DE19740360A1 - Leistungsverstärkerschaltung mit temperaturkompensiertem Pegelschieber - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein Kommunikationsgeräte und im besonderen eine Leistungsverstärkerschaltung, die in Kommunikationsgeräten benutzt wird.

Hintergrund der Erfindung

Leistungsverstärker werden in einem Kommunikationsgerät genutzt, wie in einem Funktelefon, für die Verstärkung von Hochfrequenz(RF) Signalen zur Übertragung. Ein Typ von Funk­ telefon arbeitet im GSM Funktelefonsystem (Gruppe Spezieller Mobil-Funktelefone). Im GSM System teilen sich bis zu 8 Funk­ telefone gleichzeitig einen einzelnen Kanal, auf dem zu senden ist. Jedes der Funktelefone ist begrenzt, RF Signale während eines zugewiesenen Zeitabschnitts von ungefähr 577 µs zu senden. Die Funktelefone müssen innerhalb des 577 µs Fensters ihren Leistungsverstärker zu der geeigneten Frequenz schnell aufsteuern, die RF Signale senden und den Leistungs­ verstärker schnell heruntersteuern. Im Ergebnis muß die Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers mit großer Genauig­ keit gesteuert werden, um die Systemanforderungen zu erfüllen und nicht die anderen Funktelefone zu stören, die sich den gleichen Kanal teilen. Diese Steuerung kann durch die Verwen­ dung einer Rückkopplungsstruktur mit geschlossener Schleife erreicht werden, wie jene, offenbart im U. S. Patent No. 5,150,075 durch Hietala u. a., betitelt "Methoden und Geräte zur Aufsteuerung von Leistungsverstärkern" ("Power Amplifier Ramp Up Method and Apparatus"), herausgegeben am 22. September 1992 und angemeldet Motorola, Inc.

Ein vielfach benutzter Leistungsverstärker umfaßt Transisto­ ren des Verarmungstyps, wie Gallium-Arsenid (GaAs) MESFET (Metall-Halbleiter Feldeffekt-Transistoren) Bauelemente. GaAs MESFETs sind nützlich, weil sie eine vergleichsweise hohe Elektronenmobilität haben und gute Leistungsfähigkeit über einen weiten Frequenzbereich aufweisen. Da der GaAs MESFET ein Transistor des Verarmungstyps ist, erfordert es die Anwendung einer negativen Vorspannung an seiner Steuerelek­ trode (Gate) für eine aktive Betriebsweise. Die negative Vorspannung wird typischerweise durch einen Pegelschieber geliefert, der an die Steuerelektrode des GaAs MESFETs gekop­ pelt ist. Da die Schwellenspannung der Steuerelektrode eines GaAs MESFETs sich mit Schwankungen der Temperatur verändert, muß der Pegelschieber justierbar sein, um die negative Vorspannung entsprechend so zu variieren, daß die exakte Steuerung der Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers aufrecht erhalten wird. Ein solcher Pegelschieber ist im U. S. Patent No. 5,559,471 durch Black u. a. offenbart, betitelt "Ein Verstärker und die zugehörige Vorspannungsschaltung" ("An Amplifier and Biasing Circuit Therefore"), herausgegeben am 24. September 1996 und angemeldet von Motorola, Inc. Zusätz­ lich zur Justierbarkeit würde es weiterhin wünschenswert sein, die Temperaturempfindlichkeit des Pegelschiebers selbst zu minimieren, um zusätzliche Genauigkeit der Steuerung der Ausgangsleistung zu erreichen.

Was also benötigt wird, ist ein Pegelschieber für den Gebrauch in einer Leistungsverstärkerschaltung, der ein Rück­ kopplungssystem mit geschlossener Schleife beinhaltet, das nicht empfindlich für Temperaturveränderungen ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Kommunikationssystem erläutert, das ein Kommunikationsgerät einschließt, welches einen Sender enthält; und

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Leistungs­ verstärkerschaltung für den Gebrauch in dem Sender der Fig. 1 erläutert.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine Leistungsverstärkerschaltung für die Verstärkung eines Hochfrequenz(RF) Signals, das an einem Eingang empfangen wird, in ein verstärktes RF Signal an einem Ausgang, beinhal­ tet eine Kopplerschaltung, einen zweiten Eingang, einen Leistungsverstärker und einen Pegelschieber. Die Koppler­ schaltung ist an den Ausgang gekoppelt, um einen Pegel des verstärkten RF Signals zu ermitteln. Der zweite Eingang empfängt ein Steuersignal, das von dem ermittelten Pegel abgeleitet ist. Der Leistungsverstärker enthält einen Tran­ sistor, der eine Steuerelektrode hat, die an den Eingang gekoppelt ist,und eine Abzugselektrode (Drain), die an den Ausgang gekoppelt ist. Der Pegelschieber ist an den zweiten Eingang und die Steuerelektrode gekoppelt und liefert in Reaktion auf das Steuersignal eine Vorspannung an die Steuer­ elektrode. Der Pegelschieber enthält eine Schaltungsanord­ nung, um die Temperaturempfindlichkeit der Vorspannung zu minimieren. Im Gegensatz zu bestehenden Pegelschiebern kompensiert der nachfolgend offenbart Pegelschieber Tempera­ turveränderungen in einer Leistungsverstärkerschaltung durch die Anwendung der Steuerelektrodensteuerung und Rückkopplung mit geschlossener Schleife.

Ein Kommunikationssystem, wie ein Funktelefon-Kommunikations­ system 100, beinhaltet ein erstes Kommunikationsgerät, wie einen Fernsendeempfänger 102 und ein zweites Kommunikations­ gerät, wie ein Funktelefon 104. Der Fernsendeempfänger 102 sendet und empfängt Hochfrequenz(RF) Signale 105 an und von Kommunikationsgeräten innerhalb einer bestimmten geografi­ schen Fläche. Das Funktelefon 104 ist ein solches Kommunika­ tionsgerät, das in der geografischen Fläche enthalten ist. Das Funktelefon 104 enthält eine Antenne 106, einen Empfänger 108, einen Sender 110, eine Steuereinheit 112, eine Benutzer­ schnittstelle 114 und eine Batterie 116. Die Batterie 116 liefert elektrische Energie für den Betrieb des Funktelefons 104.

Beim Empfang wandelt die Antenne 106 die RF Signale 105 in elektrische Empfangssignale um und koppelt die elektrischen Empfangssignale an den Empfänger 108. Der Empfänger 108 setzt die elektrischen Empfangssignale in elektrische Basisbandsig­ nale um, demoduliert und dekodiert die elektrischen Basisbandsignale, um die durch die RF Signale 105 gesendeten Daten wiederherzustellen,und liefert die Daten an die Steu­ ereinheit 112. Die Steuereinheit 112 formatiert die Daten in verständliche Sprache oder Informationen für den Gebrauch an der Nutzerschnittstelle 114. Die Nutzerschnittstelle 114 teilt die erhaltenen Informationen oder die Sprache einem Nutzer mit. Typischerweise enthält die Nutzerschnittstelle eine Anzeige, eine Handtastatur, einen Lautsprecher und ein Mikrofon.

Bei der Übertragung des RF Signals 105 vom Funktelefon 104 zum Fernsendeempfänger 102 sendet die Nutzerschnittstelle 114 Nutzereingangsdaten zur Steuereinheit 112. Die Steuereinheit 112 formatiert die von der Nutzerschnittstelle 114 erhaltenen Nutzereingangsdaten in kodierte Basisbandsignale und sendet die kodierten Basisbandsignale zum Sender 110 zur Umwandlung in RF modulierte Signale und Verstärkung. Der Sender 110 koppelt die verstärkten RF modulierten Signale an die Antenne 106 zur Umwandlung und Abstrahlung an den Fernsendeempfänger 102 als die RF Signale 105.

Die Steuereinheit 112 enthält einen Ausgang 124 für die Bereitstellung des kodierten Basisbandsignals über die Leitung 128 an einen Eingang 126 des Senders 110 zur Modula­ tion. Die Steuereinheit 112 enthält eine Leistungsverstärker­ steuerschaltung (PAC) 122. Die PAC Schaltung 122 hat Ausgänge 130, 132 und 134 für die Bereitstellung eines Hauptversor­ gungssteuersignals, eines Freigabesignals mit einem Span­ nungspegel VEN bzw. eines Vorspannungssteuersignals mit einem Spannungspegel VCN zu entsprechenden Eingängen 136, 138 und 140 des Senders 110 über die entsprechenden Leitungen 142, 144 und 146. Die PAC Schaltung 122 enthält einen Eingang 148 für den Empfang eines Leistungspegels der verstärkten modu­ lierten RF Signale, die vom Sender 110 ausgehen und über Ausgang 150 des Senders 110 und Leitung 152 rückgekoppelt werden. Über die Erkennung des rückgekoppelten Leistungspe­ gels bestimmt die PAC Schaltung 122 den Spannungspegel des Vorspannungssteuersignals. In der erläuterten Ausführung ist der Spannungspegel VEN ungefähr 3 V und der Spannungspegel VCN ist über einen Bereich von ungefähr 0 V bis 2 V steuer­ bar. Andere geeignete Spannungspegel- und bereiche können ausgewählt werden. Das Funktelefon 104 enthält andere Steuer­ verbindungen, die die Steuereinheit 112 an andere Funktions­ elemente des Funktelefons 104 koppelt. Diese Verbindungen sind jedoch nicht in Fig. 1 erläutert, um die Abbildung nicht unnötig zu verkomplizieren.

Nun bezüglich Fig. 2, eine Leistungsverstärkerschaltung 200, die im Sender 110 (Fig. 1) eingeschlossen ist, enthält Eingänge 202, 204, 206 und 208 und Ausgänge 210 und 212. Die Eingänge 202, 204 und 206 sind an Eingänge 136 (Fig. 1), 138 bzw. 140 des Senders 110 gekoppelt, um das Hauptversorgungs­ steuersignal, den Spannungspegel VEN des Freigabesignals bzw.

den Spannungspegel VCN des Vorspannungssteuersignals zu empfangen. Der Eingang 208 (Fig. 2) ist gekoppelt, um modu­ lierte RF Signale zu empfangen, die von den codierten Basis­ bandsignalen abgeleitet sind, welche ursprünglich am Eingang 126 (Fig. 1) des Senders 110 empfangen werden. Der Ausgang 210 liefert ein verstärktes, moduliertes RF Signal, das für die Übertragung über die Antenne 106 (Fig. 1) geeignet ist. Der Ausgang 212 (Fig. 2) ist an den Ausgang 150 (Fig. 1) des Senders 110 gekoppelt, um einen rückgekoppelten Leistungspe­ gel des verstärkten, modulierten RF Signals zur PAC Schaltung 122 der Steuereinheit 112 zu liefern.

Die Leistungsverstärkerschaltung 200 enthält einen Erreger 214, eine erste Impedanzanpassungsschaltung 216, einen Leistungsverstärker 218, eine zweite Impedanzanpassungsschal­ tung 220, einen Koppler 222, eine Hauptspannungsversorgung 224, eine Vorspannungsversorgung 226 und einen Pegelschieber 228. Der Erreger 214 reguliert die modulierten RF Signale am Eingang 208 auf ihren geeigneten Eingangspegel für den Leistungsverstärker 218 und koppelt die geregelten modulier­ ten RF Signale an die erste Impedanzanpassungsschaltung 216. Der Erreger 214 enthält einen Transistor 232, dessen Basisan­ schluß über ein Dämpfungsglied, bestehend aus einer RF Schaltdiode 229 und einem Pi (π) Widerstandsnetzwerk 230, an den Eingang 208 gekoppelt ist, um die modulierten RF Signale zu empfangen, und über einen Widerstand 231 an denk Eingang 206 gekoppelt ist. Ein Kollektoranschluß des Transistors 232 ist über ein induktives Bauelement 235 an die Hauptspannungs­ versorgung 224 und an die erste Impedanzanpassungsschaltung 216 gekoppelt. Ein Emitteranschluß des Transistors 232 ist mit einer elektrischen Masse 233 gekoppelt. Der Verstärkungs­ pegel des Transistors 232, der für die Regelung des modulier­ ten RF Signals notwendig ist, ist durch einen Vorspan­ nungsstrom eingestellt, der vom Widerstand 231 und dem Span­ nungspegel VCN des Vorspannungssteuersignals, empfangen über den Eingang 206, abgeleitet wird. In der erläuterten Ausfüh­ rung ist der Transistor 232 jeder beliebige geeignete npn bipolare Flächentransistor (BJT), der ein Basis-Emitter-Span­ nungspegel (VBE) von ungefähr 0,7 V und eine Temperaturem­ pfindlichkeit von ungefähr -2 mV/°C hat. Der Erreger 214 kann derjenige sein, der in den U. S. Patenten No. 5,160,898 und 5,220,290 von Black beschrieben wurde, betitelt "Leistungs­ verstärker" ("Power Amplifier"), herausgegeben am 3. November 1992 bzw. 15. Juni 1993 und angemeldet von Motorola, Inc.

Die erste Impedanzanpassungsschaltung 215 koppelt die modu­ lierten RF Signale, die durch den Erreger 214 geregelt sind, an den Leistungsverstärker 218. Die erste Impedanzanpassungs­ schaltung 216 ist an den Kollektoranschluß des Transistors 232 des Erregers 214 gekoppelt und gewährleistet eine verlustarme Hochfrequenz Impedanzanpassung zwischen dem Erre­ ger 214 und dem Leistungsverstärker 218. Die Konstruktion der ersten Impedanzanpassungsschaltung 216 ist durch einen Fach­ mann ausgeführt.

Der Leistungsverstärker 218 verstärkt die modulierten RF Signale, die durch die erste Impedanzanpassungsschaltung 216 geliefert werden und koppelt die verstärkten modulierten RF Signale an die zweite Impedanzanpassungsschaltung 216. Der Leistungsverstärker 218 ist ein Mehrstufenverstärker, der eine erste Stufe enthält, die einen ersten Transistor 234 umfaßt, und eine mit der ersten Stufe in Reihe geschaltete zweite Stufe enthält, die einen zweiten Transistor 236 umfaßt. Die ersten und zweiten Transistoren 234 und 236 besitzen entsprechende Steuerelektrodenanschlüsse 238 und 240, entsprechende Abzugselektrodenanschlüsse 242 und 244 und entsprechende Quellenelektrodenanschlüsse (Source) 246 und 248. Was den ersten Transistor 234 betrifft, der Steuerelek­ trodenanschluß 238 ist an die erste Impedanzanpassungsschal­ tung 216 und über einen Widerstand 239 an den Pegelschieber 228 gekoppelt; der Abzugselektrodenanschluß 242 ist über ein induktives Bauelement 237 an die Hauptspannungsversorgung 224 und mit dem Steuerelektrodenanschluß 240 des zweiten Tran­ sistors 236 über einen Kondensator 243 gekoppelt; der Quel­ lenelektrodenanschluß 246 ist an die elektrische Masse 233 gekoppelt. Was den zweiten Transistor 236 betrifft, der Steu­ erelektrodenanschluß 240 ist weiter an den Pegelschieber 228 über einen Widerstand 241 gekoppelt; der Abzugselektrodenan­ schluß 244 ist an die Hauptspannungsversorgung 224 über ein induktives Bauelement 245 und an die zweite Impedanzanpas­ sungsschaltung 220 gekoppelt; und der Quellenelektrodenan­ schluß 248 ist an die elektrische Masse gekoppelt. Der Pegel, auf den die ersten und zweiten Transistoren 234 und 236 die modulierten RF Signale verstärkt, wird durch Vorspannungs­ ströme eingestellt, in Reaktion auf die Spannungen an den Steuerelektrodenanschlüssen 238 bzw. 240, abgeleitet von den Widerständen 239 und 241 und einem Spannungspegel VGG einer Vorspannung, die durch den Pegelschieber 228 geliefert wird. In der erläuterten Ausführung sind die Transistoren 234 und 236 beliebige geeignete Verarmungstyptransistoren, wie GaAs MESFETs oder GaAs pHEMTs (pseudomorphe Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit), die eine Temperaturempfindlichkeit im Bereich von ungefähr -4 mV/°C bis ungefähr +4 mV/°C haben.

Die zweite Impedanzanpassungsschaltung 220 koppelt die modu­ lierten RF Signale, die durch den Leistungsverstärker 218 verstärkt wurden, an Ausgang 210. Die zweite Impedanzanpas­ sungsschaltung 220 ist an den Steuerelektrodenanschluß 244 des zweiten Transistors 236 des Leistungsverstärkers 218 gekoppelt und gewährleistet eine verlustarme Hochfrequenz Impedanzanpassung zwischen dem Leistungsverstärker 218 und der Schaltungsanordnung, die mit dem Ausgang 210 verbunden ist. Die Konstruktion der zweiten Impedanzanpassungsschaltung 220 ist durch einen Fachmann ausgeführt.

Der Koppler 222 koppelt die Leistungspegel der verstärkten modulierten RF Signale an Ausgang 212. Der Koppler 222 enthält einen Richtungskoppler 250, der einen elektromagneti­ schen Koppler umfaßt, der ohne übermäßigen Verlust koppelt. Der Koppler 222 enthält einen Widerstand 247, um den gekop­ pelten Leistungspegel zum Ausgang 212 zu richten.

Die Hauptspannungsversorgung 224 liefert selektiv Energie zum Transistor 232 des Erregers 214 und zu den Transistoren 234 und 236 des Leistungsverstärkers 218. Die Hauptspannungsver­ sorgung 224 enthält eine Speisespannung VI, die durch die Batterie 116 (Fig. 1) gewährleistet wird und einen steuerba­ ren Schalter 252 (Fig. 2), der Anschlüsse besitzt, die zwischen die Speisespannung V1 und sowohl den Erreger 214 als auch den Leistungsverstärker 218 gekoppelt sind. Der steuer­ bare Schalter 252 enthält einen Steuerkanal, der an Eingang 202 gekoppelt ist. Der steuerbare Schalter 252 schließt oder öffnet, in Reaktion auf das Hauptversorgungssteuersignal, das am Steuerkanal empfangen wird, um die Speisespannung V1 mit dem Erreger 214 und dem Leistungsverstärker 218 zu verbinden oder zu trennen. Um die Speisespannung V1 vor einem Kurz­ schluß mit Masse über die Transistoren 232, 234 oder 236 zu schützen und eine potentielle Beschädigung der Transistoren 232, 234 oder 236 oder der Hauptspeisespannung 224 zu verhin­ dern, liefert die Steuereinheit 112 (Fig. 1) das Vorspan­ nungssteuersignal vor dem Schließen des steuerbaren Schalters 252 (Fig. 2) über das Hauptversorgungssteuersignal, so daß gesichert ist, daß die Transistoren 232, 234 und 236 vor der Bereitstellung der Speisespannung V1 zu ihnen vorgespannt sind.

Die Vorspannungsversorgung 226 liefert Spannung, um die Tran­ sistoren 234 und 236 des Leistungsverstärkers 218 vorzuspan­ nen. Die Vorspannungsversorgung 226 beinhaltet eine Speise­ spannung V2, abgeleitet von einer Reglerschaltung (nicht gezeigt), die von der Batterie 116 (Fig. 1) gespeist wird. Die Speisespannung V2 ist an den Pegelschieber 228 gekoppelt. In der erläuterten Ausführung sind die Transistoren 234 und 236 vom Verarmungstyp und deshalb ist die Speisespannung V2 eine negative Spannung, nämlich -10 V.

Der Pegelschieber 228 gibt, in Reaktion auf die PAC Schaltung 122 (Fig. 1), den Spannungspegel VGG der Vorspannung ab, um den Verstärkungspegel der Transistoren 234 und 236 des Leistungsverstärkers 218 zu steuern. Der Pegelschieber 228 enthält eine Rückkopplungsschaltung 254 und eine Temperatur­ kompensationsschaltung 255.

Die Rückkopplungsschaltung 254 umfaßt die Transistoren Q1 und Q2 und die Widerstände R1, R2 und R5. Die Transistoren Q1 und Q2 beinhalten die entsprechenden Basisanschlüsse 256 und 258, die entsprechenden Kollektoranschlüsse 260 und 262 und die entsprechenden Emitteranschlüsse 264 und 266. Was den Tran­ sistor Q1 betrifft, der Basisanschluß 256 ist an den Eingang 206 der Leistungsverstärkerschaltung 200 gekoppelt, um den Spannungspegel VCN des Vorspannungssteuersignals zu empfan­ gen; der Kollektoranschluß 260 ist an den Basisanschluß 258 des Transistors Q2 und an ein Ende des Widerstandes R5 gekop­ pelt; und der Emitteranschluß 264 ist an ein Ende des Wider­ stands R1 und an ein Ende des Widerstandes R2 gekoppelt. Das andere Ende des Widerstandes R1 ist an den Eingang 204 gekop­ pelt, um den Spannungspegel VEN des Freigabesignals zu empfangen. Das andere Ende des Widerstandes R2 ist an die Basisanschlüsse 238 und 240 der Transistoren 234 bzw. 236 des Leistungsverstärkers 218 über die Temperaturkompensations­ schaltung 255 gekoppelt. Was den Transistor Q2 betrifft, der Kollektoranschluß 262 ist an die Basisanschlüsse 238 und 240 der Transistoren 234 bzw. 236 des Leistungsverstärkers 218 über die Temperaturkompensationsschaltung 255 gekoppelt; und der Emitteranschluß 266 ist an die Speisespannung V2 der Vorspannungsversorgung 226 und an das andere Ende des Wider­ standes R5 gekoppelt. In der erläuterten Ausführung sind die Transistoren Q1 und Q2 beliebige geeignete pnp bzw. npn BJTs, die jeweils eine VBE von ungefähr 0,7 V und eine Temperatur­ empfindlichkeit von ungefähr -2 mV/°C haben.

Für Erläuterungszwecke nimmt man an, daß die Temperaturkom­ pensationsschaltung 255 im Pegelschieber 228 fehlt und das andere Ende des Widerstandes R2 und der Kollektoranschluß 262 des Transistors Q2 direkt an die Steueranschlüsse 238 und 240 der Transistoren 234 bzw. 236 des Leistungsverstärkers 218 gekoppelt sind, um dort den Spannungspegel VGG der Vorspan­ nung bereitzustellen. Die Rückkopplungsschaltung 254 bewirkt eine Rückkopplung des Stroms am Kollektoranschluß 262 des Transistors Q2 durch den Widerstand R2 zum Emitteranschluß 264 des Transistors Q1. Der Spannungspegel VEN des Freigabe­ signals ist ausreichend, um einen Strom IR1 durch den Wider­ stand R1 zu erzwingen, der gleich einem Strom IR2 durch den Widerstand R2 ist. Der Widerstand R5 ist ausreichend groß, den Strom abzuleiten, wenn die Spannung am Basisanschluß 258 des Transistors Q2 negativer wird. Nimmt man weiter an, daß VBEQ1 eine VBE des Transistors Q1 definiert, berechnet sich der Spannungspegel VGG der Vorspannung, die durch die Rück­ kopplungsschaltung 254 geliefert wird, wie folgt:
IR1 = IR2
(VEN - VCN - VBEQ1)/R1 = (VCN + VBEQ1 - VGG)/R2
VGG = ((R2 + R1)/R1) _* VCN + ((R2 + R1)/R1) _* VBEQ1 - (R2/R1) _* VEN.

Die Temperaturempfindlichkeit des Spannungspegels VGG der Vorspannung, die durch die Rückkopplungsschaltung 254 gelie­ fert wird, ist wie folgt:
δ/δT (VGG) = ((R2+R1) /R1) _* δ/δT (VBEQ1)
= ((R2+R1) /R1) _* (-2 mV/°C) (1).

Werden für R1 und R2 annehmbare Werte eingesetzt, wie 1 ???? bzw. 2 ?????, wird die Temperaturempfindlichkeit des Spannungs­ pegels VGG der Vorspannung:
δ/δT[VGG] = -6 mV/°C.

Über einen Bereich von annehmbaren Werten für die Widerstände R1 und R2 variiert die Temperaturempfindlichkeit des Span­ nungspegels VGG der Vorspannung, die von der Rückkopplungs­ schaltung 254 geliefert wird, zwischen -5 mV/°C und -10 mV/°C während typischem Betrieb der Leistungsverstärkerschaltung 200. Über einen Temperaturbereich von -30 bis +70 °C variiert der Spannungspegel VGG der Vorspannung von 0,5 V bis 1 V. Ein solch hohes Maß der Variation des Spannungspegels VGG macht es schwierig, den Erreger 214 und den Leistungsverstärker 218 gleichzeitig so vorzuspannen, daß die geforderte Ausgangs­ leistung und Wirkungsgrad der verstärkten modulierten RF Signale bei Temperatur- und Bauelementvariationen aufrechter­ halten wird.

Um die Temperaturabweichungen des Spannungspegels VGG der Vorspannung zu minimieren, enthält der Pegelschieber 228 die Temperaturkompensationsschaltung 255. Die Temperaturkompensa­ tionsschaltung 255 enthält einen Transistor Q3 und Wider­ stände R3 und R4, die in einer VBE Multiplikatorkonfiguration angeordnet sind und in Reihe mit dem Widerstand R2 der Rück­ kopplungsschaltung 254 angefügt sind. Der Transistor Q3 enthält einen Kollektoranschluß 268, der an das andere Ende des Widerstandes R2 und an ein Ende des Widerstandes R3 gekoppelt ist; einen Basisanschluß 270, der an das andere Ende des Widerstandes R3 und an ein Ende des Widerstandes R4 gekoppelt ist; und einen Emitteranschluß 272, der an den Kollektoranschluß 262 des Transistors Q2, das andere Ende des Widerstandes R4 und die Steueranschlüsse 238 und 240 der Transistoren 234 bzw. 236 des Leistungsverstärkers 218 gekop­ pelt ist. Eine VBE des Transistors Q3 ist definiert als VBEQ3. Die Spannung über und der Strom durch den Widerstand R3 sind definiert als VR3 bzw. IR3. Die Spannung über und der Strom durch den Widerstand R4 sind definiert als VR4 bzw. IR4. In der erläuterten Ausführung ist der Transistor Q3 ein beliebiger geeigneter npn BJT, der eine VBE von ungefähr 0,7 V und eine Temperaturempfindlichkeit von ungefähr -2 mV/°C hat.

Unter der Annahme, daß kein Strom in den Basisanschluß 270 des Transistors Q3 fließt, bestimmt sich ein Spannungspegel VTC, der der Temperaturkompensationsschaltung 255 zugeschrie­ ben wird, wie folgt:
VTC = VR3 + VR4
= IR3_*R3 + VBEQ3
= IR4_*R3 + VBEQ3
= (VBEQ3/R4)_*R3 + VBEQ3
= ((R3 + R4)/R4)_*VBEQ3.

Wiederum angenommen, daß der Strom IR1 durch den Widerstand R1 gleich dem Strom IR2 durch den Widerstand R2 ist, wird der Spannungspegel VGG der Vorspannung, die durch die Rückkopp­ lungsschaltung 254 in Verbindung mit der Temperaturkompensa­ tionsschaltung 255 geliefert wird, wie folgt berechnet:
IR1 = IR2
(VEN - VCN - VBEQ1)/R1 = (VCN + VBEQ1 - VTC - VGG)/R2
VGG = ((R2 + R1)/R1)_*VCN + ((R2 + R1)/R1_*VBEQ1 - ((R3 + R4)/R4)_*VBEQ3 - (R2/R1)_*VEN

Die Temperaturempfindlichkeit des Spannungspegels VGG der Vorspannung, die durch die Rückkopplungsschaltung 254 in Verbindung mit der Temperaturkompensationsschaltung 255 geliefert wird, ist wie folgt:
δ/δT(VGG) = ((R2 + R1)/R1)_*δ/δT(VBEQ1)
- ((R3 + R4)/R4)_*δ/δT(VBEQ3)
= (((R2 + R1)/R1)
- ((R3 + R4)/R4)))_*(-2 mV/°C) (2).

Die Temperaturempfindlichkeit des Spannungspegels VGG der Vorspannung kann auf Null gesetzt werden durch das Einsetzen der Widerstände R1, R2, R3 und R4 in die Gleichung (2) wie folgt:
(R2 + R1)/R1 = (R3 + R4)/R4.

Angenommen, daß der Spannungspegel VGG der Vorspannung konstant bleiben soll, während der Spannungspegel VCN des Vorspannungssteuersignals von der PAC Schaltung 122 (Fig. 1) sich mit der VBE des Transistors 232 des Erregers 214 (VBEEX genannt) verändert, ist die Temperaturempfindlichkeit des Spannungspegels VGG wie folgt:
δ/δT(VGG) = ((R2 + R1)/R1)_*δ/δT(VBEQ1 + VBEEX)
- ((R3 + R4)/R3)_*δ/δT(VBEQ3)
= ((2_*(R2 + R1)/R1)
- ((R3 + R4)/R3))_*(-2 mV/°C) (3).

Die Temperaturempfindlichkeit des Spannungspegels VGG der Vorspannung kann auf Null gesetzt werden durch das Einsetzen der Widerstände R1, R2, R3 und R4 in die Gleichung (3) wie folgt:
2_*(R2 + R1)/R1 = (R3 + R4)/R4.

Zusätzlich kann angenommen werden, daß der Spannungspegel VGG sich so mit der Temperatur ändert, daß er den Veränderungen einer Transistorabschnürspannung, einer Steuerelektroden­ spannung für Spitzenausgangsleistung, einer Steuerelektroden­ spannung für Leistung oder Spitzenwirkungsgrad oder jedem anderen temperaturabhängigen Parameter folgt, der die Steuer­ elektrodenspannung betrifft. Eine gewünschte Veränderung der Steuerelektrodenspannung über der Temperatur ist typischer­ weise abhängig von einem Steuerelektrodenstörstellenprofil eines Transistors des Verarmungstyps, wie GaAs MESFET oder GaAs pHEMT, und kann deshalb bei einem gegebenen Versorger einzigartig sein. Es wird angenommen, daß eine optimale Leistungsfähigkeit mit einem Spannungspegel VGG erreicht wird, der eine Temperaturempfindlichkeit von -4 mV/°C hat, während der Spannungspegel VCN des Vorspannungssteuersignals sich mit -2 mV/°C verändert. Man nimmt auch an, daß die gewünschte Verstärkung des Pegelschiebers 228 gleich 3 ist, so daß:
Verstärkung = 3 = (R2 + R1)/R1.

Die Widerstände R1 und R2 werden auf 1 ???? bzw. 2 ???? gesetzt, um diese Bedingung zu erfüllen. Die Temperaturempfindlichkeit des Spannungspegels VGG von Gleichung (3) wird:
δ/δT(VGG) = (-4 mV/°C) = ((2_*(R2 + R1)/R1)
-((R3 + R4)/R3))_*(-2 mV/°C)
= ((2_*3)
-((R3 + R4)/R3))_*(-2 mV/°C)
= (6-((R3 + R4)/R3))_*(-2 mV/°C).

Wird der Widerstand R3 auf 30 ????? und der Widerstand R4 auf 10 ???? gesetzt, wird die Temperaturempfindlichkeit des Span­ nungspegels VGG:
δ/δT(VGG) = (-4 mV/°C) = (6-((R3 + R4)/R3))_*(-2 mV/°C)
= (6-4)_*(-2 mV/°C)
= -4 mV/°C.

So ist es ersichtlich, daß ein temperaturkompensierter Pegel­ schieber für eine Leistungsverstärkerschaltung, die ein Rück­ kopplungssystem mit geschlossener Schleife benutzt, bereitge­ stellt werden kann. Der Pegelschieber benutzt einen VBE Multiplikator, um die Temperaturempfindlichkeit einer Vorspannung zu minimieren, die zur Steuerelektrode der Tran­ sistoren geführt wird, welche in einem Leistungsverstärker der Leistungsverstärkerschaltung enthalten sind. Obwohl erläutert, daß ein npn Transistor enthalten ist, wird ein Fachmann verstehen, daß der VBE Multiplikator alternativ einen pnp Transistor enthalten könnte. Die Benutzung eines pnp Transistors als Transistor Q3 würde einen Austausch der Lage der Widerstände R3 und R4 erfordern. Der Widerstand R4 würde zwischen die Basis des pnp Transistors und sowohl den Emitter des pnp Transistors als auch das andere Ende des Widerstands R2 gekoppelt werden. Der Widerstand R3 würde zwischen die Basis des pnp Transistors und sowohl den Kollek­ tor des pnp Transistors als auch den Kollektoranschluß 262 des Transistors Q2 gekoppelt werden.

Claims (10)

1. Leistungsverstärkerschaltung für die Verstärkung eines Hochfrequenz (RF) Signals in ein verstärktes RF Signal, wobei die Leistungsverstärkerschaltung umfaßt:

• - einen ersten Eingang, um das RF Signal zu empfangen;
• - einen Ausgang, um das verstärkte RF Signal bereitzustel­ len;
• - eine Kopplerschaltung, die an den Ausgang gekoppelt ist, um einen Pegel des verstärkten RF Signals zu bestimmen;
• - einen zweiten Eingang, um ein Steuersignal, das von dem Pegel abgeleitet ist, zu empfangen;
• - einen Leistungsverstärker, der einen ersten Transistor umfaßt, wobei erste Transistor eine Steuerelektrode und eine Abzugselektrode besitzt, wobei die Steuerelektrode an den ersten Eingang gekoppelt ist, und wobei die Abzugselektrode an den Ausgang gekoppelt ist; und
• - einen Pegelschieber, der an den zweiten Eingang und die Steuerelektrode gekoppelt ist, wobei der Pegelschieber, in Reaktion auf das Steuersignal, eine Vorspannung an die Steuerelektrode liefert, um einen Verstärkungspegel des ersten Transistors festzulegen, wobei der Pegel­ schieber die Temperaturempfindlichkeit der Vorspannung minimiert.

2. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 1, weiter umfassend:

• - einen Erreger, der an den ersten und zweiten Eingang und den Leistungsverstärker gekoppelt ist, wobei der Erre­ ger, in Reaktion auf das Steuersignal, das RF Signal für den Leistungsverstärker regelt.

3. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 2, wobei der Erreger einen zweiten Transistor umfaßt, der eine Basis hat, die an den zweiten Eingang gekoppelt ist, wobei der zweite Transistor durch das Steuersignal vorge­ spannt ist.

4. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 3, wobei

• - der zweite Transistor hat eine erste Temperaturempfind­ lichkeit, und
• - der Pegelschieber eine Vielzahl von Transistoren umfaßt, wobei jeder aus der Vielzahl der Transistoren eine zweite Temperaturempfindlichkeit hat, wobei die zweite Temperaturempfindlichkeit im wesentlichen gleich der ersten Temperaturempfindlichkeit ist.

5. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 1,

• - weiter umfassend eine Vorspannungsversorgung, und
• - wobei der Pegelschieber eine Rückkopplungsschaltung enthält, die an den zweiten Eingang, die Vorspannungs­ versorgung und die Steuerelektrode des ersten Tran­ sistors des Leistungsverstärkers gekoppelt ist.

6. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 5, wobei der Pegelschieber eine Temperaturkompensationsschal­ tung umfaßt, die in Reihe mit der Rückkopplungsschaltung geschaltet ist.

7. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 5, wobei die Rückkopplungsschaltung umfaßt:

• - einen dritten Eingang, um eine Freigabespannung zu empfangen;
• - einen zweiten Transistor, der eine Basis, einen Kollek­ tor und einen Emitter hat, wobei die Basis des zweiten Transistors an den zweiten Eingang gekoppelt ist;
• - einen dritten Transistor, der eine Basis, einen Kollek­ tor und einen Emitter hat, wobei die Basis des dritten Transistors an den Kollektor des zweiten Transistors gekoppelt ist, wobei der Kollektor des dritten Tran­ sistors an die Steuerelektrode des ersten Transistors des Leistungsverstärkers gekoppelt ist, wobei der Emit­ ter des dritten Transistors an die Vorspannungsversor­ gung gekoppelt ist;
• - ein erstes Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des ersten Widerstandselements an den dritten Eingang gekoppelt ist und das andere Ende des ersten Widerstandselements an den Emitter des zweiten Tran­ sistors gekoppelt ist;
• - ein zweites Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des zweiten Widerstandselements an den Emitter des zweiten Transistors gekoppelt ist; und
• - ein drittes Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des dritten Widerstandselements an die Basis des dritten Transistors gekoppelt ist und das andere Ende des dritten Widerstandselements an den Emit­ ter des dritten Transistors gekoppelt ist.

8. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 7, wobei der Pegelschieber eine Temperaturkompensationsschal­ tung umfaßt, wobei die Temperaturkompensationsschaltung umfaßt:

• - einen vierten Transistor, der eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor hat, wobei der Kollektor des- vierten Transistors an das andere Ende des zweiten Widerstands­ elements gekoppelt ist, wobei der Emitter des vierten Transistors an die Steuerelektrode des ersten Tran­ sistors des Leistungsverstärkers gekoppelt ist;
• - ein viertes Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des vierten Widerstandselements an den Kollektor des vierten Transistors gekoppelt ist und das andere Ende des vierten Widerstandselements an die Basis des vierten Transistors gekoppelt ist; und
• - ein fünftes Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des fünften Widerstandselements an die Basis des vierten Transistors gekoppelt ist und das andere Ende des fünften Widerstandselements an die Steu­ erelektrode des ersten Transistors des Leistungsverstär­ kers gekoppelt ist.

9. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 1, wobei der Pegelschieber eine Temperaturkompensationsschal­ tung umfaßt, wobei die Temperaturkompensationsschaltung einen VBE Multiplikator umfaßt.

10. Leistungsverstärkerschaltung entsprechend Anspruch 1, wobei der Pegelschieber weiter eine Rückkopplungsschal­ tung und eine Temperaturkompensationsschaltung umfaßt, wobei die Temperaturkompensationsschaltung umfaßt:

• - einen zweiten Transistor, der einen ersten Anschluß, einen zweiten Anschluß und einen dritten Anschluß hat, wobei der erste Anschluß an die Rückkopplungsschaltung gekoppelt ist, wobei der zweite Anschluß an die Rück­ kopplungsschaltung und die Steuerelektrode des ersten Transistors des Leistungsverstärkers gekoppelt ist;
• - ein erstes Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des ersten Widerstandselements an den ersten Anschluß und an die Rückkopplungsschaltung gekoppelt ist, und wobei das andere Ende des ersten Widerstandselements an den dritten Anschluß gekoppelt ist; und
• - ein zweites Widerstandselement, das zwei Enden hat, wobei ein Ende des zweiten Widerstandselements an den dritten Anschluß gekoppelt ist, und wobei das andere Ende des zweiten Widerstandselements an den zweiten Anschlußkontakt und die Steuerelektrode des ersten Transistors des Leistungsverstärkers gekoppelt ist.