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Die vorliegende Anmeldung betrifft begrenzende Verstärker sowie Verfahren zum Betrieb eines begrenzenden Verstärkers.
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Beispielsweise im Bereich von Empfängervorrichtungen von Kommunikationsgeräten ist es bekannt, begrenzende Verstärker einzusetzen. Ein begrenzender Verstärker wird typischerweise über mehrere kaskadierte Verstärkerstufen implementiert. Auf diese Weise kann eine begrenzende Verstärkercharakteristik erreicht werden, bei welcher kleinere Eingangssignale einer stärkeren Verstärkung unterliegen als größere Eingangssignale. Typischerweise ist die Verstärkercharakteristik eines begrenzenden Verstärkers im Wesentlichen logarithmisch. Ein Beispiel eines begrenzenden Verstärkers mit kaskadierten Verstärkerstufen ist in „A 2-V 10.7-MHz CMOS Limiting Amplifier/RSSI", Po-Chiun Huang et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No. 10, October 2000, beschrieben.
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Die Realisierung der begrenzenden Verstärkercharakteristik erfordert, dass die verschiedenen Verstärkerstufen jeweils eine wohldefinierte Verstärkung bereitstellen. Dies wird jedoch dadurch erschwert, dass die verwendeten Verstärkerschaltungen typischerweise empfindlich auf Variationen von Prozessbedingungen, Versorgungsspannung und Temperaturbedingungen reagieren und die tatsächlich von einer Verstärkerstufe bereitgestellte Verstärkung somit von einem gewünschten Sollwert abweichen kann.
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Zur Bereitstellung einer bestimmten Verstärkung einer Verstärkerstufe bestehen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten. Eine ist, verschiedene Verhältnisse von Transkonduktanzen durch CMOS-Transistoren (CMOS: „Complementary Metal Oxide Semiconductor“) zu implementieren.
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Eine weitere Möglichkeit ist, einen Transkonduktanzverstärker im Zusammenhang mit einem bestimmten Lastwiderstand zu verwenden.
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Bei der erstgenannten Möglichkeit ist die Verstärkung durch Verhältnisse von Transkonduktanzen der in der Verstärkerschaltung verwendeten Transistoren bestimmt. Diese Verhältnisse können realisiert werden, indem Transistoren mit unterschiedlichen Kanalbreiten verwendet werden. Ein Nachteil dieser Option ist, dass die Transistoren im Bereich starker Inversion betrieben werden müssen, da ansonsten ihre Transkonduktanz nicht, wie erforderlich, mit der Kanalbreite skaliert. Weiterhin ist ein minimaler Strom erforderlich, um einen Transistor im Bereich starker Inversion zu betreiben, sodass das Erreichen einer niedrigen Leistungsaufnahme erschwert wird.
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Bei der zweitgenannten Option ist die Verstärkung definiert durch das Produkt aus der von dem Transkonduktanzverstärker bereitgestellten Transkonduktanz und dem Widerstandswert des Lastwiderstands. Es ist somit möglich, die Verstärkung über eine entsprechende Auswahl des Widerstandswerts des Lastwiderstands festzulegen. Da hierbei ein Betrieb im Bereich starker Inversion nicht erforderlich ist, wird das Erreichen einer niedrigen Leistungsaufnahme vereinfacht. Da jedoch sowohl die Transkonduktanz als auch der Widerstandswert des Lastwiderstands typischerweise von Temperatur, Versorgungsspannung und Prozessbedingungen abhängen, unterliegt auch die Verstärkung entsprechenden Variationen, sodass die Einhaltung eines wohldefinierten Verstärkungswerts erschwert wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, Technologien bereitzustellen, durch welche eine effiziente Implementierung eines begrenzenden Verstärkers ermöglicht wird.
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Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird ein begrenzender Verstärker gemäß Patentanspruch 1 bereitgestellt. Weiterhin wird ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 bereitgestellt. Die abhängigen Patentansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird somit ein begrenzender Verstärker bereitgestellt. Der Verstärker umfasst eine Vielzahl von kaskadierten Verstärkerstufen zur Verstärkung eines Eingangssignals des Verstärkers. Weiterhin umfasst der Verstärker eine weitere Verstärkerstufe, welche einer der kaskadierten Verstärkerstufen nachgebildet ist. Der weiteren Verstärkerstufe ist ein Referenzsignal zugeführt. Weiterhin umfasst der Verstärker eine Steuerschaltung, welche dazu ausgestaltet ist, abhängig von einem Ausgangssignal der weiteren Verstärkerstufe ein Steuersignal zur Anpassung einer Verstärkung von wenigstens einer der kaskadierten Verstärkerstufen zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren bereitgestellt, welches zur Steuerung des Betriebs eines begrenzenden Verstärkers einsetzbar ist. Gemäß dem Verfahren wird ein Eingangssignal an eine Vielzahl von kaskadierten Verstärkerstufen eines begrenzenden Verstärkers zugeführt. Weiterhin wird ein Referenzsignal an eine weitere Verstärkerstufe zugeführt, welche einer der kaskadierten Verstärkerstufen nachgebildet ist. Ein Steuersignal wird abhängig von einem Ausgangssignal der weiteren Verstärkerstufe erzeugt. Eine Verstärkung von wenigstens einer der kaskadierten Verstärkerstufen wird über das Steuersignal angepasst.
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Weitere Einzelheiten der genannten Ausführungsbeispiele und weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 veranschaulicht schematisch einen begrenzenden Verstärker gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 veranschaulicht beispielhafte Schaltungsstrukturen von Verstärkerstufen, welche in dem Verstärker zum Einsatz kommen können.
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3 veranschaulicht eine Schaltung zur Erzeugung von gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendeten Referenzsignalen.
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4 veranschaulicht eine Schaltung, welche bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung eines Steuersignals dient.
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5 veranschaulicht weitere Einzelheiten einer Implementierung einer Schaltung, welche bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung eines Steuersignals verwendet werden kann.
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6 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei versteht es sich, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich einer Veranschaulichung von Implementierungsmöglichkeiten der Erfindung dienen sollen und nicht als Beschränkung derselben zu verstehen sind. Insbesondere können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. Weiterhin ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Ausführung der Erfindung notwendig sind. Beispielsweise könnten andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen.
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Im Folgenden dargestellte Ausführungsbeispiele betreffen einen begrenzenden Verstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines begrenzenden Verstärkers. Der begrenzende Verstärker kann beispielsweise in einer Empfängervorrichtung eines Kommunikationsgeräts, z.B. in einem Funkempfänger, zum Einsatz kommen.
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Der begrenzende Verstärker weist eine Vielzahl von Verstärkerstufen auf, welche kaskadiert angeordnet sind. Bei wenigstens einer der kaskadierten Verstärkerstufen, typischerweise bei allen kaskadierten Verstärkerstufen, ist eine von der jeweiligen Verstärkerstufe bereitgestellte Verstärkung über ein Steuersignal anpassbar. Die kaskadierten Verstärkerstufen dienen der Verstärkung eines Eingangssignals des Verstärkers. Zur Erzeugung des Steuersignals ist eine weitere Verstärkerstufe vorgesehen, welcher jedoch nicht das Eingangssignal des Verstärkers, sondern ein Referenzsignal zugeführt ist. Die weitere Verstärkerstufe ist einer der kaskadierten Verstärkerstufen nachgebildet. Die weitere Verstärkerstufe wird im Folgenden daher auch als Replica-Verstärkerstufe bezeichnet. Hierbei versteht es sich jedoch, dass es sich bei der Replica-Verstärkerstufe nicht notwendigerweise um eine exakte Nachbildung einer der kaskadierten Verstärkerstufen handeln muss. Vielmehr ist die Replica-Verstärkerstufe typischerweise durch gleiche Schaltungsstrukturen wie die nachgebildete kaskadierte Verstärkerstufe implementiert, kann jedoch im Hinblick auf die Dimensionierung ihrer Schaltungskomponenten von dieser abweichen. Weiterhin sind auch die kaskadierten Verstärkerstufen typischerweise durch gleiche Schaltungsstrukturen implementiert, können jedoch ebenfalls im Hinblick auf die Dimensionierung ihrer Schaltungskomponenten voneinander abweichen.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird das Steuersignal abhängig von einem Ausgangssignal der Replica-Verstärkerstufe erzeugt. Dies kann insbesondere durch Vergleich des Ausgangssignals der Replica-Verstärkerstufe mit einem weiteren Referenzsignal erfolgen. Speziell kann über das Steuersignal eine Verstärkung der Replica-Verstärkerstufe abhängig von einer Abweichung des Ausgangssignals der Replica-Verstärkerstufe von dem weiteren Referenzsignal geregelt werden. Die Verstärkung der Replica-Verstärkerstufe würde somit typischerweise derart geregelt werden, dass sie dem Verhältnis zwischen dem der Replica-Verstärkerstufe zugeführten Referenzsignal und dem weiteren Referenzsignal entspricht. Auf diese Weise können Abweichungen der Verstärkung aufgrund von beispielsweise Temperatur-, Versorgungsspannungs- oder Prozessvariationen kompensiert werden. Indem das Steuersignal weiterhin zur Anpassung der Verstärkung von einer oder mehreren der kaskadierten Verstärkerstufen herangezogen wird, kann eine entsprechende Kompensation auch für die kaskadierten Verstärkerstufen erhalten werden.
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Die Kompensation von Einflüssen von Prozessvariationen, Temperaturvariationen oder Versorgungsspannungsvariationen ermöglicht eine Verringerung von Produktionsausschüssen und/oder eine Einhaltung von strengeren Schaltungsspezifikationen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Implementierungen der Verstärkerstufen, welche auf Transkonduktanzverstärkerschaltungen und Lastwiderständen beruhen. Da die letztgenannten nicht im Bereich starker Inversion betrieben werden müssen, wird somit auch das Erreichen einer niedrigen Leistungsaufnahme des Verstärkers erleichtert.
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1 veranschaulicht schematisch einen Schaltungsaufbau für einen begrenzenden Verstärker gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die in 1 dargestellten Schaltungsstrukturen können beispielsweise durch CMOS-Technologie auf einem einzigen Halbleiterchip implementiert sein.
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Wie dargestellt, weist der Verstärker mehrere kaskadierte Verstärkerstufen 10 auf. Die kaskadierte Verstärkerstufen 10 verstärken ein Eingangssignal VIN des Verstärkers. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an einem Ausgang jeder der kaskadierten Verstärkerstufen 10 ein entsprechendes verstärktes Ausgangssignal VOUT(1), VOUT(2), VOUT(3), VOUT(4), ..., VOUT(N – 1), VOUT(N) abgreifbar. Bei abweichenden Implementierungen könnte auch beispielsweise lediglich das verstärkte Ausgangssignal VOUT(N) der letzten Verstärkerstufe 10 der kaskadierten Anordnung abgreifbar sein.
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Bei den kaskadierten Verstärkerstufen 10 ist die jeweils bereitgestellte Verstärkung über ein Steuersignal GC anpassbar. Zur Erzeugung des Steuersignals GC sind eine Replica-Verstärkerstufe 20 und eine Steuerschaltung 30 vorgesehen. Der Replica-Verstärkerstufe 20 ist nicht das Eingangssignal VIN des Verstärkers, sondern ein Referenzsignal VREF1 zugeführt. Das Referenzsignal VREF1 kann intern in dem Verstärker erzeugt werden oder kann über eine externe Referenzsignalquelle bereitgestellt werden. Der Steuerschaltung 30 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel darüber hinaus ein weiteres Referenzsignal VREF2 zugeführt, welches ebenfalls intern in dem Verstärker erzeugt werden kann oder über eine externe Referenzsignalquelle bereitgestellt werden kann. Die Steuerschaltung 30 erzeugt das Steuersignal GC abhängig von einem Vergleich zwischen einem Ausgangssignal der Replica-Verstärkerstufe 20 und dem weiteren Referenzsignal VREF2. Speziell umfasst die Steuerschaltung Verstärkerelemente 31, 32, 33, welche einen Fehlerverstärker implementieren, der eine Abweichung des Ausgangssignals der Replica-Verstärkerstufe 20 von dem weiteren Referenzsignal VREF2 bestimmt und abhängig von dieser Abweichung über das Steuersignal GC die Verstärkung der Replica-Verstärkerstufe regelt. Im stationären Zustand würde somit die Verstärkung der Replica-Verstärkerstufe 20 dem Verhältnis des weiteren Referenzsignals VREF2 zudem Referenzsignal VREF1 entsprechen.
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Bei der dargestellten Implementierung ist der begrenzende Verstärker differenziell implementiert. Somit wird das Eingangssignal VIN als differenzielles Signal zugeführt. Gleichermaßen liegen auch das Referenzsignal VREF1 und das weitere Referenzsignal VREF2 als differenzielle Signale vor. Das Verstärkerelement 31 der Steuerschaltung 30 dient einer Umsetzung des differentiellen Ausgangssignals der Replica-Verstärkerstufe in ein einpoliges Signal. Entsprechend dient das Verstärkerelement 32 der Steuerschaltung 30 einer Umsetzung des differentiellen weiteren Referenzsignals VREF2 in ein einpoliges Signal. Das Verstärkerelement 33 der Steuerschaltung 30 dient einer Differenzbildung zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkerelements 32 und dem Ausgangssignal des Verstärkerelements 31, d.h. im Ergebnis einer Differenzbildung zwischen dem Ausgangssignal der Replica-Verstärkerstufe 20 und dem weiteren Referenzsignal VREF2.
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2A und 2B zeigen beispielhafte Schaltungsstrukturen, welche in den kaskadierten Verstärkerstufen 10 zum Einsatz kommen können, wobei es sich versteht, dass entsprechende Schaltungsstrukturen dann auch in der Replica-Verstärkerstufe 20 vorgesehen sind.
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Bei dem Beispiel von 2A weist die Verstärkerstufe eine Transkonduktanzverstärkerschaltung mit einer Bias-Stromquelle 11 und Transistoren 13, 14 auf. Einem Gate-Anschluss des Transistors 13 ist ein erstes Teilsignal VINP des differenziellen Eingangssignals der Verstärkerstufe zugeführt, und einem Gate-Anschluss des Transistors 14 ist ein zweites Teilsignal VINN des differenziellen Eingangssignals der Verstärkerstufe zugeführt. Abhängig von diesem Eingangssignal VINP, VINN wird der durch die Transistoren 13, 14 fließende Strom gesteuert, welcher wiederum durch Lastwiderstände 15, 16 fließt, an welchen ein differenzielles Ausgangssignal der Verstärkerstufe in Form eines ersten Teilsignals VOUTN und eines zweiten Teilsignals VOUTP abgreifbar sind. Die Verstärkung der in 2A dargestellten Verstärkerstufe ist bestimmt durch die Transkonduktanzen der Transistoren 13, 14 und durch die Widerstandswerte der Lastwiderstände 15, 16. Die Widerstandswerte der Lastwiderstände 15, 16 und somit auch die Verstärkung der Verstärkerstufe sind über das Steuersignal GC anpassbar.
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Bei dem Beispiel von 2B entspricht die Schaltungsstruktur der Verstärkerstufe grundsätzlich derjenigen von 2A, wobei jedoch anstelle der anpassbaren Widerstände 15, 16 feste Widerstände 15’, 16’ vorgesehen sind und anstelle der Bias-Stromquelle 11 eine Bias-Stromquelle 11’ vorgesehen ist, welche einen Bias-Strom bereitstellt, der über das Steuersignal GC anpassbar ist. In diesem Fall wird ausgenutzt, dass bei einem Betrieb in schwacher Inversion die Transkonduktanz der Transistoren 13, 14 auch von dem Wert des durch sie fließenden Bias-Stroms abhängt, was wiederum eine Anpassung der Verstärkung über die Bias-Stromquelle ermöglicht.
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Selbstverständlich sind abweichende Implementierungen der Verstärkerstufe möglich. Beispielsweise könnte auch eine Anpassung der Verstärkung über sowohl den Widerstandswert der Lastwiderstände 15, 16, als auch über den von der Bias-Stromquelle 11’ bereitgestellten Bias-Strom vorgesehen sein.
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3 zeigt eine beispielhafte Schaltung, welche zur Erzeugung der bei dem begrenzenden Verstärker von 1 verwendeten Referenzsignalen VREF1, VREF2 einsetzbar ist. Die Schaltung von 3 kann beispielsweise in dem begrenzenden Verstärker integriert sein, z.B. mit dem Verstärker auf demselben Chip realisiert sein. Alternativ kann die Schaltung auch als externe Komponente vorgesehen sein.
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Bei der in 3 dargestellten beispielhaften Implementierung werden die Referenzsignale als Referenzspannungen über einen differenziellen widerstandsbasierten Spannungsteiler erzeugt. Hierbei werden das Referenzsignal VREF1 und das weitere Referenzsignal VREF2 insbesondere als Referenzspannungen erzeugt, welche zueinander ein fest vorgegebenes Verhältnis aufweisen. Dieses Verhältnis ist durch in dem Spannungsteiler vorgesehene Widerstände 22, 23, 24, 25 bestimmt.
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Wie in 3 ersichtlich, weist die Schaltung zur Erzeugung der Referenzsignale VREF1 und VREF2 insbesondere eine Stromquelle 21 und die in Reihe gekoppelten Widerstände 22, 23, 24, 25 des Spannungsteilers auf. Bei der dargestellten Implementierung ist das Referenzsignal VREF1 als Spannung über den Widerstand 23 abgreifbar, und das weitere Referenzsignal VREF2 ist als Spannung über die Widerstände 22, 23, 24 abgreifbar. Um eine symmetrische Erzeugung der den Referenzsignalen VREF1, VREF2 entsprechenden Spannungen zu gewährleisten, können für den Widerstand 23 und den Widerstand 24 gleiche Widerstandswerte gewählt werden. Das Verhältnis der durch die Schaltung erzeugte Referenzspannungen ist gegeben durch VREF1/VREF2 = R2/(R1 + R2 + R3), wobei R1 den Widerstandswert des Widerstands 22 bezeichnet, R2 den Widerstandswert des Widerstands 23 bezeichnet und R3 den Widerstandswert des Widerstands 24 bezeichnet. Das Verhältnis der Referenzsignale VREF1, VREF2 ist folglich unabhängig von dem durch die Stromquelle 21 erzeugten Strom und auch unabhängig von einer in der Schaltung verwendeten Versorgungsspannung. Weiterhin kann auch davon ausgegangen werden, dass das Verhältnis der Referenzsignale VREF1, VREF2 nicht wesentlich durch Temperatur oder Prozessvariationen beeinflusst ist, da sich diese auf ähnliche Weise auf die Widerstandswerte der Widerstände 22, 23, 24 und bei der Verhältnisbildung auswirken würden.
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Bei einigen Implementierungen ist es bevorzugt, dass der Replica-Verstärkerstufe 20 zugeführte Referenzsignal VREF1 hinreichend klein zu wählen, dass ein Betrieb der Replica-Verstärkerstufe im linearen Bereich sichergestellt ist. Beispielsweise könnte das Referenzsignal VREF 1 als Spannung im Bereich von einigen mV erzeugt werden. Werte des Referenzsignals VREF1 in einem solchen niedrigen Spannungsbereich können jedoch unter Umständen im Bereich von typischen Versatzspannungen von CMOS-Technologie implementierten Operationsverstärkern liegen, wie sie in den Verstärkerelementen 31, 32, 33 der Steuerschaltung 30 zum Einsatz kommen können. Dies kann dazu führen, dass aufgrund der Versatzspannung eine fehlerhafte Regelung der Verstärkung der Replica-Verstärkerstufe 20 erfolgt, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Anpassung der Verstärkungen der kaskadierten Verstärkerstufen 20.
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Bei einigen Implementierungen kann dieser Umstand berücksichtigt werden, indem der Verstärker darüber hinaus mit einer Schalteranordnung versehen wird, welche einen zyklischen Vorzeichenwechsel des Referenzsignals VREF1 und des weiteren Referenzsignals VREF2 bewirkt, sodass die Versatzspannungen der Verstärkerelemente 31, 32, 33 alternierend mit jeweils unterschiedlichen Vorzeichen zu dem Steuersignal GC beitragen und im zeitlichen Mittel der Einfluss der Versatzspannungen auf das Steuersignal GC kompensiert wird. Eine beispielhafte Implementierung einer solchen mit unter auch als „Chopping“ bezeichneten Technik ist in 4 veranschaulicht.
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Wie in 4 dargestellt, weist die Schalteranordnung zur Implementierung der Chopping-Technik mehrere Schaltknoten 41, 42, 43 auf. Der Schaltknoten 41 bewirkt einen zyklischen Wechsel der Polarität des der Replica-Verstärkerstufe 20 zugeführten Referenzsignals VREF1. Der Schaltknoten 42 bewirkt einen zyklischen Wechsel der Polarität des der Steuerschaltung 30 zugeführten weiteren Referenzsignals VREF2. Der Schaltknoten 43 bewirkt einen zyklischen Wechsel der Polarität eines differentiellen Zwischensignals, welches von einem dem Verstärkerelement 33 vorgeschalteten differentiellen Verstärkerelement 33’ erzeugt wird. Durch den Schaltknoten 43 wird gewährleistet, dass der Wechsel der Polarität des Referenzsignals VREF1 und des weiteren Referenzsignals VREF2 keine Auswirkung auf das Vorzeichen der in dem Verstärkerelement 33 erzeugten Differenz hat.
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Bei der in 4 dargestellten Chopping-Technik versteht es sich, dass die Schaltknoten 41, 42, 43 auf miteinander synchronisierte Weise die Polaritäten wechseln. Somit wird, wenn der Schaltknoten 41 das Referenzsignal VREF1 der Replica-Verstärkerstufe 20 mit einer ersten Polarität zuführt, von dem Schaltknoten 42 das weitere Referenzsignal VREF2 ebenfalls mit der ersten Polarität der Steuerschaltung 30 zugeführt. Wenn hingegen der Schaltknoten 41 das Referenzsignal VREF1 der Replica-Verstärkerstufe 20 mit einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität zuführt, führt der Schaltknoten 42 das weitere Referenzsignal VREF2 der Steuerschaltung 30 ebenfalls mit der zweiten Polarität zu. Gleichermaßen führt der Schaltknoten 43 dem Verstärkerelement 33 sein Eingangssignal mit der ersten Polarität zu, wenn die Schaltknoten 41, 42 die erste Polarität verwenden, und führt dem Verstärkerelement 33 sein Eingangssignal mit der zweiten Polarität zu, wenn die Schaltknoten 41, 42 die zweite Polarität verwenden.
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Durch die anhand der Implementierung von 4 veranschaulichte Chopping-Technik kann der Einfluss von Versatzspannungen in der Steuerschaltung 30 somit reduziert und unter Umständen sogar im Wesentlichen vollständig kompensiert werden, wodurch eine verbesserte Einhaltung der für die kaskadierten Verstärkerstufen 10 gewünschten Verstärkungen und somit eine präzisere Einhaltung der gewünschten begrenzenden Verstärkercharakteristik erreicht werden kann.
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Eine beispielhafte Schaltungsimplementierung zur Realisierung der Verstärkungsregelung für die Replica-Verstärkerstufe 20 in Kombination mit der anhand von 4 veranschaulichten Chopping-Technik ist in 5 veranschaulicht.
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Bei der in 5 veranschaulichten Schaltungsimplementierung ist die Steuerschaltung in CMOS-Technologie durch drei Verstärkerelemente realisiert, welche jeweils NMOS-Transistoren (NMOS: n-Kanal MOS) und PMOS-Transistoren (PMOS: p-Kanal MOS) aufweisen. Die Verstärkerstufen werden über Bias-Stromquellen 51, 52 gespeist.
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Ein erstes Verstärkerelement, gebildet durch NMOS-Transistoren 61, 62, 63, 64 und PMOS-Transistoren 65, 66, 67, 68 nimmt das Ausgangssignal der Replica-Verstärkerstufe 20 sowie das weitere Referenzsignal VREF2 auf und erzeugt ein differentielles Differenzsignal. Dieses differentielle Differenzsignal ist einem durch NMOS-Transistoren 71, 72, 73, 74 und PMOS-Transistoren 75, 76, 77, 78 gebildeten zweiten Verstärkerelement zugeführt, welches daraus ein einpoliges Differenzsignal erzeugt. Dieses ist wiederum einem aus einer Kapazität 80, einem NMOS-Transistor 81 und einem PMOS-Transistor 82 gebildeten dritten Verstärkerelement zugeführt, welches als Signalintegrator dient. Schlussendlich ist bei der in 5 dargestellten Schaltungsimplementierung am Ausgang des dritten Verstärkerelements noch ein Tiefpassfilter 90 vorgesehen, über welches aus dem Ausgangssignal des dritten Verstärkerelements das Steuersignal GC erzeugt wird, das zur Regelung der Verstärkung der Replica-Verstärkerstufe 20 dient.
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Die bereits anhand von 4 erläuterten Schaltknoten 41, 42 sind an Signaleingängen vorgesehen, welche der Zuführung des Referenzsignals VREF1 bzw. des weiteren Referenzsignals VREF2 dienen.
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Weiterhin sind Schaltknoten 44, 45, 46 vorgesehen, welche die Funktionen des anhand von 4 erläuterten Schaltknotens 43 implementieren. Zu diesem Zweck erfolgt sowohl zwischen den Bias-Stromquellen 51, 52 als auch innerhalb des zweiten Verstärkerelements über die Schaltknoten 44, 45, 46 ein zyklischer Wechsel zwischen den Polaritäten der weitergegebenen differentiellen Signale.
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6 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betrieb eines begrenzenden Verstärkers gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Das Verfahren dient insbesondere der Steuerung des Betriebs eines begrenzenden Verstärkers, welcher eine Vielzahl von kaskadierten Verstärkerstufen zur Verstärkung eines Eingangssignals des Verstärkers aufweist. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung von Schaltungen implementiert werden, wie sie im Zusammenhang mit 1 bis 5 erläutert wurden.
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Bei 610 wird ein Eingangssignal des Verstärkers an eine Vielzahl von kaskadierten Verstärkerstufen des Verstärkers zugeführt. Die kaskadierten Verstärkerstufen können beispielsweise auf einer Transkonduktanzverstärkerschaltung und einem Lastwiderstand basieren, wie beispielsweise in 2A oder 2B veranschaulicht. Die kaskadierten Verstärkerstufen dienen der Verstärkung des Eingangssignals des Verstärkers, um so ein verstärktes Ausgangssignal des Verstärkers zu erzeugen. Die kaskadierten Verstärkerstufen können durch gleiche Schaltungsstrukturen implementiert sein, jedoch im Hinblick auf die Dimensionierung ihrer Schaltungskomponenten voneinander abweichen.
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Bei Schritt 620 wird ein Referenzsignal einer weiteren Verstärkerstufe zugeführt, welche einer der kaskadierten Verstärkerstufen nachgebildet ist. Ein Beispiel für eine solche weitere Verstärkerstufe ist die oben erläuterte Replica-Verstärkerstufe 20.
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Bei Schritt 630 wird abhängig von einem Ausgangssignal der weiteren Verstärkerstufe ein Steuersignal erzeugt. Das Steuersignal kann beispielsweise abhängig von einem Vergleich des Ausgangssignals der weiteren Verstärkerstufe mit einem weiteren Referenzsignal erzeugt werden. Das Referenzsignal und das weitere Referenzsignal werden bei einigen Implementierungen über einen Spannungsteiler als Referenzspannungen mit vorgegebenem Verhältnis erzeugt, z.B. mittels einer Schaltung wie in 3 veranschaulicht. Der Spannungsteiler kann als Teil des Verstärkers implementiert sein oder als externe Komponente vorgesehen sein.
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Die Erzeugung des Steuersignals kann bei einigen Implementierungen beinhalten, dass eine Verstärkung der weiteren Verstärkerstufe in Abhängigkeit einer Abweichung des Ausgangssignals der weiteren Verstärkerstufe von dem weiteren Referenzsignal geregelt wird.
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Bei Schritt 640 wird eine Verstärkung von wenigstens einer der kaskadierten Verstärkerstufen über das Steuersignal angepasst. Bei einigen Implementierungen kann für mehrere oder sogar alle der kaskadierten Verstärkerstufen die jeweilige Verstärkung über das Steuersignal angepasst werden.
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Wenn die kaskadierten Verstärkerstufen eine Transkonduktanzverstärkerschaltung und wenigstens einen Lastwiderstand aufweisen, kann die Verstärkung angepasst werden, indem über das Steuersignal ein Widerstandswert des wenigstens einen Lastwidertands angepassten wird, wie beispielsweise im Zusammenhang mit 2A erläutert. Zusätzlich oder alternativ kann die Verstärkung angepasst werden, indem über das Steuersignal eine Bias-Stromquelle der Transkonduktanzverstärkerschaltung, insbesondere ein von der Transkonduktanzverstärkerschaltung erzeugter Strom, angepasst wird, wie beispielsweise im Zusammenhang mit 2B erläutert.
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Bei einigen Implementierungen können das Referenzsignal und das weitere Referenzsignal differentiell sein. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die kaskadierten Verstärkerstufen und damit auch die weitere Verstärkerstufe als differentielle Verstärkerstufen implementiert sind. In einem solchen Fall kann weiterhin vorgesehen sein, dass zyklisch umgeschaltet wird zwischen einem ersten Zustand, in welchem das Referenzsignal der weiteren Verstärkerstufe und das weitere Referenzsignal mit einer ersten Polarität zugeführt werden, und einem zweiten Zustand, in welchem das Referenzsignal und das weitere Referenzsignal mit einer zweiten Polarität zugeführt werden, welche entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist. Eine solche Vorgehensweise kann beispielsweise ermöglichen, Versatzspannungen von Verstärkerelementen zu kompensieren, welche bei dem Vergleich des Ausgangssignals der weiteren Verstärkerstufe mit dem weiteren Referenzsignal zum Einsatz kommen, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der anhand von 4 erläuterten Chopping-Technik beschrieben wurde.
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Mittels der anhand der obigen Ausführungsbeispiele beschriebenen Konzepte kann somit eine effiziente Implementierung eines begrenzenden Verstärkers ermöglicht werden. Insbesondere können auf effiziente Weise wohldefinierte Verstärkungen für die einzelnen kaskadierten Verstärkerstufen eingestellt werden, sodass eine gewünschte begrenzende Verstärkercharakteristik erhalten wird. Durch Verwendung der weiteren Verstärkerstufe, die einer der kaskadierten Verstärkerstufen nachgebildet ist, wird insbesondere ermöglicht, die Verstärkungen der kaskadierten Verstärkerstufen anzupassen und so beispielsweise Variationen von Temperatur, Prozessbedingungen oder der Versorgungsspannung zu kompensieren, ohne dass hierfür eine Erfassung der Verstärkung an den kaskadierten Verstärkerschaltungen selbst erforderlich ist.
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Es versteht sich, dass bei den dargestellten Ausführungsbeispielen vielfältige Modifikationen möglich sind, ohne vom Grundgedanken der dargestellten Konzepte abzuweichen. Beispielsweise könnte der Verstärker mit mehreren Replica-Verstärkerstufen versehen sein, um so beispielsweise abweichende Schaltungsstrukturen von einzelnen kaskadierten Verstärkerstufen genauer berücksichtigen zu können. Weiterhin könnte die dargestellte Anpassung der Verstärkung lediglich für eine Auswahl von einer oder mehreren der kaskadierten Verstärkerstufen erfolgen. Darüber hinaus versteht es sich, dass ein die dargestellten Konzepte verwirklichender begrenzender Verstärker in vielfältigen Anwendungsgebieten eingesetzt werden kann, welche von den oben erwähnten beispielhaften Anwendungsgebieten abweichen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „A 2-V 10.7-MHz CMOS Limiting Amplifier/RSSI“, Po-Chiun Huang et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 35, No. 10, October 2000 [0002]
