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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Hochfrequenzleistungsverstärker, wie er
in einem Mobiltelefongerät
verwendet wird, und insbesondere auf eine Vorspannungsschaltung
und auf ein Verfahren zum Zuführen
einer Vorspannung für
einen mehrstufigen Leistungsverstärker mit Heteroübergangsbipolartransistoren.
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Heteroübergangsbipolartransitoren
(HBT), welche mit einer einzigen Energie- bzw. Leistungseinspeisung
arbeiten, ersetzen GaAs-Feldeffekttransistoren (FET) und GaAs-Transistoren
mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) in Geräten, welche für eine Energie-
bzw. Leistungsverstärkung
von Hochfrequenzsignalen (RF-Signalen) in Mobiltelefonen oder anderen
mobilen Kommunikationsgeräten verwendet
werden. Ein GaAs-FET und ein GaAs-HEMT benötigen eine negative Spannungsversorgung
für das
Gate und daher einen negativen Spannungsgenerator in dem Mobiltelefon
oder dem anderen Gerät,
in welchem sie verwendet werden. Im Vergleich mit einem herkömmlichen
FET benötigt
ein HBT nicht eine negative Vorspannung, ermöglicht eine einzige Energie-
bzw. Leistungsversorgungsoperation und kann Ein-/Ausschaltoperationen ähnlich wie
ein Si-MOSFET durchführen,
ohne dass ein analoger Schalter an der Drainseite benötigt wird. HBT-Verstärker haben
ebenfalls eine hohe Ausgangsenergie- bzw. -leistungsdichte und können eine bestimmte
Ausgangsnennleistung mit einer Anordnung erzeugen, welche kleiner
als ein herkömmlicher FET-Leistungsverstärker ist,
welcher dieselbe Ausgangsleistung erzeugt. Es wird daher erwartet,
dass HBT-Geräte bzw.
-Anordnungen als Leistungselemente in zukünftigen mobilen Kommunikationsgeräten verwendet
werden.
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Anders
als FET's sind HBT's strombetriebene
Bauelemente und benötigen
eine Basisstromversorgung von mehreren 10 bis 100mA, um die hohe Ausgangsleistung
von 2W bis 4W zu erzeugen, die zur Verwendung in Mobiltelefonen
benötigt
wird, welche an den europäischen
GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) angepasst
sind. Da der Ausgangsstrom, welcher eine bestimmte Ausgangsspannung
in einer bestimmten Standard-CMOS-Anordnung sicherstellt, kleiner
als mehrere mA ist, ist es jedoch schwierig einen derart hohen Basisstrom
direkt von einem Standard-Si-CMOS-Chip zu erlangen. Eine Vorspannungsschaltung
wird daher benötigt,
um einen Basisstrom dem bzw. den HBT's in einem HBT-Leistungsverstärker einzuspeisen.
Eine Ausgangsleistungssteuerung wird ebenfalls in Mobiltelefonen
für GSM
ebenso wie für
viele andere Kommunikationssysteme benötigt, und die Vorspannungsschaltung muss
daher ebenfalls geeignet sein die Ausgangsleistung einzustellen.
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8 zeigt
ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Vorspannungsschaltung
in einem dreistufigen HBT-Leistungsverstärker. Entsprechend 8 sind
Transistoren TrA1 bis TrA6 Heteroübergangsbipolartransistoren
zum Zuführen
einer Vorspannung einem Energie bzw. Leistung verstärkenden
HBT auf der Grundlage eines Eingangssignals Vapc von einer Si-CMOS-Logikschaltung
wie einem (in der Figur nicht dargestellten) DA-Wandler. Die Transistoren
TrA2, TrA6 können
ebenfalls eine Änderung
der Basis-Emitter-Spannung Vbe infolge des Temperaturkoeffizienten
des entsprechenden Leistung verstärkenden HBT's kompensieren. Unter Verwendung eines
HBT-Prozesses ist es möglich
die in 8 dargestellte Vorspannungsschaltung zur selben
Zeit wie den Hochfrequenzleistungsverstärker zu bilden, d.h. die Vorspannungsschaltung
kann mit dem Hochfrequenzleistungsverstärker integriert ausgebildet
werden, wodurch es ermöglicht
wird, dass der Ausgang entsprechend der Ausgangsspannung der Si-CMOS-Logikschaltung
gesteuert wird.
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Viele
derzeitige tragbare Telefonsysteme verwenden ebenfalls unterschiedliche
Frequenzbänder
für Kommunikationen
zwischen einer Basisstation und einem Benutzerterminal (Zellentelefon).
Beispielsweise verwendet das in Japan verwendete 900MHz Personal
Digital Cellular (PDC) Zellentelefonsystem das 940-MHz- bis 956-MHz-Band
für Übertragungen
vom Terminal zur Basis und verwendet das 810-MHz bis 826-MHz-Band für Übertragungen
von der Basis zum Terminal. Das europäische System GSM 900, ein mobiles
Telefonsystem für
das 900-MHz-Band, verwendet das 880-MHz-bis 915-MHz-Band für Übertragungen
vom Terminal zur Basis und verwendet das 935-MHz- bis 970-MHz-Band
für Übertragungen
von der Basis zum Terminal.
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Bei
Kommunikationssystemen, welche unterschiedliche Frequenzbänder zum
Senden und Empfangen verwenden, kann ein in dem Empfangsfrequenzband
erzeugtes Rauschen (welches unten als Rx-Rauschen bezeichnet wird)
den Betrieb des Terminals des Leistungsverstärkers während eines Signalempfangs
ungünstig
beeinflussen. Es werden daher Mittel zur Verringerung dieses Rx-Rauschens benötigt.
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9 zeigt
einen Graphen der Rx-Rauschcharakteristik in einem typischen HBT-Leistungsverstärker. Aus 9 ergibt
sich, dass das Rx-Rauschen ansteigt (bei etwa Vapc = 2,1V), wenn
die Ausgangsleistung (Pout) des Leistungsverstärkers sich verringert. Es wird
festgestellt, dass das Rx-Rauschen als das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung
in dem Übertragungs-
bzw. Sendefrequenzband und der Ausgangsleistung in dem Empfangsfrequenzband
(935MHz) des Leistungsverstärkers
definiert wird, wenn ein Mikrowellensignal in dem Übertragungsfrequenzband
(915MHz) lediglich dem Leistungsverstärker eingegeben wird.
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Dieses
Ansteigen des Rx-Rauschens ist einzigartig für Leistungsverstärker-HBT's. 10 zeigt einen
Graphen der Änderung
der Verstärkung
in den Übertragungs-
und Empfangsfrequenzbändern
bei einer bestimmten Vorspannung in einem einstufigen HBT-Leistungsverstärker. Es
wird festgestellt, dass das Messen des Rx-Rauschens in dem einstufigen Leistungsverstärker unter
Verwendung desselben Verfahrens, welches mit einem dreistufigen
Leistungsverstärker
angewandt wird, infolge von Schwierigkeiten, die sich auf die Messgenauigkeit
beziehen, nicht leicht ist. Die in 10 dargestellten
Daten wurden daher durch gleichzeitiges Eingeben eines Mikrowellenausgangs
von einem Frequenzsynthesesystem (Synthesizer) in dem Übertragungs-
bzw. Sendeband und einem Rauschausgang von einer NF-Messrauschquelle
in dem Empfangsband einem einstufigen Leistungsverstärker, durch
gleichzeitiges Messen eines Ausgangs in dem Übertragungsband und eines Rauschens
in dem Empfangsband und durch Ausdrücken der Ergebnisse als Verstärkung erzielt.
Die Vorspannung wurde ebenfalls von einer externen Nominalquelle
gegenüber
einer Verwendung als Vorspannungsschaltung zugeführt.
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Entsprechend 10 fällt die Übertragungsbandverstärkung (Tx)
einfach in Verbindung mit einem Abfall der Basisspannung ab, wenn
der Ausgang des Leistungsverstärkers
unterhalb der Basisspannung Vb liegt (Vb < 1,35V). Es wird festgestellt, dass
1,35V die Basisspannung Vb ist, bei welcher der Leistung verstärkende HBT
aktiv wird. Die Verstärkung
(Rx) in dem Empfangsband fällt
jedoch ab und steigt auf eine charakteristische Spitze in Verbindung
mit einem Abfall der Basisspannung an. Da das Rx-Rauschen als das
Verhältnis
zwischen der Ausgangsleistung in dem Übertragungsband und der Ausgangsleistung
in dem Empfangsband definiert wird, wird diese Verstärkungscharakteristik
einem Anstieg des Rx-Rauschens zugeschrieben.
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Eine
Schwierigkeit besteht daher darin, dass dann, wenn eine kontante
Vorspannung dem Leistung verstärkenden
HBT in jeder Stufe eines vierstufigen Leistungsverstärkers zugeführt wird,
das Ansteigen des Rauschens in jeder Stufe verstärkt und danach ausgegeben wird.
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Aus
der
DE 196 04 239
A1 ist entsprechend deren
1 ein
mehrstufiger Leistungsverstärker
mit einem Verstärkungstransistor
5 einer
ersten Stufe, mit einem Verstärkungstransistor
6 einer
zweiten Stufe und mit einem Verstärkungstransistor
7 einer Endstufe
bekannt. Der Leistungsverstärker
weist eine Vorspannungs-Einstellstufe
2 für die Verstärkungstransistoren
5 bis
7 auf.
Weiterhin weist die Vorspannungs-Einstellstufe
2 eine erste
Schaltung bestehend aus der Induktivität
8 (3) und dem Transistor
TR1 auf, die dem Verstärkungstransistor
5 eine erste
Vorspannung zuführt.
Des weiteren weist die Vorspannungs-Einstellstufe
2 eine
zweite Schaltung bestehend aus den Induktivitäten
12 (4) und
13 (3) und
dem Transistor
15 auf, die den Verstärkungstransistoren
6 und
7 eine
zweite Vorspannung zuführt. Die
Transistoren des Leistungsverstärkers
sind als Bipolartransistoren ausgebildet. Die Vorspannungen für die jeweiligen
Stufen des Leistungsverstärkers sind
unterschiedlich; damit weisen die Steuerspannungen einen unterschiedlichen
Schwellenwert auf.
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Aus
der Druckschrift ASANO, H.; HARA, S.; KOMAI, S.: A 900 MHz HBT Power
Amplifier NMICs with 55% Efficiency, at 3,3 V Operation; in: IEEE MTT-S
Digest, 1998, S. 205-208, ist es bekannt, HBT Transistoren für einen
Leistungsverstärker
zu verwenden.
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Nicht
bekannt aus den obigen Druckschriften ist, daß das Zuführen eines Vorspannungsstroms
(Ib, Ic) einem HBT (11b, 11c) einer zweiten Leistungsverstärkungsstufe
durch eine Vorspannungsschaltung lediglich dann erfolgt, wenn das
von einer Steuerschaltung der Vorspannungsschaltung zugeführte Steuersignal
den doppelten Schwellenwert (2Vbe) überschreitet, wobei das Zuführen eines
Vorspannungsstroms (Ia) einem HBT (11a) einer ersten Leistungsverstärkungsstufe
durch die Vorspannungsschaltung erfolgt, wenn das von der Steuerschaltung der
Vorspannungsschaltung zugeführte Steuersignal den
einfachen Schwellenwert (Vbe) überschreitet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Berücksichtigung
der oben beschriebenen Schwierigkeiten eine Vorspannungsschaltung und
ein Verfahren zum Zuführen
einer Vorspannung unter Unterdrückung
einer Erhöhung
des Rx-Rauschens
bereitzustellen, wenn die Ausgangsleistung in einem mehrstufigen
Leistungsverstärker
abfällt, der
Heteroübergangsbipolartransistoren
zur Leistungsverstärkung
von Hochfrequenzsignalen aufweist.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche 1 und
3. Dementsprechend wird eine Vorspannungsschaltung der vorliegenden
Erfindung zur Zuführung
einer Vorspannung einem mehrstufigen Leistungsverstärker mit
einer Mehrzahl von Leistung verstärkenden Heteroübergangsbipolartransistoren (HBT)
entsprechend einem Steuersignal von einer Steuerschaltung bereitgestellt,
welche eine erste Vorspannungszuführungsschaltung zum Zuführen einer
bestimmten Vorspannung dem HBT des Leistungsverstärkers der
ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers; und eine zweite Vorspannungszuführungsschaltung
zur Steuerung der Vorspannungszuführung jedem HBT des Leistungsverstärkers der
zweiten und darauffolgenden Stufe entsprechend dem Steuersignal
von der Steuerschaltung.
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Die
erste Vorspannungszuführungsschaltung
führt vorzugsweise
das Steuersignal von der Steuerschaltung als Vorspannung dem HBT
des Leistungsverstärkers
der ersten Stufe zu. Mit einer derartigen Konstruktion ist es nötig eine
bestimmte Vorspannungsschaltung für den HBT des Leistungsverstärkers der
ersten Stufe bereitzustellen, und es kann ein Rx-Rauschen während einer
Operation der Ausgabe einer niedrigen Leistung des Leistungsverstärkers reduziert
werden.
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Alternativ
erzeugt die erste Vorspannungszuführungsschaltung für den HBT
des Leistungsverstärkers
der ersten Stufe eine bestimmte konstante Spannung und führt sie
ihm zu.
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Des
weiteren ist die erste Vorspannungszuführungsschaltung ein Spannungsstabilisator
zur Ausgabe einer bestimmten konstanten Spannung, wenn eine konstante
Spannung dazu von einer externen Quelle zugeführt wird. Mit einer derartigen
Konstruktion kann eine bestimmte konstante Spannung mittels eines
einfachen Schaltungsentwurfs sogar dann stabil ausgegeben werden,
wenn der Basisstrom des HBT's
des Leistungsverstärkers
der ersten Stufe sich ändert,
und es kann das Rx-Rauschen während
einer Operation der Ausgabe von niedriger Leistung des Leistungsverstärkers weiter verringert
werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Vorspannungszuführungsverfahren einer
Vorspannungsschaltung zur Zuführung
einer Vorspannung einem mehrstufigen Leistungsverstärker, welcher
eine Mehrzahl von Leistung verstärkenden
Heteroübergangsbipolartransistoren
(HBT) aufweist, entsprechend einem Steuersignal von einer Steuerschaltung.
Dieses Verfahren besitzt einen Schritt des Zuführens einer bestimmten Vorspannung
einem HBT des Leistungsverstärkers
der ersten Stufe; und einen Schritt zur Steuerung der Vorspannungszuführung jedem
HBT des Leistungsverstärkers
der zweiten und darauffolgenden Stufe entsprechend dem Steuersignal
von der Steuerschaltung.
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Die
vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Ähnliche
Teile werden mit ähnlichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
ein typisches Schaltungsdiagramm eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, bei welchem
eine Vorspan nungsschaltung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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2 zeigt
ein Schaltungsdiagramm der in 1 dargestellten
Vorspannungsschaltung;
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3A zeigt
einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen einem Signal Vapc
und einem Ausgangsstrom Ia bis Ic von der in 2 dargestellten Vorspannungsschaltung
darstellt;
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3B zeigt
einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen dem Signal Vapc und
einer Ausgangsspannung von der in 2 dargestellten
Basisschaltung darstellt;
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4 zeigt
einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen der Rx-Rauschcharakteristik,
der Ausgangsleistungscharakteristik und dem Signal Vapc von dem
in 1 dargestellten Hochfrequenzleistungsverstärker darstellt;
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5 zeigt
einen Graphen, welcher die Ergebnisse von Rx-Rauschmessungen dargestellt, wenn
ein Vorspannungsstrom unabhängig
von einer in 1 dargestellten externen Einspeisung
dem HBT eingespeist wird;
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6 zeigt
ein Schaltungsdiagramm einer Vorspannungsschaltung einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen der Rx-Rauschcharakteristik,
der Ausgangsleistungscharakteristik und dem Signal Vapc unter Verwendung
der in 6 dargestellten Vorspannungsschaltung darstellt;
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8 zeigt
ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Vorspannungsschaltung,
welche in einem dreistufigen HBT-Leistungsverstärker verwendet
wird;
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9 zeigt
einen Graphen, welcher die Rx-Rauschcharakteristik in einem herkömmlichen Leistungsverstärker, welcher
einen HBT verwendet, darstellt; und
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10 zeigt
einen Graphen, welcher die Änderung
der Verstärkung
in den Übertragungs-
und Empfangsfrequenzbändern
für eine
bestimmte Vorspannung darstellt, welche einem einstufigen Leistungsverstärker zugeführt wird,
der einen HBT verwendet.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die
zugehörigen
Figuren beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt
ein typisches Schaltungsdiagramm eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, bei welchem
eine Vorspannungsschaltung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Es wird festgestellt,
dass 1 einen mehrstufigen Leistungsverstärker, der an
das System GSM 900 angepasst ist, lediglich als Beispiel darstellt.
Der in 1 dargestellte Hochfrequenzleistungsverstärker 1 enthält einen
mehrstufigen Leistungsverstärker 2 für das System
GSM 900 und eine Vorspannungsschaltung 3 zur Zuführung einer
Vorspannung dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2. Es wird festgestellt,
dass dieser mehrstufige Leistungsverstärker 2 HBT's verwendet.
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Der
mehrstufige Leistungsverstärker 2 enthält HBT's 11a bis 11c zur
Leistungsverstärkung; eine
Eingangsanpassungsschaltung 12; Zwischenstufenanpassungsschaltungen 13a und 13b;
Rückkopplungsschaltungen 14a bis 14c;
Kollektorvorspannungsschaltungen 15a bis 15c;
eine Ausgangsanpassungsschaltung 16; und Basiswiderstände Ra bis
Rc für
die HBT's 11a bis 11c.
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Der
HBT 11a verstärkt
die Energie eines an dem Eingangsanschluss EIN über die Eingangsanpassungsschaltung 12 eingegebenen
Hochfrequenzsignals. Der HBT 11b verstärkt das Hochfrequenzsignal,
welches von dem HBT 11a verstärkt und durch die Zwischenstufenanpassungsschaltung 13a zum HBT 11b durchgelassen
worden ist. Der HBT 11c verstärkt das Hochfrequenzsignal,
welches von dem HBT 11b verstärkt und durch die Zwischenstufenanpassungsschaltung 13b zu
dem HBT 11c durchgelassen worden ist. Der HBT 11c läßt danach
das verstärkte
Hochfrequenzsignal durch die Ausgangsanpassungsschaltung 16 zur
Ausgabe an dem Ausgangsanschluss AUS hindurchtreten. Eine Vorspannung
von der Vorspannungsschaltung 3 wird an die Basis jedes
HBT's 11a bis 11c für die obige
Operation angelegt.
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Die
Vorspannungsschaltung 3 führt eine Vorspannung der Basis
jedes Leistung verstärkenden HBT's 11a bis 11c auf
der Grundlage des Signals Vapc zu, welches daran durch eine Si-CMOS
Logikschaltung wie einer Steuerschaltung mit einem DA-Wandler angelegt
wird. Unter Verwendung eines HBT-Prozesses ist es möglich die
in 1 dargestellte Vorspannungsschaltung zur selben
Zeit wie den Hochfrequenzleistungsverstärker zu bilden, d.h. die Vorspannungsschaltung
kann integriert mit dem Hochfrequenzleistungsverstärker ausgebildet
werden.
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2 zeigt
ein Schaltungsdiagramm der in 1 dargestellten
Vorspannungsschaltung 3. Diese Vorspannungsschaltung 3 enthält einen
Widerstand 21 und Spannungsstabilisatoren 22b und 22c,
welche von einem Signal Vapc von der Steuerschaltung 17 gesteuert
werden. Der Anschluss Vapc, welchem das Signal Vapc eingegeben wird,
ist durch den Widerstand 21 mit der Basis des HBT's 11a verbunden, welcher
die erste Verstärkungs-
bzw. Verstärkerstufe des
mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 bildet.
Die Vorspannungsschaltung für
den Verstärker
der ersten Stufe ist eine stromge steuerte Schaltung. Der Spannungsstabilisator 22b führt eine
Vorspannung der Basis des HBT's 11b zu,
welcher die zweite Verstärkungs-
bzw. Verstärkerstufe
des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 bildet.
Der Spannungsstabilisator 22c führt eine Vorspannung der Basis
des HBT's 11c zu,
welcher die letzte Verstärkungs-
bzw. Verstärkerstufe
des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 bildet.
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Der
Spannungsstabilisator 22b enthält HBT's 24b und 25b und
Widerstände 26b bis 28b. Der
Widerstand 26b ist der Basiswiderstand für den HBT 24b,
und der Widerstand 27b ist der Basiswiderstand für den HBT 25b.
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Der
Kollektor des HBT's 24b ist
an einen Leistungsversorgungsanschluss Vcc angeschlossen, an welchen
eine bestimmte Gleichstromversorgungsspannung angelegt wird, und
der Emitter ist an den Kollektor des HBT's 25b angeschlossen. Ein Knoten
zwischen dem Emitter des HBT's 24b und dem
Kollektor des HBT's 25b ist
an die Basis des HBT's 11b in
dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 durch
den Eingriffswiderstand (intervening resistor) 28b angeschlossen.
Die Basis des HBT's 24b ist
an den Anschluss Vapc durch den Widerstand 26b angeschlossen.
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Die
Basis des HBT's 25b ist
durch den Widerstand 27b an den Kollektor des HBT's angeschlossen,
und der Emitter ist geerdet. Es wird festgestellt, dass der HBT 25b eine
Kompensation zur Änderung
der Basis-Emitter-Spannung Vbe entsprechend dem Temperaturkoeffizienten
des HBT's 11b in
dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ermöglicht.
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Der
Spannungsstabilisator 22c enthält außerdem die HBT's 24c und 25c und
die Widerstände 26c bis 28c.
Der Widerstand 26c ist der Basiswiderstand für den HBT 24c,
und der Widerstand 27c ist der Basiswiderstand für den HBT 25c.
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Der
Kollektor des HBT's 24c ist
an den Leistungsversor gungsanschluss Vcc angeschlossen, und der
Emitter ist an den Kollektor des HBT's 25c angeschlossen. Ein Knoten
zwischen dem Emitter des HBT's 24c und
dem Kollektor des HBT's 25c ist an
die Basis des HBT's 11c in
dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 durch
den Eingriffswiderstand 28c angeschlossen. Die Basis des
HBT's 24c ist
an den Anschluss Vapc durch den Widerstand 26c angeschlossen.
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Die
Basis des HBT's 25c ist
durch den Widerstand 27c an den Kollektor des HBT's angeschlossen,
und der Emitter ist geerdet. Es wird festgestellt, dass der HBT 25c eine
Kompensation zur Änderung
der Basis-Emitter-Spannung Vbe entsprechend dem Temperaturkoeffizienten
des HBT's 11c in
dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ermöglicht.
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Mit
einer derart ausgebildeten Vorspannungsschaltung tritt das der Basisschaltung 3 eingegebene
Signal Vapc durch den Widerstand 21 hindurch und wird als
Vorspannungsstrom der Basis des HBT's 11a des Leistungsverstärkers der
ersten Stufe in dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 eingespeist.
Ein Vorspannungsstrom wird ebenfalls der Basis des HBT's 11b von
dem Spannungsstabilisator 22b eingespeist, dessen Betrieb
durch das Signal Vapc gesteuert wird, und der Basis des HBT's 11c von
dem Spannungsstabilisator 22c, dessen Betrieb ebenfalls
durch das Signal Vapc gesteuert wird.
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3A stellt
die Beziehung zwischen den Ausgangsströmen Ia bis Ic von der Vorspannungsschaltung 3 und
dem Signal Vapc dar. 3B stellt die Beziehung zwischen
diesem Signal Vapc und den Ausgangsspannungen von der Vorspannungsschaltung 3 dar.
In beiden 3A und 3B ist
Ia der Ausgangsstrom und Va die Ausgangsspannung bezüglich der
Basis des HBT's 11a,
Ib ist der Ausgangsstrom und Vb ist die Ausgangsspannung bezüglich der
Basis des HBT's 11b,
und Ic ist der Ausgangsstrom und Vc die Ausgangsspannung bezüglich der Basis
des HBT's 11c.
Vbe ist die Schwellenwert spannung (von etwa 1,35V) der HBT's 11a bis 11c, 24b, 25b, 24c und 25c.
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Entsprechend
den 3A und 3B für das Signal
gilt die Beziehung Vapc ≥ 2Vbe,
speist die Vorspannungsschaltung 3 einen Vorspannungsstrom jedem
der Leistung verstärkenden
HBT's 11a bis 11c in
dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ein,
um einen Betrieb der Klasse AB zu erzielen. Wenn die Beziehung Vapc < 2Vbe gilt, wird
ein Vorspannungsstrom dem HBT 11a eingespeist, d.h. dem
HBT der ersten Stufe, um einen Betrieb der Klasse AB zu erzielen,
es wird jedoch nicht ein Vorspannungsstrom der Basis des HBT's 11b des
Leistungsverstärkers der
zweiten Stufe oder des HBT's 11c des
Leistungsverstärkers
der dritten Stufe (der letzten Stufe) eingespeist. Der HBT 11b und
der HBT 11c arbeiten somit als Verstärker der Klasse C, und der
Ausgang von dem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 fällt ab.
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4 stellt
die Beziehung zwischen der Rx-Rauschcharakteristik und der Ausgangsleistungscharakteristik
(Pout) des in 1 bis 3B dargestellten
Hochfrequenzleistungsverstärkers
für das
Signal Vapc dar. Durch einen Vergleich der Ergebnisse von 4 mit
denen von 9 ergibt sich, dass die Spitze
des Rx-Rauschens von -73dBc, wenn Vapc bei dem herkömmlichen
Verstärker
2,1V beträgt,
bis -82,5dBc reduziert wird, wenn Vapc 1,9V in einem Hochfrequenzleistungsverstärker 1 dieser bevorzugten
Ausführungsform
beträgt.
Die Beziehung zwischen dem Rx-Rauschen und der Verstärkung (Rx)
in dem Empfangsband zeigt ebenfalls dieselbe Charakteristik.
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Ein
Ansteigen des Rx-Rauschens, wenn die Ausgangsleistung eines HBT-Mehrstufenleistungsverstärkers abfällt, kann
somit der Verstärkungscharakteristik
zugeschrieben werden, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist (in
diesem Beispiel gilt Vb < 1,35V).
Wie vorausgehend beschrieben wird das Rx-Rauschen jeder Verstärkungsstufe
hinzugefügt, wenn
die an jede Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers angelegte
Vorspannung eine gleichförmig
bestimmte Basisspannung entsprechend den Ausgang einer steuernden
Si-CMOS-Anordnung
ist.
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Durch
Zuführen
einer unterschiedlichen Basisspannung jeder Verstärkerstufe
auf der Grundlage eines Ausgangs von der steuernden Si-CMOS-Anordnung
wird jedoch das Rx-Rauschen nicht durch die nachfolgenden Verstärkerstufen
akkumuliert, und die Ausgangsleistung kann daher verringert werden, während ein
Ansteigen des Rx-Rauschens unterdrückt wird. Es ist ebenfalls
durch Verringerung der Basisspannung, welche den Verstärkern der
späteren
Stufe zugeführt
wird, möglich
einen niedrigen Stromverbrauch während
eines Betriebs mit niedrigem Leistungsausgang zu erzielen.
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5 stellt
die Ergebnisse der Rx-Rauschmessungen dar, welche durch Einspeisen
eines Vorspannungsstroms von einer unabhängigen externen Quelle anstelle
von der Vorspannungsschaltung 3 lediglich dem HBT 11a der
ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 erzielt wird.
Aus 5 ergibt sich, dass ein Ansteigen des Rx-Rauschens wahrgenommen
wird, wenn die dem Verstärker
der ersten Stufe zugeführte
Vorspannung 1,0V beträgt, jedoch
kein Ansteigen des Rx-Rauschens beobachtet wird, wenn die Vorspannung
1,2V oder 1,35V beträgt.
Es ist somit ebenfalls aus 5 bekannt,
dass das Rx-Rauschen durch Zuführen
einer Vorspannung dem Verstärker
der ersten Stufe und den Verstärkern
der zweiten und darauffolgenden Stufe eines mehrstufigen Leistungsverstärkers unter
Verwendung unterschiedlicher Verfahren verringert werden kann.
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Wie
oben beschrieben gibt eine Vorspannungsschaltung der ersten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Signal Vapc von einer Steuerschaltung 17 der
Basis lediglich des HBT's 11a des
Verstärkers
der ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 aus und speist
der Basis des HBT's 11b, 11c,
welche als Verstärker
der zweiten nachfolgenden Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 arbeiten,
ein Vorspannungsstrom von Spannungsstabilisatoren 22b und 22c ein,
deren Betrieb durch dieses Signal Vapc gesteuert wird. Es ist daher
möglich
das Rx-Rauschen während
des Betriebs mit niedriger Ausgangsleistung des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 zu verringern.
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Zweite Ausführungsform
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Wie
oben beschrieben speist eine Vorspannungsschaltung der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das Signal Vapc der Basis des HBT's des Leistungsverstärkers der
ersten Stufe eines mehrstufigen Leistungsverstärkers ein. Ein Vorspannungszuführungsverfahren
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der obigen ersten
Ausführungsform
dahingehend, dass eine konstante Spannung der Basis des HBT's des Leistungsverstärkers der
ersten Stufe ohne Bezug zu dem Signal Vapc zugeführt wird und ein Vorspannungsstrom
der Basis des HBT's
des Leistungsverstärkers
der zweiten und darauffolgenden Stufe von Spannungsstabilisatoren 22b und 22c eingespeist
wird, deren Betrieb durch dieses Signal Vapc gesteuert wird.
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6 zeigt
ein Schaltungsdiagramm einer Vorspannungsschaltung dieser zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es wird festgestellt, dass ein typisches
Schaltungsdiagramm eines Hochfrequenzleistungsverstärkers unter
Verwendung der in 6 dargestellten Schaltung identisch
mit demjenigen von 1 mit der Ausnahme für das Bezugszeichen
der Vorspannungsschaltung ist. Eine weitere Beschreibung davon wird
somit unten ausgelassen, wobei auf 1 und 6 zusammen Bezug
genommen wird. Des weiteren wird festgestellt, dass ähnliche
Teile in 2 und 6 durch ähnliche
Bezugszeichen bezeichnet werden, wo bei lediglich Unterschiede beschrieben
werden.
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Insbesondere
unterscheidet sich die in 6 dargestellte
Vorspannungsschaltung 33 von derjenigen in 2 dahingehend,
dass der Widerstand 21 in 2 durch
einen Spannungsstabilisator 35 zum Zuführen einer konstanten Spannung
unabhängig von
dem Signal Vapc dem HBT 11a ersetzt ist, welcher der Verstärker der
ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 ist.
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Entsprechend 6 enthält die Vorspannungsschaltung 33 einen
Spannungsstabilisator 35 und Spannungsstabilisatoren 22b und 22c.
Dieser Spannungsstabilisator 35 gibt eine bestimmte konstante
Spannung aus, während
eine bestimmte konstante Spannung Vdrive an den Anschluss Vdrive von
einer Si-CMOS-Logikschaltung wie einer Steuerschaltung 37 mit
einem DA-Wandler angelegt wird. Der Betrieb der Spannungsstabilisiatoren 22b und 22c wird
durch ein Signal Vapc gesteuert, welches dem Anschluss Vapc von
der Steuerschaltung 37 eingegeben wird. Der Spannungsstabilisator 35 führt eine
Vorspannung der Basis des oben bezeichneten HBT's 11a zu, d.h. dem Verstärker der
ersten Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2.
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Dieser
Spannungsstabilisator 35 enthält einen HBT 41 und 42 und
Widerstände 43 bis 46.
Der Widerstand 43 ist ein Basiswiderstand für den HBT 41,
und der Widerstand 44 ist ein Basiswiderstand für den HBT 42.
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Der
Kollektor des HBT's 41 ist
an den Energie- bzw. Leistungszuführungsanschluss Vcc angeschlossen.
Der Emitter des HBT's 41 ist über den
Widerstand 44 mit der Basis des HBT's 42, über den Widerstand 45 mit
Masse und über
den Widerstand 46 mit der Basis des HBT's 11a in einem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 verbunden.
Die Basis des HBT's 41 ist über den
Widerstand 43 mit dem Anschluss Vdrive verbunden. Der Kollektor
des HBT's 42 ist
mit dem Anschluss Vdrive verbunden, und der Emitter ist an Masse
angeschlossen.
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Mit
einer derartig ausgebildeten Vorspannungsschaltung wird ein Vorspannungsstrom
von dem Spannungsstabilisator 35 der Basis des HBT's 11a des
Verstärkers
der ersten Stufe in einen mehrstufigen Leistungsverstärker 2 eingespeist.
Es wird festgestellt, dass dann, wenn die bestimmte konstante Spannung
Vdrive von der Steuerschaltung 37 direkt an die Basis des
HBT's 11a angelegt
wird, sich die Vorspannung bezüglich
einer Änderung
des dem HBT 11a eingespeisten Basisstroms ändern wird.
Die konstante Spannung Vdrive wird daher durch den Spannungsstabilisator 35 durchgelassen,
um eine konstante Spannung an die Basis des HBT's 11a anzulegen.
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7 zeigt
einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen der Rx-Rauschcharakteristik,
der Ausgangsleistung und dem Signal Vapc in einem Hochfrequenzleistungsverstärker 1 unter
Verwendung der in 6 dargestellten Vorspannungsschaltung 33 darstellt.
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Durch
einen Vergleich der Ergebnisse von 7 mit denjenigen
von 9 ergibt sich, dass die Spitze des Rx-Rauschens von -73dBc,
wenn Vapc 2,1V beträgt,
in dem herkömmlichen
Verstärker
bis auf -89,3dBc, wenn Vapc 2,1V beträgt, in einem Hochfrequenzleistungsverstärker 1 dieser
bevorzugten Ausführungsform
verringert wird. Des weiteren wird festgestellt, dass ebenfalls
die konstante Spannung Vdrive und das Signal Vapc als von einer
Steuerschaltung in dieser beispielhaften zweiten Ausführungsform
der Erfindung eingespeist bzw. zugeführt beschrieben werden, sie
können
alternativ ebenfalls von separaten externen Schaltungen eingespeist bzw.
zugeführt
werden.
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Wie
oben beschrieben führt
eine Vorspannungsschaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine konstante Vorspannung von einem
Spannungsstabilisator 35 dem HBT 11a des Verstärkers der
ersten Stufe in einem mehrstufigen Leistungsverstärker 2 ohne
Bezug auf das Signal Vapc zu und speist einen Vorspannungsstrom
von den Spannungsstabilisatoren 22b und 22c, welche
durch das Signal Vapc gesteuert werden, der Basis der HBT's 11b und 11c der
Verstärker
der nachfolgenden Stufen des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 ein.
Es ist daher möglich
das Rx-Rauschen während
des Betriebs mit geringer Ausgangsleistung des mehrstufigen Leistungsverstärkers 2 weiter
zu verringern.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen
davon unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben wurde,
wird festgestellt, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen
sich für
den Fachmann ergeben. Beispielsweise wurden Vorspannungsschaltungen
der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsformen oben im Rahmen
eines Beispiels beschrieben, welche HBT's aufweisen. Es versteht sich jedoch,
dass eine Vorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung ebenfalls
unter Verwendung anderer Transistortypen wie Si-MOSFET's und Si-Bipolartransistoren erzielt
werden können.
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Darüber hinaus
sind Vorspannungsschaltungen der bevorzugten ersten und zweiten
Ausführungsformen
oben bezüglich
eines Hochfrequenzleistungsverstärkers,
welcher in Mobiltelefonterminals verwendet wird, lediglich anhand
eines Beispiels beschrieben worden, es versteht sich jedoch, dass derartige
Schaltungen ebenfalls in Verstärkern
für andere
Anwendungen verwendet werden können.
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Es
versteht sich ebenfalls, dass dann, wenn die externe Steuerschaltung
(Si-CMOS-Schaltung) eine Mehrzahl von Ausgängen aufweist, das Rx-Rauschen
durch Zuführen
einer Vorspannung den Vorspannungsschaltungen weiter verringert
werden kann, so dass der Ausgang infolge der letzten Stufe des mehrstufigen
Leistungsverstärkers 2 abfällt.
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Derartige
Abänderungen
und Modifizierungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, welche
in den Patentansprüchen
definiert ist.
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Vorstehend
wurde eine Vorspannungsschaltung und ein Vorspannungszuführungsverfahren
für einen
mehrstufigen Leistungsverstärker
offenbart, welcher eine Mehrzahl von Heteroübergangsbipolartransistoren
zur Verstärkung
der Leistung eines Hochfrequenzsignals aufweist, wobei ein Ansteigen eines
Rx-Rauschens während
des Betriebs mit niedrigem Leistungsausgang des mehrstufigen Leistungsverstärkers unterdrückt wird.
Die Vorspannungsschaltung gibt ein Signal Vapc von einer externen
Steuerschaltung der Basis lediglich eines HBT's eines Verstärkers der ersten Stufe in einem
mehrstufigen Leistungsverstärker
aus. Der Basis des HBT's des
Leistungsverstärkers
der zweiten und jeder weiteren Stufe des mehrstufigen Leistungsverstärkers speist
der Vorspannungsschaltung einen Vorspannungsstrom ein, der durch
Spannungsstabilisatoren entsprechend dem Steuersignal Vapc geregelt
wird.