FI106413B

FI106413B - Lineaarisen tehovahvistimen tehonsäätöpiiri

Info

Publication number: FI106413B
Application number: FI962814A
Authority: FI
Inventors: Kari Nummila
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2001-01-31
Also published as: EP0818880B1; EP0818880A3; DE69733296T2; US5912588A; JPH1079633A; EP0818880A2; FI962814A; DE69733296D1; FI962814A0

Description

, 106413

LINEAARISEN TEHO VAHVISTIMEN TEHONSÄÄTÖPIIRI - KRETS FÖR

REGLERING AV EFFEKT HOS EN LINEAR EFFEKTFÖRSTÄRKARE

. 5 Keksintö liittyy radiolaitteiden vahvistimien vahvistuksen säätöön.

Vahvistukseltaan säädettävät vahvistimet ovat tärkeitä etenkin matkapuhelimissa, joissa suurin osa laitteen tehonkulutuksesta menee lähettimen lähtötehon muodostamiseen. Lähtötehon on oltava säädettävissä, jotta tehonkulutusta voitaisiin vähenit) tää silloin, kun tukiasemayhteyteen riittää täyttä lähtötehoa pienempi teho. Esimerkiksi GSM-järjestelmässä tukiasema ohjaa keskitetysti kaikkien alueellaan olevien puhelinten lähtötehoa puhelinten tehonkulutuksen minimoimiseksi. Lähettimen lähtötehoa säädetään tyypillisesti lähettimen tehovahvistimen vahvistusta säätämällä.

15 Suurtaajuustekniikassa tunnetaan useita eri tapoja vahvistimen vahvistuksen sää töön, kuten transkonduktanssin säätö, takaisinkytkennän säätö, virran jakaminen ja säädettävän vaimennusasteen käyttö. Näitä säätötapoja kuvataan tarkemmin seuraa-vissa kappaleissa.

. 20 Vahvistinasteen vahvistusta voidaan säätää esimerkiksi muuttamalla vahvistintran- ] . sistorin transkonduktanssia. Transistoreiden eräs yleinen ominaisuus on transkon- * · ‘ ' duktanssin gm riippuvuus transistorin lepovirrasta, joten sopivalla säädettävällä :. *: vahvistintransistorin biaskytkennällä voidaan muodostaa säädettävä vahvistin. Esi- :: merkkinä tällaisesta vahvistinasteesta kuvassa 1 esitetään differentiaalinen emitteri-

: 25 kytketty pari 2, jonka transkonduktanssi gm riippuu virran IE suuruudesta. Virtaa IE

säädetään vakiovirtaelimen 1 avulla. Tämän tyyppisten täysin differentiaalisten piirien ongelmana on lineaarisen toiminta-alueen rajallisuus. Differentiaaliseen pariin pohjautuvat rakenteet sopivat kuitenkin hyvin integroitaviksi, minkä vuoksi niitä . . ·. käytetään yleisesti integroiduilla piireillä toteutetuissa laitteissa.

30 • · - \ . Toinen vahvistuksen säätötapa on vahvistusasteen takaisinkytkentäresistanssin sää- • · j ’· tö. Kuvassa 2 esitetään yksinkertaisen vahvistusasteen periaatekytkentä, jonka vah- - : ’ *': vistusasteen vahvistusta voidaan säätää resistanssin Rf avulla. Säädettävä resistanssi .,', | toteutetaan usein PIN-diodilla tai FET-transistorilla. Mikroaaltotekniikassa tällainen , 35 rakenne joudutaan usein toteuttamaan erilliskomponentein hybridipiirissä. Tällaisen rakenteen haittoja ovat kaistanleveyden ja vahvistuksen säätöalueen rajoittuneisuus.

2 106413

Virran jakamista käyttävässä vahvistuksensäätöpiirissä säädetään kuormavastuksen ohi vietävää virtaa. Kuvan 1 esimerkkipiirissä differentiaaliparin 2 ohjaama virta kulkee kokonaan kuormavastuksien RL kautta. Kun tällaiseen piiriin lisätään ns. Gilbertin kytkentä kuvassa 3 esitetyllä tavalla, voidaan osa differentiaaliparin otta-5 masta virrasta ohjata vastuksien RL ohi, jolloin piirin vahvistus pienenee vastuksien Rl kautta ja niiden ohi kulkevien virtojen suhteessa. Tällaisen säätöpiirin haittapuolena on huono hyötysuhde, koska kuormavastuksen ohi vietävää virtaa ei käytetä hyväksi.

10 Säädettävä vahvistus voidaan toteuttaa myös varsinaisen vahvistinasteen esiasteeksi kytkettävän vaimentunen avulla. Tällaisessa ratkaisussa varsinaisen pääteasteen vahvistus on vakio, ja koko vahvistinkytkennän vahvistusta säädetään lisäämällä tai vähentämällä vaimentimen vaimennusta. Tällainen vaimennin voidaan toteuttaa esimerkiksi PIN-diodeilla.

15

Yhteenvetona tunnetuista ratkaisuista voidaan sanoa, että useimmilla ratkaisuilla on puutteita hyötysuhteen, lineaarisuuden tai dynaamisen alueen suhteen. Monet tunnetuista ratkaisuista ovat lisäksi vaikeita toteuttaa nykyisillä mikropiiritekniikoilla, ja .;. siten soveltuvat huonosti esimerkiksi kannettaviin radiolaitteisiin, joissa on tavoit- ''' ’. 20 teenä käyttää kompakteja, mahdollisimman vähän tilaa vieviä komponentteja.

» • · • « · '; ’ ·' Keksinnön tavoitteena on toteuttaa lineaarinen vahvistin, jonka vahvistus on säädet- * · ‘: tävissä laajalla lähtötehoalueella. Keksinnön tavoitteena on myös toteuttaa tällainen vahvistin, jonka pääteasteessa voidaan käyttää yksinkertaista ja epälineaarista, esi-''/· ' 25 merkiksi differentiaaliseen pariin pohjautuvaa rakennetta.

Tavoitteet saavutetaan kytkemällä pääteasteen etuasteeksi esisäröistin, jonka toimin-takäyrä on käänteinen pääteasteen toimintakäyrän suhteen. Keksinnön eräs edullinen . , toteutusmuoto on käyttää differentiaalista paria transkonduktanssin kautta säädettä- • · #·|* 30 vänä vahvistimena, jonka parin sisäänmenoon on kytketty tanh^-esisäröistinpiiri mainitun differentiaalisen parin ohjaamiseksi. Esisäröistystä säädetään siten, että • · : *· differentiaalinen pari toimii koko ajan lineaarisella alueella, kun virtaa IE ja parin : : transkonduktanssia muutetaan.

< ( « 35 Keksinnön mukaiselle järjestelmälle on tunnusomaista, että järjestelmä käsittää vah vistinasteen, jolla on tietty toimintakäyrä, sekä esisäröistimen, jolla on mainitun vahvistinasteen toimintakäyrän suhteen käänteinen toimintakäyrä vahvistinjärjestel-män toimintakäyrän linearisoimiseksi.

106413 3

Keksinnön mukaisessa järjestelmässä esisäröistys ja vahvistuksen säätö toteutetaan samalla piirielimellä. Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa, jossa käytetään tanh^-esisäröistinpiiriä differentiaalisen parin ohjaamiseen, tanh_1-esisärÖistin- j piirin toimintapisteen valinnalla voidaan samalla säätää sekä vahvistusta että esi-5 säröistystä. Tämän lisäksi vahvistusta voidaan säätää tavanomaiseen tapaan säätämällä differentiaalisen parin toimintapisteen määräävän virran IE suuruutta. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä saavutetaan tunnettuun tekniikkaan nähden laajempi vahvistuksen säätöalue.

10 Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista differentiaalista paria, kuva 2 esittää tunnettua ratkaisua vahvistuksen säätöön, 15 kuva 3 esittää toista tunnettua ratkaisua vahvistuksen säätöön, kuva 4 esittää keksinnön mukaista ratkaisua, kuva 5 esittää kaavamaisesti vakiovirtaelimen 3 ominaiskäyrää eli virran I0 riippuvuutta säätöjännitteestä Vgc, . kuva 6 esittää kaavamaisesti vakiovirtaelimen 1 ominaiskäyrää eli virran IE riip- 20 puvuutta säätöjännitteestä Vgc, * 4 kuva 7 esittää keksinnön mukaisen vahvistinpiirin ominaisuuksia ja *·'· kuva 8 esittää erästä toista keksinnön mukaista ratkaisua.

Kuvissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta ja -merkintöjä.

:Y. 25

Keksinnön mukainen vahvistuksensäätöpiiri perustuu differentiaalisen parin 2 käyttöön säädettävänä transkonduktanssiasteena ja tanh^-esisäröistinpiirin käyttöön transkonduktanssiasteen esiasteena. Keksinnön mukaisen vahvistinpiirin periaate- . .·, kaavio esitetään kuvassa 4. Differentiaalisen parin lähtövirta, kahden kollektorivir- • · 30 ran erotus ΔΙ = I^, riippuu differentiaalisen parin syöttöjännitteestä (V kuvassa 1) . \ . seuraavasti: • · * · % · • o ΔΙ = I, - h = IE(Vgc) tanh( V/2VT) (1) 35 missä VT on transistorin terminen jännite. Ulostulon OUT dynaaminen alue määräy tyy differentiaalisen parin mitoituksen mukaan. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä differentiaalista paria ohjaa tanh^-esisäröistinpiiri 4. Tällaisen esisäröistinpiirin ulostulojännite Vout riippuu esisäröistinpiirin syöttöjännitteestä Vin seuraavasti: 106413 4

Vout = 2 VT tanh-l((Vin - Vout )/ 2 R, I0(Vgc)), (2) jossa | Vjn - Vout | < 2 Rj I0(Vgc). Esisäröistimen toimintakäyrän jyrkkyyttä voidaan säätää virran I0 voimakkuutta muuttamalla. Vakiovirtaelin 3 pitää virran I0 voimak-5 kuuden vakiona, ohjausjännitteen Vgc määräämässä arvossa. Esisäröistinpiirin 4 lineaarisuutta ja dynaamista aluetta voidaan virran I0 lisäksi säätää vastuksilla Rj ja Rb sekä kapasitanssilla Cb. Vastukset Rh sekä kapasitanssi Cb eivät kuitenkaan ole välttämättömiä piirin toiminnan kannalta, eli piiri toimii myös silloin kun vastuksien Rh arvo on 0Ω ja kapasitanssin Cb arvo on 0 pF.

10

Kun esisäröistinpiiri 4 ja differentiaalinen pari 2 yhdistetään kuvassa 4 esitetyllä tavalla, lopputuloksena saadaan ΔΙ = (IE(Vgc) / 2 Rj I0(Vgc)) (Vin - Vout) 15 » (IE(Vgc) / 2 Ri I0(Vgc)) Vin, (3) jolloin vahvistinkytkennän ulostulovirta ΔΙ riippuu lineaarisesti syöttöjännitteestä Vin, virtojen IE ja I0 määräämässä suhteessa. Esisäröistimen 4 tehtävänä on muoka-t: ta differentiaaliasteelle menevää signaalia siten, että differentiaaliaste ei mene epä- ' ’ ” 20 lineaariselle toiminta-alueelle. Tällöin differentiaaliaste voi olla kuvassa 4 esitetyn * . kaltainen yksinkertainen, epälineaarinen differentiaalinen pari. Esisäröistin 4 muut taa myös signaalin tasoa, mitä ominaisuutta keksinnön mukaisessa järjestelmässä :’ hyödynnetään vahvistuksen säätöön.

* * « t · '. I 25 Esisäröistinpiirin vahvistusta säädetään virran I0 avulla siten, että differentiaalinen pari 2 pysyy koko ajan lineaarisella alueella. Tämän saavuttamiseksi virtaa I0 muutetaan päinvastaiseen suuntaan kuin virtaa IE, kun differentiaalisen parin transkon-duktanssia muutetaan virtaa IE muuttamalla. Vakiovirtaelimet 1 ja 3 on siis järjestetty säätämään virtaa säätöjännitteen Vgc mukaan toisiinsa nähden päinvastaisella !!! 30 tavalla. Kuvassa 5 esitetään kaavamaisesti virran I0 riippuvuus säätöjännitteestä • * ’· · Vgc, ja kuvassa 6 virran IE riippuvuus säätöjännitteestä Vgc.

♦ » • ♦ ♦ : [ ] * Keksinnön mukaisessa järjestelmässä virtojen I0 ja IE säätösuureena eli vakiovirta- ,, I,* elimien 1 ja 3 säätösuureena voi olla myös muun tyyppinen signaali kuin säätöjän- 35 nite Vgc. Vakiovirtaelimiä 1 ja 3 voidaan ohjata esimerkiksi virtasignaalilla.

106413 5

Mitoittamalla differentiaaliaste ja esisäröistin sopivasti, saadaan vahvistuksen säätö toimimaan samalla toiminta-alueella kuin millä esisäröistin pitää differentiaaliasteen lineaarisena.

5 Kuvassa 7 esitetään erään piirisimulaation tulokset keksinnön mukaisen vahvistimen ominaisuuksista. Käyrä f\ esittää vahvistimen ulostulotehoa dBm-yksiköissä, ja muut käyrät esittävät kerrannaistaajuuksien ja keskinäismodulaatiotulosten tehoa pe-rustaajuuteen ^ verrattuna dBc-yksiköissä. Kuvaajasta voidaan todeta, että perustaa-juuden kerrannaisten 2fj, 3fj taso on vähintään 25 dBc perustaajuuden ίγ tason ala-10 puolella, ja keskinäismodulaatiotulosten 2frf2, 3fr2f2, 4fi-3f2 taso vähintään 35 dBc perustaajuuden tason alapuolella.

Kuvassa 8 esitetään eräs toinen mahdollinen keksinnön toteutusmuoto. Tässä ratkaisussa differentiaalisen parin transistorien biasvirtoja Ibias ei tuoda esisäröistimeltä 15 kuten kuvassa 4, vaan erilliseltä biasointielimeltä (ei piirretty kuvaan). Tässä tapauksessa esisäröistimen transistorien emittereillä olevat tasajännitteet on erotettava differentiaalisen parin kannoilla olevista jännitteistä esimerkiksi kondensaattoreilla 20. Suurtaajuushäviöiden minimoimiseksi biasointielin on erotettava differentiaali-sen parin transistoreista esimerkiksi sopivilla induktansseilla 21. Suurtaajuisen sig-' ’' ‘ 20 naalin kannalta kuvan 8 toteutusmuoto on olennaisesti kuvan 4 toteutusmuodon kai- . i · · , , täinen.

t « • · * :. ’ Edellä esitettyjen esimerkkikytkentöjen komponentit, kuten vakiovirtaelimet 1 ja 3, •,;. ovat sinänsä alan ammattimiehen tuntemaa tekniikkaa.

:V 25

Esimerkeissä esitetty emitterikytketty differentiaalinen pari ei ole ainoa mahdollinen differentiaalisen asteen 2 toteutusmuoto. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä voidaan käyttää myös muita tunnettuja differentiaalisia vahvistinasteita, esimerkiksi , .♦ US-patentissa 5 289 136 (DeVeirman et ai.) esitettyjä ratkaisuja. Patenttivaatimuk- 30 sissa termi "differentiaalinen pari" tarkoittaa mitä tahansa perusrakenteeltaan diffe- * · ^ . rentiaaliseen pariin pohjautuvaa rakennetta, kuten esimerkiksi US-patentissa • i i 1· 5 289 136 (DeVeirman et ai.) esitettyjä rakenteita.

·«1 • < t

Alan ammattimiehelle on myös ilmeistä, että tanlty-esisäröistinpiiri voidaan toteut- ( 35 taa keksinnön mukaisessa järjestelmässä myös muilla tunnetun tekniikan mukaisilla ratkaisuilla.

106413 6

Alan ammattimiehelle on lisäksi ilmeistä, että keksinnön mukaista vahvistinkytken-tää voidaan käyttää erillisenä piirinä tai osana suurempaa vahvistinketjua.

Keksintö soveltuu erityisesti sovelluksiin, joissa vahvistuksen säädön lineaarisuus 5 on tärkeää. Tällaisia ominaisuuksia tarvitaan esimerkiksi JDC- ja DAMPS/CDMA-pohjaisten tietoliikennejärjestelmien vahvistimissa.

Keksinnön mukainen vahvistin toimii lineaarisesti hyvin laajalla lähtötehoalueella, jolloin harmonisten kerrannaisten ja keskinäismodulaatiotulosten taso pysyy mata-10 lana. Lisäksi keksinnön mukainen vahvistinpiiriä voidaan käyttää hyvin suurella syöttösignaalin voimakkuusalueella.

Keksinnön mukaisessa vahvistinkytkennässä voidaan käyttää täysin differentiaalista rakennetta. Lisäksi keksinnön mukainen rakenne sallii vahvistimen käytön differen-15 tiaalisen syötön ja lähdön lisäksi myös yksipäisellä syötöllä ja lähdöllä.

Keksinnön mukainen rakenne sopii yhteen nykyisten integrointitekniikoiden kanssa, ja soveltuu siten erityisen hyvin käytettäväksi kannettavissa radiolaitteissa.

* « « ♦ · · ♦ ♦ ♦ • 4 » 1 « «

Claims

7 106413

1. Vahvistinjärjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää vahvistinasteen, jolla on tietty toimintakäyrä, sekä esisäröisti-men, jolla on mainitun vahvistinasteen toimintakäyrän suhteen käänteinen toiminta-5 käyrä vahvistinjärjestelmän toimintakäyrän linearisoimiseksi; ja siitä, että mainittu esisäröistin on lisäksi järjestetty säätämään vahvistinjärjestelmän vahvistusta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vahvistinjärjestelmä, tunnettu siitä, että mai-10 nittu vahvistinaste on differentiaalinen pari.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vahvistinjärjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu esisäröistin on tanh^-esisäröistin.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen vahvistinjärjestelmä, tunnettu siitä, että mai nittu vahvistinaste käsittää säädettävän vakiovirtaelimen (1) mainitun differentiaalisen parin biasvirran ja toimintapisteen säätämiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen vahvistinjärjestelmä, tunnettu siitä, että mai-20 nittu esisäröistin käsittää säädettävän vakiovirtaelimen (3) mainitun esisäröistimen biasvirran ja toimintapisteen säätämiseksi.

..!:' 6. Patenttivaatimuksen 4 ja 5 mukainen vahvistinjärjestelmä, tunnettu siitä, että '; ‘' vahvistinjärjestelmän vahvistuksen säätämiseksi ja vahvistinjärjestelmän linearisoi- : V: 25 miseksi mainittu esisäröistimen vakiovirtaelin (3) on järjestetty pienentämään esi- :‘: säröistimen biasvirtaa niillä vakiovirtaelimen säätösuureen (Vgc) arvoilla, joilla mai- ; nittu differentiaalisen parin vakiovirtaelin (1) on järjestetty suurentamaan differen- *·1 tiaalisen parin biasvirtaa, ja suurentamaan esisäröistimen biasvirtaa niillä arvoilla, joilla mainittu differentiaalisen parin vakiovirtaelin (1) on jäljestetty pienentämään 30 differentiaalisen parin biasvirtaa. « · 1 106413