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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen rauscharmen Abwärtsumsetzer (nachfolgend als
LNB bezeichnet) und insbesondere einen LNB in einem Satellitenübertragungsempfangssystem.
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Beschreibung
verwandter Technik
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In
dem Satellitenübertragungsempfangssystem
dient ein LNB zum Verstärken
eines von einem Übertragungssatelliten
empfangenen Satellitenübertragungswellensignals
in einem 12 GHz Band bei geringem Rauschen und dieser dient ebenso
zur Frequenzumsetzung des Signals in ein Zwischenfrequenz (IF)-Band. Die
oben beschriebene Frequenzumsetzung erfolgt in einem Mixer (nachfolgend
als MIX bezeichnet) innerhalb des LNB.
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9 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines MIX. Die MIX Schaltung beinhaltet einen
Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (nachfolgend als HEMT
bezeichnet) 50, der als Transistor zur tatsächlichen Durchführung der
Frequenzumsetzung verwendet wird, und eine Ansteuerschaltung 10.
Die Ansteuerschaltung 10 beinhaltet einen PNP Bipolartransistor
Tr1 und eine Mehrzahl von Widerstandselementen.
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Die
Ansteuerschaltung 10 versorgt das Drain des HEMT 50 mit
einer Konstantspannung und die Konstantspannung ermöglicht dem
MIX die Durchführung
einer stabilen Frequenzumsetzung. Somit hängen die Eigenschaften des
MIX in erheblichem Maße
von der Drainspannung des HEMT 50 ab.
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Ändert sich
jedoch die Umgebungstemperatur des PNP Bipolartransistors Tr1 innerhalb
der Ansteuerschaltung 10 im MIX, verursacht die Temperaturcharakteristik
des PNP Bipolartransistors Tr1 ihrerseits eine Änderung der dem Drain des HEMT 50 bereitgestellten
Spannung. Die Änderung
in der Drainspannung verursacht eine Änderung in der Verstärkungsfrequenzcharakteristik
des HEMT 50, was eine stabile Frequenzumsetzung behindert.
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EP 0 853 378 offenbart eine
DC Bias-Schaltung eines FET mit einer Source auf Masse, um eine Drain-Source
Spannung und einen Drainstrom des FET, unabhängig von einer Schwankung von
DC Parametern, automatisch konstant zu halten, und ein erster PNP
Transistor ist zwischen dem Drain und dem Gate des FET vorgesehen.
Eine Bias-Schaltung mit einem zweiten PNP Transistor ist an die
Basis des ersten PNP Transistors angeschlossen.
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Die
Transistoren weisen im Wesentlichen dieselben Eigenschaften auf,
so dass eine Schwankung einer Drainspannung und eines Drainstroms
aufgrund einer Temperaturänderung
in der Emitter-Basisspannung des Transistors kompensiert werden
kann und eine beachtliche Schwankung des Drainstroms verhindert
wird.
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EP 0 854 568 beschreibt
eine integrierte Mikrowellenhalbleiterschaltung zum Erzeugen einer
Bias-Spannung, die an ein aktives Schaltungselement angelegt ist,
umfassend: einen Feldeffekttransistor, dessen Source auf Masse liegt
und dessen Gate und Drain gemeinsam verbunden sind; ein negatives
Element zum Anlegen einer Leistungsversorgungsspannung an den gemeinsamen
Gate-Drain Verbindungspunkt des Feldeffekttransistors, und ein Hochimpedanzelement
zum Bereitstellen eines Potentials am gemeinsamen Gate-Drain Verbindungspunkt
des Feldeffekttransistors als Bias-Spannung für das aktive Schaltungselement.
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ÜBERSICHT ÜBER DIE
ERFDINGUNG
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Es
wäre wünschenswert,
einen rauscharmen Abwärtsumsetzer
einschließlich
einer Ansteuerschaltung, die einem eine Frequenzumsetzung durchführenden
Transistor eine stabile Spannung anzugeben vermag, bereitzustellen,
so dass der rauscharme Abwärtsumsetzer
keine Auswirkungen bei einer Umgebungstemperaturänderung zeigt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein rauscharmer Abwärtsumsetzer zum Empfangen von
Satellitenübertragung
angegeben mit einem Mixer zum Umsetzen eines empfangenen Hochfrequenzsignals
in ein Zwischenfrequenzsignal, wobei der Mixer einen Transistor
zum Durchführen
der Frequenzumsetzung, einen ersten Bipolartransistor Tr1, dessen
Emitter/Kollektor-Paar zwischen ein Drain des Transistors und ein Gate
des Transistors geschaltet ist, und eine Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung,
die an eine Basis des ersten Bipolartransistors angeschlossen ist
zum Ausgleichen einer Temperaturcharakteristik des ersten Bipolartransistors
Tr1, enthält,
wobei die Temperaturcharkteristik-Kompensationsschaltung einen zweiten
Bipolartransistor Tr2 enthält,
der einen mit der Basis des ersten Bipolartransistors Tr1 verbundenen
leitfähi gen
Anschluss aufweist und die ersten und zweiten Bipolartransistoren
Tr1, Tr2 vom entgegengesetzten Polaritätstyps sind.
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Somit
gleicht die Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung die
Temperaturcharakteristik des ersten Bipolartransistors aus und ermöglicht dem
ersten Bipolartransistor die Angabe einer stabilen Spannung am Drain
des Transistors, der die Frequenzumsetzung durchführt, selbst
dann, falls die Umgebungstemperatur des ersten Bipolartransistors
sich ändert.
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Zusätzlich stabilisiert
der zweite Bipolartransistor den Kollektorstrom des ersten Bipolartransistors
in Bezug auf eine Änderung
in der Umgebungstemperatur und folglich kann der erste Bipolartransistor
dem Drain des die Frequenzumsetzung durchführenden Transistors eine stabile
Spannung bereitstellen.
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In
bevorzugter Weise entspricht der erste Bipolartransistor Tr1 einem
PNP Transistor und der zweite Bipolartransistor Tr2 stellt einen
NPN Transistor dar.
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In
vorteilhafter Weise reagiert der zweite Bipolartransistor Tr2 auf
eine Temperaturänderung
mit der Erzeugung einer Spannungsänderung an der Basis des ersten
Bipolartransistors Tr1, die einer Änderung im Kollektorstrom des
ersten Bipolartransistors Tr1, welche ebenso von der Temperaturänderung
herrührt,
entgegenwirkt.
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Insbesondere
sind die ersten und zweiten Bipolartransistoren als Dual-Transistoren
verpackt.
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Somit
sind der erste Bipolartransistor und der zweite Bipolartransistor
gemeinsam verpackt, so dass beide unter denselben Temperaturbedingungen
arbeiten. Folglich kann dem Drain des die Frequenzumsetzung durchführenden
Transistors eine stabile Spannung bereitgestellt werden. Darüber hinaus
kann die von den Transistoren innerhalb der Schaltung belegte Fläche kleiner
gestaltet werden, indem beide Transistoren gemeinsam in ein einzelnes
Gehäuse
aufgenommen werden.
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Wie
oben beschrieben ist, ermöglicht
die erfindungsgemäße Eingliederung
einer Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung in die Ansteuerschaltung
im MIX innerhalb des LNB das Bereitstellen einer stabilen Spannung
für einen
die Frequenzumsetzung durchführenden
Transistor ohne Auswirkungen bei Umgebungstemperaturänderungen.
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Dem
weiteren Verständnis
der Erfindung dienend werden nachfolgend bestimmte Ausführungsformen mit
Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines Satellitenübertragungsempfangssystems;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm zum schematischen Aufbau eines LNB in 1;
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3 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau eines MIX in 2,
der in einer Ausführungsform der
Erfindung eingegliedert sein kann;
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4 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels des in 3 gezeigten
MIX;
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines weiteren Beispiels des in 3 gezeigten
MIX;
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6 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau eines MIX gemäß einem Beispiel dieser Erfindung, der
zur Messung einer Drainspannung verwendet wird;
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7 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau eines für die Messung einer Drainspannung
gewöhnlich
verwendeten MIX.
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8A und 8B zeigen
Messergebnisse der Drainspannung; und
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9 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau des gewöhnlichen MIX.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
der Erfindung werden unten detailliert mit Bezug auf die Abbildungen
erläutert.
Es gilt zu beachten, dass übereinstimmende
oder sich entsprechende Teile mit denselben Bezugskennzeichen versehen
werden und deren Beschreibung nicht wiederholt wird.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt
ein typisches Satellitenübertragungsempfangssystem.
Das Satellitenübertragungsempfangssystem
enthält
eine Antenne 101, einen LNB 102, ein BS-IF Kabel 103,
einen BS Tuner 104 und einen Fernseher 105.
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Ein
Aufwärtslinksignal
von 14 GHz, das von einer Basisstation ausgesendet wird, wird von
einem Übertragungssatelliten 100 empfangen.
Der Übertragungssatellit 100 setzt
das Aufwärtslinksignal
ins 12 GHz Band um, verstärkt
dieses und übermittelt
das Signal erneut zum Boden als Satellitenübertragungswellensignal. Das
Satellitenübertragungswellensignal
wird von einer Antenne 101 empfangen und in einen LNB 102 eingespeist.
Der LNB 102 verstärkt
das Satellitenübertragungswellensignal,
das eine schwache elektrische Welle mit einer Frequenz im 12 GHz
Band darstellt, mit geringem Rauschen und setzt das Signal danach
in ein Signal in einem Zwischenfrequenzband (nachfolgend als BS-IF
Signal bezeichnet) in einem Mi xer, der eine interne Schaltung darstellt,
in der Frequenz um. Das BS-IF Signal wird an den BS Tuner 104 über ein
BS-IF Kabel 103 übermittelt.
Nachdem ein User den Kanal eines gewünschten Programms ausgewählt hat,
wird das Signal im BS Tuner 104 FM-demoduliert zur Erzeugung
eines Videosignals und eines Hörsignals.
Die wiedergegebenen Video- und Hörsignale
werden an einen Fernseher 105 übermittelt.
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Nachfolgend
wird der interne Aufbau des LNB 102 erläutert.
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2 zeigt
ein Schaltungsblockdiagramm des LNB 102.
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Der
LNB 102 beinhaltet einen zirkularen Wellenleiter 1 zum
Empfan gen eines Satellitenübertragungswellensignals;
einen rauscharmen Verstärker
(nachfolgend als LNA bezeichnet) 2 zum Verstärken des
Satellitenübertragungswellensignals
mit geringem Rauschen; einen BPF (Bandpassfilter) 3 zum
Hindurchlassen eines Signals in einem gewünschten Frequenzband und zum
Aussondern eines Signals in einem Spiegelfrequenzband; einen MIX 4;
einen lokalen Oszillator 5 zum Bereitstellen eines Oszillationssignals
an den MIX 4; einen Zwischenfrequenzverstärker (nachfolgend
als IF-AMP bezeichnet) 6 zum Verstärken eines an den BS Tuner 104 zu übermittelnden
Signals; eine Leistungsversorgungseinheit 7; und einen
Ausgangsanschluss 8.
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Ein
Satellitenübertragungswellensignal
mit einer Frequenz zwischen 11.71 und 12.01 GHz wird von einer Antennensonde
innerhalb des Wellenleiters 1 empfangen. Nachfolgend wird
das Satellitenübertragungswellensignal
in den LNA 2 eingespeist und mit geringem Rauschen verstärkt. Das
verstärkte
Signal im 12 GHz Band wird in den BPF 3 eingespeist und
das Signal im Spiegelfrequenzband wird hierdurch ausgemustert.
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Das
durch den BPF 3 hindurchgetretene Satellitenübertragungssignal
wird in den MIX 4 eingespeist. Dem MIX 4 wird
vom lokalen Oszillator 5 ein Oszillationssignal von 10.678
GHz bereitgestellt. Im MIX 4 wird das Satellitenübertragungssignal
im 12 GHz Band in der Frequenz in ein BS-IF Signal zwischen 1035
und 1335 MHz umgesetzt.
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Nachfolgend
wird das BS-IF Signal in den IF-AMP 6 eingespeist, wo das
Signal für
geeignete Rauscheigenschaften und Verstärkungseigenschaften verstärkt wird.
Das verstärkte
BS-IF Signal wird über
den Ausgangsanschluss 8 ausgegeben und an den BS Tuner 104 über das
BS-IF Kabel 103 übermittelt.
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Nachfolgend
wird der MIX 4 im LNB 102 erläutert.
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3 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau des MIX 4, der in eine
Ausführungsform
der Erfindung eingegliedert sein kann.
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Der
MIX 4 beinhaltet einen Eingangsanschluss 20, einen Ausgangsanschluss 21,
einen HEMT 50 zur Frequenzumsetzung eines eingegangenen
Satellitenübertragungswellensignals,
Widerstandselemente R1, R2 und eine Ansteuerschaltung 10.
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Die
Ansteuerschaltung 10 beinhaltet einen PNP Transistor Tr1
zur Bereitstellung einer stabilen Drainspannung für den HEMT 50,
eine Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung 11 zum
Ausgleichen der Temperaturcharakteristik des Transistors Tr1, und
Widerstandselemente R3, R4, R5.
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Das
Widerstandselement R1 ist zwischen das Gate des HEMT 50 und den
Kollektor des Transistors Tr1 geschaltet. Das Widerstandselement
R2 ist zwischen das Drain des HEMT 50 und den Emitter des
Transistors Tr1 geschaltet. Das Widerstandselement R3 ist zwischen
einen negativen Leistungsversorgungsknoten 25 und den Kollektor
des Transistors Tr1 geschaltet. Zusätzlich ist das Widerstandselement
R4 zwischen einen positiven Leistungsversorgungsknoten 22 und
den Emitter des Transistors Tr1 geschaltet. Das Widerstandselement
R5 ist zwischen die Basis des Transistors Tr1 und einen Masseknoten 24 geschaltet.
Die Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung 11 ist
zwischen einen positiven Leistungsversorgungsknoten 23 und
die Basis des Transistors Tr1 geschaltet. Zusätzlich ist die Source des HEMT 50 mit
dem Masseknoten 24 verbunden.
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Der
HEMT 50 setzt ein Satellitenübertragungssignal, das vom
Eingangsanschluss 20 dem Gate des HEMT 50 zugeführt wird,
unter Einsatz eines lokalen Oszillationssignals, das dem Drain des
HEMT 50 vom lokalen Oszillator 5 eingespeist wird,
in der Frequenz um.
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4 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau des MIX 4 gemäß der ersten
Ausführungsform.
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Hierbei
wird ein NPN Bipolartransistor als Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung
in 3 hinzugefügt.
Die Temperaturcharakteristik-Kompensationsschaltung 11 beinhaltet
einen NPN Bipolartransistor Tr2 und Widerstandselemente R6, R7 und
R8.
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Das
Widerstandselement R6 ist zwischen den positiven Leistungsversorgungsknoten 23 und
den Kollektor des Transistors Tr2 geschaltet. Das Widerstandselement
R7 ist zwischen einen positiven Leistungsversorgungsknoten 26 und
die Basis des Transistors Tr2 geschaltet. Das Widerstandselement
R8 ist zwischen die Basis des Transistors Tr2 und den Masseknoten 24 geschaltet.
Der Emitter des Transistors Tr2 ist mit der Basis des Transistors
Tr1 verbunden.
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Nachfolgend
wird der Betrieb des in 4 gezeigten MIX 4 erläutert.
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In 4 bestimmt
sich der Kollektorstrom des Transistors Tr1 entsprechend einer Spannung
an einem Punkt B1, der einen Verbindungspunkt der Basis des Transistors
Tr1 und des Widerstandselements R5 darstellt. Zusätzlich wird
eine Drainspannung des HEMT 50 über den Kollektorstrom des
Transistors Tr1 bestimmt.
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Die
Spannung am Punkt B1 wird entsprechend dem Kollektorstrom des Transistors
Tr2 festgelegt, welcher über
eine Spannung am Punkt B2 bestimmt ist, wobei der Punkt B2 ein Verbindungspunkt
des Transistors Tr2 und des Widerstandselements R7 darstellt.
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Nun
wird ein Fall betrachtet, bei dem der Ansteuerschaltung 10 eine
Temperaturänderung
auferlegt wird. Wird die Umgebungstemperatur des Transistors Tr1
erhöht,
zeigt die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
Tr1 eine negative Temperaturabhängigkeit,
so dass der Kollektorstrom des Transistors Tr1 entsprechend der
Temperaturcharakteristik ansteigt. Deshalb wirkt sich eine Erhöhung im
Kollektorstrom des Transistors Tr1 auf die Drainspannung des HEMT 50 derart
aus, dass die Drainspannung erniedrigt wird.
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Dann
wird, wie im Falle des Transistors Tr1, die Umgebungstemperatur
ebenso im Transistor Tr2 erhöht.
Die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
Tr2 zeigt, wie im Falle des Transistors Tr1, eine negative Temperaturabhängigkeit.
Somit steigt der Kollektorstrom des Transistors Tr2 ebenso an. Der
Anstieg im Kollektorstrom des Transistors Tr2 führt ebenso zu einem Anstieg
der Spannung am Punkt B1. Der Anstieg der Spannung am Punkt B1 kommt
einer Erniedrigung der Spannung zwischen der Basis und dem Emitter
des Transistors Tr1 gleich und beeinflusst den Kollektorstrom von
Tr1 derart, dass der Kollektorstrom abnimmt. Deshalb wird der Anstieg
im Kollektorstrom des Transistors Tr1 aufgrund des Temperaturanstiegs
ausgeglichen und folglich wird die Drainspannung des HEMT 50 stabilisiert,
obwohl die Umgebungstemperatur ansteigt.
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Wie
oben beschrieben ist, wird durch Verbinden des als Kompensationsschaltung
für die
Temperaturcharakteristik dienenden Transistors Tr2, der eine zum
Transistor Tr1 entgegen gesetzte Polarität aufweist, mit dem Transistor
Tr1 als Ansteuerschaltung zur Bereitstellung einer stabilen Spannung
für den
HEMT 1, eine Schwankung in der Drainspannung des HEMT 50 aufgrund
der Temperatur verringert.
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Zweite Ausführungsform
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Obwohl
eine Ausführungsform
dieser Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf
die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt
und kann in weiteren Ausführungen
umgesetzt werden.
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines weiteren Beispiels des MIX 4 im
LNB 102.
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Dieser
MIX 4 verwendet einen Dual-Transistor 12, in dem
der Transistor Tr1 und der Transistor Tr2 gemeinsam verpackt sind,
anstelle der in 4 gezeigten Transistoren Tr1
und Tr2 in Form unabhängiger
Elemente.
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Der
Betrieb des MIX 4 in Bezug auf eine Änderung in der Umgebungstemperatur ähnelt demjenigen der
ersten Ausführungsform
und der Dual-Transistor 12 stabilisiert
die Drainspannung des HEMT 50 in Bezug auf die Änderung
der Umgebungstemperatur.
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Durch
gemeinsames Verpacken der Transistoren Tr1 und Tr2 zur Ausbildung
eines Dual-Transistors 12 werden die Temperaturbedingungen
für jeden
der Transistoren Tr1, Tr2 gleich und dadurch wird eine Schwankung
in Bezug auf die Temperaturänderung
vermieden, wodurch dem HEMT 50 eine stabilere Spannung
zugeführt
werden kann.
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Zusätzlich lässt sich
die von dem Transistor innerhalb der Schaltung beanspruchte Fläche durch
diese Verpackungstechnik reduzieren und dadurch kann eine Gewichtserniedrigung
der Vorrichtungen aufgrund der Volumeneinsparung erzielt werden.
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Beispiel
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6 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Aufbau des MIX 4 dieser Erfindung,
falls eine Änderung
in der Drainspannung des HEMT 50 in Bezug auf eine Temperaturänderung
gemessen wird.
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In
der Ansteuerschaltung wird der Dual-Transistor 12, bei
dem die Transistoren Tr1 und Tr2 gemeinsam verpackt sind, verwendet.
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Das
Widerstandselement R1 in 5 besteht in 6 aus
Widerstandselementen R11, R12 und einem seriell verschalteten Bypass-Kondensator C1. Auf ähnliche
Weise besteht das Widerstandselement R2 aus 5 in 6 aus
den Widerstandselementen R21, R22 und einem seriell verschalteten
Bypass-Kondensator C2.
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Zusätzlich ist
in 6 ein Bypass-Kondensator C3 zwischen die Basis
des Transistors Tr1 und den Masseknoten 24 geschaltet und
ein Bypass-Kondensator
C4 ist zwischen die Basis des Transistors Tr2 und den Masseknoten 24 geschaltet.
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Als
vergleichendes Beispiel zeigt 7 einen
Schaltungsaufbau des herkömmlichen
MIX, falls eine Änderung
in der Drainspannung des HEMT 50 in Bezug auf eine Änderung
in der Temperatur gemessen wird.
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Eine
positive Leistungsversorgung ist auf 7 Volt eingestellt und eine
negative Leistungsversorgung ist auf -2 Volt eingestellt und die Änderungen
in der Drainspannung des HEMT 50 wurden in dem herkömmlichen MIX
und in dem MIX dieser Erfindung bei Umgebungstemperaturen von -30°C, 25°C und 50°C gemessen.
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Für den zu
messenden MIX wurden in Bezug zum ersten herkömmlichen MIX zwei Schaltungen
mit identischem Aufbau hergestellt und als erste herkömmliche
und zweite herkömmliche
Schaltung bezeichnet und auf ähnliche
Weise wurden zwei Schaltungen mit identischem Aufbau ebenso für den MIX
dieser Erfindung hergestellt und als erste erfindungsgemäße Schaltung
und zweite erfindungsgemäße Schaltung
bezeichnet.
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Die
Messergebnisse des Wertes (V) der Drainspannung Vd des HEMT
50 bei
der jeweiligen Umgebungstemperatur sind in Tabelle 1 gezeigt und
das die Ergebnisse darstellende Diagramm ist in
8A gezeigt.
Zusätzlich
ist die Änderungsrate
(%) in der Drainspannung des HEMT
50 bei jeder Umgebungstemperatur
in Tabelle 2 unter Verwendung des Werts der Drainspannung des HEMT
50 bei
der Umgebungstemperatur von 25°C
als Referenz gekennzeichnet und ein anschauliches Diagramm ist zusätzlich in
8B gezeigt. Tabelle
1 Änderung
in der Drainspannung Vd des MIX-HEMT [V]
Tabelle
2 Änderungsrate
in Vd des MIX-HEMT [%] (Referenz: 25°C)
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Die
Messungen haben ergeben, dass die Änderung in der Drainspannung
des HEMT 50 in Bezug auf die Änderungen der Umgebungstemperatur
beim MIX dieser Erfindung kleiner ausfällt.
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Somit
ermöglicht
das Bereitstellen des Transistors Tr2 als Temperatur-Kompensationsschaltung
eine Unterdrückung
der Schwankungen im Kollektorstrom des Transistors Tr1 und damit
lässt sich
eine Schwankung in der Drainspannung des HEMT 50 unterdrücken.
