DE1296220B - Breitbandverstaerker mit Feldeffekttransistoren in Kaskodenschaltung - Google Patents

Breitbandverstaerker mit Feldeffekttransistoren in Kaskodenschaltung

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DE1296220B DER46614A DER0046614A DE1296220B DE 1296220 B DE1296220 B DE 1296220B DE R46614 A DER46614 A DE R46614A DE R0046614 A DER0046614 A DE R0046614A DE 1296220 B DE1296220 B DE 1296220B
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Breitband- F i g. 2 ein Schaltbild eines Breitbandverstärkers
Verstärker mit zwei jeweils eine Quellenelektrode, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der
eine Abflußelektrode, eine vorzugsweise isolierte einen Feldeffekttransistor mit zwei Steuerelektroden,
Steuerelektrode und ein Halbleitersubstrat aufweisen- wie er in F i g. 1 dargestellt ist, enthält, und
den Feldeffekttransistoren in Kaskodenschaltung, bei 5 F i g. 3 a und 3 b graphische Darstellungen der
welcher ein zu verstärkendes Eingangssignal zwischen Vorwärtsverstärkung bzw. Rückwärtsdämpfung der
der Steuerelektrode und der mit Bezugspotential Verstärkerschaltung gemäß F i g. 2 in Abhängigkeit
gekoppelten Quellenelektrode des ersten Feldeffekt- von der Frequenz.
transistors liegt, die Abflußelektrode des ersten Feld- Der in F i g. 1 im Querschnitt dargestellte Feldeffekttransistors mit der Quellenelektrode des zweiten io effekttransistor enthält ein Halbleitersubstrat 12, das Feldeffekttransistors gekoppelt ist und zwischen die auf einem Träger 10 aus Metall angeordnet ist, der Abflußelektrode des zweiten Feldeffekttransistors und gewöhnlich durch den Boden eines Gehäuses gebildet das Bezugspotential ein Ausgangskreis geschaltet ist. wird. Das Substrat 12 kann beispielsweise aus nahezu In der Hochfrequenztechnik, z. B. bei Tunern von eigenleitendem P-Silicium bestehen, das einen spezi-Fernsehgeräten, müssen oft hohe Frequenzen in 15 fischen Widerstand von etwa 10 bis 20 Ohm/cm hat. einem breiten Band verstärkt werden, z. B. Signale Das Substrat 12 enthält drei stark N-leitende Zonen im VHF- und UHF-Bereich. Beim VHF-Bereich, der 13, 14, 15, die im Betrieb als Abflußzone, kombivon 54 bis 216 MHz reicht, ist es üblich, Verstärker nierte Quellen-Abfluß-Zone bzw. Quellenzone des für schmale Frequenzbänder oder Kanäle zu ver- Doppeltransistors arbeiten.
wenden. Im UHF-Bereich, der Frequenzen zwischen 20 Mit der Abflußzone 13 und der Quellenzone 15 470 und 890 MHz umfaßt, ist es andererseits üblich, sind Abschlußdrähte 16 bzw. 17 verbunden, die zu Verstärker zu verwenden, die über den ganzen Be- nicht dargestellten Anschlußklemmen führen. Auf reich durchstimmbar sind, da der UHF-Bereich sehr dem Substrat 12 befindet sich eine isolierende Schicht viele Kanäle enthält. Man benötigt hierfür also eine 18 aus Siliciumdioxyd, die von der Quellenzone 15 breitbandige Verstärkerschaltung, die stabil und 25 zur Abflußzone 13 reicht. Auf der isolierenden rauscharm sein muß. Schicht 18 befinden sich zwei Steuerelektroden 19, Eine bekannte Breitbandverstärkerschaltung für 20 aus Metall, die durch einen isolierenden Abstandshohe Frequenzen ist die sogenannte Kaskodenschal- halter 21 getrennt sind, um die Kapazität zwischen tung. Es ist auch bereits bekannt, solche Kaskoden- diesen beiden Elektroden zu verringern, schaltung unter Verwendung von Feldeffekttransi- 30 Die Steuerelektroden 19, 20 sind so auf der Isolierstoren mit isolierter Steuerelektrode aufzubauen. Bei schicht angeordnet, daß sie sich auf den zwischen einer aus der Zeitschrift »Radio und Fernsehen«, den Zonen 15 und 14 bzw. 14 und 13 liegenden Be-14 (1965), S. 684, bekannten Kaskodenschaltung mit reichen des Substrats befinden. MOS-Transistoren ist zwischen die Steuerelektrode Wenn die Quellenzone 15 im Betrieb bezüglich der des ersten Transistors und Masse ein abgestimmter 35 Abflußzone 13 negativ vorgespannt wird, tritt anEingangskreis geschaltet, die Abflußelektrode des grenzend an die Abflußzone 13 ein an Trägern verersten Transistors ist mit der Quellenelektrode des armter Bereich auf. Dies ermöglicht die Ausbildung zweiten Transistors über eine Induktivität verbunden, eines gleichförmigen und sehr niedrigen Spannungsdie Steuerelektrode des zweiten Transistors ist kapa- gradienten am Rest des Substrates 12. Das resultiezitiv geerdet, und an die Abflußelektrode des zweiten 40 rende gleichförmige Potential längs des ganzen SubTransistors ist ein abgestimmter Ausgangskreis an- strates 12 ermöglicht die Vorspannung der Steuergeschlossen, elektroden 19 und 20 über Anschlußdrähte 26 bzw.
Aus der Zeitschrift »Bull. ASE 56 (1956), 25, 31 mit Spannungen, die auf die Quellenzone 15 be-
S. 1109, ist ferner eine Kaskodenschaltung dieser Art zogen sind. Das Substrat 12 und die Quellenzone 15
bekannt, bei der die Abflußelektrode des ersten Feld- 45 befinden sich also auf praktisch dem gleichen
effekttransistors mit der Quellenelektrode des zweiten Potential.
Feldeffekttransistors direkt durchverbunden ist. Der Stromfluß zwischen der Quellenzone 15 und
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- der Abflußzone 13 erfolgt überwiegend durch eine
gründe, den Verstärkungsgrad und den Frequenzgang Ladungsschicht 22, die an der Oberfläche des HaIb-
von Breitbandverstärkerschaltungen der obengenann- 50 leitersubstrats 12 angrenzend an die isolierende
ten Art zu verbessern. Siliciumdioxydschicht 18 vorhanden ist. Diese La-
Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Breit- dungsschicht 22 wird durch das über die Leitungen bandverstärker der eingangs eingegangenen Art da- 26, 31 den aus Metall bestehenden Steuerelektroden durch erreicht, daß die Steuerelektrode des zweiten 19 bzw. 20 zugeführte Steuerpotential induziert. Die Feldeffekttransistors mit dem Bezugspotential über 55 den Steuerelektroden 19, 20 zugeführten Eingangseine Kopplungsschaltung gekoppelt ist, die einen in- signale und Vorspannungen vermögen daher die duktiven Blindwiderstand zur Neutralisation der Dicke der Ladungsschicht 22 und ihre Ladungs-Elektrodenkapazität des zweiten Feldeffekttransistors dichte sowie den resultierenden Stromfluß zwischen in einem ersten Teil des Betriebsfrequenzbandes und der Quellenzone 15 und der Abflußzone 13 unmittelzur Erhöhung des Verstärkungsfaktors der beiden 60 bar zu steuern.
Transistoren durch Mitkopplung in einem zweiten Der in F i g. 1 dargestellte Doppeltransistor kann
Teil des Frequenzbandes enthält. offensichtlich als aus zwei Transistoren bestehend
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter- angesehen werden, deren Strompfade in Reihe ge-
ansprüchen unter Schutz gestellt. schaltet sind. Die Zone 14 bildet dabei die Abfluß-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen 65 zone für den einen Feldeffekttransistor, der die Zone
näher erläutert; es zeigt 15 als Quellenzone hat, während die Zone 14 gleich-
F i g. 1 eine Querschnittsansicht eines Feldeffekt- zeitig als Quellenzone für den anderen Feldeffekttransistors mit zwei isolierten Steuerelektroden, transistor dient, dessen Abflußzone aus der Zone 13
3 4
besteht. Der in F i g. 1 dargestellte, zwei Steuerelek- Kondensator 30 dargestellt. Der Steuerelektrode 20
troden aufweisende Transistor ist in der Praxis ein in wird eine Vorspannung von einer nicht näher darge-
einem einzigen Gehäuse untergebrachtes integriertes stellten Vorspannungsquelle V02 über eine Drossel
Bauelement. 34, die an den Verbindungspunkt der Leitung 31 mit
F i g. 2 zeigt ein Schaltbild eines Breitbandver- 5 dem Kondensator 32 angeschlossen ist, zugeführt,
stärkers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er- Das verstärkte Signal, das vom Transistor 75 zwi-
findung, das besonders für das UHF-Band geeignet sehen der Quellen-Abfluß-Zone 14 und Masse er-
ist. Entsprechende Teile des Doppeltransistors sind zeugt wird, liegt gleichzeitig am Eingangskreis des
in F i g. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen ver- Transistors 80, d. h. an der Reihenschaltung aus der
sehen. io Steuerelektroden-Quellen-Kapazität 30, der Induk-
Das zu verstärkende Eingangssignal wird einer tivität der Anschlußleitung 31, dem Kondensator 32
Eingangsklemme 23 zugeführt, die mit einem breit- und der induktiven Leitung 33. Dieses Signal wird
bandigen Abstimmkreis, der eine Abstimmstichleitung durch den Feldeffekttransistor 80 nochmals verstärkt
enthält, verbunden ist. Der Abstimmkreis 24 ist auf und erscheint an der Abflußzone 13.
das interessierende Frequenzband abgestimmt und 15 Ein Teil des an der Abflußzone 13 erscheinenden,
über einen Kopplungskondensator 25 und eine In- verstärkten Signals wird durch die Kapazität 37 zwi-
duktivität 26, die durch die Eigeninduktivität der sehen der Abflußzone 13 und der Steuerelektrode 20
Verbindungsleitung gebildet wird, mit der Steuer- auf letztere rückgekoppelt. Diese Rückkopplung, die
elektrode 19 des Doppeltransistors verbunden. Der eine Mitkopplung ist, erhöht die Gesamtverstärkung
Steuerelektrode 19 wird außerdem von einer nicht ao des Doppeltransistors 100.
näher dargestellten Vorspannungsquelle V01 eine Durch die Mitkopplung auf die Steuerelektrode 20 Vorspannung über einen Durchführungskondensator, des oberen Feldeffekttransistors 80 wird die Eineine Drossel 27 und die Leitungsinduktivität 26 zu- gangsimpedanz an der Quellen-Abfluß-Zone 14 ergeführt, höht. Da die Streukapazität zwischen dieser Zone 14
Die Quellenzone 15 des Doppeltransistors 1001st 25 ur>d dem geerdeten Träger 10 sehr klein ist, wird die über eine Verbindungsleitung 17, die als Induktivität Signalverstärkung des oberen Transistors 80 an diedargestellt ist, mit einem benachbarten Punkt des sem Punkt nicht durch kapazitive Belastung begrenzt, aus Metall bestehenden Trägers 10 verbunden. Der Der Doppeltransistor 100 hat die Eigenschaft, daß Träger 10 ist seinerseits außerhalb des Gehäuses an die Kapazität der als Abflußzone des unteren Tranein Bezugspotential oder Masse angeschlossen, so 30 sistors 75 und als Quellenzone des oberen Transistors daß die Verbindungsleitung 17 einen Signalweg 80 arbeitenden Zone 14 gegen Masse viel kleiner ist kleiner Induktivität von der Quellenzone 15 nach als die Gesamtkapazität der entsprechenden Zonen Masse bildet. Die Kapazität der als Eingangselektrode zweier getrennter Feldeffekttransistoren,
geschalteten Steuerelektrode 19 bezüglich der Quellen- Die Signalverstärkung des unteren Transistorteiles zone 15 ist in F i g. 2 durch einen gestrichelt ge- 35 75 des Doppeltransistors 100 wird durch die Impezeichneten Kondensator 40 dargestellt. Die Kapazität danz an der Zone 14 begrenzt. Die Mitkopplung der Steuerelektrode 19 bezüglich der Zone 14 ist zwischen der Abflußzone 13 und der Steuerelektrode durch einen weiteren gestrichelt gezeichneten Kon- 20 hebt jedoch die Gegenkopplung des Gesamtdensator 28 dargestellt. stromes des Transistors auf und erhöht dadurch diese
Das Eingangssignal vom Abstimmkreis 24 erscheint 40 Impedanz. Hierdurch wird auch der Verstärkungsin etwas gedämpftem Zustand an der Kapazität 40; grad des unteren Transistorteiles 75 erhöht. Da die die Dämpfung wird durch die Induktivitäten der Lei- Verstärkung beider Stufen durch die Mitkopplung tungen 17 und 26 verursacht. Das Signal wird dann erhöht wird, ist nur eine relativ schwache Mitkoppdurch den in Fig.2 unteren Feldeffekttransistor75 lung erforderlich, um die Verstärkung als Ganzes verstärkt und erscheint in verstärkter Form zwischen 45 beträchtlich zu erhöhen. Die Stabilität des Verstärder Quellen-Abfluß-Zone 14 und Masse. Die Streu- kers bleibt daher trotz der Erhöhung der Vorwärtskapazität zwischen der Zone 14 und Masse ist durch verstärkung erhalten.
einen gestrichelt gezeichneten Kondensator 29 dar- Um eine Verstärkung in einem breiten Frequenzgestellt, band zu gewährleisten, wird bei dem in F i g. 2 dar-
Die Steuerelektrode 20 des in F i g. 2 oberen Feld- 50 gestellten Verstärker außerdem noch die Rückkoppeffekttransistors 80 des Doppeltransistors 100 ist über lung über die Elektrodenkapazitäten neutralisiert, eine Reihenschaltung aus einer induktivitätsbehafte- Zwischen der Abflußzone 13 des oberen Transistorten Anschlußleitung 31, eines Gleichstrom-Sperr- teiles 80 und der Steuerelektrode 19 des unteren Kondensators 32 und einer induktiven Abstimmstich- Transistorteiles 75 sind eine Anzahl von Streu- und leitung 33 mit Masse verbunden. Die Abflußzone 13 55 Elektrodenkapazitäten vorhanden, wozu auch Kapades Transistors 80 ist mit einer Ausgangsklemme 38 zitäten bezüglich der Masseleitung der Steuereleküber eine induktivitätsbehaftete Anschlußleitung 16, trode 20 zählen.
einen Kopplungskondensator 35 und einen Abstimm- Jede solche Anordnung zwischen drei Klemmen kreis 36 mit einer Abstimmstichleitung verbunden. kann durch eine T-Ersatzschaltung aus drei Kapazi-Der Abstimmkreis 36 ist im Betriebsfrequenzband 60 täten dargestellt werden. Bei einer solchen Ersatzkontinuierlich abstimmbar und gewöhnlich mit dem schaltung ist die Kapazität des nach Masse führenden Eingangsabstimmkreis 24 mechanisch gekuppelt. Schenkels von besonderer Bedeutung. Schaltet man
Der Abflußzone 13 wird von einer nicht näher dieser Kapazität eine geeignet bemessene Induktivität
dargestellten Betriebsspannungsquelle + V0 über eine in Reihe, so erhält man einen Serienresonanzkreis
Drossel 39, die an den Verbindungspunkt der Leitung 65 mit einer im Betriebsfrequenzband liegenden Eigen-
16 und des Kondensators 35 angeschlossen ist, züge- frequenz, der einen Stromweg niedriger Impedanz
führt. Die Kapazität zwischen der Steuerelektrode 20 vom Verzweigungspunkt der T-Schaltung nach Masse
und der Quellen-Abfluß-Zone 14 ist durch einen bildet. Bei dieser Frequenz ist die Rückkopplung
über die Elektrodenkapazitäten durch die Induktivität in der zur Steuerelektrode 20 führenden Masseleitung neutralisiert. Messungen an Doppelfeldeffekttransistoren haben gezeigt, daß diese Neutralisation in einem Frequenzband beträchtlicher Breite eine Verringerung der Rückkopplung auf die Steuerelektrode 19 bewirkt.
In F i g. 3 a ist die Vorwärtsverstärkung (db) des Verstärkers gemäß F i g. 2 in Abhängigkeit von der Frequenz (MHz) mit (obere Kurve) und ohne (untere Kurve) Rückkopplungskompensation dargestellt. Fig. 3b zeigt die Abhängigkeit der Rückwärtsdämpfung (db) des Verstärkers der Fig. 2 für ein von der Abflußzone 13 zur Steuerelektrode 19 gekoppeltes Signal mit Kompensation (Kurvet) und ohne Kornpensation (KurveB). Wie Fig. 3a zeigt, ändert sich die Vorwärtsverstärkung im UHF-Band mit Vorwärtsverstärkung nur etwa 4 db, während sie sich ohne Rückkopplungskompensation um mehr als 10 db ändert. ao
Fig. 3b zeigt, daß die Rückwärtsdämpfung in einem Teil des Frequenzbandes durch die Neutralisation der Rückkopplung über die Elektrodenkapazitäten und mit gleichzeitiger Aufhebung der Stromgegenkopplung verbessert wird. Die Rückwärtsdämpfung wird dabei in einem erheblichen Teil des UHF-Bandes verbessert, während gleichzeitig auch eine höhere Vorwärtsverstärkung erreicht wird.
Eine hohe Rückwärtsdämpfung eines Hochfrequenzverstärkers gewährleistet eine gute Dämpfung der Oszillatorschwingungen, die am Verstärkerausgang vorhanden sind. Der Doppeltransistorverstärker gemäß F i g. 2 kann z. B. in einem UHF-Tuner eines Fernsehempfängers zum Verstärken des empfangenen Signals vor der Mischstufe verwendet werden. Die Mischstufe enthält dabei gewöhnlich eine Kristalldiode, so daß die Oszillatorschwingung am Ausgang des Hochfrequenzverstärkers liegt. Durch eine hohe Rückwärtsdämpfung des Hochfrequenzverstärkers muß dann verhindert werden, daß die Oszillatorschwingung zur Antenne gelangt und von dort abgestrahlt wird. Die Erhöhung der Rückwärtsdämpfung um 20 bis 30 db, die bei der vorliegenden Schaltung erreicht wird, gewährleistet eine ausgezeichnete Dämpfung der vom Oszillator zur Antenne übertragenen Oszillatorschwingungen.
Bei Verwendung des Verstärkers für den UHF-Bereich kann die erforderliche Kompensationsinduktivität aus einem relativ kurzen Drahtstück oder einem Stück Koaxialleitung bestehen. Bei diesen hohen Frequenzen und entsprechend kurzen Wellenlängen bildet die Induktivität der Anschlußleitung 31 der Steuerelektrode 20 einen nennenswerten Teil der Kompensationsinduktivität. Es wurde gefunden, daß der am besten reproduzierbare Anschluß für die Steuerelektrodenanschlußleitung 31 eine direkte, kurze Masseverbindung am Träger 10 ist. Da für die Kompensationsinduktivität ein sehr kurzes zusätzliches Drahtstück ausreicht, kann man eine in das Transistorgehäuse als Teil des Bauelementes eingebaute Spule für die Kompensation verwenden. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sie sehr gut reproduzierbar ist.
Die Anordnung kann dadurch noch weiter gebildet werden, daß man bei der Herstellung des Bauelementes dafür sorgt, daß die erforderliche Vorspannung der Steuerelektrode 20 bezüglich der Quellenzone 15 gleich null Volt ist. Die Leitung 31 kann dann direkt mit Masse verbunden werden, ohne daß ein Blockkondensator 32 oder ein Anschluß zur Zuführung der Vorspannung erforderlich sind.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Breitbandverstärker mit zwei jeweils eine Quellenelektrode, eine Abflußelektrode, eine vorzugsweise isolierte Steuerelektrode und ein Halbleitersubstrat aufweisenden Feldeffekttransistoren in Kaskodenschaltung, bei welcher ein zu verstärkendes Eingangssignal zwischen der Steuerelektrode und der mit Bezugspotential gekoppelten Quellenelektrode des ersten Feldeffekttransistors liegt, die Abfiußelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Quellenelektrode des zweiten Feldeffekttransistors gekoppelt ist und zwischen die Abfiußelektrode des zweiten Feldeffekttransistors und das Bezugspotential ein Ausgangskreis geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (20) des zweiten Feldeffekttransistors (80) mit dem Bezugspotential über eine Kopplungsschaltung (31 bis 34) gekoppelt ist, die einen induktiven Blindwiderstand (31, 33) zur Neutralisation der Elektrodenkapazität (30, 37) des zweiten Feldeffekttransistors in einem ersten Teil des Betriebsfrequenzbandes und zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors der beiden Transistoren durch Mitkopplung in einem zweiten Teil des Frequenzbandes enthält.
2. Breitbandverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Blindwiderstand (31, 33) der Kopplungsschaltung (31 bis 34) so bemessen ist, daß die Elektrodenkapazitäten des zweiten Transistors (80) in einem ersten, kleineren Teil des Betriebsfrequenzbandes neutralisiert und die Vorwärtsverstärkung beider Transistoren (75, 80) durch Mitkopplung in einem zweiten, größeren Teil des Frequenzbandes erhöht wird.
3. Breitbandverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des Frequenzbandes den ersten Teil einschließt.
4. Breitbandverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren (75, 80) ein gemeinsames Substrat (12) haben und in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind.
5. Breitbandverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Blindwiderstand der Kopplungsschaltung (31 bis 34) die Eigeninduktivität (31) einer Anschlußleitung und eine zusätzliche Induktivität (33) enthält, die in Reihe zwischen Steuerelektrode (20) des zweiten Transistors (80) und das Bezugspotential geschaltet sind.
6. Breitbandverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Induktivität (33) in das Gehäuse eingebaut ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DE1967R0046614 1966-11-02 1967-07-31 Breitbandverstaerker mit Feldeffekttransistoren in Kaskodenschaltung Expired DE1296220C2 (de)

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