EP1252708A2 - Mischerschaltung und -verfahren - Google Patents

Mischerschaltung und -verfahren

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Publication number
EP1252708A2
EP1252708A2 EP00993801A EP00993801A EP1252708A2 EP 1252708 A2 EP1252708 A2 EP 1252708A2 EP 00993801 A EP00993801 A EP 00993801A EP 00993801 A EP00993801 A EP 00993801A EP 1252708 A2 EP1252708 A2 EP 1252708A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
signal
mixer
mosfet
gate
Prior art date
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Ceased
Application number
EP00993801A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Schaper
Dieter Sewald
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1252708A2 publication Critical patent/EP1252708A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D7/00—Transference of modulation from one carrier to another, e.g. frequency-changing
    • H03D7/12—Transference of modulation from one carrier to another, e.g. frequency-changing by means of semiconductor devices having more than two electrodes
    • H03D7/125—Transference of modulation from one carrier to another, e.g. frequency-changing by means of semiconductor devices having more than two electrodes with field effect transistors

Definitions

  • the present invention relates to a mixer circuit with a MOSFET transistor with a drain, a gate, a substrate or body and a source connection and a corresponding method for mixing signals.
  • Mixers are used for frequency conversion of a high-frequency signal (HF) into an intermediate frequency signal (Intermediate frequency: IF) (downward mixer) or, conversely, as an upward mixer using a local oscillator signal (LO).
  • HF high-frequency signal
  • IF intermediate frequency
  • LO local oscillator signal
  • a mixer must contain a non-linear component for frequency conversion.
  • Diodes or transistors are used as non-linear components.
  • Transistor mixers are usually operated actively in order to achieve the highest possible conversion gain of the mixer by amplifying the transistor.
  • Transistor mixers can also be operated passively, the transistor channel being used as a variable resistor.
  • Bipolar transistors currently dominate among the silicon components in mixer applications due to their exponential non-linear current-voltage characteristic.
  • Mixers with field effect transistors use the non-linear current-voltage characteristics characterized by a quadratic function as in Meinke; Grundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik” Springer Verlag, 1992, 5th edition p. G 18 ff.
  • FIG. 2 shows the basic circuit diagram of an N-channel MOSFET mixer in which the gate G of the transistor is used in common for the LO and IF signals (gate mixer, additive mixing as described in the prior art mentioned above ).
  • the drain connection D is available as a connection for the HF signal.
  • the bulk connection B is usually connected to the ground potential together with the source connection S.
  • the substrate connection in the conventional MOSFETs is set to the lowest potential, in order to avoid, among other things, inevitable parasitic
  • the frequency signals must be separated from one another using suitable networks NW.
  • the networks also contain the voltage supplies for drain and gate for setting the idle working point.
  • Other mixer designs are also possible, e.g. In the so-called drain mixer, two signals are fed to the drain connection.
  • Another embodiment known in the prior art is the dual-gate mixer (see Maas, SA, "Microwave Mixers", Artech House 1993, 2nd Edition, p. 328 ff "Dual Gate Mixers”), in which LO and IF signals are supplied to two separate gate terminals of the transistor.
  • the example shown here (FIG. 2) can also be transferred to P-channel MOSFETs.
  • a mixer circuit is known from US 36 21 473 and DE 196 42 900 AI, in which a first signal to be mixed is applied to the gate connection and a second signal to be mixed is applied to the source connection of the MOSFET.
  • This type of mixer circuit has the particular disadvantage that the two signals to be mixed do not act directly on the channel and therefore only a low operating frequency can be reached with this mixer circuit.
  • Is to provide an object of the invention to provide a mixer circuit and a frequency mixing method is available, which does not require elaborate networks in order to avoid back-scatter, and 'can still work with standard MOSFETs with only one gate.
  • this object is achieved by a mixer circuit
  • MOSFET transistor using SOI (Silicon-on-Insulator) technology.
  • the present task is also solved by a method for mixing signals
  • MOSFET transistor is manufactured using SOI (Silicon-on-msulator) technology.
  • Figure 1 shows the basic principle of a signal mixer
  • Figure 2 shows the basic circuit of a gate mixer with N-channel MOSFET according to the prior art
  • FIG. 3 shows a cross section of an N-channel MOSFET transistor on bulk silicon material
  • FIG. 4 shows a cross section of an N-channel MOSFET transistor on SOI material
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of an SOI-MOSFET transistor with the non-linear components
  • FIG. 6 shows a mixer circuit according to the invention with separate signal feeds on the N-channel MOSFET.
  • the present exemplary embodiment describes a mixer circuit with SOI-MOSFET transistor, since this is partaking.
  • a MOSFET can also be connected to bulk silicon material in accordance with the invention.
  • MOSFETs based on silicon-on-insulator (SOI) material according to the prior art m Sze SM, "Physics of Semiconductor Devices", John Wiley & Sons, 1981 2nd edition, page 493: “SOI” and Pindl S. et al , "A 130-nm Channel Length Partially Depleted SOI CMOS Technology", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 46, No. 7, July 1999, page 1562, instead of being produced on conventional substrate silicon material, particularly facilitate a new application as a mixer due to the isolation (FIG. 4) of the transistor from its surroundings from SOI material.
  • SOI silicon-on-insulator
  • the nonlinear properties required for a mixer are in principle present in both transistor designs.
  • the nonlinear elements are shown in the equivalent circuit diagram in FIG. 5. These are the diodes of the pn junctions (substrate-dram and substrate-source region or body-drain and body-source region) and the bipolar npn transistor (source-substrate-drain or Source body dram area).
  • the area under the channel is separated from the rest
  • the design of the MOSFET allows a separate supply of the frequency signals LO, IF and HF to separate transistor connections;
  • MOSFETs source and body connection always connected and connected to ground, for example with N-channel technology. In this way, the advantageous properties of a single MOSFET as a mixer could never be recognized and used.
  • the present invention shows for the first time the use of the "substrate or" body "connector B as a separate, signal-carrying line and the use of the corresponding non-linear components between the body B and source S or drain D for signal mixing.
  • the signal connections D and S for RF signal and ground are interchangeable due to the symmetrical design of the transistor.
  • the signal connections G and B for IF signal and LO signal are also interchangeable, since both control the transistor channel.

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Abstract

Mischerschaltung und -verfahren zum Mischen von Signalen mit einem MOSFET-Transistor mit Drain-, Gate-, Substrat- bzw. Body- und Source-Anschluss, wobei die zu mischenden Signale und das Ausgangssignal jeweils an einem eigenen Anschluss anliegen.

Description

Beschreibung
Mischerschaltung und -verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischerschaltung mit einem MOSFET-Transistor mit einem Drain, einem Gate, einem Substrat- bzw. Body- und einem Source-Anschluss sowie ein entsprechendes Verfahren zum Mischen von Signalen.
Mischer, wie in Fig. 1 dargestellt, dienen zur Frequenzumsetzung eines Hochfrequenz-Signals (HF) in ein Zwischenfrequenz- signal (Intermediate frequency: IF) (Abwärtsmischer) oder in umgekehrter Weise als Aufwartsmischer unter Verwendung eines Lokaloszillatorsignals (LO) .
Ein Mischer muss für die Frequenzumsetzung ein nichtlineares Bauelement enthalten. Als nichtlineare Bauelemente werden Dioden oder Transistoren benutzt. Transistormischer werden in der Regel aktiv betrieben, um durch die Verstärkung des Tran- sistors einen möglichst hohen Konversionsgewinn des Mischers zu erreichen. Transistormischer können auch passiv betrieben werden, wobei der Transistorkanal als regelbarer Widerstand benutzt wird. Unter den Silizium-Bauelementen dominieren zur Zeit bipolare Transistoren bei den Mischeranwendungen auf- grund ihrer exponentiell verlaufenden nichtlinearen Strom- Spannungs-Kennlinie. Mischer mit Feldeffekttransistoren (MOSFET) verwenden die durch eine quadratische Funktion charakterisierten nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien wie in Meinke; Grundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" Springer Verlag, 1992, 5. Auflage S. G 18 ff beschrieben.
Hieraus folgt, dass beim MOSFET die Frequenzumsetzung beim Mischvorgang linearer ist als beim bipolaren Transistor. Die bessere Linearitat fuhrt zu weniger Storsignalen am Ausgang des Mischers. In der Figur 2 ist das Prinzipschaltbild eines N-Kanal MOSFET-Mischers gezeigt, bei dem das Gate G des Transistors gemeinsam für die LO- und IF-Signale benutzt wird (Gate- Mischer, additive Mischung wie in dem oben erwähnten Stand der Technik beschrieben) . Der Drain-Anschluss D steht als An- schluss für das HF-Signal zur Verfugung. Der Bulk-Anschluss B wird üblicherweise zusammen mit dem Source-Anschluss S mit dem Masse-Potential verbunden. Dadurch wird bei den herkömmlichen MOSFETs der Substrat-Anschluss auf das niedrigste Po- tential gelegt, um unter anderem unvermeidliche parasitäre
Dioden zu sperren. Ein Leistung verbrauchender Leckstrom wird dadurch verhindert. Die Frequenzsignale müssen mit geeigneten Netzwerken NW voneinander getrennt werden. Die Netzwerke enthalten außerdem die Spannungsversorgungen für Drain und Gate zur Einstellung des Ruhearbeitspunktes. Es sind auch andere Mischerausfuhrungen möglich, z.B. werden beim sogenannten Drain-Mischer zwei Signale dem Drain-Anschluss zugeführt. Eine weitere im Stand der Technik bekannte Ausfuhrung ist der Dual-Gate-Mischer (sh. Maas, S.A., "Microwave Mixers", Artech House 1993, 2nd Edition, S. 328 ff "Dual Gate Mixers"), bei dem LO- und IF-Signale zwei getrennten Gate-Anschl ssen des Transistors zugeführt werden. Das hier gezeigte Beispiel (Fig. 2) ist auch auf P-Kanal MOSFETs übertragbar.
DE 32 42 547 AI beschreibt ebenfalls einen Dual-Gate-Mischer.
Weiterhin ist aus US 36 21 473 und DE 196 42 900 AI jeweils eine Mischerschaltung bekannt, bei der ein erstes zu mischendes Signal an den Gate-Anschluss und ein zweites zu mischen- des Signal an den Source-Anschluss des MOSFETs gelegt wird. Diese Art der Mischerschaltung weist insbesondere den Nachteil auf, dass mittels der beiden zu mischenden Signale nicht unmittelbar auf den Kanal eingewirkt wird und deshalb mit dieser Mischerschaltung nur eine geringe Betriebsfrequenz er- reichbar ist.
Weiterhin ist aus US 41 60 959 ein Modulator bekannt. Gemäß dem beschriebenen Stand der Technik benötigen diese Mischerschaltungen also stets recht aufwendige Netzwerke (beispielsweise NW1 und NW2 in Fig. 2) , um Rückstreuungen der ge- meinsam am Gate des MOSFET angelegten Signale zu vermeiden. Die einzige Alternative zur Vereinfachung dieser Netzwerke ist gemäß dem Stand der Technik ein spezieller Dual-Gate MOSFET, der über zwei getrennte Gates verfügt. Dies hat aber wiederum den Nachteil, dass ein spezielles Bauelement zur Verfügung gestellt werden muss, und dass dieses Bauelement einen höheren Platzbedarf aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Mischerschaltung und ein Verfahren zur Frequenzmischung zur Verfügung zu stellen, welches keine aufwendigen Netzwerke zur Vermeidung von Rückstreuungen benötigt, und 'trotzdem mit normalen MOSFETs mit nur einem Gate arbeiten kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Mischerschal- tung gelöst,
• bei der ein erstes zu mischendes Signal an dem Gate- Anschluss (G) anliegt,
• bei der ein zweites zu mischendes Signal an dem Sub- strat-Anschluss bzw. Bulk-Anschluss (B) anliegt, und • bei der das Ausgangssignal an dem Drain-Anschluss (D) anliegt .
Es ist dabei besonders bevorzugt, den MOSFET-Transistor in SOI- (Silicon-on-insulator) -Technik auszuführen.
Ebenso wird die vorliegende Aufgabe durch ein Verfahren zum Mischen von Signalen gelöst,
• bei dem ein erstes zu mischendes Signal an den Gate- Anschluss (G) angelegt wird, • bei dem ein zweites zu mischendes Signal an den Sub- strat-Anschluss bzw. Bulk-Anschluss (B) angelegt wird, und • bei dem das Ausgangssignal an dem Drain-Anschluss (D) anliegt .
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn der MOSFET-Transistor in SOI- (Silicon-on-msulator) -Technik hergestellt wird.
Bei Verwendung eines N-Kanal -MOSFET ist dessen Source- Anschluss mit Masse zu verbinden und die zu mischenden Signale sind an Gate und Body anzulegen, wahrend das Ausgangssig- nal am Drain-Anschluss entnommen werden kann.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand des m den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 das Grundprinzip eines Signalmischers;
Figur 2 die Prinzipschaltung eines Gate-Mischers mit N-Kanal MOSFET gemäß dem Stand der Technik;
Figur 3 einen Querschnitt eines N-Kanal MOSFET-Transistors auf Bulk-Silizium-Mateπal ;
Figur 4 einen Querschnitt eines N-Kanal MOSFET-Transistors auf SOI-Mateπal,
Figur 5 ein Ersatzschaltbild eines SOI-MOSFET-Transistors mit den nichtlinearen Bauelementen; und
Figur 6 eine erfmdungsgemaße Mischerschaltung mit getrennten Signal-Zufuhrungen am N-Kanal MOSFET.
Das vorliegende Ausfuhrungsbeispiel beschreibt eine Mischerschaltung mit SOI-MOSFET-Transistor, da dies besonders vor- teilhaft ist. Grundsätzlich kann aber genauso ein MOSFET auf Bulk-Silizium-Material erfmdungsgemaß beschaltet werden.
MOSFETs, die auf Silicon-On-Insulator (SOI) Material gemäß dem Stand der Technik m Sze S.M., "Physics of Semiconductor Devices", John Wiley & Sons, 1981 2nd edition, Seite 493: "SOI" und Pindl S. et al , "A 130-nm Channel Length Partially Depleted SOI CMOS -Technology" , IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 46, No . 7, July 1999, Seite 1562 statt auf her- kommlichen Substrat-Silizium Material hergestellt werden, erleichtern besonders eine neue Anwendung als Mischer aufgrund der bei SOI -Material vorhandenen Isolierung (Fig. 4) des Transistors zu seiner Umgebung.
Die für einen Mischer notwendigen nichtlinearen Eigenschaften sind prinzipiell bei beiden Bauweisen der Transistoren vorhanden. Die nichtlinearen Elemente sind in dem Ersatzschaltbild in Fig. 5 dargestellt. Es sind die Dioden der pn-Uber- gange (Substrat-Dram- und Substrat-Source-Gebiet bzw. Body- Drain- und Body-Source-Gebiet) und der bipolare npn-Tran- sistor (Source-Substrat-Drain- bzw. Source-Body-Dram- Gebiet) .
Durch die laterale und vertikale Isolierung beim SOI -MOSFET ist das Gebiet unter dem Kanal, Body genannt, vom übrigen
Substratbereich elektrisch getrennt. Über den Body-Anschluss B besteht die Möglichkeit, den Transistorkanal zusätzlich zum Gate an der Oberseite von der Unterseite zu steuern. Der An- schluss zu diesem elektrisch getrennten Bereich wird zur Zu- fuhrung eines der zum Mischen notwendigen Frequenzsignale benutzt. Ein Beispiel wird in Fig. 6 dargestellt (multiplika- tive Mischung) . Die getrennte Signalzufuhrung resultiert in einer Isolierung zwischen den dem Gate und dem Body zugefuhr- ten Signalen. Aus der Isolierung des SOI-MOSFETs von der ub- rigen Substratumgebung folgt eine Reduzierung der parasitären Kapazitäten der pn-Ubergange . Die kleineren Kapazitäten erlauben eine höhere Betriebsfrequenz. Nichtlineare Bauelemente, die zum Mischen einer Frequenz bei MOSFETs (auf Bulk-Silizium-Mateπal und auf SOI-Mateπal) benutzt werden können:
- nichtlineare Strom-Spannungskennlinie I (U) des Kanalstrom IDS zwischen Drain D und Source S ;
- nichtl neare Kapazitat-Spannungs-Kennlinie C (U) der n /p- Dioden der Dram-Body und Source-Body-Ubergange bzw. der
Dra -Substrat und Source-Substrat-Ubergange;
- nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie I (U) des Kollektorstroms IcDS des lateralen Bipolartransistors aus Drain D, Bo- dy bzw. Substrat B und Source S;
Vorteile eines MOSFETs als Mischer:
- die Bauform des MOSFETs erlaubt eine getrennte Zufuhrung der Frequenzsignale LO, IF und HF an getrennte Transistoran- schlusse;
- die getrennte Signalfuhrung hat eine erwünschte höhere Isolierung zwischen den Signalen LO, IF und HF zur Folge, das Ubersprechen zwischen den jeweiligen Signalen wird kleiner;
- die Anforderungen an die Netzwerke zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzen sind geringer aufgrund der getrennten Signalzufuhrung, dadurch werden die Netzwerke einfacher;
- die Isolierung des SOI -MOSFETs begrenzt geometrisch die Ausdehnung der unvermeidlichen p/n-Gebiete und die damit verbundenen Kapazitäten. Die dadurch verkleinerten Kapazitäten erlauben höhere Betriebsfrequenzen als bei MOSFET auf Bulk- Silizium; - die Eigenschaften eines einzelnen MOSFETs werden zur Frequenzmischung benutzt. Es wird kein Schaltmischer (Gilbertzelle) verwendet. Die Vermeidung des Schaltmischerkonzepts bedeutet, dass ein analog betriebener Transistor die Aufgabe von mehreren Transistoren, die als Verstärker bzw. Schalter arbeiten, übernimmt;
- die Eigenschaften eines einzelnen MOSFETS werden zur Frequenzmischung benutzt. Es werden keine gestapelten Transisto- ren verwendet. Die Vermeidung von in Reihe geschalteten Transistoren (gestapelte Transistoren) zwischen den Potentialen der Spannungsversorgung führt zu dem erwünschten Betrieb bei niedrigerer Versorgungsspannung.
Bisher wurden bei MOSFETs in Bulk-Silizium und bei SOI-
MOSFETs Source- und Body-Anschluss stets verbunden und beispielsweise bei N-Kanal-Technologie auf Masse gelegt. Auf diese Weise konnten die vorteilhaften Eigenschaften eines einzelnen MOSFETs als Mischer niemals erkannt und genutzt werden. Die vorliegende Erfindung zeigt erstmals die Benutzung des "Substrat- bzw. "Body" -Anschlusses B als separate, signalführende Leitung und die Nutzung der entsprechenden zwischen Body B und Source S bzw. Drain D liegenden nichtlinearen Bauelemente zur Signalmischung.
Die Signalanschlüsse D und S für HF-Signal und Masse sind gegeneinander austauschbar aufgrund der symmetrischen Bauweise des Transistors. Die Signalanschlüsse G und B für IF-Signal und LO- Signal sind ebenfalls gegeneinander austauschbar, da beide den Transistorkanal steuern.

Claims

Patentansprüche
1. Mischerschaltung mit einem MOSFET-Transistor mit einem Drain-Anschluss (D) , einem Gate-Anschluss (G) , einem Sub- strat -Anschluss (B) und einem Source-Anschluss (S) ,
• bei der ein erstes zu mischendes Signal an dem Gate- Anschluss (G) anliegt,
• bei der ein zweites zu mischendes Signal an dem Sub- strat-Anschluss (B) anliegt, und • bei der das Ausgangssignal an dem Drain-Anschluss (D) anliegt .
2. Mischerschaltung nach Anspruch 1, bei der der MOSFET-Transistor in SOI- (Silicon-on-Insulator) - Technik ausgeführt ist.
3. Verfahren zum Mischen von Signalen unter Verwendung eines MOSFET, mit einem Drain-Anschluss (D) , einem Gate-Anschluss
(G) , einem Substrat-Anschluss (B) und einem Source-Anschluss (S) ,
• bei dem ein erstes zu mischendes Signal an den Gate- Anschluss (G) angelegt wird,
• bei dem ein zweites zu mischendes Signal an den Sub- strat-Anschluss (B) angelegt wird, und • bei dem das Ausgangssignal an dem Drain-Anschluss (D) anliegt .
4. Verfahren nach Anspruch 3 , bei dem der MOSFET-Transistor in SOI- (Silicon-On-Insulator) - Technik hergestellt wird.
EP00993801A 2000-01-21 2000-11-27 Mischerschaltung und -verfahren Ceased EP1252708A2 (de)

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