DE4499891C2 - Verstärker - Google Patents

Description

In der Vergangenheit haben Leistungsverstärker für Funkkommunikationsvorrichtungen, wie beispielsweise Funktelefone, bipolare Transistoren verwendet. Die einfachste und kosteneffektivste Maßnahme zum Aufbau des Verstärkers würde diejenige sein, das bipolare Transistorbauelement in einem industriellen, standardmäßigen kunststoffober­ flächenbefestigbaren Package zu befestigen und das Package an einer Schaltkreis­ leiterplatte anzulöten.

Ein Problem, das die Verwendung eines standardmäßigen Oberflächenbefestigungs- Package in vielen Leistungsverstärkeranwendungen unpraktikabel gestaltete, rührte daher, daß bipolare Transistoren ein Ausgangssignal und eine Wärmesenke besitzen, die aus einer Seite des bipolaren Transistorbauelements austreten, und Eingangssignale und HF-Erdungen besitzen, die aus der anderen Seite des Transistorbauelements austreten. Die Erfordernisse zur Erzielung eines elektrischen Pfads mit geringem Verlust für das Ausgangssignal und eines thermisch leitenden Pfads für eine Wärmeabführung auf einer Seite des Bauelements und elektrischer Pfade mit geringem Verlust für das Eingangssignal und elektrisch leitende Pfade für die HF-Erdungen von der anderen Seite des Bauelements erforderten die Verwendung eines Bauelementenbefestigungsver­ fahrens auf der Leiterplatte und ein Leiterverbindungsverfahren, um die Transistoren an einer Schaltkreisleiterplatte zu verbinden.

Es besteht ein Erfordernis beim Aufbau eines Verstärkers, den Biasstrom auf einen optimalen Pegel einzustellen, um, neben anderen Zielen, die erforderliche Verstärkung, die Ausgangsleistung und Effektivität zu erreichen. Zusätzlich besteht ein Erfordernis bei Funktelefonanwendungen, daß die Ausgangsleistung steuerbar ist. Für eine gute Leistungseffektivität ist es vorteilhaft, die Ausgangsleistung durch Variieren des Biasstroms zu steuern. Der Biasstrom spricht auf Änderungen in einem Steuerspan­ nungssignal an. Der Steuerbereich für die Ausgangsleistung jeder Leistungsverstär­ kerstufe ist auf der hohen Seite durch die Verstärker-Verstärkung und auf der niedrigen Seite durch die Isolation zwischen Eingang und Ausgang begrenzt, wenn die Steuerspannung, und demzufolge der Biasstrom, auf Null gesetzt wird. Innerhalb dieses Bereiches ist die Ausgangsleistung ungefähr proportional zu dem Quadrat des Biasstroms. Ein Problem besteht dann, wenn der Biasstrom nicht auf seinem optimalen Wert gehalten werden kann, weil er extrem empfindlich gegenüber Änderungen der Schaltkreisparameter ist.

In einem einstufigen Verstärker kann das Empfindlichkeitsproblem durch Verwendung einer Ausgangsleistungs-Steuerschleife vermieden werden, um so Parameterverschie­ bungen automatisch zu kompensieren. Allerdings könnte nur die Endstufe eines mehrstufigen, bipolaren Verstärkers optimal durch eine Ausgangsleistungs-Steuer­ schleife gesteuert werden. Deshalb könnte nicht jede Stufe eines mehrstufigen Verstärkers in geeigneter Weise mit ihrem optimalen Leistungspunkt vorgespannt werden, falls die Schaltkreisparameter verschoben werden. Zusätzlich könnte unter extremen Parametervariationen die Treiberstufe des mehrstufigen Verstärkers durch eine Über-Dissipation bzw. übermäßige Verlustleistung beschädigt werden, die durch einen zu großen Biasstrom verursacht wird.

Der Biasstrom steht in einer exponentiellen Beziehung zu Änderungen der Steuerspan­ nung, wenn bipolare Transistoren verwendet werden. Diese exponentielle Beziehung bewirkt potentielle Probleme aufgrund einer hohen Empfindlichkeit des Biasstroms gegenüber kleinen Änderungen in Schaltkreisparametern. Insbesondere ist der Biasstrom primär gegenüber Änderungen der Schwellwertspannung empfindlich, oberhalb derer der Biasstrom zu fließen beginnt. Glücklicherweise war bei, bipolaren Transistoren, bei denen die Schwellwerte in großem Umfang von dem eingebauten Potential einer Silizium-pn-Verbindung abhängig waren, die Biasstromvariation aufgrund von Änderungen dieses Parameters ausreichend niedrig. Allerdings können die kostspielige Bauelementenbefestigung auf der Leiterplatte und die Leiterverbindung nicht eliminiert werden.

Aus der EP 0 606 094 A2 ist eine integrierbare Stromspiegelschaltung bekannt, die sich durch eine große Stabilität der Vorspannung (Bias) gegenüber starken Schwankungen der Schwellwertspannungen der verwendeten Feldeffekttransistoren auszeichnet. Die Stromspiegelschaltung sieht über definierte Impedanzen eine Verbindung der Drainanschlüsse der verwendeten Feldeffekttransistoren mit einer Gleichspannungsquelle vor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen ein- oder mehrstufigen Verstärker bereitzustellen, bei dem das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung durch Variation der Biasströme jeder einzelnen Stufe steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Es folgt eine detaillierte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung, in Blockdiagrammform, eines Funktelefonkommunikations­ systems, das die Erfindung einsetzen kann.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung, in Blockdiagrammform, eines Senders gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung in Blockdiagrammform eines Funktelefonkommunikations­ systems. Das Funktelefonkommunikationssystem 100 umfaßt einen entfernten Sendeempfänger 101, der Funkfrequenz-(HF)-Signale zu und von Funktelefonen innerhalb eines festgelegten, geographischen Flächenbereichs sendet und davon empfängt. Das Funktelefon 103 ist ein solches Funktelefon, das innerhalb des geographischen Flächenbereichs vorhanden ist. Das Funktelefon 103 umfaßt eine Antenne 105, einen Empfänger 107, den Sender 109, eine Steuereinheit 111 und ein Benutzer-Interface 113.

Während des Empfangsbetriebs empfängt das Funktelefon 103 die HF-Signale über die Antenne 105. Die Antenne 105 wandelt die empfangenen HF-Signale in elektrische HF- Signale zur Verwendung durch den Empfänger 107. Der Empfänger 107 demoduliert die elektrischen HF-Signale und gewinnt die Daten zurück, die auf den HF-Signalen gesendet sind, und gibt die Daten zu der Steuereinheit 111 aus. Die Steuereinheit 111 formatiert die Daten in eine erkennbare Sprache oder in Informationen zur Verwendung durch das Benutzer-Interface 113. Das Benutzer-Interface 113 übermittelt die empfangenen Informationen oder die Sprache an einen Benutzer. Typischerweise umfaßt daß Benutzer-Interface eine Anzeige, ein Tastenfeld, einen Lautsprecher und ein Mikrophon.

Während des Sendebetriebs sendet das Funktelefon 103 Funkfrequenzsignale zu dem entfernten Sendeempfänger 101. Dabei sendet das Benutzer-Interface 113 Benutzereingangsdaten an die Steuereinheit 111. Die Steuereinheit 111 umfaßt typischerweise einen Mikroprozessor, einen Speicher und einen Leistungsverstärker- Steuerschaltkreis. Die Steuereinheit 111 formatiert die Informationen, die von dem Benutzer-Interface erhalten werden, und sendet sie über die Datenleitung 115 zu dem Sender 109 zur Umwandlung in HF-modulierte Signale. Zusätzlich versorgt die Steuereinheit 111 den Sender 109 mit einem Biasstrom-Steuersignal 117, das einen Spannungspegel besitzt. Der Spannungspegel des Biasstrom-Steuersignals 117 bestimmt die Leistung des HF-Signalausgangs von dem Sender 109. In der bevorzugten Ausführungsform enthält der Sender 109 eine mehrstufige Leistungsverstärker­ konfiguration (PA1, PA2). Die Spannung des Biasstrom-Steuersignals 117 wird durch einen Steuerschaltkreis bestimmt, der innerhalb der Steuereinheit 111 enthalten ist. Der Steuerschaltkreis verwendet das Ausgangsleistungs-Rückkoppelsignal 119, um die geeignete Spannung des Biasstrom-Steuersignals 117 einzustellen.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung in Blockdiagrammform des Senders 109, der zuvor in Fig. 1 dargestellt ist. Hier umfaßt der Sender 109 das erste Leistungsverstärker-Modul 201, ein zweites Leistungsverstärker-Modul 203 und eine Pegelverschiebeeinheit 205. Das Datensignal 115, der Ausgang von der Steuereinheit 111, wird in das erste Leistungs­ verstärker-Modul 201 eingegeben. Der Biasstrom, der durch das erste Leistungsver­ stärker-Modul fließt, ist linear zu dem Steuerstrom in Bezug gesetzt, der von der Spannung des Biasstrom-Steuersignals 117 abgeleitet wird. Wie zuvor anhand der US- Patente No. 5,220,290 und 5,160,898, die beide von Gregory R. Black erfunden und auf denselben Inhaber wie die vorliegende Anmeldung übertragen sind, besprochen, verschiebt die Pegelverschiebeeinheit 205 die Spannung des Biasstrom-Steuersignals 117 um einen vorbestimmten Betrag, bevor das Steuersignal in das zweite Leistungsver­ stärker-Modul 203 eingegeben wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Spannung des Steuersignals um 0,7 Volt nach unten verschoben. Der verstärkte Datenausgang von dem ersten Leistungsverstärker-Modul 201 auf der Ausgangsleitung 207 wird dem zweiten Leistungsverstärker-Modul 203 eingegeben. Das zweite Leistungsverstärker-Modul 203 besitzt einen Biasstrom zur Steuerung des Verstärkungs­ pegels des zweiten Leistungsverstärkers. Der zweite Biasstrom ist linear zu dem zweiten Steuerstrom in Bezug gesetzt. Der zweite Steuerstrom wird von der verschobenen Steuerspannung des Biasstrom-Steuersignals 117, das von der Pegelverschiebeeinheit 205 ausgegeben ist, abgeleitet. Das zweite, verstärkte Datensignal 209 wird von dem zweiten Leistungsverstärker-Modul 203 ausgegeben. Das zweite verstärkte Datensignal 209 enthält die HF-modulierten und verstärkten Daten zur Ausgabe auf die Antenne 105 der Fig. 1. Zusätzlich wird das zweite, verstärkte Datensignal 209 als Rückkoppelsteuer­ signal 119 zurück zu der Steuereinheit 111 der Fig. 1 geführt. Das Rückkoppelsteuer­ signal 119 zeigt den Leistungsausgangspegel von der zweiten Leistungsverstärkerstufe 203 zu dem Leistungsverstärker-Steuerschaltkreis, der innerhalb der Steuereinheit 111 der Fig. 1 enthalten ist, hin an.

In der bevorzugten Ausführungsform sind die Transistoren, die als aktive Elemente der Verstärkermodule verwendet werden, N-Kanal-Silizium-MOSFET's, die in geerdeten Source-Konfigurationen verwendet werden. Die MOSFET's sind aus einem elektrisch leitenden Siliziumwafer gearbeitet, so daß der Source-Anschluß über das Bulk-Silizium- Wafermaterial mit der Rückseite des Bauelements verbunden ist. Die rückseitige Source des Silizium-MOSFET's vereinfacht in großem Umfang das Package-Design, da der thermische Pfad zum Abführen von Wärme groß gestaltet werden kann, während gleichzeitig der elektrische Pfad zur Erdung verbessert wird. Die Erfinder sehen die Verwendung anderer, gleichfalls geeigneter Transistoren in dieser Anwendung vor, wie beispielsweise andere Feldeffekttransistoren (FET's).

Mit MOSFET's ist der Biasstrom Id zu dem Transkonduktanz-Parameter β und zu dem Quadrat der Differenz der Gate-Spannung Vg und einer Schwellwertspannung Vt proportional.

Id = (β/2)*[(Vg - Vt)]^2

Aufgrund einer quadratischen Beziehung zwischen der Gatespannung Vg und der Schwellwertspannung Vt ist ein Potential für den Verstärkerbiasstrom Id vorhanden, um sich aufgrund von Variationen von Vt zu ändern. Ungleich dem Fall bipolarer Transistoren, bei denen die Schwellwertspannung von inneren Eigenschaften des Siliziums abhängig ist, wird die MOSFET-Schwellwertspannung von Dotierungskonzen­ trationen abhängig sein, die mit der Bearbeitung variieren können. Die Variation von Vt wird typischerweise mit +/-50% spezifiziert. Die Empfindlichkeit von Id in bezug auf Änderungen in Vt wird wie folgt berechnet:

Svt = ∂(Id)/∂(Vt)
= β*(Vg + Vt)

Die Empfindlichkeit erhöht sich, wenn sich die Steuerspannung Vg erhöht. Es gibt verschiedene Ansätze, um das Problem eines ungenauen Biasstroms aufgrund von Schwellwertvariationen zu lösen. Zuerst könnte man den Verstärker so aufbauen, daß viele der Schlüsselattribute, wie beispielsweise Verstärkung und Ausgangsleistung, eine ausreichende Sicherheitszone besitzen, um den Schwellwertvariationen zu widerstehen. Zweitens könnte man die Vorrichtungen gemäß dem gemessenen Schwellwert abstufen und einen unterschiedlichen Biaswiderstands-Kit für jede Abstufung der Vorrichtung einsetzen. Drittens könnte man die Biaswiderstände unter Verwendung von Trimmtechniken während des Modulaufbaus einstellen. Schließlich ist die bevorzugte Lösung, einen Stromspiegel in dem Biasschaltkreis einzusetzen, der so konfiguriert ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Unter Bezeichnung des Verhältnisses der Gatterlängen des ersten Transistors 301 und des zweiten Transistors 303 als K, des Widerstandselements 307 als Rset und der Steuerspannung als Vref ist dann der Biasstrom des ersten Transistors Id, ungefähr durch folgenden Ausdruck gegeben:

Id = K* (Vref - Vt)/Rset

Die lineare Beziehung zwischen Id und Vref ist der Grund dafür, warum sich in der gespiegelten Anordnung der Biasstrom weniger empfindlich hinsichtlich Variationen in der Schwellwertspannung gestaltet. In diesem Fall verbleibt die Empfindlichkeit konstant, wenn sich die Steuerspannung erhöht; sie ist deshalb bei hohen Steuerspannungen kleiner als zuvor.

Svt = ∂(Id)/∂(Vt)
= K/Rset

Fig. 3 zeigt eine detaillierte Darstellung des Leistungsverstärker-Moduls 201 der Fig. 2. In der bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Leistungsverstärker-Modul 203 identisch zu dem ersten Leistungsverstärker-Modul 201 mit der Ausnahme, daß die Vorrichtungsgrößen und die Biaseinstellwiderstände gemäß den Spitzen-Ausgangslei­ stungserfordernissen jeder Stufe skaliert sind. Alternativ könnte der zweite Leistungsverstärker eine MOSFET-Vorrichtung ohne den Stromspiegel einsetzen, ungeachtet größeren Biasvariationen in der ersten Stufe aufgrund einer Schwellwertfehlanpassung zwischen den Stufen, da die Ausgangsleistungssteuerschleife 119 die Steuerspannung für den optimalen Biaspunkt der Ausgangsstufe einstellt.

Zur Vereinfachung der Darstellung wird nur das erste Leistungsverstärker-Modul 201 betrachtet werden. Es enthält einen ersten Transistor 303, der eine erste Drain, eine erste Source und ein erstes Gatter bzw. Gate besitzt, einen zweiten Transistor 301, der eine zweite Drain, eine zweite Source und ein zweites Gate besitzt, ein Widerstandselement 307 und eine induktive Vorrichtung 305 sowie eine elektrische Erdung 309. Das Eingangssignal 115 wird mit dem Gate des zweiten Transistors 301 gekoppelt. Das Biasstrom-Steuersignal 117 wird mit der Drain und dem Gate des zweiten Transistors und dem Gate des ersten Transistors 303 über das Widerstandselement 307 gekoppelt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Widerstandsvorrichtung 307 ein Widerstand, der einen Wert von 510 Ω besitzt. Die Source des zweiten Transistors 301 ist mit der Source des ersten Transistors 303 verbunden, die beide mit einer elektrischen Erdung 309 verbunden sind. Die Drain des ersten Transistors ist mit einer Bias- bzw. Vorspannspannung V_B+ über eine induktive Vorrichtung 305 gekoppelt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die induktive Vorrichtung 305 ein Induktor, der einen Wert von 39 nH besitzt. Alternativ könnte die induktive Vorrichtung eine Übertragungsleitung sein, die aus Signal- und Erdungsspuren einer vielschichtigen, gedruckten Schaltkreisleiterplatte gebildet ist. Die Drain des ersten Transistors ist mit dem verstärkten Ausgangssignal 207 gekoppelt.

Claims (6)

1. Verstärkerstufe (201) mit:
einem Signaleingangsanschluß zum Empfangen eines Eingangssignals (115) mit einem Eingangsleistungspegel,
einem Signalausgangsanschluß zum Aussenden eines Ausgangssignals (207) mit einem Ausgangsleistungspegel,
einem Biassteueranschluß zum Empfangen eines variablen Biasstrom-Steuersignals (117),
einem Biasanschluß zum Empfangen einer Biasspannung (V_B+),
einem ersten Transistor (303) mit einem ersten Drainanschluß, einem ersten Sourceanschluß, einem ersten Gateanschluß und einer ersten Schwellwertspannung, wobei der erste Drainanschluß intern mit dem Signalausgangsanschluß und dem Biasanschluß gekoppelt ist, und einem zweiten Transistor (301) mit einem zweiten Drainanschluß, einem zweiten Sourceanschluß, einem zweiten Gateanschluß und einer zweiten Schwellwertspannung, wobei
der erste Gateanschluß, der zweite Gateanschluß und der zweite Drainanschluß intern mit dem Signaleingangsanschluß und dem Biassteueranschluß gekoppelt sind,
der erste Sourceanschluß und der zweite Sourceanschluß intern geerdet sind (309),
die erste Schwellwertspannung und die zweite Schwellwertspannung im wesentlichen gleich sind, und
das Verhältnis von Ausgangsleistungspegel zu Eingangsleistungspegel der Verstärkerstufe durch einen Biasstrom bestimmt ist, der in linearer Beziehung zum variablen Biasstrom-Steuersignal (117) steht.

2. Verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biassteueranschluß über ein Widerstandselement (307) mit dem ersten Gateanschluß, dem zweiten Gateanschluß und dem zweiten Drainanschluß verbunden ist.

3. Verstärkerstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biasanschluß über eine induktive Vorrichtung (305) mit dem ersten Drainanschluß gekoppelt ist.

4. Verstärkerstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biasanschluß über eine Übertragungsleitung mit dem ersten Drainanschluß gekoppelt ist.

5. Verstärkerstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor und der zweite Transistor auf einem Bauelement angeordnet sind, in dem das Bulk-Silizium elektrisch leitend ist und die erste Source und die zweite Source mit dem Bulk-Silizium verbunden sind.

6. Verstärker mit einer ersten und einer zweiten Verstärkerstufe, die jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stufen wie folgt miteinander verbunden sind:
der Signalausgangsanschluß der ersten Verstärkerstufe ist mit dem Signaleingangsanschluß der zweiten Verstärkerstufe verbunden,
das Biasstrom-Steuersignal (117) wird dem Biassteueranschluß der ersten Verstärkerstufe unmittelbar und dem Biassteueranschluß der zweiten Verstärkerstufe nach einer Pegelverschiebung zugeführt, und
das Ausgangssignal der zweiten Verstärkerstufe, das den Ausgangsleistungspegel des mehrstufigen Verstärkers repräsentiert, wird auf eine Steuereinheit (111) zurückgekoppelt, in der der Spannungspegel des Biasstrom-Steuersignals (117) eingestellt wird, um auf diese Weise das Verhältnis von Ausgangsleistungspegel zu Eingangsleistungspegel des mehrstufigen Verstärkerschaltkreises zu regeln.