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Title:
ELECTRICAL CIRCUIT FOR TRANSMITTING A USEFUL ANALOGUE SIGNAL, WITH A SWITCH AND A COMPENSATION CIRCUIT FOR COMPENSATING SIGNAL DISTORTIONS WHEN THE SWITCH IS SWITCHED OFF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/001161
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrical circuit (1) for transmitting a useful analogue signal, which has a signal transmission path (16) with an input path (2) and an output path (3) and at least one switch (6), with which the useful signal which is carried on the input path (2) can be connected through to the output path (3) or the signal transmission path (16) can be interrupted. According to the invention, a compensation circuit (4) which substantially compensates for a distortion of the useful analogue useful signal generated by the at least one switch (6) when it is switched off (OFF) is provided, wherein the compensation circuit (4) is connected to a control terminal (G) of the at least one switch (6) and comprises at least one non-linear capacitance.

Inventors:
MEIER THOMAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/066960
Publication Date:
January 07, 2021
Filing Date:
June 18, 2020
Export Citation:
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Assignee:
MEIER THOMAS (DE)
International Classes:
H03K17/16
Foreign References:
DE4239551A11993-06-03
DE4037292A11991-06-06
US20170272066A12017-09-21
DE102016121865A12018-05-17
EP2017076986W2017-10-23
Attorney, Agent or Firm:
KEILITZ HAINES & PARTNER PATENTANWÄLTE PARTGMBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrische Schaltung (1 ) zum Übertragen eines analogen Nutzsignals, die einen Signalübertragungspfad (16) mit einem Eingangspfad (2) und einem

Ausgangspfad (3) und wenigstens einen Schalter (6) aufweist, mit dem das auf dem Eingangspfad (2) geführte Nutzsignal auf den Ausgangspfad (3)

durchgeschaltet oder der Signalübertragungspfad (16) unterbrochen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Kompensationsschaltung (4) vorgesehen ist, die eine von dem wenigstens einen Schalter (6) im ausgeschalteten Zustand (OFF) erzeugte Verzerrung des analogen Nutzsignals im Wesentlichen kompensiert, wobei die

Kompensationsschaltung (4) wenigstens eine nicht-lineare Kapazität umfasst, die über einen Kondensator (8) an einem Steueranschluss (G) des wenigstens einen Schalters (6) angeschlossen ist.

2. Elektrische Schaltung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-lineare Kapazität einen oder mehrere Varaktoren (5) umfasst.

3. Elektrische Schaltung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die nicht-lineare Kapazität einen oder mehrere Transistoren, insbesondere MOSFETs (5), umfasst.

4. Elektrische Schaltung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Signalübertragungspfad (16) mehre in Serie angeordnete Schalter (6) vorgesehen sind, die jeweils einen Steueranschluss (G) aufweisen, wobei am Steueranschluss (G) jedes Schalters (6) jeweils eine separate Kompensationsschaltung (4) angeschlossen ist.

5. Elektrische Schaltung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Signalübertragungspfad (16) mehre in Serie angeordnete Schalter (6) vorgesehen sind, die jeweils einen Steueranschluss (G) aufweisen, wobei an den Steueranschlüssen (G) der Schalter (6) eine allen Schaltern (6) gemeinsam zugeordnete Kompensationsschaltung (4)

angeschlossen ist.

6. Elektrische Schaltung (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (4) mehrere Varaktoren (5) oder mehrere Transistoren (12) umfasst, die in Serie geschaltet sind.

Description:
Elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsiqnals mit einem Schalter und einer Kompensationsschaltunq zum Kompensieren von

Siqnalverzerrunqen im ausqeschalteten Zustand des Schalters

FACHGEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals auf einem Signalübertragungspfad, in dem ein oder mehrere Schalter angeordnet sind, mit dem bzw. denen das auf dem Eingangspfad geführte

Nutzsignal auf den Ausgangspfad durchgeschaltet werden kann.

Elektrische Schaltungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, werden im Bereich der mobilen Telekommunikation dazu eingesetzt, ein analoges Nutzsignal von einem Eingang zu einem Ausgang zu übertragen bzw. den Ausgang von der Signalquelle zu trennen. Bei dem Nutzsignal handelt es sich typischerweise um ein hochfrequentes moduliertes Signal, das z. B. Sprach- oder Bildinformationen enthält.

Als Schalter werden in der Regel Analogschalter, wie z. B. Feldeffekttransistoren benutzt, da sie insbesondere geringe Durchgangsverluste, eine schnelle

Umschaltfähigkeit und eine hohe Isolation des abgeschalteten Pfades bieten. Es kommen aber auch Dioden, insbesondere PIN-Dioden, zum Einsatz. Durch Anlegen einer Steuerspannung (beim Feldeffekttransistor) oder eines

Steuerstroms (bei der PIN-Diode) wird der Schalter in den hoch- oder

niederohmigen Teil der Kennlinie gebracht.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Schaltung 1 zum Übertragen eines analogen Nutzsignals, das von einer schematisch dargestellten Signalquelle 13, wie z. B. einen Sender-Empfänger (Transceiver) erzeugt und an eine am Ausgang (im Bild rechts) dargestellte elektrische Last 1 1 , z.B. einer Antenne, übertragen wird. Bei dem analogen Nutzsignal kann es sich beispielsweise um ein hochfrequentes, moduliertes Signal handeln, das beispielsweise Sprach- oder Bildinformationen enthält.

Die elektrische Schaltung 1 hat verschiedene Signalübertragungspfade 16, die zur Übertragung von Nutzsignalen in unterschiedlichen Frequenzbändern vorgesehen sind. Jeder Signalübertragungspfad 16 umfasst einen Eingangspfad 2 und einen Ausgangspfad 3. Die Schaltung 1 ist für eine bidirektionale Signalübertragung ausgelegt, daher können beide Pfade abhängig vom Betriebsmodus entweder der Eingangspfad oder der Ausgangspfad sein. Im Sendemodus ist der im Bild links dargestellte Pfad der Eingangspfad 2 und der rechte Pfad der Ausgangspfad 3, im Empfangsmodus ist es umgekehrt.

Jeder Signalübertragungspfad 16 umfasst einen Schalter 6, mittels dessen das auf dem Eingangspfad 2 geführte Nutzsignal auf den Ausgangspfad 3 (im

Sendemodus beispielsweise von links nach rechts) durchgeschaltet werden kann bzw. mittels dessen der Eingangspfad 2 vom Ausgangspfad 3 entkoppelt werden kann. Um das analoge Nutzsignal auf den Ausgang durchzuschalten, wird der Schalter 6 in den niederohmigen Zustand (ON) gebracht. Zum Trennen des Eingangspfads 2 vom Ausgangspfad 3 wird der Schalter 6 in den hochohmigen Zustand (OFF) gebracht.

Bei dem genannten Schalter 6 kann es sich beispielsweise um einen Transistor, wie z. B. einen Feldeffekttransistor oder eine Diode, insbesondere eine PIN-Diode, handeln. Abhängig von der zu übertragenden Leistung kann anstelle eines einzelnen Transistors oder einer einzelnen Diode auch eine Serienschaltung mehrerer Transistoren oder Dioden als Schalter 6 vorgesehen sein. Befindet sich ein solcher Schalter 6 im niederohmigen, d. h. ausgeschalteten Zustand, stellt er im Wesentlichen einen nicht-lineare Kapazität C dar. Im eingeschalteten Zustand (ON) wirkt der Schalter 6 im Wesentlichen als Widerstand R.

Bekannte Feldeffekttransistoren haben im ausgeschalteten Zustand (OFF) eine Kapazitäts-Kennlinie, wie sie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Kapazität Coff eines Feldeffekttransistors über der Drain-Source- Spannung Vds, die hier beispielhaft eine Linkskrümmung aufweist, jedoch sind auch Kennlinien mit Rechtskrümmung möglich (gestrichelte Linie). Aufgrund der nicht-linearen Kennlinie erzeugt der Feldeffekttransistor im ausgeschalteten Zustand (OFF) eine Verzerrung, die das auf einem anderen

Signalübertragungspfad 16 übertragene Nutzsignal überlagert. Das analoge Nutzsignal wird dadurch verzerrt, was sich negativ auf die Übertragungsqualität auswirkt. Gleiches gilt auch im Falle von PIN-Dioden als Schalter 6.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals auf einem Signalübertragungspfad zu schaffen, der einen Eingangspfad und einen Ausgangspfad umfasst, die mittels wenigstens eines Schalters elektrisch verbunden oder voneinander getrennt werden können, wobei die elektrische Schaltung im ausgeschalteten Zustand des wenigstens einen Schalters eine wesentlich geringere Verzerrung des analogen Nutzsignals verursacht.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind

Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals auf einem Signalübertragungspfad vorgeschlagen, die einen oder mehrere Schalter aufweist, mit dem bzw. denen das auf einem Eingangspfad geführte Nutzsignal auf einen Ausgangspfad durchgeschaltet werden kann.

Gemäß der Erfindung umfasst die elektrische Schaltung eine

Kompensationsschaltung, die eine von dem wenigstens einen Schalter im ausgeschalteten Zustand (OFF) erzeugte Verzerrung des analogen Nutzsignals im Wesentlichen kompensiert, wobei die Kompensationsschaltung an einem Steueranschluss des wenigstens einen Schalters angeschlossen ist und wenigstens eine nicht-lineare Kapazität umfasst.

Wie vorstehend beschrieben wurde, können als Schalter z. B. Transistoren, insbesondere FET-Transistoren, oder Dioden, insbesondere PIN-Dioden, eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst vorzugsweise mehrere Signalübertragungspfade, die für die Übertragung von Nutzsignalen in

verschiedenen Frequenzbändern vorgesehen sind. Jeder Signalübertragungspfad umfasst in diesem Fall vorzugsweise wenigstens einen Schalter zum

Durchschalten bzw. Unterbrechen des Signalübertragungspfads.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die in der

Kompensationsschaltung enthaltene nicht-lineare Kapazität einen oder mehrere Varaktoren oder einen oder mehrere Transistoren, insbesondere FETs.

Die nicht-lineare Kapazität kann beispielsweise über einen Kondensator mit dem Steueranschluss (z. B. Gate) des wenigstens einen Schalters verbunden sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die

Kompensationsschaltung mehrere in Serie geschaltete Varaktoren oder

Transistoren.

Die vorstehend genannten Schalter können grundsätzlich als einzelnes Element oder als Serienschaltung mehrerer Elemente, z.B. mehrere in Serie geschaltete Transistoren oder Dioden, realisiert sein. Im Falle einer Serienschaltung kann wahlweise an jedem Steueranschluss der einzelnen Elemente eine separate Kompensationsschaltung angeschlossen ist. Es kann aber auch eine einzige Kompensationsschaltung an den Steueranschlüssen der Elemente angeschlossen sein, die allen Elementen gemeinsam zugeordnet ist. Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung kann auch beliebige

Kombinationen der vorstehend genannten Ausführungsformen umfassen.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Schaltung mehrere Eingangspfade und mehrere Ausgangspfade, die mittels Schaltern wahlweise elektrisch miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt werden können. In jedem möglichen Signalübertragungspfad ist wenigstens ein Schalter vorgesehen, so dass das auf einem der Eingangspfade geführte

Nutzsignal auf einen beliebigen der Ausgangspfade durchgeschaltet werden kann. Bei einer solchen Ausführungsform ist vorzugsweise für jeden möglichen

Signalübertragungspfad wenigstens eine Kompensationsschaltung vorgesehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals in einem mobilen Endgerät, mit einer Kompensationsschaltung zum Kompensieren von Verzerrungen im Nutzsignal;

Fig. 2 Kapazitätskennlinien bekannter Feldeffekttransistoren;

Fig. 3 eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals mit einer Kompensationsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der

Erfindung;

Fig. 4 eine Kapazitätskennlinie eines bekannten Varaktors;

Fig. 5 eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals mit einer Kompensationsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6 eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals mit einer Kompensationsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals mit einer Kompensationsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals mit einer Kompensationsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der

Erfindung;

Fig. 9 eine elektrische Schaltung zum Übertragen eines analogen Nutzsignals mit einer Kompensationsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der

Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFUHRUNGSFORMEN

Bezüglich der Erläuterung der Figuren 1 und 2 wird auf die

Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 3 zeigt eine elektrische Schaltung 1 zum Übertragen eines analogen

Nutzsignals gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltung von Fig. 3 ist im Wesentlichen identisch aufgebaut wie die Schaltung von Fig. 1 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen. Gleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Gegenüber Fig. 1 umfasst die Schaltung von Fig. 3 zusätzlich eine

Kompensationsschaltung 4, die eine vom Schalter 6 im ausgeschalteten Zustand (OFF) erzeugte Verzerrung des analogen Nutzsignals im Wesentlichen kompensiert. Die Kompensationsschaltung 4 umfasst hierzu wenigstens eine nicht-lineare Kapazität 15, die an einem Steueranschluss (Gate G) des Schalters 6 angeschlossen ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die nicht-lineare Kapazität 15 mehrere in Serie geschaltete Varaktoren 5. Jedem Varaktor 5 ist ein Widerstand R1 -R3 parallelgeschaltet. Die gesamte Kompensationsschaltung 4 ist ferner an einem Referenzpotential, hier Masse, angeschlossen.

Der im oberen Signalübertragungspfad 16 angeordnete Schalter 6 umfasst ebenfalls eine solche Kompensationsschaltung 4 mit einer nicht-linearen Kapazität 15 (nicht dargestellt), so dass auch die von diesem Schalter 6 im ausgeschalteten Zustand (OFF) verursachte Signalverzerrung kompensiert werden kann.

Die Schaltung 1 von Fig. 3 enthält außerdem eine zweite Kompensationsschaltung 7, die eine von den Schaltern 6 im eingeschalteten Zustand (EIN) erzeugte

Verzerrung des analogen Nutzsignals kompensiert. Diese

Kompensationsschaltung 7 wird in der DE 10 2016 121 865 A1 und in der

PCT/EP2017/076986 beschrieben, auf die hier vollumfänglich Bezug genommen wird.

Fig. 4 zeigt die Kapazitätskennlinie einer nicht-linearen Kapazität 15 in

Abhängigkeit von der Steuerspannung Vgs sowie den genutzten Bereichen A oder B der Kennlinie. Die Krümmung der Kennlinie ist entgegengesetzt der Krümmung der Kapazitätskennlinie des Schalters 6. Je nach Krümmung der Kennlinie des Schalters 6 kommt also Bereich A oder B der Kennlinie des Varaktors zum

Einsatz. Die entgegengesetzte Krümmung erzeugt eine um 180 Grad versetzte Verzerrung sodass mit optimaler Dimensionierung die Verzerrung durch den Schalter 6 im OFF Zustand im Wesentlichen kompensiert werden kann.

Abhängig von der zu übertragenden Signalleistung und Linearitätsanforderungen werden die Schalter 6 typischerweise nicht als Einzelelemente, sondern als eine Serienschaltung mehrerer Elemente, wie z. B. mehrere Transistoren oder Dioden, realisiert. Fig. 5 zeigt eine solche elektrische Schaltung 1 zum Übertragen eines analogen Nutzsignals, bei der die Schalter 6 jeweils als eine Serienschaltung aus mehreren Transistoren 14 ausgeführt sind. Jeder Transistor 14 hat einen

Steueranschluss G, an dem jeweils eine Kompensationsschaltung 4

angeschlossen ist. Im Falle von N Transistoren 14 gibt es demnach N

Kompensationsschaltungen 4. Die einzelnen Kompensationsschaltungen 4 umfassen hier jeweils mehrere in Serie geschaltete Varaktoren 5, wie vorstehend beschrieben.

Die Kompensationsschaltungen 4 sind jeweils über einen Koppelkondensator 8 am Steueranschluss G des zugehörigen Transistors 14 angeschlossen. An jedem Transistor 14 ist ferner eine Steuerleitung mit einem Widerstand 9 angeschlossen, über die der jeweilige Transistor 14 angesteuert wird.

Anstatt jedem der Transistoren 14 eine eigene Kompensationsschaltung 4 zuzuordnen, kann auch eine einzige Kompensationsschaltung 4 vorgesehen sein, die allen Transistoren 14 gemeinsam zugeordnet ist. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist die Kompensationsschaltung 4 mit sämtlichen

Steueranschlüssen G der Transistoren 14 über jeweils einen Widerstand R verbunden.

Fig. 7 zeigt eine elektrische Schaltung 1 zum Übertragen eines analogen

Nutzsignals, die im Wesentlichen identisch aufgebaut ist wie die Schaltung 1 von Fig. 3. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher auf die Beschreibung von Fig. 3 verwiesen.

Die Schaltung 1 von Fig. 7 enthält eine Kompensationsschaltung 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Anstelle von Varaktoren 5 umfasst die Kompensationsschaltung 4 in diesem Fall mehrere in Serie geschaltete

Transistoren 12. Die einzelnen Transistoren 12 erzeugen wiederum ein Störsignal, das der von den Schaltern 6 erzeugten Verzerrung entgegengesetzt ist und diese im Wesentlichen kompensiert. Die Kompensationsschaltung 4 des oberen

Schalters 6 ist wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Fig. 8 zeigt schließlich noch eine elektrische Schaltung 1 , bei der die Schalter 6 jeweils als eine Serienschaltung aus mehreren Transistoren 14 ausgeführt sind. An den Steueranschlüssen G der einzelnen Transistoren 14 ist eine einzige Kompensationsschaltung 4 vorgesehen, die allen Transistoren 14 gemeinsam zugeordnet ist. Die Kompensationsschaltung 4 umfasst mehrere in Serie geschaltete Transistoren 12 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 9 zeigt eine Abwandlung der Schaltung aus Fig. 8, wobei hier die

Kompensationsschaltung nicht gegen ein festes Potential (Masse) geschaltet ist, sondern mit dem Ausgang des Schalters 6 verbunden ist. Diese Abwandlung kann entsprechend auf die Schaltungen aus Fig. 5, 6 und 7 angewendet werden.