DE69933160T2

DE69933160T2 - Hochfrequenzverstärker

Info

Publication number: DE69933160T2
Application number: DE69933160T
Authority: DE
Inventors: Esko Järvinen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: EP0942524B1; FI105611B; US6052032A; EP1744448A1; DE69942880D1; DE69933160D1; EP1744448B1; FI980567A; FI980567A0; EP0942524A2; JPH11330866A; EP0942524A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenzverstärker mit einem Leistungstransistor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung, obwohl nicht notwendiger Weise, auf ein Bereitstellen einer Temperaturkompensation für den Leistungstransistor eines Hochfrequenzverstärkers.
Leistungstransistoren werden üblicherweise in vielen Hochfrequenz- („radio frequency" HF) Einrichtungen und den Schaltungen, die diese Umfassen, verwendet, die in zellularen Funktelefonen und in Sende-/Empfangseinheiten einer zellularen Funkstationen eingebaut sind. Oftmals verhält sich die Stabilität der Ausgangsleistung kritisch zu der ordnungsgemäßen Funktion der Einrichtung oder der Schaltung, nicht nur um einen fehlerfreien HF-Ausgangsleistungspegel zu gewährleisten, sondern auch um einen Schaden des Transistors selbst zu verhindern. Ein häufiger Grund einer Ausgangsleistungsinstabilität ist eine Schwankung der Betriebstemperatur des Leistungstransistors, die etwa aufgrund von Selbsterwärmung und Änderungen der Umgebungstemperatur entstehen kann.
Um zu gewährleisten, dass ein Leistungstransistor ein HF-Signal mit einer gewünschten Verstärkung verstärkt ist es notwendig, den Transistor auf einen geeigneten „Arbeitspunkt" vorzuspannen. In 1 wird ein einfacher Vorspannungsaufbau gezeigt, wobei ein zu verstärkendes HF-Signal RF_IN mit dem Eingang eines Leistungstransistors Q1 gekoppelt wird. Das verstärkte HF-Signal RF_OUT wird von dem Kollektor des Leistungstransistors erhalten. Ein Treibertransistor Q2 ist ebenfalls mit dem Eingang des Leistungstransistors Q1 gekoppelt, um den Leistungstransistor auf einen geeigneten Arbeitspunkt vorzuspannen. Jedoch tendieren Temperaturänderungen dazu, die Basis-Emitterspannungen sowohl des Leistungs- als auch des Treibertransistors zu ändern, wobei der Arbeitspunkt und damit die Verstärkung des Leistungstransistors Q1 geändert wird. Sofern der Emitterwiderstand Re hoch ist, tendiert eine Erhöhung der Verstärkung und des Kollektorstroms dazu, durch eine Abnahme der Basis-Emitterspannung ausgeglichen zu werden, was dem Transistor ein Maß von Stabilität einbringt. Jedoch führt ein hoher Emitterwiderstand zu einem hohen Leistungsverlust über diesen Widerstand, was die Effizienz des Verstärkers herabsetzt.
2 stellt einen modifizierten Leistungsverstärker dar, in dem eine typische Temperaturkompensationsvorspannungsschaltung eingebaut ist. Die Schaltung umfasst ein Paar von mit Dioden verbundenen Transistoren Q3, Q4, die zwischen der Basis des Treibertransistors Q2 und der Masse verbunden sind. Die zu Grunde liegende Funktionstheorie ist, dass der Spannungsabfall zwischen den beiden mit Dioden verbundenen Transistoren Q3, Q4 über die Basis-Emitteranschlüsse der Treiber- und Leistungstransistoren Q1, Q2 leitet, wobei der Basisstrom des Leistungstransistors im Wesentlichen gleich, und sein Arbeitspunkt stabil bleibt. Bei der Schaltung in 1 wird durch den Spannungsabfall über den Emitterwiderstand Re zusätzliche Stabilität bereitgestellt, obwohl dies wiederum dazu führt, die Effizienz des Verstärkers herabzusetzten.
Obwohl die Temperaturkompensationsschaltung in 2 weit verbreitet verwendet wird, ist sie nicht ideal. Zum Einen haben Schwankungen der Vorspannungsspannung Vbias, die gewöhnlich von einer gesteuerten Spannung (z.B. der Versorgungsspannung V_sup) erzeugt wird, einen maßgeblichen Effekt auf den Kollektorstrom Ic des Leistungstransistors Q1. Zum Zweiten muss der Spannungsabfall über das zuvor genannte nicht notwendigerweise den über die Basis-Emitteranschlüsse des Letzteren entsprechen, da die Basis-Emitterregionen der beiden mit Dioden verbundenen Transistoren Q3, Q4 nicht unter exakt den gleichen Bedingungen arbeiten wie der Leistungs- und Treibertransistor Q1, Q2 (zum Beispiel empfangen Sie nicht das HF-Eingangssignal), selbst wenn die Betriebstemperaturen aller vier Transistoren im Wesentlichen identisch sind. Dieses Problem wird durch Unterschiede zwischen den verschiedenen Transistoren erschwert, die aus möglicherweise großen Herstellungstolleranzen entstehen, selbst wenn die gesamte Schaltung auf einem einzigen Halbleiterchip integriert ist.
Die Veröffentlichung EP 634835 offenbart einen HF-Verstärker und einen Mixer, der eine Vorspannungsschaltung umfasst. In 5 der Veröffentlichung sind Leistungstransistoren Q1, Q2, ..., QN parallel verschaltet. Ein HF Signal wird diesen Transistoren zugeführt. Das verstärkte HF Signal wird im Ausgang 22 in 5 erreicht. Die Basis des Steuertransistors Q ist mit den Basen des Leistungstransistors verbunden. Die Vorspannung wird den Leistungstransistoren von einem Differenzverstärker über einstellbare Widerstände zugeführt. Der Differenzverstärker hat eine negative Rückkopplung durch den Steuertransistor Q. Daher spannt der Differenzverstärker ebenfalls den Steuertransistor Q vor.
Ein Gegenstand der Erfindung ist, einen Hochfrequenzverstärker bereitzustellen, der die zuvor genannten Nachteile beseitigt oder zumindest abschwächt. Diese und andere Gegenstände werden durch Bereitstellen eines zusätzlichen Steuertransistors, der so angeordnet ist, eine Stromdichte zu führen, die im wesentlichen identisch zu der ist, die durch den Leistungstransistor des Verstärkers geführt wird, und durch Bereitstellen eines Rückkopplungssignals zum Steuern der Vorspannung des Leistungstransistors erreicht.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Hochfrequenzverstärker bereitgestellt, der umfasst:
einen Leistungstransistor, der einen Eingang zum Empfangen eines zu verstärkenden Hochfrequenzsignals und einen Ausgang zum Bereitstellen eines verstärkten Hochfrequenzsignals hat;
einen Steuertransistor, der einen mit dem Eingang des Leistungstransistors gekoppelten Eingang hat, und wobei der Leistungstransistor und der Steuertransistor so konfiguriert sind, dass die durch die Transistoren fließenden Stromdichten im aktiven Zustand im Wesentlichen identisch sind;
einen Treibertransistor, der einen mit den Eingängen des Leistungs- und des Steuertransistors gekoppelten Ausgang zum Bereitstellen eines Steuervorspannungssignals an den Leistungs- und den Steuertransistor hat; und
einen Differenzverstärker, der einen mit einem Eingangssignal gekoppelten ersten Eingang und einen mit einem Eingang des Treibertransistors gekoppelten Ausgang zum Bereitstellen eines Treibersteuersignals an den Treibertransistor hat,
wobei der Steuertransistor einen Ausgang hat, der mit einem zweiten Eingang des Differenzverstärkers gekoppelt ist, wobei der Ausgabesteuertransistor dazu tendiert, dem Ausgang des Leistungstransistors zu folgen, und ein negatives Rückführsignal an den Differenzverstärker bereitstellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen ein Rückführsignal von dem Ausgang des Steuertransistors zu dem Differenzverstärker bereit, wobei das Signal dazu tendiert, den Ausgang des Differenzverstärkers und damit das Leistungstransistorvorspannungssteuersignal zu steuern, um den Leistungsverstärker auf einem im Wesentlichen konstanten Arbeitspunkt beizubehalten. Die Erfindung reduziert den Einfluss von Temperaturänderungen auf den Arbeitspunkt des Leistungsverstärkers.
Vorzugsweise umfasst die durch den Steuertransistor und den Differenzverstärker bereitgestellte Rückführungsschleife weiterhin eine Tiefpassfiltereinrichtung, die eingerichtet ist, den Effekt von am Ausgang des Steuertransistors auftretenden Hochfrequenzschwankungen aus dem negativen Rückführsignal zu beseitigen.
Der Leistungstransistor kann jegliche Konfigurationen besitzen. Eine bevorzugte Konfiguration besteht jedoch aus zwei oder mehr parallel gekoppelten Transistorelementen.
Vorzugsweise ist sowohl der Leistungs- als auch der Steuertransistor mit entsprechenden Basis- und Emitterwiderständen ausgestattet, wobei die Werte der Widerstände umgekehrt proportional zu dem aktiven Bereich der entsprechenden Transistoren sind.
Vorzugsweise ist der Differenzverstärker der Erfindung ein emittergekoppelter Differenzverstärker.
Vorzugsweise ist eine Stabilisierkapazität zwischen dem Eingang des Treibertransistors und dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers bereitgestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können ein Verstärkungssteuersignal umfassen, das mit dem Ausgang des Steuertransistors und dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers gekoppelt ist. Das Verstärkungssteuersignal kann dazu verwendet werden, das Treibersteuersignal, das dem Treibertransistor zugeführt wird, und damit das Vorspannungssteuersignal, das dem Leistungstransistor zugeführt wird zu variieren, wobei der Arbeitspunkt des Leistungstransistors variiert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Stabilisieren des Arbeitspunktes eines Hochfrequenz-Leistungstransistors bereitgestellt, der ein zu verstärkendes HF-Signal an einem Eingang von ihm empfängt und ein Verstärktes HF-Signal an einem Ausgang von ihm bereitstellt, wobei das Verfahren umfasst:
Koppeln eines Steuervorspannungssignals mit dem Eingang des Leistungstransistors und mit einem Eingang eines Steuertransistors;
Erzeugen eines Differenzsignals, das im Wesentlichen proportional zu der Differenz zwischen einem Ausgangssignal des Steuertransistors und einem Eingangssignals ist;
Koppeln des Differenzsignals mit einem Eingang eines Treibertransistors, wobei das Steuervorspannungssignal ein Ausgangssignal des Treibertransistors ist; und
Konfigurieren der durch den Leistungstransistor und dem Steuertransistor fließenden Stromdichten, dass diese im aktiven Zustand im Wesentlichen identisch sind.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie diese ausgeführt sein kann, wird nun als Beispiel Bezug auf die anhängenden Zeichnung genommen, in denen:
1 einen Hochfrequenzverstärker ohne Temperaturkompensation zeigt;
2 den Hochfrequenzverstärker aus 1 mit einer Temperaturkompensationsschaltung des Standes der Technik zeigt; und
3 einen Hochfrequenzverstärker aus 2 mit einer Temperaturkompensationsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Ein einfacher HF-Verstärker und eine bekannte Temperaturkompensationsschaltung wurden zuvor mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. 3 beschreibt eine verbesserte Temperaturkompensationsschaltung für einen HF-Verstärker, der einen Leistungstransistor Q1 und einen Treibertransistor Q2 umfasst. Während der Treibertransistor Q2 durch einen einzelnen n-p-n Bipolar-Anschluss-Transistor bereitgestellt wird, wird der Leistungstransistor durch einen Satz (die Anzahl m, wobei m zum Beispiel 48 sein kann) von n-p-n Bipolar-Anschluss-Transistoren (oder Transistorelemente) mit entsprechenden Emitter- und Basiswiderständen und HF-Eingangskoppelkapazitäten, die parallel verbunden sind, bereitgestellt. Dies wird durch den eingefügten Teil A in 3 dargestellt.
Die Temperaturkompensationsschaltung in 3 umfasst einen Steuertransistor Qc. Der Steuertransistor wird durch ein einzelnes n-p-n Bipolar-Anschluss-Transistorelement bereitgestellt, das im Wesentlichen identisch einem der Transistorelemente ist, die den Leistungstransistor Q1 bilden. Hierbei ist der aktive Bereich des Steuertransistors Qc um das 1/m-fache effektiver als der aktive Bereich des Leistungstransistors Q1. Dem Steuertransistor Qc wird ein Basiswiderstand Rb und ein Emitterwiderstand Re bereitgestellt, während dem Leistungstransistor Q1 ein Basiswiderstand Rb/m und ein Emitterwiderstand Re/m bereitgestellt wird. Der Kollektor des Steuertransistors Qc wird mit einer geregelten DC-Spannung Vreg über einen Kollektorwiderstand R1 verbunden.
Der Kollektor des Steuertransistors Qc wird ebenfalls mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers verbunden. Der Differenzverstärker umfasst ein Paar von emittergekoppelten Bipolar-Anschluss-Transistoren Qd1, Qd2, deren Kollektoren mit der eingestellten Spannung V_reg über entsprechende Kollektorwiderstände gekoppelt sind, und so angeordnet sind, eine Ausgangsspannung Vo an dem Kollektor des Transistors Qd1 bereitzustellen: Vo = A(V2 – V1)wobei V1 und V2 die Basisspannungen sind, die entsprechend an den Transistoren Qd1 und Qd2 anliegen, und A die Verstärkung des Differenzverstärkers ist. V1 wird von der eingestellten Spannung Vreg über ein Widerstandsteilernetzwerk erzeugt.
Die Ausgangsspannung Vo des Differenzverstärkers wird über einen Stabilisierwiderstand R2 mit der Basis des Treibertransistors Q2 gekoppelt, dessen Kollektor mit der Versorgungsspannung Vsup gekoppelt ist. Die Basis des Treibertransistors ist ebenfalls mit der Basis des Transistors Qd2 über eine Stabilisierkapazität C1 gekoppelt. Der Treibertransistor Q2 wird mit den Basen des Leistungs- und des Steuertransistors Q1, Qc über die entsprechenden Basiswiderstände verbunden, um ein Vorspannungssignal an beiden Transistoren bereitzustellen.
Aufgrund der relativen Skalierung des aktiven Bereiches, des Basiswiderstandes und des Emitterwiderstandes des Leistungstransistors Q1 und des Steuertransistors Qc werden die Basis-Emitter- und die Kollektor-Emitter-Stromdichten, die durch beide Transistoren fließen, im Wesentlichen die selben sein. Hierbei können Änderungen des Kollektorstroms des Leistungstransistors Q1, zum Beispiel auf Grund von Wärmeeffekten, die in dem Kollektorstrom des Steuertransistors Qc auftreten, erwartet werden, wobei sie um einen Faktor m abgeschwächt werden.
Angenommen, dass zum Beispiel die Temperatur des Leistungstransistors Q1 nach einiger Zeit des Betriebes steigt, was dazu führt, dass der Kollektorstrom und damit die HF-Verstärkung des Transistors steigt, wird von dem gewünschten Arbeitspunkt abgewichen. Der Kollektorstrom des Steuertransistors Qc steigt proportional an, was dazu führt, dass die Kollektorspannung des Transistors (aufgrund der Erhöhung des Spannungsabfalls entlang des Kollektorwiderstands R1) abnimmt. Da diese Kollektorspannung die Eingangsspannung V2 für den Differenzverstärker bereitstellt, sinkt die Ausgangsspannung Vo des Differenzverstärkers ab. Der Basisstrom, der dem Treibertransistor Q2 zugeführt wird, fällt anschließend ab, wobei die Vorspannungsströme abnehmen, die dem Leistungs- und dem Steuertransistor zugeführt werden, und die Verstärkung dieser Transistoren reduziert wird.
Der Steuertransistor und der Differenzverstärker verursachen hierbei das Bereitstellen eines negativen Rückführsignals an den Treibertransistor Q2, was dazu führt, Änderungen der Eigenschaften des Leistungstransistors Q1 auszugleichen, die ansonsten verursachen würden, dass die Verstärkung des Leistungstransistors übermäßig ansteigt. Die verschiedenen passiven Komponenten der Schaltung werden so ausgewählt, um einen korrekten Betrieb der Schaltung zu ermöglichen. Insbesondere werden der Stabilisierungswiderstand R2 und C1 so ausgewählt und angeordnet, um den Betrieb der Rückführschleife zu stabilisieren, und insbesondere um die Effekte von Hochfrequenzschwankungen zu beseitigen, die an dem Kollektor des Steuertransistors Qc auftreten, wobei immer noch gewährleistet wird, dass die Schaltung schnell auf Ausgangsveränderungen antwortet. Die Komponenten können zum Beispiel durch Verwenden von Computersimulationen ausgewählt werden.
Ein wichtiger und überraschender Vorteil der Schaltung in 3 ist, dass der Emitterwiderstand (Re/m), der dem Leistungstransistor Q1 zugehörig ist, im Vergleich zu bekannten Schaltungen, wie sie zum Beispiel in den 1 und 2 dargestellt werden, klein sein können, wobei allerdings der Widerstand der Bonddrähte, die die Emitter der Leistungstransistorelemente mit der Masse verbinden, oder auch parasitäre Widerstände ausreichend sein kann (um Strom-„sprünge" zu vermeiden). Dies liegt daran, dass ein hoher Temperaturkompensieremitterwiderstand nicht mehr benötigt wird. Die Schaltung in 3 führt zu einem reduzierten Leistungsverlust über den Emitterwiderstand und zu einer Verbesserung der Effizienz des Verstärkers.
3 veranschaulicht ebenso einen optionalen Verstärkungssteuereingang, bei welchem eine Verstärkungssteuerspannung Vpc dem Kollektor des Steuertransistors Qc über einen Widerstand R3 zugeführt wird. Die Spannung Vpc wird dazu tendieren, die Eingangsspannung V2 an den Differenzverstärker zu erhöhen, und gleichzeitig den durch den Treibertransistor Q2 bereitgestellten Vorspannungsstrom zu erhöhen. Dies wird die HF-Verstärkung des Leistungstransistors Q1 erhöhen. Die Schaltung in 3 kann mit diskreten Komponenten aufgebaut sein, wobei eine Integration auf einen einzelnen Halbleiterchip bevorzugt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebstemperatur der verschiedenen Komponenten, insbesondere die des Steuer- und des Leistungstransistors dazu tendiert, ausgeglichen zu werden. Eine bevorzugte Konfiguration beinhaltet das Anordnen der Transistorelemente des Leistungstransistors gemäß der „gemeinsamen-Schwerpunkt"-Geometrie („common centroid geometry") und das Anordnen des Steuertransistors direkt benachbart oder zwischen den Transistorelementen des Leistungstransistors.
Es wird von einem Fachmann verstanden, dass an dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die Erfindung angewendet werden, die Eigenschaften eines Leistungsfeldeffekttransistors (FET), wie etwa einem Metalloxid-Halbleiter FET (MOSFET) oder einem metallischen Halbleiter FET (MESFET), zu stabilisieren, wobei ein Satz von FET-Elementen parallel verbunden wird.
Eine Stabilisierung wird durch Verwenden eines Verstärkungssteuer-FET erreicht, der einen Teil einer negativen Rückführungsschleife bildet. Die Konfiguration und die Anordnung des Steuer-FET ist so, dass die Drain-Source-Stromdichte im Wesentlichen mit der des Leistungs FET identisch ist.

Claims

Hochfrequenzverstärker mit: einem Leistungstransistor (Q1), der einen Eingang zum Empfangen eines zu verstärkenden Hochfrequenzsignals und einen Ausgang zum Bereitstellen eines verstärkten Hochfrequenzsignals hat; einem Steuertransistor (Qc), der einen mit dem Eingang des Leistungstransistors (Q1) gekoppelten Eingang hat, und wobei der Leistungstransistor (Q1) und der Steuertransistor (Qc) so konfiguriert sind, dass die durch die Transistoren fließenden Stromdichten im aktiven Zustand im Wesentlichen identisch sind; einem Treibertransistor (Q2), der einen mit den Eingängen des Leistungs- und des Steuertransistors (Q1, Qc) gekoppelten Ausgang zum Bereitstellen eines Steuervorspannungssignals an den Leistungs- und den Steuertransistor (Q1, Qc) hat; und einem Differenzverstärker (Qd1, Qd2), der einen mit einem Eingangssignal gekoppelten ersten Eingang und einen mit einem Eingang des Treibertransistors (Q2) gekoppelten Ausgang zum Bereitstellen eines Treibersteuersignals an den Treibertransistor (Q2) hat, wobei der Steuertransistor (Qc) einen Ausgang hat, der mit einem zweiten Eingang des Differenzverstärkers (Qd1, Qd2) gekoppelt ist, wobei der Ausgang des Steuertransistors (Qc) dazu tendiert, dem Ausgang des Leistungstransistors (Q1) zu folgen, und ein negatives Rückführsignal an den Differenzverstärker (Qd1, Qd2) bereitstellt.
Hochfrequenzverstärker gemäß Anspruch 1, mit einer Tiefpassfiltereinrichtung (R2, C1), die eingerichtet ist, den Effekt von am Ausgang des Steuertransistors (Qc) auftretenden Hochfrequenzschwankungen aus dem negativen Rückführsignal zu beseitigen.
Hochfrequenzverstärker gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Leistungstransistor (Q1) aus zwei oder mehr parallel gekoppelten Transistorelementen besteht.
Hochfrequenzverstärker gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei sowohl der Leistungs- (Q1) als auch der Steuertransistor (Q2) mit entsprechenden Basis- (Rb/m, Rb) und Emitterwiderständen (Re/m, Re) ausgestattet ist, wobei die Werte der Widerstände (Rb/m, Rb, Re/m, Re) umgekehrt proportional zu dem aktiven Bereich der entsprechenden Transistoren (Q1, Qc) sind.
Hochfrequenzverstärker gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Differenzverstärker (Qd1, Qd2) ein emittergekoppelter Differenzverstärker ist.
Hochfrequenzverstärker gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Stabilisierkapazität (C1) zwischen dem Eingang des Treibertransistors (Q2) und dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers (Qd1, Qd2) bereitgestellt ist.
Hochfrequenzverstärker gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Verstärkungssteuersignal mit dem Ausgang des Steuertransistors (Qc) und dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers (Qd1, Qd2) gekoppelt ist.
Verfahren zum Stabilisieren des Arbeitspunktes eines Hochfrequenz-Leistungstransistors (Q1), der ein zu verstärkendes HF-Signal an einem Eingang von ihm empfängt und ein verstärktes HF-Signal an einem Ausgang von ihm bereitstellt, mit: Koppeln eines Steuervorspannungssignals mit dem Eingang des Leistungstransistors (Q1) und mit einem Eingang eines Steuertransistors (Qc); Erzeugen eines Differenzsignals, das im Wesentlichen proportional zu der Differenz zwischen einem Ausgangssignal des Steuertransistors (Qc) und einem Eingangssignal ist; Koppeln des Differenzsignals mit einem Eingang eines Treibertransistors (Q2), wobei das Steuervorspannungssignal ein Ausgangssignal des Treibertransistors (Q2) ist; und Konfigurieren der durch den Leistungstransistor (Q1) und den Steuertransistor (Qc) fließenden Stromdichten, dass diese im aktiven Zustand im Wesentlichen identisch sind.