Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zu schaffen,
die einen LNA mit reduzierter Umschaltzeit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung
nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft
eine Schaltungsanordnung mit einem Verstärker, der einen Bipolartransistor
aufweist, dessen Basisanschluß mit einem
Eingangsanschluß für ein zu
verstärkendes Signal
koppelbar ist und an dessen Basisanschluß über eine Vorspannungseinrichtung
ein Potential einstellbar ist, wobei mit dem Basisanschluß ferner
ein Kondensator koppelbar ist, der zum Bewirken einer Potentialänderung
am Basisanschluß geladen
oder entladen werden muß,
und einer Einrichtung zum Laden und/oder Entladen des Kondensators
mit einem Strom, der größer ist
als ein Basisstrom des Bipolartransistors, wenn eine Potentialänderung
am Basisanschluß des
Bipolartransistors erfolgen soll.
Die vorliegende Erfindung schafft
ferner ein Verfahren zum Bewirken einer Potentialänderung
am Basisanschluß eines
Bipolartransistors, wobei an den Basisanschluß ein zu verstärkendes
Eingangssignal anlegbar ist, wobei durch eine Vorspannungseinrichtung
ein Potential an dem Basisanschluß einstellbar ist, wobei mit
dem Basisanschluß ferner
ein Kondensator gekoppelt ist, der zum Bewirken einer Potentialänderung
am Basisanschluß des
Bipolartransistors geladen oder entladen werden muß, mit folgenden
Schritten:
Erfassen, daß eine
Potentialänderung
am Basisanschluß des
Bipolartransistors erfolgen soll; und
Bewirken eines Stroms,
der größer ist
als der Basisstrom des Bipolartransistors, zum Laden oder Entladen
des Kondensators, um die Potentialänderung zu bewirken.
Erfindungsgemäß kann die Schaltzeit eines LNAs
deutlich verringert sein, da zum Laden bzw. Entladen der externen
Kapazität
des externen LC-Sumpfs zur Verringerung von Verzerrungen (Verbesserung
des IIP3) ein Lade- bzw. Entlade-Strom verwendet wird, der größer ist
als der Basisstrom des Bipolartransistors des LNAs. Zu diesem Zweck
wird erfindungsgemäß ein aufwendigeres,
weitgehend prozeßunabhängiges Bias-Konzept
verwendet, d. h. der zum Laden bzw. Entladen des externen Kondensators
notwendige Strom ist nicht durch den Biasstrom des Bipolartransistors
des LNAs vorgegeben.
Erfindungsgemäß basiert das Umschalten zwischen
verschiedenen Betriebszuständen
des LNAs vorzugsweise auf dem Ein- bzw. Ausschalten eines Referenzstroms
Iconst. Dieser Referenzstrom Iconst bewirkt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung über
ein Widerstandsnetzwerk Potentialänderungen an den Basisanschlüssen sowohl eines
Kerntransistors des LNAs (d. h. des Transistors, der die eigentliche
Verstärkung
liefert) als auch eines zweiten Bipolartransistors, dessen Basisanschluß nicht
mit der externen Kapazität
belastet ist. Das Widerstandsnetzwerk dient dabei zur genauen Stromspiegelung
zwischen T2 und T1, da es unterschiedliche Basisströme ausgleicht
und somit die gleiche UBE-Spannung an den
beiden Transistoren gewährleistet.
Prinzipiell stellt sich das Basispotential
an T2 aufgrund des Stromes Iconst und der UBE-Kennlinie des eigentlich
als Diode verschalteten Transistors T2 ein. Somit kann sich das
Potential am Basisanschluß des
zweiten Transistors durch ein Ein- bzw. Ausschalten des Referenzstroms
schnell ändern,
was für den
Kerntransistor aufgrund der Belastung mit der externen Kapazität nicht
der Fall ist. Dadurch entstehende Potentialdifferenzen zwischen
den Basisanschlüssen
der Transistoren durch Zuschalten bzw. Abschalten des Referenzstroms
werden bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung erfaßt,
um basierend darauf eine weitere Stromquelle zuzuschalten, die einen
Strom an die Basis des Kerntransistors und somit einen Strom zum
schnellen Laden bzw. Entladen der externen Kapazität liefert.
Im Nicht-Umschalt-Fall wird somit die Vorspannung, d. h. der Bias
des Kerntransistors über den
Referenzstrom, den Stromspiegeltransistor und das Widerstandsnetzwerk
geliefert, während
im Umschalt-Fall eine zusätzliche
Stromquelle zugeschaltet wird, um das Laden bzw. Entladen der externen
Kapazität
zu beschleunigen.
Das erfindungsgemäße Konzept kann zum Ausschalten
bzw. Einschalten eines einstufigen LNAs verwendet werden und kann
in gleicher Weise zum Ausschalten bzw. Einschalten einzelner Stufen eines
Verstärkers
mit mehreren LNA-Stufen verwendet werden, bei dem mehrere LNA-Stufen
jeweils am HF-Eingang und HF-Ausgang parallel geschaltet sind.
Die vorliegende Erfindung schafft
ein Konzept, das ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen
Betriebszuständen
von LNAs ermöglicht. Vorteilhafterweise
ist das erfindungsgemäße Bias-Konzept
weitgehend prozeßunabhängig, da
der Strom zum Laden bzw. Entladen der externen Kapazität im wesentlichen
nicht vom Basisstrom des Bipolartransistors des LNAs abhängt. Darüber hinaus kann
bei dem erfindungsgemäßen Konzept
der Stromverbrauch minimal gehalten werden, da ein Ladestrom bzw.
Entladestrom für
die externe Kapazität jeweils
nur im Bedarfsfall zugeschaltet wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
1 eine
bekannte LNA-Schaltungsanordnung;
2 eine
Schaltungsanordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
3-5 Ausführungsbeispiele von bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
verwendbaren Stromsteuerungen.
In 2 ist
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
für einen
einstufigen LNA-Verstärker
gezeigt. Der LNA-Verstärker
umfaßt
einen Bipolartransistor T1 in Emitterschaltung, dessen Emitter mit
einem Bezugspotential, das in der Regel Masse sein wird, verbunden
ist. An den Kollektor des Bipolartransistors T1 ist über einen
Widerstand R1 und eine Induktivität L1 eine Versorgungsspannung
Vcc anlegbar. Die Induktivität
L1 wirkt als HF-Drossel und zusammen mit dem Widerstand R1 als Last.
Die Versorgungsspannung Vcc liefert einen Arbeitsstrom durch den
Bipolartransistor T1, der durch den Stromspiegelbias, d.h. durch
den Referenzstrom und den Spiegeltransistor T2 und das Widerstandsnetzwerk eingestellt
wird. Der Kollektor des Bipolartransistors T1 ist ferner über einen
Kondensator C1, der zur Gleichsignalentkopplung dient, mit einem
HF-Ausgang HFout
des LNA verbunden.
Der Basisanschluß des Bipolartransistors T1 ist
mit einem HF-Eingang
HFin des LNA verbunden, wobei zwischen den HF-Eingang und Masse
in bekannter Weise zur Verringerung von Verzerrungen ein LC-Sumpf
aus externer Induktivität
Lext und externer Kapazität Cext geschaltet ist.
Um diese externe Kapazität Cext bei einer Änderung des Betriebszustandes
des LNA, d. h. bei einem Einschalten bzw. Ausschalten desselben, schnell
laden bzw. entladen zu können,
ist erfindungsgemäß ein weitgehend
prozeßunabhängiges Bias-Konzept mit einer
Vorspannungseinrichtung, die eine Stromquelle 20 zum Liefern eines
Referenzstroms Iconst, einen Bipolartransistor T2 und ein Widerstandsnetzwerk
bestehend aus drei Widerständen
Rb1, Rb2 und Rb3 aufweist. Ferner ist erfindungsgemäß eine zusätzliche
Lade/Entlade-Einrichtung für
die externe Kapazität
Cext vorgesehen, die eine Steuerschaltung 30 und
eine Ladestromquelle 32 zum Liefern eines Ladestroms Iload
zum Basisanschluß des
Bipolartransistors T1 aufweist.
Die Referenzstromquelle 20 ist
mit dem Kollektoranschluß des
Bipolartransistors T2 und einem Schaltungsknoten 34, an
dem die Widerstände
Rb1 und Rb2 verbunden sind, verbunden. Der Emitter des Transistors
T2 ist mit dem Emitter des Transistors T1, der den Kerntransistor
des LNA darstellt, verbunden und ferner über den Widerstand Rb3 mit
dem Schaltungsknoten 34 verbunden. Alternativ könnte der Kerntransistor
auch resistiv oder induktiv degeneriert sein. Der Basisanschluß des Transistors
T2 ist über den
Widerstand Rb2 mit dem Schaltungsknoten 34 verbunden, während der
Basisanschluß des
Transistors T1 über
den Widerstand Rb1 ebenfalls mit dem Schaltungsknoten 34 verbunden
ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
somit die Transistoren T1 und T2 als Stromspiegel verschaltet, wobei über die
Widerstände
Rb1, Rb2 und Rb3 und den durch die Referenzstromquelle 20 gelieferten
Strom Iconst ein definiertes Bias-Potential an die Basisanschlüsse der
Transistoren T1 und T2 anlegbar ist.
Der Basisanschluß des Transistors T2, der einen
weiteren Schaltungsknoten 36 darstellt, ist mit einem ersten
Eingang 30a der Steuerschaltung 30 verbunden,
während
der Basisanschluß des
Kerntransistors T1, der einen weiteren Schaltungsknoten 38 darstellt,
mit einem zweiten Eingang 30b der Steuerschaltung 30 verbunden
ist. Der Schaltungsknoten 38 ist ferner mit der Ladestromquelle 32 verbunden, die über die
Steuerschaltung 30 steuerbar ist, wie in 2 schematisch durch eine Leitung 39 angedeutet ist.
Die Komponenten, die vorteilhaft
Komponenten eines Verstärkerchips
sein können,
sind in 2 durch eine
gestrichelte Umfangslinie 40 dargestellt. Bezüglich der
Stromquellen 20 und 32 ist festzustellen, daß diese
beispielsweise durch von einer Versorgungsspannung Vcc gespeiste
Stromspiegel (beispielsweise in CMOS-Technologie) realisiert sein können.
Wie nachfolgend Bezug nehmend auf
die 3 bis 5 näher erläutert wird, umfaßt die Steuerschaltung 30 eine
Detektorschaltung zum Erfassen eines Spannungsunterschieds bzw.
einer Potentialdifferenz zwischen den Schaltungsknoten 36 und 38 und
eine Schaltlogik zum Steuern der Ladestromquelle 32 abhängig von
der erfaßten
Potentialdifferenz. Zusätzlich
zu der Ladestromquelle kann ferner eine Entladestromsenke (in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellt) vorgesehen sein, die mit dem Schaltungsknoten 38 verbunden
ist und ebenfalls durch die Steuerschaltung 30 gesteuert
werden kann.
Ein Einschalten bzw. Ausschalten
des Kerntransistors T1 erfolgt bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung durch ein Zuschalten bzw. Abschalten der Referenzstromquelle 20.
Durch das dadurch bedingte Einschalten bzw. Ausschalten des Referenzstroms Iconst ändert sich
das Basispotential am Transistor T2, d. h. das Potential am Schaltungsknoten 36,
und ferner das Basispotential am Transistor T1, d. h. am Schaltungsknoten 38.
Während
sich das Basispotential am Transistor T1 aufgrund der externen Kapazität Cext nur langsam ändern kann, da hierzu nur der
relativ kleine Basisstrom des Transistors T1 zur Verfügung steht,
kann sich das Basispotential am Transistor T2 schnell ändern, da
hier keine externe Kapazität umgeladen
werden muß.
Da somit eine Potentialänderung
am Schaltungsknoten 36 schneller erfolgt als am Schaltungsknoten 38,
ergibt sich ein Potentialunterschied zwischen diesen Schaltungsknoten,
der zur Detektierung des Ladezustandes der externen Kapazität Cext ausgenutzt werden kann. Abhängig von
der Detektierung des Ladezustands kann dann die zusätzliche
Stromquelle 32 aktiviert werden, die einen Strom zur Verfügung stellt,
der wesentlich größer ist als
der normale Ladestrom (der dem Basisstrom des Transistors T1 entspricht)
und somit die Umladezeit der externen Kapazität Cext wesentlich
beschleunigt.
Im ausgeschalteten Zustand des LNA
ist die Referenzstromquelle 20 ausgeschaltet und beide
Basen der Transistoren T1 und T2 befinden sich auf einem Gleichspannungspotential
von 0 V. Wird nun der LNA eingeschaltet, d. h. wird die Referenzstromquelle 20 zugeschaltet
und somit der Strom Iconst aktiviert, so ändert sich das Potential am
Schaltungsknoten 36 schnell, da nur die Basis-Emitter-Kapazität über den
Widerstand Rb2 geladen werden muß. Das Potential am Schaltungsknoten 38 und
somit an der Basis der Kerntransistors T1 ändert sich langsam, da zusätzlich zu
der Basis-Emitter-Kapazität
des Transistors T1 die externe Kapazität Cext geladen
werden muß.
Der sich hierdurch ergebende Spannungsunterschied bzw. die sich
hierdurch ergebende Potentialdifferenz zwischen den beiden Basen
der Transistoren T1 und T2 wird durch die Detektorschaltung der Steuerschaltung 30 festgestellt,
wobei abhängig
von dieser Differenz die Stromquelle 32 zugeschaltet wird und
somit der Strom Iload aktiviert wird. Die Größe des Stroms Iload kann unabhängig vom
Basisstrom des Transistors T1 und vom Referenzstrom Iconst gewählt werden
und somit wesentlich größer als
diese dimensioniert werden, so daß die Aktivierung der Stromquelle 32 zu
einer Beschleunigung des Ladevorgangs führt. Durch die Aktivierung
der Stromquelle 32 wird eine schnelle Potentialänderung
an der Basis des Transistors T1 bewirkt, woraufhin die Stromquelle 32 durch
die Steuerschaltung 30 abgeschaltet wird, sobald keine
Potentialdifferenz zwischen den Basen der Transistoren T1 und T2
mehr vorliegt. Um den Betrieb des LNA nicht zu beeinträchtigen,
ist dabei die Stromquelle 32 vorzugsweise derart auszulegen,
daß sie
im inaktiven, d. h. abgeschalteten, Modus den HF-Eingang HFin des
LNA nur unwesentlich belastet.
Die Schaltungselemente der oben beschriebenen
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind
vorzugsweise so ausgelegt, daß der
Referenzstrom Iconst wesentlich geringer als der Arbeitsstrom durch
den Transistor T1 ist, da sonst unnötig viel Strom im Biaszweig
verbraucht werden würde.
Ferner ist der Widerstand Rb1 möglichst
so hochohmig, im Bereich einiger Kilo-Ohm, daß über denselben und den Widerstand
Rb3 keine Leistung eines in die Basis des Transistors T1 eingekoppelten
Hochfrequenzsignals verloren geht. Der Widerstand Rb3 liefert ein
definiertes Potential im OFF-Modus (Masse) an der Basis des Transistors
T2.
Ausführungsbeispiele für die Steuerschaltung 30 zum
Zuschalten bzw. Abschalten einer Stromquelle bzw. einer Stromsenke
zum Beschleunigen eines Einschaltvorgangs und/oder eines Ausschaltvorgangs
eines LNA werden nachfolgend Bezug nehmend auf die 3 bis 5 näher erläutert.
In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Steuerschaltung, die zum Beschleunigen des Einschaltvorgangs
eines LNA verwendbar ist, dargestellt. Die Steuerschaltung umfaßt einen
Komparator 50, der die Detektorschaltung der Steuerschaltung darstellt.
Der Ausgang bzw. die Ausgänge
des Komparators sind mit einer Schaltlogik 52 verbunden,
deren Ausgang wiederum mit einem Schalter 54 zum Zu- bzw.
Ab-Schalten der Ladestromquelle 32 verbunden ist.
Der Komparator 50 empfängt an seinen
Eingängen
das an der Basis des Transistors T1 vorliegende Potential UbeT1
und das an der Basis des Transistors T2 vorliegende Potential UbeT2.
Der Komparator 50 vergleicht die beiden Potentiale und gibt
auf einer Komparatorausgangsleitung 56 ein erstes Signal
aus, wenn das Basispotential des Transistors T2 größer ist
als des Transistors T1, während derselbe
ein zweites Signal auf einer Leitung 58 ausgibt, wenn das
Basispotential des Transistors T1 größer ist als das Basispotential
des Transistors T2. Die Schaltlogik 52 ist in dem Fall,
daß lediglich
ein Einschalt vorgang des LNA beschleunigt werden soll, ausgelegt,
um den Schalter 54 zu schließen, wenn der Komparator das
erste Signal auf der Komparatorausgangsleitung 56 ausgibt.
Somit wird die Ladestromquelle 32 zugeschaltet und so lange
ein Laden des Schaltungsknoten 38 und somit der Basis des Transistors
T1 bewirkt, bis das Potential UbeT1 an der Basis des Transistors
T1 nicht mehr kleiner ist als das an der Basis des Transistors T2,
wobei in diesem Fall der Schalter 54 geöffnet wird.
Es ist für Fachleute offensichtlich,
daß der Komparator 50 ausgelegt
sein kann, um das erste Signal auf der Leitung 56 immer
dann auszugeben, wenn die Potentialdifferenz zwischen den Schaltungsknoten 36 und 38 größer ist
als eine erste Schwelle, so daß der
Schalter 54 erst dann zugeschaltet wird, wenn die Potentialdifferenz
diese Schwelle überschreitet.
Der Komparator kann dabei eine Hysterese aufweisen, so daß das Signal
auf der Ausgangsleitung 56 so lange ausgegeben wird, bis die
Potentialdifferenz zwischen den Schaltungsknoten 36 und 38 geringer
wird als eine zweite Schwelle, die geringer sein kann als die erste
Schwelle. Soll lediglich eine Beschleunigung des Einschaltens bewirkt
werden, ist die zweite Komparatorausgangsleitung 58 kein
notwendiges Merkmal.
In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung
zum Beschleunigen eines Ausschaltvorganges gezeigt, die wiederum
einen Komparator 50 und eine Schaltlogik 52 aufweist.
An den Eingängen
des Komparators 50 liegen wiederum die Spannungen von den
Schaltungsknoten 38 und 36 UbeT1 und UbeT2 an,
wobei der Komparator 50 wiederum auf seinen Ausgangsleitungen 58 und 56 die
oben Bezug nehmend auf 3 erläuterten
Signale ausgibt. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Schaltlogik 52 jedoch ausgelegt, um, wenn der Komparator
das zweite Signal auf der Leitung 58 ausgibt, einen Schalter 60 zu steuern,
um eine Entladungsstromquelle 62 zwischen den Schaltungsknoten 38 und
Masse zu schalten. Diese Entladungsstromquelle 62 bewirkt
eine schnelle Entladung des externen Kondensators Cext durch
einen Strom definierter Stromstärke,
die der durch die Entladungsstromquelle 62 gelieferten Stromstärke entspricht.
Alternativ kann der Schaltungsknoten 38 direkt mit Masse
verbunden werden, um bei einem Ausschaltvorgang den externen Kondensator
Cext zu entladen und somit das Potential
an der Basis des Transistors T1 schnell an das Potential an der
Basis des Transistors T2 anzugleichen, wobei, sobald dies erreicht
ist, der Schalter 60 geöffnet
wird. Wie oben Bezug nehmend auf 3 beschrieben wurde,
kann der Komparator wieder entsprechende Schwellwerte mit einer
entsprechenden Hysterese aufweisen.
Schließlich ist in 5 eine Steuerschaltung gezeigt, bei der
der Komparator 50 und die Schaltlogik 52 ausgelegt
sind, um sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten geringe
Schaltzeiten zu realisieren. In diesem Fall gibt der Komparator 50 sowohl
das Signal zum Laden auf der Leitung 56 als auch das Signal
zum Entladen auf der Leitung 58 aus, wobei die Schaltlogik 52 ausgelegt
ist, um im Fall des Signals zum Laden auf der Leitung 56 den Schalter 54 zu
schließen
und im Fall des Signals zum Entladen auf der Leitung 58 den
Schalter 60 zu schließen.
Somit stellt die in 5 gezeigte
Schaltung eine Kombination der Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschriebenen Schaltungen dar.
Es ist klar, daß die jeweilige Position der Schalter 54 und 60 unkritisch
ist und daß statt
des Vorsehens eines externen Schalters schaltbare Stormquellen bzw.
Stromsenken einsetzbar sind.
Obwohl oben Bezug nehmend auf die
Figuren ein einstufiger LNA beschrieben wurde, ist es für Fachleute
klar, daß jeder
einer Mehrzahl von LNAs eines mehrstufigen rauscharmen Verstärkers eine Schaltungsanordnung,
wie sie oben beschrieben wurde, aufweisen kann. Somit ermöglicht die
vorliegende Erfindung ein schnelles Umschalten zwischen unterschiedlichen
Stufen eines mehrstufigen Verstärkers,
indem zu einem solchen Umschalten zwischen Stufen jeweils einer
oder mehrere der LNAs ab oder zugeschaltet werden. Die Mehrzahl
von LNAs für
einen solchen mehrstufigen Verstärker
sind dabei parallel geschaltet, indem sie am HF-Eingang HFin und am
HF-Ausgang HFout verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung schafft
somit eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren, die bei einem
minimalen Stromverbrauch ein schnelles Ein- bzw. Aus-Schalten von
LNAs ermöglichen.