstärker 12, 13 weisen jeweils einen nicht-invertierenden Eingang 14, 15 und einen invertierenden Eingang 16, 17 sowie einen Ausgang 18, 19 auf. Die Ausgänge 18, 19 der beiden Transimpedanzverstärker 12, 13 sind jeweils an die Ausgänge 4,5 der Breitbandtreiberschaltung 1 verbunden.
  • Es ist ein erster Rückkopplungswiderstand 26 zwischen dem Ausgang 24 des ersten Ausgangspufferverstärkers 20 und dem nicht-invertierenden Eingang 16 des ersten Transimpedanzverstärkers 12 verbunden. Es ist ein zweiter Rückkopplungswiderstand 27 zwischen dem Ausgang 25 des zweiten Ausgangspufferverstärkers 21 und dem nicht-invertierenden Eingang 17 des zweiten Transimpedanzverstärkers 13 geschaltet. Ferner ist ein dritter Rückkopplungswiderstand zwischen den nichtinvertierenden Eingängen 16, 17 der beiden Transimpedanzverstärker 12, 13 verbunden. Das Verhältnis des Widerstandswertes der gleich dimensionierten ersten und zweiten Rück kopplungswiderstände 26, 27 mit dem Widerstandswert des dritten Rückkopplungswiderstandes 28 bestimmt dabei den Verstärkungsfaktor.
  • Der invertierende Ausgang 9 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 ist an den nicht-invertierenden Eingang 14 des ersten Transimpedanzverstärkers 12 verbunden. Der nicht-invertierende Ausgang 10 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 ist an den nicht-invertierenden Eingang 15 des zweiten Transimpedanzverstärkers 13 verbunden. An den Ausgängen 9, 10 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 liegen herstellungsbedingt parasitäre Kapazitäten, welche hier als Kondensatoren 29, 30 dargestellt sind. Die Kapazitäten können beispielsweise durch Sperrschichtkapazitäten hervorgerufen sein, deren nichtlineare Eigenschaften zunehmen, je näher ein Angelegtes Potenzial an einem Versorgungsspannungspotenzial des jeweiligen integrierten Bausteins liegt. Daher sind Spannungshübe des Zwischensignals Z1+, Z1– erwünscht, die erheblich niedriger sind als ein Versorgungsspannungshub.
  • Die beiden Ausgänge 9, 10 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 sind also über diese nicht-linearen Kondensatoren 29, 30 an Masse GND gelegt.
  • Die gesamte Breitbandtreiberschaltung 1 ist vollständig integriert ausführbar, wobei insbesondere die intern integrierte Ausführung der Rückkopplungswiderstände 26, 27, 28 dann kaum Stabilitätsprobleme im Hochfrequenzbereich hervorrufen können.
  • Der hier als Klasse AB-Verstärker vorgesehene differenzielle Eingangsverstärker 6 kann mit einem besonders niedrigen Bias-Strom (hier nicht dargestellt) versorgt werden, wie auch die Transimpedanzverstärker 12, 13. Die Verstärkungseinstellung über den Stromgegenkopplungsregelkreis erlaubt gegenüber spannungsgegengekoppelten Verstärkeranordnungen eine erheblich größere Bandbreite. Außerdem genügt stromgegengekoppel ten Verstärkungsstufen 11 ein verhältnismäßig geringer Eingangssignalspannungshub, also ein Signalhub der Zwischensignale Z1–, Z1+. Dies wiederum wirkt sich vorteilhaft auf mögliche negative Einflüsse durch die nicht-linearen parasitären Kapazitäten 29, 30 aus. Somit kann der durch den differenziellen Eingangsverstärker 6 erzeugte Signalhub der Zwischensignale Z1–, Z1+ niedrig eingestellt werden, wodurch insgesamt eine besonders lineare Verstärkung der Breitbandtreiberschaltung 1 erfolgt.
  • In der 2 ist eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Breitbandtreiberschaltung 100 gezeigt.
  • Die Weiterbildung der Breitbandtreiberschaltung 100 weist im Wesentlichen dieselben Elemente wie die in der 1 dargestellte Breitbandtreiberschaltung 1 auf, wobei den Ausgängen 18, 19 der Transimpedanzverstärker 12, 13 jeweils ein Ausgangspufferverstärker 20, 21 nachgeschaltet ist. Die Ausgangspufferverstärker 20, 21 weisen jeweils einen Eingang 22, 23 und einen Ausgang 24, 25 auf, und die Ausgänge 24, 25 sind an die Ausgänge 4, 5 der Breitbandtreiberschaltung 1 verbunden.
  • Das Eingangssignal IN+, IN– ist über Einkopplungswiderstände 40, 41, die zwischen die Eingänge 2, 3 des Breitbandtreibers 100 und die Eingänge 7, 8 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 geschaltet sind, an den differenziellen Eingangsverstärker geführt.
  • Ferner ist zwischen dem Ausgang 24 des ersten Ausgangspufferverstärkers 20 und dem ersten Ausgang 4 der Schaltungsanordnung 100 ein erster Synthetisierungswiderstand 42 und zwischen dem Ausgang 25 des zweiten Ausgangspufferverstärkers 21 und dem zweiten Ausgang 5 der Schaltungsanordnung 100 ein zweiter Synthetisierungswiderstand 43 geschaltet.
  • Zwischen dem nicht-invertierenden Eingang 7 des Eingangsverstärkers 6 und dem zweiten Ausgang 5 der Schaltung 100 ist ein erster weiterer Rückkopplungswiderstand 31 verbunden, zwischen dem invertierenden Eingang 8 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 und dem ersten Ausgang 4 der Breitbandtreiberschaltung 100 ist ein zweiter weiterer Rückkopplungswiderstand 32 verbunden. Ein dritter und vierter weiterer Rückkopplungswiderstand 44, 45 ist zwischen dem Ausgang 24 des ersten Ausgangspufferverstärkers 20 und dem nichtinvertierenden Eingang 7 des Eingangsverstärkers 6 und zwischen dem Ausgang 25 des zweiten Ausgangspufferverstärkers 21 und dem invertierenden Eingang 8 des Eingangsverstärkers 6 verbunden. Die Synthetisier- und Rückkopplungswiderstände bestimmen die Impedanz der Breitbandtreiberschaltung 100.
  • Es ist außerdem eine dynamische Bias-Steuereinrichtung 33 vorgesehen, die über einen ersten und zweiten Ankoppelkondensator 34, 35 an die Ausgänge 24, 25 des ersten Ausgangspufferverstärkers 20 und des zweiten Ausgangspufferverstärkers 21 gekoppelt ist. Die dynamische Bias-Steuereinrichtung 33 ist somit kapazitiv an die Ausgangssignale OUT+, OUT– der Breitbandtreiberschaltung 100 gekoppelt.
  • Die dynamische Steuereinrichtung 35 steuert über geeignete Steuersignale 36, 37 die Bias-Ströme der Transimpedanzverstärker 12, 13 und optional die entsprechenden Bias-Ströme der Ausgangspufferverstärker 20, 21. Dies erfolgt derart, dass bei besonders großen Signalhüben bzw. schnell ansteigenden Ausgangssignalen OUT+ und OUT– der entsprechende Bias-Strom für die Transimpedanzverstärker 12, 13 erhöht wird. Dadurch ist gewährleistet, dass im normalen Betrieb, also in Zeitabschnitten in denen das differenzielle Eingangssignal IN+, IN– einen niedrigeren Crest-Faktor aufweist, ein verhältnismäßig niedriger Bias-Strom für die Transimpedanzverstärker 12, 13 gesteuert wird. Dadurch ist die Leistungsaufnahme der Breitbandtreiberschaltung 100 weiter verringert.
  • Mittels der beiden weiteren Rückkopplungswiderstände 31, 32 wird eine äußere Regelschleife realisiert, wodurch der Verstärkungsfaktor der Breitbandtreiberschaltung bestimmt wird.
  • In der Weiterbildung der Breitbandtreiberschaltung 100 ist ferner ein Eingangspufferverstärker 38, 39 jeweils zwischen dem invertierenden Ausgang 9 des Eingangsverstärkers 6 und dem nicht-invertierenden Eingang 14 des ersten Transimpedanzverstärkers 12 sowie zwischen dem nicht-invertierenden Ausgang 10 des differenziellen Eingangsverstärkers 6 und dem nicht-invertierenden Eingang 17 des zweiten Transimpedanzverstärkers 13 geschaltet. Die beiden (optionalen) Eingangspufferverstärker 38, 39 dienen der verbesserten Ansteuerung der Transimpedanzverstärker 12, 13.
  • Erfindungsgemäß werden somit zwei Regelschleifen ineinander verschachtelt. Zum einen liefern die stromgegengekoppelten Transimpedanzverstärker 12, 13 auch wegen ihrer hochohmigen Ausgänge 18, 19 eine stromsparende Verstärkung der Zwischensignale Z1–, Z1+, an die zudem nur ein geringer Spannungs- bzw. Signalhub gefordert wird. Die weitere Regelschleife durch die weiteren Rückkopplungswiderstände 31, 32, welche der Spannungsgegenkopplung dienen, legt letztlich den Verstärkungsfaktor der Breitbandtreiberschaltung 100 zusammen mit den eingestellten Verstärkungsfaktoren der Transimpedanzverstärker 12, 13 fest.
  • Die erfindungsgemäße Breitbandtreiberschaltung 1, 100 ermöglicht eine günstige Anpassung ihrer Ausgangsimpedanz über die Dimensionierung der Rückkopplungswiderstände 26, 28, 27, 31, 32, sie hat durch den Einsatz von Klasse AB differenziellen Eingangsverstärkern 6 eine niedrige Verlustleistung und gute Linearitätseigenschaften, da durch die Einstellung der Stromgegenkopplung für die Transimpedanzverstärker 12, 13 von dem Ausgangssignal Z1–, Z1+ des Eingangsverstärkers 6 nur ein geringer Signalhub gefordert wird. Die erfindungsgemäße Breitbandtreiberschaltung eignet sich daher hervorragend zum Ein satz in xDSL-Systemen, welche eine Signalbandbreite bis zu 30 MHz erfordern und unter anderem 100 Ohm Leitungsimpedanzen treiben müssen. Die Breitbandtreiberschaltung 1, 100 ist somit einsetzbar bei zu treibenden Signalen mit hohem Crest-Faktor.
  • GND-Masse
  • IN+, IN–
    Eingangssignal
    OUT+, OUT–
    Ausgangssignal
    Z1–, Z1+, Z2–, Z2+
    Zwischensignal
    LD
    Leitungstreiber
    VCC, VEE
    Standardversorgungsspannung
    VCCP, VEEP
    Versorgungsspannung
    SOP
    Spitzenspannungsversorgung
    R1, R2, R3
    Widerstand
    DA1, DA2
    Treiberverstärker
    V1, V2
    Versorgungsspannungsanschluss
    NI
    nicht-invertierender Eingang
    N
    invertierender Eingang

Claims (12)

  1. Stromsparende differenzielle Breitbandtreiberschaltung (1, 100) mit: a) einem differenziellen Eingangsverstärker (6) zum Verstärken eines differenziellen Eingangssignals (IN+, IN–) in ein erstes Zwischensignal (Z1–) und ein zweites Zwischensignal (Z1+) eines differenziellen Zwischensignals (Z1–, Z1+); b) einem ersten Transimpedanzverstärker (12), der einen invertierenden Eingang (16), einen nicht-invertierenden (14) Eingang und einen Ausgang (18) aufweist, wobei an dem nichtinvertierenden Eingang (14) das erste Zwischensignal (Z1–) anliegt und der Ausgang (18) über einen ersten Rückkopplungswiderstand (26) zur Stromgegenkopplung an den invertierenden Eingang (16) des ersten Transimpedanzverstärkers (12) angeschlossen ist; c) einem zweiten Transimpedanzverstärker (13), der einen invertierenden Eingang (17), einen nicht-invertierenden Eingang (15) und einen Ausgang aufweist, wobei an dem nichtinvertierenden Eingang (15) das zweite Zwischensignal (Z1+) anliegt und der Ausgang (19) über einem zweiten Rückkopplungswiderstand (27) zur Stromgegenkopplung an den invertierenden Eingang (17) des zweiten Transimpedanzverstärkers (13) angeschlossen ist; d) wobei ein dritter Rückkopplungswiderstand (28) zwischen den invertierenden Eingängen (16, 17) des ersten und des zweiten Transimpedanzverstärkers (12, 13) zur Einstellung eines Verstärkungsfaktors der Breitbandtreiberschaltung (1, 100) angeschlossen ist und ein verstärktes differenzielles Ausgangssignal (OUT+, OUT–) an den Ausgängen (18, 19) der beiden Transimpedanzverstärker (12, 13) abgreifbar ist; und e) mit einem ersten weiteren Rückkopplungswiderstand (31), welcher zwischen dem Ausgang (19) des zweiten Transimpedanzverstärkers (13) und einem nicht-invertierenden Eingang (7) des differenziellen Eingangsverstärkers (6) geschaltet ist, und mit einem zweiten weiteren Rückkopplungswiderstand (32), welcher zwischen dem Ausgang (18) des ersten Transimpedanzverstärkers (12) und einem invertierenden Eingang (8) des differenziellen Eingangsverstärkers (16) geschaltet, ist zur Spannungsgegenkopplung.
  2. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Eingangspufferverstärker (38, 39) zum Treiben des ersten und zweiten Zwischensignals (Z1–, Z1+) dem nicht-invertierenden Eingang (14) des ersten Transimpedanzverstärkers (12) und dem nicht-invertierenden Eingang (17) des zweiten Transimpedanzverstärkers (13) vorgeschaltet ist.
  3. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Ausgangspufferverstärker (20, 21) zum Treiben des Ausgangssignals (OUT+, OUT–) dem Ausgang (18) des ersten (12) und dem Ausgang (19) des zweiten Transimpedanzverstärkers (13) nachgeschaltet ist.
  4. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs- und/oder Ausgangspufferverstärker (20, 21, 38, 39) einen Verstärkungsfaktor von Eins aufweisen.
  5. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Ausgängen (9, 10) des differenziellen Eingangsverstärkers (6) parasitäre nichtlineare Kondensatoren (29, 30) vorliegen, die eine nichtlineare Kapazität aufweisen.
  6. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungswiderstände (26, 27, 28, 31, 32) zur Verstärkungseinstellung der Breitbandtreiberschaltung (1, 100) derart dimensioniert sind, dass der Spannungshub des differenziellen Zwischensignals (Z1–, Z1+) niedriger ist als ein Spannungshub einer Versorgungsspannung der Breitbandtreiberschaltung (1, 100).
  7. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dass eine dynamische Bias-Steuereinrichtung (33) vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit des differenziellen Ausgangssignals (OUT+, OUT–) einen Bias-Strom des ersten und/oder zweiten Transimpedanzverstärkers (12, 13) steuert.
  8. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bias-Steuereinrichtung (33) über Ankoppelkondensatoren (34, 35) an die Ausgänge (18, 19) der beiden Transimpedanzverstärker gekoppelt ist und bei einem ansteigenden Spannungshub des differenziellen Ausgangssignals (OUT+, OUT–) der Breitbandtreiberschaltung (1, 100) die Bias-Ströme der beiden Transimpedanzverstärker (12, 13) erhöht.
  9. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der differenzielle Eingangsverstärker als Typ AB Verstärker ausgeführt ist.
  10. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitbandtreiberschaltung (1, 100) vollständig integriert ausgeführt ist.
  11. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungswiderstände (26, 27, 28, 31, 32) derart dimensioniert sind, dass die synthetisierte Ausgangsimpedanz der Breitbandtreiberschaltung (1, 100) im Wesentlichen 100 Ohm beträgt.
  12. Breitbandtreiberschaltung (1, 100) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zweite und dritte Rückkopplungswiderstand (26, 27, 28) derart dimensioniert ist, dass der Verstärkungsfaktor der die beiden Transimpedanzverstärker (12, 13) umfassenden differenziellen Verstärkungsstufe (11) größer ist als Eins.
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