DE102014101427B4

DE102014101427B4 - Ein Eingangsanpassungsnetzwerk für eine Leistungsschaltung

Info

Publication number: DE102014101427B4
Application number: DE102014101427.8A
Authority: DE
Inventors: Saurabh Goel; Richard Wilson
Original assignee: Wolfspeed Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: KR20140101318A; KR101697398B1; DE102014101427A1; CN103986421A; CN103986421B; US8736379B1

Abstract

Leistungsschaltung, umfassend:einen HF-Transistor;ein an einen Eingang des HF-Transistors und an einen Eingang der Leistungsschaltung gekoppeltes Eingangsanpassungsnetzwerk,wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator aufweist, die zwischen dem Eingang zum HF-Transistor und einer Erde in Reihe zusammengekoppelt sind,wobei die Werte des Widerstands und der Induktivität so ausgewählt werden, dass sie eine Eingangsimpedanz des HF-Transistors an eine Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung über mindestens einen Teil eines Hochfrequenzbereichs anpassen,wobei der Wert des Kondensators einen im Wesentlichen zu vernachlässigenden Beitrag zu der Anpassung in dem Hochfrequenzbereich hat, und wobei der Wert des Kondensators so ausgewählt wird, dass die Reihenkombination aus Widerstand, Induktivität und Kondensator im Wesentlichen die Größe der am Eingang des HF-Transistors anliegenden Impedanz in einem Niederfrequenzbereich in Relation zu der Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung wesentlich reduziert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anwendung betrifft HF-Verstärker (Hochfrequenzverstärker), insbesondere Eingangsanpassungsnetzwerke für HF-Verstärker.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
HF-Leistungsverstärker kommen in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise in Basisstationen für drahtlose Kommunikationssysteme etc. Die durch die HF-Leistungsverstärker verstärkten Signale weisen oft Signale auf, die über einen hochfrequenzmodulierten Träger mit Frequenzen im Bereich 400 Megahertz (MHz) bis 4 Gigahertz (GHz) verfügen. Bei dem Basisbandsignal, das den Träger moduliert, handelt es sich typischerweise um ein Signal mit einer in Relation niedrigeren Frequenz, die, je nach Anwendung, bei bis zu 300 MHz oder höher liegen kann.
HF-Leistungsverstärker sind für einen linearen Betrieb ohne Verzerrungen ausgelegt. Schaltungen zum Anpassen der Eingangs- und Ausgangsimpedanz werden verwendet, um HF-Transistoren, die niedrige Eingangs- und Ausgangsimpedanzen aufweisen können (z. B. um 1 Ohm oder weniger bei Vorrichtungen mit hoher Leistung), an externe Übertragungsleitungen anzupassen, welche HF-Signale an den HF-Transistor und von dem HF-Transistor bereitstellen. Diese externen Übertragungsleitungen weisen charakteristische Impedanzen auf, die typischerweise 50 Ohm betragen, oder aber auch einen beliebigen anderen, von einem Entwickler bestimmten Wert. Die Eingangs- und Ausgangsanpassungsschaltungen weisen typischerweise induktive und kapazitive Elemente auf, die verwendet werden, um eine Impedanzanpassung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des HF-Leistungsverstärkers sowie dem Eingang und dem Ausgang des HF-Transistors vorzunehmen. Die Eingangs- und Ausgangsanpassungsschaltungen ermöglichen eine Impedanzanpassung für die Signalfrequenzen, die durch den HF-Leistungsverstärker verstärkt werden, beispielsweise Frequenzen im Bereich 400 MHz bis 4 GHz.
Der Einsatz von Impedanzanpassungsschaltungen kann jedoch unerwünschte Auswirkungen haben, die außerhalb des Bereichs von Signalfrequenzen auftreten, für welche die Impedanzanpassung bereitgestellt wird. So weist ein typisches Ausgangsanpassungsnetzwerk beispielsweise einen Blockierungskondensator für das Blockieren von Gleichspannung (Direct Current, DC) auf. Der Blockierungskondensator erzeugt in Kombination mit der Senkenvorspannungsinduktivität des HF-Transistors eine niederfrequente Resonanz. Diese niederfrequente Resonanz bewirkt, dass die Impedanz in der Niederfrequenzregion ansteigt. Infolgedessen weist die Frequenzantwort des HF-Leistungsverstärkers eine Verstärkungsspitze bei niedrigen Frequenzen auf. Eine solche Spitze kann an beliebiger Stelle auftreten, von wenigen MHz bis hin zu Hunderten von MHz. Die Ausgabe eines nichtlinearen Betriebs ergibt Terme mit Frequenzen in Höhe der Summe und Differenz der ursprünglichen Signalfrequenzen, plus die ursprünglichen Frequenzen und Vielfache der ursprünglichen Frequenzen, und solche Vielfache werden gemeinhin als Harmonische bezeichnet. Aktuelle Drahtlossignale weisen hohe Modulationsbandbreiten auf. Die Verzerrungskomponenten zweiter Ordnung von solchen Breitbandsignalen können in die Region der Verstärkungsspitze bei niedrigen Frequenzen fallen. Ferner kommen bei den meisten drahtlosen Kommunikationsanwendungen Verzerrungskorrektursysteme zum Einsatz, beispielsweise die digitale Vorverzerrung (Digital Pre-Distortion, DPD). Solche Systeme modellieren den Leistungsverstärker, prognostizieren die nichtlineare Leistung und passen die Signaleigenschaften an, um die Verzerrung am Ausgang des PA-Systems zu reduzieren. Die unerwünschte hohe Verstärkung (oder hohe Impedanz) in der Basisbandregion aufgrund der niederfrequenten Resonanz hat negative Auswirkungen auf den HF-Transistor und die Vorverzerrungsleistung des gesamten Systems.
Eine Resonanz in der Basisbandfrequenzregion verursacht einen scharfen Verstärkungswechsel bei diesen niedrigen Frequenzen. Die Frequenz, bei der die Niederfrequenz-Verstärkungsspitze auftritt, wird typischerweise als die Videobandbreite des HF-Leistungsverstärkers bezeichnet. Darüber hinaus hat die Größe der Verstärkungsspitze auch Auswirkungen auf die Systemleistung. Eine größere Verstärkungsspitze hat eine schlechtere Gesamtsystemleistung zur Folge. Zusätzlich verursacht die Resonanz in der Basisbandfrequenzregion hohe Spitzenspannungen an der Senke von HF-Transistoren, beispielsweise von Transistoren des Typs LDMOS (Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor, lateral diffundierter Metalloxid-Halbleiter). Diese hohen Spitzenspannungen an der Senke des HF-Transistors können die Durchbruchsspannung der Vorrichtung unter bestimmten Bedingungen übersteigen und somit Störungen verursachen. Infolgedessen kann ein Anstieg der Verstärkungsspitze innerhalb der Niederfrequenz-Basisbandregion im Endeffekt die Robustheit der Leistungsvorrichtung reduzieren.
DE 10 2008 014 930 A1 offenbart einen HF-Leistungsverstärker mit einem Eingangs-Anpassungsnetzwerk und einem Ausgangs-Anpassungsnetzwerk bekannt, wobei das Ausgangs-Anpassungsnetzwerk so ausgeführt ist, dass eine Verstärkungsspitze unterhalb des Normalbetriebsfrequenzbereichs reduziert wird, um so die Gefahr von Beschädigungen und Schwingungsphänomenen zu reduzieren.
US 5 089 790 A offenbart einen ein Feldeffekt-Transistor-Verstärker mit einem Eingangs-Anpassungsnetzwerk bekannt, bestehend aus einem Schwingkreis aus einer Serienschaltung aus einer Induktivität und einer Parallelschaltung aus einem Widerstand und mindestens einer Serienschaltung aus einem Kondensator und einer weiteren Induktivität, wodurch die Verstärkung außerhalb erwünschter Bänder unterdrückt werden kann.
Aus US 5 736 901 A ist ein HF-Verstärker bekannt, wobei eine Gate-Vorspannungsversorgungsschaltung mit dem Eingang des HF-Verstärkers und dem Feldeffekttransistor verbunden ist. Dabei umfasst die Gate-Vorspannungsversorgungsschaltung einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator, die zwischen dem Feldeffekttransistor und Erde in Reihe gekoppelt sind. Es ist eine Funktion der Gate-Vorspannungsversorgungsschaltung Schwingungen bei niedrigen Frequenzen zu begrenzen, wobei die Induktivität bei niedrigen Frequenzen eine vernachlässigbare Impedanz aufweist
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform einer Leistungsschaltung weist die Leistungsschaltung einen HF-Transistor und ein an einen Eingang des HF-Transistors und an einen Eingang der Leistungsschaltung gekoppeltes Eingangsanpassungsnetzwerk auf. Das Eingangsanpassungsnetzwerk weist einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator auf, die zwischen dem Eingang zum HF-Transistor und einer Erde in Reihe zusammengekoppelt sind. Die Werte des Widerstands und der Induktivität werden so ausgewählt, dass sie eine Eingangsimpedanz des HF-Transistors an eine Quellimpedanz am Eingang zu der Leistungsschaltung über mindestens einen Teil eines Hochfrequenzbereichs anpassen, wobei der Wert des Kondensators einen im Wesentlichen zu vernachlässigenden Beitrag zu der Anpassung in dem Hochfrequenzbereich hat. Der Wert des Kondensators wird so ausgewählt, dass die Reihenkombination aus Widerstand, Induktivität und Kondensator die Größe der am Eingang des HF-Transistors anliegenden Impedanz in einem Niederfrequenzbereich in Relation zu der Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung wesentlich reduziert.
Fachleute werden beim Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und beim Sichten der begleitenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
Figurenliste
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen gezeigten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Ausführungsformen werden in den Zeichnungen bildlich dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung ausführlich erläutert.

zeigt eine herkömmliche Leistungsschaltung.
zeigt eine Ausführungsform einer Leistungsschaltung.
zeigt die Impedanz am Eingang des HF-Transistors in Abhängigkeit von der Frequenz mit den in und gezeigten Leistungsschaltungen.
zeigt Ausführungsformen der Verstärkungsantwort einer Leistungsschaltung in Abhängigkeit von dem Frequenzwert und dem Blockierungskondensatorwert.
zeigt Ausführungsformen der Verstärkungsantwort einer Leistungsschaltung in Abhängigkeit von dem Frequenzwert und dem Blockierungskondensatorwert.
zeigt die Dämpfung der Verstärkungsantwortspitze in Abhängigkeit von der Frequenz für die in und gezeigten Leistungsschaltungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
zeigt eine herkömmliche Leistungsschaltung 100 mit einem HF-Transistor 110, einem Eingangsanpassungsnetzwerk 120 und einem Ausgangsanpassungsnetzwerk 130. Das Eingangsanpassungsnetzwerk 120 nimmt eine Impedanzanpassung zwischen dem Eingangsanschluss (IN) und einem Gatter (Gate, G) des HF-Transistors 110 vor, und das Ausgangsanpassungsnetzwerk 130 nimmt eine Impedanzanpassung zwischen einer Senke (Drain, D) des HF-Transistors 110 und dem Ausgangsanschluss (OUT) vor. Die Impedanzanpassung erfolgt für eine gewünschte HF-Signalbandbreite (auch als HF-Region bezeichnet). Die HF-Region für Signale, die durch die Leistungsschaltung 100 verstärkt werden, kann im Bereich 400 MHz bis 4 GHz liegen. Die HF-Region kann für unterschiedliche Anwendungen niedriger oder höher sein als der vorgenannte Bereich.
Das Eingangsanpassungsnetzwerk 120 weist einen Anpassungskondensator C_IN auf, der über einen an Erde gekoppelten Anschluss verfügt. Ein Zweig L_IN2 des Eingangsanpassungsnetzwerks 120 ist an den anderen Anschluss von C_IN und an das Gatter (G) eines HF-Transistors 110 gekoppelt. Ein Zweig L_IN1 koppelt den Eingangsanschluss (IN) der Leistungsschaltung 100 an den Anschluss von L_IN2 und den anderen Anschluss von C_IN. Die Zweige L_IN1 und L_IN2 des Eingangsanpassungsnetzwerks 120 sind typischerweise in Form von Bonddrähten, Bändern etc. implementiert. Das Eingangsanpassungsnetzwerk 120 verwendet ausgewählte Werte für C_IN und L_IN2, um eine Eingangsimpedanz des HF-Transistors 110 an die Impedanz des Anschlusses (IN) anzupassen. In der Darstellung in sind dies C_IN=10 bis 100 pF, L_IN1=100 bis 200 pH und L_IN2=100 bis 200 pH. Bei dem HF-Transistor 110 handelt es sich um einen Transistor des Typs LDMOS (Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor) mit einer Nennleistung von 100 Watt. Die Größe der am Gatter (G) des HF-Transistors 110 anliegenden Impedanz wird durch Z_IN1 bezeichnet, und der Bezugspfeil zeigt, dass diese Impedanz an den Gatteranschluss (G) des HF-Transistors 110 bereitgestellt wird. Die Impedanz Z_IN1 wird unter Bezugnahme auf und besprochen.
Das Ausgangsanpassungsnetzwerk 130 weist einen Blockierungskondensator C_OUT und einen Zweig L_OUT1 auf. L_OUT1 ist an die Senke (D) des HF-Transistors 110 und an einen Anschluss von C_OUT gekoppelt. Der andere Anschluss von C_OUT ist an Erde gekoppelt. Ein Zweig L_OUT2 koppelt die Senke (D) des HF-Transistors 110 und einen Anschluss von L_OUT1 an den Anschluss (OUT) der Leistungsschaltung 100. Die Quelle (Source, S) des HF-Transistors 110 ist an Erde gekoppelt. Die Zweige L_OUT1 und L_OUT2 des Ausgangsanpassungsnetzwerks 130 können auf verschiedene Arten implementiert sein, beispielsweise als Bonddrähte, Bänder etc. Das Ausgangsanpassungsnetzwerk 130 verwendet C_OUT und L_OUT1, um eine Ausgangsimpedanz an der Senke (D) des HF-Transistors 110 an die Impedanz des Anschlusses (OUT) innerhalb der HF-Region anzupassen.
Das Ausgangsanpassungsnetzwerk 130 stellt eine Hochfrequenz-Impedanzanpassung über die HF-Region bereit, kann aber auch zu einer unerwünschten Niederfrequenz-Verstärkungsspitze außerhalb der HF-Region führen, was der niederfrequenten Resonanz entspricht. Der Blockierungskondensator C_OUT schneidet DC ab, und die Kombination von LC-Komponenten (z. B. einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Induktivität von extern zur Leistungsschaltung bestehenden 100 Spannungsverbindungen, Zweig L_OUT1 und Zweig L_OUT2) mit der DC-Blockierungskapazität bilden Resonanzen, welche in einer hohen Verstärkungsspitze und hohen Spitzenspannungen an der Senke des HF-Transistors 110 bei Frequenzen in der Niederfrequenz-Basisbandregion resultieren.
Diese hohe Verstärkungsspitze in der Basisbandfrequenzregion kann bewirken, dass die Spitzensenkenspannung des HF-Transistors 110 die Durchbruchsspannung der Vorrichtung unter bestimmten Bedingungen übersteigt, z. B. wenn in der Region der Niederfrequenz-Verstärkungsspitze auftretende unerwünschte Systemartefakte stark verstärkt werden, wenn eine Basisbandkomponente eines Breitbandsignals, das mit der Niederfrequenz-Verstärkungsantwortspitze zusammentrifft, durch die Verstärkungsspitze stark verstärkt wird etc. Es versteht sich, dass dieses Problem mit einer komplexeren Anpassungsschaltung, die niederfrequente Signale unterdrückt, bevor sie den Ausgangsanschluss erreichen, nicht vollständig gelöst werden kann, da die übermäßig hohen niederfrequenten Signale weiterhin am Ausgang des Transistors vorliegen.
zeigt eine Ausführungsform einer Leistungsschaltung 200. Die Leistungsschaltung 200 weist einen HF-Transistor 210, ein Eingangsanpassungsnetzwerk 220 und ein Ausgangsanpassungsnetzwerk 230 auf. Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 nimmt eine Impedanzanpassung zwischen dem Eingangsanschluss (IN) und einem Gatter (G) des HF-Transistors 210 vor, und das Ausgangsanpassungsnetzwerk 230 nimmt eine Impedanzanpassung zwischen einer Senke (D) des HF-Transistors 210 und einem Ausgangsanschluss (OUT) vor. Die Impedanzanpassung erfolgt für eine gewünschte HF-Signalbandbreite oder HF-Region. In anderen Ausführungsformen erfolgt die Impedanzanpassung für mindestens einen Teil einer gewünschten HF-Signalbandbreite oder HF-Region. Die HF-Region für Signale, die durch die Leistungsschaltung 200 verstärkt werden, kann im Bereich 400 MHz bis 4 GHz liegen. Die HF-Region kann für unterschiedliche Anwendungen niedriger oder höher sein als der vorgenannte Bereich.
Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 ist zwischen einer Eingangsinduktivität L_IN1 der Leistungsschaltung 200 und einem Gatter (G) des HF-Transistors 210 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Eingangsinduktivität L_IN1 in Form von Bonddrähten, Bändern etc. implementiert, welche das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 an einen Anschluss (IN) der Leistungsschaltung 200 koppeln. In vielen Fällen ist L_IN1 ein Teil des Eingangsanpassungsnetzwerks. Das Ausgangsanpassungsnetzwerk 230 ist zwischen einer Senke (D) des HF-Transistors 210 und einer Ausgangsinduktivität L_OUT2 der Leistungsschaltung 200 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Ausgangsinduktivität L_OUT2 in Form von Bonddrähten, Bändern etc. implementiert, welche das Ausgangsanpassungsnetzwerk 230 an einen Anschluss (OUT) der Leistungsschaltung 200 koppeln. In vielen Fällen ist L_OUT2 ein Teil des Ausgangsanpassungsnetzwerks. Das Ausgangsanpassungsnetzwerk 230 ist ähnlich dem unter Bezugnahme auf besprochenen Ausgangsanpassungsnetzwerk 130. Die Größe der am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegenden Impedanz wird durch Z_IN2 bezeichnet, und der Bezugspfeil zeigt, dass diese Impedanz für das Gatter (G) des HF-Transistors 210 bereitgestellt wird. Die Impedanz Z_IN2 wird unter Bezugnahme auf und besprochen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann es sich bei dem HF-Transistor 210 um einen Leistungstransistor handeln, beispielsweise ein Transistor des Typs MOSFET (Metal-oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), DMOS (Double-Diffused Metal-Oxide Semiconductor, doppelt diffundierter Metalloxid-Halbleiter), GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor, Galliumnitrit- Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit), GaN MESFET (Gallium Nitride Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor, Galliumnitrit-Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor), einen LDMOS-Transistor etc. und, allgemeiner, jede Art von HF-Transistor-Vorrichtung. Bei dem HF-Transistor 210 und der vollständigen Leistungsschaltung 200 kann es sich um einen Mehrträgerverstärker, einen Mehrbereichsverstärker, einen mit LTE (Long Term Evolution) konformen Verstärker, einen mit WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) konformen Verstärker, einen mit 802.11 (x) konformen Verstärker etc. handeln.
Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 weist einen Blockierungskondensator C_IN, einen Widerstand R_IN und eine induktiven Widerstand L_IN2 auf. In dieser Ausführungsform sind C_IN, R_IN und L_IN2 zwischen einem Gatter (G) des HF-Transistors 210 und Erde in Reihe gekoppelt. Auch wenn die dargestellte Ausführungsform dieser Reihenschaltung so zeigt, dass Anschluss C_IN an Erde gekoppelt ist und ein Anschluss von L_IN2 an ein Gatter (G) des HF-Transistors 210 gekoppelt ist, wobei R_IN zwischen einem zweiten Anschluss von L_IN2 und einem zweiten Anschluss von C_IN gekoppelt ist, können C_IN, R_IN und L_IN2 bei anderen Ausführungsformen in anderen geeigneten Konfigurationen zwischen Erde und einem Gatter (G) des HF-Transistors 210 gekoppelt sein.
Der Zweig L_IN2 des Eingangsanpassungsnetzwerks 220 kann in Form von Bonddrähten, Bändern etc. implementiert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Zweig L_IN2 in Form von anderen geeigneten Induktionen implementiert sein. Der Blockierungskondensator C_IN des Eingangsanpassungsnetzwerks 220 kann in Form einer diskreten Komponente getrennt vom HF-Transistor 210 implementiert sein oder mit dem HF-Transistor 210 auf demselben Chip integriert sein. Der Widerstand R_IN und der induktive Widerstand L_IN2 können als diskrete Komponenten oder als verteilte Komponenten getrennt von dem HF-Transistor 210 implementiert sein oder mit dem HF-Transistor 210 auf demselben Chip integriert sein. In einer Ausführungsform stellen der Widerstand R_IN und der induktive Widerstand L_IN2 die Eingangsanpassungskompensation für die Parasitärkapazitäten des HF-Transistors 210 bereit, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Kapazität des HF-Transistors 210 von Gatter (G) zu Quelle (Source, S). Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 kann andere Konfigurationen aufweisen, welche in den Schutzbereich der hier beschriebenen Ausführungsformen fallen.
Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 stellt eine niedrige Impedanz an dem Gatter (G) des HF-Transistors 210 über den Basisband-Frequenzbereich bereit, z. B., zwischen 0 und 300 MHz, und reduziert eine Verstärkungsantwortspitze innerhalb dieses Frequenzbereichs, was zu niedrigeren Spitzenspannungen an der Senke (D) des HF-Transistors 210 führen kann. Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 nimmt eine Impedanzanpassung zwischen dem Anschluss (IN) und einem Gatter (G) des HF-Transistors 210 über einen Bereich von Signalfrequenzen vor, die durch die Leistungsschaltung 200 verstärkt werden. In anderen Ausführungsformen nimmt das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 eine Impedanzanpassung zwischen dem Anschluss (IN) und einem Gatter (G) des HF-Transistors 210 über mindestens einen Teil eines Bereichs von Signalfrequenzen vor, die durch die Leistungsschaltung 200 verstärkt werden. In einer Ausführungsform liegt der Bereich von Signalfrequenzen, die durch die Leistungsschaltung 200 verstärkt werden, im Bereich 1 bis 3 GHz. In einer anderen Ausführungsform liegt der Bereich von Signalfrequenzen, die durch die Leistungsschaltung 200 verstärkt werden, im Bereich 400 MHz bis 4 GHz.
Die Werte von Widerstand R_IN und Induktivität L_IN2 werden so ausgewählt, dass sie eine Anpassung zwischen einer Eingangsimpedanz des HF-Transistors 210 und der Impedanz an dem Anschluss (IN) der Leistungsschaltung 200 erzeugen. Innerhalb des Bereichs von Signalfrequenzen, die im Bereich 400 MHz bis 4 GHz liegen, hat der Wert des Kondensators C_IN einen im Wesentlichen zu vernachlässigenden Beitrag zu der Impedanzanpassung. Der Wert des Kondensators C_IN wird so ausgewählt, dass die Reihenkombination aus Widerstand R_IN, Induktivität L_IN2 und Kondensator C_IN die Größe der am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegenden Impedanz über den Basisband-Frequenzbereich wesentlich reduziert. In anderen Ausführungsformen, für unterschiedliche Anwendungen, kann der Basisband-Frequenzbereich Frequenzen aufweisen, die größer als 300 MHz sind, und die HF-Signalbandbreite oder HF-Region für Signale, die durch die Leistungsschaltung 200 verstärkt werden, können Frequenzen aufweisen, die niedriger als 400 MHz sind, oder Frequenzen, die größer als 4 GHz sind. In der in gezeigten Ausführungsform gilt: C_IN=2 nF, R_IN =0,3 Ohm und L_IN2=70 pH. Da der in dem Eingangsanpassungsnetzwerk 220 verwendete Kapazitätswert von C_IN von der Anwendung abhängen kann, in welcher die Leistungsschaltung 200 verwendet wird, kann der Kondensator C_IN in anderen Ausführungsformen andere geeignete Werte aufweisen.
ABG. 3 zeigt eine am Gatter (G) des HF-Transistors 110/210 anliegende Basisbandimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz und jeweils mit den Eingangsanpassungsnetzwerken 120/220. Die Kurve 310 zeigt die Impedanz am Gatter (G) des HF-Transistors 110 für die Leistungsschaltung 100 (siehe Z_IN1 in ) mit einem herkömmlichen Eingangsanpassungsnetzwerk 120. Die Kurve 320 zeigt die Impedanz am Gatter (G) des HF-Transistors 210 für die Leistungsschaltung 200 (siehe Z_IN2 in ) für eine Ausführungsform des Eingangsanpassungsnetzwerks 220, bei der C_IN den Wert 2 nF hat. Die Anschlüsse (IN) der Leistungsschaltungen 100/200 haben eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm.
Über den Basisband-Frequenzbereich 0 bis 300 MHz stellt das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 eine viel niedrigere Eingangsimpedanz am Gatter (G) des HF-Transistors 210 bereit als ein herkömmliches Eingangsanpassungsnetzwerk 120 am Gatter (G) des HF-Transistors 110 bereitstellt. Die Kurve 310 zeigt, dass beim Eingangsanpassungsnetzwerk 120 eine maximale Impedanz von etwa 48 Ohm (bei 1 MHz) am Gatter (G) des HF-Transistors 110 anliegt. Für das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 zeigt die Kurve 320, dass am Gatter (G) des HF-Transistors 210 eine maximale Impedanz von etwa 6 Ohm (bei 1 MHz) anliegt.
Insgesamt ist die maximale am Gatter (G) des HF-Transistors 110/210 anliegende Impedanz über den Niederfrequenzbereich im Vergleich zu der charakteristischen Eingangsimpedanz am Anschluss (IN) der Leistungsschaltungen 100/200 bei dem Eingangsanpassungsnetzwerk 220 viel niedriger als beim Eingangsanpassungsnetzwerk 120. In der gezeigten Ausführungsform für einen HF-Leistungstransistor mit 100 W liegt das Verhältnis der Größe der am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegenden Impedanz Z_IN2 zu der Quellimpedanz von 50 Ohm für die Leistungsschaltung 200 im Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz in einem Bereich von annähernd 0,02 bis 0,12. In anderen Ausführungsformen hat das Verhältnis der am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegenden Größe der Impedanz Z_IN2 zu der Quellimpedanz von 50 Ohm für die Leistungsschaltung 200 über den Frequenzbereich 1 bis 300 MHz einen Maximalwert von 0,4. In anderen Ausführungsformen liegt das Verhältnis der Größe der am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegenden Impedanz Z_IN2 zu der Quellimpedanz von 50 Ohm für die Leistungsschaltung 200 im Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz in einem Bereich von annähernd 0,02 bis 0,4.
Das Eingangsanpassungsnetzwerk 220 nimmt eine Impedanzanpassung zwischen Anschluss (IN) und Gatter (G) des HF-Transistors 210 bei der vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz vor, welche in dieser Darstellung annähernd 2 GHz beträgt, und der Wert des Kondensators C_IN hat einen im Wesentlichen zu vernachlässigenden Beitrag zu der Impedanzanpassung. Wie in , beginnend bei 1 GHz, gezeigt, sind die am Gatter (G) der HF-Transistoren 110/210 anliegenden Impedanzen nach Eingangsanpassungsnetzwerk 120/220 annähernd äquivalent. Der Wert des Kondensators C_IN wird so ausgewählt, dass die Reihenkombination aus Widerstand R_IN, Induktivität L_IN2 und Kondensator C_IN die Größe der am Eingang des HF-Transistors 210 anliegenden Impedanz an dem Anschluss (IN) der Leistungsschaltung 200 über den Basisband-Frequenzbereich wesentlich reduziert. Die Kurve 320 zeigt, dass bei dem Eingangsanpassungsnetzwerk 220 am Gatter (G) des HF-Transistors 210 eine maximale Impedanz von etwa 6 Ohm (bei 1 MHz) anliegt, welche deutlich niedriger ist als die Quellimpedanz von 50 Ohm an dem Anschluss (IN) der Leistungsschaltung 200. In anderen Ausführungsformen ist eine am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegende maximale Impedanz in der Niederfrequenzregion gleich oder geringer als 20 Ohm. Dies wird in gezeigt. In anderen Ausführungsformen ist die am Gatter (G) des HF-Transistors 210 anliegende maximale Impedanz für Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis zu mindestens einem Drittel der vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz gleich oder geringer als 20 Ohm. Hierbei ist zu beachten, dass die Kurve 310 eine Impedanzgröße zeigt, die über den Niederfrequenzbereich nahe 50 Ohm liegt. Das weist darauf hin, dass die herkömmliche Anpassungsschaltung, bei der es sich um eine Tiefpassschaltung handelt, wenig oder gar keinen Effekt auf Signale in der Niederfrequenzregion hat. Bei einer größeren Vorrichtung, beispielsweise einem HF-Transistor mit 200 W, kann die am Gatter des Transistors anliegende maximale Impedanz in der Niederfrequenzregion annähernd 10 Ohm betragen. In ähnlicher Weise kann bei einem HF-Transistor mit 50 W die am Gatter des Transistors anliegende maximale Impedanz in der Niederfrequenzregion annähernd 40 Ohm betragen.
und zeigen die Verstärkungsantwort (dB) der Leistungsschaltung 200 in Abhängigkeit von dem Wert des Blockierungskondensators C_IN und der Frequenz. zeigt einen Frequenzbereich von 0 bis 700 MHz, welcher den Niederfrequenz-Basisbandbereich von 1 bis 300 MHz beinhaltet. zeigt einen Frequenzbereich von 0 bis 3 GHz, welcher den Basisbandfrequenzbereich und die HF-Betriebsregion beinhaltet. In repräsentiert Kurve 410 einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 100 pF, Kurve 420 repräsentiert einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 500 pF, Kurve 430 repräsentiert einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 1,2 nF und Kurve 440 repräsentiert einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 2 nF. In repräsentiert Kurve 510 einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 100 pF, Kurve 520 repräsentiert einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 500 pF, Kurve 530 repräsentiert einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 1,2 nF und Kurve 540 repräsentiert einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 2 nF. In und , für Kondensatoren C_IN mit Werten von 100 pF (Kurve 410/510) und 2 nF (Kurve 440/540), reduziert sich bei steigenden Werten für C_IN die Verstärkung und die entsprechende Verstärkungsspitze in dem Basisbandbereich deutlich, während die Auswirkungen des Wertes von C_IN auf die Verstärkung bei der vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz, welche annähernd 2 GHz beträgt, viel geringer ist und bei höheren Frequenzen zunehmend zu vernachlässigen ist.
Für einen Kondensator C_IN mit einem Wert von 2 nF (Kurve 440/540) beträgt die Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich von 0 bis 300 MHz (siehe ) etwa -12 dB, während die Verstärkungsantwort bei der annähernd vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz, die bei annähernd 2 GHz liegt, etwa 23 dB beträgt. Der Unterschied zwischen der Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich und der Verstärkungsantwort bei der annähernd vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz, die für diese Ausführungsform bei annähernd 2 GHz liegt, beträgt etwa 35 dB für einen Kondensator C_IN mit einem Wert von 2 nF. Für einen Kondensator C_IN mit einem Wert von 1,2 nF (Kurve 430/530) beträgt die Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich von 0 bis 300 MHz (siehe ) etwa -12 dB, während die Verstärkungsantwort bei der annähernd vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz, die bei annähernd 2 GHz liegt, etwa 23 dB beträgt. Der Unterschied zwischen der Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich und der Verstärkungsantwort annähernd in der Mitte der Hochfrequenzregion (HF-Region) für einen Kondensator C_IN mit einem Wert von 1,2 nF macht etwa 35 dB aus. Für einen Kondensator C_IN mit Werten von 2,0 nF und 1,2 nF hat die Reduzierung der Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich zu einer Differenz zwischen der Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich und der Verstärkungsantwort bei der annähernd vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz von etwa 35 dB geführt. In einer anderen Ausführungsform macht die Differenz zwischen der Verstärkungsantwortspitze in dem Niederfrequenz-Basisbandbereich und der Verstärkungsantwort bei der vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz etwa 28 dB aus. In anderen Ausführungsformen können die Hochfrequenzregion (HF-Region) und die vorgesehene HF-Betriebsfrequenz im Bereich 400 MHz bis 4 GHz liegen. Die HF-Region und die vorgesehene HF-Betriebsfrequenz für unterschiedliche Anwendungen können niedriger oder höher als der vorstehend erwähnte Bereich sein. Des Weiteren kann sich der Niederfrequenz-Basisbandbereich für unterschiedliche Anwendungen auf Frequenzen erstrecken, die größer als 300 MHz sind.
zeigt gemessene Ergebnisse der Verstärkungsantwort einer herkömmlichen Leistungsschaltung 100 und eine Ausführungsform der Leistungsschaltung 200 im Basisband-Frequenzbereich 0 bis 400 MHz. Die Kurve 610 zeigt die Verstärkungsantwort für die Leistungsschaltung 100, und die Kurve 620 zeigt die Verstärkungsantwort für die Leistungsschaltung 200. In dieser Ausführungsform der Leistungsschaltung 200 verfügt die Eingangsanpassungsschaltung 220 über einen Blockierungskondensator C_IN mit einem Wert von 2 nF. Für eine herkömmliche Leistungsschaltung 100 zeigt die Kurve 610 eine Verstärkungsspitze von -2 dB bei 217 MHz (siehe m1). Für die gezeigte Ausführungsform der Leistungsschaltung 200 zeigt die Kurve 620 eine Verstärkungsspitze von -15 dB bei 235 MHz (siehe m2). Im Vergleich zu der Leistungsschaltung 100 reduziert die Leistungsschaltung 200 die Verstärkung in der Basisbandregion von -2 dB auf -15 dB und erhöht die Frequenz, bei der die Verstärkungsspitze auftritt, von 217 MHz auf 235 MHz. Eine solche Reduzierung hinsichtlich der Verstärkungsspitze führt zu einer verbesserten DPD-Systemleistung der Leistungsschaltung 200 und einer verbesserten Robustheit des HF-Transistors 210.
Räumlich relative Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „tiefer“, „über“, „oberer/obere/oberes“ und dergleichen werden verwendet, um die Beschreibung der Positionierung eines Elements in Relation zu einem zweiten Element zu erleichtern. Diese Begriffe sollen unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung zusätzlich zu den verschiedenen, in den Abbildungen dargestellten Ausrichtungen abdecken. Ferner werden Begriffe wie „erster/erste/erstes“, „zweiter/zweite/zweites“ und dergleichen auch verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Abschnitte etc. zu beschreiben, und sollen ebenfalls nicht einschränkend wirken. In der gesamten Beschreibung verweisen gleiche Begriffe auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Die hier verwendeten Begriffe „haben“, „enthalten“, „aufweisen“, „umfassen“ und dergleichen sind offene Begriffe, die das Vorhandensein von angegebenen Elementen oder Merkmalen anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein/einer/eine/eines“, „einen/eine/eines“ und „der/die/das“ sollen sowohl die Pluralformen als auch die Singularformen einschließen, es sei denn, der Kontext verweist klar darauf, dass dies nicht der Fall ist.
In Anbetracht der vorstehend erwähnten Palette von Varianten und Anwendungen sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorangehende Beschreibung noch durch die begleitenden Zeichnungen eingeschränkt wird. Vielmehr wird die vorliegende Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen eingeschränkt.

Claims

Leistungsschaltung, umfassend: einen HF-Transistor; ein an einen Eingang des HF-Transistors und an einen Eingang der Leistungsschaltung gekoppeltes Eingangsanpassungsnetzwerk, wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator aufweist, die zwischen dem Eingang zum HF-Transistor und einer Erde in Reihe zusammengekoppelt sind, wobei die Werte des Widerstands und der Induktivität so ausgewählt werden, dass sie eine Eingangsimpedanz des HF-Transistors an eine Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung über mindestens einen Teil eines Hochfrequenzbereichs anpassen, wobei der Wert des Kondensators einen im Wesentlichen zu vernachlässigenden Beitrag zu der Anpassung in dem Hochfrequenzbereich hat, und wobei der Wert des Kondensators so ausgewählt wird, dass die Reihenkombination aus Widerstand, Induktivität und Kondensator im Wesentlichen die Größe der am Eingang des HF-Transistors anliegenden Impedanz in einem Niederfrequenzbereich in Relation zu der Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung wesentlich reduziert.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei der Niederfrequenzbereich von etwa 0 bis etwa 300 MHz reicht.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei der Hochfrequenzbereich von etwa 400 MHz bis etwa 4 GHz reicht.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, ferner Folgendes umfassend: ein an einen Ausgang des HF-Transistors und an einen Ausgang der Leistungsschaltung gekoppeltes Ausgangsanpassungsnetzwerk, wobei eine Differenz zwischen einer Verstärkungsantwortspitze in dem Basisbandbereich und einer Verstärkungsantwort bei einer vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz für die Leistungsschaltung gleich oder größer als 28 dB ist.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Größe der am Eingang des HF-Transistors anliegenden Impedanz zu der Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung über einen Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz gleich oder kleiner als 0,4 ist.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Größe der am Eingang des HF-Transistors anliegenden Impedanz zu der Quellimpedanz am Eingang der Leistungsschaltung über einen Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz zwischen 0,02 und etwa 0,4 liegt.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei die Größe der am Eingang des HF-Transistors anliegenden Impedanz für Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis zu mindestens einem Drittel einer vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz gleich oder kleiner als 20 Ohm ist.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei es sich bei dem HF-Transistor um einen MOS-Transistor handelt.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei es sich bei dem HF-Transistor um einen LDMOS-Transistor handelt.
Leistungsschaltung aus Anspruch 1, wobei es sich bei dem HF-Transistor um einen GaN MESFET-Transistor handelt.
HF-Leistungsverstärker, umfassend: einen Eingang, dafür konfiguriert, ein HF-Signal mit einer HF-Signalbandbreite zu empfangen; einen LDMOS-Transistor, dafür konfiguriert, das HF-Signal zu verstärken; ein an den Eingang des HF-Leistungsverstärkers und an ein Gatter des LDMOS-Transistors gekoppeltes Eingangsanpassungsnetzwerk, wobei das Eingangsanpassungsnetzwerk einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator aufweist, die zwischen dem Eingang zum HF-Leistungsverstärker und einer Erde in Reihe zusammengekoppelt sind, wobei die Werte des Widerstands und der Induktivität so ausgewählt werden, dass sie eine am Gatter des LDMOS-Transistors anliegende Impedanz über mindestens einen Teil der HF-Signalbandbreite an eine Quellimpedanz am Eingang des HF-Leistungsverstärkers anpassen, wobei der Wert des Kondensators einen im Wesentlichen zu vernachlässigenden Beitrag zu der Anpassung bei der HF-Signalbandbreite hat, und wobei der Wert des Kondensators so ausgewählt wird, dass das Eingangsanpassungsnetzwerk die Größe der am Gatter des LDMOS-Transistors anliegenden Impedanz in einem Basisband-Frequenzbereich in Relation zu der Quellimpedanz am Eingang des HF-Leistungsverstärkers wesentlich reduziert.
HF-Leistungsverstärker aus Anspruch 11, wobei der Basisband-Frequenzbereich von etwa 0 bis etwa 300 MHz reicht.
HF-Leistungsverstärker aus Anspruch 11, wobei die HF-Signalbandbreite von etwa 400 MHz bis etwa 4 GHz reicht.
HF-Leistungsverstärker aus Anspruch 11, ferner Folgendes umfassend: ein an eine Senke des LDMOS-Transistors und an einen Ausgang des HF-Leistungsverstärkers gekoppeltes Ausgangsanpassungsnetzwerk, wobei eine Differenz zwischen einer Verstärkungsantwortspitze in dem Basisband-Frequenzbereich und einer Verstärkungsantwort annähernd in der Mitte der HF-Signalbandbreite für den HF-Leistungsverstärker gleich oder größer als 28 dB ist.
HF-Leistungsverstärker aus Anspruch 11, wobei ein Verhältnis der Größe der am Gatter des LDMOS-Transistors anliegenden Impedanz zu der Quellimpedanz am Eingang des HF-Leistungsverstärkers über einen Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz gleich oder kleiner als 0,4 ist.
HF-Leistungsverstärker aus Anspruch 11, wobei ein Verhältnis der Größe der am Gatter des LDMOS-Transistors anliegenden Impedanz zu der Quellimpedanz am Eingang des HF-Leistungsverstärkers über einen Frequenzbereich von 1 bis 300 MHz zwischen etwa 0,02 und etwa 0,4 liegt.
HF-Leistungsverstärker aus Anspruch 11, wobei die Größe der am Gatter des LDMOS-Transistors anliegenden Impedanz für Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis zu mindestens einem Drittel einer vorgesehenen HF-Betriebsfrequenz gleich oder kleiner als 20 Ohm ist.