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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verstärker und genauer gesagt, temperaturkompensierte Verstärker.
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Wie
in der Technik bekannt, werden Verstärker in einer breiten Vielfalt
von Anwendungen verwendet. Beispielsweise erfordern moderne drahtlose
Kommunikationseinrichtungen, etwa Zellulartelephone, Satellitenempfänger und
Rufeinrichtungen Verstärker
zum Hochverstärken
von sehr schwachen Signalen, welche von der Antenne her eintreten,
auf Pegel, welche in den Verarbeitungsschaltungen des nachfolgenden
Empfängers
verwertbar sind. Verstärker
werden auch in Sendern verwendet, um den Leistungspegel, der am
Ausgang der Nachrichterunodulationsschaltungen auftritt, auf Werte
anzuheben, welche für
die Übertragung über große Entfernung
geeignet sind.
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Es
ist im Stande der Technik bekannt, daß ein Problem bei vielen Verstärkern darin
besteht, daß sich ihre
elektrischen Eigenschaften ändern
und sich insbesondere ihr Verstärkungsgrad
mit der Umgebungstemperatur ändert.
Bei vielen Anwendungen ist eine Art von Temperaturkompensation erforderlich,
um einen empfindlichen Betrieb ohne Sättigungserscheinung zu ermöglichen.
Verschiedene Temperaturkompensationstechniken wurden vorgeschlagen.
Eine Technik, welche verwendet wird, sieht die Änderung des Betreiberstromes der
Transistoren, welche in dem Verstärker verwendet werden, in Abhängigkeit
von der Temperatur vor. Diese Technik ist zwar nicht kostspielig,
jedoch weniger erwünscht,
wenn Linearität
und die Rauschzahl von Wichtigkeit sind, da sich mit der Zeit der
Betreiberstrom genug ändert,
um den Verstärkungsgrad
zu ändern,
wobei die Rauschzahl und die Linearität sich verschlechtern. Die
DE 19 718 109 A1 beschreibt
einen Verstärker,
welcher zwei in Serie geschaltete Verstärkerstufen aufweist, von denen
jede eine Temperaturkompensationsschaltung mit einem Verstärkungsgradwähler besitzt,
um die betreffende Stufe mit einer bestimmten Änderung bezüglich des Verstärkungsgrades
zu versehen. Der Verstärkungsgradwähler bildet
eine Schaltung, welche einen Vorspannungsstrom an die jeweilige
Stufe liefert, wobei jede Stufe ein Transistor ist. Jeder Verstärkungsgradwähler wird
durch einen Mikroprozessor gesteuert, der dazu ausgebildet ist,
die Temperatur des jeweiligen Transistors zu messen und den Wert
des Vorspannungsstromes in Abhängigkeit
von einem gespeicherten Wert in einer Steuertabelle einzustellen,
wobei die gespeicherten Werte für "kalte" Temperaturen, normale
Temperatur und "heiße" Temperaturen unterschiedlich
sind.
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Eine
andere komplexe Technik besteht in der Installierung eines veränderlichen
Dämpfers
in der Verstärkerkette
aus einer Anzahl von in Serie geschalteten Verstärkerstufen und der Änderung
der Dämpfung
in Abhängigkeit
von der Temperatur. Während
diese Technik kostenaufwendiger ist als die Änderung des Betreiberstromes
der Transistoren, können
bessere Ergebnisse erzielt werden, da die Verstärkerstufen eine konstantere
Rauschzahl und einen konstanteren Sättigungspegel einhalten. Weiter
wird manchmal mehr als ein Dämpfer
benötigt,
um die Betriebsleistungspegel in der gesamten Verstärkerkette
innerhalb vernünftiger
Grenzen über
den Betriebstemperaturbereich zu halten. Neben den Kosten für die zusätzlichen
Dämpfer
müssen mehr
Verstärkerstufen
hinzugefügt
werden, um die Einfügungsverluste
der Dämpfer
auszugleichen. Weiter entstehen Nachführungsprobleme, wenn eine Verstärkerstufe
mehr oder weniger Verstärkungsgrad
als vorhergesagt aufgrund von Herstellungsabweichungen liefert,
was dann bedeutet, daß ein
Dämpfer
in derselben Verstärkerkette
für die
ordnungsgemäße Betriebsweise
des Systems auf den falschen Dämpfungspegel
eingestellt ist.
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Eine
noch komplexere Technik, welche in teueren Systemen eingesetzt wird,
besteht in der Verwendung von digital programmierten Dämpfungseinrichtungen.
Die Einstellungen dieser Dämpfer
werden zur Zeit der Herstellung einzeln durch Messung der Systemeigenschaften über die
Temperatur hin und durch Bestimmen der für einen ordnungsgemäßen Betrieb
des Systems notwendigen Einstellungen individuell festgelegt. Manchmal
wird selbst die Frequenz des Betriebes ebenfalls benötigt. Alle
diese Informationen werden in einem digital programmierbaren Speicher
(PROM) gespeichert und später
von einem digitalen Prozessor verwendet, wobei dieser als Ein gänge die
Umgebungstemperatur und die Frequenz des Betriebes und andere Systemvariablen
erhält,
um die richtige Dämpfungseinstellung
für den
Betrieb des Systems zu bestimmen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verstärker
geschaffen, wie er in dem anliegenden Anspruch 1 definiert ist,
worauf nun Bezug genommen sei.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die angeschlossenen abhängigen Ansprüche definiert.
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Durch
die verteilte Natur des Temperaturkompensationsschemas ändert sich
die Betriebseigenschaft der gesamten Verstärkerkette nicht stark gegenüber Raumtemperatur,
da die Änderungen,
welche auf der Basis von Stufe zu Stufe auftreten, klein sind und über die
gesamte Verstärkerkette
verteilt sind.
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Die
Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen
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1 ein
Blockschaltbild eines temperaturkompensierten Verstärkers gemäß der Erfindung
ist;
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1A ein
schematisches Schaltbild eines für
die Verwendung in den Verstärkern
nach 1 geeigneten Thermometers ist;
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1B ein
schematisches Schaltbild eines anderen Thermometers zeigt, der für die Verwendung
in dem Verstärker
nach 1 ausgebildet ist;
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2 ein
Diagramm der Verstärkungsänderung
abhängig
von der Temperatur des Verstärkers
nach 1 ohne Verstärkungsgrad kompensation
als Funktion von der Temperatur gemäß der Erfindung wiedergibt;
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3A bis 3D Kurvenverläufe sind,
welche die Beziehung zwischen der Verstärkungsgradänderung in jeder aus einer
Anzahl von Verstärkerstufen
in dem Verstärker
nach 1 als Funktion der Temperatur verdeutlichen, welche
durch die Thermometer der 1A oder 1B gemessen
wird;
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4 eine
Kurve ist, welche die Verstärkungsgradänderung
des Verstärkers
von 1 als Funktion der Temperatur zeigt, welche durch
die Thermometer nach den 1A und 1B gemessen
wird;
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5 ein
schematisches Schaltbild eine Beispiels einer der Verstärkerstufen
des Verstärkers
von 1 wiedergibt;
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6 ein
schematisches Schaltbild einer anderen Ausführungsform eines temperaturkompensierten Verstärkers gemäß der Erfindung
zeigt;
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7A bis 7D Kurven
wiedergeben, welche die Beziehung zwischen der Verstärkungsgradänderung
in jeder aus einer Anzahl aus Verstärkerstufen in dem Verstärker von 6 als
Funktion der Temperatur aufzeigen, welche durch die Thermometer
nach den 1A oder 1B gemessen
wird; und
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8 eine
Kurve darstellt, welche die Verstärkungsgradänderung des Verstärkers nach 6 als
eine Funktion der Temperatur angibt, welche durch den Thermometer
nach den 1A oder 1B gemessen wird.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
sei nun auf 1 Bezug genommen. Hier ist ein
temperaturkompensierter Verstärker 10 dargestellt.
Der Verstärker 10 ist
auf einem integrierten Schaltungschip 12 aus einem Halbleiter,
vorliegend beispielsweise Silizium oder Galliumarsenid, hergestellt,
und enthält
eine Anzahl von vorliegend beispielsweise sechs in Serie geschalteten
Verstärkerstufen 141 bis 146 .
Hier enthält
der Verstärker 10 eine
erste Stufe 141 (Stufe 1), die
bezüglich
der Rauschzahl optimiert ist, und eine letzte Stufe 146 (Stufe 6), welche bezüglich des
Leistungsausgangs und des Wirkungsgrades optimiert ist. Jede einzelne
des verbleibenden Teiles von Stufen 142 bis 145 (d.h., die Stufen 2, 3, 4 und 5)
hat einen Verstärkungsgewinn,
der in Entsprechung mit einem Steuersignal gewählt ist, welches zu der betreffenden
Stufe in der dargestellten Weise über Leitungen 161 bis 164 geführt wird.
Eine Temperaturfühlerschaltung 17,
d.h. ein Thermometer, beispielsweise in Serie geschaltete Dioden, wie
dies in 1A gezeigt ist, ist zur Messung
der Temperatur des Chips 12 über einen Bereich von Temperaturen
hin, vorliegend von –10°C bis +60°C und zur
Erzeugung eines Temperatursignals T auf der Leitung 20, welches
für die
gemessene Temperatur repräsentativ
ist, vorgesehen. Der Verstärker 10 enthält einen
Steuerabschnitt 22 mit einer Mehrzahl von Vergleichern 241 bis 244 .
Jeder der Vergleicher 241 bis 244 , beispielsweise ein Schmitt'scher Triggerkreis,
wird mit dem Temperatursignal T auf der Leitung 20, und
einem unterschiedlichen Temperaturschwellwertsignal T1 bis
T4 in der dargestellten Weise jeweils beaufschlagt.
Jedes der Temperaturschwellwertsignale T1 bis
T4 repräsentiert
eine unterschiedliche Temperatur in dem Bereich von Temperaturen.
Jeder der Vergleichen 241 bis 244 erzeugt das Steuersignal für eine entsprechende
des Teiles von Verstärkerstufen 142 bis 145 auf
einer jeweils entsprechenden der Leitungen 161 bis 164 , wie aus der Zeichnung ersichtlich
ist.
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Die
Verstärkungsgradveränderung
des Verstärkers 10 würde im einzelnen
hier, wenn sie durch den Steuerabschnitt 22 unkompensiert
bliebe, sich mit der Temperatur vermindern, wie beispielsweise in 2 gezeigt
ist. Es sei also bemerkt, daß der
Verstärkungsgrad
des Verstärkers 10 sich
hier –4,5
dB über
eine Betriebstemperaturbe reich von –10°C bis +60°C ändert. Um diese Verstärkungsgradänderung
zu kompensieren, wird der Verstärkungsgrad
jeder der vier Stufen 142 bis 145 (1) um –0,9 dB
gleichförmig über den
Betriebstemperaturbereich hin geändert.
Es sei auf die 3A bis 3D Bezug
genommen. Hier wird der Verstärkungsgrad
der Stufe 142 (Stufe 2)
um –0,9
dB bei einer Schwellwerttemperatur T1 von
+3°C geändert, der
Verstärkungsgewinn
der Stufe 143 (Stufe 3)
wird um –0,9
dB bei einer Schwellwerttemperatur T2 von
+17°C geändert, der
Verstärkungsgrad
der Stufe 144 (Stufe 4)
wird um –0,9
dB bei einer Schwellwerttemperatur T3 von +32°C geändert und
der Verstärkungsgrad
der Stufe 145 (Stufe 5)
wird bei einer Schwellwerttemperatur T4 von +46°C geändert. Genauer gesagt werden
diese Verstärkungsgrade
erhöht,
wenn sich die Temperatur über
die jeweilige Schwellwerttemperatur T1 bis
T4 ändert
und der Verstärkungsgrad
wird vermindert, wenn sich die Temperatur unter die jeweilige Schwellwerttemperatur
T1 bis T4 ändert, wie
in den 3A bis 3D dargestellt
ist.
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Es
sei nun auf 4 Bezug genommen. Die Gesamt-Verstärkungsgradänderung
von einem mittleren Wert über
den Betriebstemperaturbereich hin, ist hier dargestellt, wobei eine
Gesamtänderung
innerhalb von +0,5 dB liegt. Es sei bemerkt, daß die Verstärkungsgradänderung in dem kompensierten
Verstärker
umgekehrt proportional zur Anzahl der geschalteten Stufen ist, und
zwar gemäß folgender
Beziehung: Kompensierte Verstärkungsgradänderung je Stufe = Gesamte
Verstärkungsgradänderung/(Anzahl
von Stufen + 1)
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In
dem obigen Beispiel liefert, wie aus 4 zu ersehen
ist, jede Stufe 142 bis 145 eine Verstärkungsgradänderung von Maximum zu Minimum
von 0,9 dB oder von 0,45 dB Scheitelwert.
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Es
sei nun detaillierter auf 1 eingegangen.
Jede der Stufen 142 bis 145 ist im Aufbau identisch. Ein Beispiel
dieser Stufen, hier die Stufe 142 ,
ist im einzelnen in 5 dargestellt. Es sei zuerst
bemerkt, daß diese Verstärkerstufe 142 ein Verstärkerelement, hier einen Transistor
Q1 und Vorspannungswiderstände
R1 bis R4, Gleich stromsperrkondensatoren C1 und C2 und ein Paar
von in Serie geschalteten Rückkopplungswiderständen Rf/10
und Rf enthält.
Wie bekannt, ist der Verstärkungsgewinn
oder Verstärkungsgrad
des Verstärkungselementes
proportional zu dem Rückkopplungswiderstand.
Es ist anzumerken, daß hier
einer der Widerstände in
der Rückkopplung,
hier der Widerstand Rf/10 im Nebenschluß zu seinen Anschlüssen einen
Schalter 31 hat. Der Schalter 31 ist hier ein
Feldeffekttransistor (FET) Q2. Das Gate des Feldeffekttransistors
Q2 führt
durch das Steuersignal auf der Leitung 161 beaufschlagt.
Wenn die Temperatur T größer als
T1 ist, dann ist der Schalter 31 offen
und der Widerstand Rf/10 ist nicht mit dem Nebenschluß belastet,
so daß der
Gesamtwiderstand in der Rückkopplung
Rf+(Rf/10) ist. Wenn die Temperatur T kleiner als die Temperatur
T1 ist, wird der Schalter geschlossen, so
daß der
Gesamtwiderstand der Rückkopplung
Rf ist oder 10% geringer ist. Somit ist der Verstärkungsgrad
der Stufe 142 bei Temperaturen
von weniger als T1 0,9 dB geringer als bei
Temperaturen über T1.
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Es
sei nun auf 6 Bezug genommen. Hier ist ein
temperaturkompensierter Verstärker 10' gezeigt, bei
welchem jede Stufe 14'2 bis 14'5 des Verstärkers 10 mehr
als zwei Verstärkungszustände hat,
vorliegend drei Verstärkungszustände, wie
zu beschreiben ist. Der Steuerabschnitt 22' enthält vier Paare von Vergleichern,
nämlich 24'1 , 24''1 ; 24'2 , 24''2 ; 24'3 , 24''3 ; und 24'4 , 24''4 , wie
dies dargestellt ist. Jedes der vier Paare von Vergleichern arbeitet
in gleicher Weise. Betrachtet man den Verstärker 24'1 , so wird
dieser Verstärker 24'1 durch
das Signal auf der Leitung 20 beaufschlagt, welches für die Temperatur
T repräsentativ
ist, und durch ein Signal, welches für eine erste Schwellwerttemperatur,
nämlich T'1 ,
repräsentativ
ist. Der Ausgang des Vergleichers 24'1 erzeugt
ein Steuersignal auf der Leitung 16'1 , wie
dies in der Zeichnung gezeigt ist. Der Vergleicher 24''1 wird
durch das Signal auf der Leitung 20, welches für die Temperatur
T repräsentativ
ist und ein Signal beaufschlagt, welches für eine zweite Schwellwerttemperatur T''1 repräsentativ
ist. Der Ausgang des Vergleichers 24''1 erzeugt ein Steuersignal auf der Leitung 16''1 , wie
aus der Zeichnung ersichtlich.
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Genauer
betrachtet und auf die 7A bis 7D Bezug
nehmend ergibt sich, daß dann,
wenn die Umgebungstemperatur zunimmt, der Verstärkungsgrad der Stufe 142 (Stufe 2), wie in 7A dargestellt,
um –0,5
dB an der Schwellwerttemperatur T''1 von +5,2°C geändert wird. Somit hat die Stufe 142 (Stufe 2) entweder einen
Verstärkungsgradzustand
von 0 dB (keine Änderung
des Verstärkungsgrades),
einen verstärkungsgradkompensierten
Zustand von a+0,5 dB, oder einen verstärkungsgradkompensierten Zustand
von a+1,0 dB, wie dies dargestellt ist. In gleicher Weise wird der
Verstärkungsgrad
der Stufe 14'3 (Stufe 3) an der Schwellweritemperatur T'2 um
+0,5 dB geändert,
also bei der Schwellwerttemperatur von +13,3°C, und wiederum um +0,5 dB bei
der Schwellwerttemperatur T''2 von
+21,1°C,
wie in 7B dargestellt ist. Der Verstärkungsgrad
der Stufe 14'4 (Stufe 4) wird um +0,5 dB
an der Schwellwerttemperatur T'3 von +28,9°C geändert und
wieder um +0,5 dB an einer Schwellwerttemperatur T''3 von 36,7°C geändert, wie
dies in 7C dargestellt ist. Und der Verstärkuttgsgrad
der Stufe 14'5 (Stufe 5) wird um +0,5 dB
an einer Schwellwerttemperatur T'4 von +44,4°C und wiederum
um 0,5 dB an einer Schwellwerttemperatur T''4 von +52,5°C geändert, wie dies aus 7D ersichtlich
ist. Genauer gesagt werden diese Verstärkungsgrade bei den Temperaturzunahmen über die
Schwellwerttemperaturen T'1 bis T'4 erhöht und der
Verstärkungsgrad
wird vermindert, wenn sich die Temperatur unter die Schwellwerttemperaturen T'1 bis T'4 absenkt,
wie man aus den 7A bis 7D erkennt.
Der Gesamt-Verstärkungsgradfehler
ist in 8 gezeigt, wo weniger als 0,5 dB von Maximum zu
Minimum dargestellt sind. Es sei bemerkt, daß unter diesen Bedingungen
die kompensierte Verstärkungsgradänderung
durch folgenden Ausdruck gegeben ist: Kompensierte
Verstärkungsgradänderung
= Gesamt-Verstärkungsgradänderung/(Anzahl
der Verstärkungszustände)
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Es
sei bemerkt, daß zwar
die beiden Schalter je Stufe, die in dem Verstärker
10 (
6)
verwendet werden, vier Verstärkungszustände je Stufe
unter Verwendung eines digitalen Codierers erzeugen könnten, daß jedoch
hier ein solcher digitaler Codierer nicht verwendet wird und, wie
oben beschrieben, die Schaltungspunkte unterschiedliche Temperaturen
für jeden
Pegelsensor (d.h., Vergleicher) wie zuvor verwenden:
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Wenn
eine weitere Verminderung der kompensierten Verstärkungsgradänderung
erforderlich ist, ist es lediglich notwendig, die Anzahl von Verstärkungszuständen durch
Erhöhen
der Anzahl von Verstärkerstufen mit
Schaltern zu erhöhen
oder die Anzahl von Schaltern in einer Verstärkerstufe zu erhöhen oder
irgendeine Kombination hiervon vorzunehmen.
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In
anderen Ausführungsformen
kann beispielsweise ein digitaler Codierer verwendet werden, um mehr
Verstärkungszustände bei
einer mäßigen Erhöhung der
Komplexität
zu erhalten. Weiter kann das Chip verschiedene Arten von Verstärkern tragen,
so daß ein
Hochfrequenzverstärker
(RF), ein Zwischenfrequenzverstärker
(IF) und Basisbandverstärker
auf demselben Chip, wie dies beispielsweise in einem Verstärker vorgesehen
ist, zusammen mittels eines gemeinsamen Thermometers kompensiert
werden. Somit muß nur
ein Draht, welcher die detektierte Temperatur als Signal führt, durch
den Empfänger
Stufe um Stufe geführt
werden. Die Schaltungspunkte der Vergleicher sollten bei der Herstellung
sorgfältig
gewählt
und gesteuert werden, um die ordnungsgemäße Wirkungsweise des gesamten
Systems sicherzustellen. Der Thermometer sollte von Einheit zu Einheit
in hohem Maße
reproduzierbar sein. Das System, welches diese Temperaturkompensationsprinzipien
verwendet, soll gegenüber
kleinen Verstärkungsgradänderungen
tolerant sein, welche über
verhältnismäßig kleine
Temperaturbereiche hin auftreten.
