DE2720285C3 - Mischstufe - Google Patents
MischstufeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mischstufe, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.
Die Verwendung von Feldeffekttransistoren z. B. mit Metall-Öxid-Halbleiter-Aufbau (MOS-FET) in Mischschaltungen
ist weit verbreitet. Eine besonders beliebte Art eines solchen Transistors ist der N-Kanal-MOS-FET
vom Verarmungstyp und mit zwei Gateelektroden. Er wird gewöhnlich im sogenannten Kaskodebetrieb
eingesetzt, d. h. seine eine Gateelektrod<:, der das Signal der einen Frequenz angelegt wird, bildet den
Eingang eines Verstärkers in Sourceschaltung, und seine andere Gateelektrode, an die das Signal einer zweiten
Frequenz angelegt wird, bildet den Eingang einer Stufe in Gateschaltung (siehe z. B. RCA Solid State 1976 Data
Book Series SSD-202C, Seite 83, Fig. 32 oder Electronic Design vom 4. Januar 1973, Seite 98). Derartige
Schaltungskonfigurationen können jedoch sehr komplex werden, da sie eine ziemlich große Anzahl von
Anschlußelementen wie z. B. Widerstände benötigen. Dies gilt auch für andere Mischschaltungen, in denen
einzelne Feldeffekttransistoren des gleichen Leitungstyps verwendet werden. In der US-PS 37 27 078 ist eine
Mischschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren gleichen Leitungstyps beschrieben, die
in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Den Gateelektroden dieser beiden Feldeffekttransistoren
wird das eine Eingangssignal im Gegentakt zugeführt, während das andere der beiden zu mischenden Signale
an den Substrat gelegt wird. Wegen der unterschiedlichen Steilheiten bei Gateeinspeisung bzw. Substrateinspeisung
der Eingangssignale werden die beiden zu mischenden Signale jedoch ungleichmäßig verstärkt
was für manche Anwendungsfälle unerwünscht sein kann.
Weiterhin ist aus RCA Linear Integrated Circuits 1975, Seite 592 ein linearer Verstärker mit zwei in Reihe
geschalteten Feldeffekttransistoren einander entgegengesetzten Leitungs?yps bekannt, deren Gateelektroden
zum Eingang und deren Drainelektroden zum Ausgang des Verstärkers zusammengeschaltet sind, während die
Betriebsspannung zwischen die beiden Sourceelektroden gelegt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vereinfachung der Schaltung und Verringerung des Aufwandes
einer mit Feldeffekttransistoren bestückten Mischschaltung. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst
Die erfindungsgemäße Schaltung hat eine Reihe von Vorteilen. So benötigt sie beispielsweise keinen
Summierverstärker wie die in Electronic Design beschriebene Mischschaltung, deren Frequenzbereich
durch den erforderlichen Operationsverstärker auf etwa 100 kHz begrenzt wird. Auch benötigt sie keine
Spannungsteiler zur Einstellung der Gatevorspannungen, so daß sich nicht nur der Aufwand verringert,
sondern auch Fehler durch falsche oder sich verändernde Einstellung der Potentiometer vermieden werden.
Vielmehr sorgt die Gleichstromrückkopplung für die automatisch richtige Vorspannung der Gateelektroden
und kompensiert außerdem Schwankungen oder Unterschiede der Transistorsteilheiten. Beide Transistoren
arbeiten in Sourcegrundschaltung mit optimaler Verstärkung. Vorteilhaft ist weiterhin, daß auch nachgeschaltete
CMOS-Verstärkerstufen zugleich mit Vorspannung versorgt werden können. Die Einsparung von
Vorspannungsschaltungen gilt auch bei Erweiterung der erfindungsgemäßen Mischschaltung auf Gegentaktbetrieb,
wodurch die Amplitude des Ausgangssignals sich in bekannter Weise um den Faktor 2 erhöhen läßt,
während gleichzeitig geradzahlige Harmonische weitgehend unterdrückt werden.
Die erfindungsgemäße Schaltung enthält komplementärsymmetrische
Feldeffekttransistoren z. B. in MOS-Ausführungen, welche Verstärker in Sourceschaltung
für beide zu mischende Frequenzen bilden, auch wenn die beiden Verstärker von der Gleichstrom-Versorgungsqueüe
aus gesehen in Reihe geschaltet sind. Außer der aus der Sourceschaltung resultierenden
optimalen Verstärkung in beiden Stufen des Mischkreiseri wird die Schaltung relativ einfach und somit
verhältnismäßig billig.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert
F i g. I zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Eintakt-Mischstufe;
F i g. 2 zeigt einen Teil der in F i g. 1 dargestellten Schaltung in abgewandelter Form;
Fig.3 ist das Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Gegentakt-Mischstufe;
Fig.4 ist das Schaltbild eines sogenannten Brückenmischers
(balanced mixer) in erfindungsgemäßer Ausführung.
In der Schaltung nach F i g. 1 liegen zwei Transistoren
Pa und NA komplementären Leitungstyps mit ihren
Stromleitungsstrecken (Kanälen) in Reihe zueinander zwischen einer Klemme 10 für den Anschluß einer
Betriebsspannung +V und einer Klemme 12 für den Anschluß eines Bezugspotentials, im vorliegenden Fall
Masse. Diese beiden Transistoren seien beispielsweise MOS-FET vom Anreicherungstyps und bilden gemeinsam
eine Anordnung, die als Komplementär-FET-Verstärker bezeichnet werden kann. Ein erstes Eingangssignal
Ecm 1, das mit einer Trägerfrequenz f\ schwinge,
wird der Primärwicklung 14 eines Transformators 16 ausgelegt. Die Sekundärwicklung 18 dieses Transformators
bildet mit einem abstimmbaren Kondensator 20 einen Parallelresonanzkreis, der auf die Frequenz f\
abgestimmt ist Dieser Kreis ist mit seinem einen Ende an die Gateelektrode 21 des N-Kanal-Transistors Na
und mit seinem anderen Ende über einen Entkopplungskondensator 22 an Masse angeschlossen. Ein zweites
Eingangssignal Ecm 2, das mit einer Modulationsfrequenz
/2 schwinge, wird an die Primärwicklung 24 eines
Transformators 26 gelegt, dessen Sekundärwicklung 28 gemeinsam mit einem veränderbaren Kondensator 30
einen auf die Frequenz F2 abgestimmten Parallelresonanzkreis
bildet Dieser Resonanzkreis ist mit einem Ende an die Gateelektrode 32 des P-Kanal-Transistors
Pa und m: seinem anderen Ende über einen Entkopplungswiderstand
34 an Masse angeschlossen.
Der gemeinsame Drainanschluß 36 der Transistoren Pa und Na ist über einen Vorspannungswiderstand 38
mit einem Schaltungsknoten 40 verbunden. Dieser Knotenpunkt ist fiber einen den Widerstand 42
enthaltenden ersten Gleichstrom weg an die Gateelektrode 32 des Transistors Pa und über einen den
Widerstand 44 enthaltenden zweiten Gleichstromweg an die Gateelektrode 21 des zweiten Transistors Na
angeschlossen. Normalerweise sind die Werte der Widerstände 42 und 44 einander gleich und viel kleiner
als der Widerstandswert des Widerstands 38. Der Vorspannungswiderstand 38 habe beispielsweise einen
Widerstandswert von 22 Megohm, während die Widerstände 42 und 44 jeweils 100 Kiloohm betragen.
Dasselbe gilt auch für die Vorspannungs- und die Entkopplungswiderstände in den Schaltungen nach den
F i g. 3 und 4. Die Sourceelektroden der Transistoren Pa
und Na werden wechselstrommäßig auf Masse gehalten,
und zwar mittels einer Direktverbindung im Falle des Transistors Na und mittels eines Kondensators 45 im
Falle des Transistors Pa-
Der Ausgangskreis der Mischstufe sei ein Serienresonanzkreis,
der eine Spule 46 und einen veränderbaren Kondensator 48 enthält Dieser Resonanzkreis ist auf
ein gewünschtes Ausgangssignal abgestimmt, bei dem es sich um die obere Seilv.nfrequenz (f\ + f2) oder um die
untere Scitcnbandfrcquenz (i\ — /j) handeln kann.
Im Betrieb spannt der Vorspannungswiderstand 38 (gemeinsam mit den Widerständen 42 bzw. 44) den
Komplementär-FET-Verstärker auf einen Arbeitspunkt vor, der bei oder in der Nähe der Mitte seines linearen
Arbeitsbereichs liegt Anders ausgedrückt: die Vorspannung ist so eingestellt, daß die Transistoren Na und Pa
beide Ruhestrom leiten. Die beiden miteinander zu mischenden Signale werden an die Primärwicklungen 14
bzw. 24 gelegt und bewirken, daß sich die Leitfähigkeit der Transistoren Mi bzw. Pa entsprechend den relativen
Amplituden dieser Signale ändert Gegenüber diesen Wechselsignalen stellt jeder Transistor einen Verstärker
in Sourceschaltung dar, so daß vom betreffenden Transistor eine optimale Verstärkung erhalten werden
kann. Wenn die Schaltung genau symmetrisch ist, was bei ihrer Herstellung in integrierter Bauweise der Fall
sein sollte, haben die Widerstände 42 und 44 gleichen Wert.
Das Ausgangssignal erscheint am gemeinsamen Drainanschluß 36 und enthält nehfn anderen Komponenten
die beiden interessierenden Seitenbandfrequenzen, nämlich f\ + fi und f\ — fi. Der Serienresonanzkreis
ist auf eine dieser Seitenbandfrequenzen abgestimmt, so daß das mit dieser Frequenz schwingende
Signal auf die nachfolgende Stufe gegeben wird. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform für
integrierte Schaltungsbauweise ist die nachfolgende Stufe ein zweiter Komplementär-FET-Verstärker, wie
in F i g. 1 dargestellt Der Vorteil liegt hierbei darin, daß man keine zusätzliche Schaltung zur Ruhevorspannung
benötigt, da die Mischstufe Pa, Na selbst automatisch
den korrekten Vorspannungspegei über den durch die Spule 46 gehenden Gleichstromweg liefert. Wenn
Komplementär-FET-Verstärkerstufen folgen, können auch sie in ähnlicher Weise ihre Vorspannung aus
derselben Quelle empfangen. Es ist möglich, eine Mehrzahl solcher Stufen an dieselbe Vorspannungsquelle
anzuschließen, weil sie eine sehr hohe F.ingapgsimpedanz haben und keinen nennenswerten Gleichstrom
ziehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die folgenden Stufen wie z. B. die aus den Transistoren Pb
und Nb gebildete Schaltung auf demselben Substrat integriert wie die Transistoren Pa und Na-
Die /?C-Netzwerke 42, 34 und 44, 22 dienen zur
Vorspannungsentkopplung. Ein Ableiikondensator wie der Kondensator 22 hat bei der Frequenz /i eine
endliche Reaktanz. Daher fällt ein kleiner Teil der Eingangssignalspannung der Frequenz f\ am Kondensator
22 ab. Ein Widerstand wie das Element 44 bewirkt eine gewisse Dämpfung dieses Teils des Signals der
Frequenz f\, der ansonsten zum Resonanzkreis 28, 30 gelangen würde und möglicherweise unerwünschte
Einflüsse hervorrufen würde. Das Netzwerk 34, 42 hat eine ähnliche Wirkung bezüglich der Signale der
Frequenz /j, und beide Netzwerke dämpfen eine Rückkopplung von Signalen, die vom Anschluß 36
ausgehen könnte.
Es sind mehrere verschiedene alternative Ausführungsformen gc ,jenüber der Schaltung nach F i g. 1
möglich. So kann beispielsweise der in der Schaltung nach F i g. 1 enthaltene Serienresonanzkreis durch einen
Parallelresonanzkreis ersetzt werden, wie es in Fig.2
dargestellt ist. Der Kondensator 52 dient dazu, die Ausgangsleitung für Gleichstrom von Masse zu trennen,
stellt jedoch andeitrseits einen niederohmigen Weg für
die verschiedenen vorhandenen Wechselstromkomponenten dar. Statt an der gezeigten Stelle kann der
Kondensator 52 auch zwischen den Masseanschluß und den Para'lelresonanzkreis 54 eingefügt sein; die Wahl
der Einfügungsstelle hängt von den Charakteristika der nachfolgenden Schaltung ab. Als dritte Alternative kann
statt des Parallelresonanzkreises 54 auch ein geeignetes π-Glicd eingesetzt werden.
Die F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung
in Gegentaktschaltung. Sie enthält zwei Komplementär-FET-Verstärker
Pu N, und P2, N2. Diese Verstärker
werden ähnlich wie der Verstärker in F i g. 1 durch einen Widerstand 60 so vorgespannt, daß ihr Arbeitspunkt in
der Mitte des Linearbereichs ihrer Kennlinie liegt. Der besagte Widerstand ist vorzugsweise mit seinem einen
Ende an die Mittelanzapfung einer Spule 82 angeschlossen, während sein anderes Ende mit zwei Entkoppluiigsnetzwerken
88,91 und 84, 86 verbunden ist. Der zu dem einen Entkopplungsnetzwerk gehörende Widerstand 84
liegt mit seinem gegenüberliegenden Ende an der Mittclanzapfung einer Spule 64.
FinuancTicianal /·*.._ · u/irH Ηργ Pnmäru;ipL·- crJ^V»o Akcir
Amplitude des Ausgangssignals um einen Faktor '<
größer ist als bei der Schaltung nach Fig. I, wenr angenommen wird, daß die in den beiden Schaltunger
verwendeten Transistoren gleiche Transkonduktanz gn
■> haben. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Schaltung
nach Fig. 3 besteht darin, daß die Amplitude dei erzeugten geradzahligen Harmonischen weit reduzier!
wird. Bei der Schaltung ist ferner von Nutzen, daß mil ihr der Grad des »Durchsickerns« (leak through]
in zwischen den beiden Signalen der Frequenzen /Ί und f,
vermindert wird. Wenn die Mischstufe beispielsweise ir einem Überlagerungsempfänger verwendet werden sol
und f2 die Frequenz des lokalen Übcrlagertingsoszilla·
tors ist, dann sollte der Anteil dieses Überlagerungssi· gnals, der zum /!-Eingang »durchsickert« und möglicherweise
über die Eingangsseite des Empfänger« abgestrahlt wird, möglichst klein gehalten werden. Eine
lung 62 angelegt. Die zugehörige Sekundärwicklung 64 bildet die Induktivität eines Schwingkreises 66, der
außerdem einen veränderbaren Kondensator 68 enthält. Dieser Schwingkreis liegt zwischen den Gateelektroden
der N-Kanal-MOS-Transistoren N\ und N2. In ähnlicher
Weise wird das zweite Eingangssignal Ecm2 an die
Primärwicklung 70 gelegt, deren zugehörige Sekundärwicklung 74 mit einem veränderbaren Kondensator 76
einen Schwingkreis 72 bildet. Dieser Parallelschwingkreis ist mit seinen beiden Enden zwischen die
Gateelektroden der P-Kanal-Transistoren P\ und P2
geschaltet.
Die Anordnung nach Fig. 3 enthält außerdem noch einen Parallelschwingkreis 78, der zwischen den
gemeinsamen Drainanschluß des einen Verstärkers und den gemeinsamen Drainanschluß des anderen Verstärkers
geschaltet ist. Das Ausgangssignal steht an den Enden einer Wicklung 80 zur Verfügung, die mit der
Induktivität 82 des Schwingkreises 78 gekoppelt ist. Die Schaltung enthält schließlich noch ein erstes RC-Emkopplungsnetzwerk
84,86 und ein zweites /?C-Entkopp-Iungsnetzwerk88,91.
Die Arbeitsweise der Schaltung erklärt sich aus der bereits oben gegebenen Beschreibung der Fig. 1. Das
erste Eingangssignal der Frequenz /Ί wird auf den
Schwingkreis 66 gekoppelt, dessen Resonanzfrequenz gleich /Ί ist. Dieser Kreis liefert dann Eingangssignale zu
den N-Kanal-Transistoren N\ und N2, und zwar um 180°
außer Phase. In ähnlicher Weise liefert der zweite Schwingkreis 72, der auf die zweite Eingangsfrequenz f2
abgestimmt ist, gegenphasige Signale (180° außer Phase) an die Gateelektroden der Transistoren P\ und
P2. Der ausgangsseitige Parallelresonanzkreis 78 ist auf
die interessierende Seitenbandfrequenz abgestimmt, z. B. auf f, + /j oder /i — f2. Das entsprechende
Ausgangssignal wird von der Spule 80 gefühlt und steht an deren Ausgangsklemmen zur Verfugung.
Der Betrieb im Gegentakt führt dazu, daß die
>M,,„„
"6
"6
3IC CIlIt
Störquelle für andere Einrichtungen bilden kann Allerdings bleibt noch eine Koppelstrecke, nämlich die
Drain-Gate-Kapazität der N-Kanal-Transistoren, über die ein Teil des /j-Signals zum /Ί-Eingang gekoppeil
werden kann. Das Signal am Knotenpunkt 90 isl gegenüber dem Signal am Kno'.cr.puiikt 92 um 180°
>> außer Phase, und daher erscheinen eventuelle über diese
Koppelstrecken dringende Anteile dieser Signale gegen . hasig an den gegenüberliegenden Enden des
Parallelschwingkreises 66. Sie können dazu führen, daß durch die Wicklung 62 ein kleiner Mehrbetrag des
j» Stroms der Frequenz f2 fließt, v/as unerwünscht ist. Die
geradzahligen Harmonischen Jer Frequenz f2 haben
eine viel niedrigere Amplitude als fi, und daher ist eine
eventuelle Durchkopplung dieser Harmonischen geringer als die Durchkopplung von f2 und gewöhnlich ohne
j5 Bedeutung.
Bei dem Brückenmischer nach Fig.4 ist die Druckkopplung der Frequenz f2 noch geringer. Die
Schaltung nach Fig.4 unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 3 darin, daß das eine Ende des Parallelschwingkreises 72 über einen Ableitkondensator
86 für Hochfrequenz mit Masse verbunden ist. während sein anderes Ende mit den Gateelektroden beider
Transistoren P\ und P2 verbunden ist Dadurch sind die
an diese Gateelektroden gelegten /^-Signale phasengleich,
und die Knotenpunkte 90 und 92 empfangen /"2-Komponenten der gleichen Amplitude. Daher haben
/^-Komponenten, die über die Drain-Gate-Kapazität der Transistoren N\ und N2 gekoppelt werden, stets das
gleiche Potential an den beiden Enden des Schwingkreises 66 und bleiben somit ohne Einfluß. Dies gilt umer der
Voraussetzung, daß der Transistor Px gleiche Kenngrößen
wie der Transistor P7 und daß der Transistor AZ1
gleiche Kenngrößen wie der Transistor N2 hat. Diese
Voraussetzung läßt sich bei monolithischen integrierten Schaltungen erfüllen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Mischstufe mit mindestens einem FET vom Anreicherungstyp, dessen Kanal zwischen den
Klemmen einer Betriebsspannungsquelle geschaltet ist und dessen Gateelektroden die zu mischenden
Signale zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Transistoren einander entgegengesetzten Leitungstyps mit ihren Kanälen derart
in Reihe geschaltet sind, daß ihre Drainelektroden miteinander verbunden sind und einen Ausgang (36)
für das Mischsignal bilden und daß der Gateelektrode des einen Transistors (Pa) das eine und der
Gateelektrode des anderen Transistors (Na) das andere der zu mischenden Signale zugeführt wird
und daß jeder der beiden Transistoren mit einer Drain-Gate-Gleichstromrückkopplung (38, 42, 44)
versehen ist, welche die Gateelektroden der Transistoren auf das Ruhepotential des Ausgangsanschlusses
(36) bringt
2. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (36) eine Induktivität
(46) angeschlossen ist, die mit einem Kondensator (48) einen Serienresonanzkreis bildet und mit ihrem
anderen Ende am Eingangsanschluß (50) einer nachfolgenden Verstärkerstufe mit zwei komplementären
Feldeffekttransistoren (Pb, Nb) vom Anreicherungstyp liegt, die mit ihren Gateelektroden
an diesem Eingangsanschluß liegen, während ihre zusarnrnengeschalteten Drainelektroden den
Ausgangsanschluß dieser nachfolgenden Verstärkerstufe bilden, u.id zwiy_hen deren Sourceelektroden
die Versorgungispannung liegt
3. Mischstufe nach Anspru. ι 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei weitere, ebenfalls mit ihren Kanälen in Reihe geschaltete Anreicherungs-Feldeffekttransistoren
(Pt, N2) einander entgegengesetzten
Leitungstyps mit ihren Sourceelektroden an die Betriebsspannungsklemmen ( + V, Masse) angeschlossen
sind und mit ihren zusammengeschalteten Drainelektroden einen zweiten Ausgang (92) für das
Mischsignal bilden und daß die zu mischenden Signale zwischen die Gateelektroden entsprechender
Transistoren der beiden Reihenschaltungen gelegt werden und daß zwischen die beiden
Ausgänge (90,92) die mittelangezapfte Primärwicklung
(82) eines Resonanztransformators (78) geschaltet ist, deren zwischen ihrem einen bzw.
anderen Ende und ihrer Mittelanzapfung befindliche Abschnitte in den Draiii-Gate-Gleichstromrückkopplungen
der beiden Transistorreihenschaltiingen (PuNt bzw. P2, N2) liegen.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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