DE2816110C3 - Niederfrequenz-Leistungsverstärker mit MOS FETs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nicdcrfrequen/.-Lcistungsverstärker, dem ein Tonsignal zugeführt wird und der das Tonsignal verstärkt, um es einer induktiven Last wie einem Lautsprecher zuzuführen, der MOS FFTs verwendet; sie betrifft insbesondere einen Gegcntaki-Niedcrfrequcnz-LeisUingsverstärkcr, der eine Ausgangs-Gegentaktstufc mit MOS FF.Ts aufweist.

Viele bekannte Niederfrcqucnz-Leisuingsverstärker zum Verstärken eines Ton- oder tonfrequenten Signals, das von einer Schallplatte oder einem Magnetband reproduziert ist, verwenden Gcgcntaktkrcisc mit bipolaren Transistoren. Der Gegenlaktkrcis kann ein hohes Ausgangssignal erzeugen und wenn er im B-Betrieb oder -modus betrieben wird, ist der Wirkungsgrad der Leistungsausnutzung erhöht. Folglich ist er zur Verwendung bei einem Nicderfrequenz-Leistungsverstärker mil kleiner Baugröße und hohem Leistungsvermögen geeignet.

Bei im B-Betrieb arbeitendem Gegentaktverstärker nehmen gegentaktbetriebene Transistoren abwechselnd einen Leitfähigkcils- bzw. einen Nichtleitfähigkeits- oder Sperr-Zustand ein für jede positive und negative Halbwolle eines Eingangssignals. Auf diese Weise ist die Frequenzcharakteristik des Gegentaktverstärker durch eine Hochfrequenzcharakteristik der Transistoren bestimmt, die abwechselnd den Leitfähigkeits- und den Sperr-Zustand einnehmen. Um eine Ausgangscharakteristik zu erreichen, die bis zu einem Hochfrequenzband flach ist, werden Transistoren mit kurzer Anstiegszeit und kurzer Abfallzeit verwendet.

Es wurde schon vor einigen |ahren angeregt, einen Gegentaktverstärker mit MOS FETs aufzubauen, die kürzere Anstiegszeiten und Abfallzeiten als bipolare Transistoren besitzen. Da der MOS FET eine Einrichtung ist, die Majoritätsträger steuert bzw. regelt, besitzt er eine höhere Grenzfrequenz als der bipolare Transistor, weshalb ein die MOS FETs verwendender Verstärker eine Ausgangscharakteristik erreichen kann, die bis zu einem höheren Frequenzband flach ist als bei einem bipolare Transistoren verwendenden Verstärker.

Bei der Herstellung eines MOS FETs wird ein

Substrat durch monokristallines Silizium gebildet,

ίο werden ein Drain-Bereich und ein Source-Bereich in einer Ebene des Substrats mit Abstand zueinander so gebildet, daß ein Leitfähigkeits- oder Leitkanal mit zum Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp zwischen dem Drain-Bereich und dem Source-Bereich gebildet wird, wird eine Gate-Elektrode über dem Kanal gebildet, wobei sie vom Substrat und vom Kanal isoliert ist und den Kanal überdeckt, und werden eine Drain-Eisktrode und eine Source-Elektrode mit dem Drain-Bereich bzw. dem Source-Bereich verbunden, wobei der Drain-Bereich und der Source-Bereich miteinander über den Kanal gekoppelt oder verbunden sind. Bei einem derart hergestellten MOS FET wird eine Spannung von einem eine Last aufweisenden Ausgangskreis geführt zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode und wird ein Eingangssignal über die Source-Elektrode und die Gate-Elektrode so angelegt, daß ein im Kanal fließender Sirom durch die Eingangssignalspannung gesteuer; wird, um eine verstärkte Spannung über der

)0 Last 'm Ausgangskreis zu induzieren.

Wenn ein derartiger MOS FET als Lcistungsverstärkcrelemcnt verwendet wird, fließt ein großer Strom durch den MOS FET derart, daß Wärme erzeugt wird. Auf diese Weise muß wie im Fall einer bipolare Transistoren verwendenden Schaltung clic die MOS 1 ETs verwendende Schaltung so ausgebildet sein, daß sie durch die MOS FETs erzeugte Wärme abführt, um dessen thermischen Durchbruch zu verhindern. Um die von den Transistoren erzeugte Wärme wirksam abzuführen, wird der Transistor in einem becherförmigen Gehäuse aus einem thermisch hochlcitfähigcn Metall abgedichtet oder eingeschlossen. Dieses becherförmige Gehäuse kann ein sogenanntes TO-i-Gchäusc sein, das eine Befestigungsbasis oder -grundflächc besitzt, auf der der Transistor befestigt ist. sowie eine Abdeckung, die den Transistor abdeckt und die mit der Befestigungsgrundfläche gekoppelt oder verbunden ist. sowie ein an der Bcfcsligtingsgrundflächc befestigtes Elektrodenpaar, das davon isoliert ist. 'n vielen Fällen ist der MOS FET in einem Zustand betrieben, in dem die Quellen- oder Sourcc-Elcklrode mit dem Substrat gekoppelt oder verbunden sind derart, daß die Source-Elektrode und das Substrat auf gleichem Potential sind. Folglich ist, wenn der MOS I ET in einem becherförmigen Gehäuse eingeschlossen ist, das Substrat des MOS FETs auf der Befestigungsgrundfläche des Gehäuses befestigt und ist die Source-Elektrode mit der Befestigungsgrundfläche elektrisch verbunden, wobei die Befestigungsgrundfläche als Source-Elektrode verwendet ist.

Darüber hinaus wird in vielen Fällen, um die Wärmeabfuhr zu erleichtern, der in dem becherförmigen Gehäuse eingeschlossene Transistor auf einer Wärmesenke befestigt, die aus einem thermisch hochleitfähigcn Metall wie Aluminium befestigt ist. Zwischen dem Gehäuse und der Wärmesenke ist ein elektrisch isolierender und thermisch hochlcitfähiger Film angeordnet, wie Glimmer, derart, daß das Gehäuse

auf der Wärmesenke befestigt ist, wobei es von der Wärmesenke elektrisch isoliert ist. Folglich besteht eine Streukapazität zwischen dem Gehäuse und der Wärmesenke, wobei diese Streukapazität den Betrieb des Verstärkers unstabil macht

Insbesondere wenn die Wärmesenke geerdet ist und der auf der Wärmesenke befestigte MOS FET in Quellen- oder Source-Folgeanordnung betrieben wird, ist die Streukapazität zwischen dem Gehäuse und der Wärmesenke zwischen der Source-Elektrode und Erde oder Masse angeschlossen derart, daß die Streukapazität parallel zu einer Last geschaltet ist, die zwischen der Source-Elektrode und Erde oder Masse angeschlossen ist. Wenn die Last eine induktive Last ist wie ein Lautsprecher, bilden die Last und die Streukapazität π einen Resonanzkreis, der mit einer bestimmten Frequenz schwingt bei einer Schaltung mit negativer Rückkopplung oder Gegenkopplung derart, daß der Betrieb des Verstärkers unstabil wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Nijderfrequenz-Leistungsverstärker mit MOS FETs anzugeben, der stabil arbeitet. Insbesondere soll ein Gegentakt-Niederfrequenz-Leistungsverstärker mit MOS FETs erreicht werden, der die Schwingung verhindert.

Der Niederfrequenz-Leistungsverstärker, von dem bei der Erfindung ausgegangen wird, enthalt MOS FETs, denen ein Signal auf einer Tonfrequenz zugeführt wird und die das tonfrequente Signal verstärken. Jeder der MOS FETs weist eine Halbleitereinheit auf mit einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und einer Gate-Elektrode sowie eine Bcfestigungsgrundplattc aus einem hochwärmeleitenden oder thermisch hochleitfähigem Werkstoff, auf dem die Halbleitereinheit befestigt ist und die auf einer Wärmesenke von dieser isoliert befestigt ist. Das tonfrequente Signal wird js der Gate-Elektrode zugeführt und das verstärkte Signal wird von der Source-Elektrode abgenommen und dann einer Last zugeführt, die zwischen der Source-Elektrode und Erde oder Masse angeschlossen ist. Die Erfindung besteht darin, daß der MOS FET auf der Wärmesenke über einen Isolierfilm befestigt ist und daß die Wärmesenke über ein Impedanzelemcnt, wie einem Widerstand, geerdet ist derart, daß eine Streukapazität, die zwischen der Befcstigungsgrundplattc und der Wärmesenke besteht, über das Impedanzelement geerdet wird. Auf diese Weise ist die parallel zur Last geschaltete Streukapazität mit dem Impcdanzelement reihcngcschaltet. wodurch der schädliche Einfluß der Streukapazität ;.uf die Last beseitigt wird.

Die Erfindung gibt also einen Niederfrequenz-Leistungsverstärkcr an. der MOS FET's verwendet mit jeweils einer Halbleitereinheit mit einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und einer isolierten Gate-Elektrode, die in ein becherförmiges Gehäuse eingeschlossen ist, wobei die Source-Elektrode elek-Irisch mit dem becherförmigen Gehäuse verbunden ist. Wenn der MOS FET, dessen Source-Elektrode mit dem becherförmigen Gehäuse verbunden ist. auf einer Wärmesenke befestigt ist und in Source-Folgeanordnung betrieben ist, ist die Slreukapazität zwischen dem t,o becherförmigen Gehäuse und der Wärmesenke parallel zu einer Last so geschaltet. Ήί'. .."■ r Verstärker schwingt. Die Wärmesenke ist über ein Impedanzelement geerdet und die Streukapazität ist von der Last isoliert, um die Schwingung zu verhindern. _bc,

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt einen MOS FET zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Niederfrequenz-Leistungsverstärker;

Fig. 2 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Verwendung bei einem Niederfrequenz- Leistungsverstärker.

In Fig. 1 ist schematisch im Schnitt ein MOS FET 1 dargestellt, der bei dem erfindungsgemäßen Niederfrequenz-Leistungsverstärker verwendbar ist, wobei der MOS FET 1 eine Befestigungsgrundplatte 2 aus einem thermisch hochleitfähigen Werkstoff wie eine Kupferlegierung enthält, auf der eine Halbleitereinheit 3 befestigt ist. Die Halbleitereinheit 3 weist ein Substrat 4 aus monikristallinem Silizium auf. das thermisch und elektrisch mit der Befestigungsgrundplatte 2 gekoppelt bzw. verbunden ist. Auf der Oberfläche des Substrats 4 ist mit Abstand zueinander ein Drain-Bereich 5 und ein Source-Bereich 6 mit zum Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, wobei ein Kanal 7 zwischen dem Drain-Bereich 5 und dem Source-Bereich 6 ausgebildet ist, um diese miteinander zu verbinden. Elektroden 8, 9 sind mit der Oberseite des Drain-Bereichs 5 bzw. des Source-Bereichs 6 verbunden zur Bildung einer Drain-Elektrode bzw. einer Source-Elektrode. Eine Isolierschicht 10 ist über dem Substrat 4 gebildet mit Ausnahme der Drain-Elektrode 8 und der Source-Elektrode 9 und eine Gate-Elektrode 11 ist auf der Isolierschicht 10 ausgebildet, um den Kanal 7 vollständig oder teilweise zu überdecken. Zwei äußere Anschlüsse 12, 13 sind an der Befestigupgsgrundplatte 2 so befestigt, daß sie durch diese ragen und mit der Befestigungsgrundplatle 2 über Isolatoren 14, beispielsweise aus Glas, gekoppelt sind. Ein äußerer Anschluß 12 ist mit der Gate-Elektrode 11 über einen Draht 15 verbunden und wird als äußerer Gate- Anschluß verwendet, während der andere äußere Anschluß 13 mit der Drain-Elektrode 8 über einen Draht 16 verbunden ist und ais äußerer Drain-Anschluß verwendet wird. Die Source-Elektrode 9 ist mit der Befestigungsgrundplatte 12 über einen Draht 17 verbunden und die Befestigungsgrundplalte 2 wird als Sourcc-Anschluß verwendet. Die Halbleitercinheit 3 ist von einer Abdeckung 18 abgedeckt oder überdeckt, die mit der Befesligungsgrundplatte 12 gekoppelt oder verbunden is' und mit dieser hermetisch abgedichtet ist.

Ein Schaltbild eines Niederfrequenz-Leistungsverstärkers, der derartige MOS FETs verwendet, ist in F i g. 2 dargestellt, wobei ein N-Kanal-MOS FET 1,7 und ein P-Kanal-MOS I ET \b einen B-Gegentaktkrcis bilden. Die Gate-Elektrode ll./dcs ersten MOS FET la ist mit dem Kollektor eines Treiber- oder Ansteucr-Transistors 21 über einen Widerstand 20 verbunden sowie mit dem Plus-Anschluß einer ersten Gleichspannungsversorgung 23 über einen Widerstand 22. Die Gate-Elektrode 116 des zweiten MOS FET's 16 ist direkt mit dem Kollektor des Anstcuer-Transistors 21 verbunden. Die Source-Elektrode 9.7 des ersten MOS FETs 1,7 und die Source-Elektrode 96des zweiten MOS FETs \b sind miteinander verbunden, und eine Last 24 ist zwischen deren Verbindungspunkt und Masse bzw. Erde angeschlossen. Die Drain-Elektrode 8,7 des ersten MOS FETs la ist direkt mit dem Plus-Anschluß der ersten Gleichspannungsversorgnung 23 verbunden, während die Drain-Elektrode Sb des zweiten MOS FETs Indirekt mit dem Minus-Anschluß einer zweiten Glcichspannungsversorgung 25 verbunden ist. Das Substrat 4a des ersten MOS FETs la ist mit der Source-Elektrode 9,7 über die Befcstieunusimindnlatie 2

gemäß Fig. 1 verbunden und das Substrat 4b des zweiten MOS FET's Ib ist mit der Source-Elektrode 90 verbunden. Der Ansteuer-Transistor 21 empfängt an seiner Basis ein tonfrequentes Signal von einer Signalquelle 26. und dessen Emitter ist direkt mit dem Minus-Anschluß der zweiten Gleichspannungsversorgung 25 verbui.Jen. Der Minus-Anschluß der ersten Gleichspannungsversorgung 23 und der Plus-Anschluß der zweiten Gleichspannungsversorgung 25 sind geerdet.

Der N-Kanal-MOS FET la und der P-Kanal-MOS FET Xb arbeiten als komplementärer Gegentaktkreis wie ein komplementärer Gegentaktkreis mit bipolaren Transistoren und jeder MOS FET bildet eine Source-Folgerschaltung. Sie werden von einer Ausgangssignalspannung des Ansteuer-Transisiors 2i angesteuert derart, daß der erste MOS FET la während der positiven Halbwelle der Ausgangssignalspannung des Ansteuer-Transistors 21 leitfähig gehalten ist, während der zweite MOS FET Ib während einer negativen Halbwelle leitfähig gehalten ist. Die beiden MOS FETs la, Ib werden abwechselnd durchgeschaltet und gesperrt zur Leistungsversorgung der Last 24.

Der erste MOS FET la und der zweite MOS FET Ib arbeiten jeweils als Leistungsverstärker und hohe Ströme fließen durch die MOS FETs la und Ib. Folglich wird von jedem der MOS FETs la, Ib eine große Wärmemenge erzeugt. Die von den MOS FETs la und Ib erzeugte Wärme wird zur Wärmeabfuhr einer Wärmesenke 1 zugeführt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Befestigungsgrundplatte 2 des MOS FETs 1 auf einer L-Wärmesenke 30 befestigt, die aus einem thermisch hochleitfähigen Werkstoff wie Kupfer oder Aluminium besteht, wobei die Basisplatte 31 Öffnungen 32 aufweist, in die die äußeren Anschlüsse 12, 13 des MOS FETs 1 eingesetzt sind. Der Durchmesser der Öffnungen 32 ist so bestimmt, daß er größer als der Außendurchmesser der äußeren Anschlüsse 12,13 ist, um zu verhindern, daß die Anschlüsse 12 und 13 mit der Basisplatte 31 in Berührung kommen. Ein Isolierfilm 33 aus einem isolierstoff wie Glimmer ist zwischen der Basisplatte 31 und der Befestigungsgrundplatte 2 so eingesetzt, daß die Befestigungsgrundplatte 2 elektrisch von der Basisplatte 31 isoliert ist. Die Basisplatte 31 weist weiter Befestigungsöffnungen 34 zum Befestigen des MOS FETs 1 auf. Isolierscheiben 35 sind in die Befestigungs-Öffnungen 34 eingesetzt und Schrauben oder Bolzen 36 sind in die Isolierscheiben 35 von der Oberseite der Befestigungsgrundplatte 2 eingesetzt. Muttern 37 sind mit den Bolzen 36 an der Unterseite der Basisplatte 31 verbunden. Der MOS FET ! ist mit der Wärmesenke 30 mittels der Bolzen 36 und Muttern 37 verbunden, wobei die Bolzen 36 als äußerer Source-Anschluß des MOS FETs 1 dienen.

Die Wärmesenke 30 ist in F i g. 2 durch einen Strichlinien-Block 30 dargestellt, der die beiden MOS FETs la und Ib umgibt. Da der Isolierfilm 33 zwischen der Befestigungsgrundplatte 2 der MOS FETs la und Ib und der Wärmesenke 30 eingesetzt ist, bestehen Streukapazitäten 28a und 28b zwischen der Befestigungsgrundplatte 2 und der Wärmesenke 30. Daher sind, wenn die Wärmesenke 30 direkt geerdet ist, die Streukapazitäten 28a und 28b parallel zur Last 24 so geschaltet, daß ein Resonanzkreis zusammen mit einer induktiven Komponente der Last 24 gebildet ist. Folglich schwingt der Verstärker. Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist die Wärmesenke 30 über einen Widerstand 29 geerdet, der als Impedanzelemcnt wirkt. Wie in F i g. 1 dargestellt, ist die Source-Elektrode der Haibieitereinheit 3 direkt mit der Befestigungsgrundplatte 2 verbunden. Folglich ist die Streukapazität, die zwischen der Befestigungsgrundplatte 2 und der Wärmesenke 30 vorhanden ist, zwischen den Source-Elektroden 9a und 9b und der Wärmesenke 30 (F i g. 2) angeschlossen. Der zwischen der Wärmesenke 10 und Masse angeschlossene Widerstand 29 ist mit den Streukapazitäten 28λ, 28b reihengeschaltet, wobei diese Reihenschaltung parallel zur Last 24 geschaltet ist. Auf diese Weise sind durch so Wählen des Widerstands 29, daß er größer als die Impedanz der Last 24 ist, die Streukapazitäten 28a, 28b von der Last 24 isoliert, um das Schwingen des Verstärkers zu verhindern.

Bei einer Fläche des Isolierfilms 33 von etwa 660 mm², einem Klemm-Drehmoment des Bolzens 36 von 5 kg cm und Glimmer als Werkstoff des Isolierfiims 33 besitzen die Streukapazitäten zwischen der Befestigungsgrundplatte 2 des MOS FETs 1 und der Wärmesenke 30 jeweils Kapazitätswerte von etwa 200 pF. Der Kapazitätswert jeder der Streukapazitäten 28a, 28b ändert sich mit dem Klemm-Drehmoment der Bolzen 36. jedoch können die Streukapazitäten 28a, 28b von der Last 24 durch so Wählen des Widerstandswertes des Widerstands 29 isoliert werden, daß dieser größer als die Impedanz der Last 24 verhindert werden, wodurch auch die Schwingung verhindert wird.

Eine Spule oder ein Kondensator mit einer größeren Impedanz als der Impedanz der Last 24 kann anstelle des Widerstands 29 zwischen der Wärmesenke 30 und Masse angeschlossen werden.

Wie erläutert, kann gemäß der Erfindung, wenn die Halbleitereinheit in ein becherförmiges Gehäuse eingeschlossen ist, wobei die Source-Elektrode des MOS FET mit dem Gehäuse verbunden ist zur Bildung einer Source-Folgerschaltung und wobei das becherförmige Gehäuse auf der Wärmesenke befestigt ist, die Streukapazität, die zwischen dem becherförmigen Gehäuse und der Wärmesenke vorhanden ist, von der Last so isoliert werden, daß die Source-Folgerschaltung auf stabile Weise betrieben werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Niederfrequenz-Leistungsverstärker, der MOS FETs verwendet, mit einem MOS FET mit einer Halbleitereinheil einschließlich einer Drain-Elektrode und einer Source-Elektrode, die in einem Halbleiter-Substrat ausgebildet sind, und einer Gate-Elektrode, mit einer Befestigungsgrundplatte, auf der das Substrat befestigt ist, und mit einem becherförmigen Gehäuse, das mit der Befestigungsgrundplatte hermetisch dicht verbunden ist und die Halbleitereinheit darin dicht eingeschlossen enthält, mit einer Wärmesenke für den MOS FET, mit einer Eingangsschaltung zur Zufuhr eines Eingangssignals zur Gate-Elektrode, und mit einer Ausgangsschaltung zur Zufuhr eines Ausgangssignals zu einer zwischen der Source-Elektrode und Masse angeschlossenen induktiven Last, dadurch gekennzeichnet , daß MOS FET(I) auf der Wärmesenke (30) über einen Isolierfilm (33) befestigt ist, und daß die Wärmesenke (30) über ein Impedanzelenient (29) geerdet ist, das zwischen der Wärmesenke (30) und Masse bzw. Erde angeschlossen ist.

2. Niederfrequenz-Leistungsverslärker mit MOS FET, nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das lmpedanzclcment(29)ein Widerstand ist.

3. Niederfrequenz-Leistungsverslärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines N Kanai-MOS FET (IjJ und eines P-Kanal-MOS FET(Io/ welche in einer Gegentaktschaltung miteinander verbunden sind.