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    Ein Verstärker mit programmierbarer Verstärkung umfasst eine Transistoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Gegenkopplungswiderständen, wobei einem Gegenkopplungswiderstand ein Schalter zugeordnet ist, so dass durch Betätigen von Schaltern über eine Steuereinrichtung (19) die Gegenkopplungswiderstände (18) der Transistoreinrichtung (10) selektiv aktivierbar bzw. deaktivierbar sind. Damit wird ein breitbandiger Verstärker mit hoher Linearität implementierbar.
    公开号:DE102004007635A1
    申请号:DE200410007635
    申请日:2004-02-17
    公开日:2005-09-08
    发明作者:Horst Klein；Walter Zimmermann
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:H03G1-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf Verstärkerschaltungen und insbesondereauf breitbandige Verstärkerschaltungenmit hohen Dynamikeigenschaften und insbesondere auf Verstärker mit programmierbarerVerstärkung.
    [0002] Invielen Bereichen der Signalverarbeitung und insbesondere im Bereichder Videoverstärkerbesteht ein Bedarf nach einem Verstärker, der sehr breitbandigist. Typische Anforderungen füreinen Verstärkerim Videobereich liegen bei einem Übertragungsband von 50-860MHz. Solche Verstärkersollen zudem eine geringe Rauschzahl haben und außerdem einehohe Linearitätaufweisen. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass nichtlineare Mischproduktedes Verstärkersunter einem spezifizierten Schwellwert bleiben. Eine Kenngröße hierfür ist diesogenannte Intermodulation dritter Ordnung oder der sogenannte „ThirdOrder Intercept Point".
    [0003] Desweiteren ist einem solchen Breitbandverstärker in einer Eingangsstufez. B. eines Fernsehempfängerstypischerweise ein Mischer nachgeschaltet. Mischer haben meistenseinen bestimmten festgelegten Eingangsdynamikbereich. Dies bedeutet,dass der Mischer zum einen eine Minimalaussteuerung benötigt, alsoein Eingangssignal mit einer vorbestimmten Minimalleistung, damiter korrekt arbeitet. Noch einschneidender ist jedoch bei Mischern dieForderung, dass das Eingangssignal in den Mischer auf keinen Falleine vorbestimmte Maximalleistung bzw. einen vorbestimmten Maximalpegel überschreitendarf. Würdedas Eingangssignal in den Mischer, also das Ausgangssignal einesBreitbandverstärkerseinen zu hohen Pegel haben, also verstärkt der Verstärker zustark, so wird der Mischer übersteuert,was in unerwünschtenMischprodukten resultiert, die sogar zu einem Totalausfall des Systemsführenkönnen,jedoch zumindest das Signal/Rausch-Verhältnis hinter dem Mischer empfindlichreduzieren würden.
    [0004] TypischeLösungenfür dieseProblematik bestehen darin, einen Breitbandverstärker zu verwenden, der eineKettenschaltung von Einzelverstärkernaufweist, wobei der erste Verstärkerin der Kettenschaltung typischerweise eine geringe Rauschzahl hatund eine hohe Verstärkunghat, währendder letzte Verstärkerin der Kette eine geringe Verstärkungund damit auch eine hohe Rauschzahl hat, die jedoch wegen der großen Nutzsignalpegelnicht so stark ins Gewicht fällt.
    [0005] Damitwird die Anforderung nach minimalem Pegel für den Mischer sichergestellt,wenn die Gesamtverstärkungder Kettenschaltung aus Einzelverstärkern ausreichend hoch eingestelltwird.
    [0006] Umdie zweite Problematik zu beherrschen, also um sicherzustellen,dass der Mischer nicht übersteuertwird, wird einem solchen Verstärkerein schaltbares Dämpfungsgliednachgeschaltet, das je nach Ausgangssignal aus dem Verstärker mehroder weniger stark dämpft,um das Ausgangssignal der gesamten Verstärker/Dämpfungsglied-Anordnung miteinem Pegel zu erhalten, der in dem durch einen nachgeschaltetenMischer festgelegten zulässigen „Pegelkorridor" liegt.
    [0007] DieseSchaltung ist in mehrerlei Hinsicht problematisch. Die eine Seitebesteht darin, dass oftmals ein Signal zunächst verstärkt wird und dann, wenn derPegel zu groß ist,wieder gedämpftwird. Dies führtzu einer zweifachen Signalverarbei tung eines Signals, was zumindestim Hinblick auf das eingeführteRauschen problematisch ist, da jede Signalverarbeitung ein Rauschenin ein Signal einführt.Des weiteren müssendie in Kette geschalteten Verstärker sehrsorgsam entworfen werden, um hohe Linearitätsanforderungen erfüllen zukönnen.
    [0008] DieAufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbessertenVerstärkermit variabler Verstärkungzu schaffen.
    [0009] DieseAufgabe wird durch einen Verstärker gemäß Patentanspruch1 gelöst.
    [0010] Dervorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass einevariable Verstärkungvorteilhafterweise durch vorzugsweise integrierte Verstärker mitGegenkopplungseigenschaft realisierbar ist. Für Fälle, in denen eine hohe Verstärkung benötigt wird,wird der Gegenkopplungswiderstand reduziert, während für Fälle, bei denen eine kleinereVerstärkungbenötigtwird, der Gegenkopplungswiderstand erhöht wird, so dass die Verstärkung einesgegengekoppelten Verstärkersabnimmt. Hierzu umfasst eine Transistoreinrichtung, wie beispielsweiseein Differenzverstärkerarrayeine Mehrzahl von Gegenkopplungswiderständen, wobei einem Gegenkopplungswiderstandein Schalter einer Mehrzahl von Schaltern zugeordnet ist, wobeidie Verstärkungdes erfindungsgemäßen Verstärkers über dieMehrzahl von Schaltern variierbar ist. Durch eine Steuereinrichtung werdendie Schalter dann so angesteuert, um einen oder mehrere der Gegenkopplungswiderstände zu aktivieren,um eine gewünschteVerstärkungder Mehrzahl von verschiedenen Verstärkungen einzustellen. Das Aktivierenvon Gegenkopplungswiderständen,also das In-Betrieb-Setzen der Gegenkopplungswiderstände, sodass sie die Verstärkerschaltung beeinflussen,kann abhängigvon der Implementierung des Verstärkers auf verschiedene Artenund Weisen stattfinden. Eine Möglichkeitbesteht darin, eine Vielzahl von Verstärkerstufen mit verschiedenen odergleichen Gegenkopplungswiderständenparallel zu schalten, und jeder einzelnen Stufe, und damit jedemGegenkopplungswiderstand in einer einzelnen Stufe einen Schalterzuzuordnen, der, wenn er betätigtwird, dazu führt,dass die ausgewählteStufe der parallel geschalteten Stufen aktiviert wird, so dass derGegenkopplungswiderstand, der in dieser Verstärkerstufe sitzt, das Verhaltender gesamten Verstärkerschaltungbeeinflusst.
    [0011] Beidem bevorzugten Ausführungsbeispiel dervorliegenden Erfindung wird nur eine einzige Transistorstufe eingesetzt,die je nach Schalteraktivierung mit einem oder mehreren wählbarenGegenkopplungsstrukturen programmierbar verschaltet werden kann.
    [0012] Beidem bevorzugten Ausführungsbeispiel dervorliegenden Erfindung wird in der Transistoreinrichtung ein Differenzverstärkerkonzeptverwendet, wobei ein Differenzverstärker aus einer Transistorstufemit Lastwiderständen,einer gekoppelten Gegenkopplungseinrichtung und einer wiederum gekoppeltenStromquelleneinrichtung besteht. Je nach Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Verstärker dannnur eine einzige Transistorstufe, und durch Schalter betätigbareGegenkopplungseinrichtungen mit Gegenkopplungswiderständen, denenjeweils ein Schalter zugeordnet ist.
    [0013] Jenach Ausführungsformist jeder schaltbaren Gegenkopplungseinrichtung auch eine eigene Stromquelleneinrichtungzugeordnet. Sofern jedoch der benötigte Transistorstrom für alle Fälle gleich seinkann, genügtes lediglich, eine einzige Stromquelleneinrichtung zu verwendenund die Stromquelleneinrichtung überdie Mehrzahl von schaltbaren Gegenkopplungseinrichtungen mit denGegenkopplungswiderständenmit der einzigen Transistorstufe zu verbinden, um somit den Schaltungsaufwandtrotz gleichbleibender Schaltungskenngrößen zu reduzieren, was in vielenAnwendungen von besonderem Vorteil ist.
    [0014] Daserfindungsgemäße Konzeptist dahingehend vorteilhaft, dass keine „doppelte" Verarbeitung nötig ist, also zunächst eineVerstärkungund dann eine anschließendeDämpfung.Statt dessen wird nur mit dem Maß verstärkt, das tatsächlich benötigt wird. Dieswird durch die Verstärker-Programmierbarkeit erreicht.Damit erleidet das erfindungsgemäße Konzeptkeine Einbußeninsbesondere aufgrund von Rauschen durch die „doppelte" Verarbeitung, wie sie vorstehend ausgeführt wordenist.
    [0015] Einweiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dassdie Linearitätseigenschaftendes Verstärkersmit steigenden Gegenkopplungswiderständen immer besser werden. Diesbedeutet, dass dann, wenn die Eingangssignale bereits einen bestimmtenPegel haben, also nicht die maximale Verstärkung des Verstärkers benötigt wird,um nachfolgende Signalpegelanforderungen zu erfüllen, erfindungsgemäß die Verstärkung reduziertwird, wodurch gleichzeitig, also ohne zusätzlichen Aufwand, die Linearität des Verstärkers verbessertwird. Eine hohe Linearitätdes Verstärkersist jedoch insbesondere bei größeren Eingangssignalenvon hoher Bedeutung.
    [0016] Einweiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dassinsbesondere dann, wenn vorzugsweise auf ein Differenzverstärkerkonzept aufgebautwird, auch bei hohen Verstärkungeneine gute Linearitätbeibehalten werden kann, indem der durch die Stromquelleneinrichtungdefinierte Emitterstrom entsprechend dimensioniert wird. Für den Differenzverstärker insbesonderespezifisch ist die symmetrische Signalverarbeitung, die sich ineiner besserer Linearitätzweiter Ordnung äußert.
    [0017] Einweiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Entwurf ist die Eigenschaft,dass bei diesem Schaltungsdesign das Rauschen nur unterproportionalzur Dämpfungansteigt. Damit wird ein Gewinn im S/N (Signal to Noise ratio) erzieltEin weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dassdurch entsprechende (große)Dimensionierung der Gegenkopplungswiderstände auch ohne weiteres einenegative Verstärkungimplementiert werden kann, also eine Signaldämpfung, die dann von besonderemVorteil ist, wenn ein Eingangssignal erhalten wird, das bereitseinen Pegel hat, der oberhalb der Spezifikation einer nachgeschaltetenKomponente, wie beispielsweise eines Mischers, ist.
    [0018] BevorzugteAusführungsbeispieleder vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend aufdie beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
    [0019] 1 einBlockschaltbild des erfindungsgemäßen Verstärkers;
    [0020] 2 einedetaillierte Implementierung der Transistoreinrichtung gemäß einembevorzugten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0021] 3 einbevorzugtes Ausführungsbeispiel dervorliegenden Erfindung mit parallel geschalteten Differenzverstärkerstufen;
    [0022] 4 einealternative Ausführungsformmit einer Differenzverstärker-Transistorstufeund mehreren Gegenkopplungs/Stromquellen-Einrichtungen, die über Schalteraktivierbar sind;
    [0023] 5 einealternative Ausführungsformmit einer einzigen Transistorstufe und einer einzigen Stromquelleneinrichtungund mehreren durch Schalter aktivierbaren Gegenkopplungswiderständen;
    [0024] 6 eineweitere alternative Ausführungsformmit einer einzigen Stromquelleneinrichtung, einer einzigen Transistorstufeund verschiedenen, durch eine reduzierte Anzahl von Schaltern programmierbarenGegenkopplungseinrichtungen; und
    [0025] 7 eineweitere alternative Ausführungsformmit parallel geschalteten Verstärkernunterschiedlichen Typs gemäß der vorliegendenErfindung.
    [0026] 1 zeigteinen erfindungsgemäßen Verstärker. DerVerstärkerumfasst eine Transistoreinrichtung 10 mit einer Mehrzahlvon verschiedenen Verstärkungen,wobei die Transistoreinrichtung einen Eingang 12 für ein zuverstärkendesEingangssignal und einen Ausgang 14 für ein verstärktes Ausgangssignal aufweist.Die Transistoreinrichtung umfasst ferner eine Mehrzahl von SchalternS1, S2, S3, ..., Sn 16, über die die Verstärkung derTransistoreinrichtung 10 variierbar ist. Insbesondere umfasstdie Transistoreinrichtung 10 neben den Schaltern eine Mehrzahlvon GegenkopplungswiderständenRG1, RG2, RG3, ..., RGn 18, wobei einem Gegenkopplungswiderstandein Schalter der Mehrzahl von Schaltern zugeordnet ist, wie es anhandvon 1 zu sehen ist, in der beispielsweise der GegenkopplungswiderstandRG1 mit dem Schalter S1 kombiniert ist, und bei dem dem GegenkopplungswiderstandRGn der Schalter Sn zugeordnet ist. Damit ist es möglich, durchAktivieren/Deaktivieren des entsprechenden Schalters den Gegenkopplungswiderstand,der diesem Schalter zugeordnet ist, ebenfalls zu aktivieren bzw.zu deaktivieren, so dass der Gegenkopplungswiderstand die Verstärkung derTransistoreinrichtung signifikant im Vergleich zu dem Fall, beidem der entsprechende Gegenkopplungswiderstand nicht aktiviert ist,beeinflusst.
    [0027] Erfindungsgemäß wird derEffekt benutzt, dass durch einen hohen Gegenkopplungswiderstand einekleine Verstärkung,dafür abereine hohe Linearität,erreichbar ist, währenddurch einen vergleichsweise niedrigen Gegenkopplungswiderstand eine vergleichsweisegroßeVerstärkungaber auch eine vergleichsweise reduzierte Linearität einstellbarist.
    [0028] Damitwird ein in der Verstärkungschaltbarer integrierter Verstärkermit optimierten Eigenschaften bezüglich Rauschen und Linearität erreicht,um, wie es ausgeführtworden ist, einen großenEingangspegelbereich verarbeiten zu können.
    [0029] Nachfolgendwird Bezug nehmend auf 2 auf die vorliegende Erfindungdetaillierter eingegangen, die dann anhand der 3–7 inForm verschiedener Ausführungsbeispielenäher dargelegt ist.Zu Zwecken der nachfolgenden Betrachtung umfasst die Transistoreinrichtung 10 von 2 eine Transistorstufe 20,die mit einer Gegenkopplungseinrichtung 22 gekoppelt ist,welche wiederum mit einer Stromquelleneinrichtung 24 gekop peltist. Erfindungsgemäß umfasstdie Gegenkopplungseinrichtung 22 mehrere durch Schalteraktivierbare Gegenkopplungswiderstände, welche über voneiner Steuerung 19 erzeugbare Steuersignale auf einer Steuersignalleitung 21 ansteuerbarsind. Je nach Ausführungsformsind auch mehrere Transistorstufen oder Stromquelleneinrichtungenvorhanden, wobei bei speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindungauch verschiedene Stromquelleneinrichtungen 24 oder Transistorstufen 20 über dieSteuerleitung 21 aktiviert/deaktiviert werden können (wiees durch die in 2 gezeigten gestrichelten Steuerleitungendargelegt ist), um verschiedenen Eingangssignaleigenschaften gerechtzu werden, die übereine Eingangssignaleigenschaftsleitung 17 (1)der Steuerung 19 zugeführtwerden können.
    [0030] Nachfolgendwird anhand von 3 ein Verstärker mit programmierbarer Verstärkung PGA (PGA= Programmable Gain Amplifier) dargestellt. Der in 3 gezeigteVerstärkerumfasst mehrere parallel geschaltete Verstärkerstufen 30a, 30b, 30c, wobeijede Verstärkerstufeals Differenzverstärkerstufeausgeführtworden ist, derart, dass jede Verstärkerstufe einen ersten Eingang 12a,einen zweiten Eingang 12b, einen ersten Ausgang 14a undeinen zweiten Ausgang 14b aufweist. Die Differenzverstärkerstufe 30a umfasst,wie es anhand von 2 dargestellt worden ist, eineTransistorstufe, eine Gegenkopplungseinrichtung und eine Stromquelleneinrichtung.
    [0031] Derersten Transistorstufe, die die beiden Transistoren Tx1, Ty1 umfasst,sind ferner die LastwiderständeRLx, RLy oder je nach Anwendung auch Drosselspulen und der VersorgungsspannungsanschlussVcc zugeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispielsind alle Stufen 30a, 30b, 30c mit denselben Lastwiderständen undderselben Quelle Vcc verbunden. Je nach Anwendung können auchverschieden Widerständeund verschiedene Versorgungsspannungsquellen Vcc verwendet werden.
    [0032] DieGegenkopplungseinrichtung umfasst einen ersten GegenkopplungswiderstandRx1 und einen zweiten Gegenkopplungswiderstand Ry1, durch die diebeiden Transistoren der Transistorstufe mit einem gemeinsamen Knoten 31 verbundensind, in den, wie es in 3 gezeigt ist, der Arbeitsstromaus der Stromquelleneinrichtung fließt, welche aus dem StromquellentransistorTs1 und dem Stromquellen-Widerstand Rs1 besteht.
    [0033] Anden Stromquellentransistor Ts1 ist über einen Schalter TQ1 eineReferenzspannung anlegbar. Der Strom Is1 wird somit durch Uref,die Basis-Emitterschwelle von Ts1 und den Widerstand Rs1 bestimmt.Wie es in dem in 3 links oben gezeigten Kastendargestellt ist, kann überdie Höhedes Stroms Is1 die Linearitätder in 3 gezeigten Differenzverstärkerstufe 30a eingestelltwerden.
    [0034] DieVerstärkungwird dagegen bestimmt durch das Verhältnis aus Lastwiderstand RLzu Gegenkopplungswiderstand Rx bzw. Ry. Je größer der Gegenkopplungswiderstandist, um so kleiner ist die Verstärkung,und um so größer istdie Linearität.
    [0035] Bezüglich derDimensionierung wird bevorzugt, dass die beiden Gegenkopplungswiderstände Rx1und Ry1 bzw. allgemein die Gegenkopplungswiderstände Rxi und Ryi gleich sind.
    [0036] DieTransistoreinrichtung 10 von 1 umfasstneben der Differenzverstärkerstufe 30a noch einezweite, ..., n-te Differenzverstärkerstufeund somit n Transistorstufen, n Gegenkopplungseinrichtungen undn Stromquelleneinrichtungen. Jeder Differenzverstärkerstufeund damit jeder Gegenkopp lungseinrichtung mit entsprechenden Gegenkopplungswiderständen istein Schalter TQ1, TQ2, ..., bzw. TQn zugeordnet, um die jeweiligeStufe k und damit die Gegenkopplungswiderstände Rxk, Ryk der Stufe k mitdem Schalter TQk aktivieren zu können.
    [0037] Jenach Implementierung wird es bevorzugt, durch entsprechende Ansteuerungder Schalter TQk zwei oder mehrere Verstärkerstufen 30a, 30b parallel zubetreiben, wobei in diesem Fall die Gegenkopplungswiderstände in deneinzelnen Differenzverstärkerstufenidentisch dimensioniert sein könnten.
    [0038] Alternativkann der in 3 gezeigte Verstärker jedochauch so angesteuert werden, dass immer nur eine Differenzverstärkerstufe 30a oder 30b oder 30c aktivist. In diesem Fall wird es bevorzugt sein, die Gegenkopplungswiderstände in deneinzelnen Stufen unterschiedlich zueinander zu dimensionieren, sodass z. B. die erste Stufe 30a große Gegenkopplungswiderstände hat,um Signale mit hohem Eingangspegel zu verarbeiten, während dieDifferenzverstärkerstufe 30c kleinereGegenkopplungswiderständehat, um kleine Eingangssignale mit größerer Verstärkung und rauscharm verarbeitenzu können.
    [0039] Derin 3 gezeigte Verstärker wird somit aus mehrerenStufen aufgebaut, die je nach Anforderung elektronisch geschaltetwerden. Die einzelnen Stufen mit unterschiedlichen Verstärkungensind entsprechend ihrer spezifischen Anforderung dimensioniert,also hinsichtlich ihres Gegenkopplungswiderstands, ihres Stromsoder der Transistorgeometrie. Bei kleinen Eingangssignalen wirdeine rauscharme, hochverstärkendeStufe benutzt. Fürsteigende Eingangssignalpegel werden Stufen mit größerer Gegenkopplungverwendet, die bei reduzierter Verstärkung eine höhere Linearität haben.
    [0040] Beider in 3 gezeigten Ausführungsform wird die Programmierbarkeitdes Verstärkersdurch komplette Stufen realisiert, die alle parallel geschaltet einzelnaktiviert werden. Das Rauschen steigt nur unterproportional zu derreduzierten Verstärkungan. Durch die Schaltung in 3 wird dieDimensionierung der einzelnen Verstärkerzellen vereinfacht, jedochentsteht eine großeparasitäreBelastung am Eingang und am Ausgang.
    [0041] Nachteiligan dieser Schaltungsanordnung ist, dass die parasitäre kapazitiveBelastung durch die Summe der Transistoren Tx1, Ty1 bis Txn, Tyn amEingang (Inx, Iny) den Treiber belastet und damit den Frequenzgang,die Linearität,und insbesondere die Intermodulation dritter Ordnung verschlechtert.
    [0042] EineReduktion der parasitärenkapazitiven Belastung durch die große Anzahl von Transistoren beidem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird bei demin 4 gezeigten Schaltungskonzept erreicht. Es ähnelt prinzipielldem in 3 gezeigten Konzept, jedoch mit dem Unterschied,dass nur noch eine einzige Transistorstufe, gebildet durch die TransistorenTx1, Ty1 vorhanden ist, währendeine Anzahl von n Gegenkopplungseinrichtungen vorhanden ist, wobeidie erste Gegenkopplungseinrichtung durch Rx1, Ry1 gebildet ist,währenddie zweite Gegenkopplungseinrichtung durch Rx2, Ry2 gebildet wird,etc.
    [0043] Fernerist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispieljede Gegenkoppelungseinrichtung k mit einer eigenen Stromquelleneinrichtungaus Tsk und Rsk versehen, und jedem Gegenkoppelungswiderstand istein Programmier-Schalter ein Schalter TQk zugeordnet.
    [0044] Während inder obersten Stufe in 4 der Schalter TQ1 dazu verwendetwird, den Stromquellentransistor Ts1 ein- oder auszuschalten, alsodie GegenkopplungswiderständeRx1, Ry1 zu aktivieren oder zu deaktivieren, wird für die Aktivierungbzw. Deaktivierung der Gegenkopplungswiderstände Rx2, Ry2 neben dem mitdem Stromquellentransistor verbundenen Schalter TQ2 ein Paar weitererSchalter TQ2x, TQ2y verwendet, welche gemeinsam mit dem SchalterTq2 geschaltet werden; die Schalter Tq2x und Tq2y werden über dieWiderständeRG2x und RG2y gesteuert, um die Verkoppelung zwischen Tq2x und Tq2yim „Aus-Zustand" zu vermindern. Gleichesgilt füralle weiteren Stufen.
    [0045] ImHinblick auf die Funktionalitätder zweiten Gegenkopplungseinrichtung 22b von 4 seider Fall betrachtet, bei dem die Schalter TQ2x und TQ2y geschlossensind, also einen Ausgangswiderstand haben, der nur durch den On-Widerstanddes Transistors bestimmt ist. Ist dieser Widerstand des Transistorsklein, so sind die Gegenkopplungswiderstände Rx2 und Ry2 mit dem StromquellentransistorTs2 verbunden, so dass diese Widerstände dann, wenn der TransistorTs2 eingeschaltet ist, was immer der Fall sein wird, wenn die TransistorenTQ2 eingeschaltet sind, fürdie Gegenkopplung der gesamten Transistorstufe 10 aktiviertsind.
    [0046] Sinddie Transistoren TQ2 dagegen offen, haben sie also einen sehr großen Ausgangswiderstand,so wird kaum ein Strom von der Spannungsquelle Vcc über denentsprechenden Lastwiderstand z. B. R1x und den GegenkopplungswiderstandRy zur Masse fließen,so dass die entsprechenden Gegenkopplungswiderstände in der nicht-aktivierten Gegenkopplungseinrichtung 22b in diesemFall das Verhalten des Verstärkersnicht beeinflussen werden.
    [0047] Durchdas Zusammenschalten mehrerer Transistorstufen in eine einzige Transistorstufe,gebildet aus den Transistoren Tx1, Ty1 mit schaltbarer Gegenkopplungwird somit die kapazitive Belastung reduziert, was unmittelbar zueiner verbesserten Linearitätund zu einem verbesserten Frequenzgang des gesamten Verstärkers führt.
    [0048] Beidem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt,die Widerständein der hochverstärkendenStufe alle parallel zu betreiben und zur Reduktion der Verstärkung nacheinanderdie Gegenkopplungswiderständemit den zugeordneten Schalttransistoren TQ abzuschalten. Fernersind, wie es bereits ausgeführtworden ist, Gate-Vorwiderstände für die SchalterTQ2 vorgesehen, um die kapazitive Kopplung der MOS-Schalttransistorenzueinander zu verringern, was sich wiederum positiv auf die Linearität der einzelnenStufen auswirkt.
    [0049] Selbstverständlich kanndas in 3 gezeigte Konzept mit dem in 4 gezeigtenKonzept dahingehend kombiniert werden, dass in einem Verstärker z.B. drei parallel geschaltete komplette Stufen vorgesehen sind, undeine vierte, fünfte,..., (n+3)-te Stufe vorgesehen sind, die so implementiert sind,wie sie anhand von 4 dargestellt ist.
    [0050] Sinddie Anforderungen an den erfindungsgemäßen Verstärker so, dass alle Stufen mitdemselben Strom Is1 betrieben werden, so kann die in 4 gezeigteSchaltung weiter vereinfacht werden, wie es in 5 dargestelltist.
    [0051] Beidem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist lediglichnoch eine einzige Stromquelleneinrichtung 24 neben dereinzigen Transistorstufe 20 (gebildet aus den TransistorenTx1, Ty1) vorhanden, währendeine Mehrzahl von Gegenkopplungseinrichtungen 22a, 22b, 22c vorhandenist, die mit jeweiligen Schaltern TQ2, TQn einzeln aktivierbar/deaktivierbarsind. Dagegen ist, wie es in 5 dargestellt ist,die einzige Stromquelleneinrichtung 24 nunmehr fest mitder Referenzspannungsquelle Uref verbindbar, so dass keine SchalterTQi, wie sie anhand der 3 und 4 dargelegtworden sind, mehr benötigtwerden.
    [0052] Wiederwerden die GegenkopplungswiderständeRxi, Ryi übervorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren TQix,TQiy aktiviert/deaktiviert, wobei es wiederumbevorzugt wird, die MOS-Feldeffekttransistoren über dieVorwiderständeRGix, RGiy zu steuern,um zusätzlicheparasitärenKopplung der Feldeffekttransistoren hinnehmen zu müssen.
    [0053] Beidem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt,weitere schaltbare Stromquellen zu verwenden, die entweder mit dengleichen Schaltsignalen gesteuert werden wie die Transistoren TQk,um die Linearitätseigenschaftender Verstärkerstufezusätzlichden Anforderungen anpassen zu können.Die Schalter TQk können aber auch mit zusätzlich generiertenSchaltsignalen angesteuert und somit separat zu- oder abgeschaltetwerden.
    [0054] Beidem in 6 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit nur einerStromquellenspeisung Is1 in Rx1 und Ry1 ist zur weiteren VerringerungparasitärerKapazitätendie Anzahl der Schalter in einer Gegenkopplungseinrichtung 22b im Vergleichzum vorherigen Ausführungsbeispieldadurch redu ziert, dass die beiden Widerstände Rx2 und Ry2 miteinander über denSchalter TQ2 verbunden werden.
    [0055] DieseSerienschaltung verhältsich dann, wenn der Schalter TQ2 geöffnet ist, genauso wie die in 5 gezeigteSchaltung, die WiderständeRx2 und Ry2 sin deaktiviert.
    [0056] Wirdder Schalter TQ2 jedoch durch ein entsprechendes Signal auf beispielsweiseder Steuerleitung 2 (Nr. 21) von der Steuerung 19 geschlossen,so führtdies zu einer Serienschaltung der beiden Gegenkopplungswiderstände Rx2,Ry2, also zu einer Aktivierung der Widerstände Rx2, Ry2, so dass der effektiveGegenkopplungswiderstand der Schaltung durch die Widerstände Rx2,Ry2 stärkerbeeinflusst wird als in dem Fall, in dem der Schalter TQ2 geöffnet ist.Dies resultiert in einer Veränderungder Verstärkung.
    [0057] ImUnterschied zu dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispielwird jedoch bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispielnur noch ein Schalter pro Gegenkopplungseinrichtung 22b bzw. 22c benötigt, waswiederum zu einer verbesserten Linearität der Schaltung von 6 imVergleich zu der in 5 gezeigten Schaltung führt. Aufgrunddieser Tatsache und insbesondere aufgrund der im Vergleich zu allen anderenSchaltungen reduzierten Anzahl von Komponenten wird das in 6 gezeigteSchaltungskonzept bevorzugt.
    [0058] Dievorliegende Erfindung schafft somit einen in der Verstärkung schaltbarenintegrierten Verstärker,bei dem durch Veränderungder Gegenkopplung unter Verwendung eines Umschaltens zwischen parallelenStufen oder durch Zusammenschaltung der Emitter und Entkopplungder Schalttransistoren durch Gate-Vorwiderstände ein breitbandiger Verstärker mithohem Dyna mikbereich geschaffen wird, der in der Lage ist, empfindlicheSpezifikationen hinsichtlich Rauschzahl und Linearität, aberauch hinsichtlich einer minimalen und maximalen Ausgangsleistungzu erfüllen.
    [0059] Nachfolgendwerden die wesentlichen Merkmale der Ausführungsbeispiel in den 3 bis 7 nocheinmal kurz zusammengefasst.
    [0060] Dererfindungsgemäße PGA (PGA= Programmable Gain Amplifier = Verstärker mit programmierbarer Verstärkung) kannje nach Anforderung aus verschiedenen Teilverstärker-Typen zusammengeschaltetsein, wobei die einzelnen Teilverstärker-Typen auch mehrere Schaltzustände vereinen können, wieauch miteinander kombiniert betrieben werden können. Der Verstärker hatalso folgenden Aufbau: Lastwiderstände an VCC oderoptional über Drossel,Transistoreinrichtung(en), Gegenkopplungseinrichtung(en) und Stromquelle(en).Allgemeine Vorteile bestehen in einer einstellbaren Verstärkung, einstellbar über RX, RY und IS und einer programmierbaren Verstärkung oderDämpfung.
    [0061] DerVerstärkertypnach 3 besteht aus Einzelstufen, wovon jede aus mindestenseinem Transistorpaar, einer Gegenkoppelungseinheit und einer Stromquellebesteht. Insbesondere ist in 3 eine Parallelschaltungverschiedener Verstärkerstufen,die überSchalter aktiviert oder deaktiviert werden können, gezeigt. Vorteile sinddie Einfache Dimensionierung der Gegenkopplungseigenschaften unddie unabhängigeDimensionierung der Gegenkopplungseigenschaften. Für mancheAnwendungen nachteilig ist eine große Anzahl an Bauelementen undwegen der durch die großeAnzahl parallel ge schalteter Transistoren bedingte hohe parasitäre Belastungam Ein- und Ausgang sowie der Frequenzgang.
    [0062] Einengesamten PGA aus solchen Stufen nach 3 zu konfigurieren,liefert zwar eine flexible Schaltung, hat aber für manche Anwendungen jedochden Nachteil, dass viele Transistoren ein- und ausgangsseitig parallelgeschaltet sind, auch wenn sie nicht über die Steuerleitung aktiviertsind. Dies bedingt eine großeparasitäreBelastung am Eingang wie auch am Ausgang des Gesamtverstärkers und wirktsich fürmanche Anwendungen nachteilig für denFrequenzgang, das Rauschen und die Intermodulation aus.
    [0063] Deshalbumfaßtdas im Vergleich zu 3 bevorzugte Ausführungsbeispielvon 4 nur eine Transistorstufe, aber mehrere schaltbareGegenkoppelungseinheiten. Hier bestehen wiederum zwei günstige Forderungen:Je nach geforderter Aussteuerbarkeit im jeweiligen Schaltzustandkann es sinnvoll sein, zur Stromeinsparung den Betriebsstrom denBedürfnissenanzupassen. Weiter sollte wiederum die parasitäre Belastung der Gegenkoppelungseinheitenan den Emittern der Verstärkertransistoren nichtzu groß werden,um keine nachteiligen Auswirkungen auf den Frequenzgang und dieIntermodulation zu haben.
    [0064] Beider Teilverstärkerschaltungnach 4 wird dem Bedürfnisnach Stromminimierung mit jeder aktivierten Gegenkoppelungseinheitder dafürerfordeliche Strom ebenfalls aktiviert. Dies funktioniert vorzugsweisemit einer symmetrischen Anordnung der Gegenkoppelungseinheit mitjeweils einem Schaltertransistor für jeden Gegenkoppelungstransistor.
    [0065] Dadie Schaltertransistoren funktional in Reihe liegen, müssen diesegrößer dimensioniertwerden und ergeben somit wieder eine größere parasitäre Belastung.
    [0066] 4 zeigtsomit eine Parallelschaltung verschiedener Gegenkopplungseinrichtungenund damit auch Gegenkopplungswiderständen, die über Schalter aktiviert oderdeaktiviert werden können,wobei jedoch nur eine Transistorstufe ausgebildet ist. Vorteile sinddie Verwendung von nur einer Transistorstufe, die Verringerung derAnzahl der Bauelemente, die geringere parasitäre Belastung am Ein- und Ausgang,die volle Symmetrie, was sich in einer guten Intermodulation 2.Ordnung äußert. ImSinne eines soliden Designs sollte Ron des Schalters TQx,TQy deutlich kleiner als der Gegenkopplungswiderstand RX,RY sein, da das Parameter-Matching von RX zu RL wesentlichbesser ist als RX zu RON,Q.Ferner ermöglichtdies eine konstante Performance bei Parameterstreuungen und Temperaturgang.
    [0067] Wennein konstanter Strom fürmehrere Schaltzuständeerforderlich wird, kann eine Schaltungsanordnung nach 5 gewählt werden,wobei nur eine Stromquelle füralle Schaltzuständeverwendet wird. Die Umschaltung der Verstärkung geschieht durch die schaltbareGegenkopplung, wobei zusätzlichauch verschiedene Stromquellen 40a, 40b zu der einenStromquelle hinzugeschaltet werden können, um den Arbeitsstrom inder Differenzverstärkertransistorstufezu erhöhen.Könnendie Verstärkerstufen mitnur einer Stromquelle betrieben werden und erfolgt die Umschaltungder Verstärkungnur allein durch die Umschaltung der Gegenkopplungswiderstände, soergeben sich folgende Vorteile. Die Linearität steigt proportional zur Verstärkungsreduktion, dasRauschen steigt nur unterproportional zur Verstärkungsreduktion. Ferner isteine weitere Reduktion der Bauelemente (im Vergleich zu 4)möglich.
    [0068] Hierist es jedoch vorteilhaft, die je Gegenkoppelungseinheit jeweilszwei Schaltertransistoren in einem Schaltertransistor zusammenzufassen,wie es in 6 gezeigt ist. Dieser kann beigleichem wirksamen „On-Widerstand" in seiner effektivenGeometrie auf ein Viertel reduziert werden. Im „Off-Zustand" sinkt somit erheblichdie parasitäreBelastung fürdie Verstärker-Transistoren. 6 zeigtsomit eine Parallelschaltung passiver Gegenkopplungswiderstände. DieseOption hat alle vorher genannten Vorteile und liefert ferner eineReduktion parasitärer Belastungendurch die Schalter in der Gegenkopplung
    [0069] Jenach Gesamterfordernis wird eine PGA-Schaltung optimiert, indemeinzelne Teilverstärker-Typenoptimal miteinander kombieniert werden, wie es anhand von 7 dargestelltworden ist. Insbesondere wird bei dem in 7 dargestelltenSchaltungskonzept bevorzugt, verschiedenartige Verstärkerstufenparallel zu schalten. Insbesondere können Verstärkerstufen aufgebaut nach 4 mitVerstärkerstufenaufgebaut nach 6 zusammengeschaltet werden.
    10 Transistoreinrichtung 12 Eingang 14 Ausgang 16 Schalter 17 Eingangssignaleigenschaftsleitung 18 zugeordneteGegenkopplungswiderstände 19 Steuerung 20 Transistorstufen 21 Steuerleitungen 22 Gegenkopplungseinrichtungen 24 Stromquelleneinrichtungen 30a,30b, 30c Differenzverstärkerstufen 40a,40b schaltbareStromquelle
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] Verstärkermit folgenden Merkmalen: einer Transistoreinrichtung (10)mit einer variablen Verstärkung,einer Mehrzahl von Gegenkopplungswiderständen (18) und einerMehrzahl von Schaltern, wobei die Schalter so ausgebildet sind,dass durch Betätigeneines Schalters ein zugeordneter Gegenkopplungswiderstand aktivierbar;und einer Steuereinrichtung (19) zum Ansteuern voneinem oder mehreren Schaltern (16), um einen oder mehrereder Gegenkopplungswiderständezu aktivieren, um eine gewünschteVerstärkungeinzustellen.
    [2] Verstärkernach Anspruch 1, bei dem die Transistoreinrichtung (10)ausgebildet ist, um einen Versorgungsspannungsanschluss (Vcc), dermit einem Transistor der Transistoreinrichtung koppelbar ist, undeinen Referenzspannungsanschluss (Uref)aufzuweisen, durch den ein Arbeitsstrom in der Transistoreinrichtung(10) steuerbar ist.
    [3] Verstärkernach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transistoreinrichtung(10) eine Differenzverstärkerstufe aufweist, wobei dieDifferenzverstärkerstufeeinen ersten und einen zweiten Transistor sowie einen ersten undeinen zweiten Gegenkopplungswiderstand, einen gemeinsamen Knotenund eine Stromquelle aufweist, wobei jeder Transistor über einenGegenkopplungswiderstand mit dem gemeinsamen Knoten verbunden ist,und wobei die Stromquelle zwischen dem gemeinsamen Knoten und einemBezugspotential geschaltet ist.
    [4] Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Stromquelleeinen Stromquellentransistor und einen Stromquellenwiderstand zwischendem Stromquellentransistor und dem Bezugspotentialanschluss aufweist,und wobei an dem Steueranschluß desStromquellentransistors eine Referenzspannung anlegbar ist.
    [5] Verstärkernach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transistoreinrichtung(10) eine Mehrzahl von Verstärkerstufen (30a, 30b, 30c)aufweist, wobei jede Verstärkerstufeeinen Eingangsanschluss, einen Gegenkopplungswiderstand und einenAusgangsanschluss aufweist, wobei die Eingangsanschlüsse derMehrzahl von Verstärkerstufenmiteinander verbunden sind und einen Eingang der Transistoreinrichtung(10) bilden, wobei die Ausgangsanschlüsse derMehrzahl von Verstärkerstufenmiteinander verbunden sind und einen Ausgang der Transistoreinrichtungbilden, und wobei jede Verstärkerstufe durch einen Schalteraktivierbar oder deaktivierbar ist.
    [6] Verstärkernach Anspruch 5, bei dem die zumindest zwei Verstärkerstufenunterschiedlich dimensioniert sind, dass sie sich zumindest in einer Transistorgeometrie,einem Gegenkopplungswiderstand, einem Arbeitsstrom, einer Rauschzahl,einer Verstärkungoder einer Linearitätunterscheiden.
    [7] Verstärkernach einem der Ansprüche1 bis 4, bei dem die Transistoreinrichtung (10) eine einzige Transistorstufe(Tx1, Ty1) und eine Mehrzahl von Gegenkopplungseinrichtungen (22a, 22b, 22c)aufweist, wobei einer Gegenkopplungseinrichtung zumindest ein Schalterzugeordnet ist, so dass eine Gegenkopplungseinrichtung durch Steuerndes zugeordneten Schalters aktivierbar oder deaktivierbar ist, undwobei ein Eingang der Transistorstufe einen Eingang der Transistoreinrichtung(10) bildet und ein Ausgang der Transistorstufe einen Ausgangder Transistoreinrichtung (10) bildet.
    [8] Verstärkernach Anspruch 7, bei dem die Transistorstufe eine Differenzverstärker-Transistorstufe ist,und bei dem eine Gegenkopplungseinrichtung folgende Merkmale aufweist: einenersten Gegenkopplungswiderstand und einen zweiten Gegenkopplungswiderstand,einen gemeinsamen Knoten sowie zwei Schalter, über die die Gegenkopplungswiderstände mitdem gemeinsamen Knoten verbunden sind.
    [9] Verstärkernach Anspruch 8, bei dem jeder Gegenkopplungseinrichtung eine eigeneStromquelleneinrichtung zugeordnet ist, die einen Transistor aufweist,dessen Steueranschluß miteinem weiteren Schalter gekoppelt ist, so dass die Steuereinrichtung ausgebildetist, um durch Schließender Schalter sowohl die Stromquelleneinrichtung zu aktivieren als auchdie Gegenkopplungswiderständemit dem gemeinsamen Knoten zu verbinden.
    [10] Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Gegenkopplungseinrichtungenalle einer gemeinsamen Stromquelleneinrichtung zugeordnet sind,wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um durch Steuern derSchalter die Gegenkopplungswiderstände nur einer Gegenkopplungseinrichtungzu aktivieren oder die Gegenkopplungswiderstände mehrerer Stufen durch Aktivierenparallel zu schalten.
    [11] Verstärkernach Anspruch 7, bei dem eine Gegenkopplungseinrichtung einen erstenGegenkopplungswiderstand, einen ersten Schalter, einen gemeinsamenKnoten, einen zweiten Schalter und einen zweiten Gegenkopplungswiderstandaufweist, wobei der erste und der zweite Gegenkopplungswiderstand über denersten oder den zweiten Schalter mit dem gemeinsamen Knoten gekoppeltsind.
    [12] Verstärkernach Anspruch 7, bei dem eine Gegenkopplungseinrichtung einen erstenund einen zweiten Gegenkopplungswiderstand aufweist, die über einenSchalter in Serie schaltbar sind.
    [13] Verstärkernach einem der Ansprüche7 bis 12, bei dem ein Steueranschluß eines Schalters, der miteinem Gegenkopplungswiderstand verbunden ist, über einen Vorwiderstand mitder Steuerung (19) verbunden ist.
    [14] Verstärkernach einem der Ansprüche1 bis 10, bei dem die Transistoren der Transistoreinrichtung alsBipolartransistoren ausgebildet sind und die Schalter als Feldeffekttransistorenausgebildet sind.
    [15] Verstärkernach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schalter sodimensioniert sind, dass ein Widerstand eines Schalters im aktiviertenZustand des Schalters kleiner oder gleich einem Gegenkopplungswiderstand,dem der Schalter zugeordnet ist, ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    2005-09-08| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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