DE112010005352T5

DE112010005352T5 - Schaltungseinheit, Vorspannungsschaltung mit Schaltungseinheit und Differenzverstärkerschaltung mit erster und zweiter Schaltungseinheit

Info

Publication number: DE112010005352T5
Application number: DE112010005352T
Authority: DE
Inventors: Bart Balm; Leon C. M. Van Den Oever; Jeroen Bouwman
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2013-01-03
Also published as: US20130033322A1; WO2011107159A1; US8797100B2; JP5437506B2; JP2013521682A

Abstract

Eine Schaltungseinheit (CU) umfasst einen Heteroübergangs-Bipolartransistor und einen pseudomorphen Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate. Entweder ein Sourceanschluss (S) oder ein Drainanschluss (D) des pseudomorphen Hochelektronenmobilitätstransistors mit langem Gate ist elektrisch entweder mit einem Kollektor (C) oder einem Emitter (E) des Heteroübergangs-Bipolartransistors gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungseinheit und eine Vorspannungsschaltung mit einer Schaltungseinheit und eine Differenzverstärkerschaltung mit einer ersten und einer zweiten Schaltungseinheit.
Differenzverstärkerschaltungen sind im Allgemeinen zum Verstärken von Differenzsignalen bekannt. Differenzverstärkerschaltungen werden in Operationsverstärkern oder anderen Schaltungen, wie zum Beispiel Komparatoren, Mischern oder Oszillatoren des Gilbertzellentyps, verwendet. Der Differenzverstärker ist betreibbar, um die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen zu verstärken.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaltungseinheit und einer Differenzverstärkerschaltung, die eine hohe Spannungsverstärkung ermöglicht und die nur kleine Platzanforderungen aufweisen. Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorspannungsschaltung bereitzustellen, die eine Kleinstromvorkehrung ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Aspekte und mehrere Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ist durch eine Schaltungseinheit gekennzeichnet, die einen Heteroübergangs-Bipolartransistor und einen pseudomorphen Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate umfasst. Entweder ein Sourceanschluss oder ein Drainanschluss des pseudomorphen Hochelektronenmobilitätstransistors mit langem Gate ist elektrisch entweder mit einem Kollektor oder einem Emitter des Heteroübergangs-Bipolartransistors gekoppelt.
Der Heteroübergangs-Bipolartransistor oder HBT sowie der pseudomorphe Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate oder pHEMT können in GaAs-Technologie gebildet werden, wobei ein pHEMT mit langem Gate im Vergleich mit herkömmlichen pHEMTs durch einen signifikant längeren Kanal gekennzeichnet ist. Der HBT besitzt eine hohe Transkonduktanz und der pHEMT mit langem Gate besitzt hohe Impedanz zum Beispiel bei Konfiguration als aktive Last. Dies ermöglicht hohe Spannungsverstärkungen. Aufgrund des langen Kanals des pHEMT mit langem Gate weisen Schaltungsanordnungen mit solchen Schaltungseinheiten außerdem sehr geringe Leistungsanforderungen auf.
Vorzugsweise ist der HBT der Schaltungseinheit ein npn-HBT und der pHEMT mit langem Gate ist ein Verarmungs-pHEMT mit langem Gate. Verarmungstransistoren leiten zwischen einem Source- und einem Drainanschluss nicht, wenn die Gate-Source-Spannung negativer als eine negative Schwellenspannung des Transistors ist. Verarmungstransistoren leiten zwischen dem Source- und dem Drainanschluss im Fall einer Gate-Source-Spannung über der Schwellenspannung, d. h. weniger negativ, Null oder positiv. Anreicherungstransistoren leiten zwischen dem Source- und dem Drainanschluss, wenn die Gate-Source-Spannung größer positiv als eine positive Schwellenspannung ist, und sind zwischen dem Source- und dem Drainanschluss nicht leitend, wenn die Gate-Source-Spannung niedriger ist.
Der pHEMT mit langem Gate kann durch elektrisches Kurzschließen oder Umgehen seines Gates mit seinem Sourceanschluss, so dass eine Spannung zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode 0 V beträgt, als aktive Last konfiguriert werden. In dieser Konfiguration kann der pHEMT mit langem Gate anstelle von herkömmlichen Widerständen benutzt werden, insbesondere in Wechselstromschaltungsanordnungen. Solche pHEMTs mit langem Gate als aktive Lasten haben den Vorteil einer wesentlich geringeren Platzanforderung auf dem Chip verglichen mit herkömmlichen Widerständen, die insbesondere im selben Prozess hergestellt werden. Der Sourceanschluss des pHEMT mit langem Gate ist vorzugsweise elektrisch mit dem Kollektor des Heteroübergangs-Bipolartransistors gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst der pseudomorphe Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate eine Kanallänge, die größer oder gleich 0,5 μm ist. Der pseudomorphe Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate kann ein Kanalgrößenverhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge zwischen 0,01 und 0,4 umfassen, mit einer Kanallänge, die größer oder gleich 0,5 μm ist, insbesondere kann die Kanallänge zwischen 0,5 und 1000 μm liegen. Der Strom fließt in dem Kanal zwischen Source und Drain. Dies hat den Vorteil hoher Impedanz und einer Kleinstromvorkehrung.
Bei einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts ist bei dem pHEMT mit langem Gate der Schaltungseinheit der Kanal mit einer Kanallänge L signifikant größer als eine Kanalbreite W. Die Kanallänge L kann 40 μm betragen und die Kanalbreite W kann 3 μm betragen. Der Kanal ist ein Bereich, der sich unter der Gateelektrode befindet. Der Strom fließt durch den Kanal zwischen Source und Drain.
Ein FET oder ein pHEMT mit einem wie oben beschriebenen dimensionierten Kanal ist ein FET oder pHEMT mit langem Gate, der als Stromquelle dienen kann, die im Vergleich mit einem herkömmlichen in einer ähnlichen Chipfläche realisierten FET einen relativ niedrigen Stromwert aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Schaltungseinheit durch Verwendung von GaAs-BiFET- oder BiHEMT-Technologie auf einem einzigen Chip integriert. Insbesondere können zusammengeführte oder gestapelte FET-HBT-Integrationsanordnungen, die oft als BiFET oder BiHEMT bezeichnet werden und sowohl HBT- als auch FET- oder pHEMT-Bauelemente auf einem einzigen GaAs-Substrat enthalten, verwendet werden, um einen Niederstromschaltkreis zu realisieren. Bei BiFET ist es möglich, npn-Bipolartransistoren mit pHEMTs mit langem Gate zu kombinieren, um bessere elektrische Leistungsfähigkeit als für ausschließlich HBT oder ausschließlich pHEMT zu erhalten.
Die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ist durch eine Vorspannungsschaltung mit einer Schaltungseinheit gemäß dem ersten Aspekt gekennzeichnet. Der HBT dieser Schaltungseinheit wird als ein sechstes Steuerelement identifiziert und der pHEMT mit langem Gate der Schaltungseinheit wird als ein siebtes Steuerelement identifiziert. Die Vorspannungsschaltung umfasst ferner ein fünftes Steuerelement, das einen weiteren HBT umfasst. Eine Basis und ein Kollektor des sechsten Steuerelements sind elektrisch kurzgeschlossen. Eine Basis des fünften Steuerelements ist elektrisch mit der Basis des sechsten Steuerelements gekoppelt. Dadurch kann die Vorspannungsschaltung betreibbar sein, um sehr kleine Ströme bereitzustellen. Gleichzeitig weist eine solche Vorspannungsschaltung nur sehr kleine Platzanforderungen auf einem einzigen Substrat auf. Basis und Kollektor des sechsten Steuerelements sind elektrisch kurzgeschlossen, so dass eine Spannung zwischen der Basis und dem Kollektor 0 V beträgt. Das fünfte Steuerelement kann ein HBT des npn-Typs sein.
Die Ausdrücke „fünftes Steuerelement”, „sechstes Steuerelement” und „siebtes Steuerelement” stellen nur Namen für das bestimmte Steuerelement der Vorspannungsschaltung dar und aus ihnen folgt nicht, dass die Vorspannungsschaltung auch ein erstes bis viertes Steuerelement umfasst. Die Ausdrücke dienen nur zur Unterscheidung der Steuerelemente der Vorspannungsschaltung in den Ansprüchen und in der Beschreibung.
Bei einer Ausführungsform des zweiten Aspekts sind ein Gate- und ein Sourceanschluss des siebten Steuerelements elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen. Der Gate- und der Sourceanschluss des siebten Steuerelements sind kurzgeschlossen oder umgangen, so dass eine Gate-Source-Spannung 0 V beträgt. Dadurch wird der pHEMT mit langem Gate der Schaltungseinheit als aktive Last konfiguriert. In dieser Konfiguration stellt das siebte Steuerelement eine Stromquelle mit hoher Impedanz dar.
Die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt ist durch eine Differenzverstärkerschaltung gekennzeichnet, die eine erste Schaltungseinheit gemäß dem ersten Aspekt umfasst, wobei ihr HBT als ein erstes Steuerelement identifiziert wird und ihr pHEMT mit langem Gate als ein zweites Steuerelement identifiziert wird. Die Differenzverstärkerschaltung umfasst außerdem eine zweite Schaltungseinheit gemäß dem ersten Aspekt, wobei ihr HBT als ein drittes Steuerelement identifiziert wird und ihr pHEMT mit langem Gate als ein viertes Steuerelement identifiziert wird. Das erste Steuerelement und das dritte Steuerelement sind über einen Verbindungspunkt elektrisch gekoppelt und das zweite Steuerelement und das vierte Steuerelement sind über einen weiteren Verbindungspunkt elektrisch gekoppelt. Ferner umfasst die Differenzverstärkerschaltung eine Stromsenke, die elektrisch zwischen einem Bezugspotential und dem Verbindungspunkt angeordnet ist. Die Stromsenke ist betreibbar, um einen vorbestimmten Strom durch die erste Schaltungseinheit und/oder die zweite Schaltungseinheit zu verlangen.
Eine solche Differenzverstärkerschaltung weist nur sehr geringe Leistungsanforderungen auf. Das erste und dritte Steuerelement stellen das Differenzpaar der Differenzverstärkerschaltung dar, während einer Basis des ersten Steuerelements ein erstes vorbestimmtes Signal zugeführt werden kann und einer Basis des dritten Steuerelements ein zweites vorbestimmtes Signal zugeführt werden kann. Die Differenzverstärkerschaltung kann symmetrisch oder asymmetrisch betrieben werden. Im Fall des symmetrischen Betriebs kann eine Ausgangsspannung der Differenzverstärkerschaltung zwischen einer ersten gemeinsamen elektrischen Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Steuerelement und einer zweiten gemeinsamen elektrischen Kopplung zwischen dem dritten und vierten Steuerelement bestimmt werden. Im Fall eines asymmetrischen Betriebs kann die Ausgangsspannung entweder zwischen der gemeinsamen elektrischen Kopplung und dem Bezugspotential oder zwischen der ersten zweiten gemeinsamen elektrischen Kopplung und dem Bezugspotential bestimmt werden. Die Stromsenke kann eine Stromquelle sein, insbesondere eine Konstantstromquelle.
Eine Spannungsversorgungsquelle kann mit der Differenzverstärkerschaltung gekoppelt sein, die elektrisch mit dem weiteren Verbindungspunkt gekoppelt ist und die betreibbar ist, um die erste Schaltungseinheit und die zweite Schaltungseinheit mit einer vorbestimmten Versorgungsspannung zu versorgen.
Die Ausdrücke „erstes Steuerelement”, „zweites Steuerelement”, „drittes Steuerelement” und „viertes Steuerelement” stellen nur Namen für das bestimmte Steuerelement des Differenzverstärkers dar. Die Ausdrücke dienen nur zur Unterscheidung der Steuerelemente der Vorspannungsschaltung in dem Anspruch und in der Beschreibung.
Bei einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst die Stromsenke eine Vorspannungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt. Das fünfte Steuerelement der Vorspannungsschaltung ist elektrisch zwischen dem Bezugspotential und dem Verbindungspunkt angeordnet. Die Schaltungseinheit der Vorspannungsschaltung ist elektrisch zwischen dem Bezugspotential und dem weiteren Verbindungspunkt angeordnet. Ein Drainanschluss des siebten Steuerelements kann elektrisch mit dem weiteren Verbindungspunkt gekoppelt sein, und ein Emitter des sechsten Steuerelements kann elektrisch mit dem Bezugspotential gekoppelt sein. Die Vorspannungsschaltung trägt zu der Vorbestimmung eines sehr kleinen Stroms bei.
Bei einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst die Stromsenke ein achtes Steuerelement, das ein Verarmungs-pHEMT mit langem Gate ist, dessen Gate- und Sourceanschluss elektrisch kurzgeschlossen sind. Das achte Steuerelement ist elektrisch zwischen dem Bezugspotential und dem Verbindungspunkt angeordnet. Ein Drainanschluss des achten Steuerelements kann elektrisch mit dem Verbindungspunkt gekoppelt sein, und ein Sourceanschluss des achten Steuerelements kann elektrisch mit dem Bezugspotential gekoppelt sein. Bei dieser Konfiguration stellt das achte Steuerelement eine Stromquelle mit hoher Impedanz dar.
Die Ausdrücke „achtes Steuerelement” stellen nur einen Namen des Steuerelements dar. Der Ausdruck dient nur zur Unterscheidung des Steuerelements von den anderen der Differenzverstärkerschaltung.
Bei einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts sind ein Gate des zweiten Steuerelements und ein Gate des vierten Steuerelements elektrisch mit dem elektrisch kurzgeschlossenen Gate- und Sourceanschluss des siebten Steuerelements gekoppelt. Dies führt zu einer Gate-Source-Drain-Spannung des siebten Steuerelements, die im Prinzip identisch mit der -Gate-Source-Drain-Spannung des zweiten und vierten Steuerelements ist. Das siebte Steuerelement stellt einen Referenzstromgenerator dar. Eine Gate-Source-Spannung des zweiten Steuerelements und eine Gate-Source-Spannung des vierten Steuerelements sind von dem ersten Zweigstrom bzw. dem zweiten Zweigstrom abhängig. Der erste und zweite Zweigstrom summieren sich in dem von der Stromsenke verlangten Strom. Dies hat den Vorteil stabiler Einstellungen des Stroms ohne Notwendigkeit zusätzlicher Schaltkreise.
Das zweite und vierte Steuerelement sind als aktive Lasten konfiguriert, so dass herkömmliche Widerstände durch das zweite und vierte Steuerelement ersetzt werden können. Dies trägt zu der Verringerung einer erforderlichen Chipfläche und gleichzeitig zu der Erhöhung einer Spannungsverstärkung bei.
Bei einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts sind ein Gate des zweiten Steuerelements und ein Gate des vierten Steuerelements elektrisch miteinander gekoppelt. Das Gate und ein Sourceanschluss entweder des zweiten Steuerelements oder des vierten Steuerelements sind elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen. Das Gate und der Sourceanschluss entweder des zweiten oder des vierten Steuerelements sind kurzgeschlossen oder umgangen, so dass eine Gate-Source-Spannung 0 V beträgt. Dies ermöglicht den Betrieb der Differenzverstärkerschaltung als einpolige oder asymmetrische Verstärkerschaltung.
Bei einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts sind ein Gate- und ein Sourceanschluss des zweiten Steuerelements elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen und ein Gate- und ein Sourceanschluss des vierten Steuerelements sind elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen. Das Gate und der Sourceanschluss des zweiten Steuerelements werden kurzgeschlossen oder umgangen, so dass eine Gate-Source-Spannung 0 V beträgt. Das Gate und der Sourceanschluss des vierten Steuerelements werden kurzgeschlossen oder umgangen, so dass eine Gate-Source-Spannung 0 V beträgt. Dies ermöglicht den Betrieb des zweiten Steuerelements und des vierten Steuerelements als aktive Lasten mit hoher Impedanz.
Bei einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts ist die Differenzverstärkerschaltung auf einem einzigen Chip integriert. Insbesondere ermöglicht GaAs-BiFET-Technologie die Integration von HBTs und pHEMTs mit langem Gate auf einem einzigen Substrat. Dies hat den Vorteil, HBTs, die hohe Transkonduktanzwerte aufweisen, mit pHEMTs mit langem Gate, die hohe Impedanzwerte aufweisen, zu kombinieren. Dies trägt zu der Erhöhung einer Spannungsverstärkung der Differenzverstärkerschaltung bei und trägt gleichzeitig zu der Verringerung der Platzanforderungen der Differenzverstärkerschaltung auf dem Substrat bei. Ein einziger Chip hat den Vorteil einer einfacheren Montage und geringerer Kosten- und Größenanforderungen.
Ferner kann die Differenzverstärkerschaltung in einem Operationsverstärker verwendet werden, indem sie eine Anzahl von Problemen löst:

– der Operationsverstärker benötigt weniger kaskadierte Stufen zur Erzielung einer bestimmten offenen Schleifenverstärkung,
– der Entwurf eines Operationsverstärkers mit weniger kaskadierten Stufen ist weniger komplex, weil er weniger Pole und daher weniger Stabilitätsprobleme aufweist,
– ein Operationsverstärker mit einer höheren Verstärkung pro Stufe hat weniger Probleme mit Spannungsreserve, insbesondere wenn er aus Gleichstrom, z. B. einem Versorgungsregler oder einer Stromversorgungsregelschleife, arbeiten muss,
– bei einem Operationsverstärker mit weniger kaskadierten Stufen tritt weniger Gleichstromoffset auf,
– ein Operationsverstärker mit weniger kaskadierten Stufen kann einen niedrigeren Stromverbrauch aufweisen,
– ein Operationsverstärker mit weniger kaskadierten Stufen kann in einer kleineren Layoutfläche implementiert werden,
– ein Operationsverstärker mit weniger kaskadierten Stufen erzeugt weniger Rauschen.

Diese Vorteile können auch anderen Anwendungen zugewiesen werden, wenn eine oder mehrere Schaltungseinheiten in der bestimmten Anwendung verwendet werden, wie zum Beispiel in Invertern, Komparatoren, Mischern oder Oszillatoren des Gilbertzellentyps.
Im Folgenden wird die Offenbarung ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Differenzverstärkerschaltung,
2 eine zweite Ausführungsform einer Differenzverstärkerschaltung,
3a–3d Simulationsergebnisse einer zweiten Ausführungsform,
4 eine dritte Ausführungsform einer Differenzverstärkerschaltung,
5 eine vierte Ausführungsform einer Differenzverstärkerschaltung,
6a–6d Simulationsergebnisse einer vierten Ausführungsform,
7 eine fünfte Ausführungsform einer Differenzverstärkerschaltung,
8a–8d Simulationsergebnisse einer fünften Ausführungsform und
9a–9d weitere Simulationsergebnisse,
10 eine andere Verstärkerschaltung.
Elemente desselben Entwurfs und derselben Funktion, die in verschiedenen Darstellungen erscheinen, werden durch dasselbe Bezugszeichen identifiziert.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Differenzverstärkerschaltung DA. Die Differenzverstärkerschaltung DA umfasst eine erste Schaltungseinheit CU1 und eine zweite Schaltungseinheit CU2 und eine Stromsenke CS. Eine Spannungsversorgungsquelle, die eine vorbestimmte Versorgungsspannung VB bereitstellt, und eine erste Signalquelle und eine zweite Signalquelle, die eine erste vorbestimmte Spannung V1 und eine zweite vorbestimmte Spannung V2 bereitstellen, sind mit der Differenzverstärkerschaltung DA gekoppelt. Die erste vorbestimmte Spannung V1 umfasst eine erste Gleichspannung VDC1 und erste Wechselspannung VAC1. Die zweite vorbestimmte Spannung V2 umfasst eine zweite Gleichspannung VDC2 und eine zweite Wechselspannung VAC2. Die beiden vorbestimmten Spannungen V1, V2 können zusätzlich eine Offsetspannung VOFFS umfassen, die zu dem Betrieb der ersten Schaltungseinheit und der zweiten Schaltungseinheit zum Beispiel in einem positiven Spannungsbereich beiträgt.
Die erste Schaltungseinheit CU1 umfasst ein erstes Steuerelement T1 und ein zweites Steuerelement T2. Das erste Steuerelement T1 ist ein Heteroübergangs-Bipolartransistor des npn-Typs oder ein npn-HBT, und das zweite Steuerelement T2 ist ein pseudomorpher Verarmungs-Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate oder D-Modus-pHEMT mit langem Gate.
Ein pHEMT ist ein Feldeffektransistor mit Hochmobilitätselektronen in seinem Kanal, indem er einen oder mehrere Übergänge zwischen Materialien mit verschiedenen Bandabständen, zum Beispiel GaAs und AlGaAs, enthält.
Ein Kollektor C des ersten Steuerelements T1 ist elektrisch über einen ersten Verbindungspunkt TP1 mit einem Sourceanschluss S des zweiten Steuerelements T2 gekoppelt. Ein Gate G und der Sourceanschluss S des zweiten Steuerelements T2 sind elektrisch kurzgeschlossen, so dass eine Spannung zwischen dem Gate G und dem Sourceanschluss S 0 V beträgt.
Eine Basis B des ersten Steuerelements T1 ist elektrisch mit der ersten Signalquelle gekoppelt und kann mit der ersten vorbestimmten Spannung V1 versorgt werden.
Die zweite Schaltungseinheit CU2 umfasst ein drittes Steuerelement T3 und ein viertes Steuerelement T4. Das dritte Steuerelement T3 ist ein npn-HBT und das vierte Steuerelement T4 ist ein D-Modul-pHEMT mit langem Gate. Ein Kollektor C des dritten Steuerelements T3 ist elektrisch über einen zweiten Verbindungspunkt TP2 mit einem Sourceanschluss S des vierten Steuerelements T4 gekoppelt. Ein Gate G und der Sourceanschluss S des vierten Steuerelements T4 sind elektrisch kurzgeschlossen.
Das zweite und das vierte Steuerelement T2, T4 stellen beide aktive Lasten dar.
Zwischen dem ersten Verbindungspunkt TP1 und dem zweiten Verbindungspunkt TP2 kann eine symmetrische Ausgangsspannung VOUT bestimmt werden.
Eine Basis B des dritten Steuerelements T3 ist elektrisch mit der zweiten Signalquelle gekoppelt und kann mit der zweiten vorbestimmten Spannung V2 belegt werden. Die zweite vorbestimmte Spannung V2 kann eine in Bezug auf die erste vorbestimmte Spannung V1 entgegengesetzte Polarisation umfassen.
Ein Emitter E des ersten Steuerelements T1 und ein Emitter E des dritten Steuerelements T3 sind elektrisch über einen dritten Verbindungspunkt TP3 miteinander gekoppelt. Der dritte Verbindungspunkt TP3 kann auch als Verbindungspunkt identifiziert werden.
Ein Drainanschluss D des zweiten Steuerelements T2 und ein Drainanschluss D des vierten Steuerelements T4 sind elektrisch über einen vierten Verbindungspunkt TP4 miteinander gekoppelt. Der vierte Verbindungspunkt TP4 kann auch als ein weiterer Verbindungspunkt identifiziert werden.
Die Stromsenke CS ist elektrisch zwischen dem dritten Verbindungspunkt TP3 und einem Bezugspotential GND angeordnet. Die Stromsenke CS ist betreibbar, um einen vorbestimmten Strom I zu verlangen, der im Prinzip eine Summe des ersten Zweigstroms I1 und eines zweiten Zweigstroms I2 ist, insbesondere bei Vernachlässigung der Basisströme. Der erste Zweigstrom I1 ist mit der ersten Schaltungseinheit CU1 assoziiert und der zweite Zweigstrom I2 ist mit der zweiten Schaltungseinheit CU2 assoziiert.
Der vierte Verbindungspunkt TP4 kann mit der vorbestimmten Versorgungsspannung VB belegt werden. Die Differenzverstärkerschaltung DA ist auf einem Einzelchip, der zum Beispiel unter Verwendung eines GaAs-BiFET-Technologieprozesses gebildet wird, integriert. Die GaAs-BiFET-Technologie ist eine gestapelte oder zusammengeführte Technologie von GaAs-HBTs und GaAs-pHEMTs.
Das zweite Steuerelement T2 und das vierte Steuerelement T4 stellen Stromquellen mit hoher Impedanz dar und können anstelle herkömmlicher Widerstände wie zum Beispiel Dünnfilmwiderstände verwendet werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform (2) kann die Stromsenke CS ein anderes Steuerelement umfassen, das in der weiteren Beschreibung als achtes Steuerelement T8 identifiziert wird. Das achte Steuerelement T8 kann auch ein D-Modus-pHEMT mit langem Gate sein, dessen Gate G und Sourceanschluss S elektrisch kurzgeschlossen sind. Ein Drainanschluss D des achten Steuerelements T8 ist elektrisch mit dem dritten Verbindungspunkt TP3 gekoppelt und der Sourceanschluss S des achten Steuerelements T8 ist elektrisch mit dem Bezugspotential GND gekoppelt. Das achte Steuerelement T8 wirkt als Stromquelle mit hoher Impedanz und ist betreibbar, um den vorbestimmten Strom I, zum Beispiel 50 μA, zu verlangen.
pHEMTs mit langem Gate besitzen ein vorbestimmtes Kanalgrößenverhältnis W/L einer Kanalbreite W zu einer Kanallänge L, wie zum Beispiel W/L = 0,4. Die Kanallänge L eines pHEMT mit langem Gate kann größer oder gleich 0,5 μm, insbesondere zwischen 0,5 und 1000 μm betragen. Die Kanallänge L eines herkömmlichen pHEMT beträgt ungefähr 0,5 μm.
3a bis 3d, 6a bis 6d und 8a bis 8d zeigen Diagramme von Simulationsergebnissen von verschiedenen Verstärkerschaltungen. Die Diagramme beziehen sich auf Simulationsergebnisse der Differenzverstärkerschaltung DA gemäß der Erfindung und Simulationsergebnisse einer E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und auf Simulationsergebnisse einer D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung.
Der E-Modus-pHEMT-Verstärker unterscheidet sich darin von der Differenzverstärkerschaltung DA, dass er Anreicherungs-pHEMTs als erstes und drittes Steuerelement T1, T3 umfasst. Der D-Modus-pHEMT-Verstärker unterscheidet sich darin von der Differenzverstärkerschaltung DA, dass er Verarmungs-pHEMTs als erstes und drittes Steuerelement T1, T3 umfasst. Alle drei Verstärkerschaltungen umfassen pHEMTs mit langem Gate als zweites und als viertes Steuerelement T2, T4. Die D-Modus-Verstärkerschaltung und E-Modus-Verstärkerschaltung stellen nur-pHEMT-Schaltungen dar.
3a bis 3d beziehen sich auf Simulationsergebnisse einer Schaltungsanordnung der Differenzverstärkerschaltung DA gemäß 2. Die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung sind auch gemäß der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung angeordnet und sind ähnlich wie die Differenzverstärkerschaltung DA dimensioniert, um einen Vergleich mit der Differenzverstärkerschaltung DA zu erlauben.
Eine gestrichelte Linie L1 in 3a bis 3d ist mit der Differenzverstärkerschaltung DA assoziiert, eine gestrichelte Linie L2 ist mit der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert, und eine durchgezogene Linie L3 ist mit der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert.
Die Diagramme in 3a zeigen die Ströme und die Ausgangsspannung VOUT als Funktion einer Differenzspannung VDIFF. Die bestimmte erste Wechselspannung VAC1 und zweite Wechselspannung VAC2 werden auf 0 V gesetzt.
Eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Gleichspannung VDC1 und der zweiten Gleichspannung VDC2 stellt die Differenzspannung VDIFF dar. Die erste und zweite Gleichspannung VDC1, VDC2 können dieselben Polaritäten aufweisen, können aber elektrisch in entgegengesetzten Richtungen geschaltet sein und können zum Beispiel einen bestimmten Betrag von der Hälfte der Differenzspannung VDIFF aufweisen. Eine vorbestimmte Menge von Werten der ersten und zweiten Gleichspannung VDC1, VDC2 stellt einen entsprechenden Arbeitspunkt der genannten Verstärkerschaltung dar.
Das linke Diagramm von 3a zeigt den ersten Zweigstrom I1, den zweiten Zweigstrom I2 und den Strom I als Funktion der Differenzspannung VDIFF. Ein Wert der Differenzspannung VDIFF von 0 V stellt einen Arbeitspunkt dar, bei dem ein Wert des ersten Zweigstroms I1 im Prinzip gleich einem Wert des zweiten Zweigstroms I2 ist. Während des Verschiebens des Arbeitspunkts der bestimmten Verstärkerschaltung durch Vergrößern des Werts der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung positiver Werte nimmt der Wert des ersten Zweigstroms I1 zu, während der Wert des zweiten Zweigstroms I2 abnimmt. Während des Verkleinerns des Werts der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung negativer Werte nimmt der Wert des ersten Zweigstroms I1 ab, während der Wert des zweiten Zweigstroms I2 zunimmt. Eine Summe des ersten und zweiten Zweigstroms I1, I2 führt im Prinzip zu einem Konstantstromwert, zum Beispiel 50 μA, der durch den Strom I dargestellt wird, der von der bestimmten Stromsenke CS verlangt wird (siehe die horizontale Linie in dem linken Diagramm 3a). Ähnliche vorbestimmte erste und zweite Gleichspannungen VDC1, VDC2 führen zu ähnlichen ersten und zweiten Zweigströmen I1, I2 für die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und die Differenzverstärkerschaltung DA.
Ein rechtes Diagramm von 3a stellt die Ausgangsspannung VOUT einer bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Die Ausgangsspannung VOUT stellt eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt TP2 und dem ersten Verbindungspunkt TP1 der genannten Verstärkerschaltung dar. Die Ausgangsspannung VOUT entspricht dem bestimmten Arbeitspunkt, der durch die vorbestimmte Differenzspannung VDIFF dargestellt wird. Während des Bewegens des Arbeitspunkts der genannten Verstärkerschaltung durch Vergrößern des Werts der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung positiver Werte nimmt der Wert des ersten Stromteils I1 zu und gleichzeitig nimmt ein Spannungsabfall über dem bestimmten ersten Steuerelement T1 ab, während der Wert des zweiten Stromteils I2 abnimmt und ein Spannungsabfall über dem dritten Steuerelement T3 zunimmt. Dies führt zu einem zunehmenden Wert der Ausgangsspannung VOUT in Richtung positiver Werte. Während des Verkleinerns des Werts der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung negativer Werte nimmt dagegen der Spannungsabfall über dem ersten Steuerelement T1 zu, während der Spannungsabfall über dem dritten Steuerelement T3 abnimmt, was somit zu zunehmenden Werten der Ausgangsspannung VOUT in Richtung negativer Werte führt. Die Werte der Ausgangsspannung VOUT der genannten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF sind ähnlich.
Die Simulationsergebnisse in 3b und 3c betreffen eine Kleinsignalanalyse der genannten Verstärkerschaltung. In diesem Fall umfasst die erste vorbestimmte Spannung V1, die der Basis B des bestimmten ersten Steuerelements T1 zugeführt wird, die erste Wechselspannung VAC1 mit einem Wert ungleich 0 V. Ferner erhält die Basis B des genannten dritten Steuerelements T3 die zweite vorbestimmte Spannung V2 mit einem Wert der zweiten Wechselspannung VAC2, der ungleich 0 V ist. Eine Frequenz f und ein Wert der vorbestimmten ersten Wechselspannung VAC1 ist mit einer Frequenz und einem Wert der vorbestimmten zweiten Wechselspannung VAC2 identisch. Die Frequenz f wird zum Beispiel auf 1 MHz eingestellt, und ein Spitzenwert der ersten Wechselspannung VAC1 und ein Spitzenwert der zweiten Wechselspannung VAC2 werden zum Beispiel auf 0,5 V eingestellt. Eine Richtung der ersten Wechselspannung VAC1 ist einer Richtung der zweiten Wechselspannung VAC2 entgegengesetzt. Dies führt zu einem Betrag von 1 V für die bestimmte Differenz-Wechselspannung.
Ein linkes Diagramm von 3b stellt eine Transkonduktanz gm des ersten Steuerelements T1 und des dritten Steuerelements T3 der genannten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie in dem linken Diagramm von 3b abgebildet, ist nur eine gestrichelte Linie L1 mit der Differenzverstärkerschaltung DA assoziiert und nur eine gepunktete Linie L2 ist mit der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert und nur eine durchgezogene Linie L3 ist mit der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert. Das heißt, dass die Transkonduktanz gm des ersten und dritten Steuerelements T1, T3 der genannten Verstärkerschaltung im Prinzip identisch sind. Die mit dem ersten Steuerelement T1 assoziierte Transkonduktanz gm ist ein Verhältnis des ersten Zweigstroms I1 zu der ersten vorbestimmten Spannung V1, und eine mit dem dritten Steuerelement T3 assoziierte Transkonduktanz ist ein Verhältnis des zweiten Zweigstroms I2 zu der zweiten vorbestimmten Spannung V2. Die Transkonduktanz gm des ersten und dritten Steuerelements T1, T3 der Differenzverstärkerschaltung DA ist signifikant größer als die Transkonduktanz der E-Modus-pHEMTs der E-Modus-Verstärkerschaltung und der D-Modus-pHEMTs der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung.
Ein Diagramm in 3c zeigt eine Impedanz Z des zweiten Steuerelements T2 und eine Impedanz Z des vierten Steuerelements T4 der bestimmten Verstärkerschaltung in logarithmischer Darstellung als Funktion der Differenzspannung VDIFF. Die Impedanz Z des zweiten und vierten Steuerelements T2, T4 der bestimmten Verstärkerschaltung sind im Prinzip identisch. Wie dargestellt, hängt die Kurve der Impedanz Z von der vorbestimmten Differenzspannung VDIFF ab. Die Differenz bei der Impedanz Z für die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, für die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und für die Differenzverstärkerschaltung DA ist auf verschiedene bestimmte Zweigströme bei derselben Differenzspannung VDIFF zurückzuführen.
Ein rechtes Diagramm von 3b stellt eine Wechselspannungsverstärkung A der genannten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Die Wechselspannungsverstärkung A stellt eine Multiplikation der bestimmten Transkonduktanz gm und der bestimmten Impedanz Z für eine gegebene Differenzspannung VDIFF dar. Eine vorbestimmte Differenzspannung VDIFF eines Bereichs zwischen einer ersten Differenzspannung VD1 und einer zweiten Differenzspannung VD2 führt zu einer Spannungsverstärkung A der Differenzverstärkerschaltung DA, die im Vergleich mit der Spannungsverstärkung A der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung in diesem Bereich höher ist.
Ein linkes Diagramm von 3d stellt die Wechselspannungsverstärkung A als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannungen VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung dar. Für die in 3d abgebildeten Simulationsergebnisse wird der Wert der Differenzspannung VDIFF auf einen konstanten Wert gesetzt, zum Beispiel auf 0 V. Die in dem linken Diagramm von 3d gezeigte Spannungsverstärkung A entspricht der Spannungsverstärkung A für die Differenzspannung VDIFF von 0 V, die in dem rechten Diagramm von 3b gezeigt ist. Wie dargestellt, ist die Wechselspannungsverstärkung A, zum Beispiel 23 dB, der Differenzverstärkerschaltung DA im Vergleich mit den Wechselspannungsverstärkungen A der E-Modus-pHEMT- und D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung über einen großen Bereich von Frequenzen f signifikant höher. Eine Grenzfrequenz f_3db der Differenzverstärkerschaltung DA beträgt zum Beispiel 100 MHz.
Ein rechtes Diagramm von 3d stellt einen Phasenfrequenzgang φ der genannten Verstärkerschaltung als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannung VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung dar. Der Phasenfrequenzgang φ ist für alle Verstärkerschaltungen ähnlich und ist nahezu 0°, bis die bestimmte Grenzfrequenz f_3db erreicht wird. Die Grenzfrequenz f_3db der Differenzverstärkerschaltung DA kann auch 100 MHz betragen.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Differenzverstärkerschaltung DA, wobei die Stromsenke CS eine Vorspannungsschaltung CM umfasst. Die Vorspannungsschaltung CM umfasst ein fünftes Steuerelement T5, ein sechstes Steuerelement T6 und ein siebtes Steuerelement T7. Das fünfte und sechste Steuerelement T5, T6 sind beide npn-HBTs. Eine Basis B und ein Kollektor C des sechsten Steuerelements T6 sind elektrisch kurzgeschlossen und eine Basis B des fünften Steuerelements T5 ist elektrisch mit der Basis B des sechsten Steuerelements T6 gekoppelt. Der Kollektor C des fünften Steuerelements T5 ist elektrisch mit dem dritten Verbindungspunkt TP3 gekoppelt, und ein Emitter E des fünften Steuerelements T5 ist elektrisch mit dem Bezugspotential GND gekoppelt.
Ein siebtes Steuerelement T7 ist ein Verarmungs-pHEMT mit langem Gate und erhält die Versorgungsspannung VB an seinem Drainanschluss D. Ein Gate G und ein Sourceanschluss S des siebten Steuerelements T7 sind elektrisch kurzgeschlossen und hierdurch als aktive Last konfiguriert. Der Sourceanschluss S des siebten Steuerelements T7 ist elektrisch mit dem Kollektor C des sechsten Steuerelements T6 gekoppelt. Ein Emitter E des sechsten Steuerelements T6 ist elektrisch mit dem Bezugspotential GND gekoppelt. Das sechste und siebte Steuerelement T6, T7 stellen eine weitere Schaltungseinheit neben der ersten und zweiten Schaltungseinheit CU1, CU2 dar.
Die Vorspannungsschaltung CM ist betreibbar, um einen vorbestimmten Referenzstrom CS als Strom I zu spiegeln, von dem verlangt wird, dass er durch das fünfte Steuerelement T5 fließt. Das siebte Steuerelement T7 ist dergestalt ausgelegt, zum Beispiel durch Vorbestimmen seiner Kanalbreite W und/oder seiner Kanallänge L, dass ein vorbestimmter Referenzstrom IR und ein entsprechender Strom I fließen, zum Beispiel 50 μA.
5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Differenzverstärkerschaltung DA. Verglichen mit der Differenzverstärkerschaltung DA gemäß 4 sind das Gate G des zweiten Steuerelements T2 und das Gate G des vierten Steuerelements T4 nicht elektrisch mit ihren Sourceanschlüssen kurzgeschlossen, sondern elektrisch mit dem Gate G des siebten Steuerelements T7 gekoppelt.
6a bis 6d beziehen sich auf Simulationsergebnisse einer Schaltungsanordnung der Differenzverstärkerschaltung DA gemäß 5. Die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung sind auch gemäß der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung angeordnet und sind ähnlich wie die Differenzverstärkerschaltung DA dimensioniert, um einen Vergleich miteinander zu erlauben.
Eine gestrichelte Linie L1 in 6a bis 6d ist mit der Differenzverstärkerschaltung DA assoziiert, eine gepunktete Linie L2 ist mit der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert, und eine durchgezogene Linie L3 ist mit der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert.
Die Diagramme in 6a zeigen die Ströme und die Ausgangsspannung VOUT als Funktion der Differenzspannung VDIFF. Die bestimmte erste Wechselspannung VAC1 und zweite Wechselspannung VAC2 werden auf 0 V gesetzt.
Das linke Diagramm von 6a stellt den ersten Zweigstrom I1, den zweiten Zweigstrom I2 und den Strom I als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Ein rechtes Diagramm von 6a stellt die Ausgangsspannung VOUT der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie in den linken Diagrammen von 6a dargestellt, stellt ein Wert der Differenzspannung VDIFF von 0 V einen Arbeitspunkt dar, bei dem ein Wert des ersten Zweigstroms I1 gleich einem Wert des zweiten Zweigstroms I2 ist. Während der Arbeitspunkt der genannten Verstärkerschaltung durch Vergrößern des Werts der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung positiver Werte bewegt wird, nimmt der Wert des ersten Zweigstroms I1 zu, während der Wert des zweiten Zweigstroms I2 abnimmt. Während der Wert der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung negativer Werte verkleinert wird, nimmt der Wert des ersten Zweigstroms I1 ab, während der Wert des zweiten Zweigstroms I2 zunimmt. Die Summe des ersten und zweiten Zweigstroms I1, I2 führt im Prinzip zu einem konstanten Stromwert, der durch den Strom I dargestellt wird, der von der jeweiligen Stromsenke CS verlangt wird (siehe die horizontale Linie in dem linken Diagramm von 6a). Ähnliche vorbestimmte erste und zweite Gleichspannungen VDC1, VDC2 führen zu ähnlichen ersten und zweiten Zweigströmen I1, I2 für die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und die Differenzverstärkerschaltung DA.
Ein rechtes Diagramm von 6a stellt die Ausgangsspannung von VOUT der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Die Ausgangsspannung VOUT stellt die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt TP2 und dem ersten Verbindungspunkt TP1 der bestimmten Verstärkerschaltung dar. Wie dargestellt, sind die Werte der Ausgangsspannung VOUT der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF ähnlich.
Die Simulationsergebnisse in 6b und 6c betreffen eine Kleinsignalanalyse der bestimmten Verstärkerschaltung. Die Frequenz f und der Wert der ersten Wechselspannung VAC1 und der zweiten Wechselspannung VAC2 können wie bereits gemäß 3b und 3c beschrieben eingestellt werden.
Ein linkes Diagramm von 6b stellt die Transkonduktanz gm des ersten Steuerelements T1 und des dritten Steuerelements T3 der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie in dem linken Diagramm von 6b abgebildet, sind die Transkonduktanz gm des ersten und dritten Steuerelements T1, T3 der drei Verstärkerschaltungen im Prinzip identisch. Ferner sind die Transkonduktanz gm des ersten und dritten Steuerelements T1, T3 der Differenzverstärkerschaltung DA signifikant größer verglichen mit dem ersten und dritten Steuerelement T1, T3 der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung.
Ein Diagramm in 6c zeigt eine Impedanz Z des zweiten Steuerelements T2 und eine Impedanz Z des vierten Steuerelements T4 der bestimmten Verstärkerschaltung in logarithmischer Darstellung als Funktion der Differenzspannung VDIFF. Die Impedanz Z des zweiten und vierten Steuerelements T2, T4 der bestimmten Verstärkerschaltung sind im Prinzip identisch. Die Kurven der Impedanz Z der drei Verstärkerschaltungen sind voneinander verschieden. Der Unterschied bei der Impedanz Z für die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, für die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und für die Differenzverstärkerschaltung DA ist auf verschiedene bestimmte Zweigströme bei derselben Differenzspannung VDIFF zurückzuführen.
Ein rechtes Diagramm von 6b stellt die Wechselspannungsverstärkung A der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie dargestellt, ist die Wechselspannungsverstärkung A der Differenzverstärkerschaltung DA signifikant höher als die Wechselspannungsverstärkung A der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung. Solange die Transkonduktanz gm des bestimmten ersten und dritten Steuerelements T1, T3 größer als 0 A/V ist, weist die bestimmte Verstärkerschaltung eine positive Wechselspannungsverstärkung A auf. Eine erste Differenzspannung VD1 und eine zweite Differenzspannung VD2 stellen einen Bereich der Differenzspannung VDIFF dar, wobei jeder der D-Modus-pHEMTs der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und jeder der E-Modus-pHEMTs der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung eine Transkonduktanz gm von mehr als 0 A/V aufweist, während Differenzspannungen VDIFF außerhalb dieses Spannungsbereichs eine Transkonduktanz gm in der Nähe von 0 A/V aufweisen.
Ein linkes Diagramm von 6d stellt die Wechselspannungsverstärkung A als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannung VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung dar. Die Differenzspannung VDIFF wird wie bereits gemäß 3d beschrieben eingestellt. Die Differenzverstärkerschaltung DA weist eine Wechselspannungsverstärkung A auf, die im Vergleich mit der E-Modus-pHEMT- und D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung über einen großen Bereich von Frequenzen f signifikant höher ist.
Ein rechtes Diagramm von 6d zeigt den Phasenfrequenzgang φ der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannung VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung. Der Phasenfrequenzgang φ ist für alle Verstärkerschaltungen ähnlich und ist nahezu 0°, bis die bestimmte Grenzfrequenz f_3db erreicht wird. Die Grenzfrequenz f_3db der Differenzverstärkerschaltung DA kann auch 100 MHz betragen.
7 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Differenzverstärkerschaltung DA. Im Vergleich zu 4 sind die Gates G des zweiten und vierten Steuerelements T2, T4 elektrisch miteinander gekoppelt, während das Gate G und der Sourceanschluss S des zweiten Steuerelements T2 elektrisch kurzgeschlossen sind. Ferner entspricht die Ausgangsspannung VOUT einer Spannung zwischen dem zweiten Verbindungspunkt TP2 und dem Bezugspotential GND. Hierdurch stellt die Differenzverstärkerschaltung DA gemäß der fünften Ausführungsform einen einpoligen oder asymmetrischen Ausgangsverstärker dar.
8a bis 8d beziehen sich auf Simulationsergebnisse einer Schaltungsanordnung der Differenzverstärkerschaltung DA gemäß 7. Die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung sind auch gemäß der in 7 dargestellten Schaltungsanordnung angeordnet und sind ähnlich wie die Differenzverstärkerschaltung DA dimensioniert, um einen Vergleich miteinander zu erlauben.
Eine gestrichelte Linie L1 in 8a bis 8d ist mit der Differenzverstärkerschaltung DA assoziiert, eine gepunktete Linie L2 ist mit der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert und eine durchgezogene Linie L3 ist mit der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung assoziiert.
Die Diagramme in 8a zeigen die Ströme und die Ausgangsspannung VOUT als Funktion der Differenzspannung VDIFF. Die bestimmte erste Wechselspannung VAC1 und zweite Wechselspannung VAC2 werden auf 0 V eingestellt.
Wie in den linken Diagrammen von 8a dargestellt, stellt ein Wert der Differenzspannung VDIFF von 0 V einen Arbeitspunkt dar, bei dem der Wert des ersten Zweigstroms I1 gleich dem Wert des zweiten Zweigstroms I2 ist. Während der Arbeitspunkt der jeweiligen Verstärkerschaltung durch Vergrößern des Werts der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung positiver Werte bewegt wird, nimmt der Wert des ersten Zweigstroms I1 zu, während der Wert des zweiten Zweigstroms I2 abnimmt. Während der Wert der Differenzspannung VDIFF von 0 V in Richtung negativer Werte abnimmt, nimmt der Wert des ersten Zweigstroms I1 ab, während der Wert des zweiten Zweigstroms I2 zunimmt. Die Summe des ersten und zweiten Zweigstroms I1, I2 führt im Prinzip zu einem konstanten Stromwert, der durch den Strom I dargestellt wird, der von der jeweiligen Stromsenke CS verlangt wird (siehe die horizontale Linie im linken Diagramm 8a). Ähnliche vorbestimmte erste und zweite Gleichspannungen VDC1, VDC2 führen zu ähnlichen ersten und zweiten Zweigströmen I1, I2 für die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und die Differenzverstärkerschaltung DA.
Ein rechtes Diagramm von 8a stellt die Ausgangsspannung VOUT der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Die Ausgangsspannung VOUT stellt eine Spannung zwischen dem zweiten Verbindungspunkt TP2 und dem Bezugspotential GND dar. Wie dargestellt, variiert die Ausgangsspannung VOUT um einen Spannungswert VOUT1 herum beim Variieren des Arbeitspunkts der bestimmten Verstärkerschaltung durch Variieren der bestimmten Differenzspannung VDIFF. Bei den vorherigen Ausführungsformen variiert die Ausgangsspannung VOUT um einen Wert von 0 V herum.
Die Simulationsergebnisse in 8b und 8c betreffen eine Kleinsignalanalyse der genannten Verstärkerschaltung. Die Frequenz f und der Wert der ersten Wechselspannung VAC1 und der zweiten Wechselspannung VAC2 können wie bereits gemäß 3b und 3c beschrieben eingestellt werden.
Ein linkes Diagramm von 8b stellt die Transkonduktanz gm des ersten Steuerelements T1 und des dritten Steuerelements T3 der genannten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie in dem linken Diagramm von 6b abgebildet, ist die Transkonduktanz gm des ersten und dritten Steuerelements T1, T3 im Prinzip identisch. Das erste und dritte Steuerelement T1, T3 der Differenzverstärkerschaltung DA weist einen größeren Wert der Transkonduktanz gm verglichen mit der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung auf. Insbesondere im Fall einer Differenzspannung VDIFF von 0 V weisen das erste und dritte Steuerelement T1, T3 der Differenzverstärkerschaltung DA den höchsten Wert ihrer Transkonduktanz gm auf.
Ein Diagramm in 8c stellt die Impedanz Z des zweiten Steuerelements T2 und die Impedanz des vierten Steuerelements T4 der genannten Verstärkerschaltung in logarithmischer Darstellung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Die Impedanzkurven aller drei Verstärkerschaltungen unterscheiden sich voneinander. Die Differenz bei der Impedanz Z für die E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, für die D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und für die Differenzverstärkerschaltung DA ist auf die verschiedenen jeweiligen Zweigströme bei derselben Differenzspannung VDIFF zurückzuführen.
Ein rechtes Diagramm von 8b stellt die Wechselspannungsverstärkung A der genannten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie dargestellt, ist die Wechselspannungsverstärkung A der Differenzverstärkerschaltung DA höher als die Wechselspannungsverstärkung A der E-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung und der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung, wenn der Arbeitspunkt auf eine Differenzspannung VDIFF von 0 V eingestellt wird.
Ein linkes Diagramm von 8d stellt die Wechselspannungsverstärkung A als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannung VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung dar. Für die in 8d abgebildeten Simulationsergebnisse wird der Wert der Differenzspannung VDIFF auf einen konstanten Wert gesetzt, zum Beispiel auf 0 V. Die Differenzverstärkerschaltung DA weist eine Wechselspannungsverstärkung A auf, die im Vergleich mit der E-Modus-pHEMT- und der D-Modus-pHEMT-Verstärkerschaltung über einen großen Bereich von Frequenzen f signifikant höher ist.
Ein rechtes Diagramm von 8d zeigt den Phasenfrequenzgang φ der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannung VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung. Der Phasenfrequenzgang φ ist für alle Verstärkerschaltungen ähnlich und ist nahezu 0°, bis die bestimmte Grenzfrequenz f_3db erreicht wird. Die Grenzfrequenz f_3db der Differenzverstärkerschaltung DA kann auch 100 MHz betragen.
9a bis 9d zeigen Simulationsergebnisse einer Schaltungsanordnung der Differenzverstärkerschaltung DA gemäß 1 und einer anderen Verstärkerschaltung gemäß 10. Beide Verstärkerschaltungen weisen dieselbe Schaltungsanordnung auf und sind ähnlich dimensioniert, um einen Vergleich miteinander zu erlauben. Beide Verstärkerschaltungen umfassen HBTs als das erste und dritte Steuerelement T1, T3. Aber anstelle von D-Modus-pHEMTs mit langem Gate als zweites und viertes Steuerelement T2, T4 umfasst die andere Verstärkerschaltung einen ersten Widerstand R2 und einen zweiten Widerstand R4, die beide identische vorbestimmte Widerstandswerte aufweisen, zum Beispiel 13 kOhm.
Eine durchgezogene Linie L1 in 9a bis 9d ist mit der Differenzverstärkerschaltung DA assoziiert und eine gepunktete Linie L2 ist mit der anderen Verstärkerschaltung assoziiert.
Die Diagramme in 9a zeigen die Ströme und die Ausgangsspannung VOUT als Funktion der Differenzspannung VDIFF. Die bestimmte erste Wechselspannung VAC1 und zweite Wechselspannung VAC2 werden auf 0 V eingestellt.
Das linke Diagramm von 9a stellt den ersten Zweigstrom I1, den zweiten Zweigstrom I2 und den Strom I als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie in dem linken Diagramm von 9a dargestellt, stellt ein Wert der Differenzspannung VDIFF von 0 V einen Arbeitspunkt dar, bei dem ein Wert des ersten Zweigstroms I1 gleich einem Wert des zweiten Zweigstroms I2 ist. Wie dargestellt, sind die Kurven des ersten und zweiten Zweigstroms I1, I2 einander ähnlich. Die Summe sowohl des ersten als auch des zweiten Zweigstroms I1, I2 führt im Prinzip zu dem Strom I, der von der Stromsenke CS verlangt wird.
Ein rechtes Diagramm von 9a stellt die Ausgangsspannung VOUT der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Die Ausgangsspannung VOUT stellt eine Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt TP2 und dem ersten Verbindungspunkt TP1 der bestimmten Verstärkerschaltung dar. Wie dargestellt, sind die Werte der Ausgangsspannung VOUT der Differenzverstärkerschaltung DA und der anderen Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF ähnlich, insbesondere in einem vorbestimmten Bereich zwischen einer ersten Differenzspannung VD1 und einer zweiten Differenzspannung VD2. Außerhalb dieses Bereichs weist die Differenzverstärkerschaltung DA im Vergleich mit der anderen Verstärkerschaltung größere Werte der Ausgangsspannung VOUT nach Betrag auf.
Die Simulationsergebnisse in 9b und 9c betreffen eine Kleinsignalanalyse der bestimmten Verstärkerschaltung. Die Frequenz f und der Wert der ersten Wechselspannung VAC1 und der zweiten Wechselspannung VAC2 können wie bereits gemäß 3b und 3c beschrieben eingestellt werden.
Ein linkes Diagramm von 9b stellt eine Transkonduktanz gm des ersten Steuerelements T1 und des dritten Steuerelements T3 der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Wie in dem linken Diagramm von 9b abgebildet, ist die Transkonduktanz gm des ersten und dritten Steuerelements T1, T3 im Prinzip identisch. Die Kurven der Transkonduktanz gm sind im Prinzip für beide Verstärkerschaltungen identisch. Dies ergibt sich daraus, dass das erste und dritte Steuerelement T1, T3 in beiden Verstärkerschaltungen HBTs sind.
Ein Diagramm in 9c zeigt die Impedanz Z des zweiten Steuerelements T2 und die Impedanz Z des vierten Steuerelements T4 der bestimmten Verstärkerschaltung in logarithmischer Darstellung als Funktion der Differenzspannung VDIFF. In 9c ist ein Unterschied zwischen der Differenzverstärkerschaltung DA und den anderen Verstärkerschaltungen zu sehen. Die Kurve der Impedanz Z des zweiten und vierten Steuerelements T2, T4 der anderen Verstärkerschaltung bleibt aufgrund der Widerstände R2, R4 unabhängig von der Differenzspannung VDIFF konstant. Die Kurve der Impedanz Z des zweiten und vierten Steuerelements T2, T4 der Differenzverstärkerschaltung DA nimmt betragsmäßig abhängig von der Differenzspannung VDIFF zu. Wie in 9c dargestellt, können das zweite und vierte Steuerelement T2, T4 der Differenzverstärkerschaltung DA dergestalt dimensioniert werden, dass die Impedanz Z beider Steuerelemente T2, T4 im Fall einer Differenzspannung VDIFF von 0 V gleich der Impedanz Z des ersten und zweiten Widerstands R2, R4 der anderen Verstärkerschaltung ist. Als Alternative kann die Dimensionierung des zweiten und vierten Steuerelements T2, T4 der Differenzverstärkerschaltung DA von der der anderen Verstärkerschaltung verschieden sein.
Ein rechtes Diagramm von 9b stellt die Wechselspannungsverstärkung A der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Differenzspannung VDIFF dar. Im Fall einer Differenzspannung VDIFF von 0 V sind die Wechselspannungsverstärkungen A der Differenzverstärkerschaltung DA und der anderen Verstärkerschaltung im Prinzip identisch. Im Vergleich mit den Wechselspannungsverstärkungen A der anderen Verstärkerschaltung sind andere Werte der Differenzspannung VDIFF mit höheren Wechselspannungsverstärkungen A der Differenzverstärkerschaltung DA assoziiert.
Ein linkes Diagramm von 9d stellt die Wechselspannungsverstärkung A als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannungen VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung dar. Der Wert der Differenzspannung VDIFF wird auf einen konstanten Wert gesetzt, zum Beispiel auf 0 V. Die Wechselspannungsverstärkung A der Differenzverstärkerschaltung DA und der anderen Verstärkerschaltung sind im Prinzip identisch. Eine Grenzfrequenz f_3db der Differenzverstärkerschaltung DA beträgt zum Beispiel 100 MHz.
Ein rechtes Diagramm von 9d zeigt den Phasenfrequenzgang φ der bestimmten Verstärkerschaltung als Funktion der Frequenz f der ersten und zweiten Wechselspannung VAC1, VAC2 in logarithmischer Darstellung. Der Phasenfrequenzgang φ ist für beide Verstärkerschaltungen ähnlich und ist nahezu 0°, bis die bestimmte Grenzfrequenz f_3db erreicht wird. Die Grenzfrequenz f_3db der Differenzverstärkerschaltung DA kann auch 100 MHz betragen.
Die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen sind als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung zu betrachten und die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten zu beschränken, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs und der Äquivalenz der angefügten Ansprüche modifiziert werden.
Bezugszahlen

CS

Stromsenke

φ

Phase

A

Spannungsverstärkung

B

Basis

C

Kollektor

CM

Vorspannungsschaltung

CS

Stromsenke

CU1

Erste Schaltungseinheit

CU2

Zweite Schaltungseinheit

D

Drainanschluss

DA

Differenzverstärkerschaltung

E

Emitter

f

Frequenz

f_3db

Grenzfrequenz

G

Gate

GND

Bezugspotential

I

Strom

I1

Erster Zweigstrom

I2

Zweiter Zweigstrom

IR

Bezugsstrom

L

Kanallänge

L1, L2, L3

Linien

R2, R4

Widerstände

S

Sourceanschluss

T1

Erstes Steuerelement

T2

Zweites Steuerelement

T3

Drittes Steuerelement

T4

Viertes Steuerelement

T5

Fünftes Steuerelement

T6

Sechstes Steuerelement

T7

Siebtes Steuerelement

T8

Achtes Steuerelement

TP1

Erster Verbindungspunkt

TP2

Zweiter Verbindungspunkt

TP3

Dritter Verbindungspunkt

TP4

Vierter Verbindungspunkt

V1

Erste vorbestimmte Spannung

V2

Zweite vorbestimmte Spannung

VAC1

Erste Wechselspannung

VAC2

Zweite Wechselspannung

VB

Versorgungsspannung

VD1

Erster Differenzspannungswert

VD2

Zweiter Differenzspannungswert

VDC1

Erste Gleichspannung

VDC2

Zweite Gleichspannung

VDIFF

Differenzspannung

VOFFS

Offsetspannung

VOUT

Ausgangsspannung

W

Kanalbreite

W/L

Verhältnis von Kanalbreite und Kanallänge

Z

Impedanz

Claims

Schaltungseinheit (CU), die einen Heteroübergangs-Bipolartransistor und einen pseudomorphen Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate umfasst, wobei entweder ein Sourceanschluss (S) oder ein Drainanschluss (D) des pseudomorphen Hochelektronenmobilitätstransistors mit langem Gate elektrisch entweder mit einem Kollektor (C) oder Emitter (E) des Heteroübergangs-Bipolartransistors gekoppelt ist.
Schaltungseinheit (CU) nach Anspruch 1, wobei der pseudomorphe Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate eine Kanallänge L umfasst, die größer oder gleich 0,5 μm ist.
Schaltungseinheit (CU) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der pseudomorphe Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate einen Kanal mit einer Kanallänge L umfasst, die signifikant größer als eine Kanalbreite W ist.
Schaltungseinheit (CU) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltungseinheit (CU) durch Verwendung von GaAs-BiFET- oder BiHEMT-Technologie auf einem einzigen Chip integriert ist.
Vorspannungsschaltung (CM) mit einer Schaltungseinheit (CU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heteroübergangs-Bipolartransistor der Schaltungseinheit (CU) ein sechstes Steuerelement (T6) ist und wobei der pseudomorphe Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate der Schaltungseinheit (CU) ein siebtes Steuerelement (T7) ist und wobei ein fünftes Steuerelement (T5) einen anderen Heteroübergangs-Bipolartransistor umfasst, während eine Basis (B) und der Kollektor (C) des sechsten Steuerelements (T6) elektrisch kurzgeschlossen sind und eine Basis (B) des fünften Steuerelements (T5) elektrisch mit der Basis (B) des sechsten Steuerelements (T6) gekoppelt ist.
Vorspannungsschaltung (CM) nach Anspruch 5, wobei ein Gate (G) und der Sourceanschluss (S) des siebten Steuerelements (T7) elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen sind.
Differenzverstärkerschaltung (DA), umfassend: – eine erste Schaltungseinheit (CU1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ihr Heteroübergangs-Bipolartransistor ein erstes Steuerelement (T1) ist und wobei ihr pseudomorpher Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate ein zweites Steuelement (T2) ist, – eine zweite Schaltungseinheit (CU2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ihr Heteroübergangs-Bipolartransistor ein drittes Steuerelement (T3) ist und wobei ihr pseudomorpher Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate ein viertes Steuerelement (T4) ist, während das erste Steuerelement (T1) und das dritte Steuerelement (T3) über einen Verbindungspunkt (TP3) elektrisch gekoppelt sind und das zweite Steuerelement (T2) und das vierte Steuerelement (T4) über einen weiteren Verbindungspunkt (TP4) elektrisch gekoppelt sind, – eine Stromsenke (CS), die elektrisch zwischen einem Bezugspotential (GND) und dem Verbindungspunkt (TP3) angeordnet ist und betreibbar ist, um einen vorbestimmten Strom (I) durch die erste Schaltungseinheit (CU1) und/oder die zweite Schaltungseinheit (CU2) zu verlangen.
Differenzverstärkerschaltung (DA) nach Anspruch 7, wobei die Stromsenke (CS) eine Vorspannungsschaltung (CM) nach Anspruch 5 oder 6 umfasst, während das fünfte Steuerelement (T5) der Vorspannungsschaltung (CM) elektrisch zwischen dem Bezugspotential (GND) und dem Verbindungspunkt (TP3) angeordnet ist, während die Schaltungseinheit (CU) der Vorspannungsschaltung (CM) elektrisch zwischen dem Bezugspotential (GND) und dem weiteren Verbindungspunkt (TP4) angeordnet ist.
Differenzverstärkerschaltung (DA) nach Anspruch 7, wobei die Stromsenke (CS) ein achtes Steuerelement (T8) umfasst, das ein pseudomorpher Verarmungs/Hochelektronenmobilitätstransistor mit langem Gate ist, dessen Gate (G) und Sourceanschluss (S) elektrisch kurzgeschlossen sind, während das achte Steuerelement (T8) elektrisch zwischen dem Bezugspotential (GND) und dem Verbindungspunkt (TP3) angeordnet ist.
Differenzverstärkerschaltung (DA) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein Gate (G) des zweiten Steuerelements (T2) und ein Gate (G) des vierten Steuerelements (T4) elektrisch mit dem elektrisch kurzgeschlossenen Gate (G) und Sourceanschluss (S) des siebten Steuerelements (T7) gekoppelt sind.
Differenzverstärkerschaltung (DA) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein Gate (G) des zweiten Steuerelements (T2) und ein Gate (G) des vierten Steuerelements (T4) elektrisch miteinander gekoppelt sind und das Gate (G) und der Sourceanschluss (S) entweder des zweiten Steuerelements (T2) oder des vierten Steuerelements (T4) elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen sind.
Differenzverstärkerschaltung (DA) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei ein Gate (G) und der Sourceanschluss (S) des zweiten Steuerelements (T2) elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen sind und ein Gate (G) und der Sourceanschluss (S) des vierten Steuerelements (T4) elektrisch kurzgeschlossen oder umgangen sind.
Differenzverstärkerschaltung (DA) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Differenzverstärkerschaltung (DA) auf einem einzigen Chip integriert ist.