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EP0829131A1 - Verstärker mit minimaler leistungsaufnahme - Google Patents

Verstärker mit minimaler leistungsaufnahme

Info

Publication number
EP0829131A1
EP0829131A1 EP96914078A EP96914078A EP0829131A1 EP 0829131 A1 EP0829131 A1 EP 0829131A1 EP 96914078 A EP96914078 A EP 96914078A EP 96914078 A EP96914078 A EP 96914078A EP 0829131 A1 EP0829131 A1 EP 0829131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
amplifier
stages
gain
amplifier stages
supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96914078A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Oppelt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0829131A1 publication Critical patent/EP0829131A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/02Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
    • H03F1/0205Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
    • H03F1/0277Selecting one or more amplifiers from a plurality of amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/191Tuned amplifiers

Definitions

  • the invention relates to an amplifier.
  • Electrical amplifiers are known which are constructed from individual amplifier stages connected in a chain. For example, asymmetrical differential amplifiers or cascode amplifiers are used as the individual amplifier stages of the amplifier (i et ze, Schenk: “Semiconductor switching technology”, Springer Verlag, Berlin 1990, 9th edition, pages 492-494).
  • the individual amplifier stages are supplied by a common or a power supply, each with an operating voltage.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an amplifier which draws as little power as possible from a given gain V of the power supply.
  • the amplifier contains a number n> 1 of individual amplifier stages which are electrically connected to one another in chain, each having the same gain V n .
  • V (V n ) n therefore applies to the overall gain V of the amplifier.
  • the invention is based on the knowledge that for a desired overall gain V of the amplifier there is an optimal number n of amplifier stages, each with the same individual gain V n , so that the power consumption of the amplifier is minimal.
  • a computational optimization has shown that this optimal number n from the double inequality
  • Amplifier stages with the same gain V n are Amplifier stages with the same gain V n .
  • the gain V n to be set for each amplifier stage results in accordance with
  • V n V (1 / n) (2)
  • the table below shows the optimal number of stages n for a given total gain V of the amplifier in a range between 1 and 16510 (corresponding to 0 dB to 84.35 dB) based on the relationship (1):
  • each of the individual amplifier stages takes up essentially the same supply power.
  • the upper limit frequency of the transfer function of the amplifier is not influenced when the number n of amplifier stages connected in chain is changed.
  • the same frequency response of the Velcro circuit is thus obtained even with a different number of amplifier stages. Therefore, if one chooses amplifier stages with an essentially identical upper cutoff frequency in an advantageous embodiment, the cutoff frequency of the entire amplifier corresponds to the upper cutoff frequency of each individual amplifier stage.
  • the upper limit frequency of an amplifier or an amplifier stage means the frequency at which the amplification of the amplifier or the amplifier stage has decreased to a predetermined value.
  • the upper limit frequency is chosen to be the - 3dB limit frequency, at which the gain is -3dB lower.
  • All amplifier stages are preferably implemented with the same amplifier circuit in each case.
  • Such an embodiment is technologically particularly easy to integrate in a semiconductor chip.
  • a circuit is preferably chosen as the amplifier circuit for each amplifier stage in which the Miller effect is avoided and a high bandwidth is thus achieved, for example a cascode circuit or an asymmetrical differential amplifier circuit.
  • an emitter circuit in particular with a subsequent emitter follower, a base circuit or an operational amplifier circuit for the amplifier stages, can also be selected.
  • the amplifier according to the invention is preferably monolithically integrated in an IC and can in particular be used to amplify electrical signals in the high-frequency range, for example in a mobile phone or as a preamplifier for the received signals of a transducer element in an applicator (transducer head) of an ultrasound imaging device .
  • the amplifier stages can be controlled.
  • the gain V n of each amplifier stage and thus the overall gain V can then be varied.
  • This embodiment of a controllable amplifier can be used, in particular, for dynamic compression of the received signals from ultrasonic transducer elements in an ultrasonic transducer head as a so-called time gain control amplifier in order to at least partially electro-mechanically damp the delay-dependent attenuation of the reflected ultrasonic pulses in the object under investigation niche balance.
  • the number of stages n of the controllable amplifier then dimensioned according to the gain V, which is most frequently required in order to minimize the power consumed on average.
  • the only figure in the drawing shows an embodiment of an amplifier with three amplifier stages 1, 2 and 3 connected in chain.
  • the amplifications Vi, V 2 and V 3 of the three amplifier stages 1, 2 and 3 are all set identically.
  • the chain connection of the three amplifier stages 1, 2 and 3 is between an input 4 and an output 5 of the
  • the amplifier stages 1, 2 and 3 are supplied by a supply unit (not shown) with a supply voltage (or a supply current) which can be applied to two supply connections 6 and 7 common to the amplifier stages 1, 2 and 3.
  • a supply voltage or a supply current
  • more than just one supply voltage can also be provided, in particular also a separate supply voltage for each amplifier stage 1, 2 and 3. This is particularly advantageous in the case of DC-coupled amplifier stages 1, 2 and 3, in order to avoid a possible shift of the To compensate for resting potentials.
  • the electrical power absorbed by the amplifier corresponds to the product of the supply voltage (operating voltage) applied to the supply connections 6 and 7 and the total supply current (operating current) flowing between these two supply connections 6 and 7 through the amplifier stages 1 to 3. .
  • the power absorbed by the amplifier is equal to the sum of the Products from the individual supply voltages and the associated supply currents.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

Die Anzahl n von gleich aufgebauten, elektrischen Verstärkerstufen eines Verstärkers wird für eine gewünschte Gesamtverstärkung V des Verstärkers so optimiert, daß die Leistungsaufnahme des Verstärkers minimal ist.

Description

Beschreibung
Verstärker mit minimaler Leistungsaufnahme
Die Erfindung betrifft einen Verstärker.
Es sind elektrische Verstärker bekannt, die aus einzelnen, in Kette geschalteten Verstärkerstufen aufgebaut sind. Bei¬ spielsweise werden als einzelne Verstärkerstufen des Verstär- kers unsymmetrische Differenzverstärker oder Kaskodeverstär- ker eingesetzt ( i et ze, Schenk : "Halblei terschal tungstechnik " , Springer Verlag, Berlin 1990, 9. Auflage, Sei ten 492-494 ) . Die einzelnen Verstärkerstufen werden von einer gemneinsamen oder jeweils einer Stromversorgung mit jeweils einer Be- triebsSpannung versorgt. In vielen Anwendungen, beispiels¬ weise in batteriegetriebenen Geräten wie Handtelefonen oder in Ultraschallwandlerköpfen für Ultraschallabbildungsgeräte, ist es wünschenswert, Verstärker mit einer möglichst geringen Leistungsaufnahme aus der Stromversorgung zur Verfügung zu haben.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Ver¬ stärker anzugeben, der bei einer vorgegebenen Verstärkung V der Stromversorgung möglichst wenig Leistung entnimmt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk¬ malen des Anspruchs 1. Der Verstärker enthält eine Anzahl n > 1 von einzelnen, miteinander elektrisch in Kette geschal¬ teten Verstärkerstufen mit jeweils gleicher Verstärkung Vn. Für die Gesamtverstärkung V des Verstärkers gilt somit V = (Vn)n.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es für eine ge¬ wünschte Gesamtverstärkung V des Verstärkers eine optimale Anzahl n von Verstärkerstufen mit jeweils gleicher Einzel¬ verstärkung Vn gibt, so daß die Leistungsaufnahme des Ver- stärkers minimal ist. Eine rechnerische Optimierung hat erge¬ ben, daß diese optimale Anzahl n aus der Doppelungleichung
in Abhängigkeit von der vorgegebenen Gesamtverstärkung V des Verstärkers bestimmt werden kann. Die Doppelungleichung mit den beiden Potenzfunktionen (n/n-1) (3n/2) (n_1) auf der linken Seite und ( (n+1) /n) (3n 2) (n+1) auf der rechten Seite ordnet jeder vorgegebenen Gesamtverstärkung V genau eine optimale Stu¬ fenzahl n zu mit Ausnahme von diskreten Verstärkungswerten für V, bei denen zwei optimale Stufenzahlen n und n+1 exi¬ stieren. Im allgemeinen wird bei diesen diskreten Zwischen¬ werten die niedrigere Stufenzahl gewählt. Das Zeichen "<" auf der linken Seite von (1) kann dann durch "<" ersetzt werden. Für n = 1 entspricht der Ausdruck (n/n-1) <3n/2) (n_1) auf der linken Seite von (1) seinem Grenzwert 1 für n—»1. Das Ergeb¬ nis gemäß der Beziehung (1) ist überraschenderweise vollkom¬ men unabhängig von dem konkreten Aufbau der einzelnen Ver- stärkerstufen und damit gültig für jede Art von einzelnen
Verstärkerstufen mit gleicher Verstärkung Vn. Die einzustel¬ lende Verstärkung Vn jeder Verstärkerstufe ergibt sich gemäß
Vn = V(1/n) (2)
Aus der nachfolgenden Tabelle kann abgelesen werden, welche optimale Stufenzahl n für eine vorgegebene Gesamtverstärkung V des Verstärkers in einem Bereich zwischen 1 und 16510 (entsprechend 0 dB bis 84,35 dB) anhand der Beziehung (1) einzustellen ist:
Bei einer vorgegebenen Gesamtverstärkung V = 1000 (entspre¬ chend 60 dB) beispielsweise sind die optimale Stufenzahl n 5 und die Verstärkung jeder Einzelverstärkerstufe Vn = 100015 = 3,98 (entsprechend 12 dB).
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verstär¬ kers ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprü¬ chen.
In einer ersten Ausführungsform nimmt jede der einzelnen Ver¬ stärkerstufen im wesentlichen die gleiche Versorgungsleistung auf.
Aufgrund der besonderen Wahl der Stufenzahl n gemäß der Be¬ ziehung (1) wird die obere Grenzfrequenz der Übertragungs¬ funktion des Verstärkers nicht beeinflußt, wenn man die Zahl n der in Kette geschalteten Verstärkerstufen verändert. Man erhält somit auch bei unterschiedlich vielen Verstärkerstufen ein gleiches Frequenzverhalten der Klettenschaltung. Wählt man deshalb in einer vorteilhaften Ausführungsform Verstär¬ kerstufen mit im wesentlichen gleicher oberer Grenzfrequenz (Cut-off-frequency) , so entspricht die Grenzfrequenz des ge¬ samten Verstärkers der oberen Grenzfrequenz jeder einzelnen Verstärkerstufe. Unter der oberen Grenzfrequenz eines Ver¬ stärkers oder einer Verstärkerstufe versteht man die Fre¬ quenz, bei der die in einem darunterliegenden Frequenzbereich im wesentlichen konstante Verstärkung des Verstärkers bzw. der Verstärkerstufe auf einen vorbestimmten Wert abgenommen hat. Typischerweise wählt man als obere Grenzfrequenz die - 3dB-Grenzfrequenz, bei der die Verstärkung um -3dB kleiner ist.
Vorzugsweise sind alle Verstärkerstufen mit jeweils der glei¬ chen Verstärkerschaltung realisiert. Eine solche Ausführungs¬ form ist technologisch besonders einfach in einem Halbleiter¬ chip zu integrieren.
Als Verstärkerschaltung für jede Verstärkerstufe wird vor¬ zugsweise eine Schaltung gewählt, bei der der Miller-Effekt vermieden wird und somit eine hohe Bandbreite erzielt wird, beispielsweise eine Kaskodeschaltung oder eine unsymmetrische Differenzverstärkerschaltung. Es kann aber auch jeweils eine Emitterschaltung, insbesondere mit nachfolgendem Emitterfol- ger, eine Basisschaltung oder auch jeweils eine Operations¬ verstärkerschaltung für die Verstärkerstufen gewählt werden.
Der Verstärker gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in einem IC monolithisch integriert und kann insbesondere zum Ver¬ stärken elektrischer Signale im Hochfrequenzbereich einge¬ setzt werden, beispielsweise in einem Mobiltelefon oder als Vorverstärker für die Empfangssignale eines Wandlerelements in einem Applikator (Wandlerkopf) eines Ultraschallabbil¬ dungsgeräts.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Verstärkerstufen steuerbar. Die Verstärkung Vn jeder Verstärkerstufe und damit die Gesamtverstärkung V können dann variiert werden. Diese Ausführungsform eines steuerbaren Verstärkers kann insbeson¬ dere zur Dynamikkompression der Empfangssignale von Ultra¬ schallwandlerelementen in einem Ultraschallwandlerkopf einge¬ setzt werden als sogenannnter Time-gain-control-amplifier, um die laufzeitabhängige Dämpfung der reflektierten Ultraschall¬ pulse im untersuchten Objekt wenigstens teilweise elektro¬ nisch auszugleichen. Im allgemeinen wird die Stufenzahl n des steuerbaren Verstärkers dann nach der Verstärkung V bemessen, die am häufigsten benötigt wird, um im zeitlichen Mittel die aufgenommene Leistung zu minimieren.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines Verstärkers mit drei in Kette geschalteten Verstärker¬ stufen 1, 2 und 3. Die Verstärkungen Vi, V2 und V3 der drei Verstärkerstrufen 1 bzw. 2 bzw. 3 sind alle identisch einge¬ stellt. Die Kettenschaltung der drei Verstärkerstufen 1, 2 und 3 ist zwischen einen Eingang 4 und einen Ausgang 5 des
Verstärkers geschaltet. Ein an dem Eingang 4 angelegtes elek¬ trisches Signal S wird vom Verstärker mit der Gesamtverstär¬ kung v = Vi3 = V2 3 = V3 3 verstärkt. Das verstärkte Signal S' = V S kann am Ausgang 5 des Verstärkers abgegriffen werden.
Die Verstärkerstufen 1, 2 und 3 werden von einer nicht darge¬ stellten Versorgungseinheit mit einer Versorgungsspannung (oder einem Versorgungsstrom) versorgt, die an zwei den Ver¬ stärkerstufen 1, 2 und 3 gemeinsamen Versorgungsanschlüssen 6 und 7 angelegt werden kann. Es können allerdings auch mehr als nur eine VersorgungsSpannung vorgesehen sein, insbeson¬ dere auch jeweils eine eigene VersorgungsSpannung für jede Verstärkerstufe 1, 2 und 3. Dies ist besonders bei gleich¬ spannungsgekoppelten Verstärkerstufen 1, 2 und 3 vorteilhaft, um eine gegebenenfalls auftretende Verschiebung der Ruhepo¬ tentiale zu kompensieren. Bei den dargestellten n=3 Verstär¬ kerstufen 1, 2 und 3 ist die Leistungsaufnahme der Verstär¬ kerstufen 1, 2 und 3 aus der Spannungs- oder Stromversorgung optimiert für eine Gesamtverstärkung V zwischen 31,70 dB und 44,98 dB. Die vom Verstärker aufgenommene elektrische Lei¬ stung entspricht dabei dem Produkt aus der an den Versor- gungsanschlüssen 6 und 7 angelegten Versorgungsspannnung (Betriebsspannunng) und dem zwischen diesen beiden Versor¬ gungsanschlüssen 6 und 7 durch die Verstärkerstufen 1 bis 3 fließenden gesamten Versorgungsström (Betriebsstrom) . Bei ge¬ trennter Versorgung der Verstärkerstufen 1, 2 und 3 ist die aufgenommene Leistung des Verstärkers gleich der Summe der Produkte aus den einzelnen VersorgungsSpannungen und den zu¬ gehörigen Versorgungsströmen.

Claims

Patentansprüche
1. Verstärker mit a) einer Gesamtverstärkung V und b) einer Anzahl n > 1 von elektrischen Verstärkerstufen
(1,2,3), die alle im wesentlichen die gleiche Verstärkung aufweisen und elektrisch in Kette geschaltet sind, wobei c) die Anzahl n der Verstärkerstufen in Abhängigkeit von der vorgegebenen Gesamtverstärkung V so gewählt ist, daß die Beziehung
erfüllt ist
2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkerstufen (1,2,3) im wesentlichen die gleiche Versorgungsleistung aufnehmen.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Verstärkerstufen (1,2,3) die gleiche obere Grenzfrequenz aufweisen.
4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Verstärkerstufen (1,2,3) gleich aufgebaut sind.
5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Verstärkerstufen (1,2,3) in ihrer Verstärkung steuerbar sind.
EP96914078A 1995-05-29 1996-05-13 Verstärker mit minimaler leistungsaufnahme Withdrawn EP0829131A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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DE19519625 1995-05-29
DE19519625 1995-05-29
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Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0829131A1 true EP0829131A1 (de) 1998-03-18

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EP96914078A Withdrawn EP0829131A1 (de) 1995-05-29 1996-05-13 Verstärker mit minimaler leistungsaufnahme

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EP (1) EP0829131A1 (de)
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WO2018024676A1 (de) 2016-08-01 2018-02-08 Kurtz Gmbh Füllinjektor und verfahren zum betreiben eines füllinjektors

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