DE19843784A1 - Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung - Google Patents

Abstract

In der Nachrichtentechnik ergibt sich häufig die Notwendigkeit, ein Eingangssignal in ein Ausgangssignal mit konstanter Ausgangsleistung zu verstärken. Üblicherweise wird das Eingangssignal hierzu einer regelbaren Verstärkereinheit zugeführt, deren Ausgangsleistung mittels eines Regelkreises auf einen durch eine Führungsgröße vorgegebenen konstanten Wert geregelt wird. Die neue Schaltungsanordnung soll mit geringem Schaltungsaufwand herstellbar sein und auf einfache Weise eine Umschaltung der Ausgangsleistung zwischen verschiedenen diskreten Werten ermöglichen. DOLLAR A Die neue Schaltungsanordnung weist zwischen einem Schaltungseingang und einem Schaltungsausgang mindestens zwei parallele Signalzweige mit jeweils einer in Sättigung betriebenen Verstärkereinheit auf. Die Verstärkereinheiten unterscheiden sich voneinander in ihren Ausgangsleistungen und sich durch Steuersignale einzeln aktivierbar und deaktivierbar. DOLLAR A Verstärkung von Hochfrequenzsignalen in drahtlosen Kommunikationssystemen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung.

In der Nachrichtentechnik ergibt sich häufig die Notwendigkeit, ein Ein­ gangssignal in ein Ausgangssignal mit konstanter Amplitude, d. h. mit kon­ stanter Ausgangsleistung, zu verstärken. Üblicherweise wird das Eingangs­ signal hierzu einer regelbaren Verstärkereinheit zugeführt, deren Aus­ gangsleistung mittels eines Regelkreises durch Variation der Verstärkung der Verstärkereinheit auf einen durch eine Führungsgröße vorgegebenen kon­ stanten Wert geregelt wird. Als nachteilig erweist sich hierbei der hohe Schaltungs- und Kostenaufwand zur Realisierung des Regelkreises.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist und deren Ausgangsleistung, d. h. die von der Schaltungsan­ ordnung abgegebene mittlere Leistung, auf einfache Weise zwischen ver­ schiedenen diskreten Werten umschaltbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß weist die Schaltungsanordnung zwischen einem Schal­ tungseingang und einem Schaltungsausgang mehrere parallele Signalzweige und in jedem Signalzweig eine Verstärkereinheit auf. Die Verstärkereinhei­ ten unterscheiden sich in ihren Ausgangsleistungen und können durch Steuersignale einzeln aktiviert und deaktiviert werden. Sie werden alle in Sättigung, d. h. in Begrenzung, betrieben, so daß die Amplitude des Aus­ gangssignals einen maximalen Wert erreicht, diesen jedoch nicht über­ schreitet. Infolgedessen bewirken Schwankungen der Eingangsleistung am Schaltungseingang höchstens vernachlässigbare Schwankungen der am Schaltungsausgang abgegebenen Ausgangsleistung.

Die Schaltungsanordnung weist folgende Vorteile auf:

• - sie ist aufgrund der geringen Anzahl von Bauelementen platzsparend und kostengünstig auf einen Halbleiterchip integrierbar;
• - sie ist wenig störanfällig und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb;
• - die Werte der Ausgangsleistung lassen sich mit hoher Genauigkeit vorge­ ben; technologisch bedingte Streuungen der Verstärkungen der Verstär­ kereinheiten lassen sich durch Variation des Arbeitspunktes am Schal­ tungseingang kompensieren;
• - die einzelnen Verstärkereinheiten lassen sich für eine vorgegebene Ein­ gangsleistung, d. h. für einen definierten Arbeitspunkt am Schaltungs­ eingang, auf maximalen Wirkungsgrad optimieren;
• - zudem lassen sich die einzelnen Verstärkereinheiten auf einfache Weise durch Abschaltung ihrer Stromversorgung deaktivieren, was zu einem geringen Gesamtstromverbrauch führt;
• - sie eignet sich aufgrund des geringen Stromverbrauchs und der Inte­ grierbarkeit bestens für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten, ins­ besondere für den Einsatz in Handgeräten von drahtlosen Kommunika­ tionssystemen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung,

Fig. 2 ein Leistungsdiagramm der Schaltungsanordnung aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Schaltungsanordnung beispielsweise drei Verstär­ kereinheiten V₁, V₂, V₃, die eingangsseitig mit einem Schaltungseingang IN und ausgangsseitig mit einem Schaltungsausgang OUT verbunden sind und die auf einen gemeinsamen Halbleiterchip integriert sind. Die Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ weisen jeweils einen Steuereingang A₁ bzw. A₂ bzw. A₃ auf, an denen jeweils ein Steuersignal s₁ bzw. s₂ bzw. s₃ ansteht. Durch die Steuersignale s₁, s₂, s₃ werden die jeweiligen Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ aktiviert oder deaktiviert, d. h. ein- oder ausgeschaltet. Die Steuersignale s₁, s₂, s₃ werden dabei derart vorgegeben, daß höchstens eine der Verstär­ kereinheiten V₁, V₂, V₃ aktiviert ist; die anderen Verstärkereinheiten sind de­ aktiviert, wobei die Deaktivierung vorteilhafterweise durch Unterbrechung der Stromversorgung der jeweiligen Verstärkereinheit V₁, V₂, V₃ erfolgt. Es erweist sich ferner als vorteilhaft, die deaktivierten Verstärkereinheiten eingangsseitig gegen ein Bezugspotential, beispielsweise gegen Masse, kurz­ zuschließen, um eine störende Signaleinkopplung vom Schaltungseingang IN zu den jeweils deaktivierten Verstärkereinheiten und über diese zum Schal­ tungsausgang OUT zu verhindern.

Dem Schaltungseingang IN wird ein Hochfrequenzsignal als Eingangssignal zugeführt; dieses wird in dem Signalzweig mit der jeweils aktivierten Ver­ stärkereinheit V₁ bzw. V₂ bzw. V₃ zu einem Ausgangssignal verstärkt, welches am Schaltungsausgang OUT an eine frequenzselektive Last L abgegeben wird. Am Schaltungseingang IN steht demnach die Eingangsleistung P_IN an und am Schaltungsausgang OUT die Ausgangsleistung P_OUT.

In den Signalzweigen können zwischen den Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ und dem Schaltungsausgang OUT Dämpfungselemente D₁, D₂, D₃, beispiels­ weise Widerstände, vorgesehen sein, mit denen die Ausgangsleistung P_OUT auf die jeweils gewünschten Werte eingestellt wird.

Die Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ sind für einen vorgegebenen Wert P₁ der Eingangsleistung P_IN auf maximalen Wirkungsgrad optimiert. Dies erreicht man beispielsweise durch eine geeignete Wahl der Flächen von in den Ver­ stärkereinheiten V₁, V₂, V₃ vorgesehenen Transistoren. Der hohe Wirkungs­ grad und die Tatsache, daß die deaktivierten Verstärkereinheiten von der Stromversorgung abgetrennt sind, führt zu einem geringen Gesamtstrom- Verbrauch der Schaltungsanordnung.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß die Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ in Sät­ tigung, d. h. in Begrenzung betrieben werden. Das Ausgangssignal wird hierdurch verzerrt, so daß Oberwellen entstehen; diese stören jedoch nicht, da sie sich in der beispielsweise als LC-Schwingkreis ausgeführten Last L auf­ grund deren Frequenzselektivität ausreichend unterdrücken lassen.

Fig. 2 zeigt drei Leistungskennlinien K₁, K₂ und K₃, die den funktionellen Zusammenhang zwischen der Eingangsleistung P_IN und der Ausgangsleistung P_OUT für den Fall angeben, daß jeweils die Verstärkereinheit V₁ bzw. V₂ bzw. V₃ aktiviert ist. Bei kleinen Eingangsleistungen P_IN steigt die Ausgangsleistung P_OUT gemäß den Leistungskennlinien K₁, K₂, K₃ mit zunehmender Eingangslei­ stung P_IN zunächst linear an; die Leistungskennlinien K₁, K₂, K₃ verlaufen da­ bei tangential zu jeweils einer der idealen Kennlinien L₁ bzw. L₂ bzw. L₃, wel­ che jeweils den Zusammenhang zwischen der Eingangsleistung P_IN und der Ausgangsleistung P_OUT für den linearen, d. h. ungesättigten und unbegrenz­ ten, Betrieb angeben. Mit zunehmender Eingangsleistung P_IN nimmt die Steigung der Leistungskennlinien K₁, K₂, K₃ ab. Im Betriebspunkt P_I - dem Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung - ist die Steigung der Leistungs­ kennlinien K₁, K₂, K₃ nahezu Null und die Ausgangsleistung P_OUT nimmt jeweils den Wert P₀₁ bzw. P₀₂ bzw. P₀₃ an; die Eingangsleistung P_IN kann daher in ei­ nem vorgegebenen Arbeitsbereich P_Imin . . . P_Imax schwanken, ohne daß dies zu einer wesentlichen Änderung der Ausgangsleistung P_OUT führt, d. h. die Aus­ gangsleistung P_OUT bleibt in diesem Arbeitsbereich nahezu konstant.

Die Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ sind im vorliegenden Beispiel derart ausge­ führt, daß die Abstände P_K1, P_K2, P_K3 zwischen den idealen Kennlinien L₁, L₂, L₃ und den entsprechenden Leistungskennlinien K₁ bzw. K₂ bzw. K₃ im wesent­ lichen gleich sind. Hierdurch erreicht man, daß das am Schaltungsausgang OUT abgegebene Ausgangssignal in jeder der Verstärkereinheiten V₁, V₂, V₃ im wesentlichen im gleichen Maße verzerrt wird.

Die Werte P₀₁, P₀₂, P₀₃ der Ausgangsleistung P_OUT können aufgrund ferti­ gungsbedingter Toleranzen streuen; sie streuen jedoch, da die Schaltungs­ anordnung als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist, in die gleiche Richtung und können daher durch Verschiebung des Betriebspunktes P_I in bestimm­ ten Grenzen kompensiert werden.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung eines an einem Schal­ tungseingang (IN) anstehenden Eingangssignals in ein an einem Schaltungs­ ausgang (OUT) anstehendes Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schaltungseingang (IN) und dem Schaltungsausgang (OUT) mindestens zwei parallele Signalzweige mit jeweils einer in Sättigung be­ triebenen Verstärkereinheit (V₁, V₂, V₃) vorgesehen sind, wobei die Verstär­ kereinheiten (V₁, V₂, V₃) sich in den Werten (P₀₁, P₀₂, P₀₃) ihrer Ausgangslei­ stungen (P_OUT) voneinander unterscheiden und durch Steuersignale (s₁, s₂, s₃) einzeln aktivierbar und deaktivierbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine frequenzselektive Last (L) an den Schaltungsausgang (OUT) der Schal­ tungsanordnung angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (L) als Schwingkreis ausgeführt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens einer der Verstärkereinheiten (V₁, V₂, V₃) und dem Schaltungsausgang (OUT) ein Dämpfungselement (D₁, D₂, D₃) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dämpfungselement (D₁, D₂, D₃) als Widerstand ausgeführt ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheiten (V₁, V₂, V₃) für eine vorgegebe­ ne Eingangsleistung (P_I) jeweils auf maximalen Wirkungsgrad optimiert sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist.

8. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen An­ sprüche zur Verstärkung eines Hochfrequenzsignals in einem drahtlosen Kommunkationssystem.