-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regelverstärker mit einer linearen Verstärkung auf einer Dezibelskala bezüglich einer Regelspannung bzw. Regelspannungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Die Entwicklung von drahtlosen Kommunikationssystemen schreitet nach wie vor rasch voran. Folglich wurden viele Arten von Sendeempfängern mit hoher Bandbreite und hoher Empfindlichkeit vorgeschlagen. Regelverstärker werden häufig verwendet in dieser Art von Sendeempfänger, um den Verarbeitungsbereich des Systems zu verbreitern. Ein Regelverstärker mit einer linearen Verstärkung in der Dezibelskala (dB-Skala) bezüglich der Regelspannung(en) hat den breitesten Verstärkungsbereich.
-
Ein herkömmlicher Regelverstärker ist ein Differenzverstärker. Es kann gezeigt werden, dass der Nenner der Spannungsverstärkung des herkömmlichen Regelverstärkers keine einfache Exponentialfunktion ist. Generell hat er einen konstanten Term ”1” zusätzlich zu einer einfachen Exponentialfunktion exp(Vy/Vt). Folglich hat die Spannungsverstärkung keine einfache Exponentialbeziehung bezüglich der Regelspannung Vy.
-
US 2001/006353 A1 offenbart eine elektronische Schaltung, mittels der ein Steuersignal so vorverarbeitet wird, das sein vorverarbeitetes Steuersignal erzeugt wird, welches die Summe von zwei sich exponentiell verändernden Anteilen ist. Das resultierende vorverarbeitete Steuersignal, welches an eine Verstärkerschaltung angelegt wird, erzeugt eine Verstärkung, die sich mit Änderungen in der Steuerspannung linear in dB verändert.
-
US 5 528 197 A offenbart einen spannungsgesteuerten Verstärker, dessen Schleifenverstärkung für große Eingangssignale über eine negative Rückkopplungsstruktur um eine Verstärkungs-Kernstufe linearisiert wird, die aus zwei differentiellen Paaren bipolarer Transistoren besteht.
-
US 5 999 053 A offenbart eine Verstärkerstufe und eine Verstärkerregelstufe, bei welcher zur Ansteuerung der Verstärkerstufe ein Eingangsstrom verwendet wird.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Regelverstärker mit einer Verstärkerstufe und einer Verstärkungsregelstufe zum Liefern einer Spannungsverstärkung mit einer einfachen Exponentialbeziehung zu einer Regelspannung zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Regelverstärker nach Anspruch 1. Die Unteransprüche beziehen sich auf entsprechende Weiterentwicklungen und Verbesserungen.
-
Wie aus der nachfolgenden genauen Beschreibung deutlicher hervorgeht, umfasst der in den Ansprüchen dargelegte Regelverstärker eine Verstärkerstufe und eine Verstärkungsregelstufe zum Liefern einer Spannungsverstärkung mit einer einfachen Exponentialbeziehung zu einer Regelspannung.
-
Nachfolgend ist die Erfindung weiter beispielhaft dargestellt unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung; es zeigt:
-
1 ein Schaltbild eines Regelverstärkers des Standes der Technik;
-
2 einen Graph der Beziehung zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Regelspannung Vy von 1;
-
3 ein Diagram eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers;
-
4 und 5 Schaltbilder der erfindungsgemäßen Verstärkungsregelstufe 304; und
-
6 einen Graph der Beziehung zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Regelspannung gemäß einer Gleichung 8.
-
1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen Regelverstärkers darstellt. Der in
1 dargestellte Regelverstärker ist ein Differenzverstärker. Die Spannungsverstärkung Av der Gesamtschaltung kann bestimmt werden anhand der Halbschaltung des Differenzverstärkers. Wird die Phase außer Acht gelassen, so ist die Spannungsverstärkung Av dieses Regelverstärkers:
wobei K im wesentlichen ein konstanter Wert ist.
-
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass der Nenner der Spannungsverstärkung Av keine einfache Exponentialfunktion ist, sondern einen konstanten Term ”1” zusätzlich zu der einfachen Exponentialfunktion exp(Vy/Vt) aufweist. Folglich hat die Spannungsverstärkung Av keine einfache Exponentialbeziehung zu der Regelspannung Vy.
-
Es sei verwiesen auf 2. 2 ist ein Graph der Beziehung zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Regelspannung Vy von 1. Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn Vy < Vt, die Spannungsverstärkung Av sich nicht exponentiell bezüglich der Änderung der Regelspannung Vy ändert. Je kleiner die Regelspannung Vy, desto kleiner die Änderung der Spannungsverstärkung Av bezüglich der Änderung der Regelspannung Vy. Der Bereich, in welchem die Spannungsverstärkung Av keine perfekte Exponentialbeziehung zu der Regelspannung Vy aufweist, wird hervorgerufen durch den konstanten Term 1 im Nenner von Gleichung 1.
-
Es sei verwiesen auf 3, welche ein schematisches Diagramm eines Regelverstärkers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Regelverstärker 300 umfasst eine Verstärkerstufe 302 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung Vout gemäß einer Eingangsspannung Vin und einer Verstärkungsregelspannung Vy. Eine Spannungsverstärkung, das heißt, das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Eingangsspannung Vin, wird bestimmt durch die Verstärkungsregelspannung Vy. Eine Verstärkungsregelstufe 304 dient zum Erzeugen der Verstärkungsregelspannung Vy.
-
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerstufe 302 dieselbe wie der in 1 dargestellte Regelverstärker. Betreffend die Verstärkerstufe 302 sei auf 1 verwiesen sowie auf die obige Beschreibung, welche den in 1 dargestellten Regelverstärker beschreibt. Bezugnehmend auf Gleichung 1 ist zu erkennen, dass der Wert der Spannungsverstärkung der Verstärkerstufe 302 bestimmt wird durch die Verstärkungsregelspannung Vy.
-
Als nächstes sei verwiesen auf 4 und 5, in welchen Schaltbilder der Verstärkungsregelstufe 304 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Die Verstärkungsregelstufe 304 dient zum Bestimmen des Werts der Verstärkungsregelspannung Vy, ausgegeben zu der Verstärkerstufe 302, gemäß der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Verstärkungsregelstufe 304 eine Transkonduktanzeinheit 401, eine erste Stromwandlereinheit 403, eine zweite Stromwandlereinheit 405 (wie dargestellt in 4) und eine Ausgabeeinheit 407 (wie dargestellt in 5).
-
Die Transkonduktanzeinheit 401 umfasst einen ersten Transistor 472, gekoppelt mit der ersten Regelspannung V1, einen zweiten Transistor 473, gekoppelt mit der zweiten Regelspannung V2, eine erste Bias-Stromquelle Ibias1, gekoppelt mit dem Emitter des ersten Transistors 472 und dem Emitter des zweiten Transistors 473, zum Liefern eines ersten Bias-Stroms Ibias1, eine erste Stromquelle 402, einen ersten Widerstand R1, geschaltet zwischen den Kollektor des ersten Transistors 472 und die erste Stromquelle 402, und einen zweiten Widerstand R2, geschaltet zwischen den Kollektor des zweiten Transistors 473 und die erste Stromquelle 402.
-
Der Wert des ersten Stroms I1, welcher durch den Kollektor des zweiten Transistors 473 fließt, wird bestimmt durch den ersten Bias-Strom Ibias1 und die Differenz zwischen der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Beziehung wie folgt: I1 = Ibias1/[1 + exp( V1 – V2 / VT)] (2)
-
Da die Transkonduktanzeinheit 401 eine Differenzschaltung ist, wird der Kollektorstrom des ersten Transistors 472 bestimmt durch die erste Regelspannung V1, die zweite Regelspannung V2 und den ersten Bias-Strom Ibias1. Die Beziehung ist ähnlich zu der in Gleichung 2 dargestellten.
-
Die erste Stromwandlereinheit 403 ist gekoppelt mit der Transkonduktanzeinheit 401 durch die zweite Stromquelle 404. Die erste Stromwandlereinheit 403 umfasst einen dritten Transistor 474, dessen Kollektor und Basis zusammengeschaltet sind, einen vierten Transistor 475, eine zweite Bias-Stromquelle Ibias1, gekoppelt mit dem Emitter des dritten Transistors 474 und dem Emitter des vierten Transistors 475, zum Liefern eines zweiten Bias-Stroms Ibias1, eine zweite Stromquelle 404, einen dritten Widerstand R3, geschaltet zwischen den Kollektor des dritten Transistors 474 und die zweite Stromquelle 404, und einen vierten Widerstand R4, geschaltet zwischen den Kollektor des vierten Transistors 475 und die zweite Stromquelle 404. Die zweite Stromquelle 404 und die erste Stromquelle 402 bilden eine Stromspiegelschaltung. Und bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom I2 des dritten Transistors 474 und dem Kollektorstrom I1 des zweiten Transistors 473 dasselbe wie das Verhältnis zwischen dem ersten Bias-Strom Ibias1 und dem zweiten Bias-Strom Ibias2, wie nachfolgend dargestellt: I2/I1 = Ibias2/Ibias1 (3)
-
Da die erste Stromwandlereinheit 403 ebenfalls eine Differenzschaltung ist, ist gemäß der in Gleichung 3 dargestellten Strombeziehung das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom des vierten Transistors 475 und dem Kollektorstrom I2 des dritten Transistors 474 dasselbe wie das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom des ersten Transistors 472 und dem Kollektorstrom I1 des zweiten Transistors 473. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wenn der erste Bias-Strom Ibias1 gleich dem zweiten Bias-Strom Ibias1 ist, der Kollektorstrom des ersten Transistors 472 ebenfalls gleich dem Kollektorstrom des vierten Transistors 475, und der Kollektorstrom I1 des zweiten Transistors ist gleich dem Kollektorstrom I2 des dritten Transistors.
-
Die zweite Stromwandlereinheit 405 umfasst einen fünften Transistor 476, dessen Basis und Kollektor gekoppelt sind mit der Basis des vierten Transistors 475, einen sechsten Transistor 477, dessen Basis gekoppelt ist mit der Basis und dem Kollektor des dritten Transistors 474, und einen neunten Transistor 480, gekoppelt mit dem Emitter des fünften Transistors 476 und dem Emitter des sechsten Transistors 477, zum Liefern eines dritten Bias-Stroms Ibias3. Mittels der Schleife bzw. des Kreises, gebildet mit dem dritten Transistor 474, dem vierten Transistor 475, dem fünften Transistor 476 und dem sechsten Transistor 477, ist das Verhältnis dem Kollektorstrom I3 des sechsten Transistors 476 und dem Kollektorstrom I2 des dritten Transistors 474 dasselbe wie das Verhältnis zwischen dem dritten Ibias1 und dem ersten Bias-Strom Ibias1. Dies ist dargestellt durch die folgende Gleichung: I3/I2 = Ibias3/Ibias2 (4)
-
Die zweite Stromwandlereinheit 405 ist ebenfalls eine Differenzschaltung. Wie in der Beziehung zwischen dem Kollektorstrom I2 des dritten Transistors 474 und dem Kollektor I3 des sechsten Transistors 477, dargestellt in Gleichung 4, ist das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom I4 des fünften Transistors 476 und dem Kollektorstrom I3 des sechsten Transistors 477 dasselbe wie das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom des vierten Transistors 475 und dem Kollektorstrom I2 des dritten Transistors 474.
-
Daher ist gemäß Gleichungen 2, 3, 4 und der Beziehung zwischen I4 und I3, welche oben beschrieben ist, die in 4 dargestellte Schaltung ein spannungsgesteuerter Stromverstärker. Durch ein Ändern des Werts der Differenzeingangsspannung, das heißt, der Differenz zwischen der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2, kann die Beziehung zwischen den Ausgangsströmen I3 und I4 geregelt werden. Dieses Beziehung ist wie folgt: I4 / I4 = K·exp( V1 – V2 / VT) (5)
-
Die Ausgabeeinheit 407, dargestellt in 5, umfasst einen siebten Transistor 478, dessen Basis und Kollektor zusammengeschaltet sind, einen achten Transistor 479 und eine vierte Bias-Stromquelle I4, gekoppelt mit dem Emitter des siebten Transistors 478 und dem Emitter des achten Transistors 479. Es sei darauf hingewiesen, dass der in 4 dargestellte spannungsgesteuerte Stromverstärker gekoppelt ist mit der Ausgabeeinheit 407, dargestellt in 5, durch mindestens eine (nicht dargestellte) Stromspiegelvorrichtung, so dass der durch die vierte Bias-Stromquelle ausgegebene Bias-Strom im wesentlichen derselbe ist wie der Kollektorstrom I4 des fünften Transistors 476, und der Kollektorstrom I3 des sechsten Transistors 477 im wesentlichen derselbe ist wie der Kollektorstrom I3 des siebten Transistors 478. Obwohl die Stromspiegel nicht dargestellt sind, kann ein Fachmann auf diesem Gebiet problemlos eine derartige, mindestens eine Stromspiegelvorrichtung gestalten. An diesem Punkt ist der Kollektorstrom des siebten Transistors 478 gleich dem Kollektorstrom I3 des sechsten Transistors 477, und der Kollektorstrom des achten Transistors 479 ist gleich der Differenz zwischen dem Kollektorstrom I4 des fünften Transistors 476 und dem Kollektorstrom I3 des sechsten Transistors 477. Die Basis des siebten Transistors 478 und die Basis des achten Transistors 479 dienen zur Kopplung mit der Verstärkerstufe 302 und zum Ausgeben der Verstärkungsregelspannung Vy. Daher ist die Beziehung der Verstärkungsregelspannung Vy, des Kollektorstroms I3 des siebten Transistors 478 und des Kollektorstroms (I4 – I3) des achten Transistors 479 wie folgt: Vy = Vt·ln( I4 – I3 / I3) = Vt·ln( I4 / I3 – 1) (6)
-
Dementsprechend dient die Verstärkungsregelstufe 304 zum Bestimmen der Strombeziehung in jeder Stufe der Differenzschaltung gemäß der Differenz zwischen der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2 und zum Bestimmen des Werts der Verstärkungsregelspannung Vy gemäß diesen Strombeziehungen. Folglich ist die Beziehung zwischen der Verstärkungsregelspannung Vy, der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2 wie folgt: Vy = Vt·ln[K·exp(V1 – V2) – 1] (7)
-
Unter Verwendung der Verstärkungsregelspannung Vy, ausgegeben durch die Verstärkungsregelstufe 304, als die Regelspannung Vy der Verstärkerstufe 302, dargestellt in 1, ist die Spannungsverstärkung der Verstärkerstufe 302, das heißt, das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Eingangsspannung Vin, wie folgt: Av = Vout / Vin = K1 / exp[K2(V1 – V2)] (8) wobei K1 sich auf einen Ausgangswiderstand RL der Verstärkerstufe 302 bezieht und K2 sich auf die Temperaturspannung Vt von Bipolarsperrschicht-Transistoren bezieht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl K1 als auch K2 Konstanten.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass die oben erwähnte Verstärkungsregelstufe 304 lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel ist, und der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt ist durch dieses Ausführungsbeispiel. Eine beliebige Schaltung, welche die Verstärkungsregelspannung Vy erzeugten kann, die zu ln(Ia/Ib – K3) proportional ist, kann als eines der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In dieser Formel ist K3 eine Konstante, Ia entspricht der ersten Regelspannung V1 und Ib entspricht der zweiten Regelspannung V2.
-
Aus Gleichung 8 ist ersichtlich, dass durch die Verstärkungsregelstufe 304 die Beziehung zwischen der Spannungsverstärkung Av der Verstärkerstufe 302 und die Differenz zwischen der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2 eine einfache Exponentialfunktion K1/exp[K2(V1 – V2)] ist. Es sei verwiesen auf 6. 6 ist ein Graph zur Darstellung der Beziehung zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Regelspannung gemäß Gleichung 8. Ein Vergleich von 6 mit dem in 2 dargestellten Graphen lässt erkennen, dass in 6 die Spannungsverstärkung Av eine einfache Exponentialbeziehung zu der Differenz zwischen der ersten Regelspannung V1 und der zweiten Regelspannung V2 aufweist. Das heißt, der Nenner der Spannungsverstärkung Av ist eine einfache Exponentialfunktion, welche ausgedrückt werden kann in der Form von exp(V1 – V2). Daher hat die Spannungsverstärkung Av eine einfache Exponentialbeziehung zu der Regelspannung Vy, welche bestimmt wird durch die Differenz der ersten und der zweiten Regelspannung (V1 – V2). Außerdem hat bei diesem Ausführungsbeispiel der Regelverstärker zwei Eingangsenden zum Empfangen einer Differenzeingangsspannung, jedoch kann der Regelverstärker der vorliegenden Erfindung auch ein unsymmetrischer Verstärker sein, zusätzlich zu der Differenzgestaltung zum Erzeugen einer Differenzausgangsspannung.
-
Selbstverständlich muss die in der vorliegenden Erfindung verwendete Verstärkerstufe nicht zwingend dieselbe sein wie die in 1 dargestellte. Eine beliebige Verstärkerschaltung mit einer Spannungsverstärkung mit einem Nenner, welcher kombiniert ist aus einem konstanten Term und einem Term einer einfachen Exponentialfunktion, wie die in 1 dargestellte Verstärkerschaltung, kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
-
Zusammenfassend ist folgendes festzustellen:
Ein variabler Regelverstärker 300 mit einer linearen Verstärkung auf einer Dezibelskala weist eine Verstärkerstufe 43 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung gemäß einer Differenzialeingangsspannung auf. Eine Verstärkungsregelstufe 304 zum Ausgeben einer Verstärkungsregelspannung an die Verstärkerstufe gemäß einer ersten Regelspannung und einer zweiten Regelspannung ist ebenfalls vorgesehen. Eine Spannungsverstärkung des variablen Regelverstärkers 300 ist umgekehrt proportional zu einer einfachen Exponentialfunktion. Der Wert der einfachen Exponentialfunktion wird durch die Differenz zwischen der ersten Regelspannung und der zweiten Regelspannung bestimmt.