DE69837127T2

DE69837127T2 - Rauscharmer Zweibandverstärker mit einem einzigen Stufe für einen drahtlosen Funkkommunikationsempfänger

Info

Publication number: DE69837127T2
Application number: DE69837127T
Authority: DE
Inventors: New York Yeh. Hsi-Jen James
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: US5995814A; DE69837127D1; JPH1188217A; EP0886384B1; EP0886384A2; EP0886384A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektronische Schaltungen zur Verwendung in drahtlosen Kommunikationssystemen und insbesondere einen rauscharmen Verstärker, welcher zum Betrieb in Mehrfrequenzbändern, wie beispielsweise dem 900-MHz- und dem 1,8-GHz-Band eines drahtlosen Systems für personenbezogene Kommunikationsdienste (PCS), imstande ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Nachfrage nach Zellulartelefonen und anderen drahtlosen Kommunikationsdiensten steigt ständig. Folglich werden nun viele drahtlose Systeme so konfiguriert, dass sie in mehr als einem Frequenzband funktionieren. Zum Beispiel ist ein zellulares System, das im US-Patent Nr. 5,457,734 beschrieben wird, welches am 10. Oktober 1995 an Eryaman et al. erteilt wurde und den Titel „Multi-Band Cellular Radiotelephone System Architecture" trägt, zum gleichzeitigen Betrieb in zwei verschiedenen Frequenzbändern imstande, die auf 800 MHz und 1,5 GHz zentriert sind. Außerdem wurden drahtlose Systeme für personenbezogene Kommunikationsdienste (PCS für engl. personal communication services) in letzter Zeit unter Verwendung eines ersten Bandes, das auf 900 MHz zentriert ist, und eines zweiten Bandes, das auf 1,8 GHz zentriert ist, konfiguriert. Diese und andere drahtlose Mehrbandkommunikationssysteme haben eine Nachfrage nach Handys und anderen Arten von tragbaren Kommunikationsendgeräten geschaffen, die zum Betrieb in zwei oder mehr verschiedenen Frequenzbändern imstande sind.
Um die Kosten und die Komplexität der eingangsseitigen Hochfrequenz- oder HF-Schaltungsanordnung in diesen tragbaren Mehrbandendgeräten zu minimieren, wäre es höchst wünschenswert, einen einzigen rauscharmen Ver stärker am Eingang bereitzustellen, der zum Beispiel sowohl das 900 MHz- als auch das 1,8-GHz-Band verstärken kann. Solch ein Verstärker sollte sowohl eine niedrige Rauschzahl als auch eine hohe Verstärkung aufweisen, um die Auswirkungen von Rauschen in nachfolgenden Verstärkungsstufen zu verringern. Unglücklicherweise sind herkömmliche rauscharme Verstärker außerstande, eine annehmbare Rausch- und Verstärkungsleistung in mehreren drahtlosen Bändern bereitzustellen, ohne die Kosten und die Komplexität des Verstärkers übermäßig zu erhöhen. Zum Beispiel würde die Anwendung von herkömmlichen Anpassungstechniken auf einen rauscharmen Verstärker im Allgemeinen erfordern, dass sowohl ein Eingangs- als auch ein Ausgangsanpassungsnetz einen getrennten Satz von wenigstens zwei oder drei Elementen für jedes der anzupassenden Frequenzbänder verwenden. Ein getrennter Satz von Elementen wird daher verwendet, um eine Schmalbandeingangs- oder eine Schmalbandausgangsanpassung für jedes der Frequenzbänder bereitzustellen. Andere herkömmliche Lösungen versuchen möglicherweise, einen einzigen Satz von Elementen zu verwenden, um eine Breitbandeingangs- oder Breitbandausgangsanpassung bereitzustellen, aber solche Techniken sind sehr schwer zu implementieren und oft außerstande, die Leistungsanforderungen von Mehrfrequenzbändern zu erfüllen. Als Ergebnis dieser und anderer Unzulänglichkeiten des Standes der Technik kann es notwendig sein, dass ein bestimmtes Handy getrennte Verstärker für jedes der Frequenzbänder oder einen einzigen Mehrstufenverstärker, der sowohl komplex als auch teuer ist, aufweisen muss. In beiden Fällen werden die Größe, die Kosten und der Leistungsverbrauch des Handys übermäßig erhöht.
Es ist daher offensichtlich, dass ein Bedarf an einem einfachen und kostengünstigen rauscharmen Verstärker besteht, welcher in wenigstens zwei verschiedenen Frequenzbändern funktionieren kann, derart dass der Verstärker in einem Handy oder einem anderen tragbaren Kommunikationsendgerät eines drahtlosen Mehrbandsystems verwendet werden kann, ohne die Größe, die Kosten und den Leistungsverbrauch des tragbaren Endgeräts übermäßig zu erhöhen.
US-A-5,406,226 offenbart einen rauscharmen Verstärker, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 dargelegt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Verstärker und ein Verfahren gemäß der Erfindung sind so, wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Bevorzugte Formen werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung stellt einen einfachen und kostengünstigen rauscharmen Verstärker bereit, welcher eine ausgezeichnete Leistung in zwei oder mehr Frequenzbändern erbringen kann. Gemäß der Erfindung werden Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze verwendet, um jeweilige Eingangs- und Ausgangsanpassungen für den Verstärker in zwei verschiedenen Frequenzbändern bereitzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anpassungsnetzen verwenden die Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze der vorliegenden Erfindung jeweils einen einzigen Satz von Elementen, um zwei Schmalbandanpassungen in zwei verschiedenen Frequenzbändern bereitzustellen. Folglich wird die Komplexität des Verstärkers erheblich verringert, während seine Verstärkungs- und Rauschzahlleistung verbessert wird.
Eine veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung ist ein rauscharmer Verstärker, der zum Betrieb im 900-MHz- und im 1,8-GHz-Frequenzband eines Empfängers von personenbezogenen Kommunikationsdiensten (PCS) oder eines anderen Endgeräts eines drahtlosen Kommunikationssystems imstande ist. Der Verstärker weist eine einzige Verstärkungsstufe mit einem bipolaren Sperrschichttransistor und einer Verstärkungsbandbreitenfre quenz f_γ von nur etwa 10 GHz auf. Die Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze für den Transistor weisen jeweils einen ersten Reihenkondensator, einen Nebenschlussinduktor, die mit Massepotenzial gekoppelt ist, einen zweiten Reihenkondensator und einen zweiten Induktor, der mit einer Versorgungsspannung gekoppelt ist, auf. Diese vier Elemente werden verwendet, um sowohl im 900-MHz- als auch im 1,8-GHz-Frequenzband Schmalbandeingangs- oder Schmalbandausgangsanpassungen bereitzustellen. Die Anpassungsnetze dienen auch dazu, eine Verstärkung außerhalb des 900-MHz- und des 1,8-GHz-Frequenzbandes zu unterdrücken. Die Erfindung verringert ferner die Komplexität der Verstärkerschaltung durch Verwenden der ersten Reihenkondensatoren in den Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzen, um eine entsprechende GS-Eingangs- und GS-Ausgangsisolation bereitzustellen, und durch Verwenden der zweiten Induktoren der Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze, um den jeweiligen Basis- und Kollektoranschlüssen des Verstärkertransistors eine GS-Vorspannung zuzuführen. Die Anpassungsnetze können so konfiguriert sein, dass nur konzentrierte induktive und kapazitive Elemente mit Werten, die auf weniger als etwa 10 nH beziehungsweise 10 pF begrenzt sind, verwendet werden, um eine monolithische Integration des bipolaren Transistors zu ermöglichen. Widerstandselemente sind aus den Anpassungsnetzen entfernt, um die Rauschzahlleistung des Verstärkers weiter zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass diese veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung eine minimale Verstärkung von etwa 15 dB und eine maximale Rauschzahl von etwa 2 dB über 100 MHz breite Bänder liefert, die auf 900 MHz und 1,8 GHz zentriert sind.
Ein rauascharmer Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Versorgungsvorspannungen in der Größenordnung von 1 bis 1,5 Volt betrieben werden, welche von einer einzigen chemischen Batterie in einem Handy oder einem anderen tragbaren Kommunikationsendgerät leicht abgeleitet werden können. Die Verwendung eines einzigen Satzes von Elementen, um Schmalbandeingangs- oder Schmalbandeingangsanpassungen auf zwei Frequenzen bereitzustellen, vereinfacht den Verstärker erheblich, während seine Leistungsfähigkeit verbessert wird. Die Anpassungsnetzelemente können mit begrenzten Werten konfiguriert sein, um die Integration zu erleichtern. Außerdem sorgt die Doppelverwendung von verschiedenen Elementen der Anpassungsnetze für beide Anpassungsfunktionen, sowie andere Funktionen, wie beispielsweise GS-Vorspannung und GS-Isolation, für erhebliche Verringerungen der Größe und der Komplexität des rauscharmen Verstärkers. Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den beiliegenden Zeichnungen und der folgenden ausführlichen Beschreibung besser ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine beispielhafte GS-Vorspannung eines rauscharmen Verstärkers gemäß der Erfindung.
2 zeigt grafische Darstellungen der maximal verfügbaren Verstärkung und der minimalen Rauschzahl eines rauscharmen Verstärkers, der so vorgespannt ist, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
3 und 4 zeigen grafische Darstellungen von Verstärkungs- und Rauschkreisen bei 900 MHz beziehungsweise 1,8 GHz für einen rauscharmen Verstärker, der so vorgespannt ist, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
5 ist eine schematische Darstellung, welche den rauscharmen Verstärker von 1 mit Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzen gemäß der Erfindung veranschaulicht.
6 zeigt grafische Darstellungen von Smith-Diagrammen der Eingangsreflexionskoeffizienten der Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze des rauscharmen Verstärkers von 5.
7 zeigt grafische Darstellungen von Verstärkung und Rauschzahl des rauscharmen Verstärkers von 5 von 100 MHz bis 2,0 GHz.
8 zeigt grafische Darstellungen von Verstärkung und Rauschzahl des rauscharmen Verstärkers von 5 in einem 120 MHz breiten Frequenzband, das auf 900 MHz zentriert ist.
9 zeigt grafische Darstellungen von Verstärkung und Rauschzahl des rauscharmen Verstärkers von 5 in einem 120 MHz breiten Frequenzband, das auf 1,8 GHz zentriert ist.
10 stellt den Realteil der Eingangs- und Ausgangsimpedanz des rauscharmen Verstärkers von 5 von 100 MHz bis 2,0 GHz dar.
11 und 12 stellen beispielhafte Empfänger dar, die gemäß der Erfindung konfiguriert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit einem beispielhaften rauscharmen Verstärker zur Verwendung in einem System für personenbezogene Kommunikationsdienste (PCS) veranschaulicht, das in zwei ungefähr 100 MHz breiten Frequenzbändern funktioniert, eines auf etwa 900 MHz zentriert, und das andere auf etwa 1,8 GHz zentriert. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung irgendeiner bestimmten Verstärkerart, irgendeines bestimmten Satzes von Frequenzbändern oder irgendeines bestimmten Kommunikationssystems beschränkt ist, sondern stattdessen vielmehr allgemein auf jede drahtlose Mehrbandanwendung anwendbar ist, in welcher es wünschenswert ist, die Komplexität und die Kosten der Hochfrequenz- oder HF-Schaltungsanordnung in einem Empfängereingang zu verringern. Zum Beispiel ist die Erfindung zur Verwendung in Mobilstationsempfängern der PCS-Systeme geeignet, die in TIA/EIA/IS-95A, „Mobile Station – Base Station Compatibility for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System", Juni 1996, TIA/EIA/IS-97A, „Recommended Minimum Performance Standards for Base Station Supporting Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular Mobile Stations", Juni 1996, TIA/EIA/IS-98A, „Recommended Minimum Performance Standards for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular Mobile Stations", Juni 1996, und ANSI J-STD-008, „Personal Station – Base Station Compatibility Requirements for 1.8 to 2.0 GHz Code Division Multiple Access (CDMA) Personal Communication Systems" näher beschrieben werden. Der Begriff „Schmalbandanpassung", wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Anpassung, welche eine gewünschte Verstärkung, eine gewünschte Rauschzahl oder eine andere Leistungsmessung über ein Band eines Verstärkers liefert, der in zwei oder mehr Bändern funktioniert, während eine Verstärkung zwischen den Bändern unterdrückt wird. Eine Schmalbandanpassung steht demnach im Gegensatz zu einer Breitbandanpassung, in welcher ein verhältnismäßig hohe Verstärkung über zwei oder mehr verschiedene Betriebsbänder bereitgestellt wird, ohne eine Verstärkung zwischen den Bändern merklich zu unterdrücken.
1 veranschaulicht Techniken, welche verwendet werden können, um einen beispielhaften rauscharmen Einstufenverstärker gemäß der Erfindung vorzuspannen. Der rauscharme Verstärker ist in 1 ohne Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze dargestellt, um die Vorspannungsbedingungen besser zu veranschaulichen. Geeignete Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze werden im Folgenden in Verbindung mit 5 beschrieben. Der rauscharme Verstärker weist eine einzige Verstärkungsstufe auf, die in diesem Beispiel einen bipolaren n-p-n-Sperrschichttransistor Q1 aufweist. Der Transistor Q1 kann ein bipolarer Sperrschichttransistor HP Avantek 1400 sein, der in einer Chippackung konfiguriert ist. Der Transistor Q1 in diesem Beispiel wurde so ausgewählt, dass er eine Verstärkungsbandbreitenfrequenz f_γ von nur etwa 10 GHz aufweist. Die Verstärkungsbandbreitenfrequenz f_γ ist die Frequenz, bei welcher die Kurzschlussverstärkung |h_fe(ω)| des Transistors Q1 sich Eins nähert, wie zum Beispiel in G. Gonzalez, „Microwave Transistor Amplifiers, Analysis and Design", Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1984, näher beschrieben wird. Andere geeignete Transistoren, welche bipolare p-n-p-Sperrschichttransistoren, Feldeffekttransistoren (FETs) und Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, könnten für den Transistor Q1 in alternativen Ausführungsformen des rauscharmen Einstufenverstärkers, der in 1 dargestellt ist, ebenfalls verwendet werden.
Der Verstärker von 1 weist einen Eingangsreihenkondensator C1 auf, der zwischen einen Eingangsanschluss IN des Verstärkers und den Basisanschluss des Transistors Q1 geschaltet ist. Der Kondensator C1 fungiert als ein Gleichstrom- oder GS-Trennkondensator, welcher sich bei GS einem Leerlauf und bei HF-Frequenzen einem Kurzschluss nähert. Die Basis von Q1 ist über einen Induktor L1 mit einer Spannungsversorgung V1 verbunden. Ein Kondensator C2 ist zur Spannungsversorgung V1 parallel geschaltet, um das Versorgungsleitungsrauschen zu verringern. Der Emitter von Q1 ist über einen Induktor L2 und einer parallele Kombination eines Emittervorspannungswiderstands R1 und eines Kondensators C3 mit Massepotenzial verbunden. Der Induktor L2 stellt eine Rückkopplung für verbesserte HF-Anpassung bereit und dient auch dazu, Instabilitäten zu verringern. Der Wert des Induktors L2 sollte sorg fältig gewählt werden, um eine Verschlechterung der HF-Verstärkung des Verstärkers zu vermeiden, und kann einen Wert in der Größenordnung von etwa 0,2 nH aufweisen. Es ist zu erwähnen, dass Werte von L2, die größer als etwa 0,4 nH sind, eine zusätzliche Absenkung in der maximal verfügbaren Transistorverstärkung verursachen kann, die unter 1,8 GHz beginnt.
Der Kondensator C3 fungiert als ein Überbrückungskondensator, um den Emitter von Q1 bei HF-Frequenzen auf Massepotenzial nebenzuschließen, derart dass der Emittervorspannungswiderstand R1 die Hochfrequenztransistorverstärkung nicht verschlechtert. Der Kollektor von Q1 ist über einen Induktor L3 mit einer Spannungsversorgung V2 verbunden. Ein Kondensator C4 ist zur Spannungsversorgung V2 parallel geschaltet, um das Versorgungsleitungsrauschen zu verringern. Ein Ausgangsgleichstromsperrkondensator C5 ist zwischen den Kollektor des Transistors Q1 und einen Ausgangsanschluss OUT des Verstärkers geschaltet. Die Versorgungsfilterkondensatoren C2 und C4 können Werte in der Größenordnung von 100 pF aufweisen. Die Kondensatoren C1 und C5, sowie die Induktoren L1 und L3 in dieser Ausführungsform werden Teil der Eingangs- oder Ausgangsanpassungsnetze, und geeignete Werte für diese Elemente werden im Folgenden in Verbindung mit 5 beschrieben. Die Induktoren L1 und L3 stellen auch HF-Drosselfunktionen bereit und nähern sich bei GS Kurzschlüssen und bei HF-Frequenzen Leerläufen.
Der rauscharme Verstärker von 1 ist in dieser veranschaulichenden Ausführungsform so konfiguriert, dass er mit Versorgungsspannungen V1 und V2 von 1 Volt beziehungsweise 1,5 Volt funktioniert. Diese Werte werden gewählt, um zu zeigen, dass der Verstärker unter Verwendung von Versorgungen, die aus einer einzigen chemischen Batterie in einem Handy oder einem anderen tragbaren Kommunikationsendgerät abgeleitet werden, zuverlässig in zwei Frequenzbändern betrieben werden kann. Die Versorgungsspannung V1 von 1 Volt wird verwendet, um die Basis von Q1 vorzuspannen, während die Versorgungsspannung V2 von 1,5 Volt verwendet wird, um den Kollektor von Q1 vorzuspannen. Der Basis-Emitter-Spannungsabfall beträgt ungefähr 0,7 Volt, derart dass die Emitterspannung etwa 0,3 Volt beträgt. Indem der Emittervorspannungswiderstand R1 so gewählt wird, dass er einen Wert von etwa 60 Ω aufweist, wird demnach ein Kollektorstrom von etwa 5 mA bereitgestellt. Der gesamte GS-Leistungsverbrauch im rauscharmen Verstärker von 1 ist ungefähr der Kollektorstrom mal der Kollektorspannung oder etwa 7,5 mW. Es ist zu erwähnen, dass diese Vorspannungsbedingungen nur beispielhaft sind und auch andere Anordnungen verwendet werden könnten. Es wurde jedoch beobachtet, dass ein Verringern des Kollektorstroms auf etwa 2 mA in dieser veranschaulichenden Ausführungsform die Menge von Verstärkung, die im 1,8-GHz-Frequenzband verfügbar ist, verringern kann. Die Vorspannungsbedingungen, die in einer bestimmten Ausführungsform gewählt werden, hängen natürlich von Faktoren, wie beispielsweise den Frequenzbändern und den Charakteristiken des Transistors Q1, ab.
2 zeigt grafische Darstellungen einer maximal verfügbaren Verstärkung G_max und einer minimalen Rauschzahl F_min in Abhängigkeit von der Frequenz für den Transistor Q1, der auf die zuvor beschriebene Weise vorgespannt wurde. Die grafischen Darstellungen zeigen an, dass bei 900 MHz etwa 21 dB von Verstärkung bei einer minimalen Rauschzahl von etwa 1,3 dB verfügbar sind. Bei 1,8 GHz sind jedoch nur etwa 18 dB von Verstärkung bei einer minimalen Rauschzahl von etwas unter 2,0 dB verfügbar. Es kann daher nur ein verhältnismäßig kleines Maß an Fehlanpassung im 1,8-GHz-Band des rauscharmen Verstärkers von 1 toleriert werden, wenn sowohl im 900-MHz- als auch im 1,8-GHz-Frequenzband einigermaßen gute Leistungsmessungen, wie beispielsweise 15 dB Verstärkung und 2,0 dB Rauschzahl, erreicht werden sollen. Im Folgenden wird in Verbindung mit 5 bis 10 gezeigt, dass Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind, imstande sind, eine minimale Verstärkung von 15 dB und eine maximale Rauschzahl von 2 dB sowohl über das 900-MHz- als auch das 1,8 GHz-Band bereitzustellen.
3 und 4 zeigen Rausch- und Verstärkungskreise bei 900 MHz beziehungsweise 1,8 GHz für den Transistor Q1, der auf die zuvor beschriebene Weise vorgespannt wurde. Wie bereits erwähnt, ist die Rauschzahl bei 1,8 GHz der Parameter, welcher den geringsten Spielraum in diesem Beispiel bietet. Dieser Parameter stellt daher die strengsten Anforderungen an das Eingangsanpassungsnetz, gefolgt von der Verstärkung bei 1,8 GHz und dann dem Rauschen und der Verstärkung bei 900 MHz. Weitere Bedingungen werden den Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzen gemäß der vorliegenden Erfindung auferlegt, um die Verstärkung außerhalb dieser Frequenzbänder zu unterdrücken.
5 stellt den rauscharmen Verstärker von 1 mit veranschaulichenden Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzen gemäß der Erfindung dar. Diese Anpassungsnetze verwenden jeweils einen Satz von vier Elementen, um Schmalbandanpassungen sowohl für das 900-MHz- als auch das 1,8 GHz-Frequenzband bereitzustellen. Herkömmliche Anpassungstechniken verwenden dagegen im Allgemeinen getrennte Sätze von zwei oder drei Elementen, um eine Anpassung für jedes Frequenzband bereitzustellen, oder versuchen, eine Breitbandanpassung bereitzustellen, welche beide Frequenzbänder deckt. Diese herkömmlichen Lösungen stellen nicht nur keine annehmbare Verstärkungs- und Rauschzahlleistung in vielen wichtigen Anwendungen bereit, sondern steigern auch die Größe, die Komplexität und die Kosten des rauscharmen Verstärkers. Die vorliegende Erfindung kann eine Schmalbandanpassung für zwei Frequenzbänder unter Verwendung eines einzigen Satzes von Elementen bereitstellen, wodurch die Leistung des Verstärkers verbessert wird, während seine Kosten und seine Komplexität verringert werden.
Die Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze in dieser Ausführungsform sind so ausgelegt, dass sie Induktoren und Kondensatoren mit verhältnismäßig kleinen Werten aufweisen. Zum Beispiel können die Induktoren der Anpassungsnetze alle weniger als oder gleich etwa 10 nH sein, während die Kondensatoren der Anpassungsnetze alle weniger als oder gleich etwa 10 pF sein können. Diese Elemente sind vorzugsweise als konzentrierte Elemente statt als verteilte Elemente konfiguriert, um eine monolithische Integration dieser Elemente mit dem bipolaren Transistor Q1 zu ermöglichen. Es ist zu erwähnen, dass, obwohl es in einigen Anwendungen leichter sein kann, die Anpassungsnetze mit verteilten Übertragungsleitungselementen aufzubauen, die Verwendung solcher Elemente die Größe der Verstärkerschaltung übermäßig vergrößern kann. Zum Beispiel hätte eine Viertelwellenlängenübertragungsleitung bei 900 MHz eine physikalische Länge von 2 bis 4 cm und kann daher zur Verwendung in einem Zellularhandy unpraktisch sein. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung verwenden die veranschaulichenden Anpassungsnetze keine Widerstände, da sich herausstellte, dass Widerstände zur Rauschzahl beitragen.
Der rauscharme Verstärker von 5 verwendet vier Elemente für jedes der Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze. Das Eingangsanpassungsnetz weist die Kondensatoren C1 und C6, sowie die Induktoren L1 und L4 auf. Das Ausgangsanpassungsnetz weist die Kondensatoren C5 und C7, sowie die Induktoren L3 und L5 auf. Diese Ausführungsform verwendet einen Satz von vier Elementen für die Anpassungsnetze sowohl von Eingang als auch Ausgang, da zwei Frequenzen angepasst werden müssen. In Bezug auf das Smith-Diagramm erfordert ein Bewegen vom 50-Ω-Zentrum des Diagramms zu jedem anderen Impedanzpunkt auf dem Diagramm im Allgemeinen ein Minimum von zwei Freiheitsgraden. Diese zwei Freiheitsgrade können unter Verwendung eines Kondensators und eines Induktors bei einer bestimmten Frequenz bereitgestellt werden. Ein Anpassen bei zwei verschiedenen Frequenzen erfordert im Allgemeinen vier Freiheitsgrade. Die veranschaulichenden Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze im rauscharmen Verstärker von 5 verwenden jeweils zwei Induktoren und zwei Kondensatoren, um vier Freiheitsgrade bereitzustellen.
Um die Gesamtanzahl an Elementen, die im rauscharmen Verstärker von 5 benötigt werden, zu verringern, wird die GS-Vorspannung für die Basis von Q1 durch den Induktor L1 des Eungangsanpassungsnetzes bereitgestellt, wird die GS-Vorspannung für den Kollektor von Q1 durch den Induktor L3 des Ausgangsanpassungsnetzes bereitgestellt, wird die GS-Isolation für den Verstärkereingang unter Verwendung des Kondensators C1 des Eingangsanpassungsnetzes bereitgestellt und wird die GS-Isolation für den Verstärkerausgang durch Verwenden des Kondensators C5 des Ausgangsanpassungsnetzes bereitgestellt. Diese Doppelverwendung von verschiedenen Anpassungsnetzelementen sorgt für weitere Verringerungen der Größe und der Komplexität des rauscharmen Verstärkers. Die Eingangsanpassungsnetztopologie im rauscharmen Verstärker von 5 kann daher zusammengefasst werden, wie folgt:
Die Ausgangsanpassungsnetztopologie im rauscharmen Verstärker von 5 wird zusammengefasst, wie folgt:
Die Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze verwenden demnach jeweils vier Elemente, um Schmalbandanpassungen bei 900 MHz und 1,8 GHz bereitzustellen, wobei bestimmte Elemente der Anpassungsnetze auch als GS-Isolations- und GS-Vorspannungsfunktionen dienen.
Die Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze des rauscharmen Verstärkers von 5 können gemäß einem bestimmten Satz von Entwicklungszielwerten unter Verwendung von Optimierungswerkzeugen, wie beispielsweise einer Optimierungsfunktion, die in Softwarepaketen von EESOF oder MMICAD verfügbar ist, optimiert werden. Eine beispielhafte Optimierung des rauscharmen Verstärkers von 5 zum Betrieb im 900-MHz- und im 1,8-GHz-Band erfolgt im Anschluss. Die Entwicklungszielwerte für die beispielhafte Optimierung sind wie folgt:
Eine Ausführungsform des rauscharmen Verstärkers von 5, der für die oben angegebenen Entwicklungszielwerte optimiert wurde, wies die folgenden Werte für die konzentrierten Elemente in den Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzen auf:
Eingangsanpassungsnetz
Ausgangsanpassungsnetz
Wie bereits erwähnt, wurden alle Induktoren und Kondensatoren in dieser veranschaulichenden Ausführungsform auf Werte von weniger als oder gleich 10 nH beziehungsweise 10 pF begrenzt, um eine mögliche monolithische Integration mit dem bipolaren Transistor Q1 zu ermöglichen. Die vorstehende Tabelle führt die Impedanzwerte (Z) für die Anpassungsnetzkondensatoren und die Admittanzwerte (Y) für die Anpassungsnetzinduktoren sowohl bei 900 MHz als auch 1,8 GHz an. Die Impedanz- und Admittanzwerte, normiert auf 50 Ω, wurden gemäß den folgenden Gleichungen errechnet:

wobei ω die Winkelfrequenz ist, C und L die Kapazitätsbeziehungsweise Induktivitätswerte sind, und Z und Y die Impedanz der Reihenkapazität beziehungsweise die Admittanz der Parallelinduktivität sind. Die anderen Elemente C2, C3, C4, L2 und R1 des rauscharmen Verstärkers von 5 hatten die Werte, die sie vorher in der vorstehenden Beschreibung der Vorspannungsschaltung erhielten. Das heißt, C2, C3 und C4 hatten Werte von etwa 100 pF, L2 hatte einen Wert von etwa 0,20 nH und R1 hatte einen Wert von 60 Ω. Es ist erneut zu betonen, dass die vorstehenden Werte für eine bestimmte veranschaulichende Ausführungsform sind und nicht dahingehend ausgelegt werden sollten, dass sie die Erfindung auf irgendeine bestimmte Ausführungsform oder Klasse von Ausführungsformen beschränken. Die Werte, die in einer bestimmten Anwendung gewählt werden, hängen von den jeweiligen Entwicklungszielwerten, der jeweiligen Konfiguration der Anpassungsnetze und der Art von verwendetem Transistor, sowie anderen Faktoren ab.
6 zeigt eine grafische Darstellung eines Smith-Diagramms der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des rauscharmen Verstärkers von 5 sowohl bei 900 MHz als auch bei 1,8 GHz unter Verwendung der veranschaulichenden Elementwerte und Vorspannungsbedingungen, die zuvor angeführt wurden. Aus der grafischen Darstellung des Smith-Diagramms geht hervor, dass der Eingangsreflexionskoeffizient GAMMA S bei 1,8 GHz den Stellen sehr nahe ist, die von der Analyse der Vorspannungsbedingungen in Verbindung mit zuvor beschriebenen 1 und 4 angezeigt werden. Dies ist zum Teil auf die strengen Impedanzanpassungsanforderungen zurückzuführen, die in der veranschaulichenden Ausführungsform durch den geringen Spielraum von Fehlanpassung bei 1,8 GHz gestellt werden. Bei 900 MHz ist der Eingangsreflexionskoeffizient GAMMA S weit von den Stellen ent fernt, die durch die Vorspannungsanalyse angezeigt werden. Dies ist ein Ergebnis des verhältnismäßig großen Spielraums von Fehlanpassung bei 900 MHz und der Notwendigkeit, andere Kriterien zu erfüllen, wie beispielsweise das Unterdrücken von Verstärkung außerhalb des 900-MHz- und des 1,8-GHz-Bandes.
7 zeigt die Breitbandverstärkungs- und Rauschzahlleistung von 100 MHz bis 2,0 GHz des veranschaulichenden rauscharmen Verstärkers, der zuvor beschrieben wurde. Aus 7 ist ersichtlich, dass die Verstärkung im 900-MHz-Band etwa 18 dB und im 1,8-GHz-Band etwa 15 dB beträgt, während die Rauschzahl in beiden Bändern 2 dB oder niedriger ist. Außerdem wird die Verstärkung zwischen den beiden Bändern auf unter etwa 12 dB unterdrückt. Der veranschaulichende rauscharme Verstärker hat daher die zuvor dargelegten Hauptentwicklungskriterien erfüllt. Aus 7 geht auch hervor, dass unter etwa 700 MHz die Verstärkung des Verstärkers steil auf unter 0 dB abfällt, während die Rauschzahl auf etwa 20 dB ansteigt. Das resultierende vermehrte Rauschen wird daher nicht wesentlich verstärkt und kann in späteren Empfängerstufen herausgefiltert werden. Es ist zu erwähnen, dass der Verstärkungsgang in diesem Beispiel eine sehr schmale Resonanz bei ungefähr 700 MHz mit einer Verstärkung von mehr als 15 dB an den Tag legt. Es können weitere Einstellungen an den zuvor dargelegten beispielhaften Anpassungsnetzelementwerten vorgenommen werden, um diese Resonanz zu entfernen. Es ist zu erwähnen, dass die Empfindlichkeitsanalyse, die durch Variieren der Werte der konzentrierten Elemente erfolgt, anzeigt, dass die Anpassungsnetze für Prozessänderungen nicht allzu sehr empfindlich sind.
8 und 9 stellen grafische Darstellungen von Schmalbandverstärkung und Schmalbandrauschzahl für den beispielhaften rauscharmen Verstärker in den Frequenzbändern von 840 bis 960 MHz beziehungsweise von 1,74 bis 1,86 GHz dar. Auf 8 und 9 ist deutlicher zu erkennen, dass über 100-MHz-Bänder, die auf 900 MHz und 1,8 GHz zentriert sind, die Verstärkung größer als etwa 15 dB ist und die Rauschzahl niedriger als etwa 2 dB ist.
10 stellt die Realteile der Eingangsimpedanz ZIN und der Ausgangsimpedanz ZOUT des beispielhaften rauscharmen Verstärkers von etwa 100 MHz bis 2,0 GHz dar. Die Stabilitätsfaktoren des veranschaulichenden Verstärkers garantieren keine bedingungslase Stabilität. Daher kann sich eine Instabilität, die zu Schwingung führt, ergeben, wenn der Eingang und der Ausgang ungenau angepasst werden. Obwohl Stabilität im Allgemeinen ein wesentliches Anliegen in der Entwicklung jedes rauscharmen Verstärkers ist, kann das Vorhandensein von Resonanzen die Stabilität in der Entwicklung eines rauscharmen Zweibandverstärkers noch wichtiger machen. Die übliche Bedingung für Stabilität ist, dass der Realteil der Eingangs- und Ausgangsimpedanz niedriger als das Negativ des jeweiligen Quellen- und Lastwiderstands sein sollte, der in diesem Beispiel mit 50 OMEGA angenommen wird. Wenn der Realteil der Eingangs- oder Ausgangsimpedanz negativ ist und einen größeren Betrag als der entsprechende Quellen- oder Lastwiderstand aufweist, ergibt sich ein negativer Nettowiderstand, und es können Schwingungen beginnen. Daher sollte der Realteil der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen in diesem Beispiel größer als eine Grenze von –50 OMEGA sein. Aus 10 ist ersichtlich, dass die Realteile der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des veranschaulichenden rauscharmen Verstärkers größer als –50 OMEGA sind und der Verstärker daher über das 900-MHz- und das 1,8-GHz-Frequenzband einen stabilen Betrieb an den Tag legt. Eine weitere Einstellung der Anpassungsnetzelementwerte kann vorgenommen werden, um die 700-MHz-Resonanz in der veranschaulichenden Ausführungsform zu verringern oder zu eliminieren, wodurch der Stabilitätsspielraum verbessert wird.
Ein rauscharmer Verstärker, der gemäß der Erfindung konfiguriert ist, verwendet einen einzigen Satz von Eingangsanpassungselementen und einen einzigen Satz von Ausgangsanpassungselementen, um Schmalbandeingangs- und Schmalbandausgangsanpassungen auf zwei Frequenzen bereitzustellen, wodurch ermöglicht wird, dass der Verstärker in zwei verschiedenen Frequenzbändern funktioniert. Die zuvor beschriebene veranschaulichende Ausführungsform kann sowohl über ein 900-MHz-Band als auch über ein 1,8-GHz-Band bei einer Verstärkungsunterdrückung außerhalb dieser Bänder mit Ausnahme einer leichten Resonanz bei 700 MHz eine minimale Verstärkung von 15 dB und eine maximale Rauschzahl von 2 dB bereitstellen. Die veranschaulichende Ausführungsform verwendet ein Eingangsanpassungsnetz mit vier Elementen und ein Ausgangsanpassungselement mit vier Elementen. Ein induktives Element jedes der Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze wird verwendet, um den Verstärkertransistor vorzuspannen, während ein kapazitives Element jedes der Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetze verwendet wird, um eine GS-Isolation bereitzustellen. Obwohl mögliche Instabilitäten in der veranschaulichenden Ausführungsform auftreten können, insbesondere bei der 700-MHz-Resonanz, können solche Instabilitäten unter Verwendung herkömmlicher Techniken kontrolliert werden. Alternative Ausführungsformen der Erfindung können mehr als eine einzige Verstärkungsstufe oder andere Anordnungen von Elementen in den Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzen verwenden, um zwei oder mehr Schmalbandanpassungen für den Verstärker bereitzustellen.
11 und 12 veranschaulichen beispielhafte Empfänger gemäß der Erfindung. 11 stellt einen Empfänger 10 dar, welcher eine erste Antenne 12 und eine zweite Antenne 14 aufweist. Die erste Antenne 12 kann so ausgelegt sein, dass sie ein HF-Signal in einem ersten Frequenzband, wie beispielsweise dem zuvor be schriebenen 900-MHz-Frequenzband, empfängt, während die zweite Antenne 14 so ausgelegt sein kann, dass sie ein HF-Signal in einem zweiten Frequenzband, wie beispielsweise dem zuvor beschriebenen 1,8-GHz-Frequenzband, empfängt. Elemente, die in 11 und 12 in gestrichelten Blöcken dargestellt sind, sind optionale Elemente, welche in alternativen Ausführungsformen entfernt werden können. Zum Beispiel könnte die zweite Antenne 14 im Empfänger 10 entfernt und die erste Antenne 12 verwendet werden, HF-Signale in zwei verschiedenen Frequenzbändern zu empfangen. Die Ausgaben der Antennen 12, 14 werden in einem Filter 16 gefiltert und dann an einen Eingang eines rauscharmen Zweibandverstärkers 18 angelegt. Der Verstärker 18 kann von der Art, die in Verbindung mit 5 zuvor beschrieben wurde, oder ein anderer geeigneter rauscharmer Zweibandverstärker gemäß der Erfindung sein. Das Filter 16 kann als ein regelbares Bandpassfilter, welches eingestellt werden kann, um sowohl eine Bandpassfilterung des 900-MHz- als auch des 1,8-GHz-Bandes bereitzustellen, oder als ein Filter, welches beide Bänder ohne Einstellung durchlassen kann, implementiert werden. Die Ausgabe des rauscharmen Verstärkers 18 wird an ein optionales Spiegelselektionsfilter 20 angelegt werden, welches in diesem Beispiel als ein regelbares Bandpassfilter implementiert ist. Das regelbare Bandpassfilter kann so eingestellt werden, dass es entweder das 900-MHz-Band oder das 1,8-GHz-Band durchlässt. Das Spiegelselektionsfilter 20 kann in alternativen Ausführungsformen entfernt werden. Die Ausgabe des Filters 20 wird an den Mischer 22 angelegt. Der Mischer 22 verwendet ein geeignetes Empfangsoszillatorsignal, das durch einen Frequenzgenerator 24 geliefert wird, um ein HF-Signal, das durch die Antenne 12 oder 14 empfangen wird, auf ein Zwischenfrequenz- oder ZF-Signal herunterzumischen. Die Empfangsoszillatorsignalfrequenz variiert in Abhängigkeit davon, ob ein HF-Signal vom 900-MHz-Band oder vom 1,8-GHz-Band heruntergemischt wird, derart dass das HF-Ausgangssignal in jedem Fall dieselbe mittlere Frequenz aufweisen kann. Der Empfänger 10 ist demnach imstande, ein Eingangssignal unter Verwendung von nur einem einzigen rauscharmen Verstärker in einem von zwei verschiedenen Frequenzbändern zu empfangen und auf ZF zu herunterzumischen.
12 stellt einen Empfänger 30 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dar. Der Empfänger 30 weist die erste und die zweite Antenne 12, 14, den rauscharmen Zweibandverstärker 18 und den Mischer 22 auf, welche alle auf eine ähnliche Weise funktionieren wie in Verbindung mit 11 zuvor beschrieben. Der Empfänger 30 weist auch getrennte Bandpassfilter 32, 34 zum Filtern von HF-Signalen auf, die auf den jeweiligen Antennen 12, 14 im 900-MHzbeziehungsweise 1,8-GHz-Band empfangen werden. Ein erster Schalter S1 wählt die Ausgabe eines der Filter 32, 34 zum Anlegen an den Eingang des rauscharmen Zweibandverstärkers 18 aus. Die Ausgabe des Verstärkers 18 wird an ein optionales Spiegelselektionsfilter 36 geliefert, welches erste und zweite Bandpassfilter 38, 40 zum Filtern im 900-MHz- beziehungsweise im 1,8-GHz-Band aufweist. Ein zweiter Schalter S2 wählt die Ausgabe eines der Filter 38, 40 zum Anlegen an einen HF-Eingang des Mischers 22 aus. Der Empfangsoszillatoreingang des Mischers 22 empfängt in Abhängigkeit von der Stellung eines dritten Schalters S3 die Ausgabe eines Empfangsoszillators 42 für das 900-MHz-Band oder die Ausgabe eines Empfangsoszillators 44 für das 1,8-GHz-Band. Der Empfänger 30 ist demnach wie der Empfänger 10 in 11 imstande, ein Eingangssignal unter Verwendung von nur einem einzigen rauscharmen Zweibandverstärker in einem von zwei verschiedenen Frequenzbändern zu empfangen und auf ZF herunterzumischen. Es ist zu erwähnen, dass rauscharme Zweibandverstärker gemäß der Erfindung in eine große Vielfalt von anderen Arten von Empfängern eingebaut werden kann.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dienen nur zur Veranschaulichung. Zahlreiche alternative Ausführungsformen können von den Fachleuten entwickelt werden, ohne sich vom Rahmen der folgenden Ansprüche zu entfernen.

Claims

Rauscharmer Verstärker, aufweisend: eine Verstärkungsstufe zum Verstärken eines Signals, das an einen Eingang des Verstärkers angelegt wird; und ein Eingangsanpassungsnetz, das zwischen den Eingang des Verstärkers und einen Eingang der Verstärkungsstufe gekoppelt ist, wobei das Eingangsanpassungsnetz einen Satz von Elementen verwendet, um eine Anpassung in einem ersten Frequenzband bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilsatz des Satzes von Elementen verwendet wird, um eine Anpassung in einem zweiten Frequenzband bereitzustellen, wobei der Satz von Elementen einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten Kondensator (C6), die zwischen dem Verstärkereingang und dem Verstärkungsstufeneingang in Reihe geschaltet sind, einen ersten Induktor (L4), der von einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kondensator mit Schaltungsmasse verbunden ist, und einen zweiten Induktor (L1), der vom Verstärkungsstufeneingang mit einer Versorgungsspannung des Verstärkers verbunden ist, aufweist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei das erste Frequenzband auf etwa 900 MHz zentriert ist und das zweite Frequenzband auf etwa 1,8 GHz zentriert ist.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner bereitstellend einen Gewinn von wenigstens etwa 15 dB in jedem des ersten und zweiten Frequenzbands.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner bereitstellend eine Rauschzahl von etwa 2 dB oder weniger in jedem des ersten und zweiten Frequenzbands.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei der erste Induktor von einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kondensator mit Massepotenzial verbunden ist.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Ausgangsanpassungsnetz, das zwischen einen Ausgang der Verstärkungsstufe und einen Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, wobei das Ausgangsanpassungsnetz einen zweiten Satz von Elementen zur Bereitstellung einer Anpassung im ersten Frequenzband und wenigstens einen Teilsatz des zweiten Satzes von Elementen zur Bereitstellung einer Anpassung im zweiten Frequenzband verwendet.
Verstärker nach Anspruch 6, wobei das Ausgangsanpassungsnetz einen ersten Kondensator (C7) und einen zweiten Kondensator (C5), die zwischen dem Verstärkerausgang und dem Verstärkungsstufenausgang in Reihe geschaltet sind, einen ersten Induktor (L5), der von einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kondensator mit Schaltungsmasse verbunden ist, und einen zweiten Induktor (L3), der vom Verstärkungsstufenausgang mit einer Spannungsversorgung des Verstärkers verbunden ist, aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines rauscharmen Verstärkers in Mehrfrequenzbändern, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Verstärken eines Signals, das an einen Eingang des Verstärkers angelegt wird, in einer Verstärkungsstufe; und Verwenden eines Satzes von Elementen eines Eingangsanpassungsnetzes, um eine Eingangsanpassung für den Verstärker in einem ersten Frequenzband bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Elementen einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten Kondensator (C6), die zwischen dem Verstärkereingang und einem Eingang der Verstärkungsstufe in Reihe geschaltet sind, einen ersten Induktor (L4), der von einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kondensator mit Schaltungsmasse verbunden ist, und einen zweiten Induktor (L1), der vom Verstärkungsstufeneingang mit einer Versorgungsspannung des Verstärkers verbunden ist, aufweist; und wenigstens ein Teilsatz des Satzes von Elementen verwendet wird, um eine Eingangsanpassung für den Verstärker in einem zweiten Frequenzband bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste Frequenzband auf etwa 900 MHz zentriert wird und das zweite Frequenzband auf etwa 1,8 GHz zentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner die folgenden Schritte aufweisend; Verwenden eines zweiten Satzes von Elementen eines Ausgangsanpassungsnetzes, um eine Ausgangsanpassung für den Verstärker im ersten Frequenzband bereitzustellen; und Verwenden wenigstens eines Teilsatzes des zweiten Satzes von Elementen, um eine Ausgangsanpassung für den Verstärker im zweiten Frequenzband bereitzustellen.
Rauscharmer Verstärker, aufweisend: eine Verstärkungsstufe zum Verstärken eines Signals, das an einen Eingang des Verstärkers angelegt wird; ein Eingangsanpassungsnetz, das zwischen den Eingang des Verstärkers und einen Eingang der Verstärkungsstufe gekoppelt ist; und ein Ausgangsanpassungsnetz, das zwischen einen Ausgang der Verstärkungsstufe und einen Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsanpassungsnetz gemeinsame Elemente eines einzigen Satzes von Elementen verwendet, um Schmalbandanpassungen sowohl in einem ersten Frequenzband als auch in einem zweiten Frequenzband bereitzustellen, wobei der Satz von Elementen einen ersten Kondensator (C7) und einen zweiten Kondensator (C5), die zwischen dem Verstärkerausgang und dem Verstärkungsstufenausgang in Reihe geschaltet sind, einen ersten Induktor (L5), der von einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Kondensator mit Schaltungsmasse verbunden ist, und einen zweiten Induktor (L3), der vom Verstärkungsstufenausgang mit einer Versorgungsspannung des Verstärkers verbunden ist, aufweist.