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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
zur Verwendung bei einer Satellitenkommunikation, Mikrowellen-Erdkommunikation,
mobilen Kommunikation und dergleichen.
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Stand der
Technik
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Im
Allgemeinen nimmt ein Hochfrequenzverstärker, der einen bipolaren NPN-Transistor
des BJT, HBT oder dergleichen verwendet, eine Konstantspannungs-Vorspannschaltung
an, die eine konstante Spannung an die Basis anlegt, um ein Hochleistungs-Ausgangssignal
und hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Wenn ein konstanter Vorspannstrom
zu der Basis geführt
wird und wenn die Leistung eines Hochfrequenz-Eingangssignals zunimmt
und einen gleichgerichteten Strom erzeugt, fällt die Basisspannung, um den
konstanten Strom auf rechtzuerhalten. Demgemäß nimmt, wenn die Leistung
des Eingangssignals zunimmt, da die Verstärkeroperation sich rasch der
B-Klasse annähert,
die Sättigungsleistung
ab, und das Hochleistungs-Ausgangssignal und
der hohe Wirkungsgrad können
nicht erreicht werden. Wenn eine konstante Vorspannung an die Basis angelegt
wird, ändert
sich andererseits, da die Basisspannung nicht abfällt, die
Vorspannklasse nicht, und ein Ausgangssignal mit größerer Sättigungsleistung
und höherem
Wirkungsgrad kann erzielt werden im Vergleich zu dem Fall des konstanten
Vorspannstroms. Daher wird eine Konstantspannungs-Vorspannschaltung,
die die Basisspannung nicht herabsetzt, erforderlich, selbst wenn
eine Zunahme des Basisstroms mit einer Zunahme der Leistung des
Eingangssignals stattfindet.
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1 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
illustriert, bei der eine Basisstromkompensations-Stromspiegelschaltung
für eine
Konstantspannungs-Vorspannschaltung verwendet wird, die beispielsweise
in "Introduction
To Functional Circuit Design of Analog ICs, IC Designing Method
Using Circuit Simulator SPICE" (geschrieben
von Hidehiko Aoki, herausgegeben von dem CQ-Herausgeber, 1992, 20. September, Seite
74) dargestellt ist.
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In
der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Hochfrequenzverstärker, der
einen bipolaren NPN-Transistor
wie den BJT, HBT oder dergleichen als das Verstärkungselement verwendet, und 2 bezeichnet eine
Konstantspannungs-Vorspannschaltung, die eine Basisvorspannung zu
dem Hochfrequenzverstärker 1 liefert.
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In
dem Hochfrequenzverstärker 1 bezeichnet
die Be zugszahl 3 einen bipolaren NPN-Transistor wie den
BJT, HBT oder dergleichen, 4 bezeichnet die mit dem Emitteranschluss
des bipolaren NPN-Transistors 3 verbundene Erde, 5 bezeichnet
einen Hochfrequenzsignal-Eingangsanschluss, 6 bezeichnet
einen Hochfrequenzsignal-Ausgangsanschluss, 7 bezeichnet
einen Basisvorspannanschluss, 8 bezeichnet einen Kollektorvorspannanschluss.
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In
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 bezeichnet die
Bezugszahl 11 einen bipolaren NPN-Transistor wie den BJT,
HBT oder dergleichen, der zusammen mit dem bipolaren NPN-Transistor 3 des Hochfrequenzverstärkers 1 eine
Stromspiegelschaltung bildet, dessen Basisanschluss mit dem Basisvorspannanschluss 7 verbunden
ist, dessen Emitteranschluss mit der Erde 4 verbunden ist.
Die Bezugszahl 12 bezeichnet einen bipolaren NPN-Transistor
wie den BJT, HBT oder dergleichen, für eine Basisstromkompensation,
dessen Basisanschluss mit dem Kollektoranschluss des bipolaren NPN-Transistors 11 verbunden
ist, dessen Emitteranschluss mit dem Basisanschluss des bipolaren
NPN-Transistors 11 verbunden
ist. Die Bezugszahl 13 bezeichnet einen Widerstand, der
zwischen den Kollektoranschluss des bipolaren NPN-Transistors 12 und
einen Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet
ist, und 14 bezeichnet einen Widerstand, der zwischen dem
Basisanschluss des bipolaren NPN-Transistors 12 und den
Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet
ist.
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Als
Nächstes
wird die Arbeitsweise beschrieben.
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Ein
Hochfrequenzsignal Pin wird über
den Hochfrequenzsignal-Eingangsanschluss 5 in den Hochfrequenzverstärker 1 eingegeben
und wird von dem Hochfre quenzsignal-Ausgangsanschluss 6 ausgegeben, nachdem
es durch den Hochfrequenzverstärker 1 verstärkt wurde.
Eine Basisspannung Vb und ein Basisstrom Ibrf zu dem Hochfrequenzverstärker 1 werden
von der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 geliefert,
und ein Kollektorstrom Icrf und eine Kollektorspannung Vc zu dem
Hochfrequenzverstärker 1 werden
von dem Kollektorvorspannanschluss 8 geliefert.
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In
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 werden die Basisspannung
Vb und der Basisstrom Ibrf wie folgt bestimmt. Es wird hier angenommen,
dass eine Größe des bipolaren
NPN-Transistors 11, der zusammen mit Hochfrequenzverstärker 1 den
Stromspiegel bildet, gleich 1 ist, eine Größe des bipolaren NPN-Transistors 3 des
Hochfrequenzverstärkers 1 gleich
N ist, und eine Größe des bipolaren
NPN-Transistors 12 für
die Basisstromkompensation gleich N ist. Auch wird angenommen, dass
diese drei bipolaren NPN-Transistoren 3, 11, 12 dieselbe
Struktur und denselben Stromverstärkungsfaktor β haben. Weiterhin
sind die Kontaktspannung Vref, die Ströme Iref, Icdcd1, Ibdc1, Icdc2,
Iedc2, Ibdc2, Ibrf, Icrf und der Widerstand Rref wie in 1 gezeigt
definiert.
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Wenn
eine Leistungszuführungsspannung
Vpc von dem Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 der
Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 geliefert wird, wird
der Bezugsstrom Iref des Stromspiegels durch den folgenden Ausdruck
gegeben. Iref = (Vpc – 2·Vb)/Rref
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Mit
Bezug auf diesen Bezugsstrom Iref wird der Kollektorstrom Icrf des
bipolaren NPN-Transistors
3 des Hochfrequenzverstärkers
1 wie
folgt gegeben.
worin die Basisvorspannung
Vb des bipolaren NPN-Transistors
3 des
Hochfrequenzverstärkers
1 wie
folgt eingestellt wird.
Vb = (Vpc – Iref·Rref)/2 -
Der
in diesem Fall fließende
Basisstrom Ibrf wird wie folgt. Ibrf = Icrf/β
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Auf
diese Weise liefert die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 die Basisspannung
Vb und den Basisstrom Ib als die Ausgangssignale hiervon.
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Da
die herkömmliche
Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
wie vorstehend ausgebildet ist, verringert sich, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal
Pin zunimmt und einen gleichgerichteten Basisstrom ΔIb erzeugt,
die Basisspannung Vb sich um einen Spannungsabfall ΔVb. Daher
nähert
sich, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt, die Vorspannungsklasse
des Hochfrequenzverstärkers 1 der
B-Klasse, und die Sättigungsausgangsleistung
und der Wirkungsgrad nehmen ab, was ein Problem darstellt. Nachfolgend
wird die Operation zum Bewirken des Spannungsabfalls ΔVb erläutert.
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In
der herkömmlichen
Technik wird ein Fall geprüft,
bei dem die Eingangsleistung des Hochfrequenzverstärkers 1 zunimmt
und den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb erzeugt, und folglich erhöht die Konstantspan nungs-Vorspannschaltung 2 das
Ausgangssignal des Basisstroms Ibrf um ΔIb. Wenn der Basisstrom Ibrf um ΔIb zunimmt,
ergibt sich unter der Annahme, dass der Emitterstrom Iedc2 des bipolaren
NPN-Transistors 12 für
die Basisstromkompensation um ΔIedc2
zunimmt und der Basisstrom Ibdc1 des bipolaren NPN-Transistors 11,
der den Stromspiegel bilden, um ΔIbdc1
abnimmt, die folgende Beziehung hinsichtlich der Veränderungen
dieser Ströme. ΔIb
= ΔIedc2
+ ΔIbdc1
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Als
Nächstes
wird eine Veränderung ΔIcdc1 des
Basisstroms Icdc1 des bipolaren NPN-Transistors 11, der
den Stromspiegel bildet, wie folgt gegeben. ΔIcdc1 = –β·ΔIbdc1
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Hier
wird unter der Annahme, dass der Bezugsstrom Iref nahezu konstant
ist, eine Veränderung ΔIbdc2 des
Basisstroms Ibdc2 des bipolaren NPN-Transistors 12 für die Basisstromkompensation
wie folgt gegeben. ΔIbdc2 = –ΔIcdc1 = β·ΔIbdc1
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Daher
wird die Veränderung ΔIedc1 des
Emitterstroms Iedc2 des bipolaren NPN-Transistors 12 für die Basisstromkompensation
wie folgt gegeben. ΔIedc2 = (1 + β)·ΔIbdc2
= β * (1 + β) * ΔIbdc1
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Daher
ist ΔIb
= ΔIedc2
+ ΔIbdc1
= ΔIbdc1·{1 + β·(1 + β)}
= ΔIbdc1·(1 + β + β2)
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Daher
wird ΔIbdc1
wie folgt gegeben.
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Der
Spannungsabfall des bipolaren NPN-Transistors 11, der den
Stromspiegel bildet, d.h., der Spannungsabfall ΔVb der Ausgangsspannung Vb wird
in diesem Moment wie folgt gegeben.
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Worin
n der Kompensationskoeffizient, k die Boltzmann-Konstante, T die
absolute Temperatur, q die elektrische Ladung und Is der Sättigungsstrom
sind.
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Demgemäß erzeugt
in dem Hochfrequenzverstärker
nach der herkömmlichen
Technik, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal
Pin zunimmt und den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb erzeugt,
die Basisspannung Vb den Spannungsabfall ΔVb; und als eine Folge nähert sich
die Vorspannungsklasse des Hochfrequenzverstärkers 1 der B-Klasse
an, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt, was zu dem
Problem führt,
dass die Sättigungsausgangsleistung
und der Wirkungsgrad abnehmen.
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In
der JP 11-68473 ist eine Vorspannungsschaltung zum Vorspannen eines
Hochfrequenzverstärkers offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorgenannte Problem
zu lösen,
und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochfrequenzverstärker zu
erhalten, der einen hohen Wirkungsgrad aufrechterhält, selbst
wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal
zunimmt und den gleichgerichteten Basisstrom erzeugt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß dieser
Erfindung ist vorgesehen, zwischen einem ersten und einem zweiten
Widerstand und einem dritten bipolaren NPN-Transistor, mit einem
ersten und einem zweiten bipolaren PNP-Transistor, die einen Stromspiegel
bilden, der einen Kollektrostrom des dritten bipolaren NPN-Transistors
als einen Bezugsstrom verwendet, und einen Kollektorstrom eines
zweiten bipolaren NPN-Transistors
bestimmt.
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Mit
dieser Konfiguration wird ein Größenverhältnis des
ersten und des zweiten bipolaren PNP-Transistors, die den Stromspiegel
bilden, so entworfen, dass ein Spannungsabfall null angenähert wird,
oder ein Wert, der unendlich nahe null ist, unterdrückt den
Spannungsabfall der Basisspannung, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal zunimmt
und einen gleichgerichteten Basisstrom erzeugt, was eine hohe Ausgangsleistung
und einen Wirkungsgrad bewirkt.
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Weiterhin
stellt die Veränderung
des Größenverhältnisses
des ersten und des zweiten bipolaren PNP-Transistors, die den Stromspiegel bilden,
die Basisspannung ein, d.h., erhöht,
reguliert oder verringert diese, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal
zunimmt und den gleichgerichteten Basisstrom erzeugt, wodurch eine
Funktion zum Einstellen der Basisspannung bewirkt wird.
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Die
Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß dieser
Erfindung ist vorgesehen, zwischen einem ersten und einen zweiten
Widerstand und einem dritten bipolaren NPN-Transistor, mit einem
ersten und einem zweiten PMOS-Transistor, die einen Stromspiegel
bilden, der einen Kollektorstrom eines dritten bipolaren NPN-Transistors als einen
Bezugsstrom verwendet und einen Kollektorstrom eines zweiten bipolaren NPN-Transistors
bestimmt.
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Mit
dieser Konfiguration wird ein Größenverhältnis des
ersten und des zweiten PMOS-Transistors, die den Stromspiegel bilden,
so entworfen, dass ein Spannungsabfall null angenähert wird,
oder ein Wert, der unendlich nahe null ist, unterdrückt den
Spannungsabfall der Basisspannung, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal zunimmt
und einen gleichgerichteten Basisstrom erzeugt, was eine hohe Ausgangsleistung
und einen hohen Wirkungsgrad bewirkt.
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Weiterhin
stellt die Veränderung
des Größenverhältnisses
des ersten und des zweiten PMOF-Transistors, die den Stromspiegel
bilden, die Basisspannung ein, d.h. erhöht, reguliert oder verringert
diese, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal zunimmt und den gleichgerichteten
Basisstrom erzeugt, wodurch eine Funktion zum Einstellen der Basisspannung
bewirkt wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
illustriert;
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung illustriert; und
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
2 der vorliegenden Erfindung illustriert.
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Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
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Um
die vorliegende Erfindung im Einzelnen zu erläutern, wird die beste Art der
Ausführung
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben.
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Ausführungsbeispiel 1
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung illustriert, und in der Figur bezeichnet
die Bezugszahl 1 einen Hochfrequenzverstärker, der
einen bipolaren NPN-Transistor wie den BJT, HBT oder dergleichen
als ein Verstärkungselement
verwendet, und 2 bezeichnet eine Konstantspannungs-Vorspannschaltung,
die eine Basisvorspannung zu dem Hochfrequenzverstärker 1 liefert.
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In
dem Hochfrequenzverstärker 1 bezeichnet
die Bezugszahl 3 einen bipolaren NPN-Transistor (einen ersten
bipolaren NPN-Transistor) wie den BJT, HBT oder dergleichen, 4 ein
mit dem Emitteranschluss des bipolaren NPN-Transistors 3 verbundenes
Erdpotential, 5 einen Hochfrequenzsignal-Eingangsanschluss, 6 einen Hochfrequenzsignal-Ausgangsanschluss, 7 einen
Basisvorspannanschluss, 8 einen Kollektorvorspannanschluss.
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In
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 bezeichnet die
Bezugszahl 11 einen bipolaren NPN-Transistor (einen zweiten
bipolaren NPN-Transistor) wie den BJT, HBT oder dergleichen, der
zusammen mit dem bipolaren NPN-Transistor 3 des Hochfrequenzverstärkers 1 eine
Stromspiegelschaltung bildet, dessen Basisanschluss mit dem Basisvorspannanschluss 7 verbunden
ist, dessen Emitteranschluss mit dem Erdpotential 4 verbunden
ist. Die Bezugszahl 12 bezeichnet einen bipolaren NPN-Transistor
(einen dritten bipolaren NPN-Transistor)
wie den BJT, HBT oder dergleichen, für eine Basisstromkompensation,
dessen Basisanschluss mit einem Kollektoranschluss des bipolaren
NPN-Transistors 11 verbunden
ist, dessen Emitteranschluss mit dem Basisanschluss des bipolaren
NPN-Transistors 11 verbunden ist.
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Weiterhin
bezeichnet die Bezugszahl 20 einen Stromspiegel, der einen
Kollektorstrom des bipolaren NPN-Transistors 12 als
einen Bezugsstrom verwendet und den Kollektorstrom des bipolaren
NPN-Transistors 11 bestimmt, 21, 22 bezeichnen
bipolare PNP-Transistoren (erster und zweiter bipolarer PNP-Transistor)
wie den BJT, HBT oder dergleichen, die den Stromspiegel bilden.
In dem Stromspiegel sind die Basen der bipolaren PNP-Transistoren 21, 22 miteinander
verbunden, der Basis- und der Kollektoranschluss des bipolaren PNP-Transistors 21 sind
gemeinsam mit dem Kollektoranschluss des bipolaren NPN-Transistors 12 verbunden,
und der Kollektoranschluss des bipolaren PNP-Transistors 22 ist mit dem
Basisanschluss des bipolaren NPN-Transistors 12 verbunden.
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Die
Bezugszahl 13 bezeichnet einen Widerstand (einen ersten
Widerstand), der zwischen den Emitteranschluss des bipolaren PNP-Transistors 21 und
einen Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet
ist, 14 einen Widerstand (einen zweiten Widerstand), der
zwischen den Emitteranschluss des bipolaren PNP-Transistors 22 und den Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet
ist, 41 einen Widerstand, der zwischen den Kollektoranschluss
des bipolaren PNP-Transistor 22 und den Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet
ist, und 42 eine aus dem Widerstand 41 zusammengesetzte
Startschaltung.
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Als
Nächstes
wird die Arbeitsweise beschrieben.
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Ein
Hochfrequenzsignal Pin wird über
den Hochfrequenzsignal-Eingangsanschluss 5 in den Hochfrequenzverstärker 1 eingegeben
und von dem Hochfrequenzsignal-Ausgangsanschluss 6 ausgegeben,
nachdem es durch den Hochfrequenzverstärker 1 verstärkt wurde.
Eine Basisspannung Vb und ein Basisstrom Ibrf werden von der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 geliefert,
und ein Kollektorstrom Icrf und eine Kollektorspannung Vc werden
von dem Kollektorvorspannanschluss 8 geliefert.
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In
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 werden die Basisspannung
Vb und der Basisstrom Ibrf wie folgt bestimmt. Es wird hier angenommen,
dass die Größe des bipolaren
NPN-Transistors 11, der zusammen mit dem bipolaren NPN-Transistor 3 des
Hochfrequenzverstärkers 1 den
Stromspiegel bildet, gleich 1 ist, die Größe des bipolaren
NPN-Transistors 3 des Hochfrequenzverstärkers 1 gleich N ist,
und die Größe des bipolaren
NPN-Transistors 12 für
die Basisstromkompensation gleich M ist. Es wird auch angenommen, dass
diese drei bipolaren NPN-Transistoren 3, 11, 12 dieselbe
Struktur und denselben Stromverstärkungsfaktor β haben. Weiterhin
wird angenommen, dass ein Größenverhältnis der
bipolaren PNP-Transistoren 21, 22, die den Stromspiegel 20 bilden,
gleich 1:A ist, wie in 2 gezeigt ist, und der Stromverstärkungsfaktor
gleich β2
ist. Weiterhin sind die Kontaktspannung Vref, die Ströme Iref,
Icdc1, Ibdc1, Icdc2, Iedc2, Ibdc2, Ibrf, Icrf und der Widerstand
Rref wie in 2 gezeigt definiert.
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Wenn
eine Leistungszuführungsspannung
Vpc von dem Leistungszuführungs-Spannungseinstellanschluss 15 der
Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 zugeführt wird,
wird der Bezugsstrom Iref des Stromspiegels, der aus den bipolaren
NPN-Transistoren 3, 11 zusammengesetzt ist, durch
den folgenden Ausdruck gegeben, vorausgesetzt, dass die Spannung über die
Basis und den Emitter des bipolaren PNP-Transistors 22 gleich
Vbpnp ist. Iref = (Vpc – 2·Vb – Vbpnp)/Rref
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Mit
Bezug auf diesen Bezugsstrom Iref wird der Kollektorstrom Icrf des
bipolaren NPN-Transistors 3 des Hochfrequenzverstärkers 1 wie
folgt gegeben.
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Die
Basisvorspannung Vb des bipolaren NPN-Transistors 3 des
Hochfrequenzverstärkers 1 wird
wie folgt eingestellt. Vb = (Vpc – Iref·Rref – Vbpnp)/2
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Der
in diesem Fall fließende
Basisstrom Ibrf wird wie folgt. ibrf = Icrf/β
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Auf
diese Weise liefert die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 die Basisspannung
Vb und den Basisstrom Ib als die Ausgangssignale hiervon. Der Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 liefert
eine Startspannung zu dem Verbindungspunkt des Kollektoranschlusses
des bipolaren NPN-Transistors 11 und des Kollektoranschlusses
des bipolaren PNP-Transistors 22 mittels der aus dem Widerstand 41 zusammengesetzten
Startschaltung 42, und hierdurch wird die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 gestartet.
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In 2 wird
ein Fall untersucht, in welchem die Eingangsleistung des Hochfrequenzverstärkers 1 zunimmt
und den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb erzeugt, und folglich erhöht die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 das
Ausgangssignal des Basisstroms Ibrf um ΔIb. Wenn der Basisstrom Ibrf
um ΔIb zunimmt,
haben die Veränderungen
dieser Ströme
die folgenden Beziehungen.
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Demgemäß werden
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Andererseits
wird
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Der
Spannungsabfall des bipolaren NPN-Transistors 11, der den
Stromspiegel bildet, d.h., der Spannungsabfall ΔVb der Ausgangsspannung Vb ist
in diesem Moment wie folgt gegeben.
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Worin
n der Kompensationskoeffizient, k die Boltzmann-Konstante, T die
absolute Temperatur, q die elektrische Ladung und Is der Sättigungsstrom
sind.
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Daher
wird, da im Allgemeinen β2
+ 2 < A * β2·β genügt ist, ΔVb > 0 abgleitet.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, nimmt in der Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal
Pin zunimmt und den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb erzeugt,
die Basisspannung Vb um ΔVb
zu. Als Folge nähert
sich die Vorspannungsklasse des Hochfrequenzverstärkers 1 der
A-Klasse an, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt, wodurch
es möglich
wird, die Sättigungsausgangsleistung
und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Es
ist eine allgemeine Praxis, die einen Widerstand für die Isolierung
zwischen den Basisvorspannanschluss 7 des Hochfrequenzverstärkers 1 und
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 in 2 anordnet.
In diesem Fall ist es, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und den gleichgerichteten
Basisstrom ΔIb
erzeugt, abhängig
von dem Wert des zwischengeschalteten Widerstands möglich, die
Basis spannung Vb zu erhöhen,
zu regulieren oder zu verringern. Weiterhin ermöglicht es eine Einstellung
des Größenverhältnisses
A der bipolaren PNP-Transistoren 21, 22, die den
Stromspiegel 20 bilden, die Basisspannung Vb einzustellen,
d.h., zu erhöhen,
zu regulieren oder zu verringern, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt
und den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb erzeugt.
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Wenn
jedoch das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und den gleichgerichteten
Basisstrom ΔIb
erzeugt, und die Basisspannung Vb um ΔVb zunimmt, erhöht die Zunahme
der Basisspannung Vb weiterhin den Basisstrom Ib, der durch den
Hochfrequenzverstärker 1 fließt, und
hierdurch nimmt die Basisspannung Vb weiter zu; und diese Wiederholung
macht die Schaltungsoperation divergent. Daher ist es wichtig, den
allgemein zwischen den Basisvorspannanschluss 7 und die
Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 geschalteten Isolationswiderstand
und das Größenverhältnis A
der bipolaren PNP-Transistoren 21, 22, die den
Stromspiegel 20 bilden, in einer solchen Weise zu bemessen,
dass der Spannungsabfall ΔVb
gerade null wird, oder ein Wert unendlich nahe null; und hierdurch
kann, selbst wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und
den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb
erzeugt, der Spannungsabfall der Basisspannung Vb unterdrückt werden,
und folglich können
das Hochleistungs-Ausgangssignal und der hohe Wirkungsgrad erzielt
werden.
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Ausführungsbeispiel 2
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 der vorliegenden Erfindung illustriert, und in der Figur bezeichnet
die Bezugszahl 30 einen Stromspiegel, der den Kollektorstrom
eines bipolaren NPN-Transistors 12 als den Bezugsstrom
verwendet und den Kollektorstrom eines bipolaren NPN-Transistors 11 bestimmt,
und 31, 32 bezeichnen PMOS-Transistoren (erster
und zweiter PMOS-Transistor), die den Stromspiegel bilden. In dem
Stromspiegel sind die Gates der PMOS-Transistoren 31, 32 miteinander
verbunden, der Gate- und der Drain-Anschluss des PMOS-Transistors 31 sind
gemeinsam mit dem Kollektoranschluss des bipolaren NPN-Transistors 12 verbunden,
und der Drain-Anschluss des PMOS-Transistors 32 ist mit
dem Basisanschluss des bipolaren NPN-Transistors 12 verbunden.
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Weiterhin
ist der Widerstand (erster Widerstand) 13 zwischen den
Source-Anschluss des PMOS-Transistors 31 und den Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet,
der Widerstand (zweiter Widerstand) 14 ist zwischen den
Source-Anschluss des PMOS-Transistors 32 und
den Leistungszuführungs-/Spannungs
einstellanschluss 15 geschaltet, und ein Widerstand 41 ist
zwischen den Drain-Anschluss des PMOS-Transistors 32 und
den Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 geschaltet.
Zusätzlich
ist eine Startschaltung 42 aus dem Widerstand 41 zusammengesetzt.
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Als
Nächstes
wird die Arbeitsweise beschrieben.
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Das
Hochfrequenzsignal Pin wird über
den Hochfrequenzsignal-Eingangsanschluss 5 in den Hochfrequenzverstärker 1 eingegeben
und von dem Hochfrequenzsignal-Ausgangsanschluss 6 ausgegeben,
nachdem es durch den Hochfrequenzverstärker 1 verstärkt wurde.
Die Basisspannung Vb und der Basisstrom Ibrf werden von ei ner Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 geliefert,
und der Kollektorstrom Icrf und die Kollektorspannung Vc werden
von einem Kollektorvorspannanschluss 8 geliefert.
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In
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 werden die Basisspannung
Vb und der Basisstrom Ibrf wie folgt bestimmt. Es wird hier angenommen,
dass die Größe des bipolaren
NPN-Transistors 11, der zusammen mit dem Hochfrequenzverstärker 1 den
Stromspiegel bildet, gleich 1 ist, die Größe des bipolaren NPN-Transistors 3 des
Hochfrequenzverstärkers 1 gleich
N ist und die Größe des bipolaren
NPN-Transistors 12 für
die Basisstromkompensation gleich M ist. Es wird auch angenommen,
dass diese drei bipolaren NPN-Transistoren 3, 11, 12 dieselbe
Struktur und denselben Stromverstärkungsfaktor β haben. Weiterhin
ist das Größenverhältnis der
PMOS-Transistoren 31, 32, die den Stromspiegel 30 bilden,
als 1:B angenommen, wie in 3 gezeigt
ist. Weiterhin sind die Kontaktspannung Vref, die Ströme Iref,
Icdc1, Ibdc1, Icdc2, Iedc2, Ibdc2, Ibrf, Icrf und der Widerstand
Rref wie in 3 gezeigt definiert.
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Wenn
die Leistungszuführungsspannung
Vpc von dem Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 der
Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 zugeführt wird,
wird der Bezugsstrom Iref des aus den bipolaren NPN-Transistoren 3, 11 zusammengesetzten
Stromspiegels durch den folgenden Ausdruck gegeben, vorausgesetzt,
dass die Spannung über
das Gate und die Source des PMOS-Transistors 32 gleich
Vgs ist: Iref = (Vpc 2·Vb – Vgs)/Ref
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Mit
Bezug auf diesen Bezugsstrom Iref wird der Kol lektorstrom Icrf des
bipolaren NPN-Transistors 3 des Hochfrequenzverstärkers 1 wie
folgt gegeben.
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In
diesem Fall wird die Basisvorspannung Vb des bipolaren NPN-Transistors 3 des
Hochfrequenzverstärkers 1 wie
folgt gesetzt. Vb = (Vpc – Iref·Rref – Vgs)/2
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Der
in diesem Fall fließende
Basisstrom Ibrf wird wie folgt. Ibrf = Icrf/β
-
Auf
diese Weise liefert die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 die
Basisspannung Vb und den Basisstrom Ib als die Ausgangssignale hiervon.
Der Leistungszuführungs-/Spannungseinstellanschluss 15 liefert
eine Startspannung zu dem Verbindungspunkt des Kollektoranschlusses
des bipolaren NPN-Transistors 11 und des Drain-Anschlusses
des PMOS-Transistors 32 mittels der aus dem Widerstand 41 zusammengesetzten
Startschaltung 42, und hierdurch wird die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 gestartet.
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In 3 wird
ein Fall untersucht, in welchem die Eingangsleistung des Hochfrequenzverstärkers 1 zunimmt
und den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb verzeugt, und folglich erhöht die Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 die
Ausgabe des Basisstroms Ibrf um ΔIb.
Wenn der Basisstrom Ibrf um ΔIb
zunimmt, haben die Veränderungen
dieser Ströme
die folgenden Be ziehungen. ΔIb = ΔIedc2 + ΔIbdc1 ΔIedc2 = (1
+ β)·ΔIbdc2 ΔIcddc2
= β·ΔIbdc2 ΔIcdc1
= –β·ΔIbdc1 ΔIref
= B·ΔIcdc2 ΔIbdc2
= ΔIref – ΔIcdc1
-
Daher
wird ΔIbddc2
= ΔIref – ΔIcdc1
=
B·ΔIcdc2 + β·ΔIbdc1 (1 – B)·ΔIbdc2 = β·ΔIbdc1
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Demgemäß wird
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Andererseits
wird
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Demgemäß wird
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Der
Spannungsabfall des bipolaren NPN-Transistors 11, der den
Stromspiegel bildet, nämlich
der Spannungsabfall ΔVb
der Ausgangsspannung Vb wird in diesem Moment wie folgt gegeben.
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Daher
wird, wenn der Beziehung B > 1
genügt
ist, Δ Vb > 0 abgeleitet; wenn
B = 1, ΔVb
= 0; und wenn B < 1, ΔVb < 1.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, wird es in der Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 der vorliegenden Erfindung möglich,
wenn das Größenverhältnis der
PMOS-Transistoren 31, 32, die den Stromspiegel 30 bilden,
auf B > 1 gesetzt
wird, die Basisspannung Vb um ΔVb
anzuheben, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und
den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb
erzeugt. Als eine Folge nähert
sich die Vorspannungsklasse des Hochfrequenzverstärkers 1 der
A-Klasse an, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt, wodurch
die Sättigungsausgangsleistung
und der Wirkungsgrad zunehmen.
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Weiterhin
ermöglicht
die Einstellung des Größenverhältnisses
der PMOS-Transistoren 31, 32, die den Stromspiegel 30 bilden,
auf B = 1, dass der Span nungsabfall der Basisspannung Vb gleich
null wird, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und
den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb
erzeugt. Als eine Folge kann die Vorspannungsklasse des Hochfrequenzverstärkers 1 stabilisiert
werden, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt, wodurch
die Sättigungsausgangsleistung
und der Wirkungsgrad zunehmen.
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Auf
diese Weise stellt nur eine Änderung
des Größenverhältnisses
B der PMOS-Transistoren 31, 32, die den Stromspiegel 30 bilden,
die Basisspannung Vb ein, d.h. erhöht, reguliert oder verringert
diese, wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und den
gleichgerichteten Basisstrom ΔIb
erzeugt.
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Es
besteht eine allgemeine Praxis, die einen Widerstand für die Isolierung
zwischen dem Basisvorspannanschluss 7 des Hochfrequenzverstärkers 1 und
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 in 3 anordnet.
In diesem Fall realisiert eine Erhöhung des Größenverhältnisses B der PMOS-Transistoren 31, 32, die
den Stromspiegel 30 bilden, für eine Kompensation des Spannungsabfalls
durch den Widerstand alle vorstehend erwähnten Charakteristiken.
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Wenn
jedoch das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und den gleichgerichteten
Basisstrom ΔIb
erzeugt, und die Basisspannung Vb um ΔVb erhöht wird, erhöht die Zunahme
der Basisspannung Vb weiterhin den Basisstrom Ib, der durch den
Hochfrequenzverstärker 1 fließt, und
hierdurch nimmt die Basisspannung Vb weiterhin zu; und diese Wiederholung
bewirkt, dass die Schaltungsoperation divergent wird.
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Es
ist daher richtig, den allgemein zwischen dem Ba sisvorspannanschluss 7 und
der Konstantspannungs-Vorspannschaltung 2 eingefügten Isolationswiderstand
und das Größenverhältnis B
der PMOS-Transistoren 31, 32, die den Stromspiegel 30 bilden,
in einer solchen Weise zu bemessen, dass der Spannungsabfall ΔVb gerade
null wird, oder ein Wert, der unendlich nahe null ist; und hierdurch
kann, selbst wenn das Hochfrequenz-Eingangssignal Pin zunimmt und
den gleichgerichteten Basisstrom ΔIb
erzeugt, der Spannungsabfall der Basisspannung Vb unterdrückt werden,
und folglich können
das Hochleistungs-Ausgangssignal und ein hoher Wirkungsgrad erzielt
werden.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die Hochfrequenz-Verstärkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Lage, die Basisspannung durch Einstellen des Größenverhältnisses
der Transistoren, die den Stromspiegel bilden, zu regulieren, wenn
das Hochfrequenz-Eingangssignal zunimmt und den gleichgerichteten
Basisstrom erzeugt, was geeignet ist für die Verwendung in einer Satellitenkommunikation,
Mikrowellen-Erdkommunikation, mobilen Kommunikation und dergleichen.
