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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor
und deren Anwendungen. Bei einer Ausführungsform wird der Verstärker mit
variablem Verstärkungsfaktor
in einem Digitalempfänger
(set-top control box) zur Abgabe von Kabelfernsehdiensten an einen
Kunden verwendet.
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Stand der
Technik
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Verstärker mit
variablem Verstärkungsfaktor sind
im Stand der Technik bekannt. Es besteht jedoch Bedarf an einem
lineareren, kostengünstigeren
Ansatz zur Bereitstellung eines variablen Verstärkungsfaktors.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor,
der eine Mehrzahl von Differenzpaarverstärkern aufweist, die nacheinander
an- und abgeschaltet werden, um eine variable Verstärkung bereitzustellen.
Eine ähnliche Mehrzahl
an Logikdecoderschaltungen vergleicht eine automatische Verstärkungsregelspannung
und erzeugt Logiksignale, um in Abhängigkeit von der Amplitude
der automatischen Verstärkungsregelspannung
bestimmte Verstärker
an- und abzuschalten. Die Erfindung umfasst eine Ausführungsform, bei
der zehn Differenzpaarverstärker
ein unabgeschwächtes
Kabelfernsehsignal verstärken,
wenn eine volle Verstärkung
erwünscht
ist. Wenn eine geringere Verstärkung
erwünscht
ist, werden die ersten Verstärker
ausgeschaltet und andere eingeschaltet, wobei die neueren Verstärker abgeschwächte Eingänge aufweisen.
Das Schalten wird solange fortgesetzt bis nur zehn Verstärker an
bleiben. An diesem Punkt werden, wenn eine geringere Verstärkung erwünscht ist,
Verstärker
abgeschaltet, wobei mit dem am wenigsten abgeschwächten Verstärker begonnen wird,
es werden jedoch keine Ersatzverstärker eingeschaltet. Es ist
immer eine Mindestanzahl an Verstärkern in der Schaltung vorhanden.
Bei einer Ausführungsform
beträgt
die Mindestanzahl drei.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Variieren des Verstärkungsfaktors eines
Verstärkers,
bei dem der Verstärker
aus einer Verstärker anordnung
und einem Logikdecoder mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC – automatic
gain control) besteht, bei dem die Verstärkeranordnung ferner aus "n" Verstärkerschaltungsbaugruppen besteht,
wobei "n" eine positive ganze
Zahl ist, bei dem eine "ite" Verstärkerschaltungsbaugruppe der "n" Verstärkerschaltungsbaugruppen einen
Informationseingang, einen Steuereingang und einen oder mehrere
Verstärkerausgänge aufweist,
bei dem der AGC-Logikdecoder ferner aus "n" AGC-Verstärkern und "n" Logikschaltungen besteht, bei dem ein iter AGC-Verstärker der "n" AGC-Verstärker zwei
oder mehr Eingänge
und einen oder mehrere Ausgänge aufweist,
wobei jeder Ausgang ein AGC-Steuersignal ist, und eine ite Logikschaltung der "n" Logikschaltungen
einen oder mehrere Logikeingänge
und einen oder mehrere Logikausgänge
aufweist, wobei ein erster Logikausgang ein Verstärkersteuersignal
und ein zweiter Logikausgang ein Verschiebungssignal ist, die Schritte:
- (1) Routen eines AGC-Signals zu einem ersten Eingang
des iten AGC-Verstärkers,
- (2) Vergleichen des AGC-Signals mit einer iten skalierten
Referenzspannung, wobei die ite skalierte Referenzspannung
an einem zweiten Eingang des iten AGC-Verstärkers für alle i
zwischen 1 und (n – q)
inklusive empfangen wird, wobei q eine positive ganze Zahl ist,
die kleiner als n ist,
- (3) Erzeugen eines iten AGC-Steuersignals,
für alle "i" zwischen 1 und (n – q) inklusive, von dem iten AGC-Verstärker, wobei das ite AGC-Steuersignal eine
erste Logikebene darstellt, wenn das AGC-Signal größer als
die ite skalierte Referenzspannung ist,
und eine zweite Logikebene darstellt, wenn das AGC-Signal kleiner
als die ite skalierte Referenzspannung ist,
- (4) Erzeugen eines iten AGC-Steuersignals,
für alle "i" zwischen (n – q + 1) und "n" inklusive, von dem iten AGC-Verstärker, wobei
sich das ite AGC-Steuersignal auf der ersten
Logikebene befindet,
- (5) Routen des iten AGC-Steuersignals
zu einem ersten Logikeingang der iten Logikschaltung,
- (6) Erzeugen des iten Verschiebungssignals
in der iten Logikschaltung,
- (7) Routen des jten Verschiebungssignals
zu einem zweiten Logikeingang der Logikschaltung, für alle "i" zwischen 1 und "m" inklusive,
wobei "m" eine positive ganze
Zahl ist, die kleiner als "n" ist, und wobei j
= i + p, wobei p eine positive ganze Zahl ist, die gleich (n – m) ist,
- (8) Erzeugen des iten Verstärkersteuersignals
in der iten Logikschaltung, wobei das ite Verstärkersteuersignal
eine erste Steuerebene darstellt, wenn die ite Verstärkerschaltungsbaugruppe "eingeschaltet" werden soll, und
eine zweite Steuerebene darstellt, wenn die ite Verstärkerschaltungsbaugruppe "abgeschaltet" werden soll,
- (9) Routen des iten Verstärkersteuersignals
zum Steuereingang der iten Verstärkerschaltungsbaugruppe,
- (10) Annehmen eines Eingangssignals, für alle "i" zwischen
1 und "p" inklusive, am Informationseingang
der iten Verstärkerschaltung,
- (11) Annehmen eines iten abgeschwächten Eingangssignals,
für alle "i" zwischen (p + 1) und "n" inklusive, am Informationseingang der
iten Verstärkerschaltung,
- (12) Verstärken
des Eingangssignals, für
alle "i" zwischen 1 und "p" inklusive, wenn sich das ite Verstärkersteuersignal
auf der ersten Steuerebene befindet, wodurch ein ites verstärktes Signal
erzeugt wird,
- (13) Verstärken
des abgeschwächten
Eingangssignals, für
alle "i" zwischen (p + 1)
und "n" inklusive, wenn
sich das ite Verstärkersteuersignal auf der ersten
Steuerebene befindet, wodurch ein ites verstärktes Signal
erzeugt wird, und
- (14) Ausgeben eines iten Verstärkerausgangssignals
aus dem Verstärkerausgang
der iten Verstärkerschaltung, wobei das ite Verstärkerausgangssignal
das ite verstärkte Signal ist, wenn sich
das ite Verstärkersteuersignal auf der ersten
Steuerebene befindet, und ein Nullsignal ist, wenn sich das ite Verstärkersteuersignal
auf der zweiten Steuerebene befindet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein System zum Steuern des
Verstärkungsfaktors
eines Verstärkers:
- (a) eine Mehrzahl von Verstärkern mit automatischer Verstärkungsregelung
(AGC), einer entsprechenden Mehrzahl von Logikschaltungen und einer
entsprechenden Mehrzahl von Verstärkerschaltungsbaugruppen, wobei:
- (b) jeder der Mehrzahl von AGC-Verstärkern einen ein AGC-Signal
annehmenden, ersten AGC-Eingang, jeder der Mehrzahl von AGC-Verstärkern einen
ein Vergleichssignal annehmenden, zweiten AGC-Eingang und jeder
der Mehrzahl von AGC-Verstärkern
einen ein AGC-Steuersignal ausgebenden AGC-Ausgang aufweist, wobei
sich das AGC-Steuersignal auf einer ersten Logikebene befindet,
wenn das AGC-Signal gleich oder größer als das entsprechende Vergleichssignal
ist, und sich auf einer zweiten Logikebene befindet, wenn das AGC-Signal
kleiner als das entsprechende Vergleichssignal ist,
- (i) wobei das Vergleichssignal, für den AGC-Verstärker Nummer
1 bis zum AGC-Verstärker
Nummer (n – q)
inklusive, eine skalierte Referenzspannung ist, wobei die skalierte
Referenzspannung am iten AGC-Verstärker größer als
die skalierte Referenzspannung am (i + 1)ten AGC-Verstärker ist,
wobei "n" eine positive ganze
Zahl ist, die größer als
10 ist, und "q" eine positive ganze
Zahl ist, die kleiner als "n" ist, und
- (ii) das Vergleichssignal, für
den AGC-Verstärker Nummer
(n – q
+ 1) bis zum AGC-Verstärker
Nummer "n" inklusive, Masse
ist,
- (c) jede der Mehrzahl von Logikschaltungen einen das AGC-Steuersignal
annehmenden, ersten Logikeingang aufweist, wobei die Logikschaltung Nummer
(p + 1) bis zur Logikschaltung Nummer "n" inklusive
einen ein Logikverschiebungseingangssignal annehmenden, zweiten
Logikeingang aufweist, jede der Mehrzahl von Logikschaltungen einen
ein Logikverschiebungsausgangssignal ausgebenden, ersten Logikausgang
aufweist, wobei das Logikverschiebungsausgangssignal, von der Logikschaltung
Nummer 1 bis zur Logikschaltung Nummer (n – p) inklusive, jeweils das
Logikverschiebungseingangssignal für die Logikschaltung Nummer
(p + 1) bis zur Logikschaltung Nummer "n" inklusive
ist, und jede der Mehrzahl von Logikschaltungen einen ein Verstärkersteuersignal
ausgebenden, zweiten Logikausgang aufweist, wobei sich das Verstärkersteuersignal
auf einer ersten Steuerebene befindet, wenn die der Logikschaltung
entsprechende Verstärkerschaltungsbaugruppe "eingeschaltet" werden soll, und
sich auf einer zweiten Steuerebene befindet, wenn die der Logikschaltung
entsprechende Verstärkerschaltungsbaugruppe "abgeschaltet" werden soll, so
dass sich zu keinem Zeitpunkt mehr als "p" Verstärkersteuersignale
auf der ersten Steuerebene befinden, wobei "p" eine
positive ganze Zahl ist, die kleiner als "n" ist,
- (d) jede der Mehrzahl von Verstärkerschaltungsbaugruppen einen
ein entsprechendes Verstärkersteuersignal
annehmenden Steuereingang aufweist, jede der Mehrzahl von Verstärkerschaltungsbaugruppen
einen Signaleingang aufweist, wobei der Signaleingang, für die Verstärkerschaltungsbaugruppe
Nummer 1 bis zur Verstärkerschaltungsbaugruppe
Nummer "p" inklusive, ein Informationssignal
annimmt und der Signaleingang, für
die Verstärkerschaltungsbaugruppe Nummer
(p + 1) bis zur Verstärkerschaltungsbaugruppe
Nummer "n" inklusive, ein abgeschwächtes Informationssignal
annimmt, wobei das abgeschwächte
Informationssignal "i" weniger stark abgeschwächt ist
als das abgeschwächte
Informationssignal (i + 1), und jede der Mehrzahl von Verstärkerschaltungsbaugruppen
einen verstärkten
Ausgang aufweist, wobei der Verstärkerausgang für jede Verstärkerschaltungsbaugruppe, die
ein Verstärkersteuersignal
auf der ersten Steuerebene empfängt,
ein verstärktes
Signal ist, und der Verstärkerausgang
für jede
Verstärkerschaltungsbaugruppe,
die ein Verstärkersteuersignal
auf der zweiten Steuerebene empfängt,
ein Nullsignal ist, und
- (e) jeder verstärkte
Ausgang kombiniert wird, um ein kombiniertes verstärktes Signal
zu bilden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Verstärkeranordnung einen Eingangsknoten,
einen ersten Satz Verstärker,
die parallel zueinander angeordnet sind und deren Eingänge an dem
Eingangsknoten direkt miteinander verbunden sind, eine Widerstandsleiter,
die zwischen dem Eingangsknoten und Masse gekoppelt ist, und einen zweiten
Satz Verstärker,
deren Eingänge
mit entsprechenden Abgriffen auf der Widerstandsleiter verbunden
sind, wobei die Ausgänge
des ersten Verstärkersatzes
und die Ausgänge
des zweiten Verstärkersatzes
an einem Ausgang der Verstärkeranordnung
miteinander summiert werden, wobei der Verstärkungsfaktor der Verstärkeranordnung
eingestellt wird, durch sequentielles Abschalten eines oder mehrerer Verstärker im
ersten Verstärkersatz
und sequentielles Einschalten eines oder mehrerer Verstärker im zweiten
Verstärkersatz,
die dem einen oder den mehreren abgeschalteten Verstärkern im
ersten Verstärkersatz
entsprechen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 stellt
eine beispielhafte Gemeinschaftsantennen-(d.h. Kabel-)Fernseharchitektur dar,
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2 zeigt
eine beispielhafte Verstärkeranordnung,
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3A-3B zeigen
einen Logikdecoder mit automatischer Verstärkungsregelung,
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3C stellt
die Transferfunktion eines Vergleichers dar,
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3D stellt
die Transferfunktion eines Verstärkersteuerstroms
dar,
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3E stellt
die Transferfunktion des Verstärkungsfaktors
eines Verstärkers
in der Verstärkeranordnung
dar,
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4A-4D stellen äquivalente Gate-Darstellungen
von Logikschaltungen dar,
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Verstärkeranordnung,
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6 zeigt
einen typischen Differenzpaarverstärker mit einem beispielhaften
Stromspiegel,
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7 stellt
einen Satz beispielhafter Spannungen für Knoten in dem Logikdecoder
mit automatischer Verstärkungsregelung
gemäß 3 dar,
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8 zeigt
einen Spannungsteiler für
unterschiedliche Empfindlichkeiten,
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9 zeigt
ein Verfahren zum Variieren des Verstärkungsfaktors eines Informationssignals,
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10 zeigt
ein Verfahren zum Erzeugen eines Verstärkersteuersignals, und
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11 zeigt
eine beispielhafte Verstärkerschaltung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei
einem Gemeinschaftsantennen-Fernsehsystem (CAN – Communitiy Antenna Television system)
(auch als Kabelfernsehen bezeichnet), wird eine Mehrzahl von Signalen
durch Frequenzmultiplexen auf ein oder mehrere Koaxialkabel aufgeteilt. Das
CAN-System hat ein Downstream-Band (Kopfstelle zu Benutzer) und
ein Upstream-Band (Benutzer zu Kopfstelle). Im Downstream-Band sind
ungefähr
135 Kanäle
vorhanden, die Frequenzen zwischen 50 MHz und 860 MHz aufweisen.
Die einzelnen Downstream-Kanäle
stellen unterschiedliche Fernsehsignale dar, die eine Mischung aus
analogen Fernsehsignalen und digitalen Fernsehsignalen sein können. Die
analogen Fernsehsignale sind bevorzugt NTSC- oder PAL-konforme Fernsehsignale.
Die digitalen Fernsehsignale übertragen
digitale Video- oder Kabelmodemdaten (z.B. Internet-Verkehr) und werden
unter Verwendung von 64 QAM oder 256 QAM moduliert. Im Upstream-Band
umfasst der Frequenzbereich 5-42 MHz in den Vereinigten Staaten und
5-56 MHz in Europa. Die digitalen Upstream-Signale übertragen Kabelmodemdaten (z.B.
Internet-Verkehr).
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Obgleich
die Amplitude eines jeden Signals als Funktion der über diesen
Kanal gesendeten Informationen variiert, variiert die Amplitude
des kombinierten Signals des Kabels nicht nur als Funktion der Amplitude
eines jeden der einzelnen Signale, sondern auch als Funktion des
Phase-/Amplitude-Verhältnisses
eines jeden Kanals in Bezug auf die anderen. Somit ist die Gesamtamplitude
des Signals zeitvariabel, da sich die Phase und Amplitude eines
jeden der individuellen Signale einpegeln. Der Verstärker muss
beispielsweise eine gute Verzerrungsleistung haben, wenn 135 Kanäle, jeder
mit 0 dBmV, seinem Eingang zugeführt
werden. Wenn das Eingangsniveau eines jeden Kanals auf +15 dBmV
erhöht
wird, muss der Verstärker
das Eingangsniveau wieder auf dasselbe Ausgangsniveau abschwächen, wie
es der Fall war als sich alte Kanäle auf 0 dBmV befanden, und
gleichzeitig eine gute Verzerrungsleistung aufrechterhalten.
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine beispielhafte CAN-Architektur
dargestellt. Ein CAN-Kabel 102 ist mit einem Diplexer 103 verbunden
dargestellt. Der Diplexer 103 umfasst ein Tiefpassfilter 118 und ein
Hochpassfilter 120. Das Tiefpassfilter 118 hat
ein Durchlassband, das ausreicht, um Upstream-Kanäle 118 zum
Kabel 102 durchzulassen, wobei die Upstream-Kanäle zwischen
5 und 42 MHz in den USA und Kanada und zwischen 5 und 56 MHz in
Europa umfassen. Das Hochpassfilter 120 hat ein Durchlassband,
das ausreicht, um die Downstream-Kanäle 110 vom Kabel 102 zu
einem Verstärker
mit variablem Verstärkungsfaktor
(VGA – Variable
Gain Amplifier) 104 durchzulassen, wobei die Downstream-Kanäle zwischen
54 und 860 MHz in den USA und Kanada umfassen. Konzentriert man sich
auf den Downstream, ist der Ausgang des VGA 104 ein verstärktes Signal 112,
das zu einem Tuner (Kanalwähler) 105 geroutet
wird. Der Tuner 105 umfasst wenigstens ein Bandpassfilter,
das einen einzelnen Downstream-Kanal 113 mit einer 6MHz-Bandbreite
auswählt.
In den Ausführungsformen
ist der gewählte
Kanal 113 auf 44 MHz zentriert. Der gewählte Kanal 113 wird
dann zu einem Demodulator 106 geroutet, der ein demoduliertes
Signal 116 zur weiteren Bearbeitung ausgibt, bevor es an ein
Benutzergerät
(z.B. einen Fernseher oder Computer) gesendet wird. Das demodulierte
Signal 116 kann aus digitalen Video- oder Kabelmodemdaten bestehen.
Der Demodulator 106 analysiert außerdem die Leistung des abwärtsgewandelten
Kanals 113 und gibt eine automatische Verstärkungsregelspannung
(AGC-Spannung – Automatic
Gain Control voltage) 114 und eine AGC-Spannung 122 aus.
Die AGC-Spannung 114 steuert
den variablen Verstärker 104 und
die AGC-Spannung 122 steuert einen Verstärker im
Tuner 105.
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Die
Aufteilung der AGC-Abstimmverantwortung in 1 ist nachfolgend
näher erläutert. Solange
die Leistung des abwärtsgewandelten
Kanals 113 unter einem Schwellenniveau liegt, wird die AGC-Spannung 114 bevorzugt
so eingestellt, dass der Verstärker 104 einen
maximalen Verstärkungsfaktor
hat, und die AGC-Spannung 122 stellt den Verstärkungsfaktor
des Tuners 105 ein, um eine AGC-Regelung bereitzustellen.
Sobald die Leistung des abwärtsgewandelten
Kanals 113 den Schwellenwert übersteigt, beginnt die AGC-Spannung 114 den Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 104 zu
verringern. Ein Vorteil dieser Abstimmhierarchie besteht darin,
dass der Verstärker 104 bevorzugt
ein rauscharmer Verstärker
ist, weshalb der maximale Rauschabstand erreicht wird, indem der
Verstärker 104 solange
wie möglich
mit maximalem Verstärkungsfaktor
betrieben wird, bevor sein Verstärkungsfaktor zur
AGC verringert wird.
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In 2 ist
der Verstärker
mit variablem Verstärkungsfaktor
(VGA) 104 dargestellt. Der VGA 104 ist so dargestellt,
dass er eine Verstärkeranordnung 202 und
einen Logikdecoder mit automatischer Verstärkungsregelung 204 umfasst.
Der Logikdecoder mit automatischer Verstärkungsregelung 204 empfängt die
automatische Verstärkungsregelspannung 114.
Die automatische Verstärkungsregelspannung 114 stellt
eine Rückkopplung
bezüglich
der Amplitude des demodulierten Signals bereit. Der Logikdecoder
mit automatischer Verstärkungsregelung 204 verarbeitet
die automatische Verstärkungsregelspannung 114 gemäß dem nachfolgend
beschriebenen Verfahren und gibt eine Mehrzahl von Verstärkersteuersignalen 206(n) an
die Verstärkeranordnung 202 aus.
Wie aus 2 ersichtlich, empfängt die
Verstärkeranordnung 202 ein
Kabelfernsehsignal 110 und die Verstärkersteuersignale 206(n) und
gibt ein verstärktes
Signal 112 aus.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung besteht die Verstärkeranordnung 202 aus
fünfunddreißig Verstärkungsstufen.
Bei einer Ausführung
ist jede Verstärkungsstufe
ein Differenzpaarverstärker.
Bei einer alternativen Ausführungsform
besteht die Verstärkeranordnung 202 aus
mehr als fünfunddreißig Verstärkungsstufen.
Bei einer weiteren Ausführungsform
besteht die Verstärkeranordnung 202 aus
weniger als fünfunddreißig Verstärkungsstufen.
Bei einer alternativen Ausführung
ist jede Verstärkungsstufe ein
Verstärker,
der kein Differenzpaarverstärker
ist. Die in der Schaltung verwendeten Verstärker sind bevorzugt Halbleiterbauelemente.
Bei einem nicht als Einschränkung
zu verstehenden Beispiel umfassen die Verstärker Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs). Aus Gründen
der Veranschaulichung wird die Erfindung nun anhand der Ausführungsform
beschrieben, bei der fünfunddreißig Verstärkungsstufen
vorhanden sind, was jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen ist.
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Bezug
nehmend nun auf 3A ist der Logikdecoder mit
automatischer Verstärkungsregelung 204 so
dargestellt, dass er Verstärker
mit automatischer Verstärkungsregelung 350 und
eine Logikschaltungsanordnung 352 umfasst. Die Verstärker mit
automatischer Verstärkungsregelung 350 nehmen
die automatische Verstärkungsregelspannung 114 an
und geben eine Mehrzahl von Vergleicherausgängen 312(n) aus, die
zur Logikschaltungsanordnung 352 geroutet wird. Die Logikschaltungsanordnung 352 gibt
die Mehrzahl von Verstärkersteuersignalen
aus. Wie in 3B dargestellt bestehen die Verstärker mit
automatischer Verstärkungsregelung 350 bevorzugt
aus einer Widerstandsleiter (Spannungsteiler aus hintereinander
geschalten Widerständen) 302 und
fünfunddreißig Verstärkern mit
hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 bis 306.35 und die
Logikschaltungsanordnung 352 besteht bevorzugt aus fünfunddreißig Logikschaltungen 308.1 bis 308.35.
Die Widerstandsleiter 302 besteht aus einem obersten Widerstand 303, vierunddreißig Widerständen, die
als Widerstände 304.1 bis 304.34 bezeichnet
sind, und einem untersten Widerstand 305. Der oberste Widerstand 303 ist auf
einer ersten Seite mit einer Ruhespannung (Bias-Potential) VDD und auf einer zweiten Seite mit einer
ersten Seite des Widerstands 304.1 verbunden. Die Verbindungsstelle
zwischen dem obersten Widerstand 303 und dem Widerstand 304.1 ist
der Knoten 301.1. Eine zweite Seite des Widerstands 304.1 ist
mit einer ersten Seite des Widerstands 304.2 am Knoten 301.2 verbunden.
Man kann daher sagen, dass bei jedem sequentiellen Paar Widerstände 304(i) und 304(i
+ 1) in der Widerstandsleiter 302 eine zweite Seite
des Widerstands 304(i) mit einer ersten Seite des Widerstands 304(i
+ 1) am Knoten 301(i + 1) verbunden ist. Am "unteren Ende" der Widerstandsleiter 302 ist
eine zweite Seite des Widerstands 304.34 bevorzugt mit
einer ersten Seite des untersten Widerstands 305 am Knoten 301.35 verbunden
und ein zweite Seite des untersten Widerstands 305 bevorzugt
an Masse 309 angeschlossen. Fachleute auf dem oder den
relevanten Gebieten werden basierend auf den hierin enthaltenen
Lehren verstehen, dass die zweite Seite des untersten Widerstands 305 mit
einem anderen Potential als Masse verbunden werden könnte, ohne
vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren umfasst
die Erfindung außerdem
eine Ausführungsform, bei
der die erste Seite des Widerstands 304.1 direkt mit der
Ruhespannung VDD 307 verbunden
und die zweite Seite des Widerstands 304.34 direkt an Masse 309 angeschlossen
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Knoten 301.1 bis einschließlich 301.35 jeweils
mit einem Eingang des Verstärkers
mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 bis zum Verstärker mit
hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.35 verbunden.
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Der
Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 nimmt eine (interne) automatische
Verstärkungsregelspannung 300 an seinem "positiven" Eingang und die
skalierte Spannung vom Knoten 301.1 an seinem "negativen" Eingang an. Die
interne AGC-Spannung 300 wird von der (externen) AGC-Spannung 114 abgeleitet,
wie in 8 dargestellt, die hierin noch genauer beschrieben
wird. Der Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 erzeugt einen Vergleicherausgang 312.1.
Der Vergleicherausgang 312.1 ist eine logische "1" oder eine logische "0" abhängig davon,
ob die Spannung am "positiven" Eingang des Verstärkers mit
hohem Verstärkungsfaktor und
niedriger Frequenz 306.1 (d.h. die automatische Verstärkungsregelspannung 300) über oder
unter der Spannung am "negativen" Eingang (d.h. der
skalierten Spannung am Knoten 301.1) liegt. Ebenso nimmt der
Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.2 an seinem "positiven" Eingang die automatische Verstärkungsregelspannung 300 und
an seinem "negativen" Eingang die skalierte Spannung
vom Knoten 301.2 an. Der Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.2 erzeugt einen Vergleicherausgang 312.2.
Der Vergleicherausgang 312.2 ist eine logische "1" oder eine logische "0" abhängig davon,
ob die Spannung am "positiven" Eingang des Verstärkers mit
hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.2 (d.h. die automatische Verstärkungsregelspannung 300) über oder
unter der Spannung am "negativen" Eingang (d.h. der
skalierten Spannung am Knoten 301.2) liegt. Dieses Muster
setzt sich bis zum Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.35 fort. Daher können die
Vergleicherausgänge 312.1 bis
einschließlich 312.35 eine
logische "1" oder eine logische "0" sein. Fachleute auf dem oder den relevanten
Gebieten werden basierend auf den hierin enthaltenen Lehren erkennen, dass
die Polaritäten
der Spannungen umgekehrt werden können und dennoch in den Schutzumfang der
Erfindung fallen. Als Beispiel (hierin zu Zwecken der Veranschaulichung
beschrieben) kann die automatische Verstärkungsregelspannung 300 abnehmen,
wenn die Signalstärke
des verstärkten
Signals 112 zunimmt oder sie kann alternativ zunehmen, wenn
die Signalstärke
des verstärkten
Signals 112 zunimmt. Diese Polaritätseinstellung kann durch Verwendung
einer beliebigen Anzahl von Schaltungskonfigurationen, wie etwa
Inverter, angepasst werden.
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Jeder
Vergleicher 312 arbeitet über eine kleine ΔVIN als linearer Verstärker, wie in 3C dargestellt.
Bezug nehmend auf 3C stellt VIN die
Differenz zwischen den positiven und negativen Eingängen eines
Vergleichers 312 und VOUT den Ausgang des
Vergleichers 312 dar. Über
einen kleinen Bereich von ΔVIN (z.B. ungefähr 10 mV) ist ΔVOUT linear. Außerhalb dieses kleinen Bereichs
von ΔVIN sättigt
sich VOUT zu einer logischen "0" oder einer logischen "1", wie gezeigt. Mit anderen Worten, die
Vergleicher 312 können
als begrenzende Verstärker
beschrieben werden, wie Fachleute auf diesen Gebieten erkennen werden.
Der lineare Betrieb über ΔVIN stellt eine Gleichmäßigkeit der AGC-Leistung bereit
und verhindert Bitfehler im Demodulator 106. Spezifischer
verhindert der lineare Betrieb, dass eine sehr kleine Veränderung
von VIN (z.B. 1 mV) einen ersten Satz Verstärker abschaltet
und einen zweiten Satz Verstärker anschaltet,
was eine abrupte Veränderung
der Signalamplitude des Demodulators 106 bewirken kann.
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Des
Weiteren sind die Vergleicher 312 bei den Ausführungsformen
der Erfindung nicht taktgesteuerte Vergleicher mit offenem Regelkreis.
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Die
Vergleicherausgänge 312.1 bis 312.35 sind
jeweils mit einem ersten Eingang der Logikschaltungen 308.1 bis 308.35 verbunden.
Die Funktion der Logikschaltungen 308(n) ist nachfolgend
unter Bezugnahme auf 4A bis 4D erläutert. Jede
Logikschaltung 308.1 bis 308.10 ist außerdem an
einem zweiten und einem dritten Eingang an Masse angeschlossen.
Jede der Logikschaltungen 308.11 bis 308.35 ist
an einem zweiten Eingang jeweils mit einem Verschiebungssignal 310.1 bis 310.25 verbunden.
Jede der Logikschaltungen 308.11 bis 308.32 ist
ferner an einem dritten Eingang an Masse anschlossen und jede der
Logikschaltungen 308.33 bis 308.35 weist einen
nicht angeschlossenen dritten Eingang auf. Die Logikschaltungen 308.1 bis 308.35 steuern
die Stromquellen 311.1 bis. 311.35, um jeweils
die Verstärkerausgangssteuersignale 206.1 bis 206.35 zu
erzeugen. Wie vorstehend beschrieben, werden die Verstärkersteuersignale 206(n) zur
Verstärkeranordnung 202(n) geroutet.
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Die
Stromquellen 311 (und die entsprechenden Logikschaltungen 308)
sind dafür
ausgelegt, in Übereinstimmung
mit dem vorstehend beschriebenen begrenzenden Verstärkermerkmal
der Vergleicher 306 Ströme 206 zu
erzeugen. Wie beispielsweise in 3D gezeigt,
verändert
sich der Strom 206, wenn VIN bei
einem Vergleicher innerhalb von ΔVIN liegt, auf gleichmäßige oder lineare Art und Weise. Außerhalb
von ΔVIN sättigt
sich der Strom 206 zu einem Maximalwert (IMAX)
oder der Stromwert beträgt
0, wie dargestellt. Bei den Ausführungsformen
sind die Stromquellen 206 dafür ausgelegt, dass IMAX 625 μA beträgt und der
Strom bei VIN = 0 Volt IMAX/2
oder 312,5 μA
beträgt.
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Wie
aus 3B zu ersehen, stellt das Verschiebungssignal 310.1 einen
Eingang der Logikschaltung 308.11 und das Verschiebungssignal 310.2 einen
Eingang der Logikschaltung 308.12 dar. Ebenso stellt jedes
Verschiebungssignal 310(i) einen Eingang der Logikschaltung 308(i
+ 10) für "i" zwischen 1 und einschließlich 25
dar. Die Verschiebungssignale 310.26 bis einschließlich 310.35 sind nicht
angeschlossen.
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4A bis 4D zeigen äquivalente Gate-Darstellungen
der Logikschaltungen 308(n). Aus dieser beispielhaften
Implementierung ist zu ersehen, dass alle Logikschaltungen 308(n) dieselben äquivalenten
Gate-Darstellungen haben. Die Standardkonfiguration jeder Logikschaltung 308(i) umfasst
einen Inverter 402, einen UND-Gate-Anschluss 406,
einen ODER-Gate-Anschluss 404 und einen Widerstand 408.
Der Inverter 402 empfängt
einen Eingang vom Knoten B und gibt ein Verschiebungssteuersignal 410 aus.
Der UND-Gate-Anschluss 406 empfängt das Verschiebungssteuersignal 410 an
seinem ersten Port und ein automatisches Verstärkungsregel-(AGC-)Steuersignal 412 an
seinem zweiten Port. Der Ausgangsport des UND-Gate-Anschlusses 406 gibt das
Verstärkersteuersignal 206(i) aus.
Der ODER-Gate-Anschluss 404 empfängt einen Eingang
vom Knoten C an seinem ersten Port und einen Vergleicherausgang 312(i) vom
Knoten A an seinem zweiten Port. Der Ausgangsport des ODER-Gate-Anschlusses 404 gibt
das AGC-Steuersignal 412 aus.
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4A zeigt
die äquivalente
Gate-Darstellung der Logikschaltungen 308.1 bis einschließlich 308.10. 4B zeigt
die äquivalente
Gate-Darstellung der Logikschaltungen 308.11 bis einschließlich 308.25. 4C stellt
die äquivalente
Gate-Darstellung der Logikschaltungen 308.26 bis einschließlich 308.32 dar. 4D zeigt
die äquivalente
Gate-Darstellung der Logikschaltungen 308.33 bis einschließlich 308.35.
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Bezug
nehmend zunächst
auf 4A ist ersichtlich, dass der Knoten B an Masse
angeschlossen ist. Daher hat der Inverter 402 einen geerdeten Eingang
und das Verschiebungssteuersignal 410 ist immer eine logische "1". Das AGC-Steuersignal 412 wird
durch den Vergleicherausgang 312(l) des Verstärkers mit
hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306(l) bestimmt. Bezug nehmend nochmals
auf 3B ist, wenn die automatische Verstärkungsregelspannung 300 höher als
die skalierte Spannung am Knoten 301(l) ist, der Vergleicherausgang 312(l) eine
logische "1". Daher empfängt der ODER-Gate-Anschluss 404 eine
logische "1" an seinem zweiten
Port und eine logische "0" an seinem ersten
Port, da der Knoten C geerdet ist. Folglich ist das AGC-Steuersignal 412 eine
logische "1". Infolgedessen hat
der UND-Gate-Anschluss 406 zwei Logische-"1"-Eingänge, die dazu führen, dass
das Verstärkersteuersignal 206(l) eine
logische "1" ist. Wiederum Bezug
nehmend auf 3B ist, wenn die automatische
Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die skalierte Spannung am Knoten 301(l) ist, der Vergleicherausgang 312(l) eine
logische "0". Daher empfängt der
ODER-Gate-Anschluss 404 eine logische "0" an
seinem zweiten Port und eine logische "0" an
seinem ersten Port, da der Knoten C geerdet ist. Folglich ist das
AGC-Steuersignal 412 eine logische "0".
Infolgedessen weist der UND-Gate-Anschluss 406 eine logische "1" an seinem ersten Port und eine logische "0" an seinem zweiten Port auf, was dazu
führt,
dass das Verstärkersteuersignal 206(l) eine
logische "0" ist. Bezug nehmend
wieder auf 4A ist ersichtlich, dass der
Vergleicherausgang 312(l) als Verschiebungssignal 310(l) zur
Logikschaltung 308(l + 10) geroutet wird.
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Bezug
nehmend nun auf 4B ist ersichtlich, dass das
Verschiebungssignal 310(m – 10) mit dem
Knoten B verbunden ist und in den Inverter 402 eingegeben
wird. Wenn das Verschiebungssignal 310(m – 10) eine logische "1" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "0", und wenn das Verschiebungssignal 310(m – 10) eine
logische "0" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "1". Da der ODER-Gate-Anschluss 404 an seinem
ersten Port eine logische "0" vom Knoten C empfängt, wird
das AGC-Steuersignal 412 ausschließlich durch den Vergleicherausgang 312(m) bestimmt.
Bezug nehmend nochmals auf 3B ist, wenn
die automatische Verstärkungsregelspannung 300 höher als
die skalierte Spannung am Knoten 301(m) ist, der Vergleicherausgang 312(m) eine
logische "1". Daher empfängt der
ODER-Gate-Anschluss 404 an seinem zweiten Port eine logische "1" und an seinem ersten Port eine logische "0", da der Knoten C geerdet ist. Folglich
ist das AGC-Steuersignal 412 eine logische "1". Wenn das Verschiebungssignal 310(m – 10) eine
logische "1" ist, empfängt der UND-Gate-Anschluss 406 an
seinem ersten Port eine logische "0" und
an seinem zweiten Port eine logische "1",
was dazu führt,
dass das Verstärkersteuersignal 206(m) eine
logische "0" ist. Wenn das Verschiebungssignal 310(m – 10) eine
logische "0", empfängt der
UND-Gate-Anschluss 406 an seinem ersten Port eine logische "1" und an seinem zweiten Port eine logische "1", was dazu führt, dass das Verstärkersteuersignal 206(m) eine
logische "1" ist. Wiederum Bezug
nehmend auf 3B ist, wenn die automatische
Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die skalierte Spannung am Knoten 301(m) ist, der Vergleicherausgang 312(m) eine
logische "0". Daher empfängt der
ODER-Gate-Anschluss 404 an seinem
zweiten Port eine logische "0" und an seinem ersten
Port eine logische "0", da der Knoten C
geerdet ist. Folglich ist das AGC-Steuersignal 412 eine
logische "0". Infolgedessen weist
der UND-Gate-Anschluss 406 an seinem zweiten Port eine
logische "0" auf und das Verstärkersteuersignal 206(m) ist,
unabhängig
davon, was am ersten Port empfangen wird, eine logische "0". Bezug nehmend wieder auf 4B ist
ersichtlich, dass der Vergleicherausgang 312(m) als Verschiebungssignal 310(m) zur
Logikschaltung 308(m + 10) geroutet wird.
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Bezug
nehmend nun auf 4C ist ersichtlich, dass das
Verschiebungssignal 310(p – 10) mit dem
Knoten B verbunden ist und in den Inverter 402 eingegeben
wird. Wenn das Verschiebungssignal 310(p – 10) eine logische "1" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "0", und wenn das Verschiebungssignal 310(p – 10) eine
logische "0" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "1". Da der ODER-Gate-Anschluss 404 an seinem
ersten Port eine logische "0" vom Knoten C empfängt, wird
das AGC-Steuersignal 412 ausschließlich durch den Vergleicheraus gang 312(p) bestimmt.
Bezug nehmend nochmals auf 3B ist, wenn
die automatische Verstärkungsregelspannung 300 höher als
die skalierte Spannung am Knoten 301(p) ist, der Vergleicherausgang 312(p) eine
logische "1". Daher empfängt der
ODER-Gate-Anschluss 404 an seinem zweiten Port eine logische "1" und an seinem ersten Port eine logische "0", da der Knoten C geerdet ist. Folglich
ist das AGC-Steuersignal 412 eine
logische "1". Wenn das Verschiebungssignal 310(p – 10) eine
logische "1" ist, empfängt der UND-Gate-Anschluss 406 an
seinem ersten Port eine logische "0" und
an seinem zweiten Port eine logische "1",
was dazu führt,
dass das Verstärkersteuersignal 206(p) eine
logische "0" ist. Wenn das Verschiebungssignal 310(p – 10) eine
logische "0" ist, empfängt der
UND-Gate-Anschluss 406 an seinem ersten Port eine logische "1" und an seinem zweiten Port eine logische "1", was dazu führt, dass das Verstärkersteuersignal 206(p) eine
logische "1" ist. Wiederum Bezug
nehmend auf 3B ist, wenn die automatische
Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die skalierte Spannung am Knoten 301(p) ist, der Vergleicherausgang 312(p) eine "0". Daher empfängt der ODER-Gate-Anschluss 404 an
seinem zweiten Port eine logische "0" und
an seinem ersten Port eine logische "0",
da der Knoten C geerdet ist. Folglich ist das AGC-Steuersignal 412 eine
logische "0". Infolgedessen weist
der UND-Gate-Anschluss 406 an seinem zweiten Port eine
logische "0" auf und das Verstärkersteuersignal 206(p) ist,
unabhängig davon,
was am ersten Port empfangen wird, eine logische "0". Bezug nehmend wieder auf 4C ist
ersichtlich, dass das Verschiebungssignal 310(p), das vom
Vergleicherausgang 312(p) ausgesendet wird, nicht mit einer
Logikschaltung verbunden ist.
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Bezug
nehmend nun auf 4D ist ersichtlich, dass das
Verschiebungssignal 310(q – 10) mit dem
Knoten B verbunden ist und in den Inverter 402 eingegeben
wird. Wenn das Verschiebungssignal 310(q – 10) eine logische "1" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "0", und wenn das Verschiebungssignal 310(q – 10) eine
logische "0" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "1". Da der Knoten C
nicht angeschlossen ist, besteht die Wirkung von VDD,
die über
den Widerstand 408 angeschlossen ist, darin, zu bewirken, dass
der ODER-Gate-Anschluss 404 an
seinem ersten Port eine logische "1" empfängt. (Alternativ
könnte
der Knoten C direkt mit VDD verbunden sein.)
Folglich ist das AGC-Steuersignal 412 eine logische "1", und zwar unabhängig vom Zustand des Vergleicherausgangs 312(q).
Bezug nehmend nochmals auf 3B ist,
auch wenn die automatische Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die skalierte Spannung am Knoten 310(q) ist, was dazu
führt, dass
der Vergleicherausgang 312(q) eine logische "0" ist, da der ODER-Gate-Anschluss 404 an
seinem ersten Port eine logische "1" vom
Knoten C empfängt,
das AGC-Steuersignal 412 immer eine logische "1". Wenn das Verschiebungssignal 310(q – 10) eine
logische "1" ist, empfängt der
UND-Gate-Anschluss 406 an
seinem ersten Port eine logische "0" und
an seinem zweiten Port eine logische "1",
was dazu führt,
dass das Verstärkersteuersignal 206(q) eine
logische "0" ist. Wenn das Verschiebungssignal 310(q – 10) eine
logische "0" ist, empfängt der UND-Gate-Anschluss 406 an
seinem ersten Port eine logische "1" und
an seinem zweiten Port eine logische "1",
was dazu führt,
dass das Verstärkersteuersignal 206(q) eine
logische "1" ist. Bezug nehmend wieder
auf 4D ist ersichtlich, dass das Verschiebungssignal 310(q),
das vom Vergleicherausgang 312(q) ausgesendet wird, nicht
mit einer Logikschaltung verbunden ist.
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Bezug
nehmend nochmals auf 2 ist ersichtlich, dass der
Logikdecoder mit automatischer Verstärkungsregelung 204 die
Verstärkersteuersignale 206(n) an
die Verstärkeranordnung 202 ausgibt. Die
Struktur und der Betrieb der Verstärkeranordnung 202 sind
in 5 dargestellt. Die Verstärkeranordnung 202 besteht
aus fünfunddreißig Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.35,
einer Verstärkerwiderstandsleiter 503 und
einem Summierer 506. Die Verstärkerwiderstandsleiter 503 besteht
aus Reihen-Eingangswiderständen 514.11 bis 514.35 und
Parallel-Eingangswiderständen 515.11 bis 515.35,
und zwar im Wesentlichen in der in 5 gezeigten
Konfiguration. Fachleute auf dem oder den relevanten Gebieten werden
basierend auf den hierin enthaltenen Lehren erkennen, dass andere
Konfigurationen der Widerstandsleiter verwendet werden können, um
eine gewünschte
Abschwächung
des Kabelfernsignals 110 zu erreichen. Die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.10 nehmen
an den Verstärkereingangsknoten 501.1 bis 501.10 jeweils
ein Eingangssignal Vin an. Bei dieser Implementierung
ist Vin als das Kabelfernsehsignal 110 dargestellt.
Die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.11 bis 502.35 nehmen
von den Verstärkereingangsknoten 501.11 bis 501.35 jeweils
ein Eingangssignal an. Aufgrund der Verstärkerwiderstandsleiter 503 sind die
Signale an den Verstärkereingangsknoten 501.11 bis 501.35 abgeschwächte Signale.
Das bedeutet, die Amplitude des Signals am Verstärkereingangsknoten 501.11 ist
niedriger als die Amplitude des Signals am Verstärkereingangsknoten 501.10 (man
erinnere sich daran, dass die Amplitude des Signals am Verstärkereingangsknoten 501.10 das
unabgeschwächte
Signal Vin ist) und die Amplitude des Signals
am Verstärkereingangsknoten 501.12 niedriger als
die Amplitude des Signals am Verstärkereingangsknoten 501.11 ist.
Man kann sagen, dass, für
n zwischen 11 und einschließlich
35, die Amplitude des Signals an einem beliebigen Verstärkereingangsknoten 501(n) niedriger
ist als die Amplitude des Signals am Verstärkereingangsknoten 501(n – 1).
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Der
Summierer 506 kann einfach ein verdrahteter ODER-Summierer
sein, so dass die Differenzausgänge
der Verstärker 502.1 bis 502.35 miteinander
verbunden werden.
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Die
Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.35 nehmen
jeweils die Verstärkersteuersignale 206.1 bis 206.35 an.
Jedes Verstärkersteuersignal 206(n) steuert
das "An" oder "Abschalten" der entsprechenden
Verstärkerschaltungsbaugruppe 502(n) in
Abhängigkeit
von der vorstehend in Bezug auf den Logikdecoder mit automatischer
Verstärkungsregelung 204 beschriebenen
Logik. Spezifischer schaltet sich die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502(n) in Übereinstimmung
mit dem Strom 206 (3D) gleichmäßig "an" oder "ab", wie in 3E gezeigt.
Wie in 3E gezeigt, arbeitet der Verstärker innerhalb
des linearen Bereichs ΔVIN auf lineare und gleichmäßige Art
und Weise. Außerhalb
des linearen Bereichs jedoch befindet sich der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers
entweder auf seinem Maximum (d.h. er ist vollständig "an")
oder der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers
beträgt
0 (vollständig "aus"). Spezifischer weist
der Verstärker
den maximalen Verstärkungsfaktor
auf, wenn sich der Steuerstrom 206 auf einem maximalen
Stromwert befindet. Der Verstärker
hat einen Verstärkungsfaktor
von 0, wenn der Steuerstrom 0 beträgt. Wenn der Steuerstrom IMAX/2 beträgt, beträgt der Verstärkungsfaktor des
Verstärkers
ungefähr
1/2 des maximalen Verstärkungsfaktors.
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Die
Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.35 routen
jeweils die differentiellen Verstärkerstromausgänge 504.1 bis 504.35 zum
Summierer 506. Der Ausgang des Summierers 506 ist
das verstärkte
Signal 112, das aus einem positiven verstärkten Signal 508P (als
verstärktes
Signal Vout(+) dargestellt) und einem negativen
verstärkten
Signal 508N (als verstärktes
Signal Vout(–) dargestellt) besteht. Das
positive verstärkte
Signal 508P ist über
einen auf dem Chip befindlichen Lastwiderstand 512a und
einem auf dem Chip befindlichen Spiralinduktor 510a mit
der Ruhespannung VDD 307 verbunden.
Das negative verstärkte
Signal 508N ist über
einen auf dem Chip befindlichen Lastwiderstand 512b und
einem auf dem Chip befindlichen Spiralinduktor 510b mit der
Ruhespannung VDD 307 verbunden.
Die Spiralinduktoren 510 dienen hauptsächlich zur Verstärkungsfaktorerhöhung. Die
Spiralinduktoren 510 können
weggelassen werden, wenn ein schnelleres IC-Verfahren verwendet
wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausgänge der Verstärker 502 Differentialströme sind,
die (nach dem Summieren) durch die Widerstände 512 und die Induktoren 510 in
eine Differentialspannung umgewandelt werden.
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Die
Ausgänge
sämtlicher
Verstärkungsstufen
werden miteinander summiert und durch nicht auf dem Chip befindliche
Höchstwert-Induktoren
oder Ferritkügelchen
(parallele L-R-Schaltungen) (nicht in 5 gezeigt)
mit VDD verbunden. Dies stellt eine größere Drain-Source-Spannung
bereit, um die Reduzierung der Verzerrung zu unterstützen. Jede
Verstärkungsstufe
läuft mit
einem nominalen Schweifstrom von 10 mA. Wenn 10 Stufen an sind,
fließt
ein Gesamtstrom von 100 mA in den Ausgang (d.h. 50 mA über jede
Leitung). Sollten einer oder beide der Pull-up-Induktoren (Hochziehinduktoren)
oder Kügelchen
nicht angeschlossen sein, kann ein Überschussstrom in der Schaltung
fließen,
der eine Beschädigung
der auf dem Chip befindlichen Spiralinduktoren 510a, 510b und
Lastwiderstände 512a, 512b bewirken
kann. Um sicherzustellen, dass unter diesen Bedingungen kein Überschussstrom
fließt, wird
eine ohmsche Pull-up-Schaltung verwendet, um Überschussstrom durch Parallelschalten
zu beseitigen und jegliche Spitzenströme auf das 1,5-fache des kontinuierlichen
Metallmigrationsnennstroms zu reduzieren.
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6 zeigt
eine typische Verstärkerschaltungsbaugruppe 502(n) der
Verstärkeranordnung 202.
Das Verstärkersteuersignal 206(n) wird
zu einem Stromspiegel 602 geroutet. Ein Stromspiegelausgang 606 wird
dann zu einem Differenzpaarverstärker 604 geroutet,
in 6 als Paar Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOS-FETs) 608a und 608b dargestellt.
Fachleute auf dem oder den relevanten Gebieten werden basierend
auf den hierin enthaltenden Lehren erkennen, dass auch andere Differenzpaarverstärker, wie
etwa solche, die Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren (GaAsFETs) oder
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET – junction FETs) verwenden,
eingesetzt werden können,
ohne jedoch darauf beschränkt
zu sein, und dass diese im Schutzumfang und der Absicht der hierin
beschriebenen Erfindung enthalten sind. Der Stromspiegelausgang 606 ist
mit dem Source-Anschluss des Transistors 608a und dem Source-Anschluss
des Transistors 608b verbunden. Der Gate-Anschluss des
Transistors 608a und der Gate-Anschluss des Transistor 608b sind
mit dem Verstärkereingangsknoten 501(n) verbunden.
Die Gleichstromvorspannung 501(n) der Transistoren 608a und 608b wird
durch einen internen Spannungsteiler eingestellt. Wie in 6 gezeigt,
umfasst der Verstärkereingangsknoten
eine positive Vin und eine negative Vin. Der Drain-Anschluss des Transistors 608a erzeugt
einen Ausgangsstrom Iout(–) und der
Drain-Anschluss des Transistors 608b erzeugt einen Ausgangsstrom
Iout(+), die zusammen den Differenzpaarverstärkerausgangsstrom 504(n) bilden.
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Der
Stromspiegel 602 umfasst einen als Diode geschalteten Transistor 610 und
einen Transistor 612, wobei der Drain-Strom des Transistors 612 den Strom 606 für die Schaltung 604 erzeugt.
Der Transistor 612 ist bevorzugt größer bemessen als der Transistor 610,
um so den erforderlichen Strom zu minimieren, der vom Eingang 206(n) benötigt wird. Ein
beispielhaftes Größenverhältnis beträgt beispielsweise
16:1, so dass der Transistor 612 16x größer als der Transistor 610 ist.
Daher erzeugen 625 μA am
Eingang 206(n) 10 mA Strom 606.
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Ein
beispielhafter Betrieb des VGA (Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor) 104 wird
nun unter Bezugnahme auf die 2, 3A-3B, 4A-4D, 5 und 6 beschrieben.
Aus Gründen
der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung gibt 7 beispielhafte
Spannungen für die
Knoten 301.1 bis 301.35 auf der Widerstandsleiter
für eine
Schaltung mit einer Ruhespannung VDD an.
Wie in 7 gezeigt, liegen die Widerstandsleiterspannungen
zwischen 1,140 Volt am oberen Ende der Widerstandsleiter und 0,4
Volt am unteren Ende der Widerstandsleiter. Gehen wir von einem
Anfangszustand aus, in dem sich die automatische Verstärkungsregelspannung 300 auf
ihrem Maximum befindet, z.B. etwas über 1,14 Volt. Bei diesem Beispiel
hat der Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 (etwas mehr als) 1,14 Volt
an seinem "positiven" Eingang und eine skalierte
Spannung am Knoten 301.1 von 1,14 Volt an seinem "negativen" Eingang. Da die
Spannung am "positiven" Eingang größer als
die Spannung am "negativen" Eingang ist, ist
der Vergleicherausgang 312.1 eine logische "1". Aus 4A ist
ersichtlich, dass das Verschiebungssteuersignal 410 vom
Inverter 402 eine logische "1" und
das AGC-Steuersignal 412 vom ODER-Gate-Anschluss 404 eine
logische "1" ist. Daher empfängt der
UND-Gate-Anschluss 406 zwei logische "1en" und
gibt eine logische "1" aus. Daher ist das
Verstärkersteuersignal 206.1 eine logische "1". Das Verstärkersteuersignal 206.1 ist
mit der Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.1 verbunden.
Da das Verstärkersteuersignal 206.1 eine
logische "1" ist, ist die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.1 "an" und verstärkt das
Kabelfernsehsignal 110. Da der Vergleicherausgang 312.1 eine
logische "1" ist, ist das Verschiebungssignal 310.1 ebenfalls
eine logische "1". Wie aus 3B ersichtlich
ist, wird das Verschiebungssignal 310.1 zur Logikschaltung 308.11 geroutet,
die in 4B dargestellt ist.
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Der
Inverter 402 empfängt
das Verschiebungssignal 310.1 vom Knoten B. Da das Verschiebungssignal 310.1 eine
logische "1" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "0". Da die automatische
Verstärkungsregelspannung 300 größer als
die Spannung am Knoten 301.1 ist, ist sie auch größer als
die Spannungen an den Knoten 301.2 bis 301.35 und
die Vergleicherausgänge 312.2 bis 312.35 sind
alle eine logische "1". Daher empfängt der
ODER-Gate-Anschluss 404 eine logische "1" vom
Knoten A und gibt das AGC-Steuersignal 412 als logische "1" aus. Der UND-Gate-Anschluss 406 empfängt das
AGC-Steuersignal 412 als logische "1" und
das Verschiebungssteuersignal als logische "0",
wodurch das Verstärkersteuersignal 206.11 als
logische "0" ausgegeben wird.
Man erinnere sich daran, dass das Verstärkersteuersignal 206.11 mit der
Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.11 verbunden
ist. Da das Verstärkersteuersignal 206.11 eine
logische "0" ist, ist die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.11 "aus" und verstärkt das
am Verstärkereingangsknoten 501.11 vorhandene
abwärts
skalierte Kabelfernsehsignal nicht. Bezug nehmend nochmals auf 4B ist
zu ersehen, dass das Verschiebungssignal 310.11 eine logische "1" ist. Das Verschiebungssignal 310.11 wird
zur Logikschaltung 308.21 geroutet, ebenfalls in 4B gezeigt.
Da das Verschiebungssignal 310.11 eine logische "1" ist, ist das Verschiebungssteuersignal 410 eine
logische "0" und das Verstärkersteuersignal 206.21 vom UND-Gate-Anschluss 406 ist
eine logische "0", wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.21 "aus" ist und das am Knoten 501.21 vorhandene
abwärts
skalierte Kabelfernsehsignal nicht verstärkt. Des Weiteren ist, da der
Vergleicherausgang 312.21 eine logische "1" ist, das Verschiebungssignal 310.21 ebenfalls
eine logische "1".
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Das
Verschiebungssignal 310.21 wird zur Logikschaltung 308.31 geroutet,
wo der Inverter 402 das Verschiebungssteuersignal 410 als
logische "0" ausgibt. Infolgedessen
gibt der UND-Gate-Anschluss 406 das Verstärkersteuersignal 206.31 als
logische "0" aus, wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.31 "aus" ist und das am Knoten 501.31 vorhandene
abwärts
skalierte Kabelfernsehsignal nicht verstärkt. Bezug nehmend auf 4C ist
zu ersehen, dass das Verschiebungssignal 310.31 nicht angeschlossen
ist.
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Daher
ist bei dem Beispiel, bei dem die automatische Verstärkungsregelspannung 300 größer als die
skalierte Spannung am Knoten 301.1 ist, die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.1 "an" und die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.11, 502.21 und 502.31 sind "aus". Des Weiteren wird
eine ähnliche Analyse
zeigen, dass die Verstärkerschaltungsbaugruppen 501.2 bis 501.10 ebenfalls "an" sind, während die
Verstärkerschaltungsbaugruppen 501.12 bis 501.20, 501.22 bis 502.30 und 502.32 bis 502.35 alle "aus" sind. Dies stellt
den maximalen Verstärkungszustand
dar. Mit anderen Worten, bei maximaler Verstärkungsfaktoreinstellung sind
die ersten 10 Verstärker "an" und alle anderen
Verstärker "aus".
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Wenn
die Amplitude des verstärkten
Signals 112 zunimmt, nimmt die automatische Verstärkungsregelspannung 300 ab.
Wenn beispielsweise die automatische Verstärkungsregelspannung 300 auf
1,05 Volt abnimmt, zeigt 7, dass diese Spannung niedriger
als die beispielhaften skalierten Spannungen an den Knoten 301.1 bis 301.25,
aber höher
als die beispielhafte skalierte Spannung an den Knoten 301.26 bis 301.35 ist,
was jedoch nicht als Einschränkung
zu verstehen ist. Da die automatische Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die die skalierte Spannung an den Knoten 301.1 bis 301.25 ist, sind
die Vergleicherausgänge 312.1 bis 312.25 der Verstärker mit
hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 bis 306.25 jeweils
eine logische "0". Jedes Verstärkersteuersignal 206.1 bis 206.25 von
den Logikschaltungen 308.1 bis 308.25 ist jeweils
eine logische "0", wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.25 folglich "aus" sind und weder das
Kabelfernsehsignal 110 noch das an den Knoten 501.1 bis 501.25 vorhandene
abwärts skalierte
Kabelfernsehsignal verstärken.
Jedes Verstärkersteuersignal 206.26 bis 206.35 von
den Logikschaltungen 308.26 bis 308.35 ist jeweils
eine logische "1", wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.26 bis 502.35 folglich "an" sind und das an
den Knoten 501.26 bis 501.35 vorhandene abwärts skalierte
Kabelfernsehsignal verstärken.
Des Weiteren ist jedes Verschiebungssignal 310.1 bis 310.25 eine logische "0" und wird jeweils zu den Logikschaltungen 308.11 bis 308.35 geroutet.
Jedes Verschiebungssignal 310.26 bis 310.35 ist
eine logische "1", man erinnere sich
jedoch anhand der 4C und 4D daran,
dass die Verschiebungssignale 310.26 bis 310.35 nicht
angeschlossen sind. Wenn daher die automatische Verstärkungsregelspannung 1,05
Volt beträgt,
sind die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.25 "aus" und die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.26 bis 502.35 "an".
-
Wenn
die Amplitude des verstärkten
Signals 112 weiter zunimmt, nimmt die automatische Verstärkungsregelspannung 300 weiter
ab. Wenn beispielsweise die automatische Verstärkungsregelspannung 300 auf
0,65 Volt abnimmt, zeigt 7, dass diese Spannung niedriger
als die beispielhaften skalierten Spannungen an den Knoten 301.1 bis 301.30,
aber höher
als die beispielhafte skalierte Spannung an den Knoten 301.31 bis 301.35 ist.
Da die automatische Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die skalierte Spannung an den Knoten 301.1 bis 301.30 ist,
sind die Vergleicherausgänge 312.1 bis 312.30 der
Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor und
niedriger Frequenz 306.1 bis 306.30 jeweils eine logische "0". Jedes Verstärkersteuersignal 206.1 bis 206.30 von
den Logikschaltungen 308.1 bis 308.30 ist jeweils
eine logische "0", wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.30 folglich "aus" sind und weder das
Kabelfernsehsignal 110 noch das an den Knoten 501.1 bis 501.30 vorhandene
abwärts
skalierte Kabelfernsehsignal verstärken. Jedes Verstärkersteuersignal 206.31 bis 206.35 von den
Logikschaltungen 308.31 bis 308.35 ist jeweils eine
logische "1", wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.31 bis 502.35 folglich "an" sind und das an
den Knoten 501.31 bis 501.35 vorhandene abwärts skalierte
Kabelfernsehsignal verstärken. Des
Weiteren ist jedes Verschiebungssignal 310.1 bis 310.30 eine
logische "0". Die Verschiebungssignale 310.1 bis 310.25 werden
jeweils zu den Logikschaltungen 308.11 bis 308.35 geroutet,
wobei die Verschiebungssignale 310.26 bis 310.30 nicht
angeschlossen sind. Jedes Verschiebungssignal 310.31 bis 310.35 ist
eine logische "1", man erinnere sich
jedoch anhand der 4C und 4D daran,
dass die Verschiebungssignale 310.31 bis 310.35 nicht
angeschlossen sind. Wenn daher die automatische Verstärkungsregelspannung
0,65 Volt beträgt,
sind die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.30 "aus" und die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.31 bis 502.35 "an".
-
Wenn
die Amplitude des verstärkten
Signals 112 weiter zunimmt, nimmt die automatische Verstärkungsregelspannung 300 weiter
ab. Wenn beispielsweise die automatische Verstärkungsregelspannung 300 auf
0,35 Volt abnimmt, zeigt 7, dass diese Spannung niedriger
als die beispielhaften skalierten Spannungen an den Knoten 301.1 bis 301.34,
aber höher
als die beispielhafte skalierte Spannung am Knoten 301.35 ist,
was jedoch nicht als Einschränkung
zu verstehen ist. Da die automatische Verstärkungsregelspannung 300 niedriger
als die die skalierte Spannung an den Knoten 301.1 bis 301.34 ist, sind
die Vergleicherausgänge 312.1 bis 312.34 der Verstärker mit
hohem Verstärkungsfaktor
und niedriger Frequenz 306.1 bis 306.34 jeweils
eine logische "0". Jedes Verstärkersteuersignal 206.1 bis 206.32 von
den Logikschaltungen 308.1 bis 308.32 ist jeweils
eine logische "0", wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.32 folglich "aus" sind und weder das
Kabelfernsehsignal 110 noch das an den Knoten 501.1 bis 501.32 vorhandene
abwärts skalierte
Kabelfernsehsignal verstärken.
Man erinnere sich jedoch anhand von 4D daran,
dass die Knoten C an jeder der Logikschaltungen 308.33, 308.34 und 308.35 nicht
angeschlossen sind und das AGC-Steuersignal 412 infolgedessen
eine logische "1" ist, auch wenn sich
die Vergleicherausgänge 312.33 und 312.34 auf
einer logischen "0" befinden.
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Da
sich alle Vergleicherausgänge 312.1 bis 312.34 auf
einer logischen "0" befinden, ist dies
bei den Verschiebungssignalen 310.1 bis 310.34 ebenfalls
der Fall. Daher werden die Verschiebungssignale 310.23, 310.24 und 310.25 an
den Knoten B der Logikschaltungen 308.33, 308.34 und 308.35 empfangen
und durch den Inverter 402 zu einer logischen "1" invertiert und zum UND-Gate-Anschluss 406 geroutet.
Daher geben die UND-Gate-Anschlüsse 406 der
Logikschaltungen 308.33, 308.34 und 308.35 die Verstärkersteuersignale 206.33, 206.34 und 206.35 als
logische "1" aus.
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Da
jedes Verstärkersteuersignal 206.33 bis 206.35 von
den Logikschaltungen 308.33 bis 308.35 jeweils
eine logische "1" ist, sind die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.33 bis 502.35 folglich "an" und verstärken das
an den Knoten 501.33 bis 501.35 vorhandene abwärts skalierte
Kabelfernsehsignal. Des Weiteren ist jedes Verschiebungssignal 310.1 bis 310.34 eine
logische "0". Die Verschiebungssignale 310.1 bis 310.25 werden
jeweils zu den Logikschaltungen 308.11 bis 308.35 geroutet,
wobei die Verschiebungssignale 310.26 bis 310.34 nicht
angeschlossen sind. Das Verschiebungssignal 310.35 ist eine
logische "1", man erinnere sich
jedoch anhand von 4D daran, dass das Verschiebungssignal 310.35 nicht
angeschlossen ist. Wenn daher die automatische Verstärkungsregelspannung 300 0,35 Volt
beträgt,
sind die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.32 "aus" und die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.33 bis 502.35 "an".
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist der Knoten C der Logikschaltung 308.33 an Masse angeschlossen
und da die AGC-Spannung niedriger als die abwärts skalierte Referenzspannung
am Knoten 301.33 ist, empfängt der ODER-Gate-Anschluss 404 der
Logikschaltung 308.33 eine logische "0" an beiden
Ports und gibt das AGC-Steuersignal 412 als logische "0" aus. Daher gibt der UND-Gate-Anschluss 406 das
Verstärkersteuersignal 206.33 als logische "0" aus, wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.33 "aus" ist und das am Knoten 501.33 vorhandene
abwärts
skalierte Kabelfernsehsignal nicht verstärkt. Bei dieser alternativen
Ausführungsform
sind, wenn die automatische Verstärkungsregelspannung 300 0,35
Volt beträgt,
die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.33 "aus" und die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.34 und 502.35 "an".
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
ist der Knoten C der Logikschaltungen 308.33 und 308.34 an
Masse angeschlossen und da die AGC-Spannung niedriger als die abwärts skalierte Referenzspannung
an den Knoten 301.33 und 301.34 ist, empfängt der
ODER-Gate-Anschluss 404 der Logikschaltungen 308.33 und 308.34 eine
logische "0" an beiden Ports
und gibt das AGC-Steuersignal 412 als logische "0" aus. Daher gibt der UND-Gate-Anschluss 406 die
Verstärkersteuersignale 206.33 und 206.34 als
logische "0" aus, wobei die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.33 und 502.35 "aus" sind und das an
den Knoten 501.33 und 501.34 vorhandene abwärts skalierte
Kabelfernsehsignal nicht verstärken.
Bei dieser alternativen Ausführungsform
sind, wenn die automatische Verstärkungsregelspannung 300 0,35
Volt beträgt,
die Verstärkerschaltungsbaugruppen 502.1 bis 502.34 "aus" und nur die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.35 ist "an". Des Weiteren ist
die Verstärkerschaltungsbaugruppe 502.35 immer "an", auch wenn der Wert der automatischen
Verstärkungsregelspannung 300 unter
die abwärts
skalierte Referenzspannung am Knoten 301.35 fällt.
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Wie
hierin besprochen und in den 3C-3E dargestellt,
schaltet sich jede Verstärkerschaltung 502 über den
linearen Bereich ΔVIN "gleichmäßig" an und aus. Mit
anderen Worten, wenn die interne AGC-Spannung 300 relativ
nahe (z.B. innerhalb von 10 mV) an der Spannung des Knotens 301 liegt,
arbeitet der jeweilige Verstärker 502 auf
lineare Art und Weise, wie in 3E gezeigt.
Außerhalb
des linearen Bereichs ΔVIN befindet sich der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 502,
wie gezeigt, entweder auf dem maximalen Verstärkungsfaktor oder hat einen
Verstärkungsfaktor
von null.
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Der
Verstärker
verwendet induktive und kapazitive Spitzenströme an seinem Eingang und Ausgang
für eine
noch größere Bandbreite.
Solche angepasste Schaltungen sind aufgrund der Topologie des Verstärkers (35
Stufen), der Tatsache, dass der Verstärker in einem kostengünstigen
CMOS-Verfahren hergestellt wurde, und der Notwendigkeit, eine relativ kapazitive
Last anzusteuern, erforderlich. All dies führt zu etwas zu viel Kapazität am Eingang
und Ausgang des Verstärkers,
um bei hoher Frequenz einen Verstärkungsfaktorverlust zu verhindern.
Das Eingangsanpassungsnetzwerk gemäß 11 ist
eine Kombination aus einer modifizierten T-Spule mit Reihen-Resonanzanhebung
(Reihen-Peaking). Die dargestellten Werte sind nur aus Gründen der
Veranschaulichung und nicht der Einschränkung angegeben. Im Allgemeinen
ist ein Verstärker 1102 mit
einer Diplexer-Schaltung (einer Kombination aus einem Hochpassfilter
für den
Downstream und einem mit dem Upstream-Leistungsverstärker verbundenen Tiefpassfilter)
verbunden. Gelegentlich weist die Diplexer-Schaltung einen Überschuss
an Induktivität auf,
wodurch C1 und L1 weggelassen werden können. Die verwendete T-Spule
umfasst keine wechselseitige Induktivität (d.h. Kopplung) zwischen
L2 und L3 (sie könnte
es jedoch, sofern gewünscht).
Eine solche wechselseitige Kopplung würde die Bandbreite und Eingangsanpassung
verbessern, ist jedoch im Allgemeinen mit an der Oberfläche montierten
Komponenten schwer umzusetzen. Es sei darauf hingewiesen, dass die
Eingangsanpassungsschaltung eine Verstärkungsfaktorflachheit und gute
Eingangsanpassung aufrechterhält.
Die Induktoren L4 und L5 erreichen in Bezug auf die parasitäre Kapazität eines
Tuners 1108 einen Höchstwert.
Die Widerstände
R3 und R4 stellen sicher, dass der Frequenzgang über das Betriebsband flach
bleibt. Wenn das Signal zwischen dem Verstärker 1102 und dem
Tuner 1108 auf einen Höchstwert
gebracht wird, führt
dies zu einer Verzerrung. Alle Induktoren sind klein (niedriger
Induktivitätswert)
und können
auf die Leiterplatte (PCB) aufgedruckt werden, um Kosten zu sparen. Der
Vorspannungswiderstand R5 kann geerdet werden (anstatt mit VDD verbunden zu sein), um den Chip abzuschalten.
Nicht auf dem Chip befindliche Ferritkügelchen 1104 und 1106 sind
ebenfalls dargestellt. Die Ferritkügelchen 1104 und 1106 haben
jeweils eine äquivalente
Schaltung, die eine parallele L-R-Schaltung ist. Bei höherer Frequenz
sieht jedes Ferritkügelchen
wie ein großer
Widerstand aus und bei niedriger Frequenz sieht jedes Ferritkügelchen wie
ein Kurzschluss aus.
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Um
einen großen
Wertebereich der automatischen Verstärkungsregelspannung 114 anzupassen,
ist ein Spannungsteiler für
unterschiedliche Empfindlichkeiten als Empfindlichkeitsschaltung 802 in 8 dargestellt.
Die Empfindlichkeitsschaltung 802 arbeitet als Spannungsteiler
und befindet sich bevorzugt im Logikdecoder mit automatischer Verstärkungsregelung 204.
Die Empfindlichkeitsschaltung 802 besteht aus einer Mehrzahl
von Widerständen,
wie in 8 gezeigt. Die Empfindlichkeitsschaltung 802 besteht
ferner aus drei Eingangsblöcken 804, 806 und 808 und
dem Ausgang 300, der der (internen) AGC-Spannung 300 gemäß 3B entspricht.
Der Benutzer des VGA 104 kann sich dafür entscheiden, die automatische
Verstärkungsregelspannung 114 an
einen der Anschlüsse 804, 806 oder 808 anzuschließen. Es
wird jedoch der Anschluss 804 bevorzugt. Der Ausgang 300 wird
dann als Eingang der Widerstandsleiter 302 gemäß 3 verwendet.
Durch Verwenden der Empfindlichkeitsschaltung 802 muss
der Spannungsbereich der automatischen Verstärkungsregelspannung 114 nicht
auf die Maximalspannung der Verstärkeranordnung begrenzt sein.
Daher könnte
die durch den Demodulator 106 erzeugte automatische Verstärkungsregelspannung 114 einen
Bereich zwischen 0,3 und 3 Volt aufweisen, wobei die Empfindlichkeitsschaltung 802 diese
skaliert, so dass die Widerstandsleiter 302 jeweilige Spannungen
von 0,4 und 1,14 Volt erhält.
Bei einer Ausführungsform
beträgt
R3 53 KΩ,
R4 8 KΩ, R5
10,67 KΩ und
R6 8 KΩ,
obgleich die Erfindung nicht auf diese Werte beschränkt ist.
Ein fakultativer Kondensator 810 wird hinzugefügt, um das
Rauschen am Ausgang zu verringern.
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Um
das Problem der Impedanzanpassung in der Verstärkeranordnung 202 anzugehen,
besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, einen kleinen
Vorwärtskopplungskondensator
(Feed-Forward-Kondensator) in die Verstärkerwiderstandsleiter 503 einzubauen.
Bezug nehmend nochmals auf 5 wäre es vorteilhaft,
quer über
jeden der Widerstände 514.11 bis 514.35 einen
Kondensator einzubauen. Platzbeschränkungen verhindern jedoch, dass
dies eine realistische Option darstellt. Daher kann ein einzelner
Kondensator 514 vom Verstärkereingangsknoten 501.12 zum
Verstärkereingangsknoten 501.33 angeschlossen
werden. Die Lage des Kondensators 514 kann auf der Widerstandsleiter nach
oben oder unten verändert
werden, um die Impedanzanpassung einzustellen. Ein beispielhafter Wert
für diesen
Kondensator ist 1 Picofarad, obgleich die Erfindung nicht darauf
beschränkt
ist.
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Ein
beispielhaftes Verfahren zur Ausführung der Erfindung ist in
den 9 und 10 dargestellt. Bezug nehmend
zunächst
auf 9 ist ein Verfahren 900 zum Variieren
des Verstärkungsfaktors
eines Informationssignals dargestellt. In Schritt 902 wird
ein Informationssignal empfangen, etwa ein CATV-Signal vom Kabel 102.
In Schritt 904 wird das Informationssignal zu einem Verstärker mit
variablem Verstärkungsfaktor
(VGA) geroutet, wie z.B. zum VGA 104. Wie in 1 gezeigt,
kann das Informationssignal durch einen Diplexer geroutet werden,
etwa den Diplexer 103. Der Schritt 906 stellt
die Anfangseinstellung eines Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor
dar, wobei ein Verstärkersteuersatz
ausgewählt
wird, um unter Verwendung von Verstärkersteuersignalen aktiviert
zu werden, wenn das Verfahren beginnt. Hierbei umfasst ein aktivierter
Verstärker den
in 3E gezeigten linearen Verstärkungsbereich, sofern anwendbar.
Ein Fachmann auf dem oder den relevanten Gebieten wird verstehen,
dass es mehrere Möglichkeiten
gibt, festzulegen, welche Verstärker
zur Inbetriebnahme ausgewählt
werden. Einige von diesen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein,
die Auswahl eines Satzes Verstärker
mit höchsten
Verstärkungsfaktoren,
die Auswahl eines Satzes Verstärker
mit niedrigsten Verstärkungsfaktoren
oder Auswahl eines Satzes Verstärker
im mittleren Bereich. In Schritt 908 werden die Verstärkersteuersignale
zum VGA geroutet. In Schritt 910 verstärken ausgewählte Verstärker dementsprechend entweder
das Informationssignal oder das vorhandene abwärts skalierte Informationssignal.
In Schritt 912 könnte
das verstärkte
Signal wahlweise weiter verarbeitet werden, etwa durch den Tuner
105, um einen gewählten
Kanal auszugeben. In Schritt 914 wird ein externes automatisches
Verstärkungsregelsignal (AGC-Signal)
erzeugt, indem die Leistung des gewählten Kanals untersucht wird.
Die externe AGC-Spannung 114 wird beispielsweise durch
den Demodulator 106 erzeugt. Wenn die Leistung nicht so
hoch ist, wie man sich dies wünschen
würde,
ist die externe AGC-Spannung derart bemessen, dass Verstärker mit
höherem
Verstärkungsfaktor "aktiviert" (d.h. "angeschaltet") werden. Wie hierin
angegeben, umfasst eine "Aktivierung" den gleichmäßigen linearen
Bereich ΔVIN aus den 3C-3E.
Wenn andererseits das verstärkte
Signal zu hoch ist, ist die AGC-Spannung derart bemessen, dass der
Verstärkungsfaktor
der Verstärker
mit höherem
Verstärkungsfaktor
(innerhalb des gleichmäßigen linearen Bereichs ΔVIN) verringert wird oder diese "abgeschaltet" werden und die Verstärker mit
niedrigerem Verstärkungsfaktor
aktiviert werden. In Schritt 916 wird basierend auf der
externen AGC-Spannung eine interne AGC-Spannung erzeugt. Die interne AGC-Spannung 300 wird
beispielsweise durch den Spannungsteiler 802 aus 8 anhand
der externen AGC-Spannung 114 erzeugt. In Schritt 918 werden basierend
auf der internen AGC-Spannung die Verstärkersteuersignale erzeugt.
Die Verstärkersteuersignale
werden dann zum Schritt 905 zurückgeführt, um die Verstärker zu
steuern. Schritt 918 ist in 10 näher beschrieben.
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Der
Schritt des Erzeugens der Verstärkersteuersignale
(Schritt 918 aus 9) ist in 10 dargestellt.
In Schritt 1002 wird die interne AGC-Spannung aus Schritt 918 zu
einem oder mehreren Vergleichern geroutet, etwa den Vergleichern 306,
ohne jedoch darauf beschränkt
zu sein. In Schritt 1004 wird die interne AGC-Spannung
mit einer Mehrzahl skalierter Referenzspannungen verglichen, etwa
den Referenzspannungen an den Knoten 301 (3B).
Das Ergebnis dieses Vergleichs ist in Schritt 1006 zu sehen,
wobei eine Mehrzahl von Verschiebungssignalen erzeugt wird, wie
etwa die Vergleicherausgangssignale 312 (3B).
Wenn die interne AGC-Spannung
höher als
die skalierte Referenzspannung ist, wird eine logische "1" erzeugt, jedoch in Abhängigkeit
von dem in 3C gezeigten gleichmäßigen linearen
Bereich ΔVIN. Wenn die interne AGC-Spannung höher als
die skalierte Referenzspannung ist, wird eine logische "0" erzeugt, jedoch wiederum in Abhängigkeit
von dem gleichmäßigen linearen
Bereich ΔVIN. In Schritt 1008 wird jedes der Verschiebungssignale
zu einer Logiksteuerschaltung geroutet, etwa den Logiksteuerschaltungen 308 aus 3B.
In Schritt 1010 erzeugt jede Logiksteuerschaltung ein Ausgangssignal
zur Steuerung einer entsprechenden Stromquelle, etwa der Stromquellen 311 aus 3B.
In Schritt 1012 erzeugt jede Stromquelle 311 einen
Verstärkersteuerstrom,
etwa die Verstärkersteuerströme 206.
Die Steuerströme 206 werden über den
linearen Bereich ΔVIN gleichmäßig variiert, sind jedoch außerhalb
dieses Bereichs gesättigt
oder betragen null, wie in 3D gezeigt.
In Schritt 1014 stellen die Steuerströme 206 den Verstärkungsfaktor
von "Downstream" Verstärkern ein, etwa
des Verstärkers 502 (5).
Der Verstärkungsfaktor
eines jeden Verstärkers 502 wird über den
linearen Bereich ΔVIN gleichmäßig eingestellt, ist jedoch außerhalb
dieses Bereichs gesättigt
oder beträgt null.
Wenn der Verstärkungsfaktor
gesättigt
ist, wird der Verstärker
vollständig "angeschaltet" und wenn der Verstärkungsfaktor
null beträgt,
wird der Verstärker
vollständig "ausgeschaltet". Bei einer Ausführungsform
empfängt,
wenn der Verstärker
Nummer 1 "an" ist, der Verstärker Nummer
11 ein Steuersignal, das bewirkt, dass er "ausgeschaltet" wird, und wenn der Verstärker Nummer
1 "aus" ist, empfängt der
Verstärker
Nummer 11 ein Verschiebungssignal, das bewirkt, dass er "angeschaltet" wird.
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Die
Verschiebungssignale und die Verstärkersteuerung sind nachfolgend
näher beschrieben. Einige
der Verschiebungssignale werden zu anderen geeigneten Logikschaltungen
geroutet. Mit anderen Worten, jede Logikschaltung erzeugt ein Verschiebungssignal,
aber nicht jedes Logiksignal empfängt ein Verschiebungssignal.
Beispielsweise erzeugen die Logikschaltungen Nummer 1 bis Nummer
10 Verschiebungssignale, die jeweils zu den Logikschaltungen Nummer
11 bis Nummer 20 geroutet werden, sie selbst (d.h. die Logikschaltungen
Nummer 1 bis Nummer 10) empfangen jedoch keine Verschiebungssignale.
Des Weiteren empfangen die letzten zehn Logikschaltungen (z.B. die
Logikschaltungen Nummer 26 bis Nummer 35 bei einer beispielhaften Ausführungsform,
bei der 35 Verstärker
und 35 entsprechende Logikschaltungen vorhanden sind) Verschiebungssignale
von den vorherigen Logikschaltungen (d.h. den Logikschaltungen Nummer
16 bis Nummer 25). Bei einer Ausführung erzeugen diese Logikschaltungen
(Nummer 26 bis Nummer 35) Verschiebungssignale, die dann unangeschlossen
bleiben. Bei einer alternativen Ausführung erzeugen diese Logikschaltungen
keine Verschiebungssignale.
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Jede
Logiksteuerschaltung arbeitet, um ein Verstärkersteuersignal zu erzeugen.
Beispielsweise empfängt
die Logikschaltung Nummer 15 das AGC-Steuersignal Nummer 15 und
das Verschiebungssignal Nummer 5, um das Verstärkersteuersignal 15 zu erzeugen.
Das Verstärkersteuersignal
arbeitet, um in Abhängigkeit
von dem gleichmäßigen linearen
Bereich einen entsprechenden Verstärker "an" oder "ab" zu schalten. Jedes
Verstärkersteuersignal
wird zu einem entsprechenden Verstärker geroutet.
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Als
Zusammenfassung des Verfahrens sind, wenn die Verstärker Nr.
1 bis Nr. 10 "an" sind, die Verstärker Nr.
11 bis Nr. 35 "aus". Wenn das Signal
abgeschwächt
werden muss (d.h. keine so große
Verstärkung
benötigt),
werden die Verstärker,
beginnend mit dem Verstärker
Nr. 1, "ausgeschaltet" und andere Verstärker, beginnend
mit dem Verstärker
Nr. 11, "angeschaltet". Wenn die Verstärker Nr.
1 bis Nr. 10 "ausgeschaltet" sind, sind die Verstärker Nr.
11 bis Nr. 20 "an". Wenn eine weitere
Abschwächung
erforderlich ist, wird der Verstärker
Nr. 11 "ausgeschaltet" und der Verstärker Nr.
21 "angeschaltet". Dies setzt sich
fort, bis die restlichen Verstärker,
die "an" bleiben, die Verstärker Nr.
26 bis Nr. 35 sind. Wenn eine stärkere
Abschwächung
nötig ist,
wird der Verstärker Nr.
26 "abgeschaltet", es werden jedoch
keine weiteren Verstärker "angeschaltet". Daher sind nur
9 Verstärker "an". Dieses Verfahren
setzt sich fort, bis nur noch drei Verstärker "an" sind.
Bei einer ersten Ausführungsform
beträgt
die Mindestanzahl der Verstärker,
die "an" bleiben sollen,
3. Bei einer zweiten Ausführungsform
beträgt
die Mindestanzahl der Verstärker,
die "an" bleiben sollen,
2. Bei einer dritten Ausführungsform
beträgt
die Mindestanzahl der Verstärker,
die "an" bleiben sollen,
1.
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Kurz
gesagt umfasst die hierin so beschriebene Erfindung einen Verstärker mit
variablem Verstärkungsfaktor
erweiterten Bereichs, der eine Anordnung von 35 Differenzpaarverstärkern verwendet. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Verstärker
Nr. 1 bis Nr. 10 "an". Diese ersten 10
Verstärker
haben unabgeschwächte
Eingänge.
Wenn eine automatische Verstärkungsregelspannung
anzeigt, dass eine geringere Verstärkung benötigt wird (d.h. das Ausgangssignal
muss abgeschwächt
werden), wird der Verstärker
Nr. 1 "abgeschaltet" und der Verstärker Nr.
11 "eingeschaltet". Der Eingang des
Verstärkers
Nr. 11 ist abgeschwächt.
Dieser Wechsel zwischen den Verstärkern setzt sich fort, bis
nur die Verstärker
Nr. 26 bis Nr. 35 "an" sind. An diesem Punkt
werden, wenn eine weitere Abschwächung
erforderlich ist, die Verstärker
nacheinander "abgeschaltet", es werden jedoch
keine weiteren Verstärker "angeschaltet". Wenn nur drei Verstärker verbleiben,
d.h. Nr. 33 bis Nr. 35, wird das "Abschalten" gestoppt. Wenn eine geringere Abschwächung benötigt wird
(d.h. es ist eine höhere
Verstärkung
nötig),
wird das Verfahren umgekehrt.
-
Zusammenfassung
-
Die
Vorteile der Erfindung umfassen zumindest die folgenden und sind
rein beispielhaft angegeben und nicht als Einschränkung zu
verstehen:
- – Größere Bandbreite (d.h. bessere
Leistung bei höheren
Frequenzen) aufgrund der Verwendung von weniger Stufen und externer
Spitzenströme als
bei früheren
Ausführungen.
- – Geringe
Verzerrung, insbesondere bei großen zusammengesetzten Kanalsignalen,
wie sie beim Kabelfernsehen vorkommen. Dies ist auf die Verbindung
der Verstärkerausgänge mit
VDD über
externe Induktoren oder Ferritkügelchen
und die Verwendung eines Widerstandsabschwächers am Front-End zurückzuführen.
- – Am
Eingang wird nur eine Verringerung des Verstärkungsfaktors durchgeführt, die
ausreicht, um sicherzustellen, dass die größte Eingangssignalbedingung
erfüllt
wird. Dies ermöglicht
die Verwendung von weniger Stufen. Der Rest der Verstärkungsfaktorverringerung
wird durch Abschalten von Stufen durchgeführt (im Wesentlichen die Verstärkungsfaktorverringerung
am Ausgang).
- – Geringes
Rauschmaß.
- – Gute
Eingangsanpassung (auch bei unterschiedlichen Verstärkungsfaktoreinstellungen).
- – Minimierte
Verzerrung bei Veränderung
des Verstärkungsfaktors.
Dies wird durch sorgfältiges Steuern
der Logikschaltungsübergänge bei
einer Änderung
der AGC-Spannung erreicht. Dies wird außerdem durch vollständiges Abschalten
aller nicht verwendeten Stufen sichergestellt. Frühere Logikstufen
haben nicht jede Stufe vollständig
abgeschaltet, was zu einer übermäßigen Verzerrung bei
niedrigem Verstärkungsfaktor
(hohen Abschwächungseinstellungen)
geführt
hat.
- – Der
Energieverbrauch ist geringer, da sequentielle Verstärkungsstufen
abgeschaltet werden.
- – Die
Rauschmaßverschlechterung
ist im Verhältnis
zur Verstärkungsfaktorverringerung
geringer als 1:1 bei niedrigeren Verstärkungsfaktoreinstellungen,
da die Abschwächung
am Ausgang nach den ersten 18 dB erfolgt (durch Abschalten von Stufen).
Dies ist wichtig, wenn das Eingangssignalniveau hoch ist.
- – Interner
Spannungsteiler für
eine bessere AGC-Bereichssteuerung, mit Verbindungsmöglichkeiten.
- – Asymmetrischer
Eingang, der eine externe Symmetrieschaltung überflüssig macht.
- – Energie
und Leistung können
mit einem einzelnen externen Widerstand gesteuert werden. Den Vorspannungswiderstand
größer auszuführen, kann
die Energie um einen Faktor von 2 reduzieren, bei einer geringen
Verschlechterung des Verstärkungsfaktors,
des Rauschmaßes
und der Verzerrung. Das Erden des Vorspannungswiderstands dient
als Mittel zum Abschalten des Chips.
- – Der
Verstärkungsfaktor
bleibt über
die volle Bandbreite und den vollen Abschwächungsbereich aufgrund eines
quer über
der Widerstandsleiter angeordneten, internen Resonanzanhebungs-Kondensators
(Peaking-Kondensators) flach.
- – Erhöhter AGC-Steuerbereich:
Mehr als 30 dB bei 860 MHz und mehr als 35 dB bei niedrigeren Frequenzen.
- – Als
Minimum ist eine Anwendung auf Kabelmodems, Digitalempfänger und
analoge TV-Kanalwähler
möglich.
- – Der
Verstärkungsfaktor
wird durch eine Kombination aus der Auswahl von Verstärkern, die
mit einer mit Abgriffen versehenen Widerstandsleiter verbunden sind,
und der Abschaltung von Stufen gesteuert.
- – Der
Chip wurde dafür
ausgelegt, ein kostengünstiges
digitales CMOS-Verfahren
zu verwenden. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, da andere Halbleiterverfahren
ebenfalls verwendet werden können,
einschließlich
Bipolar- und GaAsMOSFET-Verfahren.
- – Die
Anzahl der Signalverstärkerstufen
ist geringer, weshalb die Bandbreite der Verstärkeranordnung höher ist,
da jede Verstärkerstufe
eine parasitäre
Kapazität
hat.
-
Obgleich
verschiedene Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurden, versteht es
sich, dass diese rein beispielhaft angegeben wurden und keine Einschränkung darstellen.
Obgleich die Erfindung beispielsweise in Bezug auf eine bestimmte
Menge an Verstärkern
beschrieben worden ist, wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen,
dass die vorliegende Erfindung auch auf einen größeren oder kleineren Satz Verstärker angewandt
werden könnte.
Es versteht sich für Fachleute
auf dem Gebiet, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail
durchgeführt
werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie in den anhängigen Ansprüchen definiert,
abzuweichen. Daher soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
nicht durch eine der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
eingeschränkt werden,
sondern ausschließlich
in Übereinstimmung mit
den Ansprüchen
und deren Entsprechungen definiert werden.