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Verstärker mit variabler Verstärkung zur linearen Verstärkung in Dezibel - Dokument DE102004033608A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004033608A1 24.02.2005
Titel Verstärker mit variabler Verstärkung zur linearen Verstärkung in Dezibel
Anmelder REALTEK Semiconductor Corp., Hsin-Chu, TW
Erfinder Lin, Ying-Yao, I-Lan Hsien, TW;
Su, Tung-Ming, Kao-Hsiung Hsien, TW
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 12.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004033608
Offenlegungstag 24.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.02.2005
IPC-Hauptklasse H03G 3/30
IPC-Nebenklasse H03F 3/45   
Zusammenfassung Ein Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) zur linearen Verstärkung in Dezibel wird zum Empfangen einer Eingangsspannung und Erzeugen einer Ausgangsspannung gemäß einer ersten Steuerspannung und einer zweiten Steuerspannung verwendet. Eine Spannungsverstärkung, d. h. das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung, weist einen Nenner auf, der eine reinrassige Exponentialfunktion darstellt, und der Wert der reinen Exponentialfunktion wird durch die erste Steuerspannung und die zweite Steuerspannung festgelegt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker mit variabler Verstärkung und insbesondere, auf einen Verstärker mit variabler Verstärkung mit einer linearen Verstärkung in Dezibel entsprechend der Steuerspannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der letzten Zeit sind drahtlose Kommunikationssysteme sehr schnell entwickelt worden. Folglich sind sehr viele Arten von Sende-Empfangs-Geräten bzw. Transceivern mit hoher Bandbreite und hoher Empfindlichkeit vorgeschlagen worden. Verstärker mit variabler Verstärkung werden sehr oft bei der Art von Transceivern verwendet, um den Verarbeitungsbereich des Systems zu erweitern. Ein Verstärker mit variabler Verstärkung, der ein Ausgangssignal mit linearer Verstärkung in Dezibel (dB) bezüglich der Steuerspannungen aufweist, besitzt einen relativ breiten Verstärkungsbereich.

In der bekannten elektronischen Schaltungsentwicklung können die Komplexität und die Kosten reduziert werden, wenn für die Entwickler ideale Vorrichtungen geschaffen werden. Praktische Gesichtspunkte schränken oft die Fähigkeit der Gerätehersteller ein, um genaue ideale Vorrichtungen zu schaffen, je näher jedoch eine Vorrichtungseigenschaft an das Ideale angeglichen werden kann, um so einfacher ist es für die Entwickler, elegante und kostengünstige Lösungen zu entwickeln.

Ein Nachteil bei den Verstärkern mit variabler Verstärkung in der bekannten Technik ist, dass die Spannungsverstärkung kein ideales Verhältnis, nämlich das einer reinrassigen Exponentialeigenschaft, mit der Steuerspannungsverstärkung aufweist. Statt dessen gibt es einen konstanten Ausdruck bzw. Term, der früheren Entwicklungen eigen ist, der einen zunehmenden ausgeprägten Effekt bei der Spannungsverstärkung aufweist, wenn die Steuerspannungsverstärkung verringert wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstärker mit variabler Verstärkung zu schaffen, der ein reinrassiges Exponentialverhältnis oder linear zu Dezibel-Verhältnis zwischen Spannungsverstärkung und Steuerspannungsverstärkung aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Wie aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich wird, weist der beanspruchte Verstärker mit variabler Verstärkung ein einfaches linear zu Dezibel-Verhältnis einer Spannungsverstärkung bezüglich der Steuerspannung auf, die bewirkt, dass ein verbessertes Ansprechverhalten bei niedrigen Werten der Steuerspannungsverstärkung geschaffen wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:

1 ein Schaltbild eines konventionellen Verstärkers mit variabler Verstärkung,

2 eine graphische Darstellung, um das Verhältnis zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Steuerspannung Vy aus 1 darzustellen,

3 ein Schaltbild eines Verstärkers mit variabler Verstärkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

4 eine graphische Darstellung, um das Verhältnis zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Differenz zwischen den Steuerspannungen aus 3 darzustellen,

5 ein Schaltbild eines Verstärkers mit variabler Verstärkung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 wird ein Schaltkreis eines konventionellen Verstärkers mit variabler Verstärkung dargestellt. Der Verstärker mit variabler Verstärkung, dargestellt in 1, ist ein Differentialverstärker. Die Spannungsverstärkung Av im gesamten Schaltkreis kann vom halben Schaltkreis des Differentialverstärkers festgelegt bzw. bestimmt werden. Ohne Berücksichtigung dieses Zustandes bzw. der Phase, wird die Spannungsverstärkung Av dieses Verstärkers mit variabler Verstärkung wie folgt ausgedrückt:

wobei K im Wesentlichen ein konstanter Wert ist.

Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass der Nenner der Spannungsverstärkung Av nicht nur eine einfache Exponentialfunktion aufweist, sondern auch eine Konstante 1. Folglich weist die Spannungsverstärkung Av kein perfektes Exponentialverhältnis bezüglich der Steuerspannung Vy auf.

2 ist eine graphische Darstellung, um das Verhältnis zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Steuerspannung Vy aus 1 darzustellen. Zu beachten ist, dass die Spannungsverstärkung Av, wenn Vy < Vt ist, sich nicht exponentiell gemäß der Veränderung in der Steuerspannung Vy verändern wird. Je kleiner die Steuerspannung Vy ist, um so weniger wird sich die Spannungsverstärkung Av bezüglich der Veränderung in der Steuerspannung Vy verändern. Dieses Phänomen, wobei die Spannungsverstärkung Av kein perfektes exponentielles Verhältnis mit der Steuerspannung Vy aufweist, wird durch die Konstante 1 hervorgerufen.

In 3 wird eine erste Ausführungsform des Schaltbildes eines Verstärkers mit variabler Verstärkung der vorliegenden Erfindung illustriert. Wie in 3 dargestellt, weist der Verstärker mit variabler Verstärkung 300 Folgendes auf: eine Verstärkerstufe 350 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung Vout gemäß einer Eingangsspannung Vin und eine variable Verstärkungsstufe 310 zum Steuern des Wertes einer Spannungsverstärkung Av der Verstärkerstufe 350 gemäß einer ersten Steuerspannung V1 und einer zweiten Steuerspannung V2, wobei die Spannungsverstärkung Av das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Eingangsspannung Vin ist. Der Nenner der Spannungsverstärkung Av ist eine einfache Exponentialfunktion; der Wert der einfachen Exponentialfunktion wird durch die Differenz zwischen der ersten Steuerspannung V1 und der zweiten Steuerspannung V2 festgelegt.

Die variable Verstärkungsstufe 310 ist ein Transkonduktanzverstärker (Gegenwirkleitwert-Verstärker) zum Erzeugen eines Verstärkungsstromes Ig gemäß der Differenz zwischen der ersten Steuerspannung V1 und der zweiten Steuerspannung V2. In dieser Ausführungsform weist die variable Verstärkungsstufe 310 Folgendes auf: einen ersten Transistor 572, der mit der ersten Steuerspannung V1 verbunden ist; einen zweiten Transistor 573, der mit der zweiten Steuerspannung V2 verbunden ist; eine erste Stromquelle 312, die mit den Emittern des ersten Transistors 572 und des zweiten Transistors 573 verbunden ist, um einen ersten Strom I1 zu erzeugen; eine zweite Stromquelle 314 zum Erzeugen des Verstärkungsstromes Ig; einen ersten Widerstand bzw. Resistor 594, der zwischen dem Kollektor des ersten Transistors 572 und der zweiten Stromquelle 314 verbunden ist; und einem zweiten Resistor 595, der zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors 573 und der zweiten Stromquelle 314 verbunden ist.

Der Wert des Verstärkungsstromes Ig wird durch die Differenz zwischen der ersten Steuerspannung V1 und der zweiten Steuerspannung V2 und dem Wert des ersten Stromes I1 festgelegt. In dieser Ausführungsform ergibt sich das Verhältnis wie folgt:

Die Verstärkerstufe 350 weist Folgendes auf: eine Eingangsvorrichtung 360 zum Empfangen der Eingangsspannung Vin und zum Erzeugen eines Eingangsstromes Iin gemäß der Eingangsspannung Vin; eine Strom umwandelnde Vorrichtung 370 zur Erzeugung eines zweiten Stromes I2 gemäß des Verstärkungsstromes Ig; und eine Transresistenz-verstärkende Vorrichtung 380 zum Erzeugen der Ausgangsspannung Vout, wobei der Wert der Ausgangsspannung Vout durch den Eingangsstrom Iin und den zweiten Strom I2 festgelegt wird.

In dieser Ausführungsform weist die Eingangsvorrichtung einen Eingangstransistor 571 auf. Der Eingangstransistor 571 dient zum Erzeugen eines Eingangsstromes Iin gemäß der Eingangsspannung Vin. Die Strom umwandelnde Vorrichtung 370 weist Folgendes auf: einen dritten Transistor 574, dessen Kollektor und die Basis miteinander verbunden sind; einen vierten Transistor 575; eine dritte Stromquelle 372, die mit den Emittern des dritten Transistors 574 und des vierten Transistors 575 verbunden ist, um einen dritten Strom I3 zu erzeugen; eine vierte Stromquelle 374 zum Erzeugen des zweiten Stromes I2; einen dritten Resistor 596, der zwischen dem Kollektor des dritten Transistors 574 und der vierten Stromquelle 374 verbunden ist; und einen vierten Resistor 597, der zwischen dem Kollektor des vierten Transistors 575 und der vierten Stromquelle 374 verbunden ist. Es ist zu beachten, dass das Verhältnis zwischen dem dritten Strom I3 und dem ersten Strom I1 im Wesentlichen das Gleiche ist wie das zwischen dem zweiten Strom I2 und dem Verstärkungsstrom Ig. In der Ausführungsform des Schaltbildes, dargestellt in 3, können die obigen Anforderungen erfüllt werden, wenn die Parameter der Elemente aus 3 korrekt entwickelt werden.

Die Transresistenz-verstärkende Vorrichtung 380 dieser Ausführungsform weist Folgendes auf: einen fünften Transistor 576, dessen Basis und der Kollektor mit der Basis des vierten Transistors 575 verbunden sind; einen sechsten Transistor 577, dessen Basis mit der Basis des dritten Transistors 574 verbunden ist; einen siebten Transistor 578, dessen Basis und der Kollektor mit den Emittern des fünften Transistors 576 und des sechsten Transistors 577 verbunden sind; eine fünfte Stromquelle 382, die mit der Eingangsvorrichtung 360 und dem Kollektor des fünften Transistors 576 verbunden ist, um einen fünften Strom I5 zu erzeugen; und einen Ausgangsresistor 598, der mit dem Kollektor des sechsten Transistors 577 verbunden ist, um die Ausgangsspannung Vout zu erzeugen.

Wenn man den Verstärker mit variabler Verstärkung 300 insgesamt betrachtet, besteht die Funktion darin, die Eingangsspannung Vin zu verstärken, um die Ausgangsspannung Vout zu erhalten. Das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung Vout und der Eingangsspannung Vin, das heißt die Spannungsverstärkung Av, wird wie folgt ausgedrückt:

wobei K im Wesentlichen ein konstanter Wert ist.

Der Ausdruck

der Gleichung (3) ist die einfache, oben erwähnte Exponentialfunktion; ihr Wert wird durch die Differenz zwischen der ersten Steuerspannung V1 und der zweiten Steuerspannung V2 festgelegt. 4 zeigt eine graphische Darstellung, in der das Verhältnis zwischen der Spannungsverstärkung Av und der Differenz zwischen den Steuerspannungen aus 3 dargestellt ist. Wenn man die Darstellung mit 2 vergleicht, wird deutlich, dass die Spannungsverstärkung Av in 4 ein echtes Exponentialverhältnis mit der Differenz zwischen der ersten Steuerspannung V1 und der zweiten Steuerspannung V2 aufweist.

In 5 ist eine zweite Ausführungsform eines Schaltbildes eines Verstärkers mit variabler Verstärkung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Unterschied zwischen 5 und 3 ist der, dass in 3 die NMOS-Transistoren (NMOS = n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter) durch PMOS-Transistoren (PMOS = p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter) in 5, die PMOS-Transistoren in 3 durch die NMOS-Transistoren in 5, die NPN-Typ-BJTs (NPN = npn-Transistor; BJT = bipolar junction transistor = bipolarer Sperrschicht-Transistor) in 3 durch die PNP-Typ-BJTs (PNP = plug-and-play) in 5 und die PNP-Typ-BJTs in 3 durch NPN-Typ-BJTs in 5 ersetzt werden. Jedoch bleibt das grundlegende Betreibungsprinzip das gleiche.

In Wirklichkeit können die Ausführungsformen, die in 3 und 5 dargestellt sind, nicht nur allein zum Verstärken eines Spannungssignals verwendet werden, sondern jede von ihnen kann auch als ein halber Schaltkreis eines Differenzialverstärkers verwendet werden.

Obwohl die vorliegenden Erfindung gemäß den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese besonderen Ausführungsformen begrenzt. Erfindung und Varianten der oben beschriebenen Ausformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Sie werden durch die folgenden Ansprüche definiert.

Zusammenfassend kann Folgendes festgehalten werden: Ein Verstärker mit variabler Verstärkung 300, 500 zur linearen Verstärkung in Dezibel wird zum Empfangen einer Eingangsspannung und Erzeugen einer Ausgangsspannung gemäß einer ersten Steuerspannung und einer zweiten Steuerspannung verwendet. Eine Spannungsverstärkung, d.h. das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung, weist einen Nenner auf, der eine reinrassige Exponentialfunktion darstellt, und der Wert der reinen Exponentialfunktion wird durch die erste Steuerspannung und die zweite Steuerspannung festgelegt.


Anspruch[de]
  1. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) mit:

    – einer Verstärkerstufe (350, 450) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung gemäß einer Eingangsspannung; und

    – einer variablen Verstärkungsstufe (310, 410) zum Einstellen einer Spannungsverstärkung der Verstärkerstufe (350, 450) gemäß mindestens einer Steuerspannung;

    – dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsverstärkung eine einfache Exponentialfunktion ist und der Wert der einfachen Exponentialfunktion durch die Steuerspannung festgelegt wird.
  2. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einfache Exponentialfunktion eine Funktion aufweist, die eine Basis auf einen Exponentialwert eines Argumentes erhebt, ohne dass eine Addition oder Subtraktion mit einer Konstante bei dieser Funktion ausgeführt werden muss.
  3. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Steuerspannung eine erste Steuerspannung und eine zweite Steuerspannung aufweist, und dass der Wert der einfachen Exponentialfunktion durch die Differenz zwischen der ersten und zweiten Steuerspannung festgelegt wird.
  4. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Verstärkungsstufe (310, 410) ein Transkonduktanz-Verstärker zum Erzeugen eines Verstärkungsstromes gemäß der Differenz zwischen der ersten und zweiten Steuerspannung ist.
  5. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die variable Verstärkungsstufe (310, 410) gekennzeichnet ist durch:

    – einen ersten Transistor (572, 672), der mit der ersten Steuerspannung verbunden ist;

    – einen zweiten Transistor (573, 673), der mit der zweiten Steuerspannung verbunden ist;

    – eine erste Stromquelle (312, 412), die mit dem Emitter des ersten (572, 672) und des zweiten (573, 673) Transistors zum Erzeugen eines ersten Stromes verbunden ist; und

    – eine zweite Stromquelle (314, 414) zum Erzeugen des Verstärkungsstromes, wobei der Wert des Verstärkungsstromes durch den ersten Strom und die Differenz zwischen der ersten und zweiten Steuerspannung festgelegt wird.
  6. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die variable Verstärkungsstufe (310, 410) gekennzeichnet ist durch:

    – einen ersten Resistor (594, 694), der zwischen dem Kollektor des ersten Resistors (572, 672) und der zweiten Stromquelle (314, 414) verbunden ist; und

    – einen zweiten Resistor (595, 695), der zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (573, 673) und der zweiten Stromquelle (314, 414) verbunden ist.
  7. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerstufe (350, 450) Folgendes aufweist:

    – eine Eingangsvorrichtung (360, 460), die mit der Eingangsspannung zum Erzeugen eines Eingangsstromes gemäß der Eingangsspannung verbunden ist;

    – eine Strom umwandelnde Vorrichtung (370, 470) zum Erzeugen eines zweiten Stromes gemäß des Verstärkungsstromes; und

    – eine Transresistenz-verstärkende Vorrichtung (380, 480) zum Erzeugen der Ausgangsspannung, wobei der Wert der Ausgangsspannung durch den Eingangsstrom und den zweiten Strom festgelegt wird.
  8. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsvorrichtung (360, 460) einen Eingangstransistor (571, 671) aufweist, der mit der Eingangsspannung zum Erzeugen des Eingangsstromes gemäß der Eingangsspannung verbunden ist.
  9. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom umwandelnde Vorrichtung (370, 470) Folgendes aufweist:

    – einen dritten Transistor (574, 674), wobei der Kollektor des dritten Transistors (574, 674) mit der Basis des dritten Transistors (574, 674) verbunden wird;

    – einen vierten Transistor (575, 675);

    – eine dritte Stromquelle (372, 472), die mit dem Emitter des dritten (574, 674) und des vierten (575, 675) Transistors zum Erzeugen eines dritten Stromes verbunden ist; und

    – eine vierte Stromquelle (374, 474) zum Erzeugen des zweiten Stromes;

    wobei das Verhältnis zwischen dem dritten Strom und dem ersten Strom im Wesentlichen äquivalent dem Verhältnis zwischen dem zweiten Strom und dem Verstärkungsstrom ist.
  10. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom umwandelnde Vorrichtung (370, 470) ferner Folgendes aufweist:

    – einen dritten Resistor (596, 696), der zwischen dem Kollektor des dritten Transistors (574, 674) und der vierten Stromquelle (374, 474) verbunden ist; und

    – einen vierten Resistor (597, 697), der zwischen dem Kollektor des vierten Transistors (575, 675) und der vierten Stromquelle (374, 474) verbunden ist.
  11. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transresistenz-verstärkende Vorrichtung (380, 480) Folgendes aufweist:

    – einen fünften Transistor (576, 676), wobei die Basis und der Kollektor des fünften Transistors (576, 676) mit der Basis des vierten Transistors (575, 675) verbunden wird;

    – einen sechsten Transistor (577, 677), wobei die Basis des sechsten Transistors (577, 677) mit der Basis des dritten Transistors (596, 696) verbunden wird;

    – einen siebten Transistor (578, 678), wobei die Basis und der Kollektor des siebten Transistors (578, 678) mit dem Emitter des fünften (576, 676) und des sechsten (577, 677) Transistors verbunden wird;

    – eine fünfte Stromquelle (382, 482), die mit der Eingangsvorrichtung (360, 460) und dem Kollektor des fünften Transistors (576, 676) zum Erzeugen eines fünften Stromes verbunden ist; und

    – einen Ausgangsresistor (598, 698), der mit dem Kollektor des sechsten Transistors (577, 677) zum Erzeugen der Ausgangsspannung verbunden ist.
  12. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsverstärkung durch C1 × exp(C2(V1 – V2)) ausgedrückt werden kann, wobei C1 und C2 beide konstante Werte, V1 die erste Steuerspannung und V2 die zweite Steuerspannung ist.
  13. Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker mit variabler Verstärkung (300, 500) der halbe Schaltkreis eines Differenzialverstärkers ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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