SE522892C2 - En förstärkarkrets för att förstärka signaler - Google Patents

Description

25 30 35 n - u n nu å 52 2 89 2 šïï; - - jI§= J; spektive effekten.

Emellertid måste också fälteffekttransistorernas effektförbrukmng och kylning betraktas.

Det finns allmänt ett ökande krav på att sända data från mobila stationer med användning av standardnät. I tidluckor, så att sändningen från en betraktad mobil station kan utföras såsom högst var åtton- sådana nät uppdelas tiden för att kommunicera med en betraktad basstation i de tidlucka. Detta innebär, att om en fälteffekttransistor är utformad för en speciell avgiven effekt, motsvarar effektförbrukningen och den avledda effekten endast omkring en åttondel av de belopp, som erfordras för kontinuerlig sändning. När datasändning erfordras, kan flera tid- luckor tilldelas de mobila stationema, t ex två eller tre tidluckor av en mängd av totalt åtta tidluckor. Detta medför i sin tur, att effektförstärkarna och de i dessa ingående fälteffekttran- sistorerna- måste utfonnas för denna högre avgivna medeleffekt och alltså måste kylningen av effektkretsama förbättras. Detta erfordrar allmänt, att arean för fälteffekttransistorerna måste ökas avsevärt för att öka bortledandet av värme från transistorerna.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa förstärkarkrets för två olika våglängds- band, som har effektiv kylning och en effektiv användning av arean på kretsplattorna.

Det problem, som skall lösas av uppfinningen, är sålunda, hur de olika transistorer skall integreras, vilka erfordras för att förstärka signaler i två våglängdsband, så att de upptar en liten area på en halvledarplatta och så att transistorerna är placerade, så att den av från tran- sistorerna avledda effekten kan effektivt ledas bort.

I en utformning av effekttransistorer såsom fälteffekttransistorer, exempelvis använda i ett utgångssteg i en signalbehandlande krets, innefattar varje enskild transistor ett flertal "fingrar", varvid fingrarna är elementära transistorer, som är placerade, så att de bildar en linje eller rad. Genom att lägga fingrarna mellan varandra, så att de elementära transistorer, vilka hör till en effekttransistor omväxlar med transistorer, vilka hör till en annan effekttran- sistor, får varje elementär transistor en stor area på en kretsplatta, som mottar den vänne, vilken utvecklas av den elementära transistom. Detta förutsätter, att i varje ögonblick endast en effekttransistor är aktiv, vilket gäller exempelvis, när man kommunicerar över olika våg- längdsband och varje váglängdsband har sin egen effekttransistor.

De elementära transistorerna är sålunda sannnanförda i grupper för att bilda transis- torenheter eller fälteffekttransistorenheter, som används för olika ändamål. En transistorenhet kan sålunda vara avsedd för att förstärka signaler med våglängder eller av ett våglängdsband, som erfordrar mer avgiven elektrisk effekt, såsom ett lägre frekvensband. Eftersom denna transistorenhet måste avge en utgångssignal, som har stor effekt, erfordrar den därigenom en stor area på en platta. En annan transistorenhet kan erfordra en mindre area, eftersom, när den är aktiv, utvecklas mindre värrne, varvid en sådan transistorenhet exempelvis är avsedd att förstärka signaler av högre frekvens. Antalet elementära transistorer i en första transis- torenhet kan sålunda vara större än antalet elementära transistorer i en andra transistorenhet.

Alternativt eller i kombination dänned kan de elementära transistorerna i den andra transis- 10 15 20 25 30 35 a 522 892 e e u . ~ q n - u - o | ø o ø c u no 3 torenheten var och en uppta en mindre area än de elementära transistorerna i den andra tran- sistorenheten.

KORT FIGURBESKRIVNIN G Uppfinningen skall nu beskrivas såsom en ej begränsande utföringsform med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. 1 är ett diagram över verkningsgraden hos en fälteffekttransistor (FET) som funktion av avgiven effekt, - F ig. 2a är en schematisk vy uppifrån av utformningen av ett enda fälteffekttransistorfinger, - Fig. 2b är kretssymbolen för en fälteffekttransistor, - Fig. 3 är en schematisk vy, som åskådliggör användning av olika utgångsfälteffekttran- sistorer för olika kommunikationskanaler i ett kommunikationssystem med mobila enheter, - Fig. 4 är en schematisk vy liknande vyn i ñg. 3, som visar mellan varandra placerade ele- mentära fälteffekttransistorer, - Fig. 5a är en schematisk vy liknande vyn i fig. 2a, som visar utfomining av fälteffekttran- sistorerna i utföringsforrnen enligt fig. 3 och en hur fingrarna hos falteffekttransistorerna placeras bredvid varandra med gemensamma emittrar och kollektorer, - Fig. 5b är en schematisk vy liknande vyn i fig. 5a, som visar en utformning av fálteffekt- transistorema, som medger en högre last, - Fig. 5c är en schematisk vy liknande vyn i fig. 5a, som visar en utformning av fälteffekt- transistorer, vilken medger en större last och erfordrar minimalt med utrymme, - Fig. 6a är en schematisk vy liknande vyn i ñg. 5a, som visar en alternativ utformning av fälteffekttransistorer, vilken medger en större last och erfordrar minimalt med utrymme, - Fig. 6b är ett kopplingsschema som är ekvivalent med de i fig. 6a visade fálteffekttran- sistorema, - Fig. 7 är en vy liknande vyn i fig. 3 av en annan utformning av mellan varandra placerade fälteffekttransistorer, som medger en större last och erfordrar föga utrymme, - Fig. 8 är en vy liknande vyn i fig. 3 av ytterligare en annan utformning av mellan varandra placerade fälteffekttransistorer, som medger en större last och erfordrar föga utrymme, och - Fig. 9a och 9b är vyer liknande vyerna i fig. 6a respektive 6b, som visar en utformning av fälteffekttransistorer med väl åtskilda emittrar.

DETALJERAD BESKRIVNING Fälteffekttransistorer utförda för effektförstärkare i t ex mobila stationer utförs vanligen genom att förbinda ett flertal små eller elementära fälteffekttransistorer parallellt med var- andra för att åstadkomma en så kallad flerfingerstruktur. Ett elementärt finger 1 i en sådan fälteffekttransistor visas schematiskt i fig. 2a sett uppifrån. Emittem 3 och kollektom 5 ses som avlånga rektangulära och parallella områden med sina längdriktningar parallella med varandra och med längdriktníngen hos styrets område 7, vilket är beläget mellan emittern och kollektom. Styrets område 7 är allmänt gjort av ett metallskikt ovanpå något isolerande skikt.

Signalen avges till styret 7 såsom en spänning, vilken modulerar strömmen mellan emitter och 10 15 20 25 30 35 ¥522 892 a u n Q c 1 ø v o | o .n 4 kollektor. Ett kopplingsschema, som är ekvivalent med den i fig. 2a avbildade falteffekttran- sistom, visas i ñg. 2b.

En mobil station 9 för dubbelt band, som kommunicerar med basstationer 11, 13 visas i den schematiska bilden i fig. 3. Antennen 15 hos den mobila stationen är förbunden med mottagarkretsar 17 och via fálteffekttransistorer 19, 21 med signalbehandlande sändarkretsar 23. Fälteffekttransistorema är anordnade i två grupper A, B, som innefattar de elementära fälteffekttransistorema 19, 21 varvid varje elementär fälteffekttransistor upptar ett avlångt rektangulärt område på en platta och varje område är ett elementärt finger 1, som visas i fig. 2a. Fålteffekttransistorerna 19 i den första gruppen A är avsedda för att förstärka signaler för en mindre våglängd och måste sålunda kunna avge en högre effekt och sålunda upptar de en större total area än filteffekttransistorerna 21 i den andra gruppen B, som är avsedda för ett högre våglängdsband. Detta betyder, att om de elementära fingrarna i de båda fälteffekttran- sistorgruppema har en lika stor längd och sålunda upptar en lika stor area, behöver den första fälteffekttransistorn fler fingrar än den andra. Den första gruppen av fälteffekttransistorer 19 innefattar sålunda fem fingrar, varvid styrena för fingrama är parallellt förbundna med en utgångsanslutning hos det signalbehandlande sändarkretsarna 23, medan den andra gruppen B med filteffekttransistorer 21 innefattar ett lägre antal, i detta fall fyra fingrar, varvid fingrar- nas styren är parallellt anslutna till en annan utgångsanslutning hos sändarkretsarna 23. Det totala omrâde för fälteffekttransistorerna 19 i den första gruppen A är fysiskt eller geomet- riskt åtskild från det totala område, vilket upptas av falteffekttransistorerna 21 i den andra gruppen. Utformningen av fingrarna visas i detalj i den schematiska vyn i fig. 5a. I denna figur ses, att antennen 15 är förbunden med kollektorema 5 i de elementära fålteffekttran- sistorema i varje grupp A, B och att emittrama hos fålteffekttransistorerna i varje grupp är förbundna parallellt med varandra, exempelvis med en gemensam jord.

När de elementära fälteffekttransistorerria 19, 21 emellertid måste kunna uppta större last, såsom när fler tidluckor används i ett tiddelat kommunikationssystem, blir varje elemen- tär fålteffekttransistor mer intensivt upphettad och de måste då få större plats på kretsplattor- na, såsom visas i ñg. 5b. Den ytterligare erfordrade platsen kan vara upp till 50 - 100% av den plats, som används i den i fig. 5a visade utformningen. Eftersom sändningen från den mobila stationen 9 alltid är i ett enda våglängdsband, d.v.s. antingen vid t ex 900 MHz eller 1900 MHz, och sålunda falteffekttransistorerrra i varje grupp inte drivs eller aktiveras samti- digt, kan de placeras omväxlande med varandra, så att de flesta elementära falteffekttran- sistorema i en aktiv grupp är åtskilda av åtminstone en elementär tälteffekttransistor i den ej aktiva gruppen. Härigenom fördelas den alstrade vännen över en större area och kan ledas bort. Då får de flesta av de elementära fälteffekttransistorerria ett effektivt utrymme på plat- tan, som är lika med två gånger ytan hos den elementära fálteffekttransistom. En sådan ut- formning visas i detalj i fig. 5c och framgår också av fig. 4. Här är varje elementär fältef- fekttransistor i en grupp placerad mellan elementära falteffekttransistorer i den andra gruppen, med undantag av de yttersta fälteffekttransistorema. De rektangulära områdena för varje o o o n oo o 522 892 u | a . u u 1 n o av 5 elementärt finger ligger sålunda mellan varandra eller inskjutna mellan varandra, så att de bildar en struktur eller ett mönster med rektangulära områden, vilka är placerade med sina långa sidor parallellt med och vid varandra med likforrnigt avstånd från varandra.

I den i fig. 5a visade utformningen av fingrarna är kollektom hos ett fmger placerad direkt vid sidan av kollektorn hos det intilliggande fingret, så att fälteffekttransistorernas fingrar ligger spegelvänt, dvs vartannat finger i varje grupp är likadant, dvs de första, tredje och femte fingrarna är likadana och de andra och fjärde fingrarna är likadana i varje grupp. I utförandet används samma utformning med kollektorer eller emittrar i intilliggande transis- torer placerade direkt bredvid varandra. Vartannat finger är här likadant, dvs de första, tred- io je, femte, sjunde och nionde fingrarna är likadana och utgör den första gruppen A av fältef- 15 20 25 30 35 fekttransistorer och de andra, fjärde, åttonde och tionde fingrarna är likadana och utgör den andra gruppen B av fälteffekttransistorer.

I vissa fall kan det vara fördelaktigt att placera fälteffekttransistorerrra i varje grupp parvis. En sådan utformning visas i fig. 6a. De yttersta fálteffekttransistorerria hör sålunda till grupp A, de nästa två inre fálteffekttransistorerna hör till grupp B, de nästa två inre fälteffekt- transistorema till grupp A, etc. Kopplingsschemat, som är ekvivalent med utforirmingen enligt fig. 6a, visas i fig. 6b.

Eftersom kylningen av kretsplattan kan vara bättre vid ändarna av raden eller linjen med de elementära falteffekttransistorerna 19, 21, kan det finnas fler fálteffekttransistorer hos den grupp, som erfordrar större effekt vid ändarna. En sådan utformning visas i fig. 7. Vid struk- turens mitt, sett i tvärgående riktning, vinkelrätt mot de långa sidorna hos de elementära områdena 1, hör vartannat fälteffekttransistorfinger till den första gruppen A med fälteffekt- transistorer och vartannat fälteffekttransistorfinger hör till den andra gruppen B med fältef- fekttransistorer. Fler elementära fälteffekttransistorer i den första gruppen, här ett par fältef- fekttransistorer 19, är fördelade vid strukturens ändar sett i samma riktning, eftersom, såsom redan har observerats, att värme leds vid ändama lättare bort från området.

En annan utföringsforrn visas i Fig. 8. Här omväxlar fingrarna 19' i den första gruppen av fálteffekttransistorer strikt med fingrar 21 i den andra gruppen B, liksom utföringsforrnen enligt Fig. 4. För att ge fälteffekttransistorema i den första gruppen en större total area, ges fingrarna 19” i denna grupp en större längd än fingrarna 21 i den andra gruppen fälteffekt- transistorer. Denna utföringsform använder uppenbarligen kretsplattans area något mindre effektivt än utföringsforinerna enligt fig. 5c, 6 och 7.

I vissa fall kan emittrama i de olika transistorema inte placeras direkt vid varandra, eftersom en sådan placering skulle kunna medföra en risk för överhömingsfenomen mellan den aktiva och den ej aktiva transistom, vilket skulle kunna medföra att den ej aktiva transis- torn skulle kunna avge någon utgångssignal. Då måste emittrania hos de elementära transis- torema i fälteffekttransistorema åtskiljas av ett remsforinat omrâde eller mellanrum med lämplig bredd, såsom visas i Fig. 9a. Fälteffekttransistorema år då fullständigt elektriskt åtskilda och den totala area, vilken upptas av fälteffekttransistorerria, ökas något. Motsvaran- n Q - ø na %s22 892 ï?¥v%3:@§~ o . . n o o n Q | u nu de kopplingsschema visas i Fig. 9b.

Claims (8)

i 522 892 7 nu . n Q - u u 0 .,.. o n nu os no u non» o PATENTKRAV

1. l. Förstärkarkrets för att förstärka signaler, varvid kretsen innefattar minst en första och en andra effekttransistor som är inrättade att användas för olika ändamål, där nämnda första effekttransistor är anordnad att förstärka första signaler och nämnda andra transistor är anordnad att förstärka andra signaler, varvid varje effekttransistor innefattar ett flertal elementära transistorer, där effekttransistorema och de elementära transistorema är fälteffekttransistorer med emitter-, styre- och kollektorclektroder, kännetecknad av att de elementära transistorerna i nämnda första effekttransistor är placerade altemerande med de elementära transistorema i nämnda andra effekttransistor, och att varje elementär transistor som innefattas i nämnda första effekttransistor och är belägen mellan två elementära transistorer i nämnda andra effekttransistor har - sin emitter belägen direkt vid ernittem hos den elementära transistom som innefattas i nämnda andra effekttransistor och är belägen på en sida om nämnda elementära transistor som innefattas i nämnda första effekttransistor och - sin kollektor belägen vid kollektom hos en annan elementär transistor som innefattas i nämnda andra effekttransistor och är belägen på en annan sida om nämnda elementära transistor som innefattas i nämnda första effekttransistor.

2. Förstärkarkrets enligt krav 1, kännetecknad av att den är avsedd att förstärka första och andra signaler, av vilka endast en föreligger vid varje tillfälle, så att när den första effekttransistom är aktiv, är den andra effekttransistom inte aktiv, och omvänt, varigenom elementära transistorer hos den av effekttransistorema, som är aktiv, är åtskilda av utrymmen, i vilka elementära transistorer hos den inte aktiva effekttransistom är belägna.

3. Förstärkarkrets enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att den är avsedd för att förstärka signaler av minst två våglängdsband, varvid de första signalema ingår i ett våglängdsband, vilket är skilt från ett våglängdsband, i vilket de andra signalerna ingår.

4. Förstärkarkrets enligt något av kraven 1-3, kännetecknar! av att de elementära transistorema upptar rektangulära områden vid ytan aven kretsplatta, varvid de rektangulära områdena har långa motställda sidor och korta motställda sidor, varvid en lång sida hos det rektangulära området hos en elementär transistor är placerad vid en lång sida av det rektangulära området hos en annan elementär transistor.

5. F örstärkarkrets enligt krav 4, kännetecknad av att de rektangulära områdena hos de elementära transistorema i den första effekttransistom och/eller den andra effekttransistom är likadana.

6. Förstärkarkrets enligt krav 4, kännetecknad av att de rektangulära områdena hos de elementära transistorema i den första effekttransistom är större än de rektangulära områdena hos de elementära transistorema i den andra effekttransistom.

7. F örstärkarkrets enligt något av kraven 1-6, kännetecknad av att nämnda första och andra effekttransistor upptar olika stor area på en platta.

8. Förstärkarkrets enligt något av kraven 1-7, kännetecknad av att nämnda första och andra effekttransistor innefattar olika antal elementära transistorer.