DE3829722A1 - Schaltung zum erzeugen von wechselspannungen mit verbessertem konversionswirkungsgrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft fremdgesteuerte Oszillatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die in Leistungsstufen von Hochfrequenz- Verstärkern, Gleichspannungswandlern und/oder elektronischen Transistorzündanlagen eingesetzt werden.

Fremdgesteuerte Oszillatoren mit hohem Wirkungsgrad sind unter dem Namen Klasse-C-Verstärker bekannt. Derartige Schaltungen können mit Elektronenröhren, MOS-Transistoren oder Bipolartransistoren als aktivem Element beispielsweise mit Parallelschwingkreisen als Resonator, wie in Fig. 1 gezeigt, aufgebaut werden.

Zur Erhöhung des Konversionswirkungsgrades ist in der Literatur (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-18, April 1983, p. 214-221) der Klasse-E-Modus beschrieben, bei dem eine gezielte Frequenzverstimmung des Resonators sowie eine gezielte Resonatorgüte eingestellt werden muß.

In der Praxis müssen die Oszillatoren häufig bei variabler Frequenz sowie bei variabler Nutzlast betrieben werden, so daß die optimalen Frequenz- und Lastanpassungen des Klasse- E-Betriebes nicht immer eingehalten werden können.

Wie im Fachbuch des Franzis-Verlags "Transistorsender", München 1969, S. 36-44, von H. Koch beschrieben, muß zur Verbesserung des Konversionswirkungsgrades der Emitter-Basis-PN- Übergang des Bipolartransistors gleichspannungsmäßig in Sperrichtung vorgespannt werden. Dadurch wird der Bipolartransistor in der Nähe seines Emitter-Basis-Durchbruchs betrieben, wodurch an diesem Schädigungen eintreten können. Gemäß der Zeitschrift IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-18, Nr. 2, April 1983, p. 214-221, wird zur Erhöhung des Konversionswirkungsgrades beim Klasse-E-Modus eine Verstimmung der Resonanzfrequenz f₀ des Resonators gegenüber der Betriebsfrequenz f des fremdgesteuerten Oszillators vorgeschlagen. Dabei ist ungünstig, daß bei Lastwechsel der Bipolartransistor in unerwünschter Weise belastet wird und geschädigt werden kann.

Bei Gleichspannungswandlern und elektronischen Zündanlagen, bei denen der Bipolartransistor im Klasse-C-Modus arbeitet, werden Schutzbeschaltungen im VDE-Heft "Elektronik im Kraftfahrzeug", VDE-Verlag Berlin 1978, S. 12-15, beschrieben. Diese Schutzbeschaltungen aus externen Zenerdioden und/oder aus parallel zum Bipolartransistor geschalteten Verpolschutzdioden vernichten in der Inversphase des Bipolartransistors einen erheblichen Anteil der im Resonator gespeicherten Nutzenergie. Dadurch wird der Konversionswirkungsgrad gesenkt. Bei integrierten Zündanlagen führt die in den Schutzbeschaltungen umgesetzte Verlustleistung zu einer Aufheizung der Bauelemente, wodurch die Lebensdauer der Schaltung reduziert wird. Auch muß zur Erniedrigung der Chip-Temperatur eine vergrößerte Chip-Fläche vorgesehen werden, was erhöhte Herstellungskosten verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei beliebig eingestellten Resonanzfrequenzen f₀ in Bezug zur Betriebsfrequenz f des Oszillators sowie bei Lastwechsel die im Bipolartransistor entstehenden Verluste zu minimieren.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem Kollektoranschluß (C) des Bipolartransistors (T 1) mit NPN-Struktur und dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) eine Diode (D 1) derart in Reihe zum Resonator (1) geschaltet ist, daß die Anode (a) der Diode (D 1) mit dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) elektrisch leitend verbunden ist und der erste Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) positive elektrische Polarität gegenüber dem zweiten Pol (P 2) aufweist.

Eine komplementäre Lösung der erfinderischen Aufgabe besteht nach Anspruch 2 darin, daß zwischen dem Kollektoranschluß (C) des Bipolartransistors (T 1) mit PNP-Struktur und dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) eine Diode (D 1) derart in Reihe zum Resonator (1) geschaltet ist, daß die Katode (k) der Diode (D 1) mit dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) elektrisch leitend verbunden ist und der erste Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) negative elektrische Polarität gegenüber dem zweiten Pol (P 2) aufweist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat gegenüber den bekannten Klasse-C- und Klasse-E-Oszillatoren den Vorteil, daß inverse Spitzenspannungen vom Bipolartransistor ferngehalten werden, ohne daß in den Schutzbeschaltungen während der Inversphase nennenswert Energie verbraucht wird.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die inversen Spitzenspannungen am Kollektor des Bipolartransistors, die bei der Verstimmung der Resonanzfrequenz f₀ gegenüber der Betriebsfrequenz f des Oszillators beispielsweise bei Klasse-E-Abstimmung auftreten, nicht dazu führen, daß der Emitter-Basis-PN-Übergang in den Bereich des Zener-Durchbruchs gelangt. Dadurch wird erreicht, daß der Konversionswirkungsgrad des Oszillators erhöht und der Bipolartransistor nicht überlastet oder geschädigt wird.

Besonders günstig ist, die Amplituden an bipolaren Hochfrequenz- Transistoren, die technikbedingt niedrige Emitter-Basis- Durchbruchspannungen aufweisen, zu erhöhen, so daß die Ausgangsleistung des Oszillators ansteigt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung stellt die Integration von Bipolartransistor und Diode auf einem gemeinsamen Halbleiterchip dar, weil dadurch die Verlustleistung der Schaltung minimiert wird. Anordnungen mit Verpolschutzdioden und/oder Zenerdioden sind nicht mehr erforderlich. Auch ist es vorteilhaft, daß die Chip-Temperatur niedriger wird, wodurch die Zuverlässigkeit des integrierten Bauelementes steigt bzw. dessen Halbleiterfläche bei gleicher Chip-Temperatur reduziert werden kann.

Auch ist vorteilhaft, durch die Anordnung von Bipolartransistor, Diode und Streifenleistungsresonatoren auf einem gemeinsamen Keramik-Substrat die Streuinduktivitäten und -kapazitäten gering zu halten, so daß diese Anordnung bevorzugt bei hohen Frequenzen eingesetzt wird. Hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, daß der Bipolartransistor und die Diode nach verschiedenen Technologien hergestellt sein können, daß z. B. als Diode eine Schottky-Diode verwendet wird. Schottky-Dioden haben den Vorteil, daß deren Flußspannung noch kleiner ist, wodurch die Diodenverluste während der Ladephase des Resonators sehr gering gehalten werden können. Dadurch steigt der Konversionswirkungsgrad des Oszillators an.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Darstellungen in Fig. 2 bis Fig. 7 erläutert:

In Fig. 2 wird der Bipolartransistor (T 1) mit NPN-Struktur in in Common-Emitter-Konfiguration betrieben. Während der Sperrphase des Bipolartransistors (T 1) stellt sich bei hinreichend hoher Resonatorgüte eine negative Spannung am ersten Fußpunkt (FP 1) des Resonators (1) gegenüber dem Emitter (E) ein. Da die Diode (D 1) jetzt in Sperrichtung gepolt ist, verhindert sie einen Stromfluß über die in Flußrichtung gepolte Basis-Kollektor- Diode sowie die in den Zenerdurchbruch ausgesteuerte Basis- Emitter-Diode des Bipolartransistors (T 1). Der Resonator (1) besteht in Fig. 2 beispielsweise aus der Parallelschaltung einer Induktivität (L) mit einer Kapazität (OP). Die Nutzlast (RL) kann als ohmscher Widerstand, Schaltungseingang mit Wirkwiderständen oder als Antenneneingang mit Strahlungsverlusten realisiert sein. Als Resonator (1) sind alle in der Literatur bekanntgewordene Zweipole aus Induktivitäten, Ferrit-Drosseln, Übertragern und/oder Kapazitäten einsetzbar, die für Gleichstrom einen galvanischen Durchgang zwischen dem ersten Fußpunkt (FP 1) und dem zweiten Fußpunkt (FP 2) besitzen.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, bei der der Bipolartransistor (T 1) in Common-Basis- Configuration betrieben wird. Diese Anordnung wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn ein kleiner Hochfrequenzgenerator (HG) mit niedrigem Innenwiderstand und kleiner Amplitude zur Ansteuerung des Bipolartransistors (T 1) verwendet wird.

In Fig. 4 wird eine komplementäre Ausgestaltung nach den Merkmalen der Erfindung gezeigt, die als Bipolartransistor (T 1) einen Typ mit PNP-Struktur benutzt. Erfindungsgemäß ist hierbei die Anode (a) der Diode (D 1) mit dem Kollektoranschluß (C) des Bipolartransistors (T 1) verbunden. Diese Anordnung wird vorteilhaft dann eingesetzt, wenn der Emitter (E) des Bipolartransistors (T 1) mit dem positiven Pol (P 2) der Spannungsversorgung (U) verbunden ist oder wenn ein erfindungsgemäßer Oszillator nach Anspruch 1 mit einem weiteren erfindungsgemäßen Oszillator nach Anspruch 2 beispielsweise nach dem Gegentakt- Prinzip gekoppelt werden sollen.

Eine vorteilhafte Weitergestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist eine Integration von Bipolartransistor (T 1) und Diode (D 1) auf einem gemeinsamen Halbleiterchip.

In Fig. 5 ist die Integration eines Bipolartransistors (T 1) mit NPN-Struktur und einer Diode (D 1) auf dem Halbleiterchip (H) schematisch im Querschnitt gezeichnet. Mit Hilfe der Planertechnologie ist in den Halbleiterchip (H) von der Oberfläche (20) her eine stark n-dotierte Emitterschicht (10) innerhalb eines p-dotierten Basisgebietes (11) angeordnet. Dabei liegt das Basisgebiet (11) vollständig innerhalb einer n-dotierten Kollektorschicht (12). Die Emitterschicht (10) und das Basisgebiet (11) sind jeweils mit einem Emitterkontakt (E) bzw. mit einem Basiskontakt (B) versehen. Zur Herabsetzung von internen Bahnwiderständen ist die Kollektorschicht (12) mit einer vergrabenen stark n-dotierten Schicht (13) sowie einer bis zur vergrabenen Schicht (13) reichenden stark n-dotierten Kollektor-Anschlußdiffusion (14) ausgestattet, die einen Kollektoranschluß (C) an der Oberfläche (20) besitzt. Die vergrabene Schicht (13) liegt über einem p-dotierten Halbleiter- Substrat (15), das auf einem metallischen Boden (M) kontaktiert ist. Hierbei bilden die Gebiete (10), (11), (12), (13) und (14) einen Bipolartransistor (T 1) mit NPN-Struktur. Die Kollektorschicht (12) und die epitaxiale Schicht (16) sind durch die p-dotierte Isolierdiffusion (19), die von der Oberfläche (20) bis zum Halbleiter-Substrat (15) verläuft, elektrisch voneinander getrennt. Innerhalb der n-dotierten epitaxialen Schicht (16) liegt ein p-dotiertes Anodengebiet (17), das an die Oberfläche (20) grenzt. Über dem Anodengebiet (17) liegt die Anode (a), die über externe Leitungen mit dem ersten Fußpunkt (FP 1) des Resonators (1) verbunden ist. Die Oberfläche (20) ist mit einer isolierenden Oxidschicht (18) überzogen, die die bondfähigen Metallisierungsschichten zum Basisanschluß (B) sowie zum Emitteranschluß (E) trägt. Die Metallisierungsschicht (21) verbindet elektrisch den Kollektoranschluß (C) über die Kathode (k) mit der epitaxialen Schicht (16). Der zweite Fußpunkt (FP 2) des Resonators (1) ist elektrisch mit dem positiven Pol (+) der Spannungsversorgung (U) verbunden. Zur Ansteuerung des Bipolartransistors (T 1) vom NPN-Typ ist der Hochfrequenzgenerator (HG) an den Basisanschluß (B) einerseits sowie den Emitteranschluß (E) andererseits angeschlossen. Der Emitteranschluß (E) ist über den metallischen Boden (M) mit dem Halbleiter-Substrat (15) und mit dem negativen Pol (-) der Spannungsversorgung (U) gleichzeitig verbunden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung nach Fig. 6 läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung in einem vertikalen Aufbau besonders Platz sparend integrieren. Weiterhin ist vorteilhaft, daß keine metallischen Verbindungen extern zwischen der Kollektorschicht (12) des Bipolartransistors (T 1) sowie der Kathodenschicht (13) der Diode (D 1) gegenüber einem Aufbau nach Fig. 5 mehr existieren, wodurch ein kapazitätsarmer Aufbau erzielt wird. Der Bipolartransistor (T 1 besteht hierbei aus der n- dotierten Schicht (10) und der p-dotierten Schicht (11) und einer n-dotierten Kollektorschicht (12). Der Emitteranschluß (E) sowie der Basisanschluß (B) des Bipolartransistors (T 1) sind an die Oberfläche (20) des Halbleiterchips (H) herausgeführt. Die Diffusionsschichten (10), (11) oder (12) können auch bis zum vertikalen Rand (R) des Halbleiterchips (H) durchgeführt sein. Eine stark n-dotierte vergrabene Schicht bildet die Kathodenschicht (13) und ist zwischen der Kollektorschicht (12) und der Anodenschicht (15), die gleichzeitig das Halbleiter- Substrat darstellt, angeordnet. Die Kathodenschicht (13) muß eine hohe Donatorenkonzentration sowie eine ausreichende Dicke aufweisen, um einen Thyristorzündeffekt zu unterdrücken. Die p-dotierte Anodenschicht (15), die werkstoffmäßig mit dem Halbleiter-Substrat identisch ist, ist elektrisch leitend auf einem metallischen Boden (M) auflegiert, der den Gehäusesockel darstellt. Dieser metallische Boden (M) ist elektrisch mit dem ersten Fußpunkt (FP 1) des Resonators (1) verbunden, der mit seinem zweiten Fußpunkt (FP 2) mit dem positiven Pol (+) der Spannungsversorgung (U) verbunden ist. Der negative Pol (-) der Spannungsversorgung (U) ist mit dem Emitteranschluß (E) des Bipolartransistors (T 1) verbunden.

Für Betriebsfrequenzen über etwa 100 MHz ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform in Fig. 7 für einen Streifenleiteraufbau dargestellt. Hierbei sind der Bipolartransistor (T 1) beispielsweise vom NPN-Typ und die Diode (D 1) als diskrete Einzelhalbleiterchips auf einem isolierenden Substrat (S), das beidseitig mit einer ersten Metallbeschichtung (MS 1) und einer zweiten Metallbeschichtung (MS 2) versehen ist, angebracht. Die erste Metallbeschichtung (MS 2) versehen ist, angebracht. Die erste Metallbeschichtung (MS 1) enthält die Strukturen für die Leitungskreise des Resonators (1) und für die lötbaren Kontaktflächen (22) und (23) zur Anbringung der Anschlußdrähte und zur Befestigung des Bipolartransistors (T 1). Die großflächige zweite Metallbeschichtung (MS 2) stellt die Masse-Elektrode der Schaltung dar. Die Diode (D 1) ist mit ihrer Anode (a) direkt auf den Streifenleitungen des Resonators (1) an dessen erstem Fußpunkt (FP 1) auflegiert. Die Katode (k) der Diode (D 1) ist mit dem Kollektoranschluß (C) des Bipolartransistors (T 1) verbunden. Die Spannungsversorgung (U) ist hochfrequenzpotentialfrei auf der Außenseite des Resonators (1) an dessen zweitem Fußpunkt (FP 2) mit der ersten Metallbeschichtung (MS 1) elektrisch verbunden. Der Emitteranschluß (E) des Bipolartransistors (T 1) ist bei Common-Emitter- Konfiguration durch eine Öffnung im Substrat (S) mit der zweiten Metallbeschichtung (MS 2) und diese wiederum mit dem negativen Pol der Spannungsversorgung (U) verbunden. Der Hochfrequenzgenerator (HG) ist über die lötbare Kontaktfläche (22) mit dem Basisanschluß (B) einerseits und der zweiten Metallbeschichtung (MS 2) andererseits verbunden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Eine bekannte fremdgesteuerte Oszillatorschaltung in der Common-Emitter-Konfiguration mit einem Parallelschwingkreis als Resonator.

Fig. 2: Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einem NPN-Bipolartransistor in der Common-Emitter-Konfiguration mit einem Parallelschwingkreis als Resonator.

Fig. 3: Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einem NPN-Bipolartransistor in der Common-Basis-Konfiguration mit einem Parallelschwingkreis als Resonator.

Fig. 4: Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einem PNP-Bipolartransistor in der Common-Emitter-Konfiguration mit einem Parallelschwingkreis als Resonator.

Fig. 5: Eine erfindungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einem NPN-Bipolartransistor in Common-Emitter-Konfiguration.

Fig. 6: Eine erfindungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einem NPN-Bipolartransistor in vertikalem Vierschichtaufbau.

Fig. 7: Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in integrierter Hydridbauweise.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung beispielsweise für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einer Spannungsversorgung (U) mit einem ersten Pol (P 1) und einem zweiten Pol (P 2) und mit einem elektrischen Resonator (1) mit einem ersten Fußpunkt (FP 1) und einem zweiten Fußpunkt (FP 2), wobei der Resonator (1) beispielsweise aus einem Parallelschwingkreis mit einer Induktivität (L), einer Kapazität (CP) und einer Nutzlast (RL) besteht, und wobei dessen erster Fußpunkt (FP 1) mit einem Kollektoranschluß (C) eines Bipolartransistors (T 1) und dessen zweiter Fußpunkt (FP 2) mit dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) verbunden ist, deren zweiter Pol (P 2) mit dem Emitteranschluß (E) des Bipolartransistors (T 1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektoranschluß (C) des Bipolartransistors (T 1) mit NPN-Struktur und dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) eine Diode (D 1) derart in Reihe zum Resonator (1) geschaltet ist, daß die Anode (a) der Diode (D 1) mit dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) elektrisch leitend verbunden ist und der erste Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) positive elektrische Polarität gegenüber dem zweiten Pol (P 2) aufweist.
2. 2. Schaltungsanordnung beispielsweise für einen fremdgesteuerten Oszillator mit einer Spannungsversorgung (U) mit einem ersten Pol (P 1) und einem zweiten Pol (P 2) und mit einem elektrischen Resonator (1) mit einem ersten Fußpunkt (FP 1) und einem zweiten Fußpunkt (FP 2), wobei der Resonator (1) beispielsweise aus einem Parallelschwingkreis mit einer Induktivität (L), einer Kapazität (CP) und einer Nutzlast (RL) besteht, und wobei dessen erster Fußpunkt (FP 1) mit einem Kollektoranschluß (C) eines Bipolartransistors (T 1) und dessen zweiter Fußpunkt (FP 2) mit dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) verbunden ist, deren zweiter Pol (P 2) mit dem Emitteranschluß (E) des Bipolartransistors (T 1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektoranschluß (C) des Bipolartransistors (T 1) mit PNP-Struktur und dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) eine Diode (D 1) derart in Reihe zum Resonator (1) geschaltet ist, daß die Katode (k) der Diode (D 1) mit dem ersten Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) elektrisch leitend verbunden ist und der erste Pol (P 1) der Spannungsversorgung (U) negative elektrische Polarität gegenüber dem zweiten Pol (P 2) aufweist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D 1) mit dem Bipolartransistor (T 1) auf einem gemeinsamen Halbleiterchip (H) integriert sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D 1), der Bipolartransistor (T 1) und/oder mindestens ein Teil des Resonators (1) auf einem gemeinsamen isolierenden Substrat (S) angeordnet sind.