DE4104981C1 - Differential amplifier circuit for HF mixer - uses two complementary transistor pairs with common connection of emitters, and collectors connected via capacitors - Google Patents
Differential amplifier circuit for HF mixer - uses two complementary transistor pairs with common connection of emitters, and collectors connected via capacitorsInfo
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Abstract
Description
Zur Differenzverstärkung von Eingangssignalen werden üblicherweise Differenzverstärkerstufen mit zwei bipo laren Transistoren einer Polarität in Emitterschaltung eingesetzt. Die Ausgangsspannung UA eines derartigen Differenzverstärkers ergibt sich zu:For differential amplification of input signals, differential amplifier stages with two bipolar transistors of one polarity are usually used in an emitter circuit. The output voltage U A of such a differential amplifier results in:
wobei I₁ der Quellstrom der Stromquelle, RC der Kollek torwiderstand des Transistors, UIN die Eingangsspannung und UT die Temperaturspannung ist. Die Schaltung ist nur in den Bereichen linear, in denen die tanh-Funktion mit einem geringen Fehler linearisiert werden kann; da die Temperaturspannung UT bei Umgebungsbedingungen ca. 26 mV beträgt, umfaßt der Linearitätsbereich nur wenige Millivolt. Durch Einfügen von Emitterwiderständen in die Emitterleitung der beiden Differenzverstärker-Tran sistoren kann der Linearitätsbereich vergrößert werden; nachteilig bei dieser Schaltung ist jedoch, daß die Emitterwiderstände einen gewissen Spannungsbedarf haben und das Rauschen der Schaltung erhöhen.where I₁ is the source current of the current source, R C the collector resistance of the transistor, U IN the input voltage and U T the temperature voltage. The circuit is linear only in the areas where the tanh function can be linearized with a small error; since the temperature voltage U T is approximately 26 mV under ambient conditions, the linearity range comprises only a few millivolts. The linearity range can be increased by inserting emitter resistors into the emitter line of the two differential amplifier transistors; a disadvantage of this circuit, however, is that the emitter resistors have a certain voltage requirement and increase the noise of the circuit.
Aus der DE-AS 24 16 534 ist eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt; diese als Gegentaktschaltung ausgebildete Transistor schaltung ist zum Umkehren der Stromrichtung in einem Verbraucher vorgesehen und wird zum Ansteuern logischer Schaltungen digital betrieben.From DE-AS 24 16 534 is a circuit arrangement known according to the preamble of claim 1; this transistor designed as a push-pull circuit circuit is for reversing the current direction in one Provides consumers and becomes more logical to control Circuits operated digitally.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 anzugeben, mit der eine bedeutende Erweite rung des Dynamikbereichs einer Differenzverstärkerstufe erzielt werden kann.The invention has for its object a scarf arrangement according to the preamble of the patent to specify claim 1, with a significant extent tion of the dynamic range of a differential amplifier stage can be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features solved in the characterizing part of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments of the invention result from the subclaims.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist als Diffe renzverstärkerstufe einer multiplikativen Hochfrequenz- Mischstufe ausgebildet, bei der die Kollektoren bzw. Drains der Transistoren eines Transistorpaares aus zwei komplementären Transistoren über Kondensatoren mitein ander verbunden sind. Dadurch wird die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung modifiziert; diese Modifikation ist mit einer Verbesserung der Linearität der Schaltungsanordnung verknüpft, so daß auch der Dynamikbereich der Differenzverstärker stufe beträchtlich gesteigert wird.The circuit arrangement according to the invention is as a dif limit amplifier stage of a multiplicative high-frequency Mixing stage designed at which the collectors or Drains of the transistors of a transistor pair of two complementary transistors over capacitors are connected. This will make the relationship between the output voltage and the input voltage modified; this modification is with an improvement linked to the linearity of the circuit arrangement, so that the dynamic range of the differential amplifier level is increased considerably.
Wie die konkrete Rechnung ergibt, wird die Differenz der Kollektorströme bzw. Drainströme der Transistoren eines Transistorpaares und aus diesen Differenzströmen wiederum die Differenz gebildet:As the concrete calculation shows, the difference is the collector currents or drain currents of the transistors of a transistor pair and from these differential currents again formed the difference:
- - Bei komplementären Bipolar-Transistoren ergibt sich daraus als funktionale Abhängigkeit der Aus gangsspannung von der Eingangsspannung eine sinh- Funktion; diese ist wesentlich linear als die tanh-Kurve nach Gleichung (1), überdies wird die Ausgangsspannung nicht mehr durch den Quellstrom der Emitterquelle begrenzt. Zur nochmaligen Stei gerung der Linearisierung können Emitterwiderstände eingesetzt werden.- With complementary bipolar transistors results out of it as a functional dependency output voltage is a sin- Function; this is substantially linear than that tanh curve according to equation (1), moreover the Output voltage no longer through the source current limited the emitter source. To the Stei again Linearization can reduce emitter resistances be used.
- - Bei komplementären Feldeffekt-Transistoren ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen der Ausgangs spannung und der Eingangsspannung, so daß bereits ein idealer linearer Verstärker vorhanden ist.- With complementary field effect transistors results become a linear relationship between the output voltage and the input voltage, so that already an ideal linear amplifier is present.
Die erfindungsgemäße Schaltung soll weiterhin anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben werden.The circuit according to the invention will also be described with reference to FIGS. 1 to 3.
In der Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild der Schal tungsanordnung für den Fall bipolarer Transistoren dar gestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen Vergleiche zwischen einer konventionellen Differenzverstärkerstufe und der erfindungsgemäßen Schaltungsordnung; in der Fig. 2 ist die Ausgangsspannung über der Eingangsspan nung und in der Fig. 3 der Klirrfaktor über der Ein gangsspannung aufgetragen.In Fig. 1, the basic circuit diagram of the circuit arrangement for the case of bipolar transistors is provided. Figs. 2 and 3 show comparisons between a conventional differential amplifier stage and the circuit arrangement according to the invention; in Fig. 2, the output voltage is voltage across the input chip and applied input voltage in FIG. 3, the distortion factor over the A.
Gemäß der Fig. 1 umfaßt das erste Transistorpaar den NPN-Transistor T₁ und den PNP-Transistor T₃, das zweite Transistorpaar den NPN-Transistor T₂ und den PNP-Tran sistor T₄, wobei die zu den Transistoren T₁ bis T₄ kor respondierenden Kollektorströme mit I₁ bis I₄ bezeich net sind. Die Emitter der Transistoren T₁ und T₃ des ersten Transistorpaares sind an einem Knotenpunkt P₁ und die Emitter der Transistoren T₂ und T₄ des zweiten Transistorpaares an einem Knotenpunkt P₂ miteinander verbunden. Mit RE ist der - optional einsetzbare - Emitterwiderstand bezeichnet, der dann zwischen den beiden Knotenpunkten P₁ und P₂ angeordnet ist; UB ist die Basisvorspannung der Transistoren T₁ bis T₄, die Eingangsspannungsquelle UIN steuert die jeweils an einem Knotenpunkt P₃ bzw. P₄ miteinander verbundenen Basen der Transistoren T₁, T₃ bzw. T₂, T₄ eines Transi storpaares.According to FIG. 1, the first pair of transistors comprises the NPN transistor T₁ and the PNP transistor T₃, the second pair of transistors the NPN transistor T₂ and the PNP-Tran sistor T₄, wherein the to transistors T₁ to T₄ kor respondierenden collector currents of I₁ until I₄ are designated. The emitters of the transistors T₁ and T₃ of the first transistor pair are connected at a node P₁ and the emitters of the transistors T₂ and T₄ of the second transistor pair at a node P₂. With R E the - optionally usable - emitter resistor is designated, which is then arranged between the two nodes P₁ and P₂; U B is the base bias of the transistors T₁ to T₄, the input voltage source U IN controls the bases of the transistors T₁, T₃ and T₂, T₄ of a transistor pair, which are connected to each other at a node P₃ or P₄.
Unter der Annahme RE=0 und bei gleichen Transistoren T₁ bis T₄ - insbesondere gleicher Sättigungsstrom - kann aus den Transistorgleichungen folgende Beziehung für die Ströme I₁ bis I₄ abgeleitet werden:Assuming R E = 0 and with the same transistors T₁ to T₄ - in particular the same saturation current - the following relationship for the currents I₁ to I₄ can be derived from the transistor equations:
wobei I₀ der durch die Basisvorspannung UB vorgegebene Kollektor-Ruhestrom der Transistoren ist. Die Ausgangs spannung UA kann an einem Widerstand RC abgegriffen werden und ergibt sich zu: UA=RC · ΔI.where I₀ is the collector bias current of the transistors predetermined by the base bias U B. The output voltage U A can be tapped at a resistor R C and results in: U A = R C · ΔI.
Bei einer Verknüpfung der vier Ströme I₁ bis I₄ gemäß Gleichung (2) ist durch den wesentlich lineareren Ver lauf der sinh-Funktion gegenüber der tanh-Funktion eine Steigerung der Linearität erreichbar, die durch einen Emitterwiderstand RE weiter erhöht werden kann.When the four currents I₁ to I₄ according to equation (2) are linked, an increase in linearity can be achieved by the much more linear course of the sinh function compared to the tanh function, which linearity can be increased further by an emitter resistor R E.
Für den in den Figuren nicht dargestellten Fall, daß als Transistoren der Differenzverstärkerstufe Feldeffekt- Transistoren zum Einsatz kommen, ergibt sich folgende der obigen Gleichung (2) entsprechende - bereits ohne Source-Widerstand inhärent lineare - Beziehung:For the case not shown in the figures that as transistors of the differential amplifier stage field effect If transistors are used, the following results corresponding to equation (2) above - already inherently linear without source resistance - relationship:
wenn der Drainstrom ID jedes Transistors durch ID=B · W/L · (UGS-Uth)² beschrieben werden kann. B ist dabei der Steilheitsfaktor, W/L das Kanal-Weiten-Längen-Ver hältnis und Uth die Schwellspannung.if the drain current I D of each transistor can be described by I D = B * W / L * (U GS -U th ) ². B is the steepness factor, W / L is the channel-width-length ratio and U th is the threshold voltage.
Gemäß der Fig. 1 wird die sich aus Gleichung (2) bzw. Gleichung (3) ergebende Differenz-Beziehung dadurch realisiert, daß die Kollektoren der beiden Transistoren T₁, T₃ bzw. T₂, T₄ eines Transistorpaares jeweils über einen Kondensator C₁ bzw. C₂ verbunden sind. Für Wechsel ströme wird die Differenz der Kollektorströme (I₁- I₃)-(I₂-I₄) bzw. im Falle von Feldeffekttransistoren die Differenz der Drainströme gebildet; die Aus gangsspannung UA kann an den Kollektorwiderständen RC abgegriffen werden.According to the Fig. 1, resulting from the equation (2) or equation (3) difference relationship is realized in that the collectors of the two transistors T₁, T₃ or T₂, T₄ a pair of transistors each via a capacitor C₁ or C₂ are connected. For alternating currents, the difference between the collector currents (I₁- I₃) - (I₂-I₄) or, in the case of field effect transistors, the difference between the drain currents is formed; From the output voltage U A can be tapped at the collector resistors R C.
Die Fig. 2 zeigt einen Vergleich zwischen einer DC- Übertragungskurve bei einer Differenzverstärkerschaltung nach dem Stand der Technik - Kurve (a) - und einer Übertragungskurve der erfindungsgemäßen Schaltung - Kurve (b) -, wobei für beide Schaltungen ein identi scher Emitterwiderstand RE angenommen wurde. Die Ver besserung der Linearisierung gegenüber einer konventio nellen Verstärkerschaltung ist signifikant; bei großen Aussteuerungen wirkt der Emitterwiderstand als begren zungsverhinderndes Element. Fig. 2 shows a comparison between a DC transmission curve in a differential amplifier circuit according to the prior art - curve (a) - and a transmission curve of the circuit according to the invention - curve (b) -, with an identical emitter resistance R E assumed for both circuits has been. The improvement of the linearization compared to a conventional amplifier circuit is significant; in the case of large modulations, the emitter resistor acts as an element preventing the limitation.
In der Fig. 3 ist eine Gegenüberstellung des Klirrfak tors k als Funktion der Eingangsspannung UE für eine Schaltung nach dem Stand der Technik - Kurve kS - und eine erfindungsgemäße Schaltung - Kurve kE - aufgetragen; auch hieraus kann eine deutliche Verbesserung der Linarität, die sich ja im Klirrfaktor manifestiert, abgeleitet werden.In Fig. 3 is a comparison of the Klirrfak is tors k as a function of the input voltage U E is a circuit according to the prior art - plotted curve k S - and a circuit according to the invention - - curve E k; a clear improvement in the linearity, which is manifested in the distortion factor, can also be derived from this.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird in Misch stufen für Hochfrequenz-Schaltungen eingesetzt. Bei spielsweise ist es möglich, einen Differenzverstärker der klassischen Gilbert-Struktur zu ersetzen, um so eine Mischstufe höchster Linearität zu erhalten, was angesichts steigender Senderdichte in Rundfunk- und Fernseh-Netzen von größter Bedeutung ist.The circuit arrangement according to the invention is in mixed stages used for high-frequency circuits. At for example, it is possible to use a differential amplifier to replace the classic Gilbert structure, so to speak to get a mixer of the highest linearity, what in view of increasing transmitter density in broadcasting and Television networks is paramount.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914104981 DE4104981C1 (en) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | Differential amplifier circuit for HF mixer - uses two complementary transistor pairs with common connection of emitters, and collectors connected via capacitors |
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DE19914104981 DE4104981C1 (en) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | Differential amplifier circuit for HF mixer - uses two complementary transistor pairs with common connection of emitters, and collectors connected via capacitors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4104981C1 true DE4104981C1 (en) | 1992-09-17 |
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DE19914104981 Expired - Lifetime DE4104981C1 (en) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | Differential amplifier circuit for HF mixer - uses two complementary transistor pairs with common connection of emitters, and collectors connected via capacitors |
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DE (1) | DE4104981C1 (en) |
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