DE60018688T2

DE60018688T2 - Verstärkungssteuerung für einen Verstärker

Info

Publication number: DE60018688T2
Application number: DE60018688T
Authority: DE
Inventors: Vesa-Matti Salminen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2020-11-01
Also published as: EP1109311A2; EP1109311B1; DE60018688D1; US6259323B1; EP1109311A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Verstärkungssteuerung eines Verstärkers und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, eine aktive Verstärkungssteuerung für rauscharme Verstärker.
Verschiedene Verstärkeranwendungen sind bekannt, bei denen geringes Rauschen und eine Leistung mit hoher Linearität erforderlich sind. Beispiele solcher Anwendungen umfassen rauscharme Verstärker (LNAs), Verstärker mit variabler Verstärkung (VGAs), Sende/Empfangs-Module (T/R-Module), Leistungsverstärker, Transimpedanzverstärker und optische Empfänger, die in verschiedenen Produkten verwendet werden. Solche Produkte können drahtlosen Informationsaustausch, Zellentelephonie, faseroptische Datenübertragungsabschnitte, tragbare Elektronik umfassen.
Viele Schaltungen, insbesondere Datenübertragungssystemschaltungen, erfordern Vorrichtungen zum Steuern des Signalpegels. Verstärker und Dämpfungsglieder mit variabler und automatischer Verstärkungssteuerung werden typischerweise für diesen Zweck verwendet.
Ein Problem beim Empfang in mobilen Datenübertragungsanwendungen besteht darin, dass die Stärke von empfangenen elektromagnetischen Wellen über einen breiten Bereich variiert. Angesichts dieses Problems umfasst der Empfänger gewöhnlich eine AGC-Schaltung. Damit die Anzeigevorrichtung der empfangenen Signalstärke (RSSI) korrekt arbeitet, müssen die Verstärkungspegel genau festgelegt werden.
Ein typischer, herkömmlicher rauscharmer Verstärker mit variabler Verstärkung ist unter Verwendung eines MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) mit doppeltem Gate als Steilheitsverstärker implementiert. Ein Eingangssignal wird an ein erstes Gate des FET über eine Impedanzabgleichsschaltung angelegt. Das verstärkte Signal wird über eine Abgleichsschaltung aus dem FET ausgespeist. Eine Steuergleichspannung wird an ein zweites Gate des FET angelegt, um die Verstärkung des FET zu bestimmen. Bei dieser Art Verstärker sind jedoch die Verstärkungssteuerungskennlinien nichtlinear. Außerdem ist die Signalverstärkungslinearitätszunahme aufgrund der verringerten Verstärkung häufig unzureichend.
Bei drahtlosen Produkten besteht ein Bedarf für Mehrband-Informationsaustausch. Das heißt, dort, wo dasselbe drahtlose Protokoll in veränderlichen Teilen des HF-Spektrums verwendet werden kann. Derzeit erfordern mehrbandfähige drahtlose Produkte mehrere LNAs (typischerweise 1 pro Band). Der typische LNA für ein drahtloses Produkt wird auf integrierten Schaltungen (ICs) aus Gallium-Arsenid (GaAs) implementiert. Mehrere in dieser Weise implementierte LNAs erfordern eine relativ große Menge an Fläche auf einer Hochfrequenz-IC (HF-IC). Die zur Implementierung erforderliche nutzbare IC-Fläche überschreitet gewöhnlich die Spezifikation für die Implementierung.
Ein Verfahren und ein System zur Verstärkungssteuerung in einem Verstärker wird durch die Ausführungsformen geschaffen. Zwei Betriebsarten der Verstär kungssteuerung werden geschaffen: hohe Verstärkung und niedrige Verstär kung. Es kann auch keine Verstärkung bereitgestellt werden. In einer Ausfüh rungsform der Erfindung schafft eine aktive Verstärkervorrichtung durch Um schalten einer Gleichvorspannung an den Verstärkungssteueranschlüssen und auch durch Umschalten von Vorrichtungsanschlussbestimmungen eine hohe und eine niedrige Verstärkung. In der Betriebsart mit hoher Verstärkung wird die Gleichspannungsquelle mit einem ersten Vorspannungsanschluss verbun den. Der Vorrichtungsanschluss, der über eine Last mit dem ersten Vorspan nungsanschluss verbunden ist, wird als Drain-Anschluss bestimmt. Eine Kon stantstromquelle wird mit einem zweiten Vorspannungsanschluss der Verstär kungssteuereinheit verbunden, welcher als Source-Anschluss bestimmt wird. In der Betriebsart mit hoher Verstärkung wirkt die Vorrichtung als Source- oder Steilheitsverstärker. In der Betriebsart mit niedriger Verstärkung wird die Konstantstromquelle mit dem ersten Vorspannungsanschluss verbunden. Nun wird der Vorrichtungsanschluss, der über die Last mit dem ersten Vorspan nungsanschluss verbunden ist, als Source-Anschluss neu bestimmt. Die Gleichspannungsquelle wird mit dem zweiten Vorspannungsanschluss verbun den und der Anschluss wird als Drain-Anschluss neu bestimmt. In der Be triebsart mit niedriger Verstärkung wirkt die Vorrichtung als Source-Folger oder Puffer ohne Spannungsverstärkung. Für eine automatische Verstärkungs steuerung werden nur Gleichstrompegelsignale umgeschaltet und im Signalweg sind keine Schalter erforderlich. Das Verfahren und die Vorrichtung können unter Verwendung von diskreten Komponenten, einer Lösung mit integriertem Chip oder einer Kombination der beiden implementiert werden. In der Betriebs art ohne Verstärkung wird der Signaltransistor in den Sperrzustand vorge spannt und eine hohe Dämpfung wird erzielt.
Die beschriebene Vorrichtung schafft mehrere Vorteile. Ein rauscharmer Verstärker mit mehreren Verstärkungssteuerungsbetriebsarten kann beispielsweise entworfen werden, wobei die Verstärkungssteuereinheit nur einen Signaltransistor mit hoher Leistung verwendet. Als weiteres Beispiel erfordert die Steuerung der Verstärkung keine Schalter im Signalweg. Die Abwesenheit von Schaltern im Signalweg kann zu einem rauscharmen Betrieb des Verstärkers führen. Überdies kann die Abwesenheit von Schaltern im Signalweg auch zu einer hohen Linearität der Verstärkung führen. Als weiteres Beispiel kann die Verstärkungssteuerung unter Verwendung von weniger Komponenten konstruiert werden, was zu einer weniger komplexen Steuereinheit ohne Verlust in der Verstärkungssteuerung führt. Als weiteres Beispiel können die Kosten verringert werden, da preiswerte Nur-Gleichspannungs-Schalter für die Vorspannungsanschlüsse verwendet werden können. Als weiteres Beispiel führt die niedrigere Komponentenanzahl, die in der derzeit bevorzugten Ausführungsform erzielt werden kann, zu einer Lösung mit niedrigeren Kosten. Als weiteres Beispiel ergibt die Konfiguration der derzeit offenbarten Neuerungen eine gut gesteuerte Betriebsart mit niedriger Verstärkung mit einem hohen Grad an Linearität.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen:
1 eine Ausführungsform einer Konfiguration eines rauscharmen Verstärkers gemäß der Erfindung darstellt;
2 die Konfiguration im Source-Betrieb (Betriebsart mit hoher Verstärkung) darstellt; und
3 die Konfiguration im Source-Folger-Betrieb (Betriebsart mit niedriger Verstärkung) darstellt.
Die zahlreichen neuen Lehren der vorliegenden Anmeldung werden mit speziellem Bezug auf die derzeit bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass diese Klasse von Ausführungsformen nur ein paar Beispiele der vielen vorteilhaften Anwendungen der neuen Lehren hier in bereitstellt. Im Allgemeinen grenzen in der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung gemachte Aussagen nicht notwendigerweise irgendwelche der verschiedenen beanspruchten Erfindungen ab. Überdies können einige Aussagen für einige erfindungsgemäße Merkmale, aber nicht für andere gelten.
Verschiedene Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens und Systems werden im Zusammenhang mit einem rauscharmen Verstärker (oder LNA) beschrieben, der in diesem Beispiel einen Feldeffekttransistor wie z. B. den NEC NE34018 als aktive Verstärkervorrichtung verwendet.
1 stellt eine Konfiguration eines rauscharmen Verstärkers gemäß der derzeit bevorzugten Ausführungsform dar. Der rauscharme Verstärker der derzeit bevorzugten Ausführungsforms bietet eine Wahl des Betriebs in drei Verstärkungsbetriebsarten: hohe Verstärkung, niedrige Verstärkung und keine Verstärkung. Die Verstärkung wird auf ein Eingangssignal RF/IN angewendet. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform wird das Eingangssignal RF/IN mit dem Steueranschlussstift des Transistors 104 verbunden.
In der Betriebsart mit hoher Verstärkung wird eine Gleichspannungsquelle V_DD 102 mit dem Anschluss Bias 1 verbunden. In der Betriebsart mit hoher Verstärkung wird der RF/OUT-Anschluss als Drain-Anschluss des Transistors 104 bestimmt. In der Betriebsart mit hoher Verstärkung wird auch eine Konstantstromquelle I_SS 106 mit dem Anschluss Bias 2 verbunden. In der Betriebsart mit hoher Verstärkung wird der Anschluss Bias 2 als Source-Anschluss des Transistors 104 bestimmt. In dieser Weise konfiguriert wirkt der LNA im Source- (oder Steilheits-) Betrieb, d. h. sowohl Spannungs- als auch Stromverstärkung werden vom LNA bereitgestellt. Ein Induktor 108 stellt die Last für den Source-Betrieb bereit. Ein Induktor 110 wird verwendet, um eine Gleichvorspannung zum Gate zu liefern. Ein Kondensator 112, der an Erde 116 gelegt ist (allgemeine Referenz), erdet den Sourcepol für eine hohe Signalverstärkung mit Wechselspannung und ein Kondensator 114 sperrt jegliche Signalinterferenz für den Vorspannungsgenerator.
In der Betriebsart mit niedriger Verstärkung wird die Gleichspannungsquelle V_DD 102 mit dem Anschluss Bias 2 verbunden und die Konstantstromquelle Iss 106 wird mit dem Anschluss Bias 1 verbunden. Infolge der umgekehrten Vorspannung in der Betriebsart mit niedriger Verstärkung werden die Anschluss bestimmungen des Transistors 104 vertauscht, d. h. der als Source-Anschluss im Betrieb mit hoher Verstärkung bestimmte Anschluss (Bias 2) wird nun als Drain-Anschluss neu bestimmt und umgekehrt. In dieser Weise konfiguriert wirkt der LNA als Source-Folger (oder Puffer), d. h., vom LNA wird zwar eine Stromverstärkung, aber keine Spannungsverstärkung bereitgestellt.
In der Betriebsart ohne Verstärkung werden die Anschlüsse Bias 1 und Bias 2 des Transistors 104 auf das gleiche Potential vorgespannt. Das heißt, der Transistor 104 wird in den Sperrzustand vorgespannt und eine hohe Signaldämpfung wird erzielt.
Die Verbindungen mit der aktiven Verstärkervorrichtung der derzeit bevorzugten Ausführungsform können folgendermaßen dargestellt werden:
2 stellt die Konfiguration der Verstärkungssteuereinheit der derzeit bevorzugten Ausführungsform im Source-Betrieb (Betriebsart mit hoher Verstärkung) dar. Die Anschlüsse der aktiven Verstärkervorrichtung 104 der derzeit bevorzugten Ausführungsform sind gemäß ihren Bestimmungen für die Betriebsart mit hoher Verstärkung beschriftet. Die Anschlüsse Bias 1 und Bias 2 von 1 sind verbunden, wie vorstehend für die Betriebsart mit hoher Verstärkung beschrieben. V_DD ist daher mit dem Drain-Anschluss der Vorrichtung 104 über einen Lastinduktor 108 verbunden und Iss ist mit dem Source-Anschluss der Vorrichtung 104 verbunden. RF/IN liefert das Eingangssignal und RF/OUT ist das Ausgangssignal. Die Kondensatoren 120 und 122 sind zum Gleichspannungssperren und -abgleich hinzugefügt.
3 stellt die Konfiguration der Verstärkungssteuereinheit der derzeit bevorzugten Ausführungsform im Source-Folger-Betrieb (Betriebsart mit niedriger Verstärkung) dar. Die Anschlüsse der aktiven Verstärkervorrichtung der derzeit bevorzugten Ausführungsform sind gemäß ihren Bestimmungen für die Betriebsart mit niedriger Verstärkung beschriftet. Die Anschlüsse Bias 1 und Bias 2 von 1 sind wie vorstehend für die Betriebsart mit niedriger Verstärkung beschrieben. V_DD ist daher mit dem Anschluss, der nun als Drain-Anschluss der Vorrichtung 104 neu bestimmt ist, verbunden und Iss ist mit dem Anschluss, der nun als Sourcepol der Vorrichtung 104 neu bestimmt ist, über einen Induktor 108 verbunden. RF/IN liefert das Eingangssignal und RF/OUT ist das Ausgangssignal. Die Kondensatoren 120 und 122 sind zum Gleichspannungssperren und -abgleich hinzugefügt.
Modifikationen und Veränderungen
Wie von Fachleuten erkannt wird, können die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen neuen Konzepte über einen enormen Bereich von Anwendungen modifiziert und verändert werden, und folglich ist der Schutzbereich des patentierten Gegenstandes nicht durch irgendwelche der gegebenen speziellen beispielhaften Lehren begrenzt.
In der derzeit bevorzugten Ausführungsform werden die offenbarten Neuerungen beispielsweise unter Verwendung eines N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors wie z. B. des NEC NE34018 implementiert. Andere Transistorkonfigurationen können jedoch alternativ verwendet werden, z. B. BJT, HBT, HEMT, MESFET oder MOSFET. Natürlich können jegliche normalen Linearisierungs-, Bandbreitenbegrenzungs- und Abgleichsschaltungsverfahren auch auf die beschriebene Ausführungsform angewendet werden. Die in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Induktoren könnten beispielsweise gegen Widerstände, aktive Lasten oder Resonanzkreise ausgetauscht werden. Als weiteres Beispiel könnte auch eine Strom-Spannungs-Rückkopplungslinearisierung (d. h. Source-Gegenkopplung der Betriebsart mit hoher Verstärkung) verwendet werden.
Wenn die offenbarten Neuerungen als weiteres Beispiel unter Verwendung einer anderen Art Vorrichtung implementiert werden, würden die Arten von Funktionsweisen, die von den Neuerungen durchgeführt werden, anders beschrieben werden. Wenn beispielsweise die offenbarten Neuerungen unter Verwendung einer bipolaren Vorrichtung implementiert werden, würde die Funktionsweise der Neuerungen als Emitter-Schaltung und Emitter-Folger anstatt als Source-Schaltung bzw. Source-Folger beschrieben werden. Als weiteres Beispiel wurden die offenbarten Neuerungen im Zusammenhang mit einem rauscharmen Verstärker beschrieben. Die offenbarten Neuerungen können jedoch im Allge meinen auch in einer beliebigen Verstärkerart verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Implementieren mehrerer Verstärkungssteuerungsbetriebsarten, das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer hohen Verstärkung durch Verbinden einer Spannungsquelle (102) mit einem ersten Vorspannungsanschluss (Bias 1), der über eine Last (108) mit einer aktiven Verstärkervorrichtung (101) verbunden ist; und Verbinden einer Stromquelle (106) mit einem zweiten Vorspannungsanschluss (Bias 2) der aktiven Verstärkervorrichtung (104); und Erzeugen einer niedrigen Verstärkung durch Verbinden der Spannungsquelle (102) mit dem zweiten Vorspannungsanschluss (Bias 2) der aktiven Verstärkervorrichtung (104); und Verbinden der Stromquelle mit dem ersten Vorspannungsanschluss (Bias 1), der über die Last mit der aktiven Verstärkervorrichtung (104) verbunden ist; wobei ein Eingangssignal eine hohe Verstärkung erfährt, wenn eine hohe Verstärkung erzeugt wird, und wobei das Eingangssignal eine niedrige Verstärkung erfährt, wenn eine niedrige Verstärkung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, bei dem durch Abschalten der aktiven Verstärkervorrichtung (104) eine hohe Dämpfung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner den Schritt umfasst, bei dem eine hohe Verstärkung dadurch erzeugt wird, dass der Anschluss (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung (104), der über die Last (108) mit dem ersten Vorspannungsanschluss (Bias 1) verbunden ist, als der Drain-Anschluss bestimmt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner den Schritt umfasst, bei dem eine niedrige Verstärkung dadurch erzeugt wird, dass der Anschluss (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung (104), der über die Last (108) mit dem ersten Vorspannungsanschluss (Bias 1) verbunden ist, als der Source-Anschluss bestimmt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Span nungsquelle (102) eine Gleichspannungsquelle ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die aktive Verstärkervorrichtung (104) ein Transistor oder ein Feldeffekttransistor oder ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder ein Bipolarflächentransistor ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Stromquelle (106) eine Konstantstromquelle ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Last (108) durch einen Induktor gebildet ist.
Verstärkervorrichtung, die umfasst: eine aktive Verstärkervorrichtung (104); wobei ein Hochfrequenzsignal-Eingang mit einem ersten Anschlussstift der aktiven Verstärkervorrichtung verbunden ist; und in einer Betriebsart mit hoher Verstärkung eine Spannungsquelle (102) über eine Last (108) mit einem zweiten Anschlussstift (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung verbunden ist; eine Stromquelle (106) mit einem dritten Anschlussstift (source) der aktiven Verstärkervorrichtung verbunden ist; und von dem zweiten Anschlussstift (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung ein Hochfrequenzsignal ausgegeben wird; und in einer Betriebsart mit niedriger Verstärkung die Stromquelle (106) über die Last (108) mit dem zweiten Anschlussstift (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung verbunden ist; die Spannungsquelle (102) mit dem dritten Anschlussstift (source) der aktiven Verstärkervorrichtung verbunden ist; und von dem zweiten Anschlussstift (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung ein Hochfrequenzsignal ausgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der dann, wenn sie in einer Betriebsart ohne Verstärkung ist, die Stromquelle (106) und die Spannungsquelle (102) mit der aktiven Verstärkervorrichtung (104) verbunden und auf das gleiche Potential vorgespannt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei der die Spannungs quelle (102) eine Gleichspannungsquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die aktive Verstärkervorrichtung (104) ein Transistor, ein Feldeffekttransistor, ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder ein Bipolarflächentransistor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Stromquelle (106) eine Konstantstromquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der der erste Anschlussstift der aktiven Verstärkervorrichtung (104) ein Steueranschlussstift ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der dann, wenn sie in einer Betriebsart mit hoher Verstärkung ist, der zweite Anschlussstift (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung (104) als ein Drain-Anschluss der aktiven Verstärkervorrichtung bestimmt wird und der dritte Anschlussstift (source) der aktiven Verstärkervorrichtung als ein Source-Anschluss der aktiven Verstärkervorrichtung bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei der dann, wenn sie in einer Betriebsart mit niedriger Verstärkung ist, der zweite Anschlussstift (drain) der aktiven Verstärkervorrichtung (104) als ein Source-Anschluss der aktiven Verstärkervorrichtung bestimmt wird und der dritte Anschlussstift (source) der aktiven Verstärkervorrichtung als ein Drain-Anschluss der aktiven Verstärkervorrichtung bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei der die Stromquelle (106) eine Konstantstromquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, bei der die Last (108) durch einen Induktor gebildet ist.