DE4123437A1 - Anordnung und verfahren zur herstellung von transistor-kettenverstaerkern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und Verfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 6 und 8.

Aus den Veröffentlichungen von C. S. Aitchison in MTT-33, 1985, 6, S. 1900-1905 sind Kettenverstärker bekannt, bei denen die Gate- und Drainleitungen mit einem ohmschen Wi­ derstand abgeschlossen sind. Diese Widerstände erzeugen im Verstärker zusätzliches thermisches Rauschen und erlauben keine optimale Rauschanpassung. In der US-PS 48 45 440 werden für die Abschlüsse der Gate- und Drainleitungen des Kettenverstärkers 3-dB-Hybride verwendet. Diese sind je­ doch breitbandig nur mit großem Aufwand realisierbar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Rauschzahl von Kettenverstärker-Schaltungen zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1, 6 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Kettenverstärker-Schaltung wer­ den anstelle von Abschlußwiderständen, insbesondere in den Gate-Leitungen gegengekoppelte Transistoren oder Dioden verwendet sowie bei den Verstärkertransistoren zusätzliche Sourceinduktivitäten gegengekoppelt. Vorteilhafterweise sind alle verwendeten Bauelemente monolithisch integrier­ bar und mit dem gleichen technologischen Prozeß, z. B. mit der MBE, herstellbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnungen für einen Ketten­ verstärker mit induktiver Source-Gegenkopplung und rauscharmen Gate- und Drainlasten dargestellt.

Fig. 2a-c zeigen mögliche Schaltungsanordnungen für Gate- und Drainlasten.

In Fig. 1 ist ein Kettenverstärker mit vier Feldeffekt- Transistoren T₁-T₄ und den Gate- L_G1-L_G4 sowie der Drain-Leitungen L_D1-L_D4 dargestellt. Bei den bisher be­ kannten Schaltungen für Kettenverstärker werden die Gate- und die Drain-Last mit R-L-C-Anordnungen realisiert, und die Source-Elektroden der Transistoren werden direkt mit Masse verbunden.

Diese Art der Schaltung hat zwei Nachteile, wenn der Ver­ stärker eine kleine Rauschzahl haben soll:

• 1. Der ohmsche Anteil in der Gate- und Drain-Last er­ zeugt zusätzliches thermisches Rauschen mit der Temperatur T_O.
• 2. Die Rauschzahl-Empfindlichkeit gegenüber Rausch­ fehlanpassungen von nicht gegengekoppelten Transi­ storen im Zusammenhang mit einer geforderten Band­ breite ist unter Umständen sehr groß, besonders für R_n/Z_O<1, wobei R_n der Rausch- und Z_O der Wellenwiderstand sind.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden in dem Kettenver­ stärker nach Fig. 1 aktive Gate- und Drain-Lasten sowie die Gegenkopplung mit den Source-Induktivitäten L_S1-L_S4 verwendet.

Mit gegengekoppelten Transistoren, insbesondere rauschar­ men HEMT′s (High Electron Mobility Transistor) werden Wirkwiderstände dargestellt, deren effektive Rauschtempe­ ratur T_e kleiner als die Umgebungstemperatur T_O ist. Auch bei Halbleiterdioden, z. B. Schottky-Dioden, rauscht der differentielle Sperrschichtwiderstand nur mit T_O/2, so daß bei vernachlässigbarem ohmschen Bahnwiderstand diese ge­ ringere Rauschtemperatur an den Klemmen der Diode liegt.

In Fig. 2a-c sind mögliche Schaltungsanordnungen für die Gate- und Drain-Last dargestellt. Im günstigsten Fall kann T_e=T_min des Transistors sein. Bei gegenwärtig auf dem Markt lieferbaren HEMT′s ist T_min<80 K für Frequenzen unter 12 GHz.

Die Anwendung der induktiven Source-Gegenkopplung bei den Transistoren T₁-T₄ im Kettenverstärker nach Fig. 1 er­ niedrigt hauptsächlich den Rauschwiderstand R_n und damit die Rauschzahlempfindlichkeit sowie den Zeigerabstand der Reflexionsfaktoren Γ_SoptN und Γ_SoptG für optimale Rausch- und Verstärkungsanpassung.

Zur Berechnung der Schaltung wird die Struktur in einen Simulator, z. B. MDS (Hewlett-Packard), Libra (EEsof) oder SANA (RTI), eingegeben, und die Bauelemente L, C bzw. äquivalente Abschnitte von Mikrostreifenleitungen werden bezüglich der Kennwerte Rauschzahl und Verstärkung für den Verstärker als Funktion der Frequenz optimiert. Die Opti­ mierung wird mit analytischen Werten gestartet, die sich für ideale Transistoren ohne Streuimpedanzen ausrechnen lassen.

Als Materialien für einen monolithisch integrierten, rauscharmen Transistorkettenverstärker eignen sich bei­ spielsweise III/V-Halbleiter. So werden z. B. die HEMT der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 auf einem GaAs-Substrat monolithisch integriert.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die angegebenen Halb­ leitermaterialien und monolithische Ausführung beschränkt, sondern es können auch Schaltungen in konventioneller Technik mit konzentrierten Bauelementen bzw. planaren Wel­ lenleitern sein.

Claims (9)

1. Transistor-Kettenverstärker bestehend aus mehreren Feldeffekttransistoren mit entsprechenden Gate- und Drain­ leitungen, wobei zumindest eine Gate- und eine Drainlei­ tung gekoppelt ist, gekennzeichnet durch aktive Gate- und Drainlasten und einer zumindest einem Verstärkertransistor gegengekoppelten Sourceinduktivität.

2. Transistor-Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkertransistoren HEMT sind.

3. Transistor-Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnungen der Gate- und/oder Drainlasten der Verstärkertransistoren gegenge­ koppelte Transistoren enthalten.

4. Transistor-Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate- und/oder Drainlasten aus Di­ oden bestehen.

5. Transistor-Kettenverstärker nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Transisto­ ren T₁-T₄ parallel angeordnet sind, daß den Transistoren T₁- T₄ je eine Sourceinduktivität L_S1-L_S4 gegengekop­ pelt ist und daß der Drainanschluß des Transistors T₁ mit der aktiven Drainlast und der Gateanschluß des Transistors T₄ mit der aktiven Gatelast verbunden ist (Fig. 1).

6. Verfahren zur Verbesserung der Rauschzahl mit einem Kettenverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die den Verstärkertran­ sistoren gegengekoppelten Sourceinduktivitäten der Rausch­ widerstand R_n erniedrigt wird, und daß durch die aktiven Drain- und Gatelasten die effektive Rauschtemperatur klei­ ner als die Umgebungstemperatur gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Rauschzahlen kleiner als 1 dB erzeugt werden.

8. Verfahren zur Herstellung eines Transistor-Kettenver­ stärkers nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die gesamte Verstärkerschaltung auf einem Halbleitersubstrat monolithisch integriert und mit einem technologischen Prozeß hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente und die Geometrie der elektri­ schen Verbindungen bezüglich der Kennwerte Rauschzahl und Verstärkung in Abhängigkeit von der gewünschten Frequenz optimiert werden.