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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme und insbesondere
in Sendern innerhalb solcher Kommunikationssysteme verwendete Leistungsverstärker.
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2. Verwandte Fachgebiete
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Es
ist bekannt, dass Kommunikationssysteme die drahtlose und drahtgebundene
Kommunikation zwischen drahtlosen und/oder drahtgebundenen Kommunikationsvorrichtungen
unterstützen.
Solche Kommunikationssysteme reichen von nationalen und/oder internationalen
Mobiltelefonsystemen über das
Internet bis zu drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Heimnetzwerken. Kommunikationssysteme
funktionieren in der Regel gemäß einem
oder mehreren Kommunikationsstandards. Zum Beispiel können drahtgebundene
Kommunikationssysteme gemäß einer
oder mehrerer Versionen des Ethernet-Standards, SPI-Standards (System
Packet Interface, Systempaketschnittstelle) oder diverser weiterer
Standards funktionieren. Drahtlose Kommunikationssysteme können gemäß einem
oder mehreren Standards funktionieren, die IEEE 802.11, Bluetooth,
AMPS (Advanced Mobile Phone Services, erweiterte Mobiltelefondienste),
digitales AMPS, GSM (Global System for Mobile Communications, globales
System für Mobilkommunikation),
CDMA (Code Division Multiple Access, Codemultiplexverfahren), LMDS
(Local Multi-Point Distribution Systems, lokale Mehrpunkt-Verteilungssysteme),
MMDS (Multi-Channel-Multi-Point Distribution Systems, Mehrkanal-Mehrpunkt-Verteilungssysteme)
und/oder Varianten davon umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind.
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Je
nach dem Typ des drahtlosen Kommunikationssystems kommuniziert eine
drahtlose Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise ein Mobiltelefon,
eine 2-Wege-Funkeinrichtung,
ein PDA (Personal Digital Assistant), ein PC (Personal Computer),
ein Laptop-Computer, ein Gerät
der Unterhaltungselektronik, usw. direkt oder indirekt mit anderen drahtlosen
Kommunikationsvorrichtungen. Jede drahtlose Kommunikationsvorrichtung,
die an drahtloser Kommunikation beteiligt ist, umfasst einen eingebauten
Funk-Transceiver (das heißt
einen Empfänger
und Sender) oder ist mit einem zugehörigen Funk-Transceiver (zum
Beispiel einer Station für drahtlose
Heim- oder Gebäude-Kommunikationsnetzwerke,
einem Funkfrequenzmodem, usw.) gekoppelt. Bekanntlich umfasst der
Sender eine Datenmodulationsstufe, eine oder mehrere Frequenzumsetzungsstufen
und einen Leistungsverstärker.
Die Datenmodulationsstufe setzt Rohdaten gemäß dem jeweiligen Standard für drahtlose
Kommunikation in Basisbandsignale um. Die eine oder mehreren Frequenzumsetzungsstufen
mischen die Basisbandsignale mit einer oder mehreren lokalen Schwingungen, um
Funksignale zu erzeugen. Der Leistungsverstärker verstärkt die Funksignale, bevor
sie über
eine Antenne übertragen
werden.
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Im
Vergleich/Gegensatz zu der oben beschriebenen drahtlosen Kommunikationsvorrichtung umfasst
ein Sender einer drahtgebundenen Kommunikationsvorrichtung eine
Datenmodulationsstufe, den Leistungsverstärker und kann eine Frequenzumsetzungsstufe
umfassen, die eine Frequenzumsetzung eines von der Datenmodulationsstufe
erzeugten Basisbandsignals in ein Übertragungsband vornimmt. Während Leistungsverstärker von
drahtgebundenen Kommunikationsvorrichtungen nicht typischerweise
in dem Funkfrequenzbereich funktionieren, haben sie ähnliche
Betriebsanforderungen. Sowohl bei drahtgebundenen als auch bei drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen
ist der Leistungsverstärker
oft erforderlich, um an ihrem Ausgang eine große Amplitude bereitzustellen.
Der Leistungsverstärker
muss außerdem
sehr linear in dem Betrieb sein und außerdem so wenig Strom wie möglich verbrauchen.
Diese miteinander konkurrierenden Ziele sind sehr schwierig zu erreichen,
insbesondere bei tragbaren Vorrichtungen, die batteriebetrieben
sind und bei relativ niedrigen Spannungen funktionieren.
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Die
US-amerikanische Patentschrift 5,532,646 betrifft
einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker. Bei
dem Leistungsverstärker
werden eine Verringerung des Stromverbrauchs zu dem Zeitpunkt des
Abschaltens und eine Verbesserung bei der Verzerrung von linear
modulierten Wellen zu dem Zeitpunkt der Generierung seiner maximalen
Ausgangsleistung automatisch zum selben Zeitpunkt bewirkt. Ein Teil
der Hochfrequenzausgangsleistung eines Vorstufenverstärkers ist
von einem Richtungskoppler abgeleitet, der in das Eingangsteil eines
Nachstufenverstärkers
eingesetzt ist, um über
eine Schaltung zur Erzeugung von Gleichspannung an einer Gate-Vorspannung, die
an einem Steueranschluss eines Feldeffekttransistors in dem Nachstufenverstärker anliegt,
vorgeschaltet zu werden, so dass die Gate-Vorspannung gemäß dem für den Leistungsverstärker erforderlichen
Ausgangspegel automatisch auf ihren optimalen Wert geregelt werden
kann.
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Die
japanische Patentschrift
JP
06177681 A beschreibt einen Hochfrequenzverstärker. Der
Verstärker
ist mit einem Verstärkermittel
versehen, das eine Modulationswelle als Eingangssignal empfängt, mit
einem Hüllkurvensignal-Erkennungsmittel,
das ein Hüllkurvensignal
der Modulationswelle erkennt, und mit einem Umsetzungsmittel, das
einen Pegel des erkannten Hüllkurvensignals
umsetzt. Der Verstärker
besteht aus einer Verstärkerschaltung,
die ein Kaskoden-Verstärkerelement
verwendet, in dem ein Drain-Anschluss eines allgemeinen Feldeffekttransistors
mit Source-Schaltung und ein Source-Anschluss eines allgemeinen
Feldeffekttransistors mit Gate-Schaltung direkt miteinander verbunden
sind. Ein Ausgang des Pegelumsetzungsmittels dient als Eingang in
das Gatter bzw. Gate des allgemeinen Feldeffekttransistors mit Gate-Schaltung
des Kaskoden-Verstärkerelements,
eine Ausgangsleistung des Verstärkermittels
wird erhöht,
wenn der Hüllkurvenpegel
des Eingangssignals hoch ist, und die Ausgangsleistung des Verstärkermittels
wird verringert, wenn der Hüllkurvenpegel
des Eingangssignals niedrig ist, um ein Pegelverhältnis zwischen
dem Eingang und dem Ausgang fast konstant zu halten.
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Die
internationale Patentanmeldung
WO 02/17480 betrifft
einen linearen Vorverstärker
für einen
Funkfrequenz-Leistungsverstärker.
Der Verstärker
umfasst eine Eingangsschaltung, die auf die zu verstärkende Frequenz
abgestimmt ist, und die an ihrem Eingang das zu verstärkende Signal
empfangt, einen ersten in Basisschaltung verbundenen Transistor,
dessen Sender mit einer Eingangsschaltung gekoppelt ist und dessen
Kollektor das Verstärkerausgangssignal
liefert, und eine Rückkopplungsschaltung,
die der Basis des Transistors einen Bruchteil der Ausgangsspannung
zurückliefert.
Die Rückkopplungsschaltung
umfasst eine kapazitive Brückenschaltung
und einen zweiten Transistor. Die Eingangsschaltung kann einen Bestandteil
einer ersten Stufe des Verstärkers
oder eines Mischers bilden.
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Die
US-amerikanische Patentschrift 6,232,848 offenbart
eine Niederspannungstopologie für
die Konstruktion von integrierten Funkfrequenzschaltungen. Ein Kopplungsschema
für integrierte Funkfrequenz
(RF) wird zur Ausführung
von integrierten Niederspannungsschaltungen für Funkfrequenz (RF) bereitgestellt.
Kapazitiv auf dem Chip gekoppelte Resonanzelemente werden für eine Gleichstromisolierung
von Schaltungsblockelementen verwendet, die in Reihe geschaltet
sein müssen
und einen gemeinsamen Gleichstrom nutzen. Das Kopplungsschema gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auf mehrere üblicherweise
verwendete Topologien von integrierten Schaltungen für Funkfrequenz, wie
beispielsweise Verstärker
mit niedrigem Eigenrauschen und Mischer angewendet werden.
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Erfindungsgemäß werden
ein durch den unabhängigen
Anspruch 1 definierter Leistungsverstärker und ein durch den unabhängigen Anspruch
8 definiertes Verfahren zum Verstärken eines Signals bereitgestellt.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Ein
gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierter Leistungsverstärker umfasst eine Transkonduktanzstufe,
eine Kaskodenstufe und ein Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul.
Die Transkonduktanzstufe umfasst wenigstens eine Transkonduktanzvorrichtung
und wenigstens ein Schaltungselement, deren Kombination eine Kopplung
zwischen einer Spannungsversorgung und Erde bewirkt. Die Transkonduktanzstufe
ist dahingehend betriebsfähig,
dass sie ein Eingangsspannungssignal empfängt und ein Ausgangsstromsignal erzeugt.
Das Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul ist
betriebsfähig
mit der Transkonduktanzstufe und der Kaskodenstufe gekoppelt und
ist dahingehend betriebsfähig,
dass es Modulationskennlinien eines Signals erkennt, auf das die
Transkonduktanzstufe wirkt. Das Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul
ist außerdem
dahingehend betriebsfähig,
dass es die Transkonduktanzvorrichtung und die Kaskodenstufe auf
der Grundlage von erkannten Modulationskennlinien steuerbar unter
Vorspannung setzt. Die erkannten Modulationskennlinien werden in
der Regel auf der Grundlage eines gemessenen Signalpegels bestimmt,
das heißt
auf der Grundlage eines Spannungspegels, Strompegels oder Leistungspegels
des Signals, auf das die Transkonduktanzvorrichtung wirkt. Bei Modulationen
mit nicht konstanten Hüllkurven
verändert
sich der Signalpegel im Laufe der Zeit mit der Modulationshüllkurve.
Die Betriebskenndaten, zum Beispiel Dynamikbereich, Stromverbrauch, usw.
des Leistungsverstärkers
werden daher im Laufe der Zeit zusammen mit Varianten der Modulation verändert, um
zu bewirken, dass ein bedienter Sender eine bessere Leistung bietet
und weniger Strom verbraucht, wodurch die Batterieentleerung und
die Wärmeerzeugung
verringert werden.
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Der
Leistungsverstärker
umfasst eine Kaskodenstufe, die betriebsfähig mit der Transkonduktanzstufe
gekoppelt ist, wobei die Kaskodenstufe dahingehend betriebsfähig ist,
dass sie das Ausgangsstromsignal empfängt und ein darauf basierendes Ausgangsspannungssignal
erzeugt. In einer bestimmten Konstruktion des Leistungsverstärkers, welche
die Kaskodenstufe umfasst, umfasst die wenigstens eine Transkonduktanzvorrichtung
einen ersten Transistor, handelt es sich bei dem wenigstens einen
Schaltungselement einen Induktor und umfasst die Kaskodenstufe einen
zweiten Transistor. Der Induktor, der Source- und der Drain-Anschluss
des zweiten Transistors und der Source- und der Drain-Anschluss
des ersten Transistors sind zwischen der Spannungsversorgung und
Erde in Reihe gekoppelt. Bei dieser Leistungsverstärkerstruktur stellt
das Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul einem
Gate des ersten Transistors eine Vorspannung bereit und stellt einem Gate
des zweiten Transistors eine steuerbare Kaskodenvorspannung bereit.
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In
einer weiteren bestimmten Konstruktion des Leistungsverstärkers, welche
die Kaskodenstufe umfasst, umfasst die Transkonduktanzstufe einen
mit dem Drain- und
dem Source-Anschluss eines Transistors zwischen der Spannungsversorgung
und Erde gekoppelten Induktor. Ein Wechselstrom-Kopplungselement
ist zwischen der Transkonduktanzstufe und der Kaskodenstufe gekoppelt,
um ein von der Transkonduktanzstufe erzeugtes Ausgangsstromsignal,
das von der Kaskodenstufe als Eingangsstromsignal empfangen wird,
zu koppeln. Bei dieser Konstruktion umfasst die Kaskodenstufe einen
ersten Induktor, einen Kaskodentransistor und einen zweiten Induktor.
Das Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul ist
dahingehend betriebsfähig,
dass zusätzlich
zum Steuern der Transkonduktanzstufe der Kaskodentransistor steuerbar
vorgespannt wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsverstärker bereitgestellt, wie in
Anspruch 1 definiert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein drahtloses Kommunikationssystem
veranschaulicht;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung
veranschaulicht;
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3 ist
ein Schaltbild, das einen einpolig geerdeten Kaskoden-Leistungsverstärker veranschaulicht;
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4 ist
ein Schaltbild, das einen einpolig geerdeten Kaskoden-Leistungsverstärker veranschaulicht;
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5 ist
ein Schaltbild, das einen differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärker veranschaulicht;
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6 ist
ein Schaltbild, das einen differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärker mit
variabler Vorspannung der Kaskodenstufe veranschaulicht;
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7 ist
ein Schaltbild, das einen differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärker mit
einer Struktur veranschaulicht, die der von 6 ähnlich ist, aber
eine linearisierte Transkonduktanzstufe verwendet;
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8 ist
ein Blockdiagramm, das eine linearisierte Transkonduktanzstufe veranschaulicht,
die mit einem Leistungsverstärker
verwendet werden kann;
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9 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein erstes bestimmtes Ausführungsbeispiel
der linearisierten Transkonduktanzstufe von 8 veranschaulicht;
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10A ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein
zweites bestimmtes Ausführungsbeispiel
der linearisierten Transkonduktanzstufe von 8 veranschaulicht;
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10B ist ein Schaltbild, das ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Vorspannungsschaltung von 8 veranschaulicht;
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11 ist
ein Schaltbild, das einen Leistungsverstärker mit modulationsabhängiger Vorspannung
der Transkonduktanzstufe veranschaulicht;
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12 ist
ein Diagramm, das eine Technik zum Anpassen einer Vorspannung für einen
Leistungsverstärker
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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13 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb beim Anpassen eines Vorspannungspegels
für einen
Leistungsverstärker
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein Kommunikationssystem 10 veranschaulicht, das
eine Vielzahl von Basisstationen und/oder Access Points 12 bis 16,
eine Vielzahl von drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen 18 bis 32 und
eine Netzwerk-Hardwarekomponente 34 veranschaulicht. Bei
den drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen 18 bis 32 kann
es sich um Laptop-Host-Computer 18 und 26, PDA-Hosts 20 und 30,
PC-Hosts 24 und 32, Mobiltelefon-Hosts 22 und 28 und/oder
um jegliche andere Art von Vorrichtung handeln, die drahtlose Kommunikation
unterstützt.
Die drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen werden unter Bezugnahme auf 2 ausführlich beschrieben.
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Die
Basisstationen oder Access Points 12 bis 16 sind über die
LAN-Verbindungen 36, 38 und 40 betriebsfähig mit
der Netzwerk-Hardware 34 gekoppelt. Die Netzwerk-Hardware 34,
bei der es sich um einen Router, einen Switch, eine Bridge, ein
Modem, eine Systemsteuereinheit, usw. handeln kann, stellt eine
WAN-Verbindung 42 für
das Kommunikationssystem 10 bereit. Jede der Basisstationen
bzw. jeder der Access Points 12 bis 16 weist eine
damit verbundene Antenne oder Antennenmatrix zur Kommunikation mit
den drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen in ihrem bzw. seinem
Gebiet auf. In der Regel registrieren sich die drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen
bei einer bestimmten Basisstation oder bei einem bestimmten Access
Point 12 bis 14, um Dienste von dem Kommunikationssystem 10 zu
empfangen. Bei Direktverbindungen (das heißt bei Punkt-zu-Punkt-Kommunikation)
kommunizieren drahtlose Kommunikationsvorrichtungen direkt über einen
zugeteilten Kanal.
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In
der Regel werden Basisstationen für Mobiltelefonsysteme und gleichartige
Systeme verwendet, während
Access Points für
drahtlose Heim- oder Gebäudenetzwerke
verwendet werden. Ungeachtet des bestimmten Typs von Kommunikationssystem umfasst
jede drahtlose Kommunikationsvorrichtung eine eingebaute Funkeinrichtung
und/oder ist mit einer Funkeinrichtung gekoppelt. Die Funkeinrichtung umfasst
hoch lineare Verstärker
und/oder programmierbare Mehrstufenverstärker, wie in diesem Dokument
offenbart, um die Leistung zu verbessern, die Kosten zu verringern,
die Größe zu verringern und/oder
Breitbandanwendungen zu verbessern.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung
veranschaulicht, welche die Host-Vorrichtung 18–32 und eine
zugehörige
Funkeinrichtung 60 umfasst. Bei Mobiltelefon-Hosts ist
die Funkeinrichtung 60 eine eingebaute Komponente. Bei
PDA-Hosts, Laptop-Hosts und/oder PC-Hosts kann die Funkeinrichtung 60 eingebaut
oder als extern gekoppelte Komponente vorliegen, die über eine
Kommunikationsverbindungsvorrichtung, zum Beispiel eine PCI-Schnittstelle,
eine PCMCIA-Schnittstelle, eine USB-Schnittstelle oder einen anderen
Typ von Schnittstelle mit der Host-Vorrichtung 18–32 gekoppelt
ist.
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Wie
veranschaulicht, umfasst die Host-Vorrichtung 18–32 ein
Verarbeitungsmodul 50, einen Speicher 52, eine
Funkschnittstelle 54, eine Eingabeschnittstelle 58 und
eine Ausgabeschnittstelle 56. Das Verarbeitungsmodul 50 und
der Speicher 52 führen
die entsprechenden Anweisungen aus, die in der Regel in der Host-Vorrichtung
erfolgen. Zum Beispiel führt
das Verarbeitungsmodul 50 bei einer Mobiltelefon-Host-Vorrichtung
die entsprechenden Kommunikationsfunktionen gemäß einem bestimmten Mobiltelefonstandard
aus.
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Die
Funkschnittstelle 54 erlaubt, dass Daten von der Funkeinrichtung 60 empfangen
und an diese gesendet werden. Für
von der Funkeinrichtung 60 empfangene Daten (zum Beispiel
eingehende Daten) stellt die Funkschnittstelle 54 die Daten
dem Verarbeitungsmodul 50 zur weiteren Verarbeitung und/oder
Weiterleitung an die Ausgabeschnittstelle 56 bereit. Die
Ausgabeschnittstelle 56 stellt einer Ausgabe darstellungsvorrichtung,
wie beispielsweise einer Anzeigeeinheit, einem Monitor, Lautsprechern, usw.
Konnektivität
dergestalt zur Verfügung,
dass die empfangenen Daten dargestellt werden können. Die Funkschnittstelle 54 stellt
außerdem
der Funkeinrichtung 60 Daten von dem Verarbeitungsmodul 50 bereit.
Das Verarbeitungsmodul 50 kann die abgehenden Daten über die
Eingabeschnittstelle 58 von einer Eingabevorrichtung, wie
beispielsweise einer Tastatur, einem Tastenblock, einem Mikrofon,
usw. empfangen oder die Daten selbst generieren. Für über die Eingabeschnittstelle 58 empfangene
Daten kann das Verarbeitungsmodul 50 eine entsprechende Host-Funktion
an den Daten ausführen
und/oder sie über
die Funkschnittstelle 54 an die Funkeinrichtung 60 leiten.
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Die
Funkeinrichtung 60 umfasst eine Host-Schnittstelle 62,
ein digitales Empfänger-Verarbeitungsmodul 64,
einen Analog/Digital-Wandler 66, ein Filterungs-/Verstärkungs-/Dämpfungsmodul 68, eine
Umsetzungsstufe zum Heruntermischen einer Zwischenfrequenz (IF) 70,
ein Empfängerfilter 71,
einen rauscharmen Verstärker 72,
einen Sender/Empfänger-Umschalter 73,
ein lokales Oszillationsmodul 74, einen Speicher 75,
ein digitales Sender-Verarbeitungsmodul 76, einen Digital/Analog-Wandler 78,
ein Filterungs-/Verstärkungs-/Dämpfungsmodul 80,
eine Umsetzungsstufe zum Hochmischen einer Zwischenfrequenz (IF) 82,
einen Leistungsverstärker 84, ein
Sender-Filtermodul 85 und eine Antenne 86. Bei der
Antenne 86 kann es sich um eine einzelne Antenne handeln,
die von dem Sende- und dem Empfangsweg entsprechend der Regulierung
durch den Sender/Empfänger-Umschalter 73 gemeinsam
genutzt wird, oder sie kann gesonderte Antennen für den Sende-
und den Empfangsweg umfassen. Die Antennenimplementierung hängt von
dem bestimmten Standard ab, mit dem die drahtlose Kommunikationsvorrichtung
konform ist.
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Das
digitale Empfänger-Verarbeitungsmodul 64 und
das digitale Sender-Verarbeitungsmodul 76 führen in
Verbindung mit in dem Speicher 75 gespeicherten Operationsanweisungen
digitale Empfängerfunktionen
bzw. digitale Senderfunktionen aus. Die digitalen Empfängerfunktionen
umfassen digitale Umsetzung von der Zwischenfrequenz in das Basisband,
Demodulation, Demapping von Konstellationen, Decodierung und/oder
Entwürfeln
(Descrambling), sind aber nicht darauf beschränkt. Die digitalen Senderfunktionen
umfassen Verwürfeln
(Scrambling), Codieren, Mapping von Konstellationen, Modulation
und/oder digitale Umsetzung von dem Basisband in die Zwischenfrequenz,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Die di gitalen Empfänger-
und Sender-Verarbeitungsmodule 64 und 76 können unter Verwendung
einer gemeinsamen Verarbeitungsvorrichtung, einzelner Verarbeitungsvorrichtungen
oder eine Vielzahl von Verarbeitungsvorrichtungen implementiert
werden. Bei einer solchen Verarbeitungsvorrichtung kann es sich
um einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, eine zentrale Verarbeitungseinheit,
eine feldprogrammierbare Gatteranordnung, eine programmierbare Logikvorrichtung,
einen Zustandsautomaten, Logikschaltungen, analoge Schaltungen,
digitale Schaltungen und/oder jede beliebige Vorrichtung handeln,
die Signale (Analog- und/oder Digitalsignale) auf der Grundlage
von Operationsanweisungen ändert.
Bei dem Speicher 75 kann es sich um eine einzelne Speichervorrichtung
oder um eine Vielzahl von Speichervorrichtungen handeln. Bei einer
solchen Speichervorrichtung kann es sich um einen Nur-Lese-Speicher,
einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen flüchtigen
Speicher, einen nichtflüchtigen
Speicher, einen statischen Speicher, einen dynamischen Speicher,
einen Flash-Speicher und/oder jede beliebige Vorrichtung handeln,
die digitale Informationen speichert. Es sei angemerkt, dass, wenn
das Verarbeitungsmodul 64 und/oder 76 eine oder
mehrere seiner Funktionen über
einen Zustandsautomaten, analoge Schaltungen, digitale Schaltungen
und/oder Logikschaltungen implementiert, der Speicher, in dem die
entsprechenden Operationsanweisungen gespeichert werden, in die
Schaltungen eingebettet ist, welche den Zustandsautomaten, die analogen
Schaltungen, die digitalen Schaltungen und/oder die Logikschaltungen
umfassen. Der Speicher 75 speichert Operationsanweisungen,
welche die Funktionalität
der Vorrichtung erleichtern, und das Verarbeitungsmodul 64 und/oder 76 führt diese aus.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann die Kombination aus dem digitalen Empfänger-Verarbeitungsmodul, dem
digitalen Sender-Verarbeitungsmodul und dem Speicher 75 als "Basisband-Prozessor" bezeichnet werden.
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In
dem Betrieb empfängt
die Funkeinrichtung 60 über
die Host-Schnittstelle 62 abgehende Daten 94 von
der Host-Vorrichtung. Die Host-Schnittstelle 62 leitet
die abgehenden Daten 94 an das digitale Sender-Verarbeitungsmodul 76 weiter,
das die abgehenden Daten 94 gemäß einem bestimmten Standard
für die
drahtlose Kommunikation (zum Beispiel IEEE 802.11a, IEEE 802.11b,
IEEE 802.11g, Bluetooth, usw.) verarbeitet, um für die digitale Übertragung
formatierte Daten 96 zu erzeugen. Bei den für die digitale Übertragung
formatierten Daten 96 handelt es sich um ein digitales
Basisbandsignal oder ein digitales Signal mit niedriger Zwischenfrequenz,
wobei das Signal mit niedriger Zwischenfrequenz in der Regel in
dem Frequenzbereich von einhundert Kilohertz bis zu einigen Megahertz
liegt.
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Der
Digital/Analog-Wandler 78 setzt die für die digitale Übertragung
formatierten Daten 96 von der digitalen Domäne in die
analoge Domäne
um. Das Filterungs-/Verstärkungs-/Dämpfungsmodul 80 filtert
die Verstärkung
des Analogsignals und/oder passt sie an, bevor es diese der Stufe
zum Mischen der Zwischenfrequenz 82 bereitstellt. Die Stufe
zum Mischen der Zwischenfrequenz 82 setzt das analoge Basisbandsignal
oder das Signal mit niedriger Zwischenfrequenz auf der Grundlage
einer von dem lokalen Oszillationsmodul 74 bereitgestellten
lokalen Senderschwingung 83 direkt in ein Funkfrequenzsignal
um. Der Leistungsverstärker 84 verstärkt das Funkfrequenzsignal,
um ein abgehendes Funkfrequenzsignal 98 zu erzeugen, das
durch das Sender-Filtermodul 85 gefiltert wird. Die Antenne 86 sendet
das abgehende Funkfrequenzsignal 98 an eine als Ziel ermittelte
Vorrichtung, wie beispielsweise eine Basisstation, einen Access
Point und/oder eine andere drahtlose Kommunikationsvorrichtung.
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Die
Funkeinrichtung 60 empfängt
außerdem über die
Antenne 86 ein eingehendes Funkfrequenzsignal 88,
das von einer Basisstation, einem Access Point oder einer anderen
drahtlosen Kommunikationsvorrichtung gesendet wurde. Die Antenne 86 stellt
das eingehende Funkfrequenzsignal 88 über den Sender/Empfänger-Umschalter 73 dem
Empfänger-Filtermodul 71 bereit,
in dem das Empfängerfilter 71 eine
Bandpass-Filterung des eingehenden Funkfrequenzsignals 88 vornimmt.
Das Empfängerfilter 71 stellt
das gefilterte Funkfrequenzsignal dem rauscharmen Verstärker 72 bereit,
der das Signal 88 verstärkt,
um ein verstärktes
eingehendes Funkfrequenzsignal zu erzeugen. Der rauscharme Verstärker 72 stellt
das verstärkte
eingehende Funkfrequenzsignal dem Modul zum Mischen der Zwischenfrequenz 70 bereit,
welches das verstärkte
eingehende Funkfrequenzsignal auf der Grundlage einer von einem
lokalen Oszillationsmodul 74 bereitgestellten lokalen Empfängerschwingung 81 direkt
in ein eingehendes Signal umsetzt. Das Modul zum Heruntermischen 70 stellt
das eingehende Signal mit niedriger Zwischenfrequenz dem Filterungs-/Verstärkungs-/Dämpfungsmodul 68 bereit.
Das Filterungs-/Verstärkungs-/Dämpfungsmodul 68 kann
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung so implementiert sein, dass es das eingehende
Signal mit niedriger Zwischenfrequenz oder das eingehende Basisbandsignal
so filtert und/oder dämpft,
dass ein gefiltertes eingehendes Signal erzeugt wird.
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Der
Analog/Digital-Wandler 66 setzt das gefilterte eingehende Signal
von der analogen Domäne in
die digitale Domäne
um, um für
den digitalen Empfang formatierte Daten 90 zu erzeugen.
Das digitale Empfänger-Verarbeitungsmodul 64 führt eine
Decodierung, eine Entwürfelung,
ein Demapping und/oder eine Demodulation der für den digitalen Empfang formatierten
Daten 90 durch, um die eingehenden Daten 92 gemäß dem von
der Funkeinrichtung 60 implementierten, bestimmten Standard
für die
drahtlose Kommunikation erneut zu erfassen. Die Host-Schnittstelle 62 stellt
die neu erfassten eingehenden Daten 92 über die Funkschnittstelle 54 der
Host-Vorrichtung 18–32 bereit.
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Ein
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird verstehen, dass die drahtlose
Kommunikationsvorrichtung von 2 unter
Verwendung einer oder mehrerer integrierter Schaltungen implementiert
werden kann. Zum Beispiel kann die Host-Vorrichtung auf einer integrierten Schaltung
implementiert werden, das digitale Empfänger-Verarbeitungsmodul 64, das
digitale Sender-Verarbeitungsmodul 76 und der Speicher 75 können auf
einer zweiten integrierten Schaltung implementiert werden, und die übrigen Komponenten
der Funkeinrichtung 60, mit Ausnahme der Antenne 86,
können
auf einer dritten integrierten Schaltung implementiert werden. Als
alternatives Beispiel kann die Funkeinrichtung 60 auf einer
einzelnen integrierten Schaltung implementiert werden. Als noch
weiteres Beispiel können
das Verarbeitungsmodul 50 der Host-Vorrichtung und das
digitale Empfänger-Verarbeitungsmodul 64 sowie
das digitale Sender-Verarbeitungsmodul 76 eine gemeinsame,
auf einer einzelnen integrierten Schaltung implementierte Verarbeitungsvorrichtung
sein. Ferner können
der Speicher 52 und der Speicher 75 auf einer
einzelnen integrierten Schaltung und/oder auf derselben integrierten
Schaltung wie die gemeinsamen Verarbeitungsmodule des Verarbeitungsmoduls 50 und
das digitale Empfänger-Verarbeitungsmodul 64 und
das digitale Sender-Verarbeitungsmodul 76 implementiert
sein.
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3 ist
ein Schaltbild, das einen einpolig geerdeten Kaskoden-Leistungsverstärker 300 veranschaulicht;
Der einpolig geerdete Kaskoden-Leistungsverstärker 300 umfasst eine
Transkonduktanzstufe mit einem Transistor M1, der ein Eingangsspannungssignal
empfängt
und über
den Transistor M0 ein Stromsignal erzeugt. Der Transistor M1 ist
in seinem aktiven Bereich durch den Induktor L0 und den Spannungsabfall über den
Transistor M0 vorgespannt. Der Kaskodentransistor M0 ist durch den Spannungspegel
Vbc vorgespannt, um die Impedanz an dem
Knoten 302 zu steuern. Eine Ausgangsspannung an dem Knoten 302 ist
ein Produkt des Stroms, der durch die Transistoren M1 und M0 fließt, und
der Impedanz an dem Knoten 302.
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Kaskodenverstärker stellen
diverse Vorteile bereit, wenn sie als Leistungsverstärker in
einem Sender verwendet werden, zum Beispiel der Funkfrequenz-Leistungsverstärker 84 von 2,
ein Leistungsverstärker
einer drahtgebundenen Kommunikationsvorrichtung, usw. Ein Vorteil
bei der Verwendung eines Kaskodenverstärkers als Leistungsverstärker besteht
darin, dass eine relative hohe Spannungsversorgung avdd1 in Verbindung
mit einer Feingeometrie-Niederspannungsvorrichtung mit hohem Gm-Wert,
das heißt
mit dem Transistor M1, verwendet werden kann. Bei der Konfiguration
von 3 toleriert die Kaskodenvorrichtung M0 die hohe
Spannungsamplitude an dem Knoten 302, und der Niederspannungstransistor
M1 stellt die Transkonduktanz bzw. die Verstärkung bereit. Auf diese Weise
kann die große
Steilheit Gm für
einen bestimmten Vorspannungsstrom erzielt werden, und eine große Amplitude
kann toleriert werden, ohne dass der Niederspannungstransistor M1
beschädigt
wird. Der Kaskodentransistor M0 hilft außerdem dabei, den Miller-Effekt
zu verringern, der auf den Transkonduktanz-Transistor M1 wirkt.
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Die
Kaskodenkonfiguration stellt auch zusätzliche Vorteile bereit. Der
Kaskoden-Leistungsverstärker 300 stellt
eine ausgezeichnete Eingangs/Ausgangsisolierung zum Verringern oder
Beseitigen von Schwingungen zwischen der Eingangsseite des Verstärkers und
der Ausgangsseite des Verstärkers
bereit. Eine solche Isolierung hilft dabei, die ordnungsgemäße Abstimmung
des Verstärkers
sowie der Schaltungen auf der Eingangsseite und der Ausgangsseite
des Verstärkers
zu erleichtern.
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Der
Kaskoden-Leistungsverstärker 300 von 3 ermöglicht jedoch
nicht den maximal möglichen
Headroom. "Vbc" muss
auf solche Weise an eine Vorspannungsleitung gebunden werden, dass
der Transistor M1 einen ausreichenden Abfall der Drain-Source-Spannung
Vds aufweist, so dass er eine vernünftig hohe
Steilheit Gm und eine vernünftig hohe
Ausgangsimpedanz (Ro) bereitstellen kann. Ferner
muss Vbc niedrig genug sein, damit die Kaskodenvorrichtung
M0 einen ausreichenden Abfall der Drain-Source-Spannung Vds aufweist, so dass sie nicht unter einer
niedrigen und signalabhängigen Ausgangsimpedanz
und einem sich daraus ergebenden Verlust der Verstärkung und
der Linearität
leidet.
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4 ist
ein Schaltbild, das einen einpolig geerdeten Kaskoden-Leistungsverstärker 400 veranschaulicht.
Der Leistungsverstärker
umfasst eine Transkonduktanzstufe 402, eine Kaskodenstufe 404 und
ein Wechselstrom-Kopplungselement 406. Die Transkonduktanzstufe 402 empfängt ein
Eingangsspannungssignal (Vin) und erzeugt
ein Ausgangsstromsignal. Die Transkonduktanzstufe 402 umfasst eine
Reihenschaltung aus einem linearen Transkonduktanzelement M3 und
einem Schaltungselement L1, die zwischen einer Spannungsversorgung
der Transkonduktanzstufe avdd1 und Erde gekoppelt sind. Bei dem
Ausführungsbeispiel
von 4 umfasst das lineare Transkonduktanzelement M3
einen Transistor, und das Schaltungselement umfasst einen Induktor
L1. Ein erster Anschluss des Induktors L1 ist mit der Spannungsversorgung
der Transkonduktanzstufe avdd1 gekoppelt, ein zweiter Anschluss des
Induktors ist mit einem Drain-Anschluss des Transistors M3 gekoppelt,
eine Source des Transistors ist mit Erde gekoppelt, und das Eingangsspannungssignal
Vin ist mit einem Gatter bzw. Gate des Transistors
M3 gekoppelt. Somit ist der Induktor L1 mit dem Source- und dem
Drain-Anschluss des Transistors M3 in Reihe geschaltet. Bei dem
Transistor M3 kann es sich entweder um einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET), um einen Feldeffekttransistor oder um einen bipolaren
Transistor handeln, und bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
ist er vom Typ MOSFET.
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Das
Wechselstrom-Kopplungselement 406 ist zwischen der Transkonduktanzstufe 402 und
der Kaskodenstufe 404 gekoppelt, und Wechselstrom koppelt
das an dem Knoten 408 erzeugten Ausgangsstromsignal der
Transkonduktanzstufe 402 als Eingangsstromsignal der Kaskodenstufe 404 an
dem Knoten 410. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Kopplungselement 406 um einen Kondensator.
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Die
Kaskodenstufe 404 kann ein Eingangsstromsignal an dem Knoten 410 empfangen
und ein Ausgangsspannungssignal Vout erzeugen.
Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
umfasst die Kaskodenstufe eine Reihenschaltung aus einem ersten
Schaltungselement (Induktor L3), Source- und Drain-Anschlüssen eines
Transistors M4 und einem zweiten Schaltungselement (Induktor L2),
wobei die Reihenschaltung zwischen einer Spannungsversorgung der
Transkonduktanzstufe avdd2 und Erde vorgespannt ist. Ein Gate des
Transistors M4 kann eine steuerbare Vorspannung Vbc empfangen.
Wie ferner unter Bezugnahme auf 6 und 7 be schrieben wird,
ist Vbc je nach Betriebsbedingungen des
von dem Leistungsverstärker
bedienten Senders unterschiedlich.
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In
dem Betrieb weist Vout einen Betriebsbereich
auf, der von niedriger als Erde bis zu größer als die Kaskoden-Versorgungsspannung
avdd2 reicht. Die Transkonduktanzstufe 402 und die Kaskodenstufe 404 können bei
unterschiedlichen Spannungsversorgungspegeln betrieben werden, zum
Beispiel avdd2<>avdd1, oder sie können bei
einem gemeinsamen Spannungsversorgungspegel betrieben werden, zum
Beispiel avdd2=avdd1.
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Bei
dem Kaskodenverstärker 400 von 4 ist
die Transkonduktanzstufe 402 durch das Wechselstrom-Kopplungselement 406 (Kondensator
C0) und die Induktoren L1 und L2 wirksam von der Kaskodenstufe 404 entkoppelt.
Die Induktoren L1 und L2 können
groß genug
sein, um als Drossel zu fungieren, oder alternativ so gewählt werden,
dass sie kapazitive Lasten an ihren jeweiligen Knoten durch Resonanz
ausgleichen. Auf beide Arten fließt der Signalstrom durch die
C0-Kappe und durch den M4 und zu dem Lastinduktor L3. Bei diesem
Schema kann nicht nur die Ausgangsspannung Vout oberhalb
der Kaskodenversorgungsspannung avdd2 schwingen, sondern auch die
Source der Kaskodenvorrichtung M4 kann unterhalb Erde (gnd) schwingen,
was eine sehr große
mögliche
Amplitude über
die Vorrichtung M4 bereitstellt. Da es sich bei M3 um eine Niederspannungsvorrichtung
handelt, kann er von der Spannungsversorgung mit niedrigerer Spannung avdd1
(zum Beispiel 1,8 V) gespeist werden, während die Kaskodenstufe 404 von
einer Spannungsversorgung mit höherer
Spannung avdd2 (zum Beispiel 3,3 V) gespeist werden kann, damit
eine maximale mögliche
Amplitude erreicht wird.
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Bei
Leistungsverstärkern
ist eine maximale Amplitude wünschenswert.
Eine niedrigere Amplitude kann in der Regel toleriert werden, wenn
Transformatoren mit hohem Impedanzanteil verwendet werden, aber
solche Transformatoren stehen in der Regel bei Frequenzen nicht
zur Verfügung
oder sind mit Verlust behaftet. Der Stromverbrauch der Schaltung von 4 ist
bei gleichem Verstärkungspegel
höher als
derjenige von 3. Die Schaltung von 4 erzeugt
jedoch Ausgangsleistungspegel, die durch die Schaltung von 3 nicht
erreicht werden können.
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5 ist
ein Schaltbild, das einen differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärker 500 veranschaulicht.
Der differenzielle Leistungsverstärker 500 umfasst eine differenzielle
Transkonduktanzstufe (504a und 504b), eine differenzielle
Kaskodenstufe (502a und 502b) und ein differenzielles
Wechselstrom-Kopplungselement (506a und 506b).
Die differenzielle Transkonduktanzstufe (504a und 504b) kann
ein differenzielles Eingangsspannungssignal (Vin1 und Vin2) empfangen
und ein differenzielles Ausgangsstromsignal erzeugen. Die differenzielle Transkonduktanzstufe
(502a und 504b) kann ein differenzielles Eingangsstromsignal
empfangen und ein differenzielles Ausgangspannungssignal (Vout1
und Vout2) erzeugen. Das differenzielle Wechselstrom-Kopplungselement
(506a und 506b) bewirkt die Kopplung zwischen
der differenziellen Transkonduktanzstufe (502a und 502b)
und der differenziellen Kaskodenstufe (504a und 504b)
und funktioniert so, dass es das differenzielle Ausgangsstromsignals
der differenziellen Transkonduktanzstufe (402a und 402b)
als differenzielles Eingangsstromsignal der differenziellen Kaskodenstufe
wechselstromkoppelt. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
ist jedes Wechselstrom-Kopplungselement 506a und 506b des
differenziellen Wechselstrom-Kopplungselements ein Kondensator.
In dem Betrieb wird das differenzielle Ausgangsspannungssignal in
Bezug auf das differenzielle Eingangsspannungssignal verstärkt.
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Jeder
Teil der differenziellen Transkonduktanzstufe 502a (502b)
umfasst eine Reihenschaltung aus einem linearen Transkonduktanzelement
M3 (M6) und einem Schaltungselement L1 (L6), die zwischen einer
Spannungsversorgung der Transkonduktanzstufe avdd1 und Erde gekoppelt
sind. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst jedes
lineare Transkonduktanzelement einen Transistor M3 (M6), und jedes
Schaltungselement umfasst einen Induktor L1 (L6). Wie veranschaulicht,
ist der Induktor bei jeder Reihenschaltung mit dem Source- und dem
Drain-Anschluss des entsprechenden Transistors in Reihe geschaltet.
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Jeder
Teil der differenziellen Kaskodenstufe 504a (502b)
umfasst eine Reihenschaltung aus einem ersten Induktor L3 (L4),
einem Transistor M4 (M5) und einem zweiten Induktor L2 (L5), die
zwischen einer Spannungsversorgung der Kaskodenstufe avdd2 und Erde
vorgespannt sind. In dieser Struktur können für jeden Teil der differenziellen
Kaskodenstufe 504a Gates jedes Transistors M4 (M5) eine
steuerbare Kaskodenvorspannung empfangen. Ferner können die
differenzielle Transkonduktanzstufe 502a und 502b und
die differenzielle Kaskodenstufe 504 und 504b bei
unterschiedlichen Spannungspegeln betrieben werden. Alternativ können die
differenzielle Transkonduktanzstufe 502a und 502b und
die differenzielle Kaskodenstufe 504 und 504b bei
einem gemeinsamen Spannungspegel betrieben werden.
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Wie
veranschaulicht, sind die Induktoren L2 (L5) und L3 (L4) mit den
Source- und Drain-Anschlüssen
des Transistors M4 (M5) so in Reihe geschaltet, dass die Reihenschaltung
dieser Element eine Kopplung zwischen der Spannungsversorgung der
Kaskodenstufe avdd2 und Erde bewirkt.
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6 ist
ein Schaltbild, das einen differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärker 600 mit
variabler Vorspannung der Kaskodenstufe veranschaulicht. Der differenzielle
Kaskoden-Leistungsverstärker 600 umfasst
einen linken Teil 602a und einen rechten Teil 602b,
eine Spitzenwertdetektor- und Tiefpassfilterschaltung 604 sowie
ein Vbias-Bestimmungsmodul 606. Der linke Teil 602a und
der rechte Teil 602b sind ähnlich wie oder gleich entsprechenden
Komponenten, die unter Bezugnahme auf 5 veranschaulicht
und erörtert
worden sind, wurden aber gemäß der zusätzlichen
Struktur von 6 geändert.
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Die
Spitzenwertdetektor- und Tiefpassfilterschaltung 604 misst
den Signalpegel eines von einer differenziellen Transkonduktanzstufe
des differenziellen Leistungsverstärkers erzeugten Ausgangsspannungssignals
Vout1 und Vout2. Alternativ misst die Spitzenwertdetektor- und Tiefpassfilterschaltung 604 den
Signalpegel des Eingangsspannungssignals Vin1 und Vin2. Auf der
Grundlage des Pegels des überwachten
Signals erzeugt die Spitzenwertdetektor- und Tiefpassfilterschaltung 604 eine
Signalpegelausgabe. Die Signalpegelausgabe repräsentiert ein moduliertes Signal,
auf das der Leistungsverstärker wirkt.
Das Vbias-Bestimmungsmodul 606 empfängt die Signalpegelausgabe
und erzeugt auf der Grundlage der Signalpegelausgabe eine Spannung
Vbc, die verwendet wird, um jede Seite der
differenziellen Kaskodenstufe des differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärkers 600 vorzuspannen.
Der Spitzenwertdetektor und Tiefpassfilter 604 und das Vbias-Bestimmungsmodul 606 können zusammen als
Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul bezeichnet
werden. Das Modulationserkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmodul
kann auch dazu verwendet werden, um eine Spannung Vbc für einen
einpolig geerdeten Leistungsverstärker zu erzeugen, wie er in 4 gezeigt ist,
wobei Vbc nicht fest ist, was weiter unten
unter Bezugnahme auf 11 und 12 beschrieben
wird.
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Lineare
und amplitudenabhängige
Modulationsschemata erfordern eine äußerst lineare Verstärkung des
ankommenden Signals, während
außerdem
ein sehr großes
Verhältnis
zwischen Spitzen- und Mittelwert bedient wird. Die Einhaltung dieser Anforderungen
erforderte zuvor, dass der Leistungsverstärker in dem Betriebsbereich
der Klasse A oder AB mit hohem Stromverbrauch vorgespannt wird,
wo nur gelegentlich ein hoher Vorspannungsstrom verbraucht wird,
wenn den Spitzenwerte der Modulation auftreten. Das Auftreten dieser
Spitzenwerte ist nicht sehr häufig
und hängt
von den statistischen Werten der bestimmten Modulation ab, die verwendet
wird. Wenn diese Spitzenwerte jedoch ignoriert würden, wäre das Ergebnis eine geringe
Verstärkungsqualität und ein
daraus resultierender unzureichender Fehlervektor.
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In
dem Schema von 6 wird die Spitzenwertdetektor-
und Tiefpassfilterschaltung 604 dazu genutzt, den Eingangssignalpegel
zu schätzen,
der für
die Modulation repräsentativ
ist. Der Signalpegel wird dann gefiltert und als Signalpegelausgabe
zum Anpassen des festen Pegels von Vbc sowie
des signalabhängigen
Teils von Vbc auf das Vbias-Bestimmungsmodul 606 angewendet.
Das resultierende Signal Vbc wird dann an
die Gates der Kaskodentransistoren M4 und M5 angelegt. Dieses Schema
kann eine drastische Verringerung des Stromverbrauchs des Verstärkers bewirken,
wenn er mit hoch linearen Modulationsschemata mit großem Verhältnis zwischen
Spitzenwert und Mittelwert verwendet wird. Eine solche Struktur
und ein solcher Betrieb können in
einigen Fällen
den Kompressionspunkt P1 dB des Betriebs des Leistungsverstärkers 600 erhöhen.
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Bei
anderen Ausführungsbeispielen
kann ein Hüllkurvendetektor
oder eine andere Schaltung, die einem verwendeten Modulationsschema
entspricht, den Spitzenwertdetektor und Tiefpassfilter 604 ersetzen.
Wenn die bediente Vorrichtung unterschiedliche Modulationsschemata
unterstützt,
kann der Betrieb des Spitzenwertdetektors und Tiefpassfilters 604 und des
Vbias-Bestimmungsmoduls 606 auf das Modulationsschema abgestimmt
werden, damit die Kaskodenstufe auf geeignete Weise vorgespannt
wird. In einigen Konstruktionen kann der Spitzenwertdetektor und
Tiefpassfilter 604 einen Pegel eines überwachten Signals über ein
Zeitintervall bestimmen und auf dieser Grundlage die Signalpegelausgabe
erzeugen. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird verstehen,
dass es für
die Art und Weise, auf die das überwachte
Signal gemessen und/oder charakterisiert werden kann, um einen darauf
basierenden Vorspannungspegel zu erzeugen, mehrere unterschiedliche
Möglichkeiten
geben kann.
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7 ist
ein Schaltbild, das einen differenziellen Kaskoden-Leistungsverstärker mit
einer Struktur veranschaulicht, die der von 6 ähnlich ist, aber
eine linearisierte Transkonduktanzstufe verwendet. Verglichen mit
der Struktur von 6 ersetzen die linearisierten
Transkonduktanzstufen 704a und 704b die Kombinationen
aus dem Transistor M3/M6 und dem Induktor L1/L6. Der Spitzenwertdetektor und
Tiefpassfilter 604 überwacht
entweder das Vin1/in2-Signalpaar und/oder die Ausgänge der
linearisierten Transkonduktanzstufen 704a/704b.
Bestimmte Beispiele dieser linearisierten Transkonduktanzstufen 704a/705b werden
weiter unten unter Bezugnahme auf 8 bis 10B beschrieben.
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8 ist
ein Blockdiagramm, das eine linearisierte Transkonduktanzstufe veranschaulicht,
die mit einem gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung konstruierten Leistungsverstärker verwendet
werden kann. Wie in 8 gezeigt, umfasst eine linearisierte
Transkonduktanzstufe 800 eine primäre Transkonduktanzstufe 802,
eine sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 und eine Vorspannungsschaltung 814.
Die Vorspannungsschaltung 814 generiert eine Primärvorspannung 803 und eine
Sekundärvorspannung 805.
Die Primärvorspannung 803 kann
größer sein
als die Sekundärvorspannung 805,
so dass die primäre
Transkonduktanzstufe 802 aktiv wird, bevor die sekundäre Transkonduktanzstufe 804 aktiv
wird. Die bestimmten Operationen der linearisierten Transkonduktanzstufe 800 sind ausführlich in
dem am 17.12.2002 erteilten Patent mit der Nummer 6,496,067 beschrieben,
für das
es eine gemeinsame Erfinderschaft und einen gemeinsamen Rechtsnachfolger
durch Abtretung gibt.
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In
dem Betrieb sind die primäre
Transkonduktanzstufe 802 und die sekundäre Transkonduktanzstufe 804 betriebsfähig gekoppelt,
um die Eingangsspannung 806 zu empfangen. Auf der Grundlage
der Primärvorspannung 803 setzt
die primäre Transkonduktanzstufe 802 die
Eingangsspannung 806 in einen Primärstrom 808 um. Auf
der Grundlage der Sekundärvorspannung 805 setzt
die sekundäre Transkonduktanzstufe 804 die
Eingangsspannung 806 in einen Sekundärstrom 810 um. Die
Summe aus dem Primärstrom 808 und
dem Sekundärstrom 810 ergibt
einen Ausgangsstrom 812.
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Die
Vorspannungsschaltung 814, die eine Eingabe von dem Modulationserkennungs-
und Vorspannungsbestimmungsmodul empfangen kann, kann die Ausgabe
der sekundären
Transkonduktanzstufe 804 zu der Ausgabe der primären Transkonduktanzstufe 802 addieren
oder davon subtrahieren, um einen breiteren und stärker linearen
Transkonduktanzbereich zu erhalten. Solchermaßen wird die Transkonduktanzverstärkung jeder
Stufe 802 und 804 auf der Grundlage der von der
Vorspannungsschaltung 814 erzeugten Vorspannungen addiert. Sowie
sich der Betrag der Eingangsspannung 806 erhöht, wird
die sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 eingeschaltet und verbreitert
den wirksamen linearen Transkonduktanzbereich der linearisierten
Transkonduktanzstufe 800. Wie ein Durchschnittsfachmann auf
dem Gebiet verstehen wird, kann der von der sekundären Transkonduktanzstufe 804 erzeugte
Strom wirksam von dem von der primären Transkonduktanzstufe 802 erzeugten
Strom subtrahiert werden, um Schwankungen der Überlagerung in der Transferfunktion
für die
gesamte Transkonduktanz der Transkonduktanzstufe 800 auszugleichen.
Eine Linearisierungs-Offset-Spannung der Transkonduktanzstufe kann
groß genug
gewählt
werden, um in der generierten Ausgabe als Ergebnis der anliegenden
Eingangsspannung eine negative Verstärkungskompression (Vorverzerrung)
zu verursachen. Diese negative Verstärkungskompression kann verwendet
werden, um die Verstärkungskompression
auszugleichen, die aufgrund von Headroom-Begrenzungen in der Ausgangs-(Kaskoden)-stufe
inhärent
wären. Dies
kann den 1-dB-Kompressionspunkt des Gesamtverstärkers und seinen linearen Betriebsbereich erhöhen. Die
in 8 veranschaulichten Konzepte treffen genauso gut
auf eine differenzielle Implementierung zu.
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9 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine linearisierte Transkonduktanzstufe
von 8 veranschaulicht. Die linearisierte Transkonduktanzstufe 900 umfasst
eine primäre
Transkonduktanzstufe 802, eine sekundäre Transkonduktanzstufe 804 und
eine Vorspannungsschaltung 814. Die Vorspannungsschaltung 814 kann
ein Bestandteil des zuvor unter Bezugnahme auf 6 und 7 veranschaulichten
Signalerkennungs- und Vorspannungsbestimmungsmoduls sein oder in
Ergänzung
zu diesem funktionieren. Die Vorspannungsschaltung 814 umfasst
eine Stromquelle 902 und einen Transistor 904 und
erzeugt eine Referenz-Spannungsquelle (Vref).
Die Vorspannungsschaltung 814 umfasst außerdem ein
Widerstandspaar (die Widerstände 906 und 908)
und die Spannungs-Offset-Module 910 und 912. Bei
dieser Konfiguration stellt die Vorspannungsschaltung 814 die
Referenzspannung (Vref) als Primärvorspannung 914 für die primäre Transkonduktanzstufe 802 bereit.
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Die
Spannungs-Offset-Module 910 und 912 subtrahieren
eine Offset-Spannung (Vos) von der Referenzspannung
(Vref). Die resultierende Spannung (Vref– Vos) wird der sekundären Transkonduktanzstufe 804 als
Sekundärvorspannung 916 bereitgestellt.
Ein solcher Offset kann durch eine Diode, eine Batterie, einen vorgespannten
Transistor, usw. erzeugt werden.
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Die
primäre
Transkonduktanzstufe 802 umfasst einen ersten Transistor 918 und
einen zweiten Transistor 920. Der erste Transistor 918 ist
betriebsfähig über den
Kondensator 922 so gekoppelt, dass er einen Strang (zum
Beispiel Vin–)
einer differenziellen Eingangsspannung 926 (differenzielle
Version der Eingangsspannung 806 von 8)
empfangt. Der zweite Transistor 920 ist betriebsfähig über den Kondensator 924 so
gekoppelt, dass er einen zweiten Strang (zum Beispiel Vin+)
der differenziellen Eingangsspannung 926 empfängt. Gemäß der Konfiguration
erzeugt die primäre
Transkonduktanzstufe 802 auf der Grundlage der Primärvorspannung 914 aus der
differenziellen Eingangsspannung 926 einen primären Differenzialstrom 808.
Demgemäß wird die Primärvorspannung 914 auf
einen Pegel eingestellt, der sicherstellt, dass bei fast jeder differenziellen
Eingangsspannung 926 ein primärer Differenzialstrom 808 erzeugt
wird.
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Die
sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 umfasst einen ersten Transistor 922 und
einen zweiten Transistor 924. Die Gatterspannung bzw. Steuerspannung
der Transistoren 922 und 924 basiert auf der Sekundärvorspannung 916 und
der differenziellen Eingangsspannung 926. Zum Beispiel
ist die Steuerspannung für
einen Transistor gleich Vref – Vos + Delta Vin, während die
Steuerspannung für
den anderen Transistor gleich Vref – Vos + Delta Vin ist.
Wenn die Gate-Schwellenspannung eines der Transistoren 922 und 924 überschritten
wird, generiert die sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 den sekundären Differenzialstrom 810.
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Der
Ausgangsstrom 812 ist die Summe aus dem sekundären Differenzialstrom 810 und
dem primären
Differenzialstrom 808. Es sei angemerkt, dass, wenn die
Steuerspannung an den Transistoren 922 und 924 ihre
Schwellenspannung nicht überschritten
hat, kein Differenzialstrom 810 erzeugt wird. Somit wird
für relativ
niedrige Eingangsspannungen 926 der Ausgangsstrom 812 lediglich
durch den primären
Differenzialstrom 808 erzeugt. Sowie sich der Betrag der
differenziellen Eingangsspannung 926 erhöht, wird
die sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 aktiv und generiert den sekundären Differenzstrom 810,
der zu dem primären
Differenzstrom 808 addiert wird, um den resultierenden
Ausgangsstrom 812 zu erzeugen, was die Gesamttranskonduktanz
und die Linearität
der linearisierten Transkonduktanzstufe 900 verbessert.
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10A ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine
zweite linearisierte Transkonduktanzstufe 800 von 8 veranschaulicht.
Die linearisierte Transkonduktanzstufe 1000 von 10A umfasst eine alternative primäre Transkonduktanzstufe 802,
eine alternative sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 und die Vorspannungsschaltung 814 (nicht
gezeigt). Die Vorspannungsschaltung 814 erzeugt, wie zuvor
unter Bezugnahme auf 9 erörtert, eine Sekundärvorspannung 916 und
eine Primärvorspannung 914.
Die differenzielle Eingangsspannung 926 ist betriebsfähig über die
Kondensatoren 1002 und 1004 mit der primären Transkonduktanzstufe 802 und über die
Kondensatoren 1006 und 1008 mit der sekundären Transkonduktanzstufe 804 gekoppelt.
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Die
primäre
Transkonduktanzstufe 802 umfasst ein erstes Kaskoden-Transistorpaar 1010 und 1012 und
ein zweites Kaskoden-Transistorpaar 1014 und 1016.
Die Transistoren 1012 und 1016 sind betriebsfähig so gekoppelt,
dass sie eine Vorspannung (Vbx) empfangen.
Die Aufnahme der Kaskodentransistoren 1012 und 1016 verbessert
die Leistung in wenigstens einigen Anwendungen, indem eine bessere Übereinstimmung
zwischen den Transistoren in der primären Transkonduktanzstufe 802 und
den Transistoren in der sekundären
Transkonduktanzstufe 804 vorgesehen wird. Zusätzlich sehen
die Kaskodentransistoren 1012 und 1016 eine Isolierung
gegenüber
der sekundären
Transkonduktanzstufe 804 vor. Die Vorspannung Vbx wird durch das Signalpegelerkennungs-
und Vorspannungsbestimmungsmodul angelegt, das zuvor unter Bezugnahme
auf 6 und 7 beschrieben wurde.
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Die
sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 umfasst ein erstes Kaskoden-Transistorpaar 1018 und 1020 und
ein zweites Kaskoden-Transistorpaar 1022 und 1024.
Die Transistoren 1020 und 1024 sind betriebsfähig mit
der Transistorvorspannung (Vbx) gekoppelt.
Die Kaskodentransistoren 1020 und 1024 sehen eine
bessere Übereinstimmung
zwischen den Transistoren innerhalb der sekundären Transkonduktanzstufe 804 und
innerhalb der primären
Transkonduktanzstufe 802 vor. Zusätzlich sehen die Kaskodentransistoren 1020 und 1024 eine
Isolierung gegenüber
der primären
Transkonduktanzstufe 802 vor.
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Gemäß der Konfiguration
erzeugt die primäre
Transkonduktanzstufe 802 den primären Differenzialstrom 808,
und die sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 erzeugt den sekundären Differenzialstrom 810.
Der Ausgangsstrom 812 ist die Summe aus dem primären Differenzialstrom 808 und
dem sekundären Differenzialstrom 810.
Wie zuvor erörtert,
erzeugt die sekundäre
Transkonduktanzstufe 804 den sekundären Differenzialstrom 810 nicht
unmittelbar. Der sekundäre
Differenzialstrom 810 wird erzeugt, wenn die differenzielle
Eingangsspannung 926 in Kombination mit der Sekundärvorspannung 916 die
Schwellenspannung der Transistoren 1018 und 1022 überschreitet.
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10B ist ein Schaltbild, das eine weitere Vorspannungsschaltung 814 von 8 veranschaulicht.
Die Vorspannungsschaltung umfasst die Stromquellen 1052 und 1054,
den Widerstand 1056 und den Transistor 1058. Der
Drain- und der Source-Anschluss des Transistors 1058 sind
so gebunden, dass die Primärvorspannung 914 erzeugt
wird. Die Sekundärvorspannung 916 wird
an der Verbindungsstelle des Widerstands 1056 und der Stromquelle 1054 erzeugt.
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11 ist
ein Schaltbild, das einen Leistungsverstärker 1100 mit modulationsabhängiger Vorspannung
der Transkonduktanzstufe veranschaulicht. Der Leistungsverstärker 1100 umfasst eine
Leistungsverstärkeransteuerung 1102,
einen Kondensator 1104, eine Transkonduktanzvorrichtung 1108,
einen Kaskodentransistor 1110 und einen Induktor 1112.
Der Leistungsverstärker 1100 umfasst außerdem einen
Spitzenwertdetektor und Tiefpassfilter 604, ein Vbias-Bestimmungsmodul 606 und
einen Widerstand 1106, welche die Vorspannung für die Transkonduktanzstufe
(Vbt) erzeugen. Bei dem Leistungsverstärker 1100 ist
Vbc fest (sie kann durch die Vorspannungsschaltung 814 von 10B vorgespannt werden). Eine Variante des Leistungsverstärkers 1100 von 11 umfasst
das Variieren sowohl von Vbt als auch von
Vbc auf der Grundlage des Pegels von Vin, um die Betriebskenndaten des Leistungsverstärkers 1100 zu
verändern.
Eine weitere Variante umfasst das Ersetzen des Widerstands 1106 durch
einen Induktor oder ein weiteres Schaltungselement.
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Die
Art, auf welche die Vorspannung der Transkonduktanzstufe Vbt auf der Grundlage des Pegels des Eingangssignals
Vin variiert wird, ähnelt der Art, auf welche die
Vorspannung der Kaskodenstufe Vbt auf der
Grundlage des Pegels des Eingangssignal variiert wird, wie unter
Bezugnahme auf 7 beschrieben wurde. Eine bestimmte
Technik zum Variieren von Vbt und/oder Vbc wird weiter unten unter Bezugnahme auf 12 beschrieben.
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Bei
einer Variante des Leistungsverstärkers 1100 ersetzt
ein Induktor den Widerstand 1106. Bei einer weiteren Variante
des Leistungsverstärkers 1100 ist
der Kaskodentransistor 1110 entfernt worden. Bei einer
weiteren Variante des Leistungsverstärkers 1100 ist der
Transistor 1108 unter Verwendung eines Widerstands und/oder
eines Induktors zurückgebildet
worden. Ferner kann der Transistor 1108 durch eine linearisierte
Transkonduktanzstufe, wie unter Bezugnahme auf 8 bis 10B beschrieben, ersetzt werden. Eine differenzielle
Version des Leistungsverstärkers 1100 kann
auf unkomplizierte Weise ähnlich
den zuvor beschriebenen Konstruktionen konstruiert werden.
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12 ist
ein Diagramm, das eine Technik zum Anpassen einer Vorspannung für einen
Leistungsverstärker
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie gezeigt ist, hängt die
an einer Transkonduktanzstufe und/oder einer Kaskodenstufe anliegende
Vorspannung (Vbc, Vbx,
Vbt, VREF und/oder
VB) von einem erkannten/gemessenen Signalpegel
ab, zum Beispiel Eingangsleistung (Pin), Eingangsspannung (Vin), Eingangsstrom
(Iin), usw., der repräsentativ
für eine bediente
Modulationskennlinie ist. Im Allgemeinen sinkt die Vorspannung nicht
unter einen Minimalpegel Vbias(min) ab oder steigt nicht über einen
Maximalpegel Vbias(max) an. Bei dem Betrieb zwischen Vbias(min)
und Vbias(max) kann die Vorspannung linear oder nichtlinear mit
dem gemessenen Signalpegel variieren. Die Steigung oder Kennlinie
dieser Kurve kann je nach der bestimmten Implementierung fest oder
variabel sein. Die Auswahl des Minimalpegels, des Maximalpegels
und der Steigung dazwischen kann auf der Grundlage der Modulationsart(en)
ausgewählt
werden, die von dem Leistungsverstärker bedient werden, zum Beispiel
BPSK, GMSK, QPSK, 8PSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM, 512QAM,
1024QAM, usw.
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Insbesondere
sind in 12 drei Beziehungen zwischen
Eingangssignalpegel und Vorspannung für den Leistungsverstärker veranschaulicht. Eine
erste Beziehung ist linear und weist eine Steigung B auf. Die zweite
Beziehung (C) ist nicht linear. Die dritte Beziehung (D) ist ebenfalls
nicht linear. Es sei angemerkt, dass jede dieser Beziehungen, ob
sie linear oder nichtlinear ist, sich über einen Eingangssignalpegelbereich
von Vbias(min) nach Vbias(max) erstreckt. Der Leser sei darauf hingewie sen,
dass der Eingangssignalpegel, bei dem sich die Vorspannung für den Leistungsverstärker von
Vbias(min) aus erstreckt, und der Eingangssignalpegel, bei dem die Vorspannung
für den
Leistungsverstärker
auf Vbias(max) trifft, an dem Vbias-Bestimmungsmodul programmiert/konfiguriert
werden können.
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13 ist
ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb beim Anpassen eines Vorspannungspegels
für einen
Leistungsverstärkers
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In Schritt 1302 werden
die Modulationskennlinien eines Signals, auf das der Leistungsverstärker wirkt, überwacht.
Wenn eine solche Überwachung
angibt, dass sich die Modulationsleistung (Leistung der Modulationshüllkurve)
bis zu einem Schwellenwert erhöht/einen
Schwellenwert überschreitet
(Schritt 1304), wird die Vorspannung des Leistungsverstärkers erhöht (Schritt 1306).
Wenn eine solche Überwachung
angibt, dass sich die Modulationsleistung (Leistung der Modulationshüllkurve)
bis zu einem Schwellenwert/einen Schwellenwert unterschreitet (Schritt 1308),
wird die Vorspannung des Leistungsverstärkers verringert (Schritt 1310). Eine
solche Erhöhung/Verringerung
der Vorspannung des Leistungsverstärkers kann unter Verwendung
einer der zuvor unter Bezugnahme auf 5 bis 12 beschriebenen
Techniken oder durch eine andere Technik bewirkt werden. Von den
Schritten 1306 und 1310 aus kehrt die Operation
zu Schritt 1302 zurück.
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Wie
ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstehen wird, sieht der
Begriff "im Wesentlichen" bzw. "annähernd," wie er in diesem
Dokument möglicherweise
verwendet wird, eine branchenweit akzeptierte Toleranz hinsichtlich
des jeweiligen Begriffs vor. Eine solche branchenweit akzeptierte
Toleranz reicht von weniger als einem Prozent bis zu zwanzig Prozent
und entspricht Komponentenwerten, Prozessvarianten für integrierte
Schaltungen, Temperaturänderungen,
Anstiegszeiten und Abfallzeiten und/oder Widerstandsrauschen, ist
aber nicht auf diese beschränkt.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird ferner verstehen,
dass der Begriff "betriebsfähig gekoppelt", wie er in diesem
Dokument möglicherweise
verwendet wird, das direkte Koppeln und das indirekte Koppeln über eine
weitere Komponente, ein weiteres Element, eine weitere Schaltung
oder ein weiteres Modul umfasst, wobei bei dem indirekten Koppeln
die eingreifende Komponente, das eingreifende Element, die eingreifende Schaltung
oder das eingreifende Modul die Informationen eines Signals nicht ändern, sondern
dessen Strompegel, Spannungspegel und/oder Leistungspegel anpassen
kann. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird außerdem verstehen,
dass abgeleitete Kopplung (das heißt, wenn ein Element mit einem
anderen Element durch Deduktion gekoppelt ist) direktes und indirektes
Koppeln zwischen zwei Elementen auf dieselbe Art wie bei "betriebsfähig gekoppelt" umfasst. Ein Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet wird ferner verstehen, dass der Begriff "wird vorteilhafterweise
verglichen", wie
er in diesem Dokument möglicherweise
verwendet wird, angibt, dass ein Vergleich zwischen einem oder mehreren
Elementen, Punkten, usw. eine gewünschte Beziehung vorsieht.
Wenn zum Beispiel die gewünschte
Beziehung darin besteht, dass Signal 1 einen größeren Betrag aufweist als Signal
2, kann ein vorteilhafter Vergleich erreicht werden, wenn der Betrag
von Signal 1 größer ist
als der von Signal 2 oder wenn der Betrag von Signal 2 kleiner ist
als der von Signal 1.
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Die
in diesem Dokument offenbarte Erfindung unterliegt diversen Modifikationen
und alternativen Ausbildungen. Spezifische Ausführungsbeispiele wurden daher
beispielhaft in den Zeichnungen und der ausführlichen Beschreibung gezeigt.