DE60109928T2

DE60109928T2 - Hochfrequenzverstärkerschaltung mit annulierung einer negativen impedanz

Info

Publication number: DE60109928T2
Application number: DE60109928T
Authority: DE
Inventors: Sifen Luo; Tirdad Sowlati
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2004502372A; US6417734B1; KR20020064763A; ATE292857T1; WO2002001709A2; CN1404651A; DE60109928D1; EP1297621B1; EP1297621A2; WO2002001709A3; CN1307789C; MY126916A; KR100830812B1

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Transistorverstärkerschaltungen und bezieht sich besonders auf Hochfrequenzverstärkerschaltungen.
Verstärker dieses allgemeinen Typs werden oft in Hochfrequenz (HF)-Verstärkern verwendet, wie jene, die in drahtlosen Kommunikationsgeräten verwendet werden. Normalerweise verwendet die Ausgangsstufe einer solchen Hochfrequenzverstärkerschaltung als ihren Eingang einen Bipolartransistor in Emitterschaltung oder einen Feldeffekttransistor in Sourceschaltung, der mit entweder einer Spannungsquelle oder einer Stromquelle vorgespannt wird. Die Ausgangsstufe wird normalerweise durch eine Puffer- oder Treiberstufe gespeist, die einen Treibertransistor einsetzt, der in Kollektorschaltung (Emitterfolger) für einen Bipolartransistor oder in Drainschaltung (Sourcefolger) für einen Feldeffekttransistor geschaltet ist. Puffer- oder Treiberstufen dieses Typs werden normalerweise verwendet, um die Gesamtverstärkung der Schaltung zu erhöhen und die Eingangsimpedanz der Ausgangsstufe in Emitterschaltung oder Sourceschaltung zu erhöhen.
Aber Verstärkerschaltungen, die einen Verstärkungstransistor in Verbindung mit einem Treibertransistor in der eingangs erörterten Konfiguration einsetzen, erzeugen normalerweise wegen der Schaltungskapazitäten bei bestimmten hohen Frequenzen eine negative Impedanz.
Dieses Problem wurde schon früher erkannt und repräsentative Methoden nach dem Stand der Technik (eine von ihnen wurde von einen Mit-Erfinder hierin entwickelt) sind in den US-Patenten 5.424.686 und 5.828.269 erläutert.
Aber Methoden nach dem Stand der Technik, die einen Widerstand zur Kompensation der negativen Impedanz verwenden, haben den Nachteil, dass der Kompensationswiderstand jedes Mal Leistung verbraucht, wenn der Pufferverstärker vorgespannt wird. Folglich wäre es wünschenswert, eine Hochfrequenzverstärkerschaltung zu haben, in dem ein Effekt zur Aushebung der negativen Impedanz gegeben ist, und in dem der Leistungsverbrauch, besonders unter Bedingungen einer niedrigen Vorspannung, minimiert ist.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenzverstärkerschaltung zu schaffen, in welcher ein Effekt zur Aushebung der negativen Impedanz in Verbindung mit einem verminderten Leistungsverbrauch, besonders unter Bedingungen einer niedrigen Vorspannung, erzielt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer neuen Hochfrequenzverstärkerschaltung mit einem Verstärkungstransistor und einem Treibertransistor, wobei der Verstärkungstransistor entweder in einer Emitterschaltung oder einer Sourceschaltung angeschlossen ist und der Treibertransistor entsprechend entweder in einer Kollektorschaltung oder einer Drainschaltung angeschlossen ist, gelöst. Eine Stromspiegelvorspannungsschaltung ist zwischen einen Eingangsanschluss des Treibertransistors und einen Ausgangsanschluss des Treibertransistors gekoppelt und zum Erreichen eines Effekts der Aushebung der negativen Impedanz ist ein Widerstand zur Kopplung des Stromspiegels an den Eingangsanschluss des Treibertransistors vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Verstärkungstransistor, der Treibertransistor und die Transistoren, welche die Stromspiegelvorspannungsschaltung bilden, alles Bipolartransistoren, während in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform alle diese Transistoren Feldeffekttransistoren sind.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Widerstand zur Kopplung des Stromspiegels an den Eingangsanschluss des Treibertransistors einen Wert zwischen etwa 20 und etwa 100 Ohm haben.
Eine Hochfrequenzverstärkerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet dadurch, dass ein Effekt zur Aushebung der negativen Impedanz verschafft wird, während der Leistungsverbrauch, besonders unter Bedingungen niedriger Vorspannung, reduziert ist, in einer wirtschaftlichen und leicht implementierten Konfiguration eine signifikante Verbesserung.
Diese und andere Aspekte werden deutlich aus und erläutert mit den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen.
Die Erfindung kann vollständiger verstanden werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung, die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung gelesen werden sollte. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkerschaltung entsprechend einer ersten Ausführungsform; und
2 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzverstärkerschaltung entsprechend einer zweiten Ausführungsform.
In der Zeichnung werden im Allgemein gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Komponenten zu bezeichnen.
Ein vereinfachtes Schaltbild einer Hochfrequenzverstärkerschaltung 1 entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird in 1 gezeigt. Die Verstärkerschaltung umfasst einen Verstärkungstransistor 10, der durch einen Treibertransistor 12 getrieben wird, wobei der Verstärkungstransistor in einer Emitterschaltung angeschlossen ist und der Treibertransistor in einer Kollektorschaltung (Emitterfolger) angeschlossen ist. Sowohl der Verstärkungstransistor wie auch der Treibertransistor sind zwischen eine Spannungsquelle VCC und Masse (GND) gekoppelt. Der Kollektor von Transistor 10 ist über eine Drosselspule 14 an VCC gekoppelt und liefert über einen Koppelkondensator 16 ein Ausgangssignal am Anschluss VOUT. Der Treibertransistor 12 hat seinen Kollektor in Richtung VCC angeschlossen und seinen Emitter sowohl an die Basis des Verstärkungstransistors 10 wie auch an den Ausgang des Stromspiegels 18, der detaillierter weiter unten beschrieben wird. Ein Eingangssignal in die Hochfrequenzverstärkerschaltung 1 wird von dem Eingangsanschluss VIN über einen Eingangskoppelkondensator 20 an die Basis von Transistor 12 angelegt.
Die vereinfachte Schaltung von 1 wird durch eine Vorspannungsschaltung mit einer Vorspannungsquelle 22, die eine Vorspannung VBIAS an eine Serienschaltung eines Widerstands 24 und einer Drosselspule 26, letztere mit der Basis des Treibertransistors 12 verbunden, anlegt, vervollständigt. Der Vorspannungsteil der Schaltung wird durch einen Stromspiegel 18 mit den Transistoren 28 und 30 vervollständigt, und entsprechend der Erfindung ist ein Widerstand 32 bereitgestellt, um die Basis des Transistors 12 an den Eingang des Stromspiegels am Kollektor von Transistor 28 und an der Basis von Transistor 30 zu koppeln, wobei der Ausgang des Stromspiegels 18 am Kollektor von Transistor 30 mit dem Emitter von Transistor 12 und der Basis von Transistor 10 verbunden ist.
Entsprechend der Erfindung wird eine Aufhebung der negativen Impedanz durch Einsatz des Widerstands 32 in Verbindung mit dem Stromspiegel 18 in der Vorspannungsschaltung verschafft. Da die am Stromspiegel 18 am oberen Ende des Widerstands 32 angelegte Versorgungsspannung gleich der Vorspannung an der Basis des Treibertransistors 12 ist, verbraucht Widerstand 32 unter der Bedingung niedriger Vorspannung keine Leistung.
Auf diese Art und Weise stellt Widerstand 32 eine doppelte Funktion bereit, indem er nicht nur die Aufhebung einer negativen Impedanz bietet, sondern auch den Referenzstrom für den Stromspiegel 18 bestimmt. Unter der Bedingung niedriger Vorspannung an der Basis von Transistor 12 gibt es nicht genügend Spannung, um den Stromspiegel zu aktivieren, so dass kein Strom durch Widerstand 32 fließt und es darin keinen Leistungsverbrauch gibt.
Wenn die Verstärkerschaltung (12, 10) in Kollektor-/Emitterschaltung einen negativen Widerstand an der Basis von Transistor 12 zeigt, wird Widerstand 32 zusammen mit der Impedanz des Dioden-angeschlossenen Transistors 28 den negativen Widerstand ausheben, so lange wie der kombinierte äquivalente Nebenschlusswiderstand von Widerstand 32 und Transistor 28 kleiner ist als der negative Widerstand der Verstärkerschaltung in Kollektor-/Emitterschaltung. Es wurde festgestellt, dass dies normalerweise erreicht werden kann, wenn man Widerstand 32 mit Widerstandwerten zwischen etwa 20 Ohm und etwa 100 Ohm versieht, abhängig von der speziellen Schaltungsanwendung und Bauteileeigenschaften.
Eine Hochfrequenzverstärkerschaltung 2 entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird als vereinfachtes Schaltbild in 2 gezeigt. Die in 2 gezeigte generelle Schaltungskonfiguration ist dieselbe wie die in 1 gezeigte, wobei ähnlichen Bezugsziffern verwendet werden, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen, und dem entsprechend werden die ähnlichen Teile von 2 nicht detaillierter beschrieben. 2 unterscheidet sich von 1 darin, dass alle der aktiven Komponenten, was die Bipolartransistoren in 1 (10, 12, 28, 30) sind, in 2 durch MOS-Feldeffekttransistoren ersetzt wurden, wobei die Schaltung ansonsten identisch ist. Zur Klarheit: die vier den Bipolartransistoren 10, 12, 28 und 30 in 1 entsprechenden Transistoren wurden in 2 als MOS-Feldeffekttransistoren 10a, 12a, 28a und 32a gezeigt und bezeichnet.
Auf diese Art und Weise schafft die vorliegende Erfindung eine Hochfrequenzverstärkerschaltung, in welcher ein Effekt der Aushebung einer negativen Impedanz erreicht wurde, und in welcher unter der Bedingung einer niedrigen Vorspannung der Leistungsverbrauch reduziert ist. Zusätzlich wurde eine Wirtschaftlichkeit in der Herstellung erreicht, indem derselbe Widerstand die Aushebung der negativen Impedanz bereitstellt und auch den Referenzstrom für den Stromspiegelteil der Schaltung bestimmt.
Während die Erfindung besonders mit Bezug auf einige bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass ver schieden Änderungen in Form und Details gemacht werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert, abzuweichen. So können zum Beispiel verschieden Transistorarten eingesetzt werden und Änderungen an der Schaltungskonfiguration können gemacht werden, um spezielle Designanforderungen zufrieden zu stellen.

Claims

Hochfrequenzverstärkerschaltung (1, 2) mit einem Verstärkungstransistor (10, 10a) und einem Treibertransistor (12; 12a), wobei der Verstärkungstransistor entweder in einer Emitterschaltung oder in einer Sourceschaltung angeschlossen ist und der Treibertransistor entsprechend entweder in einer Kollektorschaltung oder in einer Drainschaltung angeschlossen ist, einer zwischen einen Eingangsanschluss des genannten Treibertransistors und einen Ausgangsanschluss des genannten Treibertransistors gekoppelten Stromspiegelvorspannungsschaltung (18) und einem Widerstand (32) zur Kopplung des genannten Stromspiegels an den genannten Eingangsanschluss des genannten Treibertransistors.
Hochfrequenzverstärkerschaltung nach Anspruch 1, in welcher der Verstärkungstransistor ein Bipolartransistor (10) in einer Emitterschaltung ist, der Treibertransistor ein Bipolartransistor (12) in einer Kollektorschaltung ist und die Stromspiegelvorspannungsschaltung Bipolartransistoren (28, 30) umfasst.
Hochfrequenzverstärkerschaltung nach Anspruch 1, in welcher der Verstärkungstransistor ein Feldeffekttransistor (10a) in einer Sourceschaltung ist, der Treibertransistor ein Feldeffekttransistor (12a) in einer Drainschaltung ist und die Stromspiegelvorspannungsschaltung Feldeffekttransistoren (28a, 30a) umfasst.
Hochfrequenzverstärkerschaltung nach Anspruch 1, in welcher der genannte Widerstand einen Wert zwischen etwa 20 und etwa 100 Ohm hat.
Hochfrequenzverstärkerschaltung nach Anspruch 1, in welcher der genannte Widerstand einen Effekt der Aushebung einer negativen Impedanz verschafft.