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Auf dem Gebiet der elektronischen Verstärkung ist es oft notwendig, Wirkungsgrad, Wiedergabetreue, Gerätegröße und Kosten zu optimieren. Zum Beispiel werden Funkfrequenzverstärker bzw. Hochfrequenzverstärker oft in Mobilgeräten implementiert, so dass sie extrem effizient sein müssen, um die Batterielebensdauer zu verbessern, hochwiedergabetreu sein müssen, um qualitativ hochwertige Signale bereitzustellen, sehr klein sein müssen (vorzugsweise alle auf einem integrierten Schaltungschip implementiert), um Größe und Gewicht des Geräts zu verringern, und kostengünstig sein müssen (wieder ist hier eine vollintegrierte Lösung nützlich).
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Eine einfache Art von Verstärker ist der Klasse-B-Gegentaktstufenverstärker. Bei Verstärkern dieser Art werden jeweils komplementäre oder quasikomplementäre Bauelemente verwendet, um entgegengesetzte Hälften (positiv/negativ) des Eingangssignals zu verstärken. Die Ausgangssignale der Bauelemente werden kombiniert, um ein Gesamtausgangssignal zu ergeben. Dies ist eine effiziente Anordnung, es kann jedoch eine kleine Fehlanpassung in der Übergangsregion an den ”Verbindungen” zwischen den beiden Hälften des Signals bestehen, da ein Ausgangsbauelement die Leistungsversorgung genau übernehmen muss, während das andere damit aufhört. Dies wird als Übergangsverzerrung bezeichnet. Eine verbesserte Version ist der Klasse-AB-Verstärker. Im Klasse-AB-Betrieb werden die Bauelemente vorgespannt, so dass sie, wenn sie nicht im Gebrauch sind, nicht vollständig ausgeschaltet sind. Jedes Bauelement arbeitet auf dieselbe Weise wie bei Klasse B über die Hälfte der Signalform, leitet aber auch während der anderen Hälfte ein wenig. Folglich wird die Region, in der beide Bauelemente gleichzeitig nahezu ausgeschaltet sind, verringert. Das Ergebnis sind stark verringerte Übergangsverzerrungen. Die spezielle Implementierung von Klasse AB für Hochfrequenzbetrieb (HF) verwendet aktive Bauelemente mit abgestimmter Last (LC-Schwingkreis) anstelle von komplementären Bauelementen für verbesserte Reserve und Frequenzselektivität.
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Verstärker werden oft differentiell ausgeführt, um die Wiedergabetreue zu verbessern. Differenzverstärker arbeiten in der Regel durch Verwendung zweier elektronischer Verstärker, die die Differenz zwischen ihren Eingängen messen und diese Differenz mit einem konstanten Faktor multiplizieren. Dadurch entsteht der Vorteil des effektiven Aufhebens von Spannungen, die den Ausgängen der Verstärker gemeinsam sind, wodurch ein Ausgangssignal produziert wird, das verringerte Oberschwingungspegel und Gleichstromoffsetspannungen aufweist. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung einer Differenzkonfiguration besteht insbesondere bei Funk- bzw. Hochfrequenzimplementierungen darin, dass die verfügbare Spannungsauslenkung im Vergleich mit der entsprechenden asymmetrischen Implementierung verdoppelt ist. Dadurch wird es möglich, für eine gegebene Lastimpedanz größere Ausgangsleistungen zu erzielen oder eine gegebene Ausgangsleistung an einer größeren Lastimpedanz zu erzielen.
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Es sind vollintegrierte Differenz-Klasse-AB-Verstärker bekannt. Diese haben jedoch Nachteile. Bei Implementierungen, bei denen große Stromkapazität erforderlich ist, müssen die Bahnen jeder Leiterplatte, die den Strom führt, sehr groß sein, um Elektromigration und Überhitzung zu verhindern (die, wenn sie erlaubt wären, sowohl ineffizient als auch gefährlich wären). Bei Hochfrequenzimplementierungen werden oft als Symmetrierglieder bezeichnete Umspanner (engl. transformer) zur Kopplung mit der Last verwendet. Große Bahnen bedeuten, dass kein hoher Kopplungskoeffizient für magnetische Kopplung mit der Last erhalten werden kann, und jedes Symmetrierglied, das am Ausgang verwendet wird, kann dann nicht ohne Weiteres optimiert werden. Die kombinierte Last- und Symmetriergliedstruktur, die für Hochfrequenz-Klasse-AB-Differenzleistungsverstärker typisch ist, ist deshalb nicht ideal, da sie gleichzeitige Optimierung des Gütefaktors und der magnetischen Kopplung verhindert.
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Eine Verbesserung des Klasse-AB-Verstärkers ist der Klasse-E-Leistungsverstärker. Dieser verwendet Resonanzlast bei der Arbeitsfrequenz für Schaltbetrieb und Resonanzlastkopplung zum Entfernen von auf den Oberschwingungen umgesetzter Leistung. Aufgrund ihres relativ simplistischen Designs und guter Hochfrequenzleistungsfähigkeit werden Klasse-E-Verstärker üblicherweise zum Verstärken von Signalformen mit konstanter Hüllkurve verwendet, wobei die übertragene Trägerleistung konstant ist. Ein typischer in der Technik bekannter Klasse-E-Verstärker ist in 1 gezeigt.
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In dem in 1 gezeigten Verstärker fließt Strom durch die Induktivität L3 und durch den Transistor M⌀, der als ein Schalter arbeitet, der durch das zu verstärkende Signal bei V1 angesteuert wird. Der Kondensator C2 ist parallel mit dem Transistor M⌀ angeordnet. C2 resoniert die Last mit der Betriebsfrequenz. Der Kondensator C1 und die Induktivität L5 sind miteinander in Reihe angeordnet, was zu einer abgestimmten Reihen-LC-Schaltung führt. Diese Schaltung liegt in Reihe mit einer anderen durch L4 und C5 LC-Schaltung mit einer reaktiven Komponente jL4C5 und Lastimpedanz RL4C5.
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Da der Transistor M⌀ durch das Eingangssignal periodisch ein- und ausgeschaltet wird, wird das C1-L5-Filter auf die erste Oberschwingung der Eingangsfrequenz abgestimmt und lässt nur einen sinusförmigen Strom zu der Last R⌀ durch.
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L4 und C5 sind die Impedanzanpassungsschaltung, so dass die Lastimpedanz R⌀ auf den gewünschten Wert für den Verstärker bzw. die interne Impedanz Rint transformiert (herauf- oder heruntergefahren) wird. Die maximale Ausgangsleistung (Pout, max) ist:
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Dabei ist leff der effektive Strom und Veff die verfügbare Spannung für asymmetrische Verstärker mit induktiver Last:
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Dabei ist Vd,sat die Sättigungsspannung des aktiven Bauelements M⌀. Für eine gegebene Lastimpedanz und Versorgungsspannung ist Impedanztransformation notwendig, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erzielen:
Rϕ·Rsource = L4 / C5 (3) -
Dabei ist Frf die Arbeitsfrequenz des Verstärkers.
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Das Paar von Resonanz-LC-Schaltungen erzeugt eine gedämpfte Oszillation an der Last des Verstärkers. Durch Verwendung bestimmter Werte für die Komponenten der Resonanz-LC-Schaltungen kann eine Frequenz der gedämpften Oszillation gewählt werden, die sicherstellt, dass die Spannung an dem Transistor niedrig ist, wenn der Strom hoch ist, und die Spannung an dem Transistor hoch ist, wenn der Strom niedrig ist. Da die Leistungseffizienz gewöhnlich gemäß der beim Vorgang des Verstärkens eines Signals verschwendeten Energie bestimmt wird, kann der Wirkungsgrad eines Verstärkers verbessert werden, wenn die Leistung an dem Transistor minimiert wird.
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Es sind Differenz-Klasse-E-Verstärker bekannt, die die Vorteile guter Hochfrequenzleistungsfähigkeit eines einfachen Klasse-E-Verstärkers zusammen mit denen eines Differenzverstärkers: Gleichtakt- und Oberschwingungszurückweisung und vergrößerte Spannungsauslenkung für eine gegebene Versorgung aufweisen.
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2 zeigt ein Beispiel für einen Differenz-Klasse-E-Verstärker, der aus der asymmetrischen Struktur von 1 abgeleitet wird, ohne Optimierung mit Ausnahme der Differenz-Resonanz der Last L3 + L9 durch C2. Das heißt, in 2 werden zwei Klasse-E-Verstärker der in 1 gezeigten Art so kombiniert, dass ihre jeweiligen Ausgänge verbunden sind.
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In 2 stimmt der linke Verstärker zum großen Teil mit dem Klasse-E-Verstärker von 1 überein. In dem rechten Verstärker entspricht die Induktivität L9 der Induktivität L3, der Eingang V3 entspricht dem Eingang V1, der Transistor M1 entspricht dem Transistor M⌀, der Kondensator C3 entspricht dem Kondensator C1, die Induktivität L8 entspricht der Induktivität L5, die Induktivität L10 entspricht der Induktivität L4 und der Kondensator C4 entspricht dem Kondensator C5.
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Die Ausgänge beider Verstärker sind durch die Induktivität L6 verbunden, die durch die Induktivität L7 mit der Last R⌀ gekoppelt ist, wodurch der Ausgangsumspanner gebildet wird.
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Dieser Ansatz benötigt vier Induktivitätskomponenten zur Oberschwingungsabstimmung und Ausgangsanpassung. Neben diesen vier Induktivitätskomponenten ist eine symmetrische Induktivität für die Leistungsverstärkerlast und ein Umspanner bzw. ein Symmetrierglied für die Transformation (Umspannung) von asymmetrische in Differenzsignale erforderlich. Die für diesen Ansatz erforderliche große Anzahl von Induktivitäten macht ihn unerwünscht für die Verwendung in einer integrierten Schaltung (IC), da die große Anzahl von Komponenten sehr viel Siliziumfläche erfordern wird. Ferner ist es schwierig, induktive Kopplungen zwischen einzelnen Induktivitäten im Voraus zu schätzen. Diese ”überkreuzten” magnetischen Kopplungen verschieben die gewünschte Resonanzfrequenz und verschlechtern die Impedanztransformation.
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Es wird ein Differenz-Klasse-E-Leistungsverstärker mit verringerter überkreuzter magnetischer Kopplung zwischen Induktivitäten und verbessertem Gütefaktor und magnetischer Kopplung an die Last benötigt, der vorzugsweise klein genug ist, um auf einer Einchip-Implementierung integriert zu werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektronischer Differenzverstärker bereitgestellt, der umfasst: ein erstes Schaltmittel, das zwischen einer ersten Referenzspannung und einem ersten Knoten geschaltet ist; ein zweites Schaltmittel, das zwischen einer zweiten Referenzspannung und einem zweiten Knoten geschaltet ist; eine resonante Differenzlast, die zwischen den ersten und zweiten Knoten geschaltet ist und einen Mittenpunkt aufweist, der mit einer dritten Referenzspannung verbunden ist; eine durch eine erste Seite eines Umspanners gebildete Ausgangsstufe; eine mit einer zweiten Seite des Umspanners verbundene Lastimpedanz; ein erstes kapazitives Element, das zwischen die erste Seite des Umspanners und den ersten Knoten geschaltet ist; und ein zweites kapazitives Element, das zwischen die erste Seite des Umspanners und den zweiten Knoten geschaltet ist; wobei alle zwischen dem ersten und zweiten kapazitiven Element in Reihe geschalteten induktiven Elemente induktiv mit der zweiten Seite des Umspanners gekoppelt sind.
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Ein oder mehrere der induktiven Elemente können Impedanzanpassung bereitstellen, wobei die Ausgänge von zwei elektronischen Verstärkerschaltungen, die in der elektronischen Differenzverstärkerschaltung enthalten sind, kombiniert werden.
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Der elektronische Differenzverstärker kann auf einer einzigen integrierten Schaltung und/oder in einer Funk- bzw. Hochfrequenz-Senderschaltung implementiert werden.
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Die Lastimpedanz kann eine Antenne sein. Die Lastimpedanz kann 50 Ohm betragen.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen in der Technik bekannten typischen Klasse-E-Verstärker.
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2 die einfache Differenzimplementierung des Klasse-E-Verstärkers von 1.
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3 eine beispielhafte Schaltung, die für Differenz-Klasse-E-Verstärkung optimiert ist.
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4 ein Schaltbild der Ausgangsstufe eines Hochfrequenz-Differenz-Klasse-AB-Verstärkers.
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5 eine beispielhafte Schaltung, die in einem Funk- bzw. Hochfrequenzsender verwendet werden könnte.
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6a, 6b und 6c Simulationsergebnisse.
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Die folgende Beschreibung wird gegeben, um es beliebigen Fachleuten zu ermöglichen, das System herzustellen und zu verwenden, und wird im Kontext einer bestimmten Anwendung angegeben. Fachleuten werden verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen ohne Weiteres einfallen.
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Die hier definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewandt werden, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung soll somit nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt werden, sondern soll den größten Umfang erhalten, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen vereinbar ist.
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Ein Klasse-E-Differenz-Leistungsverstärker kann mit einer effizienten Kombination aus Oberschwingungsabstimmung und Impedanzanpassung an eine Last versehen werden. Die Ausgangsanpassung kann mit dem Umspanner und der Induktivität des Resonanzkreises kombiniert werden.
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Ein beispielhaftes Schaltbild ist in 3 angegeben. Diese Schaltung enthält bestimmte Komponenten, die bestimmten der Komponenten in dem vorbekannten Differenz-Klasse-E-Verstärker von 2 entsprechen und dementsprechend ähnlich bezeichnet sind. Die Schaltung von 3 erfordert jedoch weniger Induktivitäten.
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In der Schaltung von 2 werden Resonanzkreise C1-L5 und C3-L8 zur Oberschwingungsabstimmung verwendet. Die Induktivitäten L4 und L10 und Kondensatoren C5 und C4 werden verwendet, um die Ausgänge der beiden Verstärker anzupassen. Diese Ausgänge werden dann kombiniert und unter Verwendung der Induktivität L6 in dem Ausgangsumspanner mit der Last R⌀ gekoppelt. Im Gegensatz dazu werden in der Schaltung von 3 nur zwei Induktivitäten benötigt: eine symmetrische Induktivität als Differenz-Resonanzlast und einen Ausgangsumspanner. Der Ausgangsumspanner umfasst Induktivitäten Lpr1, Lpr2 und L_sec, und der Kondensator Cmatch_out kombiniert alle drei der oben erwähnten Funktionen: Wirken mit den Kondensatoren C_e1 und C_e2 zur Oberschwingungsabstimmung, Bereitstellung von Ausgangsanpassung der beiden Verstärker und Kopplung mit der asymmetrischen Last R⌀. Somit wird die Anzahl der Induktivitäten um drei verringert und die Kondensatoren C4 und C5 werden zu Gunsten des einzigen Kondensators Cmatch_out beseitigt, der zusammen mit dem Induktivitätsverhältnis des Umspanners und der Impedanz Transformation der zweiten Induktivität Impedanzanpassung durchführt.
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Diese Implementierung bedeutet auch, dass nur die symmetrische Induktivität – die Resonanzlast des Differenzpaars – mit dem großen Gleichstrom der aktiven Bauelemente umgeht. Die Kondensatoren C_e1 und C_e2 isolieren den Ausgangsumspanner L_pr1, Lpr_2 und L_sec und daher den Leistungsausgangspfad von dem Gleichstrom. Man vergleiche dies mit dem Schaltbild der Ausgangsstufe des in 4 gezeigten vorbekannten Hochfrequenz-Klasse-AB-Differenzverstärkers, bei dem der Ausgangsumspanner einen großen Gleichstrom führt.
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Die Schaltung könnte in einem Hochfrequenzsender implementiert werden, wobei die Last R⌀ die Antenne ist, die z. B. eine Impedanz von 50 Ω aufweisen könnte.
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Aufgrund der verringerten Anzahl notwendiger Induktivitäten könnte die Schaltung voll integriert werden, wobei die gesamte Schaltung auf einem einzigen Siliziumchip implementiert wird.
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5 zeigt eine Prüfschaltung, die in einem Funksender verwendet werden könnte.
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6a, 6b und 6c zeigen Simulationsergebnisse für eine solche Schaltung. 6a ist ein Graph von S-Parametern des Ausgangsumspanners als Funktion der Frequenz. Sie zeigt Reflexionskoeffizienten an Ports der Quelle (S11) und Last (S22) sowie Übertragung von Quelle zu Last (S12). Die eingegebenen Komponentenwerte waren eine primäre Induktivität (Lpr1 + Lpr2) von 2,5 nH; eine sekundäre Induktivität von 4 nH (Induktivitätsverhältnis 1,6); ein Kopplungskoeffizient (K⌀, K1) von 0,8; Abstimmkapazitäten Cpr, Csec, die den primären (Lpr1 + Lpr2) und sekundären (Lsec) Teil auf das 2,4-GHz-Band abstimmen, die auf 2,7 pF bzw. 6 pF gesetzt sind; mit einem äquivalenten Gütefaktor 13. Die Ergebnisse für eine Impedanztransformation von 10 Ω (optimal Last für 27 dBm und 1,8 V Versorgung) auf eine Standard-Antennenlast von 50 Ω zeigen Einfügungsverluste (S12) von 1,2 dB und einen sehr guten Reflexionskoeffizienten an der Antenne (S22) von –20 dB.
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6b zeigt simulierte Signalformen von Spannung und Strom durch das Leistungsbauelement und ein simuliertes Hochfrequenz-Ausgangs-(Antennen-)Signal für einen Bereich von Eingangsspannungen. 6c zeigt das tatsächliche an der Antenne produzierte Signal, wobei aufgrund der Frequenzselektivität der Last und des Ausgangsumspanners nur die Grundfrequenz erscheint.
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Die vorgeschlagene Architektur hat einen wichtigen Vorteil für Integration: der Ausgangsumspanner unterstützt nur den durch den Leistungsverstärker erzeugten Hochfrequenzstrom. Es ist möglich, diese Struktur bezüglich Gütefaktor und magnetischer Kopplung zu optimieren, was bei der typischerweise in integrierten Differenz-Klasse-AB-Leistungsverstärkern verwendeten kombinierten Last- und Symmetriergliedstruktur nicht der Fall war. Die großen Strom kapazitätsanforderungen des Leistungsverstärkers wurden von der Übertrageroptimierung dekorreliert.
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Implementierungsalternativen sind unter Verwendung von Bipolar-(oder HBT-)Transistoren möglich; kleinere Versorgungsspannungen könnten nichtkaskodierte Differenzverstärker (ähnlich dem in 3 gezeigten) ermöglichen, abhängig von dem Technologieknoten.
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Die Anmelderin offenbart hiermit isoliert jedes hier beschriebene einzelne Merkmal und eine beliebige Kombination von zwei oder mehr solchen Merkmalen soweit solche Merkmale oder Kombinationen auf der Basis der vorliegenden Beschreibung als Ganzes im Hinblick des Allgemeinwissens von Fachleuten ausgeübt werden können, gleichgültig, ob solche Merkmale oder Kombinationen von Merkmalen irgendwelche hier offenbarten Probleme lösen, und ohne Beschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche. Die Anmelderin stellt fest, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung aus einem beliebigen solchen einzelnen Merkmal oder einer beliebigen Kombination von Merkmalen bestehen können. Im Hinblick auf die obige Beschreibung ist Fachleuten offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung vorgenommen werden können.
