DE3309357A1

DE3309357A1 - Feldeffekttransistor-verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE3309357A1
Application number: DE3309357A
Authority: DE
Inventors: Donald Clyde 07724 Tinton Falls N.J. Cox; Adel Abdel Moneium 07733 Holmdel N.J. Saleh
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-03-18
Filing date: 1983-03-16
Publication date: 1983-09-29
Also published as: FR2523782A1; JPS58170206A; GB2117591A; GB8307121D0; US4462004A

Description

Feldeffekttransistor-Verstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Feldeffekttransistor- (FET) -Verstärkerschaltung für·einen linearen« Klasse-A-Betrieb zur Erzeugung eines sich zeitabhängig ändernden, verstärkten Signals unter Ansprechen auf ein sich zeitabhängig änderndes Eingangssignal.

Es werden fortwährend Anstrengungen unternommen, um die Linearität, den Dynamikbereich, die Stabilität und den Leistungswirkungsgrad von Leistungsverstärkern zu verbessern. Je mehr solche Leistungsverstärker bei höheren Frequenzen benutzt werden, insbesondere bei Mikrowellenfrequenzen, besteht ein Bedarf, den Wirkungsgrad zu verbessern.

Eine Verstärkerschaltung mit verbessertem Wirkungsgrad ist in der US-PS 3 961 280 offenbart. Diese Schaltung besitzt eine Vielzahl getrennter Leistungsquellen zur Erzeugung unterschiedlicher Spannungen sowie eine Einrichtung zur schrittweisen Änderung der an den Kollektor-(oder Drain-)-Eingang eines Transistor-Verstärkerelements angelegten Versorgungsspannungen als Funktion der augenblicklichen Amplitude des Eingangssignals. Die Änderung der Kollektor-Versorgungsspannung gibt dabei die Möglichkeit, daß das Verstärkerelement etwa das maximale Ausgangssignal für ein Eingangssignal mit sich ändernder Amplitude liefert. Eine solche Anordnung wird jedoch für hohe Frequenzen aufwendig und schwierig zu betreiben. Außerdem ist es extrem schwierig, der augenblicklichen Amplitude eines Eingangssignals bei Mikröwe'llenfrequenzen zu folgen. Eine andere Anordnung ist in der US-PS 3 984 783 beschrieben, die sich auf eine Verstärkerschaltung bezieht, die die Verstärkung und Linearität eines Klasse-A-Verstärkers bereitstellen kann und gleichzeitig den Wirkungsgrad eines Klasse-B- oder -C-Verstärkers liefert. Die bekannte Schaltung weist ein Vorspannungsnetzwerk sowie einen Schalter auf, der unter Ansprechen auf die Amplitude des Eingangssignals das Vorspannungsnetzwerk so ändert, daß der Verstärker abhängig von der

Amplitude des Eingangssignals alternativ im Klasse-Α-, -B- oder -C-Betrieb arbeiten kann. Ähnlich wie bei der vorher beschriebenen Anordnung ist auch diese Anordnung jedoch bei Mikrowellenfrequenzen unpraktisch, bei denen sich die Amplitude des Eingangssignals sehr schnell als Funktion der Zeit ändert.

Ein Problem, das von den vorbeschriebenen Anordnungen nicht gelöst wird, ist die Erhöhung des Leistungswirkungsgrades von Leitungsverstärkern, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten. Zur Lösung der sich daraus ergebenden Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Hüllkurven-Detektoreinrichtung zur Ableitung eines zum Eingangssignal v.(t) in Beziehung stehenden Hüllkurvensignals V.(t) und eine Gate-Steuereinrichtung vorgesehen sind, die ein Gate-Steuersignal zum Anlegen als Gate-Eingangsspannung an den FET-Verstärker ableitet, und daß das Gate-Steuersignal eine Summe des Hüllkurvensignals und einer konstanten Gate-Spannung darstellt.

, In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung wird demgemäß ein Hüllkurvendetektor benutzt, um die Gate-Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Hüllkurve des Eingangssignals dynamisch zu steuern. Erfindungsgemäß wird ein verbesserter Leistungswirkungsgrad bei Mikrowellenfrequenzen dadurch erreicht, daß die Gate-Versorgungsspannung mit der Hüllkurve des Eingangssignals statt, wie früher vorgescHTagen, mit der augenblicklichen Amplitude des Eingangssignals gesteuert wird. „ ■ Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden, in denen gleiche;Bezugszeichen gleiche Merkmale bedeuten. Es zeigen:

Fig. 1 eine dynamische Klasse-A-FET-Verstärkerschaltung nach der Erfindung, die

als Klasse-A'-Verstärkerschaltung bezeichnet wird ;

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Fig. 2 ein idealisiertes FET-Modell mit den

Lastlinien und den Spannungs- und Stromkurvenformen für eine Arbeitsweise sowohl im bekannten Klasse-A-Betrieb (ausgezogene Linien) als auch im Klasse-

'A-Betrieb nach der vorliegenden Erfindung (gestrichelte Linien);

Fig. 3 einen Vergleich des erhöhten Leistungswirkungsgrades eines Klasse-A-FET-Ver- stärkers nach der Erfindung mit einem

bekannten Klasse-A-FET-Verstärker.

Die bei vielen Nachrichtenanlagen verwendeten Modulations- und Multiplexierverfahren führen zu Signalen mit Hüllkurven, die sich in hohem Maß zeitabhängig ändern. Dies ist beispielsweise in Freguenzmultiplexsystemen der Fall, die entweder mehrere Trägersignale oder Einseitenbandsignale (SSB) verwenden, sowie in Digitalsystemen mit hohem Bandbreiten-Wirkungsgrad, die eine Quadraturamplitudenmodulation (QAM) verwenden. Ein in irgendeinem dieser Systeme verwendeter Leistungsverstärker muß mit brauchbarer Linearität arbeiten. Dies wird erreicht, indem man die mittlere Ausgangsleistung des Verstärkers weit von der Sättigung entfernt, um den Bereich der Hüllkurvenänderungen auf den im wesentlichen linearen Verstärkugnsbereich zu beschränken. Bei Klasse-A-FET-Leistungsverstärkern ist die Gleichstromleistung im Grundsatz vom Signalpegel unabhängig. Demgemäß wird- der Wirkungsgrad gegenüber seinem Spitzen-(Sättigungs-)-Wert um den Betrag .'des -Abstandes von der Sättigung herabgesetzt. Eine solche Verringerung des Wirkungsgrades führt zu einem schwerwiegenden Leistungsnachteil, der insbesondere für eine Verwendung in einem Satelliten unannehmbar sein kann, bei dem die Gleichstrom-, leistung hohe Kosten verursacht und begrenzt ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Klasse-A-FET-Leistungsverstärkern geschaffen, die mit Signalen mit sich ändernder Hüllkurve betrieben werden. Diese

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Anordnung, die als Klasse-A-Anordnung bezeichnet wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Bei Klasse-A-Verstärkeranordnungen nach dem Stand der Technik würde ein Eingangssignal v.(t) direkt als Source-Eingangssignal an einen FET-Verstärker 14 angelegt, so daß entsprechend den Eigenschaften eines FET-Bauteils ein verstärktes Abbild ν (t) am Ausgang des FET-Verstärkers 14 erscheint. Die Gleichstrom-Versorungsleistung wird sowohl durch die Drain-Vorspannung E als auch die Gate-Vorspannung E bestimmt, die durch eine Drain-Vorspannungsquelle 18 bzw. eine Gate-Vorspannungsguelle 16 geliefert werden.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Eingangssignal v.(t) statt direkt an den FET-Verstärker 14 an einen Richtungskoppler 10 angelegt, der das Signal in zwei Komponenten aufteilt, nämlich eine verhältnismäßig große und eine verhältnismäßig kleine Komponente. Die kleinere Komponente, bei der beispielsweise die Eingangssignalleistung um 10 bis 20 dB herabgesetzt ist, wird nachfolgend als Eingangssignal an einen Hüllkurvendetektor 12 angelegt. Dieser entnimmt dem Eingangssignal v.(t) das Hüllkurvensignal. Ein Ausführungsbeispiel 'für den Hüllkurvendetektor 12 enthält eine Diode, gefolgt von einer Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator, wobei die RC-Parallelschaltung so gewählt sein muß, daß der Hüllkurvendetektor 12 der Hüllkurve eines Mikrowellen-Eingangssignals folgen kann. Da das Eingangssignal v.(t) definiert werden kann als

v_±(t) = V_±(t)cos{ü)t +e(t)} ' (1)

wobei V.(t) das sich zeitabhängig ändernde Hullkurveneingangssignal und {ω t + 9(t)} das sich zeitabhängig ändernde Phaseneingangssignal sind, filtert der Hüllkurvendetektor 12 die Phaseninformation des Eingangssignals v.(t) aus und erzeugt als Ausgangssignal entsprechend der Angabe in Fig.

1 das Hullkurveneingangssignal V.(t). Die größere Komponente des Eingangssignals v^(t), die am Ausgang des Richtungskörpers 10 erzeugt wird, wird nachfolgend als Eingangssignal an den FET-Verstärker 14 angelegt, wie oben

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mit Bezug auf bekannte Anordnungen beschrieben worden ist.

Das Hüllkurveneingangssignal V.(t) vom

Hüllkurvendetektor 12 wird anschließend als Eingangssignal an die Gate-Vorspannungsquelle 16 angelegt, die das Hüllkurvensignal V.(t) zu einer Gate-Gleichvorspannung E_r„ addiert und als Ausgangssignal ein Gate-Vorspannungssteuersignal E_(t) erzeugt, wobei E_(t) = E„_n+V. (t) ist.

Or (j uU 1

Die Gate-Vorspannung E (t) soll nachfolgend genauer in Verbindung mit der Beschreibung von Fig. 2 definiert werden.

Wie oben erwähnt, liefert die Drain-Vorspannungsquelle 18 die erforderliche Spannung an den Drain-Eingang des FET-Verstärkers 14, derart, daß der Verstärker im Klasse-A-Betrieb arbeiten kann, d.h. daß der Ausgangsstrom für die volle Periode des Eingangsstroms fließen kann. Bei einer Arbeitsweise des FET-Verstärkers 14 im Klasse-Ä-Betrieb nach der vorliegenden Erfindung bewirkt die Zeitabhängigkeit der Gate-Vorspannung E (t) jedoch, daß der Drain-Strom I_n(t) aus der Quelle 16 sich proportional zum Eingangshüllkurvensignal V.(t) ebenfalls ändert. Daher ist" ein Kondensator 20 in der Drain-Vorspannungsschaltung vorgesehen, um die sich ändernde Komponente des Drainstroms zu absorbieren, während eine beinahe konstante Drain-Vorspannung E aufrecht erhalten bleibt.

Entsprechend der Angabe in Fig. 1 erzeugt der FET-Verstärker 14 dann als Ausgangssignal ein sich zeitabhängig änderndes Signal v_Q(t) = V₀(t)cos{(i)t + Q(t)} , wobei V_Q(t) definiert ist als das

sich zeitabhängig ändernde Hullkurvenausgangssignal und {tot + e(t)} definiert ist als die sich zeitabhängig ändernde Ausgangsphase. Entsprechend dem oben definierten Klasse-'A'-Betrieb des FET-Verstärkers 14 ist das Ausgangssignal ν (t) über die volle Periode des Eingangssignals v.(t) vorhanden.

ν den Drain-Strom i und die Drain-Spannung ν bei einem

Die Kennlinien für die Gate-Spannung im i und die Drain-Spannung ν bei ei idealisierten FET-Modell, das sowohl im konventionellen

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Klasse-A-Betrieb als auch im Klasse-A-Betrieb nach der vorliegenden Erfindung arbeitet, sind in Fig. 2 gezeigt. Zur Erläuterung sind die Kennlinien für einen bestimmten Zeitpunkt dargestellt, für den das Hüllkurveneingangssignal V.(t) = V. ist, da eine Darstellung der Kennlinien als Funktion der Zeit die Figur unnötig komplizieren würde. Bei der Darstellung in "Fig. 2 ist V definiert als die Gate-Abschnürspannung, V ist die maximal zulässige Drain-Spannung und I ist der maximale Drain-Strom, der sich bei der Gate-Spannung Null ergibt. Die obenerwähnte Gate-Gleichvorspannung E_r(t) , die erforderlich ist, damit der FET entweder im Klasse-Α- oder Klasse-If-Betrieb arbeitet, ist definiert zu:

bzw.

wobei

= -V /2 = konstant (2) ρ

^EG^{(t) =} ~

V.(t) die oben beschriebene Hüllkurveneingangssignalspannung ist und darauf hingewiesen werden soll, daß E gleich -V ist. Die Drainvorspannung E^ und der Hochfrequenz-Lastwiderstand R. sind identisch für beide Klassen und definiert durch

E_n = V /2 (4) und

D m

^RL - V¹H, ⁽⁵⁾·

In Fig. 2 sind zwei Lastlinien 22, 24, zwei Eingangsspannungskurven 26, 28 und Äusgangsspannungs- und Stromkurvenformen 30, 32, 34 sowohl für einen Klasse-A- als auch einen Klasse-iT-Betrieb dargestellt, wobei die Kur'venformen für den Klasse-A-Betrieb mit ausgezogenen Linien und die Kurven für einen Klasse-A-Betrieb mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Die Steigung η jeder Lastlinie 22, 24 ist gleich -l/R . Die Lastlinie 24 für

Li

die Klasse A bewegt sich parallel zu sich selbst nach oben und unten, wie durch Pfeile dargestellt, und zwar abhängig von Änderungen der Gate-Steuervorspannung E_r(t), die dem Hüllkurveneingangssignal V.(t) zugeordnet ist. Die Lastlinie 22 für den Klasse-A-Betrieb nach dem Stand der Technik bleibt dagegen fest. Demgemäß ändert sich

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der Arbeitspunkt auf der Lastlinie für einen Klasse-X-Betrieb nach der vorliegenden Erfindung abhängig von Änderungen der Hüllkurve des Eingangssignals v.(t), während der Arbeitspunkt für einen konventionellen Klasse-A-Betrieb fest bleibt.

Die Hochfrequenz-Ausgangsleistung P (t) eines FET-Verstärkers, die aufgrund von Änderungen der Signalhüllkurve zeitabhängig ist, ist definiert zu:

P₀(t) = V_o(t)I_o(t)/2 (6) , wobei I (t) = V (t)/P_ die Grundfrequenzkomponente des

O O Li

Drain-Stroms ist. Die normierte Ausgangshüllkurve ist definiert zu:

r(t) - V_o(t)/V_Omax (7) .

Beachtet man gemäß Fig. 2, daß V = V /2 ist, und

ο ι Πι 3.x m benutzt man die Gleichungen (6) und (7), so läßt sich die Hochfrequenz-Ausgangsleistung P (t) definieren zu:

P_o(t) - r²(t)V_mI_m/8 (8).

Die Drain-Gleichstromleistung P_n(t) , die ebenfalls zeitabhängig ist, läßt sich definieren zu:

^PD^{(t) = E}D^JD^{(t) i9)} ·

Der erhöhte Leistungswirkungsgrad η ,., also der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung interessierende Parameter, ist definiert durch:

-- (P₀ -p_±)/p_d do) , wobei P. die mittlere Leistung des Eingangssignals v.(t) ist. Die Leistungsverstärkung G ist definiert zu:

G = P_o/P_± (H) -

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 läßt sich feststellen, daß für die gleiche Ausgangsleistung P (t) sowohl im' Klasse- ^O A- als auch im Klasse-^-Betrieb das gleiche Eingangshüllkurvensignal V. benutzt wird. Demgemäß ist die Leistungsverstärkung für den Betrieb in beiden Klassen identisch, d.h. es gilt:

^GA = ^GA ⁽¹²⁾·

AA

Die erhöhten Leistungswirkungsgrade

ⁿadd ^{und n} sind in Fig. 3 als Funktion der Leistungsverstärkung G und G* sowohl für ein einziges Trägerein-

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gangssignal als auch ein Mehrfachträger-Eingangssignal dargestellt. Man beachte, daß die Leistungsverstärkung G oder G^- von dem jeweils benutzten FET abhängen. Für ein Einzelträger-Eingangssignal ist das zugeordnete Hüllkurvensignal gleich einem konstanten V., d.h.

v_± (t) = V₁COs {tut + e(t)} (13) .

Bei voller Ansteuerung ist V. gleich V /2. Das bedeutet, daß das Gate-Vorspannungs-Steuersignal E_(t) eines

Klasse-A-FET-Verstärkers ebenfalls gleich einer Konstanten ist:

E^ = -V_p + V₁ = -V_p/2 (14).

Für ein Einzelträger-Eingangssignal mit voller Ansteuerung arbeitet also ein Klasse-A-FET-Verstärker genau wie ein Klasse-A-Verstärker , d.h. in jeder Betriebsart ergibt sich der gleiche erhöhte Leistungswirkungsgrad η ,, als Funktion der Leistungsverstärkung G. Die.entsprechende Kennlinie wird durch die unterbrochene Linie in Fig.3 dargestellt.

Wenn das Eingangssignal v.(t) ein Mehrfachträgersignal ist, so fällt der erhöhte Leistungswirkungsgrad im Klasse-A-Betrieb stark ab, wie die ausgezogene Linie in Fig. 3 zeigt. Beispielsweise besitzt ein Klasse-A-Verstärker mit einer Leistungsverstärkung von etwa 6,7 dB einen erhöhten Leistungswirkungsgrad η ,, von etwa 40 % bei Verstärkung eines Einzelträger-Eingangssignals mit voller Ansteuerung, wie der Punkt 1 in Fig. 3 zeigt. Bei Verwendung eines Mehrfachträger-Eingangssignals und einer Ausgangsreduzierung von 4 dB fällt dagegen der erhöhte Leistungswirkungsgrad im Klasse-A-Betrieb für die gleiche Leistungsverstärkung von 6,7 dB auf etwa 15 % ab, wie der Punkt 2 in Fig. 3 zeigt. Bei Verwendung eines Klasse-'S'-FET-Verstärkers nach der Erfindung steigt dagegen der erhöhte Leistungswirkungsgrad für eine Leistungsverstärkung von 6,7 dB auf etwa 27 % an, wie der Punkt 3 in Fig. 3 zeigt. Demgemäß ergibt ein Klasse-T^-FET-Verstärker nach der Erfindung mit der gleichen Verstärkung wie ein konventioneller Klasse-A-FET-Verstärker einen Leistungswirkungsgrad, der um 50 % größer als der im

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Klasse-A-Betrieb ist, kung. und- zwar unabhängig von der Verstär-

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Claims

Western Electric Company Incorporated New York N.Y. 10038, USA

D.C.Cox 10-5

Patentansprüche

20

W. Feldeffekttransistor-(FET)-

Verstärkerschaltung für einen linearen Klasse-A-Betrieb zur Erzeugung eines sich zeitabhängig ändernden, verstärkten Signals unter Ansprechen auf ein sich zeitabhängig änderndes Eingangssignal,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Hüllkoirven-Detektoreinrichtung (12) zur Ableitung eines zum Eingangssignal v.(t) in Beziehung stehenden Hüllkurvensignals V.(t) und eine Gate-Steuereinrichtung (16) vorgesehen sind, die ein Gate-Steuersignal zum Anlegen als Gate-Eingangsspannung an den FET-Verstärker (14) ableitet,

und daß das Gate-Steuersignal eine Summe des Hüllkurvensignals und einer konstanten Gate-Spannung (E^₀) darstellt.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß der FET-Verstärker einen Source-Eingangsanschluß zur Aufnahme des Eingangssignals aufweist und daß eine Drain-Vorspannungsquelle (18) zur Lieferung eines Drain-Vorspannungssignals (E ) an einen Drain-Eingangsanschluß des FET-Verstärkers sowie ein Kondensator (20) vorgesehen sind, der zwischen den Ausgang der Drain-Vorspannungsquelle und eine Erdbezugsebene geschaltet ist, um zeitliche Änderungen eines

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4166237 Telegramme Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/8836CH Telex 5212313 Telegramme Patentconsult

Telefax (CCITT 2) Wiesbaden und München (089) 8344618 Attention Patentconsult

Stromes aus der Drain-Vorspannungsquelle zu absorbieren.
3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Richtungskoppler (10) zur Ableitung eines ersten Ausgangssignals und eines zweiten, kleineren Ausgangssignals aus dem Eingangssignal vorgesehen sind, daß die Summe des ersten und zweiten Ausgangssignals gleich der Größe des Eingangssignals ist, daß das erste Ausgangssignal an den Source-Eingangsanschluß des FET-Verstärkers angeschaltet ist und 2Q daß das zweite Ausgangssignal als Eingangssignal an die Hüllkurven-Detektoreinrichtung angelegt ist.
4. Verstärkerschaltung nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ausgangssignal zwischen etwa 10 dB und etwa 20 dB kleiner als das Ein-

£5 gangssignal ist.
5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Gate-Spannung.gleich dem negativen Wert einer vorbestimmten Abschnürspannung (V ) des FET-Verstärkers ist und daß die Drain-Vorspannung gleich dem halben Wert einer vorbestimmten, maximal zulässigen Drain-Spannung ist.

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