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Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Leitungstreiber
für Anwendungen,
wie ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) oder VDSL (Very High
Speed Digital Subscriber Line).
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Stand der Technik
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Bei
der Entwicklung von Leitungstreibern für Anwendungen, wie ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line) oder VDSL (Very High Speed Digital Subscriber
Line) ist die Leistungsaufnahme ein kritischer Punkt, und die Anforderungen
an die Signal-Linearität sind hoch.
Hersteller suchen ständig
nach Lösungen
zur Verringerung der Leistungsaufnahme. Im Moment wird geschätzt, dass
im Jahr 2000 der Markt für
DSL-Chips 50 Millionen Chipsätze
umfasst (Gesamtwert von über
1 Milliarde US-Dollar im Jahr 2000).
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Ein
herkömmlicher
Klasse-AB-Treiber hat eine Leistungsaufnahme von 1,3 Watt, um ein
Ausgangssignal von 100 mWatt zu erzeugen. Die Leistungsaufnahme
eines Klasse-AB-Treibers
kann um ungefähr
100 mWatt/η verringert
werden (wobei η der
Wirkungsgrad des Verstärkers
ist und typischerweise einen Wert zwischen 0,05 und 0,10 hat), indem
ein aktiver rückseitiger
Abschluss verwendet wird. Ein solcher Leitungstreiber mit aktivem
rückseitigem
Abschluss wird in EP-A-0901221
beschrieben.
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Ein
Klasse-G-Treiber kann auch benutzt werden, einschließlich Schaltern
und Schaltkreisen zur Überwachung
des Crest-Faktors des gesendeten Signals und zur entsprechenden
Umschaltung zwischen zwei Stromversorgungs-Pegeln.
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Ein
herkömmlicher
Switch-Mode-Treiber (SW-DRIVER), der aus einem ΣΔ-Modulator (ΣΔ) besteht, Schaltkreise zur Überwachung
des Crest-Faktors des gesendeten Signals und zur entsprechenden
Umschaltung zwischen zwei Stromversorgungs- Pegeln, ein Tiefpass-Filter (F1) und
eine Hybridschaltung (HY) mit weniger Stromverbrauch als bei der
digitalen Technologie entwickelt sich zu Submikron-Technologien
weiter. Ein solcher Switch-Mode-Treiber wird zum Beispiel in 1b in "Basic
considerations and topologies of switched-mode assisted linear power
amplifiers", IEEE
transactions on Industrial Electronics, Band 44, Nr. 1, Seite 116-123,
Februar 1997, gezeigt. Die Leistungsaufnahme wird optimiert, indem
zwischen den unterschiedlichen Stromversorgungs-Pegeln umgeschaltet
wird. In einer verbesserten Version des Switch-Mode-Treibers (SW-DRIVER)
wird der Crest-Faktor in der Hybridschaltung (HY) überwacht.
Die Leistungsaufnahme kann sogar noch weiter um ungefähr 100 mWatt/η verringert
werden (wobei η der
Wirkungsgrad des Verstärkers
ist), indem ein aktiver rückseitiger
Abschluss verwendet wird.
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Ein
Switch-Mode-Verstärker
(digitaler Verstärker)
parallel zu einem linearen Verstärker
(analoger Verstärker),
von denen jeder einen Teil des ausgegebenen Audiosignals erzeugt,
wird in 4 von "A New High-Efficiency and Super-Fidelity
Analog Audio Amplifier with the aid of Digital Switching Amplifier:
Class K Amplifier",
(IEEE-Veröffentlichung,
Nam-Sung Jung, Nam-In Kim und Gyu-Hyeong Cho, 1998) und in WO 98/37731
offen gelegt. Im Klasse-K-Verstärker
ist der lineare Verstärker
(analoger Verstärker)
eine unabhängige
Quelle, während
der Switch-Mode-Verstärker
(digitaler Verstärker)
durch die Spannung gesteuert wird, die über dem Widerstand Rsense gemessen wird, und hängt folglich
von der durch den linearen Verstärker
(analoger Verstärker)
gebildeten Stromquelle ab. 2 in "Basic considerations
and topologies of switched-mode assisted linear power amplifiers", IEEE transactions
on Industrial Electronics, Band 44, Nr. 1, Seite 116-123, Februar
1997 und 3 in "A Design of an 10-W Single-Chip Class
D audio amplifier with Very High Efficiency using CMOS Technology", IEEE Transactions
on Consumer Electronics, Vol. 45, Nr. 3, Seite 465-473, August 1999
zeigen ebenfalls durch den Switch- Modus unterstützte Linearverstärker mit
einer Struktur und Funktionalität,
die denen des bereits oben zitierten Klasse-K-Verstärkers aus "A New High-Efficiency and Super-Fidelity
Analog Audio Amplifier with the aid of Digital Switching Amplifier:
Class K Amplifier" ähnlich ist.
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Der
Leitungstreiber mit Switching-Mode ist der Leitungstreiber mit dem
höchsten
Leistungs-Wirkungsgrad, er ist aber sehr empfindlich gegen Änderungen
der Versorgungsspannung (geringe Stromversorgungs-Unterdrückung) und
Takt-Jitter. Dies führt
zu Fehlern im gesendeten Signal.
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Aufgaben der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen neuartigen Leitungstreiber
bereitzustellen, der linear, stabil und effizient ist. Das Ausgangssignal
dieses Treibers darf keine durch Änderungen der Versorgungsspannung
und Takt-Jitter verursachten Fehler aufweisen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst in einem ersten Aspekt einen Leitungstreiber
zur Verstärkung
eines Eingangssignals, wobei der Leitungstreiber folgendes umfasst:
- – Einen
ersten Eingangs-Anschluss zum Empfang des Eingangssignals,
- – Einen
nichtlinearen Verstärker,
der mit dem Eingangs-Anschluss
verbunden und so angeordnet ist, dass er an einem ersten Ausgangs-Anschluss
ein erstes Ausgangssignal liefert,
- – Einen
Digital-/Analog-Wandler, der so angeordnet ist, dass er das Eingangssignal
in ein analoges Eingangssignal umwandelt,
- – Einen
analogen Linearverstärker,
der über
einen zweiten und einen dritten Eingangs-Anschluss und einen zweiten
Ausgangs-Anschluss verfügt
und der als Komparator zwischen einem ersten Korrektursignal, das an
dem zweiten Eingangs-Anschluss bereitgestellt wird, und einem zweiten
Korrektursignal, das an dem dritten Eingangs-Anschluss bereitgestellt
wird, konfiguriert ist und der so angeordnet ist, dass er ein zweites Ausgangssignal
an dem zweiten Ausgangs-Anschluss liefert.
- – Kombinier-Mittel,
die so angeordnet sind, dass sie das erste Ausgangssignal und das
zweite Ausgangssignal kombinieren, um ein Gesamt-Ausgangssignal
an der Ausgangsleitung bereitzustellen,
- – Einen
ersten Operationsverstärker,
der so konfiguriert ist, dass er den Strom des Gesamt-Ausgangssignals
misst und der so angeordnet ist, dass er an einem vierten Ausgangs-Anschluss
ein drittes Ausgangssignal liefert, wobei das dritte Ausgangssignal
auf dem Strom und der Impedanz der Ausgangsleitung basiert, und
- – Einen
zweiten Operationsverstärker,
der so angeordnet ist, dass er das dritte Ausgangssignal vom analogen
Eingangssignal subtrahiert, um ein viertes Ausgangssignal bereitzustellen,
wobei
das erste Korrektursignal das Gesamt-Ausgangssignal ist und das
zweite Korrektursignal das vierte Ausgangssignal ist.
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Vorzugsweise
ist der Anteil des ersten Ausgangssignals am Gesamt-Ausgangssignal
mindestens 95%.
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Der
Leitungstreiber der vorliegenden Erfindung kann weiterhin dadurch
gekennzeichnet werden, dass der nichtlineare Verstärker aus
der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Switching-Mode-Verstärkern, Clipping-Verstärkern, Verstärkern der
Klasse G, B oder K und Pulsmodulations-Verstärkern besteht, und dadurch, dass
der Linearverstärker
aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Klasse-A- und Klasse-AB-Verstärkern besteht.
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Das
Kombinier-Mittel besteht vorzugsweise aus einer Hybridschaltung.
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Das
Eingangssignal kann durch einen DMT-(Discrete Multi Tone) erzeugt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
enthält
der Leitungstreiber der vorliegenden Erfindung weiterhin einen aktiven
rückseitigen
Abschluss-Schaltkreis.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Verstärkung
eines Eingangssignals, das folgende Schritte umfasst:
- – Bereitstellung
eines Leitungstreibers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
- – Anlegen
des Eingangssignals an den Eingangs-Anschluss des Leitungstreibers,
- – Einen
ersten Verstärkungs-Schritt,
der die Verstärkung
des Eingangssignals mit dem nichtlinearen Verstärker und die Bereitstellung
des ersten Ausgangssignals am ersten Ausgangs-Anschluss umfasst,
- – Einen
zweiten Verstärkungs-Schritt,
der parallel zum ersten Verstärkungs-Schritt
ausgeführt
wird und eine Digital-/Analog-Wandlung des Eingangsignals in ein
analoges Eingangssignal, das Messen des Stroms des Gesamt-Ausgangssignals
und der Impedanz der Ausgangsleitung mit einem ersten Operationsverstärker, um
ein drittes Ausgangssignal bereitzustellen, den Vergleich des analogen
Eingangssignals mit dem dritten Ausgangssignal unter Verwendung
eines zweiten Operationsverstärkers,
um ein viertes Ausgangssignal bereitzustellen, und den Vergleich
des vierten Ausgangssignals mit dem Gesamt-Ausgangssignal unter Verwendung
eines analogen Linearverstärkers,
der ein zweites Ausgangssignal an seinem zweiten Ausgangs-Anschluss liefert,
umfasst, und
- – Einen
Kombinations-Schritt, in dem das erste Ausgangssignal mit dem zweiten
Ausgangssignal kombiniert wird, um das Gesamt-Ausgangssignal für die Ausgangsleitung
zu erhalten.
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Der
Kombinations-Schritt kann unter Verwendung einer Hybridschaltung
durchgeführt
werden.
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Das
Eingangssignal kann durch einen DMT erzeugt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Switching-Mode-Leitungstreiber, wie er nach dem bisherigen
Stand der Technik bekannt ist.
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2 zeigt
einen Rückkopplungs-Klasse-C-AB-Leitungstreiber gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Ein
Rückkopplungs-Klasse-C-AB-Leitungstreiber 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
einen herkömmlichen
nichtlinearen Verstärker 3,
der ungefähr
95% der erforderlichen Signal-Ausgangsleistung erzeugt. Parallel
zum nichtlinearen Verstärker 3 enthält der Rückkopplungs-Klasse-C-AB-Leitungstreiber 5 einen analogen
Linearverstärker 5,
der ungefähr
5% der erforderlichen Signal-Ausgangsleistung erzeugt. Der Rückkopplungs-Klasse-C-AB-Leitungstreiber 1 enthält dazu
einen Rückkopplungs-Schaltkreis
mit einem ersten Operationsverstärker
(A1) 12, der den Leitungs-Strom (Iline)
misst, einen zweiten Operationsverstärker (A2) 14, der
den Leitungs-Strom (Iline), multipliziert
mit der Leitungs-Impedanz (100 Ω im
Fall von 2), von dem digital-analog-gewandelten
Eingangssignal (VDAC) des Rückkopplungs-Klasse-C-AB-Leitungstreibers 1 subtrahiert.
Das Differenzsignal (vDAC – Iline × 100Ω) am Ausgang
des zweiten Operationsverstärkers 14 wird
durch den Linearverstärker 5 mit
dem Spannungspegel (Vline) des Ausgangssignals
verglichen, und die Differenz wird durch den Linearverstärker 5 kompensiert.
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Die
vom nichtlinearen Verstärker 3 und
vom Linearverstärker 5 erzeugten
Signale werden zum Gesamt-Ausgangssignal
kombiniert.
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Der
Rückkopplungs-Schaltkreis
kann mit einem aktiven rückseitigen
Abschluss integriert sein.
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Durch
Rückkopplung
des Signals auf der Leitung zum Linearverstärker kann der Linearverstärker die Unterschiede zwischen
dem vom nichtlinearen Verstärker
erzeugten Signal und dem erforderlichen Ausgangssignal genauer kompensieren
als es ein Linearverstärker
mit Mitkopplungs-Architektur tun kann, hauptsächlich bezüglich Änderungen der Leitungs-Impedanz
und der Bauelemente-Toleranzen.
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Neben Änderungen
der Versorgungsspannung und Takt-Jitter kompensiert der Linearverstärker auch Verzerrungen,
z. B. als Folge von Begrenzungen durch den nichtlinearen Verstärker.
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Es
wird ein RC- oder LC-Filter 3. Ordnung/4. Ordnung (F1) benötigt, um
das Band auf 1 MHz zu begrenzen, wenn ein Switching-Mode-Verstärker als
nichtlinearer Verstärker
benutzt wird.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführung
der Erfindung
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist der nichtlineare Verstärker
im Rückkopplungs-Leitungstreiber
der vorliegenden Erfindung ein herkömmlicher Switching-Mode-Leitungstreiber,
wie in 1. Da der Switching-Mode-Leitungstreiber der Leitungstreiber
mit dem höchsten
Leistungs-Wirkungsgrad ist, ist diese Ausführung sehr vorteilhaft. Der
Linearverstärker
ist ein Klasse-A/B-Verstärker.
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Ein
solcher Rückkopplungs-C-AB-Leitungstreiber
kann einen aktiven rückseitigen
Abschluss enthalten, um die Leistungsaufnahme weiter zu verringern.
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Die
Verzerrungen infolge von Änderungen
der Versorgungsspannungen und Takt-Jitter werden durch die Schleifenverstärkung der
Klasse-A/B-Korrektur-Schleife im Vergleich zum herkömmlichen
Switching-Mode-Leitungstreiber verringert.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil des Klasse-C-AB-Leitungstreibers gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, dass die Stromversorgung im Vergleich zum herkömmlichen
Klasse-G-Verstärker
vereinfacht werden kann. Ein Klasse-G-Verstärker benötigt die Potentiale GND (Masse),
+Vcc, +Vcc/2, -Vcc und -Vcc/2. Der nichtlineare und der lineare
Verstärker
des Klasse-C-AB-Leitungstreibers gemäß der Erfindung benötigen nur
+Vcc, -Vcc und GND. Gleichspannungs-Entkopplungskondensatoren, die
am Ausgang des nichtlinearen Verstärkers angeschlossen werden,
sind nützlich
zur Vermeidung von Stromversorgungs-Asymmetrie-Effekten, wenn die
Leitung mit zwei nichtlinearen Verstärkern angesteuert wird.
Fig.
2
