DE102009003892A1

DE102009003892A1 - Systeme und Verfahren für Kaskoden-Schaltleistungsverstärker

Info

Publication number: DE102009003892A1
Application number: DE102009003892A
Authority: DE
Inventors: Ockgoo Lee; Jeonghu Han; Kyu Hwan An; Hyungwook Kim; Dong Ho Lee; Ki Seok Yang; Chang-Ho Lee; Haksun Kim; Joy Laskar
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd; Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd; Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2009-01-02
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2029-01-03
Also published as: FI124989B; KR101079515B1; KR20090075640A; DE102009003892B4; GB0823680D0; FI20095001A0; GB2456066B; CN101478294A; FI20095001A; CN101478294B; GB2456066A; US7560994B1; US20090174480A1; FR2926416A1

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für einen Leistungsverstärker angegeben. Die Systeme und Verfahren können ein erstes Common-Source-Bauelement mit einer ersten Source, einem ersten Gate, einem ersten Drain und einem ersten Body umfassen, wobei die erste Source mit dem ersten Body verbunden ist und wobei das erste Gate mit einem Eingangsanschluss verbunden ist. Die Systeme und Verfahren können weiterhin ein zweites Common-Gate-Bauelement mit einer zweiten Source, einem zweiten Gate, einem zweiten Drain und einem zweiten Body umfassen, wobei die zweite Source mit dem ersten Drain verbunden ist, wobei die zweite Source weiterhin mit dem zweiten Body verbunden ist und wobei der zweite Drain mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Kaskoden-Leistungsverstärker.
Leistungsverstärker können in Mobilfunkgeräten und anderen Funkanwendungen verwendet werden. Weil diese Leistungsverstärker viel Energie verbrauchen, kann es vorteilhaft sein, einen Leistungsverstärker mit einer hohen Effizienz zu verwenden. Der Entwurf von Leistungsverstärkern wie etwa komplementären Metalloxid-Halbleiter-Leistungsverstärkern (CMOS) mit einer hohen Effizienz und einer hohen Ausgabeleistung ist jedoch schwierig. Dementsprechend besteht ein Bedarf für Leistungsverstärker mit einer hohen Leistung und einer hohen Effizienz.
In beispielhaften Ausführungsformen kann ein hocheffizienter Leistungsverstärker wie etwa ein hocheffizienter, komplementärer Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Kaskoden-Schaltleistungsverstärker vorgesehen werden. Ein hocheffizienter Verstärker gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann CMOS-Kaskoden-Bauelemente und Lastnetze umfassen. Bei dem beispielhaften CMOS-Kaskodenaufbau kann ein Body eines Common-Gate-Bauelements mit der Source des Common-Gate-Bauelements verbunden sein (BS-Kaskode). In einem AUS-Zustand kann die Größe des durch das Common-Gate-Bauelement fließenden Leckstroms relativ klein sein. Deshalb kann der BS-Kaskodenaufbau den Leistungsverlust aufgrund eines Leckstroms in dem Subthresholdbereich mit schwacher Inversion in dem CMOS-Kaskoden-Bauelement minimieren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der BS-Kaskodenaufbau in verschiedenen Typen von Schaltleistungsverstärkern integriert werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein System für einen Leistungsverstärker angegeben. Das System kann ein erstes Common-Source-Bauelement mit einer ersten Source, einem ersten Gate, einem ersten Drain und einem ersten Body, wobei die erste Source mit dem ersten Body verbunden ist und wobei das erste Gate mit einem Eingangsanschluss verbunden ist, und ein zweites Common-Gate-Bauelement mit einer zweiten Source, einem zweiten Gate, einem zweiten Drain und einem zweiten Body umfassen, wobei die zweite Source mit dem ersten Drain verbunden ist, wobei die zweite Source weiterhin mit dem zweiten Body verbunden ist und wobei der zweite Drain mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren für einen Leistungsverstärker angegeben. Das Verfahren kann Schritte zum Vorsehen eines ersten Common-Source-Bauelements mit einer ersten Source, einem ersten Gate, einem ersten Drain und einem ersten Body, wobei das erste Gate als Eingangsanschluss betrieben wird, und zum Vorsehen eines zweiten Common-Gate-Bauelements mit einer zweiten Source, einem zweiten Gate, einem zweiten Drain und einem zweiten Body umfassen, wobei der zweite Drain als Ausgangsanschluss betrieben werden kann, umfassen. Das Verfahren kann weiterhin Schritte zum Verbinden der ersten Source mit dem ersten Body, zum Verbinden der zweiten Source mit dem zweiten Body und zum Stapeln des ersten Common-Source-Bauelements und des zweiten Common-Gate-Bauelements durch eine Verbindung des ersten Drains mit der zweiten Source umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Leistungssendersystem einschließlich eines Schaltleistungsverstärkers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm eines BS-CMOS-Kaskoden-Schaltleistungsverstärkersystems mit einem Impedanzwandlungsnetz gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften CMOS-BS-Kaskoden-Leistungsverstärkersystems der Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Schaltungsmodell eines beispielhaften CMOS-BS-Kaskoden-Leistungsverstärkersystems der Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
5 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften CMOS-BG-Kaskoden-Leistungsverstärkersystems der Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt ein Schaltungsmodell eines beispielhaften CMOS-BG-Kaskodenverstärkersystems der Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt die Spannungswellenformen an dem Drain und an der Source des Common-Gate-Bauelements und die Gate-zu-Source- Spannung V_GS des Common-Gate-Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
8 ist ein Kurvendiagramm mit beispielhaften Messergebnissen eines BS-Kaskoden-Leistungsverstärkeraufbaus gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung ausführlicher mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Es werden durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet, um identische Teile anzugeben.
1 zeigt ein Schaltleistungsverstärkersystem 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, das einen Eingangsanschluss 101, eine optionale Treiberverstärkerstufe 102, eine oder mehrere Schaltleistungsverstärker 103 und ein optionales Impedanzwandlungsnetz 104 umfassen kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Treiberverstärkerstufe 102 eine Eingabe wie etwa ein Basisbandsignal oder ein Hochfrequenzsignal von dem Eingangsanschluss 101 empfangen und eine Ausgabe zum Betreiben des Schaltleistungsverstärkers 103 erzeugen. Wie in 1 gezeigt, kann der Schaltleistungsverstärker 103 über einen Versorgungsspannungsanschluss 106 (Vdd) mit Strom versorgt werden. Der Schaltleistungsverstärker 103 kann dann ein verstärktes Ausgangssignal zu dem Impedanzwandlungsnetz 104 ausgeben, das die Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers 103 mit einer Lastimpedanz an dem Ausgangsanschluss 105 abstimmt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Last ein Schalter, ein Multiplexer, ein Filter, eine Antenne oder ein anderer Typ von Last sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Lastimpedanz 50 Ohm betragen. Wenn die Lastimpedanz 50 Ohm beträgt, kann das Impedanzwandlungsnetz 104 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Ausgangsimpedanz des Schaltleistungsverstärkers 103 zu 50 Ohm wandeln.
2 ist ein schematisches Diagramm eines CMOS-Kaskoden-Schaltleistungsverstärkersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, das eine BS (Body-Source)-Kaskodenkonfiguration verwendet. Wie in 2 gezeigt, kann das Leistungsverstärkersystem 200 einen BS-Kaskoden-Schaltverstärker 220 umfassen, der mit einem optionalen Impedanzwandlungsnetz 216 verbunden ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Impedanzwandlungsnetz 216 ein 1:n-Wandler sein, der betrieben wird, um die Ausgangsimpedanz des Schaltleistungsverstärkers 220 mit der Lastimpedanz (z. B. 50 Ohm) der Ausgangslast 217 (Pout) abzugleichen.
Wie weiterhin in 2 gezeigt, kann der BS-Kaskoden-Schaltverstärker 250 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein CMOS-BS-Kaskoden-Schaltverstärker sein, der ein erstes Common-Source-Bauelement bzw. einen Transistor 202 (M₁) mit einer ersten Source 205, einem ersten Gate 204, einem ersten Drain 203 und einem ersten Body 206 aufweist. Entsprechend kann der CMOS-BS-Kaskoden-Schaltverstärker 220 auch ein zweites Common-Gate-Bauelement bzw. einen Transistor 208 (M₂) mit einer zweiten Source 211, einem zweiten Gate 210, einem zweiten Drain 209 und einem zweiten Body 212 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das erste Common-Source-Bauelement 202 (M₁) in Reihe mit dem zweiten Common-Gate-Bauelement 208 (M₂) verbunden sein, um die Spannungsbelastung zu reduzieren, die ansonsten durch ein einzelnes Bauelement getragen werden muss. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Bauelemente 202 (M₁), 208 (M₂) in Reihe verbunden werden, indem das erste Drain 203 des ersten Common-Source-Bauelements 202 (M₁) mit der zweiten Source 211 des zweiten Common-Gate-Bauelements 208 (M₂) verbunden wird. Außerdem kann eine BS-Verstärkerkonfiguration auf den Kaskodenschaltverstärker 220 angewendet werden, um einen Leckstromfluss zu reduzieren bzw. zu minimieren und dadurch die Effizienz des Verstärkers 220 zu erhöhen. Bei einer Body-Source-Verstärkerkonfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die erste Source 205 mit dem ersten Body 206 des ersten Common-Source-Bauelements 202 (M₁) verbunden werden und kann die zweite Source 211 mit dem zweiten Body 212 des zweiten Common-Gate-Bauelements 208 (M₂) verbunden werden. Weiterhin kann die erste Source 205 des ersten Common-Source-Bauelements 202 (M₁) mit der Erde (GND) verbunden werden und kann das zweite Gate 207 des zweiten Common-Gate-Bauelements 208 (M₂) mit einem Gate-Eias-Anschluss 207 (Vgg) verbunden werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Eingangsanschluss 201 (Pin) an dem ersten Gate 201 des ersten Common-Source-Bauelements 202 (M₁) vorgesehen werden.
Wie weiterhin in 2 gezeigt, kann eine Hochfrequenzdrossel 213 zwischen einer Stromversorgung 214 (Vdd) und dem zweiten Drain 209 des zweiten Common-Gate-Bauelements 208 (M₂) vorgesehen werden. Die Hochfrequenzdrossel 213 kann betrieben werden, um einen Gleichstrom zu dem Drain 209 zu führen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Hochfrequenzdrossel 213 ausreichend groß gewählt werden, sodass der Strom durch den zweiten Drain 209 im wesentlichen konstant sein kann. Außerdem kann ein Ausgangsanschluss des Kaskoden-Schaltverstärkers 220 an dem zweiten Drain 209 des zweiten Common-Gate-Bauelements 208 (M₂) vorgesehen und mit einem Lastnetz 215 verbunden sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Lastnetz 215 betrieben werden, um eine Schaltoperation zwischen dem Ausgangsanschluss und einem Impedanzwandlungsnetz 216 auszuführen. Der Aufbau des Lastnetzes 215 kann von den Eigenschaften (z. B. Klasse D, E oder F, usw.) der Schaltleistungsverstärkers 220 abhängen. Zum Beispiel können Schaltleistungsverstärker der Klasse D, E und F erfordern, dass die Lastnetze jeweils eigene Schaltoperationen ausführen. Dabei können Leistungsverstärker der Klasse D LCR-Resonatoren für ihren Betrieb erfordern, können Leistungsverstärker der Klasse E eine oder mehrere LCR-Verzweigungen erfordern und können Leistungsverstärker der Klasse F mehrere konzentrierte Bauelemente erfordern, um eine harmonische Terminierung durchzuführen. Während des Schaltbetriebs können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eines oder mehrere Bauelemente schwer überlastet werden, wobei die als Schaltnetze wirkenden Lastnetze den Gleichstrom zu einer Hochfrequenzenergie wandeln können.
Es ist zu beachten, dass die Transistoren 202 (M₁), 208 (M₂) gemäße einer beispielhaften Ausführungsform Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sein können. Es ist jedoch zu beachten, dass auch andere Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet werden können.
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines CMOS-BS-Kaskoden-Leistungsverstärkers 300 des Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Wie in 3 gezeigt, kann eine BS-Kaskodenverstärkerkonfiguration unter Verwendung eines ersten Common-Source-Transistors oder -Bauelements 302 (M₁) und eines zweiten Common-Gate-Transistors oder Bauelements 308 (M₂) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung implementiert werden. Das erste Bauelement 302 (M₁) kann eine erste Source 205, ein erstes Gate 304, einen ersten Drain 303 und einen ersten Body 306 umfassen, und das zweite Bauelement 308 (M₂) kann eine zweite Source 311, ein zweites Gate 310, einen zweiten Drain 309 und einen zweiten Body 312 umfassen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das erste Bauelement 302 (M₁) in Reihe mit dem zweiten Bauelement 308 (M₂) verbunden werden, indem der erste Drain 303 mit der zweiten Source 311 verbunden wird. Außerdem kann die BS-Kaskoden-Verstärkerkonfigurationen implementiert werden, indem die erste Source 305 mit dem ersten Body 306 und die zweite Source 311 mit dem zweiten Body 312 verbunden werden.
In 3 kann die Source 305 des Common-Source-Bauelements 302 (M₁) mit der Erde verbunden sein, während das Gate 310 des Common-Gate-Bauelements 308 (M₂) mit einem Gate-Bias-Anschluss 307 verbunden ist. Weiterhin kann wie in 3 gezeigt der Ausgangsanschluss an dem zweiten Drain des zweiten Bauelements 308 (M₂) mit einem Lastnetz 315 verbunden sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Lastnetz 315 ein LCR-Netz sein, das für Schaltbedingungen der Klasse E betrieben werden kann. Zum Beispiel kann ein Lastnetz 315 der Klasse E eine Reihenverbindung aus einem kapazitiven Bauelement 315, einem induktiven Bauelement 316 und einem resistiven Bauelement 317 sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Bauelemente 315, 316, 317 unter Verwendung von konzentrierten Bauelementen implementiert werden.
4 zeigt ein äquivalentes Schaltungsmodell des BS-Kaskoden-Leistungsverstärkers von 3 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Wie in 4 gezeigt, kann das Common-Source-Bauelement 302 (M₁) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als ein Schalter 401 mit einem AUS-Zustand und einem EIN-Zustand wiedergegeben werden. Entsprechend kann das Common-Gate-Bauelement 308 (M₂) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als ein Schalter 404 mit einem AUS-Zustand und einem EIN-Zustand wiedergegeben werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der EIN-Zustand-Widerstand 402 (r_on1) des Common-Source-Bauelements 302 (M₁) in Reihe mit dem EIN-Zustand-Widerstand 405 (r_on2) des Common-Gate-Bauelements 308 (M₂) verbunden werden. Wie weiterhin in 4 gezeigt, kann die Ausgangskapazität 403 des Common-Source-Bauelements 302 (M₁) die Summe aus der Drain-zu-Body-Kapazität C_db1 des Bauelements 302 (M₁) und aus der Gate-zu-Source-Kapazität C_gs2 des Bauelements 308 (M₂) sein. Die Ausgangskapazität 403 kann in Reihe mit der Ausgangskapazität 406 des Bauelements 308 (M₂) verbunden werden, die die Drain-zu-Body-Kapazität 406 (C_db2) des Bauelements 308 (M₂) sein kann.
Es ist zu beachten, dass es in einigen Ausführungsformen vorteilhaft sein kann, den Leckstrom in dem Common-Gate-Bauelement 308 (M₂) zu reduzieren oder zu beseitigen, wenn der BS-Kaskoden-Verstärker im AUS-Zustand ist, um die Effizienz des BS-Kaskodenverstärkers zu erhöhen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Leckstrom des Common-Gate-Bauelements 308 (M₂) reduziert oder beseitigt werden, indem die BS-Kaskoden-Verstärkerkonfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, die die Source des Common-Gate-Bauelements 308 (M₂) auf eine höhere Spannung setzt als die Gatespannung (V_G) minus die Schwellspannung (V_TH2) des Common-Gate-Bauelements 308 (M₂).
Insbesondere kann in der BS-Kaskoden-Verstärkerkonfiguration die Source zu der Substratkapazität C_sb1 des Bauelements 302 (M₁) beseitigt werden, weil die Source des Bauelements 302 (M₁) mit dem Body des Bauelements 302 (M₁) verbunden werden kann. Dementsprechend kann die Ausgangskapazität 403 für das Common-Source-Bauelement 302 (M₁) durch die Beseitigung der Source zu der Substratkapazität C_sb1 reduziert werden. Auf diese Weise fließt während eines AUS-Zustands für den BS-Kaskodenverstärker an 4 ein Wechselstrom durch den Reihenpfad, der durch die Ausgangskapazitäten 403, 406 definiert wird, und setzt die Sourcespannung V_S des Common-Gate-Bauelements 308 (M₂) auf ein höheres Potential als die Gatespannung V_G minus die Schwellspannung V_TH2 des Bauelements 308 (M₂) (z. B. V_G – V_TH2) In dem AUS-Zustand kann der Leckstrom in dem Common-Gate-Bauelement 308 (M₂) beseitigt oder reduziert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann durch die Beseitigung oder Reduktion des Leckstroms in dem Common-Gate-Bauelement 308 (M₂) die Effizienz des BS-Kaskoden-Verstärkers verbessert werden.
5 zeigt ein Schaltdiagramm des beispielhaften CMOS-BG (Body-Ground)-Kaskoden-Leistungsverstärkers der Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere zeigt das Schaltdiagramm von 5 eine BG-Kaskoden-Verstärkerkonfiguration, die ein erstes Common-Source-Bauelement 502 mit einer ersten Source 505, einem ersten Gate 504, einem ersten Drain 503 und einem ersten Body 506, und ein zweites Common-Gate-Bauelement 508 mit einer zweiten Source 511, einem zweiten Gate 510, einem zweiten Drain 509 und einem zweiten Body 512 umfasst. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Common-Source-Bauelement 502 in Reihe mit dem Common-Gate-Bauelement 508 verbunden werden, indem der erste Drain 503 mit der zweiten Source 511 verbunden wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Reihenverbindung des Common-Source-Bauelements 502 mit dem Common-Gate-Bauelement 508 die Spannungsbelastung reduzieren, die ansonsten durch ein einzelnes Bauelement getragen werden muss.
In 5 kann die BS-Kaskoden-Verstärkerkonfiguration eine Verbindung des erste Bodys 506 des ersten Common-Source-Bauelements 502 und des zweiten Bodys 512 des Common-Gate-Bauelements 508 mit der Erde umfassen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Gate 504 des Common-Source-Bauelements 502 mit einem Eingangsanschluss 501 (Pin) verbunden sein, während das Gate 510 des Common-Gate-Bauelement 508 mit einem Gate-Eias-Anschluss 507 (Vg) verbunden sein kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Ausgangsanschluss des BG-Kaskoden-Verstärkers an dem zweiten Drain 509 des zweiten Common-Gate-Bauelements 508 vorgesehen und mit einem Lastnetz verbunden sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Lastnetz LCR-Bauelemente einschließlich eines kapazitiven Bauelements 515 (C_S), eines induktiven Bauelements 516 (L_S) und eines resistiven Bauelements (R_L) umfassen, die mit Schaltbedingungen der Klasse E betrieben werden können.
6 zeigt ein Schaltungsmodell eines BG-Kaskoden-Leistungsverstärkers der Klasse E gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Wie in 6 gezeigt, kann ein Common-Source-Bauelement 502 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als ein Schalter 601 mit einem AUS-Zustand und einem EIN-Zustand wiedergegeben werden. Entsprechend kann ein Common-Gate-Bauelement 508 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als ein Schalter 604 mit einem AUS-Zustand und einem EIN-Zustand wiedergegeben werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der EIN-Zustand-Widerstand 602 (r_on1) des Common-Source-Bauelements 502 mit dem EIN-Zustand-Widerstand 605 (r_on2) des Common-Gate-Bauelements 508 in Reihe verbunden werden.
Wie in 6 gezeigt, kann die Ausgangskapazität 603 des Common-Source-Bauelements 502 die Summe aus der Drain-zu-Body- Kapazität C_db1 des Bauelement 502, der Gate-zu-Source-Kapazität C_gs2 des Bauelements 508 und der Source-zu-Body-Kapazität C_sb2 des Bauelements 308 sein. Die Ausgangskapazität 603 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung von der Ausgangskapazität 606 des Common-Gate-Bauelements 508 getrennt sein, die durch die Drain-zu-Body-Kapazität (C_db2) des Bauelements 508 gebildet werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Sourcespannung des Common-Gate-Bauelements 508 in einem AUS-Zustand zu V_G – V_TH2 steigen. Wegen der großen Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und der Source des Bauelements 508 kann das Bauelement 508 in dem Subthresholdbereich mit schwacher Inversion sein, wobei ein Leckstrom fließen kann und deshalb ein Leistungsverlust auftreten kann. Um den Leckstrom zu minimieren, kann eine Abstimmungsspule mit der Source des Bauelements 508 verbunden werden, um die Sourcespannung des Bauelements 508 zu erhöhen und den Leckstrom zu minimieren. Der Entwurf des BG-Kaskoden-Verstärkers kann jedoch auch einen zusätzlichen Raum erfordern, um die Abstimmungsspule aufzunehmen.
7 zeigt die simulierten Spannungswellenformen an dem Drain und an der Source eines Common-Gate-Bauelements und die Gate-zu-Source-Spannung V_GS des Common-Gate-Bauelements für BG-Kaskoden- und BS-Kaskoden-Verstärker gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Jeder der Kaskodenaufbauten weist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine Stapelkonfiguration mit einer 0,18 μm-Common-Source und einem 0,35 μm-Common-Gate auf. In dem AUS-Zustand eines Common-Source-Bauelements kann die Sourcespannung des Commong-Gate-Bauelements in dem BS-Kaskoden-Verstärkers größer als für einen BG-Kaskodenverstärker sein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann sich die Sourcespannung des Common-Gate-Bauelements in dem BG-Kaskoden-Verstärker aufgrund des Ladeausgangskondensators des Common-Gate-Bauelements erhöhen, bis das Common-Gate-Bauelement in den Subthresholdbereich eintritt. Die Sourcespannung kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zu V_G – V_TH2 steigen. Die Schwellspannung V_TH des 0,35 μm-Bauelements kann ungefähr 1 V betragen, wenn wie in 7 gezeigt der Body geerdet und die Source ungefähr 2,5 V beträgt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Gate-zu-Source-Spannung V_GS des Common-Gate-Bauelements in der BG-Kaskode in dem AUS-Zustand des Common-Source-Bauelements gleich V_TH2 sein, weil die Spannungsvariation der Source des Common-Gate-Bauelements aus dem Leckstrom resultiert, der in den großen Ausgangskondensator des Common-Source-Bauelements fließt. Obwohl der Leckstrom klein ist, kann der Leistungsverlust groß sein, weil eine große Spannungsdifferenz zwischen der Source und dem Drain des Common-Gate-Bauelements gegeben ist. Andererseits kann die Sourcespannung des Common-Gate-Bauelements in der BS-Kaskode in dem AUS-Zustand des Common-Source-Bauelements erhöht werden, weil der Wechselstrom weiterhin durch die Reihenkondensatorverbindung C_db2 und C_gs2 + C_db1 fließt. In einem AUS-Zustand kann die Sourcespannung des Common-Gate-Bauelements M₂ aufgrund des Stromflusses wie in 7 gezeigt über V_G – V_TH steigen. In einem AUS-Zustand des Common-Source-Bauelements M₁ kann die Gate-zu-Source-Spannung V_GS des Common-Gate-Bauelements M₂ in der BS-Kaskode kleiner als in dem BG-Kaskoden-Verstärker sein, sodass der Subthresholdstrom der BS-Kaskode ebenfalls kleiner als in dem BG-Kaskoden-Verstärker sein kann. Außerdem kann der Leistungsverlust für einen BS-Kaskodenverstärker gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung minimiert werden, ohne eine zusätzliche Spule hinzuzufügen.
Ein BS-Kaskoden-Leistungsverstärker der Klasse E kann eine kleine parasitäre Ausgangskapazität aufweisen. Die Ausgangskapazität des Common-Source-Bauelements M₁ in der BS-Kaskode kann wie in 4 und 6 gezeigt kleiner als in einer BG-Kaskode sein. Eine kleine Ausgangskapazität kann den Leistungsverlust in einem AUS-Zustand wie hier beschrieben reduzieren. Außerdem kann eine kleine Ausgangskapazität in dem Common-Source-Bauelement M₁ die Übergangszeit des Common-Gate-Bauelements M₂ von einem EIN-Zustand zu einem AU-Zustand und umgekehrt reduzieren. Um allgemein den Leistungsverlust aufgrund des EIN-Zustand-Wiederstands r_on zu minimieren, muss das Bauelement vergrößert werden, bis die parasitäre Kapazität von dem Drain des Common-Gate-Bauelements M₂ mit der erforderlichen parallelen Kapazität für eine Schaltbedingung der Klasse E in die Schaltung integriert werden kann. Weil die effektive Kapazität von dem Drain des Common-Gate-Bauelements M₂ eine Reihenverbindung von C_db2 und D_gs2 + C_db1 ist, kann die Gesamtkapazität in der BS-Kaskode kleiner als in der BG-Kaskode sein. Deshalb kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein größeres Bauelement verwendet werden, ohne die parasitäre Kapazität zu vergrößern.
8 zeigt beispielhafte Messergebnisse für den Betrieb eines beispielhaften BS-Kaskoden-Leistungsverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Messergebnisse zeigen die Ausgangsleistung und die Leistungsverstärkungseffizienz eines derartigen beispielhaften Leistungsverstärkers. Wie in 8 gezeigt, erfüllen die Messergebnisse die Anforderungen an die Leistungsverstärkungsfähigkeit in dem Frequenzbereich zwischen 1700 MHz und 1950 MHz. Eine Ausgangsleistung von 30,5 dBm bei 1,75 GHz und die entsprechende Leistungsverstärkungseffizienz von 45% wurde bei einer Stromversorgung von 3,3 V erhalten.
Der Fachmann kann verschiedene Modifikationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen auf der Grundlage der vorliegenden Beschreibung und der Zeichnungen vornehmen, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Die Erfindung ist also nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die hier verwendete Terminologie ist nicht einschränkend, sondern lediglich beispielhaft zu verstehen.

Claims

System für einen Leistungsverstärker, das umfasst: ein erstes Common-Source-Bauelement (202), das eine erste Source (205), ein erstes Gate (204), einen ersten Drain (203) und einen ersten Body (206) aufweist, wobei die erste Source (205) mit dem ersten Body (206) verbunden ist und wobei das erste Gate (204) mit einem Eingangsanschluss (201) verbunden ist, und ein zweites Common-Gate-Bauelement (208), das eine zweite Source (211), ein zweites Gate (210), einen zweiten Drain (209) und einen zweiten Body (212) aufweist, wobei die zweite Source (211) mit dem ersten Drain (203) verbunden ist, wobei die zweite Source (211) weiterhin mit dem zweiten Body (212) verbunden ist und wobei der zweite Drain (209) mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist.
System nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein Lastnetz (215), das mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker (220) ein Verstärker der Klasse E ist und dass das Lastnetz (215) eine Reihenverbindung aus einem induktiven Bauelement (316), einem kapazitiven Bauelement (315) und einem resistiven Bauelement (317) umfasst.
System nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch ein Impedanzwandlungsnetz (216), wobei das Lastnetz (215) betrieben werden kann, um eine Schaltoperation zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Impedanzwandlungsnetz (216) vorzusehen.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzwandlungsnetz (216) zwischen dem Lastnetz (215) und einer Ausgangslast (217) verbunden ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslast (217) einen Schalter, einen Multiplexer, ein Filter oder eine Antenne umfasst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsanschluss (201) mit einem Basisbandsignal oder mit einem Hochfrequenzsignal betrieben werden kann.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Common-Source-Bauelement (202) eine erste Ausgangskapazität vorsieht, die durch die Summe aus einer Gate-zu-Source-Kapazität des zweiten Common-Gate-Bauelements (208) und einer Drain-zu-Body-Kapazität des ersten Common-Source-Bauelements (202) definiert wird, und dass das zweite Common-Gate-Bauelement (208) eine zweite Ausgangskapazität vorsieht, die durch eine Drain-zu-Body-Kapazität des zweiten Common-Gate-Bauelements (208) definiert wird.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem AUS-Zustand für den Leistungsverstärker (220) ein Gleichstrom durch die erste Ausgangskapazität und die zweite Ausgangskapazität fließt, um eine Sourcespannung an der zweiten Source (211) des zweiten Common-Gate-Bauelements (208) zu erhöhen.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Common-Gate-Bauelement (208) weiterhin eine Gatespannung und eine Schwellspannung aufweist, wobei die Source-Spannung größer als die Differenz zwischen der Gatespannung an dem zweiten Gate (211) und der Schwellspannung des zweiten Common-Gate-Bauelements (208) ist, um einen Leckstromfluss in dem Leistungsverstärker (220) zu minimieren.
Verfahren für einen Leistungsverstärker, das umfasst: Vorsehen eines ersten Common-Source-Bauelements mit einer ersten Source, einem ersten Gate, einem ersten Drain und einem ersten Body, wobei das erste Gate als Eingangsanschluss betrieben wird, Vorsehen eines zweiten Common-Gate-Bauelemnets mit einer zweiten Source, einem zweiten Gate, einem zweiten Drain und einem zweiten Body, wobei der zweite Drain als Ausgangsanschluss betrieben wird, Verbinden der ersten Source mit dem ersten Body, Verbinden der zweiten Source mit dem zweiten Body, und Stapeln des Common-Source-Bauelements und des Common-Gate-Bauelements durch das Verbinden des ersten Drains mit der zweiten Source.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin gekennzeichnet durch das Verbinden eines Lastnetzes mit dem Ausgangsanschluss.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsverstärker ein Verstärker der Klasse E ist und dass das Lastnetz eine Reihenverbindung aus einem induktiven Bauelement, einem kapazitiven Bauelement und einem resistiven Bauelement enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastnetz betrieben werden kann, um eine Schaltoperation zwischen dem Ausgangsanschluss und einem Impedanzwandlungsnetz vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin gekennzeichnet durch das Verbinden des Impedanzwandlungsnetz zwischen dem Lastnetz und einer Ausgangslast.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslast einen Schalter, einen Multiplexer, ein Filter oder eine Antenne enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsanschluss mit einem Basisbandsignal oder mit einem Hochfrequenzsignal betrieben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Common-Source-Bauelement eine erste Ausgangskapazität vorsieht, die durch die Summe aus einer Gate-zu-Source-Kapazität des zweiten Common-Gate-Bauelements und einer Drain-zu-Body-Kapazität des ersten Common-Source-Bauelements definiert wird, und dass das zweite Common-Gate-Bauelement eine zweite Ausgangskapazität vorsieht, die durch eine Drain-zu-Body-Kapazität des zweiten Common-Gate-Bauelements definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass während eines AUS-Zustands für den Leistungsverstärker ein Gleichstrom durch die erste Ausgangskapazität und die zweite Ausgangskapazität fließt, um eine Sourcespannung an der zweiten Source des zweiten Common-Gate-Bauelements zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Common-Gate-Bauelement weiterhin eine Gatespannung an dem zweiten Gate und eine Schwellspannung für das zweite Common-Gate-Bauelement umfasst, wobei die Sourcespannung größer ist als eine Differenz zwischen der Gatespannung und der Schwellspannung, um den Leckstromfluss in dem Leistungsverstärker zu minimieren.