DE19827702A1 - Aktive Arbeitspunkteinstellung für Leistungsverstärker - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist eine Verstärkerschaltung mindestens einen Endstufentransistor (12), einer Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts und ggf. Bauelemente zur Ansteuerung des/der Endstufentransistor-s/-en, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts mindestens einen Referenzstromfeldeffektransistor (23) mit einer Gateelektrode (22) aufweist, wobei mindestens eine Gateelektrode (22) im Bereich der Elektroden des/der Endstufentransistor-s/-en (5) angeordnet ist und sich der/die Referenzstromfeldeffekttransistor/-en auf einer gemeinsamen Chipfläche (6, 8) mit dem/den Endstufentransistor/-en (12) befindet. DOLLAR A Ferner ist die Verwendung der vorstehenden Verstärkerschaltung in Mobilfunkanlagen beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung umfassend mindestens einen Endstufentransistor, eine Schaltung zur Kom­ pensation von Ruhestromdrifts und ggf. Bauelemente zur An­ steuerung des/der Endstufentransistor-s/-en.

Verstärkerschaltungen für die Hochfrequenztechnik enthalten in der Regel Endstufentransistoren, wie z. B. GaAs-MESFET's. Beispielsweise wird der Arbeitspunkt eines Mobiltelefons auf einen Bereich der Verstärkungskennlinie eingestellt, der im unteren Drittel des Drain-Source-Stroms I_DS, typischerweise bei etwa I_DS=0,1×I_DSS, liegt (class AB-Betrieb).

Geeignete Verstärkerschaltungen mit hohem Wirkungsgrad ent­ halten auf einem Chip i.d.R. mehrere MESFET's, die eine Viel­ zahl von länglichen Dotierungsbereichen aufweisen. Während der Herstellung kann es von Chip zu Chip bzw. von Wafer zu Wafer zu geringen fertigungsbedingten Schwankungen (z. B. durch verändernde Dotierungskonzentration) kommen, die sich in nicht genau reproduzierbaren Verstärkungskennlinien nie­ derschlagen. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit einer nachträglichen Einstellung des Ruhestroms bei jedem einzelnen Chip. Diese erfolgt durch Einstellung der sogenannten "Pinch Off"-Spannung v_p in einem Bereich von z. B. -4 V bis -2,5 V, so daß I_DS innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von z. B. I_DS = 10% I_DSS ±10% liegt. Eine zusätzliche Schwierigkeit liegt darin, daß der Grenzwert für den Ruhestrom im gesamten Temperaturbereich von beispielsweise -30°C bis 80°C einge­ halten werden muß. Eine aufwendige Ruhestromoptimierung durch nachträgliche Kalibrierung der fertigen Schaltung ist daher die Regel. Eine entsprechende Kalibrierung ist jedoch kosten­ intensiv und aufwendig.

Eine im Stand der Technik bekannte Schaltung, die eine teil­ weise Stabilisierung des Ruhestroms bewirkt, ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Bauteil, in dem diese Schaltungsanordnung verwendet wird, wird unter der Bezeichnung CGY-96 von Fa. Siemens AG vertrieben. In der Schaltung bilden Feldeffekt­ transistor 25, Widerstand 32 und V_neg 29 eine Konstantstrom­ quelle. Drain Anschluß 26 ist über einen Widerstand an die die positive Spannung V_con 27 angeschlossen. Von Gate 30 be­ steht ebenfalls eine Verbindung zu V_neg 29. Diese Schaltungs­ anordnung ist über Anschluß 31 mit den Gates der Endstufen­ feldeffekttransistoren 33 der Verstärkerschaltung verbunden. Sämtliche Bauteile, welche die Schaltung in Fig. 1 bilden, befinden sich auf einem in MMIC-Technologie gefertigten Chip. Die Regelschaltung zur Kontrolle des Ruhestroms ist in einem separaten Schaltungsteil mit einem Abstand von weit mehr als 500 µm zu den Endstufentransistoren angeordnet. Nachteil die­ ser Anordnung ist, daß seitens des Kunden eine Kalibrierung der Verstärkerschaltung an Punkt 27 (V_con) vorgenommen werden muß. Ferner ist es nachteilig, daß der Drain-Strom eine nichtlineare Abhängigkeit von Spannung V_con 27 hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine gegenüber der vorstehend beschriebenen Anordnung verbesserte Verstär­ kerschaltung bereitzustellen, die nicht nachträglich kali­ briert werden muß und über einen deutlich erweiterten Tempe­ raturbereich einen Ruhestrom aufweist, welcher innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Verstär­ kerschaltung umfassend mindestens einen Endstufentransistor 12, eine Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts und ggf. Bauelemente zur Ansteuerung des/der Endstufentransistor-s/-en, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts mindestens einen Refe­ renzstromfeldeffekttransistor 23 mit einer Gateelektrode 22 aufweist, wobei mindestens eine Gateelektrode 22 im Bereich der Elektroden des/der Endstufentransistor-s/-en 5 angeordnet ist und sich der/die Referenzstromfeldeffekttransistor/-en auf einer gemeinsamen Chipfläche 6, 8 mit dem/den Endstufen­ transistor/-en 12 befindet.

Der Referenzstromtransistor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Weise gestaltet, daß er die äußeren sich auf den Ruhestrom einwirkenden elektrischen und physikalischen Ein­ flüsse auf die Endstufentransistoren möglichst gut nachempfin­ det. Vorzugsweise liegt der Referenzstromtransistor auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Endstufentransisto­ ren.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung einen Ruhestrom auf, der im Temperaturbereich von -30°C bis 80°C in einem Bereich von 10 bis 500 mA liegt.

Die Gateelektrode 22 befindet sich vorzugsweise in einem Ab­ stand von weniger als 100 um von der nächsten Elektrode 5 ei­ nes Endstufentransistors entfernt. Besonders bevorzugt ist die Gateelektrode 22 in einem Abstand von weniger als 50 µm angeordnet.

Als Referenzstromtransistor 23 wird ein Transistor einge­ setzt, welcher vorzugsweise der Bauart des/der Endstufentran­ sistor-s/-en 12 weitestgehend entspricht. Insbesondere sind beide Transistorenarten in GaAs-MESFET-Technologie gefertigt. Besonders zweckmäßig ist es, bei der Herstellung der Schal­ tung einen Teilbereich der Dotierungsbereiche des/der End­ stufentransistor-s/-en für den/die Referenzstromtransistor/-en mitzuverwenden. D.h. daß zur Bildung eines Referenzstromtran­ sistors ein oder mehrere Dotierungsbereiche, welche für die Endstufentransistoren vorgesehen sind, verwendet wird.

Vorzugsweise wird der Strom des/der Referenzstromtransistor-s/-en zur Regelung des Eingangssignals des/der Endstufentran­ sistor-s/-en benutzt.

Die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts ist in ei­ ner bevorzugten Ausführungsform nicht auf dem Chip 6, 8 ange­ ordnet, auf dem sich die Endstufentransistoren 12 befinden.

Vorzugsweise bildet die Schaltung zur Kompensation von Ruhe­ stromdrifts unter Zuhilfenahme einer weitgehend konstanten Referenzspannung 13 und eines Widerstandes 14 eine dem Strom des/der Referenzstromtransistor-s/-en proportionale Spannung 20. Diese Spannung wird dann zur Regelung des Eingangssignals des/der Endstufentransistor-s/-en benutzt.

Zur Regelung des Eingangssignals des/der Endstufentransistor-s/-en weist die Schaltung zur Kompensation von Ruhestrom­ drifts bevorzugt mindestens einen Transistor 19 auf. Dieser Transistor ist besonders bevorzugt ein bipolarer Transistor, insbesondere ein PNP-Transistor in bipolarer Technologie.

Ferner weist die Schaltung zur Kompensation von Ruhestrom­ drifts zweckmäßigerweise eine zusätzliche Schaltungsanordnung 17, 18 auf, welche zusätzlich vorhandene Temperaturdrifts der Kompensationsschaltung kompensiert.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung als Lei­ stungsverstärker in Mobilfunkanlagen, wie beispielsweise Mo­ biltelefonen.

Es zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnung auf einem Chip 8,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Schaltungsteil auf dem Chip 8 und einer Kompensationsschaltung 9 und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Anpassung des Ruhe­ stroms basierend auf einer Konstantstromquelle ge­ mäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist der Hochfrequenzteil einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung dargestellt. Auf Chip 6, welcher vorzugs­ weise ein Chip in MMIC-Technologie ist, befinden sich finger­ förmige Dotierungsbereiche der Endstufentransistoren 5. Die Endstufentransistoren sind vorzugsweise HF-FET's, wie bei­ spielsweise GaAs-MESFET's.

Weiterhin befinden sich auf dem Chip 6 Bondpads für V_neg 1, Gate 2 und Drain 3. V_neg 1 ist über einen Widerstand mit einem Kondensator und Gate 22 des Referenzstromtransistors verbun­ den. Bondpad 2 ist mit Gate 22 des Referenzstromtransistors über einen weiteren Widerstand verbunden. Desweiteren besteht über einen Widerstand eine Verbindung zu den Gates der End­ stufentransistoren 5. Bondpad 3 ist mit Drain-Finger 4 des Referenzstromtransistors verbunden. An Schaltungspunkt 7 be­ steht eine Verbindung zu weiteren Gates. Der Referenzstrom­ transistor ist mit den einzelnen Verstärkerstufen als Strom­ spiegel beschaltet.

In Schaltung gemäß Fig. 2 definiert Linie 24 eine räumliche und schaltungstechnische Trennung des Bereichs 8 (Chip) zu Bereich 9 (externer Schaltungsbereich).

Schaltungspunkt 10 entspricht Anschluß Gate 2 in Fig. 1 und Schaltungspunkt 11 Anschluß Drain 3 in Fig. 1.

An V_ref 13 liegt eine Spannung an, die vorzugsweise stabili­ siert ist und beispielsweise bei etwa +3 V liegt. Die Schwan­ kungen betragen zweckmäßigerweise weniger als ±5%. Das Po­ tential an Punkt V_con 15 liegt im Bereich von 0 bis 2 V. An Punkt V_neg 16 liegt eine Spannung von etwa -4 V an. Der Wider­ stand R_ref 14 ist mit Emitter 20 des Transistors 19 und mit Referenzstromtransistor 23 (Drain) verbunden.

An R_ref 14 liegt beispielsweise eine Spannung von +1 V an. Die Spannung an Punkt 20 beträgt dann +2 V, die an Basis 21 +1,3 V.

Als Bauelement zur Regelung 19 läßt sich beispielsweise ein PNP-Doppeltransistors in bipolarer Technologie einsetzen. Mit Hilfe der Bauelemente 17 und 18 kann vorzugsweise eine Tempe­ raturkompensation des Bauelements zur Regelung 19 vorgenommen werden. In diesem Fall ist V_ref 13 über Widerstand 17 mit Di­ ode 18 verbunden. Von Diode 18 bestehen Verbindungen zur Ba­ sis 21 und über einen Widerstand zu V_con 15.

Die Kompensationsschaltung gemäß der Erfindung ermöglicht das Ausregeln eines konstanten Ruhestroms über einen weiten Tem­ peraturbereich. Die aktuellen physikalischen Bedingungen im Bereich der Endstufentransistoren werden durch die weitgehen­ de räumliche und geometrische Übereinstimmung des Referenz­ stromtransistors mit den Endstufentransistoren besonders ex­ akt und ohne Zeitverzögerung nachempfunden. Die Schaltung bietet auch den Vorteil, daß der Referenzstromtransistor auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Endstufentransi­ storen liegt.

Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung ist zudem vorteil­ haft gegenüber bekannten Verstärkerschaltungen, da eine opti­ male thermische Kopplung des Referenzstromtransistors an die thermisch aktiven Endstufentransistoren vorliegt. Hinzu kommt, daß hierdurch Vorteile im dynamischen Betrieb erreicht werden.

Auf eine aufwendige Kalibrierung zur Einstellung des Ruhe­ stroms in einen gerätespezifisch vorgegebenen Grenzwertbe­ reich kann bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung ver­ zichtet werden. Hierdurch kommt es zu einer Steigerung der Ausbeute bei der Waferfertigung.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verstärkerschal­ tung ist die Reduktion des Betrags der erforderlichen negati­ ven Hilfsspannung.

Ferner wird durch eine lineare Abhängigkeit von I_D zu V_con eine vereinfachte Stromstellung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung bietet insbesondere dann Vorteile, wenn On Chip-Widerstände eingesetzt werden, welche relativ hohen Toleranzen unterworfen sind. Entspre­ chende On Chip-Widerstände haben in der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung jedoch praktisch keinen Einfluß auf die Regelgröße.

Zusätzlich kann während der Fertigung der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung eine Reduktion des zur Fertigung erfor­ derlichen Zeitaufwands erreicht werden, da eine Selektion der bei der Fertigung erforderlichen Belichtungsmasken entfallen kann.

Claims (9)

1. Verstärkerschaltung umfassend mindestens einen Endstufen­ transistor (12), eine Schaltung zur Kompensation von Ruhe­ stromdrifts und ggf. Bauelemente zur Ansteuerung des/der End­ stufentransistor-s/-en, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromsdrift mindestens einen Referenzstromfeldeffekttransistor (23) mit einer Gateelektrode (22) aufweist, wobei mindestens eine Ga­ teelektrode (22) im Bereich der Elektroden des/der Endstufen­ transistor-s/-en (5) angeordnet ist und sich der/die Refe­ renzstromfeldeffekttransistor/-en auf einer gemeinsamen Chipfläche (6,8) mit dem/den Endstufentransistor/-en (12) be­ findet.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode (22) sich in einem Abstand von weniger als 100 µm von der nächsten Elektrode (5) eines Endstufen­ transistors befindet.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauart des Referenzstromtransistors (23) der Bauart der Endstufentransistoren (12) weitestgehend entspricht.

4. Verstärkerschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des/der Referenzstromtransistor-s/-en zur Rege­ lung des Eingangssignals des/der Endstufentransistor-s/-en benutzt wird.

5. Verstärkerschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts nicht auf dem Chip (6, 8) angeordnet ist, auf dem sich die End­ stufentransistoren (12) befinden.

6. Verstärkerschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts unter Zuhilfenahme einer weitgehend konstanten Referenzspannung (13) und eines Widerstandes (14) eine dem Strom des/der Refe­ renzstromtransistor-s/-en proportionale Spannung (20) bildet, welche zur Regelung des Eingangssignals des/der Endstufen­ transistor-s/-en benutzt wird.

7. Verstärkerschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts zur Regelung des Eingangssignals des/der Endstufentransistor-s/-en mindestens einen Transistor (19) in bipolarer Technologie aufweist.

8. Verstärkerschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Kompensation von Ruhestromdrifts eine zusätzliche Schaltungsanordnung (17, 18) aufweist, welche zu­ sätzlich vorhandene Temperaturdrifts der Kompensationsschal­ tung kompensiert.

9. Verwendung der Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 in Mo­ bilfunkanlagen.