DE3239505A1

DE3239505A1 - Hochfrequenzverstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE3239505A1
Application number: DE19823239505
Authority: DE
Inventors: Emil James Crescenzi jun.; Richard Bracey 01803 Burlington Mass. Gold; Richard Weir 94041 Mountain View Calif. Oglesbee; Walter Thomas 95014 Cupertino Calif. Wilser
Original assignee: Watkins Johnson Co
Current assignee: Qorvo US Inc
Priority date: 1981-10-29
Filing date: 1982-10-26
Publication date: 1983-05-11
Also published as: GB2108799A; JPS5884510A; FR2515897A1; US4423388A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldeffekttransistor-HF-Verstärkerschaltung.

Bisherige Schaltungen dieser Art waren kompliziert, und ihr Verstärkungsgrad war begrenzt, vor allem wegen des Leistungsvermögens von Galliumarsenidtransistoren. Ein Galliumarsenid-Feldeffekttransistor (FET) enthält gewöhnlich ein isolierendes Substrat aus undotiertem Galliumarsenid und eine dünne Oberflächen- oder Epitaxialschicht aus dotiertem Galliumarsenid. Auf der Schichtoberfläche sind über der Source- und der Drainzone Ohmsche Kontakte vorgesehen, und ein Schottky-Kontakt ist an der Schichtoberfläche zwischen den Ohmschen Kontakten angebracht. Diese wirkt als steuernde Gate-Elektrode an dem FET.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für eine monolithische Bauweise geeignete, einfach herstellbare und sich durch einen besonders hohen maximalen Verstärkungsgrad auszeichnende Feldeffekttransistor-HF-Verstärkerschaltung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Vorzugsweise weist ein monolithischer HF-Verstärker gemäss der Erfindung einen Körper aus Halbleitermaterial, insbesondere III-V Compoundmaterial auf. In dem mono-

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lithischen Körper sind zwei PETs mit je einem Source-, Gate- und Drainkontakt ausgebildet. Ein Eingangssignal wird zwischen Gate- und Sourcekontakt des ernten FET angelegt, und ein Ausgangssignal wird zwischen Drain- und Sourcekontakt des zweiten FET abgegriffen.

Ein passives HF-Netzwerk verbindet die beiden FETs. Es umfasst eine Reihenschaltung zweier Ubertragungsleitungen zwischen Drain des ersten FET und Gate des zweiten FET. Eine dritte übertragungsleitung verläuft zwischen dem Verbindungspunkt der beiden ersten Ubertragungsleitungen und Erde oder Masse.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Kopplungseinrichtung ferner die Parallelschaltung eines ersten Widerstands und eines ersten Kondensators<, welche die Source des ersten FET mit einem ersten Potential verbindet, einen zweiten Kondensator, der die Source des zweiten FET mit dem ersten Potential verbindet, und einen zweiten Widerstand und eine Zenerdiode in Parallelschaltung, welche.die dritte übertragungsleitung mit dem ersten Potential verbinden. Ein zweiter Widerstand verbindet den dritten Kondensator mit dem zweiten Kondensator und der Zenerdiode.

Bei einer anderen Ausführungsform enthält das passive Verbindungsnetzwerk eine Einrichtung, mit der alle Arbeitspotentiale von einem einzigen aussen angelegten Potential abgeleitet werden. Die Parallelschaltung eines ersten Widerstands und eines ersten Kondensators ver-

bindet die Source des ersten FET und Erde. Die Parallelschaltung eines zweiten Kondensators und einer Zenerdiode verbindet die dritte Übertragungsleitung und Erde. Ein dritter Kondensator liegt zwischen der Source des zweiten FET und Erde. Ein zweiter Widerstand verbindet den dritten Kondensator mit dem zweiten Kondensator und der Zericrdiode. Ein einziges Potential wird zwischen Drain des zweiten FET und Erde oder Masse angelegt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das elektrische Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines HF-Verstärkers gemäss der Erfindung;

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines als monolithischer integrierter Baustein ausgebildeten Verstärkers mit einer Schaltung nach Fig. 1;

F i g. 3 eine kurvenbildliche Darstellung der Beziehung Verstärkungsgrad/Betriebsfrequenz eines Verstärkers nach Fig. 2; und

F i g. 4 das Schaltschema einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Nach Fig. 1 enthält der HF-Verstärker einen ersten FET 10, einen zweiten FET 12 und eine mit I^ bezeichnete HF-Kopplungs- und Anpaßeinrichtung zwischen beiden Transistoren 10 und 12.

Ein Eingangsanschluß 16 ist über eine Breitbandleitung (band wire) 18 oder einen Banddraht mit dem

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Gateanschluß des Transistors 10 und der Sourceanschluß des Transistors 10 mit (HF-Signal-) Erde oder Masse verbunden. Ein Gleichstromspannungspotentialkontakt 20 ist über eine Induktivität 22 mit dem Drainanschluß des Transistors 12 und dem Verstärkerausgangsanschluß 24 verbunden. Der Sourceanschluß des Transistors 12 ist mit (HF-Signal-) Erde oder Masse verbunden.

Die HF-Kopplungseinrichtung lh umfasst eine erste und eine zweite übertragungsleitung 26_s 28 in Reihenschaltung zwischen dem Drain des Transistors 10 und dem Gate des Transistors 12. Eine dritte Übertragungsleitung 30 verbindet die gemeinsame Anschlußstelle der in Reihe geschalteten Übertragungsleitungen 26, 28 mit (HF-Signal-) Erde oder Masse.

Bei dem monolithischen Schaltungsbaustein gemäss Fig. 2 sind die Übertragungsleitungen jeweils als "Mikrostrip" (microstrip) ausgebildet. Ihre Länge und Impedanz wird jeweils durch die Arbeite- oder Betriebsfrequenz des Verstärkers bestimmt.

Bei dem monolithischen HF-Verstärker nach Fig. 2 besteht das Substrat vorzugsweise aus einem III-V-Compoundmaterial, das eine hohe Trägermobilität aufweist, vorzugsweise Galliumarsenid u.dgl., das für Mikrowellenanwendungen besonders günstig ist. Das Substrat 40 in Fig. 2, das aus Galliumarsenid besteht, weist in seinem einen Endbereich den ersten Transistor 10 und in seinem anderen Endbereich den zweiten Transistor 12 auf.

Beide Transistoren haben die gleiche Ausbildung, wobei jeweils die Source- und Drainzone in einer epitaktischen Schicht ausgebildet ist, die mit einem Donator wie Zinn (für Galliumarsenid) dotiert wird, um eine Dicke von Material vom N-Typ zu erhalten. Der Sourcekontakt 4l und der Drainkontakt 43 bestehen aus Ohmschem Kontaktmaterial wie z.B. einer Gold-Germanium-Nickellegierung, und der Gatekontakt ist eine durch Metallisierung mit Aluminium gebildete Schottky-Sperre. In ähnlicher Weise hat der Transistor 12 einen Ohmschen Sourcekontakt 44, einen Schottky-Sperrkontakt 45 und einen Ohmschen Drainkontakt 46.

Die HF-Kopplungseinrichtung umfasst eine Mikrostrip-Anordnung mit einer Metallplatte 50 an der Bodenfläche und den Leiterraustern 26, 28 und 30 auf der Oberseite des Galliumarsenidsubstrats. Für die Zwecke eines X-Frequenzbandes (d.h. 7-13 GHz) hat die übertragungsleitung 26 eine Impedanz von 90 0hm und eine Länge von 43 mil, die übertragungsleitung 28 eine Impedanz von 90 0hm und eine Länge von 19 mil und die Übertragungsleitung 30 eine Impedanz von 90 0hm und eine Länge von 37 mil. Die Übertragungsleitung 28 ist mit den Gatekontakten 45 des Transistors 12 durch aus leitendem Metall bestehende Brücken 52 verbunden, welche den Galliumarsenidkörper nur an den Kontaktstellen der übertragungsleitung 28 und der Gatekontakte 45 körperlich berühren.

In dem Kurvenbild von Fig. 3, das die Beziehung Verstärkungsgrad/Betrieb sf requenz für einen Verstärker nach Fig. 2 veranschaulicht_s entsprechen die gestrichelten Linien 60 und 62 dem Verstärkungsgrad eines äquivalenten Galliumarsenidverstärkers mit nur einem einzigen Feldeffekttransistor, während die voll gezeichneten Linien 6l und 63 den Verstärkungsgrad des Verstärkers von Fig. 2 wiedergeben. Wie ersichtlich, ist der Verstärkungsgrad der Schaltung von Fig. 2 um etwa 6 db höher als der einer Verstärkerschaltung mit nur einem Transistor.

Fig. 4 entspricht dem Schaltbild von FLg. 1, erweitert um eine zusätzliche Vorspannschaltung, welche gemäss einer Abwandlung der Erfindung HF-Erde und Gleichstrom-Erde liefert. Die Source des Transistors 10 ist hier über eine Parallelschaltung von Kondensator 70 und Widerstand 71 an Erde gelegt, und das Gate des Transistors 10 ist über eine Induktivität 75 an Erde gelegt. Die übertragungsleitung 30 ist über den Kondensator 72 mit Erde verbunden und durch eine Zenerdiode 7 5 überbrückt, die den maximalen Spannungsabfall daran begrenzt. Die Source des Transistors 12 liegt über dem Kondensator 7^ an Erde, und ein Widerstand 75 verbindet den Kondensator 7^ mit dem Kondensator 72 und der Zenerdiode 73· Ein Gleichspannungspotentialkontakt 20 ist über eine Induktivität 22 mit dem Drain des Transistors 12 verbunden. Der Gleichspannungspotentialanschluß 20

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liefert die Gleichstromvorspannung für beide Transistoren 12 und 10 über das Netzwerk von Pig. 4.

Die Schaltung bietet einen erhöhten Verstärkungsgrad und eine stabile Arbeitsweise. Der Verstärker ist bei Anwendung üblicher Herstellungsverfahren der Halbleitertechnik wirtschaftlich zu verwirklichen und seine Schaltung ist den jeweils erwünschten Arbeitsfrequenzen leicht anzupassen. Der Verstärker funktioniert ähnlich wie einer mit nur einem Galliumarsenid-FET, aber mit höherem Verstärkungsgrad und verbesserter Umkehrisolation.

Die Möglichkeiten zur Ausführung und Anwendung der Erfindung beschränken sich nicht auf die hier im einzelnen beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen, die nur als Ausführungsbeispiele zu betrachten sind.

Leerseite

Claims

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DIPL.-ING. F. WERDERMANN

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SOOO HAMBURG 36

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TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

TELEX 2163B51 INTU D

UNSER ZEICHEN/OUR FILE " * ® *· ' *-

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Anmelder;

WATKINS-JOHNSON COMPANY,

3333 Hillview Avenue, Palo Alto, Kalif. 9^304 (V.St.A.)

Hochfrequenzverstärkerschaltung.

Patentansprüche:

Ώ HF-Verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor (FET) mit je einem Source-, Drain- und Gatekontakt, bei dem ein Eingangssignal an dem Gatekontakt des ersten FET angelegt wird,

der Sourcekontakt des ersten FET mit einem ersten Potential,

der Sourcekontakt des zweiten FET mit einem zweiten Potential,

der Drainkontakt des zweiten FET mit einem dritten Po-

tential verbunden und

eine Einrichtung zum Koppeln des ersten FET mit dem zweiten FET vorgesehen ist, die eine erste und eine zweite, in Reihe miteinander angeordnete übertragungsleitung aufweist, die zwischen dem Drainkontakt des ersten FET und dem Gatekontakt des zweiten FET liegt, sowie eine dritte Übertragungsleitung, die zwischen einem gemeinsamen Anschluß der beiden ersten Übertragungsleitungen und einem vierten Potential angeschlossen ist, und wobei ein Ausgangssignal aus dem Drainkontakt des zweiten FET entnommen wird.
2. HF-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das vierte Potential gleich dem ersten Potential ist.
3. HF-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite FET in einem monolithischen Halbleiterkörper mit der ersten, zweiten und dritten Übertragungsleitung, die als "Mikrostrip" ausgeführt sind, ausgebildet ist.
4. HF-Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus III-V Verbundhalbleitermaterial oder Verbindungshalbleitermaterial besteht und der Mikrostrip eine Erdungsplatte auf der einen und ein Leitermuster auf der anderen Flachseite dieses Körpers aufweist.
5. HF-Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das III-V Verbund- oder Compound-

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halbleitermaterial Galliumarsenid ist.
6. HF-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung weiterhin einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator in Parallelschaltung, welche den Sourcekontakt des ersten FET mit dem ersten Potential verbinden, einen zweiten Kondensator, der den Sourcekontakt des zweiten FET mit dem ersten Potential verbindet, einen zweiten Kondensator und eine Zenerdiode in Parallelschaltung, welche die dritte übertragungsleitung mit dem ersten Potential verbinden, und einen zweiten Widerstand, der einen dritten Kondensator mit dem zweiten Kondensator und der Zenerdiode verbindet.
7. HF-Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Potential Erde oder Masse ist.