-
Die
Erfindung betrifft das Einstellen der Eingangsimpedanz aktiver Bauteile,
die einen differenziellen Eingang haben. Typische derartige aktive
Bauteile sind bestimmte Verstärker
und Mischer, die im Hochfrequenz- und im Zwischenfrequenzteil eines Funkgeräts verwendet
werden.
-
Insbesondere
werden in Aufbauten mit integrierten Schaltkreisen die aktiven Bauteile
von Funkgeräten,
wie zum Beispiel Verstärker
und Mischer oft als differenzielle Bauteile hergestellt, was bedeutet, dass
der aktive Bauteil zwei Eingänge
und zwei Ausgänge
hat, wobei das Eingangssignal eine variable Spannung zwischen zwei
Eingängen
ist, und das Ausgangssignal eine variable Spannung zwischen zwei
Ausgängen
ist. Eine Alternative zu dem differenziellen Bauteil ist ein Bauteil
mit einem einzigen Eingang und einem einzigen Ausgang, wobei das
Eingangssignal eine variable Spannung zwischen dem Eingang und einem
festgelegten Erdpotenzial ist, und das Ausgangssignal eine variable
Spannung zwischen dem Ausgang und einem festgelegten Erdpotenzial
ist. Ein Vorteil des differenziellen Aufbaus besteht insbesondere
darin, dass in der Leistung des Bauteils weniger Schwankungen auftreten,
die durch das Herstellungsverfahren verursacht werden. In der Signalausbreitungsrichtung
kann sich zum Beispiel vor dem aktiven differenziellen Bauteil eine
Symmetrieschaltung, ein Verstärker,
ein Filter oder ein Mischer befinden.
-
1 zeigt
einen typischen differenziellen Verstärker 100 des früheren Stands
der Technik, der Eingänge
RF+ und RF– hat,
versehen mit Entkopplungskondensatoren, und Ausgänge OUT1 und OUT2. Zwei Transistoren
Q1 und Q2 wirken als Verstärkungsbauteile;
die positive Betriebsspannung Vcc wird zu ihren Kollektoren über Kollektorwiderstände RC geliefert,
und ihre Sender sind über
Senderwiderstände
RE und eine Konstantstromquelle Idiff mit dem Erdpotenzial verbunden.
Zusätzlich
zu dem Ausgangssignal wird zu beiden Transistorsockeln über Vorspannwiderstände Rb eine
Vorspannung Vb geliefert, um die Transistoren Q1 und Q2 auf den
korrekten Betriebspunkt vorzuspannen. Das Ausgangssignal wird dann
an den Kollektoren der Transistoren Q1 und Q2 abgenommen.
-
Beim
Betrieb eines Verstärkers
gemäß 1 entsteht
ein Problem durch seine Ausgangsimpedanz. In der Signalausbreitungsrichtung
befindet sich meistens ein Filter (in der Figur nicht gezeigt) vor dem
Verstärker,
wobei das Filter direkt einen differenziellen Ausgang haben kann,
oder sein nicht differenzieller Ausgang kann mit einer so genannten
Symmetrieschaltung dupliziert werden, bevor er an die Eingänge des
Verstärkers
angeschlossen wird. Der Frequenzgang des Filters hängt von
der Eingangsimpedanz des Bauteils ab, an welches das Signal von dem
Filter geliefert wird. Die Eingangsimpedanz des Verstärkers, der
in der Figur gezeigt ist, ist als solche sehr hoch, das heißt in der
Größenordnung
von Megaohm. Um ein korrektes Funktionieren des Schaltungsaufbaus
zu erzielen, der aus dem Filter und dem Verstärker in Serie mit diesem gebildet
wird, muss die Eingangsimpedanz des Verstärkers auf einen Wert angepasst
werden, der einige Zehner und maximal Hunderter von Ohm beträgt. 50 Ohm
wurde für
Impedanzen zwischen Funkbauteilen zu einer Art von Standard, in
Abhängigkeit
von den Details des Filteraufbaus kann jedoch ein geeigneter Wert
der Eingangsimpedanz zum Beispiel auch 100 oder 200 Ohm betragen.
-
Eine
einfache Art und Weise, die Eingangsimpedanz des Verstärkers gemäß 1 auf
200 Ohm einzustellen, besteht darin, 100 Ohm als den Wert der beiden
Vorspannwiderstände
Rb auszuwählen.
Eine andere gewöhnliche
Art und Weise zum Einrichten der Eingangsimpedanz des Verstärkers gemäß 1 besteht
darin, dass ein Widerstand mit einem Widerstand gleich der gewünschten
Eingangsimpedanz zwischen den Eingängen RF+ und RF– angeschlossen
wird. Ein Nachteil dieser Lösungen besteht
jedoch darin, dass sie die Rauscheigenschaften des Verstärkers beeinträchtigen
können.
-
2 zeigt
eine fortschrittlichere Lösung,
die so genannte Kollektorrückkopplung.
Bei dieser Lösung
wird das Signal, das von den Kollektoren der beiden Verstärkertransistoren
Q1 und Q2 abgenommen wird, an die Sockel der zusätzlichen Transistoren Q3 und
Q4 geliefert, und das Signal zu den Verstärkerausgängen OUT1 und OUT2 wird an
den Sendern der Transistoren Q3 und Q4 abgenommen. Die Transistoren
Q3 und Q4 werden mit der Betriebsspannung von der gemeinsamen Betriebsspannungsquelle
Vcc versorgt, und die Sender beider Transistoren sind über eine
eigene Konstantstromquelle Idiff3 und Idiff4 mit dem Erdpotenzial
verbunden. Von dem Sender des Transistors Q3 besteht eine Verbindung über den
Rückkopplungswiderstand Rfb
und einen Entkopplungskondensator zu dem Sockel des Transistors
Q2, und von dem Sender des Transistors Q4 besteht eine ähnliche
Verbindung zu dem Sockel des Transistors Q1. Die Eingangsimpedanz
kann durch Auswählen
der Werte der Rückkopplungswiderstände Rfb
in geeigneter Weise beeinflusst werden. Der Schaltungsaufbau gemäß 2 hat
im Allgemeinen eine hohe Verstärkung
und relativ gute Rauschmerkmale, aber eine schlechte Rückisolation.
Das zuletzt erwähnte
nachteilige Merkmal bedeutet, dass sich diese Oszillationen, wenn unerwünschte Oszillationen
zu dem Ausgang des Verstärkers
gekoppelt werden, zum Beispiel von einem Mischer (in der Figur nicht
gezeigt), der mit dem Verstärker
in Serie geschaltet ist, relativ leicht durch den Verstärker in
eine Richtung entgegengesetzt zu der des Signals ausbreiten, und
diese Oszillationen können
daher von dem Eingang des Verstärkers
zu anderen Teilen des Funkgeräts
gekoppelt werden und dort Störungen
verursachen (zum Beispiel in der Antenne).
-
3 zeigt
eine andere Art und Weise des früheren
Stands der Technik, um die Eingangsimpedanz eines Verstärkers anzupassen.
Der Schaltungsaufbau ist mit der 1 ähnlich,
aber das Eingangsignal wird nicht von den Eingängen RF+ und RF– zu den
Sockeln der Transistoren Q1 und Q2 geliefert, sondern zu den Sendern,
und die Sockel der Transistoren Q1 und Q2 sind unter einander verbunden,
wobei das Vorspannen mit einem Vorspannwiderstand Rb erfolgen kann.
Was die Hochfrequenzen betrifft, sind die Sockel der Transistoren
Q1 und Q2 über
den Entkopplungskondensator mit dem Erdpotenzial verbunden. Die
Eingangsimpedanz wird in der Hauptsache von dem Wert der Widerstände in Serie
Rin bestimmt. Der Schaltkreis gemäß 3 eignet
sich nur für
sehr niedrige Werte der Eingangsimpedanzen, denn seine Verstärkung G
ist immer kleiner als das Verhältnis
der Kollektorwiderstände
RC zu den Widerständen
in Serie Rin, oder G < RC/Rin.
Bei höheren
Werten der Eingangsimpedanz verstärkt die Schaltungsanordnung
gemäß 3 das
Signal nicht ausreichend.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schaltungsaufbau zu präsentieren,
mit dem eine gewünschte
Eingangsimpedanz eines differenziellen aktiven Bauteils erzielt
wird, ohne gleichzeitig andere Merkmale zu beeinträchtigen,
wie zum Beispiel die Rückisolation,
die Verstärkung,
die Rauschmerkmale und den Stromverbrauch.
-
Die
Aufgaben der Erfindung werden verwirklicht, indem eine Kreuzrückkopplung
zwischen den Transistoren des differenziellen Transistorpaars gebildet
wird.
-
Der
erfindungsgemäße differenzielle
aktive Bauteil, der einen ersten und einen zweiten Transistor umfasst,
und dessen differenzieller Eingang einen ersten Eingang und einen
zweiten Eingang umfasst, von welchen der erste mit dem Sockel des
ersten Transistors und der zweite mit dem Sockel des zweiten Transistors
verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kreuzrückkopplung
zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor besteht.
-
Die
Erfindung betrifft auch ein Funkgerät, das mindestens ein differenzielles
aktives Bauteil und ein zweites Bauteil vor diesem in die Richtung
der Signalausbreitung gesehen umfasst, wobei der differenzielle
Ausgang des zweiten Bauteils eine bestimmte Ausgangsimpedanz hat.
Das erfindungsgemäße Funkgerät ist dadurch
gekennzeichnet, dass zum Anpassen der Ausgangsimpedanz des differenziellen
aktiven Bauteils, so dass sie der Ausgangsimpedanz des Bauteils
vor diesem in die Signalausbreitungsrichtung gesehen entspricht,
zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor, die in dem
differenziellen aktiven Bauteil enthalten sind, eine Kreuzrückkopplung
besteht.
-
Die
Erfindung verwendet die Tatsache, dass das Signal am ersten Transistor
des differenziellen Transistorpaars in der entgegengesetzten Phase
im Vergleich zu der des zweiten Transistors ist. Der Sockel des
ersten Transistors in dem differenziellen Transistorpaar ist über einen
Rückkopplungswiderstand
mit dem Sender des zweiten Transistors verbunden, und der Sockel
des zweiten Transistors ist entsprechend über einen Rückkopplungswiderstand mit dem
Sender des ersten Transistors verbunden. Die Werte der Rückkopplungstransistoren
bestimmen die Eingangsimpedanz des Schaltungsaufbaus. Eine hohe
Verstärkung
wird erzielt, weil sie nicht von den gleichen Widerstandswerten
abhängt
wie die Eingangsimpedanz, aber sie kann mit Hilfe der Werte des
Kollektors und der Senderwiderstände
in dem differenziellen Transistorpaar ausgewählt werden. Was die Rauschmerkmale
betrifft, ist es bei der Erfindung vorteilhaft, dass der Strom,
der durch die Widerstände
zum Anpassen der Eingangsimpedanz bei Signalfrequenz läuft, zu
dem Ausgang hinzugefügt
wird und in dem Anpasswiderstand nicht verloren wird, wie bei Lösungen,
bei welchen der Anpasswiderstand direkt zwischen den Eingängen angeschlossen ist.
Die Rückisolation
ist gut, weil es keine Abkürzung zwischen
dem Ausgang und dem Eingang ähnlich wie
bei der Lösung
gibt, die in 2 gezeigt ist.
-
Die
Erfindung wird unten detaillierter unter Bezugnahme auf die bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben, die als Beispiele präsentiert sind, und auf die
anliegenden Figuren, in welchen
-
1 den
grundlegenden Schaltungsaufbau eines differenziellen Verstärkers zeigt,
-
2 eine
bekannte Art des Anpassens der Eingangsimpedanz zeigt,
-
3 eine
weitere bekannte Art des Anpassens der Eingangsimpedanz zeigt,
-
4 einen
erfindungsgemäßen Verstärker zeigt,
-
5 einen
erfindungsgemäßen Mischer zeigt,
und
-
6 ein
Beispiel für
die Lage der Erfindung in einem Funkgerät zeigt.
-
Oben
wurde auf 1 bis 3 in Zusammenhang
mit der Beschreibung des früheren
Stands der Technik Bezug genommen, während bei der Beschreibung
der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen in der Hauptsache
auf 4 bis 6 Bezug genommen wird. Die gleichen
Bezugszeichen werden für
entsprechende Bauteile in den Figuren verwendet.
-
4 zeigt
einen differenziellen Verstärker 400,
bei dem einige Bauteile ähnlich
sind wie die des Verstärkers 400 des
früheren
Stands der Technik, der in 1 gezeigt
ist. Der Verstärker 400 hat
Eingänge RF+
und RF–,
die mit Entkopplungskondensatoren versehen sind, und Ausgänge OUT1
und OUT2. Zwei Transistoren Q1 und Q2 wirken als Verstärkungsbauteile,
und die positive Betriebsspannung Vcc wird zu den Kollektoren über Kollektorwiderstände RC geliefert,
und ihre Sender sind mit dem Erdpotenzial über Senderwiderstände RE und
eine Konstantstromquelle Idiff angeschlossen. In diesem Fall, wie
auch bei anderen Schaltungsaufbauten, die in dieser Patentanmeldung
präsentiert
werden, können
die Transistoren Q1 und Q2 bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren
oder FET sein, GaAs-FET (Gallium Arsenid-FET), HBT (Heteroübergangseffekttransistoren),
HEMT (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit) oder entsprechende
Transistoren oder deren Darlingtonpaare. Zusätzlich zu dem Eingangssignal
wird über
die Vorspannwiderstände
Rb zu den Sockeln beider Transistoren Q1 und Q2 eine Vorspannung
Vb geliefert, um die Transistoren auf den richtigen Betriebspunkt
vorzuspannen. Das Ausgangssignal wird an den Kollektoren der Transistoren Q1
und Q2 abgenommen.
-
Erfindungsgemäß ist der
Sender des Transistors Q1 über
den Rückkopplungswiderstand
Rfb' und den Entkopplungskondensator
Cfb' mit dem Sockel
des Transistors Q2 verbunden und entsprechend ist der Sender des
Transistors Q2 über
den Rückkopplungswiderstand
Rfb' und den Entkopplungskondensator
Cfb' mit dem Sockel
des Transistors Q1 gekoppelt. Was die Eingangsimpedanz betrifft,
liegen die Rückkopplungstransistoren
Rfb' in der gleichen
Weise wie die Serienwiderstände
Rin in der Lösung,
die in 3 dargestellt ist. Es besteht jedoch ein Phasenunterschied
von 180 Grad zwischen den Signalen des ersten und des zweiten Transistors
in dem Paar differenzieller Transistoren, so dass, um die gleiche
Eingangsimpedanz zu erzielen, die Widerstände Rfb' in dem Schaltungsaufbau, der in 4 gezeigt
ist, den doppelten Wert verglichen mit dem Wert der Widerstände Rin,
die in 3 gezeigt sind, haben müssen (in 4 besteht
eine „virtuelle Erde" an dem Mittelpunkt
zwischen den zwei Widerständen
Rfb'). Die Verstärkung des
differenziellen Verstärkers,
der in 4 gezeigt ist, wird von dem Verhältnis RC/RE
bestimmt. Was die Rauschleistung betrifft, ist es von Vorteil, dass
der Strom bei der Signalfrequenz, der durch die Widerstände Rfb' fließt, zu dem
Ausgang des Verstärkers
hinzugefügt
wird. Was die Rückisolation
betrifft, ist der Schaltungsaufbau, der in 4 präsentiert
wird, der gleichen Größenordnung
wie der bekannte Schaltungsaufbau, der in 1 gezeigt
ist.
-
Für den Fachmann
ist es klar, dass die Eingänge
des Schaltungsaufbaus gemäß 4 auch zwischen
dem Rückkopplungswiderstand
Rfb' und dem Entkopplungskondensator
Cfb' verbunden werden
können,
was in 4 durch gestrichelte Linien gezeigt ist. Bei der
Signalfrequenz stellt der Entkopplungskondensator virtuell einen
Kurzschluss dar, so dass, was das Signal betrifft, der Punkt zwischen dem
Rückkopplungswiderstand
Rfb' und dem Entkopplungskondensator
Cfb' gleich dem
Sockel des Transistors ist. Entkopplungskondensatoren sind an den
Eingängen
nicht erforderlich, wenn der Bauteil, der an die Eingänge angeschlossen
ist, hinsichtlich des Gleichstroms erdfrei ist, und wenn er ein
geeignetes Potenzial hinsichtlich des Vorspannens hat; im letzteren
Fall sind auch die Vorspannwiderstände Rb nicht erforderlich.
-
Bei
dem Schaltungsaufbau, der in 4 gezeigt
ist, erzielt man eine gewünschte
Kombination der Verstärkung,
der Rauschleistung und der Eingangsimpedanz durch Auswählen entsprechender Werte
für die
Widerstände
RC, RE und Rfb' und
geeigneter Größen für den Strom
der Konstantstromquelle Idiff, für
die Betriebsspannung Vcc und für
die Vorspannung Vb, zum Beispiel durch Versuche. Die Entkopplungskondensatoren,
die in Serie mit den Widerständen
Rfb' angeschlossen
sind, sind nicht erforderlich, wenn es möglich ist, ein korrektes Vorspannen
für die
Transistoren Q1 und Q2 in irgendeiner anderen Art und Weise zu erzielen.
An Stelle der Widerstände
Rfb' kann man andere
Bauteile mit einer Impedanz verwenden, die im Wesentlichen nur einen Widerstand
bei den verwendeten Frequenzen umfassen. Ein induktiver oder kapazitiver
Blindwiderstand in der Rückkopplung
zwischen dem differenziellen Transistorpaar würde bewirken, dass die Eingangsimpedanz
des Verstärkers
stark von der Frequenz abhängt.
-
5 zeigt
einen erfindungsgemäßen Mischer 500,
der ein Hochfrequenzsignal mit der Zwischenfrequenz mischen soll.
Der untere Teil der Figur hat eine Schaltungstopologie, die dem
erfindungsgemäßen Verstärker ähnlich ist.
Ein Hochfrequenzsignal wird über
die Eingänge
RF+ und RF– zu
den Sockeln der Transistoren Q1 und Q2 geliefert und über die
erfindungsgemäßen Kreuzrückkopplungen
Rfb' auch zu den
Sendern der Transistoren, die mit dem Erdpotenzial über die
Konstantstromquelle Idiff verbunden sind. Das Vorspannen der Transistoren
Q1 und Q2 erfolgt wie üblich
mit der Vorspannung VbiasRF durch die Widerstände Rb1. Die Kollektoren der beiden
Transistoren Q1 und Q2 sind mit den Sendern ihrer eigenen differenziellen
Transistorenpaare Q5/Q6 und Q7/Q8 verbunden. Das lokale Oszillatorsignal
wird über
die Eingänge
LO+ und LO– und
die über
Entkopplungskondensatoren geliefert, welche mit den Eingängen, den
Sockeln der differenziellen Transistorpaare verbunden sind, so dass
der Eingang LO+ mit den Sockeln der Transistoren Q6 und Q7 und der
Eingang LO– mit
den Sockeln der Transistoren Q5 und Q8 verbunden ist. Das Vorspannen der
differenziellen Transistorpaare erfolgt mit der Vorspannung VbiasLO über die
Widerstände
Rb2. Die Betriebsspannung Vcc wird durch die Widerstände RC zu
den Kollektoren aller Transistoren Q5 – Q8 geliefert. An die Ausgänge IFOUT+
und IFOUT– wird das
Ausgangssignal geliefert, so dass das Signal zu dem Ausgang IFOUT+
an den Kollektoren der Transistoren Q5 und Q7 und der Ausgang IFOUT– an den Kollektoren
der Transistoren Q6 und Q8 abgenommen wird.
-
In
dem in 5 gezeigten Mischer wird die Eingangsimpedanz
des differenziellen Radiofrequenzeingangs erfindungsgemäß durch
die Werte der Widerstände
Rfb' in gleicher
Weise bestimmt wie die Eingangsimpedanz des erfindungsgemäßen Verstärkers, der
in 4 gezeigt ist. Die Eingänge können auch zwischen den Rückkopplungswiderständen Rfb' und den Entkopplungskondensatoren
Cfb', die an diese
angeschlossen sind, angeschlossen werden, was durch gestrichelte
Linien gezeigt ist.
-
6 zeigt
einen Teil eines Funkgeräts
mit einer Antenne ANT und einem Duplexfilter DPLX, das daran angeschlossen
ist, wobei das Filter funktioniert, um die Signale, die von der
Antenne mit der Empfangsfrequenz empfangen werden, zu dem Empfangsteil
des Funksgeräts
zu lenken, und die Übertragungsfrequenzsignale,
die von dem Übertragungsteil
des Funksgeräts
erzeugt werden, zu der Antenne. Der Übertragungsteil des Funkgeräts kann gemäß dem früheren Stand
der Technik beschaffen sein, und in der Figur ist er nur durch den
Leistungsverstärker
PA dargestellt, wobei die gestrichelte Linie von rechts her alle
anderen bekannten Teile des Übertragungsteils
des Funkgeräts
darstellt. In dem Empfangsteil des ersten Bauteils befindet sich
ein rauscharmer Verstärker
LNA, der bei der in der Figur gezeigten Ausführungsform ein als solcher
bekannter Verstärker
des früheren
Stands der Technik ist. Sein Ausgang kann ein einpoliger oder ein
differenzieller Ausgang sein, der in der Figur durch eine zweite Verbindung
dargestellt ist, die in einer gestrichelten Linie zu dem Filter
nach dem rauscharmen Verstärker
LNA eingezeichnet ist. In der Figur wird angenommen, dass der Ausgang
des Filters 601 differenziell ist, wobei der Verstärker 602 nach
dem Filter ein erfindungsgemäßer Verstärker sein
kann. In gleicher Weise kann der Mischer 603 ein erfindungsgemäßer Mischer
sein, mit dem das Hochfrequenzsignal, das sich in dem Empfangsteil
ausbreitet, mit der Zwischenfrequenz gemischt wird, die von dem
lokalen Oszillator LO bestimmt wird. Das Zwischenfrequenzsignal
des Mischers 603 wird zu den anderen als solche bekannten
Teilen des Empfangsteils des Funkgeräts geliefert, was in der Figur
durch die gestrichelten Linien, die nach rechts laufen, dargestellt
ist.
-
6 schränkt die
Anwendung der Erfindung nicht auf ein Funkgerät ein, die Erfindung kann auch
auf andere Teile des Funkgeräts
angewandt werden, in welchen ein bestimmter aktiver Bauteil einen
differenziellen Eingang hat. Dank der Erfindung besteht keine Notwendigkeit,
getrennte Schaltungsaufbauten zum Impedanzanpassen in dem Funkgerät zwischen
dem differenziellen aktiven Bauteil und dem Bauteil vor ihm zu verwenden,
was an Raum und Herstellungskosten spart. Dank der Erfindung ist die
Rauschleistung des Funkgeräts
ferner besser, und der Stromverbrauch ist geringer als bei Funkgeräten des
früheren
Stands der Technik.