-
Die
Erfindung betrifft einen Kettenverstärker mit einem Eingangsnetzwerk,
das eine Eingangssignal-Übertragungsleitung
nachbildet, und einem Ausgangsnetzwerk, das eine Ausgangssignal-Übertragungsleitung
nachbildet, sowie mit mehreren, Verstärkereigenschaften aufweisenden
Einheitszellen, die zueinander parallel zwischen das Eingangsnetzwerk
und das Ausgangsnetzwerk geschaltet sind, ein im Eingangsnetzwerk
fortschreitendes Signal verstärken
und mit vorbestimmter Phasenbeziehung zu einem im Ausgangsnetzwerk
fortschreitenden Signal in das Ausgangsnetzwerk einspeisen.
-
Solche
auch als „distributed
amplifier" oder „traveling
wave amplifier" bezeichneten
Verstärkerstrukturen
sind zum Beispiel aus der Veröffentlichung „A Novel
HBT Distributed Amplifier Design Topology Based on Attenuation Compensation
Techniques", IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol 42, No. 12,
December 1994, bekannt. Die Eingangsnetzwerke und Ausgangsnetzwerke
werden auch als „artificial
transmission lines" oder „synthetic
transmission lines" bezeichnet.
Ihre Aufgabe besteht darin, parasitäre Elemente der Einheitszellen zu
absorbieren. Dabei wird unter einer Absorption in diesem Zusammenhang
verstanden, dass die phasenverschiebende Wirkung von parasitären Elementen,
also zum Beispiel von Eingangskapazitäten und Ausgangskapazitäten der
Einheitszellen, durch darauf abgestimmte phasenverschiebende Bauelemente
in den genannten Netzwerken so verändert wird, dass durch die
aktiven Zellen verstärkte
Eingangssignale phasengleich zu einem im Ausgangsnetzwerk fortschreitenden
Signal in das Ausgangsnetzwerk eingespeist werden und das Signal
dadurch verstärken.
-
Als
Einheitszellen sind Einzeltransistoren oder mehrere Transistoren
aufweisende Schaltungen bekannt. So zeigt zum Beispiel die oben
genannte Veröffentlichung
dort als „gain
cell topologies" bezeichnete
Einheitszellen mit einem „Conventional
Bipolar Transistor",
einem „Emitter
Follower/Common Emitter" oder
einem „Emitter
Follower/Cascode with negative Feedback". Nach dieser Veröffentlichung ist mit den dort
vorgestellten Strukturen eine im Vergleich zu „conventional common-emitter
distributed amplifier configurations" eine Verbesserung des „gain-bandwidth
products" um 200
% erzielt worden. Das "gain-bandwidth-product" wird auch als Transitfrequenz
bezeichnet (die Verstärkung
besitzt keine Dimension). Vgl. Tietze/Schenk, 9. Aufl., ISBN 3-540, 19475-4,
Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Seite 488.
-
Bei
Kettenverstärkern
wird im Allgemeinen ein möglichst
großes
Produkt der Größen Bandbreite und
Verstärkung
angestrebt. Zur Erhöhung
der Transitfrequenz (d. h. zur Erhöhung des genannten Produkts)
sind bereits sogenannte Transitfrequenz-Vervielfacher als fT-Doubler oder fT-Multiplier
bekannt. Vgl. z. B. WO 0184706 und US 5331289. Das Produkt, d. h.
die Transitfrequenz wird durch Einflüsse von parasitären Kapazitäten, insbesondere
durch die Eingangskapazitäten
ci der Einheitszellen, durch eine im Eingangsnetzwerk
auftretende Signalabschwächung
und durch eine im Ausgangsnetzwerk auftretende Signalabschwächung beschränkt.
-
So
folgt die aus Eingangskapazitäten
resultierende Grenzfrequenz f
ci dem Zusammenhang
wobei L
in die
induktive Komponente des Eingangsnetzwerks, also der „artificial
input transmission line" bezeichnet.
-
Die
im Eingangsnetzwerk auftretende Signalabschwächung und die im Ausgangsnetzwerk auftretende
Signalabschwächung
beschränken
insbesondere die Zahl der Einheitszellen, die in sinnvoller Weise
für eine
Vergrößerung der
Ausgangsleistung und ein maximales Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt
parallel zu schalten sind.
-
Ein ähnlicher
Zusammenhang gilt für
die Grenzfrequenz des Ausgangsnetzwerks. Da die am Eingang der Einheitszellen
wirksamen Kapazitäten
in der Regel größer sind
als die am Ausgang wirksamen Kapazitäten, wird die Grenzfrequenz
und damit die Bandbreite des Kettenverstärkers im Allgemeinen durch
Einflüsse
auf der Eingangsseite dominiert.
-
Die
Verstärkung
(gain) folgt im Idealfall eines jeweils verlustlosen Eingangsnetzwerks
und Ausgangsnetzwerks dem Zusammenhang
wobei Z
0 die
charakteristische Impedanz des Eingangsnetzwerkes und/oder Ausgangsnetzwerkes,
g
m die Transkonduktanz einer Einheitszelle
und n die Zahl der Einheitszellen angibt. Im Idealfall kann die Verstärkung G
durch Vergrößerung der
Zahl der Einheitszellen vergrößert werden.
In der Realität
ist die Zahl der sinnvoll verwendbaren Einheitszellen jedoch durch
die genannten Verluste des Eingangsnetzwerks und Ausgangsnetzwerks
beschränkt.
-
Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Kettenverstärkers mit
weiter vergrößertem Produkt
aus Verstärkung und
Bandbreite mit einem möglichst
einfachen Aufbau der beteiligten Einheitszellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Kettenverstärker mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
-
Messungen
haben gezeigt, dass eine solche Frequenz-Vervielfacher-Konfiguration
die auf eine Treiberstromdichte bezogenen Eingangskapazitäten und
Ausgangskapazitäten
um bis zu 30 % reduziert, und, im Vergleich zu einem Einzeltransistor,
die Transkonduktanz einer Einheitszelle verdoppelt. Daher ergibt
sich nach den oben genannten Gleichungen eine größere Verstärkung und eine größere Bandbreite,
was insgesamt zu einer deutlichen Vergrößerung des Verstärkungs-Bandbreiten-Produkts jeder
Einheitszelle und damit des gesamten Kettenverstärkers mit einem einfachen Schaltungsaufbau führt. Neben
diesen Effekten ergibt sich bei dieser Frequenz-Vervielfacher-Konfiguration
insgesamt eine verbesserte Annäherung
an das Ideal eines rechteckförmigen
Verlaufs der Verstärkung über dem Treiberstromfluss.
-
Mit
Blick auf Ausgestaltungen der Erfindung ist bevorzugt, dass der
Eingangsverstärker
und der Ausgangsverstärker
jeweils als Einzeltransistor realisiert ist.
-
Die
Realisierung mit Einzelverstärkern
stellt eine schaltungstechnisch besonders einfache Ausgestaltung
dar.
-
Ferner
ist bevorzugt, dass die zweiten Stromanschlüsse des Eingangsverstärkers und
des Ausgangsverstärkers über einen
mit dem Ausgangsverstärker
in Reihe liegenden weiteren Verstärker an das Ausgangsnetzwerk
angeschlossen sind.
-
Durch
diese Ausgestaltung wird die Spannungsfestigkeit der Anordnung erhöht.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der weitere Verstärker als
Basisschaltung oder Gate-Schaltung eines Transistors realisiert
ist.
-
Eine
solche Basisschaltung oder Gate-Schaltung eines Transistors am Ausgang
des Transitfrequenz-Vervielfachers verringert die durch den Miller-Effekt
zu erwartende Erhöhung
der Eingangskapazität
der Einheitszelle. Da mit dem dritten Transistor außerdem nur
ein einzelner Transistor als Ausgang benutzt wird, verringert sich
die Ausgangskapazität ebenfalls.
Darüber
hinaus besitzt diese Struktur eine verbesserte elektrische Isolation
zwischen Eingang und Ausgang. Wegen der Basisschaltung des dritten
Transistors tritt insgesamt ein niedrigerer Ausgangsleitwert der
Gesamtschaltung auf.
-
Bevorzugt
ist auch, dass die Einzeltransistoren als bipolare Transistoren
realisiert sind.
-
Allgemein
wird die Transitfrequenz sowohl durch die Laufzeit der Ladungsträger durch
Bauelemente als auch durch parasitäre Kapazitäten der Bauelemente begrenzt.
Die Erfindung entfaltet ganz allgemein immer dann ihre Vorteile,
wenn die Transitfrequenzbegrenzung weniger durch Laufzeiteffekte und
mehr durch die parasitären
Kapazitäten
dominiert wird. Da dies bei Bipolartransistoren in der Regel der
Fall ist, führt
die Erfindung in Verbindung mit diesen Bauelementen zu einer besonders
ausgeprägten
Erhöhung
der Transitfrequenz. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht
auf eine Realisierung mit Bipolartransistoren beschränkt ist,
sondern auch Realisierungen mit anderen Transistortypen erlaubt,
von denen ohne Anspruch auf Vollständigkeit MOSFET, JFET (Junction-FET),
HFET (Heterostructure-FET),
etc. als Beispiele dienen können.
-
Ferner
ist bevorzugt, dass die Einzeltransistoren als bipolare SiGe-Heterojunction-Transistoren realisiert
sind.
-
Ein
solcher SiGe-Heterojunction-Transistor zeichnet sich durch eine
dünne,
p-dotierte SiGe-Schicht
als Basisschicht aus. Dadurch kann die aktive Basisschicht sehr
dünn gehalten
werden, was die Durchtrittszeit von Ladungsträgern verringert und damit die
Transitfrequenz erhöht.
SiGe-Heterojunction-Transistoren eignen sich also besonders zur
Erhöhung
der Transitfrequenz in Verbindung mit der Erfindung. Es versteht
sich aber, dass die Erfindung auch in Verbindung mit anderen Transistortypen
ihre Vorteile entfaltet.
-
Eine
alternative Ausgestaltung sieht daher vor, dass die Einzeltransistoren
als Feldeffekttransistoren realisiert sind.
-
Die
Ausgestaltung mit Feldeffekttransistoren stellt ebenfalls eine hohe
Verstärkung
in Verbindung mit einem niedrigen Ausgangsleitwert und guter Isolation
zwischen Eingangsnetzwerk und Ausgangsnetzwerk bereit.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kettenverstärkers;
-
2 eine
erste Ausgestaltung eines Eingangsverstärkers und/oder Ausgangsverstärkers aus der 1;
-
3 eine
zweite Ausgestaltung eines Eingangsverstärkers und/oder Ausgangsverstärkers aus der 1;
-
4 eine
Ausgestaltung einer Einheitszelle aus der 1; und
-
5 eine
Ausgestaltung eines weiteren Verstärkers der Einheitszelle aus
der 4.
-
Im
Einzelnen zeigt die 1 einen Kettenverstärker 10 mit
einem Eingangsnetzwerk 12, einem Ausgangsnetzwerk 14 und
n = 3 Einheitszellen 16, 18, 20, die
zueinander parallel zwischen das Eingangsnetzwerk 12 und
das Ausgangsnetzwerk 14 geschaltet sind. Das Eingangsnetzwerk 12 weist
eine Reihenschaltung von induktiven Elementen 22, 24, 26, 28 auf,
die einen Eingang 30 des Kettenverstärkers 10 über einen
Ohm'schen Widerstand 32 mit
einem Bezugspotential 34 verbindet. Das Ausgangsnetzwerk 14 weist
ebenfalls eine Reihenschaltung induktiver Elemente 36, 38, 40, 42 auf,
die dort einen Bezugspotentialanschluss 34 über einen
Ohm'schen Widerstand 44 mit
einem Ausgang 46 des Kettenverstärkers 10 verbinden.
-
Jede
Einheitszelle 16, 18, 20 ist über je einen Einheitszellen-Eingang 48, 50, 52 an
das Eingangsnetzwerk 12 und über je einen Einheitszellen-Ausgang 54, 56, 58 an
das Ausgangsnetzwerk 14 angeschlossen. Je zwei aufeinander
folgende Einheitszellen-Eingänge 48, 50, 52 sind über je eines
der induktiven Elemente 24, 26 miteinander verbunden.
Entsprechend sind je zwei aufeinander folgende Einheitszellen-Ausgänge 54, 56, 58 über je eines
der induktiven Elemente 38, 40 miteinander verbunden.
-
Ein
Hochfrequenzsignal, das dem Kettenverstärker 10 über den
Eingang 30 zugeführt
wird, wird durch die Einheitszellen 16, 18, 20 verstärkt und
in das Ausgangsnetzwerk 14 eingespeist. Dabei breitet sich
das Hochfrequenzsignal wellenförmig über die Anordnung
aus, so dass individuelle Phasenverschiebungen zwischen einzelnen
Knoten des Kettenverstärkers 10 auftreten.
Dabei umfasst der Begriff des Knotens hier den Eingang 30,
den Ausgang 46, die Einheitszellen-Eingänge 48, 50, 52 und
die Einheitszellenausgänge 54, 56, 58.
Durch parasitäre
Kapazitäten
der Einheitszellen 16, 18, 20 kommt es
insbesondere zu einer Phasenverschiebung zwischen jedem Einheitszellen-Eingang 48, 50, 52 und
jedem zugehörigen
Einheitszellen-Ausgang 54, 56, 58 der Einheitszellen 16, 18, 20.
-
Die
induktiven Elemente 22, 24, 26, 28 des Eingangsnetzwerks 12 und
die induktiven Elemente 36, 38, 40, 42 des
Ausgangsnetzwerks 14 besitzen ebenfalls eine phasenverschiebende
Wirkung, die beim Schaltungsentwurf des Kettenverstärkers 10 so dimensioniert
wird, dass sie parasitäre
Elemente der Einheitszellen 16, 18, 20 absorbiert.
Mit anderen Worten: Die phasenverschiebende Wirkung von parasitären Elementen,
also zum Beispiel von Eingangskapazitäten und Ausgangskapazitäten der
Einheitszellen 16, 18, 20, wird durch
darauf abgestimmte Induktivitäten 22, 24, 26, 28, 36, 38, 40, 42 in
den genannten Netzwerken 12, 14 so verändert, dass
durch die aktiven Zellen 16, 18, 20 verstärkte Eingangssignale
jeweils phasengleich zu einem im Ausgangsnetzwerk fortschreitenden
Signal in das Ausgangsnetzwerk eingespeist werden und das Signal
dadurch auf seinem Weg vom Eingang 30 zum Ausgang 46 verstärken.
-
Es
versteht sich, dass die gezeigte Anordnung von induktiven Elementen 22, 24, 26, 28 und 36, 38, 40, 42 lediglich
Beispielcharakter besitzt. Wesentlich ist immer, dass das Eingangsnetzwerk 12 eine
Eingangssignal-Übertragungsleitung
und das Ausgangsnetzwerk 14 eine Ausgangssignal-Übertragungsleitung
jeweils unter der Randbedingung einer Absorption der parasitären Wechselstromwiderstände der
Einheitszellen nachbildet. Daher kann sowohl das Eingangsnetzwerk 12 als
auch das Ausgangsnetzwerk 14 im allgemeinen Fall jede Art
von Wechselstromwiderständen
in jeder beliebigen Anordnung aufweisen, die diese Randbedingung
erfüllt.
-
Es
versteht sich ferner, dass in den Figuren lediglich die für eine Wechselstromverstärkung wesentlichen
Komponenten dargestellt sind. Versorgungspotentiale sowie Schaltungsteile
und Bauelemente für
eine Arbeitspunkteinstellung der Verstärker und Transistoren sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Die mehreren, Verstärkereigenschaften aufweisenden
Einheitszellen 16, 18, 20 sind zueinander
parallel zwischen das Eingangsnetzwerk 12 und das Ausgangsnetzwerk 14 geschaltet und
verstärken
unter den genannten Voraussetzungen ein im Eingangsnetzwerk 12 fortschreitendes
Signal und speisen es mit für
eine Verstärkung
korrekter Phasenbeziehung zu einem im Ausgangsnetzwerk fortschreitenden
Signal in das Ausgangsnetzwerk ein. 1 zeigt
drei solcher Einheitszellen 16, 18, 20.
Es versteht sich aber, dass die Zahl n der Einheitszellen auch von
der Zahl 3 abweichen kann, so dass 1 als Darstellung
eines Kettenverstärkers 10 mit
einer ersten Einheitszelle 16, einer zweiten Einheitszelle 18 und
n – 2
weiteren Einheitszellen zu verstehen ist, von denen eine n-te Einheitszelle
mit der Ziffer 20 bezeichnet ist.
-
Dabei
zeichnet sich der Kettenverstärker 10 durch
Einheitszellen 16, 18, 20 aus, die jeweils
einen Frequenz-Vervielfacher mit einem Eingangsverstärker 60 und
einem Ausgangsverstärker 62 aufweisen. Ein
Steueranschluss 64 des Eingangsverstärkers 60 ist an das
Eingangsnetzwerk 12 angeschlossen, während ein Stromanschluss 66 des Eingangsverstärkers 60 an
einen Steueranschluss 68 des Ausgangsverstärkers 62 und über eine
Diode 70 an einen Stromanschluss 72 des Ausgangsverstärkers 62 sowie
das Bezugspotential 34 angeschlossen ist. Stromausgänge 74, 76 des
Eingangsverstärkers 60 und
des Ausgangsverstärkers 62 sind
miteinander und dem Ausgangsnetzwerk 14 verbunden. Der
innere Aufbau der anderen Einheitszellen 18, 20 ist
mit dem inneren Aufbau der ersten Einheitszelle identisch.
-
Die 2 und 3 zeigen
alternative Ausgestaltungen des Eingangsverstärkers 60 als Einzeltransistoren 78 oder 80.
Dabei ist der Einzeltransistor 78 ein Bipolartransistor,
zum Beispiel ein bipolarer SiGe-Heterojunction-Transistor. Der Einzeltransistor 80 ist
ein Feldeffekttransistor. Der Ausgangsverstärker 62 weist jeweils
den gleichen Aufbau auf. Es versteht sich, dass der Eingangsverstärker 60 und/oder der
Ausgangsverstärker 62 auch
ein Netzwerk von Transistoren und/oder Operationsverstärkern aufweisen
kann. Dargestellt sind jeweils Transistoren vom N-Leitfähigkeitstyp.
Dies ist mit einem Massepotential als Bezugspotential 34 kompatibel.
Es versteht sich aber, dass bei einer Invertierung von Massepotentialen
und Versorgungspotentialen auch Transistoren vom P-Leitfähigkeitstyp
verwendet werden können.
-
4 zeigt
eine Ausgestaltung einer Einheitszelle 82, die sich von
der Einheitszelle 16 der 1 durch
einen weiteren Verstärker 84 unterscheidet.
Der weitere Verstärker 84 ist
in Reihe zwischen das Ausgangsnetzwerk 14 und den Ausgangsverstärker 62 geschaltet,
so dass die Stromausgänge 74, 76 des
Eingangsverstärkers 60 und
des Ausgangsverstärkers 62 an
einen Stromanschluss 85 des weiteren Verstärkers 84 angeschlossen
sind und ein Stromausgang 87 des weiteren Verstärkers 84 über den
Einheitszellen-Ausgang 54 an das Ausgangsnetzwerk 14 angeschlossen
ist.
-
Eine
Ausgestaltung des weiteren Verstärkers 84 der
Einheitszelle 82 aus der 4 ist in
der 5 dargestellt. Danach ist der weitere Verstärker 84 als Einzeltransistor 86 realisiert,
dessen Steuereingang durch eine Steuergleichspannungsquelle 88 gespeist wird. 5 zeigt
damit einen Bipolartransistor in Basisschaltung als weiterer Verstärker 84.
Es versteht sich aber, dass der weitere Verstärker 84 auch durch einen
Feldeffekttransistor in Gateschaltung oder durch ein Netzwerk aus
Transistoren und/oder Operationsverstärkern aufgebaut sein kann.
-
So
kann der weitere Verstärker 84 zum
Beispiel einen Transitfrequenz-Vervielfacher aufweisen, der die
gleiche Schaltungstopologie besitzt wie die Restschaltung aus Eingangsverstärker 60,
Ausgangsverstärker 62 und
einer Diode 70, wobei ein Steueranschluss des Eingangsverstärkers dieses Transitfrequenz-Vervielfachers
dann an ein konstantes Bezugspotential anzuschließen ist.
Eine solche Ausgestaltung des weiteren Verstärkers 84 als Transitfrequenz-Vervielfacher
bewirkt eine weitere Erhöhung
der Grenzfrequenz.