DE102016102686A1

DE102016102686A1 - Hochfrequenzschalter

Info

Publication number: DE102016102686A1
Application number: DE102016102686.7A
Authority: DE
Inventors: Johann Peter Forstner; Udo Gerlach; Thomas Leitner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2016-08-18
Also published as: CN105897231A; KR20160101677A; KR101774686B1; US20160241231A1

Abstract

Es werden Bipolartransistorschalter für Hochfrequenzsignale offenbart. Bei einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung einen ersten Hochfrequenzanschluss, einen zweiten Hochfrequenzanschluss und eine Bipolarschaltervorrichtung (14) mit einem Bipolartransistor, wobei ein Emitteranschluss des Bipolartransistors mit dem ersten Hochfrequenzanschluss gekoppelt ist und wobei ein Kollektoranschluss des Bipolartransistors mit dem zweiten Hochfrequenzanschluss gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Basisstromversorgungsschaltung (14), welche dazu ausgestaltet ist, einem Basisanschluss des Bipolartransistors selektiv einen Basisstrom zuzuführen.

Description

Fachgebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Hochfrequenz-(HF-)Schalter und entsprechende Vorrichtungen.
Hintergrund
Hochfrequenz-(HF-)Schalter werden verwendet, um elektrische Verbindungen, die für Hochfrequenzsignale, manchmal auch als Funkfrequenzsignale bezeichnet, verwendet werden, selektiv zu öffnen und zu schließen. Solche Hochfrequenzsignale können, beispielsweise bei Mobilkommunikationsanwendungen, Frequenzen aufweisen, die 100 MHz übersteigen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 600 MHz und 5 GHz.
Als HF-Schalter werden in vielen Anwendungen Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet. Auch PIN-Dioden werden manchmal verwendet. Aus verschiedenen Gründen kann es erwünscht sein, auch Bipolarübergangstransistoren (BJTs) als HF-Schalter zu verwenden. Vorangegangene Lösungsansätze verwendeten beispielsweise eine Basis-Emitter oder Basis-Kollektor-Kopplung für solch einen Bipolartransistor-basierten Schalter, d.h. eine HF-Signalquelle und ein HF-Signalziel, die über den Schalter selektiv gekoppelt werden sollen, wurden an eine Basis und einen Emitter bzw. eine Basis und einen Kollektor eines BJT gekoppelt. Jedoch kann ein solches Koppeln über eine Basis-Emitter-Diode oder eine Basis-Kollektor-Diode eines BJT eine vergleichsweise hohe Dämpfung und/oder eine vergleichsweise niedrige Linearität aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist, Vorrichtungen bereitzustellen, welche ein effizientes Hochfrequenzschalten ermöglichen.
Zusammenfassung
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen verweisen, ausführlich beschrieben werden. Es ist anzumerken, dass diese Ausführungsformen nur zu veranschaulichenden Zwecken dienen und nicht in einem beschränkenden Sinne aufgefasst werden sollen. Beispielsweise können, wenngleich Ausführungsformen als eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassend beschrieben sein können, manche dieser Merkmale oder Elemente in anderen Ausführungsformen weggelassen sein und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt sein. In wieder anderen Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale oder Elemente zusätzlich zu den hierin explizit beschriebenen oder in den Zeichnungen gezeigten bereitgestellt sein. Ferner können Merkmale oder Elemente aus verschiedenen Ausführungsformen kombiniert sein, um weitere Ausführungsformen auszubilden. Variationen und Modifikationen, die mit Bezug auf eine der Ausführungsformen besprochen werden, können auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein.
Jegliche direkte Verbindung oder Kopplung zwischen in den Zeichnungen gezeigten oder hierin beschriebenen Elementen oder Komponenten, d.h. eine Verbindung oder Kopplung ohne dazwischenliegende Elemente, kann auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d.h. eine Verbindung oder Kopplung, die eines oder mehrere zusätzliche dazwischenliegende Elemente umfasst, implementiert sein und umgekehrt, solange die allgemeine Funktion und/oder der Zweck der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise um eine bestimmte Art von Signal zu übertragen oder eine bestimmte Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen aufrechterhalten wird. Jegliche Richtungsverweise, die gemacht werden, wenn die Figuren beschrieben werden, wie „links“, „rechts“ usw. sind lediglich zur Einfachheit des Verweises auf verschiedene Teile der Figuren gegeben und sollen nicht als eine beliebige räumliche Anordnung der beschriebenen Elemente oder Komponenten implizierend ausgelegt werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und eine Hochfrequenz-Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 17 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Bei manchen Ausführungsformen wird eine Kollektor-Emitter-Kopplung eines Bipolarübergangstransistors (BJT: „Bipolar Junction Transistor“) verwendet, um Hochfrequenz-(HF-)Signale, beispielsweise HF-Signale, die eine Frequenz aufweisen, die 100 MHz übersteigt, beispielsweise zwischen 600 MHz und 5 GHz, zu schalten.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Schließen und Öffnen des Schalters durch Bereitstellen eines Basisstroms an einen Basisanschluss des BJT gesteuert sein.
Bei manchen Ausführungsformen können Kapazitäten an den Kollektor- und den Emitteranschluss gekoppelt sein, um Gleichstrom-(DC-)Komponenten zu sperren.
Bei manchen Ausführungsformen kann der BJT in einem Durchlass-Sperr-Sättigungsbereich betrieben werden.
Im Allgemeinen kann ein BJT im Kontext der vorliegenden Anmeldung als „offen“ oder „aus“ beschrieben werden, wenn er zwischen seinen Kollektor- und seinem Emitteranschluss im Wesentlichen nicht leitend ist und kann als „geschlossen“ oder „ein“ beschrieben werden, wenn er zwischen seinem Kollektor- und seinem Emitteranschluss HF-Signale leitet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Vorteile davon wird nun auf die folgenden Beschreibungen verwiesen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gesehen werden, in welchen:
1 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
2 ein Diagramm ist, das einen Bipolarübergangstransistor zeigt, der in Ausführungsformen verwendet werden kann;
3 und 4 charakteristische Kurven von Bipolarübergangstransistoren zeigen, um den Betrieb von manchen Ausführungsformen zu veranschaulichen;
5 eine Kleinsignalersatzschaltung eines Bipolarübergangstransistors in einem Aus-Zustand veranschaulicht;
6 eine Kleinsignalersatzschaltung eines Bipolarübergangstransistors in einem Ein-Zustand veranschaulicht;
7 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
8 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
9 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
10 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht; und
11 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen
Sich nun den Figuren zuwendend veranschaulicht 1 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 10 aus 1 umfasst eine bipolare Schaltervorrichtung 11, wobei die bipolare Schaltervorrichtung einen Bipolarübergangstransistor (BJT) und gegebenenfalls zusätzliche Elemente wie Kondensatoren oder Widerstände, die an den BJT gekoppelt sind, umfasst.
Eine HF-Signalquelle 12 ist an einen aus einem Kollektor-(C-) oder Emitter-(E-)Anschluss des BJT der bipolaren Schaltervorrichtung 11 gekoppelt und ein HF-Signalziel 13 ist an den anderen aus dem Kollektor und dem Emitter des BJT der bipolaren Schaltervorrichtung 11 gekoppelt. Die HF-Signalquelle 12 kann eine beliebige Art von Schaltung sein, die ein HF-Signal erzeugt. Indem die bipolare Schaltervorrichtung 11 und insbesondere deren BJT selektiv geöffnet und geschlossen werden, kann das HF-Signal dem HF-Signalziel 13 selektiv bereitgestellt werden. Das HF-Signalziel 13 kann beispielsweise eine Schaltung sein, die das HF-Signal empfängt aber es kann beispielsweise auch ein festgelegtes Potential wie Masse sein. Nur um ein Beispiel zu nennen, kann im letzteren Fall die bipolare Schaltervorrichtung 11 dazu dienen, das HF-Signal selektiv mit Masse nebenzuschließen.
Die bipolare Schaltervorrichtung 11 wird durch eine Steuerung 14 gesteuert. Bei manchen Ausführungsformen kann die Steuerung 14 als eine Basisstromversorgungsschaltung dienen, um einem Basisanschluss (B) des BJT der bipolaren Schaltervorrichtung 11 selektiv einen Basisstrom zuzuführen. Bei manchen Ausführungsformen, wie später unter Verwendung von Beispielen erklärt werden wird, kann ein Emitteranschluss des BJT der bipolaren Schaltervorrichtung 11 über einen Widerstand oder eine andere Impedanz an ein Referenzpotential wie Masse gekoppelt sein, um ein Fließen des Basisstroms zu ermöglichen.
Beispiel-Implementierungen der bipolaren Schaltervorrichtung 11, die in manchen Ausführungsformen verwendet werden können, werden später mit Verweis auf 7–11 besprochen werden. Zum besseren Verständnis werden verschiedene Eigenschaften von Bipolarübergangstransistoren, die in Ausführungsformen verwendet werden können, mit Verweis auf 2–6 beschrieben werden, bevor verschiedene Beispiel-Implementierungen ausführlich beschrieben werden.
2 veranschaulicht einen Bipolarübergangstransistor (BJT) 26, der später zur Veranschaulichung von verschiedenen Merkmalen von verschiedenen Ausführungsformen verwendet wird. Der Bipolarübergangstransistor 26 in dem in 2 dargestellten Beispiel ist ein NPN-Transistor. Jedoch können hierin offenbarte Konzepte und Verfahren auch auf PNP-Transistoren angewendet werden. NPN und PNP können auch als Polaritäten des Übergangs bezeichnet werden.
Der BJT 26 in der Ausführungsform von 2 umfasst einen Kollektoranschluss 20, einen Basisanschluss 21 und einen Emitteranschluss 22. Ein Pfeil 23 stellt eine Kollektor-Emitter-Spannung V_CE dar, ein Pfeil 24 stellt eine Basis-Emitter-Spannung V_BE dar und ein Pfeil 25 stellt einen Basisstrom I_B dar. Die Spannungen V_CE, V_BE und der Basisstrom I_B werden später zu erklärenden Zwecken verwendet werden.
In manchen Ausführungsformen wird ein Bipolartransistor wie der in 2 gezeigte Bipolartransistor, um als ein HF-Schalter verwendet zu werden, in einem Durchlasssättigungsbereich oder Sperrsättigungsbereich betrieben. In manchen Ausführungsformen kann ein Stromverbrauch in dem Sperrsättigungsbereich niedriger sein als in dem Durchlasssättigungsbereich. Um das Verständnis der später beschriebenen Ausführungsformen zu verbessern, werden diese Betriebsmodi später besprochen werden.
Wie bereits erwähnt, verwenden manche Ausführungsformen eine Kollektor-Emitter-Kopplung, zum Schalten beispielsweise wie in 1 veranschaulicht, wo eine HF-Signalquelle an einen von einem Kollektoranschluss oder Emitteranschluss gekoppelt ist und ein HF-Signalziel an den anderen von dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss gekoppelt ist. Ein Basisstrom kann verwendet werden, um das Koppeln zu steuern, beispielsweise um den Schalter zu öffnen und zu schließen. Bei manchen Ausführungsformen kann das Verwenden einer solchen Kollektor-Emitter-Kopplung eine Realisierung eines hochlinearen und/oder verlustarmen Schalters in Bipolartechnologie ermöglichen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Emitteranschluss eines verwendeten BJT (beispielsweise Emitteranschluss 22 aus 2), über einen Widerstand an ein Referenzpotential (beispielsweise Masse) gekoppelt sein. Gegebenenfalls kann solch ein Koppeln an ein Referenzpotential auch für den Kollektoranschluss ausgeführt werden. In anderen Ausführungsformen kann ein Koppeln an eine andere Sperrimpedanz wie eine externe Sperrspule ausgeführt werden. Ein HF-Signal kann über Kapazitäten, die DC-Komponenten sperren, an Kollektor- und/oder Emitteranschlüsse gekoppelt sein. In solch einem Fall kann das oben erwähnte Koppeln des Emitters an ein Referenzpotential ermöglichen, dass der Basisstrom über die Basis an das Referenzpotential fließt. Abhängig von einem verwendeten Basisstrom I_B kann der BJT (beispielsweise der BJT 26) auf einen Durchlass- oder Sperr-Sättigungsbetriebsmodus eingestellt sein. Ein Arbeitspunkt kann in diesem Zusammenhang von einer externen Schaltung abhängen, die an den Bipolartransistor gekoppelt ist. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem der Kollektor nicht an eine weitere Schaltung gekoppelt ist, beispielsweise ein Durchlasssättigungsbetriebsmodus erhalten werden. Im Fall, dass der Kollektor an eine weitere Schaltung gekoppelt ist, kann ein Sperrsättigungsbetriebsmodus erhalten werden, wobei Basis-Emitter- und Basis-Kollektor-Dioden in Durchlassrichtung vorgespannte Dioden sind und ein negativer Kollektorstrom resultiert.
Der BJT 26 kann basierend auf Silizium implementiert sein, aber er kann auch basierend auf anderen Materialien und/oder unter Verwendung von Heterostrukturen, beispielsweise Heterostrukturen, die zumindest zwei Materialien umfassen, die aus der Gruppe aus Si, SiGe, SiC und SiGeC ausgewählt sind, implementiert sein. Der BJT 26 kann beispielsweise als ein Heteroübergangs-Bipolartransistor (HBT) implementiert sein.
Eine niederohmige Verbindung zwischen Kollektor- und Emitteranschlüssen eines BJT in einem Sperrsättigungsbetriebsmodus, d.h. ein Schließen des Schalters, kann wie folgt umgesetzt werden:
Ein bestimmter Basisstrom I_B wird der Basis-Emitter-Diode des Transistors (beispielsweise Transistor 26) bereitgestellt. Dieser Basisstrom resultiert aus einer Injektion von Minoritätsträgern, d.h. von Löchern, die von der Basis zu dem Emitter injiziert werden und von Elektronen, die von dem Emitter zur Basis injiziert werden. Solch ein Basisstrom kann beispielsweise durch Anlegen einer bestimmten Basis-Emitter-Spannung V_BE verursacht sein, wie durch Pfeil 24 aus 2 angezeigt. In Ausführungsformen ist ein Basisgebiet des Transistors (beispielsweise im Fall eines HBT) so dünn, dass die injizierten Elektronen auf ein Raumladungsgebiet einer Kollektor-Basis-Diode diffundieren können, bevor sie in der Basis rekombinieren.
Bei einem Szenario wie oben beschrieben ist eine Kollektor-Emitter-Spannung V_CE als Arbeitspunkt eingestellt, welche in Ausführungsformen kleiner als 10 mV sein kann. In der bisher beschriebenen Situation fließt nicht notwendigerweise ein Kollektorstrom. Jedoch tritt in einem Sperrbetrieb ein Gleichstrom kleiner als 0 auf.
Bei der Verwendung als ein HF-Schalter als eine Ausführungsform werden, wenn beispielsweise ein Wechselstrom-(AC-)Signal (beispielsweise ein HF-Signal) an den Kollektor (beispielsweise Kollektoranschluss 20 aus 2) angelegt wird, aufgrund der Potentialdifferenz zwischen Kollektor und Emitter dem Kollektor Elektronen von einem Kollektor-Basis-Raumladungsgebiet bereitgestellt. Aufgrund dessen folgt der Emitter dem Kollektorpotential. In einer umgekehrten Situation führt ein AC-Signal an dem Emitter zu einem Kollektorpotential (Spannung), das diesem AC-Signal folgt. Daher können AC-Signale sowie HF-Signale von einem Kollektor zu einem Emitter übertragen werden und umgekehrt.
Der Basisstrom I_B, der ein DC-Strom ist, bestimmt die Eigenschaften der Kollektor-Emitter-Kopplung. Je mehr der Transistor in Sättigung betrieben wird (ungeachtet eines Durchlass- oder Sperrbetriebs), desto mehr ist die Kollektor-Emitter-Kopplung niederohmig.
Um dieses Verhalten weiter zu veranschaulichen, zeigen 3 und 4 charakteristische Kurven eines Heteroübergangs-Bipolartransistors, der bei manchen Ausführungsformen verwendet werden kann. 3 und 4 zeigen einen Kollektorstrom I_C in mA im Vergleich zu einer Kollektor-Emitter-Spannung V_CE in V für verschiedene Basisströme, die von 10 µA bis 400 µA reichen. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 3, insbesondere einen Teil um 0 V/0 A.
Wie ersichtlich, führt ein höherer Basisstrom zu einer niedrigerohmigen Kollektor-Emitter-Kopplung (höherer Strom I_C für dieselbe Spannung V_CE). Das Verhalten in Durchlasssättigung ist dem ersten Quadranten (positive V_CE, positiver I_C) ersichtlich; die Sättigung beginnt bei etwa 0,2 V und 0,5 V, abhängig von dem Basisstrom. Eine Sperrsättigung kann zwischen etwa –0,1 V und –0,7 V, vor dem Beginn des Sperrdurchbruchs, gesehen werden.
Zusammenfassend können beide Betriebsmodi (Durchlasssättigung und Sperrsättigung), die in Ausführungsformen verwendet werden können, wie folgt beschrieben werden: Eine Basis-Emitter- und eine Basis-Kollektor-Diode werden bei Durchlassvorspannung betrieben und zwischen dem Kollektor und dem Emitter besteht eine niederohmige Kopplung.
Bei vielen Anwendungen kann eine Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE) klein sein, beispielsweise kleiner als 10 mV. In solch einem Fall kann für einen Sperrsättigungsmodus zu Zwecken der Vereinfachung als eine Annäherung eine parallele Kopplung der Basis-Kollektor-Diode und der Basis-Emitter-Diode angenommen werden.
Um dies ferner zu veranschaulichen, veranschaulichen 5 und 6 Kleinsignalersatzschaltungen von Bipolarübergangstransistoren wie Heteroübergangs-Bipolartransistoren, die bei manchen Ausführungsformen verwendet werden können.
5 veranschaulicht eine Kleinsignalersatzschaltung für einen Aus-Zustand (offener Zustand) des Transistors. In diesem Fall müssen im Wesentlichen nur Verarmungsschichtkapazitäten 53 und 54 der Basis-Kollektor-Diode und der Basis-Emitter-Diode beachtet werden. Die Zahl 50 bezeichnet einen Kollektoranschluss, die Zahl 51 bezeichnet einen Emitteranschluss und die Zahl 52 bezeichnet einen Basisanschluss des Transistors. In vielen Anwendungen ist eine Kapazität CBC0 von Kapazität 53, die die Basis-Kollektor-Diode darstellt, kleiner als eine Kapazität CBE0 der Basis-Emitter-Diode 54. Für gute Isolationseigenschaften in dem Aus-Zustand für HF-Anwendungen ist eine niedrige Kapazität erwünscht. Daher tragen in Ausführungsformen vor allem die Basis-Kollektor-Diode und ihre Kapazität 53 zu den Isolationseigenschaften in dem Aus-Zustand in Ausführungsformen bei.
6 veranschaulicht eine Kleinsignalersatzschaltung für einen Bipolarübergangstransistor in einem Ein-Zustand (geschlossener Zustand). 60 bezeichnet einen Kollektoranschluss, 61 bezeichnet einen Emitteranschluss und 62 bezeichnet einen Basisanschluss.
Eine Basis-Kollektor-Diode in einem geschlossenen Zustand ist durch einen nichtlinearen Diffusionskondensator 62 (CBCd), einen Verarmungsschichtkondensator 63 (CBCi) und eine nichtlineare Stromquelle 64 (ibc) dargestellt. Ähnlich dazu ist eine Basis-Emitter-Diode durch einen nichtlinearen Diffusionskondensator 67 (CBEd), einen Verarmungsschichtkondensator 66 (CBEi) und eine nichtlineare Stromquelle 65 (ibe) dargestellt. Ferner umfasst die Ersatzschaltung aus 6 einen Widerstand 68, der zwischen den Kollektoranschluss 60 und den Emitteranschluss 61 gekoppelt ist. Ein Leitwert gce des Widerstands 68 ist eine Funktion des Basisstroms I_b, wie aus 3 und 4 ersichtlich.
Bei einer Durchlasssättigung ist im Wesentlichen nur die Basis-Emitter-Diode aktiv. Bei einer Sperrsättigung sind beide Dioden aktiv.
Beispielsweise kann basierend auf der Kleinsignalersatzschaltung aus 5 und 6 bei manchen Ausführungsformen ein hochlinearer Schalter für HF-Signale realisiert werden, der niedrige Verluste aufweist. Solch ein Schalter kann beispielsweise an HF-Signale angepasst sein, die eine vergleichsweise niedrige Leistung aufweisen. Bei solchen Ausführungsformen wird ein Kollektor-Emitter-Pfad eines Bipolarübergangstransistors für ein selektives Koppeln verwendet, beispielsweise wie mit Verweis auf 1 veranschaulicht. Die Kleinsignalersatzschaltung aus 6 veranschaulicht auch den Betrieb der Kollektor-Emitter-Kopplung, z.B. dass ein Signal an dem Emitteranschluss 61 einem Signal an dem Kollektoranschluss 60 folgt und umgekehrt (z.B. aufgrund des Widerstands 68).
Der Kollektoranschluss solch eines Transistors kann bei manchen Ausführungsformen an einer Stelle, wo die verbleibende Schaltung am geringsten belastet ist, mit einer übrigen Schaltung gekoppelt sein. Auf 5 verweisend wirkt beispielsweise nur der Kondensator 53 als eine Last auf die übrige Schaltung, wenn der Transistor ausgeschaltet ist, wobei der Kondensator 53 wie erklärt in Ausführungsformen eine geringere Kapazität aufweist als der Kondensator 54. Dies kann beispielsweise eine Gesamtlast auf die Schaltung verringern.
7 veranschaulicht ein Schaltbild einer Schaltervorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die Schaltervorrichtung aus 7 umfasst einen ersten Anschluss 70 und einen zweiten Anschluss 76. Die Schaltervorrichtung aus 7 ist dazu ausgestaltet, selektiv eine Hochfrequenzkopplung zwischen Anschlüssen 70, 76 bereitzustellen (d.h., um selektiv entweder einen niederohmigen Pfad für Hochfrequenzsignale oder einen hochohmigen, im Wesentlichen isolierenden, Pfad für Hochfrequenzsignale bereitzustellen). Um solch ein Schalten zu ermöglichen, umfasst die Schaltervorrichtung aus 7 einen Bipolarübergangstransistor 74, beispielsweise einen Heteroübergangs-Bipolartransistor. Ein Emitteranschluss von Transistor 74 ist über einen Kondensator 71 an den Anschluss 70 gekoppelt und ein Kollektoranschluss von Transistor 74 ist über einen Kondensator 75 an den Anschluss 76 gekoppelt. Die Kondensatoren 71, 75 dienen dazu, beispielsweise DC-Komponenten von Signalen an Anschluss 70 oder 76 zu sperren. Daher schwebt der Transistor 74 in einem DC-Fall im Wesentlichen zwischen den Anschlüssen 70, 76 und empfängt nur AC-Signale, insbesondere HF-Signale, von Anschluss 70 oder Anschluss 76.
Ferner ist der Emitteranschluss von Transistor 74 über einen Widerstand 72 an Masse gekoppelt. Ein Basisanschluss von Transistor 74 ist über einen Widerstand 73 und einen Schalter 77 an eine positive Versorgungsspannung 78 gekoppelt. Der Widerstand 73 und der Schalter 77 sind Beispiele einer Basisstromversorgungsschaltung. Wenn der Schalter 77 geschlossen ist, strömt ein Basisstrom Ibias, der den Transistor 74 auf einen Ein-Zustand (geschlossener Zustand) einstellt und dadurch die Übertragung von HF-Signalen von dem Anschluss 70 zu dem Anschluss 76 oder umgekehrt ermöglicht. Wenn der Schalter 77 offen ist, strömt kein Basisstrom, was den Anschluss 70 im Wesentlichen von dem Anschluss 76 entkoppelt.
Widerstände 73, 72 können einen Arbeitspunkt einstellen, insbesondere können sie einen Betrag eines Basisstroms bestimmen. Ferner dienen die Widerstände 72, 73 als Sperrwiderstände, die verhindern, dass ein signifikanter Teil des HF-Signals an Masse gekoppelt wird, wodurch die Verluste des Schalters in Ausführungsformen niedrig gehalten werden. Ein Widerstandswert von Widerstand 72, 73 kann jeweils 50 Ω oder mehr sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Zusätzlich zu den gezeigten Widerständen kann bei weiteren Ausführungsformen auch ein weiterer Widerstand, der einen Kollektoranschluss von Anschluss 74 mit Masse koppelt, vorgesehen sein. Bei anderen Ausführungsformen können anstelle von einem oder mehreren der Widerstände andere Impedanzen wie eine Sperrinduktivität verwendet werden.
Ein Betrag des Basisstroms Ibias aus 7 kann 5 mA oder weniger sein, beispielsweise 100 µA oder weniger, ist aber nicht darauf beschränkt. Wenngleich 7 eine Schaltervorrichtung unter Verwendung eines NPN-Transistors 74 zeigt, kann in anderen Ausführungsformen ein PNP-Transistor verwendet werden, beispielsweise indem die beteiligten Polaritäten umgekehrt werden.
Bei manchen Ausführungsformen kann eine kapazitive Basis-Emitter-Kopplung verwendet werden, um das Übertragungsverhalten der Schaltervorrichtung zu verbessern. Ein Beispiel einer solchen kapazitiven Basis-Emitter-Kopplung wird später in Bezug auf 9 veranschaulicht werden.
Weitere Elemente, die in 7 nicht explizit gezeigt sind, beispielsweise ein Vorspannen (Biasing) oder Klemmen (Clamping), können ebenfalls verwendet werden, um die Isolation in einem Aus-Zustand der Schaltervorrichtung zu erhöhen.
Als nächstes werden mit Verweis auf 8–11 weitere Schaltervorrichtungen verwendet werden, die im Vergleich mit der Ausführungsform aus 7 zumindest teilweise zusätzliche Elemente oder Merkmale aufweisen.
8 veranschaulicht eine Schaltervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform, die beispielsweise als ein Überbrückungsschalter verwendet werden kann. Ein Überbrückungsschalter wird im Allgemeinen als ein Schalter verstanden, der zwei Knoten einer Schaltung selektiv koppelt, wodurch ein Schaltungsteil, der zwischen den zwei Knoten angeordnet ist, überbrückt wird, wenn der Schalter geschlossen ist.
Die Schaltervorrichtung aus 8 umfasst einen ersten Anschluss 80 und einen zweiten Anschluss 81, die durch die Schaltervorrichtung selektiv miteinander gekoppelt sind. Als Schaltelemente umfasst die Schaltervorrichtung aus 8 zwei Bipolartransistoren 83, 84. Basisanschlüsse der Transistoren 83, 84 können über einen Widerstand 82 als ein Basisstrom Ibias bereitgestellt sein, wobei der Widerstand 82 im Wesentlichen die gleiche Funktion aufweist wie der Widerstand 73 aus 7. Ein Kollektoranschluss von Transistor 83 ist mit Anschluss 80 gekoppelt und ein Kollektoranschluss von Transistor 84 ist mit Anschluss 81 gekoppelt. Emitteranschlüsse der Transistoren 83, 84 sind miteinander gekoppelt. Ferner sind die Emitteranschlüsse der Transistoren 83, 84 über einen Widerstand 87, der im Wesentlichen die gleiche Funktion wie der Widerstand 72 aus 7 aufweist, an Masse gekoppelt.
Ferner ist ein Kollektoranschluss des Transistors 83 über einen Widerstand 85 mit Masse gekoppelt und der Kollektoranschluss von Transistor 84 ist über einen Widerstand 86 mit Masse gekoppelt. Die Widerstände 85, 86 können im Wesentlichen ähnlich wie der Widerstand 87 dimensioniert sein und dienen zum Anpassen eines Arbeitspunkts und als sperrende Widerstände, ähnlich wie für die Widerstände 72, 73 aus 7 erklärt.
Indem zwei Transistoren 83, 84 bereitgestellt werden, kann eine Dämpfung, die durch die Schaltervorrichtung eingeführt wird, im Vergleich zu einem Fall, bei dem nur ein Übergang verwendet wird, erhöht werden. Andererseits kann bei manchen Ausführungsformen die Linearität erhöht werden, indem zwei Transistoren 83, 84 mit einer Kopplung wie gezeigt bereitgestellt werden. Beispielsweise können manche Bipolartransistoren, wie z.B. Heteroübergangs-Bipolartransistoren, eine asymmetrische Struktur aufweisen, daher führen sie zu einem unterschiedlichen Übertragungsverhalten vom Kollektor zum Emitter und vom Emitter zum Kollektor. Bei einer Kopplung wie in 8 veranschaulicht wird die Symmetrie erhöht. Ferner kann in manchen Ausführungsformen eine Last auf eine Schaltung, die mit der Schaltervorrichtung verbunden ist, verringert werden, indem Kollektoranschlüsse der Transistoren 82, 84 an Anschlüsse 80, 81 gekoppelt werden, wie zuvor erklärt kann eine Kapazität der Basis-Kollektor-Diode in einem Aus-Zustand niedriger sein als eine Kapazität einer Basis-Emitter-Diode.
Wenngleich dies in 8 nicht explizit gezeigt ist, können ähnlich zu der Ausführungsform aus 7 zwischen dem Anschluss 80 und dem Kollektoranschluss von Transistor 83 und/oder zwischen dem Anschluss 81 und dem Kollektoranschluss von Transistor 84 Kondensatoren bereitgestellt sein.
9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Schaltervorrichtung. Die Schaltervorrichtung aus 9 umfasst zwei Eingangsanschlüsse 90, 99 und einen Ausgangsanschluss 911. Über Bipolartransistoren 913, 914 können die Eingangsanschlüsse 90, 99 selektiv an den Ausgangsanschluss 911 gekoppelt sein, um HF-Signale zu übertragen.
Ein Emitteranschluss von Transistor 913 ist über einen Kondensator 91 an Anschluss 90 gekoppelt, wobei der Kondensator 91 dient, um DC-Komponenten zu sperren (ähnlich zu den Kondensatoren 71, 75 aus 7). Ein Emitteranschluss von Transistor 914 ist über einen Kondensator 98 an Anschluss 99 gekoppelt, auch um DC-Komponenten zu sperren. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren 913, 914 sind an den Ausgangsanschluss 911 gekoppelt.
Ein Basisanschluss von Transistor 913 ist über einen Widerstand 93 und einen Schalter 94, die die gleiche Funktion wie Widerstand 73 bzw. 77 aus 7 aufweisen, d.h. um dem Transistor 913 selektiv einen Basisstrom zu liefern, um den Transistor 913 ein- und auszuschalten, an eine Versorgungsspannung VCC gekoppelt. Ebenso ist ein Basisanschluss von Transistor 914 über einen Widerstand 96 und einen Schalter 95 an eine Versorgungsspannung VCC gekoppelt, um dem Transistor 914 selektiv einen Basisstrom zu liefern, um den Transistor 914 ein- und auszuschalten.
Ferner ist der Emitteranschluss von Transistor 913 über einen Widerstand 910 mit Masse gekoppelt und der Emitteranschluss von Transistor 914 ist über einen Widerstand 912 mit Masse gekoppelt. Die Widerstände 910, 912 dienen im Wesentlichen dem gleichen Zweck wie bereits für den Widerstand 72 aus 7 erklärt und können auf eine ähnliche Weise dimensioniert sein, beispielsweise weisen sie einen Widerstandswert auf, der größer als 50 Ω ist. Gegebenenfalls (in 9 nicht gezeigt) kann der Kollektoranschluss der Transistoren 913, 914 über einen weiteren Widerstand (wie die Widerstände 85, 86 aus 8) mit Masse gekoppelt sein.
Zusätzlich dazu sind der Basisanschluss und der Emitteranschluss von Transistor 913 in der Ausführungsform aus 9 durch einen Kondensator 92 gekoppelt und der Basisanschluss und der Emitteranschluss von Transistor 914 sind über einen Kondensator 97 gekoppelt. Die Kondensatoren 92, 97 können in manchen Ausführungsformen dazu dienen, ein Übertragungsverhalten des entsprechenden Transistors zu optimieren, beispielsweise um eine Nichtlinearität zu verringern. Insbesondere können die Kondensatoren 92, 97 ein Großsignalverhalten der Schaltervorrichtung verbessern. In anderen Ausführungsformen können die Kondensatoren 92, 97 weggelassen sein.
10 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Schaltervorrichtung. Die Schaltervorrichtung aus 10 stellt selektiv eine Kopplung zwischen Anschlüssen 100, 108 bereit. Als Schaltelemente sind zwei Bipolartransistoren 105, 106, die wie gezeigt eine antiparallele Kopplung aufweisen, bereitgestellt. Ein Emitteranschluss von Transistor 105 und ein Kollektoranschluss von Transistor 106 sind über einen Kondensator 101 an Anschluss 100 gekoppelt und ein Kollektoranschluss von Transistor 105 und ein Emitteranschluss von Transistor 106 sind über einen Kondensator 107 an Anschluss 108 gekoppelt. Die Kondensatoren 101, 107 dienen, ähnlich wie die Kondensatoren 71, 75 aus 7, dazu, DC-Komponenten zu sperren.
Ferner sind der Emitteranschluss von Transistor 105 und der Kollektoranschluss von Transistor 106 über einen Widerstand 109 mit Masse gekoppelt und der Kollektoranschluss von Transistor 105 und der Emitteranschluss von Transistor 106 sind über einen Widerstand 1010 mit Masse gekoppelt. Die Widerstände 109, 1010 dienen im Wesentlichen der gleichen Funktion wie der Widerstand 72 aus 7 und können einen Widerstandswert aufweisen, der 100 Ω übersteigt.
Ein Basisanschluss des Transistors 105 ist über einen Widerstand 103 und einen Schalter 102 mit einer Versorgungsspannung VCC gekoppelt und ein Basisanschluss des Transistors 106 ist über einen Widerstand 104 und den Schalter 102 mit der positiven Versorgungsspannung VCC gekoppelt.
Indem der Schalter 102 geschlossen wird, werden die Transistoren 105, 106 über die Widerstände 103 bzw. 104 mit einem Basisstrom Ibias versorgt, wodurch die Transistoren 105, 106 eingeschaltet werden. Die Widerstände 103, 104 dienen im Wesentlichen der gleichen Funktion wie der Widerstand 73 aus 7. Auch wenn in 10 zwei Widerstände 103, 104 gezeigt sind, können die Transistoren 105, 106 bei anderen Ausführungsformen einen Vorspannungsstrom auch über denselben Widerstand empfangen.
Indem zwei Transistoren 105, 106 mit einer antiparallelen Kopplung wie in 10 veranschaulicht bereitgestellt werden, können bei manchen Ausführungsformen Großsignalverhalten und Symmetrie verbessert werden, da im Wesentlichen jeder der Transistoren für eine Übertragung einer Halbwelle „verantwortlich“ ist. Beispielsweise kann so eine Asymmetrie kompensiert werden, indem im Fall von asymmetrisch implementierten Transistoren (wie manchen HBTs) zwei Transistoren bereitgestellt werden.
11 veranschaulicht eine Schaltervorrichtung, die als ein Transfergate verwendet werden kann. Die Ausführungsform aus 11 umfasst einen ersten Anschluss 110 und einen zweiten Anschluss 118. Als Schaltelemente sind ein NPN-Bipolarübergangstransistor 114 und ein PNP-Bipolarübergangstransistor 115 bereitgestellt. Emitteranschlüsse der Transistoren 114, 115 sind über einen Kondensator 111 an den Anschluss 110 gekoppelt. Kollektoranschlüsse von Transistoren 114, 115 sind über einen Kondensator 117 an den Anschluss 118 gekoppelt. Die Kondensatoren 111, 117 können dazu dienen, DC-Komponenten zu sperren.
Ferner ist ein Basisanschluss von Transistor 114 über einen Widerstand 113 und einen Schalter 112 mit einer positiven Versorgungsspannung VCC gekoppelt. Ein Basisanschluss von Transistor 115 ist über einen Widerstand 116 mit Masse gekoppelt. Wenn der Schalter 112 geschlossen ist, fließt ein Basisstrom Ibias über den Widerstand 113 zu dem Basisanschluss des NPN-Transistors 114 und von dem Basisanschluss von Widerstand 115 über Widerstand 116 zu Masse, wodurch die Transistoren 114, 115 in einen Ein-Zustand geschaltet werden, was eine HF-Signalübertragung von dem Anschluss 110 zu dem Anschluss 118 und umgekehrt ermöglicht.
Es versteht sich, dass eine Betriebsfrequenz der Vorrichtung aus 11 abhängig von einer Transferfrequenz von PNP-Transistor 115 beschränkt sein kann. Die Ausführungsform aus 11 kann ein gutes Großsignalverhalten, beispielsweise eine hohe Linearität, aufweisen. Die Transistoren 114, 115 können implementiert sein, indem die zwei Transistoren gestapelt werden, was beispielsweise zu einem Stapeln von zwei Basis-Emitter-Dioden führen kann.
Angesichts der vielen Variationen und Modifikationen einer oben beschriebenen Schaltervorrichtung ist es offensichtlich, dass die hierin offenbarten Verfahren auf keine spezifische Ausführungsform beschränkt sind und die veranschaulichten Ausführungsformen nur als Beispiel angeführt sind.
Wenngleich diese Erfindung mit Verweis auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichten Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden sich Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bei Verweis auf die Beschreibung erschließen.

Claims

Vorrichtung (10), umfassend: einen ersten Hochfrequenzanschluss (70; 80, 81; 90, 99; 100, 108; 110); einen zweiten Hochfrequenzanschluss (76; 80, 81; 90, 99; 100, 108; 118); einen Bipolartransistor (26; 74; 83, 84; 913, 914; 105, 106; 114, 115), wobei ein Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (26; 74; 83, 84; 913, 914; 105, 106; 114, 115) mit dem ersten Hochfrequenzanschluss (70; 80, 81; 90, 99; 100, 108; 110) gekoppelt ist und wobei ein Kollektoranschluss (20; 50; 60) des Bipolartransistors (26; 74; 83, 84; 913, 914; 105, 106; 114, 115) mit dem zweiten Hochfrequenzanschluss (76; 80, 81; 90, 99; 100, 108; 118) gekoppelt ist; und eine Basisstromversorgungsschaltung (14), die dazu ausgestaltet ist, einem Basisanschluss (21; 52; 62) des Bipolartransistors (26; 74) selektiv einen Basisstrom zuzuführen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Bipolartransistor (26; 74; 83, 84; 913, 914; 105, 106; 114, 115) dazu ausgestaltet ist, in einer Durchlasssättigung oder einer Sperrsättigung betrieben zu werden, wenn die Basisstromversorgungsschaltung (14) einen Basisstrom zuführt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Kondensator (71; 91, 98; 101, 107; 111), der zwischen den ersten Hochfrequenzanschluss (70; 90, 99; 100, 108; 110) und den Emitteranschluss (22; 51; 61) gekoppelt ist, oder einen Kondensator (75; 91, 98; 101, 107; 117), der zwischen den zweiten Hochfrequenzanschluss (76; 90, 99; 101, 108; 110, 118) und den Kollektoranschluss (20; 50; 60) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basisstromversorgungsschaltung einen Schalter (77; 94, 95; 102; 112) und einen Widerstand (73; 82; 93, 96; 103, 104; 113, 116) umfasst, die in Serie zwischen eine Versorgungsspannung und den Basisanschluss (21; 52; 62) gekoppelt sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Impedanz, die zwischen den Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (26; 74; 83, 84; 913, 914; 105, 106) und ein Referenzpotential gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die Impedanz einen Widerstand (72; 85, 86; 910, 912; 109, 1010) umfasst, der einen Widerstandswert von zumindest 50 Ω aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Referenzpotential Masse ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Impedanz (85, 86; 109, 1010), die zwischen den Kollektoranschluss (20; 50; 60) des Bipolartransistors (26; 83, 84; 105, 106) und ein Referenzpotential gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Kondensator (92, 97), der zwischen den Basisanschluss (21; 52; 62) des Bipolartransistors (913, 914) und den Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (913, 914) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen weiteren Bipolartransistor (83, 84; 913, 914; 105, 106; 114, 115), der zwischen den ersten Hochfrequenzanschluss (90, 99; 100, 108; 110) und den zweiten Hochfrequenzanschluss (90, 99; 100, 108; 118) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei der weitere Bipolartransistor (83, 84; 913, 914) mit dem Bipolartransistor (83, 84; 913, 914) in Serie gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei ein Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (83, 84) mit einem Emitteranschluss (22; 51; 61) des weiteren Bipolartransistors (83, 84) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei der Kollektoranschluss (20; 50; 60) des Bipolartransistors (913, 914) mit einem Kollektoranschluss (20; 50; 60) des weiteren Bipolartransistors (913, 914) gekoppelt ist, wobei der erste und der zweite Hochfrequenzanschluss (90, 99) Eingangsanschlüsse sind, und wobei ein Hochfrequenz-Ausgangsanschluss (911) an einen Knoten zwischen dem Kollektoranschluss des Bipolartransistors und dem Kollektoranschluss des weiteren Bipolartransistors gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei der weitere Bipolartransistor (105, 106; 114, 115) parallel zu dem Bipolartransistor (105, 106; 114, 115) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei der Kollektoranschluss (20; 50; 60) des Bipolartransistors (105, 106) mit einem Emitteranschluss (22; 51; 61) des weiteren Bipolartransistors (105, 106) gekoppelt ist und wobei der Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (105, 106) mit einem Kollektoranschluss (20; 50; 60) des weiteren Bipolartransistors (105, 106) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei einer von dem Bipolartransistor (114, 115) und dem weiteren Bipolartransistor (114, 115) ein NPN-Transistor ist und wobei der andere von dem Bipolartransistor (114, 115) und dem weiteren Bipolartransistor ein PNP-Transistor ist, wobei der Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (114, 115) mit einem Emitteranschluss (22; 51; 61) des weiteren Bipolartransistors (114, 115) gekoppelt ist und wobei der Kollektoranschluss (20; 50; 60) des Bipolartransistors (114, 115) mit einem Kollektoranschluss (20; 50; 60) des weiteren Bipolartransistors (114, 115) gekoppelt ist.
Hochfrequenz-Schaltervorrichtung (11), umfassend: einen ersten Anschluss (70; 90, 99; 100, 108); einen zweiten Anschluss (76; 90, 99; 100, 108); einen Bipolartransistor (26; 74; 913, 914; 105, 106), wobei ein Emitteranschluss (22; 51; 61) des Bipolartransistors (26; 74; 913, 914; 105, 106) mit dem ersten Anschluss (70; 90, 99; 100, 108) gekoppelt ist und ein Kollektoranschluss (20; 50; 60) des Bipolartransistors (26; 74; 913, 914; 105, 106) mit dem zweiten Anschluss (76; 90, 99; 100, 108) gekoppelt ist; einen ersten Kondensator (71; 91, 98; 101, 107), der zwischen den Emitteranschluss (22; 51; 61) und den ersten Anschluss (70; 90, 99; 100, 108) gekoppelt ist; einen zweiten Kondensator (75; 91, 98; 101, 107), der zwischen den Kollektoranschluss (20; 50; 60) und den zweiten Anschluss (76; 90, 99; 100, 108) gekoppelt ist; eine Impedanz (72; 910, 912; 109, 110), die zwischen den Emitteranschluss (22; 51; 61) und Masse gekoppelt ist; und einen Schalter (77; 94, 95; 102), der zwischen einen Basisanschluss (21; 52; 62) des Bipolartransistors (26; 74; 913, 914; 105, 106) und eine positive Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 17, ferner umfassend einen Widerstand (73; 93, 96; 103, 104), der zwischen den Basisanschluss (21; 52; 62) und die positive Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend einen weiteren Bipolartransistor (913, 914; 105, 106), der in Serie oder parallel mit dem Bipolartransistor gekoppelt ist.
Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, ferner umfassend einen Kondensator (92, 97), der zwischen den Basisanschluss (21; 52; 62) und den Emitteranschluss (22; 51; 61) gekoppelt ist.