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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Breitbandverstärkerschaltung.
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Die
Erfindung findet in der Fabrikationsindustrie von schnurlosen und/oder
festangeschlossenen Empfangs- und/oder Sendegeräten für Telekommunikation Anwendung.
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Ein
Breitbandverstärker
ist bereits bekannt aus der Veröffentlichung:
IEEE JOURNAL OF SOLID STATE CIRCUITS, VOL. SC-16, Nr. 6, DEZEMBER 1981, „A GaAs
Monolithic Low-Noise Broad-band Amplifier", John A. ARCHER, Herbert P. WEIDLICH et
alii.
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Diese
Veröffentlichung
beschreibt einen Breitbandverstärker,
der eine in GaAs monolithisch integrierte Schaltung bildet. Diese
Verstärkerschaltung
umfasst zwei Stufen, die jeweils einen Verstärkertransistor und einen Ladetransistor
aufweisen. Die Transistoren sind in Abwesenheit einer Gate-Source-Polarisation
alle vom normal durchlässigen
Typ. Die Ausgleichsspannung hängt
stark von der Similarität
der Verstärker- und Ladetransistoren ab,
weshalb die besagten Transistoren in jeder Stufe identisch und mit
einer Gate-Source-Spannung gleich Null polarisiert bissind. Zu diesem
Zweck ist einerseits die Source der Verstärkertransistoren mit der Masse
verbunden, ihr Gate über
einen Widerstand mit der Masse verbunden, und andererseits sind
die Source und das Gate der Ladetransistoren miteinander und mit
dem Drain der Verstärkertransistoren
verbunden. Diese Schaltung enthält
außerdem in
jeder Stufe einen zwischen dem Drain und dem Gate des Verstärkertransistors
der besagten Stufe angeschlossenen Gegenreaktionsverstärker. An
dieser Schaltung wurde festgestellt, dass die am Drain jedes Verstärkertransistors
verfügbare
Spannung extrem empfindlich gegen die paarweise Anordnung der Verstärker- und Ladetransistoren
war, woraus ein Problem sich stellt, wenn die Schaltung in großer Serie
gefertigt werden muss, denn unter diesen Bedingungen sind die Charakteristika
der Transistoren generell dispergiert. Womit ein Risiko von Fabrikationsverlusten
verbunden ist.
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Ein
Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung mit
einer Breitband-Verstärkerschaltung,
die mehrere Probleme löst,
worunter:
unempfindlich gegenüber der paarweisen Anordnung von
Verstärker-
und Ladetransistoren zu sein, um in Vorrichtungen eingebaut werden
zu können,
die man in großer
Serie herstellt;
eine sehr große Gleichverstärkung zu
haben, um eine Polarisierung der Transistoren mit einfachen Polarisationsmitteln
zu ermöglichen;
einen
sehr flachen Frequenzgang zu haben.
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Der
Erfindung zufolge werden diese Probleme mit einer Vorrichtung mit
einer Breitband-Verstärkerschaltung
gelöst,
in der die Verstärkerschaltung mindestens
zwei Stufen mit Feldeffekt-Transistoren aufweist, mit als Verstärker geschalteten
unteren Transistoren und als Ladung geschalteten oberen Transistoren,
und in dem das Ausgangssignal einer bestimmten Stufe außer der
ersten Stufe über
einen Gegenreaktionszweig mit mindestens dem besagten oberen Transistor
der der besagten bestimmten Stufe vorhergehenden Stufe in Gegenreaktion
an seinen eigenen Eingang geleitet wird.
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Diese
Vorrichtung weist unter anderem die Vorteile auf, dass die Variation
der Leistung des Verstärkers
unter Berücksichtigung
der Temperatur im Vergleich zu den üblicherweise festgestellten
Variationen bei den bekannten Verstärkern extrem Schwach ist, und
dass die Variationen seiner Leistung unter Berücksichtigung der Dispersionen
der Charakteristika der Schaltungselemente während der Fabrikation sehr
geringfügig
sind.
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Es
wird hiernach eine Vorrichtung im Detail und in Bezug auf die beigefügten schematischen
Figuren beschrieben, von denen:
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1 und 2 respektive
ein erstes und ein zweites Beispiel von Verstärkerschaltungen zeigen;
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3 eine
Kurve der Leistung G und des Rauschfaktors B unter Berücksichtigung
der Frequenz F zeigt;
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4 eine
Telekommunikationsvorrichtung mit solch einer Verstärkerschaltung
eine zeigt.
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In
Bezug auf 1 weist in einer ersten als Beispiel
gegebenen Ausführungsform
eine Verstärkerschaltung 100 drei
in Serie geschaltete Verstärkerstufen
auf. Die drei Stufen enthalten respektive einen unteren Transistor
T1, T2, T3 und ein oberen Transistor T'1, T'2,
T'3, zwischen der
Masse und einer Gleichstrom- Versorgungsspannung
VDD angeordnet. Die Transistoren sind vom Feldeffekt-Typ mit jeder
der Elektroden von Gate, Source und Drain. Die besagten unteren
Transistoren T1, T2, T3 mit der Verstärkerfunktion sind vom Typ mit
der Bezeichnung N-OFF, undurchlässig
in Ermangelung von Gate-Source-Polarisationsspannung. Die besagten oberen
Transistoren T'1,
T'2, T'3 mit der Ladefunktion sind
vom Typ mit der Bezeichnung N-ON, durchlässig in Ermangelung von Gate-Source-Polarisationsspannung.
Der Unterschied des unteren und oberen Transistorentyps, wobei die
einen N-OFF und die anderen N-ON sind, ist ein bedeutendes technisches
Element der Erfindung.
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In
der Schaltung der 1 weist die erste Verstärkerstufe
den unteren Transistor N-OFF T1 auf, wobei die Source an der Masse
ist, das Gate bei Knoten INP über
eine Gleichstrom-Isolierkapazität C1
ein Wechselstrom-Eingangssignal erhält und das Drain bei Knoten 1 an
die Source des oberen Transistors N-ON T'1 angeschlossen ist. Dieser obere Transistor
T'1 N-ON, als Ladung
dienend, hat sein Drain an die Gleichstromversorgung VDD und seine
Source bei Knoten 1 an den Drain des unteren Transistors T1
angeschlossen. Zusätzlich
sind zwischen dem Drain 1, dem Gate und der Source als
Widerstandsbrücke
angeordnete Widerstände
R4, R5 an die Masse des unteren Transistors T1 angeschlossen, um die
Gate-Polarisation zu versichern.
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In
der Schaltung der 1 weist die zweite Verstärkerstufe
den unteren Transistor N-OFF T2 auf, wobei die Source an der Masse
ist, das Gate das Wechselstrom-Ausgangssignal
der ersten Stufe erhält,
das bei Knoten 1 verfügbar
ist, und das dem besagten Gate des unteren Transistors T2 über eine Drosselspule
L1 und eine Gleichstrom-Isolierkapazität C2 zugeführt wird.
Der obere Transistor T'2
dient als Ladung und hat sein Drain an die Gleichstromversorgung
VDD und seine Source an den Drain des unteren Transistors T2 über eine
Drosselspule L2 angeschlossen, die zwischen einem Knoten 2' zur Source des
Transistors T'2
und einem Knoten 2 zum Drain des Transistors T2 angeordnet
ist. Die Polarisationswiderstände
R6, R7 sind zwischen dem Drain 2, dem Gate und der Source
als Widerstandsbrücke
geschaltet an die Masse des unteren Transistors T2 angeschlossen,
um seine Gate-Polarisation zu versichern.
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Außerdem ist
ein Widerstand R1 zwischen der Source 2' des oberen Transistors T'2 der zweiten Stufe
und dem Gate des oberen Transistors T'1 der ersten Stufe angeschlossen. Womit
das Ausgangssignal der zweiten Stufe, das am Drain des unteren Transistors
T2 bei Knoten 2 verfügbar
ist, über
die besagte Drosselspule L2, den besagten Widerstand R1 und den
besagten oberen Transistor T'1
der ersten Stufe bei Knoten 1 zum Drain des unteren Transistors
T1 der ersten Stufe zurückgeführt wird.
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Dieser
obere Transistor T'1
der ersten Stufe hat dann teilweise eine Funktion der aktiven Ladung und
teilweise eine Funktion der Gegenreaktion. Einerseits ist dieser
obere Transistor T'1
Teil der Gegenreaktionsschleife mit L2 und R1, und andererseits bildet
er eine Ladung für
den unteren Transistor T1, einer von dem Ausgangssignal der bei
Knoten 2 verfügbaren
zweiten Stufe gesteuerten Ladung.
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In
der Schaltung der 1 weist die dritte Stufe den
unteren Transistor N-OFF
T3 auf, wobei die Source an der Masse ist, das Gate das Wechselstrom-Ausgangssignal der
bei Knoten 2 verfügbaren zweiten
Stufe erhält,
das dem besagten Gate des unteren Transistors T3 einerseits über die
besagte Drosselspule L2, die zwischen den Knoten 2 und 2' der zweiten
Stufe angeordnet ist, und andererseits über eine Gleichstrom-Isolierkapazität C3 zugeführt wird.
Der obere Transistor T'3
hat sein Drain an die Gleichstromversorgung VDD und seine Source
an den Drain des unteren Transistors T3 angeschlossen. Die Polarisationswiderstände R10,
R9 sind als Widerstandsbrücke
zwischen dem Drain 3, dem Gate und der Source an die Masse
des unteren Transistors T3 angeordnet, um seine Gate-Polarisation
zu versichern. Man bemerke die von der Tatsache gebildete Besonderheit,
das Signal von der dritten Stufe mittels der Drosselspule L2 in
Serie, anstatt einer Drosselspule zwischen Stufen wie L1 zu entnehmen.
Diese Besonderheit ermöglicht
den Erhalt eines flacheren Frequenzgangs für den Verstärker.
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Außerdem hat
der obere Transistor T'3
sein Gate direkt an seine Source angeschlossen, um für den unteren
Transistor T3 eine echte aktive Ladung, im üblichen technischen Sinne zu
bilden. Zusätzlich ist
zwischen dem Drain 3 des unteren Transistors T3 und dem
Gate des oberen Transistors T'2
ein Widerstand R1 angeschlossen. Das Ausgangssignal der dritten
Stufe, das am Drain des unteren Transistors T3 bei Knoten 3 verfügbar ist,
wird über
den besagten Widerstand R3 und den besagten oberen Transistor T'2 der zweiten Stufe
an das Drain des unteren Transistors T3 der zweiten Stufe bei Knoten 2 zurückgeführt.
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Dieser
obere Transistor T'2
der zweiten Stufe hat dann teilweise eine Funktion der Ladung und
teilweise eine Funktion der Gegenreaktion. Einerseits ist dieser
obere Transistor T'2
Teil der Gegenreaktionsschleife mit R3 und L2, und andererseits
bildet er eine Ladung für
den unteren Transistor T2, wobwi diese Ladung von dem Ausgangssignal
der bei Knoten 3 verfügbaren
dritten Stufe gesteuert wird. Das Gegenreaktionsverhältnis zwischen
der dritten und der zweiten Stufen ist nicht genau gleich 1, weil
dieses Gegenreaktionsverhältnis
von der Widerstandsbrücke
R3, R'3 gesteuert
wird, die einen Spannungsteiler bildet. Somit passt man unter Berücksichtigung der
Werte dieser Widerstände
das Gegenreaktionsverhältnis
an, um eine geeignete Unterbrechungsfrequenz für den Verstärker zu erhalten. Dagegen wird das
Gegenreaktionsverhältnis
der zweiten Stufe hinsichtlich der ersten Stufe derart gesteuert,
um die Ladung der ersten Stufe zu bewerkstelligen.
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Die
letzte Stufe T3 hat eine reine aktive Ladung, wenn man z. B. keine
vierte Stufe hat, um eine mit der dritten Stufe verbundene Gegenreaktion
zu bilden. Es ist für
die Funktionsweise der Verstärkerschaltung
vorteilhaft, mindestens eine Verstärkerstufe mit einer echten
aktiven Ladung zu haben, welche die Polarisationsspannung des Drains
des unteren Transistors der betreffenden Stufe und gleichzeitig die
der anderen Verstärkerstufen
vorgibt.
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In
einer allgemeinen Form der Erfindung hat eine Verstärkerschaltung
mindestens zwei aufeinanderfolgende Verstärkerstufen, wobei die zweite
Stufe eine mit der ersten Stufe verbundene Gegenreaktion bildet.
Somit haben in dem weiter oben beschriebenen Beispiel die zwei ersten
Stufen eine Ladung, die auch eine Rolle der Gegenreaktion hat. Die
Funktion einer solchen Gegenreaktionsschleife ist es, ein Signal
in Gegenphasigkeit, welches an dem Drain einer bestimmten Stufe
verfügbar
ist, an den Drain eines Transistors einer vorhergehenden Stufe zu
bringen, um dieses Signal an das Gate des besagten bestimmten Transistors
rückführen zu
können.
Somit wird dem Gate im Transistor der zweiten Stufe ein Signal vom
Drain des besagten Transistors in Gegenphasigkeit mit dem normalerweise
an dem besagte Gate ankommenden Signal zugeführt. Tatsächlich wird der Ausgang des
unteren Transistors T1 an seinem Drain bei Knoten 1 zum
Eingang des unteren Transistors T2 an sein Gate übertragen. Daraufhin wird das
Ausgangssignal des unteren Transistors T2 über den oberen Transistor T'1, der als Folgetransistor
dient, zum Eingang dieses selben Transistors T2 rückübertragen.
Bei seinem Durchlauf verstärkt
der untere Transistor T1 das an seinen Eingang INP gebrachte Signal,
verhält
sich aber nicht in Gegenreaktion. Tatsächlich wird die Gegenreaktion
dem Ausgang der ersten Stufe zugeführt. Eine solche Schaltung
bildet mindestens zwei Stufen T1, T'1 und T2, T'2 bzw. bildet einen Verstärker mit
flacher Leistung.
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Bei
der Bildung der Gegenreaktionen in der Verstärkerschaltung 100 kann
man eine in Hochfrequenz und Niederfrequenz unterschiedliche Gegenreaktion
vorsehen.
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Zu
diesem Zweck berücksichtigt
man die Tatsache, dass die Leistung des Verstärkers unvermittelt abnimmt,
wenn die Frequenz zunimmt, denn die Eingangsimpedanz, die gleich
einer Kapazität
ist, bildet einen Filter R-C mit den Ladungen. Mit der Berechnung
auf dem Fachmann bekannte präzise
Weise der Werte der verschiedenen Schaltungselemente erreicht man
die Beherrschung der Gegenreaktionswerte in den verschiedenen Stufen.
Dann ist es vorteilhaft, die Werte der besagten Elemente derart
vorzusehen, dass die Gegenreaktionen sind: stark in NF und weniger
stark in HF. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Verstärkerschaltung
in einem größeren Frequenzbereich
eine flachere Leistung zeigt. Zur Schwächung der Gegenreaktion in
HF ist es vorzuziehen, die Werte der Elemente für den Bau der Stufen zu berechnen,
in die das Gegenreaktionssignal nicht vollständig in Gegenphasigkeit, aber
mit einem anderen vorbestimmten Phasenunterschied, z. B. in 90°-Phasenverschiebung
kommt.
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In
der Schaltung der 1 ist das Gegenreaktionsverhältnis der
zweiten Stufe hinsichtlich der ersten nahe von 1 im Sinne der Abschwächung. Aber dieses
Verhältnis
von 1 ist kein reelles Verhältnis, denn
wenn dies nicht so wäre,
würde der
Verstärker keinerlei
Leistung zeigen, was nicht der Fall ist. Das Gegenreaktionsverhältnis zwischen
der ersten und der zweiten Stufe der 1 ist abhängig von
den Vorwärtswirkleitwerten
der oberen Transistoren T'1 und
T'2.
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Man
bemerke, dass der Widerstand R1 mit der Eingangskapazität des oberen
Transistors T1 einen Tiefpassfilter R-C bildet, der zur Verbesserung des
Frequenzbereichs abgestimmt ist. Andererseits sind die Drosselspulen
L1 und L2 auf die Eingangskapazitäten der unteren Transistoren
abgestimmt.
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In
Bezug auf 2 ist der Verstärker 100 mit flacher
Leistung der 1 derart verändert, dass der obere Transistor
der ersten Stufe in zwei Transistoren aufgeteilt ist, die mit ihren
Drains und ihren Sources zusammengeschaltet sind. Einer dieser zwei Transistoren
mit der Bezeichnung T1 ist genau wie der Transistor T1 der 1 angeordnet
und hat im Falle der Schaltung der 2 ausschließlich die Funktion,
sich an der weiter oben beschriebenen Gegenreaktion zu beteiligen.
Der zweite dieser beiden Transistoren mit der Bezeichnung T'1 hat ausschließlich eine
Funktion der Ladung und zu diesem Zweck ist sein Gate mit seiner
Source verbunden. Weiterhin sind in dieser Schaltung der 2 alle
unteren Transistoren eines zu den oberen Transistoren unterschiedlichen
Typs. Mit einer positiven Versorgung VDD sind die unteren Transistoren
vom Typ N-OFF und die oberen Transistoren vom Typ N-ON. Die Verwendung
einer positiven Versorgung VDD ist besonders vorteilhaft, wenn eine
Schaltung 100 in einer tragbaren oder schnurlosen, mit
Akkumulatoren versorgten Vorrichtung enthalten ist.
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In
der Schaltung der 2 ist das Gegenreaktionsverhältnis abhängig von
der Größe der Gegenreaktions-Transistoren
T'1. In einem vorteilhaften Beispiel
sind die Größen der
Transistoren T'1
und T''1 grundsätzlich gleich,
und in diesem Fall liegt das Gegenreaktionsverhältnis nahe von 0,5. Ein Vorteil der
Verstärkerschaltungen 100 der 1 und 2 ist,
dass die Gleichverstärkung
sehr groß ist,
etwa 10, was es ermöglicht,
die Polarisation der Stufen mit einfachen, aus Widerstandsbrücken gebildeten
Mitteln zu bewerkstelligen.
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Die
Schaltungen der 1 und 2 könnten mit
oberen und unteren Transistoren selben Typs funktionieren, aber
sie hätten
keine substantielle Leistung. In Bezug auf 3 hat die
Verstärkerschaltung 100 der 2 eine
flache Leistung G von ca. 35 dB zwischen einigen Hz und 3 GHz, und
ein Leistung von über
20 dB bis zu 5 GHz. Diese Schaltung hat einen schwachen und sehr
konstanten Rauschfaktor B innerhalb desselben Frequenzbereichs F.
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Eine
Verstärkerschaltung 100 wie
weiter oben beschriebenen ist in einer Telekommunikationsvorrichtung
enthalten. Als Beispiel zeigt die 4 eine Hochfrequenzvorrichtung,
die aufweist: einen Hochfrequenzfilter 99, der ein HF-Signal
von einer Antenne 98 erhält und zum Eingang INP des
Verstärkers 100 leitet;
die Verstärkerschaltung 100 hat
einen Ausgang mit der Bezeichnung OUT; und einen Mischer 101,
der am Eingang den Ausgang OUT des Verstärkers 100 und ein
Signal LO eines lokalen Oszillators 102 erhält und am
Ausgang eine Zwischenfrequenz IF ausgibt. Eine Vorrichtung mit solch
einer Verstärkerschaltung 100 hat
unter anderen Vorteile und unter Berücksichtigung der Frequenz und
unter Berücksichtigung
der Temperatur wenig Dispersionen und einen sehr konstanten Rauschfaktor.
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- VDD
- Gleichstrom-Versorgungsspannung
VDD
- INP
- Eingang
- OUT
- Ausgang
- RF
- HF,
Hochfrequenz
- IF
- Zwischenfrequenz
- LO
- Lokaler
Oszillator