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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung mit Frequenzumsetzer.
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Schaltungsanordnungen mit Frequenzumsetzer
werden normalerweise sowohl in Funksendeanordnungen als auch in
Funkempfängern
eingesetzt. In Sendern dient der Frequenzumsetzer zum Konvertieren
eines Basisband-Signals in eine hochfrequente Lage, während in
einem Empfänger
eine Frequenzumsetzung von einer hochfrequenten Empfangslage in
das Basisband durchgeführt
wird.
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Je nach dem, ob diese Frequenzumsetzung zwischen
Basisband und hochfrequenter Lage in einem Schritt erfolgt oder
ob zunächst
in eine Zwischenfrequenzebene umgesetzt wird, unterscheidet man
homodyne und heterodyne Sender- und Empfängerstrukturen.
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Die Frequenzumsetzung in Empfängern wird normalerweise
schaltungstechnisch durch als Frequenzumsetzer ausgelegte Multiplizierer
realisiert. Verbreitet kommen hierbei sogenannte Gilbert-Multipliziererzellen
zum Einsatz. Diesen wird an einem Eingang ein hochfrequentes Nutzsignal
zugeführt und
an einem anderen Eingang ein sogenanntes Lokaloszillatorsignal mit
einer Trägerfrequenz.
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Der Nutzsignaleingang des Abwärts-Frequenzumsetzers
ist dabei üblicherweise
als Spannungseingang ausgebildet, das heißt, daß das Nutzsignal in Form eines
Spannungssignals zugeführt wird.
Eingangsseitig am Nutzsignaleingang des Abwärts-Frequenzumsetzers ist normalerweise
ein rauscharmer Vorverstärker,
englisch: Low Noise Amplifier, LNA angeschlossen, der ein von einer
Antenne einkoppelndes Signal, welches gegebenenfalls zunächst gefiltert
wird, in für
die weitere Si gnalverarbeitung ausreichender Weise verstärkt. LNA
und Mischer sind demnach normalerweise in heterodynen Empfängern als
eigenständige
Funktionseinheiten ausgeführt.
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Auf Grund des Bestrebens, immer kleinere Funkempfänger mit
ständig
abnehmendem Stromverbrauch und geringerem Gewicht bauen zu können, besteht
beispielsweise in GSM(Global System for Mobile communication)-Mobilfunkgeräten ein Trend
weg von heterodynen Empfängerstrukturen und
hin zu Direktumsetzungs-Sendeempfängern. Empfänger mit
Direktumsetzung ins Basisband werden auch als Direct Conversion(DC)-Receiver
bezeichnet. Sie ermöglichen
eine besonders kostengünstige
Massenherstellbarkeit von Mobilfunkgeräten. Außerdem können DC-Receiver mit einer
geringeren Zahl von Bauteilen realisiert werden, da auf SAW-Filter
verzichtet werden kann.
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Bei DC-Empfängern für Funkanwendungen ist eine
hohe Isolation zwischen Hochfrequenzsignalen und Lokaloszillatorsignalen
von ca. 70 dB erforderlich, um die in den GSM-Spezifikationen geforderten
Werte der AM-Unterdrückung
zu erfüllen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Schaltungsanordnung mit Frequenzumsetzer anzugeben,
welche zur Abwärts-Frequenzumsetzung
in Direktumsetzungs(DC)-Empfängern
geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch
eine Schaltungsanordnung mit Frequenzumsetzer
mit einem ersten
Gleichstrompfad, umfassend
- – eine Mischerzelle, die als
Frequenzumsetzer ausgelegt ist und zumindest zwei Transistoren umfaßt,
- – einen
Kaskode-Transistor, der mit den zumindest zwei Transistoren der
Mischerzelle in einer Kaskodeschaltung verbunden ist, und
- – einen
Einspeiseknoten ausgelegt zur Zuführung eines Eingangssignals
für den
Frequenzumsetzer in Form eines Stromsignals
und mit einem zweiten
Gleichstrompfad, umfassend
- – einen
Vorverstärker
zum Vorverstärken
des Eingangssignals mit einem Stromauskoppelknoten, der mit dem
Einspeiseknoten im ersten Gleichstrompfad gekoppelt ist.
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Gemäß dem vorgestellten Prinzip
sind Vorverstärker
und Frequenzumsetzer in einer zusammengefaßten schaltungstechnischen
Struktur realisiert, wobei der Stromauskoppelknoten des Vorverstärkers, an
dem ein vorverstärktes
Signal bereitgestellt wird, mit dem Einspeiseknoten des Frequenzumsetzers
in einer Stromschnittstelle gekoppelt ist. Der Vorverstärker dient
dabei zur Vorverstärkung
des dem Frequenzumsetzer zuzuführenden
Nutzsignals und arbeitet nicht als Spannungs- sondern als Stromverstärker.
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Die gemäß vorliegendem Prinzip zusammengefaßte Verstärker-Mischer-Struktur
zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sie lediglich einen AC(Alternating
Current, Wechselstrom)-Signalpfad
aufweist. Dieser ist bevorzugt zur Führung differentieller Signale
ausgelegt.
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Bei der Schaltungsanordnung gemäß dem vorgeschlagenen
Prinzip ist die Spannungsverstärkung
am Vorverstärkerausgang,
das heißt
am Stromauskoppelknoten des Vorverstärkers verhältnismäßig gering. Somit wird keine
große
Hochfrequenz-Spannungsamplitude
auf der Eingangsseite des Frequenzumsetzers ausgebildet, die zu
unerwünschten
Verkopplungen des hochfrequenten Eingangssignals mit dem Lokaloszillatorsignal
führen könnte. Die
AM-Unterdrückung
ist daher gut und entsprechende Spezifikationen, wie beispielsweise
in dem Mobilfunkstandard GSM, Global System for Mobile Communication
festgelegt können
problemlos erfüllt
werden.
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Ein zusätzlicher Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung
ergibt sich durch die geringeren Anforderungen an das Kompressionsverhalten
in der Mischerkennlinie, da das Eingangssignal am Mischereingang
beziehungsweise an dessen Ein speiseknoten verhältnismäßig gering ist und die Transistoren
der Mischerzelle daher nicht so leicht in Kompression geraten: Hierdurch
ergibt sich ein deutlich geringerer Aufwand bezüglich des Frequenzmischers.
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Ein noch weiterer Vorteil des beschriebenen schaltungstechnischen
Prinzips liegt in den ebenfalls geringeren Anforderungen an das
Kompressionsverhalten des rauscharmen Vorverstärkers. Gegenüber zwei
getrennten Vorverstärker-
und Mischerblöcken mit
einer Kopplung durch ein Spannungssignal wird bei vorliegendem Gegenstand
eine geringere Verstärkung
im Vorverstärker
erzielt und dadurch gerät der
Ausgang, nämlich
der Stromauskoppelknoten des Vorverstärkers, gegenüber der
bisher üblichen Realisierung
erst später
in Kompression.
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Als Kompressionsverhalten wird dabei
das nichtlineare Verhalten der Übertragungskennlinie
in ihren Randbereichen verstanden.
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Der Vorverstärker liefert gemäß dem vorgeschlagenen
Prinzip bevorzugt gerade so viel Spannungsverstärkung, daß die Rauscheigenschaften im Hochfrequenzbereich,
in dem sogenannten Frontend der Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung, innerhalb
der jeweils geltenden Spezifikation liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine Koppelkapazität vorgesehen, die den Stromauskoppelknoten
des Vorverstärkers
mit dem Einspeiseknoten des Frequenzumsetzers koppelt. Die Koppelkapazität dient
mit Vorteil zur Gleichtaktentkopplung von Vorverstärker und
Frequenzumsetzer und bildet die hochfrequente Stromschnittstelle
zwischen Vorverstärker
und Frequenzumsetzer.
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Der Einspeiseknoten im ersten Gleichstrompfad
zur Zuführung
des vorverstärkten
Nutzsignals ist bevorzugt zwischen dem Kaskode-Transistor und einer
gegen einen Bezugspotentialanschluß gestalteten Stromquelle gebildet.
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Die Einspeisung am Fußpunkt der
Kaskodestufe bewirkt dabei eine besonders gute Isolation von hochfrequentem
Nutzsignal und Lokaloszillatorsignal, welche von dem Frequenzumsetzer
miteinander verknüpft
werden mit dem Ziel, das hochfrequente Signal in eine niederfrequente
Lage oder ins Basisband zu konvertieren.
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Vorverstärker und Frequenzumsetzer sind bevorzugt
zur Verarbeitung differentieller oder symmetrischer Signale ausgelegt.
Gegenüber
einer Auslegung von Vorverstärker
und Frequenzumsetzer für sogenannte
single-ended-Signale, welche auf nur einer Leitung geführt werden
können,
ergibt sich durch die symmetrische Ausführung der Signalverarbeitung der
Vorteil einer deutlich verbesserten Störsignalunterdrückung.
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Die Mischerzelle ist bevorzugt mit
vier jeweils paarweise miteinander verschalteten Transistoren ausgeführt, welche
zur Bildung einer Gilbert-Mischerzelle miteinander verschaltet sind.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird nachfolgend an
einem Ausführungsbeispiel
anhand der einzigen Zeichnung näher
erläutert.
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Es zeigt:
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Die Figur eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Schaltungsanordnung mit Frequenzumsetzer anhand
eines Schaltplanes.
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Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung mit Frequenzumsetzer aufgebaut in bipolarer
Schaltungstechnik. Als Transistoren kommen vorliegend NPN-Transistoren zum
Einsatz.
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Vorverstärker und Hochfrequenzumsetzer bilden
bei der vorliegenden Schaltungsanordnung eine schaltungstechnische
Einheit. Der Vorverstärker umfaßt zwei
Eingangstransistoren 1, 2, welche an ihren Emitteranschlüssen miteinander
zur Bildung eines Differenzverstärkers
verbunden sind. Der gemeinsame Emitterknoten ist über einen
Widerstand 3 gegen einen Bezugspotentialanschluß 4 geschaltet. Die
Basisanschlüsse
der Eingangstransistoren 1, 2 bilden den zur Zuführung symmetrischer
oder differentieller Hochfrequenzsignale RF, RFX ausgelegten Eingang 5 der
vorliegenden Schaltungsanordnung. Die Kollektoranschlüsse der
Transistoren 1, 2 sind über je eine Stromquelle 6, 7 an
einen Versorgungspotentialanschluß 8 angeschlossen.
Das Potential am Versorgungspotentialanschluß 8 ist bezogen auf das
Bezugspotential am Bezugspotentialanschluß 4 positiv.
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Die Kollektoranschlüsse der
Eingangstransistoren 1, 2 bilden weiterhin einen
symmetrischen Auskoppelknoten zur Stromauskopplung 9. An
diesem Ausgang ist ein vom hochfrequenten Nutzsignal RF, RFX abgeleitetes,
verstärktes
Signal in Form eines Stromsignals ableitbar.
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An jedem Kollektoranschluß der Eingangstransistoren 1, 2 ist
eine Koppelkapazität 10, 11 mit
je einem Anschluß angeschaltet.
Die freien Anschlüsse der
Koppelkapazitäten 10, 11 sind
mit einem Einspeiseknoten 12 verbunden.
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Der Einspeiseknoten 12 ist
zwischen je einem Kaskodetransistor 13, 14 und
einer Stromquelle 15, 16 in je einem weiteren
Gleichstrompfad zwischen Versorgungs- und Bezugspotentialanschluß 8, 4 gebildet.
Die Stromquellen 15, 16 koppeln den symmetrischen
Einspeiseknoten 12 mit Bezugspotentialanschluß 4.
Die Kaskode-Transistoren 13, 14 sind mit Ihren
Emitteranschlüssen
an dem Einspeiseknoten 12 angeschlossen und mit ihrem gemeinsamen Basisanschluß über eine
Hilfsspannungsquelle 17 an Bezugspotentialanschluß 4 angeschaltet.
Die Kaskode- Transistoren 13, 14 bilden
mit den Transistoren 20, 21, 22, 23 in
einem Gilbert-Hochfrequenzmischer 18, 19 je eine
Kaskodeschaltung. Dabei umfaßt
der Gilbert-Mischer 2 Transistorpaare 18, 19,
welche jeweils zwei Transistoren 20, 21; 22, 23 umfassen.
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Die Transistoren 20, 21 des
ersten Transistorpaares 18 sind an ihren Emitteranschlüssen miteinander
und mit dem Kollektoranschluß des
ersten Kaskode-Transistors 13 verbunden. In Analogie hierzu
sind die Transistoren 22, 23 des zweiten Transistorpaares 19 des
Gilbert-Mischers ebenfalls an ihren Emitterknoten miteinander und
mit dem Kollektoranschluß des
zweiten Kaskode-Transistors 14 verbunden. Die Basisanschlüsse der
Transistoren 21, 22 sind weiterhin miteinander
zur Bildung eines ersten Anschlusses eines Lokaloszillatoreingangs 24 verbunden,
während
die Basisanschlüsse
der Transistoren 20, 23 den zweiten Anschluß des Lokaloszillatoreingangs 24 des
Hochfrequenzumsetzers bilden.
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Das Hochfrequenzsignal RF, RFX, welches nach
seiner Verstärkung
in dem Gilbertmischer 18, 19 mit dem Lokaloszillatorsignal
LO, LOX in einer Multiplikation verknüpft wird, wird demnach an den Emitteranschlüssen über die
Kaskodestufe 13, 14 in den Gilbertmischer 18, 19 eingespeist.
Das Ausgangssignal dieser Hochfrequenzmischung steht an den Kollektoranschlüssen der
beiden Transistorpaare 18, 19 bereit, die in einer
Kreuzkopplung miteinander verschaltet sind. Im Einzelnen sind jeweils
die Kollektoranschlüsse
der Transistoren 20, 22 miteinander und die Kollektoranschlüsse der
Transistoren 21, 23 miteinander verbunden und
bilden je einen Anschluß des
Ausganges 25 der Schaltungsanordnung. Der Ausgang 25 ist
weiterhin über
je einen Widerstand 26, 27 an Versorgungspotentialanschluß 8 gelegt.
Am Ausgang 25 kann ein differentielles Zwischenfrequenz-
oder Basisbandsignal IF, IFX abgegriffen werden. Dabei handelt es
sich gemäß vorliegendem
Ausführungsbeispiel
um ein sogenanntes Zero-IF oder Low-IF-Signal. IF steht dabei für Intermediate
Frequency, also Zwischenfrequenz.
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Während
bei herkömmlichen
rauscharmen Vorverstärkern
in Funkempfängern
normalerweise eine Spannungsverstärkung von etwa 25 dB erzielt wird,
beträgt
die Spannungsverstärkung
am Stromauskoppelknoten 9 der vorliegenden Struktur lediglich
12 dB. Das verstärkte
Ausgangsspannungssignal steht bei vorliegender Schaltung nicht am
Vorverstärker-
sondern erst am Mischerausgang an. Somit bildet sich bei der vorgestellten
Schaltung keine große
RF-Spannungsamplitude im Frontend aus, die zu unerwünschten
Verkoppelungen des Hochfrequenz-Signals RF, RFX mit dem Lokaloszillatorsignal LO,
LOX führen
könnte.
Demnach ist eine gute AM-Unterdrückung
sichergestellt.
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Die Vorverstärkertransistoren oder Eingangstransistoren 1, 2 liefern
gerade noch soviel Spannungsverstärkung, daß die Rauscheigenschaften des
Frontends innerhalb der jeweils geltenden Mobilfunkspezifikation
liegen. Die vorliegende Schaltungsanordnung ist für auf dem
Mobilfunkstandard GSM, Global System for Mobile communication beruhende Funkempfänger ausgelegt.
Ebenso ist die gezeigte Schaltung aber auch für andere Hochfrequenzanwendungen
wie WLAN, Wireless Local Area Network, geeignet. Die vorliegende
Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen
den Eingangstransistoren 1, 2, welche den rauscharmen Vorverstärker in
einem Funkempfänger
bilden, und dem eigentlichen Hochfrequenzmischer 18, 19 eine Stromschnittstelle
gebildet ist.
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Wegen der mit der vorliegenden Schaltung erzielbaren
hohen Isolation zwischen Hochfrequenz- und Lokaloszillator-Eingangssignalen
von über
70 dB ist die vorliegende Schaltungsanordnung besonders in solchen
Empfängern
einsetzbar, die eine Direktumsetzung eines Hochfrequenzsignals ins
Basisband oder in eine sehr geringe Zwischenfrequenz ermöglichen.
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Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Schaltungsanordnung
liegt in den geringen Anforderungen an das Kompressionsverhalten
von sowohl dem Abwärts-Frequenzmischer,
als auch dem rauscharmen Vorverstärker, da zum einen der Mischer
oder Demodulator ein lediglich um ca. 12 dB verstärktes Eingangsignal
erhält
und zum anderen auf Grund der reduzierten Verstärkung der Ausgang des rauscharmen
Vorverstärkers
selbst später
in Kompression gerät.
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Selbstverständlich liegt es im Rahmen des vorliegenden
Prinzips, anstelle der gezeigten bipolaren Schaltungstechnik die
vorliegende Schaltung in Complementary Metal Oxide Semiconductor-Schaltungstechnik
aufzubauen. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn eine
weiter verringerte Stromaufnahme erzielt werden soll.
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Weiterhin liegt es im Rahmen der
Erfindung, anstelle der dargestellten, symmetrischen Ausführung der
Schaltung zur Verarbeitung sogenannter differentieller Signale diese
für singleended-Signale auszulegen.
Hierdurch kann insbesondere dann, wenn eine geringere Störfestigkeit
ausreicht, eine weitere Verringerung der benötigten Chipfläche der vorliegenden
Schaltung erzielt werden.
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In alternativen Ausführungsformen
kann anstelle des Widerstands 3 auch eine Stromquelle vorgesehen
sein.
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Anstelle der Stromquellen 6, 7 können in
alternativen Ausführungsformen
beliebige andere, auch komplexe elektrische Lasten vorgesehen sein.
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Zwischen den rauscharmen Vorverstärker 1, 2 und
den Mischer 18, 19 kann in alternativen Ausführungen
eine zusätzliche
Verstärkerstufe
eingeschaltet sein.
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- 1
- Eingangstransistor
- 2
- Eingangstransistor
- 3
- Widerstand
- 4
- Bezugspotentialanschluß
- 5
- Eingang
- 6
- Stromquelle
- 7
- Stromquelle
- 8
- Versorgungspotentialanschluß
- 9
- Stromauskoppelknoten
- 10
- Koppelkapazität
- 11
- Koppelkapazität
- 12
- Einspeiseknoten
- 13
- Kaskodetransistor
- 14
- Kaskodetransistor
- 15
- Stromquelle
- 16
- Stromquelle
- 17
- Spannungsquelle
- 18
- Transistorpaar
- 19
- Transistorpaar
- 20
- Transistor
- 21
- Transistor
- 22
- Transistor
- 23
- Transistor
- 24
- Lokaloszillatoreingang
- 25
- Ausgang
- 26
- Widerstand
- 27
- Widerstand
- IF
- Zwischenfrequenzsignal
- IFX
- Zwischenfrequenzsignal
- LO
- Lokaloszillatorsignal
- LOX
- Lokaloszillatorsignal
- RF
- Hochfrequenzsignal
- RFX
- Hochfrequenzsignal