DE1541488A1

DE1541488A1 - Halbleiterkaskodenverstaerker in integrierter Schaltung

Info

Publication number: DE1541488A1
Application number: DE19661541488
Authority: DE
Inventors: Narud Jan Arne; Solomon James E
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1965-10-24
Filing date: 1966-09-17
Publication date: 1972-06-08
Also published as: DE1541488B2; US3502997A; GB1152347A; NL6614962A

Description

DIPL-iNG.

HELMUT GÖRTZ ²⁴· ^Januar

6 Fri-rsKijr? am Main 70 Gzx/ri

-!-1.1-,.1.Mi,- -ZrAr. 27-Tel. 61 7079

Motorola, Inc., Franklin Park, Illinois / USA

Halbleiterkaskodenverstärker in integrierter Schaltung

Die Erfindung bezieht sich auf Zwischenfrequenzverstärker und betrifft insbesondere einen Kaskodenverstärker in integrierter Halbleiterschaltung mit verbesserten Regeleigenschaften_c

Bekannte Zwischenfrequenzverstärker mit zwei oder mehreren in Kaskode geschalteten Stufen, von denen eine oder mehrere geregelt wird, haben im Betrieb den Nachteil, daß sich eine konstante Eingangsimpedanz und eine konstante maximale Sättigungseingangsleistung zur Eingangsstufe des Verstärkers außerordentlich schwierig aufrechterhalten läßt, wenn die Regelspannung verändert wird. Dies gilt für Schaltungen, die mit einzelnen aktiven und passiven Bauelementen aufgebaut sind, ebenso wie für integrierte Halbleiterschaltungen. Ein bekannter Verstärker der erwähnten Art hat in Kaskode geschaltete Eingangs- und Ausgangstransistoren, die bezüglich der Regelspannung symmetrisch geschaltet sind. Bei einer Änderung der Regelspannung ändert sich auch gleichzeitig der Widerstand des Eingangs- und des Ausgangstransistors und damit die Eingangsimpedanz und die der Eingangsstufe des Verstärkers zugeführte maximale Eingangsleistung,

Durch die Erfindung sollen die erwähnten Nachteile bekannter Zwischenfrequenzverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung vermieden werden. Sie ist auf eine Verstärkerschaltung gerichtet», deren Eingangs-, Ausgangs- und Steuerhalbleiter so zusammengeschaltet sind, daß die Verstärker eingangs impedanz νχιά die Eingangsleistung bei Veränderungen der Regelspannung konstant bleiben»

Neue Unteren (Ari. J i t Λ1*. 2 Nr. 1 5Φ 3 da* Ands/wiMSflW.

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Der neue -und verbesserte erfindungsgemäße Zwischenfrequenzverstärker soll in Pestkörperschaltung ausgeführt sein. Seine Rauscheigenschaften und Bandbreitenstabilität soll eine Verbesserung bringen. Insbesondere soll sich die Schaltung zur Ausführung als integrierte Schaltung eignen.

Als ein Erfindungsmerkmal soll eine verbesserte RegeTungsschaltung an die Eingangs» und Aus gangs stufen eines in Kaskode geschalteten Zwischenfrequenzverstärkers angeschlossen sein und im Betrieb den Stromfluß durch die Ausgangsstufe ohne Veränderung der Eingangsimpedanz der Eingangsstufe und der dieser zugeführten Eingangsleistung verändern. Der verbesserte ZF-Verstärker soll ohne Verwendung von Koppelkapazitäten oder Vorspannungsinduktivitäten als Bestandteil mit der Regelschaltung verbunden sein. Die Verbesserung wird dadurch erreicht, daß eine pn-HalbleiterVorrichtung parallel zur Emitter-Basis-Verbindung des Eingangstransistors liegt und p- und η-Bereiche besitzt, die in ihren Leitfähigkeitseigenschaften im wesentlichen mit den Leitfähigkeitseigenschaften der jeweiligen p- und η-Bereiche von Basis und Emitter des Eingangstransistors übereins tinmen, der auf derxnxegrierten Schaltungsstruktur gefertigt ist. Damit ist der Ruhestrom des Eingangstransistors über einen großen Temperaturbereich im wesentlichen gleich dem Strom, der von der pn-Halbleiter-Vorrichtung geführt wird. Die Halbleitervorrichtung sorgt hierbei für die Temperaturkompensation.

Nach der Erfindung ist der Verstärker insgesamt als monolithische integrierte Schaltung aufgebaut, dessen Eingangs- und Ausgangstransistoren ebenso wie der Regeltransistor und die Halbleitervorrichtung auf einem Träger aus Halbleitermaterial ausgebildet sind, wobei der Regeltransistör mit den- Eingangstransiatoren und Aus gangs trans is tor en zur Veränderung der Verstärkung verbunden ist. Die Verstärkung läßt sich verändern, ohne daß die Rauschzahl und die Bandbreitenstabilität des Verstärkers beeinflußt wird und ohne daß große Koppelkapazitäten in d er integrierten Schaltung

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erforderlich wären·

Der Eingangstransistor liegt sowohl mit dem Regeltransistor als auch mit dem Ausgangstransistor in Reihe. Er führt einen Strom, der gleich der Summe der im Regel- und Ausgangstransistor fließenden Ströme ist.

Besonders vorteilhaft ist es, daß ein unempfindlich machender Widerstand zwischen die Basisseiten des Regel- und Ausgangs transistors geschaltet ist· Hierdurch wird die Funktionsabhängigkeit des Ausgangstransistors auf Schwankungen der Stromverstärkung in und der Verstärkerregelspannung an dem Regel transistor vermindert·

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergehen sich aus den heiliegenden Darstellungen von Ausftihrungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung·

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Zwischenfrequenzverstärkers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den in monolithischer integrierter Halbleiterschaltung ausgeführten Verstärker.

Der Eingangstransistor 24 ist an eine Signal quelle angeschlossen und in Kaskodenschaltung mit einem Ausgangstransistor 42 verbunden und dient der Verstärkung des Eingangssignales, Parallel zum Ausgangstransistor liegt eine Regelschaltung, die in gleicher Weise wie der Ausgangstransistor 42, jedoch abweichend von der Schaltung des Eingangstransistors, geschaltet ist. Wird die Regelspannung zur Veränderung der Verstärkung variiert, so verändern sich die in der Regelschaltung und im Ausgangstransi stör 42 fließenden Ströme unterschiedlich, während der in der Eingangsstufe fließende Strom und deren Widerstand 14 unverändert bleibt. Somit bleibt die Eingangsimpedanz der Eingangs stufe und die Eingangsleistung bei einer Veränderung der Verstärkung in einem weiten Bereich

konstant,

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Bei der in J¹Ig. 1 dargestellten erfindungs gemäß en Aus führungs form ist der Eingangstransistor 24 als npn-Transistor in Emittergrundschal tung ausgebildet. Er ist über die Transformatorwicklungen 11 und 12 an eine Eingangssignalquelle angeschlossen. Parallel zur Transformatorwicklung 12 liegt ein Yorspannungswiderstand 14» und zwischen diesen und Masse ist eine pn-Halbleiter-Vorrichtung 19» z.B. ein Transistor mit kurzgeschlossener Kollektor-Basis-Verbindung, geschaltet, die eine stabilisierte Rückkopplungsvorspannung zur Einstellung des Ruhestroms in der Emitterüberbrükkungskapazität 17 liefert. Die Halbleitervorrichtung 19 ist zusammen mit dem Eingangstransistor 24 auf derselben Halbleiterplatte ausgebildet. Eine solche Anordnung sorgt für eine vorbestimmbare Vorspannung bei Temperaturänderungen und empfiehlt sich lediglich für monolithische Schaltungen, da sie sehr genau auf den Transistor-Basis-Übergang abgestimmt sein muß. Wenn die Stromspannungscharakteristik der Halbleiter-Vorrichtung 19 und des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 20 gut übereinstimmen und das gleiche Temperaturverhalten zeigen, läßt sich eine konstante Vorspannung am Emitter-Basis-Übergang des Transistors 24 aufrechterhalten. Der p- und η-Bereich von Basis und Emitter des Eingangstransistors 24 haben erfindungsgemäß im wesentlichen gleiche elektrische Charakteristiken wie der p- und η-Bereich der Halbleitervorrichtung 19. Dieses Merkmal ermöglicht, daß die Vorrichtung 19 das Temperaturverhalten des Eingangstransistors 24 kompensieren kann. Die Benutzung der Halbleiter-Vorrichtung 19 in dieser V/eise ist deswegen so wichtig, weil hierdurch in der Schaltung eine konstante Eingangsimpedanz erreicht wird.

An den Kollektor 28 des Transistors 24 sind ein Paar symmetrisch gekoppelte Transistoren 32 und 42 angeschlossen, so daß die npn-Transistoren 24 und 42 in Emittergründechaltung in Kaskode geschaltet sind und die Eingangs- und Ausgangsstufen des ZF-Verstärkers bilden. Mit den Kollektoren der Transistoren 32 und 42 int eine Spannungsquelle 11 verbunden, und im Kollektorkreis des Ausgangs trans is to rs 42 liegt außerdem ein Ausgangsübertrager T 2 mit den Wicklungen 36 und 37. Über einen Widerstand 53 ist eine

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Regelspannungsquelle 55 mit der Basis des Regeltransistors 52 verbunden, an der die Widerstände 50 und 53 einen Spannungsteiler für die Regelspannung bilden.

Der unempfindlich machende Widerstand 50 verhindert ein Stromauf -sich-Ziehen, wenn der Verstärkerkreis mit automatischer Regelung mit einer Anzahl ähnlicher automatisch regelnder Ver- · stärker auf einer einzigen Verstärkungsregelleitung zusammengeschaltet wird. Der Widerstand 50 macht ein Potentiometer oder andere Netzwerke mit enger Toleranz überflüssig. Die !Funktionsweise des Widerstandes 50 wird besonders klar, wenn man sich einmal vorstellt, daß er nicht da wäre. Die Basisseiten der Transistoren 32 und 42 wären dann direkt miteinander verbunden. Damit würde jede geringfügige äußere Schwankung in der Gleichstromspannung an der Basis 30 des Regeltransistors 32 an der Basis 40 des Ausgangstransistors 42 erscheinen. Dies würde zu einer sehr schlechten automatischen Regelung der Verstärkung führen. Der Widerstand 50 wandelt die Spannung an der Basis des Transistors 32 in einen relativ geringen Eingangsstrom zur Basis 40 des Ausgangstransistars 42 um. Hierdurch wird der Ausgangstransistor 42 gegen geringe unerwünschte Änderungen der Gleichstromspannung an der Basis 30 des Regeltransistors 32 unempfindlich gemacht.

Über diese Funktionsweise hinaus verringert der Widerstand 50 die Abhängigkeit des Stromes in dem Tranaistor 42 von Beta- oder StromverstärkungsVeränderungen im Regeltransistor 32. Wenn der Regeltransistor 32 geringen Variationen in der Beta-Verstärkung unterworfen ist, wird der Basisstrom des Transistors beeinflußt. Die Wirkung des Widerstandes 50 verändert aber eine solche äußere Veränderung des Basisstromes in dem Regeltransistor 32 den Basisstrom des Transistors 42 nicht wesentlich. Der Widerstand 50 sichert darüber hinaus eine lineare Verstärkungscharakteristik des Verstärkers.

Mit den Basen der Transistoren 42 und 32 sind jeweils Überbrükkungskapazitäten 44 bzw. 52 verbunden, die für die Basen der beiden symmetrisch gekoppelten Transistoren eine Messeverbindung darstellen. Der eine Rückkopplungsschleife darstellende Widerstand

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35 dient der Vorspannungsstabilisierung für den Verstärker und wirkt in Verbindung mit der Kapazität 58 als Entkopplung der Verstärker stuf en von der Batteriespannung VS.

Wird die Regelspannung an der Basis des Transistors 32 erhöht, so sinkt der Widerstand dieses Transistors und der Widerstand des Transistors 42 steigt an; damit sinkt der Ausgangsstrom umgekehrt proportional und im gleichen Maße wie die Stromänderung im Transistor 32. Ba die Summe der in den Transistoren 32 und 42 fließenden Ströme gleich dem gesamten im Eingangstransistor 24 fließenden Strom ist, ändert sich der Strom im Transistor 24 nicht, so daß auch keine Änderung der Eingangsimpedanz des Eingangs transistors 24 auftritt. Sinkt die Regelspannung an der Basis des Transistors 32, so steigt der Strom durch den Transistor 42 im gleichen Maße wie der durch den Transistor 32 fließende Strom abfällt. So läßt sich die Verstärkung des Kaskodeverstärkers ohne Beeinflussung der Verstärkereingangsstufe verändern.

Fig. 2 veranschaulicht eine monolithische Halbleiterschaltung für einen 60-Megahertz-ZF-Verstärkerj es sind die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet.

Der Verstärker ist auf einem Träger aufgebaut, und die Ausbildung der Transistoren 24» 32 und 42 kann in bekannter Weise vor sich gehen. Die η-leitenden Bereiche der Diode und der Transistoren können durch Maskierung, Diffusion, Legierung oder Epitaxialverfahren ausgebildet werden. Das gleiche gilt für die p- und nleitenden Schichten, die anschließend auf der ursprünglichen nleitenden Schicht erzeugt werden.

Das von der Transformatorwicklung 12 kommende Eingangssignal wird auf die Eingangsklemmen 5 iwid 6, zwischen denen der Widerstand liegt, geführt. Zwischen der Klemme 5 "und den Basis- und Kollektor-Bereichen 20 der Transistordiode 19 verläuft ein Leiter 15·

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Die Kollektor-Basis-Übergänge der Transistordiode 19 sind kurzgeschlossen, und bei Anliegen einer Dur chi aß spannung enthält der fließende Strom hauptsächlich Minoritätsträger (Elektronen), die in die p-leitende Basisschicht injiziert werden. Der n-leitende Emitter 21 der Transistordiode 19 ist über den Leiter 22 mit dem an der Klemme 9 liegenden Massepotential verbunden.

Der Eingangs trans is tor 24 ist aus Schichten n- und p-leitenden Materials 25 -> 27 gebildet, und die η-leitende Emitterschicht 25 ist mit der Masseklemme 54 verbunden. Die p-leitende Basisschicht 26 liegt über den Leiter 13 an einem Ende des Widerstandes 14, und die η-leitende Kollektorschicht 27 liegt über den Leiter 28 an den η-leitenden Emittern 29 und 41 der Transistoren 32 bzw. 42.

Die p-leitende Basiszone des Transistors 42 ist über den Leiter 49 und den Widerstand 48 an die Eingangsklemme 5 und einen Belag der Kapazität 17 geschaltet. Der Leiter 49 verzweigt sich zur Verbindung mit den Widerständen 50 und 56, die im Basis- bzw. Kollektorkreis des Regeltransistors 32 liegen. In diesen Kreisen liegen auch die Widerstände 53 und 35 der Regelschaltung bzw. der Spannungsversorgung. Der zur Versorgungsschaltung gehörende Widerstand 35 hat eine Mittelanzapfung 60 und einen äußeren Anschluß 61, so daß der zwischen der Spannungsquelle + VS und den Kollektoren der Transistoren 32 und 42 liegende effektive Widerstand gegebenenfalls verändert werden kann.

Die Ausgangsklemmen 7 und 8, an die die Transformatorwicklung 36 und die Kapazität 58 angeschlossen sind, sind über die Leiter 38 bzw. 34 mit den η-leitenden Kollektoren der Transistoren 32 bzw. 42 verbunden. Der Ausgangsübertrager T 2 und der Kondensator 58 bilden keinen Teil der in Pig. 2 dargestellten integrierten Schaltung.

Die drei Kapazitäten 17, 44 und 52 sind durch verschiedene Dünnschichtlagen aus Metall - Glasdielektrikum-Fetall gebildet und

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haben eine spezifische Kapazität von etwa 0,47 nF/mm_# e^ua3?e-fflü3r)-. Bezüglich der restlichen Verstärke rs chaltung haben diese Kapazitäten die gleiche Verbindung wie in Fig. 1₍. und sie sind im Bereich 63» der über die Klemme 64 geerdet ist, isoliert. Die Transistoren 24, 32 und 42 und die Diode 19 sind gleichfalls vonbesonderen Isolationsbereichen 65 bis 68 umgeben.

Alle in Fig. 2 gezeigten Widerstände sind aus einem dünnen Fi]m·? mit einem spezifischen Widerstand von 300 Ohm pro Quadrat

hergestellt. Die Leiter bestehen aus Aluminium und sind über eine Schicht von Siliziumdioxyd mit den verschiedenen Schaltungskomponenten verbunden.

In der in Fig. 2 dargestellten ausgeführten Form wurden die nachstehenden Schaltungswerte benutzt. Die unten angeführten Werte für die monolithischen Transistoren beziehen sich auf die Transistoren 24, 32 und 42 und die Transistordiode 19·

Tabelle I

Widerstände 48, 50, 56	3	kß
Widerstand 35	1	k£?
Widerstand 53	20	kß
Kapazitäten 44» 52	100	pF
Kapazität 17	150	pF
Kapazität 58	270	pF
Emitterstrom	1	mA
Spannung (Kollektor-Basis)	4	V
Basislängswiderstand	40	S2
Kollektor-Basis-Kapazi tat	1	pF
Träger-Kollektor-Kapazität	5	pF
Dynamischer Emitter-Übergangswiderstand	26	J?
Widerstand 14	800	Q
Widerstand 14	6000	Q

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Me vorstehenden Werte sind lediglich Beispiele, die keinerlei Einschränkung darstellen.

Durch die Erfindung wird ein Verstärker mit verbesserten Rausch- und Regeleigenschaften geschaffen, der eine gute Bandbreiten-Stabilität hat und sich ausgezeichnet zur Ausführung in integrierter Schaltung eignet.

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Claims

Ί5Α1Α88 -10 Patentansprüche

1. Monolitisch-integrierte Halbleiter-Verstärker-Schaltung mit einem Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor in Kaskodenschaltung, die einen Signaldurchgang für zu verstärkende Signale bilden, einem Regeltransistor, der parallel zu dem Ausgangstransistor liegt,.und einer automatischen Verstärkungsregeleinrichtung zur Regelung des Stromflusses in dem Regeltransistor und zur Veränderung des Stromflusses im Ausgangstransistor ohne den Stromfluß im Eingangstransistor zu ändern, wobei ohne Änderung der Eingangsimpedanz des Eingangstransistors die Verstärkung geregelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine pn-Halbleiter-Vorrichtung (19) parallel zur Emitter-Basis-Verbindung des Eingangstransistors (24) liegt und p- und η-Bereiche besitzt, die in ihren Leitfähigkeitscharakteristiken im wesentlichen mit den Leitfähigkeitscharakteristiken der jeweiligen p·» und η-Bereiche von Basis und Emitter des Eingangstransistors (24) übereinstimmen, der auf derselben integrierten Schaltungsstruktur gefertigt ist, so daß der Ruhestrom des Eingangstransistors (24) über einen großen Temperaturbereich im wesentlichen gleich dem Strom ist, der von der pn-Halbleiter-Vorrichtung (19) geführt wird, indem die Halbleiter-Vorrichtung (19) für die Temperaturkompensation des Eingangstransistors (24) sorgt.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstransistor (24) in Reihe sowohl mit dem Regeltransistor (32) als auch mit dem Ausgangstränsistör (42) liegt und einen im wesentlichen konstanten Strom führt, der gleich der Summe der Ströme ist, die durch den Regeltransistor (32) und den Ausgangstransistor (42) fließen, und daß die automatische Verstärkungsregeleinrichtung eine Einrichtung zur Veränderung der Vorspannung an dem Regeltransistor (32) enthält,

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um dadurch den Stromfluß in dem Re gel trän si stör (32) und dem Ausgangstränsistor (42) zu regeln.

3. Verstärkerschaltung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein unempfindlich machender Widerstand (50) zwischen die Basen des Regel transistors (32) und Ausgangstransistors (42) geschaltet ist und die Funktionsabhängigkeit des Ausgangstransistors (42) auf Schwankungen der Stromverstärkung in und der Verstärkungsregelspannung an dem Regeltransistor (32) vermindert.

4. Verstärkerschaltung nach Ansprüchen 1 bis 3ι dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren des Regeltransistors (32) und des Ausgangstransistors (42) gleichstrommäßig an eine Spannungsversorgungsklemme (VS) angeschlossen sind und daß eine Spannungsteilerschaltung, welche den Widerstand (50) und einen weiteren Widerstand (53) einschließt, mit der Basis des Regeltransistors (32) verbunden ist, um die Gleichstromvorspannung an den Regeltransistor (32) zu legen»

5. Verstärkerschaltung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Eingangstransistors (24) mit einem Bezugspotential verbunden und die pn-Halbleiter-Vorrichtung (19) zwischen die Basis des Eingangstransistors (24) und das Bezupspotential geschaltet ist, um den Arbeitspunkt des Eingangstransistors (24) einzustellen«

6. Verstärkerschaltung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (14) zwischen die pn-Halbleiter-Vorrichtung (19) und die Basis des Eingangstränsistors (24) geschaltet ist, um zusammen mit der pn-Halbl eit er- Vor richtung (19) für eine geringe vorwärtsgerichtete Vorspannung an dem Eingangstransistor (24) zu sorgen.

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Verstärkerschaltung nach Ansprüchen 1 "bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster bzw. ein zweiter Hochfrequenz-Überbriickungskondensator (52 bzw. 44) jeweils zwischen die Basis«. Seiten des Regeltransistors (32) bzw. des Ausgangstransistors (42) und Bezugspotential geschaltet ist, wobei die Kondensatoren (52, 44) wechselstrommäßig die Basen des Regeltransistors (32) "und des Ausgangstransistors (42) an Erde legen, und gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11, 12), über die ein Eingangssignal an die Basis des Eingangstransistors (24) induktiv gekoppelt wird, und eine Einrichtung (36, 37)» über die ein Ausgangssignal von dem Kollektor (39) des Ausgangstransistors (42) induktiv ausgekoppelt wird.

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