DE10333553A1

DE10333553A1 - Leistungsverstärker mit verteiltem Kondensator

Info

Publication number: DE10333553A1
Application number: DE10333553A
Authority: DE
Inventors: Jin Wook Cho; Hongxi Xue
Original assignee: MediaTek Inc
Current assignee: MediaTek Inc
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: DE10333553B4; JP2004080763A; US6828861B2; CN1481073A; TWI278179B; US20040164804A1; US6686801B1; US20040017259A1; TW200402188A; CN1249916C

Abstract

Eine integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) umfasst eine Vielzahl von Bipolartransistoren mit Heteroübergang (52a-52n) mit einer Vielzahl von Basen (72), eine Vielzahl von Ballastwiderständen (54a-54n, 80) und einen Kondensator (56, 86). Jeder Ballastwiderstand (54a-54n, 80) ist zwischen eine Basis (72) des Transistors (52a-52n) und einen DC-Knoten (59) geschaltet, an welchen eine DC-Spannung angelegt wird. Der Kondensator (56, 86) ist zwischen einen HF-Knoten (58), welcher ein HF-Signal liefert, und die Vielzahl von Basen (72) der Transistoren (52a-52n) geschaltet. Der Kondensator (56, 86) liefert einen getrennten Pfad für das HF-Eingangssignal mit einer im Wesentlichen hohen Kapazität, so dass das HF-Eingangssignal keinen bedeutenden Signalverlust erfährt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker gemäß dem Oberbegriff von Ansprüchen 1, 8 und 15.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltungen fanden breite Anwendung in verschiedenen Arten von verdrahteten bzw. drahtlosen Systemanwendungen. Integrierte Leistungsverstärkerschaltungen, wie etwa solche, die Bipolartransistoren mit Heteroübergang verwenden, arbeiten mit erhöhten Sperrschichttemperaturen. Hohe Sperrschichttemperaturen verschlechtern die Zuverlässigkeit der Vorrichtung und begrenzen die maximale Stromdichte und somit die maximale Leistung des Leistungsverstärkers.
Erfolgt ein Betrieb bei hoher Leistung, können integrierte Leistungsverstärkerschaltungen eine thermische Drift bzw. Instabilität erfahren, bei welcher infolge einer Ungleichmäßigkeit eines Emitterstroms bzw. einer Ungleichmäßigkeit eines Temperaturprofils ein Emitter der integrierten Leistungsverstärkerschaltung eine zunehmende Menge von Strom leitet, bis die Vorrichtung ausfällt. Ein Betrieb bei hoher Leistung verringert ferner die Lebensdauer sowie die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF) der Vorrichtung. Ferner ist eine größere Vorrichtung beschränkt auf eine gegebene Anwendung, wenn eine integrierte Leistungsverstärkerschaltung nicht bei einer geforderten Leistung arbeiten kann. Generell liefern Leistungsverstärkerschaltungen eine ungenügende Stabilität auf Kosten der Verstärkung.

Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Erfindung ab auf die Schaffung eines Leistungsverstärkers mit einem verteilten Kondensator. Der Kondensator liefert einen getrennten Pfad für das HF-Eingangssignal, so dass das HF-Eingangssignal keinen bedeutenden Signalverlust erfährt. Der Kondensator liefert ferner Kapazität, welche zu jeder Basis einer Vielzahl von Transistorbasen verteilt wird.

Dies wird erreicht durch einen Leistungsverstärker gemäß Ansprüchen 1, 8 und 15. Die Unteransprüche beziehen sich auf entsprechende Weiterentwicklungen und Verbesserungen.

Wie aus der nachfolgenden genauen Beschreibung deutlich ersichthich, umfasst der in den Ansprüchen dargelegte Leistungsverstärker einen einzigen Kondensator, welcher zwischen einen HF-Signal-Eingangsknoten und mehr als eine Basis einer Vielzahl von Transistoren geschaltet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung weiter beispielhaft beschrieben unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung; es zeigt:
1 einen Schaltplan eines Leistungsverstärkers gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Schaltplan eines weiteren Leistungsverstärkers des Standes der Technik;
3 einen Schaltplan eines Leistungsverstärkers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 einen Anordnungsplan einer integrierten Leistungsverstärkerschaltung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Es erfolgt eine Bezugnahme auf 1. 1 zeigt einen Leistungsverstärker 10 mit Bipolartransistoren mit Heteroübergang. Typischerweise umfasst der Leistungsverstärker 10 eine Vielzahl von Emitterfingern und Basisfingern. Dementsprechend ist der Leistungsverstärker 10 eine Ersatzschaltung mit Transistoren 12a bis 12c. Der Leistungsverstärker 10 umfasst ferner Ballastwiderstände 14a bis 14c zum Stabilisieren der Transistoren 12a bis 12c, wenn diese bei einer hohen Stromdichte arbeiten, und Überbrückungskondensatoren 16a bis 16c, welche parallel zu den Ballastwiderständen 14a bis 14c geschaltet sind. Ein HF-Eingangssignal und eine Gleichspannung bzw. DC-Spannung werden über einen gemeinsamen Eingangsknoten 18 zugeführt, und ein Ausgangssignal wird von den Kollektorknoten 20 abgenommen. Der Leistungsverstärker 10 wird ferner beschrieben von Khatibzadeh et al. in US 5,321,279 , welche durch Verweis hierin enthalten ist. Während die Ballastwiderstände 14a bis 14c eine Vorrichtungsstabilität liefern, verringern sie unerwünschterweise auch die Gesamtverstärkung des Leistungsverstärkers 10.
2 zeigt einen zweiten Leistungsverstärker des Standes der Technik, wie beschrieben von Pratt in US 5,629,648 , welche hierin durch Verweis enthalten ist. Ähnlich dem Leistungsverstärker 10 umfasst der Leistungsverstärker 30 Transistoren 32a bis 32c und Ballastwiderstände 34a bis 34c. Überbrückungskondensatoren 36a bis 36c sind ebenfalls vorgesehen. Ein HF-Signal kann angelegt werden an einen Knoten 38, eine DC-Spannung kann angelegt werden an einen Knoten 39, und ein entsprechendes Ausgangssignal kann abgenommen werden von Kollektorknoten 40. Ferner ist eine Verwendung von Kondensatoren 36a bis 36c ineffizient und bedingt eine überaus komplizierte Anordnung.
Generell liefern die Leistungsverstärkerschaltungen des Standes der Technik eine Leistungsverstärkerstabilität auf Kosten der Verstärkung, wobei dies in einer ineffizienten Weise er folgt. Ferner ist eine Anordnung bzw. ein Layout der integrierten Leistungsverstärkerschaltungen des Standes der Technik ineffizient.
Es erfolgt eine Bezugnahme auf 3. 3 zeigt einen Leistungsverstärker 50 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Leistungsverstärker 50 umfasst eine Vielzahl von Bipolartransistoren 52a bis 52n mit Heteroübergang, und jeder der Transistoren 52a bis 52n hat seinen eigenen Emitterfinger und Basisfinger. Die Menge von drei Transistoren 52a bis 52n, welche in dieser Zeichnung dargestellt ist, ist nicht begrenzend, und erfindungsgemäß sind mehr oder weniger möglich. Der Leistungsverstärker 50 umfasst ferner Ballastwiderstände 54a bis 54n entsprechend jedem Transistor 52a bis 52n, um den Leistungsverstärker 50 zu stabilisieren, wenn dieser bei einer hohen Stromdichte bzw. einer hohen Leistung arbeitet. Ein Kondensator 56 ist vorgesehen zum Koppeln eines HF-Signals von einem HF-Knoten 58 mit sämtlichen der Basen der Transistoren 52a bis 52n. Die Kapazität des Kondensators 56 wird derart gewählt, dass sie einen verhältnismäßig hohen Wert unter Berücksichtigung der Widerstandswerte der Widerstände 54a bis 54n und der Eigenschaften der Transistoren 52a bis 52n aufweist, und folglich erfährt das HF-Signal einen im wesentlichen niedrigen Verlust. Ein Knoten 59 ist vorgesehen zum Liefern einer DC-Spannung zu den Basen der Transistoren 52a bis 52n über die Ballastwiderstände 54a bis 54n. Ein Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 50 kann von den Kollektorknoten 60 abgenommen werden.
Im Betrieb wird eine DC-Spannung angelegt an den Knoten 59 und somit an die Basis jedes Transistors 52a bis 52n über die einzelnen Ballastwiderstände 54a bis 54n. Das HF-Signal wird geliefert zum Knoten 58 und gekoppelt mit der Basis jedes Tran sistors 52a bis 52n über den Kondensator 56. Verluste des HF-Signals werden minimiert durch die verhältnismäßig hohe Kapazität des Kondensators 56 und durch die Tatsache, dass der Pfad des HF-Signals keine Ballastwiderstände 54a bis 54n enthält. Ein verstärktes Ausgangssignal des HF-Signals wird abgenommen von den Kollektorknoten 60.
Generell können die Basisballastwiderstände 54a bis 54n eine beliebige Wiederstandsquelle sein, welche unerwünschte Wärme ableiten kann. Die Auswahl von Widerstandswerten der Widerstände 54a bis 54n wird bestimmt in Bezug auf die Gestaltung des Leistungsverstärkers 50, um eine Regelmäßigkeit von Temperaturen von Emittern der Transistoren 52a bis 52n zu maximieren. Die Kapazität des Kondensators 56 wird verhältnismäßig hoch gewählt, um Verluste zu minimieren, welche das HF-Signal erfährt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Widerstände 54a bis 54n, welche parallel geschaltet sind, elektrisch identisch sein könnten mit einem kleineren Widerstand, welcher mit den Basen sämtlicher der Transistoren 52a bis 52n verbunden ist. Jedoch ist es bevorzugt, dass jeder Transistor 52a bis 52n einen Widerstand zur thermischen Stabilität infolge von verschiedenen Basis-Emitter-Spannungen von jedem Transistor 52a bis 52n hat. Jeweilige Widerstände werden in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgeschlagen.
In einer praktischen Anwendung wird der Leistungsverstärker 50 angeordnet auf einer integrierten Schaltung. Der Bipolartransistor mit Heteroübergang, wie repräsentiert durch Transistoren 52a bis 52n, die Widerstände 54a bis 54n und der Kondensator 56 sind allesamt gemäß herkömmlichen Fertigungstechniken für integrierte Schaltungen hergestellt.
Es erfolgt eine Bezugnahme auf 4. 4 zeigt einen Anordnungsplan einer integrierten Leistungsverstärkerschaltung 70 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte Leistungsverstärkerschaltung 70 umfasst Bipolartransistoren mit Heteroübergang mit Basen 72, Emittern 74 und Kollektoren 76. Ein DC-Pfad 78 mit Ballastwiderstandsgruppen 80 ist vorgesehen zum Leiten einer an Knoten 82 anliegenden DC-Spannung zu den Basen 72. Ein HF-Pfad 84 ist vorgesehen zum Leiten eines HF-Signals, welches mit einem Kondensator 86 gekoppelt werden soll. Der Kondensator 86 ist aufgebaut aus zwei rechteckigen Bereichen einer Metallisierung 86a, 86b, angeordnet auf verschiedenen Schichten der integrierten Schaltung 70. Die integrierte Leistungsverstärkerschaltung 70 zeigt, wie der Leistungsverstärker 50 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel praktisch ausgeführt werden kann.
Einzelne Widerstände der Ballastwiderstandsgruppen 80 können derart ausgelegt sein, dass sie Widerstandswerte gemäß den spezifischen Auslegungsparametern der integrierten Leistungsverstärkerschaltung 70 aufweisen. In ähnlicher Weise können die beiden rechteckigen Bereiche einer Metallisierung 86a, 86b derart ausgelegt sein, dass sie den Kondensator 86 versehen mit einer geeigneten Kapazität, unter Berücksichtigung relevanter Auslegungsbetrachtungen.
Die Gestaltung der integrierten Leistungsverstärkerschaltung 70, wie dargestellt in 4, trägt einer effizienten Fertigung und verbesserten Wärmecharakteristiken Rechnung. Genauer ermöglicht die Gestaltung ein periodisches Anordnen von Kontakthöckern der Emitter 74 bzw. ein periodisches „bumping" der Emitter 74. Außerdem ist die Gestaltung leitfähiger bzw.
durchführbarer bezüglich eines Positionierens rückseitiger Kontaktlöcher in einer Weise, welche einer verbesserten Wärmeableitung von überschüssiger Wärme, die aus dem Betrieb der integrierten Leistungsverstärkerschaltung 70 resultiert, Rechnung trägt. Folglich kann die integrierte Leistungsverstärkerschaltung 70 bei höherer Leistung bzw. höherem Strom als die Gestaltungen des Standes der Technik arbeiten.
Der Betrieb der integrierten Leistungsverstärkerschaltung 70 ist tatsächlich derselbe wie der oben beschriebene Betrieb des Leistungsverstärker 50.
Im Gegensatz zum Stand der Technik liefert der Leistungsverstärker der vorliegenden Erfindung einen Kondensator, welcher auf eine Vielzahl von Basen von Bipolartransistoren mit Heteroübergang verteilt ist. Die Kapazität des Kondensators kann derart festgelegt werden, dass ein Verlust eines HF-Signals minimiert wird. Ebenso wichtig ist, dass die Gestaltung der integrierten Leistungsverstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung verbesserte Wärmecharakteristiken bietet. Die erfindungsgemäße Leistungsverstärkerschaltung ist wirksamer als der Stand der Technik und kann Kosten und Fertigungszeit verringern.
Zusammengefasst wird eine integrierte Leistungsverstärkerschaltung offenbart mit einer Vielzahl von Bipolartransistoren mit Heteroübergang mit einer Vielzahl von Basen, einer Vielzahl von Ballastwiderständen und einem Kondensator. Jeder Ballastwiderstand ist zwischen eine Basis des Transistors und einen DC-Knoten geschaltet, an welchen eine DC-Spannung angelegt wird. Der Kondensator ist zwischen einen HF-Knoten, welcher ein HF-Signal liefert, und die Vielzahl von Basen der Transistoren geschaltet. Der Kondensator liefert einen getrennten Pfad für das HF-Eingangssignal mit einer im wesentlichen hohen Kapazität, so dass das HF-Eingangssignal keinen bedeutenden Signalverlust erfährt.

Claims

Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70), umfassend: eine Vielzahl von Transistoren (52a–52n), jeweils umfassend eine Basis (72); eine Vielzahl von Ballastwiderständen (54a–54n, 80) entsprechend der Vielzahl von Transistoren (52a–52n), wobei jeder Ballastwiderstand (54a–54n, 80) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss verbunden ist mit der Basis (72) des entsprechenden Transistors (52a–52n); einen DC-Knoten (59), mit welchem die zweiten Anschlüsse der Vielzahl von Ballastwiderständen (54a–54n, 80) verbunden sind; und einen HF-Knoten (58) zum Aufnehmen eines HF-Eingangssignals; gekennzeichnet durch: einen Kondensator (56, 86) mit einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss, wobei der dritte Anschluss verbunden ist mit dem HF-Knoten (58) und der vierte Anschluss direkt verbunden ist mit mehr als einer der Vielzahl von Basen (72).
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (52a–52n) Bipolartransistoren mit Heteroübergang sind.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (56, 86) eine im wesentlichen hohe Kapazität aufweist, so dass das am HF-Knoten (58) anliegende HF-Eingangssignal einen niedrigen Signalverlust durch die integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) erfährt.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (86) zwei Metallisierungsbereiche (86a, 86b) in zwei verschiedenen Schichten eines Halbleiters umfasst.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastwiderstände (54a–54n, 80) derart festgelegt sind, dass sie eine Temperaturgleichmäßigkeit einer Vielzahl von Emittern (74) der Transistoren (52a–52n) maximieren.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Abschnitt einer verdrahteten bzw. drahtlosen Systemanwendung ist.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Abschnitt eines Mobiltelefons ist.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70), im wesentlichen bestehend aus: einer Vielzahl von Transistoren (52a–52n), jeweils umfassend eine Basis (72); einer Vielzahl von Ballastwiderständen (54a–54n, 80) entsprechend der Vielzahl von Transistoren (52a–52n), wobei jeder Ballastwiderstand (54a–54n, 80) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss verbunden ist mit der Basis (72) des entsprechenden Transistors (52a–52n); einem DC-Knoten (59), mit welchem die zweiten Anschlüsse der Vielzahl von Ballastwiderständen (54a–54n, 80) verbunden sind; und einem HF-Knoten (58) zum Zuführen eines HF-Eingangssignals; gekennzeichnet durch: einen Kondensator (56, 86) mit einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss, wobei der dritte Anschluss verbunden ist mit dem HF-Knoten (58) und der vierte Anschluss verbunden ist mit der Vielzahl von Basen (72).
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (52a–52n) Bipolartransistoren mit Heteroübergang sind.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (56, 86) eine im wesentlichen hohe Kapazität aufweist, so dass das am HF-Knoten (58) anliegende HF-Eingangssignal einen niedrigen Signalverlust durch die integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) erfährt.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (86) zwei Metallisierungsbereiche (86a, 86b) in zwei verschiedenen Schichten eines Halbleiters umfasst.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastwiderstände (54a–54n, 80) derart festgelegt, dass sie eine Temperaturgleichmäßigkeit einer Vielzahl von Emittern (74) der Transistoren (52a–52n) maximieren.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Abschnitt einer verdrahteten bzw. drahtlosen Systemanwendung ist.
Integrierte Leistungsverstärkerschaltung (50, 70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Abschnitt eines Mobiltelefons ist.
Halbleitervorrichtung (50, 70), umfassend: ein Halbleitersubstrat; einen DC-Knoten (59) zur Aufnahme einer DC-Spannung; einen HF-Knoten (58) zur Aufnahme eines HF-Eingangssignals; eine Vielzahl von Transistoren (52a–52n), ausgebildet auf dem Halbleitersubstrat, wobei jeder der Vielzahl von Transistoren (52a–52n) eine Basis (72) aufweist; und eine Vielzahl von Ballastwiderständen (54a–54n, 80), ausgebildet auf dem Halbleitersubstrat und entsprechend der Vielzahl von Transistoren (52a–52n), wobei jeder Ballastwiderstand (54a–54n, 80) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, der erste Anschluss verbunden ist mit der Basis (72) des entsprechenden Transistors (52a–52n) und der zweite Anschluss verbunden ist mit dem DC-Knoten (59); gekennzeichnet durch: einen Kondensator (56, 86), ausgebildet auf dem Halbleitersubstrat, wobei der Kondensator (56, 86) einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss aufweist, wobei der dritte Anschluss verbunden ist mit dem HF-Knoten (58) und der vierte Anschluss verbunden ist mit mehr als einer der Vielzahl von Basen (72).
Halbleitervorrichtung (50, 70) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (52a–52n) Bipolartransistoren mit Heteroübergang sind.
Halbleitervorrichtung (70) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (86) zwei Metallisierungsbereiche (86a, 86b) in zwei verschiedenen Schichten der Halbleitervorrichtung (70) umfasst.
Halbleitervorrichtung (70) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (86) einen ersten Me tallisierungsbereich (86a) in einer ersten Schicht und einen zweiten Metallisierungsbereich (86b) in einer zweiten Schicht, welche verschieden ist von der ersten Schicht, umfasst, der erste Anschluss des Ballastwiderstands (80) verbunden ist mit der Basis (72) des entsprechenden Transistors (52a–52n) im ersten Bereich (86a) und der vierte Anschluss des Kondensators (86) verbunden ist mit mehr als einer der Vielzahl von Basen (72) im zweiten Bereich (86b).
Halbleitervorrichtung (50, 70) nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch zusätzliche Vielzahlen von Transistoren (52a–52n) und Ballastwiderständen (54a–54n, 80) und entsprechende Kondensatoren (56, 86), wobei Sätze einer gleichen Anzahl der Transistoren (52a–52n) und Ballastwiderstände (54a–54n, 80) und ein Kondensator (56, 86) eine integrierte Leistungsverstärkerschaltung bilden.
Halbleitervorrichtung (50, 70) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Satz vier Transistoren (52a– 52n), vier Ballastwiderstände (54a–54n, 80) und einen Kondensator (56, 86) umfasst.