Die 1a, 1b zeigen einen programmierbaren
Signalverstärker
nach dem Stand der Technik.
Dabei zeigt 1a einen "single ended" Signalverstärker und die 1b einen volldifferentiell aufgebauten
breitbandigen Signalverstärker
nach dem Stand der Technik. Der breitbandige Signalverstärker empfängt über einen
Signaleingang ein breitbandiges Eingangssignal Vin,
das durch einen durch einen Widerstand R2 rückgekoppelten
Operationsverstärker
verstärkt
wird. Der breitbandige Signalverstärker gibt ein verstärktes Ausgangssignal
Vou
t ab. Die Signalverstärkung ergibt
sich aus dem Verhältnis der
Widerstandswerte der beiden Widerstände R1 und
R2.
Es gilt: Vout = – R2/R1 × Vin (1)
Die Signalrückkoppelung bei dem in 1 dargestellten herkömmlichen
Signalverstärker
erfolgt über
einen Rückkoppelungsschaltkreis,
der aus den Widerständen
R1 und R2 besteht.
Mit einem solchen herkömmlichen
Signalverstärker,
kann eine Rauschleistung von ungefähr -140dBm/Hz erreicht werden,
wenn die Widerstandswerte der Widerstände R1,
R2 in einem Bereich von etwa 5000hm liegen. Bei
einem derartigen Schaltkreis kann eine Rauschunterdrückung von
bis zu -150dBm/Hz erreicht werden. Hierzu sind allerdings Widerstände zu verwenden,
deren Widerstandswerte in einem Bereich von etwa 100hm liegen. Ein
Signalverstärker
mit solch kleinen Widerständen
bewirkt jedoch einen sehr hohen Leistungsverbrauch für den Operationsverstärker aufgrund
des großen
Signalhubes, der annähernd
so hoch ist wie die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers. Damit
der Breitband-Signalverstärker,
wie er in 1a, 1b dargestellt ist, ein gutes
Rauschverhalten aufweist, sind die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2 klein zu wählen, damit diese
Widerstände
ein geringes thermisches Rauschen aufweisen. Andererseits führen zu
kleine Widerstandswerte zu einem entsprechend hohen Leistungsverbrauch
des Operationsverstärkers.
Um den Leistungsverbrauch zu senken
wurden daher rückgekoppelte
Signalverstärker
vorgeschlagen, die einen kapazitiven Signalrückkoppelungsschaltkreis enthalten.
Die 2a, 2b zeigen herkömmliche Signalverstärker mit
einem kapazitiven Signalrückkoppelungsschaltkreis. 2a zeigt eine "single ended"-Lösung, während 2b einen volldifferentiell
aufgebauten Signalverstärker
darstellt. Die kapazitive Signalrückkoppelungsschaltung besteht
dabei aus zwei Kondensatoren C1, C2, wobei die Signal-Verstärkung durch Einstellung der
Kapazität
des Kondensators C2 programmierbar ist.
Neben der kapazitiven Rückkoppelungsschaltung
enthält der
Signalverstärker
eine parallel zu dem Kondensator C2 geschalteten
Widerstand R2. Der Widerstand R2 dient
dazu, einen Gleichspannungs-Signalpfad zu schaffen, damit der Arbeitspunkt
des Operationsverstärkers
einstellbar ist. Der Widerstand R2 ist zwischen
dem Signalsausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers
verschaltet. Der invertierende Signaleingang des Operationsverstärkers ist über dem
Widerstand R2 mit dem Signalausgang des
Operationsverstärkers
verbunden. Der invertierende Signaleingang des Operationsverstärkers bildet
in 2a eine virtuelle
Masse. Damit die Ladung der virtuellen Masse nicht schnell abfließen kann,
muss der Widerstandswert des Widerstandes R2 sehr
hoch sein. Ein gravierender Nachteil der in 2a, 2b dargestellten Signalverstärkungsschaltung
nach dem Stand der Technik besteht darin, dass der Widerstandswert
des Widerstandes R2 sehr hoch sein muss
und bei herkömmlichen
Breitband-Signalverstärkungsschaltungen,
beispielsweise einen Widerstandswert von 20 MOhm aufweist.
Aufgrund des hohen Widerstandswertes
ist der Widerstand R2 nicht einfach in eine
integrierte Schaltung zusammen mit dem Operationsverstärker und
den Kondensatoren integrierbar. Der Widerstand R2 befindet
sich daher auf der Platine und weist eine sehr hohe parasitäre Kapazität auf. Diese
parasitären
Kapazitäten
können
dazu führen,
dass der Schaltkreis nicht mehr stabil ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
einen Breitband-Signalverstärker
zur Signalverstärkung
eines breitbandigen Signals zu schaffen, der vollständig integrierbar
ist und einen niedrigen Leistungsverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Breitband-Signalverstärker mit
den im Patentanspruch 1 und den im Patentanspruch 11 angegebenen
Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft einen Breitband-Signalverstärker zur
Signalverstärkung
eines breitbandigen Signals mit einem Signaleingang für das breitbandige
Signal,
einem Operationsverstärker, der einen ersten Eingang,
einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist,
einem ersten
Kondensator, dessen erster Anschluss mit dem Signaleingang des Breitband-Signalverstärkers und
dessen zweiter Anschluss an einem Potentialknoten mit einem der
beiden Eingänge
des Operationsverstärkers
verbunden ist, einem zweiten Kondensator, dessen erster Anschluss
mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und dessen zweiter Anschluss
an dem Potentialknoten mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden
ist, und mit
einem Signalausgang für das verstärkte breitbandige Signal, der
an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist,
wobei
der Potentialknoten zur Arbeitspunkteinstellung des Operationsverstärkers über einen
Widerstand an einen Referenzknoten mit konstantem Spannungspotential
angeschlossen ist.
Der Widerstand weist dabei vorzugsweise
einen geringen Widerstandswert und eine geringe parasitäre Kapazität auf.
Der Widerstandswert beträgt vorzugsweise weniger
als 1 MOhm.
Der erste und der zweite Kondensator
bilden vorzugsweise einen kapazitiven Signalrückkoppelungsschaltkreis mit
geringem Leistungsverbrauch und einem hohen Signalrauschabstand.
Dabei ist die Kapazität von mindestens
einem der beiden Kondensatoren des Signalsrückkoppelungsschaltkreise zur
Veränderung
des Signalverstärkungsfaktors
des Breitband-Signalverstärkers einstellbar.
Der Potentialknoten ist vorzugsweise
mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.
Der Potentialknoten ist über den
Widerstand an den Referenzknoten mit konstanten Spannungspotential
und an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen.
Dabei ist der Referenzknoten vorzugsweise geerdet.
Der erfindungsgemäße Breitband-Signalverstärker ist
vorzugsweise volldifferentiell aufgebaut.
Der Referenzknoten ist dabei vorzugsweise an
einen Mittenspannungsanschluss zur Einstellung der Mittenspannung
des Operationsverstärkers
angeschlossen.
Die Erfindung schafft ferner einen
Breitband-Signalverstärker
zur Signalverstärkung
eines breitbandigen Signals mit
einem Signaleingang für das breitbandige
Signal,
einem Operationsverstärker, der einen ersten Eingang,
einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist,
einem ersten
Kondensator, dessen erster Anschluss mit dem Signaleingang des Breitband-Signalverstärkers, und
dessen zweiter Anschluss an einem Potentialknoten mit einem der
beiden Eingänge
des Operationsverstärkers
verbunden ist,
einem zweiten Kondensator, dessen erster Anschluss
mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und dessen zweiter Anschluss
an dem Potentialknoten mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden
ist,
einem Signalsausgang für
das verstärkte
breitbandige Signal, der an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen
ist,
wobei der Potentialknoten zur Arbeitspunkteinstellung
des Operationsverstärkers
an eine aktive Mittenspannungsregelungsschaltung angeschlossen ist,
die an den Potentialknoten ein konstantes Spannungspotential anlegt.
Dabei ist der Breitband-Signalverstärker vorzugsweise
differenziell aufgebaut.
Der erfindungsgemäße Breitband-Signalverstärker wird
vorzugsweise zur Signalverstärkung
eines breitbandigen XDSL-Signales
mit einer Frequenzbandbreite von 12 MHz eingesetzt.
Des Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren zur Erläuterung
erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.
Es zeigen:
1a, 1b: einen Signalverstärker nach dem
Stand der Technik;
2a, 2b: einen Signalsverstärker mit
kapazitiver Signalrückkoppelungsschaltung
nach dem Stand der Technik;
3:
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers;
4:
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers;
5 eine
Regelungsschaltung für
die zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers
Die 3a, 3b zeigen eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers zur
Signalverstärkung
eines breitbandigen Signals, wobei die 3a einen "single ended" Breitband-Signalverstärker und die 3b einen volldifferentiell
aufgebauten Breitband-Signalverstärker gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
Des Weiteren wird der "single ended" Breitband-Signalverstärker gemäß der Erfindung,
wie er in 3a dargestellt
ist, im Detail erläutert.
Der Breitband-Signalverstärker 1 weist
einen Signaleingang 2 des zu verstärkenden Signals auf. Der Signaleingang 2 ist über eine
Leitung 3 mit einem ersten Anschluss 4 eines Kondensators 5 verbunden,
dessen zweiter Anschluss 6 über eine Leitung 7 an
einen Potentialknoten 8 angeschlossen ist. Der Potentialknoten 8 ist über eine
Leitung 9 mit einem ersten Eingang 10a eines Operationsverstärkers 11 verbunden.
Der Operationsverstärker 11 weist
einen Ausgang 12 auf, der über eine Leitung 13 mit
einem Signalausgang 14 des Breitband-Signalverstärkers 1 verbunden
ist. Ferner weist der Operationsverstärker 11 einen zweiten
Eingang 10b auf, der über
eine Leitung 15 an einen Referenzpotentialanschluss 16 angeschlossen ist.
Der erste Eingang ist bei der in 3a dargestellten
ersten Ausführungsform
der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 11 und der zweite Eingang 14 ist
ein nicht invertierender Eingang des Operationsverstärkers 11.
Der in 3a dargestellte
Breitband-Signalverstärker 1 gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung enthält
neben dem ersten Kondensator 5 einen weiteren Kondensator 17,
dessen erster Anschluss 18 über eine Leitung 19 mit
dem Ausgang 12 des Operationsverstärkers 11 verbunden
ist und dessen zweiter Anschluss 20 über eine Leitung 21 mit dem
Potentialknoten 8 verbunden ist.
Wie man aus 3a erkennen kann, ist der Potentialknoten 8 zur
Arbeitspunkteinstellung des Operationsverstärkers 11 über einen
Widerstand 22, an einen Referenzknoten 23 mit
konstantem Spannungspotential angeschlossen.
Bei der in 3a dargestellten Ausführungsform ist der Referenzknoten
geerdet bzw. liegt er an einem konstanten Referenzpotential an.
Bei diesem Referenzpotential kann es sich beispielsweise um einen
eine Mittenspannung (common mode) für den Operationsverstärker 11 handeln.
Bei einem idealen Operationsverstärker 11 ergibt
sich die Verstärkung
der erfindungsgemäßen Signalverstärkung gemäß folgender
Gleichung: Vout = – C1/C2 × Vin (2)
Bei einem realen Operationsverstärker ergibt sich
die folgende Signalverstärkung
bei der in 3 dargestellten
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers: Vout = – sC5 × A × R22/(1 + sR22 [C5 + C1
7 1
+ A]) × Vin (3)
Wobei C5 die
Kapazität
des Kondensators5, C17 die Kapazität des Kondensators 17,
A
die auftretende Verstärkung
des Operationsverstärkers 11
und
R22 der Widerstandswert des Widerstandes 22 ist.
3b zeigt
einen volldifferentiell ausgeführten
Breitband-Signalverstärker 1 gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. Hierbei ist der Referenzknoten 23 über eine
Leitung 24 an einen Anschluss 25 zum Anlegen einer
Referenzspannung VCM angeschlossen.
Der Widerstand 22 weist
einen geringen Widerstandswert und eine geringe parasitäre Kapazität auf, wobei
der Widerstandswert etwa 1 MOhm und weniger betragen kann. Widerstände mit
derart geringen Widerstandswerten sind ohne erheblichen Aufwand
in einer integrierten Schaltung integrierbar. Die beiden Kondensatoren 5, 17 bilden
einen kapazitätenbildenden
Rückkoppelungsschaltkreis
mit einem geringen Leistungsverbrauch und einem sehr hohen Signalrauschabstand.
Dabei ist die Kapazität von
mindestens einem der beiden Kondensatoren 5, 17 zur
Veränderung
des Signalsverstärkungsfaktors des
erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers 1 einstellbar.
4 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers 1.
Dabei stellt 4a einen "single ended" Breitband-Signalverstärker 1 und 4b einen volldifferentiell
aufgebauten Breitband-Signalverstärker 1 gemäß der zweiten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkungsschaltung
dar.
Der Potentialknoten 8 zur
Arbeitspunkteinstellung des Operationsverstärkers 11 ist an eine
aktive Mittenspannungsregelungsschaltung 26 angeschlossen,
die an ihren beiden Ausgängen 27, 28 die gleiche
Spannung liefert, sodass die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden
Eingang 10a und dem nicht invertierenden Eingang 14 des
Operationsverstärkers 11 im
Idealfall Null ergibt. Die in 4a dargestellte
aktive Mittenspannungsregelungsschaltung 26 liefert an
dem Potentialknoten 8 und an dem Potentialknoten 23 ein
konstantes Spannungspotential. Die Mittenspannungsregelungsschaltung 26 ist
eine aktive Schaltung, die über
einen ersten Versorgungsspannungsanschluss 29 eine positive
Versorgungsspannung VDD und über einen zweiten
Versorgungsspannungsanschluss 30 eine negative Versorgungsspannung
Vss erhält.
Ferner weist die Mittenspannungsregelungsspannung 26 einen
Anschluss 31 zum Anlegen einer Mittenspannung VCM auf. Hierzu ist der Anschluss 31 über eine Leitung 32 mit
einem Pad 33 des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers 1 verbunden.
5 zeigt
ein bevorzugte Ausführungsform der
aktiven Mittenspannungsregelungsschaltung 26, wie sie bei
der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Breitband-Signalverstärkers 1 eingesetzt
wird. Eine Stromquelle 34 liefert einen Bias-Strom IB, der durch eine Stromspiegelschaltung 35,
die innerhalb der Regelschaltung 26 vorgesehen ist, auf
drei Signalpfade gespiegelt wird. Die Regelungsschaltung 26 ist
derart aufgebaut, dass an dem Ausgang 27 und an dem Ausgang 28 eine
Spannung ausgegeben wird, die der an dem Einstellanschluss 31 angelegten "common mode"-Spannung VCM entspricht. Die in 5 dargestellte aktive Mittenspannungsregelungsschaltung 26 ist
in einfacher Weise integrierbar.
Die beiden in 3 und 4 dargestellten Breitband-Signalverstärkungsschaltungen
weisen beide einen kapazitiven Signalrückkoppelungsschaltkreis auf,
der aus den Kondensatoren 5, 17 besteht. Die kapazitive
Signalrückkoppelung
führt zu
einem relativ geringem Leistungsverbrauch des Breitband-Signalverstärkers 1.
Der Widerstandswert des in der ersten Ausführungsform eingesetzten Widerstandes 22 ist
sehr gering, sodass der Widerstand 22 auf einfache Weise
integrierbar ist. Da über
den Widerstand 22 ein Gleichspannungssignalpfad besteht, kann
der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers 11 eingestellt
werden. Aufgrund des niedrigen Widerstandwertes und der damit verbundenen
geringen parasitären
Kapazität
des Widerstandes 22 ist der erfindungsgemäße Schaltkreis
sehr stabil. Auch die bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des
Breitband-Signalverstärkers 1 eingesetzte
Regelungsschaltung 26 ist in einfacher Weise integrierbar und
weist nur eine sehr geringe parasitäre Kapazität auf. Durch die erfindungsgemäße Schaltung
kann der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers 11 mit einem
kapazitiven Signalrückkoppelungsschaltkreises stabil
eingestellt werden, ohne dass hochohmige und somit nicht integrierbare
Widerstände
notwendig sind.
Der erfindungsgemäße Breitband-Signalverstärker 1 eignet
sich in hervorragender Weise zur Signalverstärkung von breitbandigen XDSL-Signalen, insbesondere
von VDSL-Signalen mit einer Signalbandbreite von 12 MHz. Dabei kann
eine sehr hohe Rauschunterdrückung
erreicht werden, wobei das reflektierte Eingangsrausch unterhalb
von -150 dBm/Hz liegt.