DE4424480A1 - Treiberschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Treiberschaltung wird in der Elektronik in vielfältiger Weise verwendet, beispielsweise um das Aus­ gangssignal eines ersten Gerätes und/oder einer ersten Schaltungsanordnung an mindestens ein benötigtes Eingangs­ signal eines zweiten Gerätes und/oder einer zweiten Schal­ tungsanordnung anzupassen.

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung, mit der ins­ besondere eine Pegelanpassung möglich ist zwischen Schal­ tungsanordnungen, die in unterschiedlicher Halbleitertech­ nologie ausgeführt sind. Diese haben aufgrund ihres Her­ stellungsprozesses unterschiedliche Schwellwerte, insbe­ sondere bei den aktiven Halbleiterbauelementen.

Es ist nun naheliegend, für eine solche Treiberschaltung eine an sich bekannte Differenzverstärkerstufe zu verwen­ den. Diese enthält als wesentliche Bauelemente zwei Ver­ stärker, z. B. Transistoren, die im folgenden Eingangs- so­ wie Referenzverstärker genannt werden. Dabei wird an dem Referenzverstärker ein Schwellwert eingestellt, z. B. mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung. Ein an dem Eingangs­ verstärker anliegendes Eingangssignal wird nun mit diesem Schwellwert verglichen. In Abhängigkeit davon entsteht an einem Ausgang der Differenzverstärkerstufe ein Ausgangssi­ gnal mit vorgebbaren elektrischen Eigenschaften.

Eine solche Treiberschaltung ist zwar in vielfältiger Weise verwendbar, hat aber insbesondere den Nachteil, daß der Schwellwert durch einen kostenintensiven Einstell­ und/oder Abgleichvorgang auf einen vorgebbaren Sollwert eingestellt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Treiberschaltung anzugeben, mit der ein vorgebbarer Schwellwert in einem weiten Toleranzbereich selbsttätig anpaßbar ist an einen Schwellwert, der durch den verwende­ ten Herstellungsprozeß der Halbleiterbauelemente vorgege­ ben ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zumin­ dest die aktiven Halbleiterbauelemente der Treiberschal­ tung in demselben Herstellungsprozeß herstellbar sind wie die Schaltungsanordnung, auf welche die Treiberschaltung wirkt.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die Treiberschal­ tung in GaAs-Technologie ausführbar ist und als Eingangs­ signale die Ausgangssignale anderer Technologien, z. B. TTL-Technologie, verarbeiten kann.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Treiberschal­ tung zwei komplementäre Ausgangssignale erzeugt und ledig­ lich eine einzige Spannungsquelle benötigt.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß die Treiberschal­ tung sowie eine von dieser geschaltete Anordnung, z. B. eine Sende-Empfangsanordnung für aktive Phased-Array-An­ tennen, denselben Temperaturgang besitzen, so daß die vor­ handenen Schwellwerte und/oder Toleranzwerte immer gleich­ sinnig sind.

Ein fünfter Vorteil besteht darin, daß ansonsten nötige externe Verbindungsleitungen, z. B. Bond-Verbindungen, er­ heblich verringert werden können, so daß die Zuverlässig­ keit der Gesamt-Schaltung erhöht wird und deren Herstel­ lungskosten erheblich gesenkt werden.

Ein sechster Vorteil besteht darin, daß die Treiberschal­ tung sehr schnelle Schaltvorgänge ermöglicht.

Ein siebter Vorteil besteht darin, daß der von der Trei­ berschaltung benötigte Strom im wesentlichen unabhängig ist von Schaltvorgängen, so daß ansonsten mögliche, soge­ nannte Schaltspitzen vermieden werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf eine sche­ matisch dargestellte Figur. Diese zeigt ein Prinzipschalt­ bild einer Treiberschaltung, die geeignet ist, Schaltsi­ gnale, welche der TTL- oder CMOS-Technologie entsprechen, in entsprechende Schaltsignale, welche der GaAs-Technolo­ gie entsprechen, umzuwandeln. Dabei entstehen zwei zuein­ ander komplementäre (Ausgangs-)Schaltsignale, die in vor­ teilhafter Weise beispielsweise zum Schalten von Baustei­ nen für Sende-Empfangsmodulen für aktive Phased-Array-An­ tennen (phasengesteuerte Antennen) verwendet werden kön­ nen.

Die in der Figur dargestellten aktiven und passiven Bau­ elemente sind in derselben Technologie, z. B. monolithi­ scher oder hybrider Technik, hergestellt wie die zu steu­ ernde HF-Schaltung, z. B. Phasenschieber, Schalter, Dämp­ fungsglieder in dem erwähnten Sende-Empfangsmodul.

Bei der in der Figur exemplarisch dargestellten Treiber­ schaltung wird angenommen, daß in der durch diese zu steu­ ernden HF-Schaltung in GaAs-Technologie hergestellte Sperrschicht-Feldeffekttransistoren verwendet werden. Diese sind als Schalt-Transistoren ausgebildet, für welche die entsprechenden Schaltspannungen erzeugt werden, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Dementsprechend sind die dargestellten Verstärker (Transistoren) A1 bis A3 von demselben Typ, nämlich ebenfalls in GaAs-Technologie hergestellte Sperrschicht-Feldeffekttransistoren für Schaltungsanwendungen, die im folgenden mit FET bezeichnet werden. Die weiteren aktiven Halbleiterbauelemente, die Dioden DI1 bis DI7, sind ebenfalls in GaAs-Technologie hergestellt.

Die dargestellte Differenzverstärkerstufe enthält in an sich bekannter Weise eine Eingangsverstärkerstufe (erster FET A1) sowie eine Referenzverstärkerstufe (zweiter FET A2). Dabei sind die zugehörigen Source-Anschlüsse S1, S2 über einen gemeinsamen ohmschen Source-Widerstand R8 mit dem Bezugspotential (Masse M) verbunden. Die zugehörigen Drainanschlüsse D1, D2 sind einerseits über jeweils einen ohmschen Drainwiderstand R4, R5 mit dem positiven Pol ei­ ner Spannungsquelle Sp, welche den Innenwiderstand R1 be­ sitzt, verbunden. Andererseits sind die Drainanschlüsse D1, D2 mit Ausgängen P1, P2 verbunden, an welchen die er­ zeugten GaAs-(Ausgangs-)Schaltsignale entstehen, die kom­ plementär zueinander sind. Die weitere Verstärkerstufe (dritter FET A3) bewirkt eine Mitkopplung für die Diffe­ renzverstärkerstufe. Dieses wird nachfolgend näher erläu­ tert.

Die Spannungsverstärkung in dieser an sich nicht idealen Differenzverstärkerstufe (erster FET A1, zweiter FET A2) reicht nicht aus, um den zweiten FET A2 vollständig in die Sättigung, das heißt, den leitenden Zustand zu treiben. Dadurch würde der erreichbare Spannungspegel an dem Drain­ anschluß D2 des zweiten FET A2 zu gering sein für eine An­ steuerung zu schaltender Bausteine (Bauelemente), die an den Ausgang P1 angeschlossenen werden können.

Dieser scheinbare Nachteil wird beseitigt durch die Mitt­ kopplung mittels des dritten FET A3. Dieser Transistor verstärkt ein am Eingang E anliegendes Eingangssignal ge­ genphasig mit einem erhöhten Spannungshub. Der Spannungs­ hub ist so dimensioniert, daß er zum vollständigen Aus­ steuern des zweiten FET A2 geeignet ist, und zwar bei al­ len möglicherweise vorkommenden Fertigungstoleranzen. Die am Drainanschluß D3 des dritten FET A3 angeschlossene Di­ odenkette D12 bis D17 bewirkt eine Pegelverschiebung der Ausgangsspannung des dritten FET A3, so daß an dem zweiten FET A2 für dessen Arbeitsbereich geeignete Spannungen ent­ stehen.

Die vollständige Pegelwandlerschaltung ist derart konzi­ piert, daß deren korrekte Arbeitsweise im wesentlichen von gut reproduzierbaren Widerstandsverhältnissen, die in ei­ ner Serienfertigung herstellbar sind, bestimmt wird. Mit Toleranzen behaftete elektrische Transistoreigenschaften können vorteilhafterweise weitgehendst vernachlässigt wer­ den. Zusätzlich sind alle benötigten Spannungshübe sowie Ströme in der Schaltung für den vorkommenden schlechtesten Fall ("worst case") der Transistorparameter ausgelegt.

Soll nun beispielsweise ein logisches zeitabhängiges TTL- Schaltsignal zeitlich hochgenau, d. h. mit einem geringen zeitlichen Toleranzbereich (Jitter), in ein entsprechendes GaAs-Schaltsignal in reproduzierbarer Weise umgesetzt wer­ den, so ist es naheliegend, dafür eine Treiberschaltung mit bezüglich der elektrischen Eigenschaften, insbesondere Verstärkereigenschaften, eng tolerierten Bauelementen, insbesondere Transistoren, zu verwenden. Eine solche Trei­ berschaltung, insbesondere in GaAs-Technologie zum Ansteu­ ern von GaAs-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, ist je­ doch in nachteiliger Weise technisch sehr aufwendig und daher kostenungünstig.

Dieser Nachteil wird bei der Erfindung dadurch vermieden, daß die bei der Treiberschaltung verwendeten Bauelemente, insbesondere die Verstärker (A1 bis A3), von demselben Typ sind wie diejenigen, für welche die Schaltsignale erzeugt werden sollen. Herstellungsbedingte Toleranzen, insbeson­ dere diejenigen der GaAs-Bauelemente, werden bei der Er­ findung dadurch berücksichtigt, daß mit Hilfe der Mitkopp­ lung selbsttätig eine von dem Herstellungsprozeß der GaAs- Bauelemente unabhängige Ist-Schaltspannung U_I gebildet wird. Diese wird an den Steuereingang G2 des Referenzver­ stärkers A2 angelegt.

Die Ist-Schaltspannung U_I wird erzeugt in Abhängigkeit von dem am Eingang E anliegenden Eingangssignal, z. B. einem TTL-Signal. Diese wird erzeugt mit Hilfe eines zwischen der Spannungsquelle Sp und Masse M vorhandenen U_S-Span­ nungsteilers, welcher aus den ohmschen Widerständen R9, R10 gebildet wird. Die Soll-Schaltspannung U_S entsteht an dem Verbindungspunkt der Widerstände R9, R10. An diesen Verbindungspunkt ist der Source-Anschluß S3 des die Mit­ kopplung bewirkenden weiteren Verstärkers (FET A3) ange­ schlossen. Dessen Steueranschluß G3 ist über den ohmschen Widerstand R6 an einen Eingangs-Spannungsteiler R11, DI1, R12 für das Eingangssignal angeschlossen. Parallel zu dem U_S-Spannungsteiler (R10, R9) liegt ein G2-Spannungsteiler, der aus einer Reihenschaltung des ohmschen Widerstandes R7, mehrerer in Flußrichtung (Durchlaßrichtung) geschalte­ ter Dioden DI2 bis DI7 sowie einem weiteren ohmschen Wi­ derstand R3 besteht. An den weiteren Widerstand R3 ist der Steueranschluß G2 des Referenzverstärkers (FET A2) ange­ schlossen. An den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R7 und der Diode DI2 ist außerdem der Drainanschluß D3 des weiteren Verstärkers (FET A3) angeschlossen. Der Steueran­ schluß G1 des Eingangsverstärkers (FET A1) ist über einen ohmschen Widerstand R13 an den Verbindungspunkt zwischen der Diode DI1 und dem Widerstand R12 des Eingangs-Span­ nungsteilers angeschlossen. Die dort vorhandene Diode DI1 dient als Verpolschutz für ein am Eingang E anliegendes Eingangssignal, für das daher lediglich positive Span­ nungswerte zugelassen sind. Die Reihenschaltung der Dioden DI2 bis DI7 dient zum groben stufenweisen Einstellen (in Inkrementen der Durchlaßspannung) der an dem Steueran­ schluß G2 anliegenden Ist-Schaltspannung.

Bei der beschriebenen Anordnung wurden die Spannungspoten­ tiale für die GaAs-Schaltspannungen durch die Widerstands­ verhältnisse der ohmschen Widerstände R5, R8 (für Ausgang P1) sowie R4, R8 (für Ausgang P2) festgelegt. Das Wider­ standsverhältnis der ohmschen Widerstände R9, R10 bestimmt die Soll-Schaltspannung für die Differenzverstärkerstufe. Da sich eine herstellungsbedingte Schwankung (Toleranz) der Widerstandsparameter und/oder eine Temperaturänderung auf alle ohmschen Widerstände im gleichen Verhältnis aus­ wirkt, ändern sich die dadurch eingestellten Spannungen vorteilhafterweise allenfalls in einem vernachlässigbaren Maße.

Die verwendeten Verstärker (FET A1 bis A3) sind derart di­ mensioniert, daß die insbesondere bei der Herstellung von Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren derzeit vorhandenen starken Schwankungen der Transistoreigenschaften die Ei­ genschaften der Treiberschaltung vorteilhafterweise nahezu nicht beeinflussen. Ein besonders kritischer Parameter ist dabei die Schwellenspannung der Transistoren (A1 bis A3). Mögliche herstellungsbedingte Änderungen (Toleranzen) wer­ den bei der Erfindung dadurch abgefangen, daß die in der Treiberschaltung verwendeten Spannungspotentiale für den schlechtesten Fall ("worst case") ausgelegt sind. Die Schwellenspannung ist somit für alle vorkommenden Werte der Steuerspannungen innerhalb der bekannten Grenzen der möglichen Streuung vorteilhafterweise voll wirksam.

Da die Schwellenspannung vorteilhafterweise lediglich in einem vernachlässigbaren Maße von der Temperatur abhängt, ist bei der Treiberschaltung keine diesbezügliche Kompen­ sation erforderlich.

Durch die beschriebene Schaltungsanordnung ist es möglich, herstellungsbedingte Prozeßstreuungen der Eigenschaften von Widerständen und/oder Transistoren in einem Toleranz­ bereich von -50% bis +100% zu kompensieren. Dadurch ist in kostengünstiger Weise eine extrem hohe Ausbeute an funktionsfähigen Treiberschaltungen möglich. Deren Inte­ gration zu den anzusteuernden Bauelementen (Phasenschie­ ber, Schalter usw.) verschlechtert die Ausbeute der ge­ samten Schaltung, z. B. eines Sende-Empfangsmoduls, vor­ teilhafterweise nicht.

Soll die Treiberschaltung beispielsweise für die erwähnten HF-Bauelemente, z. B. Phasensteller, Schalter usw., die als schaltende Elemente mindestens einen GaAs-Sperrschicht- Feldeffekttransistor besitzen, verwendet werden, so sind dafür beispielsweise zwei zueinander komplementäre posi­ tive GaAs-Schaltsignale, die zwischen den Spannungswerten +7,0 V und +3,0 V geschaltet werden können, erforderlich. Es ist vorteilhaft, die für die HF-Bauelemente und die Treiberschaltung erforderlichen Transistoren in demselben Prozeß herzustellen. Dabei wird aber für den dritten FET A3 ein Transistor mit - bezogen auf die Transistoren A1, A2 - geringerer Gateweite verwendet. Dieses ist möglich, da der dritte FET A3 lediglich einen geringeren (Steuer-)Strom erzeugen soll. Die GaAs-Schaltsignale sollen wei­ terhin einem TTL-Signal, das am Eingang E anliegt, ent­ sprechen. Für die beschriebene Treiberschaltung werden da­ her als Verstärker (A1 bis A3) ebenfalls GaAs-Sperr­ schicht-Feldeffekttransistoren verwendet. Die Spannungs­ quelle Sp mit dem Innenwiderstand R1 = 2 Ω erzeugt eine Gleichspannung von +7 V. Die verwendeten ohmschen Wider­ stände haben folgende Soll-Werte:
R11 = 100 Ω, R12 = 20 kΩ, R13 = 8 kΩ, R4 = R5 = 2,1 kΩ, R8 = 1,3 kΩ, R3 = 15 kΩ, R6 = 8 kΩ, R7 = 4,5 kΩ, R9 = 1,2 kΩ, R10 = 2,7 kΩ.

Für die Dioden DI1 bis DI7 werden GaAs-Dioden mit einer Durchlaßspannung von 0,4 V verwendet. Alternativ dazu ist es möglich, die durch die Dioden DI2 bis DI7 erzeugte Po­ tentialschwelle mit Hilfe eines von einem Konstantstrom durchflossenen Widerstand, z. B. einem zusätzlichen Feldef­ fekt-Transistor, einzustellen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar. Beispielsweise ist es einem Fachmann geläufig, für die Verstärker (A1 bis A3) andere Transistoren, z. B. Feld­ effekt-Transistoren auf Silizium-Basis, zu verwenden und mit Hilfe der zugehörigen Parameter die vorhandenen ohm­ schen Widerstände zu ermitteln.

Claims (9)

1. Treiberschaltung mit einer Differenzverstärkerstufe mit mindestens einem Ausgang, an dem ein Schaltsignal aus­ koppelbar ist, zumindest besteht aus

• - einer Eingangsverstärkerstufe mit einem Steuereingang und einem daran angeschlossenen Eingangs-Spannungstei­ ler zum Anlegen eines Eingangssignales,
• - einer Referenzverstärkerstufe mit einem Referenz- Steuereingang und einem daran angeschlossenen Referenz- Spannungsteiler zum Erzeugen eines Referenzsignales für eine Schaltschwelle,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß an den Referenz-Spannungsteiler (R7, DI2 bis DI7, R3) und den Eingangs-Spannungsteiler (R11, DI1, R12) eine Mitkoppelschaltung angeschlossen ist zur Änderung des Referenzsignales in Abhängigkeit von dem Eingangs­ signal,
• - daß die Mitkoppelschaltung zumindest einen Verstärker (A3) enthält, dessen Steuereingang (G3) über einen Ein­ gangswiderstand (R6) an den Eingangsspannungsteiler an­ geschlossen ist,
• - daß ein Anschluß (D3) des Verstärkers (A3) über einen Widerstand (R7) des Referenz-Spannungsteilers an eine Spannungsquelle (Sp) angeschlossen ist,
• - daß ein weiterer Anschluß (S3) des Verstärkers (A3) an den Mittenabgriff eines aus den ohmschen Widerständen bestehenden Soll-Spannungsteilers (R9, R10) angeschlos­ sen ist und
• - daß der Soll-Spannungsteiler (R9, R10) an die Span­ nungsquelle (Sp) sowie das zugehörige Bezugspotential (M) angeschlossen ist.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Eingangsverstärker (A1), der Referenzverstär­ ker (A2) sowie der in der Mitkopplungsschaltung enthaltene Verstärker (A3) jeweils einen Feldeffekttransistor aus demselben Herstellungsprozeß enthalten.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Feldeffekt-Transistoren als GaAs-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.

4. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenz-Spannungs­ teiler (R7, DI2 bis DI7) mindestens ein Halbleiterbauele­ ment (DI2 bis DI7) zur Einstellung eines vorgebbaren Po­ tentialsprungs enthält.

5. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Halblei­ terbauelement (DI2 bis DI7) als eine in Durchlaßrichtung geschaltete Halbleiterdiode ausgebildet ist.

6. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransisto­ ren aus demselben Herstellungsprozeß stammen wie diejeni­ gen, welche von mindestens einem der Ausgangssignale, die an den Ausgängen (P1, P2) entstehen, zu schalten sind.

7. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che zur Verwendung auf einer monolithischen oder hybriden Schaltungsanordnung zum Schalten von Hochfrequenz-Bauele­ menten.

8. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che zur Verwendung in einem Sende-Empfangsmodul einer pha­ sengesteuerten Antenne zum Schalten von Hochfrequenz-Bau­ elementen auf Gallium-Arsenid (GaAs-)Basis.