DE102009004833B4 - Hochfrequenzleistungsschaltung und entsprechende Verfahren - Google Patents

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Abstract

Eine Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300), umfassend: einen Leistungstransistor (135) mit einem Gate-Anschluss und einem Drain-Anschluss, ein mit dem Drain-Anschluss gekoppeltes Ausgangsanpassungsnetzwerk (140, 145, 150, 155), ein mit dem Gate-Anschluss gekoppeltes Eingangsanpassungsnetzwerk (110–130), und eine Vorspannungsschaltung (104) mit Regelschleife, welche mit dem Leistungstransistor (135) auf dem gleichen Rohchip (640) integriert ist und mit dem Gate-Anschluss gekoppelt ist, um den Leistungstransistor (135) in Abhängigkeit von einer an der Vorspannungsschaltung (104) angelegten Referenzspannung vorzuspannen, wobei die Vorspannungsschaltung (104) eine Erfassungsschaltung (106) zum Erfassen eines Drainstroms des Leistungstransistors (135) und eine Ausgangsschaltung (108) zum Vorspannen des Gate-Anschlusses des Leistungstransistors (135) in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen einer Ausgabe der Erfassungsschaltung (106) und der Referenzspannung umfasst, und wobei die Erfassungsschaltung (106) einen zwischen dem Drain-Anschluss und einem weiteren Drain-Anschluss eines weiteren Transistors (172) gekoppelten Widerstand (167) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsschaltung einen ersten Operationsverstärker (175), wobei ein Eingang des ersten Operationsverstärkers (175) mit dem Widerstand (167) gekoppelt ist, umfasst, wobei ein Eingang der Ausgangsschaltung (108) mit einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (175) gekoppelt ist und ein Ausgang der Ausgangsschaltung mit dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors (135) gekoppelt ist.

Description

  • LDMOS-Transistoren (lateral diffused metal-oxide-semiconductor) bieten exzellente Leistungseigenschaften und Linearität und sind daher oft der Transistor der Wahl bei Hochfrequenzleistungselementen für Anwendungen im Gigahertzbereich und im Mikrowellenbereich. LDMOS-Transistoren wurden daher in den letzten Jahren in Mobilfunkbasisstationsanwendungen mehr und mehr verwendet. Die Linearität wird durch geeignetes Vorspannen dieser Bauelemente erzeugt. Typischerweise werden diese Bauelemente in der so genannten „AB”-Betriebsart betrieben, welche ein geeignetes Einstellen einer Gate-Spannung erfordert, um einen gewünschten Ruhestrom zu erreichen. Bei herkömmlichen Schaltungen wird dies häufig durch ein einfaches Potentiometer mit oder ohne Temperaturkompensation und/oder Kompensation heißer Elektronen vorgenommen. Das Bereitstellen eines einfachen Potentiometers mit einem LDMOS-Transistor ist jedoch bei kosteneffektiver Herstellung mit hoher Stückzahl nicht brauchbar.
  • Aus der WO 2008/004034 A1 ist eine Hochfrequenzleistungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Aus der DE 197 42 954 C1 ist eine Temperaturkompensationsschaltung für Feldeffekttransistorschaltungen bekannt.
  • Aus der DE 100 02 371 A1 ist eine weitere Verstärkerschaltung bekannt.
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Hochfrequenzleistungsschaltung und entsprechende Herstellungsverfahren bereitzustellen, durch welche die Kosteneffizienz gesteigert werden kann.
  • Die Erfindung stellt eine Hochfrequenzleistungsschaltung nach Anspruch 1, eine Hochfrequenzleistungselementanordnung nach Anspruch 11 sowie ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 16 oder 23 und ein Verfahren nach Anspruch 24 bereit. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Hochfrequenzleistungsschaltung einen Leistungstransistor, ein Ausgangsanpassungsnetzwerk, ein Eingangsanpassungsnetzwerk und eine Vorspannungsschaltung mit Regelkreis. Der Leistungstransistor weist einen Gate-Anschluss und einen Drain-Anschluss auf. Das Ausgangsanpassungsnetzwerk ist mit dem Drain-Anschluss gekoppelt, und das Eingangsanpassungsnetzwerk ist mit dem Gate-Anschluss gekoppelt. Die Vorspannungsschaltung mit Regelschleife ist mit dem Leistungstransistor auf demselben Rohchip („die”) integriert und zum Vorspannen des Leistungstransistors in Abhängigkeit von einer an der Vorspannungsschaltung mit Regelschleife angelegten Referenzspannung mit dem Gate-Anschluss gekoppelt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkend auszulegenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzleistungsschaltung mit einer Vorspannungsschaltung mit Regelschleife.
  • 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzleistungsschaltung mit einer Vorspannungsschaltung mit Regelschleife.
  • 3 noch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzleistungsschaltung mit einer Vorspannungsschaltung mit Regelschleife.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Erfassungsabschnitts einer Vorspannungsschaltung mit Regelschleife.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ausgangsabschnitts einer Vorspannungsschaltung mit Regelschleife.
  • 6 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Transistorbaugruppe unter Benutzung der Hochfrequenzleistungsschaltung der 1 oder 2.
  • 7 zeigt eine Draufsicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Transistorbaugruppe unter Benutzung der Hochfrequenzleistungsschaltung der 3.
  • Es ist zu bemerken, dass die beigefügten Zeichnungen nur einige Aspekte bestimmter Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschreiben und daher den Bereich der Erfindung nicht einschränken, da die Erfindung auch andere oder äquivalente Ausführungsbeispiele beinhaltet.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzleistungsschaltung 100 mit einem Leistungstransistorabschnitt 102 und einer Referenzvorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife einen Erfassungsabschnitt 106 und einen Ausgangsabschnitt 108. Der Leistungstransistorabschnitt 102 umfasst einen Leistungstransistor 135, welcher in einem Ausführungsbeispiel ein vertikaler LDMOS-Transistor sein kann, dessen Lastpfad auf der einen Seite mit Masse und auf der anderen Seite mit einer Übertragungsleitung 155 gekoppelt ist. 1 zeigt ein Eingangsanpassungsnetzwerk und ein Ausgangsanpassungsnetzwerk innerhalb eines (nicht gezeigten) Gehäuses, welche zwischen externe Übertragungsleitungen 105 bzw. 155 und den Transistor 135 gekoppelt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Übertragungsleitungen 105 und 155 typischerweise λ/4-Übertragungsleitungen. Bei einem Ausführungsbeispiel deuten die gestrichelten Linien diejenigen Elemente an, welche typischerweise innerhalb des Transistorgehäuses angeordnet sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Eingangsanpassungsnetzwerk zwei Kondensatoren 115 und 130. Ein Anschluss der Kondensatoren 115 und 130 ist mit Masse gekoppelt, während der andere Anschluss durch Bond-Drähte verbunden ist. Hierzu ist die Übertragungsleitung 105 über einen Bond-Draht 110 mit dem Kondensator 115 gekoppelt, welcher mit einem Gate-Anschluss des Transistors 135 über einen anderen Bond-Draht 120 verbunden ist. Der Gate-Anschluss 135 ist zudem über einen Bond-Draht 125 mit dem anderen Anschluss des Kondensators 130 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Ausgangsanpassungsnetzwerk einen zwischen Masse und einen Drain-Anschluss des Transistors 135 über einen Bond-Draht 140 gekoppelten Kondensator 145 umfassen. Der Drain-Anschluss des Transistors 135 ist zudem über einen anderen Bond-Draht 150 mit der Übertragungsleitung 155 gekoppelt. Alle in 1 gezeigten Bond-Drähte wirken in dem beabsichtigten Frequenzbetriebsbereich als Induktivitäten und sind dementsprechend dargestellt. Andere parasitäre Eigenschaften der Bond-Drähte oder anderer Komponenten sind aus Klarheitsgründen in 1 nicht dargestellt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vorspannungsschaltung 104 mit dem Drain-Anschluss des Transistors 135 gekoppelt, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist. Ein Isolationswiderstand 162, welcher mit einem Erfassungswiderstand 167 in Reihe geschaltet ist, koppelt den Drain-Anschluss des Transistors 135 mit einem Drain-Anschluss eines anderen Transistors 172. Der Transistor 172 ist von der gleichen Art wie der Leistungstransistor 135. In einem Ausführungsbeispiel kann der Transistor 172 jedoch skaliert sein, um beispielsweise ungefähr 1/n der gesamten Gate-Breite des Leistungstransistors 135 aufzuweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann n 480 sein. Der Erfassungswiderstand 167 ist über Kondensatoren 170 bzw. 165 mit Masse gekoppelt. Zudem wird das Signal, welches an dem Erfassungswiderstand 167 abfällt, Eingängen eines Operationsverstärkers 175 zugeführt. Der Drain-Anschluss des Transistors 135 ist zudem über einen Widerstand 160 mit einer optionalen Regelschaltung 177 gekoppelt, deren Ausgang dem Operationsverstärker 175 eine Versorgungsspannung bereitstellen kann. Ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers 175 wird einem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 185 zugeführt. Ein nicht invertierender Eingang des Operationsverstärkers 185 ist mit einem dritten externen Anschluss 197 gekoppelt. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 185 ist über einen Widerstand 182 mit einem Gate-Anschluss des Transistors 172 gekoppelt. Ein Gate-Anschluss des Transistors 172 ist zudem über einen Kondensator 180 mit Masse gekoppelt. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers 185 mit einem Kondensator 192 verbunden, welcher auf der anderen Seite mit Masse verbunden ist. Der Kondensator 192 ist zudem mit einem anderen Kondensator 195 über einen Bond-Draht 190 parallel geschaltet. Weiterhin ist die Verbindung zwischen dem Bond-Draht 190 und dem Kondensator 195 mit der Verbindung zwischen dem Bond-Draht 125 und dem Kondensator 130 gekoppelt, wie durch einen Kopplungspunkt „A” in 1 angezeigt ist.
  • 6 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Leistungstransistorelementanordnung 600, welche die Hochfrequenzleistungsschaltung 100 beinhaltet. Zum leichteren Verständnis weisen ähnliche Elemente die gleichen Bezugszeichen auf. Die Elementanordnung 600 umfasst einen Halbleiter-Rohchip („die”) 640, umfassend die Hochfrequenzleistungsschaltung 100, welche auf einem Substrat 610 angeordnet ist. Der Leistungstransistorabschnitt 102 der Hochfrequenzleistungsschaltung 100 ist durch einen Drain-Anschluss 650, einen Gate-Anschluss 660 und eine aktive Zone 670 teilweise dargestellt. Weiterhin ist bei einem Ausführungsbeispiel auf der linken Seite des Halbleiter-Rohchips 640 der Abschnitt der Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife der Hochfrequenzleistungsschaltung 100 innerhalb eines Gebiets 680 angeordnet. Die Bond-Draht-Verbindung mit dem Verbindungsknoten „A” (in 1) ist mit Bezugszeichen 620 bezeichnet. Die Kopplung zwischen dem Eingang des Operationsverstärkers 185 und dem zusätzlichen Anschluss 197 ist mit dem Bezugszeichen 630 bezeichnet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Bond-Draht-Verbindung zwischen einem ersten Anschluss 615 der Anordnung 600 und dem Drain-Anschluss 650 durch eine Vielzahl von parallel gekoppelten Bond-Drähten 150 bereitgestellt, um den Widerstand zu verringern. In ähnlicher Weise kann auch die Bond-Draht-Verbindung zwischen einem zweiten Anschluss 625 der Anordnung 600 und dem Gate-Anschluss 660 ebenso durch eine Vielzahl von Bond-Drähten 110/120 bereitgestellt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel entspricht der erste Anschluss 615 der Übertragungsleitung 155 und der zweite Anschluss 625 entspricht der Übertragungsleitung 105. Die meisten anderen Bond-Draht-Verbindungen können ebenso durch eine Vielzahl von parallel gekoppelten Bond-Drähten implementiert werden, wie in dem Ausführungsbeispiel von 6 gezeigt. Ebenso ist in 6 gezeigt, dass die aktive Zone 670 des Leistungstransistors 135 die n-fache Fläche des Transistors 172, welche in dem Gebiet 680 des Rohchips 640 integriert ist, benötigt.
  • Wie oben erwähnt, kann bei einem Ausführungsbeispiel der Transistor 172 skaliert sein, sodass er ungefähr 1/480 der gesamten Gate-Breite des Leistungstransistors 135 auf dem Chip 640 aufweist. Somit kann bei einem Ausführungsbeispiel der Transistor 172 auf genau die gleiche Weise prozessiert werden wie der Transistor 135. Daher weist der Transistor 172 die gleichen Gate-Einschalteigenschaften auf wie der Transistor 135. Wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zu sehen ist, wird der Transistor 172 in einer Betriebsart mit Regelschleife, z. B. bei 1/480 des Ruhestroms des Transistors 135, betrieben. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Transistor 172 und somit die Betriebsart mit geschlossener Regelschleife mit einem skalierten Ruhestromwert bezüglich des Transistors 135 betrieben werden (Klasse A). Damit wird ein Abtastwert der Gate-Spannung des Transistors 172 die Gate-Spannung des Transistors 135 versorgen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Isolationswiderstand 162 ausgestaltet sein, groß genug zu sein, um die Referenzvorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife von Drain-Ausschlägen, welche durch Hochfrequenz und Modulation gebildet werden, zu isolieren. Der Erfassungswiderstand 167 bildet den Erfassungswiderstand, welcher durch den Operationsverstärker 175 ausgewertet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel sollte der Wert des Spannungsabfalls über den Erfassungswiderstand 167 so genau wie möglich gesteuert werden, da die Genauigkeit des Spannungspunktes von der Stromerfassung, die er bereitstellt, abhängt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Operationsverstärker 175 ein differenzieller Verstärker, welcher eine Spannung bereitstellt, welche direkt proportional zu dem durch den Erfassungswiderstand 167 gezogenen Strom ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 185 wird von einer Präzisionsreferenzspannung versorgt, welche der Vorspannungsschaltung 124 mit Regelschleife über den externen Anschluss 197 zugeführt werden kann.
  • Somit kann ein gewünschter Ruhestrom durch den Leistungstransistor 135 extern eingestellt werden. Der invertierende Eingang wird durch den Operationsverstärker 175 versorgt. Der Operationsverstärker 185 vergleicht die Präzisionsstrommessung mit der gewünschten Referenz und stellt eine Ausgangsspannung bereit, welche die Gate-Anschlüsse der Transistoren 175 und 135 versorgt. Somit bilden bei einem Ausführungsbeispiel die Operationsverstärker 175 und 185 und der Transistor 172 eine Regelschleife, welche ein Gleichgewicht erreicht, wenn die Referenzspannung mit dem durch den Erfassungswiderstand 167 erfassten Strom korrespondiert. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Gate-Spannung für den Transistor 135 durch ein RLC-Netzwerk 187, 192, 190, 195 isoliert sein und an dem Kopplungsknoten „A” an einem Gleichstromblockadekondensator 130 in dem Eingangsableitungspfad des Eingangsanpassungsnetzwerks des Leistungs-LDMOS-Transistors 135 angelegt werden. Dies kann ein virtueller Hochspannungs-„Kalt”-Punkt in einem Ausführungsbeispiel sein und kann daher in einem Ausführungsbeispiel bevorzugt benutzt werden, um die Vorspannung dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors 135 zuzuführen. Bei einem Ausführungsbeispiel stellt der Regler 177 den Operationsverstärkern 175, 185 eine Versorgungsspannung bereit.
  • Von außen wird ein Benutzer sehen, dass die Hochfrequenzleistungsschaltung 100 den gleichen Strom bereitstellt, wenn eine Referenzspannung gemäß ihrer Spezifikationen an dem Anschluss 197 angelegt wird. Temperaturkompensation und thermische Geschwindigkeitseffekte durch Drift heißer Ladungsträger werden auf vernachlässigbare Größen reduziert, da das Element sich kontinuierlich selber in einer Regelschleifenbetriebsart korrigiert.
  • 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzleistungsschaltung 200, bei welcher ein zusätzlicher Widerstand 127 in dem Ableitungspfad des Leistungstransistors 135 angeordnet ist. Der Widerstand 127 ist zwischen dem Gate-Anschluss des Transistors 135 und dem Bond-Draht 125 dargestellt, er könnte jedoch ebenso zwischen dem Bond-Draht 125 und dem Kondensator 130 angeordnet werden. Alle übrigen Elemente sind ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 1. Somit wird die durch den Operationsverstärker 185 erzeugte Vorspannung wiederum an dem Verbindungsknoten „A” zwischen dem Kondensator 130 und dem Bond-Draht 125 eingegeben. Der Widerstand 127 bewirkt eine Stabilität bei niedrigen Spannungen, z. B. während des Einschaltens der Schaltung 200.
  • 3 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzleistungsschaltung 300, bei welcher ein anderes Eingangsanpassungsnetzwerk und ein Gleichspannungsblockademerkmal bereitgestellt sind. Wiederum weisen ähnliche Elemente die gleichen Bezugszeichen auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der externe Anschluss 197 nicht zum Zuführen einer externen Referenzspannung zu der Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife benötigt. Stattdessen wird die Referenzspannung an der Übertragungsleitung 105 angelegt, welche die Referenzspannung der Vorspannungsschaltung 104 zuführt. Detaillierter beschrieben umfasst das Eingangsanpassungsnetzwerk des Leistungstransistorabschnitts 102 drei zusätzliche Kondensatoren 107, 113 und 117. Die Kondensatoren 113 und 117 sind bei einem Knoten mit Masse verbunden und an dem anderen Knoten über den Kondensator 107 miteinander verbunden. Bei manchen Ausführungsbeispielen können die Kondensatoren 113 und 117 andere Elemente des Anpassungsnetzwerks ersetzen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Knoten zwischen den Kondensatoren 113 und 117 über den Bond-Draht 103 mit der Übertragungsleitung 105 gekoppelt, während der Knoten zwischen dem Kondensator 107 und dem Kondensator 117 mit dem Bond-Draht 120 gekoppelt ist, welcher ebenso mit dem Gate-Anschluss des Transistors 135 gekoppelt ist. Der Knoten zwischen dem Kondensator 113 und dem Bond-Draht 103 ist zudem über den Bond-Draht 123 mit dem Widerstand 133 gekoppelt, welcher mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 185 gekoppelt ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 185 ist zudem über den Kondensator 127 mit Masse gekoppelt. Diese Anordnung beseitigt das Bedürfnis nach dem dritten externen Anschluss 197, da die Übertragungsleitung 105 sowohl den Gate-Eingangswert für den Transistor 135 als auch die Referenzspannung trägt.
  • 7 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Leistungstransistorelementanordnung 700. 7 zeigt wiederum gleiche Bezugszeichen wie 6 für ähnliche Komponenten. Die Kondensatoren 113 und 117 liegen nahe beieinander, was bei einem Ausführungsbeispiel die Realisierung des Kondensators 107 beispielsweise durch ein entsprechendes Dielektrikum zwischen den Top-Elektroden der Kondensatoren 113 und 117 ermöglicht. Wiederum umfasst ein Gebiet 680 auf der linken Seite des Halbleiter-Rohchips 640 die Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife der Hochfrequenzleistungsschaltung 300, wie in dem oberen Bereich von 3 gezeigt. Der Bond-Draht 123 koppelt den Widerstand 133 mit dem Knoten zwischen dem Bond-Draht 103 und dem Kondensator 113. Ein Bond-Draht 750 wird benutzt, um die Kopplung mit dem Knoten „A” zu realisieren. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 115 der Hochfrequenzleistungsschaltung 300 in zwei Kondensatoren 113 und 117 aufgeteilt, welche über einen Gleichspannungsblockadekondensator 107 parallel gekoppelt sind. Somit wird kein zusätzlicher Pin benötigt, um die Referenzspannung an der Vorspannungsschaltung 104 anzulegen.
  • Stattdessen trägt der zweite Anschluss 625 der Anordnung 700 die Referenzspannung. Bei einem Ausführungsbeispiel entspricht der zweite Anschluss 625 der Übertragungsleitung 105.
  • Die Hochfrequenzleistungsschaltung 300 weist keinen externen Referenzpin 197 wie die Hochfrequenzleistungsschaltung 200 auf. Der Gleichspannungsblockadekondensator 107 ermöglicht es jedoch, die Referenzspannung direkt in die Übertragungsleitung 105 zuzuführen, ohne den Betrieb der Hochfrequenzleistungsschaltung 300 nachteilig zu beeinflussen. Im Wesentlichen hindert der Gleichspannungsblockadekondensator 107 die Referenzspannung daran, den Gate-Anschluss des Transistors 135 zu erreichen.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Hochfrequenzleistungsschaltung 300 intern mit einer Regelschleife durch die Referenzvorspannungsschaltung 104 vorgespannt. Die an die Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife angelegte Referenzspannung wird durch die Übertragungsleitung 105 statt durch einen zusätzlichen externen Pin gemäß diesem Ausführungsbeispiel zugeführt. Die Hochfrequenzleistungsschaltung 300 benutzt die gleiche Gate-Spannung, und somit weist die Schaltung 300 keine Drift auf und weist vernachlässigbare Leistungsschwankungen in Abhängigkeit von der Temperatur auf.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfassungsabschnitts 106 der Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife. Der Erfassungsabschnitt 400 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich eine mögliche Implementierung der allgemeineren in 1, 2 und 3 gezeigten Schaltung 106. Bei einem Ausführungsbeispiel koppeln Widerstände 445 und 450 den Erfassungswiderstand 167 mit den Eingängen des Operationsverstärkers 175. Ein Kondensator 455 ist zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers 175 angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Ausgangsschaltung, welche einen Transistor 420 mit einer Rückkopplungsschleife umfasst, für den Operationsverstärker 175 bereitgestellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand 430 mit einer Basis des Transistors 420 gekoppelt. Ein Emitter des Transistors 420 ist über einen Widerstand 425 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 175 gekoppelt. Ein Kondensator 435 ist zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 175 gekoppelt. Ein Kollektor des Transistors 420 ist über einen Widerstand 410 und einen hierzu parallel verbundenen Kondensator 415 mit Masse gekoppelt. Der Kollektor des Transistors 420 stellt zudem einen Ausgang „D” der Erfassungsschaltung 400 bereit. Der Regler 177 stellt die Versorgungsspannung für alle Operationsverstärker bereit und umfasst einen Ausgangskondensator 440.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Isolationswiderstand 162 groß genug, um eine Isolation bereitzustellen, während er klein genug ist, keinen hinreichenden Spannungsabfall zu erzeugen, um die Vgs(Gate-Source-Spannungs)-Einschalteigenschaften des Transistors 172 zu beeinflussen. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel der Widerstand 162 einen Widerstandswert von 1 kΩ aufweisen, und der Erfassungswiderstand 167 kann einen Widerstandswert von 500 Ω aufweisen. Der Operationsverstärker 175 bildet zusammen mit dem Transistor 420 einen Stromspiegel. Die Ausgangsspannung dieses Stromspiegels ist direkt proportional zu dem Strom durch den Erfassungswiderstand 167. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Regler 177 der Erfassungsschaltung 400 ausgestaltet, jegliche geeignete Spannung bereitzustellen, wenn sie erforderlich ist, um die Genauigkeit für die Operationsverstärker 175 und 185 beizubehalten. Widerstandsnetzwerke 445 und 450 sind bei einem Ausführungsbeispiel ausgestaltet, direkt in dem Operationsverstärker 175 angeordnet zu sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann jedoch ein (nicht gezeigtes) zweites Paar von Widerständen hinzugefügt sein, um die Eingänge der Spannungsteiler zu konvertieren, um sie von der Versorgungsspannung zu beabstanden. Bei einem Ausführungsbeispiel können alle Kondensatoren 165, 170, 415, 435, 440 und 455 ausgelegt sein, eine möglichst große Kapazität aufzuweisen.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Ausgangsabschnitts 108 der Vorspannungsschaltung 104. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel des Ausgangsabschnitts 500 koppeln Widerstände 525 und 530 Referenzspannungseingänge, welche mit „D” bzw. „E” bezeichnet sind, mit dem Operationsverstärker 185. Das Koppeln zwischen dem Operationsverstärker 175 und dem Referenzeingang mit dem Operationsverstärker 185 wird über Widerstände 525 bzw. 530 bewerkstelligt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 185 und sein invertierender Eingang sind über einen Widerstand 510 und einen parallel zu diesem gekoppelten Kondensator 520 gekoppelt. Der nicht invertierende Eingang ist über einen Kondensator 540 mit Masse gekoppelt. Der Knoten „D” ist mit dem entsprechenden in 4 gezeigten Knoten gekoppelt. Der Knoten „E” kann mit dem externen Anschluss 197 oder – bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel – mit der Übertragungsleitung 105 gekoppelt sein.
  • Der Ausgangsabschnitt 500 kann weiterhin eine Hochfahrschaltung 543, umfassend einen MOSFET 545 umfassen. Ein Drain-Anschluss des MOSFETs 545 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 185 gekoppelt. Ein Source-Anschluss des MOSFETs 545 ist mit Masse gekoppelt, was einen langsamen Wert des Ausgangsabschnitts 500 beim Hochfahren bereitstellt. Hierfür koppeln ein Widerstand 550 und ein parallel zu diesem gekoppelter Kondensator 555 einen Gate-Anschluss des MOSFETs 545 mit Masse. Der Gate-Anschluss des MOSFETs 545 ist zudem mit einem Knoten „C” über einen Widerstand 560 gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Knoten „C” mit der so genannten „High-Side”-Versorgungsspannung des Operationsverstärkers 185 gekoppelt. Somit kann der Knoten „C” mit dem Ausgang des Reglers 177 gekoppelt sein. Der Ausgangsabschnitt 500 vergleicht den durch den Erfassungsabschnitt 400 erfassten Stromausgang mit der Referenzspannung. Der Operationsverstärker 185 erzeugt dann ein Differenzsignal, welches umgekehrt proportional zu dem erfassten Strom ist, um den Gate-Anschluss des Transistors 135 vorzuspannen.
  • Die Hochfahrschaltung 543 stellt einen niedrigen Ausgangswert während des Hochfahrens bereit, um den Ausgangsabschnitt 500 richtig hochzufahren. Bei einem Ausführungsbeispiel bildet der Transistor 545 zusammen mit dem Widerstand 530 und dem Kondensator 540 die Hochfahrschaltung 543. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel fährt die Referenzspannung bei dem Knoten „E” durch den Widerstand 530 und den Kondensator 540 nach oben, nachdem der Regler 177 seine Betriebsspannung erreicht hat, indem der Transistor 545 ausgeschaltet wird, welcher anfänglich den Kondensator 540 kurzschließt. Die Hochfahrschaltung 543 kann bei einem Ausführungsbeispiel benutzt werden, um den Ausgangsabschnitt 500 vor hohen Strömen zu schützen, wenn die Drain-Spannung mit der Referenzvorspannung umgeschaltet wird.
  • Der Erfassungsabschnitt 400 und der Ausgangsabschnitt 500 können unter Benutzung eines standardmäßigen Halbleiterprozesses zusammen mit dem Hauptleistungstransistor 135 implementiert werden. Beispielsweise können bestimmte Elemente, wie Fachleuten auf dem Gebiet der integrierten Schaltungstechnologie bekannt ist, durch parasitäre Elemente realisiert werden. Der Bereich 680 des Halbleiter-Rohchips 640, welcher der Vorspannungsschaltung 104 in 6 und 7 zugeordnet ist, kann relativ klein sein, da nur wenige Komponenten nötig sind. Somit können möglicherweise nur wenige zusätzliche Prozessschritte benötigt werden, um alle Komponenten der Vorspannungsschaltung 104 mit Regelschleife auf dem Halbleiter-Rohchip 640 zu realisieren.
  • Angesichts der oben dargestellten Vielfalt von Variationen und Anwendungen ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Beschreibung oder die angefügten Zeichnungen begrenzt ist.

Claims (24)

  1. Eine Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300), umfassend: einen Leistungstransistor (135) mit einem Gate-Anschluss und einem Drain-Anschluss, ein mit dem Drain-Anschluss gekoppeltes Ausgangsanpassungsnetzwerk (140, 145, 150, 155), ein mit dem Gate-Anschluss gekoppeltes Eingangsanpassungsnetzwerk (110–130), und eine Vorspannungsschaltung (104) mit Regelschleife, welche mit dem Leistungstransistor (135) auf dem gleichen Rohchip (640) integriert ist und mit dem Gate-Anschluss gekoppelt ist, um den Leistungstransistor (135) in Abhängigkeit von einer an der Vorspannungsschaltung (104) angelegten Referenzspannung vorzuspannen, wobei die Vorspannungsschaltung (104) eine Erfassungsschaltung (106) zum Erfassen eines Drainstroms des Leistungstransistors (135) und eine Ausgangsschaltung (108) zum Vorspannen des Gate-Anschlusses des Leistungstransistors (135) in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen einer Ausgabe der Erfassungsschaltung (106) und der Referenzspannung umfasst, und wobei die Erfassungsschaltung (106) einen zwischen dem Drain-Anschluss und einem weiteren Drain-Anschluss eines weiteren Transistors (172) gekoppelten Widerstand (167) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsschaltung einen ersten Operationsverstärker (175), wobei ein Eingang des ersten Operationsverstärkers (175) mit dem Widerstand (167) gekoppelt ist, umfasst, wobei ein Eingang der Ausgangsschaltung (108) mit einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (175) gekoppelt ist und ein Ausgang der Ausgangsschaltung mit dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors (135) gekoppelt ist.
  2. Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200) gemäß Anspruch 1, wobei die Referenzspannung über einen mit der Vorspannungsschaltung (104) gekoppelten externen Anschluss (197) der Vorspannungsschaltung (104) extern zuführbar ist.
  3. Hochfrequenzleistungsschaltung nach Anspruch 1, wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk (103, 107, 113–130) einen Kondensator (107) umfasst, welcher zwischen einer externen Übertragungsleitung (105) und dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors (135) angeordnet ist, wobei die Vorspannungsschaltung (104) mit einem Knoten des Eingangsanpassungsnetzwerks (103, 107, 113–130) gekoppelt ist, welcher zwischen der Übertragungsleitung (105) und dem Kondensator (107) angeordnet ist, und wobei die Referenzspannung über die externe Übertragungsleitung (105) an der Vorspannungsschaltung (104) anlegbar ist.
  4. Hochfrequenzleistungsschaltung (300) gemäß Anspruch 3, wobei der Kondensator (107) zwischen zwei Ableitungskondensatoren (113, 117) des Eingangsanpassungsnetzwerks (103, 107, 113–130) angeordnet ist.
  5. Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) gemäß einem der Ansprüche 1–4, wobei die Ausgangsschaltung (108) einen zweiten Operationsverstärker (185) umfasst, wobei ein erster Eingang des zweiten Operationsverstärkers (185) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (175) gekoppelt ist und ein zweiter Eingang des zweiten Operationsverstärkers (185) die Referenzspannung empfängt.
  6. Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) gemäß Anspruch 5, wobei ein Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (185) mit einem Knoten (A) des Eingangsanpassungsnetzwerks (110–130) gekoppelt ist.
  7. Hochfrequenzleistungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorspannungsschaltung (104) eine Hochfahrschaltung (543) umfasst, um zu bewirken, dass ein Ausgangssignal der Vorspannungsschaltung (104) rampenförmig hochfährt, wenn die Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) aktiviert wird.
  8. Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) gemäß Anspruch 7, wobei die Hochfahrschaltung (543) umfasst: einen Transistor (545), einen Kondensator (540), welcher über einen Widerstand (530) aufgeladen wird, wobei ein Lastpfad des Transistors (545) parallel zu dem Kondensator (540) gekoppelt ist.
  9. Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Leistungstransistor (135) einen vertikalen MOS-Transistor umfasst.
  10. Hochfrequenzleistungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend einen mit dem Drain-Anschluss des Leistungstransistors (135) gekoppelten Regler (177) zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für Komponenten der Vorspannungsschaltung (104) mit Regelschleife.
  11. Hochfrequenzleistungselementanordnung (600; 700), umfassend: ein Substrat (610), einen ersten Anschluss (615), einen zweiten Anschluss (625), einen Rohchip (640), umfassend einen Leistungstransistor (135) mit einem Gate-Anschluss (660) und einem Drain-Anschluss (650), wobei der Rohchip (640) auf dem Substrat (610) zwischen dem ersten Anschluss (615) und dem zweiten Anschluss (625) angeordnet ist, ein Eingangsanpassungsnetzwerk, welches auf dem Substrat (610) zwischen dem zweiten Anschluss (625) und dem Gate-Anschluss (660) angeordnet ist, und ein Ausgangsanpassungsnetzwerk, welches auf dem Substrat (610) zwischen dem Drain-Anschluss (650) und dem ersten Anschluss (615) angeordnet ist, wobei der Rohchip (640) weiterhin eine mit dem Gate-Anschluss (660) gekoppelte Vorspannungsschaltung (680) mit Regelschleife zum Vorspannen des Leistungstransistors in Abhängigkeit von einer an die Vorspannungsschaltung (680) angelegten Referenzspannung umfasst, wobei die Vorspannungsschaltung (104) eine Hochfahrschaltung (543) umfasst, um zu bewirken, dass ein Ausgangssignal der Vorspannungsschaltung (104) rampenförmig hochfährt, wenn die Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) aktiviert wird.
  12. Anordnung (600; 700) gemäß Anspruch 11, wobei der erste Anschluss (615) und der zweite Anschluss (625) jeweils eine λ/4-Übertragungsleitung umfasst.
  13. Anordnung (600) gemäß Anspruch 11 oder 12, weiter umfassend einen mit der Vorspannungsschaltung (680) gekoppelten dritten Anschluss (197) zum externen Anlegen der Referenzspannung an die Vorspannungsschaltung (680).
  14. Anordnung gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk einen zwischen dem zweiten Anschluss (625) und dem Gate-Anschluss (660) angeordneten Kondensator umfasst, wobei die Vorspannungsschaltung (680) mit einem Knoten des Eingangsanpassungsnetzwerks gekoppelt ist, welcher zwischen dem zweiten Anschluss (625) und dem Kondensator angeordnet ist, um die Referenzspannung intern über den zweiten Anschluss (625) an der Vorspannungsschaltung (680) anzulegen.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Leistungstransistor, das Eingangsanpassungsnetzwerk, das Ausgangsanpassungsnetzwerk und die Vorspannungsschaltung eine Hochfrequenzleistungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 bilden.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Hochfrequenzleistungselementanordnung (600; 700), umfassend: Bereitstellen eines Substrats (610), Anordnen eines Rohchips (640) auf dem Substrat, wobei der Rohchip einen Leistungstransistor mit einem Gate-Anschluss (660) und einem Drain-Anschluss (650) und eine Vorspannungsschaltung (680) mit Regelschleife zum Vorspannen des Leistungstransistors in Abhängigkeit von einer an die Vorspannungsschaltung angelegten Referenzspannung umfasst, Anordnen eines Ausgangsanpassungsnetzwerks auf dem Substrat (610) benachbart zu dem Rohchip (640), Anordnen eines Eingangsanpassungsnetzwerks auf dem Substrat (610) benachbart zu dem Rohchip (640), und Koppeln verschiedener Knoten des Leistungstransistors, der Vorspannungsschaltung, des Eingangsanpassungsnetzwerks und des Ausgangsanpassungsnetzwerks über Bond-Drähte (120, 125, 123, 750, 140, 620, 630), wobei die Vorspannungsschaltung (104) eine Erfassungsschaltung (106) zum Erfassen eines Drainstroms des Leistungstransistors (135) und eine Ausgangsschaltung (108) zum Vorspannen des Gate-Anschlusses des Leistungstransistors (135) in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen einer Ausgabe der Erfassungsschaltung (106) und der Referenzspannung umfasst, und wobei die Erfassungsschaltung (106) einen zwischen dem Drain-Anschluss und einem weiteren Drain-Anschluss eines weiteren Transistors (172) gekoppelten Widerstand (167) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsschaltung einen ersten Operationsverstärker (175), wobei ein Eingang des ersten Operationsverstärkers (175) mit dem Widerstand (167) gekoppelt ist umfasst, wobei ein Eingang der Ausgangsschaltung (108) mit einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (175) gekoppelt ist und ein Ausgang der Ausgangsschaltung mit dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors (135) gekoppelt ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiter umfassend: Anordnen eines ersten Anschlusses (615) zumindest teilweise auf dem Substrat (610), Anordnen eines zweiten Anschlusses (625) zumindest teilweise auf dem Substrat (610), Koppeln des ersten Anschlusses (615) mit dem Drain-Anschluss (650) über Bond-Drähte (150), und Koppeln des zweiten Anschlusses (625) mit dem Gate-Anschluss (660) über weitere Bond-Drähte (103).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausgangsanpassungsnetzwerk zwischen dem Rohchip (640) und dem ersten Anschluss (615) angeordnet ist.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk zwischen dem Rohchip (640) und dem zweiten Anschluss (625) angeordnet ist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk einen Kondensator umfasst, und das Verfahren weiter umfasst: Koppeln der Vorspannungsschaltung (680) mit einem zwischen dem zweiten Anschluss (625) und dem Kondensator angeordneten Knoten des Eingangsanpassungsnetzwerks zum internen Anlegen der Referenzspannung an die Vorspannungsschaltung (680) über den zweiten Anschluss (625).
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, weiter umfassend: Anordnen eines dritten Anschlusses (197) zumindest teilweise auf dem Substrat (610) und Koppeln des dritten Anschlusses (197) mit der Vorspannungsschaltung (680) zum externen Anlegen der Referenzspannung an die Vorspannungsschaltung (680).
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 ausgestaltet ist.
  23. Verfahren zur Herstellung einer Vorspannungsschaltung (104) für einen Hochfrequenzleistungsschaltung (135), umfassend: Integrieren einer Vorspannungsschaltung (104) mit geschlossener Regelschleife auf einem Rohchip (640) eines Leistungstransistors (135), wobei die Vorspannungsschaltung (104) eine Hochfahrschaltung (543) umfasst, um zu bewirken, dass ein Ausgangssignal der Vorspannungsschaltung (104) rampenförmig hochfährt, wenn die Hochfrequenzleistungsschaltung (100; 200; 300) aktiviert wird, wobei der Leistungstransistor (135) einen Gate-Anschluss und einen Drain-Anschluss 650 aufweist, Anordnen des Rohchips (640) auf einem Substrat (610), Anordnen eines Ausgangsanpassungsnetzwerks und eines Eingangsanpassungsnetzwerks auf dem Substrat, und Koppeln verschiedener Knoten der Vorspannungsschaltung (104) des Leistungstransistors (135), des Eingangsanpassungsnetzwerks und des Ausgangsanpassungsnetzwerks über Bond-Drähte.
  24. Verfahren zur Benutzung eines Hochfrequenzleistungstransistors, umfassend: Koppeln eines Ausgangsanpassungsnetzwerks mit einem Drain-Anschluss eines Leistungstransistors (135), Koppeln eines Eingangsanpassungsnetzwerks an einen Gate-Anschluss des Leistungstransistors (135), Koppeln des Gate-Anschlusses und des Drain-Anschlusses mit einer Vorspannungsschaltung (104) mit Regelschleife, welche mit dem Leistungstransistor (135) auf dem gleichen Rohchip (640) integriert ist, und Vorspannen des Gate-Anschlusses in Abhängigkeit von einer an der Vorspannungsschaltung (104) angelegten Referenzspannung, wobei das Koppeln des Gate-Anschlusses und des Drain-Anschlusses mit der Vorspannungsschaltung (104) umfasst: Koppeln des Drain-Anschlusses mit einer Erfassungsschaltung (106) zum Erfassen eines Ausgangsstroms des Leistungstransistors (135), und Koppeln des Gate-Anschlusses mit einer Ausgangsschaltung (108) zum Vorspannen des Gate-Anschlusses in Abhängigkeit eines Unterschieds zwischen einer Ausgabe der Erfassungsschaltung und der Referenzspannung, wobei die Erfassungsschaltung (106) einen zwischen dem Drain-Anschluss und einem weiteren Drain-Anschluss eines weiteren Transistors (172) gekoppelten Widerstand (167) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsschaltung einen ersten Operationsverstärker (175), wobei ein Eingang des ersten Operationsverstärkers (175) mit dem Widerstand (167) gekoppelt ist umfasst, wobei ein Eingang der Ausgangsschaltung (108) mit einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (175) gekoppelt ist und ein Ausgang der Ausgangsschaltung mit dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors (135) gekoppelt ist.
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