Die
Erfindung betrifft einen Hochfrequenzschalter bestehend aus mindestens
einem Feldeffekttransistor mit erweiterter Amplituden- und Schaltdynamik
im gesamten Frequenzbereich.The
The invention relates to a high frequency switch consisting of at least
a field effect transistor with extended amplitude and switching dynamics
in the entire frequency range.
In
Mikrowellenschaltungen, beispielsweise in Dämpfungsgliedern, werden Hochfrequenzschalter zum
Schalten von breitbandigen Signalen mit hoher Amplitudendynamik
benötigt.
Hierfür
werden Feldeffekttransistoren, insbesondere Metall-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren
(MESFET), benutzt, die Hochfrequenzsignale in einem Frequenzbereich
von einigen wenigen Hertz bis zu mehreren 10 GHz schalten können. Insbesondere
kommen selbstleitende n-Kanal-Metall-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren in
GaAs-Technologie zum Einsatz.In
Microwave circuits, for example in attenuators, are high-frequency switches for
Switching of broadband signals with high amplitude dynamics
needed.
Therefor
become field effect transistors, in particular metal-semiconductor field-effect transistors
(MESFET), uses the high frequency signals in a frequency range
from a few hertz to several 10 GHz. Especially
come n-channel self-conducting metal-semiconductor field-effect transistors in
GaAs technology is used.
Hochfrequenzschalter,
beispielsweise der in der Druckschrift DE 102 35 447 A1 vorgestellte
Hochfrequenzschalter, weisen ein Übertragungsverhalten im Frequenzbereich
auf, das in 1 veranschaulicht
ist. Hierbei ist festzustellen, dass die unverzerrt übertragene
Leistung bei einem derartigen Hochfrequenztransistor im Frequenzbereich
kleiner 50 MHz typischerweise einen Abfall Δ in der Übertragungsleistung in der
Größenordnung
von ca. 10 dB gegenüber
der Übertragungsleistung
im Frequenzbereich größer 500
MHz aufweist. Dieser Abfall Δ in
der Übertragungsleistung
im unteren Frequenzbereich ist auf auftretende nichtlineare Verzerrungen
innerhalb des Hochfrequenzschalters zurückzuführen. Diese treten auf, wenn
bei einem Spannungswert von ca. 0 Volt am Gate-Anschluß im selbstleitenden Zustand
des Feldeffekttransistors der Spannungswert am Source-Anschluß höher als
die Abschnürspannung
(pinch-off-Spannung) ist (3).High-frequency switch, for example, in the publication DE 102 35 447 A1 presented high-frequency switch, have a transmission behavior in the frequency domain, the in 1 is illustrated. It should be noted that the undistorted transmitted power in such a high-frequency transistor in the frequency range less than 50 MHz typically has a drop Δ in the transmission power in the order of about 10 dB compared to the transmission power in the frequency range greater than 500 MHz. This drop Δ in the transmission power in the lower frequency range is due to occurring nonlinear distortions within the high frequency switch. These occur when at a voltage value of about 0 volts at the gate terminal in the normally-off state of the field effect transistor, the voltage value at the source terminal is higher than the pinch-off voltage (pinch-off voltage) ( 3 ).
Eine
Minimierung derartiger nichtlinearer Verzerrungen in einem als Hochfrequenzschalter
arbeitenden Feldeffekttransistors ist in der Druckschrift US 5,107,152 vorgestellt.
Hierzu wird der Gate- Anschluss des Feldeffekttransistor über einen
Vorwiderstand und eine Freilaufdiode anstelle eines Spannungswertes
von ca. 0 Volt mit einem positiven Spannungswert angesteuert. Liegt
dieser positiven Spannungswert höher
als der Maximalwert der Spannung am Source-Anschluss abzüglich der
Abschnürspannung
des Feldeffekttransistors, so bleibt der Feldeffekttransistor während der
gesamten Periode der am Source-Anschluss anliegenden Wechselspannung leitend.
Die Spannung am Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors folgt
also exakt dem Spannungsverlauf am Source-Anschluss. Zu einem "Abkappen" des Spannungsverlaufs
am Drain-Anschluss infolge eines gesperrten Feldeffekttransistors,
wenn im Falle des Hochfrequenzschalters in der Druckschrift DE 102 35 447 A1 der
Spannungswert am Source-Anschluss höher als die pinch-off-Spannung
des Feldeffektetransistor ist, liegt also nicht vor. Somit kommt
es zu keinen nichtlinearen Verzerrungen und damit zu einem Leistungsabfall
am Drain-Anschluss gegenüber
dem Source-Anschluss.A minimization of such nonlinear distortions in a high-frequency switch field effect transistor is in the document US 5,107,152 presented. For this purpose, the gate terminal of the field effect transistor is driven via a series resistor and a freewheeling diode instead of a voltage value of about 0 volts with a positive voltage value. If this positive voltage value is higher than the maximum value of the voltage at the source terminal minus the pinch-off voltage of the field effect transistor, the field effect transistor remains conductive during the entire period of the alternating voltage applied to the source terminal. The voltage at the drain terminal of the field effect transistor thus follows exactly the voltage profile at the source terminal. At a "clipping" of the voltage at the drain terminal due to a locked field effect transistor, when in the case of the high-frequency switch in the document DE 102 35 447 A1 the voltage value at the source terminal is higher than the pinch-off voltage of the field effect transistor, so it is not available. Thus, there is no non-linear distortion and thus a power drop at the drain terminal opposite the source terminal.
Die
Freilaufdiode des Hochfrequenzschalters in der Druckschrift US 5,107,152 , deren Aufgabe darin
besteht, einen unerwünschten
Gate-Strom bei Ansteuerung mit einer positiven Spannung am Ansteuer-Eingang
des Hochfrequenzschalters zu vermeiden, weist aber nachteilig einen
Sperrschicht-Widerstand auf. Dieser führt in Serie geschaltet zum Vorwiderstand
in Kombination mit den parasitären Kapazitäten zwischen
dem Gate- und dem Source-Anschluss
bzw. zwischen dem Gate- und dem Drain-Anschluss zu einer höheren Zeitkonstante
des Hochfrequenzschalters, was sich in einem langsameren Einschaltvorgang
des Hochfrequenzschalters bemerkbar macht.The freewheeling diode of the high-frequency switch in the document US 5,107,152 , whose task is to avoid an unwanted gate current when driven with a positive voltage at the drive input of the high-frequency switch, but disadvantageously has a junction resistance. This leads in series with the series resistor in combination with the parasitic capacitances between the gate and the source terminal or between the gate and the drain terminal to a higher time constant of the high-frequency switch, which is reflected in a slower turn-on of the high-frequency switch ,
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenzschalter
zu schaffen, der neben einer hervor ragenden verzerrungsfreien Amplitudendynamik
auch ein gutes Schaltverhalten über den
gesamten Betriebsfrequenzbereich aufweist.Of the
Invention is therefore based on the object, a high-frequency switch
to create, in addition to an outstanding distortion-free amplitude dynamics
also a good switching behavior over the
has entire operating frequency range.
Die
Aufgabe wird durch einen Hochfrequenzschalter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The
The object is achieved by a high frequency switch according to claim 1. advantageous
Embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Um
eine verzerrungsfreie Amplitudendynamik des Hochfrequenzschalters über den
gesamten Betriebfrequenzbereich von einigen wenigen Hertz bis zur
einigen 10 GHz zu verwirklichen, wird der Gate-Anschluß analog
wie in der US 5,107,152 vorzugsweise
mit einer positiven Spannung angesteuert. Ist diese positive Gate-Spannung
höher als
der maximal auftretende Spannungswert am Drain-Anschluß abzüglich der
Abschnürspannung
des Feldeffekttransistors, so befindet sich der Feldeffekttransistor
ständig
im leitenden Zustand. Die Spannung am Drain-Anschluß folgt
verzerrungsfrei dem Spannungsverlauf am Source-Anschluß. Ein Leistungsabfall
am Drain-Anschluß gegenüber dem
Source-Anschluß liegt
folglich nicht vor. Dies ist insbesondere bei niederfrequenten Spannungen
am Source-Anschluß von Relevanz,
da hierbei im Gegensatz zu höherfrequenten
Signalen die Zeitkonstante bestehend aus den parasitären Kapazitäten zwischen
dem Gate-Anschluß und
dem Source- bzw. Drain-Anschluß und
dem Vorwiderstand vergleichsweise gering ist, um damit eine mögliche Spannungsdifferenz zwischen
dem Source- und dem Gate-Anschluß kleiner
als die pinch-off-Spannung des Feldeffekttransistors zu halten.In order to realize a distortion-free amplitude dynamics of the high-frequency switch over the entire operating frequency range of a few hertz to a few 10 GHz, the gate terminal is analogous as in US 5,107,152 preferably driven with a positive voltage. If this positive gate voltage is higher than the maximum occurring voltage value at the drain terminal minus the pinch-off voltage of the field effect transistor, then the field effect transistor is constantly in the conducting state. The voltage at the drain follows without distortion the voltage curve at the source terminal. A power drop at the drain terminal to the source terminal is therefore not available. This is of particular relevance in the case of low-frequency voltages at the source terminal, since, in contrast to higher-frequency signals, the time constant consisting of the parasitic capacitances between the gate terminal and the source or drain terminal and the series resistor is comparatively low in order to do so to keep a possible voltage difference between the source and the gate terminal smaller than the pinch-off voltage of the field effect transistor.
Um
den Feldeffekttransistor bei positiven Steuerspannungen am Gate-Anschluss
vor Zerstörung
zu schützen,
muß der
Gate-Strom durch den Gate-Vorwiderstand begrenzt werden.Around
the field effect transistor with positive control voltages at the gate terminal
from destruction
to protect,
must the
Gate current can be limited by the gate resistor.
Der
Nachteil eines vorhandenen Gate-Stromflusses auf Grund fehlender
in Sperrrichtung gepolter Freilaufdiode zwischen dem Ansteuer-Anschluß des Hochfrequenzschalters
und dem Gate-Anschluß des
Feldeffekttransistors, der zu einem unerwünschten Gleichspannungsoffset
am Abschlusswiderstand des Drain-Anschlusses führt, wird in einer zweiten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
durch eine Gleichspannungsentkopplung zwischen Drain-Anschluß und Abschlusswiderstand
verhindert. Eine analoge Wirkung wird durch einen eingeprägten Kompensationsstrom
erzielt, der bei gleichem Betrag zum Gate-Strom in negativer Richtung
zum Gate-Strom in einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
eingeprägt
wird. Schließlich
wird ein unerwünschter
Gleichspannungsoffset am Abschlusswiderstand vermieden, indem der
störende
Gate-Strom nicht zum Drain-, sondern über den Source-Anschluss des
Feldeffekttransistors zu einer negativ gepolten Kompensationsquellenstrom
umgeleitet wird, welche das Potential am Source-Anschluß "künstlich reduziert".Of the
Disadvantage of existing gate current flow due to missing
reverse-biased freewheeling diode between the drive terminal of the high-frequency switch
and the gate terminal of the
Field effect transistor, which leads to an undesirable DC offset
leads to the terminating resistor of the drain terminal is in a second
embodiment
the high-frequency switch according to the invention
by a DC decoupling between drain and termination
prevented. An analogous effect is achieved by an impressed compensation current
achieved, the same amount to the gate current in the negative direction
to the gate current in a third embodiment of the high-frequency switch according to the invention
imprinted
becomes. After all
becomes an undesirable
DC offset at the terminator avoided by the
disturbing
Gate current not to the drain, but via the source terminal of the
Field effect transistor to a negative-polarity compensation source current
is redirected, which "artificially reduced" the potential at the source terminal.
Vier
bevorzugte Ausführungsformen
des Hochfrequenzschalters mit erweiterter Amplituden- und Schaltdynamik
im gesamten Frequenzbereich werden nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:Four
preferred embodiments
of the high-frequency switch with extended amplitude and switching dynamics
throughout the frequency range are referred to below
closer to the drawing
explained.
In the drawing show:
1 einen
Frequenzverlauf der Ausgangsleistung eines Hochfrequenzschalters
nach dem Stand der Technik, 1 a frequency characteristic of the output power of a high-frequency switch according to the prior art,
2 eine
Schaltungsanordnung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters, 2 a circuit arrangement of the first embodiment of the high-frequency switch according to the invention,
3 einen
Zeitverlauf der Source- und Drain-Spannung eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters, 3 a time course of the source and drain voltage of a high-frequency switch according to the invention,
4 eine
Darstellung des Frequenzspektrums der Drain-Spannung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
und des Hochfrequenzschalters nach dem Stand der Technik, 4 a representation of the frequency spectrum of the drain voltage of the high-frequency switch according to the invention and the high-frequency switch according to the prior art,
5A, 5B einen
Zeitverlauf des Einschaltvorgangs des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
und des Hochfrequenzschalters nach dem Stand der Technik im nieder-
und hochfrequenten Betriebsfall und 5A . 5B a time course of the switch-on of the high-frequency switch according to the invention and the high-frequency switch according to the prior art in the low and high frequency operating condition and
6A, 6B, 6C eine
Schaltungsanordnung der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters. 6A . 6B . 6C a circuit arrangement of the second, third and fourth embodiment of the high-frequency switch according to the invention.
Die
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter 1 in 2 weist
einen ersten Anschluss In, einem zweiten Anschluss Out und eine
Steuer-Anschluß Con auf.
Der erste Anschluss In des Hochfrequenzschalters 1 ist
mit dem Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors 2 verbunden.
Der zweite Anschluss Out ist mit dem Drain-Anschluss D des Feldeffekttransistors 2 verbunden.
Schließlich
ist der Steueranschluß Con
des Frequenzschalters über
den Vorwiderstand RV mit dem Gate-Anschluss
G verbunden. Zwischen dem Source-Anschluss S unter dem Drain-Anschluss
D ist der Source-Drain-Kanal des Feldeffekttransistor 2 über die
Inpedanz Z modelliert. Zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss
S befindet sich die parasitäre
Kapazität
C1 und parasitäre Diode
D1, während
zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Drain-Anschluss D sich die
parasitären
Kapazität
C2 und parasitäre
Diode D2 befindet.The first embodiment of the high-frequency switch according to the invention 1 in 2 has a first terminal In, a second terminal Out, and a control terminal Con. The first connection In the high-frequency switch 1 is connected to the source terminal S of the field effect transistor 2 connected. The second terminal Out is connected to the drain terminal D of the field effect transistor 2 connected. Finally, the control terminal Con of the frequency switch is connected via the series resistor R V to the gate terminal G. Between the source terminal S under the drain terminal D is the source-drain channel of the field effect transistor 2 modeled via the impedance Z. Between the gate terminal G and the source terminal S is the parasitic capacitance C1 and parasitic diode D1, while between the gate terminal G and the drain terminal D is the parasitic capacitance C2 and parasitic diode D2.
Der
erste Anschluss In des Hochfrequenzschalters 1 wird über den
Abschlusswiderstand ZS von der Wechselspannungsquelle
VS gespeist. Der zweite Anschluss Out des
Hochfrequenzschalters 1 wird über den Abschlusswiderstand
ZL gegen Masse abgeschlossen. Der Steueranschluss
Con wird über den
Schalter 3 im eingeschalteten Zustand ON des Feldeffekttransistors 2 bzw.
des Hochfrequenzschalters 1 mit der positiven Steuerspannung
VC verbunden. Im ausgeschalteten Zustand
OFF des Feldeffekttransistors 2 bzw. des Hochfrequenzschalters 1 ist
der Steueranschluss Con über
den Schalter 3 mit der negativen Steuerspannung VC verbunden.The first connection In the high-frequency switch 1 is fed via the termination resistor Z S of the AC voltage source V S. The second connection Out of the high-frequency switch 1 is terminated via the termination resistor Z L to ground. The control connection Con is via the switch 3 in the ON state of the field effect transistor 2 or the high-frequency switch 1 connected to the positive control voltage V C. In the off state OFF of the field effect transistor 2 or the high-frequency switch 1 is the control terminal Con via the switch 3 connected to the negative control voltage V C.
Das Übertragungsverhalten
des Feldeffekttransistor 1 ist durch die Übertragungskennlinie
gemäß Gleichung
(1) beschrieben: ID = IDS·(1 – UGS/UP)2 (1) The transmission behavior of the field effect transistor 1 is described by the transfer characteristic according to equation (1): I D = I DS · (1 - U GS / U P ) 2 (1)
Für einen
selbstleitenden n-Kanal Metal-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist die pinch-off-Spannung
UP gem. Gleichung (2) negativ: UP = –VP (2) For a normally-on n-channel metal-semiconductor field-effect transistor, the pinch-off voltage U P acc. Equation (2) negative: U P = -V P (2)
Aus
Gleichung (1) und (2) folgt, dass im Source-Drain-Kanal zwischen dem
Source-Anschluss S und dem Drain-Anschluss
D ein Drain-Strom ID > 0 fließt, sobald die Gate-Source-Spannung
zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S gemäß Gleichung
(3) größer als
die negative Abschnürspannung (pinch-off-Spannung)
VP ist: UGS > –VP (3) It follows from Equations (1) and (2) that in the source-drain channel between the source terminal S and the drain terminal D, a drain current I D > 0 flows as soon as the gate-source voltage between the gate Terminal G and the source terminal S according to equation (3) greater than the negative pinch-off voltage V P is: U GS > -V P (3)
Liegt
bei einer pinch-off-Spannung VP am Source-Anschluss
S gemäß 3 eine
sinusförmige Wechselspannung
US an und ist die Spannung UG am Gate-Anschluss
G beim Hochfrequenzschalter nach dem Stand der Technik näherungsweise
Null, so sperrt der Feldeffekttransistor 2, sobald der
Wert der Source-Spannung US höher als
die pinch-off-Spannung VP ist. Die Spannung
am Drain-Anschlus D folgt im Gegensatz zum leitenden Zustand des
Hochfrequenzschalters nach dem Stand der Technik nicht mehr dem
Spannungsverlauf am Source-Anschluss S, sondern behält den Spannungswert
bei, den er zum Zeitpunkt des Übergangs
des Frequenzschalters vom leitenden in den gesperrten Zustand aktuell führte, nämlich den
Wert der pinch-off-Spannung VP. Der Spannungsverlauf
am Drain-Anschluss
D des Hochfrequenzschalters nach dem Stand der Technik entspricht
dabei dem Spannungsverlauf UDI in 3. Dieser
nichtlinear verzerrte Spannungsverlauf UDI, der
eine "abgekappte
Amplitude" aufweist,
ist durch mehrere harmonische Signalanteile höherer Ordnung gekennzeichnet.Is at a pinch-off voltage V P at the source terminal S according to 3 a sinusoidal AC voltage U S and is the voltage U G at the gate terminal G at the high-frequency switch according to the prior art, approximately zero, so locks the field effect transistor 2 as soon as the value of the source voltage U S is higher than the pinch-off voltage V P. The voltage at the drain D, unlike the conductive state of the prior art RF switch, no longer follows the voltage waveform at the source S, but retains the voltage at the time of transition of the frequency switch from the conductive to the locked state currently led, namely the value of the pinch-off voltage V P. The voltage profile at the drain terminal D of the high frequency switch according to the prior art corresponds to the voltage curve U DI in 3 , This non-linearly distorted voltage profile U DI , which has a "capped amplitude", is characterized by a plurality of higher-order harmonic signal components.
Liegt
dagegen am Gate-Anschluss G des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors 2 über den Vorwiderstand
RV und bei einer Verbindung des Schalters 3 mit
der positiven Steuerspannungsquelle VC eine
positive Spannung an, deren Spannungswert höher als die Spannung US am Source-Anschluss S abzüglich der pinch-off-Spannung
VP, so ist die Bedingung in Gleichung (1)
zu jedem Zeitpunkt erfüllt und
damit der Feldeffekttransistor 2 und damit auch der Hochfrequenzschalter 1 ständig im
leitenden Zustand. Die Spannung am Drain-Anschluss D folgt damit
exakt dem Spannungdsverlauf US am Source-Anschluss
S und ist in 3 durch die Größe UDII gekennzeichnet.In contrast, lies at the gate terminal G of the field effect transistor according to the invention 2 via the series resistor R V and a connection of the switch 3 with the positive control voltage source V C to a positive voltage whose voltage value is higher than the voltage U S at the source terminal S minus the pinch-off voltage V P , then the condition in equation (1) is met at any time, and thus the field effect transistor 2 and thus also the high-frequency switch 1 constantly in the leading state. The voltage at the drain terminal D thus follows exactly the Spannungsdsverlauf U S at the source terminal S and is in 3 characterized by the size U DII .
Wird
der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor 2 und
damit der erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter 1 gesperrt,
so liegt am Gate-Anschluss G über
den Vorwiderstand RV und bei einer Verbindung
des Schalters 3 mit der negativen Steuerspannungsquelle
VC eine negative Spannung an. In diesem
Betriebsfall ist die Bedingung von Gleichung (1) für alle Spannungswerte
US am Source-Anschluss S nicht mehr erfüllt und
der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor 2 bzw.
der erfindungsgemäße Hochfrequenzschalter 1 befindet
sich im gesperrten Zustand. Um den Feldeffekttransistor 2 vor
Zerstörung
infolge eines Gate-Überstromes
zu schützen,
ist der Strom am Gate-Anschluss im leitenden Zustand des Feldeffekttransistor 2 deutlich
unter der Belastbarkeit des Gate-Übergangs des Feldeffekttransistors 2 auszulegen.Will the field effect transistor according to the invention 2 and thus the high-frequency switch according to the invention 1 locked, so is the gate terminal G via the resistor R V and a connection of the switch 3 with the negative control voltage source V C to a negative voltage. In this operating case, the condition of equation (1) for all voltage values U S at the source terminal S is no longer satisfied and the field effect transistor according to the invention 2 or the high-frequency switch according to the invention 1 is in the locked state. To the field effect transistor 2 To protect against destruction due to a gate overcurrent, the current at the gate terminal is in the conductive state of the field effect transistor 2 significantly below the load capacity of the gate junction of the field effect transistor 2 interpreted.
Ein
Vergleich der einzelnen Spektralanteile des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
und des Hochfrequenzschalters nach dem Stand der Technik, die das
Ausmaß der
Absenkung der nichtlinearen Verzerrung kennzeichnen, ist in 4 dargestellt.
Während
die höherharmonischen
Spektralanteile des Hochfrequenzschalters 1' nach dem Stand der Technik noch
vergleichsweise stark ausgeprägt sind,
sind diese in den ersten Höherharmonischen beim
erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter 1 schon
deutlich niedriger ausgeprägt
und verschwinden nach der vierten Höherharmonischen vollkommen
aus dem Frequenzspektrum.A comparison of the individual spectral components of the high-frequency switch according to the invention and of the high-frequency switch according to the prior art, which characterize the extent of the reduction of the nonlinear distortion, is shown in FIG 4 shown. While the higher harmonic spectral components of the high-frequency switch 1' According to the prior art are still relatively pronounced, they are in the first higher harmonics in the high-frequency switch according to the invention 1 already significantly lower and disappear completely after the fourth Höherharmonischen from the frequency spectrum.
Das
Zeitverhalten des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1 beim
Einschaltvorgang für unterschiedliche
Werte der Gate-Spannung UG ist jeweils für den höherfrequenten
Betriebsfall der Source-Spannung US – fUS = 1 GHz – in 5A und
für den
niederfrequenten Betriebsfall der Source-Spannung US – fUS = 0,1 MHz – in 5B dargestellt.
In beiden Betriebsfällen
ist festzustellen, daß der
Einschaltvorgang mit zunehmender positiver Gate-Spannung schneller verläuft.The timing of the high-frequency switch according to the invention 1 When switching on for different values of the gate voltage U G is in each case for the higher-frequency operating case of the source voltage U S - f US = 1 GHz - in 5A and for the low-frequency operating case of the source voltage U S - f US = 0.1 MHz - in 5B shown. In both operating cases, it should be noted that the switch-on process is faster with increasing positive gate voltage.
Dies
kann damit erklärt
werden, dass der nicht exakt lineare Zusammenhang VI zwischen
dem Gate- und dem Drain-Strom
zu einer Arbeitskennlinie am Gate-Anschluß G des Feldeffekttransistors 1 mit einer
nichtlinearen Komponente f(R/VI) gemäß Gleichung
(4) führt: UGS =
UG – f
(R/VI)·ID (4) This can be explained by the fact that the not exactly linear relationship V I between the gate and the drain current to a working characteristic at the gate terminal G of the field effect transistor 1 with a nonlinear component f (R / V I ) according to equation (4): U GS = U G - f (R / V I ) · I D (4)
Gate-Spannungen
UG mit unterschiedlichen Spannungswerten
führen
folglich zu unterschiedlich gelegenen Arbeitskennlinien. Bei unterschiedlichen Gate-Spannungen
UG ergibt sich der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistor 1 als
Schnittpunkt der Übertragungskennlinie
nach Gleichung (1) und der Arbeitskennlinie nach Gleichung (4).
Mit zunehmender Gate-Spannungen UG verschiebt
sich der Arbeitspunkt zu höheren
Werten der Gates-Source-Spannung UGS und
des Drain-Stroms ID und damit zu einer höheren Steigung
f(R/VI) der Arbeitskennlinie gemäß Gleichung
(4). Eine höhere
Steigerung ∂ID/∂UGS = 1/f(R/VI) bewirkt
einen niedrigeren effektiven Widerstand Reff gemäß Gleichung
(5): Reff = ∂ID/∂UGS = 1/f(R/VI) (5) Gate voltages U G with different voltage values thus lead to differently located working characteristics. At different gate voltages U G results in the operating point of the field effect transistor 1 as the intersection of the transfer characteristic according to equation (1) and the operating characteristic according to equation (4). With increasing gate voltages U G , the operating point shifts to higher values of the gate-source voltage U GS and the drain current I D and thus to a higher slope f (R / V I ) of the operating characteristic according to equation (4). A higher increase ∂I D / ∂U GS = 1 / f (R / V I ) causes a lower effective resistance R eff according to equation (5): R eff = ∂I D / ∂U GS = 1 / f (R / V I ) (5)
Somit
ergibt sich mit zunehmender Gate-Spannung UG in
Kombination mit der parasitären
Kapazität
CPAR eine niedrigere Zeitkonstante τ gemäß Gleichung
(6) und damit ein schnellerer Einschaltvorgang des Feldeffekttransistor 2 als
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1: τ = Reff·CPAR (6) Thus, with increasing gate voltage U G in combination with the parasitic capacitance C PAR a lower time constant τ according to equation (6) and thus a faster turn-on of the field effect transistor 2 as a further advantage of the high-frequency switch according to the invention 1 : τ = R eff · C PAR (6)
Der
störende
Einfluß des
Gate-Stroms des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1 aufgrund
fehlender Freilauf-Diode am Steueranschluß Con im Hinblick auf einen
unerwünschten
Gleichspannung-Offset an den Abschlußwiderständen kann durch eine zweite,
dritte oder vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Frequenzschalters 1 beseitigt
werden.The disturbing influence of the gate current of High-frequency switch according to the invention 1 due to lack of free-wheeling diode at the control terminal Con with regard to an undesirable DC offset to the terminating resistors can by a second, third or fourth embodiment of the frequency switch according to the invention 1 be eliminated.
Gleiche
Merkmale in der zweiten, dritten, oder vierten Ausführungsform
zur ersten Ausführungsform
erhalten das gleiche Bezugszeichen und werden im folgenden nicht
mehr im Detail erläutert.Same
Features in the second, third or fourth embodiment
to the first embodiment
get the same reference number and will not be in the following
explained in more detail.
In
der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1 in 6A wird
der störende
Einfluß des
Gate-Stroms durch eine Gleichspannung-Entkopplung verhindert. Hierzu wird
zwischen den zweiten Anschluß Out
des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors 2 und
dem Abschlußwiderstand
ZL ein Koppelungskondensator C3 geschaltet,
der für
den Drain-Wechselstrom ID durchlässig ist
und den Gate-Gleichstrom IG sperrt. Auf
diese Weise wird ein störender
Gate-Stromfluß über den Abschlußwiderstand
ZL verhindert.In the second embodiment of the high-frequency switch according to the invention 1 in 6A the disturbing influence of the gate current is prevented by a DC decoupling. For this purpose, between the second terminal Out of the field effect transistor according to the invention 2 and the termination resistor Z L, a coupling capacitor C 3 is connected, which is permeable to the drain alternating current I D and the gate DC current I G blocks. In this way, a disturbing gate current flow via the terminating resistor Z L is prevented.
In
der dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1 in 6B fließt ein Gate-Strom,
der am Abschlußwiderstand
ZL einen störenden Gleichspannung-Offset
verursacht. Dieser Gate-Strom IG wird aber
durch einen Kompensationsstrom IKomp, der
betragsmäßig gleichgroß wie der
Gate-Strom IG ist, kompensiert, so daß am Abschlußwiderstand
ZL kein Gleichspannung-Offset entsteht.
Hierzu wird am Abschlußwiderstand
ZL eine in Serie zu einem Vorwiderstand
RKomp negativ geschaltete Kompensationsspannungsquelle
VKomp angeordnet. Mit der richtigen Dimensionierung
der Kompensationsspannungsquelle VKomp und
des zugehörigen
Vorwiderstandes RKomp kann ein Kompensationsstrom
IKomp eingeprägt werden, der den gleichen
Betrag wie der Gate-Strom IG aufweist, aber
in umgekehrter Richtung zum Gate-Strom IG fließt.In the third embodiment of the high-frequency switch according to the invention 1 in 6B a gate current flows, which causes a disturbing DC voltage offset at the terminating resistor Z L. However, this gate current I G is compensated by a compensation current I Komp which is equal in magnitude to the gate current I G , so that no DC offset is produced at the terminating resistor Z L. For this purpose, a compensation voltage source V Komp connected in series with a series resistor R Komp is arranged on the terminating resistor Z L. With proper dimensioning of the compensation voltage source V comp and the associated series resistor R Comp a compensation current I Comp be embossed, which has the same amount as the gate current I G, but flows in the reverse direction to the gate current I G.
Analog
zur dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1 in 6B wird
in der vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 1 in 6C das
Potential am ersten Anschluß In
des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor 2 durch
Parallelschaltung einer Serienschaltung aus einer negativen Kompensationsspannungsquelle
VKomp und einem Vorwiderstand RKomp zur
Serienschaltung aus der Wechselspannung VS und
dem Abschlusswiderstand ZS um einen bestimmten
Betrag reduziert. Diese Reduzierung des Potentials am ersten Anschluß In des
erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors 2 diente
dazu, den unerwünschten
Gate-Strom nicht über
die parasitäre
Diode D2, den Drain-Anschluß D und den Abschlußwiderstand
ZL zur Bildung eines störenden Gleichspannung-Offsets
abfließen
zu lassen, sondern über
die parasitäre
Diode D1, den Source-Anschluß S und
den Vorwiderstand RKomp zur negativen Kompensationsspannungsquelle
VKomp.Analogous to the third embodiment of the high-frequency switch according to the invention 1 in 6B becomes in the fourth embodiment of the high-frequency switch according to the invention 1 in 6C the potential at the first terminal In the field effect transistor according to the invention 2 reduced by parallel connection of a series circuit of a negative compensation voltage source V Komp and a series resistor R Komp to the series circuit of the AC voltage V S and the terminating resistor Z S by a certain amount. This reduction of the potential at the first terminal In the field effect transistor according to the invention 2 served to drain the unwanted gate current not via the parasitic diode D 2 , the drain terminal D and the termination resistor Z L to form a disturbing DC voltage offset, but via the parasitic diode D 1 , the source terminal S. and the series resistor R Komp to the negative compensation voltage source V comp .
Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere
sind auch andere Kompensationsschaltungen als in 6A, 6B und 6C dargestellt
denkbar und von der Erfindung abgedeckt.The invention is not limited to the illustrated embodiments. In particular, other compensation circuits than in 6A . 6B and 6C shown conceivable and covered by the invention.