DE68917356T2

DE68917356T2 - Breitbandverstärker.

Info

Publication number: DE68917356T2
Application number: DE68917356T
Authority: DE
Inventors: William Eric Main
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2009-04-21
Also published as: EP0339481B1; DE68917356D1; JPH01317006A; US4831337A; EP0339481A3; EP0339481A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verstärker und insbesondere Hochfrequenz-Breitbandverstärker, die geeignet sind, in der Form monolithischer, integrierter Schaltkreise hergestellt zu werden.
Der Stand der Technik ist angefüllt mit HF-Verstärkern. Allgemein sind die meisten HF-Verstärker unter Verwendung einzelner Bauteile hergestellt worden. Viele dieser Verstärker nach dem Stand der Technik verlangen eine große Anzahl von Bauteilen, Transformatoren und sie sind teuer. Ferner verlangen solche HF-Verstärker einen hohen Stromverbrauch, und sie sind nicht zur Verwendung von mit batteriebetriebenen Stromversorgungen geeignet.
Gegenwärtig gibt es eine Nachfrage nach integrierten, linearen Breitbandverstärkern, deren Verstärkung und Phase dauerhaft und voraussehbar sind und die mit einer Batteriespannung betrieben werden können, während sie eine relativ hohe Ausgangsleistung und einen geringen Strombedarf aufweisen.
GB-A-2 086 682 und US-A-3 611 171 beschreiben einen Breitbandverstärker, der geschichtete Stromspiegel verwendet, wobei eine Ansteuerquelle mit dem Eingang eines ersten Stromspiegels verbunden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist es eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verstärker zu schaffen.
Es ist eine andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten HF-Breitbandverstärker zu schaffen, der geeignet ist, in der Form einer integrierten Schaltung hergestellt zu werden.
Eine noch andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine integrierte Verstärkerschaltung zu schaffen, die von einer Batterie betrieben werden kann, während sie eine große Ausgangsleistung und einen niederen Strombedarf aufweist.
Gemäß den vorstehenden und anderen Zielsetzungen wird ein Verstärker geschaffen, der umfaßt wenigstens einen ersten und einen zweiten Stromspiegel, von denen jeder einen Eingang, einen Ausgang und eine gemeinsame Klemme hat, und eine Stromquelle zum Zuführen eines Stromes zu dem Eingang des ersten Stromspiegels; der Eingang und die gemeinsame Klemme des ersten Stromspiegels sind mit den Eingängen des Verstärkers gekoppelt, um ein Differenz-Eingangssignal zu erhalten, während der Ausgang mit der Stromzuführungsleitung gekoppelt ist; der Eingang des zweiten Stromspiegels ist mit der gemeinsamen Klemme des ersten Stromspiegels gekoppelt, der Ausgang des zweiten Stromspiegels ist mit einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt und der gemeinsamen Klemme ist mit einem zweiten Stromzuführungsleiter gekoppelt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Teilblockdiagramm und ein schematisches Diagramm des Verstärkers der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, daß den Verstärker der bevorzugten Ausführungsform darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im einzelnen

Es wird sich nun der Fig. 1 zugewandt, in der ein Breitbandverstärker 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, der geeignet ist, in der Form einer integrierten Schaltung hergestellt zu werden. Der Verstärker 10 ist dargestellt, als daß er eine Vielzahl von Stromspiegeln 18, 20 und 22 umfaßt, von denen jeder einen Eingang (durch den Halbkreis gezeigt), einen Ausgang und eine gemeinsame Klemme hat. Obgleich der Verstärker 10 dargestellt ist, als wenn er n Stromspiegel hätte, wird die Neuartigkeit der vorliegenden Erfindung darin gefunden, daß der erste und der zweite Stromspiegel in der zu beschreibenden Weise geschichtet sind.
Der erste Stromspiegel 18 ist gezeigt, wobei er seinen Eingang und die gemeinsame Klemme mit dem Eingang 12 bzw. 14 verbunden aufweist, an denen ein Differenz-Eingangsstrom Iin empfangen wird. Ferner liefert die Stromquelle 24 einen Gleichstrom Idc an den Eingang des Stromspiegels 18. Der Ausgang des Stromspiegels 18 und 20 (über die Leitungen 30 und 32) sowie die Stromquelle 24 sind mit einem ersten Stromzuführungsleiter verbunden, dem Vcc zugeführt wird. Vcc kann eine Batteriespannung sein. Die gemeinsame Klemme des Stromspiegels 18 ist mit dem Eingang des Stromspiegels 20 gekoppelt, während die gemeinsame Klemme von letzterem mit dem Eingang des Stromspiegels 22 gekoppelt ist. Wie es dargestellt ist, kann eine Vielzahl von Stromspiegeln zwischen der gemeinsamen Klemme des Stromspiegels 20 und dem Eingang des n-ten Stromspiegels 22 geschichtet werden, wobei jeder seine gemeinsame Klemme mit dem Eingang des nächsten nachfolgenden Stromspiegels gekoppelt hat, wie es durch die Stromspiegel 20 und 22 dargestellt ist. Der Stromspiegel 22, der die letzte Stufe der geschichteten Stromspiegelstufen ist, hat seine gemeinsame Klemme mit einem zweiten Stromzuführungsleiter 28 gekoppelt, dem ein Massebezugspotential zugeführt wird. Der Ausgang des Stromspiegels 22 ist mit dem Ausgang 16 des Verstärkers 10 über die Leitung 34 gekoppelt. Jeder Stromspiegel liefert an seinem Ausgang einen Strom, der ein Vielfaches des zugeführten Eingangsstroms ist. Beispielsweise ist der Ausgangsstrom an der Leitung 30 von dem Stromspiegel 18 gleich:
(Idc + Iin) (n1) (1)
worin n1 der Multiplikationsfaktor des Stromspiegels 18 ist, wie man sehen kann.
Somit kann der Eingangsstrom, der dem Eingang des Stromspiegels 20 von der gemeinsamen Klemme des Stromspiegels 18 zugeführt wird, dargestellt werden, als:
Idc(n1+1) + Iin(n1) (2)
In gleicher Weise ist der Ausgang des Stromspiegels 20, der an der Leitung 32 bereitgestellt wird, gleich:
[Idc(n1+1) + Iin](n2) (3)
worin n2 der Multiplikationsfaktor des Stromspiegels 20 ist.
Somit kann gezeigt werden, daß der Ausgangsstrom Io, der an dem Ausgang 16 bereitgestellt wird, gleich ist:
[Idc(n1+1)+Iin(n1)](n2+2) . . . (nn+1+1) (nn) (4)
Grundsätzlich wird dann die Summe des Eingangs- und Ausgangsstroms von jeder vorhergehenden Stromspiegelstufe der Eingangsstrom der nächstfolgenden Stromspiegelstufe. Jede vorhergehende Stromspiegelstufe stellt wirksam eine Stromquelle mit hoher Ausgangsimpedanz für die folgende Stromspiegelstufe dar. Weil der Verstärker 10 differenzmäßig betrieben wird, wie es in Fig. 2 zu sehen ist, erscheint der Eingang des Stromspiegels 18 vielmehr als ein gemeinsamer Emitter statt eines gemeinsamen Kollektoreingangs für die Ansteuerquelle. Dies ergibt eine gute Anpassung zwischen der Eingangsimpedanz des Verstärkers 10 und der Ansteuerquelle zu dem Verstärker. Wie es aus dem vorstehenden Gleichungen offensichtlich ist, werden die geschichteten Stromspiegel 18 . . . 22 verwendet, die Verstärkung des Verstärkers 10 aufzubauen.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein vollständiges Schaltbild des Verstärkers 10 dargestellt ist, in dem seine gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, die in Fig. 1 verwendet worden sind. Es ist offensichtlich für den Durchschnittsfachmann, daß der Verstärker 10 geeignet ist, in der Form einer integrierten Schaltung hergestellt zu werden, wobei herkömmliche, niederenergetische, bipolare, integrierte Schaltungsverfahren verwendet werden. In dem vorliegenden Fall umfaßt der Verstärker 10 drei Stromspiegelstufen (n=3), die in der in Fig. 1 gezeigten Weise geschichtet sind. Es wird erneut auf das Vorstehende Bezug genommen; der Stromspiegel 18 ist von einem als Diode geschalteten Transistor 40 und einem Transistor 42 gebildet, wobei die Verbindung zwischen ihnen auf dem Gebiet der Technik gut bekannt ist. Der Transistor 40 arbeitet als eine Halbleiterdiode, dessen Kollektorelektrode und Basiselektrode mit der Steuer- oder Basiselektrode des Transistors 42 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 40 wirkt als der Eingang des Stromspiegels und ist sowohl mit dem Eingang 12 als auch mit der Stromquelle 24 gekoppelt. Die erste oder Emitterelektrode der Transistoren 40 und 42 ist jeweils mit der gemeinsamen Klemme des Stromspiegels verbunden, während der Kollektor oder die zweite Elektrode des Transistors 42 (der Ausgang des Stromspiegels) durch die Kollektor-Emitter-Leitungsstrecke des Transistors 44 von dem Stromzuführungsleiter 26 getrennt ist, wobei die Basis von letzterem mit einer Klemme gekoppelt ist, an dem ein Vorspannungspotential VB vorgesehen ist. Die Transistoren 46 und 48 arbeiten als der Stromspiegel 20, wobei der Kollektor des Transistors 46 (der Eingang des Stromspiegels) mit der gemeinsamen Klemme des vorhergehenden Stromspiegels gekoppelt ist. Die Basen der Transistoren 46 und 48 sind mit dem Emitter des Transistors 50 und dem Widerstand 62 verbunden. Der Kollektor des Transistors 48 liefert den Ausgang des Stromspiegels und ist von der Zuführung durch die Transistoren 44, 56 und 58 in Cascoden-Schaltung getrennt. Ähnlich trennt der Transistor 50, dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors 56 gekoppelt ist und dessen Basis mit dem Eingang 14 gekoppelt ist den Stromspiegel 20 gegenüber einer Spannungsschwingung, um wirksam den Frequenzgang des Transistors 48 zu verbessern. Der dritte Stromspiegel ist als ein Transistors 52, der als Diode geschaltet ist, und ein Transistor 54 dargestellt, die miteinander im wesentlichen in der gleichen Weise verbunden sind, wie es unter Bezugnahme auf den ersten Stromspiegel 18 vorhergehend beschrieben worden ist. Wiederum wird der Ausgang des Stromspiegels (der Kollektor des Transistors 54 gegenüber dem Ausgang 16 des Verstärkers 10 durch den Transistor 60 in Cascode-Schaltung abgetrennt, der durch ein geeignetes Signal ein- oder ausgeschaltet werden kann, das an die Klemme 64 angelegt wird. Obgleich der Verstärker 10 oben beschrieben worden ist, als daß der Ausgang 16 mit dem Kollektor des Transistors 54 des Stromspiegels 22 gekoppelt ist, erkennt man, daß ein Ausgang des Verstärkers 10 an der gemeinsamen Klemme des vorgenannten Stromspiegels abgenommen werden kann, statt daß letzterer mit dem Leiter 28 gekoppelt ist.
Daher ist das, was gezeigt und beschrieben worden ist, ein neuartiger Verstärker, der geschichtete Stromspiegel zum Verstärken eines differenzangelegten Eingangsstroms verwendet. Die Summe aus dem Eingangs- und Ausgangsströmen von jedem vorhergehenden, geschichteten Stromspiegel liefert die Eingangsstromquelle zu dem Eingang des nächsten nachfolgenden, geschichteten Stromspiegels.

Claims

1. Ein Verstärker (10), der auf ein Differenz-Eingangssignal reagiert, das an einen ersten (12) und einen zweiten Eingang (14) angelegt wird, um ein Ausgangssignal an einem Ausgang bereitzustellen, und der eine Vielzahl von geschichteten Stromspiegeln (18, 20 . . . 22), von denen jeder einen Eingang, einen Ausgang und eine gemeinsame Klemme hat, wobei die gemeinsame Klemme von jedem vorhergehenden Stromspiegel mit dem Eingang des nächsten nachfolgenden Stromspiegels gekoppelt ist und der Ausgang des letzten Stromspiegels mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und eine Gleichstromquelle Idc enthält, die einen Strom an den Eingang des ersten Stromspiegels liefert; gekennzeichnet durch eine Leitungseinrichtung zum Koppeln des Eingangs und des gemeinsamen Anschlusses des ersten der Stromspiegel mit dem genannten ersten (12) bzw. dem zweiten Eingang (14) des Verstärkers und eine Trennstufe (60), die zwischen dem Ausgang des letzten der Stromspiegel und dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist.

2. Der Verstärker des Anspruches 1, in dem die genannte Vielzahl von Stromspiegeln den genannten ersten (18), den genannten letzten (22) und einen zweiten (20) Stromspiegel enthält, wobei der genannte Eingang des genannten zweiten Stromspiegels (20) mit der genannten gemeinsamen Klemme des genannten ersten Stromspiegels (18) gekoppelt ist und die genannte gemeinsame Klemme des genannten zweiten Stromspiegels (20) mit dem genannten Eingang des genannten letzten Stromspiegels (22) gekoppelt ist, wobei der genannte Ausgang des genannten ersten und des zweiten Stromspiegels mit einem ersten Stromzuführungsleiter gekoppelt sind.

3. Der Verstärker des Anspruches 1 oder des Anspruches 2, in dem der genannte erste Stromspiegel (18) enthält:

eine erste Halbleiterdiode (40), die zwischen dem genannten Eingang und der genannten gemeinsamen Klemme gekoppelt ist; und

einen ersten Transistor (42), der eine erste, eine zweite und eine Steuerelektrode hat, wobei die genannte erste Elektrode mit der genannten gemeinsamen Klemme gekoppelt ist, die genannte zweite Elektrode mit dem genannten Ausgang gekoppelt ist und die genannte Steuerelektrode mit dem genannten Eingang gekoppelt ist.

4. Der Verstärker des Anspruchs 2, in dem der genannte zweite Stromspiegel (20) enthält:

einen ersten Transistor (46), der eine erste, eine zweite und eine Steuerelektrode hat, wobei die genannte zweite Elektrode mit dessen genanntem Eingang gekoppelt ist;

eine Schaltung (50) zum Koppeln der genannten zweiten Elektrode des genannten ersten Transistors (46) mit seiner genannten Steuerelektrode; und

einen zweiten Transistor (48), der eine erste, eine zweite und eine Steuerelektrode hat, wobei die genannten ersten Elektroden des genannten ersten und zweiten Transistors mit der genannten gemeinsamen Klemme davon gekoppelt sind, die genannte Steuerelektrode mit der genannten Steuerelektrode des genannten ersten Transistors gekoppelt ist und die genannte zweite Elektrode mit dem genannten Ausgang davon gekoppelt ist.

5. Der Verstärker des Anspruchs 1, 2, 3 oder 4, in dem der genannte letzte Stromspiegel (22) enthält:

eine zweite Halbleiterdiode (52), die zwischen den genannten Eingang und der genannten gemeinsamen Klemme gekoppelt ist; und

einen vierten Transistor (54), der eine erste, eine zweite und eine Steuerelektrode hat, wobei die genannte erste Elektrode mit der genannten gemeinsamen Klemme gekoppelt ist, der genannte zweite Klemme mit dem genannten Ausgang gekoppelt ist und die genannte Steuerelektrode mit dem genannten Eingang gekoppelt ist.