CN110326216A - 具有保护反馈电路的高功率放大器电路 - Google Patents

具有保护反馈电路的高功率放大器电路 Download PDF

Info

Publication number
CN110326216A
CN110326216A CN201880012820.9A CN201880012820A CN110326216A CN 110326216 A CN110326216 A CN 110326216A CN 201880012820 A CN201880012820 A CN 201880012820A CN 110326216 A CN110326216 A CN 110326216A
Authority
CN
China
Prior art keywords
field effect
voltage
effect transistor
amplifier circuit
drain electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880012820.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110326216B (zh
Inventor
安东·拉班克
丹尼尔·格鲁纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Comet AG
Original Assignee
Comet AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Comet AG filed Critical Comet AG
Publication of CN110326216A publication Critical patent/CN110326216A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110326216B publication Critical patent/CN110326216B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189High frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189High frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19High frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/195High frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H01J37/32183Matching circuits
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/52Circuit arrangements for protecting such amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/52Circuit arrangements for protecting such amplifiers
    • H03F1/523Circuit arrangements for protecting such amplifiers for amplifiers using field-effect devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/24Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages
    • H03F3/245Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages with semiconductor devices only
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/426Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier comprising circuitry for protection against overload
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/444Diode used as protection means in an amplifier, e.g. as a limiter or as a switch
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/447Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being protected to temperature influence
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/451Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a radio frequency amplifier
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/30Indexing scheme relating to single-ended push-pull [SEPP]; Phase-splitters therefor
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00Auxiliary systems
    • H05H2242/20Power circuits
    • H05H2242/26Matching networks

Abstract

本发明描述了一种放大器电路,用于提供至少100W、优选至少200W、最优选至少250W的输出,包括场效应晶体管(111、113)。场效应晶体管(111、113)的漏极与保护反馈电路(400)连接。保护反馈电路(400)被设置用于:如果场效应晶体管(111、113)的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压(355),则减小场效应晶体管(111、113)的漏极处的过电压能量。本发明还描述了一种包括放大器电路的射频放大器、包括射频放大器的电射频发生器、和包括电射频发生器的等离子处理系统。本发明最后描述了一种保护放大器电路中的场效应晶体管(111、113)的方法。

Description

具有保护反馈电路的高功率放大器电路
技术领域
本发明涉及一种包括保护反馈电路的放大器电路,该保护反馈电路被布置为保护场效应晶体管(FET)、例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以防止破坏性击穿。本发明还涉及一种包括这种放大器电路的射频放大器装置、包括该射频放大器装置的电射频发生器、和包括该电射频发生器的等离子体处理系统。本发明最后涉及一种保护场效应晶体管的方法。
背景技术
FET尤其是MOSFET有许多失效机制。如果栅极和源极之间的电压太高,则可能损坏栅极的隔离层。另一种失效机制可能是FET过热,这可能是由例如负载的阻抗失配引起的。此外,如果漏极和源极之间的电压变得太高,则可能发生漏源击穿。漏源击穿可以表征为穿通、雪崩击穿、或骤回(snap back)。每个都描述不同的漏源击穿机制,其中特别是在高功率和高频应用中难以识别哪个机制损坏了FET。
发明内容
本发明的目的是提供一种更稳健的放大器电路。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。
根据第一方面,提供了一种放大器电路,其用于提供至少100W、优选至少200W、最优选至少250W的输出。放大器电路包括场效应晶体管(FET)。FET的漏极与保护反馈电路连接。保护反馈电路被布置为:如果FET的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压,则减小FET的漏极处的过电压能量。
用于高频应用(标称工作频率在1MHz和100MHz之间,特别是在5MHz和85MHz之间)的放大器或放大器装置,在例如等离子体处理应用(例如使用等离子体腔)中,必须承受负载阻抗的变化。即使负载阻抗的短暂失配(等离子体中的电弧放电)也可能引起功率的反射,使得放大器所包括的FET的漏极处的峰值电压可能是几倍的电源电压。放大器电路可以包括高强度的FET,其被布置为通过将过电压能量的一部分转换为热来承受例如这种过电压。尽管FET具有这种特性,但也存在传统放大器电路中的一个或多个高强度的FET会被损坏的极少数情况。详细的实验研究表明,例如,在等离子体中的电弧放电期间,存储在匹配网络中的能量被反射回放大器电路(或更确切地说是包括放大器电路的高频发生器)。如果反射和入射电压波的相位相长叠加(漏极处的过电压),则漏极处的能量变得太高并且一个或多个FET在几个高频周期内被损坏。一个简单的解决方案是通过具有更高漏极电压额定值(如果可用)的FET来替换所述FET,或通过组合更多具有更低输出功率的放大器。该解决方案成本高并且位置消耗大。
保护反馈电路与漏极电连接,并且能够在非常短的时间周期内耗散过电压能量的至少一部分。保护反馈电路优选地被布置为在少于三个或甚至两个高频周期内降低所述过电压能量。
保护反馈电路可以优选地将FET的漏极与FET的栅极电连接。漏极和源极之间的过电压很关键,可能会导致FET损坏。在漏极和源极之间存在过电压的情况下,源极和栅极之间的电压为0伏特左右。因此,栅极和漏极之间的电压基本上与漏极和栅极之间的电压相同。因此,漏极和栅极之间的电压可用于控制保护反馈电路。在FET的漏极和栅极之间借助于保护反馈电路的电连接使得能够使用FET的可控传导性来降低漏极处的过电压能量。
例如,保护反馈电路可以被布置为在FET中建立传导路径,使得漏极处的过电压能量的至少一部分借助于该传导路径耗散。在这种情况下,漏极处的过电压用于在FET正常闭合时部分地断开FET。FET的断开提供受控的传导路径以降低漏极处的过电压能量。在这种布置中,过电压能量的一部分在FET中耗散而不损坏FET。其余的(有限量的)的能量可以以体二极管的雪崩击穿的形式耗散,而不会引起骤回和损坏高强度的FET。
保护反馈电路可以被布置为:在栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压之后,将场效应晶体管的栅极电压增加到栅极阈值电压之上。保护反馈电路基本上不干扰放大器电路的正常运行。通过将栅极电压增加到栅极阈值电压之上来断开FET的漏源路径应该基本上限于FET可能被损坏的过电压情况。
保护反馈电路可以被布置为降低FET的雪崩击穿的能量。高强度的FET(尤其是功率MOSFET)被构造或被布置为承受雪崩击穿,只要在雪崩击穿期间在FET中耗散的热能不会损坏FET、并且雪崩能量不足以断开寄生BJT(骤回)。避免一个或多个FET的雪崩击穿的努力可能很高。因此,可能优选的是允许放大器电路的FET的雪崩击穿,但借助于保护反馈电路来限制雪崩击穿的能量。因此可能存在低于反馈阈值电压的电压范围,在其中在保护电路不降低漏极处的过电压能量的情况下发生雪崩击穿。如果漏极和栅极(或漏极和源极,见上文)之间的电压超过反馈阈值电压,保护电路会在雪崩击穿发生后降低能量。
保护反馈电路可以包括电压参考。电压参考被布置为:如果场效应晶体管的漏极和源极之间的电压超过反馈阈值电压,则断开电流路径。电压参考确定反馈阈值电压,在该反馈阈值电压处,漏极处的过电压能量通过保护反馈电路而被减小。例如,电压参考可以确定FET的栅极处的电压何时增加,以便断开FET的用于耗散过电压能量的至少一部分的传导路径。
电压参考可以例如包括布置在场效应晶体管的漏极和栅极之间的至少一个雪崩二极管。所述至少一个雪崩二极管被布置为断开电流路径。雪崩二极管很便宜。因此,保护反馈电路可以以简单且特别经济有效的方式实现。保护反馈电路可以包括例如以串联布置的两个、三个、四个或更多个雪崩二极管。替代的电压参考可以是任何类型的合适晶体管(例如双极晶体管或FET),或可选地与诸如电阻器的其他无源电路元件组合的集成电路,以便确定或限定反馈阈值电压。
保护反馈电路可以包括布置在场效应晶体管的漏极和栅极之间的电容。一个或多个雪崩二极管或其他电压参考与该电容并联布置。电容可以被布置为提供用于减小漏极处的过电压能量的主电流路径。电容可以特别是被布置为增加栅极处的电压,以便断开用于耗散过电压能量的至少一部分的传导路径。
保护反馈电路可以包括布置在电容和漏极之间的开关二极管。电容值应被调整为在电压参考(例如雪崩二极管)周围提供RF短路。开关二极管被布置为将电容充电到漏极和栅极之间的峰值电压。例如,开关二极管可以是快速肖特基二极管。一旦漏极和栅极之间的电压超过电容处的电压和开关二极管的阈值电压之和,开关二极管就断开。开关二极管的阈值电压可以很小,因此可以忽略不计。在电容充电期间,开关二极管在短时间周期内断开跨该电容的电流路径。由于通过所述电容提供的反馈,FET可以在这些短时间周期内短暂地断开。FET的断开是不希望的,但由于时间周期的短暂而不会有害。FET在漏极电压的稳定状态下再次闭合。正常运行期间漏极和栅极之间的电压等于或低于电容器上的电压。因此,开关二极管在正常运行期间闭合。一旦漏极和栅极之间的电压超过反馈阈值电压,就断开导电桥(例如,通过一个或多个雪崩二极管或其他类型的电压参考),从而避免电容上的电压进一步升高。当漏极和栅极之间的电压上升到反馈阈值电压之上并且断开FET时,开关二极管断开通过电容至栅极的电流路径。FET提供用于耗散漏极处的过电压能量的至少一部分的传导路径。
保护反馈电路可以包括布置在电压参考(例如,至少一个雪崩二极管)和场效应晶体管的栅极之间的一个或多个电阻器(阻尼电阻器)。电阻器被布置为使保护反馈电路稳定。在没有阻尼的情况下,放大器电路的场效应晶体管可能由于(空闲的)保护反馈的寄生电容而以高频振荡,或者由于在保护反馈开启时非常强的反馈而以低频振荡。如上所述,在正常运行期间,放大器电路不应受到保护反馈电路的干扰。因此,在某些实施例中(取决于FET和其他部件),一个或多个电阻器可以被布置为调整反馈阻抗以避免晶体管振荡。
放大器电路可以包括以推挽式布置方式来布置的两个场效应晶体管。如上所述,每个场效应晶体管由相应的保护反馈电路保护。放大器电路可以替代地包括三个、四个或更多个晶体管,这些晶体管通过保护反馈电路来保护。
根据第二方面,提供了一种射频放大器装置。该放大器装置包括如上所述的放大器电路。该放大器装置的特征在于标称工作频率在1MHz和100MHz之间,更优选地在5MHz和85MHz之间。射频放大器装置可以包括输入网络,其用于将信号源的阻抗与一个或多个FET的栅极的阻抗相匹配。射频放大器还可以包括输出匹配网络,该输出匹配网络被布置为使负载的阻抗与放大器电路的一个或多个FET匹配。
射频放大装置可以优选地包括呈推挽式布置的放大器电路。
根据第三方面,提供了一种用于向负载(尤其是等离子体)提供电射频(RF)功率的电射频发生器。电RF发生器包括如上所述的射频放大器装置。
电RF发生器还可以包括控制电路。控制电路包括至少一个处理装置、至少一个存储装置、至少一个功率测量装置和至少一个频率发生器。控制电路可以适于以脉冲模式或连续模式来驱动射频放大器装置。
根据本发明的第四方面,提供了一种等离子体处理系统。等离子体处理系统包括电射频发生器和等离子体腔,所述电射频发生器包括如上所述的输出匹配网络。等离子体在等离子体腔中产生,该等离子体腔包括用于提供化学组分(例如处理气体)的供应装置,其中等离子体腔使得能够提供或被布置为提供用以实现稳定的等离子体处理的物理边界条件。
根据第五方面,提供了一种保护放大器电路中的场效应晶体管的方法,所述放大器电路用于提供至少100W、优选至少200W以及最优选至少250W的输出。该方法包括以下步骤:
-提供反馈阈值电压,
-如果场效应晶体管的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压,则减小场效应晶体管的漏极处的能量。
应当理解,权利要求15的方法和权利要求1的放大器电路具有类似和/或相同的实施例,特别是如从属权利要求中所限定的。
应当理解,本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。
其他有利实施例如下来限定。
附图说明
参考下文描述的实施例,本发明的这些和其他方面将变得明显并得以阐明。
现在将参考附图基于实施例通过示例描述本发明。
在图中:
图1示出了包括传统推挽式射频放大器的电路的主要草图
图2示出了具有寄生元件的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)场效应晶体管的主要草图
图3示出了在场效应晶体管的致命击穿期间测量的漏源电压
图4示出了在场效应晶体管的致命击穿期间测量的栅源电压
图5示出了包括保护反馈电路的放大器电路的第一实施例
图6示出了保护反馈电路的保护作用
图7示出了包括保护反馈电路的放大器电路的第二实施例
图8示出了电压参考的替代实施例
图9示出了电压参考的另一替代实施例
在附图中,相同的数字始终表示相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。在图中,除非另有明确说明,否则频率以MHz表示,阻抗的大小以Ohm表示,阻抗的相位以角度表示。
具体实施方式
现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了包括传统推挽式射频放大器的电路的主要草图。无源输入网络106将信号源102的阻抗与场效应晶体管(FET)111、113的栅极的阻抗相匹配。输入网络106使放大器电路稳定并且通常包括电阻器。因此输入网络106可能是有损的。借助于栅极偏置电压源104经由输入网络106提供栅极偏置电压,以便控制FET 111、113的偏置电流。以推挽式布置方式布置的FET 111、113的漏极与通常为无源的输出网络126相连接,所述输出网络126将负载130的阻抗(例如,等离子体腔在运行期间的阻抗)与FET 111、113的输出阻抗相匹配。每个FET 111、113在该实施例中包括可选的稳定反馈电路112、114。可选的稳定反馈电路112、114减小FET 111、113的放大,以避免FET 111、113的不希望的振荡。稳定反馈电路112、114通常包括电阻器和电容器,如图1所示。
图2示出了横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)场效应晶体管200的截面的简化示意图。LDMOS 200包括位于底部的源极接触部202和布置在源极接触部202上方的P+衬底214。P+吸收区(sinker)212设置在P+衬底214上方的左侧。P外延层216设置在P+衬底214上方的右侧。N漂移区218布置在P外延层216上方的右侧。N漂移区218在截面中包围漏极接触部206下方的N+区。P基区222布置在P外延层216、N漂移区218和P+吸收区212之间。P基区222和P+吸收区212包围N+区220。P基区222、和N漂移区218的一部分布置在设置于LDMOS 200的半导体层和栅极接触部204之间的隔离层下方。
在闭合的FET的情况下,如果漏极接触部206和源极接触部202之间的电压超过允许值,则存在三种不同的击穿机制。随着漏极接触部206和源极接触部202之间的电压增加,在穿通的情况下,漏极处的耗尽面积增加。一旦漏极处的耗尽面积达到源极的耗尽面积,电流IDS就在漏极接触部206和源极接触部202之间流动。即使栅极和源极之间的电压VGS低于阈值电压Vth,也可能发生这种情况。只要FET不因热过载而损坏,则这种穿通击穿是可逆的。
第二种情况是FET的寄生体二极管237的雪崩击穿。雪崩击穿发生在电场最高的地方(N漂移区218弯曲的地方)。只要FET不因热过载而损坏或者不产生足以断开寄生BJT的电荷载流子(骤回),则雪崩击穿是可逆的。
在骤回或闩锁效应的情况下,寄生双极晶体管235被接通。在正常运行期间,寄生双极晶体管235是关断的。图2示出了对应的寄生电容233和寄生电阻231,它们与寄生双极晶体管235的基极连接。如果漏极处的电压快速上升(dV/dt),或者由于寄生体二极管237的雪崩击穿而产生的电荷载流子,寄生双极晶体管235可以由于寄生电容233(寄生漏极-栅极电容)而接通。在寄生双极晶体管235接通之后,不可能通过栅极接触部204控制FET。如果没有外部元件限制漏极电流,FET(或其结构的一部分)会被极快地损坏。射频功率放大器通常不包括这样的外部组件。
实验研究表明,这种致命的骤回可能发生在射频应用中,例如在电弧放电的情况下、随着等离子体腔的运行。骤回在很短的时间周期内损坏放大器电路。关于图3和图4讨论了实验研究的结果。
图3示出了在用于驱动等离子体腔的放大器电路中的FET的致命击穿期间测量的漏源电压304。横坐标表示时间301,纵坐标表示漏源电压303。时间周期由等离子体腔的驱动频率确定,所述驱动频率在这种情况下为13.56MHz。在一些RF周期之后,漏极和源极之间的电压304超过击穿电压302,从而发生雪崩击穿。高雪崩能量导致寄生双极晶体管(图2中的附图标记235)的骤回,并且在几个RF周期之后FET被损坏。后者是通过测量栅极和源极之间的电压306来确认的,如在图4中所示。横坐标再次表示时间301,纵坐标表示栅极和源极之间的电压305。在图3中的漏源电压304崩溃的同时,栅源电压306突然升高。栅源电压306的RF幅度的这种突然升高和减小很可能是由发生了骤回的FET而引起的,该FET被损坏使得在栅极和漏极之间存在低阻抗。反射功率的并行测量(未示出)表明漏极电压超过击穿电压的时间周期与负载阻抗和放大器电路之间的阻抗失配发生的时刻(高反射功率)一致。阻抗失配很可能是由等离子体腔内的电弧放电引起的(负载阻抗的突然变化)。反射功率引起漏极和源极之间的过电压,并最终损坏放大器电路的至少一个FET。FET的损坏发生在几个RF周期内,因此非常快。
图5示出了包括保护反馈电路400的放大器电路的第一实施例。放大器电路包括一个FET 111。与保护反馈电路400并联地设置如关于图1所讨论的稳定反馈电路112。保护反馈电路400包括开关二极管407、电容403、布置为雪崩二极管的电压参考405、和电阻器401。开关二极管407是肖特基二极管,其与电容403(在该实施例中为10nF的电容)和电阻器401(在该实施例中为68Ohm的电阻)串联布置。雪崩二极管与电容403并联地、相对于FET 111的漏极反向偏置地布置。肖特基二极管相对于该漏极正向偏置,并且将电容403充电到FET111的漏极和栅极之间的峰值电压。一旦漏极和栅极之间的电压超过电容403处的电压和肖特基二极管的阈值电压之和,肖特基二极管就断开。肖特基二极管的阈值电压很小,因此可以忽略不计。在电容403充电期间,肖特基二极管短时间周期地断开跨电容403的电流路径。由于通过电容403提供的反馈,FET 111在这些短时间周期期间短暂地断开。FET 111的断开是不希望的,但是因为时间周期的短暂而无害。FET 111在漏极电压的稳定状态下再次闭合。正常运行期间在漏极和栅极之间的电压等于或低于所述电容上的电压。因此,在正常运行期间,肖特基二极管闭合,并且在这些时间周期没有FET 111的传导路径是断开的。所述电压受反馈阈值电压的限制,该反馈阈值电压由雪崩二极管的击穿电压确定。一旦FET 111的漏极和栅极之间(或漏极和源极之间,因为源极和栅极之间的电位差可忽略不计)的电压超过反馈阈值电压,就会通过雪崩二极管断开导电桥,从而避免电容403处的电压进一步上升。在这种情况下,肖特基二极管断开跨电容403的主电流路径,使得栅极处的电压上升并且FET 111断开。FET提供用于耗散在漏极处的过电压能量的至少一部分的传导路径。由保护反馈电路所包含的电路元件的类型(电阻,电容和二极管的特性等)取决于放大器电路,尤其取决于FET。须通过实验来微调电路元件的特性。
图6示出了关于图5讨论的保护反馈电路的保护效果。图6分隔在九个RF周期中。第一、第二和第三时间周期示出放大器电路的正常运行。只要FET应该是闭合的,栅极和源极之间的电压305就低于栅极阈值电压322。漏源电压303在这三个周期期间低于或等于反馈阈值电压355。反馈阈值电压355略高于漏源峰值电压360。漏源电压303在第四RF周期中超过反馈阈值电压355。保护反馈电路同时提供栅源电压305,使得栅极被拉至栅极阈值电压325之上。此时FET被断开,并且漏极处的过电压能量经由其传导路径而耗散,所述传导路径通过栅源电压305而断开,所述栅源电压305在栅极或更确切地说FET通常闭合的时间周期期间被拉到栅极阈值电压325之上。漏极处的过电压能量的耗散避免了FET的损坏,直到漏极和源极之间的电压303低于反馈阈值电压355为止。FET再次闭合并且放大器电路在正常运行模式下运行,如在RF周期7、8以及特别是RF周期9中所示。
图7示出了包括保护反馈电路400的放大器电路的第二实施例。放大器电路包括如参考图1所描述的呈推挽式布置的两个FET 111、113。每个FET 111、113受到如关于图5所讨论的、单独的保护反馈电路400的保护。
图8示出了电压参考405的替代实施例。替代的电压参考可以包括电压参考场效应晶体管425,其与第一参考电阻器421和第二参考电阻器422组合,第一参考电阻器421和第二参考电阻器422相对于电压参考场效应晶体管425的栅极被布置为分压器。第一参考电阻器421和第二参考电阻器422的电阻被布置为确定反馈阈值电压。在该实施例中,反馈阈值电压由保护场效应晶体管425的阈值电压乘以第一和第二参考电阻器421、422的电阻之和除以第二参考电阻器422的电阻得到。
图9示出了电压参考的另一替代实施例。替代的电压参考可以包括电压参考双极晶体管435,其与第三参考电阻器431和第四参考电阻器432组合,第三参考电阻器431和第四参考电阻器432相对于电压参考双极晶体管435的基极被布置为分压器。第三参考电阻器431和第四参考电阻器432的电阻被布置为确定反馈阈值电压。在该实施例中,反馈阈值电压由保护双极晶体管435的正向电压乘以第三和第四参考电阻器431、432的电阻之和除以第四参考电阻器432的电阻得到。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明,但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的,而非限制性的。
通过阅读本公开,其他修改对于本领域技术人员而言将是明显的。这些修改可以涉及本领域中已知的其他特征,以及可以代替本文已经描述的特征而使用的其他特征、或者除了本文已经描述的特征之外使用的其他特征。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求,本领域技术人员可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中,词语“包括”不排除另外的元件或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。
在权利要求中的任何附图标记不应当解释为限制其范围。
附图标记列表
102 信号源
104 栅极偏置电压源
106 输入网络
111、113 场效应晶体管
112、114 稳定反馈电路
124 直流电源
126 输出网络
130 负载
200 LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)场效应晶体管的简化截面图
202 源极接触部
204 栅极接触部
206 漏极接触部
212 P+吸收区
214 P+衬底
216 P外延
218 N漂移区
220 N+
222 P基区
231 寄生电阻
233 寄生电容
235 寄生双极结型晶体管
237 寄生体二极管
301 时间
302 漏源击穿电压
303 漏源电压
304 在致命击穿期间的漏源电压
305 栅源电压
306 在致命击穿期间的栅源电压
322 栅极阈值电压
325 拉至栅极阈值电压之上的栅极
355 反馈阈值电压
356 漏极电压超过反馈阈值电压 360 漏源峰值电压(正常运行)
400 保护反馈电路
401 电阻器
403 电容
405 电压参考
407 开关二极管
425 电压参考场效应晶体管
421 第一参考电阻器
422 第二参考电阻器
435 电压参考双极晶体管
431 第三参考电阻器
432 第四参考电阻器

Claims (15)

1.一种用于提供至少100W、优选至少200W、最优选至少250W的输出的放大器电路,包括场效应晶体管(111、113),其中,场效应晶体管(111、113)的漏极与保护反馈电路(400)连接,其中,保护反馈电路(400)被布置为:如果场效应晶体管(111、113)的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压(355),则减小场效应晶体管(111、113)的漏极处的过电压能量。
2.根据权利要求1所述的放大器电路,其中,所述场效应晶体管(111、113)的漏极借助于所述保护反馈电路(400)与所述场效应晶体管(111、113)的栅极连接。
3.根据权利要求2所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)被布置为在所述场效应晶体管(111、113)中建立传导路径,使得在漏极处的所述过电压能量的至少一部分通过所述传导路径耗散。
4.根据权利要求2或3所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)被布置为:在所述漏极和栅极之间的电压超过所述反馈阈值电压(355)之后,将所述场效应晶体管(111、113)的栅极电压增加到栅极阈值电压(322)之上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)被布置为减小所述场效应晶体管(111、113)的雪崩击穿的能量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)包括电压参考,其中,所述电压参考被布置为:如果所述场效应晶体管(111、113)的漏极和源极之间的电压超过所述反馈阈值电压(355),则断开电流路径。
7.根据权利要求6所述的放大器电路,其中,所述电压参考包括至少一个雪崩二极管(405),其布置在所述场效应晶体管(111、113)的漏极和栅极之间,其中,所述雪崩二极管(405)被布置为断开所述电流路径。
8.根据权利要求7所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)包括布置在所述场效应晶体管(111、113)的漏极和栅极之间的电容(403),其中,所述至少一个雪崩二极管(405)与所述电容(403)并联地布置。
9.根据权利要求8所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)包括布置在所述电容(403)和所述漏极之间的开关二极管(407),其中,所述开关二极管(407)被布置为将所述电容(403)充电到漏极和栅极之间的峰值电压。
10.根据权利要求9所述的放大器电路,其中,所述保护反馈电路(400)包括布置在所述至少一个雪崩二极管(405)与所述场效应晶体管(111、113)的栅极之间的电阻器(401),其中,所述电阻器(401)被布置为稳定所述保护反馈电路(400)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的放大器电路,其中,所述放大器电路包括以推挽式布置方式布置的两个场效应晶体管(111、113),并且其中,每个所述场效应晶体管(111、113)受到相应的保护反馈电路(400)的保护。
12.一种射频放大器装置,包括根据前述权利要求中任一项所述的放大器电路、输入网络(106)和输出网络(126),所述射频放大器装置的特征在于标称工作频率在1MHz和100MHz之间、更优选地在5MHz和85MHz之间。
13.一种用于向负载提供电射频的电射频发生器,所述电射频发生器包括根据权利要求12所述的射频放大器装置。
14.一种等离子体处理系统,包括根据权利要求13所述的电射频发生器和等离子体腔。
15.一种保护放大器电路中的场效应晶体管(111、113)的方法,所述放大器电路用于提供至少100W、优选至少200W、最优选至少250W的输出,该方法包括以下步骤:
-提供反馈阈值电压(355),
-如果场效应晶体管(111、113)的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压(355),则减小场效应晶体管(111、113)的漏极处的能量。
CN201880012820.9A 2017-02-22 2018-02-19 具有保护反馈电路的高功率放大器电路 Active CN110326216B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17157492.4A EP3367562A1 (en) 2017-02-22 2017-02-22 High power amplifier circuit with protective feedback circuit
EP17157492.4 2017-02-22
PCT/EP2018/054043 WO2018153818A1 (en) 2017-02-22 2018-02-19 High power amplifier circuit with protective feedback circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110326216A true CN110326216A (zh) 2019-10-11
CN110326216B CN110326216B (zh) 2023-06-02

Family

ID=58108559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880012820.9A Active CN110326216B (zh) 2017-02-22 2018-02-19 具有保护反馈电路的高功率放大器电路

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11038479B2 (zh)
EP (2) EP3367562A1 (zh)
CN (1) CN110326216B (zh)
TW (1) TWI765963B (zh)
WO (1) WO2018153818A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2580155A (en) * 2018-12-21 2020-07-15 Comet Ag Radiofrequency power amplifier
DE102020104090A1 (de) * 2020-02-17 2021-08-19 Comet Ag Hochfrequenzverstärker-Anordnung für einen Hochfrequenzgenerator

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1183074A (en) * 1966-11-07 1970-03-04 Gen Electric Magnetic Deflection Circuit for a Cathode Ray Tube
CN2129830Y (zh) * 1992-08-26 1993-04-14 地质矿产部北京地质仪器厂 汽车电子点火器
JP2002141418A (ja) * 2001-09-05 2002-05-17 Hitachi Ltd 半導体回路およびその駆動方法並びに半導体素子
US20020097544A1 (en) * 2001-01-23 2002-07-25 Vladislav Vashchenko Stable BJT electrostatic discharge protection clamp
US6614633B1 (en) * 1999-03-19 2003-09-02 Denso Corporation Semiconductor device including a surge protecting circuit
US20030215373A1 (en) * 2002-05-20 2003-11-20 Reyzelman Leonid E. Method and apparatus for VHF plasma processing with load mismatch reliability and stability
US20040105664A1 (en) * 2002-12-03 2004-06-03 Mladen Ivankovic Linear electric motor controller and system for providing linear speed control
CN1552121A (zh) * 2001-08-23 2004-12-01 皇家飞利浦电子股份有限公司 高频功率放大器电路
US20080218271A1 (en) * 2007-03-07 2008-09-11 Motorola, Inc. Rf power amplifier protection
CN101553822A (zh) * 2006-02-13 2009-10-07 德克萨斯仪器股份有限公司 带过压保护的差分放大器和方法
CN104885359A (zh) * 2012-12-19 2015-09-02 高通股份有限公司 放大器共源共栅器件的静电放电保护
CN105207450A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 天水电气传动研究所有限责任公司 一种新型大功率igbt柔性驱动和保护电路
WO2016137648A1 (en) * 2015-02-26 2016-09-01 Qualcomm Incorporated Electrostatic discharge protection for cmos amplifier

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3953807A (en) * 1973-08-09 1976-04-27 Rca Corporation Current amplifier
US4447866A (en) * 1979-06-14 1984-05-08 Conver Corporation Supplement to cross regulation in DC to DC converters
US6894567B2 (en) * 2001-12-04 2005-05-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. ESD protection circuit for use in RF CMOS IC design
US6821808B2 (en) * 2002-08-23 2004-11-23 Micron Technology, Inc. CMOS APS with stacked avalanche multiplication layer which provides linear and logarithmic photo-conversion characteristics
KR100489870B1 (ko) * 2002-09-30 2005-05-17 주식회사 디엠비테크놀로지 게이트 콘트롤러보다 높은 전원전압을 사용하는 전력 모스트랜지스터의 게이트 구동회로
US8624678B2 (en) * 2010-12-05 2014-01-07 Rf Micro Devices (Cayman Islands), Ltd. Output stage of a power amplifier having a switched-bulk biasing and adaptive biasing
US7660137B1 (en) * 2006-07-26 2010-02-09 Polarity, Inc. High-voltage modulator system
EP2026479A1 (de) * 2007-08-17 2009-02-18 Leica Geosystems AG Transimpedanzverstärkerschaltung für einen Photodetektor
US8531805B2 (en) * 2009-03-13 2013-09-10 Qualcomm Incorporated Gated diode having at least one lightly-doped drain (LDD) implant blocked and circuits and methods employing same
EP2757688B1 (en) * 2013-01-18 2019-05-22 HS Elektronik Systeme GmbH Active clamped transistor circuit for low temperature operating conditions
US9673853B2 (en) * 2014-08-21 2017-06-06 Skyworks Solutions, Inc. Cascode power amplifier with voltage limiter

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1183074A (en) * 1966-11-07 1970-03-04 Gen Electric Magnetic Deflection Circuit for a Cathode Ray Tube
CN2129830Y (zh) * 1992-08-26 1993-04-14 地质矿产部北京地质仪器厂 汽车电子点火器
US6614633B1 (en) * 1999-03-19 2003-09-02 Denso Corporation Semiconductor device including a surge protecting circuit
US20020097544A1 (en) * 2001-01-23 2002-07-25 Vladislav Vashchenko Stable BJT electrostatic discharge protection clamp
CN1552121A (zh) * 2001-08-23 2004-12-01 皇家飞利浦电子股份有限公司 高频功率放大器电路
JP2002141418A (ja) * 2001-09-05 2002-05-17 Hitachi Ltd 半導体回路およびその駆動方法並びに半導体素子
US20030215373A1 (en) * 2002-05-20 2003-11-20 Reyzelman Leonid E. Method and apparatus for VHF plasma processing with load mismatch reliability and stability
US20040105664A1 (en) * 2002-12-03 2004-06-03 Mladen Ivankovic Linear electric motor controller and system for providing linear speed control
CN101553822A (zh) * 2006-02-13 2009-10-07 德克萨斯仪器股份有限公司 带过压保护的差分放大器和方法
US20080218271A1 (en) * 2007-03-07 2008-09-11 Motorola, Inc. Rf power amplifier protection
CN104885359A (zh) * 2012-12-19 2015-09-02 高通股份有限公司 放大器共源共栅器件的静电放电保护
WO2016137648A1 (en) * 2015-02-26 2016-09-01 Qualcomm Incorporated Electrostatic discharge protection for cmos amplifier
CN105207450A (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 天水电气传动研究所有限责任公司 一种新型大功率igbt柔性驱动和保护电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BRYAN.DOWN.等: "在场效应晶体管电路中利用反馈减小输入电容", 《电测与仪表》 *
曾云等: "基于SOI的双极场效应晶体管", 《微细加工技术》 *

Also Published As

Publication number Publication date
US11038479B2 (en) 2021-06-15
EP3367562A1 (en) 2018-08-29
TWI765963B (zh) 2022-06-01
US20210075380A1 (en) 2021-03-11
CN110326216B (zh) 2023-06-02
TW201842730A (zh) 2018-12-01
EP3586440A1 (en) 2020-01-01
EP3586440B1 (en) 2022-04-06
WO2018153818A1 (en) 2018-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101619871B1 (ko) 가변 리액턴스 회로에 bjt 스위치들을 사용한 임피던스 매칭 네트워크
US7724046B2 (en) High side/low side driver device for switching electrical loads
KR20190089200A (ko) GaN 트랜지스터 기반 파워 컨버터를 위한 부트스트랩 커패시터 과전압 관리 회로
US8116052B2 (en) Power supply control circuit including overvoltage protection circuit
US20120280668A1 (en) Power supply control apparatus
CN107408555B (zh) 用于过电压保护的装置和方法
US20200251309A1 (en) High frequency amplifier apparatuses
US10122362B2 (en) Dynamic biasing circuitry for level-shifter circuitry
US20110227127A1 (en) Electro-static discharge protection circuit and semiconductor device
US8742826B2 (en) Active clamp circuit
JP2023516357A (ja) パワーデバイスの駆動回路及び駆動システム
US20060023381A1 (en) System and method for protecting a load from a voltage source
CN110326216A (zh) 具有保护反馈电路的高功率放大器电路
TWI655817B (zh) 保護電路、放大器及切換電源供應裝置
JP7288509B2 (ja) Rf電力増幅器、発電機、及びプラズマシステム
US9748941B2 (en) Power semiconductor module and method for stabilizing thereof
US11303118B2 (en) Overvoltage protection
JP7337618B2 (ja) 半導体装置
CN110601684A (zh) 一种驱动电路
Khomich et al. Static and transient voltage sharing in high voltage stacked IGBT switch
US20230187435A1 (en) Diode configuration for circuit protection

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant