DE2720285B2 - Mischstufe - Google Patents

Description

55

Die Erfindung betrifft eine Mischstufe, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Die Verwendung von Feldeffekttransistoren z. B. mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau (MOS-FET) in Misch- eo schaltungen ist weit verbreitet. Eine besonders beliebte Art eines solchen Transistors ist der N-Kanal-MOS-FET vom Verarmungstyp und mit zwei Gateelektroden. Er wird gewöhnlich im sogenannten Kaskodebetrieb eingesetzt, d. h. seine eine Gateelektrode, der das Signal der einen Frequenz angelegt wird, bildet den Eingang eines Verstärkers in Sourceschaltung, und seine andere Gateelektrode, an die das Signal einer zweiten Frequenz angelegt wird, bildet den Eingang einer Stufe in Gateschaltung (siehe z, B, RCA Solid State 1976 Data Book Series SSD-202C, Seite 83, Fig. 32 oder Electronic Design vom 4. Januar 1973, Seite 98). Derartige Schaltungskonfiguraticnen könne» jedoch sehr komplex werden, da sie eine ziemlich große Anzahl von AnschluCelementen wie z. B. Widerstände benötigen. Dies gilt auch für andere Mischschaltungen, in denen einzelne Feldeffekttransistoren des gleichen Leitungstyps verwendet werden. In der US-PS 37 27 078 ist eine Mischschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren gleichen Leitungstyps beschrieben, die in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Den Gateelektroden dieser beiden Feldeffekttransistoren wird das eine Eingangssignal im Gegentakt zugeführt, während das andere der beiden zu mischenden Signale an den Substrat gelegt wird. Wegen der unterschiedlichen Steilheiten bei Gateeinspeisung bzw. Substrateinspeisung der Eingangssignale werden die beiden zu mischenden Signale jedoch ungleichmäßig verstärkt, was für manche Anwendungsfälle unerwünscht sein kann.

Weiterhin ist aus RCA Linear Integrated Circuits 1975, Seite 592 ein linearer Verstärker mit zwei in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren einander entgegengesetzten Leitungf'.yps bekannt, deren Gateelektroden zum Eingang und deren Drainelektroden zum Ausgang des Verstärkers zusammengeschaltet sind, während die Betriebsspannung zwischen die beiden Sourceelektroden gelegt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vereinfachung der Schaltung und Verringerung des Aufwandes einer mit Feldeffekttransistoren bestückten Mischschaltung. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat eine Reihe von Vorteilen. So benötigt sie beispielsweise keinen Summierverstärker wie die in Electronic Design beschriebene Mischschaltung, deren Frequenzbereich durch den erforderlichen Operationsverstärker auf etwa 100 kHz begrenzt wird. Auch benötigt sie keine Spannungsteiler zur Einstellung der Gatevorspannungen, so daß sich nicht nur der Aufwand verringert, sondern auch Fehler durch falsche oder sich verändernde Einstellung der Potentiometer vermieden werden. Vielmehr sorgt die Gleichstromrückkopplung für die automatisch richtige Vorspannung der Gateelektroden und kompensiert außerdem Schwankungen oder Unterschiede der Transistorsteilheiten. Beide Transistoren arbeiten in Sourcegrundschaltung mit optimaler Verstärkung. Vorteilhaft ist weiterhin, daß auch nachgeschaltete CMOS-Verstärkerstufen zugleich mit Vorspannung versorgt werden können. Die Einsparung von Vorspannungsschaltungen gilt auch bei Erweiterung der erfindungsgemäßen Mischschaltung auf Gegentaktbetrieb, wodurch die Amplitude des Ausgangssignals sich in bekannter Weise um den Faktor 2 erhöhen läßt, während gleichzeitig geradzahlige Harmonische weitgehend unterdrückt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung enthält komplementärsymmetrische Feldeffekttransistoren z. B. in MOS-Ausführungen, welche Verstärker in Sourceschaltung für beide zu mischende Frequenzen bilden, auch wenn die beiden Verstärker von der Gleichstrom-Versorgungsqueile aus gesehen in Reihe geschaltet sind. Außer der aus der Sourceschaltung resultierenden optimalen Verstärkung in beiden Stufen des Mischkreises wird die Schaltung relativ einfach und somit

verhältnismäßig billig.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Eintakt-Mischstufe;

F i g. 2 zeigt einen Teil der in F i g. 1 dargestellten Schaltung in abgewandelter Form;

F i g. 3 ist Has Schaltbild einer erfindungsgemäßen Gegentakt-Mischstufe;

F i g. 4 ist das Schaltbild eines sogenannten BrückenmisoheiS (balanced mixer) in erfindungsgemäßer Ausführung.

In der Schaltung nach F i g. 1 liegen zwei Transistoren Pa und Na komplementären Leitungstyps mit ihren Stromleitungsstrecken (Kanälen) in Reihe zueinander zwischen eiuer Klemme 10 für den Anschluß einer Betriebsspannung +V und einer Klemme 12 für den Anschluß eines Bezugspotentials, im vorliegenden Fall Masse. Diese beiden Transistoren seien beispielsweise MOS-FET yofT¹ ^Γ!Γε!θΗεηϊΓΐ^σ5ί^υΓΎ5 und bilden "emeinsam eine Anordnung, die als KomplemenUV-FET-Verstärker bezeichnet werden kann. Ein erstes Eingangssignal E_Ci„ ι, das mit einer Trägerfrequenz f\ schwinge, wird der Primärwicklung 14 eines Transformators 16 ausgelegt Die Sekundärwicklung 18 dieses Transformators bildet mit einem abstimmbaren Kondensator 20 einen Parallelresonanzkreis, der auf die Frequenz /1 abgestimmt ist. Dieser Kreis ist mit seinem einen Ende an die Gateelektrode 21 des N-Kanal-Transistors N_A und mit seinem anderen Ende über einen Entkopplungskondensator 22 an Masse angeschlossen. Ein zweites Eingangssignal E^_n 2, das mit einer Modulationsfrequenz /j schwinge, wird an die Primärwicklung 24 eines Transformators 26 gelegt, dessen Sekundärwicklung 28 gemeinsam mit einem veränderbaren Kondensator 30 einen auf die Frequenz F₂ abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet Dieser Resonanzkreis ist mit einem Ende an die Gateelektrode 32 des P-Kanal-Transistors Pa und mit seinem anderen Ende über einen Entkopplungswiderstand 34 an Masse angeschlossen.

Der gemeinsame Drainanschluß 36 der Transistoren Pa und Na ist über einen Vorspannungswiderstand 38 mit einem Schaltungsknoten 40 verbunden. Dieser Knotenpunkt ist über einen den Widerstand 42 enthaltenden ersten Gleichstrom*ig an die Gateelektrode 32 des Transistors Pa und über einen den Widerstand 44 enthaltenden zweiten Gleichstromweg an die Gateelektrode 21 des zweiten Transistors N_A angeschlossen. Normalerweise sind die Werte der Widerstände 42 und 44 einander gleich und viel kleiner als der Widerstandswen des Widerstands 38. Der Vorspannungswiderstand 38 habe beispielsweise einen Widerstandswert von 22 Megohm, während die Widerstände 42 und 44 jeweils 100 Kiloohm betragen. Dasselbe gilt auch für die Vorspannungs- und die Entkopplungswiderstände in den Schaltungen nach den F i g. 3 und 4. Die Sourceelektroden der Transistoren P_A und Na werden wechselstrommäßig auf Masse gehalten, und zwar mittels einer Direktverbindung im Falle des Transistors Na und mittels eines Kondensators 45 im Falle des Transistors Pa.

Der Ausgangskreis der Mischstufe sei ein Serienresonanzkreis, der eine Spule 46 und einen veränderbaren Kondensator 48 -enthält. Dieser Resonanzkreis ist auf ein gewünschtes Ausgangssignal abgestimmt, bei dem es sich um die obere Seitt ,!frequenz (f\ + /j) oder um die untere Seitenbandfrequenz (f\ — fj) handeln kann.

Im Betrieb spannt der Vorspannungswiderstand 38 (gemeinsam mit den Widerständen 42 bzw. 44) den Komplementär-FET-Verstärker auf einen Arbeitspunkt vor, der bei oder in der Nähe der Mitte seines linearen Arbeitsbereichs liegt Anders ausgedrückt: die Vorspannung ist so eingestellt, daß die Transistoren Na und Pa beide Ruhestrom leiten. Die beiden miteinander zu mischenden Signale werden an die Primärwicklungen 14 bzw. 24 gelegt und bewirken, daß sich die Leitfähigkeit der Transistoren Na bzw. Pa entsprechend den relativen Amplituden dieser Signale ändert Gegenüber diesen Wechselsignalen stellt jeder Transistor einen Verstärker in Sourceschaltung dar, so daß vom betreffenden Transistor eine optimale Verstärkung erhalten werden kann. Wenn die Schaltung genau symmetrisch ist, was bei ihrer Herstellung in integrierter Bauweise der Fall sein sollte, haben die Widerstände 42 und 44 gleichen Wert

Das Ausgangssignal erscheint am gemeinsamen Drainanschluß 36 und enthält nebe': anderen Komponenten die beiden interessierenden —-!!enbanilfre^uenzen, nämlich /1 + /2 und /i — h. Der Scrienresonanzkreis ist auf eine dieser Seitenbandfrequenzen abgestimmt, so daß das mit dieser Frequenz schwingende Signal auf die nachfolgende Stufe gegeben wird. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform für integrierte Schaltungsbauweise ist die nachfolgende Stufe ein zweiter Komplementär-FET-Verstärker, wie in Fig. 1 dargestellt Der Vorteil liegt hierbei darin,daß man keine zusätzliche Schaltung zur Ruhevorspannung

jo benötigt, da die Mischstufe Pa, N_a selbst automatisch den korrekten Vorspannungspegel über den durch die Spule 46 gehenden Gleichstromweg liefert Wenn Komplementär-FET-Verstärkerstufen folgen, können auch sie in ähnlicher Weise ihre Vorspannung aus derselben Quelle empfangen. Es ist möglich, eine Mehrzahl solcher Stufen an dieselbe Vorspannungsquelle anzuschließen, weil sie eine sehr hohe Eingan^simpedanz haben und keinen nennenswerten Gleichstrom ziehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die folgenden Stufen wie z. B. die aus den Transistoren Pb und Nb gebildete Schaltung auf demselben Substrat integriert wie die Transistoren P_A und N_A.

Die /?C-Netzwerke 42, 34 und 44, 22 dienen zur Vorspannungsentkopplung. Ein Ableitkondensator wie der Kondensator 22 hat bei der Frequenz Z₁ eine endliche Reaktanz. Daher fällt ein kleiner Teil der Eingangssignalspannung der Frequenz /i am Kondensator 22 ab. Ein Widerstand wie das Element 44 bewirkt eine gewisse Dämpfung dieses Teils des Signals der Frequenz /i, der ansonsten zum Resonanzkreis 28, 30 gelangen würde und möglicherweise unerwünschte Einflüsse hervorrufen würde. Das Netzwerk 34, 42 hat eine ähnliche Wirkung bezüglich der Signale der Frequenz f₂, und beide Netzwerke dumpfen eine Rückkopplung von Signalen, die vom Anschluß 36 ausgehen könnte.

Es sind mehrere verschiedene alternative Ausfüh rungsformen gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 möglich. So kann beispielsweise der in der Schaltung nach F i g. I enthaltene Serienresonanzkreis durch einen Parallelresonanzkreis ersetzt werden, wie es in Fig.2 dargestellt ist. Der Kondensator 52 dient dazu, die Ausgangsleitung für Gleichstrom von Masse zu trennen, stellt jedoch andererseits einen niederohmigen Weg für

•j5 die verschiedenen vorhandenen Wechselstromkomponenten dar. Statt an der gezeigten Stelle kann der Kondensator 52 auch zwischen den Masseanschluß und den Paraüelresonanzkreis 54 eingefügt sein; die Wahl

der Einfügungsstelle hängt von den Charakteristika der nachfolgenden Schaltung ab. Als dritte Alternative kann statt aes Parallelresonanzkreises 54 auch ein geeignetes π-Glied eingesetzt werden.

Die F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Gegentaktschaltung. Sie enthält zwei Komplementär-FET-Verstärker P₁, N₁ und P₂, N₂. Diese Verstärker werden ähnlich wie der Verstärker in F i g. 1 durch einen Widerstand 60 so vorgespannt, daß ihr Arbeitspunkt in der Mitte des l.inearbereichs ihrer Kennlinie liegt. Der besagte Widerstand ist vorzugsweise mit seinem einen Ende an die Mittelanzapfung einer Spule 82 angeschlossen, während sein anderes Ende mit zwei Entkopplungsnetzwerken 88, 91 und 84, 86 verbunden ist. Der zu dem einen Entkopplungsnetzwerk gehörende Widerstand 84 liegt mit seinem gegenüberliegenden Ende an der Mittelanzapfung einer Spule 64.

Das erste Eingangssignal £,,„ ι wird der Primärwicklung 62 angelegt. Die zugehörige Sekundärwicklung 64 bildet die Induktivität eines Schwingkreises 66, der außerdem einen veränderbaren Kondensator 68 enthält Dieser Schwingkreis liegt zwischen den Gateelektroden der N-Kanal-MOS-Transistoren Λ/, und N₂. In ähnlicher Weise wird das zweite Eingangssignal E_e,„ ₂ an die Primärwicklung 70 gelegt, deren zugehörige Sekundärwicklung 74 mit einem veränderbaren Kondensator 76 einen Schwingkreis 72 bildet. Dieser Parallelschwingkreis ist mit seinen beiden Enden zwischen die Gateelektroden der P-Kanal-Transistoren P, und P₂ geschaltet.

Die Anordnung nach F i g. 3 enthält außerdem noch einen Parallelschwingkreis 78, der zwischen den gemeinsamen Drainanschluß des einen Verstärkers und den gemeinsamen Drainanschluß des anderen Verstärkers geschaltet ist. Das Ausgangssignal steht an den Enden einer Wicklung 80 zur Verfugung, die mit der Induktivität 82 des Schwingkreises 78 gekoppelt ist. Die Schaltung enthält schließlich noch ein erstes RC-Emkopplungsnetzwerk 84,86 und ein zweites ÄC-Entkopplungsnetzwerk 88,91.

Die Arbeitsweise der Schaltung erklärt sich aus der bereits oben gegebenen Beschreibung der Fig. 1. Das erste Eingangssignal der Frequenz f\ wird auf den Schwingkreis 66 gekoppelt, dessen Resonanzfrequenz gleich /i ist. Dieser Kreis liefert dann Eingangssignale zu den N-Kanal-Transistoren N\ und N₂, und zwar um 180° außer Phase. In ähnlicher Weise liefert der zweite Schwingkreis 72, der auf die zweite Eingangsfrequenz f₂ abgestimmt ist, gegenphasige Signale (180° außer Phase) an die Gateelektroden der Transistoren P_y und P₂. Der ausgangsseitige Parallelresonanzkreis 78 ist auf die interessierende Seitenbandfrequenz abgestimmt, z. B. auf /, + h oder /, - f₂. Das entsprechende Ausgangssignal wird von der Spule 80 gefühlt und steht an deren Ausgangsklemmen zur Verfugung. Der Betrieb im Gegentakt führt dazu, daß die Amplitude des Ausgangssignals um einen Faktor 2 größer ist als bei der Schaltung nach Fig. I, wenn angenommen wird, daß die in den beiden Schaltungen verwendeten Transistorein gleiche Transkonduktanz g_m haben. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Schaltung nach Fig.3 besteht darin, daß die Amplitude der erzeugten geradzahligen Harmonischen weit reduziert wird. Bei der Schaltung ist ferner von Nutzen, daß mit ihr der Grad des »Durchsickerns« (leak through) in zwischen den beiden Signalen der Frequenzen U und f₇ vermindert wird. Wenn die Mischstufc beispielsweise in einem Überlagerungsempfänger verwendet werden soll und d die Frequenz des lokalen Überjagcrungsnszillators ist, dann sollte der Anteil dieses Überlagerungssir> gnals. der zum ^-Eingang »durchsickert« und möglicherweise über die Eingangsseite des Empfängers abgestrahlt wird, möglichst klein gehalten werden. Eine solche Abstrahliing ist nnerwünsrhi wpjl tin ptnr Störquelle für andere Einrichtungen bilden kann. Allerdings bleibt noch eine Koppelstrecke, nämlich die Drain-Gate-Kapazität der N-Kanal-Transistoren. über die ein Teil des /VSignals zum /i-Eingang gekoppelt werden kann. Das Signal am Knotenpunkt 90 ist gegenüber dem Signal am Knotenpunkt 92 um 180 r. außer Phase, und daher erscheinen eventuelle über diese Koppclstrecken dringende Anteile dieser Signale gegenrhasig an den gegenüberliegenden Enden des Parallelschwingkreises 66. Sie können dazu führen, daß durch die Wicklung 62 ein kleiner Mehrbetrag des in Stroms der Frequenz f₂ fließt, wps unerwünscht ist. Die geradzahligen Harmonischen der Frequenz f₂ haben eine viel niedrigere Amplitude als f₂, und daher ist eine eventuelle Durchkopplung dieser Harmonischen geringer als die Durchkopplung von F₂ und gewöhnlich ohne ii Bedeutung.

Bei dem Brückenmischer nach Fig. 4 ist die Druckkopplung der Frequenz f₂ noch geringer. Die Schaltung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 darin, daß das eine Ende des Parallelschwingkreises 72 über einen Ableitkondensator 86 für Hochfrequenz mit Masse verbunden ist. während sein anderes Ende mit den Gateelektroden beider Transistoren P, und P₂ verbunden ist. Dadurch sind die an diese Gateelektroden gelegten /j-Signale phasen-4ΐ gleich, und die Knotenpunkte 90 und 92 empfangen f₂- Komponenten der gleichen Amplitude. Daher haben /^-Komponenten, die über die Drain-Gate-Kapazität der Transistoren N₁ und N₂ gekoppelt werden, stets das gleiche Potential an den beiden Enden des Schwingkrei- » ses 66 und bleiben somit ohne Einfluß. Dies gilt un. .r der Voraussetzung, daß der Transistor P₁ gleiche Kenngrößen wie der Transistor P₂ und daß der Transistor Λ/, gleiche Kenngrößen wie der Transistor N₂ hat. Diese Voraussetzung läßt sich bei monolithischen integrierten Schaltungen erfüllen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mischstufe mit mindestens einem FET vom Anreicherungstyp, dessen Kanal zwischen den Klemmen einer Betriebsspannungsquelle geschaltet ist und dessen Gateelektroden die zu mischenden Signale zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistoren einander entgegengesetzten Leitungstyps mit ihren Kanälen derart in Reihe geschaltet sind, daß ihre Drainelektroden miteinander verbunden sind und einen Ausgang (36) für das Mischsignal bilden und daß der Gateelektrode des einen Transistors (Pa) das eine und der Gateelektrode des anderen Transistors (Na) das andere der zu mischenden Signale zugeführt wird und daß jeder der beiden Transistoren mit einer Drain-Gate-Gleichstromrückkopplung (38, 42, 44) versehen ist, welche die Gateelektroden der Transistoren auf das Ruhepoiential des Ausgangsanschlusses{36) bringt.

2. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (36) eine Induktivität (46) angeschlossen ist, die mit einem Kondensator (48) einen Serienresonanzkreis bildet und mit ihrem anderen Ende am Eingangsanschluß (50) einer nachfolgenden Verstärkersteife mit zwei komplementären Feldeffekttransistoren (Pb, Nb) vom Anreicherungstyp liegt, die mit ihren Gateelektroden an diesem Eingangsanschluß liegen, während ihre zusarmnengeschalteten Drainelektroden den Ausgangsanschluß dieser nachfolgenden Verstärkerstufe bilden, u:id zwirnen deren Sourceelektroden die Versorgung_spannung liegt

3. Mischstufe nach Anspruo. 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere, ebenfalls mit ihren Kanälen in Reihe geschaltete Anreicherungs-Feldeffekttransistoren (P2, N2) einander entgegengesetzten Leitungstyps mit ihren Sourceelektroden an die Betriebsspannungsklemmen ( + V, Masse) angeschlossen sind und mit ihren zusammengeschalteten w Drainelektroden einen zweiten Ausgang (92) für das Mischsignal bilden und daß die zu mischenden Signale zwischen die Gateelektroden entsprechender Transistoren der beiden Reihenschaltungen gelegt werden und daß zwischen die beiden Ausgänge (90,92) die mittelangezapfte Primärwicklung (82) eines Resonanztransformators (78) geschaltet ist, deren zwischen ihrem einen bzw. anderen Ende und ihrer Mittelanzapfung befindliche Abschnitte in den Drain-Gate-Gleichstromrückkopplungen der beiden Transistorreihenschaltungen (Pu Ni bzw. P₂, N₂) liegen.