DE4104980C2 - Verstärkerstufe für niederohmige Wechselspannungs-Quellen - Google Patents

Description

Verstärkerstufen für niederohmige Wechselspan­ nungs-Quellen - beispielsweise HF-Empfänger-Eingangs­ stufen in Funkempfängern - werden üblicherweise in Bi­ polar-Technologie mit einem Transistor in Basisschal­ tung bzw. in FET-Technologie mit einem Transistor in Gateschaltung realisiert. Durch einen großen Kollektor­ strom bzw. Drainstrom läßt sich eine hohe Linearität der Schaltung erreichen; beispielsweise beträgt bei ei­ nem Kollektorstrom von 10 mA und einer Quellimpedanz von 50 Ohm der "Interception Point" - dieser Wert ist ein Maß für die Nicht-Linearitäten im Kleinsignalbe­ trieb - lediglich 10 dBm. Gleichzeitig weist die Basis­ schaltung bzw. Gateschaltung recht günstige Rauschei­ genschaften auf; beispielsweise erhält man bei einem Kollektorstrom von 3 mA Verstärker-Rauschzahlen von 2 dB.

Oft müssen von den Verstärkerstufen, beispielsweise in der Nähe starker Sender, Signale mit hohen Signalpegeln (+10 dBm oder mehr, was einem Signalspitzenstrom von 20 mA bei 50 Ohm Eingangswiderstand entspricht) verar­ beitet werden. Damit die Verstärkerschaltung linear ar­ beitet, muß der Kollektorstrom des Eingangstransistors groß gegenüber diesem Signalspitzenstrom sein; um die Linearität der Schaltung zu gewährleisten, muß bei hohen Eingangs-Signalpegeln folglich der Kollektorstrom erhöht und damit der Arbeitspunkt der Schaltung verschoben werden. Eine derartige Erhöhung des Kollektorstroms ist aber nur begrenzt möglich. So entspricht beispielsweise der Verdoppelung des Kollektorstroms lediglich eine Erhöhung des Interception Points um 6 dBm. Einschränkend gilt aber, daß der Interception Point die Linearitätsbedingungen bei hohen Signalpegeln nur ungenügend charakterisiert. Eine Erhöhung des Kollektorstroms hat ebenfalls ein Ansteigen der Rauschzahl zur Folge, da die Rauschquellen im Transistor eine dem Kollektorstrom proportionale Rauschleistung abgeben; durch die erhöhte Verlustleistung ergeben sich Probleme in der Zuverlässigkeit der Schaltung.

Aus der GB 2 121 635 ist eine Verstärkerstufe für niederohmige Wechselspannungs-Quellen bekannt, die zwei komplementäre Transistoren in Basisschaltung aufweist und bei der eine Linearisierung der Schaltung vorgenommen werden soll. Außer den beiden genannten Verstärkertransistoren weist die Verstärkerstufe noch vier weitere zur Verstärkung dienende Transistoren auf; die beiden komplementären Verstärkertransistoren sind für die von der Signalquelle gelieferte Eingangswechselspannung eingangsseitig nicht parallel geschaltet, da jeder Emitter der beiden Verstärkertransistoren ein separates Eingangssignal erhält.

In der Literaturstelle "IBM-Technical Disclosure Bulletin", Vol. 31, No. 10, p. 304-306, 1989, ist eine Verstärkerstufe für Digitalsignale beschrieben; diese dient dazu, digitale Signale bzw. Rechtecksignale zu treiben, jedoch nicht eine lineare Verstärkung von Analogsignalen zu realisieren. Die Verstärkerstufe weist neben zwei bipolaren Verstärkertransistoren zwei weitere als Feldeffekttransistoren ausgebildete Verstärkertransistoren auf; die beiden bipolaren Verstärkertransistoren sind eingangsseitig über Widerstände parallel miteinander verbunden, ausgangsseitig jedoch nicht parallel miteinander verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerstufe anzugeben, die auch bei hohen und veränderlichen Signalpegeln gute Eigenschaften aufweist, die vom Anwender für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert vorgegeben werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Verstärkerstufe gemäß der Erfindung wird im wesentlichen aus zwei komplementären Verstärkertransistoren in Basisschaltung oder Gateschaltung gebildet, die für die Wechselspannung eingangsseitig und ausgangsseitig parallel und gleichspannungsmäßig in Serie geschaltet sind. Die beiden Halbwellen des Wechselspannungs-Eingangssignals werden von unterschiedlichen Verstärkertransistoren verarbeitet - der eine Verstärkertransistor verstärkt die negative Halbwelle des Eingangssignals, der komplementäre Verstärkertransistor die positive Halbwelle; das Ausgangssignal wird durch Addition der Ausgangssignale beider Verstärkertransistoren gebildet. Die Eingangsspannung wird dabei den Emitter- bzw. Source-Elektroden der beiden Verstärkertransistoren zugeführt, die Ausgangsspannung kann resistiv, kapazitiv oder mittels Übertrager an den Kollektor- bzw. Drain-Elektroden der beiden Verstärkertransistoren abgegriffen werden.

Da beide Halbwellen des Eingangssignals zum Ausgangssignal der Verstärkerstufe beitragen, können deren Eigenschaften deutlich verbessert werden. Nicht-lineare Verzerrungen des Ausgangssignals werden verringert, Störeinflüsse werden minimiert, da sich die Amplituden der Störgrößen subtrahieren. Die Stromaufnahme und folglich das Rauschen der Verstärkerstufe können gegenüber Standard-Verstärkerstufen reduziert werden. Die Verlustleistung der Schaltung wird reduziert, daher ergibt sich bei portablen Geräten eine erhöhte Batterie-Lebensdauer und in Geräten mit hoher Betriebsdauer eine Steigerung der Zuverlässigkeit.

Der Anwender kann sich dabei die für ihn vorteilhaften Eigenschaften bzw. deren Kombination auswählen. Beispielsweise führt ein gegenüber dem Stand der Technik reduzierter Kollektorstrom zu verbessertem Rauschverhalten und gleicher Linearität; oder ein identischer Kollektorstrom führt zu identischem Rauschverhalten und wesentlich gesteigerter Linearität.

Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Stromaufnahme der Verstärkerstufe automatisch dem jeweiligen Bedarf anpaßt, da ein veränderlicher Signalstrom den Arbeitspunkt der Verstärkertransistoren in die richtige Richtung hin verschiebt. Wird beispielsweise die Verstärkerstufe mit einem großen Signalpegel angesteuert, verschiebt der Eingangs-Signalstrom den Gleichstrom der Transistoren zu höheren Werten - die Linearität der Schaltung steigt also automatisch mit deren Aussteuerung an.

Die erfindungsgemäße Verstärkerstufe ist daher durch einen großen Dynamikbereich bzw. dynamischen Aussteuerbereich, durch geringes Rauschen, geringe Stromaufnahme und geringe Nicht-Linearitäten charakterisiert.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert werden.

In den Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Ausführungsformen der Verstärkerstufe in Bipolar-Technologie dargestellt, die Fig. 4 zeigt die Übertragungs-Kennlinien dieser Verstärkerstufen, die Fig. 5 den Ausgangsstrom der Verstärkerstufe und die Fig. 6 ein Vergleichs-Diagramm für den Klirrfaktor. In den Fig. 7 und 8 sind weitere Ausführungsformen der Verstärkerstufe in CMOS-Technologie dargestellt.

Gemäß der Fig. 1 besteht die Verstärkerstufe aus dem NPN-Verstärkertransistor T₁, dem komplementären PNP-Verstärkertransistor T₂, dem Eingangswiderstand bzw. der Quellimpedanz R₁, dem Lastwiderstand R₂, den Kondensatoren C_IN, C_OUT1 und C_OUT2 sowie den beiden Drosselspulen L₁ und L₂. Die Emitter der beiden Verstärkertransistoren T₁, T₂ sind am Knotenpunkt K₁ miteinander verbunden, an dem auch die über die Quellimpedanz R₁ und den Kondensator C_IN geführte Eingangsspannung U_IN anliegt. An den Basen der beiden Verstärkertransistoren T₁, T₂ liegt die jeweilige Betriebsspannung U_B1 bzw. U_B2 an, die Kollektoren sind über die Drosselspulen L₁ bzw. L₂ an die Versorgungsspannung bzw. an Bezugspotential angeschlossen und gleichzeitig über die Kondensatoren C₁ und C₂ mit dem Knotenpunkt K₂ verbun­ den. An diesem Knotenpunkt K₂ wird auch die Ausgangs­ spannung U_OUT abgegriffen, beispielsweise über den Lastwiderstand R₂.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 sind die bei­ den Kollektoren der Transistoren T₁ und T₂ am Knoten­ punkt K₂ miteinander verbunden; die Eingangsspannung U_IN wird über die Quellimpedanz R₁ und die beiden Kon­ densatoren C_IN1 und C_IN2 den beiden Emittern der Tran­ sistoren T₁ und T₂ zugeführt, die über Drosselspulen L₁ bzw. L₂ an die Versorgungsspannung bzw. an Bezugspoten­ tial angeschlossen sind. Die Ausgangsspannung U_OUT wird am Knotenpunkt K₂ abgegriffen, beispielsweise über den Kondensator C_OUT und den Lastwiderstand R₂. Um einen maximalen Aussteuerbereich der beiden Transistoren zu erhalten, wird die Betriebsspannung U_B1 bzw. U_B2 der beiden Transistoren T₁ und T₂ so nachgeregelt, daß die Gleichspannung an den Kollektoren gerade der halben Versorgungsspannung entspricht.

Die Schaltungsanordnung der Verstärkerstufe der Fig. 3 entspricht im wesentlichen derjenigen der Fig. 1; die Ausgangsspannung U_OUT an den Kollektoren der Transisto­ ren T₁ und T₂ wird jedoch mittels des Übertragers Ü ab­ gegeben.

Im Gegensatz zu Standard-Gegentakt-Schaltungen kann bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Verstär­ kerstufen sowohl das Eingangssignal als auch das Aus­ gangssignal ohne Verwendung von Übertragern im Eintakt abgegriffen werden. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird das Ausgangssignal an den Lastwiderstand R₂ ange­ koppelt, im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 an den Aus­ gangs-Kondensator C_OUT und den Lastwiderstand R₂.

Die Ausgangssignale der beiden Transistoren können auch - wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dargestellt - transformatorisch an den Kollektoren der beiden Transi­ storen mittels eines Übertragers summiert werden, wo­ durch gegenüber der Schaltungsanordnung in Fig. 1 die beiden Drosselspulen L₁ und L₂ sowie die beiden Konden­ satoren C_OUT1 und C_OUT2 eingespart werden können.

Vorzugsweise wird die gesamte Verstärkerstufe in einem Integrierten Schaltkreis integriert.

Die Fig. 4 zeigt die Übertragungs-Kennlinie der beiden in Basisschaltung betriebenen komplementären Transisto­ ren; auf der Ordinate ist dabei der Kollektorstrom I_C und auf der Abszisse die Emitterspannung U_E aufge­ tragen. Die Kurve (a) zeigt die Kennlinie des NPN-Tran­ sistors T₁ mit dem Arbeitspunkt AP₁, die Kurve (b) die Kennlinie des PNP-Transistors T₂ mit dem Arbeits­ punkt AP₂ und die Kurve (c) die Kennlinie, die sich aus der Summation der beiden Kennlinien der Einzeltransi­ storen ergibt. Desweiteren sind die Eingangsspannung U_IN - Kurve (d) - und der Ausgangsstrom I_OUT - Kurve (e) - eingezeichnet.

Aus der Fig. 4 werden die Vorteile der Verstärkerstufe evident: Nicht-Linearitäten in den Kennlinien der Ein­ zel-Transistoren T₁ bzw. T₂ werden bei der Addition eliminiert, die Arbeitspunkte AP₁ und AP₂ können bei einem kleinen Ruhestrom I₀ gewählt werden, so daß man kleine Rauschzahlen erhält, und die Arbeitspunkte wer­ den bei variablen Signalpegeln der Eingangsspannung U_IN automatisch in die gewünschte Richtung verschoben, so daß die Dynamik der Verstärkerstufe vollständig erhal­ ten bleibt.

In der Fig. 5 sind zeitlicher Verlauf der Eingangs­ spannung U_IN und der Kollektorströme I₁ und I₂ der Transistoren T₁ und T₂ dargestellt, wobei die Fig. 5a die Einzelströme I₁ und I₂ der beiden Transistoren T₁ und T₂ und die Fig. 5b die Summe der beiden Ströme (I₁+I₂) zeigt.

Die Fig. 5a veranschaulicht, daß bei Verwendung ledig­ lich eines Transistors T₁ oder T₂ in der Verstärker­ stufe nur ein ganz geringer linearer Aussteuerbereich gewählt werden kann, und nicht-lineare Verzerrungen zwangsläufig auftreten. Hingegen steht bei Verwendung zweier Transistoren in der Verstärkerstufe - die unter­ schiedliche Halbwellen des Eingangssignals verarbei­ ten - ein sehr großer linearer Aussteuerbereich zur Verfügung (Fig. 5b).

Die daraus resultierenden Verbesserungen der Eigen­ schaften der Verstärkerstufe lassen sich auch quantita­ tiv anhand von Zahlenwerten belegen. Exemplarisch dazu wurde der Klirrfaktor k - ein Maß für die Nicht-Li­ nearitäten der Verstärkerstufe - bei verschiedenen Ein­ gangsspannungen bei einer Standard-Verstärkerstufe und einer Verstärkerstufe nach der Erfindung bestimmt, wo­ bei die Rauschzahlen beider Schaltungsanordnungen gleich groß gewählt wurden.

In der Fig. 6 ist der Klirrfaktor über der Eingangs­ spannung U_IN aufgetragen, wobei die Kurve k_S den Ver­ lauf bei einer Standard-Verstärkerstufe und die Kurve k_E den Verlauf bei der erfindungsgemäßen Verstärkerstu­ fe gemäß Fig. 1 wiedergibt. Ein Vergleich der beiden Kurven verdeutlicht, daß vor allem bei hohen Signalpe­ geln der Eingangsspannung eine wesentliche Reduzierung des Klirrfaktors und damit eine deutliche Verbesserung der Linearität erreicht werden kann.

Natürlich kann auch die Rauschzahl und der Ruhestrom verringert werden - bei dennoch reduzierter Nicht-Li­ nearität - wenn man die Verstärkerstufe hinsichtlich dieser Eigenschaften verbessern will.

In der Fig. 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine Verstärkerstufe in FET-Technologie dargestellt. Diese Verstärkerstufe entspricht im wesentlichen der Anordnung der Fig. 2; die beiden komplementären FET-Transistoren - der NMOS-Transistor T₁ und der PMOS-Transistor T₂, die die beiden Bipolar-Transistoren T₁ und T₂ ersetzen - sind über ihre Drain-Elektroden am Knotenpunkt K₁ miteinander gekoppelt; an diesem Knoten­ punkt K₁ wird auch das Ausgangssignal U_OUT abgegriffen. Mit C_G ist der Gegenkopplungs-Kondensator bezeichnet.

Desweiteren ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine in Fig. 8 dargestellte Schaltung denkbar, bei der die Source-Elektroden der beiden Feldeffekt-Transistoren T₁ und T₂ miteinander verbunden sind; die Ausgangsspannung wird hierbei über die beiden Source-Elektroden am Last­ widerstand R₂ abgegriffen. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen der entsprechenden Bipolarschaltung aus der Fig. 1 äquivalent.

Falls MOS-FETs eingesetzt werden, läßt sich die Ver­ stärkerstufe in CMOS-Technologie sehr einfach integrie­ ren.

Claims (11)

1. Verstärkerstufe für niederohmige Wechselspannungs-Quellen, mit zwei komplementären Transistoren in Basisschaltung bzw. Gateschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe lediglich zwei Verstärkertransistoren (T₁, T₂) aufweist, daß die Verstärkertransistoren (T₁, T₂) für die Wechselspannung eingangsseitig und ausgangsseitig parallel geschaltet sind und daß die Verstärkertransistoren (T₁, T₂) für die Versorgungs-Gleichspannung in Serie geschaltet sind.

2. Verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs-Wechselspannung parallel den Emitter- bzw. Source-Elektroden beider Verstärkertransistoren (T₁, T₂) zugeführt wird und daß die Ausgangsspannung parallel von den Kollektor- bzw. Drain-Elektroden abgenommen wird.

3. Verstärkerstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) Bipolartransistoren sind.

4. Verstärkerstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U_IN) den an einem ersten Knotenpunkt (K₁) miteinander verbundenen Emittern der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über einen Kondensator (C_IN) zugeführt wird.

5. Verstärkerstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über Spulen (L₁, L₂) an die Versorgungsspannung bzw. Bezugspotential angeschlossen sind und daß die Ausgangsspannung (U_OUT) an einem zweiten Knotenpunkt (K₂) abgenommen wird, an dem die Kollektoren der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über Kondensatoren (C_OUT1, C_OUT2) miteinander verbunden sind (Fig. 1).

6. Verstärkerstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U_OUT) an einem zweiten Knotenpunkt (K₂) abgenommen wird, an dem die Kollektoren der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über einen Übertrager (Ü) miteinander verbunden sind (Fig. 3).

7. Verstärkerstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U_IN) den Emittern der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über Kondensatoren (C_IN1, C_IN2) zugeführt wird, daß die Emitter der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über Spulen (L₁, L₂) an die Versorgungsspannung bzw. Bezugspotential angeschlossen sind und daß die Ausgangsspannung (U_OUT) an einem Knotenpunkt (K₁) abgenommen wird, an dem die Kollektoren der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) miteinander verbunden sind (Fig. 2).

8. Verstärkerstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) Feldeffekttransistoren sind.

9. Verstärkerstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkertransistoren (T₁, T₂) MOS-Transistoren sind.

10. Verstärkerstufe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U_IN) den Source-Elektroden der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über Kondensatoren (C_IN1, C_IN2) zugeführt wird, daß die Source-Elektroden über Spulen (L₁, L₂) an Bezugspotential bzw. die Versorgungsspannung angeschlossen sind und daß die Ausgangsspannung (U_OUT) an einem Knotenpunkt (K₂) abgenommen wird, an dem die Drain-Elektroden der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) miteinander verbunden sind (Fig. 7).

11. Verstärkerstufe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U_IN) den miteinander verbundenen Source-Elektroden der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über einen Kondensator zugeführt wird, daß die Drain-Elektroden über Spulen an die Versorgungsspannung bzw. Bezugspotential angeschlossen sind und daß die Ausgangsspannung an einem Knotenpunkt abgenommen wird, an dem die Drain-Elektroden der beiden Verstärkertransistoren (T₁, T₂) über Kondensatoren miteinander verbunden sind (Fig. 8).