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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Vorrichtungen für Hochfrequenztransistoren
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HINTERGRUND
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Die Entwicklung im Bereich der Hochfrequenzanwendungen, insbesondere bei Kommunikationssystemen, geht mehr und mehr in Richtung von Verstärkerschaltungen mit kleineren Abmessungen bei gleichzeitig höherer Leistung und bei der gleichzeitigen Anforderung, größeren Bandbreiten von zu verarbeitenden Signalen gerecht zu werden. Um die Raumanforderung von entsprechenden Verstärkerschaltungen oder anderer Hochfrequenzschaltungen kompakt zu halten, wird der Grad der Integration der Verstärkerschaltungen sukzessive erhöht. Für Leistungsverstärkerschaltungen bedeutet dies erhebliche Herausforderungen im Hinblick sowohl auf Effizienz als auch auf Linearität und Schaltungsstabilität. Dies gilt im Hinblick auf Leistungsverstärkerschaltungen des Doherty-Typs. Diese kommen in einer Vielzahl von Anwendungs- und Frequenzbereichen zum Einsatz, beispielsweise im Bereich von Mobilfunk -Systemen, beispielsweise von 5G- und MIMO-Systemen oder aber im Bereich des Rundfunks, sowie in anderen Drahtlosen Anwendungen wie zB.: WLAN.
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Ein Bestandteil vieler Leistungsverstärkerschaltungen sind Transistoren, insbesondere Leistungstransistoren und/oder Hochfrequenztransistoren. Für manche Transistortypen kann eine Kapazität zwischen einem Steueranschluss und einem Lastanschluss des Transistors zu einem unerwünschten Rückkopplungsverhalten führen, welches unerwünschte Effekte, beispielsweise Instabilitäten der Leistungsverstärkerschaltung bei Betrieb des Transistors zur Folge haben kann.
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Eine herkömmliche Herangehensweise, um die Stabilität des Transistors zu gewährleisten, besteht im Hinzufügen eines Stabilitätswiderstandes zur Dämpfung von möglicherweise auftretenden Schwingungen. In einigen Fällen wird als Transistor ein Transistor mit einem Gateanschluss verwendet. In diesen Fällen kann dieser Widerstand mit dem Gateanschluss des Transistors verbunden sein. In diesem Fall kann der Widerstand jedoch zusätzliche nachteilige Effekte für die Leistungsschaltung hervorrufen, beispielsweise kann durch den Widerstand der Verstärkungsfaktor der Leistungsschaltung verringert werden und/oder der Widerstand kann zu einem nicht idealen Verhalten der Verstärkung als Funktion der Schaltungsfrequenz führen, was insbesondere für Doherty-Verstärkerschaltungen problematisch sein kann. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen Galliumnitrid-Transistoren (GAN-Transistoren) zum Einsatz kommen, die starke Rückkopplungseigenschaften aufweisen können. Als Ergebnis von großen Änderungen eines Verstärkungsfaktors einer derartigen Verstärkerschaltung mit der Frequenz kann ein verwendetes Eingangsanpassungsnetzwerk in manchen Fällen fehlangepasst sein, was in einem weiteren Verlust von Verstärkung und möglicherweise von System-Effizienz resultieren kann und den Entwurf von Schaltungen für einen breiten Frequenzbereich erschwert.
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Zur Kompensation der oben beschriebenen Effekte kann in manchen Anwendungsfällen ein Rückkopplungssystem-Netzwerk umfassend mindestens einen Widerstand, eine Induktivität und eine Kapazität (RLC-Netzwerk) zwischen einem Steueranschluss und einem Lastanschluss eines Transistors zum Einsatz kommen. Die zusätzliche Kapazität wird hierbei zur Gleichspannungsentkopplung verwendet, da im Allgemeinen Lastanschluss und Steueranschluss auf verschiedenen Potentialen liegen. Diese zusätzliche Kapazität des Rückkopplungs-Netzwerks kann jedoch ebenfalls zu unerwünschten, nachteiligen Effekten führen.
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KURZFASSUNG
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Es werden Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1, 7 und 9 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Vorrichtung umfassend einen Transistor mit mindestens einem Steueranschluss, mindestens einem Lastanschluss eines ersten Typs und mindestens einem Lastanschluss eines zweiten Typs bereitgestellt. Hierbei weist der der Transistor eine parasitäre Kapazität zwischen dem mindestens einen Steueranschluss und dem mindesten einen Lastanschluss des ersten Typs auf. Ferner umfasst die Vorrichtung eine erste Induktivität, die mit dem mindestens einen Steueranschluss leitend verbunden ist, sowie eine zweite Induktivität, die mit dem mindestens einen Lastanschluss des ersten Typs leitend verbunden ist. Hierbei ist die erste Induktivität mit der zweiten Induktivität elektromagnetisch gekoppelt und die erste Induktivität, die zweite Induktivität und die elektromagnetische Kopplung sind eingerichtet, die Wirkung der parasitären Kapazität im Bereich um eine Resonanzfrequenz zumindest teilweise zu kompensieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung mindestens einen Transistor. Dieser umfasst mindestens eine Steueranschlussfläche, mindestens eine Lastanschlussfläche mindestens einen ersten Bonddraht mit einer ersten Bonddrahtinduktivität und mindestens einen zweiten Bonddraht mit einer zweiten Bonddrahtinduktivität. Hierbei ist der mindestens eine erste Bonddraht mit der mindestens einen Steueranschlussfläche und der mindestens eine zweite Bonddraht mit der mindestens einen Lastanschlussfläche leitend verbunden. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens einen dritten Bonddraht mit einem Anfang und einem Ende, wobei der mindestens eine erste Bonddraht elektromagnetisch mit einem ersten Teil des mindestens einen dritten Bonddrahts gekoppelt ist und der mindestens eine zweite Bonddraht elektromagnetisch mit einem zweiten Teil des mindestens einen dritten Bonddrahts gekoppelt ist. Darüber hinaus ist der mindestens eine dritte Bonddraht von dem mindestens einen ersten Bonddraht und dem mindestens einen zweiten Bonddraht elektrisch isoliert und der Anfang und das Ende sind leitend mit einem Referenzpotential verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung mindestens einen Transistor, der mit mindestens einer Steueranschlussfläche und mindestens einer Lastanschlussfläche elektrisch leitend verbunden ist. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens eine Steuerkontaktfläche und mindestens eine Lastkontaktfläche sowie eine erste Vielzahl von Bonddrähten, die jeweils elektrisch mit der Steueranschlussfläche und der Steuerkontaktfläche leitend verbunden sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine zweite Vielzahl von Bonddrähten, die jeweils elektrisch mit der mindestens einen Lastanschlussfläche und der mindestens einen Lastkontaktfläche leitend verbunden sind und eine dritte Vielzahl von Bonddrähten, die jeweils einen Anfang und ein Ende aufweisen. Dabei sind das Anfang und das Ende jeweils mit einem Referenzpotential leitend verbunden und jeder der dritten Vielzahl von Bonddrähten ist elektrisch isoliert von der ersten Vielzahl von Bonddrähten und der zweiten Vielzahl von Bonddrähten. Zusätzlich weist die dritte Vielzahl von Bonddrähten und die erste Vielzahl von Bonddrähten eine erste Gegeninduktivität auf und die dritte Vielzahl von Bonddrähten und die zweite Vielzahl von Bonddrähten weist eine zweite Gegeninduktivität auf.
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Die obige Kurzfassung ist lediglich als eine knappe Übersicht über manche mögliche Implementierungen zu verstehen und nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere können andere Ausführungsbeispiele andere Merkmale als die oben erläuterten verwenden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
- 2 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
- 3 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
- 4 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
- 5 zeigt schematisch ein Vergleichsbeispiel.
- 6 zeigt schematisch eine mögliche Implementierung der Schaltung der 4 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
- 7 zeigt Simulationen verschiedener Stabilitätsparameter als Funktion der Frequenz von dem Vergleichsbeispiel der 5.
- 8 zeigt Simulationen verschiedener Stabilitätsparametern als Funktion der Frequenz gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich als Beispiel zu betrachten und sind nicht als einschränkend aufzufassen. Beispielsweise können bei anderen Ausführungsbeispielen manche von den beschriebenen Merkmalen oder Komponenten weggelassen werden und/oder durch alternative Merkmale oder Komponenten ersetzt werden. Merkmale oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Variationen und Modifikationen, die im Hinblick auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden. Des Weiteren können andere Merkmale oder Komponenten als die beschriebenen oder gezeigten bereitgestellt sein, beispielsweise in herkömmlichen Leistungsverstärkerschaltungen oder Hochfrequenzschaltungen verwendete Merkmale oder Komponenten.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsbeispiele. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird.
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Die beschriebenen Techniken und Vorrichtungen können in einem umfangreichen Gebiet von Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Stabilisierung eines Transistors, wie nachfolgend beschrieben, im Zusammenhang mit Mobilfunksystemen, beispielsweise 5G und MIMO-Systemen Anwendung finden, aber auch in vielen Anwendungsfeldern, beispielsweise sowohl in modernen Mobilitäts- und Industriesystemen als auch im Heimbereich. Auch können die beschriebenen Techniken im Bereich der Leistungsverstärker im Bereich moderner Hochleistungstechnologien wie beispielsweise GaN-Systemen Anwendung finden. Die Vorrichtungen können ebenfalls im Zusammenhang mit sog. intelligenten Transistoren zum Einsatz kommen. Die intelligenten Transistoren sind Transistoren, die mit mehreren Diagnosefähigkeiten und Schutzmerkmalen ausgerüstet sind, um verschiedene Störungsbedingungen zu identifizieren. Dadurch können Überlast- und Kurzschlussereignisse verhindert werden, wodurch es möglich ist intelligente Transistoren kosten- und bauformoptimiert auszulegen und diese bis zu den thermischen und elektrischen Grenzen zu beanspruchen.
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Direkte Verbindungen oder Kopplungen, die in den Zeichnungen gezeigt oder im Folgenden beschrieben sind, d.h. elektrische Verbindungen oder Kopplungen ohne dazwischenliegende Elemente (beispielsweise einfache Metallleiterbahnen) können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung realisiert werden, d.h. eine Verbindung oder Kopplung, die ein Element oder mehrere zusätzliche dazwischenliegende Elemente umfasst, und umgekehrt, solange die generelle Funktionsweise der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise ein Bereitstellen einer Spannung, ein Bereitstellen eines Stroms oder ein Bereitstellen eines Steuersignals, im Wesentlichen beibehalten wird.
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Leitend verbunden bezeichnet eine Kopplung, die das Übertragen von Gleichspannung und/oder Wechselspannung ermöglicht. Eine leitende Verbindung kann beispielsweise mittels durchgängigen metallische Leitungen realisiert werden. Auch kann eine leitende Verbindung beispielsweise mittels einer leitenden Fläche realisiert werden.
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Im Allgemeinen weisen Transistoren im Kontext der vorliegenden Anmeldung einen oder mehrere Steueranschlüsse und zwei oder mehr Lastanschlüsse auf. Ein Öffnen und ein Schließen des Transistors (das Betätigen des Transistors) kann durch das Anlegen eines oder mehrerer Signale an den einen oder die mehreren Steueranschlüsse gesteuert werden. Wenn der Transistor geschlossen ist, stellt er eine niederohmige Verbindung zwischen wenigstens zwei seiner Lastanschlüsse bereit, so dass ein Strom zwischen den Lastanschlüssen fließen kann. Wenn der Transistor offen ist, zeigt der Transistor ein Sperrverhalten zwischen seinen Lastanschlüssen, d. h., er ist hochohmig, so dass im Wesentlichen kein Strom zwischen den Lastanschlüssen fließen kann, z. B. mit Ausnahme der unerwünschten Effekte wie eines Leckstroms usw., die in realen Vorrichtungen vorkommen können.
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Viele Transistoren weisen einen Übergangsbereich zwischen dem geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand auf, bei dem ein graduelles Öffnen des Transistors mittels des einen oder der mehreren Steueranschlüsse gesteuert werden kann. Manche Transistoren können zumindest in einem Teil des Übergangsbereichs eine lineare Abhängigkeit zwischen Steueranschlusssignal und Ohmigkeit der Verbindung zwischen den wenigstens zwei Lastanschlüssen aufweisen. Bei manchen Verstärkeranordnungen werden Transistoren in diesem linearen Teil des Übergangsbereichs betrieben.
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Manche Transistoren können parasitäre, d.h. unerwünschte, Kapazitäten zwischen einzelnen Anschlüssen aufweisen. Beispielsweise können parasitäre Kapazitäten zwischen mindestens einem Steueranschluss und mindestens einem Lastanschluss, und/oder zwischen einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss auftreten.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann der Transistor ein Transistor insbesondere für Hochfrequenz- und Leistungsanwendungen (RF power transistor) sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Transistor unter Verwendung eines Feldeffekttransistors (FET) wie eines MOS-Transistors (MOSFET), eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT), eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET), eines Bipolar-Transistors (BJT), eines Galliumnitrid-Transistors (GAN-Transistors), eines Siliziumcarbid-Transistors (SiC-Transistors) oder eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) implementiert sein. In einem derartigen Fällen können die Lastanschlüsse mindestens einen Lastanschluss eines ersten Typs und mindestens einen Lastanschluss eines zweiten Typs umfassen.
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Im Falle eines Feldeffekttransistors kann der mindestens eine Lastanschluss des ersten Typs einem Drain-Anschluss oder mehreren Drain-Anschlüssen und der mindestens eine Lastanschluss des zweiten Typs einem Source-Anschluss oder mehreren Source-Anschlüssen entsprechen, während der mindestens eine Steueranschluss dem Gate-Anschluss oder den Gate-Anschlüssen entsprechen kann.
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Im Falle eines Bipolar-Transistors oder einem Bipolartransistors mit isoliertem Gate kann der mindestens eine Lastanschluss des ersten Typs einem Kollektor-Anschluss oder mehreren Kollektoranschlüssen und der mindestens eine Lastanschluss des zweiten Typs einem Emitter-Anschluss oder mehreren Emitter-Anschlüssen entsprechen. Emitter-Anschluss/- Anschlüsse und Kollektoranschluss/-anschlüsse können auch zwischen dem ersten und zweiten Typ getauscht sein. Im Falle eines Bipolar-Transistors kann der mindestens eine Steueranschluss kann dem Basis-Anschluss oder mehreren BasisAnschlüssen entsprechen. Im Falle eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate kann der mindestens eine Steueranschluss kann dem Gate-Anschluss oder mehreren Gate-Anschlüssen entsprechen.
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Die Vorrichtungen können ein Die umfassen. Mit Die ist ein Halbleiterchip bezeichnet, der auch mit anderen Halbleiterchips kombiniert sein kann.
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Die Vorrichtungen können ein Chipgehäuse umfassen. Die Chipgehäuse können eine Ummantelung eines Halbleiterchips inklusive von Anschlussstellen, beispielsweise Leads, Pins oder Balls bereitstellen. Zahlreiche Variationen solcher Chipgehäuse sind dem Fachmann bekannt, die sich in ihrer Form, den verwendeten Materialien, der Anzahl und Anordnung der Anschlussstellen und anderer Eigenschaften unterscheiden.
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In manchen Transistoren kann eine sog. parasitäre, also unerwünschte bzw. durch das Design bedingte, aber nicht benötigte Kapazität auftreten. Solche parasitären Kapazitäten können insbesondere zwischen verschiedenen Anschlüssen des Transistors auftreten. Beispielsweise kann eine parasitäre Kapazität zwischen einem Steueranschluss und einem Lastanschluss auftreten. Wie oben genannt kann diese parasitäre Kapazität bei Feldeffekttransistoren zwischen einem Gate-Anschluss und einem Drainanschluss auftreten. In diesen Fällen spricht man von einer Gate-Drain-Kapazität, häufig mit Cgd bezeichnet. In manchen anderen Fällen kann eine Kapazität zwischen einem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss auftreten. In diesen Fällen spricht man von einer Gate-Source-Kapazität, häufig mit Cgs bezeichnet. Bei anderen Arten von Transistoren können entsprechende Kapazitäten zwischen den verschiedenen Anschlüssen auftreten.
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Mit Induktivität im Sinne dieser Anmeldung werden Bauelemente oder Bereiche von Bauelement bezeichnet, die die Eigenschaft haben, eine elektrische Induktivität aufzuweisen.
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Beispiele für Induktivitäten im Zusammenhang mit dieser Anmeldung können Spulen, Leiterbahnen, Leiterbahnabschnitte, einzelne Leitungen, einzelne Bonddrähte, mehrere Bonddrähte und/oder Abschnitte von einzelnen oder mehreren Bonddrähten sein. Diese Aufzählung ist nicht als einschränkend auszulegen sondern dient lediglich der Erläuterung. Die Induktivitätseigenschaften können durch Veränderung der Bauteile, insbesondere der Bauteilgeometrien, verändert werden kann.
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Im Zusammenhang dieser Beschreibung wird unter elektromagnetische Kopplung oder Gegeninduktion die gegenseitige magnetische Beeinflussung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter Induktivitäten aufgrund von elektromagnetischer Wechselwirkung verstanden. Quantitativ kann die elektromagnetische Kopplung oder Gegeninduktion zwischen zwei Induktivitäten mithilfe von Kopplungskoeffizienten beschrieben werden.
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Vorzeichen und Betrag des Kopplungskoeffizienten zwischen zwei Induktivitäten hängen von zahlreichen Parametern ab und können durch Veränderung dieser Parameter verändert werden, beispielsweise durch Veränderung der Abstände, der Anordnung und der Form sowie den jeweiligen geometrischen Eigenschaften der Induktivitäten, beispielsweise Abmessungen und Form der leitenden Elemente der Induktivitäten.
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Unter Resonanzfrequenz wird im Zusammenhang mit dieser Anmeldung die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, beispielsweise einer Kapazität mit einer Induktivität und/oder einem Widerstand verstanden.
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In den 1, 2, 3 und 4 wird jeweils ein Transistor 1, der mit einem Bezugspotenzial 5, einem Eingangsanpassungsnetzwerk (Input-Matching-Network) 8 und einem Ausgangsanpassungsnetzwerk (Output-Matching-Network) 9 gekoppelt ist, gezeigt. Der Transistor 1 weist einen Steueranschluss 2, ein Lastanschluss eines ersten Typs 3 und ein Lastanschluss eines zweiten Typs 4 auf. Zwischen dem Steueranschluss 2 und dem Lastanschluss des ersten Typs 3 weist der Transistor 1 eine erste parasitäre Kapazität 6 auf. Ferner kann den Transistor 1 zusätzlich eine zweite parasitäre Kapazität 7 zwischen dem Steueranschluss 2 und dem Bezugspotenzial 5 aufweisen. Weiterhin kann der Transistor 1 weitere, in den 1-4 nicht gezeigte, parasitäre Kapazitäten aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen kann es sich beim Transistor 1 um einen Leistungstransistor handeln. Beim Steueranschluss 2 kann es sich um einen Gate-Anschluss, beim Lastanschluss des ersten Typs 3 um einen Drainanschluss und beim Lastanschluss des zweiten Typs 4 um einen Source-Anschluss handeln. Bei diesen Ausführungsformen wird die parasitäre Kapazität 6 als Gate-Drain-Kapazität, Cgd, bezeichnet.
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1 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Schaltung zusätzlich zu dem oben beschriebenen Transistor 1 ferner ein Rückkopplungsnetzwerk 10 auf, welches eine erste Induktivität 11 und eine zweite Induktivität 12 umfasst, wobei die erste Induktivität 11 und die zweite Induktivität 12 eine elektromagnetische Kopplung 13 aufweisen.
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Diese elektromagnetische Kopplung kann eingerichtet sein, die Wirkung der ersten parasitären Kapazität 6 bei Betrieb des Transistors 1 im Bereich um eine Resonanzfrequenz herum zumindest teilweise zu kompensieren. Dies kann durch geeignete Wahl der Kopplung, beispielsweise durch die Anordnung der Leiterbahnen und geeignete Wahl der ersten Induktivität 11 und der zweiten Induktivität 12 erfolgen.
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Eine zumindest teilweise Kompensation der ersten parasitären Kapazität 6 in einem Frequenzbereich liegt dann vor, wenn um eine Mittenfrequenz innerhalb einer bestimmten Bandbreite die gekoppelten Elemente so ausgelegt sind, dass sie einen Schwingkreis mit der ersten parasitären Kapazität 6 bilden, wobei der Schwingkreis dazu geeignet ist, innerhalb der Bandbreite den Effekt der ersten parasitären Kapazität 6 zu kompensieren, so dass sich die Schaltung effektiv so verhält, als ob die erste parasitäre Kapazität 6 nicht vorhanden wäre und sich die Schaltung somit so verhält, als ob in diesem Frequenzbereich keine parasitäre Verbindung zwischen dem Steueranschluss 2 und dem Lastanschluss des ersten Typs 3 bestehen würde, oder die Auswirkungen der parasitären Kapazität zumindest verringert werden.
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Ein Vorteil mancher dieser und nachfolgend erläuterter Ausführungsbeispiele kann darin bestehen, dass ein nahezu ideales Verhalten bei der Änderung von Impedanz als Funktion der Frequenz für Verstärkerschaltungen, beispielsweise für Doherty-Verstärkerschaltungen, erreicht werden kann. Dies kann das Design von effizienten Verstärkern für einen weiten Frequenzbereich und bei hohen Frequenzen vereinfachen.
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In Abhängigkeit von gewünschten Frequenzbereich und der Leistungsklasse der Schaltung können die Induktivitäten mittels Bonddrähten bereitgestellt werden, wie auch anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele erläutert wird.
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Eine Schaltung gemäß dieser und nachfolgend beschriebener Ausführungsformen kann den Vorteil einer induktiven Rückkopplung, die Gleichspannungs-entkoppelt ist, bieten.
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Gleichspannungs-entkoppelt bedeutet, dass die Rückkopplung für Gleichspannungen, bzw. niederfrequente Spannungen, als elektrische Isolation wirkt. Beispielsweise kann es aufgrund der Gleichspannungsentkoppelung zwischen dem Steueranschluss und dem Lastanschluss des ersten Typs möglich sein, auf eine bei RLC-Netzwerken notwendige zusätzliche Kapazität zur Gleichspannungsentkoppelung zu verzichten.
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Eine Schaltung gemäß verschiedener obiger Ausführungsformen sowie im Folgenden beschrieben kann die Eigenschaft haben, dass die Schaltung ohne einen zusätzlichen Widerstand zur Stabilisierung von möglichem unerwünschtem Schwingverhalten aufgrund der zur Kompensation der parasitären Kapazität 6 verwendeten Elemente auskommen kann, wie dies beispielsweise aufgrund der Reihenschaltung von Kapazität und Induktivität in einem RLC-Kompensationsnetzwerks auftreten kann.
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Weitere Effekte können in einem nahezu idealen Verstärkungsverhalten als Funktion der Last sowie verringerter Verluste und somit gesteigerter Effizienz bestehen.
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2 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
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In 2 ist eine Schaltung mit einem Transistor 1 gezeigt, für den die obigen Ausführungen zu dem Transistor 1 entsprechend gelten.
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Die in 2 gezeigte Schaltung umfasst eine erste Induktivität 211, eine zweite Induktivität 212, eine dritte Induktivität 213 mit einem ersten Anschluss 221 und einem zweiten Anschluss 222 sowie eine vierte Induktivität 214 mit einem dritten Anschluss 223 und einem vierten Anschluss 224. Der eine zweite Anschluss 222 ist mit dem einen dritten Anschluss 223 mittels einer ersten Leitung 215 leitend verbunden. Der erste Anschluss 221 ist mit dem vierten Anschluss 224 mittels einer zweiten Leitung 216 leitend verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 ist die erste Leitung 215 mit einem Referenzpotential 217 gekoppelt. In einigen Ausführungsbeispielen kann auch alternativ oder zusätzlich die zweite Leitung 216 mit einem Referenzpotential 217 gekoppelt sein. Dieses Referenzpotential 217 kann dem Referenzpotential 5 des Transistors 1 entsprechen.
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Es besteht eine elektromagnetische Kopplung zwischen der erste Induktivität 211 und der dritten Induktivität 213, sowie zwischen der zweiten Induktivität 212 und der vierten Induktivität 214. Hierdurch kann die Schaltung eine Gesamtkopplung, umfassend die jeweiligen wechselseitigen Kopplungen von erster Induktivität 211, zweiter Induktivität 212, dritter Induktivität 213 und vierter Induktivität 214 aufweisen, die in ihrem Zusammenwirken eine effektive Kopplung zwischen der ersten Induktivität 211 und der zweiten Induktivität 212 bereitstellen können, die ein Ausführungsbeispiel für die in 1 gezeigte Kopplung 13 sein kann.
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Diese Ausführungsbeispiele können ebenfalls die oben genannten Vorteile bieten. Darüber hinaus können die Leitungen 215, 216 Flexibilität bei der Realisierung der Schaltung bieten, da die Verbindung von Leitungen mit zusätzlichen Induktivitäten mehr Freiheitsgrade für die Auslegung der jeweiligen Induktivitäten und deren Anordnung ermöglicht. Die Möglichkeit einer Kopplung einer Leitung an das Referenzpotential 217, welches auch zusätzlich oder ersatzweise an anderer Stelle, beispielsweise bei 216 erfolgen kann, kann Vereinfachungen bei der Realisierung bieten, wie auch untenstehend im Zusammenhang mit weiteren Ausführungsbeispielen erläutert wird.
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Die im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ausführungsformen sind insbesondere für die Ausführung der Induktivitäten mittels Bonddrähten geeignet, aber nicht darauf beschränkt. Eine Umsetzung kann ebenfalls beispielsweise mittels planaren Induktivitäten, Spulen und Transformatoren erfolgen.
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Das Rückkopplungsnetzwerk 210 kann ohne leitende Verbindung, oder mit einer leitenden Verbindung mit einem Referenzpotential, beispielsweise einer Masse, ausgestaltet sein. Dies kann weitere Gestaltungsfreiheiten und mithin Designvorteile ermöglichen. Beispielsweise kann eine oder beide der gezeigten Leitungen 215, 216 durch leitende Verbindungen mit einer leitenden Fläche ausgestaltet werden.
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3 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
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In 3 ist abermals ein Transistor 1 gezeigt, für den die Ausführungen zu den Transistoren 1 aus der 1 entsprechend gelten und der im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem vergleichbaren Schaltungszusammenhang verwendet wird.
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Die in 3 dargestellten Ausführungsbeispiele umfassen ein Rückkopplungsnetzwerk 310. Anschluss 313 der ersten Induktivität 311 ist mit einem Steueranschluss 320 leitend verbunden und ein Anschluss 314 der zweiten Induktivität 312 ist mit einem Leistungsanschluss eines ersten Typs 322 leitend verbunden. Durch die Induktivitäten 311, 312 kann es möglich sein, die Anschlüsse 320 und 322 von Wechselspannungssignalen, beispielsweise RF-Signalen, zu entkoppeln. Somit kann es möglich sein über die Anschlüsse 320, 322 eine Gleichstromspannung mit dem Transistor 1 zu koppeln, die sich mit zusätzlich vorhandenen Wechselspannungssignalen überlagern kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Überlagerung eines aus dem Eingangsanpassungsnetzwerk 8 bereitgestellten RF-Signals mit einem an Anschluss 320 bereitgestellten Gleichspannungssignal am Steueranschluss 2 des Transistors erfolgen. Durch das Gleichspannungssignal kann in manchen Ausführungsbeispielen eine Verstärkung gewählt werden, wenn der Transistor in einem linearen Regime betrieben wird. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Transistor 1 ein Feldeffekttransistor. Dann kann der Steueranschluss 320 ein Gatesteueranschluss, der Leistungsanschluss des ersten Typs 322 ein Drainversorgungsanschluss sein.
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In 3 ist die induktive Kopplung 313, die bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 jeweils in Reihe mit dem Eingangsanpassungsnetzwerk (IMN; vom Englischen „input matching impedance“) 8 und dem Ausgangsanpassungsnetzwerk (OMN; vom Englischen „output matching impedance“) 9 geschaltet ist, alternativ in Form einer Parallelschaltung realisiert. Dies bietet eine weitere Möglichkeit zur Kompensation der parasitären Kapazität 6. Auch diese Schaltung kann durch geeignete Auswahl der Werte der jeweiligen Induktivitäten und/oder der Kopplungskoeffizienten die Rückkopplung der parasitären Kapazität im Transistor kompensieren. Die leitende Verbindung im Sinne einer Kopplung zu einem Steueranschluss 320 und einem Leistungsanschluss eines ersten Typs 322 ist nur als Beispiel zu verstehen. Insbesondere zwischengeschaltete Komponenten oder andere Versorgungsspannungen sind möglich.
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4 zeigt schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
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In 4 ist abermals ein Transistor 1 gezeigt, für den die Ausführungen zu dem Transistor 1 aus der 2 entsprechend gelten und der im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem vergleichbaren Schaltungszusammenhang verwendet wird.
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In den in 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein Anschluss 415 der ersten Induktivität 411 mit einem Steueranschluss 420 leitend verbunden und ein Anschluss 416 der zweiten Induktivität 412 mit einem Leistungsanschluss eines ersten Typs 422 leitend verbunden. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Steueranschluss 420 ein Gatesteueranschluss, der Leistungsanschluss des ersten Typs 422 ein Drainanschluss sein.
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Hierdurch kann das induktive Kopplungsnetzwerk 410, umfassend eine dritte Induktivität 413 und eine vierte Induktivität 414, welches in 2 jeweils in Reihe geschaltet mit dem Eingangsanpassungsnetzwerk (IMN) 8 und dem Ausgangsanpassungsnetzwerk (OMN) 9 gezeigt ist, wie in 4 gezeigt in Form einer Parallelschaltung realisiert werden. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine größere Designfreiheit für die Kompensation der parasitären Kapazität 6 bieten.
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Die Induktivitäten, die miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, können unterschiedliche Arten der elektromagnetischen Koppelung aufweisen.
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So kann die elektromagnetische Kopplung der ersten Induktivität 411 und der dritten Induktivität 413 sowie der zweiten Induktivität 412 und der vierten Induktivität 414 jeweils einen positiven Kopplungskoeffizient aufweisen.
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5 zeigt schematisch ein Vergleichsbeispiel zu einem Ausführungsbeispiel, welches dann unter Bezugnahme im Zusammenhang mit 6 nachfolgend beschrieben wird.
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In 5 ist eine Vorrichtung gezeigt, die beispielsweise auf einer Leiterplatte aufgebracht sein kann. Die Leiterplatte kann eine im Wesentlichen leitende Ebene auf einem Referenzpotential 540 umfassen, wobei das Referenzpotential ein Massepotential sein kann. Auf der Rückseite eines Isolators 501 ist mindestens ein Transistor vorhanden. In 5 ist eine Konfiguration für zwei Transistoren in einem Gehäuse auf der Rückseite des Isolators 501 gezeigt. Der Isolator 501 umfasst zusätzlich mindestens eine Steueranschlussfläche, in diesem Fall eine erste Steueranschlussfläche 504 und eine zweite Steueranschlussfläche 503, sowie mindestens eine erste Lastanschlussfläche 502.
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Des Weiteren werden zwei weitere Isolatoren 507, 508 bereitgestellt. Auf einem der Isolatoren 507 befindet sich mindestens eine Steuerkontaktfläche 505, auf dem anderen Isolator 508 anderen mindestens eine Lastanschluss-Kontaktfläche 506.
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Die hier beschriebenen Isolatoren 501, 507, 508 sind nur beispielhaft gezeigt, alternative Implementierungen sind möglich. So kann die im Wesentlichen leitende Ebene auf einem Referenzpotential 540 auch so gestaltet sein, dass durch Unterbrechungen eine isolierende Wirkung auftritt.
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Durch die Kontaktflächen 505, 506 und mögliche weitere Kontaktflächen können Kontakte zu weiteren nicht dargestellten Schaltungsteilen hergestellt werden.
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Mindestens ein erster Bonddraht 511 verbindet die mindestens einen Steueranschlussfläche 503, 504 leitend mit der mindestens einen Steuerkontaktfläche 505. Mindestens ein zweiter Bonddraht 520 verbindet die mindestens einen Lastanschlussfläche 502 leitend mit der mindestens einen Lastkontaktfläche 506. Diese Verbindungen können insbesondere durch eine erste Vielzahl von Bonddrähten 512, die eine ähnliche wie hier gezeigte, aber auch eine verschiedene Geometrie aufweisen können, realisiert werden. In 5 ist dies als Beispiel anhand der ersten Vielzahl von Bonddrähten 512 und der zweiten Vielzahl von Bonddrähten 521 gezeigt.
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6 zeigt schematisch eine mögliche Implementierung der Schaltung der 4 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
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In 6 sind die Bezugszeichen des Vergleichsbeispiels aus 5 übernommen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
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6 zeigt ausgehend von der anhand von 5 erörterten Vorrichtung eine mögliche Implementierung der Schaltung der 4 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann das aus 4 bekannte Kopplungsnetzwerk 410 mittels mindestens einem ersten dritten Bonddraht 630 oder einer dritten Vielzahl von Bonddrähten 631 realisiert werden. Der mindestens eine Bonddraht 630, bzw. die dritte Vielzahl von Bonddrähten 631, weisen jeweils ein Anfang 633 und ein Ende 634 auf. Anfang und Ende sind mit dem Referenzpotential 540 leitend verbunden. Der mindestens eine dritte Bonddraht 630 bzw. die dritte Vielzahl von Bonddrähten 631 sind von der in 4 ebenfalls gezeigten ersten Vielzahl von Bonddrähten 512 und der zweiten Vielzahl von Bonddrähten 521 jeweils elektrisch isoliert. Die Wirkung der in 4 beschriebenen ersten Induktivität 411 kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele von dem mindestens einen ersten Bonddraht 511 oder der ersten Vielzahl von Bonddrähten 512, die Wirkung der zweiten Induktivität 412 durch den mindestens einen zweiten Bonddraht 520 bzw. die zweite Vielzahl von Bonddrähten 521, herbeigeführt werden. Durch die Anordnung des mindestens einen dritten Bonddrahts 630 und die Verbindung mit dem Referenzpotential 540 kann aufgrund der geometrischen Eigenschaften an verschiedenen Bereichen des mindestens einen dritten Bonddrahts 630 ein Effekt entsprechend der dritten Induktivität 413 und der vierten Induktivität 414 aus 4 erreicht werden. Gemäß einiger in 6 gezeigten Ausführungsformen wird diese Wirkung durch die dritte Vielzahl von Bonddrähten 631 bereitgestellt, die jeweils im Bereich der ersten Vielzahl von Bonddrähten 512 Gegeninduktivitäten mit der ersten Vielzahl von Bonddrähten 512, im Bereich der zweiten Vielzahl von Bonddrähten 521 Gegeninduktivitäten mit der zweiten Vielzahl von Bonddrähten 521 aufweisen, die geeignet sind, wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben, zu wirken, was insbesondere eine elektromagnetische Kopplung des mindestens einen ersten Bonddrahts 511 mit einem ersten Teil des mindestens einen dritten Bonddrahts 630 und eine elektromagnetische Kopplung des mindestens einen zweiten Bonddrahts 520 mit einem zweiten Teil des mindestens einen dritten Bonddrahts 630 umfasst.
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Die elektromagnetische Kopplung zwischen dem mindestens einen dritten Bonddraht 630 und dem mindestens einen ersten Bonddraht 511 sowie zwischen dem mindestens einen dritten Bonddraht 630 und dem mindestens einen zweiten Bonddraht 520 kann insbesondere eingerichtet sein, die Wirkung von einer parasitären Kapazität zwischen der mindestens einen Steueranschlussfläche 504 und der mindestens einen Lastanschlussfläche 502 im Bereich um eine Resonanzfrequenz zumindest teilweise zu kompensieren.
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Das hier als Beispiel erläuterte Bonddraht-Verdrahtungsschema kann für eine Vielzahl von Transistoren in verschiedenen Bauformen Anwendung finden. Dies umfasst unter anderem in keramischen Gehäusen eingebaute Transistoren aber auch direkt auf der Platine aufgebrachte Lösung als auch ähnliche Substrat-/Materialtechnologien. Hierbei können Bonddrähte für Die-zu-Die Verbindungen zum Einsatz kommen. Die gezeigten Bonddrähte 521, 512 können auch innerhalb eines Chipgehäuses, wie beispielsweise einem keramischen Gehäuse, verlaufen.
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Die in 6 gezeigte Vorrichtung kann als Bauelement als auch in integrierten Schaltungen (ICs) realisiert werden, aber auch andere Implementierungsarten sind möglich.
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7 zeigt Simulationen verschiedener Stabilitätsparameter als Funktion der Frequenz von einem Vergleichsbeispiel entsprechend 5.
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In 7 ist für einen bestimmten Frequenzbereich der Verlauf von Stabilitätsparametern für eine Schaltung gemäß dem Vergleichsbeispiel entsprechend 5 aufgetragen. Gezeigt ist der k-Faktor 701 sowie die geometrischen Stabilitätsparameter µ' 702 und µ1 703, die zur Einschätzung, ob für bestimmte Impedanzwerte mit einem instabilen Verhalten der Schaltung gerechnet werden muss herangezogen werden können gezeigt. Im vorliegenden Fall nehmen die Werte dieser drei Parameter über den gesamten gezeigten Wertebereich unterhalb von 1 an, es kann also ein instabiles Verhalten vorliegen.
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8 zeigt Simulationen verschiedener Stabilitätsparametern als Funktion der Frequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In 8 ist für einen bestimmten Frequenzbereich der Verlauf von Stabilitätsparametern für eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele aufgetragen. Abermals gezeigt sind der k-Faktor 801, sowie die geometrischen Stabilitätsparameter µ' 802 und µ1 803. Durch das Rückkopplungsnetzwerk gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele ist es möglich, dass das Stabilitätsverhalten signifikant verbessert wird. Ebenfalls ist es möglich, dass eine parameterunabhängige Stabilität um eine Resonanzfrequenz herum erreicht werden kann, was für Stabilitätswerte über 1 der Fall sein kann. In 8 ist dies im Frequenzbereich um 4 GHz der Fall.
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Die in den 7 und 8 gezeigten Simulationskurven dienen lediglich der Erläuterung, insbesondere Verlaufsformen und Zahlenwerte sind nicht einschränkend auszulegen und hängen von der Wahl der Parameter ab.
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Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transistor
- 2
- Steueranschluss
- 3
- Lastanschluss eines ersten Typs
- 4
- Lastanschluss eines zweiten Typs
- 5
- Bezugspotenzial
- 6
- erste parasitäre Kapazität
- 7
- zweite parasitäre Kapazität
- 8
- Eingangsanpassungsnetzwerk
- 9
- Ausgangsanpassungsnetzwerk
- 10
- Rückkopplungsnetzwerk
- 11
- erste Induktivität
- 12
- zweite Induktivität
- 13
- elektromagnetische Kopplung
- 210
- Rückkopplungsnetzwerk
- 211
- erste Induktivität
- 212
- zweite Induktivität
- 213
- dritte Induktivität
- 214
- vierte Induktivität
- 215
- erste Leitung
- 216
- zweite Leitung
- 217
- Referenzpotential
- 221
- erster Anschluss
- 222
- zweiter Anschluss
- 310
- Rückkopplungsnetzwerk
- 311
- Erste Induktivität
- 312
- Zweite Induktivität
- 313
- Anschluss der ersten Induktivität
- 314
- Anschluss der zweiten Induktivität
- 320
- Steueranschluss
- 322
- Leistungsanschluss eines ersten Typs
- 410
- Kopplungsnetzwerk
- 411
- erste Induktivität
- 412
- zweite Induktivität
- 413
- dritte Induktivität
- 414
- vierte Induktivität
- 415
- Anschluss der ersten Induktivität
- 416
- Anschluss der zweiten Induktivität
- 420
- Steueranschluss
- 422
- Leistungsanschluss eines ersten Typs
- 501
- Isolator
- 502
- Lastanschlussfläche
- 503
- Steueranschlussfläche
- 504
- Steueranschlussfläche
- 505
- Steuerkontaktfläche
- 506
- Lastkontaktfläche
- 507
- Isolator
- 508
- Isolator
- 511
- Erster Bonddraht
- 512
- erste Vielzahl von Bonddrähten
- 520
- mindestens ein zweiter Bonddraht
- 521
- zweite Vielzahl von Bonddrähten
- 540
- Referenzpotential
- 630
- mindestens ein dritter Bonddraht
- 631
- dritte Vielzahl von Bonddrähten
- 633
- Anfang (des mindestens einen dritten Bonddrahts)
- 634
- Ende (des mindestens einen dritten Bonddrahts)
- A
- Anfang (der dritten Vielzahl von Bonddrähten)
- E
- Ende (der dritten Vielzahl von Bonddrähten)
- 701
- k-Faktor
- 702
- Stabilitätsparameter µ'
- 703
- Stabilitätsparameter µ1
- 801
- k-Faktor
- 802
- Stabilitätsparameter y.'
- 803
- Stabilitätsparameter µ1