DE10300431A1

DE10300431A1 - Regelbarer HF-Breitbandverstärker mit konstanter Eingangsimpedanz

Info

Publication number: DE10300431A1
Application number: DE10300431A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Schemmann; Ipek Mehmet; Sabine Roth
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-07-22
Also published as: AU2003303699A1; EP1581995A1; EP1581995B1; MXPA05007301A; KR101007579B1; JP2006513615A; CN100472960C; KR20050093820A; CN1736022A; JP5079213B2; US7286017B2; US20060125565A1; WO2004064250A1

Abstract

Es wird eine HF-Verstärkeranordnung mit wählbarer Verstärkung und von der gewählten Verstärkung im wesentlichen unabhängigen Eingangsimpedanz vorgeschlagen, welche eine Vielzahl selektierbarer Elementarverstärker aufweist und eine Skalierung eines Eingangssignals sowie die Einstellung einer gleichen Eingangsimpedanz mittels den Elementarverstärkern zugeordneter, zuschaltbarer Elemente zur Strombegrenzung vor den Elementarverstärkern vorsieht. Die Schaltung weist weiterhin ein von der gewählten Verstärkung weitgehend unabhängiges geringes Rauschen und eine hohe Linearität auf. DOLLAR A Weiterhin werden ein Rundfunkempfänger sowie ein Empfänger zum Empfang von Datensignalen mit einem erfindungsgemäßen Verstärker vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der regelbaren Hochfrequenzverstärker, insbesondere Hochfrequenzverstärker mit regelbarer Verstärkung und von der Verstärkung unabhängiger Eingangsimpedanz. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Empfänger für modulierte Hochfrequenzsignale.

In Hochfrequenzverstärkern, wie sie zum Beispiel in Radio- und Fernsehempfängern oder Satellitenempfängern verwendet werden, werden Signale verarbeitet, welche einen großen Dynamikbereich aufweisen. Üblicherweise werden Hochfrequenzverstärker der genannten Art als Eingangsverstärker verwendet. Um sowohl schwache als auch starke Signale mit dem Hochfrequenzverstärker verarbeiten zu können, ist es wünschenswert, den Verstärkungsgrad einstellen zu können. Somit kann der Signalpegel an die nachfolgenden Signalverarbeitungsstufen angepasst werden. Wenn ein schwaches Signal an den Eingangsverstärker angelegt wird, muss der Verstärker mit großer Verstärkung arbeiten und gleichzeitig dem Signal möglichst wenig Störungen hinzufügen. Unerwünschte Störungen sind zum Beispiel Rauschen oder Verzerrungen. Wenn ein starkes Signal an den Eingang des Verstärkers gelangt, muss der Verstärker mit geringerer Verstärkung arbeiten und darf nicht von dem Signal übersteuert werden. In beiden Betriebsarten sind eine gute Linearität und eine über einen weiten Frequenzbereich gleichbleibende Eingangsimpedanz wünschenswert.

Aus dem Stand der Technik sind Verstärker mit konstanter Eingangsimpedanz und veränderbarer Verstärkung bekannt, bei denen ein symmetrisches Eingangssignal auf mehrere Differenzverstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren gelangt. Die einzelnen Differenzverstärker sind je nach der gewünschten Verstärkung zuschaltbar und weisen eine hohe Eingangsimpedanz auf. Die Eingangsimpedanz der gesamten Schaltung wird durch eine zwischen die Differenzeingänge geschaltete niedrige Impedanz eingestellt, die im Verhältnis zu den hohen Eingangsimpedanzen der Differenzverstärker sehr klein ist. Die Eingangsimpedanzen der Verstärker können somit vernachlässigt werden. Derartige Schaltungen weisen häufig ein ungünstiges Rauschverhalten auf, und der Schaltungsaufbau als Differenzverstärker für ein symmetrisches Eingangssignal vergrößert den Schaltungsaufwand beträchtlich.

Eine veränderbare Verstärkung eines Hochfrequenzverstärkers kann auch über eine variable Steuerung des Arbeitspunktes des Verstärkers im linearen Bereich erreicht werden. Die Verschiebung des Arbeitspunktes eines Verstärkers kann jedoch Veränderungen im Phasengang oder in der Bandbreite bewirken.

Es ist nunmehr eine Aufgabe der Erfindung, einen Hochfrequenzverstärker mit konstanter Eingangsimpedanz, veränderbarer Verstärkung, hoher Linearität und verbessertem Rauschverhalten vorzuschlagen. Ein solcher Verstärker ist in Anspruch 1 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verstärkers sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Empfänger für modulierte Hochfrequenzsignale vorzuschlagen.

Der erfindungsgemäße Verstärker besteht aus mehreren parallel geschalteten Elementarverstärkern, die je nach dem gewünschten Verstärkungsgrad selektiert werden. Das Eingangssignal gelangt parallel an alle Elementarverstärker. Die Eingangsimpedanz eines Elementarverstärkers dient hierbei gleichzeitig zur Skalierung des Eingangssignals. Die einzelnen Elementarverstärker weisen jeweils eine im wesentlichen gleiche Verstärkung auf. Durch die Selektion eines bestimmten Elementarverstärkers wird gleichzeitig die diesem Verstärker zugeordnete Eingangsimpedanz selektiert. Die nicht selektierten Verstärker sowie die zu diesen gehörenden Impedanzen sind über Schalter so von der Schaltung getrennt, dass sie keinen Einfluss auf die Eingangsimpedanz des aktiven Schaltungsteils haben. Die Schalter sind z.B. Schaltdioden, es können aber auch Transistorschalter oder dergleichen Verwendung finden. Auch die gleichzeitige Verwendung verschiedener Schalterarten in unterschiedlichen Schaltungsteilen ist möglich. Durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkers lässt sich mit geringem Aufwand eine frei wählbare und reproduzierbare Stufung der Verstärkung einstellen, wobei gleichzeitig eine im wesentlichen von der Verstärkung unabhängige Eingangsimpedanz gewährleistet ist. Die Schaltung ist darüber hinaus sehr gut zur Integration in einem integrierten Schaltkreis geeignet.

Der Anwendungsbereich der Erfindung ist nicht auf die eingangs erwähnten Radio-, Fernseh- und Satellitenempfänger beschränkt. Der erfindungsgemäße Hochfrequenzverstärker kann in allen entsprechenden Anwendungen eingesetzt werden, welche konstante Eingangsimpedanzen und veränderbare Verstärkungen benötigen.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Empfänger zum Empfang von Rundfunksignalen mit einem erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärker vorgeschlagen. Rundfunkempfänger umfassen hierbei Empfänger für analoge oder digitale Audiound/oder Videoübertragungen, wie zum Beispiel Empfänger für UKW-Radio, digitalen Hörfunk (DAB) oder digitales Fernsehen (DVB). Wenngleich ein erfindungsgemäßer Empfänger besonders vorteilhaft zum Empfang drahtloser Übertragungen verwendbar ist, ist der Empfänger auch für drahtgebundene Übertragungen geeignet.

In einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Empfänger zum Empfang von Datensignalen mit einem erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärker vorgeschlagen. Ein solcher Empfänger wird unter anderem in drahtlosen oder drahtgebundenen Kommunikationsnetzen verwendet. Kommunikationsnetze umfassen hierbei sowohl drahtgebundene Datennetze, wie z.B. Local Area Networks (LAN) oder Controller Area Networks (CAN), als auch drahtlose Datennetze, beispielsweise das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), das Global System for Mobile Communication (GSM), oder das Digital Enhanced Cordless Telephone (DECT). Der Dateninhalt, der verwendete Frequenzbereich und die Modulationsart sind hierbei nicht von Belang. Es ist also möglich Computerdaten oder auch Sprachdaten zu empfangen, und die Schaltungsanordnung ist nicht auf bestimmte Frequenzbereiche begrenzt.

Der erfindungsgemäße Hochfrequenzverstärker soll nun anhand der Zeichnung genauer beschrieben werden. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkers mit zwei Verstärkungsstufen;
2 die Schaltung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkers aus 1 bei einer ersten ausgewählten Verstärkung;
3 den erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärker aus 1 bei einer zweiten ausgewählten Verstärkung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente.
In der schematischen Darstellung eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkers in 1 gelangt ein nicht dargestelltes Eingangssignal an einen Eingang IN. An den Eingang IN sind ein erster und ein zweiter parallel geschalteter Verstärkerzweig angeschlossen. Der erste Verstärkerzweig umfasst einen Widerstand R1, der mit einem ersten Anschluss an den Eingang IN und mit einem zweiten Anschluss an die Emitterelektrode eines Transistors T1 angeschlossen ist. Weiterhin ist an die Emitterelektrode des Transistors T1 eine Stromquelle J1 angeschlossen, welche über einen Schalter S1 einschaltbar ist. Der Basisanschluss des Transistors T1 ist an einen Schalter S2 angeschlossen, mittels welchem die Basis entweder mit Masse oder mit einer Gleichspannungsquelle U1 verbindbar ist. Der Kollektor des Transistors T1 bildet den Ausgang der Schaltung und ist mit dem Ausgang OUT verbunden. An den Eingang IN ist weiterhin der zweite Verstärkerzweig angeschlossen. Der zweite Verstärkerzweig umfasst einen Widerstand R2, welcher an einem ersten Anschluss mit dem Eingang IN des Verstärkers verbunden ist. Über einen mit einem zweiten Anschluss des Widerstands R2 verbundenen Schalter S3 ist der Widerstand an Masse anschließbar. An den ersten Anschluss des Widerstands R2 und an den Eingang IN ist weiterhin ein Widerstand R3 angeschlossen, über welchen die Emitterelektrode eines Transistors T2 mit dem Eingang IN verbunden ist. An die Emitterelektrode des Transistors T2 ist weiterhin eine Stromquelle J2 angeschlossen, welche über einen Schalter S4 schaltbar mit Masse verbunden ist. Der Basisanschluss des Transistors T2 ist über einen Schalter S5 mit Masse oder einer Gleichspannungsquelle U2 verbunden. Der Kollektoranschluss des Transistors T2 ist mit dem Kollektoranschluss des Transistors T1 verbunden und bildet mit diesem den Ausgang OUT.
In der in 2 gezeigten Konfiguration des Hochfrequenzverstärkers aus 1 ist der erste Verstärkerzweig aktiviert. Hierzu ist der Schalter S1 geschlossen und somit die Stromquelle J1 aktiviert. Der Schalter S2 verbindet die Basis des Transistors T1 mit der Gleichspannungsquelle U1. Ein an den Eingang IN angelegtes, nicht dargestelltes Signal, gelangt nun über den Widerstand R1 an den Emitteranschluss des Transistors T1. Die Stromquelle J1 und das Potenzial U1 an der Basis des Transistors T1 stellen den Arbeitspunkt des Transistors ein. Das Signal gelangt vom Kollektoranschluss des solcherart in einer Basisschaltung betriebenen Transistors T1 an den Ausgang OUT. Der Widerstand R2 ist wegen des geöffneten Schalters S3 nur mit einem ersten Anschluss an die Schaltung angeschlossen und somit unwirksam. Der geöffnete Schalter S4 deaktiviert die Stromquelle J2 und der Schalter S5 legt die Basis des Transistors T2 auf Massepotenzial. Somit ist der Widerstand R3 ebenfalls nur mit einem Anschluss wirksam mit der Schaltung verbunden und hat auf die Eingangsimpedanz der aktiven Schaltung keinen Einfluss. Die Stromquelle J1 ist für hohe Frequenzen hochohmig, und die Spannungsquelle U1 stellt für hohe Frequenzen einen Kurzschluss dar. Wegen des niedrigen differenziellen Widerstands der Basis-Emitterstrecke des Transistors T1 ist der Widerstand R1 für hohe Frequenzen über die Basis-Emitterstrecke und die Spannungsquelle U1 auf Masse gelegt. Die Eingangsimpedanz der Schaltung ist somit im wesentlichen durch R1 bestimmt, und das Signal gelangt in voller Höhe an den Emitter des Transistors T1.
In der in 3 gezeigten Darstellung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkers ist der zweite Verstärkerzweig aktiviert. Hierzu ist der Schalter S3 geschlossen und verbindet den Eingang IN über den Widerstand R2 mit Masse. An den Eingang IN ist weiterhin der Widerstand R3 angeschlossen, welcher den Eingang IN mit dem Emitteranschluss des Transistors T2 verbindet. Die an den Emitteranschluss des Transistors T2 angeschlossene Stromquelle J2 wird durch den nunmehr geschlossenen Schalter S4 aktiviert. Der Schalter S5 verbindet den Basisanschluss des Transistors T2 mit der Gleichspannungsquelle U2. Der Schalter S1 ist geöffnet und der Schalter S2 legt den Basisanschluss des Transistors T1 auf Masse. Der ebenfalls an den Eingang IN angeschlossene Widerstand R1 ist somit nur mit einem Anschluss wirksam mit der Schaltung verbunden und hat auf die Eingangsimpedanz keinen Einfluss. Der Arbeitspunkt des Verstärkers T2 wird durch das Gleichspannungspotenzial der Gleichspannungsquelle U2 an dem Basisanschluss des Transistors T2 und die Stromquelle J2 an dem Emitteranschluss des Transistors T2 eingestellt. Die Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung wird von der Parallelschaltung der Widerstände R2 und R3 gebildet. Der Widerstand R2 ist hierbei, wie oben beschrieben, direkt gegen Masse geschaltet, der Widerstand R3 ist über die Basis-Emitterstrecke des Transistors T2 und den Schalter S5 sowie die Gleichspannungsquelle U2 gegen Masse geschaltet. Die Basis-Emitterstrecke des Transistors T2 weist hierbei einen im Verhältnis zu den Widerstandswerten der Widerstände R2 und R3 sehr niedrigen differenziellen Widerstand auf und ist somit vernachlässigbar. Die Gleichspannungsquelle U2 stellt für hohe Frequenzen einen Kurzschluss gegen Masse dar, und die Stromquelle J2 ist für hohe Frequenzen hochohmig. Die Gleichspannungsquelle U2 und die Stromquelle J2 sind somit ebenfalls vernachlässigbar. Durch die Schaltungsanordnung der Widerstände R2 und R3 wird ein Teil des an den Eingang IN angelegten Signals direkt gegen Masse abgeleitet und nur ein Teil des Signals gelangt über den Widerstand R3 an den Transistor T2. Die Größe des Teils des Signals, welcher an den Transistor T2 gelangt, wird von dem Widerstandsverhältnis R2 zu R3 bestimmt. Das solcherart skalierte Eingangssignal wird von dem Transistor T2 verstärkt und steht an dem Ausgang OUT an. Die beiden Widerstände R2 und R3 sind so wählbar, dass die Parallelschaltung dieser Widerstände den gleichen Wert aufweist wie der Widerstand R1, welcher die Eingangsimpedanz der Schaltung bei aktiviertem erstem Verstärkerzweig bestimmt. Wenn z.B. eine Halbierung des Eingangssignals vor der Verstärkung erfolgen soll, können die Widerstände R2 und R3 jeweils doppelt so groß sein wie R1 aus der Beschreibung der 2. Die Eingangsimpedanz berechnet sich dann wie folgt:
Das weiter oben in 2 beschriebene Beispiel stellt insofern einen Sonderfall des in Bezug auf 3 beschriebenen Falles dar, als dass ein dem Widerstand R2 aus 3 entsprechender Widerstand nicht vorhanden ist. Um einen erfindungsgemäßen Elementarverstärker in der in 3 beschriebenen allgemeinen Konfiguration zu erhalten müsste also ein Widerstand mit einem unendlich hohen Wert so in die Schaltung eingefügt werden, dass er mit dem Widerstand R1 einen Spannungsteiler für das Signal bildet und zur Berechnung der Eingangsimpedanz parallel zu dem Widerstand R1 liegt.
Wegen der vielfältigen Möglichkeiten ein Signal mittels zweier Widerstände zu skalieren und gleichzeitig eine im wesentlichen gleichbleibende Eingangsimpedanz einzustellen, ist die Schaltung leicht um beliebige Verstärkungsfaktoren erweiterbar. Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass jeweils nur der ausgewählte Teil der Schaltung zur Verstärkung und zum Eingangswiderstand beiträgt. Der einfache Aufbau der Schaltung und die Verwendung von Halbleiterschaltern ermöglichen besonders vorteilhaft eine Integration des erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkers in integrierte Schaltkreise.

Claims

Verstärkeranordnung mit variablem Verstärkungsfaktor mit mindestens zwei parallelgeschalteten Elementarverstärkern, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Elementarverstärker unabhängige strombegrenzende Mittel (R1; R2, R3) zur individuellen Skalierung eines zu verstärkenden Eingangssignals wahlweise schaltbar zugeordnet sind und dass mittels der strombegrenzenden Mittel (R1; R2, R3) eine für jeden Elementarverstärker im wesentlichen gleiche Eingangsimpedanz einstellbar ist.
Verstärkeranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Elementarverstärker eine Transistorbasisschaltung (T1; T2) ist.
Verstärkeranordnung gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (U1, J1; U2, J2) zum Betrieb der Transistoren im linearen Bereich vorgesehen sind.
Verstärkeranordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Stromquellen (J1; J2) aufweisen.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kollektoranschlüsse der Transistoren der Elementarverstärker einen gemeinsamen Ausgang (OUT) bilden.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisanschlüsse der Transistoren der Elementarverstärker über Schalter (S2; S5) an Gleichspannungspotentiale (U1; U2) anschließbar sind.
Verstärkeranordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S2; S5) Schaltdioden und/oder elektronische Schalter umfassen.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strombegrenzenden Mittel (R1; R2, R3) Widerstände umfassen.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über einen ersten Teil der jeweils einem Elementarverstärker zugeordneten strombegrenzenden Mittel (R1; R3) ein erster Teil eines Eingangssignals diesem Elementarverstärker zuführbar ist.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über einen zweiten Teil der jeweils einem Elementarverstärker zugeordneten strombegrenzenden Mittel (R2) ein zweiter Teil eines Eingangssignals gegen Signalmasse ableitbar ist.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Teil der jeweils einem Elementarverstärker zugeordneten strombegrenzenden Mittel (R2, R3) so verschaltet sind, dass sie für das Eingangssignal eine Parallelschaltung darstellen.
Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierenden Impedanzen der Parallelschaltung aus erstem und zweitem Teil der strombegrenzenden Mittel (R2, R3) eines jeden Elementarverstärkers im wesentlichen die gleichen Werte aufweisen.
Rundfunkempfänger mit einer Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche.
Empfänger für Datensignale mit einer Verstärkeranordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.