DE69214777T2 - Monolithisch integrierter Mikrowellenverstärker mit hoher Verstärkung - Google Patents

Monolithisch integrierter Mikrowellenverstärker mit hoher Verstärkung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung und insbesondere eine monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung mit einem neuartigen Rückkopplungsnetzwerk.
  • Monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen, auf die im folgenden als MMIC Bezug genommen wird, sind in mobilen Radiozellen und persönlichen Kommunikationssystemen nützlich. Derartige Systeme erfordern eine MMIC-Einrichtung aus Silizium, die eine Eingangs- und Ausgangsimpedanz von 50 Ω hat, die ein Leistungsniveau von zumindest +20 dBm erzeugen kann, um unmittelbar eine Leistungsverstärkerstufe betreiben zu können. Zusätzlich sollte die Einrichtung selbst dazu in der Lage sein, durch eine Treibereinrichtung mit einer geringen Störungs- bzw. Rauschzahl bei hohen Frequenzen betrieben zu werden, typischerweise 900 MHz. Ein derartiger Treiber kann nur zu einer Ausgangsleistung von ungefähr 1 mW (d.h., 0 dBm) aufgrund der Störungs- bzw. Rauschbeschränkungen in der Lage sein. Demgemäß gibt es einen Bedarf nach einer MMIC-Einrichtung, die durch eine Verstärkung von mehr als 20 dB und durch eine Ausgangsleistung von mehr als +20 dBm gekennzeichnet ist.
  • Einzelstufenverstärker, die im Stand der Technik bekannt sind, leiden unter Verstärkungsbeschränkungen. Ein Versuch, diese Beschränkungen zu überwinden, liegt in dem Einsetzen einer zweiten Verstärkungsstufe in Verbindung mit einer Widerstands-Kondensator-Rückkopplungskombination, um die Impedanzen bzw. Scheinwiderstände der Eingangs- und Ausgangsstufen anzupassen. Ein Beispiel dieses Versuches wird in der US-A-4,912,430 gezeigt. Ein Problem bei diesem Versuch liegt darin, daß reaktive Elemente, wie etwa Kondensatoren, die verwendbare Bandbreite des Verstärkers beschränken können. Demgemäß gibt es einen Bedarf, einen kaskadierten Breitbandverstärker mit der geringsten Anzahl von reaktiven Rückkopplungselementen zur Verfügung zu stellen. Darüberhinaus beschränken die Erfordernisse nach einer monolithischen Realisierung, geringer Größe, effektiver Verkapselung bzw. Verpackung und Leichtigkeit der Herstellung ferner die Anzahl der kapazitiven Elemente. Deshalb gibt es auch einen Bedarf nach kaskadierten Breitbandverstärkern, die die geringste Anzahl von kapazitiven Elementen verwenden.
  • Dementsprechend ist ein Breitbandverstärker die Aufgabe der Erfindung, der durch eine Verstärkung gekennzeichnet ist, die größer ist, als 20 dB und durch eine Ausgangsleistung von mehr als +20 dBm, der dazu in der Lage ist, in einer monolithischen integrierten Schaltung in die Tat umgesetzt zu werden.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist ein kaskadierter Breitbandverstärker mit der geringsten Anzahl von Kondensator-Rückkopplungselementen, um ein breites Frequenzansprechen, eine monolithische Realisierung, eine leichte Herstellung und eine wirksame Verkapselung bzw. wirksamen kompakten Zusammenbau zur Verfügung zu stellen.
  • Die vorliegende Erfindung ist in den beigeschlossenen Ansprüchen festgehalten und kann in einer linearen MMIC-Verstärkerschaltung aus Silizium mit hoher Verstärkung zur Verwendung in RF-Leistungsschaltungen verkörpert werden. Die Schaltung enthält einen zweistufigen kaskadierten Breitbandverstärker, der erste und zweite Darlington-Transistorstufen und zumindest zwei Rückkopplungsschleifen aufweist. Der Ausgang der ersten Darlington-Stufe ist an den Eingang der zweiten Stufe über einen sperrenden Kondensator angeschlossen. Eine Widerstands- Kondensator-Kombination weist einen Rückkopplungskondensator und einen ersten Rückkopplungswiderstand von einem ersten Rückkopplungsweg von dem Ausgangsanschluß der ersten Stufe zu dem Eingangsanschluß der ersten Stufe auf. Ein zweiter Rückkopplungsweg von dem Ausgangsanschluß der zweiten Stufe zu dem Eingangsanschluß der zweiten Stufe ist durch ein Netzwerk zur Verfügung gestellt, das einen zweiten Rückkopplungswiderstand, den Rückkopplungskondensator und den Sperr- bzw. Blockierkondensator umfaßt.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein dritter Rückkopplungsweg von dem Ausgangsanschluß der zweiten Stufe zu dem Eingangsanschluß der ersten Stufe durch den ersten und den zweiten Rückkopplungswiderstand zur Verfügung gestellt.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung werden der Rückkopplungskondensator und der Sperr- bzw. Blockierkondensator als eine Einrichtung mit drei Anschlüssen realisiert, die eine aufgeteilte obere Platte und eine gemeinsame untere Platte hat.
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielshaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Darstellungen beschrieben, in denen:
  • Figur 1 ein schematisches elektrisches Diagramm eines zweistufigen Breitbandverstärkers gemäß den Lehren dieser Erfindung ist.
  • Figur 2 eine Draufsicht auf die Topographie eines zweistufigen Breitbandverstärkers gemäß den Lehren dieser Erfindung ist.
  • Figur 3 eine Draufsicht auf einen zweistufigen Breitbandverstärker ist, der in einen Aufbau bzw. ein Gehäuse eingebaut ist.
  • Bezugnehmend auf Figur 1 weist ein zweistufiger Verstärker A gemäß den Lehren dieser Erfindung ein erstes Darlington-Transistorpaar, D1 (Transistoren Q1 und Q2) auf, die als eine erste Verstärkerstufe funktionieren, und ein zweites Darlington- Transistorpaar, D2 (Transistoren Q3 und Q4), die als eine zweite Verstärkerstufe funktionieren. Da ein Darlington-Transistorpaar Kennzeichen hat, die an einen einzelnen Transistor erinnern, wird auf ihn allgemein als einen Darlington-Transistor bezuggenommen. Der Ausgang des ersten Darlington-Transistors, D1, ist an den Eingang des zweiten Darlington-Transistors D2 über einen Kondensator C-block bzw. C-sperr AC-gekoppelt bzw. akkumulatorgekoppelt (AC coupled).
  • Eine Widerstands-Kondensator-Kombination, die einen Kondensator Cfb und einen Widerstand Rf1 aufweist, bildet ein erstes Rückkopplungsnetzwerk, das den Ausgangsanschluß des Transistors Q2 an den Eingangsanschluß des Transistors Q1 anschließt. Ein zweites Rückkopplungsnetzwerk zwischen dem Ausgangsanschluß des Transistors Q4 und dem Eingangsanschluß des Transistors Q3 wird durch einen seriell angeschlossenen Widerstand Rfb, einen Kondensator Cfb und einen Kondensator-C-Block zur Verfügung gestellt, der bzw. die parallel zu einem Rückkopplungswiderstand Rf2 angekoppelt ist bzw. sind. Ein drittes Rückkopplungsnetzwerk von dem Ausgangsanschluß des Widerstandes Q4 des Eingangsanschlusses des Transistors Q1 wird durch die seriell angeschlossenen Widerstände Rfb und Rf1 vorgesehen. Dieses dritte Rückkopplungsnetzwerk stellt eine zusätzliche Ebnung der Gesamtrespons zur Verfügung.
  • In einem herkömmlichen Verstärker dieser Art würde jede Stufe ein Widerstands- Kondensator-Rückkopplungsnetzwerk haben, das seinen Ausgangsanschluß an seinen Eingangsanschluß ankoppelt. Zusätzlich würde der Verstärker einen Sperrkondensator umfassen, um das Ausgangssignal von der ersten Stufe an den Eingangsanschluß der zweiten Stufe AC-anzukoppeln bzw. akkumulatoranzukoppeln. Der Ruhebetriebspunkt bzw. Eingangsbetriebspunkt des Verstärkers würde durch ein vorspannendes Netzwerk eingestellt werden, das die Rückkopplungswiderstände, wie auch Widerstände, wie etwa Rb1, Rb2, Rb3, Rb4, Re1 und Re2 umfassen würde, die in Figur 1 gezeigt sind.
  • Folglich wird im Einklang mit den Aufgaben dieser Erfindung die Anzahl der erforderlichen Kondensatoren, um einen DC-Block zwischen den Stufen und den Rückkopplungsschleifen für jede Stufe zur Verfügung zu stellen, von drei auf zwei verringert. Die Werte der Rückkopplungs-Widerstands-Kondensator-Elemente sind ausgewählt, um eine Ebenheit des Ansprechens und eine zweckmäßige DC- Vorspannung für die Darlington-Transistoren D1 und D2 zur Verfügung zu stellen.
  • Es wurden Werte von 30 pF sowohl für Cfb als auch für den C-Block und 250 Ω für Rfb und 900 Ω für Rf1 für den Betrieb bis zu ungefähr 1 Ghz als zweckmäßig herausgefunden, wenn sie in Verbindung mit den Darlington-Transistoren D1 und D2 verwendet werden, die die Kennzeichen im Handel erhältlicher Silizium-MMIC's haben, wie etwa zum Beispiel die Verstärkermodelle Nr. AMP 11 und AMP 5, die von der SGS-Thomson Microelectronics aus Montgomeryville, Pennsylvania erhältlich sind. Beispielhafte Werte der verbleibenden Bestandteile der Schaltung sind in einer Tabelle an dem Ende der Beschreibung angegeben.
  • Es wird wieder auf Figur 1 bezuggenommen, wobei eine Energiezufuhr- bzw. Netzteilschaltung 109, die eine Spannungsquelle Vs, Widerstände Rdrop1 und Rdrop2, Kondensatoren Cbp1 und Cbp2 und AC-Drosseln L1 und L2 aufweist, den Darlington-Transistoren D1 und D2 einen konstanten Strom zuführt, eine Trennung zwischen den Verstärkerstufen zur Verfügung stellt, und zusätzlich eine Lastimpedanz für die Darlington-Transistoren D1 und D2 in dem interessierenden Frequenzband zur Verfügung stellt.
  • Die Figur 2 stellt die Topographie eines hybriden Einrichtungsbestandteils 20 dar, der die Verstärkerstufen und die Widerstandselemente in einer einzigen Konstruktion umfaßt, jedoch nicht die Kondensatoren Cfb und C-block bzw. C-sperr. Die dargestellte Einrichtung hat Vorkehrungen, um an eine separate Platte angeschlossen zu werden, die die Kondensatoren Cfb und C-block bzw. C-sperr enthalten. Ein Kontaktfleck 202 ist der Eingangsanschluß der Einrichtung und entspricht dem Anschlußpunkt 102 nach Figur 1. Kontaktflecken 204 sind Erdungsleiter. Ein Fleck 206 ist der Ausgangsanschluß, der dem Anschlußpunkt 106 in Figur 1 entspricht. Der Flecken 208 stellt einen Kontakt für die Energiezufuhr- bzw. Netzteilspannung Vd2 an dem Anschlußpunkt 108 in Figur 1 bereit. Der Flecken 210 stellt einen Anschluß sowohl zu dem C-block als auch dem Eingangsanschluß von Q3 an dem Anschlußpunkt 120 nach Figur 1 zur Verfügung. Der Flecken 212 stellt einen gemeinsamen Anschluß an die Kondensatoren C-block bzw. C-sperr und Cfb und für die Energiezufuhr zu dem ersten Darlington-Transistor D1 an dem Anschlußpunkt 122 in Figur 1 zur Verfügung. Der Flecken 214 stellt einen Kontakt zu dem Rückkopplungskondensator Cfb an dem Anschlußpunkt 124 in Figur 1 zur Verfügung.
  • Folglich stellt Figur 2 ein zusätzliches Merkmal dieser Erfindung dar, nämlich daß nur drei Anschlüsse an die Kondensatoren benötigt werden, anstelle der sechs, die im Stand der Technik üblich sind (d.h. wenn zwei Rückkopplungskondensatoren und ein Sperrkondensator verwendet werden), wodurch die Herstellung von beiden hybriden Strukturen, wie denen in Figur 2 gezeigten, und vollständig monolithischen Strukturen, die durch diese Erfindung erwogen werden, vereinfacht werden.
  • Die Erfindung zieht ferner eine planare Einrichtung mit drei Anschlüssen in Betracht, die die zwei Kondensatoren Cfb und C-block (bzw. C-sperr) bildet. Die Einrichtung hat eine gemeinsame untere Platte, die den verbundenen Enden der Kondensatoren Cfb und C-block entspricht, und eine aufgespaltene bzw. aufgeteilte obere Platte, die den jeweiligen anderen Enden der zwei Kondensatoren entspricht. Ein einzelner Kontakt verbindet die untere Platte der Kondensatoren mit der Verstärkerschaltung und getrennte Anschlüsse sind für jede obere Platte hergestellt. Der Anschluß an die Bodenplatte ist an der oberen Oberfläche der Platte hergestellt, indem die Erdungsschienen-Technik verwendet wird, um auf das Substrat zuzugreifen, d.h. die untere Oberfläche des Kondensators für den gemeinsamen Kontakt.
  • Die Figur 3 stellt in einer Draufsicht eine vollständige Hybrideinrichtung in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Erfindung dar, die in einen kostengünstigen, mit Bolzen bzw. Nieten befestigten, siebdruckmetallisierten BeO-Gehäuse aufgebaut ist, um eine zweckmäßige Wärmesenke zur Verfügung zu stellen. Das Gehäuse 30 bzw. die Platine 30 enthält vier externe Leiter, die einen Eingang 302, einen Ausgang 304, einen Erdungsanschluß 306 und einen wahlweisen zweiten D.C.- Leistungsanschluß 308 vorsehen. Innerhalb des Gehäuses 30 bzw. der Platine 30 ist eine MMIC-Platte 310, die 20 in Figur 2 entspricht, und eine Kondensatorplatte 311 aufgebaut. Bezugnehmend auf die Figuren 1, 2 und 3 schließen interne Leiter 301 externe Eingangsleiter 302 (Figur 3) an, um den Flecken 202 (Figur 2) an den Anschlußpunkt 102 (Figur 1) anzuschließen. Ähnliche bzw. gleiche Anschlüsse zwischen externen Leitern (Figur 3), Kontaktflecken (Figur 2) und Anschlußpunkten (Figur 1) sind aus den Figuren ersichtlich. Insbesondere verbindet der Leiter 316 eine obere Platte, die im Kondensator 312 (Cfb in Figur 1) entspricht, mit dem Kontaktflächen 214 und dem Anschlußpunkt 124; der Leiter 318 schließt die andere obere Platte, die dem Kondensator 314 entspricht (C-block in Figur 1) an den Kontaktflächen 210 am Anschlußpunkt 120 an; und der Leiter 320 schließt die gemeinsame untere Platte der Kondensatoren an die Kondensatorplatte 311 an den Kontaktflecken 212 an dem Anschlußpunkt 122 an. Wahlweise kann die Einrichtung 311 mit drei Anschlüssen, die Kondensatoren Cfb (312) und C-block bzw. C-sperr (314) umfaßt, auf dem gleichen Chip mit dem Verstärker 20 in vollständig monolithischer Weise hergestellt werden, wodurch das Erfordernis nach der getrennten Kondensatorplatte 311 und internen Leitern 316, 318 und 320 in dem Gehäuse 30 vermieden wird.
  • Die Herstellung von vollkommen monolithischen MMIC's aus Silizium gemäß den Techniken dieser Erfindung wird bevorzugt realisiert, indem sämtliche Schaltungselemente mit der aktiven Einrichtungskonstruktion kombiniert werden, wobei eine vollständige Ionenimplantationsherstellungsabfolge verwendet wird, die in eine feinlinien-interdigitierte bzw. -parallelgeschaltete Transistorkonstruktion für die Transistoren Q1 bis Q4 einbezogen wird.
  • Die in dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren verwenden Metallfinger bzw. -anschlüsse und räume von 1,0 µ, was eine Einrichtung herstellt, die eine Emitter-zu-Emitter-Teilung bzw. -Abstand von 4,0 µ hat. Der Feinlinienemitter und die Grundöffnungen sowie die Grundöffnungen mit weniger als ½ µ ergeben eine niedrige Emittergrundanschlußkapazität und deshalb einen Betrieb bei einer höheren Frequenz. Die Verwendung dieser Strukturen führt zu einer hohen Packungsdichte und einem (Emitterperipherie)-zu-(Grundflächen)-Verhältnis von 0,43 µ&supmin;¹. Ein derart hohes Verhältnis zeigt eine damit verbundene niedrige Kollektorgrundanschlußkapazität für die erforderliche Emitterperipherie an.
  • Die Widerstände des MMIC-Verstärkers 20 (der in Figur 2 gezeigt ist) werden bevorzugt unter Verwendung von Ionen-implantierten LPCVD-Polysilizium mit genau gesteuerten Werten hergestellt. Zusätzlich wird die Herstellung von Widerständen mit unterschiedlichen Widerstandskennzeichen durch selektive Implantation erzielt.
  • Wahlweise können dünne Metallfilme eingesetzt werden, obwohl Polysilizium bevorzugt wird, um die Stromdichte durch jeden Widerstand durch Auswählen der Schichtdicke und der Stromdichte zu steuern. Um sehr verläßliche Zwischenverbindungen zu erzielen, wird eine hochschmelzende bzw. hochwiderstandsfähige Goldmetallisierung bevorzugt.
  • Die Kollektortrennung der MMIC's aus Silizium wird in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Erfindung bevorzugt unter Verwendung von durch Graben getrennte Epitaxiestrukturen mit Luftbrückenzwischenverbindungen erzielt. Das Substrat wird eutektisch auf der Grundebene aufgebaut und Kollektorkontakte für die einzelnen n- Typ-Bereiche werden auf die Oberfläche gebracht bzw. auf dieser aufgebracht. Wahlweise kann eine vollständige planare Prozessierung ausgeführt werden, indem ein zweckmäßiges dielektrisches Material verwendet wird, wie etwa undotiertes Polysilizium, um die Gräben wieder zu füllen.
  • Exemplarische Werte der Bestandteile für die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Schaltung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle

Claims (8)

1. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung, die aufweist:
eine erste Verstärkerstufe, die einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß hat;
einen Sperr- bzw. Blockierkondensator;
eine zweite Verstärkerstufe, die einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß hat, wobei der Eingangsanschluß der zweiten Verstärkerstufe an den Ausgangsanschluß der ersten Verstärkerstufe über den Sperr- bzw. Blockierkondensator angekoppelt ist;
ein erstes Rückkopplungsnetzwerk, das einen ersten und einen zweiten Anschluß hat, das einen Rückkopplungskondensator umfaßt, der in Serie mit einem ersten Rückkopplungswiderstand angeschlossen ist, wobei der jeweilige erste und zweite Anschluß des ersten Rückkopplungsnetzwerks an den jeweiligen Ausgangsanschluß und Eingangsanschluß der ersten Verstärkerstufe angeschlossen sind;
und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner aufweist:
ein zweites Rückkopplungsnetzwerk, das einen ersten und einen zweiten Anschluß hat, das einen Serienanschluß eines zweiten Rückkopplungswiderstands, des Rückkopplungskondensators und des Sperr- bzw. Blockierkondensators umfaßt, wobei der jeweilige erste und zweite Anschluß des zweiten Rückkopplungsnetzwerks an den jeweiligen Ausgangsanschluß und Eingangsanschluß der zweiten Verstärkerstufe angeschlossen sind.
2. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, die ferner ein drittes Rückkopplungsnetzwerk aufweist, das den ersten und zweiten Rückkopplungswiderstand zwischen dem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe und dem Eingang der ersten Verstärkerstufe umfaßt.
3. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, in der das zweite Rückkopplungsnetzwerk ferner einen dritten Rückkopplungswiderstand umfaßt, der zwischen dem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe und dem Eingang der zweiten Verstärkerstufe angekoppelt ist.
4. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung nach Anspruch 1, in der die erste und die zweite Verstärkerstufe jeweils ein Darlington-Transistorpaar enthalten.
5. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, in der der sperrende bzw. blockierende Kondensator und der Rückkopplungskondensator als eine einzige Einrichtung realisiert sind, die eine gemeinsame untere Platte und eine aufgeteilte obere Platte hat, wobei getrennte Anschlüsse zur Verfügung gestellt sind, um einen Anschluß an die untere Platte und jede der oberen Platten, die durch die Teilung ausgebildet sind, vorzunehmen.
6. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, in der der Sperr- bzw. Blockierkondensator und der Rückkopplungskondensator getrennt von der ersten und der zweiten Verstärkerstufe ausgebildet sind, und an die erste und die zweite Verstärkerstufe in einer Hybrid-Struktur angeschlossen sind.
7. Monolithisch integrierte Mikrowellenverstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, in der der Rückkopplungskondensator, der Sperr- bzw. Blockierkondensator und die erste und die zweite Verstärkerstufe auf einem einzigen Substrat in einer vollmonolithischen Struktur ausgebildet sind.
8. Verstärker nach Anspruch 1, in dem die erste und die zweite Verstärkerstufe jeweils Vorspannungswiderstandselemente und den Sperr- bzw. Blockierkondensator umfassen, wobei der Rückkopplungskondensator und der erste und der zweite Rückkopplungswiderstand ausgewählt sind, um eine im wesentlichen ebene Frequenzansprechcharakteristik für den Verstärker über ein vorbestimmtes Band von Frequenzen zur Verfügung zu stellen, und um mit den vorspannenden Widerständen zusammenzuwirken, um eine vorbestimmte DC-Vorspannung für die erste und die zweite Verstärkerstufe zur Verfügung zu stellen.
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