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Die
Erfindung betrifft eine Multifunktions-RF-Schaltung und ein Verfahren
zum Verarbeiten von RF-Signalen mit der Multifunktions-RF-Schaltung.
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Radarsysteme
mit RF-Schaltungen (Radiofrequenz-Schaltungen) sind nicht nur in
Bezug auf Automobilanwendungen von Bedeutung, sondern in zunehmendem
Maße auch
für Industrie-
und Verbraucheranwendungen. Ein typisches Einsatzgebiet stellt beispielsweise
die Abstandssteuerung und Überwachung
dar.
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Bekannte
Radarimplementierungen, z.B. basierend auf dem FMCW(Frequency Modulated
Continuous Wave)-Verfahren, weisen diskrete Komponenten auf, die
ein Übersprechen
zwischen Hochfrequenzsignalen innerhalb des Systems mit sich bringen.
Darüber
hinaus sind Montage und Test derartiger bekannter Radarsysteme aufwändig und
generieren Kosten.
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Ein
Radarsystem mit RF-Schaltungen und verbessertem Integrationsgrad
wäre sehr
wünschenswert.
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Die
Erfindung schlägt
unter anderem eine Multifunktions-RF-Schaltung und ein Verfahren zum Verarbeiten
von RF-Signalen vor.
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Die
Erfindung ist in den unabhängigen
Patentansprüchen
1, 14, 24 und 30 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine Multifunktions-RF-Schaltung mit einem
ersten Verstärkerzweig
mit einem ersten Eingang und einem ersten Ausgang, einem zweiten
Verstärkerzweig
mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang, wenigstens
einer ersten Induktivität,
wenigstens einer zweiten Induktivität, wenigstens einem Kondensator
und wenigstens einem Tiefpassfilter, wobei die wenigstens eine erste
Induktivität,
der wenigstens eine Kondensator und die wenigstens eine zweite Induktivität in dieser
Reihenfolge zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang
verbunden sind, die wenigstens eine erste Induktivität einen übereinstimmenden
Aufbau zur wenigstens einen zweiten Induktivität aufweist und der Tiefpassfilter
an den ersten Ausgang und an den zweiten Ausgang angeschlossen ist.
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Die
wenigstens eine erste Induktivität
weist vorzugsweise ein Layout auf, das mit dem Layout der wenigstens
einen zweiten Induktivität übereinstimmt.
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Der
wenigstens eine Kondensator ist vorzugsweise als Kondensator ausgelegt,
der näherungsweise
einen Kurzschluss, d.h. einen sehr geringen Widerstand, in Bezug
auf einen Frequenzbereich eines von den Verstärkerzweigen zu verstärkenden ersten
Signals aufweist, z.B. einem an ein Zielobjekt zu übermittelnden
RF-Signal eines Radarsystems. Zudem sollte der wenigstens eine Kondensator ebenso
einen sehr hohen Widerstand in Bezug auf eine Grenzfrequenz des
Tiefpassfilters aufweisen, um nicht ein vom Tiefpassfilter weiterzuleitendes
Signal vorab zu dämpfen.
Somit sollte der AC(Wechselstrom)-Widerstand des wenigstens einen
Kondensators größtmöglich in
Bezug auf die Grenzfrequenz sein.
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Das
von den ersten und zweiten Verstärkerzweigen
zu verstärkende
erste Signal kann beispielsweise von einem Voltage Controlled Oscillator (VCO,
spannungsgesteuerter Oszillator) erzeugt werden. Das verstärkte erste
Signal kann einer Antennenschaltung zugeführt werden, um als Transmissionssignal
an ein Zielobjekt übermittelt
zu werden und ebenso das Reflexionssignal vom Zielobjekt empfangen
zu werden.
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Das
Reflexionssignal wird mit dem verstärkten ersten Signal an den
Ausgängen
der Verstärkerzweige
zur weiteren Verarbeitung überlagert.
Ein Teil der weiteren Verarbeitung erfolgt durch eine Mixerschaltung,
die beispielsweise einen integrierten Teil der Verstärkerzweige
darstellt.
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Der
erste Verstärkerzweig
und der zweite Verstärkerzweig
können
eine Verstärkerschaltung, z.B.
einen differentiellen rauscharmen Verstärker (differential low noise
amplifier, LNA) darstellen.
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Die
Grenzfrequenz des Tiefpassfilters wird geeignet gewählt, um
Hochfrequenzteile der an den ersten und zweiten Ausgängen überlagerten
Signale von einem niederfrequenten Signalteil, der von weiteren
Schaltungskomponenten zur Gewinnung von Information im Hinblick
auf das vom Radarsystem detektierte Zielobjekt verarbeitet wird,
zu trennen. Der niederfrequente Signalteil kann beispielsweise Signalkomponenten
enthalten, die von einer Mixerschaltung erzeugt wurden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Verstärkerzweig,
der zweite Verstärkerzweig,
die wenigstens eine erste Induktivität, die wenigstens eine zweite
Induktivität,
der wenigstens eine Kondensator und der Tiefpassfilter in einen
einzelnen Halbleiterchip integriert. Als Material des Halbleiterchips
kann beispielsweise Silizium dienen. Jedoch können weitere Materialien wie
Ge, SiGe, oder Verbindungshalbleiter (z.B. GaAs) ebenso genutzt
werden. Die Multifunktions- RF-Schaltung kann
in einer CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Technologie realisiert
sein. Jedoch können
ebenso weitere für
RF-Anwendungen geeignete Halbleitertechnologien verwendet werden.
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Vorteilhafterweise
weist der wenigstens eine Kondensator eine Kapazität im Bereich
von 1 pF bis 200 pF auf. Dadurch wird es möglich, die Verstärkungseigenschaften
der Verstärkerzweige
aufrechtzuerhalten und weiterhin einen Kurzschluss im Hinblick auf
ein niederfrequentes Signal, das in nachfolgenden Auswertungsstufen
verarbeitet werden soll, zu vermeiden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist der Tiefpassfilter eine Grenzfrequenz im Bereich von 1 kHz
bis 2 GHz auf. Somit lässt
sich ein niederfrequentes Signal im Bereich von kHz bis MHz von
höherfrequenten
Signalen im Bereich von einigen bis einigen zehn GHz trennen und
damit kann eine vorteilhafte Signalverarbeitung im Radarsystem erzielt
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Multifunktions-RF-Schaltung
wenigstens ein erstes ESD-Element auf, das an einen Knoten zwischen
der wenigstens einen ersten Induktivität und dem wenigstens einen
Kondensator angeschlossen ist und diese weist wenigstens ein zweites ESD-Element
auf, das an einen Knoten zwischen dem wenigstens einen Kondensator
und der wenigstens einen zweiten Induktivität angeschlossen ist, wobei
das wenigstens eine erste ESD-Element einen übereinstimmenden Aufbau zum
wenigstens einen zweiten ESD-Element
aufweist. Somit sind die ESD-Elemente symmetrisch zwischen dem ersten Ausgang
und dem zweiten Ausgang platziert. Jedes der ESD-Elemente kann eine
Anode und eine Kathode aufweisen und aus wenigstens einem Element
der Gruppe bestehend aus Diode, Transistor und Thyristor aufgebaut
sein. Falls das ESD-Element einem Transistor entspricht, kann dieser
ein Bipo lartransistor sein, der während eines ESD-Ereignisses
an seiner Basis angesteuert wird, wobei Kollektor und Emitter als
Anode und Kathode (oder umgekehrt herum) wirken. Jedoch ist es ebenso
möglich,
einen Kurzschluss zwischen Basis und Emitter oder Kollektor bereitzustellen,
und so Anode und Kathode zu realisieren. Es ist weiterhin möglich, einen
ggNMOS(Grounded Gate n-Kanal-MOS)-Transistor zu verwenden, dessen
Source mit einer die Source umgebenden Wanne kurzgeschlossen ist
und dessen Drain einen weiteren Anschluss des ESD-Elements bildet.
Das wenigstens eine erste und das wenigstens eine zweite ESD-Element sind an den
entsprechenden Knoten mit ihren Anoden angeschlossen. Jedoch ist
es ebenso möglich,
diese ESD-Elemente mit ihren Kathoden an den entsprechenden Knoten anzuschließen. Ob
die Anode oder die Kathode mit dem entsprechenden Knoten verbunden
wird, hängt von
dem über
die ESD-Elemente zu schützenden Schaltungspfad
ab, z.B. den Chip-Pads, zwischen denen diese ESD-Elemente platziert
sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Multifunktions-RF-Schaltung
einen Widerstand auf, der zwischen den ersten Eingang und den ersten
Ausgang geschaltet ist und diese weist einen weiteren Widerstand
auf, der zwischen den zweiten Eingang und den zweiten Ausgang geschaltet
ist. Diese beiden Widerstände
sind identisch und stellen eine Rückkopplung zwischen Eingang
und Ausgang der Verstärkerzweige
bereit, um beispielsweise eine Eingangsimpedanz der Verstärkerzweige
anzupassen. Darüber
hinaus verbessern diese Widerstände
ebenso die Linearität
der Verstärkerschaltung.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung gibt eine Multifunktions-RF-Schaltung an, bei der
der erste Verstärkerzweig
einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor aufweist, der
zweite Transistor komplementär
zu und in Serie zum ersten Transistor ausgebildet ist, der erste
und der zweite Transis tor gemeinsam ansteuerbar sind, wobei der
erste Ausgang zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor angeordnet
ist und wobei der zweite Verstärkerzweig
einen dritten Transistor und einen vierten Transistor aufweist,
der vierte Transistor komplementär
zu und in Serie zum dritten Transistor ausgebildet ist, der dritte
und der vierte Transistor gemeinsam ansteuerbar sind und wobei der
zweite Ausgang zwischen dem dritten und dem vierten Transistor angeordnet
ist.
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In
vorteilhafter Weise weist der erste Verstärkerzweig einen übereinstimmenden
Aufbau zum zweiten Verstärkerzweig
auf und die ersten und zweiten Verstärkerzweige sind in übereinstimmender Weise
zwischen eine hohe und eine niedrige Versorgungsspannung angeschlossen.
Somit stimmt der erste Transistor mit dem dritten Transistor überein und
der zweite Transistor stimmt mit dem vierten Transistor überein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind der erste Transistor und der dritte Transistor als n-Kanal
MOSFETs ausgebildet und der zweite Transistor und der vierte Transistor
sind als p-Kanal MOSFETs ausgebildet.
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Alternativ
hierzu können
der erste Transistor und der dritte Transistor als npn-Bipolartransistoren ausgebildet
sein und der zweite Transistor sowie der vierte Transistor können als
pnp-Bipolartransistoren ausgebildet sein.
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Falls
die ersten bis vierten Transistoren als MOSFETs ausgebildet sind,
ist ein gemeinsamer Zugriff auf die ersten und zweiten Transistoren
als auch auf die dritten und vierten Transistoren beispielsweise über einen
gemeinsamen Anschluss deren jeweiliger Gates möglich. Falls die ersten bis
vierten Transistoren als Bipolartransistoren ausgebildet sind, kann
ein gemeinsamer Zugriff auf den ersten und zweiten Transistor als
auch auf den dritten und vierten Transistor beispielsweise durch
Verbinden der Basen der entsprechenden Transistoren erfolgen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der wenigstens eine Kondensator zwei übereinstimmende und in Serie
geschaltete Kondensatoren auf, die Multifunktions-RF-Schaltung weist
zudem einen zusätzlichen
Kondensator auf, der an einen Knoten zwischen den beiden übereinstimmenden
Kondensatoren angeschlossen ist. Der zusätzliche Kondensator ermöglicht eine
Verbesserung der Common-Mode-Stabilität.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der zusätzliche
Kondensator eine Kapazität
im Bereich von 1 pF bis 1000 pF auf.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist der Tiefpassfilter als LC-Tiefpassfilter ausgebildet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Multifunktions-RF-Schaltung
in einem einzelnen Halbleiterchip eine Leistungsverstärkerschaltung,
eine Mixerschaltung und eine Tiefpassfilterschaltung auf, wobei
die Mixerschaltung einen integrierten Teil der Leistungsverstärkerschaltung darstellt.
Somit werden Komponenten der Verstärkerschaltung mit der Mixerschaltung
geteilt. Die Leistungsverstärkerschaltung,
die Mixerschaltung als auch die Tiefpassfilterschaltung sind bevorzugt
an einen gemeinsamen Hochfrequenzknoten angeschlossen. Dadurch lässt sich
ein unerwünschtes Übersprechen
von Hochfrequenzsignalen zwischen verschiedenen Komponenten innerhalb
des RF-Systems, z.B. einem Radarsystem, reduzieren oder vermeiden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Mixerschaltung
ein Halbleiterelement mit einer nichtlinearen e lektrischen Charakteristik
auf. Ein solches Halbleiterelement kann beispielsweise ein Transistor
sein, der an einen Ausgang des Leistungsverstärkers angeschlossen ist. Auf
der einen Seite dient der Transistor der Verstärkung des Hochfrequenzsignals.
Andererseits weist dieser Transistor eine inhärente nichtlineare elektrische
Charakteristik in Bezug auf eine Kapazität zwischen seinem Drain- und
Sourcegebiet und zwischen seinem Drain- und Gategebiet auf. Somit
können
die an einem Ausgang der Leistungsverstärkerschaltung überlagerten
Signale von dem nichtlinearen Element des Transistors zur Bereitstellung
eines Mixsignals gemixt werden. Darüber hinaus lassen sich auch
weitere Halbleiterelemente mit einer nichtlinearen elektrischen
Charakteristik verwenden.
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Bevorzugt
weist die Leistungsverstärkerschaltung
einen ersten Verstärkerzweig
mit einem ersten Eingang und einem ersten Ausgang sowie einen zweiten
Verstärkerzweig
mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang als auch eine
zwischen den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang geschaltete
weitere Schaltung auf, wobei die weitere Schaltung wenigstens einen
Kondensator enthält, der
symmetrisch zwischen den ersten und den zweiten Ausgang geschaltet
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der wenigstens eine Kondensator eine Kapazität im Bereich
von 1 pF bis 200 pF auf.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Tiefpassfilterschaltung eine Grenzfrequenz im Bereich
von 1 kHz bis 2 GHz auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung teilt die Mixerschaltung mit dem ersten und dem zweiten
Verstärkerzweig
jeweils einen Transistor, wobei jeder der Tran sistoren an den Ausgang
des entsprechenden Verstärkerzweigs
angeschlossen ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung stellt eine Multifunktions-RF-Schaltung dar, bei der die
weitere Schaltung zusätzlich
wenigstens eine erste Induktivität
und wenigstens eine zweite Induktivität aufweist, die wenigstens
eine erste Induktivität zwischen
den ersten Ausgang und den wenigstens einen Kondensator geschaltet
ist und die wenigstens zweite Induktivität zwischen den zweiten Ausgang und
den wenigstens einen Kondensator geschaltet ist und wobei die wenigstens
eine erste Induktivität einen übereinstimmenden
Aufbau zur wenigstens einen zweiten Induktivität aufweist.
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Bevorzugt
weist der erste Verstärkerzweig einen übereinstimmenden
Aufbau zum zweiten Verstärkerzweig
auf und die ersten und zweiten Verstärkerzweige sind in übereinstimmender
Weise zwischen eine hohe und eine niedrige Versorgungsspannung angeschlossen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
entspricht die Tiefpassfilterschaltung einer LC-Tiefpassfilterschaltung.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die weitere Schaltung wenigstens ein ESD-Element auf, das
symmetrisch zwischen den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang
geschaltet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Multifunktions-RF-Schaltung
angegeben mit einer Einrichtung zum Verstärken eines ersten Signals,
das eine Frequenz innerhalb eines ersten Frequenzbereichs aufweist;
einer Einrichtung zum Erzeugen eines Mixsignals basierend auf dem ersten
Signal und einem weiteren Signal, wobei das weitere Signal eine
Frequenz innerhalb des ersten Frequenzbereichs aufweist, das Mixsignal eine
Mixsignalkomponente innerhalb eines weiteren Frequenzbereichs aufweist,
der unterhalb des ersten Frequenzbereichs liegt, die Mixsignalerzeugungseinrichtung
einen integrierten Teil der Verstärkereinrichtung darstellt und
wobei das erste Signal, das weitere Signal als auch das Mixsignal
am Ausgang der Verstärkereinrichtung überlagert
sind; und einer Tiefpassfiltereinrichtung zum Trennen der Mixsignalkomponente
des Mixsignals von höheren
Frequenzkomponenten des Mixsignals, des ersten Signals als auch
des weiteren Signals. Der erste Frequenzbereich kann ein RF-Frequenzbereich
des ersten Signals sein, das beispielsweise von einem Radarsystem
an ein Zielobjekt übermittelt
wird. Das weitere Signal kann ein Reflexionssignal des Zielobjekts
sein. Der erste Frequenzbereich kann innerhalb von einem bis einigen
hundert GHz liegen, wobei der weitere Frequenzbereich etwa innerhalb
eines Bereichs von kHz bis MHz liegen kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform enthält die Verstärkereinrichtung
einen ersten Verstärkerzweig
mit einem ersten Eingang und einem ersten Ausgang sowie einen zweiten
Verstärkerzweig
mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang. Somit kann
ein differentieller rauscharmer Verstärker (differentieller LNA)
realisiert werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste
Verstärkerzweig
einen übereinstimmenden
Aufbau zum zweiten Verstärkerzweig
auf und die ersten und zweiten Verstärkerzweige sind in übereinstimmender
Weise zwischen einer hohen und einer niedrigen Versorgungsspannung
angeschlossen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
weist die Multifunktions-RF-Schaltung zusätzlich eine Einrichtung zum
induktiven Koppeln des ersten Ausgangs mit dem zweiten Ausgang sowie eine
Einrichtung zum Bereitstellen eines AC-Widerstands zwischen dem
ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang auf, wobei der AC-Widerstand
in Bezug zum ersten Frequenzbereich kleiner ist als in Bezug zum
weiteren Frequenzbereich. Die letztere Einrichtung kann beispielsweise
ein Kondensator sein. Der Kondensator kann derart gewählt werden,
dass die Verstärkereigenschaften
der Verstärkereinrichtung innerhalb
des ersten Frequenzbereichs aufrechterhalten werden, jedoch zusätzlich ein
Kurzschluss zwischen den ersten und zweiten Ausgängen der Verstärkerzweige
in Bezug auf Signale innerhalb des weiteren Frequenzbereichs vermieden
wird.
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Bevorzugt
weist die Multifunktions-RF-Schaltung eine Schutzeinrichtung auf,
die an die induktive Kopplungseinrichtung angeschlossen ist zum
Bereitstellen von Strompfaden zur Ableitung elektrostatischer Entladeströme.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Multifunktions-RF-Schaltung zusätzlich eine Einrichtung zur
kapazitiven Stabilisierung einer Gleichtaktunterdrückung der
Verstärkereinrichtung
auf, wobei ein Anschluss der kapazitiven Stabilisierungseinrichtung
an einen Knoten innerhalb der induktiven Kopplungseinrichtung angeschlossen ist.
Die kapazitive Stabilisierungseinrichtung kann zudem über den
anderen ihrer Kontakte an eine niedrige Versorgungsspannung angeschlossen
sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Verarbeiten von RF-Signalen
angegeben mit den Schritten Verstärken eines ersten Signals durch
eine Verstärkerschaltung, Überlagern
des verstärkten
ersten Signals mit einem weiteren Signal an einem Ausgang der Verstärkerschaltung,
Verwenden eines Elements der Verstärkerschaltung zum Mixen des
verstärkten ersten
Signals und des weiteren Signals um ein Mixsignal an dem Ausgang
zu erzielen, wobei das Element eine nichtlineare elektrische Charakteristik
aufweist und Trennen eines Bereichs niedriger Frequenz des Mixsignals
von Bereichen höherer
Frequenzen des Mixsignals, des ersten Signals und des weiteren Signals über eine
Tiefpassfilterschaltung. Das Verfahren kann beispielsweise in einem
Radarsystem zur Erzielung von Information in Bezug auf ein Zielobjekt
verwendet werden. Das erste Signal kann beispielsweise über eine
Antenne an ein Zielobjekt übermittelt
werden, wobei das weitere Signal ein Reflexionssignal vom Zielobjekt
sein kann.
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Bevorzugt
entspricht das Element der Verstärkerschaltung
einem Transistorelement. Eine nichtlineare elektrische Charakteristik
liegt naturgemäß in dem
Transistorelement aufgrund einer nichtlinearen Kapazität dessen
Drain/Source-Übergang
als auch dessen Drain/Gate-Übergang
vor, sofern der Transistor als MOSFET ausgebildet ist. Falls der Transistor
als Bipolartransistor ausgebildet ist, kann die nichtlineare elektrische
Charakteristik beispielsweise über
eine nichtlineare Kapazität
zwischen Emitter und Kollektor bereitgestellt werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verstärkerschaltung
als differentielle Verstärkerschaltung
ausgebildet. Die differentielle Verstärkerschaltung kann etwa ein
rauscharmer Verstärker
sein.
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Die
nachfolgenden begleitenden Abbildungen dienen der Erläuterung
von Ausführungsformen der
Erfindung und stellen gemeinsam mit der Figurenbeschreibung die
Prinzipien der Erfindung dar. Die Elemente in den Figuren sind nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu
zueinander dargestellt. Übereinstimmende
Bezugskennzeichen in den verschiedenen Figuren kennzeichnen übereinstimmende oder ähnliche
Teile.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die Multifunktions-RF-Schaltung als auch die in 2–6 gezeigten
Ausführungsformen
können
beispielsweise einen Teil eines Radarsystems darstellen.
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In 1 weist
die Multifunktions-RF-Schaltung einen ersten Verstärkerzweig 1 als
auch einen zweiten Verstärkerzweig 2 auf.
Beide Verstärkerzweige 1, 2 sind
in übereinstimmender
Weise zwischen einer hohen Versorgungsspannung 3 und einer niedrigen
Versorgungsspannung 4 angeschlossen. Der erste Verstärkerzweig
weist einen ersten Eingang 5 als auch einen ersten Ausgang 6 auf.
Entsprechend weist der zweite Verstärkerzweig 2 einen
zweiten Eingang 7 als auch einen zweiten Ausgang 8 auf.
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Zwischen
dem ersten Ausgang 6 und dem zweiten Ausgang 8 sind,
in folgender Reihenfolge, eine erste Induktivität 9, ein Kondensator 10 als
auch eine zweite Induktivität 11 geschaltet,
wobei die zweite Induktivität 11 identisch
zur ersten Induktivität 9 ist, z.B.
weisen beide Induktivitäten
ein übereinstimmendes
Layout auf. Parasitäre
Widerstände
der ersten und zweiten Induktivität 9, 11 werden
mit dem Bezugskennzeichen 12, 13 gekennzeichnet.
Ein erstes ESD-Element 14 ist zwischen die niedrige Versorgungsspannung 4 und
einen Knoten zwischen der ersten Induktivität 9 und dem Kondensator 10 geschaltet.
Ein zweites ESD-Element 15 ist zwischen die niedrige Versorgungsspannung 4 und
einen Knoten zwischen der zweiten Induktivität 11 und dem Kondensator 10 geschaltet.
Somit entspricht eine Impedanz zwischen dem zweiten Ausgang 8 und
der niedrigen Versorgungsspannung 4 der Impedanz zwischen
dem ersten Ausgang 6 und der niedrigen Versorgungsspannung 4.
Falls ein ESD-Ereignis
ein Entladestrom in den ersten Ausgang oder den zweiten Ausgang
forciert, stellt das erste und zweite ESD-Element 14, 15 einen
Stromentladepfad zur niedrigen Versorgungsspannung 4 bereit,
um weitere Schaltkreiskomponenten, die an die Ausgänge 6, 8 angeschlossen
sind, z.B. die Verstärkerzweige,
zu schützen.
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Eine
Tiefpassfilterschaltung 16 ist an den ersten Ausgang 6 und
an den zweiten Ausgang 8 angeschlossen. Weitere Schaltungen
können
mit dieser Multifunktions-RF-Schaltung verbunden sein, z.B. zum
Aufbau eines Radarsystems. Beispielsweise können derartige weitere Schaltungen
einen A/D-Konverter, der an den Tiefpassfilter 16 angeschlossen
ist, als auch eine Antennenschaltung, die an die ersten und zweiten
Ausgänge 6, 8 angeschlossen
ist, umfassen. Darüber
hinaus kann ein Voltage Controlled Oscillator mit den ersten und
zweiten Eingängen 5, 7 zur
Bereitstellung eines zu verstärkenden
Signals verbunden sein.
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Jeder
der ersten und zweiten Verstärkerzweige 1, 2 kann
ebenso eine Mixerschaltung enthalten, die an den jeweiligen ersten
oder zweiten Ausgang 6, 8 angeschlossen ist. Die
Mixerschaltung kann ein Mixsignal basierend auf am entsprechenden
Ausgang überlagerten
Signalkomponenten bereitstellen.
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Der
Kondensator 10 ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass
dieser näherungsweise
einen AC-Kurzschluss, d.h. einen sehr niedrigen AC-Widerstand bereitstellt
sofern ein erstes Signal durch die ersten und zweiten Verstärkerzweige 1, 2 verstärkt wird,
um dadurch die Verstärkereigenschaften aufrechtzuerhalten.
Darüber
hinaus sollte der Kondensator 10 einen AC-Kurzschluss im
Hinblick auf einen niedrigen Frequenzbereich eines an den ersten und
zweiten Ausgängen 6, 8 auftretenden
Mixsignals vermeiden. Eine Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 16 wird
geeignet ausgewählt,
um einen niederfrequenten Teil des Mixsignals mit Informationsgehalt, z.B.
in Bezug auf ein Zielobjekt, von höher frequenteren Frequenzkomponenten
des Mixsignals und weiteren an den Ausgängen 6, 8 überlagerten
Signalen zu trennen.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Diejenigen Schaltungskomponenten dieser
zweiten Ausführungsform,
die mit entsprechenden in 1 gezeigten
Komponenten übereinstimmen,
werden mit denselben Bezugskennzeichen gekennzeichnet und auf eine
erneu te Beschreibung derselbigen wird verzichtet. Statt dessen wird
auf die entsprechenden Beschreibungsteile der ersten Ausführungsform
verwiesen. Jedoch unterscheidet sich die in 2 gezeigte
zweite Ausführungsform
von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform
dadurch, dass ein drittes ESD-Element 17 zwischen die hohen
Versorgungsspannung 3 und einen Knoten zwischen der Induktivität 9 und
dem Kondensator 10 geschaltet ist. Darüber hinaus ist ein viertes ESD-Element 18 zwischen
die hohe Versorgungsspannung 3 und einen Knoten zwischen
der zweiten Induktivität 11 und
dem Kondensator 10 geschaltet. Es gilt zu beachten, dass
das dritte ESD-Element 17 einen übereinstimmenden Aufbau zum
vierten ESD-Element 18 aufweist. Es ist jedoch nicht erforderlich,
dass die ersten und zweiten ESD-Elemente 14 und 15 hinsichtlich
ihres Aufbaus mit den dritten und vierten ESD-Elementen 17, 18 übereinstimmen, obgleich
diese Elemente 14, 15, 17, 18 sich
entsprechen können.
Die zweite Ausführungsform
stellt ein umfangreicheres ESD-Konzept im Vergleich zur in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform
bereit, da zusätzliche
Entladepfade über
die dritten und vierten ESD-Elemente 17, 18 bereitgestellt
werden, die im Falle einer ESD-Entladung zwischen den Pads der ersten
und zweiten Ausgänge 6, 8 und
der hohen Versorgungsspannung 3 wirksam werden.
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In 3 ist
eine schematische Darstellung einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Erneut werden Schaltungskomponenten dieser
dritten Ausführungsform,
die mit entsprechenden Komponenten der ersten Ausführungsform übereinstimmen,
mit denselben Bezugskennzeichen bezeichnet und auf eine erneute
Wiederholung deren Beschreibung wird verzichtet. Stattdessen wird
auf die entsprechenden Beschreibungsteile der ersten Ausführungsform
verwiesen. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform von 1 weist
die dritte Ausführungsform
eine Reihenschaltung aus zwei übereinstimmenden
Kondensatoren 19, 19' auf, die zwischen die erste Induktivität 9 und
die zweite Induktivität 11 geschaltet
sind. Zwischen diesen beiden übereinstimmenden
Kondensatoren 19, 19' befindet sich ein RC-Masseknoten 20. Dieser
Knoten liegt symmetrisch zwischen den ersten und zweiten Ausgängen 6, 8 und
erfährt
keine Spannungsverschiebung in Bezug auf schwankende AC-Signale
zwischen den ersten Eingängen 5, 6. Darüber hinaus
ist ein weiterer Kondensator 21 zwischen den AC-Masseknoten 20 und
die niedrige Versorgungsspannung 4 geschaltet. Der weitere
Kondensator ermöglicht
eine Verbesserung der Common-Mode-Stabilität und liegt vorzugsweise in
einem Bereich von 1 pF bis 1000 pF.
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In 4 ist
eine schematische Darstellung einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Erneut werden Schaltungskomponenten der vierten
Ausführungsform,
die mit entsprechenden Komponenten der ersten oder dritten Ausführungsform übereinstimmen,
mit denselben Bezugskennzeichen bezeichnet und auf eine Beschreibung
derselbigen wird verzichtet. Stattdessen wird auf die entsprechenden
Beschreibungsteile der ersten und dritten Ausführungsformen (siehe ebenso 1, 3)
verwiesen. Die vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 3 gezeigten
dritten Ausführungsform
dadurch, dass ein drittes ESD-Element 17 zwischen der hohen Versorgungsspannung 3 und
einem Knoten zwischen der Induktivität 9 und dem Kondensator 19 geschaltet
ist. Darüber
hinaus liegt ein viertes ESD-Element 18 zwischen der hohen
Versorgungsspannung 3 und einem Knoten zwischen der zweiten
Induktivität 11 und
dem Kondensator 19'.
Es gilt zu beachten, dass das dritte ESD-Element 17 einen
zum vierten ESD-Element 18 übereinstimmenden Aufbau aufweist.
Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die ersten und zweiten ESD-Elemente 14 und 15 hinsichtlich
ihres Aufbaus mit den dritten und vierten ESD-Elementen 17, 18 übereinstimmen
müssen,
ob gleich diese Elemente 14, 15, 17, 18 identisch
sein können.
Die vierte Ausführungsform
gibt ein im Vergleich zur in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform
umfangreicheres ESD-Schutzkonzept an, zumal Entladepfade über die
dritten und vierten ESD-Elemente 17, 18 bereitgestellt
werden, falls eine ESD-Entladung
zwischen Pads der ersten und zweiten Ausgänge 6, 8 und
der hohen Versorgungsspannung 3 auftreten.
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In 5 ist
eine schematische Darstellung einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt.
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Die
fünfte
Ausführungsform
entspricht prinzipiell der ersten Ausführungsform. Jedoch sind Schaltungsdetails
in Bezug auf den ersten Verstärkerzweig 1,
den zweiten Verstärkerzweig 2 als
auch die Tiefpassfilterschaltung 16 angegeben.
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In
diesem Zusammenhang weist der erste Verstärkerzweig 1 einen
n-Kanal MOSFET als ersten Transistor 22 und einen p-Kanal
MOSFET als zweiten Transistor 23 auf. Beide Transistoren 22, 23 sind in
Reihe zwischen der hohen Versorgungsspannung 3 und der
niedrigen Versorgungsspannung 4 geschaltet. Insbesondere
ist eine Source des ersten Transistors 22 mit der niedrigen
Versorgungsspannung 4 verbunden, ein Drain des ersten Transistors 22 ist
mit dem Drain des zweiten Transistors 23 verbunden. Die
Source des zweiten Transistors 23 ist an die hohe Versorgungsspannung 3 angeschlossen. Ein
Gate des ersten Transistors 22 ist unmittelbar mit dem
Gate des zweiten Transistors 23 verbunden. Somit sind beide
Transistoren 22 und 23 über ihre Gates durch den ersten
Eingang 5 ansteuerbar. Ein Widerstand 24 ist zwischen
den ersten Eingang 5 und den ersten Ausgang 6 geschaltet,
wobei der erste Ausgang 6 zwischen den ersten und zweiten
Transistoren 22, 23 liegt. Es gilt zu beachten,
dass eine Verbindung zwischen dem ersten Verstärker zweig 1 und einer
der Versorgungsspannungen 3, 4 weitere Schaltungskomponenten
(nicht dargestellt) enthalten kann. Dies trifft ebenso auf die weiteren
Ausführungsformen
zu.
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Der
zweite Verstärkerzweig 2 ist
in übereinstimmender
Weise zum ersten Verstärkerzweig 1 zwischen
die hohe Versorgungsspannung 3 und die niedrige Versorgungsspannung 4 geschaltet.
Der zweite Verstärkerzweig 2 weist
einen n-Kanal MOSFET als dritten Transistor 25, einen p-Kanal
MOSFET als vierten Transistor 26 als auch einen weiteren Widerstand 27 auf.
Schaltungselemente 25, 26, 27 stimmen
nicht nur mit den entsprechenden Schaltungselementen 22, 23, 24 überein,
sondern sind ebenso in derselben Weise angeordnet.
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Der
Tiefpassfilter 16 ist als LC-Tiefpassfilter ausgebildet
und weist zwei übereinstimmende
Induktivitäten 28, 28' als auch einen
Filterkondensator 29 auf.
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Es
gilt zu beachten, dass der erste und dritte Transistor 22, 25,
abgesehen von deren Funktion zum Verstärken eines dem entsprechenden
ersten oder zweiten Eingang 5, 7 eingespeisten
Signals, auch als Mixerelemente zum Bereitstellen eines Mixsignals
basierend auf an den ersten und zweiten Ausgängen 6, 8 überlagerten
Signalen dienen. Diese überlagerten
Signale können
ein an ein Zielobjekt übermitteltes
erstes Signal als auch ein weiteres Signal darstellen, das beispielsweise
einem Reflexionssignal vom Zielobjekt entspricht. Das von den ersten und
dritten Transistoren 22, 25 an den entsprechenden
Ausgängen 6, 8 bereitgestellte
Mixsignal kann eine niederfrequente Komponente aufweisen, die einer
Differenzfrequenz zwischen dem ersten Signal und dem weiteren Signal
entspricht. Diese niederfrequente Komponente kann von den höherfrequenten Komponenten
an den Ausgängen 6, 8 über den
Tiefpassfilter 16 getrennt werden. Dazu wird eine Grenzfrequenz
des Tiefpassfilters 16 geeignet gewählt.
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Der
erste Ausgang 6 entspricht einem Hochfrequenzknoten, der
dem ersten Verstärkerzweig 1, dem
Mixerelement, d.h. dem ersten Transistor 22 und der Tiefpassfilterschaltung 16 gemein
ist. Dasselbe trifft auf die Elemente 6, 2, 25, 16 zu.
Folglich lässt
sich ein unerwünschtes Übersprechen
zwischen Hochfrequenzsignalen eines Verstärkers und eines Mixers in einem
Radarsystem vermeiden.
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In 6 ist
eine schematische Darstellung einer Multifunktions-RF-Schaltung
gemäß einer sechsten
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Diejenigen Schaltungselemente dieser Ausführungsform,
die denjenigen der fünften
oder ersten Ausführungsform
(siehe 5 und 1) entsprechen, werden mit denselben
Bezugskennzeichen gekennzeichnet und auf eine Beschreibung derselbigen
wird verzichtet. Stattdessen wird auf die entsprechenden Beschreibungsteile
der ersten und fünften
Ausführungsform
verwiesen. Im Unterschied zur in 5 gezeigten
fünften
Ausführungsform
weist die sechste Ausführungsform
eine Reihenschaltung von zwei identischen Kondensatoren 19, 19' auf, die zwischen die
erste Induktivität 9 und
die zweite Induktivität 11 geschaltet
sind. Zwischen diesen beiden übereinstimmenden
Kondensatoren 19, 19' liegt ein AC-Masseknoten 20.
Dieser Knoten liegt symmetrisch zwischen den ersten und zweiten
Ausgängen 6, 8 und
erfährt
keine Spannungsverschiebung im Hinblick auf schwankende AC-Signale
zwischen den ersten und zweiten Eingängen 5, 6.
Darüber
hinaus ist ein weiterer Kondensator 21 zwischen den AC-Masseknoten 20 und
die niedrige Versorgungsspannung 4 geschaltet. Der weitere
Kondensator ermöglicht
eine Verbesserung der Common-Mode-Stabilität und liegt vorzugsweise innerhalb
eines Bereichs von 1 pF bis 1000 pF.