DE10336720B4 - Optimal resonator coupling to microwave transistors in broadband oscillators - Google Patents

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Abstract

Oszillatorschaltung mit einem angezapften Schwingkreis und einem Transistor (T) als Verstärkerelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden des Transistors auf zwei Gehäuseanschlüssen (1, 2) herausgeführt und der Schwingkreis am Ort der Anzapfung (12) zur Ankopplung an den Transistor aufgetrennt ist und mit jeweils einem der beiden so entstehenden Anschlüsse (13, 14) mit der doppelt herausgeführten Transistorelektrode verbunden ist, so dass die ansonsten parasitären Bonddrahtinduktivitäten (3, 4) der doppelt herausgeführten Elektrode zu Bestandteilen des Schwingkreises werden.oscillator circuit with a tapped resonant circuit and a transistor (T) as Amplifier element, characterized in that one of the electrodes of the transistor on two housing connections (1, 2) led out and the resonant circuit at the location of the tap (12) for coupling the transistor is disconnected and with each one of the two resulting connections (13, 14) connected to the doubly led out transistor electrode is such that the otherwise parasitic bonding wire inductances (3, 4) of the doubly led out Electrode become components of the resonant circuit.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Problembeschreibung, Stand der TechnikProblem description, stand of the technique

Moderne Mikrowellentransistoren weisen in der Regel zwei Emitter-/Sourceanschlüsse auf (1, 2), die sich bei Betrieb in der am meisten verwendeten Emitter-/Sourceschaltung vorteilhaft auf die erreichbare Bandbreite/Verstärkung eines Verstärkers auswirken. Die mit dem Emitter assoziierte Emitterinduktivität (Bonddraht vom Anschlussblech zum Transistorkristall) (3, 4) bewirkt eine mit steigender Frequenz zunehmende Gegenkopplung, die die in einer Verstärkeranwendung erreichbare Verstärkung des gehäusten Transistors absinken lässt. Bei Verwendung von zwei Emitteranschlüssen, wie bei vielen Gehäusen für Mikrowellentransistoren inzwischen üblich (SOT143, SOT343, TSFP4), liegen bei geerdeten Emittern (Emitterschaltung) beide Emitterinduktivitäten (3, 4) parallel und halbieren sich näherungsweise, wodurch der in der Regel unerwünschte Effekt der Gegenkopplung bei hohen Frequenzen verringert wird (2b). 2 zeigt auch eine Klasse weiterer parasitärer Reaktanzen (5, 6, 7, 8), die im Mikrowellenbereich dadurch auftreten können, dass der Transistor auf Lötflächen der Leiterplatte befestigt wird und diese Lötflächen eine wenn auch kleine Kapazität zu der in der Regel vorhandenen Massefläche der Leiterplattenunterseite aufweisen.Modern microwave transistors usually have two emitter / source terminals ( 1 . 2 ) which, when operating in the most commonly used emitter / source circuit, advantageously affect the achievable bandwidth / gain of an amplifier. The emitter inductance associated with the emitter (bonding wire from the terminal plate to the transistor crystal) ( 3 . 4 ) causes increasing negative feedback, which decreases the gain of the packaged transistor achievable in an amplifier application. When two emitter terminals are used, as is customary in the meantime for many casings for microwave transistors (SOT143, SOT343, TSFP4), grounded emitters (emitter circuit) have both emitter inductances ( 3 . 4 ) parallel and approximately halve, thereby reducing the generally undesirable effect of negative feedback at high frequencies ( 2 B ). 2 also shows a class of other parasitic reactances ( 5 . 6 . 7 . 8th ), which can occur in the microwave range in that the transistor is mounted on solder pads of the circuit board and these solder pads have a small capacity, albeit small, to the usually present ground surface of the circuit board base.

Generell ist die geschickte Nutzung doppelt herausgeführter Transistorelektroden auch beim Bau von Oszillatoren bekannt: Z.B. DE 26 37 360 A1 , wo zwei Basiselektroden zum einen dem Anschluss an den Resonator, zum anderen der Gleichspannungszuführung dienen. Ähnlich werden in US 4,990,865 die beiden Emitter zum Anschluss zweier Reaktanzen verwendet, die das Rückkopplungsnetzwerk darstellen. Da eine dieser Reaktanzen eine Kapazität darstellt, stören die parasitären Emitterkapazitäten hier nicht. Gleiches gilt in EP 0 267 100 B1 ( DE 37 81 090 T2 ): Auch hier, bei einem Oszillator in Kollektorschaltung, stellen die Kapazitäten der beiden Emitter gegen Masse kein Problem dar, da sie Teil der Rückkopplungskapazität sind. Der Resonator wird hier an die Basis angekoppelt. Weiterhin ist in EP 0 524 620 B1 ( DE 692 31 115 T2 ) die Verwendung zweier Gate Elektroden Thema, von denen die eine der Ankopplung an den Resonator, die andere der Auskopplung der Oszillatorleistung dient.In general, the skillful use of doubly led out transistor electrodes is also known in the construction of oscillators: Eg DE 26 37 360 A1 where two base electrodes serve for connection to the resonator and for the DC voltage supply. Similarly in US 4,990,865 the two emitters are used to connect two reactances representing the feedback network. Since one of these reactances represents a capacitance, the parasitic emitter capacitances do not interfere here. The same applies in EP 0 267 100 B1 ( DE 37 81 090 T2 ): Here, too, with a collector-commutated oscillator, the capacitances of the two emitters to ground are not a problem because they are part of the feedback capacitance. The resonator is coupled to the base here. Furthermore, in EP 0 524 620 B1 ( DE 692 31 115 T2 ) the use of two gate electrodes theme, one of which is the one coupling to the resonator, the other of the output of the oscillator power is used.

Auch der kreative Umgang mit zunächst störenden Anschlussinduktivitäten (Bonddrähte) ist bekannt. Schmalbandig lässt sich eine solche Induktivität (wie überhaupt jede parasitäre Reaktanz) stets durch ein Transformationsglied beseitigen (z.B. DE 102 46 103 A1 ). Auch kann ein Bonddraht als durchaus erwünschtes Element (Schwingkreisspule) betrieben die Güte des Resonators steigern, wenn die Alternative als Realisierung auf dem Halbleitersubstrat noch schlechtere Ergebnisse liefert ( DE 100 56 943 C1 ).The creative handling of initially disturbing connection inductances (bonding wires) is also known. Narrowbanded such an inductance (as any parasitic reactance) always eliminate by a transformation element (eg DE 102 46 103 A1 ). Also, a bonding wire operated as a quite desirable element (resonant circuit coil) increase the quality of the resonator, if the alternative as realization on the semiconductor substrate delivers even worse results ( DE 100 56 943 C1 ).

Problematisch kann die Existenz von zwei Emitteranschlüssen dann werden, wenn der Transistor nicht in Emitterschaltung betrieben werden soll. Die durch die Lötflächen der Emitter entstehende Kapazität (5, 6) ist bei Erdung der Emitter nicht existent, wohl aber wenn der Transistor in Basis- oder Kollektorschaltung betrieben werden soll. In diesem Fall wirken bei Transistoren mit zwei Emitteranschlüssen zwei Lötflächen.The existence of two emitter terminals can become problematic if the transistor is not to be operated in emitter connection. The capacitance created by the soldering surfaces of the emitters ( 5 . 6 ) is not existent when grounding the emitter, but if the transistor in base or collector circuit to be operated. In this case, two pads act on transistors with two emitter terminals.

Insbesondere hat sich der zweite Emitteranschluss beim Bau breitbandiger Oszillatoren im Frequenzbereich oberhalb von 2GHz als nachteilig erwiesen. 1 zeigt eine für solche Oszillatoren häufig verwendete Topologie, die Basis-/Gateschaltung mit serieller Rückkopplung (z.B. [1], [2] oder auch DE 43 27 138 A1 , DE 198 10 618 A1 ). Hier wird der Resonator (9, 10, 11) am Emitter angekoppelt, wobei man versucht, den Transistor über die Rückkopplungsinduktivität (15) sowie die Lastimpedanz (16) so einzustellen, dass die in den Emitter hineingesehene Impedanz einen negativen Realteil und einen möglichst kleinen Imaginärteil aufweist. Dies ist im o.a. Frequenzbereich nicht trivial, da sich schon sehr kleine Induktivitäten und Leitungslängen störend auswirken. 3 zeigt, dass der zweite Emitteranschluss (1) jetzt störend wirkt, da er mit seiner Bonddrahtinduktivität (3) und der Lötflächenkapazität (5) einen parasitären Resonanzkreis an den Resonator koppelt. Nur quantitativ anders verhält es sich, wenn beide Emitteranschlüsse miteinander verbunden werden. Diese unerwünschte, durch den zweiten Emitteranschluss verursachte Reaktanz führt dazu, dass

  • – der Resonator verstimmt wird,
  • – die Abstimmbarkeit des Resonators eingeschränkt wird,
  • – der Schwingbereich des Oszillators eingeschränkt wird,
  • – parasitäre Resonanzen auftreten können.
In particular, the second emitter terminal has proved to be disadvantageous in the construction of broadband oscillators in the frequency range above 2 GHz. 1 shows a topology commonly used for such oscillators, the base / gate circuit with serial feedback (eg [1], [2] or also DE 43 27 138 A1 . DE 198 10 618 A1 ). Here the resonator ( 9 . 10 . 11 ) is coupled to the emitter, trying to connect the transistor via the feedback inductance ( 15 ) as well as the load impedance ( 16 ) so that the impedance seen in the emitter has a negative real part and a smallest possible imaginary part. This is not trivial in the above-mentioned frequency range, since even very small inductances and line lengths have a disruptive effect. 3 shows that the second emitter terminal ( 1 ) now has a disturbing effect, since with its bonding wire inductance ( 3 ) and the soldering surface capacity ( 5 ) couples a parasitic resonant circuit to the resonator. Only quantitatively different it behaves when both emitter terminals are connected together. This undesirable reactance caused by the second emitter terminal causes
  • - the resonator is detuned,
  • The tunability of the resonator is restricted,
  • The oscillation range of the oscillator is restricted,
  • - parasitic resonances can occur.

Darüber hinaus ist der Transistor über nur einen Bonddraht (3) oder (4) mit dem Resonator verbunden, so dass ein größerer als der minimal mögliche Imaginärteil in den Emitter hinein gesehen wird.In addition, the transistor is via only one bonding wire ( 3 ) or ( 4 ) is connected to the resonator so that a greater than the minimum possible imaginary part is seen in the emitter.

Beschreibung der Erfindungdescription the invention

Die Zeichnungen 1 und 4 bis 6 zeigen, wie die oben genannten Probleme erfindungsgemäß gelöst werden: Der zunächst als diskret aufgebaut angenommene Resonator wird an seinem Ankoppelpunkt (12) aufgeteilt und jeder Teil mit einem der beiden Emitteranschlüsse verbunden, z.B. (1) mit (13) und (2) mit (14) in 1b. Nun handelt es sich bei den Resonatorelementen (9) und (10) eines Mikrowellenoszillators stets um Leitungsstrukturen mit Wellenwiderständen ZS1 und ZS2 und den elektrischen Längen φS1 und φS2 (4). Aus der Leitungstheorie ist bekannt [3], dass diese äquivalent als periodische Abfolge (5) von Kapazitätsbelägen C' und Induktivitätsbelägen L' dargestellt werden können. Setzt man diese Darstellung formal in die Struktur von 4 ein, so erkennt man in 6, dass sich die parasitären Elemente (3, 4, 5, 6) (Bonddrahtinduktivitäten und Kapazitäten der Emitterlötflächen) jetzt in die Resonatorstruktur einfügen, was die Gefahr parasitärer Resonanzen deutlich reduziert. Der Resonator wird durch die zusätzliche Induktivität der beiden Bonddrähte zwar elektrisch verlängert, jedoch hat dies für die Praxis keine Nachteile, da der Resonator durch mechanisches Verkürzen leicht wieder auf die richtige Frequenz gebracht werden kann.The painting 1 and 4 to 6 show how the problems mentioned above are solved according to the invention: the resonator, initially assumed to be discretely constructed, is connected at its coupling point (FIG. 12 ) and each part is connected to one of the two emitter terminals, eg 1 ) With ( 13 ) and ( 2 ) With ( 14 ) in 1b , Now, the resonator elements ( 9 ) and ( 10 ) of a microwave oscillator always to line structures with characteristic impedance Z S1 and Z S2 and the elektri lengths φ S1 and φ S2 ( 4 ). It is known from the theory of conduct [3] that this is equivalent to a periodic sequence ( 5 ) of capacitance pads C 'and inductance pads L'. Substituting this representation formally in the structure of 4 one recognizes in 6 in that the parasitic elements ( 3 . 4 . 5 . 6 ) (Bonding wire inductances and capacitances of the emitter solder pads) now insert into the resonator structure, which significantly reduces the risk of parasitic resonances. Although the resonator is electrically extended by the additional inductance of the two bonding wires, but this has no disadvantages in practice, since the resonator can be easily brought back to the correct frequency by mechanical shortening.

Das Einbringen der zunächst parasitären Elemente der Bonddrahtinduktivitäten und der Lötflächenkapazitäten als reguläre Bestandteile der Resonatorstruktur sorgt für eine optimale Ankopplung des Transistors, der jetzt direkt mit seinem „inneren" Emitter (Ek in 6) den Resonator speist.The introduction of the initially parasitic elements of the bonding wire inductances and the solder surface capacitances as regular components of the resonator structure provides for an optimal coupling of the transistor, which is now directly connected to its "internal" emitter (E k in 6 ) feeds the resonator.

Beschreibung der Zeichnungen:Description of the drawings:

1a: Ungenutzter Emitteranschluss mit parasitären Einflüssen gemäß 2 (Stand der Technik), b: Erfindungsgemäße Nutzung der beiden Emitteranschlüsse zur optimalen Resonatorankopplung 1a : Unused emitter connection with parasitic influences according to 2 (Prior Art), b: Inventive use of the two emitter terminals for optimal resonator coupling

2: Transistorkristall mit parasitären Gehäusereaktanzen und Lötflächenkapazitäten bei einem Gehäuse mit zwei Emitteranschlüssen (a) und vorteilhafte Anwendung als Verstärker in Emitterschaltung (b) (Stand der Technik) 2 : Transistor crystal with parasitic housing reactances and solder surface capacitances in a housing with two emitter terminals (a) and advantageous application as an emitter circuit amplifier (b) (prior art)

3: Oszillator in Basisschaltung (nach 1a) mit durch Gehäusereaktanzen und Lötflächenkapazitäten verursachten parasitären Resonanzkreisen (Stand der Technik) 3 : Oscillator in basic circuit (after 1a ) with parasitic resonance circuits caused by housing reactances and soldering area capacitances (prior art)

4: Oszillator in Basisschaltung (nach 3) mit erfindungsgemäß aufgeteiltem Leitungsresonator (Leitungen 1, 2 und Kondensator (11)) 4 : Oscillator in basic circuit (after 3 ) with a line resonator split in accordance with the invention (lines 1, 2 and capacitor ( 11 ))

5: Äquivalente Darstellung einer Leitung durch infinitesimal kleine Induktivitäts- und Kapazitätsbeläge 5 Equivalent representation of a line through infinitesimally small inductance and capacitance layers

6: Oszillator in Basisschaltung (nach 1) mit erfindungsgemäßer optimaler Resonatorankopplung, die die Bonddrahtinduktivitäten (3, 4) und die Lötflächenkapazitäten (5, 6) zu Bestandteilen der Resonatorleitungen 1 und 2 macht 6 : Oscillator in basic circuit (after 1 ) with inventive optimal resonator coupling, the bonding wire inductances ( 3 . 4 ) and the Lötflächenkapazitäten ( 5 . 6 ) makes components of the resonator lines 1 and 2

Literatur:Literature:

  • [1] Papp, J.C., „YIG-Tuned FET Oscillator Design 8–18GHz", Watkins-Johnson Company Tech Notes, Vol. 6, Sep./Oct. 1979[1] Papp, J.C., "YIG-Tuned FET Oscillator 8-18GHz design, "Watkins-Johnson Company Tech Notes, Vol. 6, Sep./Oct. 1979
  • [2] Kitchen, John, „Octave Bandwidth Varactor-Tuned Oscillators", Microwave Journal, May 1987, S. 347, 348, 350, 352, 353[2] Kitchen, John, "Octave Bandwidth Varactor-Tuned Oscillators ", Microwave Journal, May 1987, p. 347, 348, 350, 352, 353
  • [3] Zinke, O., Brunswig, H., „Hochfrequenztechnik", Bd. 1, 6. Auflage, 2000, Springer Verlag[3] Zinke, O., Brunswig, H., "Hochfrequenztechnik", vol. 1, 6th edition, 2000, Springer Verlag

Claims (5)

Oszillatorschaltung mit einem angezapften Schwingkreis und einem Transistor (T) als Verstärkerelement, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden des Transistors auf zwei Gehäuseanschlüssen (1, 2) herausgeführt und der Schwingkreis am Ort der Anzapfung (12) zur Ankopplung an den Transistor aufgetrennt ist und mit jeweils einem der beiden so entstehenden Anschlüsse (13, 14) mit der doppelt herausgeführten Transistorelektrode verbunden ist, so dass die ansonsten parasitären Bonddrahtinduktivitäten (3, 4) der doppelt herausgeführten Elektrode zu Bestandteilen des Schwingkreises werden.Oscillator circuit with a tapped resonant circuit and a transistor (T) as an amplifier element, characterized in that one of the electrodes of the transistor on two housing terminals ( 1 . 2 ) and the resonant circuit at the point of tapping ( 12 ) is separated for coupling to the transistor and with one of the two thus resulting connections ( 13 . 14 ) is connected to the doubly led out transistor electrode so that the otherwise parasitic bonding wire inductances ( 3 . 4 ) of the electrode led out twice become components of the resonant circuit. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis aus einer variablen Kapazität (11) und zwei Streifenleitungen (9, 10) besteht, so dass die parasitären Bonddrahtinduktivitäten (3, 4) und die parasitären Kapazitäten der Lötflächen (5, 6) der doppelt herausgeführten Elektrode zu Bestandteilen des Schwingkreises werden.Circuit according to Claim 1, characterized in that the resonant circuit consists of a variable capacitance ( 11 ) and two strip lines ( 9 . 10 ), so that the parasitic bonding wire inductances ( 3 . 4 ) and the parasitic capacitances of the solder pads ( 5 . 6 ) of the electrode led out twice become components of the resonant circuit. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transistor mit zwei Emitter- oder Sourceanschlüssen verwendet wird.Circuit according to Claim 1, characterized that uses a transistor with two emitter or source terminals becomes. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis aus einer variablen Kapazität (11) und zwei Streifenleitungen (9, 10) besteht.Circuit according to Claim 3, characterized in that the resonant circuit consists of a variable capacitance ( 11 ) and two strip lines ( 9 . 10 ) consists. Schaltung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Kapazität (11) durch eine oder mehrere Varaktordioden realisiert ist.Circuit according to Claim 2 or 4, characterized in that the variable capacitance ( 11 ) is realized by one or more varactor diodes.
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