DE10152652A1 - Hochfrequenzleistungsverstärker mit integrierter passiver Anpassungsschaltung - Google Patents

Hochfrequenzleistungsverstärker mit integrierter passiver Anpassungsschaltung

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DE10152652A1
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein Hochfrequenzleistungsverstärker umfaßt einen Chip (23), in dem eine Leistungsverstärkerschaltung (22) implementiert ist, ein Halbleitersubstrat (24) mit integrierten passiven Bauelementen (26) und Verbindungsleitungen (28) zwischen der Leistungsverstärkerschaltung (22) und den integrierten passiven Bauelementen (26), wobei die integrierten passiven Bauelemente (26) zur eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Anpassung mit der Leistungsverstärkerschaltung (22) verbunden sind. Der Chip (23), in dem die Leistungsverstärkerschaltung (22) implementiert ist, und das Halbleitersubstrat (24) mit den integrierten passiven Bauelementen (26) befinden sich in einem Standardgehäuse (30).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Verstärkerschaltungen, und insbesondere auf integrierte Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltungen mit passiven integrierten Anpassungsschaltungen.
  • Mit der immer weiter fortschreitenden technischen Entwicklung auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik, wie z. B. beim Mobilfunk, besteht ein immer größerer Bedarf nach integrierten Halbleiterschaltungen, die einerseits hinsichtlich ihres Platzbedarfs und andererseits bezüglich ihrer Kosten optimiert sind. Da außerdem bei modernen Mobilfunkanwendungen entsprechend den GSM-, PCN-, PCS-, CDMA-, UMTS-, US-TDMA- Standards relativ hohe Signalfrequenzen verarbeitet werden müssen, stellt sich ferner das Problem einer optimalen Hochfrequenzanpassung der einzelnen integrierten Halbleiterschaltungen, wie z. B. die eingangsseitige und ausgangsseitige Hochfrequenzanpassung von integrierten Hochfrequenzleistungsverstärkern.
  • Fig. 1 zeigt nun beispielhaft in Form eines Blockschaltbilds die prinzipielle Anordnung eines Hochfrequenzverstärkers 10. Der Hochfrequenzverstärker 10 weist dabei eine aktive Verstärkerschaltung 12 auf, die eingangsseitig mit einem Eingangsanpassungsnetzwerk 14 und ausgangsseitig ferner mit einem Ausgangsanpassungsnetzwerk 16 verbunden ist. Die Verstärkerschaltung 12 ist ferner mit einer Gleichstromzuführungsschaltung 18 (DC-Bias) verbunden. Üblicherweise ist nur die Hochfrequenzverstärkerschaltung 12 in einem Standard-IC- Gehäuse untergebracht, wobei die verschiedenen diskreten Anpassungskomponenten außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Die Verstärkerschaltung 12 besteht im allgemeinen aus einem Hochfrequenztransistorverstärker mit einem Rückkopplungsnetzwerk (nicht dargestellt), das vorgesehen ist, um die Verstärkereigenschaften entsprechend dem geplanten Einsatz des Verstärkers einzustellen.
  • Beim Entwurf eines Transistorverstärkers für höhere Frequenzen sind insbesondere die Kontrolle der Stabilität, die Berücksichtigung aller parasitären Effekte wie Verkopplung, Abstrahlung, Gehäuseeinfluß und die Kenntnis aller nichtidealen Bauelementeeigenschaften, z. B. Resonanzfrequenzen von Kondensatoren, Reflexionen an Steckverbindern, Temperatureinflüsse auf Halbleiter, Widerstände und Substrate, und Exemplarstreuungen zu beachten. Die schaltungstechnische Ausführung der Anpassungsnetzwerke 14, 16 am Eingang und am Ausgang einer Verstärkerschaltung 12 ist nun davon abhängig, welche Eigenschaften des Verstärkers 10 optimiert werden sollen. Zu diesen Aufgaben gehören beispielsweise eine Leistungsanpassung, eine Rauschanpassung, Filterwirkungen, Stabilitätsvorkehrungen usw. Die Gleichstromversorgung (DC-Bias) 18 ist bei einer Verstärkerschaltung vorgesehen, um einen optimalen Gleichstromarbeitspunkt für die Verstärkerschaltung einzustellen, wobei dabei entweder auf eine größtmögliche Verstärkung, eine maximale Ausgangsleistung, eine minimale Rauschzahl, eine bestmögliche Linearität oder einen möglichst großen Wirkungsgrad Wert gelegt werden kann.
  • Die einzelnen diskreten passiven Bauelemente der Anpassungsschaltungen 14, 16 und der Gleichstromversorgungsschaltungen sollten dabei Größen aufweisen, die sich gut realisieren lassen, so daß die einzelnen Anordnungen im wesentlichen verlustarm sind und sich gut abgleichen lassen.
  • Für Hochfrequenzanwendungen werden beispielsweise integrierte Hochfrequenzverstärkerschaltungen auf einem Si- oder GaAs- Substrat als MMIC-Verstärkerschaltungen (MMIC = monolithic microwave integrated circuit) ausgeführt. Diese Verstärkerschaltungen sind häufig mehrstufig ausgelegt und besitzen bereits ein integriertes Gleichstromzuführungsnetzwerk (DC- Bias). Häufig ist auch deren Eingangsimpedanz bereits an einen gewünschten Wert von beispielsweise 50 Ω angepaßt. Ferner ist bei mehrstufigen MMIC-Verstärkerschaltungen bereits eine Anpassung zwischen den einzelnen Verstärkerstufen vorgesehen.
  • Zur Realisierung der passiven Anpassungsschaltungen 14, 16 einschließlich der passiven Schaltungen zur Stromversorgung 18 von Leistungsverstärkern 12 werden auch bei der mobilen Kommunikation diskrete Lösungen eingesetzt. So werden beispielsweise High-Q-SMD-Kondensatoren, SMD-Hochstrom- Induktivitäten (SMD = surface mounted device = oberflächenbefestigtes Bauelement; High Q = high quality = hohe Güte) und gedruckte Induktivitäten und Streifenleitungen direkt auf einer Schaltungsplatine angeordnet, die beispielsweise vom Kunden vorgegeben ist. Es ist ferner möglich entsprechende Realisierungen auf einem getrennten Substratträger, der beispielsweise aus einem Keramikmaterial oder einem organischen Trägermaterial besteht, anzuordnen, wobei dieses Modul getrennt zu der Verstärkerschaltung 12 angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass die aktive Verstärkerschaltung als Chip und die Anpassungsschaltung auf einem gemeinsamen Träger realisiert sind.
  • Durch die getrennte Anordnung der Anpassungsnetzwerke bzw. der Gleichstromversorgungsschaltungen auf eigenen Platinen ergeben sich eine Reihe von Problemen. Durch die getrennte Anordnung auf verschiedenen Trägern ist es technisch sehr schwierig, eine optimale Miniaturisierung der gesamten Verstärkeranordnung zu erreichen. Dies ergibt sich insbesondere durch die Verwendung einer Vielzahl von erforderlichen diskreten Bauelementen wie Kondensatoren und Induktivitäten. Aufgrund dieser getrennten Anordnung der Verstärkerschaltung 12 auf einem eigenen Chip und der diskreten passiven Bauelemente für die Anpassungsnetzwerke und die Gleichstromversorgung ist es nicht möglich, diese zusammen in üblichen Standardgehäusen für ICs, wie z. B. VQFN-, TSLP- oder TSSOP- Gehäusen (VQFN = very quad flat non-leaded; TSLP = thin small leadless Packages; TSSOP = thin shrink small outline package), unterzubringen. Ferner tragen die relativ teueren SMD- Bauteile, z. B. Hochstromspulen und High-Q-Kondensatoren, die auf speziellen Trägermaterialien aus Keramik oder einem organischen Material angeordnet werden, beträchtlich zu den Gesamtkosten von Hochfrequenzverstärkeranordnungen bei. Ferner sind entsprechend aufwendige Montagetechnologien erforderlich, um die aktiven Verstärkerchips mit den passiven diskreten SMD-Komponenten zu kombinieren, wie beispielsweise Bonden der Chips mit Reflow-Löten der SMD-Bauteile.
  • Dabei ist insbesondere auf die sehr schwierige und kritische Hochfrequenztransformation zur Anpassung der Verstärkerschaltung an die äußeren Beschaltungskomponenten bei einem Hochfrequenzeinsatz, wie es in der Mobilkommunikation üblich ist, zu achten. So müssen Verstärker bedingt durch die zum Teil beachtlichen Exemplarstreuungen der Eigenschaften von Transistoren in der Serienproduktion häufig einzeln von Hand abgeglichen werden. Besonders bei mehrstufigen Verstärkern (vgl. MMIC) kann dies sehr Zeit- und kostenintensiv sein und spezielle Kenntnisse beim Abgleichen erfordern, insbesondere wenn dieser Abgleich erst bei der Endmontage beim Kunden durchgeführt wird.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Verstärker mit passiven Anpassungselementen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Verstärker gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Chip, in dem eine Verstärkerschaltung implementiert ist, ein Halbleitersubstrat mit integrierten passiven Elementen, und Verbindungsleitungen zwischen der Verstärkerschaltung und den integrierten passiven Bauelementen, mit denen die integrierten passiven Elemente zur eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Anpassung mit der Verstärkerschaltung verbunden sind, wie z. B. Bonddrähte oder Bumps bei Flip-Chip-Technologie.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine starke Miniaturisierung von Hochfrequenzleistungsverstärkeranordnungen erreicht werden kann, indem als eingangsseitiges und/oder ausgangsseitiges Anpassungsnetzwerk für die Verstärkerschaltung "integrierte" passive Bauelemente auf einem Halbleitersubstrat verwendet werden. Somit bildet die aktive Verstärkerschaltung ein eigenständiges Verstärkermodul, wobei ferner die auf einem Halbleitersubstrat angeordneten integrierten passiven Bauelemente ein weiteres eigenständiges Anpassungsmodul bilden, das als Anpassungsnetzwerk am Eingang bzw. Ausgang der Verstärkerschaltung und als Gleichstromzuführung zum Entkoppeln der Hochfrequenzkomponenten von der Stromversorgung verwendet werden kann.
  • Durch das Vorsehen von integrierten passiven Bauelementen, d. h. integrierten Kondensatoren, Induktivitäten und Streifenleitungen, in einem klassischen Halbleiterträgermaterial, wie z. B. GaAs oder Silizium, können spezielle passive Technologieschritte der GaAs-HBT-Technologie (HBT = Hetrojunction Bipolartransistor) zu deren Herstellung eingesetzt bzw. erweitert genutzt werden. Durch die integrierte Anordnung der passiven Bauelemente ergibt sich eine starke Verringerung der benötigten Flächen für die Anpassungs- bzw. Gleichstromzuführungsschaltungen, beispielsweise um einen Faktor von bis zu 4. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, daß aufgrund der Modulfunktionalität eine Integrationsfähigkeit des passiven Anpassungsmoduls zusammen mit dem aktiven Verstärkermodul in einem Standard-IC-Gehäuse in Multichip-" technologie erreicht werden kann.
  • Durch die passive Integration von verlustarmen, stark impedanztransformierenden Ausgangsanpassungsnetzwerken einschließlich der Stromversorgung für Leistungsverstärker der mobilen Kommunikation auf einem Halbleiterträger ergeben sich also eine Reihe von Vorteilen. So wird, wie bereits erörtert, eine erhebliche Flächenersparnis gegenüber bisherigen Lösungen mit diskreten passiven Bauelementen erreicht. Ferner können für eine kostenoptimierte Massenfertigung von Hochfrequenzleistungsverstärker teuere SMD-Bauteile für die Hochstromspulen und High-Q-Kondensatoren eingespart werden. Ferner ist es nicht mehr notwendig, ein spezielles zusätzliches Trägermaterial, beispielsweise aus Keramik oder einem organischen Material, für die Kombination der aktiven Chips mit den passiven SMD-Komponenten vorzusehen, wodurch entsprechend aufwendige Montagetechnologien bei der Endfertigung und Montage entfallen. Ferner kann durch die modulare Anordnung der aktiven Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungskomponenten eines Hochfrequenzverstärkers die sehr schwierige und kritische Hochfrequenztransformation im Rahmen der Fertigung bereits auf dem Chip mit der Verstärkeranordnung integriert werden. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung erreicht, daß die aktive Verstärkerschaltung einschließlich der integrierten passiven Anpassungselemente in Anschlußleitungsrahmen-basierenden (leadframe-basierenden) Standard-IC-Gehäusen, wie z. B. VQFN-, TSLP- oder TSSOP-Standardgehäusen, untergebracht werden können.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine allgemeine Verstärkeranordnung in Blockschaltbildform,
  • Fig. 2a, b ein in einem Gehäuse untergebrachtes aktives Verstärkermodul mit einem integrierten passiven Anpassungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 3 mehrere in einem Gehäuse untergebrachte aktive Verstärkerschaltungsmodule mit zugeordneten integrierten passiven Anpassungsmodulen (in Multichiptechnologie) gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • Fig. 4a-c verschiedene passive integrierte Anpassungsmodule gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie bereits anhand von Fig. 1 in Form eines Blockschaltbilds allgemein dargestellt wurde, besteht ein Hochfrequenzleistungsverstärker im allgemeinen aus der aktiven Verstärkungsschaltung, die eingangsseitig und ausgangsseitig mit Anpassungsnetzwerken verbunden ist. Die aktive Verstärkungsschaltung ist ferner zu Einstellung des Gleichstromarbeitspunktes mit einer Gleichstromzuführung verbunden.
  • Anhand von Fig. 2a und 2b wird nun ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verstärkers mit integrierten passiven Anpassungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert.
  • In einem Verstärkerbaustein 20 befindet sich eine aktive Verstärkerschaltung 22, die auf einem Chip, d. h. vorzugsweise einem Halbleitersubstrat 23 aus GaAs oder Silizium implementiert ist. Auf einem weiteren Halbleitersubstrat bzw. Träger 24 befindet sich eine integrierte passive Schaltung 26 mit integrierten passiven Bauelementen, wie z. B. integrierten Kondensatoren, Induktivitäten und Streifenleitungen. Zwischen der aktiven Verstärkerschaltung 22 und der integrierten passiven Schaltung 26 sind Verbindungsleitungen 28, z. B. Bond- Drähte, vorgesehen, um die aktive Verstärkerschaltung mit den integrierten passiven Bauelementen auf dem passiven Schaltungsmodul 26 zu verbinden. Das passive Schaltungsmodul 26 ist beispielsweise als Eingangs- und/oder Ausgangsanpassungsnetzwerk für die aktive Verstärkerschaltung 22 wirksam. Das passive Schaltungsmodul 26 kann auch passive integrierte Bauelemente enthalten, um eine Gleichstromzuführung zum Einstellen des Arbeitspunkts der aktiven Verstärkerschaltung 22 vorzusehen. Außerdem sind Verbindungsleitungen 28 zwischen der aktiven Verstärkerschaltung 22 und Anschlußflächen des Anschlußleitungsrahmens eines IC-Gehäuses 30 vorgesehen, wobei ferner Verbindungsleitungen 28 zwischen dem passiven Schaltungsmodul 26 und weiteren Anschlußflächen des Anschlußleitungsrahmens vorgesehen sind. Die Anschlußflächen sind beispielsweise mit dem Signaleingang, dem Signalausgang, der Versorgungsspannung, Massepotential usw. beschaltet.
  • Die aktive Verstärkerschaltung umfasst im Fall einer MMIC- Schaltung auf einem GaAs- oder Si-Substrat beispielsweise eine mehrstufige Transistorverstärkerschaltung mit einem Gleichstromzuführungsnetzwerk (DC-Bias). Ferner kann bereits eine eingangseitige Anpassung der Verstärkerschaltung an die Signalquelle und eine Anpassung zwischen den einzelnen Transistorverstärkerstufen vorgesehen sein.
  • Das eigenständige integrierte passive Anpassungsmodul umfasst bei MMIC-Schaltungen dann nur die für die Ausgangsanpassung erforderlichen integrierten passiven Bauelemente, wie z. B. Kondensatoren, Streifenleitungen usw.
  • Im folgenden wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verstärkers 20 mit integrierten passiven Anpassungselementen 26 erläutert.
  • Das passive Schaltungsmodul 26 ist als Anpassungsnetzwerk am Eingang und/oder am Ausgang der aktiven Verstärkerschaltung 22 vorgesehen, wobei die jeweilige schaltungstechnische Ausgestaltung des passiven Schaltungsmoduls 26 davon abhängt, welche Eigenschaften der aktiven Verstärkerschaltung optimiert werden sollen. Infolge der nichtlinearen Übertragungskennlinie eines Transistors kann das Ausgangssignal des Verstärkers neben der verstärkten Grundschwingung auch unerwünschte harmonische Frequenzen enthalten. Auch diese Signalkomponenten können durch geeignete passive Filterkomponenten im Ausgangsanpassungsnetzwerk ausgefiltert werden. Das integrierte passive Schaltungsmodul 26 kann beispielsweise auch vorgesehen sein, um eine Leistungsanpassung am Eingang und Ausgang für eine maximale Verstärkung zu erreichen. Ferner kann es zur Rauschanpassung am Eingang und zur Leistungsanpässung am Ausgang für eine minimale Rauschzahl vorgesehen sein. Ferner kann das integrierte passive Schaltungsmodul 26 eine Filterwirkung zur Einschränkung des Durchlaßbereichs bei selektiven Verstärkern vorsehen. Es ist ferner möglich, eine Filterwirkung zur Verminderung von Nachbarkanalstörungen am Eingang vorzusehen. Ferner kann das passive Schaltungsmodul 26 vorgesehen sein, um die Stabilität außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches der aktiven Verstärkerschaltung 22 zu gewährleisten. Es ist auch denkbar, daß das passive Schaltungsmodul 26 zur Kompensation der Frequenzabhängigkeit der aktiven Verstärkerschaltung 22 eingesetzt wird, um nur einige der wesentlichen Aufgaben von Anpassungsnetzwerken am Eingang und Ausgang der aktiven Verstärkerschaltung anzugeben.
  • Bei der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Bauelemente des passiven Schaltungsmoduls 26 als integrierte Kondensatoren, Induktivitäten und Streifenleitungen auf einem klassischen Halbleiterträgermaterial, wie GaAs oder Silizium, ausgestaltet, wobei auch Substratmaterialien wie Glas und Saphir zum Einsatz kommen können. Zur Herstellung können hier beispielsweise spezielle passive Technologieschritte der GaAs- HBT-Technologie eingesetzt bzw. weiterentwickelt genutzt werden.
  • Die einzelnen integrierten passiven Bauelemente des passiven Schaltungsmoduls 26 sollten dabei Größen haben, die sich einerseits gut realisieren lassen, wobei das Anpassungsnetzwerk andererseits verlustarm sein sollte. Die einzelnen passiven Elemente sollten sich ferner gut abgleichen lassen.
  • Der Entwurf des Anpassungsnetzwerks, d. h. die Dimensionierung der einzelnen integrierten passiven Bauelemente, kann graphisch gut in dem sogenannten "Smith-Diagramm" durchgeführt werden. Mit dem Smith-Diagramm kann durch die geeignete Parallel- und Serienschaltung von Blindelementen (L, C) in einem begrenzten Frequenzbereich ein gewünschter Anpassungspunkt erreicht werden, um beispielsweise eine ausgangsseitige Anpassung an eine Lastimpedanz vorzusehen. Bei höheren Brequenzen und bei höherer Leistung besteht die Aufgabe immer darin, eine niederohmige Impedanz der aktiven Verstärkerschaltung 22 in den gewünschten Anpassungspunkt für die Lastimpedanz zu transformieren. Grundsätzlich liefert das Anpassungsnetzwerk aus den ermittelten Blindelementen mit dem kürzesten Transformationsweg (im Smith-Diagramm) die geringsten Verluste und die größte Bandbreite.
  • Bedingt durch die zum Teil beachtlichen Exemplarstreuungen der Eigenschaften von Transistoren, müssen Hochfrequenzverstärker in der Serienproduktion häufig einzeln von Hand abgeglichen werden. Besonders bei mehrstufigen Verstärkern kann dies sehr Zeit- und kostenintensiv sein und spezielle Kenntnisse beim Abgleichen erfordern. Je größer der Rückwirkungsfaktor S12 (S-Parameter) der Verstärkeranordnung ist, desto schwieriger wird der Abgleich, da dieser Parameter ein Maß dafür ist, wie sehr sich eine Veränderung des Ausgangsanpassungsnetzwerkes auf den Transistoreingang auswirkt.
  • Die Minimierung der notwendigen Abgleicharbeiten und ihre einfache Durchführbarkeit sollte deshalb bereits bei der Schaltungsentwicklung bzw. schon bei der Auswahl des Schaltungskonzepts berücksichtigt werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist es nun besonders vorteilhaft, daß allein durch die jeweilige Platzierung der Kontaktpunkte der einzelnen Verbindungsleitungen 28 bezüglich der jeweiligen passiven Bauelemente auf dem passiven Schaltungsmodul 26 eine exakte Hochfrequenzanpassung (eingangsseitig bzw. ausgangsseitig) des aktiven Hochfrequenzverstärkers 22 erreicht werden kann. Durch die geeignete Wahl der Kontaktpunkte können beispielsweise bestimmte wirksame Längen von Streifenleitungen gewählt werden, so daß deren Transformation für die Kompensation, d. h. Anpassung, exakt eingestellt werden kann. So ist in Fig. 2b eine weitere beispielhafte Ausführungsform dargestellt, wie Kontaktierungen zu unterschiedlichen Kontaktpunkten auf dem integrierten passiven Schaltungsmodul erfolgen können. Damit kann eine optimale HF- Anpassung des Verstärkers bereits im Chip realisiert werden, so daß aufwendige Anpassungsschritte beim Kunden bei der Endfertigung eines diesen Verstärker enthaltenden Geräts entfallen können.
  • Bestimmte passive Bauelemente des passiven Schaltungsmoduls 26 können ferner zur Zuführung der Gleichstromversorgung der aktiven Verstärkerschaltung 22 verwendet werden, falls die Gleichstromversorgung nicht bereits in der aktiven Verstärkerschaltung implementiert ist (vgl. MMIC).
  • Bei den Gleichstromzuführungen ist zu beachten, daß diese so ausgelegt werden, daß der HF-Signalweg des Hochfrequenzverstärkers möglichst unbeeinflußt bleibt. So werden beispielsweise im Mikrowellenbereich λ/4-Leitungen mit kleinstmöglichen Streifenbreiten benutzt. Bei den Gleichstromzuführungen ist zu beachten, daß diese nicht nur innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Verstärkers ordnungsgemäß arbeiten, sondern auch außerhalb, bei allen Frequenzen, bei denen der Transistor verstärkt, reproduzierbar Impedanzen erzeugen, mit denen der Transistor stabil bleibt. Es ist ferner zu beachten, daß die Gleichstromzuführungsnetzwerke wesentliche Auswirkungen auf die Stabilität eines Verstärkers haben.
  • Fig. 3 zeigt nun die Unterbringung mehrerer aktiver integrierter Verstärkerschaltungen 22 mit zugehörigen integrierten passiven Schaltungsmodulen 24 auf einem Halbleiterträger in einem Standard-IC-Gehäuse. Dies wird aufgrund des sehr geringen Platzbedarfs der einzelnen Module ermöglicht.
  • Durch die Integration von verlustarmen, stark impedanztransformierenden Ausgangsanpassungsnetzwerken einschließlich der Stromversorgung für die Verstärkerschaltung (z. B. für Mobilfunkanwendungen) auf einem Halbleiterträger, wie z. B. Silizium oder GaAs, wird damit eine Integrationsfähigkeit des integrierten passiven Schaltungsmoduls zusammen mit der aktiven Verstärkerschaltung zu einer Modulfunktionalität in einem Standardgehäuse mit Multichiptechnologie erreicht, so daß nur sehr wenige bzw. keine zusätzlichen diskreten Bauelemente zur Beschaltung der Verstärkeranordnung außerhalb des IC-Gehäuses platziert werden müssen.
  • Wie bereits im vorhergehenden ausführlich erörtert wurde, wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass handelsübliche Standard-IC-Gehäuse zur Unterbringung der Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungsschaltung einschließlich Gleichstromversorgung verwendet werden können, wobei bereits bei der IC-Herstellung die kritische und aufwendige HF-Anpassungsarbeit vorgenommen wird.
  • So ermöglicht die vorliegende Erfindung durch die modulare Anordnung der aktiven Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungsschaltung, dass je nach gewünschter vorzunehmender Anpassung (Leistungsanpassung, Rauschanpassung, Stabilität. . .) bereits bei der IC-Fertigung die aktive Verstärkerschaltung mit der geeigneten passiven integrierten Anpassungsschaltung in dem Baustein kombiniert werden kann.
  • Es ist beispielsweise auch möglich, die Anpassungsschaltung für den Eingang und/oder Ausgang der Verstärkerschaltung auf einem eigenen integrierten passiven Schaltungsmodul und die Schaltung für die Gleichstromzuführung mit den jeweiligen passiven Bauelementen auf einem weiteren Schaltungsmodul vorzusehen, um damit den HF-Signalweg des Hochfrequenzverstärkers möglichst unbeeinflußt von der Versorgungsspannung zu halten.
  • Es ist auch möglich auf dem Anpassungsmodul mehrere verschiedene integrierte passive Bauelemente vorzusehen, um je nach Einsatzart der Verstärkeranordnung verschiedene Anpassungsarten vornehmen zu können. Damit wird eine große Kompatibilität für verschiedene Anpassungsarten der Verstärkeranordnung erreicht.
  • Die Fig. 4a bis 4c zeigen in einer vergrößerten Darstellung einige mögliche Ausführungen von passiven integrierten Schaltungsmodulen, wie sie bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung eingesetzt werden können.
  • So zeigen die Fig. 4a-c die Integration einer Reihe von passiven Bauteilen: eine verlustarme Hochstrominduktivität, eine Standardinduktivität, einen/zwei Kondensator(en) mit hoher Güte, einen Kondensator zu Unterdrückung von Harmonischen der Signalfrequenz, zwei breite 50-OHM-Streifenleitungen und einen Auskoppelkondensator (47-100 pF).
  • So zeigt Fig. 4a beispielsweise eine zweistufige Impedanztransformation (z. B. von 1,5 Ohm auf 50 Ohm), die in Streifenleitungstechnik realisiert ist, mit MIM-Kondensatoren (MIM = Metall-Isolator-Metall) und einem integrierten Sperrkreis mit Hochstromspule zur HF-Entkopplung.
  • Fig. 4b zeigt beispielsweise eine zweistufige Impedanztransformation (z. B. von 1,5 Ohm auf 50 Ohm), die in Streifenleitungstechnik realisiert ist, mit MIM-Kondensatoren (MIM = Metall-Isolator-Metall) und integrierter Hochstromspule zur HF- Entkopplung.
  • In Fig. 4c ist beispielsweise eine verlustarme Hochstromspule dargestellt.
  • Durch die Integration der passiven Bauelemente auf einem Halbleitersubstrat besteht natürlich auch die Möglichkeit der gemeinsamen Herstellung der integrierten passiven Bauelemente mit der aktiven Verstärkerschaltung auf dem gleichen Träger.
  • Nachteilig sind hier jedoch dann die hohen Chipkosten aufgrund der großen Fläche der passiven Bauelemente, welche auf dem teuren Halbleitersubstrat hergestellt werden müssten.
  • Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass durch das Vorsehen von passiven integrierten Bauelemente, d. h. integrierten Kondensatoren, Induktivitäten und Leitungen, in einem klassischen Halbleiterträgermaterial, wie z. B. GaAs oder Silizium, spezielle passive Technologieschritte der GaAs-HBT- Technologie (HBT = Hetrojunction Bipolartransistor) eingesetzt bzw. erweitert genutzt werden können. Durch die integrierte Anordnung der passiven Bauelemente ergibt sich eine starke Verringerung der benötigten Flächen für die Anpassungs- bzw. Gleichstromzuführungsschaltungen, beispielsweise um einen Faktor von bis zu 4.
  • Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, daß aufgrund der Modulfunktionalität eine Integrationsfähigkeit des passiven Anpassungsmoduls zusammen mit dem aktiven Verstärkermodul in einem Standard-IC-Gehäuse in Multichiptechnologie erreicht werden kann.
  • Durch die passive Integration von verlustarmen, stark impedanztransformierenden Ausgangsanpassungsnetzwerken einschließlich der Stromversorgung für Leistungsverstärker der mobilen Kommunikation auf einem Halbleiterträger ergeben sich also eine Reihe von Vorteilen. So wird eine drastische Flächenersparnis gegenüber bisherigen Lösungen mit diskreten passiven Bauelementen erreicht. Ferner können für eine kostenoptimierte Massenfertigung von Hochfrequenz-ICs teuere SMD-Bauteile für die Hochstromspulen und High-Q-Kondensatoren eingespart werden. Ferner ist es nicht mehr notwendig, ein spezielles zusätzliches Trägermaterial, beispielsweise aus Keramik oder einem organischen Material, für die Kombination der aktiven Chips mit den passiven SMD-Komponenten vorzusehen, wodurch entsprechend aufwendige Montagetechnologien bei der Endfertigung und Montage entfallen. Außerdem kann durch die modulare Anordnung der aktiven Verstärkerschaltung und der integrierten passiven Anpassungskomponenten eines Hochfrequenzverstärkers die sehr schwierige und kritische Hochfrequenztransformation ihm Rahmen der Fertigung bereits auf einem Chip integriert werden. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung erreicht, daß diese in Anschlußleitungsrahmen-basierenden (leadframe-basierenden) Standard-IC-Gehäusen, wie z. B. VQFN-, TSLP- oder TSSOP- Standardgehäusen, untergebracht werden können. Bezugszeichenliste 10 Hochfrequenzverstärker
    12 Verstärkerschaltung
    14 Eingangsanpassungsnetzwerk
    16 Ausgangsanpassungsnetzwerk
    18 Gleichstromzuführungsschaltung
    20 Verstärkerbaustein
    22 aktive Verstärkerschaltung
    23 Halbleitersubstrat (Chip)
    24 Halbleitersubstrat
    26 integriertes passives Schaltungsmodul
    28 Verbindungsleitungen
    30 IC-Gehäuse

Claims (10)

1. Verstärker (20) mit folgenden Merkmalen:
einem Chip (23), in dem eine Verstärkerschaltung (22) implementiert ist,
einem Halbleitersubstrat (24) mit integrierten passiven Bauelementen (26), und
Verbindungsleitungen (28) zwischen der Verstärkerschaltung (22) und den integrierten passiven Bauelementen (26), wobei die integrierten passiven Bauelemente (26) zur eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Anpassung mit der Verstärkerschaltung (22) verbunden sind.
2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem sich der Chip (23), in dem eine Verstärkerschaltung (22) implementiert ist, und das Halbleitersubstrat (24) mit den integrierten passiven Bauelementen (26) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) befinden.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit weiteren Verbindungsleitungen (28) zwischen der Verstärkerschaltung (22) und den integrierten passiven Bauelementen (26), wobei die integrierten passiven Bauelemente (26) zur Gleichstromzuführung mit der Verstärkerschaltung (22) verbunden sind.
4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die integrierten passiven Bauelemente (26) in dem Halbleitersubstrat (24) integrierte Kondensatoren und/oder Induktivitäten und/oder Streifenleitungen sind.
5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die aktive Verstärkerschaltung (22) und die integrierten passiven Bauelemente (26) auf unterschiedlichen Substraten (23, 24) angeordnet sind.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die aktive Verstärkerschaltung (22) und die integrierten passiven Bauelemente (26) auf dem gleichen Halbleitersubstrat angeordnet sind.
7. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei mehrere Leistungsverstärkerschaltungen (22) und mehrere integrierte passive Bauelementmodule (26) in dem Gehäuse (30) vorgesehen sind.
8. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Gehäuse (30) ein leadframe-basierendes Standardgehäuse ist.
9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verstärker ein Hochfrequenzleistungsverstärker ist.
10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Verstärker für Mobilfunkanwendungen einsetzbar ist.
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