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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungssteuerung und
insbesondere, obwohl nicht ausschließlich, auf eine Spannungssteuerung,
welche zur Verwendung in einem LNB geeignet ist, welcher einen oder
mehrere rauscharme Verstärker
enthält.
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Hintergrund der Erfindung
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Rauscharme
Blöcke
(oder LNBs) sind bekannte Vorrichtungen, welche ebenfalls als Abwärtswandler
bekannt sind, da sie dazu ausgelegt sind, ein gesamtes Frequenzband
oder Frequenzblöcke
auf ein tieferes Band umzuwandeln. Sie sind typischerweise in einer
Satellitensignal-Empfangseinrichtung oder in Satellitenschüsseln enthalten,
und sind typischerweise am Ende von einem Ausleger angeordnet, welches
der Parabolreflektor-Schüssel
gegenüberliegt,
welche dann die Signale, welche vom Satelliten empfangen werden,
auf das Einspeisehorn des LNB fokussiert. Der LNB wandelt die empfangenen Signale
auf niedrigere Frequenzen um und sendet dann diese Signale niedriger
Frequenz über
ein angeschlossenes Kabel (typischerweise ein Koaxialkabel) an das
Satellitenempfangsgerät.
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Satelliten-LNBs
verwenden für
gewöhnlich Verstärker und
Steuerungen, welche mit einer Energieversorgung von 5 V oder weniger
betrieben werden, wobei die den Einheiten zugeführte Leistung bei 10,5 V bis
21 V liegt. Somit sind interne Steuerungen erforderlich. Diese können linear
sein.
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Lineare
Steuerungen führen
typischerweise die Hälfte
oder mehr der Leistung ab, welche einem LNB zugeführt wird.
Dies ist eine Verschwendung und bewirkt hohe Bauteiltemperaturen
und Verformungen bei einem PCB/LNB-Gehäuse. Eine Induktivitäts-basierte
Umschaltmodus-Steuerung löst
die Angelegenheiten in Zusammenhang der Abführung, führt jedoch ernsthafte Rauschprobleme
ein, deren Lösung
teuer ist. Eine Vorsteuerung (linear), welche durch einen Induktor,
basierend auf einen Umschalt-Umwandler, folgt, ist eine typische
Teillösung hinsichtlich
dieser Rauschprobleme, jedoch erfordern verbleibende Angelegenheiten
hinsichtlich des Rauschens einen großen und teuren Filter bzw.
Glättungsbauteile,
um ein Umschaltrauschen auf einen akzeptablen Pegel zu reduzieren
(standardmäßige lineare
Spannungssteuerungen leiten ein jegliches Ausgabelast-Stromrauschen
auf ihre Versorgungseingabe direkt durch, um eine gute Ausgabespannungssteuerung
beizubehalten).
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung helfen daher dabei, Spannungssteuerungen bereitzustellen, welche
zumindest eines der Probleme in Zusammenhang mit dem Stand der Technik
ausschließen
oder abmildern. Bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung dienen dazu, Spannungssteuerungen für LNBs bereitzustellen,
welche eine höhere
Wirksamkeit hinsichtlich dessen, dass ein wesentlich reduzierter
Anteil der Leistungsversorgung von der Set-Top-Box beim Erzeugen
der erforderlichen gesteuerten Ausgabe verschwendet wird, bereitstellen
können.
Bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung dienen ebenfalls dazu, einen verbesserten LNB und
verbesserte Satellitensignal-Empfangssysteme bereitzustellen.
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Umriss der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungssteuerung
bereitgestellt, welche enthält:
einen
Eingangsanschluss zur Verbindung mit einer Leistungsversorgung,
welche eine Leistung bei einer Versorgungsspannung bereitstellt;
einen
Ausgangsanschluss zur Verbindung mit einer Last, um der Last eine
Leistung bei einer gesteuerten Spannung bereitzustellen;
einen
ersten Kondensator, welcher eine jeweilige erste und zweite Elektrode
enthält;
einen
zweiten Kondensator, welcher eine jeweilige erste und zweite Elektrode
enthält;
ein
Steuerungselement, welches dazu ausgelegt ist, einen jeweils gesteuerten
Ladestrom von dem Eingangsanschluss an jeden der Kondensatoren bereitzustellen;
ein
Umschaltelement, welches dazu ausgelegt ist, selektiv die erste
Elektrode des ersten Kondensators zum Empfangen des jeweils gesteuerten
Ladestroms oder mit dem Ausgangsanschluss zu verbinden, selektiv
die zweite Elektrode des ersten Kondensators mit dem Ausgangsanschluss
oder mit Masse zu verbinden, selektiv die erste Elektrode des zweiten
Kondensators zum Empfangen des jeweils gesteuerten Ladestroms oder
mit dem Ausgangsanschluss zu verbinden, und selektiv die zweite
Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Ausgangsanschluss oder
mit Masse zu verbinden; und
ein Umschaltsteuerelement, welches
dazu ausgelegt ist, das Umschaltelement derart zu steuern, so dass es
zwischen einer ersten Konfiguration, bei welcher die erste Elektrode
des ersten Kondensators derart verbunden ist, den jeweils gesteuerten
Ladestrom zu empfangen, wobei die zweite Elektrode des ersten Kondensators
und die erste Elektrode des zweiten Kondensators jeweils mit dem
Ausgangsanschluss verbunden sind und die zweite Elektrode des zweiten Kondensators
mit Masse verbunden ist, und einer zweiten Konfiguration, bei welcher
die erste Elektrode des zweiten Kondensators derart verbunden ist, den
jeweils gesteuerten Ladestrom zu empfangen, wobei die zweite Elektrode
des zweiten Kondensators und die erste Elektrode des ersten Kondensators jeweils
mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind und die zweite Elektrode
des ersten Kondensators mit Masse verbunden ist, wechselt,
wobei
das Steuerungselement zumindest eine Vorrichtung enthält, über welche
zumindest ein Anteil des jeweiligen Ladestroms zumindest einem der Kondensatoren
zugeführt
wird, wobei die Vorrichtung durch ein Steuersignal steuerbar ist,
um einen Stromfluss durch die Vorrichtung zu steuern, wobei das Steuerungselement
ferner ein Steuersignal-Zuführelement
enthält,
welches mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, und dazu ausgelegt
ist, jenes Steuersignal der Vorrichtung bereitzustellen, wobei das Steuersignal
von einer Spannung an dem Ausgangsanschluss derart abhängt, so
dass der Stromfluss durch die Vorrichtung gemäß der Spannung an dem Ausgangsanschluss
gesteuert ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält das
Steuersignal-Zuführelement
einen Tiefpassfilter, welcher derart ausgelegt ist, dass das Steuersignal im
Wesentlichen unabhängig
von Ausgangsspannung-Komponenten oberhalb eines Frequenz-Schwellwertes ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält das
Steuersignal-Zuführelement:
einen
Potenzialteiler, welcher zwischen dem Ausgangsanschluss und Masse
verbunden ist;
einen Operationsverstärker, welcher einen invertierenden
Eingang hat, welcher durch den Tiefpassfilter mit dem Potenzialteilerausgang
verbunden ist; und
eine Referenzspannungsquelle, welche zwischen
einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und
Masse verbunden ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist das Steuersignal ein Steuersignal, welches von einem Ausgangsanschluss
des Operationsverstärkers
bereitgestellt ist.
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Die
Steuerung kann ferner einen Eingangskondensator, welcher zwischen
dem Eingangsanschluss und Masse verbunden ist, und einen Ausgangskondensator,
welcher zwischen dem Ausgangsanschluss und Masse verbunden ist,
enthalten. Sie kann ebenfalls einen Steuerungskondensator enthalten,
welcher zwischen einem Ausgang des Steuerungselements und Masse
verbunden ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist die steuerbare Vorrichtung (steuerbare Stromquelle) ein FET,
und ist das Steuersignal eine Steuerspannung, welche an einem Anschluss
des FET bereitgestellt ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält das
Steuerungselement eine einzelne Vorrichtung, wobei die einzelne
Vorrichtung dazu ausgelegt ist, die Ladeströme an den ersten und zweiten
Kondensator zu übertragen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist die einzelne Vorrichtung ein FET, welcher einen Drain-Anschluss,
welcher mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, und einen Gate-Anschluss, welcher
derart verbunden ist, um das Steuersignal zu empfangen, hat, und
sind das Umschaltelement und das Umschaltsteuerelement derart ausgelegt,
dass die erste Elektrode des ersten Kondensators in der ersten Konfiguration
mit dem Source-Anschluss
des FET verbunden ist, und dass die erste Elektrode des zweiten
Kondensators in der zweiten Konfiguration mit dem Source-Anschluss
des FET verbunden ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält das
Steuerungselement eine erste der Vorrichtung, welche durch ein erstes
Steuersignal steuerbar ist, um die Versorgung des Ladestroms von
dem Eingangsanschluss an den ersten Kondensator zu steuern, und
eine zweite der Vorrichtung, welche durch ein zweites Steuersignal
steuerbar ist, um die Versorgung des Ladestroms von dem Eingangsanschluss an
den zweiten Kondensator zu steuern, wobei das Steuersignal-Zuführelement
dazu ausgelegt ist, das erste und zweite Steuersignal jeweils der
ersten und zweiten Vorrichtung bereitzustellen. Ferner kann die erste
Vorrichtung ein erster FET sein, welcher einen Drain-Anschluss,
welcher mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, und einen Source-Anschluss hat,
welcher mit der ersten Elektrode des ersten Kondensators verbunden
ist, und kann die zweite Vorrichtung ein zweiter FET sein, welcher
einen Drain-Anschluss, welcher mit dem Eingangsanschluss verbunden
ist, und einen Source-Anschluss hat, welcher mit der ersten Elektrode
des zweiten Kondensators verbunden ist. Das Umschaltsteuerelement
und das Steuersignal-Zuführelement
können dann
dazu ausgelegt sein, dass in der ersten Konfiguration eine Steuerspannung
an den Gate-Anschluss des ersten FET angelegt wird, um einen gesteuerten
Ladestrom, welcher von der Ausgangsspannung abhängt, dem ersten Kondensator
zuzuführen,
und wobei der zweite FET nicht-leitend ist, und dazu ausgelegt sein,
dass in der zweiten Konfiguration eine Steuerspannung an den Gate-Anschluss des zweiten
FET angelegt wird, um einen gesteuerten Ladestrom, welcher von der
Ausgangsspannung abhängt,
dem zweiten Kondensator zuzuführen,
und wobei der erste FET nicht-leitend ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält die
Spannungssteuerung eine Mehrzahl der Eingangsanschlüsse, wobei
jeder Eingangsanschluss zur Verbindung mit einer jeweiligen Leistungsversorgung,
welche eine Leistung bei einer jeweiligen Versorgungsspannung bereitstellt,
ausgelegt ist, und wobei das Steuerungselement dazu ausgelegt ist,
einen jeweils gesteuerten Ladestrom von den Eingangsanschlüssen an
jeden der Kondensatoren bereitzustellen. Das Steuerungselement enthält dann eine
Mehrzahl der Vorrichtungen, wobei jede Vorrichtung einem jeweiligen
der Eingangsanschlüsse
entspricht und dazu ausgelegt ist, den Ladestrom von dem jeweiligen
Eingangsanschluss an den ersten und zweiten Kondensator zu übertragen,
wobei das Steuersignal-Zuführelement
dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges der Steuersignale an jede der
Vorrichtungen bereitzustellen, so dass der Strom, welcher durch
jede Vorrichtung fließt,
gemäß der Spannung an
dem Ausgangsanschluss gesteuert wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt einen rauscharmen Block (LNB)
(welcher ebenfalls als ein LNA bezeichnet werden kann) bereit, welcher
eine Spannungssteuerung gemäß dem ersten
Aspekt enthält.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält der
LNB ferner ein Verbindungselement zum Verbinden eines Kabels von
einem Empfangsgerät,
so dass das Empfangsgerät über das
Kabel eine Leistung an den LNB bereitstellen kann, wobei der Eingangsanschluss
der Spannungssteuerung mit dem Verbindungsanschluss verbunden ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält der
LNB ferner ein Filternetzwerk (beispielsweise ein DiSEqC-Netzwerk),
welches zwischen dem Verbindungselement und dem Eingangsanschluss
verbunden ist. Das Filternetzwerk kann eine Spule, einen Kondensator
und einen Widerstand, welche zueinander parallel geschaltet sind,
enthalten.
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In
bestimmten Ausführungsformen
enthält der
LNB ferner mehrere Verbindungselemente, wobei jedes Verbindungselement
dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges Kabel von einem jeweiligen Empfangsgerät derart
zu verbinden, so dass das Empfangsgerät über das Kabel dem LNB eine
Leistung bereitstellen kann, wobei jeder Eingangsanschluss der Spannungssteuerung
mit einem jeweiligen der Verbindungsanschlüsse verbunden ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist der LNB dazu ausgelegt, Signale über das Verbindungselement
und das Kabel oder jedes Kabel an das oder an jedes Empfangsgerät auszugeben.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist ferner zumindest ein Verstärker
(beispielsweise ein rauscharmer Verstärker) bereitgestellt, welcher
mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, um eine Leistung bei einer
gesteuerten Spannung zu empfangen.
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Ein
weiterer Aspekt stellt ein Satellitensignal-Empfangssystem bereit,
welches einen LNB, ein Empfangsgerät enthält, welches über ein
Kabel mit dem LNB verbunden ist, und dazu ausgelegt ist, über das
Kabel dem LNB eine Leistung bei einer Versorgungsspannung zuzuführen, wobei
der LNB eine Spannungssteuerung gemäß dem ersten Aspekt enthält und der
Eingangsanschluss mit dem Kabel verbunden ist, wobei die Spannungssteuerung
dazu ausgelegt ist, eine Leistung bei einer gesteuerten Spannung
bereitzustellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es
werden nun Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben,
bei welcher:
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1 ein
Schaltplan einer Spannungssteuerung in einer Ausführungsform
der Erfindung ist, welche einen LNB enthält und derart verbunden ist,
um eine Leistung über
ein Signalkabel SC von einer Set-Top-Box zu empfangen;
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2 eine
Darstellung der Umschaltsteuer-Wellenformen ist, welche an die Anschlüsse der FETs
des Umschaltelements der Spannungssteuerung von 1 angelegt
sind (das heißt,
dass die Figur die Umwandler-Antriebs-Wellenform-Zeitvorgabe des Umgeschalt-Kondensators
darstellt);
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3 ein
Schaltplan einer weiteren Spannungssteuerung in einer Ausführungsform
der Erfindung ist;
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4 ein
Schaltplan einer weiteren Spannungssteuerung in einer Ausführungsform
der Erfindung ist, und wobei ein LNB enthalten ist, welcher mit einer
Set-Top-Box verbunden ist;
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5 eine
Darstellung der Spannungs-Wellenformen ist, welche dazu verwendet
werden, um die Anschlüsse
der FETs des Umschaltelements von der Spannungssteuerung von 4 zu
steuern;
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6 ein
Schaltplan von einer weiteren Spannungssteuerung in einer Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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7 ein
Blockdiagramm eines Teils von einem weiteren LNB in einer Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung
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Bezug
nehmend nun auf 1, sind Kernelemente von einer
Ausführungsform
der Erfindung in einem Single Universal LNB (eine einzelne Ausgabeeinheit)
angezeigt. Eine Spannungsquelle Vstb stellt die Set-Top-Box dar,
welche sowohl den LNB mit Energie versorgt als auch RF-Signale davon
empfängt. Lds,
Cds und Rds stellen ein DiSEqC-Filternetzwerk dar, welches dazu
verwendet wird, um zu ermöglichen,
dass 22-kHz-Steuersignale auf die Leistungsleitung überführt werden.
Dieses Netzwerk hat den ungewünschten
Nebeneffekt, dass die Niedrigfrequenz-Impedanz der Leitung erhöht wird,
wodurch es erleichtert wird, dass eine Interferenz mit Rauschlasten
hervorgebracht wird. Eine Quelle Vprc und der FET, welchen sie antreibt
(M_PR), führt
die Vorsteuerungsfunktion durch (das heißt, dass sie ein Teil des Steuerungselements
ausbilden). Dieses Steuerungselement kann ebenfalls als ein lineares
Steuerungselement beschrieben werden. Der linearen Vorsteuerung
folgt ein 2-Phasen-Umschalt-Kondensator-DC/DC-Umwandler. Eine Phase
1 verwendet Impulsgeneratoren V2, V3, V4, V5 und die FETs, welche
sie antreiben. Eine Phase 2 verwendet Impulsgeneratoren V6, V7,
V8, V9 und die FETs, welche sie antreiben. Jede Phase verwendet
die Generatoren/FETs, um abwechselnd einen „fliegenden Kondensator” (Cfc1/Cfc2)
aufzuladen, indem er zwischen dem Ausgang der Vorsteuerung und der
Last (Cout) verbunden wird, wobei dieser dann, sobald aufgeladen,
direkt über
die Last neu verbunden wird.
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Da
die Kondensatoren Cfc1 und Cfc2 während der Lade- und Entlade-Zyklen
einen Strom an die Last zuführen,
jedoch während
der Lade-Zyklen lediglich einen Strom von der Vorsteuerung entnehmen,
entspricht der Eingangsstrom des Umwandlers der Hälfte des
Ausgangsstroms (dies ist möglich,
weil die Vorsteuerungs-Ausgangsspannung
doppelt so hoch oder höher
als die Spannung an Cout ist). Daher ist die Last, welche an Vstb
angelegt ist, halb so groß als
bei einem Standard-LNB, welcher lineare Leistungssteuerungen verwendet.
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Da
ein 2-Phasen-Umwandler verwendet wird, wird zu einem jeglichen Zeitpunkt
entweder Cfc1 oder Cfc2 einen Strom von der Vorsteuerung (und somit
Vstb) entnehmen. Dies bedeutet, dass der Eingangsstrom der Vorsteuerung
kontinuierlich anstelle von geschaltet ist. Daraus folgend benötigt die Eingangsleitung
eine sehr geringe Glättung,
um das Leitungsrauschen auf akzeptable Pegel beizubehalten, trotz
der Verwendung des DiSEqC-Netzwerks in der Leitungsversorgung. Die
Kosten der Halbleiter, welche in einem integrierten 2-Phasen-Umwandler verwendet
werden, sind nicht wesentlich höher
als jene von einer Einzelphasen-Vorrichtung, weil ihre Leistungs-FETs
halb so groß sein
können,
da sie lediglich die Hälfte
des Laststroms zuführen
müssen. Die
Annäherung
erfordert einen zusätzlichen
fliegenden Kondensator, jedoch ist dieses Bauteil nicht teuer.
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Somit
enthält
die Spannungssteuerungsschaltung in 1 einen
ersten Kondensator (fliegender Kondensator Cfc1), welcher eine erste
Elektrode A und eine zweite Elektrode B hat, und einen zweiten Kondensator
(fliegender Kondensator Cfc2), welcher ebenfalls eine jeweilige
erste Elektrode A und eine zweite Elektrode B hat. Der Eingangsanschluss
zur Verbindung an eine Leistungsversorgung ist Vin und der Ausgangsanschluss
zur Verbindung mit einer Last zur Bereitstellung von einer Leistung an
die Last bei einer gesteuerten Spannung ist Vload. Zusätzlich zu
den zwei fliegenden Kondensatoren Cfc1 und Cfc2, ist ebenfalls ein
Ausgangskondensator Cout zwischen dem Ausgangsanschluss und Masse
verbunden, ist ein Eingangskondensator Cin zwischen dem Eingangsanschluss
und Masse verbunden, und ist ein weiterer Vorsteuerungskondensator
Cpr zwischen dem nominalen Ausgang der Vorsteuerung (oder Steuerungselement)
und Masse verbunden. Das Umschaltelement enthält acht FETs M2–M4 und
M6–M7
und M9–M10.
Das Steuerungselement enthält
in diesem Beispiel einen einzelnen FET (M_PR), dessen Drain-Anschluss
D mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, dessen Source-Anschluss
S zur selektiven Verbindung mit den fliegenden Kondensatoren angeordnet
ist, und dessen Gate-Anschluss
G ein Steuersignal in der Form von einer Steuerspannung bereitgestellt
wird, welche von der Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss hergeleitet
wird (und davon abhängig
ist). Das Umschaltelement ist dazu ausgelegt, die erste Elektrode
A des ersten Kondensators (Cfc1) selektiv mit dem Source-Anschluss
des FET M_PR oder mit dem Ausgangsanschluss zu verbinden, die zweite Elektrode
B des ersten Kondensators selektiv mit dem Ausgangsanschluss oder
Masse zu verbinden, die erste Elektrode A des zweiten Kondensators (Cfc2)
selektiv mit dem Source-Anschluss
des FET M_PR oder mit dem Ausgangsanschluss zu verbinden, und die
zweite Elektrode B des zweiten Kondensators selektiv mit dem Ausgangsanschluss
oder mit Masse zu verbinden. Die Spannungssteuerung enthält ferner
ein Umschaltsteuerungselement, welches dazu ausgelegt ist, die Steuerspannungen
oder Signale V2–V9
den Anschlüssen
der Umschalt-FETs bereitzustellen, wobei diese Spannungs-Wellenformen in 2 angezeigt
sind. Wie anhand der Figur zu erkennen, wechselt der Satz von Spannungswellenformen
zwischen einer ersten Konfiguration oder Phase P1 und einer zweiten
Konfiguration oder Phase P2. In der ersten Phase P1 ist die erste
Elektrode A des ersten Kondensators mit dem Source-Anschluss des Vorsteuerungs-FET
verbunden, und sind die zweite Elektrode B des ersten Kondensators
und die erste Elektrode A des zweiten Kondensators mit dem Ausgangsanschluss
verbunden. In dieser ersten Phase P1 ist ebenfalls die zweite Elektrode
B des zweiten Kondensators mit Masse verbunden. Somit wird der erste
Kondensator in dieser ersten Phase aufgeladen (das heißt, dass
ihm über
den Vorsteuerungs-FET ein Ladestrom zugeführt wird), und zur gleichen
Zeit kann ein Ausgangsstrom an einer angehängten Last von dem zweiten
Kondensator bereitgestellt werden, welcher zwischen dem Ausgangsanschluss
und Masse verbunden ist. In der zweiten Phase ist der Umstand im
Wesentlichen umgekehrt, so dass die erste Elektrode des zweiten
Kondensators nun mit dem Vorsteuerungs-FET verbunden ist, um den
Ladestrom zu empfangen, und die zweite Elektrode und die erste Elektrode
des ersten Kondensators mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind.
Die zweite Elektrode des ersten Kondensators ist mit Masse verbunden.
Somit wird der zweite Kondensator in der zweiten Phase aufgeladen,
und kann ein Ausgangsstrom von dem ersten Kondensator bereitgestellt werden.
Somit wird zu einem jeglichen Zeitpunkt einer der Kondensatoren
aufgeladen, und wird dem anderen ein jeglicher erforderlicher Ausgangsstrom
bereitgestellt. Es wird anerkannt, dass die in 1 angezeigte
Anordnung aus zwei Kondensatoren, welche gemäß den Steuersignalen, welche
in 2 dargestellt sind, gesteuert werden, zu der Ausgangsspannung
an dem Ausgangsanschluss führt,
welche ungefähr
halb so groß ist
wie die Spannung von dem Source-Anschluss des Vorsteuerungs-FET.
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In
Ausführungsformen
der Erfindung, wie beispielsweise jene, wie in 1 gezeigt,
wird die Ausgangsspannung des Umgeschalt-Kondensator-Umwandlers überwacht
und dazu verwendet, um die Vorsteuerungs-Quelle Vprc zu steuern,
welche eine Ausgangsspannung-Steuerschleife bereitstellt. Um die
Rauschunterdrückungsfunktion
der Vorsteuerung beizubehalten, wird die Antwort auf diese Steuerung
vorzugsweise unter Verwendung eines Tiefpassfilters beschränkt. 3 zeigt
detaillierter ein Beispiel dazu, wie dies erzielt werden kann. Bei
dieser Spannungssteuerungsschaltung, wie in der Erfindung ausgeführt, wird
die Ausgabe des Umgeschalt-Kondensator-Umwandlers mit einer genauen Spannungsreferenz
V_REF verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches wiederum
dazu verwendet wird, um das Antriebssignal auf den Vorsteuerungs-FET
einzustellen. Die Schaltung stellt sicher, dass die Eingabe an den
Umwandler auf genau jene Spannung beibehalten wird, welche notwendig
ist, um die erforderliche Ausgabe zu geben.
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Eine
alternative Version von der Erfindung, welche lediglich auf Einzel-LNBs
zielt (das heißt
zur Inbezugnahme speziell in Einzel-LNBs), ist in 4 dargestellt.
In dieser Ausführungsform
wird die Funktion der schwachen Vorsteuerung mit dem Umschalt-Kondensator-Umwandler
kombiniert. Um dies zu erzielen, wird die Antriebsspannung, welche
durch die Generatoren V2 und V8 bereitgestellt wird, in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung erstellt (die Ausgangsspannung wird abermals
unter Verwendung eines Spannungsteilers R2, R3, welcher über die
Ausgabe verbunden ist, überwacht),
so dass sie die Steuerungsfunktion übernimmt, welche zuvor durch
Vprc und ihren zugehörigen
FET bereitgestellt wird. Dies spart den Bereich (und somit die Kosten) des
in Serie verbundenen Leistungs-FET ein. Die modifizierten Anschlusssteuersignale
sind in 5 gezeigt. Es ist bei dem Zeitdiagramm
zu erwähnen, dass
der Antriebspegel, welcher durch V2 und V8 zugeführt wird, verglichen mit den
weiteren Antriebssignalen, resultierend aus der Steuerung reduziert
ist.
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Somit
wird anhand von 4 und der obigen Beschreibung
anerkannt, dass bei dieser Ausführungsform
die Notwendigkeit nach einem zugewiesenen FET in dem Steuerungselement,
um beiden fliegenden Kondensatoren einen Strom bereitzustellen, vermieden
wird. Anstelle dessen werden die FETs M2 und M10 wirksam zwischen
dem Umschaltelement und dem Steuerelement der Schaltung aufgeteilt.
Anstelle eines einfachen vollständigen
Ein- oder Ausschaltens durch geeignete Steuersignale, werden diese
zwei FETs anstelle dessen mit einer Steuerspannung versorgt, deren
Größe von der
Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss abhängt (das heißt daraus
hergeleitet wird), so dass der Grad, auf welchem sie eingeschaltet
werden, gemäß der Ausgangsspannung
gesteuert wird.
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Eine
andere Version von der Erfindung ist in 6 gezeigt.
Diese enthält
mehrere Vprc-Generatoren und zugehörige FETs. Diese Form der Spannungssteuerung
ist insbesondere zur Einbeziehung bei Mehrfachausgabe-LNBs (bei
welchen angenommen wird, dass sie mehreren Empfangsgeräten, welche
mit jeweiligen Kabeln verbunden sind, Signale bereitstellen und
von ihnen eine Leistung empfangen) geeignet. Die Steuerung der Vorsteuerungsschaltungen
ist derart ausgelegt, dass sichergestellt wird, dass allen verbundenen
Vstb-Quellen ungefähr der
gleiche Strom zugeführt
wird, unabhängig
von ihrer Ausgangsspannung (Polarisationszustand). In 4 sind
die Vorsteuerungen derart entworfen, dass sie einen Eingangsstrom
anfordern, welcher derart eingestellt wird, um die erforderliche
Ausgangsspannung von dem Umschalt-Kondensator-Umwandler zu geben.
Eine Verwendung von identischen Eingangsstufen, welche durch das
gleiche Steuersignal angetrieben werden, bewirkt, dass der Eingangsstrom
gleichförmig
zwischen den zwei (oder mehreren) Eingängen (Set-Top-Boxen, STBs) aufgeteilt
wird.
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Bezug
nehmend nun auf 7, ist ein Teil von einem anderen
LNB in einer Ausführungsform der
Erfindung angezeigt, und welcher ebenfalls als ein rauscharmer Verstärker oder
LNA bezeichnet werden kann.
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LNAs
sind ein bekannter Typ von einem elektronischen Verstärker, welcher
in Kommunikationssystemen dazu verwendet wird, um sehr schwache Signale
zu verstärken,
welche über
eine Antenne eingefangen werden. Sie befinden sich typischerweise an
der Antenne und sind derart entworfen, dass sie dem empfangenen
Signal nur sehr wenig Rauschen hinzufügen. Die LNAs verstärken die
empfangenen Signale auf einen Pegel, welcher durch ein nachgeschaltetes
Empfangsequipment, mit welchem der LNA verbunden ist, erforderlich
ist. Sie können
ebenfalls als Signalerhöher
bezeichnet werden.
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Eine
bekannte Anwendung von LNAs liegt im Empfangen und Verstärken von
direkten Satellitenausstrahlungssignalen (DBS), und LNAs, welche
für diesen
Zweck ausgelegt sind, können
als DBS LNAs bezeichnet werden. Die DBS LNAs enthalten typischerweise
eine Anzahl von FETs (welche GaAs FETs sein können) zur Verarbeitung von
Funkfrequenz-(RF)-Signalen. Beispielsweise kann der DBS LNA dazu
ausgelegt sein, Signale zu empfangen, welche zwei unterschiedliche
Polarisationen haben, und zwei FETs können dazu verwendet werden,
um auszuwählen,
welche der eingegebenen Signal-Polarisationen verstärkt wird
und an ein nachgeschaltetes verbundenes Equipment überführt wird.
Ein FET kann ebenfalls in einer aktiven Mischerschaltung angeordnet
sein, um eine RF-Eingabe zu empfangen, wobei der Gate-Anschluss
oder Drain-Anschluss des FET durch ein Signal von einem Lokaloszillator
in dem LNA angetrieben wird. Die aktive Mischerschaltung ist dann
dazu in der Lage, ein Zwischenfrequenz-(IF)-Signal auszugeben (das
heißt
zu extrahieren).
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DBS
LNAs sind typischerweise erforderlich, um RF-Signale mit einem sehr
niedrigen Pegel, welche einen breiten Frequenzbereich abdecken,
zu erfassen und eine hohe Kanal-zu-Kanal-Isolation bereitzustellen.
Sie sollten ebenfalls dazu in der Lage sein, empfangene Signale
zu verstärken,
während vernachlässigbares
Rauschen eingeführt
wird, und welche dazu steuerbar sind, zwischen unterschiedlichen
eingegebenen Signal-Polarisationen auszuwählen (wie oben beschrieben).
Es ist bekannt, dass sie auf eine Band-Umschaltung steuerbar sind,
um somit dazu in der Lage zu sein, Signale über einen erhöhten Frequenzbereich
zu empfangen und zu verarbeiten. Es ist bekannt, dass sie dazu in
der Lage sind, herabzuwandeln, welches notwendig ist, um ein Eingabesignal
bei einer bestimmten Frequenz zu empfangen und ein entsprechendes
Signal auf einer niedrigeren Frequenz auszugeben. Ein weiteres Merkmal
bekannter DBS LNAs ist der Kabel-Antrieb, das heißt, dass
der LNA über
das gleiche RF-Kabel mit Leistung versorgt wird und gesteuert wird,
welches zur Weiterführung
der RF-Ausgabe des LNA an ein damit verbundenes Equipment (wie beispielsweise
eine „Set-Top-Box”) verwendet
wird.
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In
der Vergangenheit wurden bei DBS LNAs typischerweise mehrere separate
interne Schaltungsblöcke
auf einer Schaltungsplatine (PCB) einbezogen, wobei diese Blöcke enthalten:
einen Block, welcher eine FET-Vorspannungssteuerung und Schutzstufen
bereitstellt, einen Block, welcher dazu ausgelegt ist, eine negative
Versorgungsspannung zur Verwendung bei einer FET-Steuerung zu erzeugen,
einen Block, welcher dazu ausgelegt ist, den Pegel von einer DC-Eingangsspannung
zur Verwendung bei einer Polarisations-Umschaltsteuerung zu erfassen,
einen Block, welcher dazu ausgelegt ist, eine AC-Eingangsspannung
zur Verwendung bei einer Band-Umschaltsteuerung zu erfassen, einen Block,
welcher dazu ausgelegt ist, eine Umschaltung einer Leistung an Lokaloszillatoren
zu steuern, und einen Block, welcher dazu ausgelegt ist, eine gesteuerte
Leistungsversorgung bereitzustellen. Diese zahlreichen separaten
Blöcke
bei bekannten LNAs müssen
auf PCBs mit einem relativ großen
Bereich untergebracht werden und haben bis zu 50% oder mehr des
gesamten Bereichs der PCB des LNA eingenommen. Dies führte zu
zusätzlichen
Kosten hinsichtlich des gesamten LNA, wobei diese Kosten nicht nur
mit den separaten Bauteilen und der PCB (welche typischerweise aus
teurem RF-Material mit niedrigem Verlust erstellt wurden), sondern
ebenfalls mit dem LNA-Gehäusematerial
(Legierung und Kunststoff) in Zusammenhang stehen.
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Abermals
Bezug nehmend auf 7, stellt diese einen Teil von
einem DBS LNA in einer Ausführungsform
der Erfindung dar, und welche einen monolithischen Träger IC1
enthält,
welcher selber ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung ist.
Zusätzlich
zu dem Träger
IC1, enthält
der LNA mehrere externe Bauteile, welche vier FETs F1, F2, F3 und
F4 und zwei Kalibrierungs-Widerstände R1 und R2 enthalten. Die
elektrische Leistung zum Betreiben des LNA wird dem Leistungseingabeanschluss 10 zugeführt, und
der Träger
IC1 enthält
eine Spannungssteuerung 4 gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung, welche dazu ausgelegt ist, eine gesteuerte Spannungsversorgung
aus dieser Leistungseingabe zu erzeugen, um Bauteile sowohl auf dem
Chip als auch außerhalb
des Chips mit Leistung zu versorgen. Der Träger IC1 enthält eine
FET-Steuerschaltung 2, welche dazu ausgelegt ist, die Drain-Ströme von jedem
FET zu überwachen
und zu steuern, und im Allgemeinen die Vorspannungszustände (hinsichtlich
der Vorspannungsströme
und Vorspannungsspannungen) für
alle externen FETs einzustellen. Bei dieser FET-Steuerschaltung 2 kann angenommen
werden, dass sie eine erste, zweite und dritte Stufe 21, 22, 23 enthält, welche
dazu ausgelegt sind, jeweils die Vorspannung der FETs F1, F2 und
F3 zu steuern. Eine vierte Stufe 24 steuert die Vorspannung
eines FET F4, welcher in einem Mischeraufbau (in der Figur nicht
angezeigt) angeordnet ist, um ein RF-Eingangssignal und ein Signal von
einem der zwei Lokaloszillatoren von dem LNA (die Lokaloszillatoren
sind in der Figur nicht angezeigt) zu empfangen, und ein Signal
bei einer Zwischenfrequenz zu erzeugen. Die FET-Steuerschaltung
enthält
ebenfalls eine FET-Vorspannungs-Stromsteuerstufe 25, welche
dem Vorspannungsstrom der FETs F1, F2 und F3 steuert. Die Vorspannungs-Stromsteuerstufe 25 ist
mit dem externen Kalibrierungswiderstand R1 verbunden, durch welchen
ein Kalibrierungsstrom fließt.
Die Vorspannungs-Stromsteuerstufe 25 tastet diesen Kalibrierungsstrom
ab, wobei dieses Merkmal im Folgenden detaillierter beschrieben
wird. Die FET-Steuerschaltung enthält ebenfalls eine Mischer-Vorspannungs-Stromsteuerstufe 26,
welche dazu ausgelegt ist, einen Mischer-Kalibrierungsstrom über einen zweiten Kalibrierungs-Widerstand
R2 abzutasten, und eine unabhängige
Steuerung des Vorspannungs-Stroms über den Mischer-FET F4 bereitzustellen.
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Der
monolithische Träger
IC1 enthält
ebenfalls eine Polarisations-Steuerschaltung 3, welche ebenfalls
als eine FET-Auswahlschaltung beschrieben werden kann. Diese Schaltung 3 ist
dazu ausgelegt, den Pegel von einer DC-Komponente des Spannungssignals,
welches dem Leistungseingang 10 zugeführt wird, zu erfassen, und
ein FET-Auswahl-Steuersignal der FET-Steuerschaltung 2 gemäß dem erfassten
DC-Pegel bereitzustellen.
In diesem Beispiel aktiviert die Polarisations-Steuerschaltung 3 gemäß dem erfassten
Pegel der Gleichspannung DC an dem Leistungseingang 10 den
einen oder den anderen der FETs F1 und F2 (und selbstverständlich kann
dies ebenfalls als ein selektives Ausschalten von gerade mal einem
dieser zwei FETs beschrieben werden). Der FET F1 ist dazu ausgelegt, eine
dem LNA eingegebene Signalpolarisation zu verarbeiten, und der zweite
FET F2 ist dazu ausgelegt, eine unterschiedliche Polarisation zu
verarbeiten. Somit ist die Polarisations-Steuerschaltung 3 dazu in der
Lage, zu bestimmen, welche Polarisation des Eingangssignals der
LNA gemäß der DC-Komponente
einer Spannung, welche dem Leistungseingang 10 angelegt
ist, verstärkt.
In bestimmten Beispielen ist diese Leistungseingabe ebenfalls die RF-Ausgabe
von dem LNA, und die DC-Komponente, welche dazu verwendet wird,
um eine Signalpolarisation auszuwählen, ist dem LNA durch ein
stromabwärts
verbundenes Equipment bereitgestellt. Der monolithische Träger IC enthält ebenfalls
eine Negativversorgung-Generatorschaltung 5, welche dazu ausgelegt
ist, eine Negativversorgung unter Verwendung der gesteuerten Ausgangsspannung
von der Steuerung 4 zu erzeugen. Diese Negativversorgung wird
der FET-Steuerschaltung bereitgestellt, welche wiederum dann dazu
in der Lage ist, den externen FETs negative Steuerspannungen bereitzustellen.
In bestimmten Ausführungsformen
ist der Negativversorgung-Generator 5 ebenfalls dazu ausgelegt,
anderen Bauteilen des LNA, extern zum Träger IC1, die Negativversorgung
bereitzustellen.
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Der
Träger
IC1 in 1 enthält
ebenfalls eine Klangerfasserschaltung 6 (engl.: tone detector circuit),
welche dazu ausgelegt ist, das Vorliegen oder Nichtvorliegen von
einem AC-Steueranteil (das heißt
ein Steuerklang) auf dem Signal zu erfassen, welches dem Leistungseingang 10 bereitgestellt
ist. Der Klangerfasser 6 stellt wiederum ein Erfassungssignal
einer Lokaloszillator-Leistungs-Umschaltschaltung 7 bereit,
welche gemäß dem Vorliegen oder
Nichtvorliegen des Steuerklangs eine gesteuerte Leistungsversorgung
von der Spannungssteuerung 4 an einen oder einen anderen
von einem Paar von Ausgangsanschlüssen 71, 72 zuführt. Der
Anschluss 71 ist dazu ausgelegt, eine Leistung an einen Hochband-Lokaloszillator,
welcher im LNA enthalten ist, zuzuführen, und der Anschluss 72 stellt
eine Leistung an einen zweiten Tiefband-Lokaloszillator bereit.
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Der
LNA von 7 wird nun detaillierter beschrieben.
Wie oben erwähnt,
ist 7 ein Blockdiagramm von Bauteilen von einem Single
Universal DBS LNA 100, welcher einen vollständig monolithischen
LF-Träger
IC1 enthält.
Die Blöcke
enthalten eine FET-Steuerung 2 (welche eine Vorspannungssteuerung
und eine FET-Strom-Einstellung
bereitstellt), eine Polarisations-Umschaltsteuerung 3,
einen Negativversorgung-Generator 5, einen Klangerfasser 6,
einen LO-Umschalter 7, eine interne Spannungsreferenz und
eine Leistungssteuerung 4.
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Die
FET-Vorspannungs-Steuerstufen schützen und steuern den Betrieb
von mehreren GaAs FETs F1–F4,
welche zur Verarbeitung von RF-Signalen nötig sind, welche in bestimmten
Ausführungsformen
im Bereich von 5–15
GHz sein können.
Diese Verarmungstyp-FETs benötigen
korrekt gesteuerte Drain-Spannungsversorgungen, eine Drain-Strom-Überwachung
und -Steuerung, Gate-Treiber, welche gegen eine Überspannung und einen Überstrom
geschützt
sind, welche dazu in der Lage sein müssen, Spannungen unterhalb
des Massepotenzials zu beziehen.
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Eine
Nutzersteuerung über
einen FET-Drain-Betriebsstrom ist für gewöhnlich erforderlich, um sowohl
eine Rauscheigenschaft als auch einen Gewinn zu steuern. Ausführungsformen
der Erfindung folgen teilweise vorherigen Annäherungen zur teilweisen Integration,
indem es dem Benutzer ermöglicht
wird, einen Drain-Strom mit einem einzelnen externen Widerstand
R1 (ebenfalls bezeichnet als RcalA) einzustellen, welcher einen
Kalibrierungsstrom einstellt. Jedoch haben Erfahrungen aus diesen
vorherigen Annäherungen
zur Integration aufgezeigt, dass die Aufgabe der Übereinstimmung
(High) der Drain-Strom-Überwachungs-Widerstände mit (Low)
Kalibrierungsstrom-Überwachungen
zu übermäßig großen internen
Bauteilen führt.
In bestimmten Ausführungsformen
von dieser Erfindung werden eingeteilte Bipolar- oder MOSFET-Transistoren
dazu verwendet, um die Übereinstimmungsaufgabe
durchzuführen,
welches zu wesentlichen Einsparungen des Plattenbereichs ohne Verlust
von Genauigkeit führt.
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Viele
Typen von DBS LNAs müssen
die Erfordernis einhalten, dass sie dazu betriebsbereit sind, zwischen
einer von zwei eingegebenen Signalpolarisationen auszuwählen, typischerweise
zwischen Vertikal und Horizontal, oder zwischen Uhrzeigersinn und
Gegenuhrzeigersinn. Dies wurde erzielt, indem selektiv einer von
zwei Eingabeverstärker
FETs (jeder empfängt
und verstärkt
lediglich eine Polarisation) eingeschaltet wurde. Die Ausgaben von
beiden FETs werden hinzugefügt
und dann der nächsten RF-Verstärkerstufe
zugeführt.
Das Einschalten und Ausschalten dieser Stufen ist ein komplexer
Betrieb, da Eingabe- und Ausgabe-RF-Impedanzen sorgsam beibehalten
bzw. gesteuert werden müssen,
wenn eine Isolation (zwischen Polarisationen), ein Gewinn und eine
Rauscheigenschaft beizubehalten sind. Zwei Entwurfsvarianten zur
Unterstützung
dieser Auswahl wurden in Ausführungsformen
von der Erfindung entwickelt. Die erste Technik, welche in Ausführungsformen
der Erfindung verwendet wird, schaltet die ungewünschte Polarisation aus, indem
der Gate-Anschluss des geeigneten FET auf eine hohe, jedoch gesteuerte
negative Spannung getrieben wird, wodurch ein jeglicher Drain-Strom
in der Vorrichtung vollständig
abgeschaltet wird. Die Drain-Versorgung wird ebenfalls ausgeschaltet,
wodurch eine Hinzufügung
der zwei Polarisationssignale unter Verwendung einer direkten Verbindung
von den zwei Drain-Anschlüssen
ermöglicht
wird. Die zweite Variante, in alternativen Ausführungsformen, schaltet abermals
die ungewünschte
Polarisation aus, indem die Drain-Versorgung ausgeschaltet wird,
jedoch treibt sie ebenfalls den Gate-Anschluss des geeigneten FET
auf 0 V an. Wenn der FET eine Vorrichtung vom Verarmungstyp ist,
wird der FET somit in den Zustand eines geringen Widerstandes angetrieben (anstelle
eines Leerlaufs, wie bei dem ersten Verfahren). Die Entwerfer des
LNA können
die Konsistenz einer Impedanz-Übereinstimmung,
welche durch diese alternative Polarisationssteuerung gegeben ist, bevorzugen.
Die DBS LNA Polarisation kann gesteuert werden, indem die DC- Leistungsversorgungsspannung
variiert wird, welche durch das RF-Überführungskabel bereitgestellt
wird. Übliche
Pegel sind eine 13-V-Eingabe oder eine 18-V-Eingabe, um die eine
oder die andere der zwei Polarisationen auszuwählen. Durch die Integration
von einer Leistungsversorgungssteuerung im Träger IC in Ausführungsformen
der Erfindung, ist dieses Polarisationssignal ohne jegliche zusätzliche
Eingabestifte an der Baugruppe erhältlich. Die zusätzlichen
Aufgaben, welche in Ausführungsformen
von der Erfindung durchgeführt
werden, um diese Einsparung zu erlauben, liegen im Bereich einer
wirksamen Herausfilterung von jeglichem ungewünschten Systemrauschen und Wechselsteuersignalen,
ohne die Verwendung von jeglichen externen Bauteilen. Dies ist keine
triviale Aufgabe, da das Erlauben von Kabelspannungsabfällen und
Steuerungs-Ungenauigkeiten den erforderlichen Steuersignal-Schwellwertbereich
auf so gering wie 14,2 V bis 15,2 V reduzieren kann. Diese Fähigkeit
ist ebenfalls bei dem Vorliegen von AC-Steuersignalen und einem
Rauschen, in der Amplitude größer als
der verbleibende Erfassungsbereich, bereitgestellt. Ausführungsformen
der Erfindung verwenden eine Kombination von Filtern und Verzögerungsschaltungen,
um die schwierige Aufgabe einer genauen DC-Eingabepegel-Erfassung unter Verwendung
von integrierten Bauteilen von einer akzeptablen Größe zu erzielen.
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Es
wurde bereits erwähnt,
dass die FETs des GaAs-Verstärkers,
wie in bestimmten Ausführungsformen
angegeben, Vorrichtungen vom Verarmungstyp sind, welche Versorgungen
unterhalb (negativer als) Masse zur Steuerung benötigen. Da
das allgemeine RF-DC-Versorgungskabel eine solche Versorgung nicht
direkt bereitstellen kann, muss sie innerhalb der DBS LNA erzeugt
werden. Der Träger IC
in den Ausführungsformen
der Erfindung stellt diese Versorgung ohne die Notwendigkeit nach
jeglichen externen Bauteilen bereit. Er kann ebenfalls die Versorgung
für den
LNA-Entwerfer zur Verwendung mit weiteren bzw. neuen Merkmalen verfügbar machen,
welche durch anfängliche
Implementierungen nicht unmittelbar eingehalten werden. In bestimmten Ausführungsformen
verwendet der Negativversorgungsgenerator eine standardisierte Kondensator-Ladepumpeschaltung.
Beim Betrieb bei einer sehr hohen Frequenz (> 1 MHz), kann er ausreichend Strom für sowohl
die Gate-Treiber als auch jegliche externe Erfordernisse ohne die
Notwendigkeit eines externen Pump-Kondensators bereitstellen. Seine
Aufgabe wird in bestimmten Ausführungsformen
gesteuert und im Strom begrenzt, um sicherzustellen, dass die externen
FETs nicht durch übermäßige Gate-Source-
oder Gate-Drain-Spannungen beschädigt werden
können.
Die neuartige Verwendung von Isolations-Diffusionen (im Folgenden beschrieben)
ist notwendig, um die Integration von einem Schaltkreis unterhalb
Masse in einem IC-Prozess zu ermöglichen,
bei welchem das Plattensubstrat mit Masse verdrahtet ist. Ohne diese
Techniken wären
viele zusätzliche
Baugruppen-Stifte und externe Bauteile notwendig.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind bestimmte monolithische Träger-ICs dazu in der Lage, DBS
LNAs zu unterstützen,
welche eine Band-Umschaltung enthalten. Dies wird erzielt, indem
einer von zwei Lokaloszillatoren eingeschaltet wird. Das Signal,
welches dazu verwendet wird, um zwischen Bändern umzuschalten, ist ein
Niedrigfrequenz-Klang (beispielsweise 22 kHz), welcher der DC-Zuführung des
LNA hinzugefügt
wird. Somit kann das Zuführkabel
derart ausgelegt sein, dass es das empfangene RF-Signal, eine DC-Zuführung, welche sowohl
den LNA speist als auch die Polarisation auswählt, und ein AC-Signal, welches
das empfangene Band auswählt,
weiterleitet. Ein vorliegender Klang kann ein Hochband auswählen und
ein nicht-vorliegender
Klang kann ein Tiefband auswählen.
Wie zuvor erwähnt,
können
weitere Signale auf dem Zuführkabel
zum Zwecke der LNA-Steuerung vorliegen. Weitere Signale, welche
vorliegen können,
sind DiSEqC-Signale, MACAB-Signale, 60-Hz-Klänge (dies sind alles Steuersignale
für ein
weiteres Equipment, welches das gleiche Zuführkabel gemeinsam nutzen kann),
zusammen mit Leistungsversorgungsrauschen und Interferenz, welche
durch den LNA selber verursacht werden. Der gewünschte Klang muss beim Vorliegen
von vielen Interferenzquellen zuverlässig erfasst werden. Bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung verwenden eine Kombination aus Filterung, Pegelauswahl
und Modulationserfassung, um bei dieser rauen Umgebung erfolgreich
arbeiten zu können.
Die gesamte Signalverarbeitung wird ohne die Notwendigkeit nach
jeglichen externen Bauteilen vorgenommen. Das Eingangssignal wird
direkt von der Leistungseingabe an den IC entnommen, so dass keine
Eingabe- oder Filterbauteil-Stifte
für den Klangerfasser
erforderlich sind.
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In
bestimmten Implementierungen in einer Ausführungsform der Erfindung, wird
die Band-Umschaltung vorgenommen, indem Hochseite-Umschalter aktiviert
werden, welche die DC-Versorgung zu den zwei Lokaloszillatoren steuern.
Alternativ kann sie ebenfalls durch eine Gate-Steuerung von MIMIC-Vorrichtungen
erzielt werden. Eine Lokaloszillator-Versorgungsumschaltung kann
problematisch sein. Aus Gründen
der RF-Stabilität
müssen
die Versorgungen zu den Lokaloszillatoren stark entkoppelt sein.
Ein Umschalten der Versorgungen bewirkt somit wesentliche Versorgungsstromschwankungen, wenn
Versorgungs-Glättungskondensatoren
aufgeladen werden. Da diese Ströme
von der DC-Eingabe zum LNA herrühren,
welche für
gewöhnlich
eine schlechte (hohe) Quellen-Impedanz hat, können hohe Spannungsschwankungen
auf die DC-Zuführung
durch die Lokaloszillator-Umschaltung induziert werden. Dies kann
Probleme hervorrufen, da die Schwankungen die gleiche Klangsignaleingabe,
wie sie zur anfänglichen
Umschaltung verwendet wird, unterbrechen. Ausführungsformen von der Erfindung steuern
die Lokaloszillator-Versorgungs-Umschaltung
auf eine solche Art und Weise, indem Versorgungsstromschwankungen
vollständig
beseitigt werden. Dies wird unter Verwendung einer Kombination aus
Ausblendung, Verzögerungsschaltungen
und Anstiegszeitsteuerung vorgenommen.
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Die
Integration einer Leistungssteuerung in die DBS LNA Steuerung (das
heißt
der monolithische Träger
IC) ist ein wichtiger Teil zum Reduzieren der Anzahl von Baugruppen-Stiften
und der Verdrahtung zwischen Bauteilen. Die Leistungseingabe in
den LNA ist eine variable Spannungs-DC-Zuführung mit hohen Pegeln von
Rauschen und Interferenz. Es ist eine Hochleistungs-Steuerung notwendig,
um diese Quelle zu verwenden, um eine DC-Versorgung mit geringem
Rauschen an die Verstärker
GaAs FETs, Lokaloszillatoren und Nachmischer-Verstärker, welche
in den meisten LNAs vorliegen, bereitzustellen. Diese Steuerung
muss stabil sein, eine hohe Eingaberauschen-Unterdrückung (insbesondere
bei 22 Kilohertz) haben und Fehlern (Überstrom und Übertemperatur)
ohne dauerhaften Schaden widerstehen. In Ausführungsformen dieser Erfindung
ist die Steuerung mit einer Spannungsreferenz verbunden, welche
kalibrierte Spannungen für
den Polarisations-Erfasser und die Steuerung, zusammen mit einer Übertemperatur-Erfassung,
bereitstellt. Die Steuerung erfasst einen Überstrom, indem ein bestimmter
Anteil des Ausgabestroms mit einem internen Referenzstrom verglichen
wird. Diese Technik vermeidet die Notwendigkeit, Widerstände in die
Hochstrom-Eingabe oder in Ausgabepfade zu setzen, welche eine Ausgabesteuerung
oder eine minimale Eingabebetriebsspannung verschlechtern könnten.
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Bestimmte
Ausführungsformen
verwenden einen monolithischen Träger IC in der Form von einer QFN-(Quad
Flat No-Lead)-Oberflächen-Befestigungsbaugruppe.
Eine Integration von sämtlichen LF-Funktionen
auf die wie beschriebene Art und Weise, hat in bestimmten Beispielen
die Anzahl von erforderlichen Stiften auf lediglich 16 Stifte reduziert. Dies
erlaubt die Verwendung von einer sehr kleinen 3 mm × 3 mm × 0,8 mm
Baugruppe, um alle Niedrig-LF-Funktionen durchzuführen, welche
in einem DBS LNA erforderlich sind. In dieser Baugruppe ist das
IC-Bauteil auf einer Metallplatte befestigt, wobei die Rückseite
davon der PCB ausgesetzt ist. Diese Platte wird mit dem oberen Metall
der doppelseitigen PCB verlötet.
Die Rückseite
der PCB, angrenzend zum IC, muss ebenfalls mit Metall versehen werden, und
die zwei Metallspuren sollten durch zwei oder mehrere Metall überzogene
Durchgangsloch-Zuführungen
verbunden werden. Ferner sollte die PCB fest an der Metalllegierung
gehalten werden, welche angrenzend zum IC-Befestigungspunkt vorliegt.
Diese Befestigungsanordnung wird sicherstellen, dass die Verbindung
zum Umgebungs-Wärmewiderstand
des IC niedrig genug sein wird, um jeglichen Leistungsverlust in
der linearen Steuerung der Leistungsversorgung abzuführen. Die
geschriebene Implementierung erzielt eine Kontaktstelle zum Umgebungs-Wärmewiderstand
von lediglich 30°C/W,
wenn sie auf diese Art und Weise befestigt ist.
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7 zeigt
die Haupt-Schaltungsblöcke
des monolithischen Träger-ICs,
welcher in dem LNA verwendet wird, und die externen Bauteile, welche
durch den IC unterstützt
werden und für
diesen erforderlich sind. Der IC unterstützt vier externe GaAs FETs,
JA1, JA2, JA3 und JM. Zwei der FETs (JA1 und JA2) werden als Eingangsverstärker verwendet,
und zwar einer jeweils für
einen Eingabesignal-Polarisationszustand, wobei lediglich einer
davon zu einem jeglichen Zeitpunkt eingeschaltet sein wird. Ein
dritter FET JA3 wird permanent mit Energie versorgt und wird als
ein Verstärker
verwendet. Der vierte FET JM wird als ein Mischer verwendet. Die
Drain-Ströme
der Verstärker-FETs
und des Mischer-FET werden durch einen Benutzer unter Verwendung
von zwei „Kalibrierungs”-Widerständen R1,
R2 eingestellt. Der IC stellt Leistungsausgaben für zwei Lokaloszillatoren,
Tiefband und Hochband, bereit. Er liefert ebenfalls eine Leistung
an jegliche erforderliche IF-Band-Verstärker. Alle Schaltungen werden
durch eine interne Steuerung 4 mit Leistung versorgt, welche über einen Stift
Vin zugeführt
wird. Dieser Stift dient nicht nur lediglich als Versorgungseingabe,
sondern speist ebenfalls einen Spannungs-Komparator 3 zur Polarisationszustand-Steuerung
und einen Klang-Erfasser 6 zur Tiefband-/Hochband-Steuerung.
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Anhand
des Obigen wird anerkannt, dass bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
einen monolithischen IC verwenden, welcher eine teilweise lineare
Vorsteuerung, gefolgt durch einen 2-Phasen-Umschalt-Kondensator
Herab-Umwandler bereitstellt. Die Vorsteuerung führt zwei Aufgaben durch. Ihre
schwache Steuerung ermöglicht,
dass ein wesentliches Rauschen an ihrer Ausgabe erscheint, ohne
dass das Rauschen auf ihre Eingabe gekoppelt wird (sie lockert die
Ausgabespannung-Steuerung
für eine
gute Rauschunterdrückung
auf). Die zweite Funktion liegt selbstverständlich in der Bereitstellung eines
gesteuerten Ladestroms an die Kondensatoren (dies kann ebenfalls
angesehen werden als eine Bereitstellung eines Grades an Spannungssteuerung, um
die Spannung, welche zur Aufladung der Kondensatoren benötigt wird,
zu reduzieren, bevor die Umschalt-Kondensator-Anordnung die Spannung am Ausgabeanschluss
weiter reduziert (typischerweise um die Hälfte)). In Mehrfach-Ausgabe-LNBs
in einer Ausführungsform
der Erfindung, können
mehrere Vorsteuerungen einen einzelnen Umschalt-Herab-Umwandler
versorgen, welches sowohl eine Rauschisolation als auch eine Versorgungsstrom-Aufteilung zwischen
Leistungseingaben bereitstellt. Die einfachsten einzelnen Phasen-Herab-Umwandler (entweder
induktiv oder kapazitiv) erzeugen ein sehr hohes Eingabestromrauschen.
Mehrfach-Phase-Umwandler können
dieses Problem beseitigen, können
jedoch zu einer wesentlichen Kostenerhöhung führen. Indem ein 2-Phasen-Kondensator-Herab-Umwandler
(Umschalt-Kondensator) verwendet wird, stellen Ausführungsformen
der Erfindung eine größtenteils
rauschfreie Lösung
bei Kosten bereit, welche sogar unterhalb denen von Einzel-Phasen-Schaltungen
auf Induktorbasis liegen. Ebenfalls können durch die Inbezugnahme
der Vorsteuerung, der Spannungsumwandlung und der LNB FET Vorspannungsunterstützung in
einem IC, in bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung, die Kosten der Baugruppe, der Zwischenverbindungs-Bauteile,
des PCB- und LNB-Gehäuses
sämtlich
reduziert werden. Ausführungsformen
von der Erfindung ermöglichen somit,
dass Leistungseinsparungen und eine Produkt-Vereinfachung vorgenommen
werden. Bestimmte Ausführungsformen
stellen ebenfalls eine integrierte Spannungssteuerung in Träger-ICs
zur Einbeziehung in Mehrfach-Ausgabe-LNBs bereit.
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Es
wird ebenfalls anerkannt, dass sich Ausführungsformen von der vorliegenden
Erfindung von LNB-Spannungssteuerungen aus dem Stand der Technik
unterscheiden können,
indem sie eine schwache Vorsteuerung, eine Umschalt-Kondensator-Leistungsumwandlung,
eine 2-Phasen-Leistungs-Umwandlung bereitstellen, sie eine FET-Vorspannung-Unterstützung enthalten
können,
sie Polarisationsspannungs- und Klang-Erfasser enthalten können, und
sie auf einem monolithischen IC integriert werden können. Sie
können
ebenfalls komplizierte Leistungsverwaltungsstrategien enthalten, ohne
dass eine externe Signalweiterleitung notwendig ist.
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Es
wird ebenfalls anerkannt, dass Ausführungsformen der Erfindung
dazu in der Lage sind, zahlreiche Vorteile bereitzustellen, welche
enthalten: eine geringere Umschaltrauschen-Rückführung auf ein Leistungs-/RF-Zuführkabel;
eine höhere
Effizienz als lediglich lineare Steuerungslösungen; niedrigere Gesamtkosten
bei LNB-Lösungen;
und reduzierte Umgebungseinflüsse.
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Es
wird ebenfalls anerkannt, dass Ausführungsformen der Erfindung
in einer großen
Vielfalt von Anwendungen verwendet werden können, welche Einzel- und/oder
Mehrfach-Ausgabe-Satelliten-LNBs, Satelliten-Umschalt-Geräte und Satellitensignal-Empfangssysteme enthalten.
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Zusammenfassung
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Eine
Spannungssteuerung enthält
einen ersten und zweiten Kondensator und ein Steuerungselement,
welches dazu ausgelegt ist, einen jeweils gesteuerten Ladestrom
von einem Eingangsanschluss an jeden der Kondensatoren bereitzustellen.
Das Steuerungselement enthält
zumindest eine Vorrichtung, über
welche zumindest ein Anteil des jeweiligen Ladestroms an zumindest
einen der Kondensatoren zugeführt
wird. Die Vorrichtung ist durch ein Steuersignal steuerbar, um den
Stromfluss durch die Vorrichtung zu steuern. Das Steuerungselement
enthält ferner
ein Steuersignal-Versorgungselement,
welches mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist und dazu ausgelegt
ist, das Steuersignal der Vorrichtung bereitzustellen, wobei das
Steuersignal von einer Spannung an dem Ausgangsanschluss derart
abhängt,
so dass ein Stromfluss durch die Vorrichtung gemäß der Spannung an dem Ausgangsanschluss gesteuert
wird.