DE3441278A1 - Verstaerkeranordnung mit galliumarsenid-transistoren - Google Patents

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen:

Berlin und München VPA 84 P t 9 2 1 DE

Verstärkeranordnung mit Galliumarsenidtransistoren 5

Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Verwendung von Galliumarsenid-Feldeffektransistoren mit einem Schottky-Übergang, sogenannter GaAS-MESFETs ist bekannt. In der Veröffentlichung IEEE Journal of Solid State Circuits Vol. SC-17, No. 6, Dez. 1982, Seiten 1166 bis 1173 ist ein monolithisch integrierter Breitbandverstärker beschrieben, der die genannten Transistoren verwendet. Es handelt sich um einen insbesondere für Messzwecke vorgesehenen Verstärker mit drei Vorstufen und einer Eintakt-Ausgangsstufe. Bei der Verwendung beispielsweise als Sendeendstufe in einem digitalen Übertragungssystem mit Bitraten von einigen 100 Mbit/s ergeben sich beim bekannten Verstärker Probleme hinsichtlich der verfügbaren Ausgangsleistung außerdem hinsichtlich der Konstanz der Ausgangsspannung im Hinblick auf Temperaturänderungen und Alterung der einzelnen Stufen. Bekannte Verstärkeranordnungen, die die Forderungen hinsichtlich Ausgangsspannung und Konstanz der Ausgangsspannung erfüllen, sind mit Hilfe bipolarer Einzeltransistoren aufgebaut, bei denen sich Probleme hinsichtlich der erreichbaren Schaltgeschwindigkeit ergeben, da beispielsweise bei dem bekannten Übertragungssystem für digitale Signale mit einer Bitrate von 565 Mbit/s Frequenzanteile im Gigahertz-Bereich auftreten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Verstärkeranordnung der eingangs erwähnten Art Ah 1 Or / 25.9.1984

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zu entwickeln, die auch bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten keine Verformung der zu verstärkenden Impulse verursacht und eine für Sendeendstufen digitaler Übertragungssysteme ausreichende Ausgangsleistung erzeugt, die weitgehend unabhängig von den Änderungen und von der Alterung der Verstärkeranordnung ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Verstärkeranordnung der eingangs erwähnten Art gelöst, die durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale weitergebildet ist. Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung ist der nur zweistufige Aufbau, der neben geringem Platzbedarf auch geringe Signallaufzeiten innerhalb der Ver-Stärkeranordnung ergibt, vorteilhaft sind weiterhin die zeitliche Konstanz und die Symmetrie des Ausgangsspannungshubs. Zweckmäßige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden, wobei in der Fig. 1 das detaillierte Schaltbild der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung dargestelllt ist.

Bei der Verstärkeranordnung nach der Fig. 1 handelt es sich um einen vollkommen symmetrisch aufgebauten Gegentaktverstärker an dessen Eingänge E1,E2 zueinander komplementäre Signale anzulegen sind, die Signale werden in zueinander spiegelbildlich gleichen Verstärkerzweigen weiter verarbeitet. Der erste Verstärkerzweig ist mit dem Eingang El verbunden, an diesen Eingang ist der Gateanschluß des ersten Transistors TIl des ersten Zweiges angeschlossen. Bei diesem und allen anderen Transistoren der Verstärkeranordnung handelt es sich um Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren, also

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um sogenannte GaAs-MESFETs vom sogenannten depletion-mode-Typ die normalerweise eingeschaltet sind und zum Abschalten eine zusätzliche Hilfsspannung benötigen. Der Source-Anschluß des ersten Transistors TIl ist deshalb mit dem Anschluß für eine Hilfsspannung verbunden. An den Drainanschluß dieses Transistors schließt sich ein Galliumarsenid-Lasttransistor an, der durch einen zweiten Transistor T12 gebildet wird, dessen Gate- und Sourceanschluß miteinander und außerdem mit dem Gateanschluß eines dritten Transistors T13 dieses Verstärkerzweigs verbunden sind.

Die Drainanschlüsse des zweiten und des dritten Transistors T12, T13 sind miteinander und mit einer Drainspannungsquelle V₀₀ verbunden. Der Sourceanschluß des dritten Transistors T13 ist über η = 3 Pegelverschiebedioden DIl,D12, D13 mit dem Drainanschluß eines weiteren Galliumarsenid-Lasttransistors sowie mit dem Gateanschluß eines fünften Transistors T15 des ersten Verstärkerzweiges verbunden. Die Anzahl η der Pegelverschiebedioden ist von der Abschnürspannung und vom gewünschten Ausgangsspannungshub abhängig.

Der Galliumarsenid-Lasttransistor wird durch einen vierten Transistor T14 gebildet, dessen Gate- und Sourceanschluß miteinander sowie mit einer Sourcespannungsquel-Ie Ve₅ verbunden sind. An diese Spannungsquelle ist ausserdem der Sourceanschluß des fünften Transistors T15 über einen regelbaren Sourcewiderstand R₅ angeschlossen. Der Drainanschluß dieses Transistors ist über einen ersten Lastwiderstand R. , an die Drainspannungsquelle V_DD angeschlossen. Im Falle eines Regenerators für digitale Signale mit einer Bitrat von 575 Mbit/s stellt der erste Lastwiderstand R,, mit einem Wert von etwa 75 Ohm den Eingangswiderstand eines überbrückten T-Glieds zur Formung der erzeugten Impulse entsprechend dem AM.I-Code und für den Überspannungsschutz dar.

Der Aufbau des zweiten Verstärkerzweiges entspricht dem des ersten Verstärkerzweiges, der Eingangsanschluß E2

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für das komplementäre Eingangssignal ist also mit dem Gateanschluß des ersten Transistors T21 des zweiten Verstärkerzweigs verbunden., die Sourceelektrode dieses Transistors ist an die Hilfsspannungsquelle V_HH angeschlossen. Der Drainanschluß dieses Transistors ist analog dem ersten Verstärkerzweig mit der Gate- und der Sourceelektrode eines zweiten, als Lasttransistor geschalteten Transistors sowie mit dem Gateanschluß eines dritten Transistors T23 verbunden. Die Drainanschlüsse zweiten und des dritten Transistors dieses Verstärkerzweigs sind ebenfalls miteinander und mit einer Drainspannungsquelle Vp_D verbunden. Der Sourceanschluß des dritten Transistors T23 ist analog dem ersten Verstärkerzweig über die Reihenschaltung von η = 3 Pegelverschiebedioden D21, 22,23 mit dem Drainanschluß eines vierten Transistors T24 sowie mit dem Gateanschluß eines fünften Transistors T25 im zweiten Verstärkerzweig verbunden. Die Gate- und die Sourceelektrode des vierten Transistors T24 sind miteinander und direkt mit der Sourcespannungsquelle V₅₅ verbunden, an die der Sourceanschluß des fünften Transistors T25 des zweiten Verstärkerzweigs über den Sourcewiderstand R₅ angeschlossen ist. Der Drainanschluß des fünften Transistors T25 ist über einen zweiten Lastwiderstand R,2 roit der Drainspannungsquelle V_nn verbunden.

Die beiden Lastwiderstände können neben dem Eingangswiderstand eines überbrückten T-Gliedes auch beim Anschluß je einer Primärwicklung eines Übertragers zwischen die Drainanschlüsse der fünften Transistoren beider Verstärkerzweige und die Drainspannungsquelle auch den transformierten Lastwiderstand des Übertragers darstellen.

Die beschriebene Verstärkerschaltung ist bis auf die Verwendung eines Potentiometers als Einstellglied ausschließlich mittels in Galliumarsenidtechnik herstellbarer Bauelemente bestückt.

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Da auch die Pegelverschiebedioden mittels zwischen Drain- und Sourceanschluß kurzgeschlossener Galliumarsenidtransistoren realisiert werden können, ist eine integrierte Schaltung also ausschließlich mittels dieser Transistoren aufzubauen.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wird für die Hilfsspannung V_Hu zunächst eine weitere Spannungsquelle benötigt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist deshalb die Hilfsspannung mittels eines aus Galliumarsenid-Lasttransistoren bestehenden Spannungsteilers auf dem Chip erzeugt, der Spannungsteiler ist dabei zwischen die Anschlüsse für die Source- und die Drainspannungsquellen

^VSS' ^VDD ^eiⁿ9^escnaltet.
15

Mittels des für beide Verstärkerzweige gemeinsamen Sourcewiderstandes R₃ läßt sich die Sourcespannung für beide Endtransistoren T15, 125 gemeinsam einstellen, dadurch wird die Amplitude der Ausgangsspannung beider Verstärkerzweige mittels eines einzigen externen Widerstandes hoher zeitlicher Konstanz einstellbar.

4 Patentansprüche
1 Figur

Claims (4)

Patentansprüche

1. Galliumarsenid-Verstärkeranordnung, insbesondere Sendeendstufe für ein digitales Übertragungssystem mit Bitraten von einigen lQO.Mbit/s, unter Verwendung von Galliumarsenid-Feideffekttransistoren (GaAs-MESFETs), dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkeranordnung als Gegentaktverstärker mit zwei Verstärkerzweigen aufgebaut ist und ein erster und ein zweiter Eingang (El, E2) für zueinander komplementäre Signale vorgesehen sind, daß der erste Verstärkerzweig so aufgebaut ist, daß mit dem ersten Eingang (El) die Gateelektrode eines ersten Transistors (TU) verbunden ist, daß mit dem Drainanschluß dieses Transistors der Gate- und der Sourceanschluß eines zweiten Transistors (T12) sowie der Gateanschluß eines dritten Transistors (T13) verbunden sind, daß die Drainanschlüsse des zweiten und des dritten Transistors (T12, T13) miteinander und mit einer Quelle für die Drainspannung (V_ng) verbunden ist, daß der Sourceanschluß des dritten Transistors (T13) über η Pegelverschiebedioden (DIl, D12,D13) mit dem Drainanschluß eines vierten Transistors (T14) sowie mit dem Gateanschluß eines fünften Transistors (T15) verbunden ist, daß der Gate- und der Sourceanschlüß des vierten Transistors (T14) miteinander und mit einer Quelle für eine Sourcespannung (V₅₅) verbunden ist, daß der Drainanschluß des fünften Transistors (T15) mit einem ersten Ausgangsanschluß (Al) und über diesen und einen ersten Lastwiderstand (R^,) mit der Quelle für die Drainspannung (V_QD) verbunden ist, daß der Sourceanschluß des fünften Transistors (T15) über einen einstellbaren Sourcewiderstand (R₅) mit der Sourcespannungsquelle (V₅₅) und daß der Sourceanschluß des ersten Transistors (TU) mit einer Hilfsspannung (V_HH) verbunden ist, so daß sich ein kompletter Verstärkerzweig für die am ersten Eingang (El) anstehenden Signale ergibt,

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daß mit dem zweiten Eingangsanschluß (E2) ein zweiter Verstärkerzweig verbunden ist, dessen Aufbau völlig dem des ersten Verstärkerzweigs entspricht, daß die Sourceanschlüsse des ersten, des vierten und des fünften Transistors (T21,T24,T25) des zweiten Verstärkerzweigs mit den Sourceanschlüssen der entsprechenden Transistoren des ersten Verstärkerzweigs verbunden sind, daß in die Verbindung zwischen dem Drainanschluß des fünften Transistors (T25) des zweiten Verstärkerzweigs als zweiten Ausgangsan-Schluß (A2) und der Drainspannungsquelle (V_nn) ein zweiter Lastwiderstand R, ~ eingeschaltet ist und daß die Anzahl η der Pegelverschiebedioden in Abhängigkeit von der Abschnürspannung der Transistoren und vom gewünschten Ausgangsspannungshub gewählt ist.

2. Galliumarsenid-Verstärkeranordnung nach Patentanspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sourceanschluß des dritten Transistors (T13) des ersten Verstärkerzweigs und der Verbindung von Drainanschluß des vierten Transistors (T14) und Gateanschluß des fünften Transistors (T15) des ersten Verstärkerzweiges drei Pegelverschiebedioden (D11,D12,D13) eingeschaltet sind, daß entsprechend zwischen dem Sourceanschluß des dritten Transistors (T23) des zweiten Verstärkerzweiges und der Verbindung von Drainanschluß des vierten Transistors (T24) und Gateanschluß des fünften Transistors (T25) des zweiten Verstärkerzweiges drei weitere Pegelverschiebedioden (D21,D22,D23) eingeschaltet sind.

3. Galliumarsenid-Verstärkeranordnung nach Patentanspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelverschiebedioden (D11,D12,D13,D21,D22,D23) durch Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren gebildet werden, deren Drain- und Sourceelektrode miteinander verbunden sind.

4. Galliumarsenid-Verstärkeranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle zur Erzeugung der Hilfsspannung (V_HH) zum Sperren der verwendeten selbstleitenden Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren zusammen mit der Verstärkeranordnung
in einer gemeinsamen monolithisch integrierten Schaltung enthalten ist.