DE10317968B4

DE10317968B4 - Spannungs-Strom-Wandler mit einstellbarem Ruhestrom

Info

Publication number: DE10317968B4
Application number: DE10317968A
Authority: DE
Inventors: Carl Stephelbauer; Günter Haider
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: US20050030773A1; US7106606B2; DE10317968A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Spannungs-Stromumsetzeinrichtung, der eine Referenzspannung zuführbar ist und bei der ein eingangseitig angelegtes Differenzspannungssignal in ein Differenzstromsignal gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Einhüllende des eingangsseitig angelegten Differenzsspannungssignals ermittelt wird; – die Referenzspannung in Abhängigkeit der Einhüllenden verändert wird; – die Referenzspannung zur Einstellung eines Ausgangsruhestroms (I0) der Spannungs-Stromumsetzeinrichtung eingestellt wird; – das Differenzspannungssignal um eine Faktor verstärkt wird; – das verstärkte Differenzspannungssignal in ein Stromsignal gewandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungs-Stromumsetzeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Spannungs-Stromumsetzeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Derartige Schaltungen und Verfahren sind aus der EP 1 075 081 A1 bekannt. Die Druckschrift zeigt einen Versorgungsschaltkreis zur Einstellung eines Arbeitspunktes eines Leistungstransistors. Dazu ist ein Detektor vorgesehen, der einen Arbeitspunkt eines Leistungstransistors abhängig von der Spannungsamplitude eines eingangsseitig anliegenden Signals einstellt.
Ein wichtiges Maß für die Güte von Kommunikationssystemen ist die Nachbarkanalleistung oder das sogenannte ”Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR)”. Diese gibt bei einer festen Gesamtleistung das Verhältnis zwischen einer abgestrahlten Leistung in einem Nutzkanal und in einem Nachbarkanal an. Die Hauptursache für die an sich nicht gewünschte Leistung im Nachbarkanal sind Nichtlinearitäten in aktiven Bauelementen, wie beispielsweise Verstärkerstufen. Diese erzeugen unter bestimmten Bedingungen Verzerrungen oder Intermodulationen, was zu einem Anstieg der Nachbarkanalleistung führt. Besonders betroffen hiervon sind moderne Kommunikationssysteme, wie beispielsweise WCDMA, die aufgrund ihrer verwendeten Modulationsart ein rauschähnliches Signal erzeugen.
Im allgemeinen besitzen rauschähnliche Signale einen hohen Crestfaktor, d. h. die Differenz des gemittelten Leistungswarts eines solchen rauschähnlichen Signals zu dem höchsten vorkommenden Leistungswert im Signal ist sehr groß. Für aktive Bauelemente, insbesondere Verstärkerstufen, ist es daher notwendig, die auftretenden hohen Spannungsspitzen weiterhin linear verarbeiten zu können. Andernfalls führt eine nichtlineare Verarbeitung zur Kompression und zu Intermodulationsprodukten, was die Leistung im Nachbarkanal erhöht. Da Intermodulationsprodukte bzw. ein schlechter ACLR-Wert nur sehr aufwendig kompensiert werden kann, ist es erforderlich, in der gesamten Signalkette die notwendigen Linearitätsanforderungen einzuhalten, die an die aktiven Bauelemente gestellt werden.
3 zeigt einen Spannungs-Strom-Konverter, der Bestandteil eines Mischers ist, mit dem ein Signal auf eine Trägerfrequenz moduliert wird. Den entsprechenden Aufbau eines solchen Gesamtsystems läßt sich beispielsweise dem Dokument ”Benjamin Sam, Phillip Halford, High-Performance Quadrature Modulators for Broadband Wireless Communication, IEEE 2001” entnehmen.
Der darin beschriebene Spannungs-Strom-Konverter weist zwei Eingänge I und IX auf, an denen die positive bzw. negative Halbwelle eines Anteils des Basisbandsignals anliegt. Die Ausgänge der Operationsverstärker OP sind mit der Basis der jeweiligen Transistoren verbunden. Somit steuert das am Operationsverstärker anliegende Signal mit Hilfe der Stromspiegel I₀ den Kollektorstrom am Kollektorausgang A.
Um hohe Signalpegel mit guter Linearität übertragen zu können, muß der Bias-Strom I₀ so gewählt werden, daß er mindestens dem Spitzenwert des Signalstroms entspricht, der bei einem maximalen Eingangssignal erzeugt wird. Besitzt das Eingangssignal einen hohen Crestfaktor, wie er bei W-CDMA-Signalen vorkommt, ergibt sich in dem üblicherweise verwendeten Klasse A-Betrieb ein hoher Bias-Strom.
Dieses Vorgehen steht im Gegensatz zur Forderung nach einem möglichst geringen Stromverbrauch, der eine Voraussetzung für den Einsatz in mobilen Geräten mit nur geringem Energiespeicher darstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Anordnung in einem Spannungs-Strom-Konverter vorzusehen, mit dem eine ausreichende Linearität bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird mit Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 4 gelöst.
Darin ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung eines Ausgangssignals einer Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung vorgesehen, denen eine Referenzspannung zugeführt wird und mit denen ein eingangsseitig angelegtes Spannungssignal in ein Stromsignal gewandelt wird. Es ist eine Referenzspannung vorgesehen, die den Ausgangsruhestrom einstellt. Dadurch läßt sich der Ausgangsruhestrom gegebenenfalls reduzieren, ohne daß die Linearität der gesamten Schaltung wesentlich beeinträchtigt wird.
Eine Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung weist einen Spannungseingang und einen Stromausgang sowie einen Referenzeingang auf, wobei eine Spannung am Referenzeingang einen Ruhestrom am Stromausgang einstellt und die Spannung am Referenzeingang veränderbar ist. Es ist eine Einstelleinrichtung vorgesehen, die mit dem Referenzeingang der Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung verbunden ist und durch die eine Einhüllende eines amplitudenmodulierten Eingangssignals ermittelbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer Weiterentwicklung des Verfahrens folgt die Referenzspannung einem Spannungswert einer einhüllenden Kurve des eingangsseitig angelegten Spannungssignals. Somit wird im zeitlichen Mittel der Ruhestrom reduziert, während sich die Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung weiterhin in einem A-Betriebsmodus befindet.
In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird die Referenzspannung so eingestellt, daß durch Absenken der Referenzspannung die Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung in einen B-Betriebsmodus oder in einen AB-Betriebsmodus übergeht.
Es ist ferner zweckmäßig die Einstelleinrichtung als Pegeldetektor auszubilden. Die Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung ist differentiell ausgebildet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
3 eine bekannte Ausführungsform eines Spannungs-Strom-Konverters.
1 zeigt eine differentielle Ausführungsform eines Spannungs-Strom-Konverters, der Bestandteil einer hier nicht gezeigten Modulationseinrichtung ist. Die Spannungs-Strom-Umsetzeinrichtung weist einen Operationsverstärker OP auf, dessen invertierender Ausgang mit der Basis eines Transistors T1 und dessen nicht invertierender Ausgang mit der Basis eines Transistors T2 verbunden ist. Die Emitterausgänge der Transistoren T1 und T2 sind über einen Widerstand R_E mit Masse verbunden. Die Widerstände R_E sind Teil einer Stromquelle. Die Kollektorausgänge A der Transistoren T1 und T2 führen zu einem hier nicht gezeigten Mischer, der das Ausgangssignal der Transistoren T1 und T2 auf eine andere Frequenz umsetzt.
Der Emitterausgang des Transistors T1 ist über einen Widerstand RFB1 mit dem nicht invertierenden Eingang „+” des Operationsverstärkers OP verbunden. Der Emitter des Transistors T2 ist gleichermaßen mit dem invertierenden Eingang „–” des Operationsverstärkers verbunden. Die beiden Eingänge des Operationsverstärkers sind jeweils mit einem Widerstand R_FF und diese mit den Ausgängen einer Detektionseinrichtung DE verbunden. An den Eingängen der Detektionseinrichtung DE liegt das Signal I bzw. das invertierte Signal IX an.
Der Operationsverstärker OP weist ferner einen Eingang zu einer Referenzspannung auf, der mit einer einstellbaren Spannungsquelle U_REF verbunden ist. Die Spannungsquelle U_REF ist ihrerseits durch eine Leitung PA zur Einstellung der Spannung mit der Detektionseinrichtung DE verbunden. Dadurch bilden sie eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der Referenzspannung abhängig von der Signalamplitude des Eingangssignals.
Während des normalen Betriebes wird an der Spannungsquelle U_REF eine Spannung so eingestellt, daß die Basis der beiden Transistoren mit einer Spannung so vorgespannt ist, daß sich ein konstanter Bias-Strom bzw. ein Ruhestrom I₀ über die Widerstände R_E einstellt. Durch diesen Ruhestrom arbeiten die Transistoren im linearen Bereich.
Im normalen Betriebsmodus ohne die Detektionseinrichtung DE erzeugt ein Signal, das am Eingang I angelegt ist, eine Spannungsänderung am nicht invertierenden Ausgang „+” des Operationsverstärkers OP. Steigt das Signal am Eingang I gegenüber IX an, so steigt die Basisspannung an T2 an, die Basisspannung an T1 sinkt um den gleichen Betrag. Dadurch steigt der durch T2 fließende Strom, während der durch T1 fließende Strom sinkt. Die Summe aus beiden Strömen bleibt dabei weiterhin gleich der Summe der Ruheströme I₀ durch beide Transistoren unter Vernachlässigung der Basisströme. Ist in der nächsten Halbwelle der Eingang IX aktiv und größer als I, ändert sich aufgrund der Spannungsänderung an der Basis der Transistoren T1 und T2 der durch die Transistoren fließende Strom in die andere Richtung.
Diese Stromänderung ist direkt proportional zur Amplitude des am Eingang I bzw. IX angelegten Signals. Somit wird eine Eingangsspannung linear auf einen Ausgangsstrom umgesetzt. Durch die Widerstände R_FB und R_FF wird das Verhältnis der über die Widerstände R_E der beiden Transistoren abfallende Spannung eingestellt. Die Spannungsdifferenz zwischen I und IX wird dadurch abhängig vom Verhältnis von R_FB zu R_FF ein Vielfaches der Spannungsdifferenz zwischen den Emitterspannungen T1 und T2 und damit der Emitterströme.
Ist die Detektionseinrichtung DE aktiv, so ermittelt sie den Hüllkurvenwert eines angelegten Signals an I bzw. IX. Dieser Hüllkurvenwert ist ein Maß für die zu diesem Zeitpunkt maximale Amplitude der Spannung am Eingang I bzw. IX. Der ermittelte Wert wird über die Verbindung PA weitergereicht.
Daher kann die Referenzspannung U_REF reduziert werden, so daß sich auch der durch die Transistoren T1 und T2 fließende Ruhestrom I₀ reduziert. Dennoch ist der Ruhestrom noch größer als das momentan angelegte Eingangssignal, so daß beim Anliegen des Eingangsignals I bzw. IX die Linearität zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom erhalten bleibt. In der nächsten Halbwelle wird das Eingangssignal erneut gemessen und die Referenzspannung entsprechend geändert. Dieser Betriebsmodus der Anordnung wird als A-Betriebsmodus bezeichnet.
Sei beispielsweise die Spannungsverstärkung der Operationsverstärkerschaltung gleich 1 und die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen I und IX 2 mV. Die Anordnung befindet sich in einem A-Betriebsmodus, wenn der Ruhestrom I₀ durch beide Transistoren T1 und T2 einer Spannung an den Emittern von T1 und T2 von beispielsweise 6 mV entspricht. In einem solchen Fall fließt nach Anliegen eines solchen Eingangsignals an der Operationsverstärkerschaltung OP durch die Transistoren ein Strom, der einer Spannung von 7 mV, bzw. 5 mV entspricht. Beide Transistoren T1 und T2 sind weiterhin stromführend und damit im A-Betriebsmodus.
Da die Durchschnittsspannung des Eingangssignals um den Crestfaktor geringer als die maximal vorkommende Eingangsspannung ist, wird bei diesem Verfahren auch der durchschnittliche Bias-Strom deutlich geringer ausfallen als der im herkömmlichen Betrieb benötigte Bias-Strom, der mindestens dem durch den maximalen Spannungswert vorgegebenen Strom entspricht. Somit wird der Stromverbrauch deutlich reduziert. Beträgt beispielsweise der Crestfaktor 6 dB, d. h. die maximale Leistung ist 6 dB größer als die Durchschnittsleistung, so ist der durchschnittliche Ruhestrom um den Faktor 2 geringer als der maximale Ruhestrom.
Die Detektionseinrichtung DE ist als einfacher Pegeldetektor ausgebildet. Dieser Pegeldetektor ermittelt zum Zeitpunkt des Eingangssignals die Amplitude. Somit folgt die Referenzspannung U_REF der einhüllenden Kurve des Eingangssignals.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung zeigt 2. Gleiche Bauelemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen, wobei auf eine erneute Erläuterung verzichtet wird. Die Emitter der Transistoren T1 und T2 weisen hier eine Verbindung zu den Widerständen R1 bzw. den Kondensatoren C1 auf. Die Kondensatoren sind wiederum mit den Widerständen R2 bzw. den Eingängen des Operationsverstärkers OP verbunden. Die andere Seite der Widerstände R2 ist mit dem Widerstand R_FF bzw. dem Widerstand R1 verbunden. Des weiteren sind die Widerstände R2 über eine Kapazität C miteinander verbunden. Zusätzlich weist der Spannungs-Strom-Konverter eine Pufferschaltung B auf, die ihrerseits einen Operationsverstärker OP1 enthält. Ein Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist mit dem jeweils komplementären Ausgang über einen Kondensator C2 und einen dazu parallelen Widerstand R3 mit einem nachfolgenden Schalter S1 verbunden. Um eine Spannungssteuerung des Pufferverstärkers zu erreichen, sind vor dem Operationsverstärker OP1 in beide Signalpfade Widerstände R4 geschaltet.
Die Widerstände R1, R2 und die Kondensatoren C1 und C bilden einen Tiefpaß zweiter Ordnung, um das Rauschen aller Widerstände und der Operationsverstärker zu reduzieren. Zusätzlich bilden sie ein ”Reconstruction Filter” für den hier nicht gezeigten Digital-Analog-Konverter, der die digitalen Eingangssignale I bzw. IX in analoge Signale umwandelt. Die dabei entstehenden Wiederholspektren werden durch das Rekonstruktionsfilter ebenfalls unterdrückt. Da die Widerstände R1, R2 und R_FF im allgemeinen niederohmig sind, ist es notwendig, die hochohmige Pufferschaltung B vorzusehen, damit der Digital-Analog-Konverter ein korrektes Signal erzeugen kann.
In dieser Schaltung wird die Referenzspannung U_REF reduziert, bis die Transistoren T1 bzw. T2 sperren. Dadurch verschwindet der Referenzruhestrom I₀ durch die Transistoren, falls am Eingang I oder IX kein Signal anliegt. Der nachfolgende hier nicht gezeigte am Ausgang der Transistoren angelegte Schaltungsblock verbraucht somit keinen zusätzlichen Strom.
Wird am Eingang I ein positives Signal angelegt, so werden die Signalpfade durch den ersten Operationsverstärker OP1 der Puffereinrichtung B vertauscht. Das Signal I gelangt an den invertierenden „–” Eingang des Operationsverstärker OP. Das Signal IX an den nichtinvertierenden Eingang „+”. Um die Spannungsdifferenz zwischen I und IX auszugleichen, erhöht der Operationsverstärker OP die Basisspannung am Transistor T1 und senkt sie an T2. Dadurch fließt durch den Transistor T1 ein Strom. Dieser wird so groß, bis die daraus resultierende Spannungsdifferenz zwischen den Emittern von T1 und T2 die Spannungsdifferenz zwischen I und IX ausgeglichen hat. Dabei sperrt der Transistor T2 weiterhin. Da eine Absenkung der Basisspannung an T2 nicht weiter zu einer Stromabsenkung über T2 führen kann, muß der Operationsverstärker einen entsprechend große Spannungsbereich aufweisen, um die im Eingangsignal vorkommenden Spannungsdifferenzen auszugleichen.
Liegt am Eingang IX ein positives Signal an, so schaltet der Transistor T2, während die Basis des Transistors T1 weiterhin im sperrenden Zustand verbleibt. Bezogen auf eine Taktperiode des Eingangsignals, die aus der Signaldauer von I und IX zusammengesetzt ist, bedeutet dies, daß ein Transistor jeweils nur eine halbe Taktperiode leitend geschaltet ist, also nur während der Dauer des Signals I oder IX. Dieser Betriebsmodus wird als B-Betriebsmodus bezeichnet.
Im für den Betriebsmodus A genannten Beispiel muß bei einem verschwindenden Ruhestrom I₀ im B-Betriebsmodus der Operationsverstärker einen Spannungsbereich von mindestens 2 mV für beide Ausgänge regeln können, um die Eingangsspannungsdifferenz von 2 mV richtig abzubilden.
Bei npn-Bipolartransistoren ist eine positive Basis-Emitterspannung von ca. 0,7 V notwendig, um den Transistor in einen leitenden Betrieb zu bringen. Wird die Referenzspannung kleiner als die maximal vorkommende Eingangsamplitude aber noch größer als 0.7 V eingestellt, entspricht dies einem AB-Betriebsmodus. Der kleine Ruhestrom, der auch bei keinem Eingangsignalsignal durch die Transistoren fließt, ermöglicht bei einem anliegenden Signal, daß ein Transistor länger als eine halbe Taktperiode aber weniger als eine ganze Periode leitend ist.
Beispielsweise kann der Ruhestrom I₀ einem Spannungsabfall über R_E von 1 mV entsprechen. Bei einer Spannungdifferenz der Eingänge von 2 mV arbeitet die Anordnung im Grenzbereich zwischen A- und AB-Betriebsmodus. Ein reiner AB-Betriebsmodus liegt bei einem Ruhestrom I₀ vor, der einem Ruhespannungsabfall über R_E von 0.5 mV entspricht und die Eingangsdifferenz weiterhin 2 mV beträgt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Ruhestrom eines Spannungs-Strom-Umsetzers gezielt durch Veränderung der Referenzspannung zu reduzieren, ohne dabei die lineare Übertragungsfunktion zu verzerren.
Bezugszeichen:

(OP, OP1):

Operatiansverstärker

(I, IX):

Eingangssignal

(DE):

Pegeldetektionseinrichtung

(PA):

Leitung

(R_FF, R_FB):

Widerstände

(R_E):

Stromquellenwiderstand

(U_RFF):

Referenzspannung

(T1, T2):

Transistoren

(A):

Kollektor

(I₀):

Stromspiegel

(R1, R2):

Widerstände des Tiefpasses

(C1, C):

Kondensatoren des Tiefpasses

(C2):

Kondensatoren

(R3, R4):

Widerstände

(S1):

Schalter

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Spannungs-Stromumsetzeinrichtung, der eine Referenzspannung zuführbar ist und bei der ein eingangseitig angelegtes Differenzspannungssignal in ein Differenzstromsignal gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Einhüllende des eingangsseitig angelegten Differenzsspannungssignals ermittelt wird; – die Referenzspannung in Abhängigkeit der Einhüllenden verändert wird; – die Referenzspannung zur Einstellung eines Ausgangsruhestroms (I₀) der Spannungs-Stromumsetzeinrichtung eingestellt wird; – das Differenzspannungssignal um eine Faktor verstärkt wird; – das verstärkte Differenzspannungssignal in ein Stromsignal gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_REF) einem Spannungswert einer Einhüllenden des eingangsseitig angelegten Spannungssignals folgt, so daß sich die Spannungs-Stromumsetzeinrichtung in einem A-Betriebsmodus befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_REF) so eingestellte wird, daß sich die Spannungs-Stromumsetzeinrichtung in einem B-Betriebsmodus oder in einem AB-Betriebsmodus befindet.
Spannungs-Stromumsetzeinrichtung, umfassend: – einen Spannungseingang mit einem ersten Anschluss (I) und einem zweiten Anschluss (IX); – einen Stromausgang (A) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss; – einen mit dem ersten Anschluss des Stromausgangs verbundenen ersten Transistor (T1) und einem mit dem zweiten Anschluss des Stromausgangs verbundenen zweiten Transistor (T2); – einen Operationsverstärker mit einem ersten Eingang (+), der mit dem ersten Anschluss (I) gekoppelt ist, mit einem zweiten Eingang (–), der mit dem zweiten Anschluss (IX) gekoppelt ist, mit einem ersten Ausgang (+), der mit einer Basis des zweiten Transistors (T2) gekoppelt ist und mit einem zweiten Ausgang (–), der mit einer Basis des ersten Transistors (T1) gekoppelt ist, wobei der Operationsverstärker (OP) einen Referenzeingang aufweist und mittels einer Spannung am Referenzeingang ein Ruhestrom am Stromausgang (A) einstellbar ist; gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung (DE), die mit dem Referenzeingang zur Zuführung einer Regelspannung gekoppelt ist und durch die eine Einhüllende eines amplitudenmodulierten Signals am Eingang (I, IX) ermittelt wird.
Spannungs-Stromumsetzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die Einstelleinrichtung einen Pegeldetektor aufweist.
Spannungs-Stromumsetzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine regelbare Spannungsquelle vorgesehen ist, deren Ausgang mit dem Referenzeingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist, und die einem mit der Einstelleinrichtung (DE) verbundenen Regeleingang umfasst.
Spannungs-Stromumsetzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1, T2) der Spannungs-Stromumsetzeinrichtung durch den durch den Operationsverstärker (OP) einstellbaren Ruhestrom (I0) in einem A-, B- oder AB-Betriebsmodus betreibbar sind.
Spannungs-Stromumsetzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Eingang des Operationsverstärkers (OP) und dem Emitter des ersten Transistors (T1) eine erste Last (R_FB1) und zwischen dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers (OP) und dem Emitter des zweiten Transistors (T2) eine zweite Last (R_FB2) geschaltet ist.