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Die
Erfindung betrifft das Gebiet von Transistor-Verstärkerstromkreisen,
und sie betrifft im Besonderen einen Leistungsverstärkerstromkreis,
der einen erweiterten Wilson-Stromspiegel-Gittervorspannungszusatzstromkreis
aufweist.
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Verstärker dieser
allgemeinen Art werden oft in Hochfrequenz-RF-Verstärkern eingesetzt,
wie zum Beispiel für
Telekommunikationsanwendungen sowie in Tonfrequenzverstärkern und
bei anderen Anwendungen. Um eine lineare Eingangs-Ausgangs-Beziehung
und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, werden diese Verstärker typischerweise
mit einem Durchlasswinkel von zirka 180° (Klasse B) oder einem leicht
größeren Durchlasswinkel
(Klasse AB) betrieben, um eine Überschneidungsverzerrung
zu vermeiden.
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Typischerweise
benötigen
Verstärker
dieser Art einen Gleichstrom-Vorspannungsstromkreis,
um den Ruhe-Vorspannungsstrom im Verstärkerstromkreis herzustellen,
um den Betrieb im Klasse B- oder Klasse AB-Modus zu gewährleisten.
Beim Stand der Technik wird die Vorspannung typischerweise durch eine
feste Stromquelle bereitgestellt, wie im US Patent Nr. 5,844,443
gezeigt wird, oder ansonsten durch eine externe Versorgung, die
auf einen gewünschten
konstanten Wert eingestellt werden kann, um den Ruhestrom zu gewährleisten,
der für
den Betrieb im gewünschten
Modus erforderlich ist, wie im US Patent Nr. 5,548,248 gezeigt wird.
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Bei
Verstärkern
der oben beschriebenen Art hängt
jedoch der mittlere Strom, der aus der Versorgung entnommen wird,
vom Eingangssignalpegel ab. In dem Maße, wie sich die Ausgangsleistung
erhöht, erhöht sich
der mittlere Strom sowohl in der Emissionselektrode als auch in
der Basis des Leistungstransistors. Dieser verstärkte mittlere Strom bewirkt
einen verstärkten
Spannungsabfall in der Vorspannungsschaltungsanordnung und in den
Vorschaltwiderständen
(die eingesetzt werden, um die Ausbildung von Heißpunkten
und thermische Instabilität
bei Transistoren zu vermeiden, die eine ineinander greifende Ausführung haben).
Dies wiederum verringert den Durchlasswinkel (das heißt die Anzahl
von Graden aus 360°,
welche der Verstärker
leitet) und zwingt den Verstärker
tief in den Klasse B- oder selbst Klasse C-Betrieb hinein, somit
die maximale Leistungsabgabe verringernd. Um diese Leistungsverringerung zu
vermeiden, muss der Verstärker
eine größere Ruhe-Vorspannung haben.
Bei Schaltungsanordnungen des Standes der Technik führt dies
unweigerlich zu einer höheren
Verlustleistung bei niedrigen Leistungsabgabepegeln und deshalb
zu einem unerwünschten
Tradeoff bei Betriebsmerkmalen.
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Eine
kürzliche
Weiterentwicklung auf diesem Fachgebiet wird im gemeinsam übertragenen
US Patent Nr. 6,300,837 mit der Bezeichnung Dynamischer Vorspannungszusatzstromkreis
für einen
Leistungsverstärker
offen gelegt. Dieses Patent legt eine Lösung für das oben erörterte Problem
offen, welche die Bereitstellung des Leistungsverstärkerstromkreises
mit einem dynamischen Vorspannungszusatzstromkreis mit sich bringt,
um die Vorspannung des Leistungstransistors dynamisch zu erhöhen, wenn sich
die Ausgangsleistung erhöht,
indem ein Stromkreis genutzt wird, der die Eingangsspannung zum Verstärker erfasst
und eine dynamische Vorspannungszusatzspannung als eine Funktion
der Amplitude dieses Signals erzeugt. Der Nachteil dieser Lösung ist,
dass sie zahlreiche aktive und passive Komponenten einsetzt und
damit nicht die Einfachheit, Kompaktheit und Wirtschaftlichkeit
der Herstellung maximiert.
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Eine
weitere unlängst
vorgenommene Weiterentwicklung auf diesem Gebiet wird in der gleichzeitig
anhängigen
und gemeinsam übertragenen
gewährten
U.S. Patentanmeldung Laufende Nr. 09/730,657 mit der Bezeichnung
Selbstverstärkender
Stromkreis für
einen Leistungsverstärker,
eingereicht am 6. Dezember 2000, offen gelegt. Diese Anmeldung stellt
einen weiterentwickelten Gittervorspannungszusatzstromkreis dar,
der ein RC-Koppelnetzwerk
zwischen dem Gleichstrom-Vorspannungsstromkreis und dem Verstärkertransistor
aufweist, während
er einen gattungsbildenden Gleichstrom-Vorspannungsstromkreis einsetzt. Ein ähnliches
RC-Koppelnetzwerk in Verbindung mit einem Kaskoden-Stromspiegel-Vorspannungszusatzstromkreis
wird im gemeinsam übertragenen
U.S. Patent Nr. 6, 414,553 offen gelegt.
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Ein
Schema für
das unabhängige
Steuern des Ruhestroms und der Vorspannungsimpedanz wird im gemeinsam übertragenen
U.S. Patent Nr. 6,358,516 – Hochfrequenz-Verstärkerstromkreis
mit Unabhängiger
Steuerung von Ruhestrom und Vorspannungsimpedanz – offen
gelegt. Obwohl dieses Schema in der Lage ist, eine hohe Mehrleistungseffektivität unter
Wahrung der Linearität
zu erzielen, nutzt es einen ziemlich komplexen Stromkreis und trägt einen
wesentlichen Lärmpegel
zur Ausgangsstufe bei. Das
US
6,486,739 offenbart einen Verstärker mit Gittervorspannungszusatzverstärkung, der ein
angereichertes Wilson-Stromspiegel-Vorspannungsschema einsetzt.
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Dementsprechend
wäre es
wünschenswert, einen
Leistungsverstärkerstromkreis
zu haben, der die Vorteile der optimalen maximalen Ausgangsleistung
und Verstärkung
bietet, während
er den Blindstrom der Verstärkerstufe
relativ niedrig hält.
Zusätzlich
sollte der Stromkreis in der Lage sein, den Umfang der Gittervorspannungsverstärkung so
festzusetzen, dass der Leistungstransistor ordnungsgemäß für eine hohe
Leistungsabgabe und Linearität vorgespannt
werden kann, wenn die Leistungsabgabe sich erhöht, ohne Einsatz eines Verstärkungskondensators,
während
der Ruhestrom im Leistungstransistor gesteuert wird. Schließlich wäre es wünschenswert,
dass ein solcher Stromkreis eine einfache und kompakte Gestaltung
aufweist und rentabel in der Herstellung ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstärkerstromkreis
bereitzustellen, der für
eine verbesserte maximale Ausgangsleistung und Verstärkung sorgt,
während
er den Blindstrom der Verstärkungsstufe
relativ niedrig hält.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines
Stromkreises, der in der Lage ist, den Umfang der Gittervorspannungsverstärkung so
festzusetzen, dass der Verstärkertransistor
ordnungsgemäß für eine hohe
Leistungsabgabe und Linearität
vorgespannt werden kann, wenn die Leistungsabgabe sich erhöht, während der
Ruhestrom im Verstärkertransistor
gesteuert wird. Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die
Bereitstellung eines Stromkreises, der sowohl eine einfache als
auch kompakte Gestaltung aufweist und rentabel in der Herstellung
ist.
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Gemäß der Erfindung
werden diese Aufgaben gelöst
durch einen neuen Verstärkerstromkreis für die Verstärkung eines
Eingangssignals und mit einem Durchlasswinkel von zumindest zirka
180°, wobei
der Verstärkerstromkreis
einen Verstärkertransistor
und einen Gleichstrom-Vorspannungsstromkreis für das Vorspannen des Verstärkertransistors
aufweist, um den gewünschten
Durchlasswinkel zu erzielen. Der Gleichstrom-Vorspannungsstromkreis schließt einen
Gittervorspannungszusatzstromkreis ein, der einen Wilson-Stromspiegel,
integriert mit einem Kaskoden-Stromspiegelstromkreis, aufweist, um
einen erweiterten Wilson-Stromspiegelstromkreis auszubilden, mit
einem Ausgang, der an ein Steuerterminal des Verstärkertransistors
durch einen Widerstand gekoppelt ist, und mit einem Kondensator, der
vom Kaskoden-Stromspiegelstromkreis an einen gemeinsamen Terminal
gekoppelt ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schließt
der Kaskoden-Stromspiegelstromkreis
ein erstes Paar Transistoren ein, die in Reihe geschaltete Hauptstrompfade
aufweisen, wobei die Ausgangsleistung des Stromspiegelstromkreises
aus einem gemeinsamen Punkt dieser Reihenschaltung genommen wird,
und ein zweites Paar Transistoren mit in Reihe geschalteten Hauptstrompfaden,
mit einer Vorspannungsstromquelle, gekoppelt von einem Stromversorgungsterminal
des Verstärkers
an den erweiterten Wilson-Stromspiegel.
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Ein
Verstärkerstromkreis
gemäß der vorliegenden
Erfindung bietet eine erhebliche Weiterentwicklung dergestalt, dass
eine besonders vorteilhafte Kombination von Merkmalen, einschließlich einer
höheren
maximalen Ausgangsleistung und Verstärkung, eines auswählbaren
Gittervorspannungszusatzpegels, steuerbaren Ruhestroms und verringertem
Blindstrom, in einer einfachen, kompakten und rentablen Konfiguration
erzielt werden kann.
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Diese
und andere Ausführungsformen
der Erfindung werden offensichtlich werden und erläutert werden
unter Bezugnahme auf die hiernach beschriebenen Ausführungsformen.
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Die
Erfindung kann umfassender unter Bezugnahme auf die nachfolgende
Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung
zu lesen ist, wobei die einzelne Abbildung ein vereinfachtes schematisches
Diagramm eines Leistungsverstärkerstromkreises
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Ein
vereinfachtes schematisches Diagramm des Verstärkerstromkreises 1 wird
in der einzelnen Abbildung der Zeichnung gezeigt. Der Verstärkerstromkreis
schließt
einen Verstärkertransistor
Q∅ und einen Gleichstrom-Vorspannungsstromkreis 2 ein,
der durch einen Widerstand R1 an die Basis des Verstärkertransistors
Q∅ gekoppelt ist. Der Vorspannungsstromkreis 2 schließt bipolare
Transistoren Q2 und Q3 ein, in Reihe gekoppelt zwischen Vcc und einem gemeinsamen Terminal (Gnd),
wobei der gemeinsame Punkt der Transistoren an die Basis des Transistors
Q∅ durch den Widerstand R1 gekoppelt ist. Die grundlegende
Stromkreiskonfiguration wird vervollständigt durch einen Eingangskopplungskondensator
C0 für
das Koppeln eines Eingangs an die Basis des Verstärkertransistors
Q∅, wobei der Transistor Q∅ in einer gemeinsamen
Emitterkonfiguration angeschlossen ist und durch einen Induktor
L1 zwischen Vcc und Gnd gekoppelt ist. Die
Ausgangsleistung des Leistungsverstärkerstromkreises 1 wird über einen
Kondensator C1 aus dem Kollektor des Transistors Q∅ entnommen.
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Im
Zusammenhang mit dem gezeigten Stromkreis sollte davon ausgegangen
werden, dass, obwohl die aktiven Komponenten für Veranschaulichungszwecke
als bipolare Transistoren gezeigt werden, Feldeffekttransistoren
oder eine Kombination aus bipolaren und Feldeffekttransistoren alternativ
innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung verwendet werden können. Zusätzlich ist
davon auszugehen, dass der Leistungsverstärkerstromkreis 1 und
der Vorspannungsstromkreis 2 in Form und Detail von den
in der Zeichnung gezeigten vereinfachten veranschaulichenden Darstellungen
abweichen können. Des
Weiteren ist davon auszugehen, dass die Vorspannungszuführung so
ausgeführt
und angepasst werden kann, dass es dem Verstärkerstromkreis ermöglicht wird,
entweder im Klasse B-Modus oder im Klasse AB-Modus zu arbeiten.
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Der
Vorspannungsstromkreis 2 umfasst einen Wilson-Stromspiegel,
einschließlich
der Transistoren Q4, Q5 und Q6, die Stromquelle Ibias und den Widerstand
R2, integriert mit einem Kaskoden-Stromspiegel, welcher die Transistoren
Q2 und Q3 einschließt,
und den Kondensator C2, der ein Überbrückungskondensator
ist. Die Transistoren Q2 bis Q6 bilden einen erweiterten Wilson-Stromspiegel aus.
Der Kollektorknoten von Q∅ ist der Ausgangsknoten, und
er ist über
einen äußeren Lastinduktor
L1 an eine Versorgungsspannung angeschlossen. Eine Eingabe wird
der Basis von Q∅ über
einen Wechselstromkopplungskondensator C∅ zugeführt, der
Teil eines Anpassungsstromkreises für eine Ansteuerungsstufe sein
kann.
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Die
Stromquelle Ibias im Vorspannungsstromkreis steuert sowohl den Ausgangsansteuerungsstrom
der Vorspannungsstufe als auch den Ruhestrom des Verstärkertransistors.
Die Wirkungsweise, mit der Ibias den Ausgangsansteuerungsstrom steuert,
ist richtungsbetrieben, da der Vorspannungsstromkreis ein Kaskoden-Stromspiegelstromkreis
ist. Die Wirkungsweise für
die Steuerung des Ruhestroms von Q∅ kann wie folgt erläutert werden.
Man gehe davon aus, dass alle Transistoren in den Stromkreisen identisch
sind und perfekt zueinander passen. Das Kirchhoffsche Gesetz bestimmt,
dass die Gleichstromspannung Vbe(Q∅) + V(R1) + Vbe(Q3) gleich
Vbe(Q2) + V(R2) + Vbe(Q6) sein muss. Da Vbe(Q3) in etwa gleich Vbe(Q2)
ist, ist Vbe(Q∅) daher in etwa gleich Vbe(Q6), wenn V(R1)
gleich V(R2) eingestellt wird, indem die Widerstandswerte ordnungsgemäß gewählt werden.
Daher bestimmt Ibias den Ruhestrom bei Q∅ sowie den Ansteuerungsstrom
bei Q2 und bei Q3.
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Durch
das ordnungsgemäße Skalieren
der Emitterflächen-Verhältnisse
zwischen Transistorpaaren können
der Ruhestrom bei Q∅ und der Ansteuerungsstrom bei Q2 und
bei Q3 direkt proportional zum Wert von Ibias gemacht werden. Bei
dem hier angegebenen Bei spiel kann das Verhältnis von 64 zu 1 (Q∅ zu
Q6) und von 8 zu 1 (Q2 und Q4 zu Q5 und Q3 zu Q6) genutzt werden.
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Die
Wirkungsweise der Gittervorspannungsverstärkung des Vorspannungsstromkreises,
die in der Abbildung gezeigt wird, kann wie folgt erläutert werden.
Q3 lädt
Q∅, und Q2 entlädt
Q∅ über
den Widerstand R1. Die Entladegeschwindigkeit von Q2 ist viel schneller
als die oder gleich der Ladegeschwindigkeit von Q3, wenn die Eingangsleistung
niedrig ist. Wenn sich die Eingangsleistung erhöht, wird die Entladegeschwindigkeit
von Q2 langsamer als die Ladegeschwindigkeit von Q3. Daher erhöht sich
die mittlere Spannung über
die in Vorwärtsrichtung
vorgespannte PN-Verbindungsstelle von Q∅.
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In
der vorstehenden Weise stellt die vorliegende Erfindung einen Verstärkerstromkreis
mit einem Gittervorspannungszusatzstromkreis bereit, der für eine verbesserte
maximale Ausgangsleistung und Verstärkung sorgt, während der
Blindstrom der Verstärkerstufe
relativ niedrig gehalten wird. Darüber hinaus kann der Verstärkerstromkreis
den Umfang der Gittervorspannungsverstärkung dergestalt einstellen,
dass der Verstärkertransistor
ordnungsgemäß für eine hohe
Leistungsabgabe und Linearität
vorgespannt werden kann, wenn sich die die Leistungsabgabe erhöht, während der
Blindstrom im Verstärkertransistor
gesteuert wird. Der Stromkreis ist sowohl einfach als auch kompakt
in seiner Ausführung
und kann rentabel hergestellt werden.
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Die
Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
derselben im Besonderen gezeigt und beschrieben worden, jedoch wird
es für
die Fachleute selbstverständlich sein,
dass verschiedene Änderungen
bei Form und Detail, von denen einige oben nahe gelegt wurden, vorgenommen
werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzugehen. So können zum
Beispiel verschiedene Arten von Transistoren eingesetzt werden,
und Änderungen
der Stromkreiskonfiguration können
vorgenommen werden, um besonderen Ausführungsanforderungen zu entsprechen.