DE2917895A1 - Hybrid-baustein - Google Patents

Hybrid-baustein

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Description

Schw/Ba
- 4 Patentanwä,e
Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-lng.
E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
Ernsbergerstrasse
8 München 60
Unser Zeichen: T 3251 30.April 1979
THOMSON-CSF
173 Boulevard Haussmann 75008 Paris, Frankreich
Hybrid-Baustein
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Verstärker mit sehr geringem Stehwellenverhältnis am Eingang und am Ausgang sowie mit einer beachtlichen und konstanten Verstärkung in einem vorbestimmten Frequenzbereich über 1 GHz. Das oder die aktiven Bauelemente, die zur Bildung des Verstärkers verwendet werden, sollen gegen äußere Einflüsse durch ein dichtes Gehäuse geschützt sein.
Bekannte Verstärkerschaltungen machen von einem aktiven Bauelement in einem dichten Gehäuse sowie von Schaltungselementen mit Übertragungsleitungen mit verteilten Konstanten sowie von passiven diskreten Bauelementen Gebrauch, die ausschließlich der notwendigen Entkopplung zwischen den Vorspannungs-Schaltungsteilen und den HF-Schaltungsteilen dienen. Mit diesen Schaltungen können die oben angegebenen Ziele nicht erreicht werden.
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In einer Ausführungsform eines herkömmlichen Hybrid-Bausteins, der auf einem Keramikplättchen das gehäuselose aktive Bauelement und die verschiedenen Schaltungselemente der Verstärkerschaltung enthält, bestehen zahlreiche Probleme, von denen die wichtigsten die Bildung einer Masseebene auf der von den Schaltungselementen abgewandten Fläche des Plättchens, das Durchbohren des Plättchens zur Erzielung des Zugangs zu der Masseebene und die Herstellung eines speziellen Gehäuses für jeden aufgebauten Hybridbaustein sind. Eine solche Ausführungsform ist kompliziert und teuer.
Mit Hilfe der Erfindung sollen die Nachteile herkömmlicher Schaltungen vermieden werden.
Nach der Erfindung ist der Hybrid-Baustein zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen mit einem Plättchen, das eine aktive Halbleiterstruktur bildet, und einem dichten Gehäuse aus einem isolierenden Plättchen, einem ein Mittelfenster aufweisenden Sockel und einer Schutzkappe dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster und die freie Fläche des isolierenden Plättchens die Unterbringung wenigstens eines anderen aktiven Bauelements als das Halbleiterplättchen ermöglichen, und daß in unmittelbarer Nähe des Halbleiterplättchens in dem Mittelfenster oder an seinem Rand Bauelemente der Verstärkerschaltung für sehr hohe Frequenzen und zum Festlegen der Gleichspannung an wenigstens einer Elektrode des Halbleitßrplättchens angebracht sind.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen :
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Fig.1 bei (a) eine Draufsicht und bei (b) einen längs der Mittelebene AA in der Draufsicht (a) verlaufenden Schnitt eines bekannten Gehäuses für ein bei sehr hohen Frequenzen arbeitendes Halbleiterplättchen,
Fig.2 und Fig.3 elektrische Schaltbilder, die der Erläuterung dienen,
Fig.4 eine Teildraufsicht auf einen Hybrid-Baustein nach der Erfindung,
Fig.5, Fig.6 und Fig.7 Beispiele von elektrischen Ersatzschaltbildern für Ausführungsformen der Erfindung und
Fig.8 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verstärkungsverlaufs .
In Fig.1 ist ein Gehäuse eines aktiven Bauelements für sehr hohe Frequenzen ( im GHz-Bereich) ohne seine hermetisch abdichtende Schutzkappe dargestellt. Die bei (a) dargestellte Draufsicht zeigt einen rechtwinkligen Sockel 10 (mit einer Länge von 16 mm und einer Breite von 5 mm), dessen Enden als Laschen zur mechanischen Befestigung dienen und zu diesem Zweck Löcher aufweisen können. Am Mittelteil dieses Sockels ist ein rechtwinkliges Keramikplättchen 11 angeschweißt, das die gleiche Breite (5 mm ) wie der Sockel, jedoch eine geringere Länge hat. Dieses Keramikplättchen weist eine rechtwinklige Mittelöffnung 12 auf, deren Abmessungen etwa 5 x 1 mm betragen. Die nicht dargestellte Schutzkappe ist ein Keramikplättchen,
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das ausreichend groß ist, um die Mittelöffnung gut zu bedecken.
Das inFig.2 als Beispiel dargestellte Schaltbild setzt sich aus drei Teilen zusammen, nämlich
- einem ersten Teil, der in dem nach der Erfindung ausgebildeten Hybrid-Baustein nicht enthalten ist und einen HF-Stromgenerator 21 (mit einer Arbeitsfrequenz in der Größenordnung von 4 bis 18 GHz)enthält, der mit einem symbolisch den Generatorinnenwiderstand repräsentierenden Widerstand 22 und einer Anschlußklemme 23 zum Anschließen an den Hybrid-Baustein in Serie geschaltet ist;
- einem denHybrid-Baustein 20 bildenden zweiten Teil mit einer Anschlußklemme 24, einem Kondensator 25» einem Widerstand 26, einem Feldeffekttransistor 30 (mit dem Gate-Anschluß G, dem Source-Anschluß S und dem Drain-Anschluß D), einem Widerstand 29, der mit einem parallel zwischen dem Source-Anschluß und Masse liegenden Kondensator 31 einVorspannungsglied für den Source-Anschluß bezüglich Masse bildet und schließlich einer Anschlußklemme 27;
- einem außerhalb des Hybrid-Bausteines befindlichen dritten Teil mit einer Anschlußklemme 28, die einen Gleichstromzweig (mit einer in Serie zu einer Kopplungsinduktivität 32 geschalteten Quelle 33) und einen HF-Stromzweig (mit einer in Serie zu einer Last 35 geschalteten Kondensator 34) parallel verbindet, wobei jeder dieser Zweige am anderen Ende an Masse liegt.
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Das Ersatzschaltbild des Transistors 30 ist in Fig.3 dargestellt. Seine Eigenschaften sind in der nachfolgend angegebenen Tabelle I zusammengestellt. Jede Spalte ist dabei für einen Transistor, der sich von den anderen jeweils durch die effektive Breite seiner Gate-Zone, also praktisch der Nutzlänge der mehrere parallele Finger aufweisenden Gate-Elektrode, unterscheidet.
250,um Tabelle 1 800 yum 1200 yum 1600/um 3200^
Jate-Breite 0,05 400/um 0,1 0,1 0,1 0,03
Lg(nH) 0,1 0,1 0,1 0,05 0,05 0,1
LG(nH) 0,1 0,2 0,2 0,3 0,2 0,15
L0 (nH) 1 0,3 3 0,5 0,7 0,3
R3(Ohm) 12 3 4 2 2 1,6
RG(Ohm) 6 10 1 1 1 0,2
RD(Ohm) 0,25 1 2 2,8 3,4 6,4
C1(PF) 0,015 0,6 0,02 0,09 0,15 0,28
C2(pF) 28 0,01 115 149 216 405
Gmo(S) 2,2 37 5 5 5 14,4
Gg (S) 7 2 7 6 6 4,8
Tl (ps) - 6 2,6 5,5 3 1,4
R1(OhHi) - 3 0,15 0,15 0,25 0,56
C3(pF) 0,1
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In Fig.4 ist eine Draufsicht auf ein nach der Erfindung ausgebildeter Hybrid-Baustein mit abgenommener Schutzkappe dargestellt, in dem ein Feldeffekttransistor angebracht ist, dessen Eigenschaften aus der Tabelle 1 hervorgehen. Die Bauelemente des Schaltbildes von Fig.2 und die entsprechenden Bauelemente des Hybrid-Bausteins von Fig.4 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei den anschließend erläuterten Ausführungsbeispielen wird angenommen, daß der Innenwiderstand 22 des Generators 21 den Wert 50 Ohm hat. Außerdem wird angenommen, daß die Last 35 einem reinen Widerstand mit 50 Ohm äquivalent ist. Die Gate-Breite des verwendeten Transistors ist für jedes Beispiel angegeben.
In dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Übertragungsleitungen 41 und 42 mit verteilten Konstanten zu erkennen, die aus Metallisierungen bestehen und die die Anpassung an die Eingangs- und Ausgangsschaltungen, also an den Gate-Eingang und den Drain-Ausgang, ermöglichen. Die Gate-Breite des Transistors beträgt hier 1600 um. Das isolierende Plättchen 11 besteht aus einem Keramikmaterial mit geringen dielektrischen Verlusten bei den Betriebsfrequenzen, die im Bereich von 4 bis 18 GHz liegen. Die Kondensatoren 25 und 31, deren Wert jeweils 45 pF beträgt, werden durch Aufbringen von zweiseitig metallisierten Keramikplättchen gebildet, die unter Anwendung der herkömmlichen Technologie von Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum hergestellt sind. Die Widerstände 26 und 29 mit den Werten 1000 0hm bzw.4,6 Ohm (i/gmo) sind aus Siliziumplättchen gebildet, die in
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herkömmlicher Weise dotiert und auf ihren beiden Flächen metallisiert sind. In beiden Fällen weisen die Kondensatorplättchen und die Widerstandsplattchen eine metallisierte Fläche auf, die mit dem Sockel oder mit der Metallisierung verschweißt ist. Die Anschlüsse werden von Golddrähten gebildet, die mit den Metallisierungen auf den freiliegenden Flächen der Plättchen der entsprechenden Bauelemente verschweißt sind.Die Anschlüsse müssen so kurz wie möglich sein, damit sie bei den angewendeten Frequenzen eine vernachlässigbare Induktivität haben; folglich sind auch die Bauelemente einander so weit wie möglich angenähert.
Bei den in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die ohmschen und kapazitiven Bauelemente wie im zuvor beschriebenen Beispiel aus ebensolchen Plättchen gebildet. Die Induktivitäten sind jedoch durch einfache Schleifen aus Golddraht gebildet, die entsprechend Berechnungs- und/oder Versuchsergebnissen eingestellt sind.
Das in Fig.5 dargestellte Schaltbild ist das Schaltbild eines Verstärkers mit einer geradlinigen Verstärkung von 8 dB im Bereich von 4 bis 8 GHz; es wird ein Transistor aus der Tabelle 1 mit einer Gate-Breite von 800yum verwendet.
Der Verstärker gibt eine Leistung von beispielsweise 200 mW ab. Die Werte der Bauelemente 25, 26 und 31 entsprechen denen des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels; der von g abhängige Widerstand 29 hat dagegen den Wert 8,7 0hm.
Die Induktivität 51 hat den Wert 0,5 nH, die Induktivität 53 hat den Wert 1 nH, und der Kondensator 52 hat den Wert 0,5 pF,
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Die Bauelemente 51 und 52 bilden ein Tiefpaßfilter.
Fig.6 zeigt das Schaltbild eines Verstärkers mit nahezu geradliniger Verstärkung von 6 bis 7 dB im Frequenzbereich von 5 bis 13 GHz; in dieserSchaltung wird ein Transistor aus der Tabelle 1 mit einer Gate-Breite von 300 um verwendet. Die Ausgangsleistung des Verstärkers beträgt beispielsweise 50 mW. Die gegenüber dem Beispiel von Fig.4 neuen Bauelemente sind ein (wahlweise verwendbarer) Kondensator 62 sowie die Induktivitäten 61 (0,5 nH) und 63 (1 nH).
In Fig.7 ist ein Verstärkerschaltbild mit nahezu geradliniger Verstärkung von 6 bis 8 dB im Frequenzbereich von 9 bis 15 GHz oder von 13 bis 18 GHz dargestellt; in dieser Schaltung wird ein Transistor aus der Tabelle mit einer Gate-Breite von 300 um verwendet. Die Verstärkerausgangsleistung beträgt beispielsweise 50 mW. Die bezüglich des Beispiels von Fig.4 neuen Bauelemente sind die Induktivitäten 71 (0,5 nH), 72 (0,5 nH) und 73 (1 nH). Für den Widerstand 29 ergibt sich durch Interpolieren der Werte von g für die Gate-Werte im Bereich von 300 um ein Widerstandswert von etwa 30 Ohm.
In Fig.8 ist der Verstärkungsverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz F gemessen am Beispiel der Schaltung von Fig.4 zwischen 4 und 8 GHz dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Verstärkung im größten Teil ihres Verlaufs zwischen 5,5 und 6 dB schwankt.
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Wesentlich größere Bereiche mit geradlinigem Verstärkungsverlauf können durch Verbessern der Bauelemente der Bandfilterzellen erhalten werden, die von den am Eingang und am Ausgang des Verstärkers angebrachten Bauelementen gebildet sind. Solche Verbesserungen stoßen Jedoch auf eine theoretische ( und praktische ) Grenze, wenn reine aktive Bauelemente verwendet werden sollen, die sehr leistungsfähig sind,jedoch am Eingang oder am Ausgang hohe Gütefaktoren in sich bergen. Ein solcher Gütefaktor tritt als starker Reflexionskoeffizient an einer komplexen charakteristischen Impedanz in Erscheinung, was im allgemeinen bei sehr hohen Frequenzen und in einem breiten Frequenzband der Fall ist. Welche Schaltungselemente zur Impedanzanpassung am Eingang oder am Ausgang des aktiven Bauelements auch angewendet werden, kann in diesem Fall ein hohes Stehwellenverhältnis festgestellt werden.
Für breite zu verstärkende Frequenzbänder ist es also zweckmässig, Transistoren auszuwählen, die am Eingang und am Ausgang einen niedrigen Gütefaktor aufweisen.
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Claims (10)

  1. Patentanwälte
    Dipl-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.
    E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
    Ernsbergerstrasse 19
    8 München 60
    Unser Zeichen;T 3251 30.April 1979
    THOMSON-CSF
    173 Bd.Haussmann
    75008 Paris, Frankreich
    Patentansprüche
    Hybrid-Baustein zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen mit einem Plättchen, das eine aktive Halbleiterstruktur bildet, und einem dichten Gehäuse aus einem isolierenden Plättchen, einem ein Mittelfenster aufweisenden Sockel und einer Schutzkappe, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster und die freie Fläche des isolierenden Plättchens die Unterbringung wenigstens eines aktiven Bauelements zusätzlich zu dem Halbleiterplättchen ermöglichen, und daß in unmittelbarer Nähe des Halbleiterplättchens in dem Mittelfenster oder an seinem Rand Bauelemente der Verstärkerschaltung für sehr hohe Frequenzen und zum Festlegen der Gleichspannung an wenigstens einer Elektrode des Halbleiterplättchens angebracht sind.
  2. 2. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von Metallisierungen, die auf dem isolierenden Plättchen angebracht sind, Übertragungsleitungen mit verteilten Konstanten gebildet sind, daß das Plättchen als Dielektrikum zwischen den Metallisierungen dient und daß die Masse-Schw/Ba
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    ebene von dem metallischen Sockel gebildet ist.
  3. 3. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Verstärker verwendete aktive Bauelement ein gehäuseloser Feldeffekttransistor ist, der mit Anschlußmetallisierungen an seiner Source-Zone, Seiner Gate-Zone und seiner Drain-Zone versehen ist, daß auf dem isolierenden Teil des Gehäuses eine Metallisierung angebracht ist, die einen Gate-Eingangskondensator für den Transistor trägt, und daß in dem Fenster des isolierenden Plättchens ein Widerstand zur Verbindung der Gate-Zone mit Masse und ein Source-Vorspannungsglied aus einem Widerstand mit einem Wert, der gleich dem Kehrwert der Steilheit des Transistors ist und einem parallel zwischen der Source-Zone und Masse liegenden Kondensator angebracht sind.
  4. 4. Baustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Kondensator den Wert 45 pF hat, daß der Widerstand zwischen der Gate-Zone und Masse den Wert 1000 Ohm hat, daß die Gate-Breite des Transistors 1600 um beträgt, und daß das Vorspannungsglied einen Kondensator mit dem Wert 45 pF und einen Widerstand mit dem Vi'ert 4 bis 5 0hm enthält.
  5. 5. Baustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum Drain-Ausgang eine Induktivität geschaltet ist und daß am Gate-Eingang ein Tiefpaßfilter liegt, das von einer in Serie geschalteten Induktivität und einem nach Masse führenden Kondensator gebildet ist.
  6. 6. Baustein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor eine Gate-Breite von 800/um aufweist,
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    daß der Wert des Vorspannungswiderstandes β bis 9 Ohm beträgt, daß die an die Drain-Zone angeschlossene Induktivität den Wert 1 nH hat und daß dasTiefpaßfilter eine Induktivität mit dem Wert 0,5 nH und einen Kondensator mit dem Wert 0,5 pF enthält.
  7. 7. Baustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum Drain- Ausgang eine Induktivität liegt und daß zwischen Gitter und Masse eine Induktivität und ein Kondensator in Serie geschaltet sind.
  8. 8. Baustein nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Drain-Induktivität 1 nH beträgt und daß der Wert der Gate-Eingangsinduktivität 0,5 nH beträgt.
  9. 9. Baustein nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor ,einen Gate-Eingangskondensator, der mit einer Induktivität in Serie geschaltet ist, eine nach Masse führende Induktivität zwischen dem Eingangskondensator und der Induktivität, ein Source-Vorspannungsglied und eine in den Drain-Ausgangsanschluß eingefügte Induktivität.
  10. 10. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Gate-Eingangskondensators 45 pF beträgt, daß der Wert der Gate-Ableitinduktivität 0,5 nH beträgt, daß der Wert der in Serie mit dem Eingangskondensator geschalteten Gate-Induktivität 0,5 nH beträgt, daß der Wert des Vorspannungswiderstandes gleich dem Kehrwert der Steilheit des Transistors ist und daß der Wert der Drain-Induktivität 1 nH beträgt.
    §09846/0710
DE2917895A 1978-05-03 1979-05-03 Hybrid-Baustein Expired DE2917895C2 (de)

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