DE602004001685T2

DE602004001685T2 - Linearverstärker

Info

Publication number: DE602004001685T2
Application number: DE602004001685T
Authority: DE
Inventors: A. Mihai SANDULEANU; F. Eduard STIKVOORT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2024-03-27
Also published as: EP1614218A1; CN100472958C; ATE334504T1; CN1771658A; US20060250185A1; JP2006522542A; WO2004088838A1; US7245181B2; EP1614218B1; DE602004001685D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearverstärker. Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Begrenzerverstärker, der den Linearverstärker umfasst.
Linearverstärker werden weithin in Anwendungen mit relativ hohen Frequenzen wie Empfänger und Sender verwendet. Wenn die Eingangssignale binäre Signale sind, d.h. einen LOW-Wert und einen HIGH-Wert haben, die sich in einem relativ hohen Bereich, d.h. GHz, befinden, ist die notwendige Bandbreite des Verstärkers relativ groß. Außerdem muss der Verstärker eine relativ konstante Verstärkung mit einem minimalen Störungspegel für sowohl Signale mit niedrigem Pegel wie auch hohem Pegel liefern.
US-A-6.404.285 beschreibt einen Differenzverstärker, der in einem Zwischenfrequenz-Spannungsverstärkungs-Verstärker verwendet wird, um ein im Wesentliches lineares Differenzausgangssignal für sowohl kleine wie auch große Differenzeingangssignale zu erzeugen. Der Verstärker umfasst ein Transistorpaar, das an seinen Emittern gekoppelt ist und über einen anderen Transistor, dessen Basis über ein Widerstandspaar an das Differenzeingangssignal gekoppelt ist, vorgespannt ist. Es wird bemerkt, dass, wenn der Verstärker direkt in CMOS-Technologie implementiert wird, der resultierende Verstärker eine im Wesentlichen niedrigere Verstärkung hat, weil eine Steilheit des CMOS-Transistors im Wesentlichen niedriger ist, z.B. über 40-mal niedriger als eine Steilheit eines Bipolartransistors. Daher ist eine Erhöhung der Verstärkung des Verstärkers notwendig. Jede Erhöhung der Verstärkung des Verstärkers bestimmt eine geringere verfügbare Bandbreite für ein Eingangssignal, da für einen gegebenen Verstärker ein sogenanntes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt ein relativ konstanter Parameter ist.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, einen in CMOS-Technologie implementierten Linearverstärker zu schaffen, der die oben erwähnten Probleme herabsetzt.
Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
Die kreuzgekoppelten Ausgangsanschlüsse bestimmen eine Vorwärtskopplung, die eine Ergänzungsverstärkung des Eingangssignals bestimmt. Ein passend gewählter Kapazitätswert bestimmt eine Vergrößerung der verfügbaren Bandbreite des Verstärkers. Folglich werden ansteigende und fallende Kanten des binären Eingangssignals nicht wesentlich gestört.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste Differenzverstärker ein erstes Transistorpaar, das über Widerstandsmittel an ein Transistorpaar mit gemeinsamer Drain gekoppelt ist, wobei ein Strom durch das Transistorpaar mit gemeinsamer Drain die Linearität des ersten Differenzverstärkers verbessert. Der zweite Differenzverstärker umfasst ein zweites Transistorpaar, das mit einem im Wesentlichen gleichen Strom versorgt wird wie der erste Differenzverstärker.
Der dritte Differenzverstärker kann ein drittes Transistorpaar umfassen, dessen jeweiligen Sourceanschlüsse über die Kapazität gekoppelt sind. Lassen Sie uns daran denken, dass das erste Transistorpaar Transistoren umfasst, welche die gleiche Fläche haben, und dass die in dem Transistorpaar mit der gemeinsamen Drain enthaltenen Transistoren eine unterschiedliche Fläche haben. Lassen Sie uns weiter die Widerstandsmittel als R und den dadurch fließenden Strom als i bezeichnen. Die folgende Relation kann geschrieben werden:
In Relation (1) sind β₁ und β₃ Koeffizienten, die sich auf die Abmessungen des Transistorpaars beziehungsweise der Transistoren mit gemeinsamer Drain beziehen. V_T ist eine Schwellenspannung der Transistoren. i₁ und i₂ sind die Ströme durch das Transistorpaar. V_ID ist das Differenzeingangssignal und I_B ist der Bias-Strom für sowohl das erste Transistorpaar wie auch das zweite Transistorpaar. i₃ ist ein Strom durch das Transistorpaar mit gemeinsamer Drain. i₃ ist mit Bezug auf die Differenzeingangsspannung V_ID quadratisch wie in Relation (2).
Der Differenzausgangsstrom hängt von der Differenzeingangsspannung ab, wie in Relation (3) gezeigt:
Es sei hier bemerkt, dass der Term β₁V_ID2 die Dimension eines Stroms hat. Es wird außerdem beobachtete, dass Relation (3) sich auf Relation (4) reduziert, wenn I_B so gewählt wird, dass β₁V_ID2 « I_B.
Also hängt der Strom linear von der Differenzeingangsspannung ab. Bei Verwendung der Kapazität kann Relation (4) wie in Relation (5) umgeschrieben werden:
In Relation (5) ist τ(C) eine Zeitkonstante, die von dem Wert der Kapazität und einer Ausgangsimpedanz des zweiten Transistorpaares abhängt. Wenn wir diese Impedanz als R2 bezeichnen und den Wert der Kapazität als C, dann ist die Zeitkonstante gleich R2·C. Es kann leicht aus Relation (5) gesehen werden, dass die Kapazität die Verstärkerleistungsfähigkeit verbessert, wenn binäre Signale verwendet werden und der Term
einen signifikanten Wert hat, auch wenn das Eingangssignal einen relativ kleinen Wert hat.
In einer anderen Ausführungsform wird der Linearverstärker in einem Begrenzerverstärker verwendet, der eine Kette von Linearverstärkern umfasst. Der Begrenzerverstärker umfasst außerdem eine Vielzahl von Begrenzerverstärkern, die kaskadiert gekoppelt sind und außerdem an die Kette der Linearverstärker gekoppelt sind und ein limitiertes Differenzsignal bereitstellen. Begrenzerverstärker werden weithin in Empfängern und Sendern von frequenzmodulierten Signalen verwendet. Sie umfassen normalerweise einen Verstärker hoher Verstärkung kaskadiert mit einer Gilbert-Zelle zum Bereitstellen von Signalen binären Typs. Wenn die Eingangssignale schon binär sind und sich in einem relativ hohen Frequenzbereich befinden, kann der Linearverstärker eine Vielzahl der zuvor beschriebenen Linearverstärker umfassen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Begrenzerverstärker außerdem einen Feedback-Differenzintegrator zum Einstellen einer Offsetspannung des Begrenzerverstärkers. Eine Grenzfrequenz des Integrators wird wesentlich niedriger gewählt als der Frequenzbereich der Eingangssignale in den Begrenzer. Der Integrator liefert ein relativ konstantes Ausgangssignal zum Einstellen des Offsets des Begrenzers.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat mindestens einer der Begrenzerverstärker aus der Vielzahl der Begrenzerverstärker Eingangsanschlüsse, die über in Serie gekoppelter, im Wesentlichen gleicher Widerstände gekoppelt sind, um ein Gleichtaktsignal bereitzustellen. Das Gleichtaktsignal wird an eine Replik-Vorspannungsschaltung geliefert, die ein Kompensationssignal erzeugt, das die Kette von Linearverstärkern und die Vielzahl der Begrenzerverstärker vorspannt. Das Kompensationssignal wird hauptsächlich durch das Gleichtaktsignal bestimmt, welches wiederum durch Temperaturveränderungen bestimmt wird. Eine Zunahme der Temperatur bestimmt beispielsweise eine Abnahme in der Verstärkung der Verstärker und das Kompensationssignal bestimmt, dass eine Verstärkung des Begrenzers relativ konstant ist.
Die Replik-Vorspannungsschaltung kann ein Paar Replik-Transistoren, deren entsprechenden Anschlüsse gekoppelt sind, d.h. Drain an Drain, Source an Source und Gate an Gate, und deren Gates an das Gleichtaktsignal gekoppelt sind, und einen Transkonduktanzverstärker, der das Kompensationssignal erzeugt, das proportional zu einer Differenz zwischen einem Referenzsignal und einer Spannung in den Drains des Paares von Replik-Transistoren ist, umfassen.
Das Referenzsignal kann ein Bandabstands-Spannungsgenerator sein. Das Gleichtaktsignal wird an dem Eingang eines der Begrenzerverstärker gemessen. Der Transkonduktanzverstärker vergleicht die Spannungen in den Drains des Paares von Replik-Transistoren mit der Bandabstandsspannung und erzeugt einen Ausgangsstrom, der von Temperatur und dem technologischen Prozess abhängt. Der Strom wird außerdem verwendet, um die Vorspannungsströme in den Linearverstärkern und Begrenzerverstärkern einzustellen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden anhand beispielhafter Ausführungsformen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Linearverstärkers,
2 eine detailliertere Darstellung eines Linearverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Begrenzerverstärkers, und
4 eine detailliertere Darstellung eines erfindungsgemäßen Begrenzerverstärkers.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Linearverstärkers. Die Linearverstärkerschaltung umfasst einen ersten Differenzverstärker DA1 mit Differenzeingangsanschlüssen I+, I– zum Empfangen eines binären Eingangssignals und Differenzausgangsanschlüssen O+, O–. Der Linearverstärker umfasst weiter einen zweiten Differenzverstärker DA2 mit Eingangsanschlüssen, die an die Differenzeingangsanschlüsse I+, I– gekoppelt sind. Die Linearverstärkerschaltung enthält einen dritten Differenzverstärker DA3, der kaskadiert an den zweiten Differenzverstärker DA2 gekoppelt ist und dessen Ausgangsanschlüsse O1+, O1– in einer Vorwärtskopplungsverbindung an die Differenzausgangsanschlüsse kreuzgekoppelt sind, d.h. O1+ gekoppelt an O– und O1– gekoppelt an O+. Die Zeichen + und – zeigen den nicht-invertierenden Ausgang beziehungsweise den invertierenden Ausgang an. Außerdem erzeugt ein invertierender Ausgang ein Signal, das im Wesentlichen in Gegenphase zu dem Eingangssignal ist und ein nicht-invertierender Ausgang erzeugt ein Signal, das im Wesentlichen in Phase zu dem Eingangssignal ist.
An den dritten Differenzverstärker DA3 ist eine Kapazität C zum Bestimmen eines Anwachsen einer Bandbreite des Linearverstärkers gekoppelt, wobei ein durch die Kapazität C fließender Strom proportional zu einer Ableitung des Differenzeingangssignals I+, I– ist.
Eine CMOS-Implementierung des Linearverstärkers ist in 2 gezeigt. Der erste Differenzverstärker DA1 umfasst ein erstes Transistorpaar M1, M6, das über Widerstände R an das Transistorpaar M3, M4 mit gemeinsamer Drain gekoppelt ist. Ein Strom I3 durch das Transistorpaar mit gemeinsamer Drain verbessert die Linearität des ersten Differenzverstärkers DA1, wie aus den Relationen 1 bis 5 resultiert. Der zweite Differenzver stärker DA2 umfasst ein zweites Transistorpaar M2, M5, das mit einem im Wesentlichen gleichen Strom versorgt wird wie der erste Differenzverstärker DA1. Es sei bemerkt, dass die Transistoren M1, M6, M2, M5 im Wesentlichen die gleiche Fläche haben und von derselben Stromquelle I0 versorgt werden. Also ist der Strom durch die Transistoren im Wesentlichen der gleiche. Der dritte Differenzverstärker DA3 umfasst ein drittes Transistorpaar M7, M8, dessen jeweiligen Sourceanschlüsse über die Kapazität C gekoppelt sind. Das Eingangssignal I+, I– wird in den Drains der Transistoren M2 und M5 und folglich in den Sources der Transistoren M7 und M8 linear repliziert. Der in die Kapazität fließende Strom ist die Ableitung des Eingangsspannungs-Kreuzeinspeisestroms an den Ausgangsknoten durch M7 und M8. Der Strom I1 ist klein im Vergleich mit dem Strom I0 und die Abmessungen der Transistoren M7 und M8 sind kleiner als die Abmessungen der Transistoren M1 und M6. Durch angemessenes Auswählen der Abmessungen der Transistoren und der Zeitkonstante R₂C verdoppelt sich die Kleinsignalbandbreite der Schaltung fast und in einem Übergangszustand kann man kleinere Anstiegs- und Abfallzeiten beobachten. Diese Schaltung kann direkt mit der nächsten Stufe kaskadiert werden, ohne die Notwendigkeit von Source-Folgern, die in dieser Technologie unerwünscht sind.
Die ersten vier Stufen sind identisch und wenn das Signal erst einmal auf vernünftige Pegel verstärkt worden ist, können die nächsten vier Stufen das Eingangssignal entsprechend begrenzen. Die nächsten begrenzenden Stufen basieren auf differenziellen Paaren, außer der letzten Stufe, wo eine Replik-Vorspannungsschaltung hinzugefügt wurde (siehe 4).
3 zeigt Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Begrenzerverstärkers. Er umfasst eine Kette von Linearverstärkern LIN1, LIN2, LIN3, LIN4 wie in 1 gezeigt, eine Vielzahl von Begrenzerverstärkern NLM1, NLM2, NLM3, NLM4, die kaskadiert gekoppelt sind und weiter an die Kette der Linearverstärker LIN1, LIN2, LIN3, LIN4 gekoppelt sind und ein begrenztes Differenzsignal OUT+, OUT– bereitstellen. Der Begrenzerverstärker umfasst außerdem einen Feedback-Differenzintegrator A1, R1, R2, R3, R4, C1, C2 zum Einstellen einer Offset-Spannung des Begrenzerverstärkers. Die Verstärkung jedes Linearverstärkers LIN1, LIN2, LIN3, LIN4 ist um 4 dB herum gewählt, um kleine, am Eingang vorhandene Signale auf ein ausreichend großes Signal zu bringen, das von den nächsten Begrenzerverstärkern benötigt wird. Obwohl der Prozess das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt einer Stufe begrenzt, lässt die Verstärkungsverteilung das totale Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt des kompletten Begrenzers ansteigen. Die Hauptanfor derung hier ist es, die Gruppenlaufzeitverzerrung der Verstärkungsstufen zu reduzieren, indem sichergestellt wird, dass Verstärkungsüberhöhung der linearen Blöcke bei hohen Frequenzen begrenzt wird. Schließlich wird eine Verstärkung von 52 dB mit einer totalen Kleinsignalbandbreite von 10 GHz erreicht. Der Feedback-Differenzintegrator A1, R1, R2, R3, R4, C1, C2 verstärkt den Offset von dem Ausgang und koppelt ein Korrektursignal, das notwendig ist, um den Offset zu kompensieren, an den Eingang zurück. Durch Verwenden des Widerstandsteilers R3, R4 und der 50 Ω-Eingangswiderstände wird die Zeitkonstante der Schleife erhöht. Wenn man bedenk, dass A die Verstärkung des Begrenzers ist und wenn man, in einer ersten Näherung, dessen Frequenzdämpfung vernachlässigt, und wenn τ die Zeitkonstante des Integrators ist und α die Abschwächung des Widerstandsteilers am Eingang ist, ist die Regelkreisverstärkung des Begrenzers:
Der Niederfrequenzpol, der durch Aα/τ angenähert werden kann, hängt nicht nur von der Zeitkonstanten τ des Integrators, sondern auch von dem Abschwächungsfaktor α ab. Also kann man eine effektive Zeitkonstante, die einer Grenzfrequenz von 1 kHz entspricht, mit kleinen Integrationskapazitäten.
4 zeigt eine detailliertere Darstellung des erfindungsgemäßen Begrenzerverstärkers. Der Begrenzerverstärker umfasst weiter eine Replik-Vorspannungsschaltung, die ein Kompensationssignal Icomp bereitstellt, das die Kette der Linearverstärker LIN1, LIN2, LIN3, LIN4 und die Vielzahl von Begrenzerverstärkern NLM1, NLM2, NLM3, NLM4 vorspannt. Die Replik-Vorspannungsschaltung umfasst ein Paar Replik-Transistoren MR1, MR2, deren entsprechenden Anschlüsse gekoppelt sind, d.h. Drain an Drain, Source an Source und Gate an Gate, und deren Gates an das Gleichtaktsignal gekoppelt sind. Ein Transkonduktanzverstärker A2 erzeugt das Kompensationssignal Icomp, das proportional zu einer Differenz zwischen einem Referenzsignal VSW und einer Spannung in den Drains des Paares von Replik-Transistoren MR1, MR2 ist.
Die Replik-Vorspannungsschaltung sichert einen konstanten Hub der Ströme in dem Begrenzer mit der Temperatur und mit einer Temperaturänderung, um die Abnahme in der Verstärkung der Stufen für höhere Temperaturen zu kompensieren. Die Spannung VSW ist eine Bandabstandsspannung. Die Replik-Vorspannungsschaltung ist mit der letzten Stufe des Begrenzers gut auf Temperatur/Prozess abgestimmt. Die Gleichtaktspannung VCM wird am Eingang der letzten Stufe gemessen. Der Transkonduktanzverstärker A2 vergleicht die Spannung an den Widerständen R50 mit der Spannung VSW und stellt den Strom I0 am hinteren Ende der Schaltung auf Temperatur und Prozess ein. In einer Ausführungsform ist der Widerstandswert von R50 50 Ohm.
Es sei bemerkt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Ebenso wenig beschränken die Bezugszeichen in den Ansprüchen den Schutzumfang der Erfindung. Die Verwendung des Wortes "umfassen" schließt das Vorhandensein von anderen als in den Ansprüchen erwähnten Elementen nicht aus. Die Verwendung des Wortes "ein" oder "eine" vor einem Element schließt das Vorhandensein einer Vielzahl derartiger Elemente nicht aus. Mittel, die einen Teil der Erfindung bilden, können sowohl in der Form zugeordneter Hardware oder in der Form eines programmierten zweckentsprechenden Prozessors implementiert werden. Die Erfindung wohnt jedem neuen Merkmal oder jeder Kombination von Merkmalen gemäß den anhängenden Ansprüchen inne.
Text in der Zeichnung:

SLICE +/– – +/– – Slice
REPLICA – Replik

Claims

Linearverstärkerschaltung, die Folgendes umfasst: – einen ersten Differenzverstärker (DA1) mit Differenzeingangsanschlüssen (I+, I–) zum Empfangen eines binären Eingangssignals und Differenzausgangsanschlüssen (O+, O–), – einen zweiten Differenzverstärker (DA2) mit Eingangsanschlüssen, die an die Differenzeingangsanschlüsse (I+, I–) gekoppelt sind, – einen dritten Differenzverstärker (DA3), der kaskadiert an den zweiten Differenzverstärker (DA2) gekoppelt ist und dessen Ausgang in einer Vorwärtskopplungsverbindung an die Differenzausgangsanschlüsse kreuzgekoppelt ist, und – eine an den dritten Differenzverstärker (DA3) gekoppelte Kapazität (C) zum Bestimmen eines Anwachsen einer Bandbreite des Linearverstärkers, wobei ein durch die Kapazität (C) fließender Strom proportional zu einer Ableitung des Differenzeingangssignals (I+, I–) ist.
Linearverstärker nach Anspruch 1, in dem der erste Differenzverstärker (DA1) ein erstes Transistorpaar (M1, M6) umfasst, das über Widerstandsmittel (R) an ein Transistorpaar (M3, M4) mit gemeinsamer Drain gekoppelt ist, wobei ein Strom (I3) durch das Transistorpaar mit gemeinsamer Drain eine Linearität des ersten Differenzverstärkers (DA1) verbessert.
Linearverstärker nach Anspruch 1, in dem der zweite Differenzverstärker (DA2) ein zweites Transistorpaar (M2, M5) umfasst, das mit einem im Wesentlichen gleichen Strom versorgt wird wie der erste Differenzverstärker (DA1).
Linearverstärker nach Anspruch 1, in dem der dritte Differenzverstärker (DA3) ein drittes Transistorpaar (M7, M8) umfasst, deren jeweilige Sourceanschlüsse über die Kapazität (C) gekoppelt sind.
Begrenzerverstärker, der Folgendes umfasst: – eine Kette von Linearverstärkerschaltungen (LIN1, LIN2, LIN3, LIN4) nach Anspruch 1, und – eine Vielzahl von Begrenzerverstärkern (NLM1, NLM2, NLM3, NLM4), die kaskadiert gekoppelt sind und weiter an die Kette der Linearverstärker (LIN1, LIN2, LIN3, LIN4) gekoppelt sind und ein begrenztes Differenzsignal (OUT+, OUT–) bereitstellen.
Begrenzerverstärker nach Anspruch 5, der außerdem einen Feedback-Differenzintegrator (A1, R1, R2, R3, R4, C1, C2) zum Einstellen einer Offset-Spannung des Begrenzerverstärkers umfasst.
Begrenzerverstärker nach Anspruch 5, in dem mindestens einer der Begrenzerverstärker (NLN4) aus der Vielzahl der Begrenzerverstärker (NLM1, NLM2, NLM3, NLM4) Eingangsanschlüsse hat, die über in Serie gekoppelter, im Wesentlichen gleicher Widerstände (R0) gekoppelt sind, um ein Gleichtaktsignal (VCM) bereitzustellen.
Begrenzerverstärker nach Anspruch 7, der weiter eine Replik-Vorspannungsschaltung umfasst, die ein Kompensationssignal (Icomp) bereitstellt, das die Kette der Linearverstärker (LIN1, LIN2, LIN3, LIN4) und die Vielzahl von Begrenzerverstärkern (NLM1, NLM2, NLM3, NLM4) vorspannt.
Begrenzerverstärker nach Anspruch 8, in dem die Replik-Vorspannungsschaltung Folgendes umfasst: – ein Paar Replik-Transistoren (MR1, MR2), deren entsprechenden Anschlüsse gekoppelt sind, d.h. Drain an Drain, Source an Source und Gate an Gate, und deren Gates an das Gleichtaktsignal gekoppelt sind, und – einen Transkonduktanzverstärker (A2), der das Kompensationssignal (Icomp) erzeugt, das proportional zu einer Differenz zwischen einem Referenzsignal (VSW) und einer Spannung in den Drains des Paares von Replik-Transistoren (MR1, MR2) ist.