FI116870B - Järjestely energian säästämiseksi lähettimessä sekä radiolaite - Google Patents

Description

Järjestely energian säästämiseksi lähettimessä sekä radiolaite

Keksintö koskee jäijestelyä energian säästämiseksi radiolaitteen lähe rankulutusta säätämällä. Keksintö koskee myös radiolaitetta, jossa on s jäqestely.

5 Pienikokoisten kannettavien radiolaitteiden, kuten matkapuhelimien, ti mahdollisimman vähän energiaa akun käyttöajan pidentämiseksi ja lär gelmien välttämiseksi. Puhelimen varustaminen lukuisilla lisätoimir osaltaan aihetta energian säästöön. Energian säästön kannalta tärkein ovat luonnollisesti ne, joissa energian kulutus on suhteellisen suuri. Täi 10 ta ovat erityisesti lähettimen radiotaajuiset vahvistimet. Vahvistimii väistämättä energiahäviöitä. Jos lähettimen lähetysteho olisi vakio, vah helppo suunnitella niin, että energiahäviöt olisivat suhteellisen pienet, missä lähetysteho on kuitenkin muuttuva, koska se pyritään asettama; sella arvoon, joka on juuri riittävä. Tarpeettoman suuret lähetystehot 15 häiriötason kasvua radioverkossa, mitä tietenkin vältetään. Tehon säätö jopa 50 dB. Ongelmana on tällöin häviötehon kurissa pitäminen käytet lähetystehoja.

Kuvassa 1 on lohkokaaviona esimerkki radiolähettimestä ja sinänsä tun .... aatteesta, miten vaikutetaan vahvistimien häviötehoon. Lähettimessä on • · ·

20 signaalin etenemissuunnassa lueteltuna modulaattori MOD, vahvistui dettävä vahvistin VGA (Variable Gain Amplifier), ohjainvahvistin D

• · · *;]/ suodin MFI, tehovahvistin PA, lähetyspuolen antennisuodin AFI ja a • · *··♦’ Tässä selostuksessa ja myös patenttivaatimuksissa käytetään lyhyyden : .* vuoksi mainitusta vahvistukseltaan säädettävästä vahvistimesta lyhei *** 25 Kvadratuuri-tyyppiselle modulaattorille tuodaan analogisiksi muutetut

signaalin osat I ja Q sekä paikallisoskillaattorista kantoaalto LO. VG

: radiolaitteen väylään bus, jonka kautta asetetaan ohjelmallisesti VGA:n :***: siten koko lähettimen lähetysteho. Teho vahvistimella PA on erillinen c ··· • fin Π1? A VaoVq fämSn eiiAiffaminön oamocm mJVrrtniiriJti 2 tuun maksimiarvoon. Kun tulosignaalin taso pienenee suurimmasta a virrat voidaan lähtötehon kannalta pitää ennallaan. Tämä merkitsee aatteessa tarpeettomia häviöitä vahvistimien sisällä. Pienentämällä 1 nennetään samalla näitä häviöitä» koska vahvistimen sisäisten kompo 5 ja jännitteen tulot pienenenevät. Lepovirtoja on vara pienentää sitä € pienempi on tulosignaalin taso. Lähettimen lähetysteho määräytyy ^ tuksesta, kuten edellä on mainittu. VGA:ssa on siis välillisesti infon tehosta. Tätä käytetään hyväksi sisällyttämällä VGA:hän ohjain- ja t en bias-virtalähde 130, jonka tulosignaali on sama kuin väylän ka 10 vahvistuksen säätöjännite. Vahvistuksen suuretessa bias-virta Ibias ka en. Ohjain vahvistimella DRA ja teho vahvistimella PA on kummall; virta, joka määrää vahvistimessa sen lepovirran.

Kuvassa 2 on esimerkki vahvistukseltaan säädettävästä vahvistimesi sisältyy tunnettu bias-virtalähde. VGA.han 200 kuuluu varsinainen 15 tämän säätöpiiri 220 ja bias-virtalähde 230. Varsinaisessa vahvistin^ polaarinen differentiaalipari Q21-Q22. Näiden transistorien emitterit < jättävälle signaalivirtalähteelle 211, jonka toinen virtanapa on kytkett simmäisen transistorin Q21 kollektori on kytketty suoraan käyttöjänn toisen transistorin Q22 kollektori ohjainvahvistimelle DRA, joka ei ι 20 Kun transistorien kantavirtoja ei oteta huomioon, virtalähteen 211 1 simmäisen kollektorivirran ij ja toisen kollektorivirran iout summa. Si * dettä 211 ohjataan vahvistimen tulosignaalilla vin. Toinen kollektori^ maila vahvistimen lähtösignaali. Ensimmäisen transistorin Q21 kan :T: vastuksen R21 kautta vertailujännitteeseen Vri ja toisen transistorin ( 25 tuksen R22 kautta säätöpiirin 220 lähtöön.

«n *· · • » · Säätöpiirissä 220 on operaatiovahvistin A21, tämän takaisinkytkenti * * ' - * * toinen ohj attava virtalähde 221, Operaatiovahvistimen ei-invertoiva tt vertailujännitteeseen Vr2 ja virtalähde 221 invertoivan tulon ja maar lähdettä ohjataan ulkoisesti vahvistuksen säätöjännitteellä Vq. Li tt« _ Λ , ..... .. . ^ 3

Bias-virtalahteessä 230 on operaatiovahvistin A22, jonka ei-inver tuodaan edellä mainittu vahvistuksen säätöjännite VG. Operaatiovali on kytketty n-kanava-fetin Qb hilalle ja fetin Qb lähde vastuksen R24 limaahan. Fetin lähteeltä on myös takaisinkytkentä operaatiovahv 5 toi vaan tuloon, mikä pakottaa vastuksen jännitteen säätöjännitteen > Tällöin fetin kanavassa kulkeva virta Id = Vq/R24, Fetin Qb nielu or virtalähteen 230 lähtöön. Ehtona fetin virralle tietenkin on, että lähtö ta kytketty käyttöjännitteeseen. Saman lähdön ja maan väliin on kytk kiovirtalähde 231, jonka virta on Ico. Lähtövirta eli bias-virta Ibias on 10 Id ja Ico summa. Kuvassa 2 esiintyy vain yksi bias-virta. Tämä jaetaa hovahvistimien kesken tai sillä ohjataan piiriä, joka antaa kaksi bias-1 on suhteellisen pieni ja se varmistaa, ettei bias-virta laske koskaan ai1 tumaan. Hyvin pieni bias-virta voisi aiheuttaa vahvistimen muuttum liksi, 15 Tässä selostuksessa viite "R" tarkoittaa sekä resistanssia että vastust ti a), jonka resistanssi on R. Termi "differentiaalipa!!" tarkoittaa tässi ja patenttivaatimuksissa kahta transistoria, joiden emitterit on kytket konaisemitterivirta jakautuu tällöin transistorien kesken tietyssä suhi kannoille tuodusta ohjauksesta.

20 Edellä kuvatun järjestelyn haittana on, että ohjain vahvistimen ja te . häviöiden säätö on kaukana optimaalisesta. Tämä johtuu siitä, että b : puvuus lähettimen vahvistuksesta on hyvin epälineaarinen. Oletetaan

.···* lanne, jossa lähetystehoa on pudotettava sen maksimiarvosta 40 dB

• · · virtavahvistuksen Gj pienentämistä sadasosaan. Kuvan 2 VGA:ssa ' 25 sen pienentäminen sadasosaan arvosta 0,99 arvoon 0,01 tapahtuu, kui • · ψ : tä VG pienennetään esimerkiksi puoleen, jolloin tämän suhdeluku on arvo riippuu piirin yksityiskohtaisesta toteutuksesta, lähinnä vertailuji linnasta. Joka tapauksessa säätöjännitteen suhdeluku on paljon piene vistuksen suhdeluku. Ohjainvahvistimen ja tehovahvistimen bias-vin ··· An - , - „ ..... . ___ 4 omaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 9. Ke edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuki

Keksinnön perusajatus on seuraava: Lähettimen vahvistimien häviön seksi niiden lepovirrat tehdään riippuviksi lähetystehosta. VGA:ssa < 5 perus-differentiaalipari vahvistuksen säätöä varten ja bias-differenti; tujen lepovirtojen säätöä varten. Pareja ohjataan samalla jännitteen differentiaaliparin lähtövirta muuttuu samalla tavalla kuin perus-dif lähtövirta vahvistusta säädettäessä. Bias-differentiaaliparin lähtövirta hettimen vahvistimien bias-virtana, ts. virtana, joka määrää näiden 1 10 nitut differentiaaliparit sijoitetaan samalle substraatille.

Keksinnön etuna on, että lähetystoiminnan kannalta turhia häviöiti remmin kuin tunnetuissa lähetinrakenteissa. Tämä johtuu siitä, että v povirtojen arvot noudattavat tarkasti vahvistuksen arvoa tätä sääde lepovirrat ovat aina niin pieniä kuin mitä kulloinenkin lähetysteho ^ 15 lyttää. Lisäksi keksinnön etuna on, että turhien häviöiden estäminen myös vahvistimien dynamiikan ollessa laaja eli vahvistuksen sääti suuri. Tämä johtuu siitä, että lepovirtoja ohjaava bias-differentiaali perus-differentiaalipari/parit ovat toiminnallisesti tarkoin samanlaisi mistusprosessissa samalle substraatille muodostuksen vuoksi.

; ·*; 20 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa • * * siin piirustuksiin, joissa • #«* * ♦ · *·* “ kuva 1 esittää lohkokaaviona radiolaitteen lähetintä, »n • · • 4 kuva 2 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta VGA:sta, j< men vahvistimien bias-virtalähde, * » * 25 kuva 3 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta VGA:sta, jossa . vahvistimien bias-virtalähde, «·» 7 9 «««« 5 män säätöpiiri 320 ja bias-virtalähde 330. Varsinainen vahvistin 310 samanlainen kuin kuvan 2 vahvistin 210. Siinä on bipola differentiaalipari Q31-Q32, jonka emitterit on kytketty signaali viri jota ohjataan vahvistimen tulosignaalilla v,n. Vahvistimen lähtösigi 5 transistorin Q32 kollektorivirta ioUt. Vahvistimen virtavahvistus G: -iin on lähteen 311 virta eli vahvistimen 310 kokonaisvirta. Ensimmäi: Q31 kanta on kytketty vertailujännitteeseen Vri ja toisen transistorin töpiirin 320 lähtöön.

Säätöpiiri 320 on samanlainen kuin kuvan 2 säätöpiiri 220. Kun sei 10 eli vahvistuksen säätöjännitettä VG suurennetaan, säätöpiirin lähtöjä see, jolloin myös virtavahvistus Gj kasvaa. Kun säätöpiirille tuleva t jännite Vr2 on valittu sopivasti, virtavahvistusta voidaan säätää lähes ;

Bias-virtalähde 330 käsittää differentiaaliparin Q33-Q34, jonka emittä vakiovirtalähteelle 331. Transistorin Q33 kanta on kytketty vertailuja] 15 ja toisen transistorin Q34 kanta säätöpiirin 320 lähtöön. Differentiaali ja Q33-Q34 on siis kytketty rinnan siten, että ne saavat saman ohja transistorin Q34 kollektorivirta Iu muuttuu samassa suhteessa kuin vi vistimen 310 lähtövirta ioUt ja virtavahvistus Gj tätä säädettäessä. Kun rentiaaliparit valmistetaan samassa prosessissa samalle substraatille, 20 tos noudattaa virtavahvistuksen muutosta erittäin tarkasti. Tarkkuus t :*: kun vahvistuksen säätöalue on useita kymmeniä desibelejä.

• » »Il \\/ Transistorin Q34 kuormana on MOSFET-tyyppinen (Metal Oxide ;

Field Effect Transistor) transistori M31. Bias-virtalähteessä 330 on M32 ja kolmas M33 MOSFET, jotka kumpikin muodostavat ns. virta : 25 MOSFETin M31 kanssa. Tämä merkitsee, että sekä toisen MOSFEl • » w

Ibii että kolmannen MOSFETin M33 virran Ibi2 suhde transistorin ( virtaan Iu pysyy vakiona. Virtaa Ibu käytetään ohjainvahvistimen DE ja virtaa Ibi2 tehovahvistimen PA bias-virtana. Kuvaan 3 on piirretty .***. mp.n osalta ftsimprVVi Ip.novirran nhiaiilrcpctn Tätä vartpn

Bias-virtaan Ibi2 summataan tehovahvistimessa pieni vakiovirta jo ei koskaan pääsisi liian lähelle nollaa.

6

Kuvassa 4 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta VGA:sta, joh hettimen vahvistimien bias-virtalähde. VGA:han 400 kuuluu nytk 5 vahvistin 410, tämän säätöpiiri 420 ja bias-virtalähde 430. Varsim 410 on tässä esimerkissä täysdifferentiaalinen. Siinä on kolme difi Transistorien Q41 ja Q42 muodostama ensimmäinen pari ja transi Q44 muodostama toinen pari on kytketty rinnakkain siten, että trans Q43 kannat on kytketty yhteen samoinkuin transistorien Q42 ja Q4Z 10 sistorien Q42 ja Q44 kollektorit on kytketty suoraan käyttöjännittee sistorien Q41 ja Q43 kollektorit on kytketty kuormaan, joka muodo vahvistimen tuloasteesta. Transistorin Q41 kollektorivirta i0i ja tr kollektorivirta i02 ovat vahvistimen 410 lähtösuureita. Ne ovat differe sen kollektorivirran kasvaessa vahvistimen tulosignaalin vin muutt 15 toinen pienenee.

Kolmannen differentiaaliparin muodostavat transistorit Q45 ja Q4 Q45 kollektori on kytketty ensimmäisen parin emittereille, joten tr virta iii on sama kuin ensimmäisen parin kokonaisvirta. Vastaava Q46 kollektori on kytketty toisen parin emittereille, joten transistori 20 on sama kuin toisen parin kokonaisvirta. Kolmatta paria ohjataan \ :losignaalilla Vjn, joka vaikuttaa transistorien Q45 ja Q46 kantojen väl :\j rin Q45 emitterin ja maan väliin on kytketty ensimmäinen lepovir transistorin Q46 emitterin ja maan väliin toinen lepovirtalähde 412.

* .···. liin on kytketty vastus Re, jolla vaikutetaan vahvistimen perusvahvist «* « f· · • « « : 25 Säätöpiiri 420 on kuvassa 4 esitetty vain symbolisena lohkona. Vahv jännite VG ohjaa vahvistinkytkentää, jolla on balansoitu different Lähdön ensimmäinen napa, jonka jännite on Vj, on kytketty transi „;j‘ Q43 rinnakkain oleville kannoille. Vastaavasti lähdön toinen napa, j( _____:__r\A^ · r\A a ^_____i «_ i_______- 7 lektorivirta. Transistorin Q47 kanta on kytketty säätöpiirin lähdön napaan ja transistorin Q48 kanta säätöpiirin lähdön toiseen virtalähteen differentiaalipari on siis kytketty varsinaisen vahvistim mäisen ja toisen parin rinnalle niin, että kaikki kolme paria saavat sa 5 AV. Tällöin bias-virrat 1^ ja h,2 muuttuvat samassa suhteessa kuin v: vistimen lähtövirrat i0i ja io2 sekä virtavahvistus tätä säädettäessä. Ki ferentiaaliparit valmistetaan samassa prosessissa samalle substraatilla muutokset noudattavat tässäkin tapauksessa virtavahvistuksen muuto kasti. Bias-virrat ohjaavat lähettimen teho vahvistimen ja tämän ohjj 10 lepovirtoja. Itse bias-virrat ovat tässäkin tapauksessa huomattavasti k] toja pienempiä häviöiden välttämiseksi bias-virtalähteessä 430.

Kuvassa 5 on esimerkki keksinnön mukaisesta radiolaitteesta. Radio hettimessä on keksinnön mukainen VGA 500 ja järjestely energian sä

Edellä on selostettu keksinnön mukaista vahvistinta. Keksintö ei rajo 15 lettuihin rakenteisiin; piiriratkaisut voivat vaihdella suurestikin. Virr rissa voi ohjain- ja tehovahvistimen lisäksi olla itse VGA samall; Keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa eri tavoin itsenäisen patentti asettamissa rajoissa.

• · « • « · « * f t « • ·» • · » · · • * » • e · ft *«· • i • · · ft • * · ♦ ft t • * • ft ♦ ·· • · • ft • ft * « « · ft • «ft# ft ft· • «

Claims (6)

1. 8 116870
2. 1. Järjestely energian säästämiseksi radiolaitteen lähettimessä, jor siä vahvistimia ovat ainakin VGA (300; 400) ja tehovahvistin (PA), on ainakin yksi perus-differentiaalipari (Q31-Q32; Q41-Q42, Q43-( 5 konaisvirta on järjestetty riippuvaksi VGA:n tulosignaalista 0 differentiaaliparin toisen transistorin kollektorivirta (iout; ioi, i02) c tösignaali sekä säätöpiiri (320; 420) perus-differentiaaliparin transist sen ohjauksen muuttamiseksi niin, että VGA:n virtavahvistus muuttu ohjaussignaalin (VG) muutoksia vastaavasti, joka järjestely käsittää 10 vistuksen mainitulla ohjaussignaalilla ohjattavan bias-virtalähteen (3 lähtö on kytketty mainitulle tehovahvistimelle tämän lepovirran teke vaksi virtavahvistuksesta ja siten lähetystehosta, tunnettu siitä, että mainittu bias-virtalähde käsittää bias-differentiz Q34; Q47-Q48), jonka transistorien kannat on kytketty perus-dif 15 transistorien kantojen rinnalle näiden parien ohjaamiseksi samalla oi (VGt; AV), ja bias-virtalähteen mainitun lähdön virta (fo) on jäijeste samassa suhteessa bias-differentiaaliparin sen transistorin (Q34; Q48 taa, jonka kanta on perus-differentiaaliparin mainitun toisen transisto Q43) kannan rinnalla.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jäijestely, tunnettu siii : :*· differentiaalipa!! ja perus-differentiaalipari ovat samalla substraatilla f·· i sähköisten ominaisuuksien yhtäläistämiseksi. * I t · » * » # V * 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siii virtalähteen lähtövirta (½) on järjestetty seuraamaan samassa s «« « : 25 differentiaaliparin transistorin (Q34; Q48) kollektorivirtaa virtapt jonka yksi transistori (M31) on bias-differentiaaliparin mainitun tra mana ja toisen transistorin (M33) virta on bias-virtalähteen lähtövirta, « « · ·"' 4. Patenttivaatimuksen l mukainen iäriestelv. tunnettu siitä, ett 9 pienempi kuin tehovahvistimen lepovirta (Idc) bias-virtalähteen (330; häviöiden vähentämiseksi.
4. 6. Patenttivaatimusten 3-5 mukainen jäijestely, tunnettu siitä, että povirran (Idc) riippuvuus bias-differentiaaliparin mainitun transistorin 5 rasta on olennaisen lineaarinen.
5. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jäijestely, jossa radiolaitteen lal lisäksi mainitun tehovahvistimen (PA) ohjainvahvistin (DRA), tunne bias-virtalähteellä on lisäksi toinen lähtö, jonka virta (Ibi) on järjestetty samassa suhteessa bias-differentiaaliparin sen transistorin (Q34; Q48) 1 10 taa, jonka kanta on mainitun toisen transistorin kannan rinnalla, joka to kytketty mainitulle ohjainvahvistimelle tämän lepovirran tekemiseks virtavahvistuksesta ja siten lähetystehosta.
6. 8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jäijestely, jossa VGA:n (400) (420) on differentiaalinen lähtö (Vt, V2), tunnettu siitä, että VGA:s 15 mainen ja toinen perus-differentiaalipari, jotka ovat rinnakkain siten, et rien ensimmäisten transistorien (Q41, Q43) kannat on kytketty säätöpi tiaalilähdön ensimmäiseen napaan, ja näiden parien toisten transistoriei kannat on kytketty säätöpiirin differentiaalilähdön toiseen napaan, ja losignaali (vin) on jäljestetty tuotavaksi kolmannelle differentiaaliparil 20 simmäisen transistorin (Q45) kollektori on kytketty ensimmäisen parin \'*i (Q41, Q42) emittereille ja toisen transistorin (Q46) kollektori on kytke •V : rin transistorien (Q43, Q44) emittereille. * · » • * :·*·, 9. Radiolaite (RD), jossa on jäijestely energian säästämiseksi sen • · \.Ie jonka radiotaajuisia vahvistimia ovat ainakin VGA (500) ja tehoval * · “* 25 VGAissa on ainakin yksi perus-differentiaalipari, jonka kokonaisvirta riippuvaksi VGA:n tulosignaalista ja toisen transistorin kollektorivirt * · · ··· * lähtösignaali sekä säätöpiiri differentiaaliparin transistorien keskinäisi muuttamiseksi niin, että VGA:n virtavahvistus muuttuu vahvistuksen ( ίο teessä bias-differentiaaliparin sen transistorin kollektorivirtaa, jonka ka differentiaaliparin mainitun toisen transistorin kannan rinnalla. 5