DE19901461B4 - Integrierbare Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC; Automatic Gain Control) - Google Patents

Abstract

Integrierbare Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC; Automatic Gain Control) des in differentieller Form vorliegenden UHF-Ausgangssignals eines Funksender-Modulators und damit der Regelung der Ausgangsleistung des Funksenders mit Anpassung des Ausgangswiderstands an eine angeschlossene niederohmige Last, wobei einem (R1) von zwei Lastwiderständen (R1, R2) eines von einer differentiellen, von einer Verstärkungsregelspannung (V_GC) abgeleiteten Ansteuerspannung (V_{control–controlx}) gesteuerten AGC-Differenzverstärkers, der dem Modulator nachgeschaltet ist, in einer Ausgangsstufe die Basis-Kollektor-Strecke eines als Emitterfolger geschalteten Transistors (T5) parallel geschaltet ist und am Emitter dieses Transistors das leistungsverstärkte Ausgangssignal (RFOUT) zur Zuführung an die Last abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterwiderstandsstrecke des als Emitterfolger geschalteten Transistors (T5) ein als Gegentakt-Stromquelle wirksamer Transistor (T4) eingeschaltet ist, dessen Ruhegleichstrom mit einer Stromspiegelungsschaltung (T2, T3, T4) eingestellt ist und der von einem um 180° gegenüber dem Ausgangssignal (RFOUT) phasenverschobenen Signal angesteuert ist, das am Emitter eines zweiten als Emitterfolger geschalteten Transistors (T1), dessen Basis-Kollektor-Strecke dem anderen (R2) der...

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierbare Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• In den heute gebräuchlichen tragbaren Mobilfunkgeräten ist es üblich, auf der Senderseite die Ausgangsleistung eines Direktmodulators durch eine externe Verstärkungsregelung (AGC; Automatic Gain Control) passend einzustellen. Der integrierte Modulator hat dabei für die hohe Ausgangsleistung von 0 dBm in den für die Mobilfunkübertragung relevanten Frequenzbereichen einen differentiellen und hochohmigen "open collector"-Ausgang. Die Zuführung der Versorgungsspannung und die Anpassung des Ausgangs an ein niederohmiges Ausgangsfilter, beispielsweise an ein SAW-Filter von 50 Ohm, erfordert dann eine aufwendige externe Beschaltung.
• In einem integrierten HF-Senderbaustein mit der Bezeichnung AN6090SH der Firma Matsushita, der in "National Technical Report", Vol. 42, No. 1, Februar 1996, Seiten 132 bis 134 beschrieben ist, ist für den Frequenzbereich von 1500 MHz eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung des in differentieller Form vorliegenden UHF-Ausgangssignals eines Funksender-Modulators enthalten.
• In dieser bekannten integrierten Schaltung ist an einen von zwei Lastwiderständen eines dem Modulator nachgeschalteten AGC-Differenzverstärkers, der von einer differentiellen, die Verstärkung bestimmenden Ansteuerspannung gesteuert wird, in einer Ausgangsstufe die Basis-Kollektor-Strecke eines als Emitterfolger geschalteten Transistors parallel geschaltet. Am Emitter dieses Transistors wird das leistungsverstärkte Ausgangssignal zur Zuführung an die Last abgenommen. Diese bekannte integrierte Schaltung weist allerdings den Nachteil auf, daß der Emitterfolger-Ausgang keine Ausgangsleistung von 0 dBm an einer niederohmigen Last von z.B. 50 Ohm erreicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem integrierten Schaltungsbaustein eine automatische Regelung (AGC) der Ausgangsleistung eines Sendermodulators bei möglicher gleichzeitiger Regelung der Stromaufnahme zu realisieren, wobei der Ausgang unsymmetrisch ist und auf eine niederohmige Last von z.B. 50 Ohm eine Ausgangsleistung von 0 dBm bei der jeweiligen UHF-Funkfrequenz, beispielsweise bei den Mobilfunkfrequenzen bei ca. 900 MHz oder bei ca. 1600 MHz, abgegeben werden kann.
• Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei der durch die Erfindung geschaffenen automatischen Verstärkungsregelung (AGC) ist der Ausgang als Emitterfolger unsymmetrisch ("single ended") ausgeführt und niederohmig. Er läßt sich direkt mit dem niederohmigen Eingang z.B. eines SAW-Filters verbinden.
• Die externe Beschaltung eines unter anderem die Schaltung nach der Erfindung aufweisenden integrierten Bausteins reduziert sich auf eine serielle Kapazität zur Gleichstromentkopplung. Von wesentlicher Bedeutung ist bei der Erfindung der Emitterfolger, der durch die besondere Schaltung die hohe Ausgangsleistung von 0 dBm an eine niederohmige Last von z.B. 50 Ohm bei hohen Frequenzen von z.B. 0,8–1,0 GHz bzw. 1,4–1,6 GHz abgeben kann.
• Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung, die sich auf die Erzeugung einer hochlinearen Regelkennlinie der automatischen Verstärkungsregelung über einen weiten Dynamikbereich von z.B. 40 dB beziehen, sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
• In diesem Zusammenhang besteht das technische Problem darin, daß für die Linearität der Regelkennlinie, was bedeutet, daß die Ausgangsleistung P_RFOUT der gesamten AGC-Schaltung von der Verstärkungsregelspannung V_GC proportional abhängig sein soll, der Spannungshub V_RFOUT an diesem Ausgang exponentiell von dieser Verstärkungsregelspannung abhängen muß. Denn es gilt.
• 
• Eine bisherige Lösung in diesem Zusammenhang, die aus der Literaturstelle von Barrie Gilbert: "IF Amplifiers for Monolithic Bipolar Communications Systems", Analog Devices Inc., Beaverton, OR(USA), April 1996, Seiten 1 bis 26 bekannt ist, besteht in der Erzeugung eines exponentiell von der Verstärkungsregelspannung V_GC abhängigen Fußpunktstroms eines nicht gegengekoppelten Differenzverstärkers.
• Nachteilig bei dieser Lösung ist die für die Linearität des HF-Pfades entweder benötigte Vorverzerrung (Predistortion) in der Ansteuerung des Differenzverstärkers mit nicht angepaßten Stromdichten, da der Strom im Differenzverstärker geregelt wird, oder das Hintereinanderschalten mehrerer Verstärkerstufen.
• Das Konzept gemäß den im Zusammenhang mit der Erzeugung einer linearen Regelkennlinie der AGC-Schaltung stehenden Weiterbildungen der Erfindung sieht eine Struktur vor, die einer sogenannten Gilbert-Zelle ähnlich ist und als Stromwippe nur einen von der Regelspannung V_GC abhängigen Teil des HF-modellierten Stromes den Lastwiderständen zuführt. Es werden im HF-Pfad nur zwei Differenzverstärkerstufen benötigt, die durch Gegenkopplungswiderstände und Aussteuerungen der Kennlinienlänge von nur 50% hochlinear sind. Die Vorverzerrung verschiebt sich in einen Gleichstrompfad zur Ansteuerung der Stromwippe mit abgestimmten Stromdichten.
• Eine zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die sich auf die adaptive Regelung der Stromaufnahme der AGC-Schaltung bezieht, ist im Patentanspruch 5 angegeben. Die Kennlinienlänge und damit die Linearität der AGC-Differenzverstärker im HF-Pfad der Ausgangsstufe wird durch ihre Biasströme bestimmt. Da bei Abregeln der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) für eine gleiche Linearität eine geringere Kennlinienlänge benötigt wird, können die Biasströme und damit die Stromaufnahme des integrierten AGC-Bausteins nach der Erfindung reduziert werden.
• Die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) nach der Erfindung wird im folgenden anhand eines in drei Figuren dargestellten, vorteilhaften Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
• 1 die Schaltung einer unsymmetrisch abgeschlossenen ("single ended") Sender-Ausgangsstufe insbesondere eines kleinen, tragbaren Mobilfunkgeräts,
• 2 die Schaltung zur Erzeugung einer linearen Regelkennlinie, und
• 3 die Schaltung zur Bildung einer adaptiven Stromaufnahmeregelung.
• Im folgenden wird auf die in der 1 dargestellte Schaltung der unsymmetrisch abgeschlossenen AGC-Ausgangsstufe für ein kleines tragbares Mobilfunkgerät eingegangen, die in einem Sendeteil-Chip zusammen mit noch anderen Schaltungen, wie z.B. dem Mischer, dem Modulator und den restlichen AGC-Schaltungsteilen, integriert ist.
• Der HF-Pfad ist innerhalb des Chips bis zu den beiden Lastwiderständen R1 und R2 eines in 1 nicht im einzelnen dargestellten AGC-Differenzverstärkers differentiell. Die am Lastwiderstand R1 abfallende Spannung wird über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor T5, d.h. mit einer Spannungsverstärkung von eins, ausgekoppelt und kann am Anschluß RFOUT des Bausteins abgegriffen werden. Für die Linearität dieses Emitterfolgers ist die durch einen Transistor T4 gebildete Stromquelle ausschlaggebend, in die während der negativen Halbwelle des Ausgangssignals ein Strom aus der Last am Anschluß RFOUT hineinfließt. Dieser Strom beträgt bei einer Last mit einem Widerstand R_Last = 50 Ohm und einer Ausgangsleistung P_out = 0 dBm etwa 6,5 mA.
• Für eine hinreichende Linearität erfordert dies einen Kollektorstrom I_cT4 des Transistors T4 von etwa 12 mA. Wäre dieser Strom konstant, so würde durch den Transistor T5 während der positiven Halbwelle des Ausgangssignals ein Strom von etwa 18,5 mA fließen. Dies würde unter Berücksichtigung der Stromtragfähigkeit einen sehr großen Transistor T5 erfordern, den der die Lastwiderstände R1 und R2 aufweisende AGC-Differenzverstärker treiben müßte.
• Nach der Erfindung ist deswegen eine dynamische Stromregelung implementiert. Der Ruhestrom durch den Transistor T4 wird mit einem durch die Transistoren T2, T3 und T4 realisierten Stromspiegel im Beispiel auf 6,2 mA eingestellt. Über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor T1 und einen Kondensator C2 wird das um 180° zum Ausgang RFOUT phasenverschobene Signal an einem Widerstand R2 auf die Basis des Transistors T4 gekoppelt und erhöht während der negativen Halbwelle das Basispotential des Transistors T4. Während der positiven Halbwelle am Ausgang RFOUT hingegen wird das Basispotential des Transistors T4 reduziert.
• Dies führt zu einer dynamischen Stromregelung der Stromquelle mit dem Transistor T4 zwischen 1 mA und 12 mA im Beispiel. Die Widerstände R4 und R5 sind eingefügt, um die Basis des Transistors T2 mit einem Kondensator C1 gegen Masse GND abzublocken. Das Verhältnis R4/R5 der Widerstände R4 und R5 entspricht dem Verhältnis der gespiegelten Ströme I_cT4/I_cT2 zur β-Kompensation. Mit I_BIAS sind Biasströme der Transistoren T1 und T2 bezeichnet.
• Nachfolgend wird die in 2 dargestellte Schaltung zur Erzeugung einer linearen Regelkennlinie erläutert. Es soll mit dieser Schaltung, die Teil der gesamten integrierten AGC-Schaltung ist, eine über die Temperatur und über Toleranzen stabile, exponentiell von der Verstärkungsregelspannung V_GC abhängende, differentielle Ansteuerspannung V_{control–controlx} der Stromwippe erzeugt werden. Es folgt dann theoretisch:
• 
• Gemäß der in 2 gezeigten Schaltung werden ein zur absoluten Temperatur proportionaler Strom I_BIAS1, ein zur Verstär kungsregelspannung V_GC proportionaler Strom I_BIAS2 und ein konstanter Strom I_BIAS3 erzeugt. Ein Spannungsumlauf über die vier Transistoren T6, T7, T8 und T9 ergibt:
• 
• Der Kollektorstrom I_cT9 des Transistors T9 ist damit proportional zu der absoluten Temperatur T und der Verstärkungsregelspannung V_GC. Dieser Strom wird genutzt, um den nicht gegengekoppelten Stromspiegel der Transistoren T10/T12/T13 zu beeinflussen. Ein Spannungsumlauf über den Transistor T10, den Widerstand R7 und den Transistor T13 ergibt:
• 
• Und da der Strom I_cT9 zur absoluten Temperatur T proportional ist, ist das Verhältnis U_R7/U_T temperaturkompensiert und darüber hinaus der Strom I_cT13 von der Verstärkungsregelspannung V_GC exponentiell abhängig. Die mit den Widerständen R8 und R9 aus den Strömen I_cT11 bzw. I_cT13 erzeugte differentielle Spannung steuert den Strom im folgenden Differenzverstärker 2 mit Emittergegenkopplung um.
• Der Strom wird mittels eines Stromspiegels 1 gespiegelt und fließt durch zwei jeweils durch einen Transistor T14 bzw. T15 realisierte Dioden, um als Vorverzerrung (Predistortion) den nicht gegengekoppelten Eingang der nachfolgenden Stromwippe zu linearisieren. Neu ist die für minimale Versorgungsspannungen von beispielsweise 2,7 Volt notwendige Anordnung der Vorverzerrung. Mit einem Transistor T16 wird mit Hilfe einer Bezugsspannung V_REF das Gleichstrompotential an den Anschlüssen control und controlx eingestellt.
• Es sind zwar ähnliche Strukturen in der bereits erwähnten Literaturstelle von Barrie Gilbert veröffentlicht. Jedoch liegt gegenüber diesen bekannten Strukturen ein bedeutender Unterschied der in 2 dargestellten Schaltung darin, daß die Multiplikationsschaltung der Biasströme hier mit npn-Transistoren statt mit pnp-Transistoren realisiert wird. Darüber hinaus wird gemäß der 2 nicht der Strom I_cT9 als Fußpunktstrom eines Differenzverstärkers genutzt, sondern es wird über die Anschlüsse control und controlx eine differentielle Ansteuerspannung V_{control–controlx} generiert.
• Nachfolgend wird die in 3 dargestellte Schaltung zur vorteilhaften adaptiven Regelung der Stromaufnahme der AGC-Schaltung nach der Erfindung erläutert.
• Wie vorher bereits ausgeführt wurde, wird die Kennlinienlänge und damit die Linearität der Differenzverstärker im HF-Pfad der AGC-Ausgangsstufe 5 durch ihre Biasströme bestimmt. Da beim Abregeln der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) für gleiche Linearität eine geringere Kennlinienlänge erforderlich ist, lassen sich die Biasströme und damit die Strom aufnahme des integrierten Bausteins in vorteilhafter Weise reduzieren.
• Die eine Stromeinsparung herbeiführende, die Erfindung weiterbildende Schaltung, die in 3 dargestellt ist, beruht auf einer adaptiven Stromregelung. Die der GCV-Einheit 3 (in wesentlichen Teilen in 2 gezeigt) entnommene Ansteuerspannung V_{control–controlx} der Stromwippe der AGC wird gleichzeitig genutzt, um einen nicht gegengekoppelten, zwei Transistoren T17 und T18 enthaltenden Differenzverstärker umzusteuern, der emitterseitig mit einem Biasstrom I_BIAS7 betrieben wird.
• Der Kollektorstrom I_cT18 des Transistors T18 ist damit von der Ansteuerspannung V_{control–controlx} abhängig und wird als adaptiver Biasstrom I_adaptiv mittels eines Stromspiegels 4 in die in 3 nicht dargestellten AGC-Differenzverstärker der AGC-Ausgangsstufe 5 gespiegelt. Damit der adaptive Biasstrom I_adaptiv für kleine Ausgangsleistungen nicht vollständig abgeregelt wird, addiert sich zum Kollektorstrom I_cT18 des Transistors T18 ein konstanter Grundstrom I_BIAS8.
• In den 1 bis 3 ist mit VCC die auf die Masse GND bezogene Betriebsgleichspannung der AGC-Schaltung bezeichnet.

1

Stromspiegel

2

Differenzverstärker

3

GCV-Einheit

4

Stromspiegel

5

AGC-Ausgangsstufe

C1, C2

Kondensatoren

control

Anschluß für Ansteuerspannung

controlx

Anschluß für Ansteuerspannung

GND

Masse

I_adaptiv

Adaptiver Biasstrom

I_BIAS

Biasstrom

I_{BIAS1–BIAS8}

Biasströme

R1–R9

Widerstände

RFOUT

Ausgangssignal

T

Temperatur

T1–T18

Transistoren

VCC

Betriebsgleichspannung

V_{control–controlx}

Differentielle Ansteuerspannung

V_GC

Verstärkungsregelspannung

V_REF

Bezugsspannung

Claims (6)

1. Integrierbare Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC; Automatic Gain Control) des in differentieller Form vorliegenden UHF-Ausgangssignals eines Funksender-Modulators und damit der Regelung der Ausgangsleistung des Funksenders mit Anpassung des Ausgangswiderstands an eine angeschlossene niederohmige Last, wobei einem (R1) von zwei Lastwiderständen (R1, R2) eines von einer differentiellen, von einer Verstärkungsregelspannung (V_GC) abgeleiteten Ansteuerspannung (V_{control–controlx}) gesteuerten AGC-Differenzverstärkers, der dem Modulator nachgeschaltet ist, in einer Ausgangsstufe die Basis-Kollektor-Strecke eines als Emitterfolger geschalteten Transistors (T5) parallel geschaltet ist und am Emitter dieses Transistors das leistungsverstärkte Ausgangssignal (RFOUT) zur Zuführung an die Last abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterwiderstandsstrecke des als Emitterfolger geschalteten Transistors (T5) ein als Gegentakt-Stromquelle wirksamer Transistor (T4) eingeschaltet ist, dessen Ruhegleichstrom mit einer Stromspiegelungsschaltung (T2, T3, T4) eingestellt ist und der von einem um 180° gegenüber dem Ausgangssignal (RFOUT) phasenverschobenen Signal angesteuert ist, das am Emitter eines zweiten als Emitterfolger geschalteten Transistors (T1), dessen Basis-Kollektor-Strecke dem anderen (R2) der beiden Lastwiderstände (R1, R2) des dem Modulator nachgeschalteten AGC-Differenzverstärkers parallel geschaltet ist, abgenommen und über einen Kondensator (C2) in die Basis des als Stromquelle wirksamen Transistors (T4) eingekoppelt ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Transistorschaltung (T6, T7, T8, T9) vorgesehen ist, in der ein zur absoluten Temperatur (T) proportionaler Strom (I_BIAS1), ein zur Verstärkungsregelspannung (V_GC) proportionaler Strom (I_BIAS2) und ein konstanter Strom (I_BIAS3) derart multipliziert werden, daß sich ausgangsseitig am letzten Transistor (T9) ein Kollektorstrom

   

   ergibt, daß eine nicht gegengekoppelte Transistor-Stromspiegelschaltung (T10, T12, T13) vorgesehen ist, welcher der Strom I_cT9 zugeführt wird und die an ihrem Ausgang einen vom zugeführten Strom I_cT9 und damit auch von der Verstärkungsregelspannung (V_GC) exponentiell abhängigen Strom (I_BIAS6 = I_cT13) abgibt, und daß eine aus dem letztgenannten Strom (I_BIAS6) und einem konstanten Strom (I_BIAS5) erzeugte differentielle Spannung einer Schaltung (2) zur Vorverzerrung (Predistortion) zugeführt wird, deren differentielle Ausgangsspannung zur Bildung der differentiellen Ansteuerspannung (V_{control–controlx}) für den AGC-Differenzverstärker weiterverwendet wird.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der tanh-Funktion der die automatische Verstärkungsregelung enthaltenden Stromwippe als Vorverzerrungsschaltung ein Differenzverstärker (2) mit Emittergegenkopplung vorgesehen ist, dessen Lastwiderstand ein über einen Stromspiegel (1) angeschlossenes Diodenpaar (T14, T15) ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch zwei als Dioden geschaltete Transistoren (T14, T15) realisierbare Diodenpaar an dem den Ausgangsanschlüssen (control; controlx) zur Abnahme der differentiellen Ansteuerspannung (V_{control–controlx}) abgekehrten Ende mit einem von einer Bezugsspannung (V_REF) angesteuerten Transistor (T16) zur Einstellung eines Gleichspannungsruhepotentials verbunden ist.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur adaptiven Stromaufnahmeregelung die differentielle Ansteuerspannung (V_{control–controlx}) gleichzeitig zur Umsteuerung eines nicht gegengekoppelten Differenzverstärkers (T17, T18) vorgesehen ist, daß der Kollektorstrom eines (T18) der beiden der diesen Differenzverstärker bildenden Transistoren (T17, T18) als adaptiver Biasstrom (I_adaptiv) erzeugt wird, daß zu dem genannten Kollektorstrom (I_cT18) ein konstanter Grundstrom (I_BIAS8) addiert wird, so daß der adaptive Biasstrom (I_adaptiv) für kleine Ausgangsleistungen nicht vollständig abgeregelt wird, und daß der adaptive Biasstrom (I_adaptiv) als Emitterstrom dem zweiten als Emitterfolger geschalteten Transistor (T1) sowie als Eingangsstrom der Stromspiegelschaltung (T2, T3, T4) zugeführt wird.
6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem integrierten Sendeteil-Baustein für kleine tragbare Mobilfunkgeräte, die im UHF-Frequenzbereich von etwa 0,8–1 GHz oder von etwa 1,4–1,6 GHz arbeiten.