DE102005050622A1

DE102005050622A1 - Sendeendstufe mit einstellbarer Ausgangsleistung und Verfahren zum Verstärken eines Signals in einer Sendeendstufe

Info

Publication number: DE102005050622A1
Application number: DE102005050622A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr. Bakalski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-05-03
Also published as: US7486133B2; US20070096804A1

Abstract

In einer Sendeendstufe sind eine erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) mit einem ersten Verstärkungsfaktor sowie eine zweite Verstärkungseinrichtung (PA2) mit einem zweiten Verstärkungsfaktor vorgesehen. Beide Verstärkungseinrichtungen sind eingangsseitig mit einem Signaleingang (10) gekoppelt. Die Sendeendstufe umfasst ein erstes Anpassnetzwerk (31), das eingangsseitig an einen Ausgang (41) der ersten Verstärkungseinrichtung (PA1) angeschlossen ist. Weiterhin ist ein zweites Anpassnetzwerk (3) vorgesehen, welches eingangsseitig an einen Ausgang (42) der zweiten Verstärkungseinrichtung (PA2) und an einen Knoten (32) zwischen der ersten Verstärkungseinrichtung und dem ersten Anpassnetzwerk angeschlossen ist. Das zweite Anpassnetzwerk (3) enthält ein Anpasselement (30) sowie ein Mittel zum wahlweisen Überbrücken des wenigstens einen Anpasselements (30). Damit wird eine Impedanztransformation in einer ersten Betriebsart der Sendeendstufe nur mit der zweiten Verstärkerstufe (PA2) durchgeführt, während in einer zweiten Betriebsart mit der ersten und der zweiten Verstärkerstufe eine Anpassung der Lastimpedanz nur über das erste Anpassnetzwerk erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sendeendstufe mit einer einstellbaren Ausgangsleistung sowie ein Verfahren zum Verstärken eines Signals in einer Sendeendstufe.

In modernen mobilen Kommunikationssystemen ist eine besonders lange so genannte "Stand-by"-Zeit wünschenswert. Mit dieser Angabe wird die Zeit bezeichnet, in der ein mobiles Kommunikationsgerät in einem aktiven Zustand oder empfangsbereiten verweilen kann, ohne dass die für den Betrieb erforderliche Batterie wieder aufgeladen werden muss. Demgegenüber steht die Gesprächszeit oder "Talk"-Zeit, welche die Zeitdauer für ein kontinuierliches Senden bzw. Empfangen des mobilen Kommunikationsgeräts angibt. Das Kundenbedürfnis nach wachsender "Stand-by"- und "Talk"-Zeit erfordert neben neuartigen Batterien mit einer hohen Kapazität auch eine möglichst effiziente Reduktion der Leistungsaufnahme des mobilen Kommunikationsgeräts in den verschiedenen Betriebsarten.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Sendeleistung des mobilen Kommunikationsgeräts zu verringern, da sich damit auch die Leistungsverbrauch der im besonderen Maße zum gesamten Verbrauch beitragenden Verstärker reduziert. Eine Reduktion der Sendeleistung bietet sich vor allem dann an, wenn sich das mobile Kommunikationsgerät in der Nähe einer Basisstation befindet, sodass nur geringe Ausgangsleistungen für einen ausreichenden Empfang der Signale erforderlich sind. Dadurch kann die Stromaufnahme und damit der Leistungsverbrauch abgesenkt werden. Dabei kann wie beispielsweise in dem Mobilfunk standard UMTS vorgesehen, die Basisstation das mobile Kommunikationsgerät anweisen, seine Sendeleistung zu erhöhen oder zu reduzieren.

Bei modernen Mobilfunkstandards wie WCDMA/UMTS, WLAN oder IS95 werden die zu übertragenden Daten zudem sowohl in der Amplitude als auch in der Phase des Signals moduliert. Dadurch ergibt sich eine über die Zeit unterschiedliche Eingangsamplitude in einem Leistungsverstärker des mobilen Kommunikationsgeräts. Die mittlere Ausgangsleistung des mobilen Kommunikationsgerätes wird wiederum durch eine Regelung des Leistungsverstärkers eingestellt.

Die 6 zeigt eine solche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für einen derartigen Mobilfunkstandard. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Wahrscheinlichkeit für die Ausgangsleistung eines typischen Hochfrequenzsignals ca. 10 dBm beträgt. Dennoch gibt es eine relativ große Wahrscheinlichkeit für sehr hohe Ausgangsleistungen von +20 dBm bis zu +30 dBm. Dadurch ergibt sich für die Verstärker im Sendepfad die Forderung, über den gesamten Bereich der Ausgangsleistung und besonders auch bei diesen hohen Leistungen ein ausreichend lineares Übertragungsverhalten aufzuweisen. Andernfalls kommt es bei der Übertragung von Signalen mit hohen Ausgangsleistungen zur Verzerrungen in der Amplitude und der Phase des Signals. Dadurch werden Übertragungsfehler verursacht und die Datenfehlerrate steigt stark an.

Um zu gewährleisten, dass das mobile Kommunikationsgerät auch im Fall einer sehr weit entfernten Basisstation eine ausreichende Sendeleistung gewährleistet, werden die Endstufe des Sendepfades und die darin befindlichen Hochfrequenz-Leistungsverstärker auf einen möglichen Maximalfall ausge legt. Jedoch können die Leistungsverstärker in der Endstufe nicht für jede beliebige Eingangsleistung die gleiche Effizient aufweisen. 5 zeigt einen typischen Verlauf der Ausgangsleistung in Abhängigkeit der Eingangsleistung im Vergleich zu dem Verlauf einer gesamten Effizienz des Leistungsverstärkers über die Eingangsleistung (PAE, Power Added Efficiency). Dabei ergibt sich die Effizienz aus dem Quotienten der Differenz der Ausgangs und Eingangsleistung zu dem gesamten Leistungsverbrauch des Verstärkers.

Es ist aus den beiden Kennlinien zu erkennen, dass für geringe Eingangsleistung die Effizienz des Leistungsverstärkers nicht linear, sondern deutlich stärker abnimmt und im Bereich einer Eingangsleistung von –20 dBm fast verschwindet. Dies liegt daran, dass bei kleinen Eingangspegeln die Effizienz hauptsächlich vom Ruhestrom bestimmt wird, der durch die Leistungsverstärker in der Sendeendstufe fließt. Diese können nur in einem bestimmten Bereich abgeregelt werden, da anderenfalls die Verstärker keine lineare Kennlinie und damit keine proportionale Verstärkung mehr aufweisen.

Zur Lösung dieses Problems gibt es verschiedene Ansätze, unter anderem in J. Staudinger "Applying Switched Gain Stage Concepts to Improve Efficiency and Linearity for Mobile CDMA Power Amplification", Microwave Journal, September 2000, bei dem unter Umgehung der Endstufe durch eine Bypass-Leitung ein mehrstufiger Verstärker schon nach einer Treiberstufe an den Ausgang der Sendeendstufe gekoppelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sendeendstufe anzugeben, die auch bei kleinen Eingangsleistungen mit einer erhöhten Effizienz und niedrigem Stromverbrauch arbeitet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verstärken eines Signals in einer Sendeendstufe anzugeben, welches Strom sparend und mit einer hohen Effizienz realisierbar ist.

Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche 1, 11 und 16 gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ist eine Sendeendstufe mit einem Signaleingang und einer ersten steuerbaren Verstärkungseinrichtung vorgesehen, welche eingangsseitig mit dem Signaleingang gekoppelt ist. Eine zweite Verstärkungseinrichtung ist ebenso an den Signaleingang angeschlossen. Weiterhin umfasst die Sendeendstufe ein erstes Anpassnetzwerk, welches eingangsseitig an einen Ausgang der ersten Verstärkungseinrichtung gekoppelt ist. Ein zweites Anpassnetzwerk ist eingangsseitig an einen Ausgang der zweiten Verstärkungseinrichtung und ausgangsseitig an einen Knoten zwischen der ersten Verstärkungseinrichtung und dem ersten Anpassnetzwerk angeschlossen. Das zweite Anpassnetzwerk weist wenigstens ein Anpasselement sowie ein Mittel zum wahlweisen Unterdrücken des wenigstens einen Anpasselements auf. Alternativ ist das Mittel zur wahlweisen Deaktivierung des wenigstens einen Anpassnetzwerks oder zu einer Änderung der Impedanzeigenschaft des Anpasselementes ausgeführt.

Damit lässt sich in der ersten Sendeendstufe in einer ersten Betriebsart nur mit der zweiten Verstärkerstufe das zweite Anpassnetzwerk zwischen die zweite Verstärkerstufe und das erste Anpassnetzwerk schalten. Somit werden abhängig von der Betriebsart der Sendeendstufe die Ausgänge der ersten und der zweiten Verstärkerstufe entweder direkt an das erste Anpassnetzwerk oder der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe über das zweite Anpassnetzwerk an das erste Anpassnetzwerk angeschlossen. Dies ermöglicht eine Impedanzanpassung des Aus gangs der zweiten Verstärkerstufe in einem Betrieb der Sendeendstufe nur mit der zweiten Verstärkerstufe.

Da bei kleinen Ausgangsleistungen die Effizienz der Sendeendstufe vor allem durch den Ruhestrom der durch die einzelnen Verstärkerstufen fließenden Strom dominiert wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Prinzip somit vorgesehen, jeweils abhängig von der gewählten Betriebsart eine möglichst sehr gut angepasste Lastimpedanz an den Ausgang der jeweils verwendeten Verstärkerstufe vorzusehen. Dadurch kann der Ruhestrom der verwendeten Verstärkerstufe verringert und gleichzeitig eine geeignete Anpassung und damit eine gute Effizienz erreicht werden. Zudem wird die Linearität der Ausgangsstufe für die jeweilige Betriebsart weiter verbessert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung besitzen demnach die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung eine große maximale Ausgangsleistung und die zweite Verstärkungseinrichtung eine geringere maximale Ausgangsleistung. Damit ist bei einem gleichzeitigen Betrieb der ersten und der zweiten Verstärkerstufe die Sendeendstufe für hohe Gesamtausgangsleistungen und bei einem Betrieb mit lediglich der zweiten Verstärkerstufe für kleine Gesamtausgangsleistungen ausgelegt.

Natürlich kann auch die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung für eine kleine maximale Ausgangsleistung und zweite Verstärkungseinrichtung für eine große maximale Ausgangsleistung ausgelegt sein. In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Verstärkungseinrichtung einen großen Verstärkungsfaktor und die zweite Verstärkungseinrichtung einen demgegenüber geringen Verstärkungsfaktor auf.

Entsprechend ist in einer Ausgestaltung der Erfindung das erste Anpassnetzwerk für eine Anpassung an niedrige Lastimpedanzen ausgeführt. Das zweite Anpassnetzwerk dient zur Transformation der niedrigen Lastimpedanz auf eine hohe Lastimpedanz.

In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Sendeendstufe einen Stelleingang auf, der an die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung angeschlossen ist. Dem Stelleingang ist ein Einstellsignal für eine Deaktivierung der ersten steuerbaren Verstärkerstufe zuführbar. Eine derartige Deaktivierung kann beispielsweise über eine Änderung des Signals zur Arbeitspunkteinstellung erfolgen. Damit lässt sich die Sendeendstufe in wenigstens zwei Betriebsarten mit einer unterschiedlichen Sendeverstärkung betreiben.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Mittel zum wahlweisen Überbrücken des zweiten Anpassnetzwerks einen Schalter, der in einem parallel zu dem zweiten Anpassnetzwerk angeordneten Signalpfad geschaltet ist. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Mittel einen Transistor auf, der zwischen einen Bezugspotenzialanschluss und dem zweiten Anpassnetzwerk angeordnet ist. An seinem Steueranschluss ist ein Schaltsignal zum Überbrücken des zweiten Anpassnetzwerks zuführbar. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung enthält das zweite Anpassnetzwerk ein induktives Element sowie ein parallel dazu geschaltetes kapazitives Element. Ein Knoten zwischen dem induktiven Element und dem kapazitiven Element ist mit dem Ausgang der zweiten Verstärkungseinrichtung gekoppelt. Durch das zweite Anpassnetzwerk erfolgt eine Transformation einer niedrigen Lastimpedanz des ersten Anpassnetzwerks auf eine hohe Eingangsimpedanz.

In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung sind die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung, die zweite Verstärkungseinrichtung sowie das zweite Anpassnetzwerk in einem Halbleiterkörper als integrierte Schaltung ausgeführt. Das erste Anpassnetzwerk ist mit einer Kontaktstelle auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers gekoppelt. Diese Kopplung kann durch einen Bonddraht ausgeführt sein, der gleichzeitig einen Teil eines Anpasselements des ersten Anpassnetzwerks bildet.

Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ist bei der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Verstärkungseinrichtung während eines Betriebs immer aktiv ist. Damit werden für eine wesentliche Änderung der Verstärkungseinstellung bzw. ein Betreiben der Sendeendstufe mit kleinen Ausgangsleistungen keine zusätzlichen Verstärkertransistoren und somit keine zusätzliche Fläche auf einem Substrat benötigt. Die Realisierung der zweiten Verstärkerstufe innerhalb des Halbleiterkörpers als integrierter Schaltkreis ermöglicht eine weitere Verwendung einer bereits existierenden äußeren Beschaltung.

Bei dem Verfahren zum Verstärken eines Signals in einer Sendeendstufe wird demnach ein Signal bereitgestellt sowie anschließend eine Verstärkungseinstellung ausgewählt. In Abhängigkeit der ausgewählten Verstärkungseinrichtung wird eine Impedanzanpassung vorgenommen. Das bereitgestellte Signal wird dann mit der ausgewählten Verstärkung verstärkt.

Bei einer Änderung der Verstärkungseinstellung erfolgt auch eine Änderung der Impedanzanpassung durch Überbrückung von einem die Impedanzanpassung erzeugenden Element. Durch diese Überbrückung bzw. zusätzliche Transformation der Impedanz in Abhängigkeit der Verstärkungseinstellung lässt sich der Stromverbrauch einer Sendeendstufe reduzieren und die Signaleigenschaften während des Verstärkungsvorgangs verbessern.

Beispielsweise kann eine Impedanzanpassung erfolgen, indem eine niedrige Einlassimpedanz auf eine hohe Lastimpedanz transformiert wird, wenn die Verstärkungseinstellung auf einen Wert niedriger als ein vorbestimmter Grenzwert ausgewählt wird. Entsprechend wird eine hohe Impedanz auf eine niedrige Impedanz transformiert, wenn die Verstärkungseinstellung auf einen Wert größer als der vorbestimmte Grenzwert eingestellt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der Zeichnungen anhand verschiedener Ausführungsbeispiele im Detail erläutert. Es zeigen:
1A ein erstes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
1B ein zweites Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sendeendstufe,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sendeendstufe,
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sendeendstufe in einem Halbleiterkörper,
5 eine Leistungskennlinie zur Verdeutlichung des Effizienzverlaufs über die Eingangsleistung,
6 ein Diagramm mit einer Wahrscheinlichkeitsdichte über die Ausgangsleistung.
1A zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sendeendstufe zur Verdeutlichung des zugrundeliegenden Prinzips. Die Sendeendstufe umfasst eine erste Verstärkerstufe PA1 sowie eine zweite Verstärkerstufe PA2. In diesem in keiner Weise einschränkenden Beispiel ist die erste Verstärkerstufe PA1 dabei für einen Betrieb mit einer hohen Ausgangsleistung ausgelegt. Die zweite Verstärkerstufe PA2 dient zur Bereitstellung von kleinen Ausgangsleistungen. Eingangsseitig ist die erste Verstärkerstufe PA1 über einen Kondensator 21 mit einem Hochfrequenzsignaleingang 10 verbunden. In gleicher Weise ist die zweite Verstärkerstufe PA2 eingangsseitig über einen Kondensator 22 an den Frequenzsignaleingang 10 angeschlossen. Mit einem Ausgang 41 ist die erste Verstärkerstufe PA1 an ein erstes Anpassnetzwerk 31 angeschlossen. Das erste Anpassnetzwerk 31 dient zur Transformation einer Ausgangsimpedanz am Ausgangsanschluss 11 auf eine möglichst niedrige Eingangsimpedanz im Bereich von wenigen Ohm. Dadurch kann im Fall hoher Ausgangsleistungen der erfindungsgemäßen Sendeendstufe die erste Verstärkerstufe PA1 in einem für sie geeigneten Bereich ihrer Kennlinie betrieben werden.
An den Ausgangsanschluss 42 der zweiten Verstärkerstufe PA2 ist ein weiteres Anpassnetzwerk 30 angeschlossen. Dieses ist mit seinem Ausgang mit einem Knoten 32 verbunden, welcher zwischen dem Ausgang 41 der ersten Verstärkerstufe PA1 und dem Eingang des ersten Anpassnetzwerks 31 angeordnet ist. Zudem ist ein so genannter Überbrückungspfad parallel zu den Anpasselementen 30 des Anpassnetzwerks 3 vorgesehen. Dieser Überbrückungspfad umfasst einen Schalter 33, der über ein Steuersignal am Steuereingang 90 einstellbar ist. Der Steuereingang 90 ist ebenfalls mit einem Regeleingang 43 der Verstärkerstufe PA1 verbunden.
Für einen Betrieb der erfindungsgemäßen Sendeendstufe mit hohen Ausgangsleistungen wird die erste Verstärkerstufe PA1 sowie die zweite Verstärkerstufe PA2 aktiviert. In dieser Betriebsart ist es zweckmäßig, wenn eine Impedanz am Ausgangsanschluss 11 durch das erste Anpassnetzwerk auf eine möglichst niedrige Eingangsimpedanz transformiert wird. Die Ausgänge 41 bzw. 42 der Verstärkerstufen PA1, PA2 "sehen" in diesem Fall somit eine niedrige Eingangsimpedanz im Bereich von wenigen Ohm.
Bei kleinen Ausgangsleistungen hingegen wird die erste Verstärkerstufe PA1 in der erfindungsgemäßen Sendeendstufe durch ein entsprechendes Steuersignal am Steuereingang 43 deaktiviert. Die Sendeendstufe wird für niedrige Ausgangsleistungen somit einzig mit der zweiten Verstärkerstufe PA2 betrieben. Um dabei möglichst effizient zu arbeiten, ist es erforderlich, dass für den Ausgang 42 der zweiten Sendeendstufe eine geeignete Anpassung vorgenommen wird.
Dies ergibt sich aus der schematischen Darstellung der Gesamteffizienz gemäß 5. Dabei erkennt man, dass im Bereich hoher Eingangsleistungen eine Veränderung der Effizienz, beispielsweise aufgrund fehlerhafter Anpassung, lediglich gering ist. Daraus folgt, dass auch die zweite Sendeendstufe mit möglichst hohen Eingangsleistungen bei gleichzeitig guter Impedanzanpassung zu betreiben ist. Die durch das Anpassnetzwerk 31 erzeugte Eingangsimpedanz von wenigen Ohm ist jedoch für die Verstärkerstufe PA2 zu niedrig, um bei kleinen Ausgangsleistungen effizient arbeiten zu können. Demzufolge würde es bei dieser Last zu einem ineffizienten Betrieb der Sendeendstufe kommen, der eine deutlich nicht lineare Kennlinie aufweist.
Um dies zu verhindern, ist ein zusätzliches zweites Anpassnetzwerk vorgesehen. Dieses dient zu einer Transformation der Eingangsimpedanz des ersten Anpassnetzwerks 31 auf eine höhere Impedanz im Bereich von einigen zehn Ohm. Beispielsweise wird durch das zweite Anpassnetzwerk eine Eingangsimpedanz im Bereich von 3 Ohm auf 40 Ohm zurück transformiert. Für einen Betrieb bei kleinen Ausgangsleistungen wird demnach der Schalter 33 im parallel angeordneten Überbrückungspfad geöffnet und somit eine Rücktransformation durch das zweite Anpassnetzwerk aktiviert. Gleichzeitig wird durch das Stellsignal am Stelleingang 90 die erste Verstärkerstufe PA1 abgeschaltet.
Wenn hingegen die erfindungsgemäße Sendeendstufe mit einer hohen Ausgangsleistung betrieben wird, sind einerseits erste und zweite Verstärkerstufe PA1, PA2 aktiviert und der Schalter 33 geschlossen. Dadurch erfolgt keine zusätzliche Transformation in dem zweiten Anpassnetzwerk durch die Anpasselemente 30.
1B zeigt eine weitere Ausführung. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen. In dieser Ausgestaltung ist der Ausgang der zweiten Verstärkerstufe PA2 direkt an den Knoten 32 und damit an das erste Anpassnetzwerk 31 angeschlossen. Das zweite Anpassnetzwerk 3 ist zwischen den Ausgang der ersten Verstärkerstufe PA1 und den Eingang den Knoten 32 angeordnet. Es weist ebenso ein Anpasselement 30 auf. Dieses dient in dieser Ausgestaltung dazu, eine Anpassung der Eingangsimpedanz des ersten Netzwerks auf den Ausgang der ersten Verstärkerstufe vorzunehmen. Das Anpasselement 30 lässt sich durch das Mittel 33a abschalten, so dass im abgeschalteten Zustand keine Impedanzänderung durch das Mittel vorgenommen wird. In einem ersten Betriebszustand sind demzufolge beide Verstärkungseinrichtungen PA1, Pa2 aktiviert. Zusätzlich erfolgt durch das Anpasselement 30 des zweiten Anpassnetzwerks eine Anpassung des ersten Anpassnetzwerks an den Ausgang der ersten Verstärkerstufe PA1. In der zweiten Betriebsart werden die erste Verstärkerstufe PA1 und das Anpassglied 30 abgeschaltet. Ein Signal wird nun mit der zweiten Verstärkerstufe verstärkt, wobei das Anpassnetzwerk 31 an den Ausgang der zweiten Verstärkerstufe angepasst ist.
2 zeigt eine konkrete Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Sendeendstufe. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Die erste Verstärkerstufe PA1 ist in dieser Ausgestaltungsform mit einem Bipolartransistor T1 ausgeführt. Dieser ist für eine Verstärkung mit hohen Ausgangsleistungen ausgelegt. In entsprechender Weise ist in der Verstärkerstufe PA2 ein weiterer Bipolartransistor T2 angeordnet. Die Emitterflächen der beiden Transistoren T1, T2 der beiden Verstärkerstufen PA1, PA2 stehen in einem wohl definierten Verhältnis zueinander. Sie bestimmen unter anderem gemeinsam mit der Betriebsspannung die Ausgangsleistung. Durch das Verhältnis wird das Verhältnis der Verstärkung der Verstärkerstufen PA1, PA2 eingestellt. Im vorliegenden Fall ist die Emitterfläche des Transistors T1 um den Faktor 5 größer als die Emitterfläche des Transistors T2. Damit ist auch eine Verstärkung der Verstärkerstufe PA1 um diesen Faktor höher als eine entsprechende Verstärkung der Verstärkerstufe PA2.
Die Steueranschlüsse der beiden Transistoren T1, T2 sind über je einen Kondensator 21, 22 an den Hochfrequenzanschluss 10 geführt. Zur Arbeitspunkteinstellung bzw. Aktivierung oder Deaktivierung der Transistoren T1, T2 sind die Steueranschlüsse zudem über je einen Widerstand an einen Anschluss zur Zuführung eines Potenzials angeschlossen. Die beiden Potenziale V_B1 und V_B2 dienen zur Arbeitspunkteinstellung der Transistoren T1, T2.
Der Kollektoranschluss des Transistors T1 der ersten Verstärkerstufe PA1 ist über einen Bonddraht 80 und eine Spule 81 an einen Versorgungspotenzialanschluss 82 angeschlossen. Dem Anschluss 82 wird das Versorgungspotenzial VCC zur Versorgung der ersten Verstärkerstufe PA1 und des ersten Transistors T1 zugeführt. Der Bonddraht 80 weist eine Induktivität auf. Ebenfalls mit dem Bonddraht 80 verbunden ist das erste Anpassnetzwerk 31, das zwei in Reihe geschaltete Drosseln 310, 311 sowie einen Koppelkondensator 314 umfasst. Der zweite Anschluss des Koppelkondensators ist an den Hochfrequenzausgangsanschluss 11 angeschlossen. Des Weiteren ist jede der Drosseln 310, 311 über einen Kondensator 313, 312 mit dem Bezugspotenzial GND verbunden.
Der Kollektoranschluss des Transistors T2 bildet zudem auch den Knoten 42, der mit dem zweiten Anpassnetzwerk 3 gekoppelt ist. Das zweite Anpassnetzwerk umfasst in dieser Ausgestaltungsform eine Spule L_lp sowie einen in Reihe geschalteten Kondensator C_lp. Ein Knoten zwischen der Spule L_lp und dem Kondensator C_lp ist an den Ausgang 42 bzw. den Emitteranschluss des Transistors T2 der zweiten Verstärkerstufe PA2 angeschlossen. Der zweite Anschluss des Kondensators C_lp ist über einen Widerstand an den Versorgungspotenzialanschluss 82 sowie an den Kollektor eines Schalttransistors T3 angeschlos sen. Dem Emitter des Schalttransistors T3 wird das Bezugspotenzial GND zugeführt. Der Steueranschluss des Schalttransistors T3 ist über einen Schalter mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Dieser Schalter wird von einem Steuersignal am Regeleingang 90 angesteuert.
In einem Betrieb der Sendeendstufe für hohe Ausgangsleistungen sind die erste Verstärkerstufe PA1 und die zweite Verstärkerstufe PA2 aktiviert. Gleichzeitig ist der Schalter 91 geöffnet, wodurch der Schalttransistor T3 abgeschaltet wird. Damit wird der zweite Anschluss des Kondensators C_lp des Anpassnetzwerks 3 im Wesentlichen auf das Versorgungspotenzial VCC gezogen, wodurch eine Impedanztransformation des Anpassnetzwerks 3 vermieden wird. Das bedeutet faktisch, dass das zweite Anpassnetzwerk überbrückt wird. Durch das Abschalten des Schalttransistors T3 und die damit verbundene Reduzierung einer Impedanztransformation durch die Anpasselemente L_lp und C_CP wird ein hoher Spannungshub am Kollektoranschluss 42 des Transistors T2 verhindert. Dieser Spannungshub könnte anderenfalls am Transistor T2 zu einem Kollektor-Emitterdurchbruch führen, als auch zur Selbstaufregelung. So würde ein hoher Spannungshub über die Kollektor-Basis Kapazität des Transistors ein Wechselsignal an der Basis hervorrufen, das dann zum Selbstaufsteuern des Transistors führt. Die Basis-Emitter-Diode wird leitend und der Transistor "schaltet ein".
Bei kleinen Ausgangsleistungen hingegen wird in der erfindungsgemäßen Sendeendstufe das Biaspotenzial V_B1 zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors T1 der ersten Verstärkerstufe PA1 abgeschaltet. Dadurch wird die erste Verstärkerstufe PA1 deaktiviert. Gleichzeitig wird der Schalter 91 geschlossen und somit der Schalttransistor T3 in einen leitenden Zustand geschaltet. Dadurch wird dem zweiten An schluss des Kondensators C_lp das Bezugspotenzial GND zugeführt und damit eine Impedanztransformation in dem zweiten Anpassnetzwerk hervorgerufen. Die am Ausgang 42 der zweiten Verstärkerstufe PA2 anliegende Lastimpedanz setzt sich nunmehr aus der Impedanz des ersten Anpassnetzwerks 31 sowie des in Reihe geschalteten zweiten Anpassnetzwerks 3 zusammen.
Das in der dargestellten Ausführungsform implementierte Anpassnetzwerk 3 ist vorliegend durch ein Tiefpassfilter aus dem Kondensator C_lp und der Spule L_lp implementiert. Die Zuführung des Versorgungspotenzials VCC kann sowohl wie dargestellt über einen Widerstand als auch über eine zusätzliche Spule vorgesehen sein. Daneben ist es möglich, anstatt des verwendeten Tiefpassfilters für das zweite Anpassnetzwerk auch ein Hochpassfilter zu verwenden. Eine derartige Ausführungsform mit einem Hochpassfilter als zweites Anpassnetzwerk zeigt 3. Wirkungs- bzw. funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen.
In dieser Ausgestaltung ist der Kollektoranschluss des Transistors T2 der zweiten Verstärkerstufe PA2 über eine Spule 83 an den Versorgungspotenzialanschluss 82 angeschlossen. Der Kollektoranschluss des Transistors T2 ist zudem über einen Kondensator 84 mit dem Anpassnetzwerk und insbesondere mit dem Kondensator C_lp und der Spule L_lp verbunden. In dieser Ausgestaltungsform ist das Anpasselement des Anpassnetzwerks 3 als Hochpassfilter ausgeführt. Der Kondensator C_lp ist demnach zwischen dem Knoten 32 und dem Kollektoranschluss des Transistors T2 angeordnet. Zwischen den Kondensatoren 84 und dem Kondensator C_lp des Anpasselements ist ein Knoten mit dem ersten Anschluss der Spule L_lp verbunden. Ein zweiter Anschluss der Spule L_lp ist an den Kollektoranschluss des Schalttransistors T3 sowie über einen Widerstand an den Versorgungspotenzialanschluss 82 geführt.
4 zeigt eine Implementierung der erfindungsgemäßen Sendeendstufe in einem Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper 100 weist auf seiner Oberfläche eine Vielzahl von Kontaktstellen auf, von denen hier zwei exemplarisch bezeichnet sind. In dem Halbleiterkörper sind die erste sowie die zweite Verstärkerstufe PA1, PA2 und das zweite Anpassnetzwerk 3 als integrierte Schaltung ausgeführt. Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 ist eine erste Kontaktstelle 10 angeordnet, die den Hochfrequenzsignaleingang bildet. Sie ist innerhalb des Halbleiterkörpers an die Schaltelemente der ersten und zweiten Verstärkerstufe PA1, PA2 geführt. Der Ausgang 42 der ersten Verstärkerstufe PA1 ist vorliegend ebenfalls durch eine Kontaktstelle auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 gebildet. Innerhalb des Halbleiterkörpers ist die Kontaktstelle 41 an einen Ausgangsanschluss 41a sowie an das zweite Anpassnetzwerk über den Knoten 32 angeschlossen.
Mit der Kontaktstelle 41 ist ein Bonddraht 80 verbunden, der an das erste Anpassnetzwerk 31 sowie den Versorgungspotenzialanschluss 82 angeschlossen ist. Der Bonddraht 80 weist eine vorbestimmte Induktivität auf. Diese steht mit der im Anpassnetzwerk 3 verwendeten Induktivität in einem vorbestimmten Verhältnis, sodass das zweite Anpassnetzwerk 3 für eine Rücktransformation einer niedrigen Lastimpedanz auf eine hohe Lastimpedanz geeignet ist. Die in 4 dargestellte Ausführung besitzt den Vorteil, die weitere Beschaltung insbesondere an der Kontaktstelle 41 ohne zusätzliche Veränderungen vornehmen zu können. Neben den dargestellten Ausführungsformen der Verstärkertransistoren der einzelnen Verstärkerstufen in Bipolartechnik ist es möglich, diese auch mit Feld effekttransistoren auszuführen. Die Verstärker können mit jedem Halbleitermaterial gebildet werden, zum Beispiel GaAs, SiGe, Si oder auch InP. Ebenso ist es denkbar, die Verstärkerstufen in komplementärer Feldeffekttransistortechnologie (CMOS) zu implementieren.

PA1, PA2: Verstärkerstufen
10: Hochfrequenzsignaleingang
11: Hochfrequenzsignalausgang
21, 22: Koppelkondensatoren
31: erstes Anpassnetzwerk
3: zweites Anpassnetzwerk
30: Anpassglied
32: Knoten
41, 42: Signalausgang
43: Regeleingang
90: Steuereingang
91: Schalter
80: Bonddraht
81: Spule
82: Versorgungspotenzialeingang
310, 311: Spule
312, 313: Kondensator
314: Kondensator
C_lp: Kondensator
L_lp: Spule
T1, T2: Verstärkertransistoren
GND: Bezugspotenzial
V_B1, V_B2: Bias-Potenzial
VCC: Versorgungspotenzial
100: Halbleiterkörper

Claims

Sendeendstufe mit einstellbarer Verstärkung, umfassend: – einen Signaleingang (10); – eine erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) mit einem ersten Verstärkungsfaktor, die eingangsseitig mit dem Signaleingang (10) gekoppelt ist; – eine zweite Verstärkungseinrichtung (PA2) mit einem zweiten Verstärkungsfaktor, die eingangsseitig mit dem Signaleingang (10) gekoppelt ist; – ein erstes Anpassnetzwerk (31), das eingangsseitig an einen Ausgang (41) der ersten Verstärkungseinrichtung angeschlossen ist; – ein zweites Anpassnetzwerk (3), das eingangsseitig an einen Ausgang (42) der zweiten Verstärkungseinrichtung (PA2) und ausgangsseitig an einen Knoten (32) zwischen der ersten Verstärkungseinrichtung und dem ersten Anpassnetzwerk (31) angeschlossen ist, das zweite Anpassnetzwerk (3) aufweisend wenigstens ein Anpasselement (30) und ein Mittel (33) zur wahlweisen Änderung einer Impedanz des wenigstens einen Anpasselements (30).
Sendeendstufe nach Anspruch 1, wobei das Mittel zu einer wahlweisen Überbrücken des wenigstens einen Anpasselements (30) oder zu einer Deaktivierung des wenigstens einen Anpasselements (30) ausgeführt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) mit einer hohen maximalen Ausgangsleistung und die zweite Verstärkungseinrichtung (PA2) mit einem niedrigen maximalen Ausgangsleistung ausgebildet ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) mit einer niedrigen maximalen Ausgangsleistung und die zweite Verstärkungseinrichtung (PA2) mit einer hohen maximalen Ausgangsleistung ausgebildet ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) mit einem hohen Verstärkungsfaktor und die zweite Verstärkungseinrichtung (PA2) mit einem niedrigen Verstärkungsfaktor ausgebildet ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) einen Einstelleingang umfasst, dem ein Einstellsignal für eine Deaktivierung der ersten steuerbaren Verstärkungseinrichtung zuführbar ist.
Sendeendstufe nach Anspruch 6, bei der eine Deaktivierung der ersten steuerbaren Verstärkungseinrichtung (PA1) über eine Änderung des Signals zur Arbeitspunkteinstellung (BIAS) erfolgt.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Mittel zum wahlweisen Überbrücken einen Schalter (33) umfasst, der in einem parallel zu dem zweiten Anpassnetzwerk angeordneten Signalpfad geschaltet ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Mittel einen Transistor (T3) umfasst, der zwischen einen Bezugspotentialanschluss und das zweite Anpassnetzwerk (30) geschaltet ist und dessen Steueranschluss ein Schaltsignal zum Überbrücken des zweiten Anpassnetzwerks zuführbar ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das zweite Anpassnetzwerk (3) ein induktives Element (L_lp) und ein in Reihe geschaltetes kapazitives Element (C_lp) umfasst, wobei ein Knoten zwischen dem induktiven Element (L_lp) und dem kapazitiven Element (C_lp) mit dem Ausgang (42) der zweiten Verstärkungseinrichtung (PA2) gekoppelt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das zweite Anpassnetzwerk (3) für eine Transformation von einer niedrigen Impedanz auf eine hohe Impedanz ausgeführt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1) und die zweite Verstärkungseinrichtung (PA1) jeweils wenigstens einen Verstärkertransistor umfassen, die einen unterschiedliche Geometrieparameter aufweisen, dessen Verhältnis einem Verhältnis des ersten Verstärkungsfaktors zu dem zweiten Verstärkungsfaktors entspricht.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die erste steuerbare Verstärkungseinrichtung (PA1), die zweite Verstärkungseinrichtung (PA2) und das zweite Anpassnetzwerk (3) in einem Halbleiterkörper als integrierte Schaltung ausgeführt sind und das erste Anpassnetzwerk (31) mit einer Kontaktstelle (41) auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers gekoppelt ist.
Sendeendstufe mit einstellbarer Verstärkung, umfassend: – einen Signaleingang (10); – eine erste Verstärkerstufe (PA1) und eine parallel angeordnete zweite Verstärkerstufe (PA2) mit unterschiedlicher maximaler Ausgangsleistung; – ein erstes Anpassnetzwerk (31) für eine Anpassung an eine Lastimpedanz bei einem Betrieb mit der ersten und der zweiten Verstärkerstufe (PA1, PA2), das erste Anpassnetzwerk (31) mit einem Eingang an die erste Verstärkerstufe (PA1) angeschlossen; – ein zweites Anpassnetzwerk (3), das schaltbar zwischen einem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe (PA2) und dem Eingang des ersten Anpassnetzwerks (31) angeordnet ist und das in einer Betriebsart der Sendeendstufe nur mit der zweiten Verstärkerstufe (PA2) zwischen zweiter Verstärkerstufe (PA2) und ersten Anpassnetzwerk (31) geschaltet ist.
Sendeendstufe nach Anspruch 14, bei der in einer Betriebsart der Sendeendstufe mit erster und zweiter Verstärkungseinrichtung (PA1, PA2) das erste Anpassnetzwerk (31) mit dem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe (PA2) gekoppelt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 14 bis 15, bei der das erste Anpassnetzwerk (31) zur Anpassung an eine niedrige Lastimpedanz und das zweite Anpassnetzwerk (3) zur Anpassung an eine hohe Lastimpedanz ausgeführt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das erste Anpassnetzwerk (31) zur Anpassung an eine hohe Lastimpedanz und das zweite Anpassnetzwerk (3) zur Anpassung an eine niedrige Lastimpedanz ausgeführt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der die Sendeendstufe einen Einstelleingang zur Zuführung eines Einstellsignals zur Auswahl der ersten oder zweiten Betriebsart umfasst, der mit der ersten Verstärkerstufe (PA1) und dem zweiten Anpassnetzwerk (3) gekoppelt ist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der die erste Verstärkerstufe (PA1) einen hohen Verstärkungsfaktor und die zweite Verstärkerstufe (PA2) einen niedrigen Verstärkungsfaktor aufweist.
Sendeendstufe nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der das zweite Anpassnetzwerk (3) in der zweiten Betriebsart der Sendeendstufe für eine Transformation von einer niedrigen Impedanz auf eine hohe Impedanz ausgeführt ist.
Verfahren zum Verstärken eines Signals in einer Sendeendstufe, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Signals; – Einstellen einer Verstärkungseinstellung; – Einstellen einer Impedanzanpassung in Abhängigkeit der eingestellten Verstärkungseinstellung; – Verstärken des Signals mit der eingestellten Verstärkung; – Ändern der der Verstärkungseinstellung; – Ändern der Impedanzanpassung durch Überbrücken von eine Impedanzanpassung erzeugender Elemente.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Änderns der Impedanzanpassung wenigstens einen der Schritte umfasst: – Transformieren einer niedrigen Impedanz auf eine hohe Impedanz, wenn die Verstärkungseinstellung auf einen Wert unter einem Grenzwert eingestellt wird; – Transformieren einer hohen Impedanz auf eine niedrige Impedanz, wenn die Verstärkungseinstellung auf einen Wert oberhalb eines Grenzwertes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 22, bei dem der Schritt des Einstellens einer Verstärkungseinstellung die Schritte umfasst: – Bereitstellen einer ersten Verstärkerstufe mit einem ersten Verstärkungsfaktor; – Bereitstellen einer Verstärkerstufe mit einem zweiten Verstärkungsfaktor; – Auswählen der ersten und der zweiten Verstärkerstufe (PA1, PA2) oder der zweiten Verstärkerstufe (PA2) für eine Signalverstärkung.