DE1813790B2 - Vorspannungsschaltung fuer einen regelbaren hochfrequenzverstaerker mit einem zwei steuerelektroden aufweisenden feldeffekttransistor - Google Patents

Description

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Feldeffekttransistoren, die außer der Quellen- und Abflußelektrode noch zwei oder mehr Steuerelektroden tnthalten, sind bekannt. Sie zeichnen sich durch hohe Eingangsimpedan/, hohe Kreuzmodulationsfestigkeit end niedriges Eigenrauschen aus und lassen sich leicht galvanisch koppeln sowie in integrierten Schaltungen tealisieren.

Aus der RCA-Anwendungsmitteilung AN-3435 »Cross-Modulation Effects in Sir.gle-Gate and Dual Gate MOS Field-Effect Transistors« (Radio Corporation of America. Electronic Components and Devices. Harrison, N. J, V. S. A.) tst es ferner bekannt, daß sich 5;; Feldeffekttransistoren mit mehreren Steuerelektroden vor allem wegen ihrer hohen Kreuzmodulationsfestigkeit besonders gut für geregelte Hochfrequenzverstärker eignen. Die hohe Kreuzmodulationsfestigkeit von MOS-Feldeffekttransistoren hat u. a. ihre Ursache darin, daß die Abflußstrom/Steuerspannungs-Kennlinie (In/ Vc- Kennlinie) solcher Transistoren sehr weitgehend einer quadratischen Kurve entspricht Da Kreuzmodulationseffekte wesentlich von Komponenten dritter Ordnung in der Kennlinie abhängen, sind sie um so ausgeprägter, je mehr die Kennlinie von der quadratischen Form abweicht. Anders ausgedrückt, tritt Kreuzmodulation dann auf, wenn das betreffende Bauelement in einem Bereich betrieben wird, in dem seine Steilheit nicht linear ist

Der vorliegenden Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorspannungsschaltung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, d&ß ihre Kreuzmodulationsanfalligkeit bei Regelung verringert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorspannungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Bei einem FET-Hochfrequenzverstärker mit der Vorspannungsschaltung gemäß der Erfindung werden die Kennlinienbereiche, in denen die Steilheit nichtlinear ist, schnell durchlaufen, so daß die Gefahr des Auftretens von Kreuzmodulationseffekten im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verringert wird.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Schar von Kennlinien, die die Abhängigkeit der Steilheit einer MOS-Feldeffekt-Transistor-Tetrode von der Spannung zwischen der ersten Steuerelektrode und der Quellenelektrode für verschiedene Weite der Spannung zwischen der zweiten Steuerelektrode und der Quellenelektrode darstellen.

F i g. 2 ein Schaltbild einer geregelten Hochfrequenzverstärkerschaltung, die eine Vorspannungsschahung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält und

Fig.3 ein Schaltbild einer gegenüber Fig.2 etwas abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei der Maßnahmen zur Schaffung eines Regelspannungsbezugspegels getroffen sind.

F i g. 1 zeigt die Abhängigkeit der längs der Ordinate aufgetragenen Steilheit gk von der längs der Abszisse aufgetragenen Spannung Vg. 5 zwischen der ersten Steuerelektrode und der Quellenelektrode für verschiedene Werte der Spannung Vo₂S zwischen der zweiten Steuerelektrode und der Quellenelektrode bei einer MOS-Feldeffekt-Transistor-Tetrode. In den umrandeten Bereichen A und B, die durchlaufen werden, wenn der Verstärkungsgrad des Transistors durch Anlegen einer Sperrspannung an die zweite Steuerelektrode verringert wird, ist die Steilheit nicht linear. In diesen Bereichen treten Effekte dritter Ordnung auf, wenn der Arbeitspunkt durch die Vorspannung der zweiten Steuerelektrode geändert wird. Bei optimalen Vorspannungsverhältnissen, d. h. Vorspannungsverhältnissen, die ein Minimum an Kreuzmodulation ergeben, sollen die nichtlinearen Bereiche so schnell wie möglich durchlaufen werden. Mit anderen Worten gesagt, sollen die nichtlinearen Bereiche innerhalb eines relativ kleinen Bereiches von Vq₁S durchlaufen werden. Aus der Kennlinienschar ist ersichtlich, daß die nichtlinearen Bereiche der Steilheit schnell durchlaufen werden, wenn solche Vorspannungsbedingungen herrschen, daß sich V'cij von einem Anfangswert (z. B. —0,6 Volt) auf einen Endwert (z. B. +0,5 Volt) ändert, wenn Vc₂SVOn einem anfänglichen Maximalwert entsprechend der Kurve 5 auf einen minimalen Endwert entsprechend der Kurve 6 geändert wird. Die Wahl der Arbeitsbedingungen für die Einstellung der Neigung der Kurve Ckann durch die relativ geringe Spannungsbelastbarkeit der ersten Steuerelektrode eingeschränkt werden. Die eingezeichnete Kurve C stellt jedoch eine repräsentative Vorspannungskurve dar, bei der der Spannungsbeiast-

barken aer ersten Steuerelektrode Rechnung getragen ist und trotzdem ein ausgezeichnetes Kreuzmodulationsverhalten erreicht wird.

In Fig.2 ist das Schaltbild eines Hochfrequenzverstärkers dargestellt der eine MOS-Feldeffekt-Transistor-Tetrode 10 mit einer Abflußelektrode 12, einer Quellenelektrode 14, einer ersten Steuerelektrode 16 und einer zweiten Steuerelektrode 18 enthält Die zu verstärkenden Hochfrequenzsignale werden einer Eingangsklemme 20 zugeführt und gelangen über einen Blockkondensator 22 zur ersten Steuerelektrode 16. Mit der zweiten Steuerelektrode 18 ist eine Regelspannungseingangsklemme 24 direkt verbunden, der eine Spannung zur automatischen Verstärkungsregelung zuführbar ist Hochfrequenzsignale an der Regelspannungsklemme 24 werden durch einen Kondensator 28 nach Masse abgeleitet

Die erste Steuerelektrode i6 ist durch einen Widerstand 30 mit der zweiten Steuerelektrode 18 verbunden. Mit der ersten Steuerelektrode 16 ist ferner _M der Verbindungspunkt zweier Widerstände 32, 34 verbunden, die in Reihe zwischen eine Klemme 36 und eine Klemme 38 geschaltet sind. Der Klemme 36 ist eine positive Spannung B+ zuführbar, während die Klemme 38 an einer Bezugsspannung, z. B. Masse 26, liegt

Da der bei gegebenen Vorspannungsverhältnissen fließende Abflußstrom infolge der Exemplarstreuung von Feldeffekt-Transistor zu Feldeffekt-Transistor stark schwanken kann, ist es wünschenswert, eine Gleichstrom-Gegenkopplung vorzusehen, um die durch die Exemplarstreuung verursachten Abflußstromschwankungen zu verringern. Die Quellenelektrode 14 ist daher über einen Gegenkopplungswiderstand 40, der mit einem Kondensator 42 überbrückt ist, mit der an Masse liegerden Klemme 38 verbunden. Die Einschaltung des Widerstandes 40 hat jedoch zur Folge, daß sich die Spannung an der Quellenelektrode mit dem Abflußstrom ändert Insbesondere ändert sich der Spannungsabfall hRn am Widerstand 40, wenn sich der Abflußstrom h entsprechend Schwankungen der Regelspannung ändert

Der Transistor 10 wird über eine Klemme 44, mit der eine nichtdargestellte Energiequelle verbunden ist mit einer positiven Betriebsspannung versorgt Die Klemme 44 ist über einen Schwingkreis 46 mit der Abflußelektrode 12 verbunden. Mit dem Schwingkreis 46 ist eine Spule 50 gekoppelt, die an Ausgangsklemmen 48, 48' angeschlossen ist an welchen die Ausgangssignale des Verstärkers zur Verfügung stehen.

Zur Ermittlung der hinsichtlich der Kruizmodulation optimalen Schaltungsparameter werden die Spannungen für die Steuerelektroden 16 und 18 festgestellt, die bei maximaler Verstärkung die geringste Kreuzmodulation ergeben. Eine entsprechende Ermittlung der Spannungen für die Ste^erelektroden 16 und 18 kann für minimale Verstärkung erfolgen. In der Praxis überschreitet bei den derzeit verfügbaren Bauelementen die hinsichtlich der Kreuzmodulation optimale Spannung bei minimaler Verstärkung die maximal zulässige Spannung für die erste Steuerelektrode. Als Kompromiß wird daher die Spannung für die Steuerelektrode 16 gewählt, die optimales Verhalten des Bauelementes innerhalb der zulässigen Grenzen ergibt Es wurde dabei gefunden, daß die Spannung der Steuerelektrode 16 bei Verringerung des Verstärkungsgrades positiver bezuglieh der Quellenelektrode 14 gemacht werden muß, um die optimale Kreuzmodulationsfestigkeit aufrechtzuerhalten.

Nachdem die obere und untere Grenzspannung für die Steuerelektroden 16 und 18 in der oben beschriebenen Weise bestimmt worden sind, wird eine Schaltung entworfen, die diese Spannungen bei den Grenzen des Regelbereiches wenigstens näherungsweise liefert Diese Schaltung enthält bei dem Verstärker nach F i g. 2 die Widerstände 30, 32 und 34 und arbeitet in Verbindung mit der am Widerstand 40 abfallenden Spannung.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 ist ähnlich wie die in F i g. 2 mit der Ausnahme, daß ein Widerstand 52 zwischen die Steuerelektrode 18 und die positive Klemme 36 geschaltet ist Hierdurch wird die Regelspannungsschaltung anpassungsfähiger, und die für ein optimales Kreuzmodulationsverhalten bei maximaler und minimaler Verstärkung erforderlichen Spannungen lassen sich leichter einstellen.

Im Betrieb wird der Klemme 24 eine Spannung zur automatischen Verstärkungsregelung zugeführt. Diese Regelspannung kann in bekannter Weise erzeugt werden und sich in Abhängigkeit vom Pegel des der Klemme 20 zugeführlen Signals ändern. Wenn die Regelspannung negativer (oder weniger positiv) wird, nimmt der Verstärkungsgrad des Verstärkers ab.

Wenn die der zweiten Steuerelektrode 18 zugeführte Spannung negativer wird, wird die Spannung an der Quellenelektrode 14 ebenfalls negativer. Von der Steuerelektrode 16 aus gesehen, besteht der Effekt darin, die Steuerelektrode 16 positiver bezüglich der Quellenelektrode 14 zu machen. Das Ausmaß dieser Änderung wird von dem Betrag der Regelspannung bestimmt, der der Steuerelektrode 16 (über die Spannungsteilerwiderstände 30 und 34) zugeführt wird. Die Anfangs- und Endspannungen an den Steuerelektroden 16 und 18 im Regelbereich werden ebenfalls durch die Spannungsteilerwiderstände zwischen den jeweiligen Steuerelektroden und der positiven Klemme 36 bestimmt Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 schwankt die Spannung an der Steuerelektrode 18 zwischen + 6.2 und - 4 Volt und an der Steuerelektrode 16 zwischen -0,6 und +0,5VoIt, wenn sich die Regelspannung zwischen den maximaler und minimaler Verstärkung entsprechenden Werten ändert.

Im folgenden werden beispielsweise Schaltungsparameter angegeben, die sich in der Praxis gut bewährt haben.

Fig. 3	RCA 3Nl 40
Transistor 10	1000 pF
Kondensator 22	1000 pF
Kondensator 26	1000 pF
Kondensator 42	150kOhm
Widerstand 30	300 kOhm
Widerstand 32	27 kOhm
Widerstand 34	270 Ohm
Widerstand 40	15 V
B+ (Klemmen 36,44)

Selbstverständlich kann anstelle des dargestellten N-Kanal-Transistors auch ein P-Kanal-Transistor verwendet werden, wenn man die Polaritäten der verschiedenen Spannungsquellen entsprechend umpolt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorspannungsschaltung für einen kreuzmodulationsarmen regelbaren Hochfrequenzverstärker mit einem Feldeffekttransistor, welcher eine mit einer Eingangssignalklemme gekoppelte erste Steuerelektrode, eine mit einer Regelspannungsklemme gekoppelte zweite Steuerelektrode, eine AbfluBelektrode und eine Quellenelektrode, die mit einem mit der Quellen-Abfluß-Strecke des Transistors in Reihe liegenden Impedanzelement gekoppelt ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Widerstand (30) zwischen die beiden Steuerelektroden (16, 18) geschaltet is:, daß ein zweiter Widerstand (34) zwischen die erste Steuerelektrode {16) und einen auf Bezugpotential liegenden Schaltungspunkt (38) geschaltet ist; daß eine der beiden Steuerelektroden über einen dritten Widerstand (32) mit einer Potentialquelle (36) gekoppelt ist und daß die Werte des ersten, zweiten und dritten Widerstandes (30, 34, 32) und des mit der Quellenelektrode (14) gekoppelten Impedanzelementes (40) sowie die Betriebsspannung (B+) sowie die Regelspannung (an der Klemme 24) so bemessen sind, daß sich das Potantial der ersten Steuerelektrode (16) bezüglich der Quellenelektrode (14) in der entgegengesetzten Richtung ändert wie das Potential der zweiten Steuerelektrode (18) bezüglich der Quellenelektrode (14).

2. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstand (32) mit der ersten Steuerelektrode (16) verbunden ist.

3. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialquelle (36) außerdem noch über einen vierten Widerstand (52) mit der zweiten Steuerelektrode (18) verbunden