DE2911514A1

DE2911514A1 - Hf-verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2911514A1
Application number: DE19792911514
Authority: DE
Inventors: Josef H Schuermann
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1979-03-23
Filing date: 1979-03-23
Publication date: 1980-09-25
Also published as: JPS6337967B2; US4338572A; JPS55159606A; DE2911514C2

Description

.5- 29115U

Patentanwälte

Dipl.-Ing.	DipL-Chem.	Dipt.-Ing.
E. Prinz	Dr. G. Hauser	G. Leiser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60
Unser Zeichen: T	3112	23.Märζ 1979
TEXAS INSTRUMENTS
DEUTSCHLAND GMBH
Haggertystrasse 1
8050 Freising
	HF-Verstärkerschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine HF-Verstärkerschaltung mit einem MES- oder MIS-Feldeffekttransistor mit zwei Gate-Elektroden, dem an der ersten Gate-Elektrode das zu verstärkende HF-Signal und an der zweiten Gate-Elektrode eine Verstärkungsregelspannung über einen hochohmigen Widerstand zugeführt wird.

In einer solchen Verstärkerschaltung kann mittels der der zweiten Gate-Elektrode zugeführten Spannung die Verstärkung des Feldeffekttransistors beeinflußt werden. Dabei zeigt sich, daß die Regelsteilheit, d.h. die Verstärkungsänderung bezogen auf die Regelspannungsänderung, sehr stark zunimmt, wenn der Wert der Regelspannung in den Bereich der Abschnürspannung des Feldeffekttransistors kommt. Die Abschnürspannung ist diejenige Spannung an einer Gate-Elektrode, bei der der Drain-Strom praktisch aufhört zu fließen. Wenn die Regelspannung also einen Wert im Bereich dieser Abschnürspannung erreicht, bewirken bereits sehr kleine Regelspannungsänderungen große Verstärkungsänderungen; dies ist ,jedoch unerwünscht, da sich dadurch eine starke

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NIchtlinearität in der Abhängigkeit zwischen der Regelspannung und der Verstärkungsänderung ergibt.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine HF-Verstärkerschaltung der eingangs geschilderten Art so ausgestaltet werden, daß die Regelsteilheit bei einem Regelspannungswert im Bereich der Abschniirspannung herabgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen die zweite Gate-Elektrode und einen Schaltungspunkt mit festem, im Regelspannungsbereich liegenden Potential eine Diodenkombination mit Durchlaßschwellenwert eingefügt ist.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Differenz zwischen der Regelspannung und dem festen Potential den Durchlaßschwellenwert der Diodenkombination überschreitet, wird diese Diodenkombination leitend, was zur Folge hat, daß die Regelspannungsänderung nicht mehr voILan der zweiten Gate-Elektrode wirksam wird. Die Regelspannungsänderung bewirkt also nicht mehr die gleiche Verstärkungsänderung, die sie ohne die Verwendung der Diodenkombination hervorrufen würde.

Zu einer einfachen Festlegung des Durchlaßschwellenwerts ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Diodenkombination aus einer Zenerdiode, deren Anode an die zweite Gate-Elektrode angeschlossen ist, und aus einer damit mit entgegengesetzter Polung in Serie geschalteten normalen Diode besteht.

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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Diodenkombination aus einer Diodenkette bestehen. Diese Diodenkette hat einen DurchlaßSchwellenwert, der gleich der Summe der Einsatzspannungen der einzelnen Dioden der Kette ist.

Vorteilhafterweise kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß der Schaltungspunkt der Abgriff eines zur Vorspannungserzeugung an der ersten Gate-Elektrode verwendeten Spannungsteilers ist.

Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung kann aber auch so ausgebildet sein, daß der Schaltungspunkt die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Diodenkombination zusammen mit dem Feldeffekttransistor auf dem gleichen Halbleitersubstrat integriert.

Vorzugsweise kann nach der Erfindung der Durchlaßschwellenwert der Diodenkombination so gewählt sein, daß er gleich der Differenz zwischen dem festen Potential an dem Schaltungspunkt und dem Spannungswert ist, an dem die Absohnürung des Feldeffekttransistors einsetzt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen HF-Verstärkers,

Fig.2 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Verstärkungsregelspannung und der relativen Verstärkung,

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Fig.3 ein Ausschnitt aus dem Schaltbild von Fig.1 mit einer Abänderung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.4 einen Ausschnitt aus der Schaltung von Fig.1 mit einer Abänderung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig.5 einen Ausschnitt aus der Schaltung von Fig.1 mit einer Abänderung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig.1 dargestellte HF-Verstärkerschaltung weist eine Eingangsbuchse 1 für den Empfang des zu verstärkenden HF-Signals auf. Das HF-Signal wird über einen Koppelkondensator 2, einen Parallelresonanzkreis aus einer Spule 3 und einem Kondensator 4 und einen weiteren Koppelkondensator 5 der ersten Gate-Elektrode 6 eines zwei Gate-Elektroden aufweisenden MIS-Feldeffekttransistors 7 vom Verarmungstyp zugeführt. Der Feldeffekttransistor kann auch ein MES-Feldeffekttransistor sein, bei dem Jede Gate-Elektrode von der Kanalzone durch eine Schottky-Sperrschicht zwischen einem Metallkontakt und der Halbleiteroberfläche über der entsprechenden Kanalzone isoliert ist. Mit Hilfe eines Spannungsteilers aus zwei Widerständen und 9 wird eine feste Vorspannung U_ß erzeugt. Die vom Verbindungspunkt der beiden Widerstände 8 und 9 abgegriffene Vorspannung wird der Gate-Elektrode 6 über einen derHF-Entkopplung dienenden Widerstand 10 zugeführt.

Der MIS-Feldeffekttransistor 7 weist eine zweite Gate-Elektrode 11 auf, der über einen Widerstand 12 eine an eine Klemme 13 angelegte Verstärkungsregelspannung zugeführt wird. Mittels eines Kondensators 14 ist die zweite Gate-Elektrode 11 hochfrequenzraässig an Masse gelegt.

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Das verstärkte HF-Signal kann an der Drain-Elektrode 15 des MIS-Feldeffekttransistors 7 abgenommen werden. Es wird über einen Koppelkondensator 16, einen Parallelresonanzkreis aus einer Spule 17 und einem Kondensator sowie einen weiteren Koppelkondensator 19 einer Ausgangsklemme 20 zugeführt.

Die positive Versorgungsspannung wird an eine Klemme 21 angelegt, die mit dem Widerstand 8 des Spannungsteilers zur Erzeugung der Vorspannung der Gate-Elektrode 6 verbunden ist. Dieser Spannungsteiler aus den zwei Widerständen 8 und 9 liegt also zwischen der positiven Versorgungsspannung und Masse. Außerdem wird die Versorgungsspannung an eine Klemme 22 angelegt, die über eine Drossel 23 mit der Drain-Elektrode 15 verbunden ist. Zwischen der Klemme 22 und Masse liegt ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 24 und 25 , deseen Abgriff mit der source-Elektrode 26 des Feldeffekttransistors 7 verbunden ist. Die Source-Elektrode 26 wird außerdem mit Hilfe eines Kondensators 27 hochfrequenzmässig an Masse gelegt. Mit Hilfe des Spannungsteilers aus den Widerständen 24 und 25 wird die Source-Elektrode 26 auf eine feste positive Vorspannung gelegt, was zur Folge hat, daß die Verstärkung des Feldeffekttransistors mit einer ausschließlich positiven Regelspannung am Eingang 13 geregelt werden kann.Zur Erzielung einer vollständigen Unterdrückung des Drain-Stroms mit Hilfe der Regelspannung ist also keine negative Spannung erforderlich, wie es ohne die Anhebung der

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Source-Spannung auf einen festen Vorspannungswert der Fall wäre.

Wie aus Fig.1 zu erkennen ist, ist zwischen die zweite Gate-Elektrode und den Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 8 und 9 eine Diodenkombination aus einer Zenerdiode 28 und einer normalen Diode 29 eingefügt.Diese beiden Dioden sind mit entgegengesetzter Polung in Serie geschaltet, wobei die Anode der Zenerdiode 28 mit der Gate-Elektrode 11 und die Anode der normalen Diode 29 mit dem Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerstandene und 9 verbunden ist. Die Katoden der beiden Dioden sind unmittelbar miteinander verbunden.

Die Wirkungsweise der beschriebenen HF-Verstärkerschaltung wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig.2 dargestellte Diagramm erläutert. In diesem Diagramm ist an der Abszisse die der Klemme 13 zugeführte Verstärkungsregelspannung angegeben. Die linke Ordinate gibt die relative Verstärkung an, die als Kurve A dargestellt ist und die rechte Ordinate gibt die an der Gate-Elektrode auftretende Spannung an, die als Kurve B dargestellt ist. Für die Erläuterung sei angenommen, daß die Versorgungsspannung an den Klemmen 21 und 22 einen Wert von etwa 12V hat. Ferner, sei angenommen, dad die Widerstände 8 und jeweils den gleichen Widerstandswert haben, so daß sich am Abgriff des von diesen Widerständen gebildeten Spannungsteilers eine Spannung U_ß von etwa 6V einstellt. Diese Spannung, die die Vorspannung der Gate-Elektrode 6 bildet,

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Ist so gewählt, daß sich eine optimale Verstärkung durch den Feldeffekttransistor ergibt. Wie aus dem Diagramm von Fig.2 hervorgeht, hat die relative Verstärkung ihren Maximalwert, wenn die Regelspannung den höchsten Wert hat,, der im vorliegenden Beispiel 10V beträgt. Der sich bei dieser Regelspannung unter der Gate-Elektrode 11 im Transistorsubstrat bildende Kanal ist bei dieser Regelspannung vollständig leitend, so daß er auf den Drain-Strom keinen Einfluß hat« Die Regelspannung kann sich zwischen dem Wert₉ bei dem sich die maximale Verstärkung ergibt, und dem Wert, bei dem sich die minimale Verstärkung ergibt, ändern. In dem Beispiel von Fig.2 umfaßt der Regelspannungsbereicjß den Bereich von OV bis 10V«

Die Spannung U^ an derGate-Elektrode 11 ist gemäß der Kurve B im Diagramm von Fig.2 vom Maximalwert abwärts identisch mit der Verstärkungsregelspannung li^y^ bis ein Spannungswert ü_g erreicht wird» bei dem die Abschnilrung des von derGate-Elektrode 11 gesteuerten Kanals im Feldeffekttransistor 7 einsetzt«, Ohne die in Fig.1 angegebene Diodenkombination aus der Zenerdiode 28 und der normalen Diode 29 würde die Spannung Ug^ der Verstärkungsregelspannung U_Ayp weiter linear nachfolgen, wie die gestrichelte Linie 3⁴ zeigt«

Im Bereich zwischen dem Maximalwert der Verstärkungsregelspannung U_Ayp und der Spannung Dg ergibt sich auch eine relativ lineare Regelung, wie die Kurve A im Diagramm von Fig.2 zeigt. Nach Erreichen des Abschnürspannungswerts U_p, bei dem das Fließen des Drain-Stroms im Feldeffekttransistor 7 aufhört, hat die Verstärkungsregelspannung U_AVR keine Regelwirkung mehr. Ohne die Diodenkombination aus der Zenerdiode 28 und der normalen Diode 29 würde im Bereich zwischen der Spannung Ug und der Spannung U_p die Steilheit der Kurve A der relativen Verstärkung sehr stark zunehmen, was bedeutet, daß bereits eine geringe Änderung der Regelspannung eine starke Änderung der relativen Verstärkung hervorrufen

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würde. In Fig.2 ist dies mittels der gestrichelten Linie 30 angedeutet. Messungen haben ergeben, daß in dem mit der gestrichelten Linie 30 angegebenen Bereich der Kurve A ohne Verwendung der Diodenkombination eine Regelsteilheit von etwa 30 bis 40 dB/V vorhanden ist.

In der Schaltung von Fig.1 ist der Durchlaßschwellenwert Uj) der Diodenkombination, der sich aus der Zenerspannung der Zenerdiode und der üblicherweise 0,7V betragenden Durchlaßspannung der normalen Diode zusammensetzt, so gewählt, daß er gleich der Differenz zwischen der Vorspannung Ug und der Spannung Ug ist, bei der die Abschnürung des Feldeffekttransistors einsetzt. Dadurch ergibt sich folgende Wirkung: Solange die Verstärkungsregelspannung U.yo größer als die Spannung U_B ist, ist die Zenerdiode 28 unwirksam, und die normale Diode 28 ist in Sperrichtung vorgespannt, so daß die vom Spannungsteiler erzeugte feste Vorspannung nicht an die Gate-Elektrode 11 gelangen kann. Sobald die Verstärkungsregelspannung einen kleineren Wert als die Spannung U_ß erreicht, wird die Zenerdiode gesperrt, und die Diode 29 wird leitend. Bei einer weiteren Absenkung der Verstärkungsregelspannung bis auf die Spannung U-, wird die Durchbruchs spannung der Zenerdiode 28 erreicht, so daß sie in den leitenden Zustand übergeht. Daß die an der Gate-Elektrode 11 anliegende Spannung nach dem Durchbruch der Zenerdiode 28 nicht einfach auf einem festen Spannungswert festgeklemmt wird, der gleich der Differenz Up zwischen der festen Vorspannung U_ß und der Spannung Ug

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ist, ist auf die nichtideale Durchbruchskennlinie der Zenerdiode zurückzuführen. Wenn die Regelspannung nach dem Durchbruch der Zenerdiode weiter verringert wird, ändert sich auch der durch sie fliessende Strom. Auf Grund der nichtidealen Kennlinie ändert sich der an ihr auftretende Spannungsabfall, so daß die Regelspannungsänderung, die die Stromänderung in der Zenerdiode hervorruft, nach wie vor eine Änderung der Gate-Spannung U^₂ bewirkt, jedoch nicht mehr mit dem vollen Änderungswert, sondern vermindert um den Spannungsabfall am Widerstand 12. Die Gate-Spannung U^ hat also nicht genau den Wert der Verstärkungsregelspannung, sondern sie ist um den Spannungsabfall am Widerstand 12 erhöht. Im Diagramm von Fig.2 läßt sich dies daraus erkennen, daß die Kurve B bei einer Verringerung der Verstärkungsregelspannung U_Ayp unter den Wert U-g einen flacheren Verlauf hat, als dies ohne Verwendung der Diodenkombination der Fall wäre. Der flachere Verlauf der Kurve B ergibt einen entsprechend flacheren Verlauf der Kurve A der Verstärkungsregelung im Bereich zwischen den beiden Spannungswerten Ug und Up. Dieser flachere Verlauf der Kurve A in dem genannten Bereich hat praktisch die Wirkung, daß eine bestimmte Verstärkungsspannungsänderung eine geringere Verstärkungsänderung zur Folge hat, als dies ohne Verwendung der Diodenkombination der Fall wäre. Durch Messung konnte gezeigt werden, daß bei Anwendung der beschriebenen Schaltungsanordnung die Regelsteilheit im kritischen Bereich auf etwa 10 bis 12 dB/V gesenkt werden konnte.

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In den Figuren 3, 4 und 5 sind verschiedene andere Ausführungsformen des in Figvt zwischen, den zwei senkrechten gestrichelten Linien befindlichen Abschnitte der HF-Verstärkerschaltung dargestellt. Der Rest der Schaltung stimmt jeweils mit der Schaltung von Fig.1 überein_t so daft er in den Figuren 3 bis 5 nicht erneut gezeichnet wurde.

In der Ausführungsform von FIg.3 ist die Diodenkombination von einer Diodenkette 32 gebildet, die aus mehreren in Serie geschalteten Dioden besteht. Der Durchlaßschwellenwert entsteht in dieser Schaltung dadurch, daß die Diodenkette erst dann leitet, wenn die an ihr auftretende Spannungsdifferenz größer als die Summe der Einsatzspannungen der einzelnen Dioden ist. Für den Fall von Silizium-Dioden beträgt die Einsatzspannung bekanntlich 0,7V, so daß im Fall von Fig.3 der Durchlaßschwellenwert 2,8V beträgt. Die Diodenkette 32 wird also leitend, wenn die Regelspannung an der Klemme 13 um 2,8V unter der Spannung am Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 8 und 9 wird.

Auch die Diodenkette 32 hat eine nichtideale Kennlinie, so daß keine Klemmung der Spannung Uq₂ ^auf einen festen Spannungswert eintritt. Wenn nach dem übergang der Diodenkette 32 in den leitenden Zustand die Regelspannung an der Klemme 13 weiter abnimmt, die Spannungsdifferenz zwischen der Regelspannung ϋ_Δντ, und der Spannung U₁₃ also

A VXv JJ

größer wird, ändert sich auch der an der Diodenkette auftretende Spannungsabfall, so daß sich demgemäß auch die Gate-Spannung U_G2 ändert.

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In der Ausführungsform von Fig.4 ist die Dio&enkombination, die wie im Ausführungsbeispiel von Fig.1 aus einer normalen Diode und aus einer Zenerdiode besteht, zwischen die Gate-Elektrode 11 und die Source-Elektrode 26 des Feldeffekttransistors eingeschaltet. Dies 1st deshalb möglich, weil auf Grund des Spannungsteilers ^uis den Widerständen und 25 auch an der Source-Elektrode eine feste positive Vorspannung anliegt. Die Verstärkerschaltung in der Ausführungsform von Fig.4 verhält sich wie die Schaltung von Fig.1. Bei der Ausführungsform von Fig.4 folgt die Spannung an der Gate-Elektrode 11 nach dem Durchbruch der Zenerdiode 28 nicht mehr exakt der Regelspannung an der Klemme 13 nach, sondern wird jeweils um den "Spannungsabfall am Widerstand 12 gegenüber der Regelspannung angehoben.

Auch in der Ausführungsform von Fig.5 ist die Diodenkombination zwischen die Gate-Elektrode 11 und die Source-Elektrode 26 des Feldeffekttransistors 7 eingeschaltet; sie besteht in diesem Fall jedoch wie im Fall von Fig.3 aus der Diodenkette 32, die aus vier in Serie geschalteten Dioden zusammengesetzt ist. Das Verhalten dieser Ausführungsform entspricht dem Verhalten der Ausführungsform von Fig.3» was bedeutet, daß die Diodenkette 32 erst leitend wird, wenn die Regelspannung um die Summe der Einsatzspannungen der Einzeldioden der Kette niedriger als die Spannung an der Source-Elektrode ist. Nach dem Übergang der Diodenkette 32 in den leitenden Zustand entsteht im Widerstand 12 ein Spannungsabfall, der die Spannung an der Gate-Elektrode 11 gegenüber der

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Regelspannung an der Klemme 13 anhebt. Dies hat, wie oben im Zusammenhang mit Fig,.1 ausführlich geschildert wurde, die gewünschte Verringerung der Regelsteilheit zur Folge.

Die Diödenkombination kann auch an einem Abgriff P des Source-Widerstandes 25 angeschlossen sein, so daß sie nicht an der vollen Source-Spannung, sondern nur an einem Teil dieser Spannung liegt. Diese Alternative ist inFig.1 mit gestrichelten Linien angedeutet-.

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Claims

2311514 Patentanwälte Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60 Unser Zeichen: T 3112 23.Märζ 1979 TEXAS INSTRUMENTS DEUTSCHLAND GMBH Haggertystrasse 1 8050 Freising Patentansprüche

1. HF-Verstärkerschaltung mit einem MES- oder MIS-Feldeffekttransistor mit zwei Gate-Elektroden, dem an der ersten Gate-Elektrode das zu verstärkende HF-Signal und an der zweiten Gate-Elektrode eine Verstärkungsregelspannung über einen hochohmigen Widerstand zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die zweite Gate-Elektrode (11) und einen Schaltungspunkt mit festem, im Regelspannungsbereich liegenden Potential eine Diodenkombination (28, 29; 32) mit Durchlaßschwellenwert eingefügt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenkombination aus einer Zenerdiode (28), deren Anode an die zweite Gate-Elektrode (11) angeschlossen ist, und aus einer damit mit entgegengesetzter Polung in Serie geschalteten normalen Diode (29) besteht.

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3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenkombination aus einer Diodenkette (32) besteht, deren Katode mit der zweiten Gate-Elektrode (11) verbunden ist.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt der Abgriff eines zur Vorspannungserzeugung an der ersten Gate-Elektrode (6) verwendeten Spannungsteilers (8,9) ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt die Source-Elektrode (26) des Feldeffekttransistors (7) ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt ein Abgriff am Source-Widerstand (25) des Feldeffekttransistors (7) ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenkombination zusammen mit dem Feldeffekttransistor (7) auf dem gleichen Halbleitersubstrat integriert ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßschwellenwert der Diodenkombination so gewählt ist, daß er gleich der Differenz zwischen dem festen Potential an dem Schaltungspunkt und dem Spannungswert ist, an dem die Abschnürung des Feldeffekttransistors einsetzt.

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