DE69816719T2

DE69816719T2 - Verstärker

Info

Publication number: DE69816719T2
Application number: DE69816719T
Authority: DE
Inventors: Akira Soma-shi Takayama; Yutaka soma-shi Ogasawara
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1997-06-09
Filing date: 1998-05-05
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: EP0884838B1; EP0884838A1; JPH10341115A; DE69816719D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verzerrungsarmen Verstärker, geeignet für einen Breitbandverstärker für die gleichzeitige Verstärkung einer Vielzahl von Signalen mit verschiedenen Frequenzen.
Bisher wurden beim Entwurf eines Verstärkers bei der Auswahl des Verstärkerelements dessen Verzerrungseigenschaften und der Verwendungszweck berücksichtigt. Das heißt, dass, wenn quadratische Verzerrungen eine Rolle spielten, ein bipolarer Transistor häufiger als ein Feldeffekttransistor (FET) eingesetzt wurde, weil dessen quadratische Verzerrungen niedrig sind und wenn kubische Verzerrungen eine Rolle spielten, ein Feldeffekttransistor (FET) häufiger als ein bipolarer Transistor eingesetzt wurde, weil dessen kubische Verzerrungen niedrig sind.
In Bezug auf die 7 bis 11 wird im folgenden ein konventioneller Verstärker beschrieben, der einen FET als Verstärkerelement verwendet. Zunächst zeigt 7 ein Schaltbild eines solchen Verstärkers, bei dem als Verstärkerelement FET 31 ein Single- Gate- n- Channel FET verwendet wird, dessen Gate G an Masse liegt. Von einem Betriebsspannungsanschluss wird Versorgungsspannung über einen Widerstand 32 von ca. 10 Ω, eine Drosselspule 33 von etwa 0,1 μH und einen Widerstand 34 von ca. 33 Ω ,die in Reihe geschaltet sind, an den Drain D gelegt, der als Ausgangselektrode dient, und die Source S, die als Eingangselektrode dient, ist über eine Drosselspule 35 von etwa 6,8 nH und einen Widerstand- 36 von ca. 82 Ω ,die in Reihe geschaltet sind, an Masse gelegt. Vom Eingangsanschluss IN eines Verstärkers wird über einen Gleichstromabblockkondensator 37 von 6,8 nF ein Eingangssignal an die Source S gelegt und ein Ausgangssignal von dem Drain D wird über einen Widerstand 34 und einen Gleichstromabblockkondensator 38 an den Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers abgenommen.
Der am Drain D angeschlossene Widerstand 34 dient zur Verhinderung von Oszillation und der zwischen der Source 5 und Masse angeschlossene Widerstand 36 dient zur Vorspannungseinstellung, so dass das Gate G für die Source S negativ ist (etwa –0,7 V). Des weiteren sind die Drosselspulen 33 und 35 vorgesehen, um Hochfrequenz abzublocken.
Im in 7 gezeigten Verstärker ist als Verstärkerelement ein FET 31 verwendet, um kubische Verzerrungen zu vermeiden, dabei hat, wie oben erwähnt, der FET 31 den Vorteil, dass die kubischen Verzerrungen gering sind im Vergleich zu einem bipolaren Transistor, jedoch hat der FET den Nachteil, dass die quadratischen Verzerrungen groß sind im Vergleich zu einem bipolaren Transistor. Der Grund dafür ist das Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom, d. h. das Verhältnis der Spannung zwischen Source S und Gate G des FET 31 zum Drainstrom wird beschrieben mit einer Kennlinie, die einer sogenannten quadratischen Funktion sehr ähnelt. Bei der Messung der Spannungs/ Stromkennlinie des FET 31 zur Bestätigung des obigen Sachverhalts mit einer in 8 gezeigten Schaltung wird die in 9 gezeigte Kennlinie zwischen Gatevorspannung Vgs und Drainstrom Id erhalten. Bei der Messschaltung nach 8 wird zunächst das Gate des FET 31 an Masse gelegt und Drainspannung Vd an den Drain D gelegt. An die Source S wird eine Gatevorspannung Vgs gelegt, damit eine gegenüber der Source S negative Spannung am Gate G anliegt. 9 zeigt ein Spannungs/ Stromdiagramm als Ergebnis der Messung der Änderung des Drainstroms Id bei geänderter Gatevorspannung Vgs.
Die x- Achse in 9 repräsentiert die Gatevorspannung Vgs (die Spannung zwischen Gate G und Source S) und die y- Achse repräsentiert den Drainstrom Id, der zum Drain D fließt. Wie in dem Spannungs/Stromdiagramm gezeigt, steigt der Drainstrom an und die Neigung der Kurve wird steiler, wenn die Gatespannung von einer Minusspannung in Richtung 0 V geändert wird. Dabei zeigt jeder der Punkte P0 bis P9 der Kurve den gemessenen Drainstrom Id bei 0,05 V- Schritten der Gatevorspannung Vgs und zeigt weiter, dass mit steigender Gatevorspannung Vgs auch die Neigung zwischen zwei benachbarten Punkten (ΔId/ΔVgs als Differenz des Drainstroms (ΔId) zwischen zwei benachbarten Messpunkten zu ΔVgs mit 0,05 V) zunimmt, wie das in 10 gezeigt wird. Die oben erwähnte Neigung ist ein Näherungswert für den sogenannten Differentialkoeffizienten und die Steigung, die sich ergibt, wenn das Messintervall (0,05 V) der Gatevorspannung bei der oben beschriebenen Messung unendlich verkleinert wird, ist ein exakter Differentialkoeffizient. Zur Vereinfachung wird jedoch in dieser Beschreibung die Neigung bei einem Schritt von 0,05 V als Differentialkoeffizient bezeichnet.
Wenn in dem Verstärker, wie in 7 dargestellt, ein FET 31 mit einer solchen Strom/Spannungs- Kennlinie verwendet wird, wird, wenn ein Eingangssignal an den Eingangsanschluss IN des Verstärkers gelegt wird, ein Grundwellensignal mit der gleichen Frequenz wie das Eingangssignal und ein harmonisches Signal mit einem ganzzahligen Vielfachen der Eingangsfrequenz an dem Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers abgegeben, und mit steigendem Pegel des Eingangssignals steigen auch diese Frequenzen. Das harmonische Signal wird erzeugt, weil das verstärkende Element kein völlig lineares Element ist, sondern ein nichtlineares Element. Ähnlich werden, wenn zwei Signale mit unterschiedlichen Frequenzen an den Eingangsanschluss IN des Verstärkers gelegt werden, die Grundwellen der beiden Signale und ein Signal mit einer Frequenz mit der Summe oder Differenz der Frequenzen der Grundwellen, das heißt, ein Intermodulationsprodukt 2. Ordnung (im folgenden als IM2 bezeichnet) und ein Signal mit einer Frequenz der Differenz der zweifachen Frequenz einer der Grundwellen und der anderen Grundwelle, das heißt, ein Intermodulationsprodukt 3. Ordnung (im folgenden als IM3 bezeichnet) abgegeben. IM2 wird wegen der quadratischen Verzerrungen des Verstärkerelements erzeugt und IM3 wird wegen der kubischen Verzerrungen des Verstärkerelements erzeugt. In dieser Beschreibung besteht der Einfachheit halber ein Ausgangssignal aus einer Grundwelle, IM2 und IM3. 11 zeigt ein Eingangs- Ausgangsverhaltensdiagramm mit den Ausgangspegeln der Grundwelle, IM2 und IM3 zum Pegel eines Eingangssignals für den Fall, dass zwei Signale mit verschiedenen Frequenzen an den Eingang des Verstärkers nach 7 gelegt werden.
Die x- Achse in 11 repräsentiert den Pegel des Eingangssignals am Eingangsanschluss IN des Verstärkers, und die y- Achse repräsentiert den Pegel des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers und die erwähnten Pegel sind mit einem Abschluss von 75 Ω gemessen. Die Kurven D, E und F in 11 zeigen die jeweilige Grundwelle, IM2 und IM3 am Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers, deren Grundwelle ändert sich im Verhältnis 1 zu 1 mit dem Pegel des Eingangssignals, wie in Kurve D gezeigt. Das heißt, wenn der Pegel des Eingangssignals z. B. um 10 dB steigt, auch der Pegel des Ausgangssignals um 10 dB steigt. Dabei steigen IM2 (die Kurve E in 11) bzw. IM3 (die Kurve F in 11) im Verhältnis 1 zu 2 und 1 zu 3 mit dem Pegel des Eingangssignals. Das heißt, wenn der Pegel des Eingangssignals z. B. um 10 dB steigt, die Pegel der Ausgangssignale um 20 dB und 30 dB steigen. Deshalb ist die Steigung der Kurve E, die das Eingangs/Ausgangsverhalten von IM2 zeigt, steiler als die der Kurve D, die das Eingangs/Ausgangsverhalten der Grundwelle zeigt und, ähnlich ist die Steigung der Kurve F, die das Eingangs/Ausgangsverhalten von IM3 zeigt, steiler als die der Kurve E, die das Eingangs/Ausgangsverhalten von IM2 zeigt. Die entsprechenden gestrichelten Teile der Kurven D, E und F zeigen, dass diese Werte außerhalb des Betriebsbereichs liegen und theoretisch ermittelte Werte sind.
Somit schneiden sich bei steigendem Pegel des Eingangssignals die Kurve D, die das Eingangs/Ausgangsverhalten der Grundwelle zeigt und die Kurve E, die das Eingangs/Ausgangsverhalten von IM2 zeigt, an einem Punkt X1 und, ähnlich schneiden sich die Kurve D, die das Eingangs/Ausgangsverhalten der Grundwelle zeigt und die Kurve F, die das Eingangs/Ausgangsverhalten von IM3 zeigt, an einem Punkt X2. Diese Schnittpunkte werden Intercept- Punkte genannt, sie stellen genormte Punkte zur Beurteilung dar, ob die Verzerrungsdaten eines Verstärkers gut oder schlecht sind und je höher der Pegel des Eingangssignals am Intercept- Punkt ist, desto zufriedenstellender ist dieser Verstärker im Hinblick auf Verzerrungen. In 11 ist der Pegel des Eingangssignals am Intercept- Punkt der Grundwelle mit IM2 etwa 90 dB millivolt (mV) und der Pegel des Eingangssignals am Intercept- Punkt der Grundwelle mit IM3 etwa 67,5 dBmV. Bei dem in 11 gezeigten Eingangs/Ausgangsverhalten ist bei dem praktischen Pegel von 30 dBmV als Pegel des Eingangssignals das Pegelverhältnis von IM2 zur Grundwelle und das Pegelverhältnis von IM3 zur Grundwelle (Verhältnis Nutzsignal zu unerwünschtem Signal (DU)) –60dB bezw. – 75dB und diese DU- Werte sind niemals zufriedenstellende Werte.
Daher werden, wenn ein solcher Verstärker als Breitbandverstärker eingesetzt wird und dabei eine große Anzahl von Kanälen mit verschiedenen Frequenzen gleichzeitig angelegt wird und verstärkt werden, wie bei einem Empfänger eines CATV- Systems, die Eingangssignale vom Verstärkerelement gemischt und es wird eine große Zahl von Störfrequenzen erzeugt.
Wenn in Zukunft die Anzahl der Kanäle steigt und auch noch das System auf digitale Übertragungstechnik umgestellt wird, wird dies zu einem besonderen Problem.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verrungsarmen Verstärker zu verwirklichen, der für Breitbandanwendungen geeignet ist und bei dem der Pegel der erzeugten Störsignale kontrolliert werden kann, so dass er niedrig bleibt, auch wenn eine Vielzahl von Signalen mit verschiedenen Frequenzen verstärkt wird.
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems umfasst der Verstärker nach der vorliegenden Erfindung ein Verstärkerelement mit Eingangs- und Ausgangselektrode und einer Nichtlinearität der Art, dass mit steigender Eingangsspannung der Differentialkoeffizient von Ausgangsstrom zu Eingangsspannung steigt, und ein Zweipol- Element mit zwei Anschlüssen, bei dem mit steigender Spannung an den beiden Anschlüssen der Differentialkoeffizient von Strom, der zwischen den beiden Anschlüssen fließt zur Spannung, die an beiden Anschlüssen anliegt, fällt, wobei der eine Anschluss des Zweipol- Elements mit der Eingangselektrode des Verstärkerelements verbunden ist und ein Eingangssignal an den anderen Anschluss des Zweipol- Elements gelegt wird und der Ausgangsstrom, der zur Ausgangselektrode des Verstärkerelements fließt, auch über den Eingangsanschluss durch das Zweipolelement geleitet wird.
Der Verstärker nach der vorliegenden Erfindung kann dadurch gekennzeichnet werden, dass das oben erwähnte Verstärkerelement ein Single- Gate FET ist, dessen Gate an Masse liegt und dessen Source die Eingangselektrode ist.
Der Verstärker nach der vorliegenden Erfindung kann dadurch gekennzeichnet werden, dass das oben erwähnte Zweipolelement ein zweiter Single- Gate FET ist und Drain und Source des zweiten FET die oben erwähnten zwei Anschlüsse sind und das Gate mit der Source verbunden ist.
Der Verstärker nach der vorliegenden Erfindung kann dadurch gekennzeichnet werden, dass Gatevorspannung zwischen Source und Gate des oben erwähnten zweiten Single- Gate FET angelegt wird.
Der Verstärker nach der vorliegenden Erfindung kann dadurch gekennzeichnet werden, dass ein Dual- Gate FET verwendet wird mit einem ersten Gate, einem zweiten Gate, einer Source und einem Drain, wobei die Source und das erste Gate gleichstrommäßig miteinander verbunden sind, ein Eingangssignal an die Source angelegt wird und ein Ausgangssignal vom Drain abgenommen wird,
Der Verstärker nach der vorliegenden Erfindung kann dadurch gekennzeichnet werden, dass die zwischen erstem Gate und der Source angelegte Gatevorspannung so eingestellt wird, dass das elektrische Potential am ersten Gate niedriger ist als das Potential der Source.
Im folgenden werden beispielhaft an Hand der Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei:
1 ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Messschaltung zur Messung des Spannungs/Stromverhaltens des ersten Ausführungsbeispiels eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung ist;
3 die Spannungs/Stromkennlinien des ersten Ausführungsbeispiels eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 einen Differentialkoeffizienten der Spannungs/Stromkennlinien des ersten Ausführungsbeispiels eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 die Spannungs/Stromkennlinien eines Zweipolelements im ersten Ausführungsbeispiel eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 das Eingangs/Ausgangsverhalten des Verstärkers entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ein Schaltbild für einen Verstärker nach dem Stand der Technik ist;
8 eine Messschaltung zur Messung des Spannungs/Stromverhaltens des Verstärkers nach dem Stand der Technik ist;
9 die Spannungs/Stromkennlinien des Verstärkers nach dem Stand der Technik zeigt;
10 einen Differentialkoeffizienten der Spannungs/Stromkennlinien des Verstärkers nach dem Stand der Technik zeigt;
11 die Eingangs/Ausgangsmerkmale des Verstärkers nach dem Stand der Technik zeigt;
12 ein Schaltbild für ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung ist;
13 eine erläuternde Zeichnung ist, die den Dual- Gate FET zeigt, der für ein zweites Ausfühungsbeispiel eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
14 ein Schaltbild für eine Variante des zweiten Ausführungsbeispiels eines Verstärkers nach der vorliegenden Erfindung ist.
Das erste Ausführungsbeispiel wird im folgenden an Hand der Zeichnungen 1 bis 6 beschrieben. Zunächst zeigt 1 einen erfindungsgemäßen Verstärker, bei dem ein Single-Gate- n- Channel- FET als Verstärkerelement FET 1 verwendet wird, bei dem das Gate an Masse liegt. Versorgungsspannung wird von einem Betriebsspannungsanschluss T über einen Widerstand 2 mit etwa 10 Ω, eine Drosselspule 3 mit etwa 0,1 μH und einen Widerstand 4 mit etwa 33 Ω, die alle in Reihe geschaltet sind, an den Drain D, der eine Ausgangselektrode darstellt, gelegt.
Der Drain d, der einen Anschluss des zweiten FET 5 bildet, ist mit einer Source S, die die Ein angselektrode des FET 1 darstellt, verbunden, und eine Source s, die den anderen Anschluss des zweiten FET 5 bildet, ist über eine Drosselspule 6 mit ungefähr 6,8 nH und einen Widerstand 7 mit etwa 75 Ω mit Masse verbunden. Der zweite FET 5 wird als Zweipolelement verwendet, dessen zwei Anschlüsse der Drain d und die Source s sind. Aufgrund der obigen Anordnung fließt der Drainstrom Id des FET 1, der ein Verstärkerelement darstellt, zwischen dem Drain d und der Source s des zweiten FET 5 als Zweipolelement über die Source von FET 1. Der Verstärker ist so gestaltet, dass ein Eingangssignal vom Eingangsanschluss IN des Verstärkers über einen Gleichstromabblockkondensator 8 mit 6,8 nF zur Source s des zweiten FET 5 angelegt wird und ein Ausgangssignal vom Drain D des FET 1 über den Widerstand 4 und einen Gleichstromabblockkondensator 9 an den Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers ausgegeben wird. Das Gate g des zweiten FET 5 ist mit der Source s des zweiten FET 5 gleichstrommäßig über den Widerstand 10 verbunden. Deshalb liegt keine Vorspannung vom Gate g an der Source s, und die Source s wird auf dem gleichen Potential gehalten.
Im Verstärker wird der zweite FET 5 als Zweipolelement eingesetzt, der Drainstrom Id des FET 1 fließt unverändert zwischen dem Drain d und der Source s des zweiten FET 5 und durch die Drosselspule 6 und den Widerstand 7. Als Ergebnis wird durch die Spannung Vds zwischen dem Drain d und der Source s des zweiten FET 5 und den Spannungsabfall über dem. Widerstand 7 eine Vorspannung erzeugt, die das Gate G gegenüber der Source S des FET 1 um etwa –0,7 V negativ vorspannt. Der Widerstand 4, der am Drain des FET 1 angeschlossen ist, dient zur Stabilisierung des Verstärkers und zur Vermeidung von Schwingen. Die Drosselspulen 3 und 6 dienen zum Abblocken gegen Hochfrequenz.
Der zweite FET 5 als Zweipolelement, angeschlossen an die Source S des FET 1 als Verstärkerelement dient zur Reduzierung der Verzerrungen des FET 1, im folgenden werden die Spannungs/Strom- Kennlinien des in 1 gezeigten Verstärkers einschließlich der Arbeitsweise des zweiten FET 5 anhand der Zeichnungen 2 bis 5 erläutert.
2 zeigt eine Messschaltung zur Messung des Spannungs/Stromverhaltens des in 1 gezeigten Verstärkers, das Gate G des FET 1 liegt an Masse und Drainspannung Vd ist an den Drain D gelegt. Der Drain d des zweiten FET 5 als Zweipolelement ist mit der Source S des FET 1 verbunden und eine Gatevorspannung Vgss ist an die Source s des zweiten FET 5 gelegt, um eine negative Spannung zwischen das Gate G und Source S des FET 1 einzustellen. Das Gate g des zweiten FET 5 ist mit der Source s über den Widerstand 10 verbunden und Source s und Gate g werden auf gleichem elektrischen Potential gehalten.
3 zeigt die Spannungs/Stromkennlinien als Ergebnis der Messung der Änderung des Drainstroms von FET 1 bei Änderung der Gatevorspannung Vgss.
Die x- Achse in 3 repräsentiert die Gatevorspannung Vgss (als tatsächliche Spannung zwischen Gate G und Source S von FET 1 ist die Spannung zwischen Drain d und Source s des zweiten FET 5 zur Gatevorspannung Vgss zu addieren) und die y- Achse zeigt den Drainstrom Id, der zum Drain D des FET 1 fließt. Wie oben erläutert, fließt der Drainstrom Id auch durch Drain d und Source s des zweiten FET 5. Die Kurve, die den Spannungs/ Stromverlauf darstellt, zeigt, dass, wenn die Gatevorspannung Vgss von einem Minuspotential in Richtung 0 V geändert wird, der Drainstrom steigt, jedoch ist die Steigung geringer als die des Spannungs/ Stromverlaufs des Verstärkers nach dem Stand der Technik von 9, außerdem verläuft die Kurve gestreckter.
Dabei zeigt jeder der Punkte Q0 bis Q11 der Kurve, die das Spannungs/ Stromverhalten in 3 beschreiben, den gemessenen Drainstrom Id bei 0,05 V- Schritten der Gatevorspannung und zeigt weiter, dass mit steigender Gatevorspannung Vgs die Neigung zwischen zwei benachbarten Punkten, d. h. der Differentialkoeffizient (ΔIdD/ΔVgss als Differenz des Drainstroms (ΔId) zwischen zwei benachbarten Messpunkten zu ΔVgss mit 0,05 V) kaum zunimmt, solange die Gatevorspannung Vgss im Bereich –0,7 V bis –0,5 V bleibt, wie das auch in 4 gezeigt wird. Das bedeutet einen gewaltigen Unterschied zu der Kurve, die den Differentialkoeffizienten des Verstärkers nach dem Stand der Technik in 10 zeigt. Das heißt, dass das in 3 in der Messschaltung gezeigte Spannungs/ Stromverhalten für den erfindungsgemäßen Verstärker nach 1 geradliniger ist als das des Verstärkers nach dem Stand der Technik. Der Verstärker wird so betrieben, dass die Gatevorspannung Vgss im Bereich –0,7 V bis –0,5 V eingestellt wird.
Die oben erwähnte Neigung ist ein Näherungswert für den sogenannten Differentialkoeffizienten und die Steigung, die sich ergibt, wenn das Messintervall (0,05 V) der Gatevorspannung bei der oben beschriebenen Messung unendlich verkleinert wird, ist ein exakter Differentialkoeffizient. Zur Vereinfachung wird jedoch in dieser Beschreibung die Neigung bei einem Schritt von 0,05 V als Differentialkoeffizient bezeichnet.
Der Grund dafür, dass die in 3 gezeigte Spannungs/Stromkennlinien linear sind, ist der, dass das Verhältnis des Stroms Id (gleich dem Drainstrom Id des FET 1), der zwischen Drain d und Source s fließt, zu der Spannung Vds zwischen Drain d und Source s des zweiten FET 5 als Zweipolelement, das an die Source S des FET 1 als Verstärkerelement angeschlossen ist, einen Verlauf aufweist, bei dem die Steigung (Differentialkoeffizient) monoton abnimmt, wenn die Spannung Vds steigt, was im folgenden im einzelnen beschrieben wird.
Zunächst zeigt 5 die Relation zwischen der Spannung Vds, die zwischen Drain d und Source s des zweiten FET 5 anliegt zu dem Drainstrom Id, der zwischen Drain d und Source s zu diesem Zeitpunkt fließt und die Kurve Vgs0 der Spannungs/Stromkennlinien zeigt einen Fall, bei dem die Gatevorspannung zwischen Source s und Gate g null Volt, auf gleichem elektrischen Potential, ist. Die Kurven Vgs1, Vgs2 und Vgs3 zeigen jeweils Fälle, bei denen die Gatevorspannung zwischen Source s und Gate g in negativer Richtung vergrößert wird.
Z. B ist in der Kurve Vgs0 die Änderung der Steigung (Differentialkoeffizient) mit steigender Spannung Vds zwischen Drain d und Source s zunehmend im Bereich Z0, wo der Drainstrom Id etwa linear steigt, monoton fallend im Bereich Z1 und nahezu null und unverändert im Bereich Z2. Der zweite FET 5 wird jedoch in einem Teil des Bereichs Z1 betrieben, in dem die Steigung (der Differentialkoeffizient) des Drainstroms Id monoton fällt. Im Ergebnis sind die Spannung Vds, die zwischen Drain d und Source s des zweiten FET 5 und die Gatevorspannung Vgss einander überlagert, und Gatevorspannung Vgs wird zwischen Source S und Gate G des FET 1, der als Verstärkerelement dient, angelegt. Die Spannung Vds zwischen Drain d und Source s des zweiten FET, die zur Gatevorspannung Vgs zwischen Source S und Gate G des FET 1 beiträgt, steigt mit zunehmendem Drainstrom des FET 1, wodurch die absolute Spannung der Gatevorspannung Vgs zwischen Source S und Gate G des FET 1 abnimmt, und die Steigung der Kurve des Spannungs/Stromverhaltens sanfter wird, wie in 3 gezeigt, und linear.
Bei dem in 1 gezeigten Verstärker wird die Gatevorspannung Vgs zwischen Source s und Gate g des zweiten FET 5 auf null Volt (auf gleiches elektrisches Potential) gesetzt, das Verhalten ist oben anhand der Kurve VgsO von 5 beschrieben. Es braucht wohl nicht erwähnt zu werden, dass auch eine geeignete Gatevorspannung Vgs zwischen Source s und Gate g angelegt werden kann. In diesem Fall ist der Bereich der Änderung der Steigung (Differentialkoeffizient) ähnlich groß. Hierdurch kann die Kurve des SpannungslStromverhaltens des Verstärkers jedoch gerader sein.
Bei dem Verstärker mit einer solchen Kurve des Spannungs/Stromverhaltens und der in 1 gezeigten Anordnung werden, wenn zwei Signale mit unterschiedlichen Frequenzen am Eingangsanschluss IN des Verstärkers eingegeben werden, die Grundwellen der beiden Signale, ein Signal mit einer Frequenz der Summe oder der Differenz der Frequenzen der Grundwellen, d. h. ein Intermodulationsprodukt zweiter Ordnung (im folgenden IM2 genannt) und ein Signal mit der Frequenz der Differenz zwischen der doppelten Frequenz einer der Grundwellen und der anderen Grundwellenfrequenz, d. h. ein Intermodulationsprodukt dritter Ordnung (im folgenden IM3 genannt) vom Ausgang OUT des Verstärkers abgegeben. IM2 wird durch die quadratischen Verzerrungen des Verstärkerelements verursacht, IM3 durch die kubischen Verzerrungen. Die Pegel der Grundwellen, IM2 und IM3 steigen mit zunehmenden Pegeln der Eingangssignale, aber, weil die Spannungs/Stromkennlinien gerader verlaufen, können die Pegel von IM2 und IM3 kontrolliert werden, so dass sie niedriger sind im Vergleich zum Stand der Technik. 6 zeigt das Eingangs/Ausgangsverhalten, und zwar die Pegel der Ausgangssignale der Grundwelle, IM2 und IM3 als Funktion des Pegels des Eingangssignals des in 1 gezeigten Verstärkers.
Die x- Achse in 6 repräsentiert den Pegel des Eingangssignals am Eingangsanschluss IN des Verstärkers, die y- Achse repräsentiert die Pegel der Ausgangssignale am Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers und beide Pegel sind mit einem Abschluss von 75 Ω gemessen. Die Kurven A, B und C in 6 zeigen ein Grundwellensignal,IM2 und IM3 am Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers. Die Grundwelle ändert sich im Verhältnis 1 zu 1 mit dem Pegel des Eingangssignals, wie das in Kurve A von 6 gezeigt wird. Das heißt, dass wenn beispielsweise der Pegel des Eingangssignals um 10 dB erhöht wird, auch der Pegel des Ausgangssignals um 10 dB steigt. Dabei ändern sich IM2, in Kurve B gezeigt bezw. IM3, in Kurve C von 6 gezeigt im Verhältnis 1 zu 2 und 1 zu 3 mit dem Pegel des Eingangssignals. Das bedeutet, dass, wenn der Pegel des Eingangssignals beispielsweise um 10 dB erhöht wird, die Pegel dieser Ausgangssignale um 20 dB bezw. um 30 dB steigen. Somit ist die Steigung der Kurve B, die den Ausgangsverlauf von IM2 zeigt; steiler als die Kurve A, die das Eingangs/Ausgangsverhalten des Grundwellensignals zeigt. Ähnlich ist die Steigung der Kurve C, die den Ausgangsverlauf von IM3 zeigt, steiler als die Kurve B, die den Ausgangsverlauf von IM2 zeigt. Weil die gestrichelten Teile der Kurven A, B und C Werte zeigen, die außerhalb des Betriebsbereichs liegen, sind diese Teile theoretisch ermittelte Teile.
Somit steigen bei steigendem Pegel des Eingangssignals die Pegel der Intermodulationsprodukte IM2 und IM3, die am Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers abgegeben werden. Aber die Intercept- Punkte, beispielsweise Y1, bei dem sich die Kurve A, die das Eingangs/Ausgangsverhalten des Grundwellensignals zeigt, mit der Kurve B, die den Ausgangsverlauf von IM2 zeigt, schneidet oder Y2, bei dem sich die Kurve A, die das Eingangs/Ausgangsverhalten des Grundwellensignals zeigt, mit der Kurve C, die den Ausgangsverlauf von IM3 zeigt, schneidet, sind zu einem höheren Eingangspegel verschoben im Vergleich zu einem Verstärker nach dem Stand der Technik, die Werte der Eingangspegel an den oben erwähnten Intercept- Punkten sind 100 dBmV bezw. 70 dBmV und es wird insbesondere gezeigt, dass der Pegel von IM2 verringert ist. Somit ist bei einem praktischen Pegel von beispielsweise 30 dBmV als Pegel des Eingangssignals das Pegelverhältnis von IM2 zur Grundwelle und das Pegelverhältnis von IM3 zur Grundwelle (Verhältnis Nutzsignal zu unerwünschtem Signal (DU)) –70dB bezw. –80dB und um 10 dB bezw. 5 dB verbessert im Vergleich zu den obigen Pegeln beim Stand der Technik.
Wie oben beschrieben, kann, weil bei dem erfindungsgemäßen Verstärker die Verzerrungen reduziert werden durch Einführen eines zusätzlichen Elements, wie dem Zweipolelement 5, zur Beseitigung der nichtlinearen Charakteristik des Verstärkerelements 1 des Verstärkers, ein Verstärker mit diesen Verzerrungseigenschaften vorzüglich als Breitbandverstärker zur gleichzeitigen Verstärkung einer Vielzahl von Signalen unterschiedlicher Frequenz eingesetzt werden.
Als Verstärkerelement des erfindungsgemäßen Verstärkers wird zur Erläuterung ein Single-Gate FET 1 eingesetzt, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, es kann beispielsweise auch ein Dual- Gate FET verwendet werden und ebenso kann auch ein bipolarer Transistor eingesetzt werden. Des weiteren ist das Zweipolelement nicht auf einen Feldeffekttransistor wie den zweiten FET 5 beschränkt, es kann auch ein bipolarer Transistor eingesetzt werden.
Wenn der zweite FET 5 als Zweipolelement verwendet wird, ist eine Vorspannung zwischen Source s und Gate g nicht notwendigerweise auf 0 Volt festgelegt, die Linearität des gesamten Verstärkers kann durch Einstellen einer geeigneten Vorspannung weiter verbessert werden.
Im folgenden wird mit Bezug auf die 12 bis 14 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 12 gezeigt, wird als Verstärkerelement ein Dual- Gate FET 41 (im folgenden als FET bezeichnet) mit einem ersten Gate G1, einem zweiten Gate G2, einem Drain D und einer Source S verwendet, das erste Gate ist gleichstrommäßig mit der Source über einen Widerstand 42 verbunden und das Gate G1 und die Source S werden auf gleichem elektrischen Potential gehalten. Das zweite Gate G2 liegt an Masse. Betriebsspannung wird von einem Versorgungsspannungsanschluss T über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 43 mit etwa 10 Ω, einer Drosselspule 44 mit etwa 0,1 μH und einem Widerstand 45 mit etwa 33 Ω an den Drain D als Ausgangselektrode des FET 41 gelegt.
Die Source S als Eingangselektrode des FET 41 ist über eine Drosselspule 46 mit etwa 6,8 nH und einen Widerstand 47 mit etwa 75 Ω an Masse gelegt. Deshalb fließt bei der obigen Anordnung der Drainstrom Id des FET 41, der als Verstärkerelement dient, über die Source S des FET 41 nach Masse. Ein Eingangssignal vom Eingangsanschluss IN des Verstärkers wird über einen Gleichstromabblockkondensator 48 mit etwa 6,8 nF an die Source S des FET 41 gelegt und vom Drain D des FET 41 wird über den Widerstand 45 und einen Gleichstromabblockkondensator 49 an den Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers abgegeben.
Beim Verstärker des zweiten Ausführungsbeispiels wird ein Dual- Gate FET 41 als Verstärkerelement verwendet, der Dual- Gate FET 41 weist jedoch die gleiche Anordnung auf wie bei dem Fall, dass zwei Single- Gate FETs 50 und 51 kaskadiert werden, wie das in 13 gezeigt wird und allgemein bekannt ist und deshalb ist die Arbeitsweise des in 12 gezeigten Verstärkers die gleiche wie die des in 1 gezeigten Verstärkers des ersten Ausführungsbeispiels. In diesem Fall arbeiten das erste Gate G1 und die Source S des FET 41 als das Zweipolelement 5 von 1 und das zweite Gate G2 und der Drain D des FET 41 arbeiten als das Verstärkerelement 1 von 1. Wie oben beschrieben, kann der Verstärker des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung eines Dual- Gate 41 als Verstärker mit niedrigen Intermodulationsverzerrungen betrieben werden.
14 zeigt einen Verstärker, bei dem die Positionen der Drosselspule 46 und des Widerstands 47, die bei dem in 12 gezeigten Verstärker zwischen der Source S des FET 41 und Masse angeschlossen sind, miteinander vertauscht, die Drosselspule 46 ist auf der Masseseite eingefügt und das erste Gate G1 ist über den Widerstand 42 mit einem Verbindungspunkt zwischen Drosselspule 46 und Widerstand 47 verbunden. Folglich ist das Potential des ersten Gate G1 geändert und liegt auf Massepotential, das Potential der Source S ist geändert auf ein höheres Potential gegen Masse wegen eines Spannungsabfalls am Widerstand 47 durch den Strom von der Source S, und so kann Gatevorspannung an das erste Gate G1 gelegt werden. Somit kann die Linearität des Verstärkers durch Optimierung der Gatevorspannung verbessert werden.
Wie oben beschrieben, umfasst der erfindungsgemäße Verstärker ein Verstärkerelement mit Eingangs- und Ausgangselektrode und einer Nichtlinearität der Art, dass mit steigender Eingangsspannung der Differentialkoeffizient von Ausgangsstrom zu Eingangsspannung steigt, und ein Zweipol- Element mit zwei Anschlüssen, bei dem mit steigender Spannung an den beiden Anschlüssen der Differentialkoeffizient von Strom, der zwischen den beiden Anschlüssen fließt zur Spannung, die an beiden Anschlüssen anliegt, fällt, wobei der eine Anschluss des Zweipol- Elements mit der Eingangselektrode des Verstärkerelements verbunden ist und ein Eingangssignal an den anderen Anschluss des Zweipol- Elements gelegt wird und der Ausgangsstrom, der zur Ausgangselektrode des Verstärkerelements fließt, auch über den Eingangsanschluss durch das Zweipolelement geleitet wird und die nichtlineare Charakteristik des Verstärkerelements durch das Zweipolelement kompensiert wird und die Verzerrungen des Verstärkers reduziert werden können. Demzufolge kann ein Verstärker mit diesen Verzerrungseigenschaften vorzüglich als Breitbandverstärker zur gleichzeitigen Verstärkung einer Vielzahl von Signalen unterschiedlicher Frequenz eingesetzt werden.
Weil bei dem Verstärker nach der vorliegenden Erfindung das Verstärkerelement ein Single-Gate FET verwendet wird, dessen Gate an Masse liegt und die Source des FET als oben beschriebene Eingangselektrode dient, kann der Drainstrom ohne weiteres durch das Zweipolelement fließen, nur durch die Verbindung des Zweipolelements mit der Source des FET, somit kann der Aufbau des Verstärkers vereinfacht werden.
Weil bei dem Verstärker nach der vorliegenden Erfindung der zweite Single- Gate FET als Zweipolelement dient und Drain und Source des zweiten FET als dessen zwei Anschlüsse dienen, ist der Bereich der Steigungsänderung der Spannungs/Stromkennlinie des zweiten FET verbreitert und Spannung und Drainstrom zwischen Drain und Source des zweiten FET können zur Kompensation der nichtlinearen Charakteristik des Verstärkerelements passend gewählt werden.
Weil bei dem Verstärker nach der vorliegenden Erfindung eine Vorspannung zwischen Gate und Source des zweiten Single- Gate FET angelegt wird, können Spannung und Drainstrom zwischen Drain und Source des zweiten FET zur Kompensation der nichtlinearen Charakteristik des Verstärkerelements leichter eingestellt werden.
Weil bei dem Verstärker nach der vorliegenden Erfindung als Verstärkerelement ein Dual-Gate FET mit einem ersten Gate, einem zweiten Gate, einem Drain D und einer Source verwendet wird und das erste Gate gleichstrommäßig mit der Source verbunden ist, ein Eingangssignal an die Source angelegt und ein Ausgangssignal vom Drain abgenommen wird, arbeiten erstes Gate und Source des Dual- Gate FET als Zweipolelement und zweites Gate und Drain des FET als Verstärkerelement. Deshalb kann mit einem Dual- Gate FET ein Verstärker mit niedrigen Intermodulationsverzerrungen aufgebaut werden.
Weil bei dem Verstärker nach der vorliegenden Erfindung eine Vorspannung, die das elektrische Potential des ersten Gates senkt, so dass es niedriger ist als das elektrische Potential der Source, zwischen dem ersten Gate und der Source angelegt wird, kann die Linearität des Verstärkers durch Optimierung der Vorspannung verbessert werden.

Claims

Verstärker bestehend aus: einem Verstärkungselement, versehen mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss und eine nichtlineare Charakteristik aufweisend bei der mit steigender Eingangsspannung der Differentialkoeffizient von Ausgangstrom zu Eingangsspannung zunimmt; einem Zweipol- Element, versehen mit zwei Anschlüssen, bei dein mit steigender Spannung an den besagten beiden Anschlüssen der Differentialkoeffizient des Stroms der zwischen den beiden Anschlüssen fließt, zu der Spannung, die an den besagten beiden Anschlüssen angelegt ist, abnimmt, wobei: ein Anschluss des besagten Zweipol- Elements an den besagten Eingangsanschluß des besagten Verstärkungselements angeschlossen ist; ein Eingangssignal an den anderen Anschluss des besagten Zweipol- Elements angelegt wird; und der Ausgangsstrom, der zu dem Ausgangsanschluss des besagten Verstärkungselements fließt, durch das besagte Zweipol- Element über den besagten Eingangsanschluss fließt.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei: das besagte Verstärkungselement ein Single- Gate FET ist, dessen Gate an Masse liegt; und wobei der Sourceanschluss dem besagten Eingangsanschluss entspricht.
Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, wobei: das besagte Zweipol- Element ein zweiter Single- Gate FET ist: und wobei Drain- und Source- Anschlüsse des besagten zweiten FET den besagten zwei Anschlüssen entsprechen und das Gate mit der Source verbunden ist.
Verstärker nach Anspruch 3, wobei: zwischen Sourceanschluss und Gateanschluss des besagten zweiten Single- Gate FET eine Vorspannung angelegt wird.
Verstärker, wobei: ein Dual- Gate FET mit einem ersten Gateanschluss. einem zweiten Gateanschluss einem Sourceanschluss und einem Drainanschluss verwendet wird; besagter Sourceanschluss und der erste Gateanschluss gleichstrommäßig verbunden sind; ein Eingangssignal an besagten Sourceanschluss angelegt wird: und ein Ausgangssignal von besagtem Drainanschluss abgenommen wird.
Verstärker nach Anspruch 5, wobei: eine Vorspannung, die das elektrische Potential an besagtem ersten Gateanschluss erniedrigt, so dass es niedriger ist als das elektrische Potential an besagtem Sourceanschluss zwischen dem besagtem ersten Gateanschluss und dem besagtem Sourceanschluss angelegt wird.