DE10155100A1

DE10155100A1 - Schaltung zum Schutz eines Bipolar-Transistors vor thermischer Zerstörung

Info

Publication number: DE10155100A1
Application number: DE2001155100
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Forstner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-28

Abstract

Eine erfindungsgemäße Schaltung (30, 40) zum Schutz eines Bipolar-Transistors (T1...TN) vor thermischer Zerstörung umfaßt einen Widerstand (R1...RN), der mit der Basis des Bipolar-Transistors (T1...TN) verbunden ist, und einen Überbrückungskondensator (C1...CN), der zu dem Widerstand (R1...RN) parallel geschaltet ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch einen kapazitiven Bypass bzw. eine kapazitive Überbrückung eines Basis-Lastwiderstandes (R1...RN) eines Bipolar-Transistors (T1...TN) einerseits eine thermische Drift verhindert wird, und andererseits dennoch eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit, wie z. B. der Verstärkung, des Bipolar-Transistors (T1...TN) für hochfrequente Signale vermieden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Schutz eines Bipolar-Transistors vor thermischer Zerstörung und insbesondere auf den Schutz vor Bipolar-Transistoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter- Schwellenspannung vor einem thermischen Durchbruch.

Bipolar-Transistoren, wie z. B. GaAs- und SiGe-Heterostruktur-Bipolar-Transistoren (HBT), weisen üblicherweise einen negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter- Schwellenspannung auf. Dies bedeutet, daß, sobald beispielsweise eine konstante Basis-Emitter-Spannung an einen solchen Bipolar-Transistor angelegt wird, aufgrund der dissipierten Leistung als eine Folge des Kollektorstromes die Sperrschichttemperatur zunimmt. Mit einer zunehmenden Sperrschichttemperatur nimmt wiederum entsprechend dem negativen Temperaturkoeffizienten die Basis-Emitter-Schwellenspannung weiter ab, während der Basis- und Kollektorstrom weiter zunehmen. Dies führt zu einem Lawineneffekt, durch welchen der Bipolar-Transistor zerstört wird.

Um diesen Effekt zu vermeiden, werden strombegrenzende Lastwiderstände verwendet, um die oben beschriebene thermische Drift zu begrenzen. In vielen Fällen ist jedoch der Wert, auf den der Lastwiderstand eingestellt werden kann, begrenzt, da derselbe einen negativen Einfluß auf die HF-Leistungsfähigkeit des Bauelements aufweist.

Das oben beschriebene Problem nimmt sogar noch an Bedeutung zu, wenn mehrere Zweige (fingers) von Bipolar-Transistoren parallel geschaltet werden, wie es beispielsweise bei einer größeren Leistungszelle der Fall ist. Aufgrund des verteilten Layouts der Zelle treten Inhomogenitäten innerhalb der Zelle auf. Diese können beispielsweise thermischer Natur sein, wie z. B. Inhomogenitäten des thermischen Widerstandswertes bezüglich des Wärmebereiches unterhalb eines Leistungstransistors. Aufgrund des verteilten Layouts sehen im HF-Bereich unterschiedliche Transistorzweige eine unterschiedliche Last, was zu unterschiedlichen Arbeitspunkten während des HF-Treiberbetriebes führen kann.

Ferner ist es in dem Fall vieler Verstärkerzweige auch kaum möglich die thermische Drift durch einen gemeinsamen Lastwiderstand zu vermeiden, da der Strombeitrag eines einzelnen Zweiges klein verglichen zu dem Gesamttransistorstrom ist.

Obwohl das Problem der thermischen Drift auch durch einen Emitterlastwiderstand, der eine negative Rückkopplung erzeugt, reduziert werden könnte, stellt dies keine befriedigende Alternative dar, da hierdurch die Kollektoreffizienz des Transistors beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung zum Schutz eines Bipolar-Transistors vor thermischer Zerstörung zu schaffen, die zu keinen Einbußen der Leistungsfähigkeit des Bipolar-Transistors im HF-Bereich führt.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Schaltung zum Schutz eines Bipolar- Transistors vor thermischer Zerstörung umfaßt einen Widerstand, der mit der Basis des Bipolar-Transistors verbunden ist, und einen Überbrückungskondensator, der zu dem Lastwiderstand parallel geschaltet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch einen kapazitiven Bypass bzw. eine kapazitive Überbrückung eines Basis-Lastwiderstandes eines Bipolar-Transistors einerseits eine thermische Drift verhindert wird, und andererseits dennoch eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit, wie z. B. der Verstärkung, des Bipolar-Transistors für hochfrequente Signale vermieden wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Verstärkerschaltung geliefert, die mehrere parallel geschaltete Zweige bestehend aus einem Bipolar-Transistor und einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Schutz des jeweiligen Bipolar-Transistors vor einer thermischen Zerstörung aufweist. Da für jeden Zweig ein Lastwiderstand vorgesehen ist, ist die Stabilität der Schaltung groß. Alternativ kann eine erfindungsgemäße Schaltung zum Schutz vor thermischer Zerstörung auch für mehrere bzw. eine Gruppe von Bipolartransistoren bzw. Transistorfinger vorgesehen sein. Jeder Transistor ist vor einem thermischen Durchbruch geschützt, da der Basisstrom durch die Basis-Lastwiderstände begrenzt ist. Die Verstärkung der HF-Signale wird nicht beeinträchtigt, da die Basis-Lastwiderstände durch die Überbrückungskondensatoren überbrückt sind. Die erfindungsgemäße Schaltung zum Schutz vor thermischer Zerstörung der Bipolar-Transistoren wirkt folglich als eine frequenzselektive Lastschaltung und kann verwendet werden, um die Verstärkerschaltung zu stabilisieren, ist aber nicht auf diesen Zweck allein beschränkt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Verstärkerschaltung, deren Bipolar-Transistoren durch erfindungsgemäße Schaltungen zum Schutz vor thermischer Zerstörung geschützt werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Verstärkerschaltung, wie z. B. zur Anwendung bei MMICs (MMIC = millimeter microwaves integrated circuit = integrierte Millimetermikrowellenschaltung), deren Bipolar-Transistoren vor thermischer Zerstörung geschützt sind.
Die Verstärkerschaltung umfaßt mehrere (n ∈ |N) Verstärkerzweige 10 und 20, von denen lediglich zwei in Fig. 1 gezeigt sind, und von denen jeder einen Bipolar-Transistor T1. . .Tn, wie z. B. einen GaAs- oder SiGe-HBT (Heterostruktur-Bipolar- Transistor), und eine Schaltung 30 bzw. 40 zum Schutz des jeweiligen Transistors T1. . .Tn vor thermischer Zerstörung aufweist. Jeder der Transistoren T1. . .Tn ist mit seinem Kollektor mit einem Ausgang HF_OUT 50 der Verstärkerschaltung und mit seinem Emitter mit Masse 60 verbunden. Die Schaltungen 30 und 40 zum Schutz der Transistoren T1. . .Tn vor thermischer Zerstörung sind zwischen die Basis der Transistoren T1. . .Tn und einen Eingang HF_IN 70 der Verstärkerschaltung geschaltet. Mit dem Eingang HF_IN 70 sowie den Schaltungen 30 und 40 ist über eine komplexe Impedanz Z, wie z. B. ein induktives Element, ein Widerstand oder ein LC-Parallelresonanzkreis, eine Spannungsquelle Vbe verbunden, die wiederum zwischen die komplexe Impedanz Z und Masse 60 geschaltet ist und die Basis-Emitter-Spannung liefert. Die Spannungsquelle Vbe kann jede Vorrichtung zur Erzeugung einer Basis-Emitter- Vorspannung sein, wie z. B. ein Stromspiegel, eine Regelschaltung oder dergleichen.
Jede der Schaltungen 30 und 40 besteht aus einem Widerstand bzw. Lastwiderstand R1. . .Rn, der zwischen die Basis des jeweiligen Transistors T1. . .Tn und den Eingang 70 geschaltet ist, sowie einem Kondensator bzw. Überbrückungskondensator C1. . .Cn, der zu dem jeweiligen Widerstand R1. . .Rn parallel geschaltet ist.
Nachdem im vorhergehenden der Aufbau der Verstärkerschaltung von Fig. 1 beschrieben worden ist, wird im folgenden die Funktionsweise derselben insbesondere im Hinblick auf die Schaltungen 30 und 40 beschrieben. Über die komplexe Impedanz Z sowie über die Schaltungen 30 bzw. 40 wird eine konstante Basis-Emitter-Spannung der Spannungsquelle Vbe an die Transistoren T1. . .Tn angelegt. Die komplexe Impedanz bewirkt eine Entkopplung des Verstärkers 10 von der Spannungsquelle, wobei der resistive Anteil zu einer Anhebung des Innenwiderstandes derselben führt. Der konstanten Basis-Emitter-Spannung wird ein zu verstärkendes Eingangssignal HF in, das am Eingang 70 anliegt, überlagert. Abhängig von der Basis-Emitter-Spannung verstärken die Transistoren T1. . .Tn mehr oder weniger stark, so daß das Eingangssignal am Ausgang HF_OUT 50 verstärkt anliegt bzw. ausgegeben wird.
Aufgrund der in Fig. 1 durch die Schaltungen 30 und 40 realisierten Basislasttopologie weist jeder Transistor T1. . .Tn seinen eigenen Lastwiderstand R1. . .Rn auf, wodurch dieselben vor einem thermischen Durchbruch geschützt werden, da bei denselben, selbst wenn sie einen negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Schwellenspannung aufweisen, der Basisstrom der Transistoren T1. . .Tn durch die Widerstände R1. . .Rn begrenzt ist.
Andererseits wird die Verstärkung der Verstärkerschaltung kaum beeinträchtigt und kann so hoch wie möglich beibehalten werden, da die resistive Belastung des HF-Signals HF_IN aufgrund der Widerstände R1. . .Rn durch die parallel geschalteten Überbrückungskondensatoren C1. . .Cn vermieden oder zumindest vermindert wird. Im HF-Bereich wirken die Schaltungen 30 und 40 folglich als frequenzselektive Lastschaltungen, weshalb dieselben zur Stabilisierung der Verstärkerschaltung beitragen.
Da die Lastwirkung lediglich an dem Basis-Anschluß durchgeführt wird, wird die Kollektoreffizienz der Transistoren nicht beeinträchtigt.
Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Verstärkerschaltung von Fig. 1 auch lediglich einen Verstärkerzweig oder mehr als zwei Verstärkerzweige aufweisen kann. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht nur bei einer Verstärkerschaltung des in Fig. 1 gezeigten Typs anwendbar. Ein durch eine erfindungsgemäße Schaltung zum Schutz vor thermischer Zerstörung geschützter Bipolar-Transistor kann ferner auf andere Weise als die in Fig. 1 gezeigte verschaltet sein. Ferner könnte eine erfindungsgemäße Schaltung zum Schutz vor thermischer Zerstörung, wie z. B. die Schaltung 30 oder 40, für mehr als einen Bipolar-Transistor bzw. Transistorzweig verwendet bzw. mit der Basis mehr als eines Bipolar- Transistors verbunden sein. Zudem kann die vorliegende Erfindung sowie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel als integrierte Schaltung oder auf einer gedruckten Schaltungsplatine implementiert sein. Bezugszeichenliste 10 Verstärkerzweig
20 Verstärkerzweig
30 Schaltung zum Schutz vor thermischer Zerstörung
40 Schaltung zum Schutz vor thermischer Zerstörung
50 Ausgang
60 Masse
70 Eingang
C1 Überbrückungskondensator
Cn Überbrückungskondensator
R1 Widerstand
Rn Widerstand
T1 Bipolar-Transistor
Tn Bipolar-Transistor
Vbe Spannungsquelle
Z Komplexe Impedanz

Claims

1. Schaltung zum Schutz eines Bipolar-Transistors (T1. . .Tn) vor thermischer Zerstörung, mit
einem Widerstand (R1. . .RN), der mit der Basis des Bipolar- Transistors (T1. . .TN) verbunden ist; und
einem Kondensator (C1. . .CN), der zu dem Widerstand (R1. . .RN) parallel geschaltet ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Bipolar- Transistor (T1. . .TN) ein Bipolar-Transistor (T1. . .TN) mit einem negativen Basis-Emitter-Schwellenspannungstemperaturkoeffizienten ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltung als frequenzselektive Lastschaltung wirkt.

4. Verstärkerschaltung mit
einem Bipolar-Transistor (T1. . .TN); und
einer Schaltung (30, 40) zum Schutz des Bipolar-Transistors (T1. . .TN) vor thermischer Zerstörung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 4, die ferner einen Eingang (70) aufweist, wobei die Schaltung (30, 40) zwischen den Eingang (70) und den Bipolar-Transistor (T1. . .TN) geschaltet ist.

6. Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 4 oder 5, die ferner einen Ausgang (50) aufweist, wobei der Kollektor des Bipolar- Transistors (T1. . .TN) mit dem Ausgang (50) verbunden ist.

7. Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der der Emitter des Bipolar-Transistors (T1. . .TN) auf Masse (60) geschaltet ist.

8. Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Verstärkerschaltung eine Hochfrequenz-Verstärkerschaltung ist.

9. Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der mehrere Paare des Bipolar-Transistors (T1. . .TN) und der Schaltung (30, 40) zum Schutz vor thermischer Zerstörung parallel geschaltet sind.

10. Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 4 bis 9, die zum Schutz einer Gruppe von Bipolar-Transistoren (T1. . .Tn) vor thermischer Zerstörung vorgesehen ist, wobei die Basis jedes der Gruppe von Bipolar-Transistoren (T1. . .TN) mit dem Widerstand (R1. . .Rn) verbunden ist.

11. Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, die ferner eine komplexe Impedanz (Z) und eine Spannungsquelle (Vbe) aufweist, wobei die komplexe Impedanz (Z) zwischen die Spannungsquelle (Vbe) und die Schaltung (30, 40) zum Schutz vor thermischer Zerstörung geschaltet ist.

12. Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 12, bei der die Spannungsquelle (Vbe) ein Stromspiegel oder eine Regelschaltung ist.