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TECHNISCHES FACHGEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das technische Fachgebiet
der integrierten Schaltungstechnik, insbesondere betrifft die Erfindung
einen monolithisch integrierten Hochleistungsverstärker für Frequenzen
im Mikrowellen-Bereich.
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BESCHREIBUNG DER STANDES DER
TECHNIK UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Da
der Geschäftsbereich
der drahtlosen Kommunikation kontinuierlich wächst, gibt es in diesem Bereich
einen großen
Bedarf nach weiterer Kostenreduktion and danach, Halbleiter-Fertigungsprozesse
und Komponenten-Techniken zu verwenden, welche die Fertigung sehr
große
Stückzahlen
während
der kurzen Produkt-Zyklen vieler der neuen Bauteile erlauben. Der
ständig
zunehmende Markt für
Mikrowellen-Leistungsverstärker
in PCS-, CDMA- und WCDMA-Systemen erfordert eine preiswerte, leicht
einsetzbare Technologie, welche hohe Leistung und ein hohes Maß an Linearität ermöglicht.
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LDMOS
begann bereits vor 3–4
Jahren damit, bipolare Bauteile in dem Bereich der Basis-Station-Anwendungen
zu ersetzen, und ist aus einer Vielzahl von Gründen die vorherrschende Technologie im
Bereich der Leistungsverstärker
für Basis-Stationen geworden.
Diese Technologie weist eine hohe Verstärkung sowie eine ausgezeichnete
Linearität bei
Unteraussteuerung auf. Für
den Ausgangsleistungsverstärker
dominieren jedoch noch diskrete Bauteile.
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Integrierte
Leistungsverstärker
in LDMOS-Silizium-Technologie,
welche als MMICs (microwave monolithic integrated circuits) moderat
integriert sind, haben erst in letzter Zeit den Weg aus den Forschungs-
und Entwicklungslaboren her aus gefunden, vgl. dazu beispielsweise
die Veröffentlichungen G.
Bouisse, „Latest
Advances in High Power Si MMIC”,
IEEE Eumw, GaAs Symposium 2001, und G. Bouisse, „0.2 dB gain ripple-20W-WCDMA
Si MMIC”, IEEE
EuMC-ECWT Symposium 2001.
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Die
Integration von LDMOS-Transistoren in Hochfrequenz-BiCMOS-Prozesse ohne
die Beeinträchtigung
anderer Bauelemente ist in der U.S.-Patentanmeldung 20020055220
A1 sowie in der Druckschrift „Small-Signal
and Power Evaluation of Novel BiC-MOS-Compatible Short Channel LDMOS Technology”, O. Bengtsson,
A. Litwin und J. Olsson, IEEE Transactions an Microwave Theory and
Techniques, Vol. 51, No. 3, März
2003, beschrieben. Dies eröffnet den
Weg zu preiswerten und effizienteren linearen, integrierten Hochfrequenz-Leistungsverstärkern mit mehrfachen
Verstärkungsstufen
auf demselben Chip.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 196 04 239 A1 ist ein Leistungsverstärker bekannt, welcher
eine Hochfrequenz-Verstärkerstufe
mit mindestens einem Transistor umfasst. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 35 065 A1 offenbart
eine Leistungsverstärkungsschaltung
mit einer Einstelleinheit zum Einstellen der Versorgungsspannung des
Leistungsverstärkers.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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MMIC-Leistungsverstärker für Basis-Funk-Stationen
erfordern aufgrund der Fehlanpassung zwischen der Ausgangsimpedanz
einer Treiberstufe und der Eingangsimpedanz der nachfolgenden Verstärkerstufe
breitbandig effiziente Impedanz-Anpassungsnetzwerke zwischen den
Verstärkerstufen.
Das hohe Übersetzungsverhältnis verursacht
in Hinblick auf einen stabilen Breitband-Betrieb Probleme und reduziert
die Verstärkung,
wodurch die Gesamteffizienz reduziert wird, wegen des hohen belasteten
Q-Werts des Anpassungsnetzwerkes. Die Fehlanpassung hinsichtlich
des Übersetzungsverhältnisses
könnte
bei Verringerung der Versorgungsspannung der Treiberstufe reduziert
werden. Jedoch bewirkt eine solche Lösung andererseits, dass die Transistoren
nicht optimal betrieben werden, da diese entsprechend ihres Designs
das bestmögliche Leistungsverhalten
bei einer bestimmten Versorgungsspannung aufweisen. Außerdem belegen
die notwendigen Induktivitäten
und Kondensatoren, welche von dem Anpassungsnetzwerk umfasst werden, eine
erhebliche Chip-Fläche,
wodurch die Kosten für das
Bauteil zunehmen und sich ein Leistungsverlust ergibt.
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Folglich
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen monolithisch integrierten
Hochleistungsverstärker
für Frequenzen
im Mikrowellenbereich bereitzustellen, bei welchem die Probleme
und Einschränkungen,
welche mit dem Stand der Technik verbunden sind, ausgeräumt sind.
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Es
ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, solch einen Verstärker zur
Verfügung
zu stellen, bei welchem geringere Anforderungen an alle Impedanz-Anpassungsnetzwerke
zwischen den Stufen in dem Verstärker
gestellt werden.
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Darüber hinaus
ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Verstärker zur
Verfügung
zu stellen, welcher eine höhere
Effizienz und Leistungsverstärkung
sowie günstigere
Linearitätseigenschaften
als aus dem Stand der Technik bekannte MMIC-Leistungsverstärker aufzuweisen
vermag.
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Es
ist außerdem
eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Verstärker anzugeben, welcher
in einem dokumentierten BiCMOS-Prozess ohne zusätzliche Prozess-Schritte gefertigt
werden kann.
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Diese
Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch diejenigen Verstärker
gelöst, welche
in den beigefügten
Patentansprüchen
beansprucht werden.
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Ein
monolithisch integrierter Mikrowellen-Hochleistungsverstärker der vorliegenden Erfindung
umfasst eine erste Leistungsverstärkerstufe und eine zweite Leistungsverstärkerstufe.
Ein Signal im Mikrowellen-Frequenzbereich
wird an dem Eingang der ersten Leistungsverstärkerstufe entgegengenommen,
wird mittels der ersten und der zweiten Leistungsverstärkerstufe
verstärkt
und wird an dem Ausgang der zweiten Leistungsverstärkerstufe
ausgegeben. Die erste Leistungsverstärkerstufe ist dahingehend optimiert,
mit einer ersten Versorgungsspannung versorgt zu werden, und die
zweite Leistungsverstärkerstufe
ist dahingehend opti miert, mit einer zweiten Versorgungsspannung
versorgt zu werden, wobei die erste Versorgungsspannung geringer,
vorteilhafterweise erheblich geringer, als die zweite Versorgungsspannung
ist.
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Im
Allgemeinen gilt für
einen n-stufigen monolithisch integrierten Mikrowellen-Hochleistungsverstärker gemäß der vorliegenden
Erfindung, dass die Versorgungsspannungen V1, V2, ..., Vn, auf die
die jeweiligen Verstärkerstufen
1, 2, ..., n optimiert sind, der Relation V1 < V2 < ... < Vngenügen, wobei
n eine natürliche
Zahl darstellt und die Verstärkerstufen
vom Eingang zum Ausgang mit zunehmender Reihenfolge durchnummeriert
sind.
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Erfindungsgemäß basiert
eine Eingangs- oder Treiberstufe des integrierten Leistungsverstärkers auf
einem Bipolar-Transistor mit niedriger Spannung, wobei eine Endstufe
des integierten Leistungsverstärkers
auf einem LDMOS-Transistor mit hoher Spannung basiert.
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Die
Kombination einer Treiberstufe mit geringer Spannung, welche auf
einem Bipolar-Transistor basiert, mit einer Endstufe mit hoher Spannung,
welche auf einem LDMOS-Leistungstransistor basiert, bewirkt näherungsweise
eine Impedanz-Anpassung zwischen den Stufen. Hierbei ist ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk,
welches sich zwischen den zwei Stufen befindet, in einem breiteren
Frequenzbereich stabiler gegenüber
Prozess- und Temperatur-Schwankungen.
Dies ermöglicht
außerdem
ein einfacheres Anpassungsnetzwerk zwischen den Stufen mit einer
geringeren Anzahl von Bauelementen. Im Idealfall ist überhaupt
keine Impedanzanpassung zwischen den Stufen notwendig. In einem
solchen Fall wird teure Chip-Fläche
eingespart und der Leistungsverlust reduziert.
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Überdies
sind Simulationen durchgeführt worden,
um den erfindungsgemäßen zweistufigen Bipolar-LDMOS-MMIC-Leistungsverstärker mit
einem konventionellen zweistufigen LDMOS-LDMOS-MMIC-Leistungsverstärker zu
vergleichen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der erfindungsgemäße Bipolar-LDMOS-MMIC-Leistungsverstärker eine
höhere
Effizienz und eine höhere
Leistungsverstärkung
sowie bessere Linearitätseigenschaften aufweist.
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Die
Transistoren mit notwendigerweise niedriger und hoher Spannung sowie
andere Bauelemente zur Herstellung von MMIC-Leistungsverstärkern können leicht in Hochfrequenz-BiCMOS-Prozessen bereitgestellt
werden, beispielsweise in solchen, welche in der oben angegebenen,
veröffentlichten U.S.-Patentanmeldung US
20020055220 A1 und in dem Artikel von O. Bengtsson et al. veröffentlicht sind,
deren Inhalt durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung
aufgenommen wird.
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Darüber hinaus
führt ein
solcher Ansatz zu einer vielversprechenden Vielfalt von Optionen
für den
Schaltungsentwurf, welche andernfalls in spezialisierten LDMOS-Prozessen
nicht auf einfache Weise zur Verfügung stehen. Derartige Optionen
für den Schaltungsentwurf
können
die Bias-Einstellung, die Temperatur-Regelung, Schaltungen zur Linearisierung,
welche beispielweise auf digitaler oder analoger Vorverzerrung basieren,
und digitale Schnittstellen betreffen.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung und aus den beiliegenden 1 bis 3,
welche lediglich der Veranschaulichung dienen und daher nicht beschränkend für die vorliegende
Erfindung sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schematisch einen monolithisch integrierten zweistufigen Leistungsverstärker gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 stellt
ein detailliertes Schaltbild des Leistungsverstärkers gemäß 1 dar.
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3 zeigt
schematisch einen monolithisch integrierten, dreistufigen Leistungsverstärker gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VORTEILHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
ein monolithisch integrierter, zweistufiger Mikrowellen-Hochleistungsverstärker gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Der
monolithisch integrierte Leistungsverstärker umfasst eine erste Leistungsverstärkerstufe 11 und
eine zweite Leistungsverstärkerstufe 12,
welche in Serie geschaltet sind. Die erste Leistungsverstärkerstufe 11,
welche als Treiberstufe bezeichnet wird, ist so angeschlossen, dass
diese ein Mikrowellen-Signal entgegennimmt und anschließend verstärkt. Die
zweite Leistungsverstärkerstufe 12,
welche als Endstufe bezeichnet wird, ist so angeschlossen, dass
diese das Mikrowellen-Signal entgegennimmt, nachdem dieses durch
die Treiberstufe 11 verstärkt worden ist, und ferner
das Mikrowellen-Signal
verstärkt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Treiberstufe 11 dahingehend optimiert,
dass diese durch eine erste Versorgungsspannung versorgt wird (schematisch
angedeutet durch das Bezugszeichen 13), wohingegen die
Endstufe 12 dahingehend optimiert ist, dass diese durch
eine zweite Versorgungsspannung (schematisch angedeutet durch das
Bezugszeichen 14) versorgt wird. Die erste Versorgungsspannung
ist geringer als die zweite Versorgungsspannung, abhängig von
den Eingangseigenschaften der Endstufe.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Treiberstufe 11 einen Bipolar-Transistor mit niedriger Spannung, wohingegen
die Endstufe 12 einen LDMOS-Transistor mit hoher Spannung
umfasst.
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Ferner
umfasst der monolithisch integrierte Leistungsverstärker vorteilhafterweise
ein eingangsseitiges Impedanz-Anpassungsnetzwerk 15,
welches an dem Eingang des Leistungsverstärkers angeordnet ist, und ein
Impedanz-Anpassungsnetzwerk 16, welches
zwischen den beiden Verstärkerstufen 11 und 12 angeordnet
ist. Ein ausgangsseitiges Impedanz-Anpassungsnetzwerk 17 befindet
sich an dem Ausgang des Leistungsverstärkers. Dieses ist aufgrund
der großen
Abmessungen eines solchen Netzwerkes vorteilhafterweise auf einer
Platine außerhalb des
monolithisch integrierten Leistungsverstärkers angeordnet.
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In
dem Idealfall, in dem die Ausgangsimpedanz der Treiberstufe 11 mit
der Eingangsimpedanz der Endstufe 12 identisch ist, ist überhaupt
keine Impedanzanpassung zwischen den Stufen notwendig. Dann kann
der Ausgang der Treiberstufe 11 direkt mit dem Eingang
der Endstufe 12 verbunden werden (nicht dargestellt). Dennoch
ist es von Vorteil, wenn zumindest ein DC-Blockkondensator zwischen den Verstärkerstufen 11, 12 angeschlossen
ist.
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In 2 ist
ein detaillierter Schaltplan des Leistungsverstärkers nach 1 dargestellt.
In der Schaltung bezeichnen R einen Widerstand, L eine Induktivität und C
einen Kondensator. Darüber
hinaus bezeichnet 21 ein Bias-Netzwerk zur Einstellung
des Arbeitspunkts der Treiberstufe 11 und 22 bezeichnet ein
Bias-Netzwerk zur Einstellung des Arbeitspunkts der Endstufe 12.
Der Bipolar-Transistor 11 der Treiberstufe ist dahingehend
optimiert, mit einer Versorgungsspannung von etwa 3 V vorsorgt zu
werden, während
der MOS-Transistor 12 der Endstufe dahingehend optimiert
ist, mit einer Versorgungsspannung von etwa 12 V versorgt zu werden.
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Die
Endstufe 12 ist so entworfen, dass diese das beste Linearitätsverhalten über einen
weiten Dynamikbereich bei der oben angegebenen Versorgungsspannung
aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass dieser die gewünschten
Impedanzen ausgehend von den Niederfrequenz-Abschlüssen bis
hin zu den Abschlüssen
der 3. Oberwelle präsentiert werden.
Die Arbeitspunkt-Einstellung
ist dahingehend untersucht worden, dass diese das bestmögliche Linearitätsverhalten
und die bestmögliche
Leistungseffizienz ermöglicht.
Die Treiberstufe 11 ist als Class-A-Stufe entworfen worden und ist so
ausgelegt, dass diese die Endstufe 12 über ihren gesamten Dynamikbereich
ansteuert und nicht die Gesamt-Linearität beeinträchtigt.
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Es
ist eine Eigenschaft der Treiberstufe 11, dass diese auf
einer Vorsorgungsspannung von etwa 3 V optimiert ist, so dass sich
bei der ausgewählten Betriebsfrequenz
eine Ausgangsimpedanz in der Nähe
der benötigten
Eingangsimpedanz für
die Endstufe 12 ergibt. Dies resultiert letztendlich darin,
dass sich ein belastetes Q ergibt, welches viel geringer ist als
das Q eines zweistufigen Entwurfs unter ausschließlicher
Verwendung von LDMOS-Transistoren. Der Zusammenhang zwischen Q und
der Bandbreite B ist gegeben durch: B = f0/QL,wobei f0 die Betriebsgrundfrequenz darstellt.
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Es
wurden Simulationen durchgeführt,
um den erfindungsgemäßen zweistufigen
Bipolar-LDMOS-MMIC-Leistungsverstärker gemäß der 1 und 2 mit
einem konventionellen zweistufigen LDMOS-LDMOS-MMIC-Leistungsverstärker zu
vergleichen. Beide Schaltungsentwürfe wurden dahingehend optimiert,
dass diese als Vergleichsmaßstab die
höchstmögliche Effizienz
bei –40
dBc für
Intermodulationsprodukte 3. Ordnung aufweisen. Bei dem Vergleich
des belasteten Q für
das Impedanz-Anpassungsnetzwerk 16 zwischen
den Stufen ergibt sich, dass der erfindungsgemäße Bipolar-LDMOS-Leistungsverstärker einen
um den Faktor 3,25 geringeren Q-Wert aufweist als die konventionelle
LDMOS-LDMOS-Konfiguration. Der erfindungsgemäße Bipolar-LDMOS-Leistungsverstärker hat
bei dem gegebenen Linaritätsvergleichsmaßstab eine über 20%
höhere
Effizienz und eine um 6 dB höhere
Gesamtleistungsverstärkung
als die konventionelle LDMOS-LDMOS-Konfiguration.
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In 3 ist
ein monolithisch integrierter, dreistufiger Leistungsverstärker gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Der
Verstärker
umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte Leistungsverstärkerstufe 31, 32, 33, wobei
jede eine eigene Spannungsversorgung 34, 35, 36 aufweist.
Ferner sind ein eingangsseitiges Impedanz-Anpassungsnetzwerk 37,
ein ausgangsseitiges Impedanz-Anpassungsnetzwerk 40 sowie
zwei zwischen den Stufen angeordnete Impedanz-Anpassungsnetzwerke 38 und 39 vorgesehen.
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Die
erste, zweite und dritte Leistungsverstärkerstufe 31, 32, 33 sind
dahingehend optimiert, dass diese mit den jeweiligen Versorgungsspannungen V1,
V2, V3 versorgt werden, für
die gilt: V1 < V2 < V3,wobei V1
die optimierte Versorgungsspannung der ersten Verstärkerstufe 31,
d. h. der Verstärkereingangsstufe,
V2 die optimierte Versorgungsspannung der zweiten Verstärkerstufe 32,
d. h. der Verstärkerzwischenstufe,
und V3 die optimierte Versorgungsspannung der dritten Verstärkerstufe 33,
d. h. der Verstärkerausgangsstufe,
darstellen.
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Zweckmäßigerweise
basiert die erste Leistungsverstärkerstufe 31 auf
einem NMOS- oder PMOS-Transistor mit geringer Spannung, wobei die zweite
Verstärkerstufe 32 auf
einem Bipolar-Transistor
mit geringer Spannung basiert. Die dritte Verstärkerstufe 33 basiert
auf einem LDMOS-Transistor mit hoher Spannung.
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Im
Idealfall ist überhaupt
keine Impedanz-Anpassung zwischen den Stufen notwendig, so dass
auf jedes der Impedanz-Anpassungsnetzwerke 38 und 39 zwischen
den Stufen verzichtet werden kann.
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Alternativ
wird jedes der Impedanz-Anpassungsnetzwerke 38 und 39 jeweils
durch einen einfachen DC-Blockkondensator ersetzt, welcher mit den jeweiligen
Verstärkerstufen
verbunden ist.
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Im
Allgemeinen wird ein integrierter Mikrowellen-Leistungsverstärker auf einem einzigen Silizium-Chip
entworfen, vorzugsweise unter Verwendung einer BiCMOS-Technologie,
wobei der Chip mehrere Verstärkungsstufen
und Impedanz-Anpassungsschaltungen
zwischen den Stufen sowie möglicherweise
eine eingangsseitige Impedanz-Anpassungsschaltung kombiniert. Verschiedene
Verstärkerstufen,
welche vom Eingang zum Ausgang des integrierten Mikrowellen-Leistungsverstärkers mit
1, 2, ..., n nummeriert werden, haben verschiedene Versorgungsspannungen
V1, V2, ..., Vn, für
die die jeweiligen Stufen optimiert worden sind, wobei die Versorgungsspannungen
V1, V2, ..., Vn die Bedingung V1 < V2 < ... < Vnerfüllen, um
die Unterschiede der Ausgangs- und Eingangsimpedanz zwischen benachbarten
Verstärkerstufen
zu reduzieren. Diese Reduktion hinsichtlich des notwendigen Übersetzungsver hältnisses
erhöht die
Bandbreite des Anpassungsnetzwerkes zwischen den Stufen und somit
auch die Bandbreite des Leistungsverstärkers.
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Für den Fall,
dass das Übersetzungsverhältnis nahe
1 ist, d. h. die Ausgangsimpedanz eines Verstärkerstufe ist ungefähr gleich
der Eingangsimpedanz einer nachfolgenden Leistungsverstärkerstufe, ist
keine Impedanz-Anpassungsschaltung zwischen diesen beiden Stufen
notwendig, wodurch der größte Teil
der Fläche,
welche passive Bauelemente, wie beispielsweise Kondensatoren und
Induktivitäten,
in dem Hochfrequenz-Pfad belegen, wegfällt. In diesem Fall wird die
Frequenz-Bandbreite des kaskadierten Leistungsverstärkers durch
die Transistor-Hochfrequenz-Eigenschaften
und nicht durch die Anpassungsnetzwerke zwischen den Stufen begrenzt.