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Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung mit einem
Verstärker mit variabler Verstärkung, die einen von einem ersten Signal mit einer ersten
Frequenz gesteuerten und als Stromwender geschalteten ersten Transistor mit einer Last
und außerdem einen Zweig umfaßt, der aus einer Kapazität gebildet wird, die in Reihe
mit einem als variablen Widerstand geschalteten Transistor geschaltet ist und deren
Impedanz von einem zweiten Signal mit einer zweiten Frequenz moduliert wird.
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Die Erfindung kann angewendet werden bei bei der Verwirklichung von
drahtiosen Telefonen, Fahrzeugempfängern oder allen anderen Empfängern, die
kompensierte Schaltungen mit geringem Stromverbrauch und geringen
Herstellungskosten für Massenanwendungen erfordern. Die Erfindung kann auch bei der
Verwirklichung jedes Empfängers angewendet werden, der einen Frequenzumsetzer (engl.
down convertor) benötigt, im folgenden auch als Mischer bezeichnet.
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Ein solcher Mischer ist bereits aus der Patentanmeldung EP 0 223 287
bekannt. Die bekannte Schaltung umfaßt einen ersten Feldeffekttransistor, dessen Source
mit Masse und dessen Drain mit einer aktiven Last verbunden ist. Diese Elemente
bilden eine Wenderstufe, die von einer über eine aktive Last zugeführte Gleichspannung
gespeist wird. Der erste Transistor empfängt an seinem Gate ein erstes Signal mit einer
Funkfrequenz FR.
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Diese Schaltung umfaßt außerdem einen Zweig, der aus einem zweiten
Feldeffekttransistor gebildet wird, der als variabler Widerstand in Reihe mit einer
Kapazität geschaltet ist. Dieser Zweig ist zwischen Masse und den Drain des ersten
Transistors geschaltet. Der zweite als variabler Widerstand geschaltete Transistor wird
durch ein zweites Signal mit einer zweiten Frequenz OL gesteuert, das aus einem
lokalen Oszillator stammt. Das Ergebnis der Mischung mit der Zwischenfrequenz steht
am Drain des ersten Transistors zur Verfügung.
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Die Funktionsweise dieser Schaltung beruht auf der Modulation der
aktiven Last des ersten Transistors. Die Mischung ist also zurückzuführen auf die
Veränderung der Verstärkung des ersten als linearer Verstärker geschalteten Transistors
durch die Veränderung des Widerstandes, den der mit VDS = 0 polarisierte
Feldeffekttransistor darstellt und der in dem Zweig in Reihe mit einer Gleichstromsperrkapazität
zwischen Masse und dem Drain des ersten Wendertransistors angebracht ist.
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Die bekannte Schaltung hat mehrere Nachteile. Zunächst ist die Isolation
des Signals RF bezüglich des Signais OL nicht optimal. Die Isolation des Signais OL
bezüglich des Ausgangssignals IF ist ebenfalls nicht optimal.
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Des weiteren ist die Umsetzungsverstärkung der Schaltung gering, da nur
eine Verstärkerstufe verwendet wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung zu
verschaffen, deren Umsetzungsverstärkung verbessert ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zu verschaffen,
die eine gute Isolation zwischen den verschiedenen Signalen aufweist.
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Diese Verbesserung dürfen jedoch nicht auf Kosten des Stromverbrauchs
der Schaltung gehen. Bei der beabsichtigten Anwendung in portablen Empfängern soll
der Stromverbrauch ja so niedrig wie möglich sein.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Schaltung zu
verschaffen, die die obengenannten Aufgaben löst, ohne daß dadurch der
Stromverbrauch im Vergleich zur bekannten Schaltung steigt.
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Diese Aufgaben werden mittels einer Schaltung der eingangs genannten
Art gelöst, die außerdem dadurch gekennzeichnet ist, daß der Verstärker mit variabler
Verstärkung einen als Stromwender geschalteten und in Reihe mit dem ersten Transistor
und seiner Last zwischen dieser Last und einer Gleichstromquelle angebrachten zweiten
Transistor mit einer Last umfaßt, damit die beiden Stromwendertransistoren sich den
gleichen Strom teilen, wobei der zweite Stromwender durch das Ausgangssignal des
ersten Stromwenders gesteuert wird, und daß die vom zweiten Siganl modulierte
Impedanz dem gemeinsamen Punkt zwischen der Last des ersten Stromwendertransistors
und des zweiten Stromwendertransistors zugeführt wird, um die Verstärkung des
letztgenannten zu modulieren.
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Aufgrund der Tatsache, daß sich die beiden Stromwenderverstärkerstufen
den gleichen Strom teilen, ist der Stromverbrauch sehr niedrig. Und da der Verstärker
mit variabler Verstärkung zwei Stufen hat, ist die Umsetzungsverstärkung größer als bei
der bekannten Schaltung.
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Bei einer Ausführungsform ist die Schaltung dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Frequenz gegenüber der ersten Frequenz sehr niedrig ist und daß die
Schaltung einen Verstärker mit variabler Verstärkung darstellt, der durch das zweite
Signal gesteuert wird, das dem als variablen Widerstand geschalteten Transistor
zugeführt wird, wobei das Ausgangssignal dieses Verstärkers am Ausgang des zweiten
Stromwenders zur Verfügugung steht.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist diese Schaltung dadurch gekenn
zeichnet, daß die zweite Frequenz die eines Signals ist, das aus einem lokalen Oszillator
OL stammt, und die erste Frequenz die eines Signais mit der Funkfrequenz RF ist, und
daß die Schaltung einen Frequenzumsetzer darstellt, der ein Signal mit der
Zwischenfrequenz IF am Ausgang des zweiten Stromwenders liefert.
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Daher ist das erste Signal, das dem Steueranschluß des ersten
Stromwendertransistors zugeführt wird, aufgrund der Last des ersten Stromwenders gut von dem
zweiten Signal isoliert, das dem Steueranschluß des ersten als variabler Widerstand
geschalteten Transistors zugeführt wird.
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Die Isolation des Signals, das der Steuerung des ersten als variablen
Widerstand geschalteten Transistors zugeführt wird, gegenüber dem Ausgangssignal ist
mit Hilfe des zweiten Stromwendertransistors genausogut verwirklicht.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
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- Figur 1 eine als Frequenzumsetzer aufgebaute Verstärkerschaltung mit variabler
Verstärkung und
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- Figur 2 eine solche Schaltung versehen mit einer Gate-Polarisierungsschaltung
für die Transistoren.
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In Figur 1 umfaßt die integrierte Schaltung einen Verstärker mit variabler
Verstärkung mit einem ersten als Stromwender geschalteten Transistor T&sub1;. Dazu ist der
Drain des Transistors T&sub1; mit einer Last R&sub1; verbunden, beispielweise über einen
Widerstand. Die Source des ersten Transistors T&sub1; ist mit Masse verbunden, und sein
Gate oder Steueranschluß emptängt ein erstes Signal RF mit einer ersten Frequenz. Der
Verstärker mit variabler Verstärkung hat einen zweiten als Stromwender geschalteten
Transistor T&sub2;.
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Um die Verstärkung des Verstärkers zu erhöhen, teilt sich die zweite
Stromwenderverstärkerstufe mit der ersten Stromwendervestärkerstufe den gleichen
Strom. Dazu ist die Source des zweiten Transistors T&sub2; mit einem Ende der Last R&sub1; des
ersten Transistors T&sub1; gegenüber von diesem verbunden, und der Drain des zweiten
Transistors T&sub2; ist mit einer Gleichstromquelle +VDD über eine Last L verbunden. So
befinden sich die vier aufeinanderfolgenden Elemente, der Transistor T&sub1;, die Last R&sub1;,
der Transistor T&sub2; und die Last L in Reihe zwischen der Masse und der
Gleichstromquelle +VDD und teilen sich den gleichen Strom.
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Das Ausgangssignal der ersten Stromwenderverstärkerstufe, verfügbar am
Drain des ersten Transistors T&sub1;, wird durch eine Gleichstromsperrkapazität C&sub1; zum
Gate oder der Steuerungselektrode des zweiten Transistors T&sub2; der zweiten
Stromwenderverstärkungsstufe weitergeleitet.
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Das Ausgangssignal steht am Drain des zweiten Transistors T&sub2; zur
Verfügung.
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Die Schaltung umfaßt außerdem einen Zweig, der aus einem als variablen
Widerstand geschalteten Transistor T&sub3; und einer Kapazität C&sub2; besteht, die eine geringe
Impedanz aufweist und gleichzeitig als Gleichstromsperrkapazität fungiert.
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Die Elemente dieses Zweigs sind in Reihe zwischen Masse und die Source
des zweiten Transistors T&sub2; der zweiten Stromwenderstufe geschaltet.
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Der als variabler Widerstand geschaltete Transistor T&sub2; liegt mit einem
Anschluß an Masse und ist mit dem anderen Anschluß mit der Kapazität C&sub2; verbunden,
die selbst mit ihrem anderen Anschluß mit der Source des zweiten
Stromwendertransistors T&sub2; verbunden ist. Bei Gleichspannung ist die Drain-Source-Spannung des
Transistors T&sub3; null, also VDS = 0.
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Bei einem weiter oben beschriebenen Verwendungsbeispiel der Schaltung
aus Figur 1 ist die dem Gate von Transistor T&sub3; zugeführte Spannung kontinuierlich oder
langsam variabel. Dann wird ein Verstärker mit veränderbarer Verstärkung
verwirklicht.
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Bei einem zweiten Verwendungsbeispiel wird dem Gate von T&sub3; ein aus
einem lokalen Oszillator kommendes Signal OL mit einer zweiten Frequenz zugeführt.
So wird dann ein Mischer oder Frequenzumsetzer verwirklicht. Das Ergebnis der
Mischung mit der Zwischenfrequenz
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IF = RF - OL
steht am Ausgang des Drains des zweiten Stromwenderverstärkertransistors T&sub2; zur
Verfügung.
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Je nach der am Gate des Transistors T&sub3; anliegenden Spannung, ist die
Impedanz des Zweiges mit T&sub3; und C&sub2; in Reihe entweder niedrig oder hoch. Dies führt
dazu, daß die Verstärkung des zweiten Transistors T&sub2; hoch beziehungsweise niedrig ist.
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Wenn die durch die Reihenschaltung von T&sub3; und C&sub2; gebildete Impedanz
niedrig ist, dann entspricht die Verstärkung 6 der Schaltung derjenigen der zwei
kaskadierten Stromwenderverstarkerstufen, die dann in Source-Schaltung über C&sub2; und
T&sub3; an Masse liegen. Unter Vernachlässigung der Kapazitäten der Transistoren T&sub1; und
T&sub2; kann die Verstärkung 6 durch die Beziehung (1) wiedergegeben werden:
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G = [-gm-1R1/(1+gd1R1)] x [gm2ZL/(1+gd2ZL] (1)
wobei gm1 und gd1 die Transkonduktanz bzw. Ausgangskonduktanz von T&sub1; sind,
gm2 und gd2 die Transkonduktanz und die Konduktanz von T&sub2; sind,
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R&sub1; die Impedanz der Last R&sub1; ist und
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ZL die Impedanz der Last L ist.
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Wenn die durch die Reihenschaltung von C&sub2; und T&sub3; gebildete Impedanz
hoch ist, dann ist die Verstärkung G' unter den gleichen Berechnungsbedingungen durch
die Beziehung (2) gegeben.
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G' = [-gm1/(gd1 + gd2/K] x [gd2ZL/K)] (2)
mit
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K = 1 + (gm2+gd2)R&sub1; + gd2ZL
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Wenn die am Gate von T&sub3; anliegende Spannung kontinuierlich oder
langsam variabel ist, kann man die Verstärkung des Verstärkers zwischen den Werten G
und G' regeln; daher die Verwendung als Verstärker mit variabler Verstärkung.
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Wenn das dem Gitter von T&sub3; zugeführte Steuersignal wechselnd ist,
verwirklicht man einen Mischer, der die folgenden Vorteile aufweist:
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A) Die Umsetzungsverstärkung ist hoch, vor allein weil die maximale
Verstärkung 6 der Schaltung als Verstärker mit einem Wert größer oder gleich
20 dB hoch ist und weil die Veränderungsdynamik der Verstärkung unter der
Einwirkung der T&sub3; zugeführten Steuerspannung in der Größenordnung von 25
dB höher ist. Diese Verstärkung ist sehr viel höher als bei der bekannten
Schaltung.
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Bei der weiter oben beschriebenen Schaltung aus Figur 1 wird nämlich die
Verstärkung des Transistors T&sub2; moduliert und nicht eine Last, wie dies bei der
5 Schaltung aus der als Stand der Technik angeführten Patentanmeldung
EP 0 223 287 der Fall ist. Dies geht aus der Untersuchung der beiden
Beziehungen G und G' hervor. Diese Beziehungen zeigen, daß die Verstärkung durch
die Mitwirkung zweier Terme erreicht wird, die die Verstärkung der ersten
bzw. zweiten Stromwenderstufe repräsentieren. In dem Fall, wo die Impedanz
des Zweiges gering ist, haben die beiden Terme einen solchen
Funktionsausdruck, daß 6 (1) die Verstärkung der beiden Stromwender ist. In dem Fall, wo
die Impedanz des Zweiges hoch ist, ist die Verstärkung ersten
Stromwenderstufe nur gering verändert, während die Verstärkung der zweiten
Stromwenderstufe stark verändert ist, wie aus G' (2) hervorgeht.
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B) Die Isolation zwischen dem Signal OL, das dem Gate des als variablen
Widerstand geschalteten Transistors T&sub3; zugeföhrt wird, und dem Signal RF, das
dem Gate des ersten Stromwendertransistors T&sub1; zugeführt wird, ist stark. Diese
Isolation wird nämlich durch die hohe Impedanz verwirklicht, die durch die
Reihenschaltung der Kapazität Gate-Drain des ersten Transistors T&sub1; mit seinem
Lastwiderstand R&sub1; gebildet wird. Die Isolation ist daher besser als bei der
bekannten Schaltung.
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C) Die Isolation zwischen dem Signal OL, das dem Gate von T&sub3; zugeführt
wird, und dem Signal mit der Zweischenfrequenz IF, die am Drain des zweiten
Stromwendertransistors T&sub2; zur Verfügung steht, ist groß. Der Transistor T&sub2; hat
nämlich gegenüber dem Signal OL, das seiner Source OL zugeführt wird keine
Verstärkung. Die Isolation ist daher besser als bei der bekannten Schaltung.
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D) Der Rauschfaktor der Schaltung ist im Gegensatz zur bekannten Schaltung
sehr niedrig. Der niedrige Rauschfaktor wird dadurch erreicht, daß der
Transistor T&sub1; als Verstärker für das erste Signal RF in seinem Betrieb nicht durch die
Mischung gestört wird. Dieser Transistor T&sub1; arbeitet ständig unter rauscharmen
Betriebsbedingungen, und das Signal RF wird konstant verstärkt.
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E) Der Stromverbrauch ist gering. Die Transistoren T&sub1; und T&sub2; teilen sich
nämlich den gleichen Strom. Der als variabler Widerstand geschaltete Transistor
T&sub3; verbraucht keinen Strom, außer dem sehr schwachen Strom, der vom Gate
verbraucht wird.
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F) Die Leistungsverstärkung ist hoch. Dieser Parameter unterscheidet die
erfindungsgemäße Schaltung besonders von der bekannten Schaltung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der schematisch dargestellten
Schaltung aus Figur 1. Diese Schaltung wird mit Hilfe von
Anreicherungs-Feldeffekttransistoren aus Galliumarsenid (GaAs) verwirklicht, also Transistoren, die
normalerweise gesperrt sind, wenn keine Gate-Source-Spannung anliegt. Die drei Transistoren
T&sub1;,T&sub2; und T&sub3; werden vom gleichen Typ gewählt.
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Die Transistoren T&sub1; und T&sub2; der beiden Stromwenderstufen haben eine
Polarisierungsspannung, die mit Hilfe einer Schaltung verwirklicht wird, die aus aus
dem Transistor T&sub4; und der Widerstandsbrücke R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; einerseits und R&sub5;, R&sub6;
andererseits besteht.
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Der Transistor T&sub3; wird über einen Widerstand R&sub7; durch eine zweite
Versorgungsspannung VG polarisiert. Diese Versorgungsspannung VG kann aus einer
positiven Hauptversorgungsspannung E erzeugt werden.
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Das erste Signal RF mit der der Funkfrequenz wird dem Gate des ersten
Stromwendertransistors T&sub1; mit Hilfe einer Schaltung zugeführt, die aus einer
Selbstinduktionsspule L&sub1; und einer Kapazität C&sub5; aufgebaut ist, wodurch die Anpassung an die
Standardimpedanz 50 Ω und die Gleichstromisolation verwirklicht werden kann.
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Das zweite Signal OL wird dein Gate des Transistors T&sub3; über eine
Gleichstromsperrkapazität C&sub3; zugeführt.
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Das aus der Mischung hervorgehende Signal IF wird vom Drain des
zweiten Transistors T&sub2; in die Primärseite eines an die gewünschte Frequenz angepaßten
Impedanztransformators eingespeist. Die Abstimmung wird mit Hilfe einer Kapazität C&sub4;
erreicht. Das Signal wird an den Anschlüssen des Widerstandes R&sub8; auf der
Sekundärseite des Transformators abgegriffen.
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Bei diesem Beispiel sind die folgenden Frequenzen verwendet worden:
fOL = 2 GHz
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fRF = 1,8 GHZ
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fIF = 200 MHz
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Die Leistungsumsetzungsverstärkung beträgt
10dB.
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Der Pegel des am Eingang RF anliegenden Signais OL beträgt
- 50 dB.
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Der Stromverbrauch beträgt
- 5 mA bei VDD = 4V.
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Diese Schaltung kann in jedem Empfänger angewendet werden, bei dem
ein niedriger Stromverbrauch, ein geringes Rauschen und eine gute Isolation des Signals
OL erwünscht ist. Typischerweise verwendet man diese Schaltung, um portable
Sender/Empfänger zu verwirklichen, wie sie in Mobiltelefonen für Schnurlostelefonie
im Bereich von 900 bis 1800 MHz eingesetzt werden.