DE102005027426A1 - Elektronischer Hochfrequenzschalter mit Galliumarsenid-Feldeffekttransistor - Google Patents

Abstract

Bei einem elektronischen Hochfrequenzschalter mit einem Galliumarsenid-Feldeffekttransistor, bei dem die zwischen Positiv und Negativ umschaltbare Steuergleichspannung über einen Gate-Widerstand (R1) mit parallel dazu angeordneten Kondensator (C) dem Gate-Anschluss (G) zugeführt wird, ist zwischen Kondensator (C) und Bezugspotential (M) eine Diode (D) angeordnet, die so gepolt ist, dass sie bei positiver Steuergleichspannung gesperrt und bei negativer Steuergleichspannung leitend ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektronischen Hochfrequenzschalter laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
• Elektronische Hochfrequenzschalter mit Galliumarsenid (GaAs)-Feldeffekttransistoren als Schaltelement arbeiten verschleißfrei und sind schneller als mechanische Schalter. Ein Nachteil dieser GaAs-Feldeffekttransistoren ist, dass die über die Drain-Source-Strecke geschaltete Signalamplitude am Ausgang nicht sofort im Zeitpunkt der Einschaltflanke E der dem Gate-Anschluss zugeführten Steuergleichspannung U den Wert der eingespeisten Signalamplitude am Eingang erreicht, sondern im Sinne der 2 erst nach einem Bruchteil einer Millisekunde mit näherungsweise exponentiellem Anstieg. Anschließend dauert es noch relativ lang, bis mit langsamem Anstieg der 100 %-Wert der Eingangssignalamplitude erreicht wird. Diese dadurch bedingte lange Schaltzeit des Hochfrequenzschalters ist in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise bei elektronisch geschalteten HF-Eichleitungen nachteilig.
• Zur Reduzierung der Schaltzeit ist es bei Schalttransistoren, auch bei GaAs-Feldeffekttransistoren, bekannt, parallel zum Gate-Widerstand, über welchen die zwischen Positiv und Negativ umschaltbare Steuergleichspannung dem Gate-Anschluss des Transistors zugeführt wird, einen Kondensator anzuordnen, vorzugsweise in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand. Durch diesen Kondensator wird an der Einschaltflanke E die dem Gate-Anschluss zugeführte Steuergleichspannung etwas angehoben und so die in 2 dargestellte exponentielle Zunahme der Signalamplitude etwas verbessert. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese mit einem einfachen Kondensator erzielbare Anhebung im Einschaltbereich des Schalters in den meisten Fällen, beispielsweise bei schnell schaltenden Hochfrequenz-Eichleitungen, nicht ausreicht.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Hochfrequenz-GaAs-Feldeffekt-Transistor-Schalter bezüglich der erzielbaren Schaltzeiten zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem elektronischen Hochfrequenzschalter laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Durch die zusätzliche gegen Bezugspotential (Masse) geschaltete Diode wird der parallel zum Gate-Widerstand angeordnete Kondensator während der Sperrphase des Schalters aufgeladen und gibt im Einschaltmoment diese Ladung in Überlagerung zur anliegenden positiven Steuergleichspannung an den Gate-Anschluss ab. Dadurch kann je nach Dimensionierung des Kondensators zusammen mit dem vorzugsweise in Reihe dazu angeordneten Begrenzungswiderstand jede gewünschte Spannungserhöhung im Bereich der Einschalt-Flanke E der Steuergleichspannung erreicht werden. Durch die zusätzliche Diode werden außerdem negative Spannungspitzen im Bereich der Abschaltflanke A der Steuergleichspannung abgekappt, so dass der Kondensator noch schneller seine 100%-ige Ladung erreicht.
• In 2 ist mit der Kurve b das durch die zusätzliche Diode Erreichte dargestellt. Im Vergleich zur bekannten Anordnung ohne Diode (Kurve a) wird im Bereich der Einschaltflanke E praktisch sofort nach dem Einschalten nahezu der 100%-Wert der eingespeisten Signalamplitude am Ausgang erreicht und auch die nach dem Einschalten nur langsam kriechend zunehmende Anhebung der Signalamplitude auf 100 (Kurve a) wird vermieden. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass durch Erhöhung der Gate-Spannung im Einschaltmoment die Einfügungsdämpfung der Drain-Source-Strecke des Schalters reduziert wird und so durch entsprechende Dimensionierung des Ladekondensators, der Vorspannung der Diode und der Widerstände die Steuergleichspannung im Einschaltmoment gerade so überhöht wird, wie dies für den jeweiligen Anwendungszweck zur Reduzierung der Schaltzeit erforderlich ist.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter mit GaAs-Feldeffekttransistor als Schaltelement;
• 2 zeigt anhand eines Diagramms die damit erzielbare Reduzierung der Schaltzeit.
• 1 zeigt einen Hochfrequenzschalter mit einem GaAs-Feldeffekttransistor T als Schaltelement. Die Drain-Source-Strecke des Transistors bildet die Schaltstrecke zwischen einer Hochfrequenzquelle HF (MHz- oder GHz-Bereich) und einer Last L. Die Steuerung des Transistors T erfolgt über dessen Gate-Anschluss G mittels einer Steuergleichspannung U, die über einen Vorwiderstand R1 dem Gate-Anschluss G zugeführt wird. Im Transistor T ist meist noch ein zusätzlicher Vorwiderstand R_G vorgesehen.
• Im gezeigten Beispiel wird zum Einschalten des Transistors T über einen Umschalter W (Einschaltflanke E der Steuergleichspannung) eine gegen Masse M positive Steuergleichspannung V1 zugeführt. Im Sperrzustand (Abschaltflanke A) wird über den Schalter W eine gegen Masse M negative Steuergleichspannung V2 zugeführt. Parallel zum Vorwiderstand R1 ist die Reihenschaltung eines Kondensators C und eines Begrenzungswiderstandes R2 angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen Kondensator C und Begrenzungswiderstand R2, also der dem Schalter W abgewandte Pol des Kondensators C, ist über eine Diode D gegen Masse M geschaltet. Die Polarität diese Diode D ist so gewählt, dass bei positiver Steuergleichspannung am Kondensator C (angeschalteter Spannungsquelle V1) die Diode D gesperrt und bei negativer Steuergleichspannung U (V2) am Kondensator C leitend ist.
• Zusätzlich kann zwischen Diode D und Masse M eine Vorspannungs-Gleichstromquelle V3 angeordnet sein. Damit wird durch diese Diode D bei anliegender negativer Steuergleichspannung V2 der Kondensator C aufgeladen. Beim Umschalten von Sperrphase in Einschaltphase (Einschaltflanke E) sperrt die Diode D und die Ladung des Kondensators C wird der nunmehr am Gate-Anschluss anliegenden positiven Steuergleichspannung V1 überlagert. Durch die damit erzielte höhere Steuergleichspannung am Gate-Anschluss G wird die Einfügungsdämpfung der Drain-Source-Strecke des Transistor-Schalters herabgesetzt und dadurch nach Kurve b ein schnellerer Anstieg der Signalspannungsamplitude V_out sofort kurz nach dem Einschaltmoment erreicht.
• Der zeitliche Verlauf dieser Erhöhung im Einschaltmoment wird durch die Entladekennlinie des RC-Gliedes R2/C bestimmt. Die Vorspannung V3 der Diode D ist zwischen der negativen Vorspannung V2 und dem Masse-Potential M wählbar. Dadurch ist die Aufladung des Kondensators entsprechend einstellbar. Durch den in Reihe zum Kondensator angeordneten Begrenzungswiderstand R2 wird der Gate-Strom begrenzt und damit auch die Spannungsspitze am Lastwiderstand L reduziert.
• Die erfindungsgemäße Anordnung mit dem über die Diode D aufladbaren Kondensator C kann auch mehrfach angewendet werden, wie dies in 1 gestrichelt durch die Schaltelemente C', R2', D' und V3' angedeutet ist. Damit kann jeder gewünschte Verlauf beim Einschalten des Schalters eingestellt werden.

Claims (4)

1. Elektronischer Hochfrequenzschalter mit einem Galliumarsenid-Feldeffekttransistor, der durch eine zwischen Positiv und Negativ umschaltbare Steuergleichspannung (U) ein- und ausschaltbar ist und bei dem die umschaltbare Steuergleichspannung über einen Gate-Widerstand (R1) mit parallel dazu angeordnetem Kondensator (C) dem Gate-Anschluss (G) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kondensator (C) und Bezugspotential (M) eine Diode (D) angeordnet ist, die so gepolt ist, dass sie bei positiver Steuergleichspannung (U) gesperrt und bei negativer Steuergleichspannung (U) leitend ist.
2. Elektronischer Hochfrequenzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D) über eine Vorspannungsquelle (V3) an Bezugspotential (M) liegt.
3. Elektronischer Hochfrequenzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zum Kondensator (C) ein Begrenzungswiderstand (R2) angeordnet ist.
4. Elektronischer Hochfrequenzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kondensatoren (C, C') mit jeweils zum Bezugspotential (M) angeordneten Dioden (D, D') parallel zum Gate-Widerstand (R1) angeordnet sind.