FI107658B

FI107658B - Biasjänniteohjattuja rinnakkaisia aktiivikomponentteja

Info

Publication number: FI107658B
Application number: FI972330A
Authority: FI
Inventors: Esko Jaervinen; Jukka Varis
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2001-09-14
Also published as: US6301467B1; EP0883241A1; FI972330A0; FI972330A

Description

107658

Biasjänniteohjattuja rinnakkaisia aktiivikomponentteja - Biasspänningsstyrda parallela aktivkomponenter

Keksintö koskee yleisesti toisilleen vaihtoehtoisten piirien valintaa sähköisellä sig-5 naalilla. Erityisesti keksintö koskee rinnakkaisten vahvistimien ohjausta siten, että kaikki niistä eivät ole samanaikaisesti käytössä.

Monissa signaalinkäsittelysovelluksissa signaalille on tarjottava eri tilanteissa vaihtoehtoisia kulkureittejä aktiivisten komponenttien läpi. Eräs esimerkinomainen tapaus on radiolähettimen tehovahvistin, joka on järjestetty toimimaan tarpeen vaa-10 tiessä eri tehoilla. On tunnettua, että esimerkiksi matkapuhelimen lähetysteho vaih-telee sen mukaan, kuinka suuri teho tarvitaan toimivan ja häiriöttömän ylössuun-taisen radioyhteyden luomiseksi matkapuhelimen ja tukiaseman välille. Yksittäisten radiotaajuusvahvistimien hyötysuhde vaihtelee lähtötehon funktiona siten, että vahvistin on tavallisesti tehokkaimmillaan suurilla lähtötehon arvoilla. Kun tällainen 15 radiotaajuusvahvistin toimii pienemmällä teholla, hyötysuhde on huono ja sähkötehoa kuluu hukkaan.

Kannettavien radiolaitteiden akkujen säästämiseksi laitteiden kaikkien osien sähkönkulutus olisi kaikissa tilanteissa saatava mahdollisimman pieneksi, joten vahvisti-.··1 mien hyötysuhteen parantamiseksi pienillä tehoilla on kehitetty erilaisia ratkaisuja.

y'‘ 20 Eräs tunnettu ratkaisu on järjestää lähettimen tehovahvistimeen yksittäisen radiotaa- » j. ! juusvahvistimen asemesta kaksi tai useampia rinnakkaisia vahvistimia, jotka on mi- *. 1 toitettu toimimaan optimaalisesti eri lähtötehoilla. Rinnakkaisten vahvistimien läh-

• I

'· 1 döt on tällöin kytketty valintakytkimeen, jonka avulla valitaan kulloinkin käytössä : 2 olevalle tehotasolle optimaalisesti mitoitettu vahvistin. Valinta määräytyy esimer- • · 25 kiksi GSM-järjestemässä (Global System for Mobile telecommunications) siten, että tukiasemat mittaavat päätelaitteilta vastaanottamiensa signaalien voimakkuutta ja antavat päätelaitteille käskyjä säätää lähetystehoa. Vastaanotetun signaalin heiketessä tukiasema antaa päätelaitteelle käskyn nostaa lähetystehoa tai siirtää yhteys :\ toiselle tukiasemalle. Jos vastaanotettu signaali on niin voimakas, että päätelaitteen * .·:· 30 lähetystehoa voidaan signaalin laadun huonontumatta laskea, tukiasema käskee pää- • · telaitetta pienentämään lähetystehoa. GSM-jäijestelmässä käsipuhelimen lähetys-teho voi vaihdella tyypillisesti 1 mW:sta 2 W:iin (dBm-asteikolla 0 dBm:stä +33 • 1 · dBm: ään).

« f * • » • ·> • · · · 1 2 « 2 107658

Tekniikan tason mukaisten ratkaisujen haittapuolena voidaan pitää sitä, että rinnakkaisten vahvistimien kanssa sarjaan kytketty valintakytkin on mitoitettava kestämään suuritehoisimman vahvistimen suurin lähtöteho, jolloin kytkimestä tulee helposti varsin suurikokoinen ja valmistuskustannuksiltaan kallis. Lisäksi signaalin kulku-5 tiellä sarjaan kytketty valintakytkin aiheuttaa häviöitä, mikä on ristiriidassa järjestelyn tehonsäästötavoitteiden kanssa. Kytkinratkaisut aiheuttavat turhia häviöitä myös muissa tapauksissa, joissa signaali on ohjattava kulkemaan ainakin kahden toisilleen vaihtoehtoisen aktiivisen komponentin läpi. Eräs esimerkki tällaisesta kytkinjärjeste-lystä on aikajakoiseen kaksisuuntaisuuteen (TDD, Time Division Duplex) perustulo van radiolaitteen antennikytkin, joka kytkee radiolaitteen antenniin joko lähettimen tehovahvistimen lähdön tai vastaanottimen pienikohinaisen etuvahvistimen tulon.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on esittää menetelmä ja piirijärjestely, joilla signaalin kulkua voidaan ohjata toisilleen vaihtoehtoisissa aktiivikomponenteissa pienemmin häviöin kuin tekniikan tason mukaisissa järjestelyissä. Keksinnön tavoittee-15 na on myös esittää menetelmä ja piirijärjestely, joilla edellä mainittu tavoite saavutetaan pienin valmistuskustannuksin ja pienikokoisilla komponenteilla.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan asettamalla aktiivikomponentit niihin tuotavien jännitesignaalien avulla valikoivasti aktiiviseen tai ei-aktiiviseen tilaan, jolloin ei-aktiivisessa tilassa oleva aktiivikomponentti näkyy suurena impedanssina, joka ei 20 merkittävästi vaikuta signaalin kulkuun.

• · « ··; Keksinnön mukaiselle piirijärjestelylle oskilloivan signaalin kulun ohjaamiseksi • ·' toisilleen vaihtoehtoisissa ensimmäisessä aktiivikomponentissa ja toisessa aktiivi- • » · : komponentissa, joista kumpikin on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavan ohjaussignaalin tietyllä ensimmäisellä arvolla ja jotka ovat ei-aktiivisessa tilassa 25 mainitun ohjaussignaalin tietyllä toisella arvolla, on tunnusomaista, se käsittää väli-neet mainittujen aktiivikomponenttien asettamiseksi valikoivasti aktiiviseen tilaan siten, että ensimmäinen aktiivikomponentti on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla toisen aktiivikomponentin ollessa ei-aktiivisessa tilassa ja toinen aktiivikomponentti on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla oh- .. 30 jaussignaalilla ensimmäisen aktiivikomponentin ollessa ei-aktiivisessa tilassa.

• · · • · · •* Keksintö kohdistuu myös viestinlaitteeseen, jossa käytetään edellä mainittua piirijär- jestelyä. Keksinnön mukaiselle viestinlaitteelle on tunnusomaista, että se käsittää välineet sen sisältämien vaihtoehtoisten aktiivikomponenttien asettamiseksi valikoivasti aktiiviseen tilaan siten, että ensimmäinen aktiivikomponentti on asetettavissa :.'*i 35 aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla toisen aktiivikomponentin 3 107658 ollessa ei-aktiivisessa tilassa ja toinen aktiivikomponentti on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla ensimmäisen aktiivikomponentin ollessa ei-aktiivisessa tilassa.

- Lisäksi keksintö kohdistuu menetelmään, jolle on tunnusomaista, että siinä ohjataan 5 signaali kulkemaan ensimmäisen aktiivikomponentin kautta asettamalla se aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla ja samanaikaisesti estetään toista ak-tiivikomponenttia vaikuttamasta signaalin kulkuun.

Aktiivisille komponenteille, kuten transistoreille, on tyypillistä, että niiden elektrodien edustama impedanssi siinä piirissä, johon ne on kytketty, riippuu aktiivisen 10 komponentin biasoinnista eli esijännitteestä. Esimerkiksi aktiivisessa tilassa olevan transistorivahvistimen lähtöimpedanssi on erilainen kuin ei-aktiivisessa tilassa olevan transistorivahvistimen lähtöimpedanssi. Rinnakkaisten transistorivahvistimien tapauksessa keksintö tarkoittaa, että niiden lähdöt kytketään jäljempänä selostettavalla tavalla yhteen, jolloin biasoimattomien (ei-aktiivisten) transistorien lähtöimpe-15 danssia hyödynnetään osana vahvistinlohkon lähdön sovituspiiriä. Ei-aktiiviset transistorit saadaan näyttämään aktiivisen transistorin lähdön rinnalla suuri-impedanssi-silta piireiltä, jotka eivät vaikuta aktiivisen transistorin toimintaan tai signaalin kulkuun aktiivisen transistorin lähdöstä kohti antennia tai muuta määränpäätä.

Keksintö ei rajoitu rinnakkaisten samansuuntaisten vahvistimien valintaan. Esimer- ... 20 kiksi antenniin kytketyistä lähetinvahvistimen lähdöstä ja vastaanotmvahvistimen • · ]···' tulosta toinen voidaan biasoimalla saada näyttämään signaalin kannalta suuri-impe- *: · * danssiselta piiriltä, jolloin biasointi korvaa erillisen antennikytkimen.

. ·. : Erilaisia biasjännitteitä valikoivasti kytkevä valintakytkin voidaan mitoittaa huomat- tavasti pienemmälle maksimiteholle kuin tekniikan tason mukainen, vahvistimien * · · ‘. 25 kanssa sarjaan kytkettävä valintakytkin, jolloin keksinnön mukainen piirijärjestely on kooltaan pienempi ja valmistuskustannuksiltaan edullisempi kuin tekniikan tason mukaiset ratkaisut. Lisäksi keksinnön avulla vältetään turhat sarjaan kytketyt kytkin-komponentit signaalin kulkutiellä, mikä pienentää häviöitä ja parantaa näin entisestään piirijärjestelyn hyötysuhdetta.

• · • · • · · - .*:* 30 Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitet tyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa « · • · « : * * *: kuvat 1 a - 1 c esittävät radiotaajuusvahvistimen lähtöimpedanssin määräytymistä, :. ‘ ·: kuvat 2a ja 2b esittävät keksinnön erästä edullista suoritusmuotoa, 4 107658 kuva 2c esittää yksityiskohtaa kuvien 2a ja 2b mukaisesta suoritusmuodosta, kuvat 3a - 3c esittävät keksinnön periaatetta rinnakkaisten vahvistimien tapauksessa, kuvat 4a ja 4b esittävät keksinnön soveltamista erääseen toiseen kytkentään, kuva 5 esittää erästä keksinnön mukaista viestinlaitetta ja 5 kuva 6 esittää erästä keksinnön mukaista menetelmää tilakaaviona.

Kuvissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta.

Kuvassa la virtalähde 10 esittää aktiiviseen tilaan biasoitua transistoria, joka voi olla esimerkiksi HBT-transistori (Heterojunction Bipolar Transistor), ja resistiivinen elementti 11 esittää tällaisen aktiiviseen tilaan biasoidun transistorin pääosin resis-10 tiivistä lähtöimpedanssia. Kapasitanssi 12 ja induktanssi 13 muodostavat LC-sovi-tuspiirin, jolla transistorin lähtöimpedanssi sovitetaan vastaamaan kuorman 14 impedanssia. Niiden arvojen laskemiseksi voidaan kirjoittaa vahvistimen lähtöimpe-danssin lauseke merkinnällä Zout merkityssä kohdassa: - , \ R out-L match2 · C match2 ·ω* Z 0Ut{(0) =-7----=-=-=—r-;-;-;-7- 1 + \R_out · C_match - 2 ·L match C_match)· ω + L_match · C_match ω L_ match · ω + L_ match · C_ match (r_ out2 C match - L_ match) · ω3 ^ 1 + (R out2 · C_match1 - 2 · L match C match) · ω2 + L match2 C match2 · ω*

«M

• I

:·*· 15 Kun edellytetään, että lähtöimpedanssin Z out reaaliosa on yhtäsuuri kuin kuorman • · resistiivinen impedanssi R load ja imaginääriosa on nolla, saadaan yhtälöryhmä, :. jonka ratkaisu on • « « • · · r R out-R load i ♦· L match =-γ-. ~ ~ ω yjR out {R load - R out) : 1 U) C_ match =-.

ω · yjR out · (R load - R out)

Kuva Ib esittää samanlaista piiriä, jossa LC-sovituspiirin 12, 13 ja kuorman 14 vä-y." 20 lille on lisätty siirtolinjoista muodostuva viive-elin eli vaiheensiirrin 15 ja jossa transistorille ei ole ohjattu biasjännitettä, jolloin transistori voidaan kuvan Ib kaltai- • · '· · sessa sijaiskytkennässä esittää oleellisesti pelkkänä kapasitanssina 16 (transistorin lähdön impedanssin resistiivinen osuus on merkityksettömän pieni). Merkinnällä ··· :...· Z out merkityssä kohdassa impedanssi on tällöin reaktiivinen ja noudattaa kulma- : 25 taajuuden ω funktiona kaavaa • · • · · • · • · · 5 107658 _ / v „ (C out + C match) · L marc/z · ω C_ out + C_ match - C_ out C_ match L match · ω jossa j tarkoittaa imaginääriyksikköä. Viive-elimen (eli vaiheensiirtimen) 15 vaikutus on se, että kaavassa esiintyvä reaktanssi eli imaginääriyksikön j kerroin muuttuu induktiiviseksi eli etumerkiltään positiiviseksi. Kun lisäksi vaiheensiirtimen tekemä 5 vaihesiirto mitoitetaan oikein, kuormasta katsottuna biasoimattoman vahvistimen lähtöimpedanssista tulee hyvin suuri. Kuvassa le on yhdistetty sekä kuvan la että kuvan Ib mukaiset esitykset vahvistimelle. Jos viive-elimen 15 impedanssi valitaan samaksi kuin kuorman 14 impedanssi, se ei vaikuta aktiiviseksi biasoidun vahvistimen lähdön impedanssisovitukseen vaan aiheuttaa ainoastaan vaihesiirron vahvisti-10 men lähdön tuottaman signaalin ja kuormassa havaittavan signaalin välille.

Kuva 2a esittää kahta rinnakkain kytkettyä kuvan le mukaista vahvistinta, joilla on yhteinen kuorma 14. Oletetaan, että vahvistimet on mitoitettu eri maksimitehoille siten, että ylemmän vahvistimen A maksimiteho on suurempi kuin alemman vahvistimen B maksimiteho. Jos vahvistimet A ja B perustuvat HBT-transistoreihin, tämä 15 tarkoittaa, että alemmassa vahvistimessa transistorin resistiivinen lähtöimpedanssi 1 IB (transistorin ollessa biasoituna aktiiviseksi) on suurempi kuin ylemmässä vahvistimessa transistorin resistiivinen lähtöimpedanssi 1 IA (transistorin ollessa biasoituna aktiiviseksi). Vastaavasti alemman, pienitehoisemman vahvistimen transistorin edustama kapasitanssi 16B (transistorin ollessa biasoimattomassa tilassa) on pie-... 20 nempi kuin ylemmässä vahvistimessa transistorin edustama kapasitanssi 16A (tran- *···' sistorin ollessa biasoimattomassa tilassa). Jotta kumpikin vahvistin olisi impedans- : ·' siltaan optimaalisesti sovitettu kuorman impedanssiin aktiivista toimintaa varten, • · ♦ : V LC-sovituspiireissä on käytettävä erisuuruisia kapasitansseja 12A ja 12B ja erisuu- • · ruisia induktansseja 13A ja 13B. Niiden arvot voidaan laskea edellä esitetystä yhtä- :**. 25 loparista (1).

• · • · » • · ·

Transistorin mitoittaminen tietylle maksimiteholle on sinänsä tunnettua ja tapahtuu lähinnä transistorin seostettujen puolijohdeosien pinta-alan oikealla valinnalla. Jos kuvan 2a mukaista järjestelyä käytetään GSM-järjestelmän tai lähetystehospesifikaa-tioiltaan vastaavan solukkoradiojäijestelmän päätelaitteessa, ylemmän vahvistimen • * : “·· 30 A transistori voi olla mitoitettu esimerkiksi maksimiteholle +34 dBm ja alemman vahvistimen B transistori voi olla mitoitettu esimerkiksi maksimiteholle +24 dBm.

. .· Teoreettisesti kummankin vahvistimen hyötysuhde maksimiteholla voi olla noin • · 78,5 % niiden transistorirakenteiden perusteella, jotka ovat tämän patenttihakemuk- . sen jättöhetkellä tunnettuja.

• · • · « • * • · • * · • « * • · · 6 107658

Kuorman 14 impedanssi on tyypillisesti 50 Ω. Kuvan 2a mukaisessa tilanteessa ylemmän vahvistimen A aktiivisen tilan resistiivinen lähtöimpedanssi 1 IA voi olla niinkin pieni kuin suuruusluokkaa 1 -2Ω, jolloin sen ja kuorman 14 impedanssien suuruuserosta johtuen pieni jänniteheilahdus vahvistimessa A aiheuttaa kuormassa 5 14 huomattavasti suuremman jänniteheilahduksen. Jänniteheilahduksista johtuvat suuret hetkelliset potentiaalierot kytkennän eri osissa voivat vaurioittaa ei-aktiivi-sessa tilassa olevaa vahvistinta B, joten kuvan A mukainen ratkaisu ei ole käytännössä toimintavarma tämän patenttihakemuksen jättöhetkellä tunnetuilla HBT-tran-sistorirakenteilla. Paremmin jännitettä kestävien komponenttien kehittäminen saattaa 10 tulevaisuudessa tehdä tästä ratkaisusta käyttökelpoisen.

Kuvassa 2b on oletettu, että kuorman 14' impedanssi ei ole 50 Ω vaan pienempi, esimerkiksi 10 Ω; kuorman impedanssin suuruus on valittu edullisimmin samaksi kuin alemman vahvistimen B' resistiivinen lähtöimpedanssi 1 IB' transistorin ollessa biasoituna aktiiviseksi. Myös muut impedanssitason valinnat ovat mahdollisia. Täl-15 löin alemman vahvistimen B' ja kuorman 14' välissä ei tarvita lainkaan omaa LC-sovituspiiriä. Ylempi vahvistin A' on mitoitettu suuremmalle maksimiteholle, jolloin HBT-transistorin ominaispiirteistä johtuen sen resistiivinen lähtöimpedanssi 1 IA' aktiiviseksi biasoidussa tilassa on pienempi kuin alemman vahvistimen B' resistiivinen lähtöimpedanssi 1 IB'. Resistiivisen lähtöimpedanssin 1 IA' sovittamiseksi kuor-20 man 14' impedanssiin tarvitaan kapasitanssin 12A' ja induktanssin 13A' muodostama LC-sovituspiiri.

··· • :1.1 Edelleen koska alemman vahvistimen B' transistori on mitoitettu pienelle maksimi- ··.·. teholle, sen edustama kapasitanssi 16B' biasoimattomassa tilassa on transistorin • \\ ominaisuuksista johtuen niin pieni, että kuorman 14' suunnasta nähty vahvistimen B' * · 1 * 25 lähtöimpedanssi on varsin suuri (impedanssin osana oleva reaktanssi on kääntäen « · * verrannollinen kapasitanssiin). Tällöin kun ylempi vahvistin A' on biasoitu aktiivi- • 1 seksi ja alempi vahvistin B' ei, ylempi vahvistin on LC-sovituspiirin 12A' ja 13A' ansiosta hyvin sovitettu kuorman 14' impedanssiin ja alempi vahvistin B' ei vaikuta merkittävästi signaalin kulkuun ylemmän vahvistimen A' ja kuorman 14' välillä. 30 Vastaavasti kun alempi vahvistin B' on biasoitu aktiiviseksi ja ylempi vahvistin A' ei, alemman vahvistimen resistiivinen lähtöimpedanssi on edellä esitetyn oletuksen ·/·1 mukaisesti sama kuin kuorman 14' impedanssi ja ylemmän vahvistimen A' edustama impedanssi vaiheensiirtimen vaikutus huomioiden on riittävän suuri niin että se ei * ♦ **·; vaikuta merkittävästi signaalin kulkuun alemman vahvistimen B' ja kuorman 14' ’··· 35 välillä.

* ♦ · • · • · · · « • · « 7 107658

Kuvan 2b mukainen järjestely edellyttää kuormalta jotain muuta kuin 50 Ω:η standardi-impedanssia. Kuvan 2b mukaiseen järjestelyyn voidaan kuitenkin kytkeä myös impedanssiltaan 50 Ω:η suuruinen kuorma, jos senja kuvan 2b mukaisen järjestelyn väliin kytketään sopiva impedanssisovitin, joka voi olla esimerkiksi LC-tyyppinen 5 samalla tavalla kuin edellä on esitetty liittyen yksittäisten vahvistimien lähtöön. Alan ammattimiehelle on sinänsä yksinkertaista konstruoida sopiva impedanssisovi-tuspiiri. Kuvan 2b mukaisen vahvistinkytkennän vahvistimet siis mitoitetaan ensin jollekin muulle kuin 50 Ω:η kuormaimpedanssille, minkä jälkeen koko kytkennän yhteinen lähtö sovitetaan impedanssiltaan halutuksi, esimerkiksi 50 Ω:η suuruiseksi.

10 Kuvassa 2c on esitetty eräs edullinen versio siitä, miten vahvistavana aktiivikompo-nenttina käytetty transistori sijaitsee edellisten kuvien kaavamaisesti esittämissä vahvistimissa ja miten vahvistimiin on johdettu bias- ja käyttöjännitteet. Transistori 17 on esimerkiksi HBT-transistori ja vahvistimen RF-tulo RFin on kytketty sen kannalle stahilointivastuksen R STAB välityksellä. Vahvistimen käyttöjännite on joh-15 dettu transistorin 17 kollektorille positiivisesta jännitteestä Vcc induktanssin 18 kautta, jotta radiotaajuinen värähtely ei etenisi vahvistimesta käyttöjännitelähtee-seen. Samanlainen erotusinduktanssi 19 on positiivisen jännitteen Vcc ja kytkentä-transistorin 20 kollektorin välillä; kytkentätransistorin 20 emitteri kytkeytyy termisen tasausvastuksen R BALLAST välityksellä transistorin 17 kannalle. Kytkentä- • · •...: 20 transistorin 20 kannalta on vastuksen 21 kautta yhteys biasjännitteeseen Vbias sekä peräkkäisten transistorien 22 ja 23 kautta maapotentiaaliin. Transistorien 22 ja 23 :*·*: kannat on yhdistetty niiden kollektoreihin, jolloin transistorit 22 ja 23 toimivat käytännössä diodeina, ja transistorit 20, 22 ja 23 muodostavat yhdessä sinänsä tun- • · r." netun biasointikytkennän, jonka ansiosta biasjännitteen V bias kytkeminen päälle • _ 25 tuottaa transistorin 17 kannalle sopivan biasoinnin. Transistorin 17 emitteri on takai- sinkytkentävastuksen R_FEEDBACK kautta yhteydessä maapotentiaaliin.

• · • *·· Vahvistimen lähtö on otettu tavalliseen tapaan transistorin 17 kollektorilta erotuska- pasitanssin 24 kautta, joka erottaa tasajännitteet vahvistimen lähdöstä. Induktanssi- . *·. kapasitanssi-sarjakytkennät 25 ja 26 vahvistimen lähtöön johtavan signaalitien ja • · · ' 30 maapotentiaalin välillä vaimentavat sinänsä tunnetulla tavalla toimintataajuuden ei- *:* toivottuja harmonisia monikertoja. Harmonisten taajuuksien vaimennustarve mää- • · · ’ : V räytyy kussakin sovelluskohteessa erikseen ja vaimentimia voi olla nolla, yksi, kaksi *:*·: tai useampia mitoitettuina eri harmonisille taajuuksille. LC-sovitinpiiri 27-28 ja viive-elin (eli vaiheensiirrin) 29 ovat samanlaisia kuin edellä on esitetty, joskin nii-35 den arvojen valinnassa täytyy huomioida harmonisvaimentimien mahdollinen vaikutus. Alan ammattimiehelle on sinänsä ilmeistä, että viive-elimenä eli vaiheensiirti- 8 107658 menä voidaan käyttää myös muunlaista kuin siirtolinjoihin perustuvaa toteutusta, kuten diskreeteistä komponenteista koottua Pi- tai T-ketjua. Vahvistimen lähtöä on merkitty merkinnällä RFout.

Seuraavaksi selostetaan keksinnön mukaisen järjestelyn soveltamista käytännön ra-5 diolaitteessa. Kuva 3a esittää kaavamaisesti osaa radiolaitteen radiotaajuusosan lä-hetyshaarasta. Eräs lähetyshaaran oleellinen komponentti on tehovahvistin 30, jolla on tulo IN ja lähtö OUT. Tehovahvistimen 30 tehtävä on vahvistaa tuloon IN ohjattu radiotaajuinen signaali siten, että se voidaan ohjata lähdöstä OUT tarvittavien suodatin- ja kytkentäosien kautta radiolaitteen antenniin. Selvyyden vuoksi kuvassa 3a 10 ei ole esitetty muita lähetyshaaran osia kuin tehovahvistin 30, jonka rakenteeseen keksintö tässä tapauksessa kohdistuu.

Tehovahvistin 30 sisältää kuvan 3a tapauksessa kaksi rinnakkaista radiotaajuusvah- vistinta 31 ja 32, jotka ovat edullisimmin edellä kuvatun kaltaisia transistorivahvis- timia ja joita voidaan nimittää lyhyesti vahvistimiksi. Signaalin kulkureitti haarautuu 15 tehovahvistimen sisällä siten, että signaali voi ohjautua kumpaankin vahvistimeen 31 ja 32. Vahvistimien lähdöt on kytketty yhteen, jolloin kummankin vahvistimen vahvistama signaali voi ohjautua tehovahvistimen 30 lähtöön OUT. Kummallekin vahvistimelle on johdettu tehovahvistimen 30 ulkopuolelta biasjännite. Ylemmän vahvistimen 31 biasjännitelinjaa merkitään viitenumerolla 33 ja alemman vahvisti- 20 men 31 biasjännitelinjaa merkitään viitenumerolla 34. Vahvistimille voidaan kytkeä .··· biasjännitteet linjojen 33 ja 34 välityksellä toisistaan riippumatta. Biasjännite vai- .**· kuttaa transistorivahvistimessa sinänsä tunnetulla tavalla eli sen oikein valittu aivo • « !. *. asettaa vahvistavana komponenttina toimivan transistorin aktiiviseen tilaan. Bias- :. * jännitteen puuttuessa tai sen ollessa lähellä nollaa (korkeintaan joitakin satoja milli- • « 25 voltteja) transistori on ei-aktiivisessa tilassa, jolloin se ei vahvista signaaleja. Bias-i * jännitteiden lisäksi kumpikin vahvistin tarvitsee tavalliseen tapaan käyttöjännitteen.

Sähköisten lohkokaavioiden piirtämisessä käytetyn yleisen periaatteen mukaisesti käyttöjännitelinjoja ei ole esitetty kuvassa 3 a.

Kuva 3b esittää kaavamaisesti tilannetta, jossa ensimmäiselle vahvistimelle 31 on 30 johdettu tehovahvistimen 30 ulkopuolelta biasjännite linjan 33 välityksellä, mutta *... toiselle vahvistimelle 32 ei ole johdettu biasjännitettä. Keksinnön mukaisesti toisen • * *** , vahvistimen 32 lähtö 32a näkyy tällöin suurena impedanssina Z. Vastaavasti kuvas- : sa 3c toisella vahvistimelle 32 on johdettu tehovahvistimen 30 ulkopuolelta bias- :*** jännite linjan 34 välityksellä, mutta ensimmäisellä vahvistimelle 31 ei ole johdettu .* ’ 35 biasjännitettä, jolloin ensimmäisen vahvistimen 31 lähtö 31a näkyy suurena impe- *·.* danssinaZ.

« » ♦ ♦ · 9 107658

Kuvissa 3a, 3b ja 3c keksinnön periaate on esitetty kahden rinnakkaisen ja samansuuntaisen vahvistimen yhteydessä. Samansuuntaisia vahvistimia voidaan kytkeä rinnakkain myös useita, jolloin jokaisella niistä on oma biasjännitelinja ja ainoastaan se vahvistin, jolle on johdettu biasjännite, on aktiivisena. Muiden vahvistimen 5 lähdöt näkyvät tällöin suurena impedanssina, joka ei vaikuta merkittävästi aktiivisen vahvistimen lähdön tuottaman signaalin kulkuun.

Biasjännitteen lisäksi tai asemesta aktiivikomponentin valinta voidaan tehdä myös kytkemällä niihin tuotavia käyttöjännitteitä päälle ja pois. Poiskytkeminen kattaa käyttöjännitteen asettamisen niin pieneksi, että se ei riitä saattamaan aktiivikompo-10 nenttia aktiiviseksi. Käyttöjännitelinjoissa kulkevat huippuvirrat ovat yleensä suurempia kuin biasjännitelinjoissa, joten käyttöjännitteiden kytkemiseen käytettävä kytkin on mitoitettava suuremmalle kytkettävälle virralle kuin biasjännitteiden kytkemiseen käytettävä kytkin. Bias- ja käyttöjännitteitä voidaan nimittää keksinnön kannalta yhteisesti ohjaussignaaleiksi.

15 Edellä on käsitelty keksinnön soveltamista vain rinnakkaisten ja samansuuntaisten vahvistimien valikoivaksi kytkemiseksi käyttöön. Keksintö soveltuu myös muunlaiseen aktiivikomponenttien valintaan, koska biasoimalla tai käyttöjännitettä kytkemällä on mahdollista vaikuttaa paitsi vahvistimen lähtöimpedanssiin myös sen tu-loimpedanssiin. Kuvat 4a ja 4b esittävät osaa radiolaitteen radiotaajuuslohkosta. 20 Kuvissa on esitetty antenni 40, lähettimen tehovahvistin 41 eli PA (Power Amplifier) ja vastaanottimen pienikohinainen etuvahvistin 42 eli LNA (Low Noise »9 ·

Amplifier). PA:n 41 tehtävä on vahvistaa tuloon TXin ohjattu radiotaajuinen lähe- ··.’ tyssignaali ja ohjata se lähdön TXout kautta antenniin 40. LNA:n tehtävä on vah- » * vistaa antennin 40 vastaanottama ja tuloon RXin ohjattu radiotaajuinen vastaan- I; ’ 25 ottosignaali ja ohjata se lähdön RXout kautta vastaanottimen demodulaattoriin (ei » ♦ • * esitetty kuvassa). Kuvassa 4a on esitetty tekniikan tason mukainen ratkaisu, jossa V antennikytkin 43 kytkee antenniin 40 lähetyksen ajaksi PA:n lähdön TXout ja vas taanoton ajaksi LNA:n tulon RXin. Kuvassa 4b on keksinnön mukainen ratkaisu, jossa antennikytkin on korvattu PA:n ja LNA:n biasoinnilla, mitä esittävät biasointi-30 linjat 44 ja 45. Lähetyksen aikana PA 41 on biasoitu aktiiviseksi, jolloin sen lähtö ·*·. TXout on sovittuneena antennin 40 impedanssiin ja biasoimattoman LNA:n 42 tulo ./:* RXin edustaa suurta impedanssia, joka ei merkittävästi vaikuta signaalin kulkuun * · PA:n 41 ja antennin 40 välillä. Vastaanoton aikana LNA 42 on biasoitu aktiiviseksi, '•j* jolloin sen tulo RXin on sovittuneena antennin 40 impedanssiin ja biasoimattoman 35 PA:n 41 lähtö TXout edustaa suurta impedanssia, joka ei merkittävästi vaikuta sig-;' ·. naalin kulkuun antennin 40 ja LNA:n 42 välillä.

t * « > * • * » 10 107658

Kuvan 4b mukaiseen järjestelyyn on mahdollista yhdistää kuvien 3a, 3b ja 3c mukainen järjestely, jossa lähettimen tehovahvistin koostuu useista rinnakkaisista ja samansuuntaisista radiotaajuusvahvistimista, jotka on mitoitettu erisuurille maksimi-tehoille. Lähetyksen ajaksi vain yksi niistä biasoidaan aktiiviseksi, jolloin muiden 5 lähdöt edustavat suurta impedanssia eivätkä vaikuta signaalin kulkuun aktiivisen radiotaajuusvahvistimen lähdön ja antennin välillä. Vastaanoton ajaksi kaikki radio-taajuusvahvistimet jätetään biasoimatta.

Kuvassa 5 on esitetty kaavamaisesti solukkoradiojärjestelmän matkapuhelin 50, joka on esimerkki radiolaitteesta, jossa voidaan käyttää keksinnön mukaista järjestelyä. 10 Se käsittää tekniikan tason mukaisille matkaviestimille tyypilliset osat, kuten mikrofonin 51, näppäimistön 52, näytön 53, kuulokkeen 54 sekä kontrollilohkon 55, joka ohjaa päätelaitteen toimintaa. Kontrollilohko 55 voidaan toteuttaa tyypillisesti mikrokontrollerilla (MCU, Microcontroller Unit) ja/tai digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP, Digital Signal Processor) ja sillä on käytössään muisti 56. Lisäksi kuvas-15 ta 5 ilmenee lähetyslohko 57, joka käsittää puheenkoodauksen, kanavakoodauksen ja salauksen sekä moduloinnin ja lähetyksen radiotaajuustoiminnot, joista on erikseen esitetty kaksi rinnakkaista radiotaajuusvahvistinta käsittävä tehovahvistin 58. Kuvassa 5 on esitetty myös vastaanottolohko 59, joka on tekniikan tason mukainen käsittäen vastaanoton radiotaajuustoiminnot, demoduloinnin, salauksen purkamisen, 20 kanavadekoodauksen ja puhedekoodauksen. Lähetyksen ja vastaanoton erottamiseksi toisistaan käytetään antennikytkintä 60 ja radiotaajuisten signaalien lähetys ja .···. vastaanotto tapahtuu antennin 61 kautta. Kontrollilohko 55 on varustettu ohjaamaan . lähetys- 57 ja vastaanottolohkon 59 toimintaa muistiin 56 tallennetun ohjelman mu- 1. ! kaisesti. Erityisesti se voi biasoida tehovahvistimeen 58 sisältyvistä rinnakkaisista 25 radiotaajuusvahvistimista kulloinkin aktiiviseksi sen, jonka maksimitehomitoitus *; vastaa parhaiten sitä lähetystehoa, jota solukkoradiojärjestelmän tukiasema (ei esi- • · : " tetty kuvassa) käskee päätelaitteen käyttää. Biasointi on kuvassa 5 esitetty kaava- : maisesti vain yhdellä biasointilinjalla, joka kuvaa kaikkien tehovahvistimeen 58 si sältyvien radiotaajuusvahvistimien biasointilinjoja. Päätelaite vastaanottaa ja dekoo-30 daa tehonsäätöä koskevat käskyt vastaanottolohkossa 59, josta ne ohjautuvat kont-rollilohkoon 55.

Kuva 6 esittää keksinnön mukaisen menetelmän erästä edullista suoritusmuotoa, jo-*·] ka soveltuu käytettäväksi solukkoradiojärjestelmän päätelaitteessa. Toiminta alkaa : : ' : tilasta 100. Tilassa 101 päätelaite vastaanottaa tukiasemalta sanoman, jossa tukiase- 35 ma voi antaa käskyn päätelaitteen lähetystehon säätämiseksi. Tilassa 102 päätelaite « · .· : tutkii, käskeekö tukiasema sitä lisäämään lähetystehoa. Myönteisessä tapauksessa • *« • · « · · • · • ♦ • · ♦ 11 107658 päätelaite tarkistaa tilassa 103, onko lähetystehoa varaa kasvattaa, ja jos ei ole, se aloittaa toimenpiteet tukiaseman vaihtamiseksi tilassa 104 ja palaa tilan 105 kautta alkuun. Jos päätelaite huomaa tilassa 103, että suurin mahdollinen teho ei ole vielä käytössä, se kytkee tilassa 106 biasjännitteen käytössä olevaa lähetysvahvistinta 5 seuraavaksi suurempitehoiselle vahvistimelle ja poistaa sen jälkeen tilassa 107 biasjännitteen tähän asti käytössä olleelta lähetysvahvistimelta sekä palaa tilan 105 kautta alkuun.

Jos päätelaite ei ole löytänyt tilassa 102 tukiaseman lähettämästä viestistä käskyä lisätä lähetystehoa, se tutkii tilassa 108, käskeekö tukiasema pienentämään lähetyste-10 hoa. Jos ei, päätelaite palaa tilan 105 kautta alkuun. Jos tukiasema käskee päätelaitetta pienentämään lähetystehoaan, se tarkistaa tilassa 109, onko tehoa varaa pienentää. Jos ei ole, se jatkaa toimintaa pienitehoisimmalla lähetysvahvistimella ja palaa tilan 105 kautta alkuun. Jos pienitehoisin lähetysvahvistin ei ole vielä käytössä, päätelaite kytkee tilassa 110 biasjännitteen nykyistä lähetinvahvistinta seuraavaksi 15 pienempitehoiselle vahvistimelle, poistaa tilassa 111 biasjännitteen tähän asti käytössä olleelta lähetysvahvistimelta sekä palaa tilan 105 kautta alkuun.

Keksinnöllä saavutetaan säästöjä radiolaitteen valmistuskustannuksissa ja sen osien tilantarpeessa sekä tehonkulutuksessa, koska signaalitiellä ei tarvita kytkintä, joka veisi tilaa sekä aiheuttaisi häviöitä ja nostaisi valmistuskustannuksia. Alan ammat- 20 timiehelle on selvää, että edellä esitetyt suoritusmuodot ovat esimerkinomaisia ei- ... vätkä ne rajoita keksintöä, vaan keksintöä on mahdollista muunnella poikkeamatta » · ’ ;··/ jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten suojapiiristä. Esimerkiksi rinnakkaisten • · · ’· ·’ samansuuntaisten radiotaajuusvahvistimien tapauksessa kaikkien vahvistimien ei : tarvitse olla mitoitettu samalle toimintataajuudelle, vaan ns. dual-band- ja multi- 25 band-radiolaitteissa keksinnön mukaista järjestelyä voidaan käyttää sen radiotaa-j · · juusvahvistimen valitsemiseksi käyttöön, jolla on kulloinkin haluttu toimintataajuus.

• · · • · · • · · • 1 « « · · ·

Claims

107658

1. Piirijärjestely oskilloivan signaalin kulun ohjaamiseksi toisilleen vaihtoehtoisissa ensimmäisessä aktiivikomponentissa (31) ja toisessa aktiivikomponentissa (32), joista kumpikin on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavan ohjaussig- 5 naalin tietyllä ensimmäisellä arvolla ja jotka ovat ei-aktiivisessa tilassa mainitun ohjaussignaalin tietyllä toisella arvolla, tunnettu siitä, että se käsittää välineet (33, 34) ohjaussignaalin johtamiseksi valikoivasti mainituille aktiivikomponenteille siten, että ensimmäinen aktiivikomponentti (31) on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla toisen aktiivikomponentin ollessa ei-aktiivisessa tilassa 10 ja toinen aktiivikomponentti (32) on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla ensimmäisen aktiivikomponentin ollessa ei-aktiivisessa tilassa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut toisilleen vaihtoehtoiset ensimmäinen aktiivikomponentti (31) ja toinen aktiivikomponentti (32) ovat rinnan kytkettyjä samansuuntaisia vahvistimia.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen aktiivikomponentti ja toinen aktiivikomponentti käsittävät kumpikin transistorin (10A-11A-16A; 10B-11B-16B; 10A’-11A'-16A'; ΙΟΒ'-ΠΒ’-ΙόΒ'; 17), jonka ensimmäinen elektrodi, joka on yhteydessä vahvistimen lähtöön, on impedanssiltaan oleellisesti resistiivinen, kun transistori on biasoituna aktiiviseen tilaan, 20 ja oleellisesti reaktiivinen, kun transistori ei ole biasoituna aktiiviseen tilaan, ja että • · · mainittujen rinnan kytkettyjen samansuuntaisten vahvistimien lähdöt on kytketty : 1 ’ 1: yhteen tietyssä yhdistymispisteessä. • · « *. 1.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut *; 1 ensimmäinen aktiivikomponentti ja toinen aktiivikomponentti käsittävät kumpikin : 25 HBT-transistorin.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen piirijäijestely, tunnettu siitä, että toisen aktiivikomponentin käsittämän transistorin (lOB'-l 1B-16B1) ensimmäinen elektrodi on kytketty vahvistimien lähtöjen yhdistymispisteeseen ilman impedanssisovituspiiriä .. ja ensimmäisen aktiivikomponentin (lOA'-l 1A-16A') käsittämän transistorin ensim- 30 mäinen elektrodi on kytketty vahvistimien lähtöjen yhdistymispisteeseen impedans- . sisovituspiirin (12A-13A') kautta. • · · • ·

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen piirijäijestely, tunnettu siitä, että mainitut • · toisilleen vaihtoehtoiset ensimmäinen aktiivikomponentti ja toinen aktiivikompo- • · • · • « · • ♦ · · 107658 nentti ovat vastakkaissuuntaisia vahvistimia (41, 42), joista ensimmäinen käsittää lähdön ja toinen käsittää tulon, jotka lähtöjä tulo on kytketty yhteen.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut vastakkaissuuntaiset vahvistimet (41, 42) ovat radiolaitteen lähettimen teho vahvistin 5 ja vastaanottimen etuvahvistin.

8. Viestinlaite (50), joka käsittää toisilleen vaihtoehtoiset ensimmäisen aktiivi-komponentin ja toisen aktiivikomponentin, joista kumpikin on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavan ohjaussignaalin tietyllä ensimmäisellä arvolla ja jotka ovat ei-aktiivisessa tilassa ohjaussignaalin tietyllä toisella arvolla, tunnettu siitä, 10 että se käsittää välineet (55) mainittujen aktiivikomponenttien asettamiseksi valikoivasti aktiiviseen tilaan siten, että ensimmäinen aktiivikomponentti on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla toisen aktiivikomponentin ollessa ei-aktiivisessa tilassa ja toinen aktiivikomponentti on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussignaalilla ensimmäisen aktiivikomponentin ol-15 lessa ei-aktiivisessa tilassa.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen viestinlaite, tunnettu siitä, että se käsittää lähettimen (57) ja siinä tehovahvistimen (58) ja mainitut ensimmäinen aktiivikomponentti ja toinen aktiivikomponentti ovat mainitussa tehovahvistimessa kaksi rinnan kytkettyä samansuuntaista vahvistinta. .···. 20 10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen viestinlaite, tunnettu siitä, että se käsittää lä- .·’* hettimen (57) ja vastaanottimen (59) ja mainitut ensimmäinen aktiivikomponentti ja 1 toinen aktiivikomponentti ovat lähettimen tehovahvistin ja vastaanottimen etuvah- ·. vistin. • · · • · · ·*·.. 11. Menetelmä oskilloivan signaalin kulun ohjaamiseksi toisilleen vaihtoehtoisissa 25 ensimmäisessä aktiivikomponentissa ja toisessa aktiivikomponentissa, joista kumpikin on asetettavissa aktiiviseen tilaan siihen tuotavan ohjaussignaalin tietyllä ensimmäisellä arvolla ja jotka ovat ei-aktiivisessa tilassa ohjaussignaalin tietyllä toisel-> la arvolla, tunnettu siitä, että siinä ohjataan signaali kulkemaan ensimmäisen aktii- .. vikomponentin kautta asettamalla se aktiiviseen tilaan siihen tuotavalla ohjaussig- *·,// 30 naalilla (106, 110) ja samanaikaisesti estetään toista aktiivikomponenttia vaikutta- • · *·* masta signaalin kulkuun asettamalla siihen tuleva ohjaussignaali mainittuun toiseen : arvoon (107, 111). • · · • · « • · **:\ 12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että viestinlait- • · teessä, jossa mainitut toisilleen vaihtoehtoiset ensimmäinen aktiivikomponentti ja • · « * · « · · 107658 toinen aktiivikomponentti ovat rinnan kytkettyjä samansuuntaisia vahvistimia, ensimmäisen aktiivikomponentin asettaminen aktiiviseen tilaan ja toisen aktiivikom-ponentin vaikutuksen estäminen tehdään vasteena käskyyn (101) muuttaa mainitun viestinlaitteen lähetystehoa.

5 Patentkrav