SE514160C2 - Förspänningsarrangemang för fälteffekttransistorer - Google Patents

Description

25 30 514 160 2 krets är styrelektrodpolen G tillhörande FET 100 förbunden med jord via en resistor R2 120, och emitterpolen är också förbunden med jord via en resistor R1 160. En förbikopplingskondensator 170 shuntar ernitterresistorn Rl 160. Resistom R1 160 är lämpligtvis utvald för att möjliggöra att FET:en slås av vid önskvärt låg styrelek- trodspämiing.

Ett problem uppstår med detta arrangemang när hög uteffekt är erforderlig men en- dast en relativt låg spärmingstörsörjning Vdd är tillgänglig. Detta är fallet tex. för mobiltelefoner i GSM. I GSM har etïektförstärkaren i mobiltelefoner i normala fall en spänningsförsörjning på 3V men behöver tillhandahålla nmt 3W uteñekt. Till följd av detta är ut-impedansen hos FET 100 som upplevs i nästföljande steg som mycket låg, dvs. i storleksordningen några ohm. På g-und av detta tillhandahålls ett impedansmatchningssteg, vilket i fig. 2 består av en induktor 180 som vid en första pol är förbunden med FET-kollektorn D och vid den andra polen med kondensatorn 150 som blockerar utgången, och en kondensator 190 som förbinder induktorns andra pol med jord. Emellertid är en annan och mer problematisk konsekvens av den låga spänningsförsörjningen och höga erfordrade uteffekten höga strömmar i tran- sistom. T.ex. är toppströmmar i GSM på 3A vanliga. För att förbikopplingskonden- satom 170 effektivt skall kunna sänka dessa strömmar måste den vara mycket stor.

Som exempel, med toppströmmar på 3A i transistom, skulle en kapacitans på om- kring l5nF krävas. En sådan kondensator kan inte enkelt implementeras ytmonterat, dvs. på chipset (on chip). Det bör observeras att för radiofrekvens (RF), och i syn- nerhet för rnilcrovågsapplikationer, kommer kondensatom 170 alltid att vara stor, oberoende av värdet hos resistorn 160. Vid dessa frekvenser kommer resistom 160 att ha en avsevärd serieinduktans. Således gäller att även om resistansen skulle sät- tas till en bråkdel av en ohm, skulle förbikopplingskondensatom fortfarande behöva vara begränsande i storlek för ytmonterade implementeringar.

Det är således ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett för- stärkararrangemang som övervinner problemen som förknippas med tidigare kända konfigurationer. 10 15 20 25 30 514 -160 Det är ytterligare ett särskilt ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett förstärkararrangemang som är lämpligt för användning vid en låg, osymmetrisk spänningstillförsel och för RF-applikationer. Företrädesvis bör arrangemanget i sig lämpa sig for ytmonterad implementering.

Sammanfattning av uppfinningen I enlighet med föreliggande uppfinning uppnås det ovarmämnda ändamålet med en effektiörstärkare inkluderande en F ET med en ingång kopplad till styrelektrodpolen och en utgång kopplad till kollektorpolen via ett impedansmatchande steg inkopplat mellan kollektorpolen och jord. Ett organ som förspänner emittem är shuntat med en förkopplingskondensator och kopplar emitterpolen till jord. I enlighet med uppfin- ningen tillhandahålls en gemensam pol mellan emitterpolen och det impedans- matchande steget, och denna gemensamma pol är förbunden med jord genom orga- net som förspärmer emittem.

Genom att tillhandahålla en gemensam pol mellan de impedansmatchande kompo- nentema och transistoms emitter definieras impedansen som tar sig in i emitterpolen effektivt genom de impedansmatchande komponenterna. Toppströmmarna som pas- serar genom en emitter med ett förbikopplande kondensatorelement kan således re- 'duceras avsevärt, mer specifikt till en nivå som tillåter kondensatom att vara av en mer hanterbar storlek och implementeras ytmonterat.

Organet som förspänner emittem kan vara en resistor, vilken kan väljas För att för- ändra transistoms styrelektrodemitterspänning och därigenom möjliggöra att tran- sistom kan slås av.

I en ytterligare utföringsform av uppfinningen är organet som förspänner emittem en andra fáltefiekttransistor, företrädesvis en MOSFET, som fimgerar som en spän- ningsstyrd resistor. Förutom att fórspänna etïektförstärkaren kan den andra FET:en 10 15 20 25 514160 4 också användas för att reglera efiektförstärkaren. I synnerhet kan strömmen genom efiektförstärkaren styras genom att variera styrelektrodspänrringen hos den andra FET:en.

I ett föredraget arrangemang verkar den andra FET:en som en dc-dc-omvandlare, åtminstone för låga uteñekter hos förstärkaren, i vilken den omkopplas och där dess spänning filtreras. På detta sätt förbättras verkningsgraden hos arrangemanget avse- värt. Lösningen är också kostnadsbesparande eftersom en enstaka andra FET utnytt- jas som en spänningsstyrd resistor vid höga uteffekter och som en omkopplare vid låga uteffekter.

I enlighet med uppfinningen inkluderas törstärkararrangemanget företrädesvis som åtminstone ett steg i en etïektförstärkare för en mobiltelefon.

Uppfmningen hänför sig också till en mobiltelefon som innefattar en eiïektförstärka- re av det ovan beskrivna slaget.

Kort beskrivning av ritningama Ytterligare ändamål och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att vara uppenbara av följande beskrivning av de föredragna utföringsformerna, givna endast som exempel och med hänvisning till de därtill hörande ritningarna, i vilka: Fig. 1 visar ett konventionellt arrangemang för förstärkning av en FET effekt- förstärkarlcrets med positiv och negativ spänningstillförsel; Fig. 2 visar ett kretsarrangemang för en RF FET eiïektlörstärkare med osym- metrisk effektlörstärlming med FET:en förspänd genom en ernitterre- sistor; Fig. 3 visar ett förstärkararrangemang för en RF FET eíïektförstärkarlcrets i enlighet med föreliggande uppfinning; 10 15 20 25 30 514 160 5 F ig. 4 visar en ytterligare uttöringsfonn av förspänningsarrangemanget enligt uppfinningen, vilket också fimgerar som ett organ för att reglera effekt- förstärkaren; och Fig. 5 visar en alternativ utföringsform av det törspänningsarrangemanget enligt uppfinningen, inkluderande en transformator.

Detalierad beskrivning av ritningarna Kretsarna i fig. 1 och 2 har redan beskrivits i introduktionen, och därför anses en ytterligare detaljerad diskussion av dessa arrangemang här inte nödvändig.

Fig. 3 visar kretskonfigurationen hos en etïekttörstärkare. I denna utföringsforrn är effektförstärkaren tänkt speciellt för användning i en GSM mobiltelefon. I en sådan mobiltelefon används en osymrnetrisk spänningstillförsel (Vdd) på omkring 3V för att driva kretsen. Eiïektförstärkarlcretsen inkluderar en utarmningsdriven fälteffekt- transistor (F ET) 10 med polema styrelektrod G, emitter S och kollektor D. I den ex- emplifierade applikationen är FET 10 en germanium-arsenik (GaAs) MOSFET, vil- ken är särskilt lämplig för de höga signalfrekvensema på omkring 900 MHz som an- vänds i GSM på grund av dess höga gränsfrekvens. Emellertid vore det värdefullt om lcretsarrangemanget krmde utnyttjas med samma verkan för andra utarmnings- drivna F ET:er. Styrelektrodpolen är förbunden med en ingång Pin till effektförstär- karen via en blockeringskondensator 20. Det antas i det illustrerade exemplet att åt- minstone ett steg föregår eiïektförstärkaren. Styrelektroden är vidare förstärkt med hjälp av en resistor 30 inkopplad mellan styrelektroden och jord. Kollektorpolen är förbunden via en induktor (RF -drossel) 40 med den positiva spämtingsförsörjningen Vdd. Den är också förbunden med en utgångspol Put via en blockeringskondensator 50 och en ytterligare induktor 60. Induktom 60 bildar en del av ett impedans- matchande steg, vars andra del bildas av en kondensator 70 som i ena änden är kopplad mellan induktom 60 och blockeringskondensatom 50 och i den andra till en gemensam pol A. FET:s emitter är också förbunden med denna gemensamma pol A.

Från den gemensamma polen A tillhandahålls två vägar till jord. I grunden är dessa 10 15 20 25 30 .., .. 5114 160 ï°ï}ß:]lflïflâëíïfi-iåßlfi: 6 en växelspärntingsväg som tillhandahålls genom två kondensatorer 80 och 81 för högfrekvenskomponentema och en likströmsväg som tillhandahålls genom en resis- tor 90.

Såsom förklarades i introduktionen med hänvisning till fig. 2, är det impedans- matchande steget nödvändigt för att koppla den mycket låga ut-impedansen hos FET 10 till ett följande steg. Det avses att simulera en 50 ohms transmissionslinje sett från utgången Put. Den låga ut-impedansen hos FET 10 är en följd av den låga spän- ningstíllförseln Vdd och den höga erforderliga uteffekten. Ut-impedansen hos FET är i storleksordningen några ohm. Genom att tillhandahålla den gemensamma polen A mellan transistoremittern 10 och de matchande komponentema 60, 70, är impe- dansen hos emitterpolen, sett från kondensatorn 80 och 81, mycket högre än när matchningskomponenterna är förbundna till jord, som visas i fig. 2. Om arrange- manget i fig. 2 skulle utnyttjas för eñektförstärkaren i en GSM mobiltelefon, skulle impedansen vid emitterpolen vara mycket lägre än 1 ohm. Omvänt gäller i arrange- manget i fig. 3, att impedansen vid emittem, sett från törbikopplingskondensatom 80, fastställs av de matchande komponenterna. Med andra ord ser kondensatom 80 en 50 ohms transmissionslinje. Under drift förskjuter tillhandahållandet av den ge- mensamma polen A for FET-förstärkaren 10 och de matchande komponenterna 60, 70 den förstärkande resistom 90 till höger om den höga impedansdelen. Detta illu- streras av den streckade linjen Z, som indikerar gränssnittet mellan de höga och låga impedansornrådena i kretsen. Kondensatom 81 är också belägen bortom högimpe- dansgränssriittet. Till följd av den effektiva ökningen i ut-impedans vid FET- emittem 10 är toppströmmama som bärs av kondensatorema 80 och 81 mer hanter- bara än i kretsen som visas i fig. 2. Kondensatorema kan därför vara mycket mindre och mer specifikt ha en storlek som tillåter dem att implementeras ytmonterat på ett chips.

För en GSM-applikation är typiska värden för komponentema som följ er: en kapa- citans på 12 pF och en induktans på 2 nH för de matchande komponentema 60, 70, och värden på 30 pF för resten av kondensatorema, dvs. de ingångs- och utgångs- 10 15 20 25 30 514 160 idtfiírïatf 7 blockerande kondensatorerna 20, 50 och de två förbikopplingskondensatorema 80, 8 1.

Det bör observeras att den andra törbikopplingskondensatom 81 tillhandahålls som en törsiktighetsâtgärd för högfrekvensapplikationer, där den fysiska storleken hos transistom 10 gör att en andra förbindelse till jord är att föredra. Det bästa vore dock om iörbikopplingsfunlctionen helt kunde utföras med en enda kondensator.

I arrangemanget i fig. 3 kan styrelektrodemitterspänningen hos FET-efiektförstärka- ren 10 varieras genom att variera resistansen hos den törspännande emitterresistom 90. Altemativt skulle resistom kunna användas för att ändra kollektoreniitterspän- ningen till MOSFET 10 genom att ställa den förspännande styrelektrodresistom 30 på samma potential som emitterpolen. Ett sådant arrangemang skulle kunna vara av intresse om fasen måste hållas konstant till exempel.

En alternativ utiöringsform av uppfinningen visas i fig. 4. Denna krets är mycket lik den i fig. 3 och således används samma hänvisningsbeteclcningar för lika delar. Den enda skillnaden mellan kretsarna är ersättningen av den förspännande ernitterresis- tom för likström i kretsen enligt fig. 4 med en n-kanals MOSFET 91. Denna transis- tor 91 fimgerar i det linjära området för dess utgångskaraldäristik och verkar således som en spänningsstjrrd resistor, med resistansen mellan den gemensamma polen A och jord som kontrolleras med hjälp av styrelektrodspänningen Vapc. Variation av styrelektrodspänningen Vapc hos MOSFET 91 ändrar strömmen genom eiïektför- stärkaren.

I denna konfiguration behöver MOSFET 91 inte enbart utnyttjas för att iörspänna efifektförstärkaren utan kan även användas för att reglera den. Således styrs uteiïek- ten Put genom att styra styrelektrodspänningen Vapc hos MOSFET 91 snarare än att ändra styrelektrodspänningen hos FET 10. Samtidigt som detta arrangemang leder till att viss kollektoremitterspäinting förloras vid låg uteiïekt, är detta inte kritiskt för 10 15 20 25 514160 8 applikationer med konstant last, där den extra spänning som erhålls vid den styrelek- trodstyrda regleringen ändå inte behövs. i Denna förlust av kollektoremitterspänning kan dock undvikas genom att koppla om MOSFET 91 och filtrera dess spänning, vilket görs genom att bilda en dc-dc-om- vandlare. En särskilt kostnadsbesparande lösning skulle vara att utnyttja MOSFET 91 som en spänningsstyrd resistor vid höga uteffekter och som en omkopplare vid låga uteffekter. Det kommer också att vara uppenbart för den slcicklige inom områ- det att ett annat slag av dc-dc-omvandlare skulle kunna användas i stället för MOS- FET 91.

Pig. 5 visar en ytterligare utföringsform av anordningen i fig. 3. Återigen har lika delar i denna krets betecknats med samma hänvisningsbeteckningar. Denna krets skiljer sig från den i fig. 3 i och med att det impedansmatchande steget bildas genom en transformator 61. Mer i detalj innefattar transformatom 61 två spolar. Den forsta spolen är förbunden med kollektorpolen hos FET 10 via en ljkströmsblockerande kondensator 62 och med den gemensamma polen A. Den andra spolen är inkopplad mellan den utgångsblockerande kondensatom 50 och den gemensamma polen A. De impedansmatchande egenskapema hos en transformator är väl kända inom det tek- niska området och kommer inte att närmare förklaras här. Det är tillräckligt att säga att i konfigiirationen visad i fig. 5 definieras impedansen, som den uppfattas av kon- densatom 80 vid den gemensamma polen A eller FET-emittem 10, av transforma- torn 61. Liksom för anordningama i fig. 3 och 4 är impedansen för GSM-applika- tioner företrädesvis i storleksordningen 50 ohm.

Uppenbarligen kan den förspännande resistom 90 i fig. 5 ersättas av en FET- omkopplare, företrädesvis av en n-kanals MOSFET 91, för att bilda en lcrets, jäm- förlig med den som visas i fig. 4. 514160 9 Den som är skicklig inom det tekniska omrâdet kommer att inse att flirspännings- kretsarna som visas i fig. 3-5 skulle kunna utnyttjas som de är, eller alternativt byg- gas in som ett enskilt steg i en flerstegs effektíörstärkare, t. ex. for en mobiltelefon.

Claims (12)

10 15 20 25 30 514 160 10 Patentkrav

1. Förstärkare inkluderande en faltelïekttransistor (10) med styrelektrod-, ernitter- och kollektorpoler, en ingång (Pin) förbunden med styrelektrodpolen och en ut- gång (Put) kopplad till nämnda kollektorpol via ett impedansmatchande steg (60,70) inkopplat mellan kollektorpolen och jord, kännetecknad av organ (90,91) som förspänner emíttem och förbinder emitterpolen med jord, och en gemensam pol (A) anordnad mellan emitterpolen och det impedansmatchande steget (60,70), där den gemensamma polen är förbunden med jord genom orga- net (90,91) som törspänner emittem.

2. . Förstärkare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda organ som förspänner emittern shuntas genom en förbikopplingskapacitans (80,81).

3. . Förstärkare enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att nämnda impedans- matchande steg innefattar en induktans (60) inkopplad mellan kollektorpolen och utgången (Put) samt en andra kapacitans (70) inkopplad mellan nämnda utgång och den gemensamma polen (A).

4. . Förstärkare enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att det impedansmatchande steget innefattar en transformator (61) med en forsta spole inkopplad mellan kollektorpolen och den gemensamma polen (A) samt en andra spole inkopplad mellan utgången (Put) och den gemensamma polen (A).

5. Förstärkare enligt något av föregående krav, kännetecknad av att organet som förspärmer styrelektroden innefattar en resistans (30).

6. . Förstärkare enligt något av föregående lcrav, kännetecknad av att organet som förspänner ernittem innefattar en resistans (90). 10 ,15 514160 ll

7. Förstärkare enligt något av kraven 1-5, kännetecknad av att organet som fiir- spånner emittem är en dc-dc-omvandlare.

8. Förstärkare enligt något av kraven 1-5 och 7, kännetecknad av att organet som fórspärmer emittem innefattar en andra filtelïekttransistor (91).

9. Förstärkare enligt krav 8, kännetecknad av att den andra faltefiekttransistom (91) omkopplas åtminstone for låga törstärkarutefiekter.

10. Förstärkare enligt krav 8 eller 9, kännetecknad av att den andra fálteffektlran- sistom är en MOSFET.

11. Effektfórstärkare for en mobiltelefon, kännetecknad av att den inkluderar åt- minstone ett forstärkningsteg enligt något av föregående krav.

12. Mobiltelefon, kännetecknad av att den inkluderar en eifektfórstärkare enligt något av kraven 1-10.