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Die
Erfindung gehört
zum Feld der Transistorverstärkerschaltungen
und betrifft insbesondere eine Leistungsverstärkerschaltung, die eine Biasboostschaltung
zur Verbesserung der Verstärkerlinearität und Verringerung
des Blindstroms aufweist.
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Verstärker dieses
generellen Typs werden häufig
in HF-Verstärkern
sowie in Audioverstärkern und
anderen Anwendungsfällen
verwendet. Um eine lineare Eingangs-Ausgangs-Beziehung und einen hohen Betriebs-Wirkungsgrad
zu erreichen, werden derartige Verstärker typischerweise mit einem
Stromflusswinkel von etwa 180° (Klasse
B) oder etwas größer (Klasse
AB) betrieben, um Übernahmeverzerrungen
zu vermeiden.
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Typischerweise
benötigen
Verstärker
dieses Typs eine Gleichstromvorspannungsschaltung, um den Ruhevorspannungsstrom
in der Verstärkerschaltung
einzurichten, um Betrieb in der Klasse-B- oder Klasse-AB-Betriebsart
sicherzustellen. Nach Stand der Technik wird die Vorspannung typiseherweise durch
eine Feststromquelle bereitgestellt, wie in US-Patentschrift Nr.
5.844.443 gezeigt, oder anders durch eine externe Versorgung, die
auf einen gewünschten
konstanten Wert eingestellt sein kann, um den Ruhestrom sicherzustellen,
der für
den Betrieb in der gewünschten
Betriebsart erforderlich ist, wie in US-Patentschrift Nr. 5.548.248
gezeigt.
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Jedoch
hängt in
Verstärkern
des oben beschriebenen Typs der mittlere Strom, der von der Versorgung
entnommen wird, vom Eingangssignalpegel ab. Sowie die Ausgangsleistung
zunimmt, nimmt auch der mittlere Strom sowohl im Emitter als auch
in der Basis des Leistungstransistors zu. Dieser erhöhte mittlere
Strom verursacht einen erhöhten
Spannungsabfall in der Vorspannungsschaltung und in Ballastwiderständen (die
dazu verwendet werden, die Bildung überhitzter Stellen und thermische
Instabilität
in Transistoren zu vermeiden, wobei ein miteinander verflochtenes
Design verwendet wird). Dies wiederum verringert den Stromflusswinkel
(also die Anzahl Winkelgrade von 360°, die der Verstärker durchleitet),
und zwingt den Verstärker
weit in den Klasse-B- oder sogar Klasse-C-Betrieb, wodurch die maximale Leistungsabgabe
um etwa 25 % verringert wird. Um diese Leistungsminderung zu vermeiden, muss
der Verstärker
eine größere Ruhevorspan nung aufweisen.
Bei Schaltungen nach Stand der Technik führt dies unweigerlich zu einer
höheren
Verlustleistung bei niedrigen Leistungsabgabepegeln und dadurch
zu einem nicht wünschenswerten
Kompromiss in den Betriebseigenschaften.
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Die
betreffenden Erfinder haben in der Vergangenheit verschiedene Techniken
entwickelt, wobei verbesserte Biasschaltungen und Biasboosttechniken
eingeschlossen sind, diese weisen aber entweder keinen Signaleingang
von der Verstärkerschaltung
auf oder weisen einen gleichstromgekoppelten Signaleingang auf,
der betriebliche Nachteile und konstruktive Begrenzungen sowohl
hinsichtlich der Biasschaltung als auch der Stufe aufweist, mit
der er gekoppelt ist. US-Patentschrift Nr. 6.130.579 beschreibt
einen HF-Verstärker, der
wechselstromgekoppeltes dynamisches Vorspannen unter Verwendung
von Stromspiegeln aufweist.
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Dementsprechend
wäre es
wünschenswert, eine
Leistungsverstärkerschaltung
zu haben, die die Vorteile optimaler maximaler Ausgangsleistung
und verringerter Verlustleistung bei niedrigen Leistungspegeln zusammen
mit verbesserter Verstärkerlinearität und verringertem
Blindstrom bietet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungsverstärkerschaltung
bereitzustellen, die verbesserte maximale Ausgangsleistung und weniger
Verlustleistung bei geringen Leistungspegeln zusammen mit verbesserter
Verstärkerlinearität und verringertem
Blindstrom bereitstellt.
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Gemäß der Erfindung
werden diese Aufgaben durch eine Leistungsverstärkerschaltung zum Verstärken eines
Eingangssignals, und die einen Stromflusswinkel von mindestens etwa
180° aufweist,
gelöst,
wobei die Leistungsverstärkerschaltung
einen Verstärkertransistor,
der angeschlossen ist, um ein Eingangssignal zu empfangen, und eine Gleichstromvorspannungsschaltung
umfasst, die mit dem Verstärkertransistor
zum Vorspannen des Verstärkertransistars
gleichstromgekoppelt ist, um den Stromflusswinkel zu erhalten, wobei
die Gleichstromvorspannungsschaltung eine dynamische Biasboostschaltung
zum Erhöhen
eines Gleichspannungsvorstroms umfasst, der dem Verstärkertransistor
durch die Gleichstromvorspannungsschaltung in direkter Proportion
zu einer Erhöhung
des Eingangssignals bereitgestellt wird, das der Leistungsverstärkerschaltung
bereitgestellt wird, gekennzeichnet durch:
einen Kondensator,
der zum Koppeln des Eingangssignals mit der Gleichstromvorspannungsschaltung verbunden
ist;
eine erste Stromquelle zum Steuern eines Ruhestroms im
Verstärkertransistor
und
eine zweite Stromquelle zum Steuern einer Ausgangsimpedanz
der Gleichstromvorspannungsschaltung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verstärkerschaltung
entweder eine Klasse-B- oder eine Klasse-AB-Verstärkerschaltung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet die Leistungsverstärkerschaltung außerdem eine
Treiberstufe, die einen Treibertransistor aufweist, und der oben
erwähnte Kondensator
ist direkt mit dem Ausgangsanschluss des Treibertransistors verbunden.
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Eine
Leistungsverstärkerschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung bietet insofern eine erhebliche Verbesserung, als eine
besonders vorteilhafte Kombination von Merkmalen, unter anderem erhöhte maximale
Ausgangsleistung und verringerte Verlustleistung bei niedrigen Leistungspegeln
zusammen mit verbesserter Verstärkerlinearität und verringertem
Blindstrom in einer einfachen, kompakten und wirtschaftlichen Konfiguration
erreicht werden kann.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden offensichtlich durch und
erläutert
unter Bezug auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen.
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Die
Erfindung kann unter Bezug auf die folgende Beschreibung vollständiger verständlich werden,
die in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung zu lesen ist, wobei
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1 ein
schematisches Schaltbild einer Leistungsverstärkerschaltung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt und
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2 ein
schematisches Schaltbild einer Leistungsverstärkerschaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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In
der Zeichnung werden ähnliche
Bezugszeichen im Allgemeinen verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen.
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Ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild einer Hochfrequenzverstärkerschaltung 1 gemäß der Erfindung
ist in 1 der Zeichnung gezeigt. Die Verstärkerschaltung
beinhaltet einen Verstärkertransistor 11 und
eine Biasschaltung 2, die durch einen Widerstand 10 mit
der Basis des Verstärkertransistors 11 gekoppelt
ist. Die Biasschaltung 2 beinhaltet 6 Bipolartransistoren
(12-17) und zwei Stromquellen 18 und 19,
die zwischen Vcc und MASSE gekoppelt sind, wie weiter unten ausführlicher
beschrieben. Ein Ein gangs-Koppelkondensator 20 ist zum
Koppeln eines Eingangssignals von einer Treiberstufe 3 des Verstärkers mit
der Basis eines Verstärkertransistors 11 bereitgestellt,
wobei der Transistor 11 in einer Emitterkonfiguration angeschlossen
und durch eine Drossel 21 zwischen Vcc und MASSE gekoppelt
ist. Der Ausgang der Hochfrequenzverstärkerschaltung 1 wird
vom Kollektor des Transistors 11 über einen Kondensator 22 abgenommen.
Die Treiberstufe 3 beinhaltet einen Treibertransistor 23,
der einen Eingang, der mit seiner Basis über einen Kondensator 24 gekoppelt
ist, eine Vcc-Verbindung über
Drossel 25 und einen Ausgang aufweist, der mit Kondensator 20 verbunden
ist. Der Treibertansistor 23 ist durch Treiberbiasschaltung 26 vorgespannt,
die in 1 in Blockform gezeigt ist.
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Der
Verstärkertransistor 11 ist
an seiner Basis über
eine Verbindung über
Widerstand 10 zur Biasschaltung 2 vorgespannt,
die als dynamische Biasboostschaltung fungiert, und die Biasschaltung
enthält
zwei Subschaltungen derart, dass der Ruhestrom im Verstärkertransistor
und die Ausgangsimpedanz der Biasstufe (die Biasimpedanz der Ausgangsstufe)
unabhängig
und direkt durch die zwei Stromquellen 18 und 19 in
einer Art und Weise gesteuert werden können, die nachstehend detaillierter
beschrieben ist.
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Jede
der Biassubschaltungen beinhaltet eine Stromquelle und einen Stromspiegel.
Daher stellt Stromquelle 18 einen Vorspannungsstrom über einen
Stromspiegel bereit, der Transistoren 15 und 16 umfasst,
während
Stromquelle 19 eine Vorspannungsstromkomponente über einen
Stromspiegel bereitstellt, der Transistoren 12, 14 und 17 umfasst.
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Bei
Betrieb ist der Verstärkertransistor 11 der Hochfrequenzverstärkerschaltung 1 typischerweise für Betrieb
in Klasse AB vorgespannt. Jedoch ist es, wenn die HF-Eingangsleistung
sehr niedrig ist, wünschenswert,
den Verstärkertransistor
in Klasse A zu betreiben. Dementsprechend ist es erforderlich, die Verstärkung und
die Klasse des Verstärkers
zu steuern, und es ist ebenfalls wünschenswert, den Wirkungsgrad
und die Linearität
des Verstärkers
unabhängig
zu steuern.
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Unabhängige Steuerung
dieser Parameters wird durch Bereitstellen zweier unabhängiger Stromquellen
in der Biasschaltung 2 erhalten, nämlich Stromquelle 18 zum
Steuern des Ruhestroms der Ausgangsstufe und somit deren Betriebsklasse
und Stromquelle 19, die den Ausgangstreiberstrom und somit
die Ausgangsimpedanz der Biasstufe (die Biasimpedanz der Ausgangsstufe)
steuert. Durch Einstellen jeder dieser Stromquellen auf den gewünschten
Wert kann direkte und unabhängige
Steuerung von Betriebsklasse und Biasimpedanz wirksam erreicht werden.
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In
der gezeigten Schaltung ist der Ruhestrom in der Ausgangsstufe proportional
dem Strom, der durch Stromquelle 18 bereitgestellt ist,
womit die Betriebsklasse eingestellt ist, während die Ausgangsimpedanz
der Biasstufe unabhängig
durch die Stromquelle 19 gesteuert wird. Auf diese Weise
gestattet die Biasschaltung, dass die Ausgangsstufenverstärkung abgestimmt
wird, ohne die Biasimpedanzhöhe zu
beeinflussen.
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Im Überblick
betrachtet und unter der Annahme, dass alle Transistoren in der
Schaltung identisch sind und perfekt zueinander passen, schreibt
das Kirchhoffsche Gesetz vor, dass die Summe der Basis-Emitter Spannungen
der Transistoren 11 und 13 gleich der Summe der
Basis-Emitter Spannungen der Transistoren 12 und 14 sein
muss. Da die Basis-Emitter Spannung von Transistor 13 im
Wesentlichen gleich der von Transistor 12 ist, ist die
Basis-Emitter Spannung von Transistor 11 daher im Wesentlichen
gleich der von Transistor 14. Da der Strom von Stromquelle 18 durch
Transistor 16 fließt,
muss er auch durch die Transistoren 14 und 15 fließen, weil die
Transistoren 15 und 16 einen Stromspiegel bilden.
Dementsprechend schreibt der Strom in Stromquelle 18 den
Ruhestrom im Ausgangstransistor 11 und daher dessen Betriebsklasse
und Verstärkung vor.
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Wieder
unter der Annahme, dass alle Transistoren identisch sind und perfekt
zueinander passen, ist in ähnlicher
Weise zu sehen, dass der Strom in Stromquelle 19 die Ausgangsimpedanz
der Biasschaltung steuert. Da die Transistoren 12, 14 und 17 einen
Stromspiegel bilden, muss der Strom von Stromquelle 19,
der in Transistor 17 fließt, auch in Transistor 12 und
somit Transistor 13 fließen. Die Transistoren 12, 13, 14 und 17 bilden
einen Pfad niedriger Impedanz, und die Ausgangsimpedanz der Biasschaltung
ist im Wesentlichen durch die Transistoren 12 und 17 bestimmt,
wie durch den Strom vorgeschrieben, der durch Stromquelle 19 bereitgestellt ist.
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Durch
sachgerechtes Skalieren der Emitterverhältnisse zwischen Transistorpaaren,
eine Technik, die Fachleuten wohl bekannt ist, kann der Ruhestrom
in Transistor 11 direkt proportional zum Wert des Stroms
in Stromquelle 18 gemacht werden, wobei die Ausgangsimpedanz
der Biasschaltung unabhängig
durch den Strom in Stromquelle 19 gesteuert wird. Daher
kann der Ruhestrom im Verstärkertransistor 11 gesteuert
werden, während
die Biasimpedanzhöhe
unabhängig
auf erhöhten
Wirkungsgrad und Linearität
eingestellt werden kann.
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Gemäß der Erfindung
wird dynamischen Biasboosten durch Bereitstellen eines Koppelkondensators 27 zwischen
der Gleichstromvorspannungsschaltung 2 und einer Stufe
der Leistungsverstärkerschaltung 1 erreicht.
In 1 ist Kondensator 27 vom Kollek tor von
Transistor 23 in Treiberstufe 3 aus mit der gemeinsamen
Basisverbindung der Transistoren 15 und 16 in
der Biasschaltung 2 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform
ist der Kondensator 27 mit einer Seite mit der Basis von
Verstärkertransistor 11 statt
mit dem Kollektor von Transistor 23 verbunden, wie in 2 gezeigt.
Jedoch bleibt die Funktion von Kondensator 27, wie weiter
unten noch detaillierter beschrieben wird, dieselbe, und da 2 ansonsten
dieselbe wie 1 ist, wie oben beschrieben, wird 2 hier
nicht detaillierter beschrieben.
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Der
Zweck des Kondensators 27 ist es, ein HF-Signal von einem
Punkt in der Verstärkerschaltung
(entweder dem Kollektor von Transistor 23 oder der Basis
von Transistor 11) zu erfassen und dieses HF-Signal mit
dem Stromspiegel zu koppeln, der die Transistoren 15 und 16 in
der Biasschaltung 2 umfasst, die typischerweise als Klasse
AB vorgespannt ist. Die vorspannende Schaltung steuert den Stromfluss
im Verstärkertransistor 11,
und sowie der mittlere Strom in den Spiegeltransistoren zunimmt,
nimmt auch der mittlere Strom im Verstärkertransistor 11 über den
hinaus zu, der durch den HF-Signaleingang in die Schaltung bedingt
ist. Somit ist dynamisches Biasboosten bereitgestellt, da der mittlere
Strom im Verstärkertransistor 11 nicht
nur aufgrund des HF-Signaleingangs ansteigt, sondern auch aufgrund
zusätzlichen
Stroms, der durch die Biasschaltung 2 aufgrund deren Wechselstromkopplung
mit der Verstärkerschaltung über Koppelkondensator 27 bereitgestellt
ist.
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Auf
diese Art und Weise ist Biasboosten bereitgestellt, das unabhängig von
der Betriebsart, in der der Verstärkertransistor betrieben wird,
proportional zum HF-Eingangssignal
ist. Ein Vorteil dieses Biasschemas ist, dass es gestattet, dass
der HF-Verstärker mit
einem niedrigeren Ruhestrom vorgespannt wird, ohne ihn bei höheren Ausgangsleistungspegeln
in die Sättigung
zu treiben. Ein anderer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass sie
unter Verwendung von lediglich npn-Transistoren implementiert werden
kann und daher in Technologien verwendet werden kann, bei denen
pnp-Transistoren nicht verfügbar
oder schwierig herzustellen sind. Es versteht sich außerdem,
dass, obgleich die Figuren die Verwendung von Bipolartransistoren
zeigen, die Erfindung nicht auf Bipolartransistoren begrenzt ist, sondern
auch in Schaltungen verwendet werden kann, die Feldeffekttransistoren
oder eine Mischung aus Bipolar- und Feldeffekttransistoren einsetzen.
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Wie
aus 1 und 2 zu ersehen, kann die Verbindung
von Koppelkondensator 27 zur Verstärkerschaltung an verschiedenen
Punkten entlang des Hauptsignalpfades des Verstärkers hergestellt werden. Außerdem muss
der Wert des Kondensators 27 derart sein, dass die Lastwirkung
dieses Kondensators auf den HF-Verstärker klein ist, sodass die Kleinsignal-Eigenschaften
des Verstärkers
durch diesen Kondensator nicht verschlechtert werden.
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Bei
Betrieb erfasst Koppelkondensator 27 eine Änderung
im HF-Eingangssignal
und koppelt diese Änderung
zum Transistor 15. Dies veranlasst, dass der mittlere Strom
in Transistor 15 zunimmt (Transistor 15 kann typischerweise
in Klasse AB vorgespannt sein), und dies wiederum erhöht den mittleren
Strom in Transistor 14. Da Transistor 14 den Ruhestrom
in Transistor 11 steuert, nimmt bei einer Zunahme im HF-Eingangssignal der
Strom in Transistor 11 aufgrund eines Eingangs von der
Biasschaltung 2, die mit Widerstand 10 gekoppelt
ist, sowie aufgrund der Zunahme im HF-Signal zu, wodurch ein dynamischer
Biasboost-Zustand erreicht ist.
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Auf
diese Weise stellt die vorliegenden Erfindung eine Leistungsverstärkerschaltung
bereit, die eine kondensatorgekoppelte dynamische Biasboostschaltung
aufweist, die verbesserte maximale Ausgangsleistung und weniger
Verlustleistung bei geringen Leistungspegeln zusammen mit verbesserter Verstärkerlinearität und verringertem
Blindstrom bereitstellt. Darüber
hinaus können
durch Vermeiden einer Gleichstromverbindung von der Verstärkerschaltung
zum Eingang der Biasschaltung und durch Verwenden eines geeigneten
Wertes des Koppelkondensators Lastwirkungen der Biasschaltung minimiert
werden, und Kleinsignal-Eigenschaften des Verstärkers bleiben durch die Biasschaltung
unbeeinflusst.
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Während die
Erfindung besonders unter Bezug auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen
derselben gezeigt und beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann,
dass verschiedene Änderungen
in der Ausbildung und im Detail erfolgen können, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen, wie in den Ansprüchen
definiert. Daher können
beispielsweise ggf. unterschiedliche Typen von Transistoren, Gleichstromvorspannungssschaltungen
und Treiber- und Leistungsausgangsstufen eingesetzt sein, und an
der Schaltungskonfiguration können Änderungen
in Anpassung an bestimmte Konstruktionsanforderungen vorgenommen
werden.
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Legende der
Zeichnungen
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1, 2
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- DRIVER BIAS CIRCUIT : TREIBERBIASSCHALTUNG
- GND : MASSE
- INPUT : EINGANG
- OUTPUT : AUSGANG