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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungs-Stromwandler, umfassend
eine Signalstufe mit einem ersten Transistor und einem ersten Widerstand.
Der erste Transistor ist angepasst, mit einer Eingangssignalspannung
gespeist zu werden. Der Wandler ist angepasst, einen Ausgangsstrom
zu generieren, umfassend einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
und einen Ausgangssignalstrom, und eine Verstärkungsabstimmung durch die
Variation des ersten Widerstands vorzusehen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Wandeln
einer Spannung zu einem Strom.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Es
ist bekannt, verschiedene Arten von Verstärkern variabler Verstärkung (VGA,
variable gain amplifiers) vor dem Spannungs-Stromwandler hinzuzufügen.
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Die
Patentveröffentlichung
GB 2 334 163 zeigt einen
Verstärker
variabler Transkonduktanz (Steilheit), umfassend zwei Transistoren,
deren Emitter über
Widerstände
mit einer Konstantstromquelle verbunden sind, um ein differenzielles
oder langes Heckpaar zu bilden. Ein Rückkopplungsverstärker, dessen
Transkonduktanz steuerbar ist, hat Eingänge, die mit den Kollektoren
der Transistoren verbunden sind, und Ausgänge, die mit den Emittern davon verbunden
sind. Der Rückkopplungsverstärker führt somit
den Emittern der Transistoren einen differenziellen Strom zu, der
dem Produkt des differenziellen Ausgangssignals der Transistoren
und der variablen Transkonduktanz des Rückkopplungsverstärkers entspricht.
Von der Anordnung wird gesagt, dass sie den Rauschfaktor verbessert.
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Die
Patentveröffentlichung
US 2003/0062951 zeigt einen Mischer/Verstärker, der zum Bereitstellen
variabler Verstärkung
fähig ist, während ein
in wesentlichen konstanter Gleichtakt-Betriebsspannungspegel unterhalten wird
und eine im wesentlichen konstante Betriebsspannung in neuen Niederspannungsgestaltungen
unterhalten wird, wobei somit ein Mischer/Verstärker in einem Niederleistungs-Direktwandlungsempfänger bereitgestellt
wird.
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Es
wird ein rauscharmer Verstärker
gezeigt, in dem ein Verstärkungssteuersignal
durch eine differenzielle Stromquelle vorgesehen wird. Es werden zwei
Ausgangsströme
I1 und I2 bereitgestellt. I1 + I2 = einer Konstante. I1 und I2 werden
in ersten und zweiten Pfaden gespiegelt, wobei einer Verstärkertransistoren
und optional einen Gilbert-Zellenmultiplikator enthält. Ungeachtet
der Verstärkung
des Verstärkers
bleibt der Strom durch die zwei Pfade gleich I1 und I2, und die
Gleichtakt-Spannung bleibt konstant.
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Die
Patentveröffentlichung
GB 1 288 880 zeigt eine
Ausführungsform
in
1, wo das Basispotenzial von Transistor
1 dem
Emitterpotenzial von Transistor
1 folgt, wodurch der Arbeitspunkt
von Transistor
1 konstant bleibt.
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Zusammenfassung der vorliegenden
Erfindung
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Probleme
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Es
ist ein Problem, einen Spannungs-Stromwandler mit Verstärkungsabstimmung
vorzulegen ohne Variieren der Leistungsver haltensparameter, wie
etwa Stromverbrauch und Ausgangslinearität, während die Verstärkung abgestimmt
wird.
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Es
ist speziell ein Problem dies ohne Hinzufügung zusätzlicher Komponenten in dem
Signalpfad hinzuzufügen
zu tun, was wiederum bedeutet, dass zusätzliche Fehler hinzugefügt werden,
wie etwa Rauschen und Nichtlinearität, oder zusätzlichen Leistungsverbrauch.
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Lösung
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Mit
der Zielsetzung einer Lösung
von einem oder mehr der oben identifizierten Probleme, und von dem
Standpunkt eines Spannungs-Stromwandlers, umfassend eine Signalstufe
mit einem ersten Transistor und einem ersten Widerstand, wobei der
erste Transistor angepasst ist, mit einer Eingangssignalspannung
gespeist zu werden, der Wandler angepasst ist, einen Ausgangsstrom
zu generieren, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom und einen Ausgangssignalstrom
umfasst, und eine Verstärkungsabstimmung
durch die Variation des ersten Widerstands vorzusehen, lehrt die
vorliegende Erfindung, dass der Wandler eine Vorspannungsstufe umfasst,
die angepasst ist, eine Eingangs-Vorspannungsgleichspannung zu generieren
und in die Signalstufe einzuspeisen, wobei die Eingangs-Vorspannungsgleichspannung
angepasst ist, den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom während der
Variation des ersten Widerstands konstant zu halten, wobei somit
eine Verstärkungsabstimmung
ohne jegliche Variation von Leistungsverhaltensparametern vorgesehen
wird, wie etwa Stromverbrauch und Ausgangslinearität.
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Um
diese Eingangs-Vorspannungsgleichspannung zu generieren, lehrt die
vorliegende Erfindung, dass die Vorspannungsstufe einen zweiten Transistor
und einen zweiten abstimmbaren Widerstand umfasst, die im wesentlichen
eine Kopie der Signalstufe bilden. Der zweite Transistor ist als
Diode geschaltet, wobei somit im wesentlichen ein Stromspiegel in
Verbindung mit dem ersten Transistor gebildet wird. Die Vorspannungsstufe
ist angepasst, durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom
gespeist zu werden, und der zweite Widerstand ist angepasst, gleichzeitig
mit der Variation des ersten Widerstands variiert zu werden.
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Mit
der Zielsetzung einer Minimierung des Leistungsverbrauchs der Vorspannungsstufe
lehrt die vorliegende Erfindung, dass der zweite Transistor angepasst
ist, einen Transistorbereich zu haben, der ein Faktor M kleiner
als der Transistorbereich des ersten Transistors ist, dass der zweite
Widerstand angepasst ist, einen Widerstandswert zu haben, der der
gleiche Faktor M größer als
der Widerstandswert des ersten Widerstands ist, wodurch der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom
angepasst ist, mit dem Faktor M in Relation auf den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
reduziert zu werden.
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Um
die Steuerung der Vorspannungsstufe zu vereinfachen, lehrt die vorliegende
Erfindung, dass der erste und zweite Widerstand angepasst ist, gemeinsam
variiert und gesteuert zu werden durch das gleiche Steuersignal.
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Die
vorliegende Erfindung lehrt, dass es möglich ist, dass die Vorspannungsstufe
mit der Signalstufe integriert ist, wobei der Wandler innerhalb der
gleichen integrierten Schaltung integriert ist, wobei somit zu einer
Lösung
gemäß der vorliegenden Erfindung
ohne Hinzufügung
irgendwelcher zusätzlicher
Komponenten gekommen wird.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Wandeln
einer Spannung zu einem Strom, was in der folgenden Beschreibung
der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
detaillierter beschrieben wird.
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Vorteile
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Die
Vorteile eines Wandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung bestehen darin, dass der erfinderische Wandler eine variable
Verstärkung
bietet, während
ein konstanter Vorspannungsstrom über dem ganzen Verstärkungseinstellungsbereich
beibehalten wird. Der erfinderische Wandler sieht eine Steuerung
vom Stromverbrauch unabhängig
von einer Verstärkungseinstellung
vor. Er sieht auch eine Möglichkeit
vor, die Last unabhängig
von der Verstärkungseinstellung
zu dimensionieren, wobei somit ein Leistungsverhalten vorgesehen
wird, das für
eine gewisse Stromdichte optimiert ist, die über dem gesamten Verstärkungseinstellungsbereich
gültig
ist.
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Der
erfinderische Wandler kann innerhalb der gleichen integrierten Schaltung
hergestellt werden und somit die obigen Vorteile innerhalb der Funktionen
einer Komponente, und mit stark verringerten zusätzlichen Fehlern, wie etwa
Rauschen, Nichtlinearität
etc., vorsehen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nun
werden nachstehend ein Wandler und ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische und vereinfachte Veranschaulichung eines bekannten
Spannungs-Stromwandlers ist;
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2 eine
schematische und vereinfachte Veranschaulichung eines Spannungs-Stromwandlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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3 eine
schematische und vereinfachte Veranschaulichung eines erfinderischen
Spannungs-Stromwandlers ist, der auf ei nen reduzierten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom
angepasst ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen,
wie sie gegenwärtig
bevorzugt werden
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Mit
Verweis auf 1 wird ein Spannungs-Stromwandler
gemäß dem Stand
der Technik beschrieben. Der bekannte Wandler umfasst einen ersten
Transistor 11 und einen ersten Widerstand 12, wobei
der erste Transistor 11 angepasst ist, mit einer Eingangs-Vorspannungsgleichspannung
VDC und einer Eingangssignalspannung vin gespeist zu werden, und wobei der Wandler
angepasst ist, einen Ausgangsstrom zu generieren, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
IB1 und einen Ausgangssignalstrom iout umfasst.
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Der
Wandler ist angepasst, eine Verstärkungsabstimmung durch die
Variation des ersten Widerstands 12 vorzusehen.
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Die
Spannungs-Strom-Transferfunktion kann als:
ausgedrückt werden, wobei gm die Transkonduktanz des
ersten Transistors
11 und R der Widerstandswert des ersten
Widerstands
12 sind. Vorausgesetzt, dass die Transkonduktanz
gm des ersten Transistors
11 groß (gm >> 1/R)
ist, kann die Spannungs-Strom-Transferfunktion als:
ausgedrückt werden.
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Ein
direkter Weg für
eine Implementierung einer abstimmbaren Verstärkung besteht darin, den Widerstandswert
R abstimmbar zu machen, wie in der Figur gezeigt. Der Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
I
B1 wird jedoch durch:
bestimmt, wobei V
be die Basis-Emitter-Spannung des ersten
Transistors
11 ist.
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Durch
Variieren des Widerstandswertes R wird daher auch der Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
IB1 variieren, was verursacht, dass der
Betriebspunkt des ersten Transistors 11 variiert. Die Zielsetzung
der Erfindung besteht darin, einen optimalen Betriebspunkt zu unterhalten,
und somit die Ausgangslinearität
des ersten Transistors 11 ungeachtet der Variation des
Widerstandswertes R zu unterhalten.
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Es
wird nun ein Spannungs-Stromwandler gemäß der vorliegenden Erfindung
mit Verweis auf 2 beschrieben.
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Der
erfinderische Wandler umfasst eine Signalstufe 1 gemäß 1,
umfasst aber auch eine Vorspannungsstufe 2, die angepasst
ist, eine Eingangs-Vorspannungsgleichspannung VDC zu
generieren und in die Signalstufe 1 einzuspeisen, wobei die
Eingangs-Vorspannungsgleichspannung angepasst ist, den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 während
der Variation des ersten Widerstands 12 konstant zu halten.
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Die
Vorspannungsstufe 2 umfasst einen zweiten Transistor 21 und
einen zweiten abstimmbaren Widerstand 22, die im wesentlichen
eine Kopie der Signalstufe 1 bilden. Die Figur zeigt, dass
der zweite Transistor 21 als Diode geschaltet ist, wobei somit
im wesentlichen ein Stromspiegel in Verbindung mit dem ersten Transistor 11 gebildet
wird. Die Vorspannungsstufe 2 ist angepasst, durch einen
konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 gespeist
zu werden.
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Die
vorliegende Erfindung lehrt speziell, dass der zweite Widerstand 22 angepasst
ist, gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands 12 variiert
zu werden.
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3 zeigt,
dass mit der Zielstellung einer Reduzierung des Eingangs-Vorspannungsgleichstroms
IB2 in Relation zu dem Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
IB1 die vorliegende Erfindung lehrt, dass
der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 mit einem
Faktor M in Relation zu dem Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 reduziert werden kann, durch Anpassen
des zweiten Transistors 21, einen Transistorbereich A2
zu haben, der ein Faktor M kleiner als der Transistorbereich A1
des ersten Transistors 11 ist, und durch Anpassen des zweiten
Widerstands 22, einen Widerstandswert R2 zu haben, der der
Faktor M größer als
der Widerstandswert R1 des ersten Widerstands 12 ist.
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Die
vorliegende Erfindung lehrt auch, dass die ersten und zweiten Widerstände 12, 22 angepasst
sind, gemeinsam variiert und durch das gleiche Steuersignal 3 gesteuert
zu werden, wobei somit eine einfache Steuerung des erfinderischen
Wandlers erlaubt wird.
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Eine
vorgeschlagene Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung lehrt, dass die Vorspannungsstufe 2 mit
der Signalstufe 1 integriert ist, wobei der Wandler somit
innerhalb der gleichen integrierten Schaltung integriert ist.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Wandeln
einer Spannung zu einem Strom durch einen Spannungs-Stromwandler.
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Dieses
Verfahren wird mit erneutem Verweis auf 2 beschrieben,
wobei gezeigt wird, dass der Wandler eine Signalstufe 1 mit
einem ersten Transistor 11 und einem ersten Widerstand 12 umfasst,
wobei der erste Transistor 11 mit einer Eingangssignalspannung
vin gespeist wird, wobei der Wandler einen Ausgangsstrom
generiert, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 und
einen Ausgangssignalstrom iout generiert
und wobei der Wandler eine Verstärkungsabstimmung
durch die Variation des ersten Widerstands 12 vorsieht.
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Das
erfinderische Verfahren lehrt die Verwendung einer Vorspannungsstufe 2,
die eine Eingangs-Vorspannungsspannung VDC generiert
und in die Signalstufe 1 einspeist, wobei die Eingangs-Vorspannungsspannung
VDC den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
IB1 während
der Variation des ersten Widerstands 12 konstant hält.
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Das
erfinderische Verfahren lehrt die Verwendung einer Vorspannungsstufe 2,
die einen zweiten Transistor 21 und einen zweiten abstimmbaren Widerstand 22 umfasst,
die im wesentlichen eine Kopie der Signalstufe 1 bilden,
wobei der zweite Transistor 21 als Diode geschaltet ist,
wobei somit in Verbindung mit dem ersten Transistor 11 im
wesentlichen ein Stromspiegel zu der Signalstufe 1 gebildet wird.
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Die
Vorspannungsstufe 2 wird durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom
IB2 gespeist, und der zweite Widerstand 22 wird
gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands 12 variiert,
was zu dem konstanten Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 führt.
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Der
Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 wird
reduziert, ein Faktor M kleiner als der Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom
IB1 zu sein, durch Auswählen des Transistorbereichs
A2 des zweiten Transistors 21, der Faktor M kleiner als
der Transistor bereich A1 des ersten Transistors 11 zu sein,
und durch Auswählen
des Widerstandswertes R2 des zweiten Widerstands 22, der
Faktor M größer als
der Widerstandswert R1 des ersten Widerstands 12 zu sein.
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Das
erfinderische Verfahren lehrt, dass die ersten und zweiten Widerstände 12, 22 gemeinsam durch
das gleiche Steuersignal 3 gesteuert werden.
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In
der obigen Beschreibung, und in den folgenden Ansprüchen, wurden
bipolare NPN-Transistoren verwendet, um die praktische Implementierung der
vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Um die Beschreibung zu vereinfachen,
wurde die Erfindung nicht unter Verwendung anderer Arten von Transistoren
beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass ein beliebiger
anderer Typ eines Transistors, wie bipolare PNP-Transistoren oder MOS-Transistoren
vom N- oder P-Typ verwendet werden können, um die gleichen Ergebnisse
zu erreichen, und dass eine beliebige derartige Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung den oben beschriebenen Ausführungsformen
und in den folgenden Ansprüchen äquivalent
ist.
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Es
wird verstanden, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen
und veranschaulichenden beispielhaften Ausführungsformen davon beschränkt ist,
und dass Modifikationen innerhalb des Bereiches des erfinderischen
Konzeptes, wie in den begleitenden Ansprüchen veranschaulicht, durchgeführt werden
können.
