СХЕМА ДЛЯ ЛИНЕАРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2006 года по МПК H03F1/26 H03F3/19 

Эта заявка имеет приоритет от первоначальной заявки, поданной в Патентное Ведомство США под номером 60/245 707, озаглавленной «Схема для линеаризации электронных устройств», поданной 3 ноября 2000, содержимое которой в ее полноте представлено в данной заявке.

Настоящее изобретение относится к электронным схемам. Более конкретно настоящее изобретение относится к системам и способам для линеаризации электронных устройств, схем и систем.

Высокочастотный тракт системы радиочастотной (РЧ) связи типично включает в себя усилители и смесители. Усилитель высокочастотного тракта приемника служит для усиления принятого РЧ-сигнала, и смесители служат для преобразования с понижением частоты сигнала от высоких РЧ-частот к более низким частотам, более подходящим для обработки и вывода. К сожалению, когда РЧ-усилители и смесители обрабатывают требуемые принятые сигналы в присутствии сильных источников помех, эти сильные источники помех приводят к искажениям, которые могут ухудшить качество полезного сигнала. Продукты искажения, которые попадают в диапазон принятого сигнала, наиболее опасны. Они типично производятся из-за третьей степени нелинейности и называются искажением интермодуляции третьего порядка (IM3). При двух сильных источниках помех с f1 = 1000 МГц и f2 = 1001 МГц, например, продукты искажения интермодуляции будут генерироваться на (2f1 - f2) и (2f2 - f1). Следовательно, для типичных сигналов, центрированных на 1000 МГц и 1001 МГц, сигналы искажения будут центрированы на 999 МГц и 1002 МГц. Если один из этих сигналов входит в диапазон полезного сигнала, это может ухудшить чувствительность приемника.

Обычно трудно достичь низких уровней искажения, поскольку нелинейность третьей степени схемы является свойством усиления, присущим активным устройствам. Как правило, более низкое искажение достигается за счет увеличения потребляемого постоянного тока. Последнее нежелательно, особенно в системе радиосвязи, которая получает электропитание от аккумуляторной батареи, когда более высокий потребляемый ток приводит к более коротким срокам службы аккумулятора и, таким образом, к более короткому времени работы системы (например, времени разговора в сотовых телефонах).

Следовательно, в уровне техники остается потребность в системе или способе улучшения линейности усилителей и смесителей, используемых в РЧ-приемниках и других системах без существенного повышения потребления постоянного тока.

К этой потребности в уровне техники обращены система и способ настоящего изобретения. В показанном применении изобретение реализовано как усилитель радиочастоты. Предлагаемый усилитель включает в себя первый транзистор, имеющий первый, второй и третий выводы. В иллюстративном варианте осуществления первый транзистор является биполярным, причем первый вывод является входом, второй вывод является выходом и третий вывод является общим выводом. Схема линеаризации имеет первый и второй выводы. Первый вывод соединен с общим выводом транзистора, и второй вывод соединен с входом транзистора. Схема линеаризации не мешает усилению транзистором входного РЧ-сигнала. Но, при наличии двух входных сигналов или входной модулированной несущей, схема линеаризации устанавливает управляющее напряжение между входом и общим выводом транзистора равным нулю при разностной частоте этих двух входных сигналов или при частоте модуляции входной модулированной несущей.

В одном варианте осуществления изобретения схема линеаризации представляет собой неинвертирующий буфер с единичным усилением, причем вход соединен с общим выводом транзистора, и выход соединен с входом транзистора. Буфер разработан таким образом, чтобы его усиление было равно единице, и его выходное сопротивление было низким при разностной частоте этих двух входных сигналов, или при частоте модуляции входной модулированной несущей. Это приводит к тому, что напряжение на входе транзистора повторяет напряжение на общем выводе при этих низких частотах. Усиление буфера будет достаточно низким, а его выходное сопротивление будет высоким в диапазоне рабочей частоты усилителя, что позволяет транзистору усиливать входные сигналы в этом диапазоне.

В другом варианте осуществления изобретения схема линеаризации включает в себя неинвертирующий буфер с единичным усилением, который имеет вход и выход, и радиочастотную дроссельную катушку. Вход буфера соединен с общим выводом транзистора, а выход соединен с первым выводом дроссельной катушки. Второй вывод дроссельной катушки соединен с входом транзистора. В соответствии с предлагаемым осуществлением изобретения дроссельная катушка имеет высокое сопротивление в диапазоне рабочей частоты усилителя и, таким образом, изолирует выход буфера от входа усилителя в этом диапазоне. Дроссельная катушка имеет низкое сопротивление при частоте, равной разности частот этих двух входных сигналов, или при частоте модуляции входной модулированной несущей. Таким образом, дроссель не препятствует тому, чтобы буфер вынуждал напряжение на входе транзистора повторять напряжение на общем выводе при упомянутых частотах.

В альтернативных вариантах осуществления показанная схема обеспечивает смещение по постоянному току на входе транзистора. В другом альтернативном варианте осуществления схема линеаризации (СЛ) состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора, которые соединяют между собой общий вывод и вход транзистора. Эта последовательная схема (СЛ) действует как разомкнутая цепь в диапазоне рабочей частоты усилителя и как шунтирующая по переменному току цепь при частоте, равной разности частот этих двух входных сигналов, или при частоте модуляции входной модулированной несущей.

В еще одном варианте осуществления схема линеаризации состоит из первой и второй схем последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора. Первая последовательная схема соединяет между собой общий вывод транзистора и «землю», и вторая последовательная схема соединяет между собой вход транзистора и «землю».

Предлагаемый способ обеспечивает улучшенную линейность и минимальное искажение третьего порядка в усилителях, смесителях и других схемах, используемых в высокочастотных схемах и системах.

Фиг. 1а показывает график зависимости выходной мощности от входной мощности для типичного усилителя, показывающий точку пересечения третьего порядка между линейно экстраполируемой выходной мощностью, соответствующей основным сигналам, и линейно экстраполируемой выходной мощностью, соответствующей искажениям из-за интермодуляции третьего порядка, к которым они приводят.

Фиг. 1b - типичный РЧ-усилитель.

Фиг. 1c - график зависимости выходного напряжения от частоты для типичного РЧ-усилителя на фиг. 1а, показывающий основные тоны при f1 и f2 и искажения 2-го и 3-го порядка, к которым они приводят.

Фиг. 2 - схематическое представление средства для уменьшения интермодуляционных помех третьего порядка, созданного в соответствии с известным уровнем техники.

Фиг. 3 - упрощенное схематическое представление линеаризованной схемы, которая включает в себя схему линеаризации, предназначенную для уменьшения искажений интермодуляции третьего порядка в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 показывает линеаризованную схему со схемой линеаризации, осуществленной как неинвертирующий буфер с единичным усилением.

Фиг. 5 подобна фиг. 4 за исключением того, что дроссельная катушка помещается между выходом буфера с единичным усилением и базой Q1.

Фиг. 6 подобна фиг. 5 за исключением того, что средство для обеспечения смещения по постоянному току помещается между выводами схемы линеаризации.

Фиг. 7 подобна фиг. 6 за исключением того, что база Q2 соединена с выходом буфера с единичным усилением.

Фиг. 8 подобна фиг. 7 за исключением того, что эмиттерный повторитель Q3 заменяет буфер с единичным усилением в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 9 изображает первый альтернативный вариант осуществления линеаризованной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 10 изображает второй альтернативный вариант осуществления линеаризованной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

Показанные варианты осуществления и типичные применения теперь будут описаны со ссылкой к сопроводительным чертежам для того, чтобы раскрыть преимущества настоящего изобретения.

Уровень продукта искажения интермодуляции третьего порядка (IM3), сгенерированного нелинейным устройством при маленьких уровнях входной мощности, обычно оценивается точкой пересечения третьего порядка (ТПТП), измеренной при двухтональном входном сигнале. Это проиллюстрировано на фиг. 1а и 1b.

Фиг. 1а представляет график зависимости выходной мощности от входной мощности для типичного РЧ-усилителя, показывающий точку пересечения третьего порядка между экстраполируемой выходной мощностью, соответствующей основным тонам, и экстраполируемой выходной мощностью, соответствующей искажениям интермодуляции, к которым они приводят. Когда два основных тона (f1 и f2), представляющие два источника помех, применяются к транзистору, его нелинейные характеристики производят ложный отклик (побочный сигнал приема) в выходном напряжении. Это изображено на фиг. 1b.

Фиг. 1b представляет график зависимости выходного напряжения от частоты для типичного РЧ-усилителя фиг. 1а, показывающий основные тоны при f1 и f2 и искажения 2-го и 3-го порядка, к которым они приводят. Подобные продукты искажения будут сгенерированы во входном напряжении усилителя из-за его нелинейного входного сопротивления. При одновременном применении основных тонов к типичному РЧ-усилителю смешанный элемент второго порядка при f2 - f1, появляющийся во входном напряжении, модулирует смещение усилителя, и добавляет к IM3 продукты искажения при 2f1 - f2 и 2f2 - f1, появляющиеся в выходном напряжении.

Для предотвращения генерации элемента смешивания разностной частоты во входном напряжении входная цепь смещения типично разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить очень низкое сопротивление при частоте модуляции (f2 - f1). Пример такой цепи смещения показан на фиг. 2.

Фиг. 2 - схематическое представление средства для уменьшения интермодуляционных помех, созданное в соответствии с обычным применением. На фиг. 2, у транзистора Q1 соединяют эмиттер с «землей» через схему 12 эмиттерной отрицательной обратной связи. Схема 12 эмиттерной отрицательной обратной связи не всегда требуется и показывается для общего случая. Цепь 14 смещения производит смещение входного постоянного напряжения, которое применяется к базе транзистора Q1.

Разработано, чтобы сопротивление со стороны выхода цепи 14 смещения, было очень маленьким при низких частотах и, особенно, при разностной частоте (f2 - f1). Таким образом, основные продукты искажения напряжения при этой частоте значительно уменьшены. Разработано, чтобы выходное сопротивление цепи 14 смещения было намного выше, чем входное сопротивление транзистора в диапазоне рабочей частоты для того, чтобы предотвратить шунтирование входного РЧ-сигнала выходом цепи смещения.

Подход, принятый на фиг. 2, является типичным способом проектирования усилителей радиочастоты с низким искажением так, чтобы усилители не модулировались с помощью входных источников помех. К сожалению, при таком подходе, хотя модуляция с помощью (f2 - f1) запрещена на входе схемы (на базе транзистора Q1), эмиттер свободен для модулирования, если схема эмиттерной отрицательной обратной связи имеет сопротивление, отличное от нуля при частоте модуляции.

Ток коллектора Q1 изменяется при изменении V_be нелинейным образом. Компонент тока коллектора, который зависит только от возведенного в квадрат напряжения база-эмиттер V_be  ², называют нелинейностью второй степени. Она смешивает вместе основные тоны во входном напряжении и генерирует продукты искажения второго порядка. В частности, будет появляться продукт искажения при разностной частоте f2 - f1, который особенно будет создавать проблемы. Если схема эмиттерной отрицательной обратной связи имеет почти нулевое сопротивление при (f2 - f1), то ток искажения при (f2 - f1) не будет создавать падения напряжения на ней, и переход база-эмиттер Q1 не будет модулироваться и будет достигнут низкий уровень искажений IM3. Если схема эмиттерной отрицательной обратной связи имеет ненулевое сопротивление при (f2 - f1), то продукт разностной частоты тока коллектора создает f2 - f1 ложный отклик в эмиттерном напряжении V_e. Даже при том, что напряжение базы V_b ≈ 0 при f2 - f1, ненулевой V_e при f2 - f1 модулирует V_be, добавляя к искажению третьего порядка.

Настоящее изобретение обеспечивает систему и способ поддержания напряжения база-эмиттер V_be биполярного плоскостного транзистора постоянным при разностной частоте (f2 - f1) и сокращения IM3 искажения.

Фиг. 3 - упрощенное схематическое представление линеаризованной РЧ-схемы 10', имеющей средство для уменьшения искажений интермодуляции в соответствии с раскрытием настоящего изобретения. Схема 10' на фиг. 3 подобна схеме 10 на фиг. 2 за исключением того, что цепь 14 смещения заменена схемой 14' линеаризации с двумя выводами, один из которых соединен с эмиттером Q1, а другой соединен с базой Q1. Назначением схемы линеаризации 14' является сделать напряжение база-эмиттер V_be равным нулю при разностной частоте (f2 - f1). Схема линеаризации разработана таким образом, что она не мешает Q1 усиливать входной РЧ-сигнал.

Фиг. 4 показывает линеаризованную схему 10'' настоящего изобретения со схемой 14'' линеаризации, осуществленной как неинвертирующий буфер 15''с единичным усилением. Вход буфера соединен с эмиттером Q1, а выход соединен с базой Q1. Буфер разработан таким образом, чтобы при разностной частоте (f2 - f1) его усиление было единицей, а его выходное сопротивление было низким. Это вынуждает напряжение на базе Q1 повторять эмиттерное напряжение Q1, что приводит к нулевому напряжению V_be при этой частоте. При частотах входных сигналов f1 и f2 усиление буфера достаточно низко, и его выходное сопротивление является высоким, что дает возможность их усиления с помощью Q1.

Требование к выходному сопротивлению буфера, чтобы оно было низким при низких частотах и высоким при высоких частотах, может быть выполнено, если выходное сопротивление будет индуктивным. Существует несколько подходов, чтобы достичь эту задачу. Самый простой способ - добавить индуктивную дроссельную катушку последовательно с выходом буфера, которая имеет низкое сопротивление в широком диапазоне частот, как показано на фиг. 5. Другой возможный подход состоит в том, чтобы получить буфер с единичным усилением как "активную катушку индуктивности (индуктор)".

Фиг. 5 подобна фиг. 4 за исключением того, что дроссельная катушка L установлена между выходом буфера 15''' с единичным усилением и базой Q1. Так как катушка L индуктивности оказывается разомкнутой цепью при РЧ-частотах, изолируя вывод буфера с единичным усилением от базы Q1, выходное сопротивление буфера больше не должно быть высоким при этих частотах. При разностной частоте (f2-f1) катушка L индуктивности имеет очень низкое сопротивление, которое не препятствует буферу вынуждать напряжение на базе Q1 повторять его эмиттерное напряжение. Буфер все же должен иметь низкое сопротивление при разностной частоте, чтобы шунтировать продукты искажения на базе Q1.

Чтобы установить требуемую точку смещения транзистора, схема 14''' линеаризации должна иметь смещение по постоянному току между ее выводами. Более конкретно, вывод, который соединен с базой Q1, должен иметь более высокий потенциал, чем вывод, соединенный с эмиттером Q1. Фиг. 6, 7 и 8 показывают, как данное изобретение можно использовать в комбинации с требуемой цепью смещения V_be.

Фиг. 6 показывает линеаризованную схему 20 настоящего изобретения со средством для обеспечения смещения по постоянному току между выводами схемы 24 линеаризации. Буфер 25 с единичным усилением заставляет постоянное напряжение на базе Q2, которое устанавливается эталонным током I_ref, появляться на базе Q1. Следовательно, V_be Q1 равен V_be Q2 при постоянном токе или при токе, близком к постоянному. Если Q1 и Q2 имеют равную эмиттерную область, то они оба будут потреблять одинаковый постоянный ток, т.е. I_ref. Однако типично эмиттерная область Q2 (которую часто называют эталонным блоком) в n раз меньше, чем эмиттерная область Q1. В этом случае Q1 потребляет постоянный ток n I_ref. Ток I_ref подается от источника 26 тока, таким как p-канальный металл-окисел-полупроводник (P-MOS) транзистор с фиксированным напряжением исток-затвор.

При работе Q2 действует как диод со смещением уровня. При применении двух тонов к Q1, в эмиттерном напряжении Q1 будет появляться продукт смешивания (f2 - f1). Этот продукт будет сдвинут по уровню постоянного тока с помощью Q2 и затем передан буфером 25 с единичным усилением на его выход. Катушка L индуктивности будет действовать как шунтирующая цепь при (f2 - f1), передавая выход буфера непосредственно к базе Q1. Таким образом, напряжение базы Q1 вынуждено повторять эмиттерное напряжение Q1 при (f2 - f1), приводя к постоянному V_be. При РЧ-частотах катушка L индуктивности оказывается разомкнутой цепью, и эмиттерное напряжение Q1 изолировано от базы Q1, что позволяет, чтобы Q1 действовал как «преобразующий проводник», то есть преобразовывал входное РЧ-напряжение через переход база-эмиттер в выходной РЧ-ток.

Одним из недостатков подхода со смещением по постоянному току на фиг. 6 является то, что не весь эталонный ток (ток опорного сигнала) I_ref идет через коллектор Q2, но только та его часть, которая остается после поставки Q2 тока базы I_b,Q2. Таким образом, ток коллектора, потребляемый Q1, равен n (I_ref - I_b,Q2). Поскольку I_b,Q2=I_ref/β, где β является прямым усилением по постоянному току Q2, постоянный ток коллектора Q1 равен n I_ref(1 - 1/β), т.е. является функцией от коэффициента усиления по току Q2. Последний значительно (50% или больше) изменяется при изменении процесса и температуры, вызывая изменение постоянного тока Q1.

Схема на фиг. 7 подобна схеме фиг. 6 за исключением того, что база Q2 соединена с выходом буфера 25' с единичным усилением. При условии, что входное сопротивление буфера очень высоко, весь ток I_ref течет через коллектор Q2. Постоянный ток коллектора Q1 в таком случае равен точно n I_ref. Другое преимущество схемы линеаризации на фиг. 7 состоит в том, что буфер 25' с единичным усилением и транзистор Q2 формирует петлю отрицательной обратной связи, которая уменьшает выходное сопротивление буфера в (1+A_OL). A_OL является коэффициентом усиления при разомкнутой петле, вычисленным как усиление по напряжению от базы Q2 к его коллектору.

Схема на фиг. 8 подобна схеме на фиг. 7 за исключением того, что буфер 25'' с единичным усилением осуществлен как эмиттерный повторитель Q3. На фиг. 8 Q2 и Q3 соединены в конфигурацию токового зеркала, причем Q2 является эталонным блоком токового зеркала, а Q3 является "вспомогательным усиливающим блоком". Q2, Q3 и источник тока I_ref действуют как буфер 15''' с единичным усилением на фиг. 5 со сдвигом входа по постоянному току. Эмиттер Q2 является входом, а эмиттер Q3 является выходом буфера с низким сопротивлением. Из-за Q3, который обеспечивает закрытый контур обратной связи по постоянному току вокруг Q2, будет существовать различие в напряжениях между базой и эмиттером Q2, которое действует как смещение по постоянному току, которое требуется для Q2, чтобы проводить ненулевой ток I_ref. То же самое постоянное напряжение применяется к переходу база-эмиттер Q1, устанавливая его постоянный ток коллектора в n I_ref.

Фиг. 9 и 10 изображают альтернативные варианты осуществления линеаризованной схемы настоящего изобретения. На схеме фиг. 9 схема 34 линеаризации осуществлена как последовательно соединенные конденсатор C и РЧ дроссельная катушка индуктивности, расположенные между базой и эмиттером транзистора Q1. Конденсатор C должен быть достаточно большим, чтобы создать тракт низкого сопротивления между базой и эмиттером Q1 при низких частотах. Смещение для Q1 генерируется другой схемой, которая не показана на фиг. 9 для обобщения. Принцип линеаризации схемы на фиг. 9 базируется на конденсаторе C и катушке L индуктивности, которые замыкают по переменному току базу и эмиттер Q1 при низких частотах и, конкретно, при разностной частоте (f2 - f1). При РЧ-частотах, высокое сопротивление катушки L индуктивности предотвращает замыкание базы и эмиттера Q1 по переменному току конденсатором C, и Q1 действует как «преобразующий проводник».

На фиг. 10, схема 34' линеаризации состоит из первой последовательной LC-схемы L1/C1, которая соединяет между собой эмиттер Q1 и «землю», и второй последовательной LC-схемы L2/C2, которая соединяет между собой базу Q1 и «землю». Конденсаторы C1 и C2 являются блокировочными по постоянному току конденсаторами, емкость которых должна быть достаточно большой, чтобы гарантировать низкое сопротивление к «земле» при разностной частоте (f2-f1). Так как катушки L1 и L2 индуктивности почти шунтируют по постоянному току при f2-f1, эмиттер и база Q1 отдельно сохраняются постоянными при f2-f1 с помощью соответственно конденсаторов C1 и C2. Следовательно, V_be также является постоянным. Выходом Q1 является его коллектор. Различием в подходе на фиг. 10 является то, что нет соединения между эмиттером и базой Q1 в схеме 34' линеаризации.

Таким образом, настоящее изобретение было описано со ссылкой к конкретному варианту осуществления для конкретного применения. Специалисты, прочитавшие описание настоящего изобретения, распознают дополнительные модификации, применения и варианты осуществления предлагаемого изобретения. Например, транзистор Q1 может быть каскадным транзистором, и схема эмиттерной отрицательной обратной связи может быть «преобразующим проводником», изобретение может работать с РЧ-смесителем или другой схемой, и/или транзистор Q1 мог быть входным транзистором усилителя или активного смесителя. Кроме того, изобретение не ограничено воплощением биполярного плоскостного транзистора. Биполярные гетеротранзисторы (HBT) или полевые транзисторы, такие как канальный полевой униполярный МОП-транзистор (MOSFET), полевой транзистор PN-перехода, полевой транзистор с барьером Шотки (MESFET) и транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), могут использоваться, не отступая от формы настоящего обучения.

Таким образом, представленная ниже формула изобретения предназначена для того, чтобы охватить предлагаемое изобретение в его полном объеме.

Изобретение относится к системам радиочастотной связи для линеаризации электронных устройств. Технический результат заключается в улучшении линейности усилителей и смесителей, используемых в приемниках. Схема линеаризации для уменьшения искажений в адаптивно соединенном транзисторе, подверженном воздействию источниками помех, причем данная схема линеаризации действует в присутствии источников помех таким образом, чтобы вызвать управляющее напряжение по входу и общему выводу транзистора, чтобы был по существу ноль по меньшей мере на одной из: (i) разностной частоте двух входных сигналов, подаваемых к транзистору и (ii) частоте модуляции входной несущей, подаваемой к транзистору, содержащая первую последовательную LC-схему, соединяющую общий вывод транзистора и "землю", и вторую последовательную LC-схему, соединяющую вход транзистора и "землю". 12 ил.

Схема линеаризации для уменьшения искажений в адаптивно соединенном транзисторе, подверженном воздействию источниками помех, причем данная схема линеаризации действует в присутствии источников помех таким образом, чтобы вызвать управляющее напряжение по входу и общему выводу транзистора, чтобы был по существу ноль по меньшей мере на одной из: (i) разностной частоте двух входных сигналов, подаваемых к транзистору, и (ii) частоте модуляции входной несущей, подаваемой к транзистору, содержащая первую последовательную LC-схему, соединяющую общий вывод транзистора и "землю", и вторую последовательную LC-схему, соединяющую вход транзистора и "землю".