DE10241350A1

DE10241350A1 - Rauscharme Verstärkerschaltung mit phasenangepaßter Schaltertopologie

Info

Publication number: DE10241350A1
Application number: DE10241350A
Authority: DE
Inventors: Edward Russel Brown; Michael Frank
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2022-09-07
Also published as: US6680647B2; US20030112065A1; DE10241350B4; JP2003198280A

Abstract

Eine Verstärker- und Umgehungsschaltschaltung umfaßt einen Schaltungseingang, einen Schaltungsausgang, einen Verstärker und eine Schaltschaltung. Der Verstärker weist einen Verstärkersteuereingang und einen ersten Verstärkerausgang auf. Der Verstärkersteuereingang ist mit dem Schaltungseingang verbunden. Der Verstärkerausgang ist mit dem Schaltungsausgang verbunden. Die Schaltschaltung umfaßt einen Steuereingang, einen Schaltereingang, einen Schalterausgang und ein Phasenanpassungsnetzwerk. Der Schalterausgang ist mit dem Schaltungsausgang verbunden. Der Schaltereingang ist mit dem Schaltungseingang verbunden. Das Phasenanpassungsnetzwerk bewahrt Phaseninformationen, wenn die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung zwischen einem Verstärkermodus und einem Umgehungsmodus schaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungen, die für Kommunikationssysteme verwendet werden, und bezieht sich insbesondere auf eine rauscharme Verstärkerschaltung mit einer phasenangepaßten Schaltertopologie.

Moderne digitale drahtlose Systeme, wie z. B. diejenigen, die bei Zellulartelefonen und lokalen Netzen (LANs; LAN = local area network) verwendet werden, nutzen Signale mit einer Frequenz, die typischerweise in dem Bereich von 0,5 Gigahertz (GHz) bis 6,0 GHz liegt.

Für starke Übertragungssignale, beispielsweise wenn es einen relativ kurzen Übertragungsabstand gibt, ist es oft vorteilhaft, einen Schalter oder eine Reihe von Schaltern zu verwenden, um einen Mikrowellenverstärker zu umgehen, um Leistung zu sparen und den Systemgewinn zu verringern. Obwohl der Mikrowellenverstärker wichtig ist, um einen hohen dynamischen Bereich für schwache Übertragungssignale zu erreichen, kann für starke Übertragungssignale unnötig sein. Das Bereitstellen einer Umgehung des Mikrowellenverstärkers ermöglicht es, daß der Systemgewinn verringert wird, wenn das Eingangssignal stark ist.

Das U.S.-Patent Nr. 6,118,388 beschreibt einen Verstärker mit einem geschalteten Umgehungspfad, wo ein Widerstands- Kapazitäts-Anpassungsnetzwerk in dem Umgehungsweg die Eingangs- und Ausgangsimpedanz des Umgehungswegs an die Verstärkermodusimpedanz anpaßt. Die in dem U.S.-Patent-Nr. 6,118,388 beschriebene Schaltung versucht jedoch nicht, die S21-Durchgangsphase des Umgehungswegs der S21-Durchgangsphase in dem Verstärkermodus anzupassen. Einige Funkmodulationsschemata verwenden die Phaseninformationen eines Signals, um Daten zu übertragen. In diesen phasenmodulierten Systemen ist es wünschenswert, die gleiche Durchgangsphase beizubehalten, wenn zwischen dem Umgehungsweg und dem Verstärkermodus geschaltet wird, so daß die Phaseninformationen während der Pfadänderung nicht verlorengehen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 6 gelöst.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung einen Schaltungseingang, einen Schaltungsausgang, eine Verstärker- und eine Schaltschaltung. Der Verstärker weist einen Verstärkersteuereingang und einen ersten Verstärkerausgang auf. Der Verstärkersteuereingang ist mit den Schaltungseingang verbunden. Der Verstärkerausgang ist mit, dem Schaltungsausgang verbunden. Die Schaltschaltung umfaßt einen Steuereingang, einen Schaltereingang, einen Schalterausgang und ein Phasenanpassungsnetzwerk. Der Schalterausgang ist mit dem Schaltungsausgang verbunden. Der Schaltereingang ist mit dem Schaltungseingang verbunden. Das Phasenanpassungsnetzwerk bewahrt die Phaseninformationen, wenn die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung zwischen einem Verstärkermodus und einem Umgehungsmodus schaltet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schema einer Schaltung einer Verstärkerschaltung mit einer phasenangepaßten Schaltertopologie gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist ein Schema einer Verstärker-/Schalterschaltung 10, die ein Verstärker ist, der eine Schalterumgehung umfaßt. An einem Schaltungseingang 11 liegt ein Hochfrequenz- (HF-) Eingangssignal an. Eine Gleichsignalkomponente (Vg) an dem Schaltungseingang 11 ist auf eine Gatespannung von beispielsweise 0,5 Volt in einem Verstärkermodus und auf 0 Volt in einem Umgehungsmodus gleichsignalvorgespannt. Ein Masseeingang 12 wirkt als eine Massespannung für Wechselsignale. Eine Gleichsignalkomponente des Masseeingangs 12 ist bei 0 Volt.
Ein Steuereingang 14 empfängt eine Gleichsignalsteuerspannung (Vc) für den Verstärker/Schalter 10. Wenn die Steuerspannung (Vc) mit dem Steuereingang 14 bei 0 Volt ist, und der Schaltungseingang 11 bei 0,5 Volt ist, ist der Verstärker/Schalter 10 in einem Verstärkermodus. Wenn die Steuerspannung (Vc) an dem Steuereingang 14 bei 1 Volt ist, und der Schaltungseingang 11 bei 0 Volt Gleichstrom ist, ist der Verstärker/Schalter 10 in einem Umgehungsmodus.
Ein HF-Ausgang 13 ist ein HF-Ausgang für den Verstärker/Schalter 10. Eine Gleichsignalausgangsdrainspannung von 3 Volt liegt an dem HF-Ausgang 13 an. In dem Verstärkermodus verstärkt der Verstärker/Schalter 10 das HF- Eingangssignal an dem Schaltungseingang 11, um das HF- Ausgangssignal an dem HF-Ausgang 13 zu erzeugen. In dem Umgehungsmodus leitet der Verstärker/Schalter 10 das HF- Eingangssignal an dem Schaltungseingang 11 ohne Verstärkung zu dem HF-Ausgang 13 weiter.
Der Verstärker/Schalter 10 umfaßt einen Anreicherungsfeldeffekttransistor (FET) 21, eine Kapazität 22, einen Widerstand 23, eine Kapazität 24, einen FET 25, einen Widerstand 32, eine Kapazität 27, eine Kapazität 28, einen Widerstand 29, einen FET 26, einen Widerstand 33, einen Widerstand 34, eine Kapazität 24, eine Induktivität 30 und einen Widerstand 31, die verbunden sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
In dem Verstärkermodus ist der Verstärker/Schalter 10 im Gewinnmodus und zieht Strom. Das Signal wird durch den Verstärker FET 21 geleitet und wird dementsprechend verstärkt. In diesem Zustand sind der Schalter-FET 25 und der Schalter-FET 26 in einem Modus mit hoher Impedanz und ermöglichen keinen wesentlichen Signaldurchgang, und präsentieren eine sehr hohe Impedanz, und tragen daher nicht zu den Schaltungscharakteristika bei.
In dem Umgehungsmodus ist eine Spannungsdifferenz über den FET 25 und den FET 26 ausreichend, um zu bewirken, daß sich der Umgehungsweg öffnet.
Die Rückkopplung, die aus der Kapazität 22 und dem Widerstand 23 besteht, wird für zwei Funktionen verwendet. Als ein Rückkopplungsweg funktioniert die Kapazität nur, um die Spannung an dem Drainknoten des FET 21 davon abzuhalten, an dem Gate des FET 21 zu erscheinen. Der Widerstand liefert das eigentliche Rückkopplungssignal und ist einfach dazu entworfen, den Verstärker stabiler zu gestalten. Bei dieser Implementierung ist die Rückkopplung insbesondere sehr leicht, um den Effekt des Rauschbeitrags zu minimieren. Die zweite Funktion der Rückkopplung ist es, die Referenzspannung gleichmäßig zu dem Schalter-FET 25 und dem Schalter- FET 26 zu liefern. Der Widerstand 34 verbindet die Referenzvorspannung der Schalter-FETs 25 und 26 auf 0 Volt an dem Masseeingang 12.
In dem Umgehungsmodus wird der FET 21 durch die Steuerspan - nung an dem Schaltungseingang 11 ausgeschaltet, und so ist der FET 21 nun in einem Zustand mit hoher Impedanz und hat keine Auswirkung auf die Impedanz des Schalterverstärkers. Der Verlust in dem Verstärker FET 21 ist groß, so daß es einen unbedeutenden Signalfluß durch denselben gibt. Das Signal wird durch die Kapazität 22, durch den FET 25, durch die Kapazität 27, durch den Widerstand 29, durch die Kapazität 28, durch den FET 26 und durch die Kapazität 24 geleitet. Die Induktivität 30 und der Widerstand 31 sind in Nebenschluß geschaltet, wie es gezeigt ist. Das resultierende Umgehungsanpassungsnetzwerk präsentiert eine ähnliche Impedanz, wie diejenige, die durch den FET 21 in dem Gewinnmodus präsentiert wird. Außerdem erreicht das Umgehungsanpassungsnetzwerk eine Phasenanpassung, so daß Phaseninformationen beibehalten werden, wenn der Verstärker/Schalter 10 zwischen dem Umgehungsmodus und dem Verstärkermodus geschaltet wird.
Die Beibehaltung von Phaseninformationen, wenn zwischen dem Verstärkermodus und dem Umgehungsmodus geschaltet wird, ist bei einigen Empfängersystemen sinnvoll, die es erfordern, daß die Phaseninformationen während dem Schalten beibehalten werden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel weist den Vorteil des Beibehaltens der S21-Phasenanpassung auf, und auch der Eingangs- und Ausgangsanpassung, wenn zwischen dem Verstärkermodus und dem Umgehungsmodus geschaltet wird. Die Beibehaltung der Phasenanpassung ist ein Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen.
Wenn das R-L-C-Anpassungsnetzwerk in eine integrierte Schaltung integriert wird, kann die Induktivität 30 in die integrierte Schaltung integriert werden, wenn es eine feste Phasenanpassung gibt. Alternativ kann die Induktivität 30 extern zu der integrierten Schaltung hinzugefügt werden, so daß der Wert der Induktivität 30 eingestellt werden kann, um die Frequenz der Phasenanpassung zu verschieben.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der FET 25 beispielsweise ein 300-Mikrometer- Anreicherungsfeldeffekttransistor. Der FET 26 ist beispielsweise ein 300-Mikrometer-Anreicherungsfeldeffekttransistor. Der FET 21 ist beispielsweise ein 300- Mikrometer-Anreicherungsfeldeffekttransistor. Die Kapazität 22 ist beispielsweise ein 3-Picofarad- (pF-) Kondensator. Die Kapazität 27 ist beispielsweise ein 0,4-Picofarad- (pF-) Kondensator. Die Kapazität 28 ist beispielsweise ein 0,6-Picofarad- (pF-) Kondensator. Die Kapazität 24 ist beispielsweise ein 3-Picofarad- (pE-) Kondensator. Der Widerstand 29 ist beispielsweise ein 20-Ohm-Widerstand. Der Widerstand 23 ist beispielsweise ein 2,5-Kiloohm- Widerstand. Der Widerstand 32 ist beispielsweise ein 5- Kiloohm-Widerstand. Der Widerstand 33 ist beispielsweise ein 5-Kiloohm-Widerstand. Der Widerstand 31 ist beispielsweise ein 750-Ohm-Widerstand. Der Widerstand 34 ist beispielsweise ein 6-Kiloohm-Widerstand. Für eine Phasenanpassung bei einer Eingangssignalfrequenz von 1.960 MHz ist die Induktivität 30 ein 6,0-Nano-Henry- (nH-) Induktor.

Claims

1. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10), die folgende Merkmale umfaßt:
einen Schaltungseingang (11);
einen Schaltungsausgang (13);
einen Verstärker (21) mit einem Verstärkersteuereingang und einem ersten Verstärkerausgang, wobei der Verstärkersteuereingang mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist, und der Verstärkerausgang mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist; und
eine Schaltschaltung (25-33), die folgende Merkmale umfaßt:
einen Steuereingang (14),
einen Schaltereingang, der mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist,
einen Schalterausgang, der mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist,
und ein Phasenanpassungsnetzwerk (27-31), wobei das Phasenanpassungsnetzwerk (27-31) Phaseninformationen beibehält, wenn die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) zwischen einem Verstärkermodus und einem Umgehungsmodus schaltet.

2. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 1, bei der das Phasenanpassungsnetzwerk (27-31) eine induktivität/Widerstand/Kapazität- (LRC-) Schaltung umfaßt.

3. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, die außerdem folgendes Merkmal umfaßt: einen Rückkopplungswiderstand (23), der durch eine erste Kapazität (22) mit dem Schaltungseingang (11) und durch eine zweite Kapazität (24) mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist.

4. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) vollständig auf einer integrierten Schaltung implementiert ist.

5. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) vollständig auf einer integrierten Schaltung integriert ist, außer daß das Phasenanpassungsnetzwerk (27-31) eine Induktivität (30) umfaßt, die sich außerhalb der integrierter Schaltung befindet.

6. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10), die folgende Merkmale umfaßt:
einen Schaltungseingang (11);
einen Schaltungsausgang (13);
einen Verstärker (21) mit einem Verstärkersteuereingang und einem ersten Verstärkerausgang, wobei der Verstärkersteuereingang mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist, und der Verstärkerausgang mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist; und
eine Schaltschaltung (25-33) mit einem Schaltersteuereingang, einem Schaltereingang und einem Schalterausgang, wobei der Schalterausgang mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist, und der Schaltersteuereingang mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist;
wobei, wenn sich ein Steuersignal an dem Schaltersteuereingang auf einem ersten Spannungspegel befindet, die Schaltschaltung (25-33) die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltungssteuerung (10) in einen Verstärkermodus plaziert, in dem der Verstärker (21) ein. Eingangssignal an dem Schaltungseingang (11) verstärkt, um ein Ausgangssignal an dem Schaltungsausgang (13) zu erzeugen;
wobei, wenn sich das Steuersignal an dem Schaltersteuereingang auf einem zweiten Spannungspegel befindet, die Schaltschaltung (25-33) die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltungssteuerung (10) in einen Umgehungsmodus plaziert, in dem das Eingangssignal an dem Schaltungseingang (11) zu dem Ausgangssignal an dem Schaltungsausgang (13) weitergeleitet wird, wodurch der Verstärker (21) umgangen wird; und
wobei die Schaltschaltung (25-33) Phaseninformationen beibehält, wenn die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) zwischen dem Verstärkermodus und dem Umgehungsmodus schaltet.

7. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 6, bei der die Schaltschaltung (25-33) eine Induktivität/Widerstand/Kapazität- (LRC-) Schaltung umfaßt.

8. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, die außerdem folgendes Merkmal umfaßt:
einen Rückkopplungswiderstand (23), der durch eine erste Kapazität (22) mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist, und durch eine zweite Kapazität (24) mit dem Schaltungsausgang (13).

9. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der die Schaltschaltung (25-33) folgende Merkmale umfaßt:
einen ersten Transistor (25) mit einem Gate, einem Drain und einer Source, wobei der Drain durch einen ersten Kondensator (22) mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist;
einen zweiten Transistor (26) mit einem Gate, einem Drain und einer Source, wobei der Drain des zweiten Transistors (26) durch einen zweiten Kondensator (24) mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist;
einen ersten Widerstand (23), der zwischen das Gate des ersten Transistors (25) und den Schaltersteuereingang geschaltet ist;
einen dritten Kondensator (27), der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit der Source des ersten Transistors (25) verbunden ist;
einen zweiten Widerstand (29), der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit dem zweiten Ende des dritten Kondensators (27) verbunden ist;
eine Induktivität (30), die zwischen das zweite Ende des zweiten Widerstands (29) und die Schaltungsmasse (12) geschaltet ist;
einen dritten Widerstand (34), der zwischen das zweite Ende des zweiten Widerstands (29) und die Schaltungsmasse (12) geschaltet ist; und einen vierten Kondensator (28), der zwischen das zweite Ende des zweiten Widerstands (29) und die Source des zweiten Transistors (26) geschaltet ist.

10. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 9, die zusätzlich folgendes Merkmal umfaßt: einen Rückkopplungswiderstand (23), der durch die erste Kapazität (22) mit dem Schaltungseingang (11) und durch die zweite Kapazität (24) mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist.

11. Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der die Verstärker- und Umgehungsschalterschaltung (10) einen dritten Transistor (21) mit einer Source, einem Gate und einem Drain umfaßt, wobei das Gate des dritten Transistors (21) mit dem Schaltungseingang (11) verbunden ist, der Drain des dritten Transistors (21) mit dem Schaltungsausgang (13) verbunden ist, und die Source des dritten Transistors (21) mit der Schaltungsmasse (12) verbunden ist.