DE2709314C3

DE2709314C3 - HF-Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2709314C3
Application number: DE2709314A
Authority: DE
Inventors: Josef 8051 Oberhummel Schuermann
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1980-03-20
Also published as: IT1155860B; DE2709314B2; FR2382799B1; GB1598044A; US4179668A; FR2382799A1; DE2709314A1; IT7848268A0; JPS53134349A; NL7802396A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine HF-Verstärkerschaltung mit einem zwei Gate-Elektroden aufweisenden MOS-Feldeffekt-Transistor.

Bei MOS-Feldeffekttransistoren ist es üblich, das Substrat des Transistors mit der Source-Elektrode zu verbinden. HF-Verstärkerschaltungen mit solchen MOS-Feldeffekttransistoren sind bekannt (»Funk-Technik« 1971, Nr. 5, Seite 182, Bild 25 und 26; »Funkschau« 1972, Heft 5, Seite 138, Bild 4). Diese Maßnahme wird angewendet, um zu verhindern, daß die sich zwischen dem Substrat und dem Kanal des Feldeffekttransistors bildende Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn ein solcher MOS-Feldeffekttransistor zur HF-Verstärkung in Gate-Schaltung betrieben werden soll, dann ist das Verbinden des Substrats mit der Source-Elektrode nachteilig, da sich eine hohe Rückwirkungskapazität zwischen dem von der Source-Elektrode gebildeten Signaleingang und dem von der Drain-Elektrode gebildeten Verstärkerausgang ergibt Diese Rückwirkungskapazität beeinträchtigt die Stabilität der Verstärkerschaltung bei hohen Frequenzen äußerst nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Verstärkerschaltung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß ihre HF-Stabilität wesentlich verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der MOS-Feldeffekt-Transistor in Gate-Schaltung und daß eine der beiden Gate-Elektroden mit dem Substrat des MOS-Feldeffekt-Transistors verbunden ist.

Auf Grund der Verbindung zwischen einer der beiden Gate-Elektroden mit dem Substrat wird die vom Ausgar.gskreis zum Eingangskreis zurückwirkende Kapazität des Feldeffekt-Transistors beträchtlich reduziert, was eine Verbesserung der HF-Stabilität zur Folge hat.

Vorteilhafterweise ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß an der nicht mit dem Substrat verbundenen Gate-Elektrode eine Verstärkungsregelspannung anliegt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Verstärkungsabregelung bei Auftreten großer Signale am Verstärkereingang, so daß in einem großen Bereich eine gute Kreuzmodulationsfestigkeit erreicht werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zwischen die mit dem Substrat verbundene Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors auch ein Spannungsteiler geschaltet sein, der einen mit der anderen Gate-Elektrode verbundenen Abgriff aufweist. Mit dieser Schaltung wird die nicht mit dem Substrat verbundene Gate-Elektrode auf eine feste Vorspannung gelegt, so daß sich ein auswählbarer fester Verstärkungsfaktor ergibt. Zur Veränderung des Verstärkungsfaktors kann der zwischen die beiden Gate-Elektroden liegende Abschnitt des Spannungsteilers auch ein variabler Widerstand sein.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Gate-Elektrode von einem Metallbelag, der mit dem Substrat einen Schottky-Übergang bildet, oder von einem PN-Übergang gebildet ist und daß die andere Gate-Elektrode von einem Metallbelag auf einer Isolierschicht auf dem Substrat gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann eine höhere Grenzfrequenz der Verstärkerschaltung erreicht werden.

Bei Verwendung als Mischstufe ist die erfindungsgemäße Schaltung vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß ein Eingangssignal an der Source-Elektrode anliegt und daß das Ausgangssignal eines Überlagerungsoszillators an der Source-Elektrode oder an einer der beiden iate-Elektroden anliegt. Bei einer solchen Mischstufe ist über eine der Gate-Elektroden auch eine Verstärkungsregelung möglich.

Damit verhindert wird, daß der sich zwischen dem Substrat und dem Kanal des Feldeffekttransistors bildende Übergang in den Durchlaßzustand übergeht, ist gemäS einer Weiterbildung der Erfindui.g vorgesehen, daß mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors ein Anschluß eines Vorspannungswiderstandes verbunden ist, dessen anderer Anschluß auf dem Potential der mit dem Substrat verbundenen Gate-Elektrode liegt

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine HF-Verstärkerschaltung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Kreuzmodulationsfestigkeit bekannter HF-Verstärker sowie der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung in Abhängigkeit von der Verstärkungsregelung angibt,

F i g. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung.

Fig.4 und 5 abgewandelte Abschnitte der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung; die anstelle des von einer gestrichelten Linie umgebenden Abschnitts in F i g. 3 eingesetzt werden können, und

F i g. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung bei Verwendung als Mischstufe.

Die in Fig. 1 dargestellte HF-Verstärkerschaltung enthält einen MOS-Feldeffekttransistor 1, der zwei Gate-Elektroden 2 und 3 aufweist. Die Gate-Elektrode 2 ist mit dem Substrat 4 des Transistors 1 verbunden. Das an den Eingang 5 der Schaltung angelegte Signal wird über einen Koppelkondensator 6 der Source-Elektrode 7 des Transistors zugeführt, und das Ausgangssignal wird über einen Schwingkreis aus einem Kondensator 8 und einer Spule 9 abgegeben, der mit der Drain-Elektrode 10 des Transistors Verbunden ist. Der Schaltungsausgang 11 ist an ^ine Anzapfung der Spule 9 angeschlossen.

Der MOS-Transistor 1 wird in Gate-Schaltung betrieben, und Jie Gate-Elektrode 2 gehört dem Eingangskreis und de^n Ausgangskreis gemeinsam an.

An die Source-EIeKtrAde 7 des MOS-Transistors 1 ist über einen Widerstand 12 eine feste Vorspannung angelegt, die verhindert, daß die sich zwischen dem Transistorsubstrat und dem Kanal bildende Diode in den Durchlaßzustand übergeht. Eine Induktivität 13 zwischen dem Widerstand 12 und der Source-Elektrode 7 dient der HF-Entkopplung.

Die Verbindung zwischen dem Substrat 4 und der Gate-Elektrode 2 bewirkt eine starke Reduzierung der Rückwirkungskapazität zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang und somit eine gute HF-Stabilität.

Über die Gate-Elektrode 3 kann an den Feldeffekttransistor 1 eine Spannung zur automatischen Verstärkungsregelung angelegt werden. Das Anlegen dieser A VR-Spannung verbessert das Großsignalverhalten der Verstärkerschaltung auf Grund des günstigen Einflusses auf die Kreuzmodulationsfestigkeit ganz wesentlich. Zur Erzielung der guten Kreuzmodulationsfestigkeit sind dabei keine zusätzlichen Schaltungen erforderlich. In F i g. 2 ist der Verlauf der Kreuzrnodulationsfestigkeit abhängig von der Verstärkungsregelung dargestellt. Die Kurve A gibt dabei die Störspannung Uster für einen Kreuzmodulationsfaktor K= 1 % für eine Verstärkerschaltung an, die mit bipolaren Transistoren arbeitet, wobei die Verstärkungsregelung mit Hilfe eines PIN-Diodennetzwerks erzielt wird. Die Kurve B veranschaulicht die Kreuzmodulationsfestigkeit bei einer Verstärkerschaltung mit einem in Gate-Schaltung betriebenen Feldeffekt-Transistor, der eine Gate-Elektrode aufweist; auch hier erfolgt die Verstärkungsregelung über ein PIN-Diodennetzwerk. Die in F i g. 1 dargestellte HF-Verstärkerschaltung ergibt die Kreuzmoduiationsfestigkeit, die durch die Kurve Cangegeben wird. Dabei ist zu erkennen, daß über den gesamten Regelbereich eine im wesentlichen konstante Störspannung Ustär erzielt wird, ohne daß ein zusätzliches

ι ο PIN-Diodennetzwerk benötigt wird.

Falls eine automatische Verstärkungsregelung nicht erforderlich ist, kann die Schaltung von Fig.3 angewendet werden, in der die Gate-Elektrode 3 über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 14 und 15 an eine feste Vorspannung gelegt ist Dabei ist der Verbindungspunkt der Widerstände 14 und 15 mit der Gate-Elektrode 3 verbunden, und der Widerstand 15 liegt zwischen den Gate-Elektroden 2 und 3. Die beiden Gate-Elektroden sind über einen Kondensator 16 miteinander verbunden, so daß in der angewendeten Gate-Schaltung, in der die Gate-Elektrode 2 an Masse liegt auch die Gate-Elektrode 3 hochfrequenzmäßig an Masse liegt Auch bei dieser Schaltung wird auf Grund der vorhandenen Verbindung zwischen dem Substrat des Feldeffekt-Transistors und der Gate-Elektrode 2 eine gute Stabilität erzielt da auch hier die nachteilige Rückwirkungskapazität reduziert wird.

Der in F i g. 3 von einer gestrichelten Linie umgebene Abschnitt der Verstärkerschaltung kann als integrierte

j« Schaltung auf einem einzigen Halbleitersubstrat hergestellt werden. Auch der Kondensator 16 kann dabei als ein MOS-Kondensator oder als ein Sperrschichtkondensator ausgebildet sein.

In den F i g. 4 und 5 sind Beispiele angegeben, wie die

)5 von der gestrichelten Linie umgebene integrierte Schaltung neben der Ausgestaltung von F i g. 3 noch verwirklicht werden kann. Wie F i g. 4 zeigt, kann der zwischen den beiden Gate-Elektroden liegende Widerstand in Form einer Diodenkette 17 ausgebildet werden,

-tu was an der Gate-Elektrode 3 eine konstante Spannung und eine niedrige dynamische Impedanz zwischen der Gate-Elektrode 3 und Masse bzw. der ersten Gate-Elektrode 2 ergibt, so daß bei hohen Frequenzen der Kondensator 16 klein gemacht oder ganz weggelassen

r. werden kann. Der Widerstand 14 kann von einem als Konstantstromquelle geschalteten Feldeffekt-Transistor 18 gebildet werden. Eine ohmsche Dämpfung des Ausgangskreises wird dadurch vermieden.

In der Ausführung von Fig.5 ist der zwischen den

•in beiden Gate-Elektroden liegende Teil des Spannungsteilers nicht in der von der gestrichelten Linie umgebenen integrierten Schaltung enthalten, sondern die zwei Gate-Elektroden sind zu externen Anschlüssen 19 und 20 geführt. Dies ermöglicht das Einschalten eines , veränderlichen Widerstandes zwischen die beiden Gate-Elektroden, so daß durch Verändern des Werts dieses Widerstandes auch die Verstärkung verändert werden kann.
In F i g. 6 ist eine Ausführungsform der Verstärker-

Wi schaltung dargestellt, die zeigt, wie diese Schaltung als Mischstufe eingesetzt werden kann. Wie zu erkennen ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Gate-Elektrode 2 am Schwingkreis 21 eines Überlagerungsoszillators angeschlossen, was bewirkt, daß das Ausgangssignal

b^r> dieses Überlagerungsoszillators mit dem der Eingangsklemme 5 zugeführten Signal gemischt wird. An die Gate-Elektrode 3 kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Spannung zur automatischen Verstär-

längsregelung angelegt werden, so daß ein gutes Großsignalverhalten erzielt wird. Die Signalmischung kann auch dann erzielt werden, wenn das Ausgangssignal des Überlagerungsoszillators zusammen mit dem Eingangssignal an die Source-Elektrode 7 des Feldeffekt-Transistors 1 angelegt wird; in diesem Fall werden die beiden Gate-Elektroden hochfirequenzmäßig an Masse gelegt. Auch das Anlegen des Oszillatorausgangssignals an die Gate-Elektrode 3 bei gleichzeitigem Anlegen der Gate-Elektrode 2 an Masse ist zur Erzielung der gewünschten Mischwirkung möglich.

Die beschriebene HF-Verstärkerschaltung ermöglicht bei geringem Schaltungsaufwand eine stabile Hochirequenzverstärkung und auch eine gute K.reuzmodulationsfestigkeit bei großem Regelbereich, wenn von der Möglichkeit der Verstärkungsregelung Ge brauch gemacht wird. Die für die Stabilität nachteilige Rückwirkungskapazität zwischen dem Ausgangskrei; und dem Eingangskreis wird durch die in aller Ausführungsbeispielen vorhandene Verbindung zwi sehen dem Substrat des Feldeffekt-Transistors und einei der Gate-Elektroden stark herabgesetzt.

Wenn eine höhere Grenzfrequenz der Verstärker schaltung erzielt werden soll, kann eine Gate-Elektrodf von einem Schottky-Übergang oder einem PN-Über gang auf dem Halbleitersubstrat und die andere Gate-Elektrode von einem Metallbelag auf einei Isolierschicht auf dem Halbleitersubstrat gebilde' werden.

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. HF-Verstärkerschaltung mit einem zwei Gate-Elektroden aufweisenden MOS-Feldeffekttransistor, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Feldeffekttransistor (1) in Gate-Schaltung betrieben ist und daß eine der beiden Gate-Elektroden (2, 3) mit dem Substrat (4) des MOS-Feldeffekttransistors (1) verbunden ist

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ι υ zeichnet, daß an der nicht mit dem Substrat verbundenen Gate-Elektrode eine Verstärkungsregelspannung anliegt

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die mit dem Substrat is verbundene Gate-Eiektrode und die Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors ein Spannungsteiler geschaltet ist, der einen mit der anderen Gate-Elektrode verbundenen Abgriff aufweist

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden Gate-Elektroden liegende Abschnitt des Spannungsteilers ein Widerstand oder eine Diodenkette ist und daß der zwischen der nicht mit dem Substrat verbundenen Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode liegende Abschnitt des Spannungsteilers ein Widerstand oder ein als Konstantstromquelle geschalteter Feldeffekt-Transistor ist

5. Schallung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden Gate-Elektroden liegende Abschnitt des Spannungsteilers ein variabler Widerstand ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gate-Elektroden über einen Kondensator miteinander verbun- )'i den sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator ein MOS-Kondensator oder ein Sperrschicht-Kondensator ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gate-Elektrode von einem Metallbelag, der mit dem Substrat einen Schottky-Übergang bildet, oder von einem PN-Übergang gebildet ist und daß die andere Gate-Elektrode von einem Metallbelag auf einer 4> Isolierschicht auf dem Substrat gebildet ist.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Mischstufe, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal an der Source-Elektrode anliegt und daß das Ausgangssi- v> gnal eines Überlagerungsoszillators an der Source-Elektrode oder an einer der beiden Gate-Elektroden anliegt

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der v, Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors ein Anschluß eines Vorspannungswiderstandes verbunden ist, dessen anderer Anschluß auf dem Potential der mit dem Substrat verbundenen Gate-Elektrode liegt. w)