DE69821197T2

DE69821197T2 - Differenzverstärker, integrierte schaltung und telefon

Info

Publication number: DE69821197T2
Application number: DE69821197T
Authority: DE
Inventors: Gerardus Petrus BALTUS
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JP2000516789A; WO1998059416A1; CN1237287A; EP0919082A1; CN1166054C; US5999050A; EP0919082B1; DE69821197D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker, der im ersten Teil von Anspruch 1 beschrieben wird.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine integrierte Schaltung, die über einen derartigen Differenzverstärker verfügt, sowie ein Telefon, das über eine derartige integrierte Schaltung verfügt.
Ein derartiger Differenzverstärker ist aus der US-amerikanischen Patentschrift 3.440.554 bekannt. Der bekannte Differenzverstärker umfasst differenzielle Hauptstrom(wege/pfade), im Folgenden Zweige genannt, mit einem zweistufigen Differenztransistorpaar, das von einem gesteuerten Stromquellen-Transistormittel mit einem Steuereingang zur Steuerung der Hauptstromzweige gespeist wird, und er umfasst eine Schleifenschaltung, die als Gleichtakt-Gegenkopplungsschleife ausgeführt und zwischen die Hauptstromzweige und den Steuereingang des gesteuerten Stromquellen-Transistormittels geschaltet ist. Die Gleichtakt-Gegenkopplungsschleife dient dazu, den Selektivitätsfaktor (definiert als das Verhältnis von Differenzverstärkung zu Gleichtaktverstärkung) und den Gleichtaktunterdrückungsfaktor (definiert als der Gleichtaktspannungseingang zum Differenzspannungseingang, um dieselbe Ausgangsspannung zu erzeugen) zu verbessern. Zusätzlich ist eine Gegenkopplung-Vorspannungsschleife in den Differenzialhauptstromzweigen implementiert, um Kollektorwiderstände in den genannten Zweigen beseitigen zu können. Der Betrieb des bekannten Differenzverstärkers erfolgt derart, dass die Kombination aus Gleichtakt-Gegenkopplungsschleife und Gegenkopplung-Vorspannungsschleife dazu führt, im gemeinsamen Zusammenwirken die Kollektorvorspannung konstant zu halten. Ein Nachteil des bekannten Differenzverstärkers besteht darin, dass das Verhalten des Wechselstromgroßsignals mangelhaft ist, und dass nur ein begrenzter Bereich von Eingangsamplituden effektiv verstärkt werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, einen Differenzverstärker zu schaffen, der ein verbessertes Wechselstromgroßsignalverhalten aufweist und sich in einer größeren Vielfalt von Anwendungen einsetzen lässt.
Zu diesem Zweck verfügt der erfindungsgemäße Differenzverstärker über die in Anspruch 1 beschriebenen kennzeichnenden Merkmale. Die vorliegende Erfindung nutzt die Vorstellung, dass das mangelhafte Wechselstromgroßsignalverhalten der bekannten Differenzverstärker auf Sättigungseffekte zurückzuführen ist, die von Wechselstromgroßsignalen stammen, deren Spitzenamplitude sich der Versorgungsspannung annähert, und dass dieses nachteilige Verhalten verbessert wird, wenn das gesteuerte Stromquellenmittel so gesteuert wird, dass der durch die genannten Mittel gelieferte Differenzhauptstrom während der Sättigung vorübergehend erhöht wird, um die Sättigungseffekte zu kompensieren. Daher wird in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform des Differenzverstärkers die Sättigung in den Hauptstromzweigen durch eine solche Detektionsschaltung erfasst, indem die für eine sättigungsfreie Funktionsweise zulässige Maximalspannung detektiert wird. Die erfindungsgemäße Differenzschaltung kann nun in Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine geringe Verlustleistung und/oder ein hoher Wirkungsgad erforderlich ist/sind. Abgesehen von niedrigen Frequenzen kann der erfindungsgemäße Differenzverstärker, je nach Bandbreite der verwendeten Halbleiter, auch in HF-Anwendungen benutzt werden. Besondere Aufmerksamkeit verdient die Anwendung in Prozessen, die überschüssige Bandbreite bei Strömen bieten, die geringer als für die Erreichung eines Dynamikbereichs erforderlichen Ströme sind. Der erfindungsgemäße Differenzverstärker kann die überschüssige Bandbreite dann nicht nur dafür nutzen, um die Verlustleistung zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen, sondern auch, um die Verlustleistung an die verarbeiteten Signalpegel anzupassen. Daraus ergeben sich weitere Möglichkeiten für den erfindungsgemäßen Differenzverstärker, in Frontendschaltungen für Mobilfunk- und Mobiltelefon-Anwendungen, nämlich GSM- und AMPS-Frontendschaltungen. Darüber hinaus ist eine einfache Integration möglich, was zu einer verbesserten Charakteristik führt, da sich die Halbleiterkomponenten besser an die jeweiligen Differenzhauptstromzweige sowie an kompakte Anwendungen anpassen lassen.
Eine Ausführungsform, die den Vorteil hat, dass sie sich auf einfache Weise mit nur einer Art von Halbleiter, das heißt entweder mit PNP- oder mit den noch einfacher zu integrierenden NPN-Halbleitern, realisieren lässt, hat die in Anspruch 2 beschriebenen kennzeichnenden Merkmale.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers hat die in Anspruch 3 beschriebenen kennzeichnenden Merkmale. Ein derartiges Vorspannungselement, das entweder resistiv oder reaktiv sein kann, dient als effiziente Verstär kungssteuerung, um den Schweifstrom – den kombinierten Strom in beiden Hauptstromzweigen – zu steuern, der von dem gesteuerten Stromquellenmittel geliefert wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers hat die in Anspruch 4 beschriebenen kennzeichnenden Merkmale. Der Vorteil bei der Verwendung von Degenerationselementen, wie beispielsweise von Widerständen im Differenzhauptstromzweig, liegt darin, dass diese Elemente die Linearität um den Übernahmepunkt herum verbessern, was andernfalls zu störenden Verzerrungen dritter Ordnung führen würde.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers hat die in Anspruch 5 beschriebenen kennzeichnenden Merkmale. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers hat den Vorteil, dass sie hauptsächlich Halbleiterelemente als Vorspannungssteuerungselemente enthält und damit eine Alternative zu solchen Vorspannungssteuerungselementen darstellt, die mit einem Vorspannungswiderstandsmittel ausgeführt sind.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers hat die in Anspruch 6 beschriebenen kennzeichnenden Merkmale, um den Vorteil einer verringerten Abhängigkeit der Funktion des genannten Differenzverstärkers von der Versorgungsspannung zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen sowie unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 schematisch die kombinierten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers;
2 die Kurven der im Verstärker aus 1 erscheinenden Spannungen V_CE, I_BIAS und V_OUT (= V7 – V6) jeweils als Funktionen der Zeit (t);
3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers;
4 noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers;
5 ein Telekommunikationssystem, das über Telefone mit integrierten Schaltungen verfügt, einschließlich eines erfindungsgemäßen Verstärkers;
wobei in allen Figuren für gleiche Merkmale durchgehend die gleichen Be zugszeichen verwendet werden.
1 zeigt einen Differenzverstärker 1 mit Differenzhauptstrompfaden oder -zweigen, bezeichnet mit A und B, die von den Kollektor-Emitter-Ketten zweier steuerbarer Halbleitertransistoren 2 und 3 gebildet werden. Ein in dem Verstärker 1 enthaltenes gesteuertes Stromquellenmittel 4 speist die Hauptstromzweige A und B. Das gesteuerte Stromquellenmittel 4 mit einem Stromquellentransistor hat einen Steuereingang 5, um den Strom in den Hauptstromzweigen zu steuern. Die jeweiligen Kollektor-Elektroden 6 und 7 der Transistoren 2 und 3 sind über Widerstände 8 und 9 und einen möglichen gemeinsamen Widerstand 10 mit einer Versorgungsspannung V_CC verbunden. V_CC ist wie abgebildet auch mit der Erde verbunden. Die jeweiligen Basis-Elektroden 11 und 12 der Transistoren 2 und 3 bilden Eingangsanschlüsse für ein zu verstärkendes Eingangssignal, während das verstärkte Signal von den Kollektor-Elektroden 6 und 7 abgenommen werden kann. Wie gezeigt werden die Hauptstromzweige A, B am Kollektor 13 des Stromquellentransistors 4 kombiniert, dessen Emitter ebenfalls geerdet ist. Die Funktionsweise eines derartigen Differenzverstärkers ist allgemein bekannt.
Der Differenzverstärker 1 hat weiterhin eine Sättigungserfassungsschaltung, die in der dargestellten Ausführungsform zwei Halbleiter 14 und 15 hat, deren Emitter wechselseitig mit einem Vorspannungselement 16 verbunden sind, wobei die Sättigungserfassungsschaltung 14, 15, 16 zwischen die Hauptstromzweige A, B und den Steuereingang 5 des gesteuerten Stromquellenmittels 4 gekoppelt ist. Die jeweiligen Basis-Elektroden der Transistoren 14, 15 sind mit den Kollektor-Elektroden 6 und 7 verbunden, während ihre Kollektor-Elektroden wechselseitig mit V_CC verbunden sind. Die Funktionsweise der Sättigungserfassungsschaltung 14–16 ist derart, dass sie die Sättigung in mindestens einem der Hauptstromzweige A und B erfasst. Die Sättigungserfassungsschaltung 14–16 ist als eine Detektionsschaltung für die Maximalspannung im Hauptstromzweig dargestellt, so dass die Sättigung festgestellt wird, indem die maximale Spannung an einer der beiden Kollektor-Elektroden 6 und 7 detektiert wird, wobei sich die Maximalspannung V_CE V_CC annähert und somit die in 2 veranschaulichten Sättigungssymptome zeigt.
Die Funktionsweise der Erfassungsschaltung 14–16 ist derart, dass sie einen erhöhten Vorspannungsstrom I_BIAS – siehe 2 – erzeugt, der vom Maximum der beiden Ausgangsspannungen an den Kollektor-Elektroden 6, 7 gesteuert wird. Diese Maximalspannung tritt in dem Zweig mit dem niedrigsten Strom und damit der niedrigsten Ausgangsspannung auf. Der erhöhte Vorspannungsstrom wird am Steuereingang 5 der Stromquelle 4 eingespeist, so dass sich der Schweifstrom durch die Stromquelle 4 erhöht, wobei diese Erhöhung im Wesentlichen nur den Strom in dem Zweig A oder B erhöht, durch den der höchste Strom fließt. Der Strom in dem anderen Zweig bleibt auf einem mehr oder weniger konstanten Wert größer als Null. Der dadurch weiter gesteigerte, höhere Stromzweig zieht den entsprechenden Kollektorausgang während der Sättigung vorübergehend nach unten. Die Folge ist eine verstärkte Differenzspannung V_OUT, dargestellt in 2, die keine Sättigungseffekte aufweist.
Das mit einem Widerstand dargestellte Vorspannungselement 16 kann einfach zur Verstärkungssteuerung benutzt werden, indem der Schweifstrom durch die Stromquelle 4 gesteuert wird. Degenerationselemente 17 und 18 mit Widerständen werden verwendet, um die Linearität um den Übernahmepunkt herum zu verbessern, wobei die Leitung eines der Transistoren 2, 3 jeweils von dem anderen übernommen wird. Dadurch werden harmonische Verzerrungen dritter Ordnung verringert.
Der Differenzverstärker 1 umfasst weiterhin ein Brumm-Versorgungsspannungsdetektionsmittel mit einem Brumm-Steuerausgang, der mit dem Steuereingang 5 des gesteuerten Stromquellenmittels 4 gekoppelt ist. Das Brumm-Versorgungsspannungsdetektionsmittel umfasst einen Transistor 19, der als Emitterfolger mit einem Widerstand 20 geschaltet ist, und eine Stromquelle 21, die in Reihe mit Masse geschaltet ist und deren Anschlusspunkt mit der Basis 22 des Transistors 19 verbunden ist. Sein Emitter 23 ist über eine Reihenanordnung des Widerstands 24 und des Knotenpunkts 25 mit Masse verbunden. Der Anschlusspunkt von 24 und 25 ist mit der Basis 27 des Transistors 27 verbunden, dessen gespiegelter Hauptstromzweig mit dem Steuereingang 5 verbunden ist.
Die Funktionsweise des Brumm-Versorgungsspannungsdetektionsmittels 19–27 ist derart, dass es die Abhängigkeit des Vorspannungsstroms von der Versorgungsspannung V_CC verringert, da jede Änderung der Versorgungsspannung am Differenzverstärker 1 eine entsprechende Änderung des Basisstroms zum Transistor 4 zur Folge hat, wobei der Vorspannungsstrom durch den Widerstand 16 unbeeinflusst bleibt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers, wobei das gesteuerte Stromquellenmittel zwei separate Stromquellen-Halbleiter 4-1 und 4-2 umfasst, deren jeweiligen Vorspannungsströme nun auf Wunsch durch lediglich eine Vorspannung V_BIAS an den zusammen geschalteten jeweiligen Basis-Elektroden 28 und 29 der Halbleiter 4-1 und 4-2 spannungsgesteuert sind.
4 zeigt eine weitere ausgearbeitete Ausführungsform des Differenzverstärkers 1. Hier wurde eine zusätzliche Schaltung hinzugefügt, um die harmonische Verzerrung dritter Ordnung um 3 dB zu senken. Die Schaltung umfasst im Wesentlichen zwei Stromquellen 30 und 31, die durch parallele Eingangstransistoren 32 und 33 gesteuert werden und so eine zusätzliche Steuerung der Stromquelle 4 ermöglichen, um die Linearität am oben genannten Übernahmepunkt zu verbessern. Das Vorspannungselement 16 umfasst nun eine parallele Anordnung aus einem Widerstand 41 und einem Kondensator 34, um die Charakteristik der Geschwindigkeitssteuerung zu verbessern.
Der Differenzverstärker 1 kann in einer integrierten Schaltung für die Anwendung in einer Telekommunikationsvorrichtung wie einem Telefon 35 realisiert werden, wie in 5 dargestellt. Ein derartiges Telefon kann ein Mobiltelefon oder ein standortgebundenes Telefon oder dergleichen sein und in ein Telekommunikationssystem 36 implementiert sein. Es enthält einen Mikroprozessor 37, einen zugehörigen Speicher 38, einen Anzeigebildschirm 39 und eine Tastatur 40. Natürlich wird das Telefon 35 alle weiteren Merkmale korrekt implementiert umfassen, die für die jeweiligen Funktionen hiervon erforderlich sind, zusammen mit zusätzlichen Merkmalen wie Freisprecheinrichtungen, Hörvorrichtungen, Lautsprecheranlagen, Wählfunktionen, Ladevorrichtungen usw.

Claims

Differenzverstärker, der Folgendes umfasst: – Differenzhauptstromzweige, jeweils mit einem Ausgang zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, – ein gesteuertes Stromquellenmittel, um einen Differenzhauptstrom in die Hauptstromzweige einzuspeisen, wobei das gesteuerte Stromquellenmittel einen Steuereingang zur Steuerung des Differenzhauptstroms hat, und – eine Schleifenschaltung, die zwischen die Hauptstromzweige und den Steuereingang geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenschaltung eine Sättigungserfassungsschaltung umfasst, um in Abhängigkeit von der in mindestens einem der Hauptstromzweige erfassten Sättigung ein Steuereingangssignal zu erzeugen, wobei die Sättigungserfassungsschaltung eine Detektionsschaltung für die maximale Ausgangsspannung des Hauptstromzweigs ist, um Sättigungseffekte zu erfassen, indem das Annähern der Ausgangsspannung an eine Versorgungsspannung detektiert wird.
Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaltung für die Maximalspannung des Hauptstromzweigs Halbleiter in Kollektorschaltung umfasst.
Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker ein Vorspannungselement umfasst, das zwischen die Hauptstromzweige und den Steuereingang des gesteuerten Stromquellenmittels geschaltet ist.
Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker Degenerationselemente umfasst, die in den Differenzhauptstromzweigen enthalten sind.
Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gesteuerte Stromquellenmittel separate gesteuerte Stromquellen hat, die jeweils mit einem entsprechenden Differenzhauptstromzweig verbunden sind (3).
Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker Brumm-Versorgungsspannungsdetektionsmittel mit einem Brumm-Steuerausgang umfasst, der mit dem Steuereingang des gesteuerten Stromquellenmittels gekoppelt ist.
Integrierte Schaltung mit einem Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Telefon mit einer integrierten Schaltung nach Anspruch 7.