-
Die
Erfindung betrifft eine HF-Eingangsstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Eine
derartige HF-Eingangsstufe ist beispielsweise aus der
EP 0 654 900 A2 bekannt.
Die vorbekannte HF-Eingangsstufe, die in einem Funkgerät einem
Leistungsverstärker
vorgeschaltet ist und der Regelung der Sendeleistung des Funkgerätes dient,
weist eine geregelte Verstärkerstufe,
eine Gleichrichterstufe und eine Regelverstärkerstufe auf. Mit der Verstärkerstufe
wird dabei aus einem modulierten HF-Signal ein Wechselspannungs-Ausgangssignal
erzeugt, welches über
einen Sensortreiberverstärker
der Gleichrichterstufe als Wechselspannungs-Eingangssignal zugeführt wird
und in dieser zur Bildung einer der Amplitude des Wechselspannungs-Ausgangssignals
entsprechenden Richtspannung gleichgerichtet wird. Die Richtspannung
wird der Regelverstärkerstufe
zugeführt,
die die Richtspannung mit einer die Sendeleistung des Funkgerätes vorgebenden
Steuerspannung vergleicht und als Ergebnis dieses Vergleiches ein
Signal zur Einstellung der Verstärkung
der Verstärkerstufe
generiert. Um Regelschwingungen bei diesem Regelkreis (rückgekoppeltem
System) zu verhindern, wird mittels einer HF-Drossel und eines Siebkondensators, die
die Regelzeitkonstante des Regelkreises bestimmen, ein „dominanter
Pol" des rückgekoppelten
Systems erzeugt.
-
Derartige
Eingangsstufen werden im HF-Bereich (Audio- bzw. Videoanwendungen)
auch in Empfängerschaltungen
als Pegelanpaßstufen
zur Anpassung der Spannungspegel von HF-(Wechselspannungs-)Eingangssignalen
an nachfolgende Signalverarbeitungsstufen benötigt, da die Amplituden der von
einer Sendeanlage (Rundfunkstation, Fernsehstation) abgestrahlten
HF-Sendesignale
innerhalb eines großen
Bereichs schwanken können – bsp. kann die
Amplitude des HF-Sendesignals und damit auch die Amplitude bzw.
der Spannungspegel des HF-Eingangssignals in Abhängigkeit von der Ent fernung
zur Sendeanlage oder infolge der unterschiedlichen Sendeleistung
mehrerer von einer Sendeanlage abgestrahlter Sender beträchtlich
variieren.
-
Nachteilig
hierbei sind der Aufwand und die Mehrkosten einerseits für die zur
Erzielung einer ausreichend großen
Richtspannung benötigte
Regelverstärkerstufe
und andererseits für
die HF-Drossel und den einen großen Flächenbedarf (Chipfläche) aufweisenden
Siebkondensator der Gleichrichterstufe.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Eingangsstufe gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 anzugeben, die mit einer geringen Anzahl von
Bauelementen kostengünstig
realisierbar ist und einen großen
Regelbereich der Richtspannung aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
-
Die
vorgestellte HF-Eingangsstufe zur HF-Verstärkungsregelung mittels eines
als „Stromverteilungsregelung" ausgeführten rückgekoppelten Systems
(Regelkreises) ist in einen Schaltkreis integriert. Ihre Gleichrichterstufe
ist in der Art einer Eintaktverstärkerstufe ausgebildet, d.h.
sie generiert aus einem Wechselspannungs-Eingangssignal durch Gleichrichtung
und exponentielle Verstärkung
eine verstärkte
Gleichspannung, die als „Stellgröße" der das „Stellglied" des Regelkreises
bildenden geregelten Verstärkerstufe
zugeführt
wird.
-
Hierzu
besteht die Gleichrichterstufe aus einem bipolaren aktiven Verstärkertransistor
zur Generierung der verstärkten
Gleichspannung, einem Referenztransistor zur Generierung einer Referenzspannung
zur Arbeitspunkteinstellung des aktiven Verstärkertransistors und optional
einem zum aktiven Verstärkertransistor
gleichartig ausgebildeten und beschalteten Kompensationstransistor
zur Generierung einer Kompensationsspannung zur Kompensation der
Temperatur- und Toleranzabhängigkeit
des aktiven Ver stärkertransistors;
die geregelte Verstärkerstufe
weist zwei in Basisschaltung betriebene emittergekoppelte HF-Verstärkertransistoren
auf. Die Gleichrichterstufe beinhaltet weiterhin einen am Kollektoranschluß des aktiven
Verstärkertransistors
gegen Bezugspotential angeschlossenen Siebkondensator, der erstens
die nach der Gleichrichtung im Ausgangssignal des aktiven Verstärkertransistors noch
bestehenden hochfrequenten Wechselspannungsanteile absiebt und diese
somit gegen Bezugspotential kurzschließt, der zweitens zur Vermeidung
von Regelschwingungen die Regelzeitkonstante des Regelkreises als
dominanten Pol festlegt, und der drittens den erforderlichen „HF-Kurzschluß" (Verbindung des
Basisanschlusses gegen Bezugspotential) für den mit der Regelspannung
beaufschlagten HF-Verstärkertransistor
der geregelten Verstärkerstufe
mit übernimmt.
Zur zusätzlichen
Dämpfung
der hochfrequenten Wechselspannungsanteile am Ausgang des aktiven
Verstärkertransistors
der Gleichrichterstufe kann am Kollektoranschluß des aktiven Verstärkertransistors
ein Dämpfungswiderstand
vorgesehen werden, so daß der
Siebkondensator in diesem Fall zwischen dem Dämpfungswiderstand und Bezugspotential
angeordnet ist.
-
Dieser
Schaltungsanordnung können
die Funktionseinheiten des Regelkreises zur HF-Verstärkungsregelung
folgendermaßen
zugeordnet werden: die Stellgröße des Regelkreises
ist die aus dem Wechselspannungs-Eingangssignal (HF-Signal infolge
der Gleichrichtung an der Emitter-Basis-Diode des aktiven Verstärkertransistors
der Gleichrichterstufe und gleichzeitiger Verstärkung entstandene verstärkte Gleichspannung
(man erhält
hierdurch eine große
Spannungsänderung
für einen
bestimmten Spannungswert des Wechselspannungs-Eingangssignals),
die Führungsgröße ggf.
die vom Kompensationstransistor bereitgestellte Kompensationsspannung,
das Stellglied die geregelte Verstärkerstufe (die beiden HF-Verstärkertransistoren),
die Regelgröße die Ausgangsspannung,
mit der der Eingang der Signalverarbeitungsstufe beaufschlagt wird;
das Regelglied wird aus der Signalverarbeitungsstufe mit ihrer inhärenten HF-Verstärkung, dem
aktiven Verstärkertransistor
der Gleichrichterstufe und der Zeitkonstante aus Siebkondensator
und Kollektorwiderstand des aktiven Verstärkertransistors gebildet. Dem
Stellglied wird als Eingangssignal die Richtspannung entweder als
verstärkte
Gleichspannung oder als Spannungsdifferenz aus verstärkter Gleichspannung
und Kompensationsspannung zugeführt und
von diesem verarbeitet. Falls die Richtspannung unter Zuhilfenahme
eines Kompensa tionstransistors generiert wird, wird die Stellgröße (verstärkte Gleichspannung)
und die Führungsgröße (Kompensationsspannung)
jeweils einem der beiden am Emitteranschluß verbundenen HF-Verstärkertransistoren
zugeführt;
das Ausgangssignal des Stellglieds (die Regelgröße) wird aber nur am Kollektoranschluß des mit
der verstärkten
Gleichspannung beaufschlagten HF-Verstärkertransistors abgenommen.
Demnach fließt
für kleine
Spannungen des Wechselspannungs-Eingangssignals ein Gleichstrom
nur durch diesen HF-Verstärkertransistor
(die verstärkte Gleichspannung
muß daher
im Ruhezustand größer als
die vom Kompensationstransistor bereitgestellte Kompensationsspannung
sein), mit steigender Spannung des Wechselspannungs-Eingangssignals übernimmt
auch der mit der Kompensationsspannung (Führungsgröße) beaufschlagte HF-Verstärkertransistor
einen Teil des Gleichstroms, so daß der Gleichstrom durch den
anderen HF-Verstärkertransistor und
damit der Eingangsleitwert in den Emitteranschluß des ersten HF-Verstärkertransistors
reduziert wird, ohne daß Verzerrungen
des Wechselspannungs-Eingangssignals zunehmen. Da die Summe der
Gleichströme
durch beide HF-Verstärkertransistoren
konstant ist, ist auch die Summe der Leitwerte in die Emitteranschlüsse beider
HF-Verstärkertransistoren
konstant. Mit steigendem Eingangssignal übernimmt der zweite HF-Verstärkertransistor
einen immer größer werdenden
Anteil des Gleichstroms und damit auch einen proportional steigenden
Anteil des Wechselstroms des Eingangssignals.
-
Bei
der integrierten HF-Eingangsstufe ist vorteilhafterweise:
- – aufgrund
des effektiven Richtverhaltens durch die Gleichrichterstufe bereits
ohne zusätzliche Verstärkereinheit
eine ausreichende Richtspannung als Spannungsdifferenz aus verstärkter Gleichspannung
und Kompensationsspannung zur Weiterverarbeitung seitens der geregelten Verstärkerstufe
gegeben,
- – die
Zahl der benötigten
Bauelemente und insbesondere die Zahl der benötigten Kondensatoren (die entweder
in der integrierten Schaltung mit großem Flächenbedarf oder extern mit
Bedarf an Anschlußpins
realisierbar sind) reduzierbar, da der Siebkondensator der Gleichrichterstufe
mehrere Funktionen der integrierten HF-Eingangsstufe erfüllen kann.
-
Die
vorgestellte integrierte HF-Eingangsstufe zur HF-Verstärkungsregelung
wird im folgenden anhand der Zeichnung für das Anwendungsbeispiel der
Pegelanpassung des Wechselspannungs-HF-Eingangssignals einer als
HF-Mischstufe ausgebildeten
Signalverarbeitungsstufe beschrieben.
-
Hierbei
zeigt die 1 ein Schaltbild
der integrierten HF-Eingangsstufe bestehend aus Gleichrichterstufe
und geregelter Verstärkerstufe,
und die 2 das Spannungsdiagramm
der Richtspannung anhand des Vergleichs einer konventionellen HF-Eingangsstufe
und der erfindungsgemäßen HF-Eingangsstufe.
-
Gemäß der 1 besteht die integrierte HF-Eingangsstufe 1 aus
einer von der Signalverarbeitungsstufe 2 (HF-Mischstufe)
am Schaltungseingang IN mit dem Wechselspannungs-Eingangssignal UIN beaufschlagten Gleichrichterstufe 11 und
aus einer die Signalverarbeitungsstufe 2 mit einem am Ausgangsanschluß OUT abgegebenen
Wechselspannungs-Ausgangssignal UOUT ansteuernden
geregelten Verstärkerstufe 12.
-
Die
in der Art einer Eintaktverstärkerstufe ausgebildete
Gleichrichterstufe 11 weist einen als bipolaren NPN-Transistor
ausgebildeten aktiven Verstärkertransistor
Q1 mit einem an die den Konstantstrom IDC liefernde
Stromquelle SQ1 angeschlossenen ersten Basiswiderstand R1 auf sowie
einen zum aktiven Verstärkertransistor
Q1 gleichartig ausgebildeten und beschalteten bipolaren NPN-Transistor
Q3 als Referenztransistor zur Arbeitspunkteinstellung des Verstärkertransistors
Q1 mit einem an die Stromquelle SQ1 angeschlossenen zweiten Basiswiderstand
R3. Das vom Ausgang A der HF-Mischstufe 2 abgegebene
und am Schaltungseingang IN der integrierten HF-Eingangsstufe 1 anstehende
Wechselspannungs-Eingangssignal UIN wird über den
Kondensator C1 kapazitiv dem Basisanschluß des aktiven Verstärkertransistors
Q1 als Eingangsstrom IIN zugeführt; aufgrund
des exponentiellen Verlaufs der Ausgangs-Kennlinie des bipolaren
Verstärkertransistors
Q1 entsteht aus dem Eingangsstrom IIN am
Kollektoranschluß des
Verstärkertransistors
Q1 ein um den Verstärkungsfaktor
des Verstärkertransistors
Q1 verstärkter
Strom IV, der am gegen die Versorgungsspannung
US angeschlossenen Kollektorwiderstand R4
des Verstärkertransistors
Q1 als Spannungsabfall eine zum anliegenden Wechselspannungs-Eingangssignal
UIN proportionale verstärkte Gleichspannung UV erzeugt (Gleichrichterwirkung) – die an
der Basis- Emitter-Strecke
des aktiven Verstärkertransistors
Q1 entstehende Gleichspannung wird somit durch den aktiven Verstärkertransistor
Q1 gleichzeitig exponentiell verstärkt. Die durch den aktiven
Verstärkertransistor
Q1 ebenfalls verstärkten
HF-Komponenten des Wechselspannungs-Eingangssignals UIN werden über den
zwischen dem Kollektoranschluß und
dem mit Bezugspotential GND verbundenen Emitteranschluß des aktiven
Verstärkertransistors
Q1 angeschlossenen Siebkondensator C2 abgesiebt (da der Kollektoranschluß des aktiven
Verstärkertransistors
Q1 eine nahezu ideale Stromquelle darstellt, ist die Zeitkonstante
dieser Absiebung durch das Produkt aus Kollektorwiderstand R4 und Siebkondensator
C2 gegeben); falls der Siebkondensator C2 zur Absiebung der HF-Komponenten
nicht ausreicht – dies
kann insbesondere bei großen
Signalpegeln des Wechselspannungs-Eingangssignals UIN eintreten,
da dann der Sättigungsbereich
des aktiven Verstärkertransistors
Q1 erreicht wird und somit das ideale Stromquellenverhalten nicht
mehr gewährleistert
ist – kann
dem Siebkondensator C2 ein zwischen dem Kollektoranschluß des aktiven
Verstärkertransistors
Q1 und dem Kollektorwiderstand R4 angeordneter Dämpfungswiderstand R6 parallelgeschaltet
werden.
-
Durch
den Kompensationstransistor Q2 mit Basiswiderstand R2 (dessen anderer
Anschluß ist mit
dem Referenztransistor Q3 verbunden) und mit Kollektorwiderstand
R5 (dieser ist gegen die Versorgungsspannung US angeschlossen)
wird eine Kompensation der Temperatureinflüsse auf den aktiven Verstärkertransistor
Q1 auf einfache Weise ermöglicht:
eine Temperaturkompensation der Ruheströme durch den Verstärkertransistor
Q1 und den Kompensationstransistor Q2 ist wegen der identischen Stromverstärkung dieser
beiden Transistoren dann gegeben, wenn das Produkt aus relativer
Emitterfläche
des Verstärkertransistors
Q1 und dessen Basiswiderstand R1 identisch ist zum Produkt aus relativer Emitterfläche des
Kompensationstransistor Q2 und dessen Basiswiderstand R2. Die Richtspannung
UR als Spannungsdifferenz der vom Verstärkertransistor Q1
am Kollektorwiderstand R4 generierten verstärkten Gleichspannung UV und der vom Kompensationstransistor Q2
aufgrund des Kompensationsstroms IK am Kollektorwiderstand
R5 generierten Kompensationsspannung UK kann
zwischen den Kollektorwiderständen
R4, R5 abgenommen und der geregelten Verstärkerstufe 12 zugeführt werden.
Durch Variation des Widerstandswerts eines der Kollektorwiderstände R4,
R5 kann ein DC-Offset der Richtspannung UR eingestellt werden;
hierdurch werden vom Regelkreis der integrierten HF-Eingangsstufe 1 HF-Wechselspannungs-Eingangssignale
UIN erst ab einer definierten Größenordnung
(Spannungs-Schwellwert) abgeregelt (abgedämpft).
-
Die
als Stromverteilungsregelung ausgebildete geregelte Verstärkerstufe 12 weist
zwei in Basisschaltung betriebene, an den Emitteranschlüssen miteinander
verbundene HF-Verstärkertransistoren Q4,
Q5 auf („Stellglied"); die verstärkte Gleichspannung
UV der Gleichrichterstufe 11 wird
dabei dem Basisanschluß des
ersten HF-Verstärkertransistors
Q4, die Kompensationsspannung UK der Gleichrichterstufe 11 dem
Basisanschluß des
zweiten HF-Verstärkertransistors
Q5 und das zu regelnde HF-Signal den Emitteranschlüssen der
beiden HF-Verstärkertransistoren
Q4, Q5 zugeführt.
Der Kollektoranschluß des
ersten HF-Verstärkertransistors
Q4 ist mit einem bsp. als Parallelschwingkreis (Kondensator C3,
Spule L1) ausgebildeten hochohmigen Lastelement verbunden, der Kollektoranschluß des zweiten
HF-Verstärkertransistors
Q5 an die Versorgungsspannung US angeschlossen.
An den miteinander verbundenen Emitteranschlüssen der beiden HF-Verstärkertransistoren
Q4, Q5 ist zur Gleichstromversorgung ein Emitterwiderstand R7 oder
altenativ eine aktive Stromquelle (hier nicht gezeichnet) vorgesehen;
da die Emitterspannung gegen Bezugspotential über dem Verlauf der Regelung
nur relativ geringen Veränderungen
unterliegt, kann zur Generierung eines konstanten Emitter-Summenstroms
der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R7 groß gegenüber der Temperaturspannung
kT/e = 26 mV sein. An dem mit dem Ausgangsanschluß OUT verbundenen
Kollektoranschluß des
ersten HF-Verstärkertransistors
Q4 wird das Wechselspannungs-Ausgangssignal UOUT abgegriffen
und dem Eingang E der HF-Mischstufe 2 zugeführt, so
daß diese
aufgrund der Verstärkungsregelung
in der integrierten HF-Eingangsstufe 1 (Pegelerkennung
und ggf. Abdämpfung)
vor Übersteuerung
bei zu hohen Empfangspegeln geschützt ist (bsp. wenn sich ein
die integrierte HF-Eingangsstufe 1 aufweisender Rundfunkempfänger in
unmittelbarer Nachbarschaft von unerwünschten Sendern befindet).
-
Neben
der Absiebung der bei der Gleichrichtung (durch aktiven Verstärkertransistor
Q1 und Kompensationstransistor Q2) entstehenden Wechselspannungsanteile
(HF-Komponenten) und der (gemeinsam mit dem Kollektorwiderstand
R4 erfolgenden) Festlegung der Regelzeitkonstante des Regelkreises
zur Vermeidung von Regelschwingungen (Aufschaukeln des Regelkrei ses),
hat der Siebkondensator C2 auch die Funktion den Basisanschluß des ersten
HF-Verstärkertransistors
Q4 für
Wechselspannungsanteile der verstärkten Gleichspannung UV zu erden (was für den in Basisschaltung betriebenen
bipolaren ersten HF-Verstärkertransistor
Q4 zur Erreichung einer rauscharmen Verstärkung unerläßlich ist); darüber hinaus
kann auch ein zusätzlicher Kondensator
an den Basisanschluß des
ersten HF-Verstärkertransistors
Q4 angeschlossen werden.
-
In
der 2 ist das Spannungsdiagramm der
Richtspannung UR als Funktion des Wechselspannungs-Eingangssignals
UIN (HF-Signal bei einer konventionellen
HF-Eingangsstufe (Kurve a) und bei der vorgestellten integrierten
HF-Eingangsstufe (Kurve b) für
eine im Bereich von 0 bis 100 mV linear ansteigende Amplitude des
Wechselspannungs-Eingangssignals UIN dargestellt.
-
Wie
aus einem Vergleich der beiden Kurven ersichtlich wird, erreicht
die Richtspannung UR (d.h. die DC-Komponente
des mit überlagerten
HF-Komponenten versehenen
Ausgangssignals der Gleichrichterstufe 11) bei der vorgestellten
integrierten HF-Eingangsstufe aufgrund der exponentiellen Spannungsverstärkung durch
den aktiven Verstärkertransistor
Q1 wesentlich größere Werte
als bei einer konventionellen HF-Eingangsstufe; bsp. erreicht die
Richtspannung UR bei einer Amplitude des
Wechselspannungs-Eingangssignals
UIN von 100 mV bei der konventionellen HF-Eingangsstufe
einen Wert von ca. 30 mV (Kurve a), bei der vorgestellten HF-Eingangsstufe
(bei identischen Randbedingungen) dagegen einen wert von ca. 1,6
V (Kurve b). Wegen der großen
Amplituden der Richtspannung UR wird bei
der vorgestellten integrierten HF-Eingangsstufe eine zusätzliche
Verstärkereinheit
(Gleichspannungsverstärker)
in der Gleichrichterstufe 11 zur Verstärkung der Richtspannung UR für
die Verarbeitung seitens der geregelten Verstärkerstufe 12 nicht
benötigt.