DE1935862A1 - Integrierter Feld-Effekt-Kettenverstaerker - Google Patents

Description

PATENTANWALT

_Γ.;ί¹^^ΐΝΐ Η Juli 1989

Dipl.Ing.Dr.DrehoC.Han3 LIST, Graz (Österreich)

Integrierter FeId-Effekt-Kettenverstärker

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kettenverstärker in integrierter Teohnik unter Zugrundelegung des Peld-Effektes.

Für die Verstärkung von Frequenzbändern großer Breite wurde von Percival im Jahre 1937 (Britische Patentschrift Nr₀ 464-Ο.977) eine Schaltung angegeben, die einzelne aktive Verstärkerelemente (Elektronenröhren) so miteinander verbindet, daß die schädlichen Kapazitäten des Ein- und Ausganges keine breitbandbegrenzende Wirkung aufweisen« Bei einem solchen Kettenverstärker ergibt sich eine Gesamtverstärkung, welche nur gleich der Summe der Einzelverstärkung der einzelnen Verstärkerelemente isto Um eine ausreichend große Verstärkung zu erzielen, ist es daher notwendig, in einer solchen Kette sehr viel Elektronenröhren zu verwenden. Wegen der unvermeidlichen Dämpfung innerhalb der Laufzeitkette ist es jedoch nicht möglich, die Stufenanzahl der Verstärkerelemente beliebig zu erhöhen.

Zur Erzielung einer größeren Verstärkung ist eine Kaskadenschaltung mehrerer solcher Ketten bekannt«. Hier ergibt sich die Gesamtverstärkung als Produkt der Gesamtverstärkung der einzelnen Kettenverstärker· Ein solcher Kaskadenkettenverstärker ist jedoch in Anbetracht des großen Aufwandes an Bauelementen sehr kostspielig.

Die vorliegende Erfindung ist nun darauf gerichtet, einen Kettenverstärker in integrierter Technik unter Zugrundelegung

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des Feld-Effektes zu schaffen, welcher die Nachteile der bekannten Kettenverstärker vermeidet und der einen einfachen, für eine rationelle Serienfertigung geeigneten Aufbau besitzt» Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Feld-Effekt-Transistor mit zwei iaolierten Steuerelektroden parallel zu seinen Kanalufern derart verlängert ist, daß je ein homogener Kettenleiter mit homogen verteilten Widerstands-, Ableitung- und Kapazitätsbelägen einerseits■zwischen der ersten Steuerelektrode bzw. der Quellen-Elektrode und dem Substrat als Eingangslaufzeitkette für den Kettenverstärker und anderseits zwischen der Ab-

fc fluß-Elektrode und dem Substrat als Ausgangslaufzeitkette für den Kettenverstärker gebildet sind, welche Laufzeitketten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sind. Ein solcher Kettenverstärker läßt sich leicht in integrierter Technik herstellen, wobei zur Erzielung eines möglichst langen Kettenleiters und großer Gesamtverstärkung beispielsweise eine mäanderförmige Anordnung gewählt werden kann. Durch den besonders einfachen Aufbau des Verstärkers ergibt sich gegenüber den erwähnten bekannten Ausführungen eine beträchtliche Kosten- und Platzersparnis·

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Abstand zwischen den Steuerelektroden einerseits und der Abflußelektrode anderseits kontinuierlich vom Eingang zum Aus-

W gang der Laufzeitkette veränderbar·'

Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Kettenverstärkers gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele von Kettenverstärkern hervor, die sich zum Teil auf die bereits erwähnten bekannten Ausführungen und zum anderen Teil auf die effindungsgemäße Bauart beziehen· Es zeigen Fig· 1 das Schaltbild des eingangs genannten bekannten Kettenverstärkers zur Verstärkung von Frequenzbändern großer Bandbreite nach Percival, Fig» 2 da« Prinzipschema einer Kaskadenschaltung der bekannten Kettenverstärker nach Fig. 1, Fig. 3 das Schaltbild eines bekannten ' r Kettenverstärkers unter Verwendung von MOSFET's und einem EC-Kettenleiter als Eingangslaufzeitkette und als Ausgangs-

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laufzeitkette, Pig. 4 die Schaltungsanordnung eines Ketttnverstärkers mit MOSFET's mit zwei Gittern und einer RC-Laufzeitkette im Eingangs- und Ausgangskreia, Fig. 5 das Prinzipschaltbild eines Kettenverstärkers nach der Erfindung, Figo. 6 den topologischen Entwurf eines Kettenverstärkers nach der Erfindung und Fig. 7 das Schaltbild eines Kettenverstärkers nach Fig. 6_e

Bei dem bekannten Kettenverstärker nach Fig. 1 sind die Verstärkerelemente 1^ bis 1 über eine Leitungsnachbildung, die in der vorliegenden Form als Kettenleiter ausgebildet ist, sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig.parallel geschaltet. Die Eingangs- und Ausgangskapasitäten der Verstärkerelemente I.. bis 1 sind Bestandteile des Kettenleiterse Daher ist die Grenzfrequenz des Kettenleiters für die Bandbreite des Verstärkers bestimmende Die Kettenleiter werden vorzugsweise aus Tiefpaß-Halbgliedern, bestehend aus der Kapazität 4 und der Induktivität 5 aufgebaut, die an den Eingangs- und Ausgangspunkten der einzelnen Verstärkerelemente zu Vollgliedern 4·ι und 6- bzw. 8- und 10.. usw. ergänzt werden. Die Kapazitäten 4^ bis 4 auf der Eingangsseite und die Kapazitäten 8-j bis 8 auf der Ausgangsseite sind die schädlichen Kapazitäten d er Ein- und Ausgangsseite der Verstärkerelemente. Die für einen Kettenverstärker geforderte gleiche Phasenlaufzeit der Eingangslaufzeitkette und der Ausgangslaufzeitkette kann am besten durch die Verwendung von m-Halbgliedern mit einem Transformationsfaktor m β 1,27 verwirklicht werden· Die für den Transfcrmationsfaktor m = 1,27 notwendige negative Induktivität kann durch den Einbau einer ßegeninduktivität in den Induktivitäten 6^ bis 6 bzw, 1O₁ bis 10 realisiert werden.

Eine an den Eingangsklemmen 13 des Verstärkers einlaufende

Welle wird nacheinander in jedem Verstärkerelement I₁ bis 1

" in

eine Steuerspannungsänderung bewirken. Am Ende der mit dem Wellenwiderstand 7 abgeschlossenen Eingangslaufzeitkette wird die einlaufende Welle reflexionsfrei absorbiert. Als Folge dieser einlaufenden Welle werden nacheinander auch ausgangsseitige Änderungen der Ausgangsgröße auftreten. Bei völliger Übereinstimmung der

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Phasenlaufzeit dieser Kettenglieder werden sich die nach beiden Seiten hin ausbreitenden Wellen am Abschlußwiderstand 11 der ausgangsseitigen Laufzeitkette addieren Die nach links laufenden Wellen werden im Abschlußwiderstand 12, der gleich dem Wellenwiderstand der Ausgangslaufzeitkette sein muß, absorbiert β Die Gesamtverstärkung eines solchen Kettenverstärkers ist gleich der Summe der Verstärkung der einzelnen Stufen.

wobei η »oooo Anzahl der Stufen in der Kette A_aoo..o Verstärkung einer Stufe

fe Um eine ausreichend große Verstärkung zu erzielen, ist es daher notwendig, in einer solchen Kette eine große Anzahl von Elektronenröhren zu verwenden Wegen der unvermeidlichen Dämpfung innerhalb der Laufzeitkette ist es jedoch nicht möglich, die Stufenanzahl der Verstärkerelemente beliebig zu erhöheno Wird eine größere Verstärkung gefordert, so kann eine Kaskadenschaltung mehrerer solcher Ketten erfolgen_o

Eine solche Kaskadenschaltung i3t in Fig. 2 dargestellte Die Eingangsspannungsquelle 2 speist die Laufzeitkette des Einganges 16. des ersten Kettenverstärkers„ Dieser besteht aus den Verstärkerelementen 1^ bis 1 . Die Ausgangslaufzeitkette 17-j ist zur Anpassung an die Eingangslaufzeitkette des zweiten Kettenverstärkers über einen Impedanzwandler 18.. angeschlossene

P Der zweite Kettenverstärker ist vollkommen gleich wieder erste aufgebaut und besteht aus der Eingangslaufzeitkette 16₂» den . Verstärkerelementen 1., bis 1. und der Ausgangslaufzeitkette 17p» Zur weiteren Anpassung an den 'Wellenwiderstand der nächsten Kaskadenstufe oder des Ausganges ist wieder ein Impedanzwandler 18p vorgesehen. Es ist daraus ersichtlich, daß der Aufwand an Bauelementen sehr groß ist« Für die Gesamtverstärkung eines solchen Kaskadenkettenverstärkers gilt:

A = (n-Ag-j) ο (ⁿ2"^S2^ ° ^ⁿ3^S3^ »····

Man erkennt also, daß die Gesamtverstärkung A gleich dem Produkt der Gesamtverstärkung Ag der einzelnen Kettenverstärker

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, . BAD ORIGINAL

M 5 —

Wegen der unbedingt erforderlichen Entkopplung des Ausgangskreises vom Eingangskreis muß von der Verwendung bipolarer Transistoren für den Entwurf eines Kettenverstärkers Abstand genommen werden. Der Grund hiefür liegt in der großen Rückwirkung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis und der starken Frequenzabhängigkeit des Eingagswiderstandes bei Ausrüstung eines Kettenverstärkers mit bipolaren Transistoren (vgl. hiezu beispielsweise den Aufsatz von AoMoser: HO-MHz-Kettenverstärker mit Feld-Effekt-Transistoren, elektronische Rundschau 21 (1967), Seiten 109 bis 115).

Die Verwendung von Feld-Effekt-Transistoren bietet nun die Möglichkeit, einen Kettenverstärker aufzubauen_o Dabei ist es jedoch auch erforderlich, eine wirksame Entkopplung des Eingangskreises und Ausgangskreises zu erreichen_o Dies kann in bekannter Weise so erfolgen, daß entweder eine Emitterkopplung oder aber eine Kaskadenschaltung zweier Feld-Effekt-Transistoren erfolgt. Durch Verwendung moderner Feld-Effekt-Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (a.B. MOSPET) mit zwei getrennten Steuerelektroden ist ein Bauelement gegeben, das eine wirksame Entkopplung direkt durchführte Dieses Bauelement, das auch in integrierter Technik ausgeführt werden katin, ist der Elektronenröhre (Pentode) weit überlegene Diese Überlegenheit wirkt sich im höheren Übertragungs-Wirkleitwert und dem niedrigen Eingangsleitwert, der sonst nur von Elektrometerröhren erreicht wird, aus«

Eine Verwirklichung eines Kettenverstärkers mit MOSFET's mit zwei isolierten Steuerfilektroden ist zwar ohne weiteres möglich, jedoch ist eine Ausführung in monolithischer Technik kaum ausführbar, da Induktivitäten sehr schwer wirtschaftlich herzustellen sindo Insbesondere ist die Verwirklichung einer Gegeninduktivität, wie sie für m-transformierte Tiefpaßglieder mit einem Transformationsfaktor von m = 1,27 gefordert wird, nicht mögliche

Eine laufzeitkette kann auch unter Verwendung von R- und C-Grliedern aufgebaut werden_o Eine RC-Laufzeitkette hat den Vorteil ψ daß die Widerstände sehr leicht in monolithischer Technik realisierbar sind_c In Pig* 3 ist ein Kettenverstärker unter

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Verwendung von LIOSPET's und einem RC-Kettenleiter als Eingangslaufzeitkette und als Ausgangslaufzeitkette dargestellte Die Laufzeitkette besteht aus den schädlichen Kapazitäten des. Ein- und Ausganges 4·] und B₁ bis 4„ und 8 , die als 7/irksame Kapazitäten der Laufzeitkette fungieren» Die Laufzeitketten selbst sind mit dem Wellenwiderstand 7, 11» 12 zur Vermeidung von Reflexion abgeschlossen» Unter der Voraussetzung, daß eine gleiche Sruppenlaufzeit vorhanden sein muß, gilt

wobei b ....» Phasenmaß,

und damit

wobei R₁.*..* Längswideretand der Eingangsseite Rp. o... Längswiderstand der Ausgangs-r

seite C₁.... * ^uerkapazität auf der Eingangs-

Cp.*..» «iuerkapazität auf der Ausgangsseitei

bei kleiner Stufenanzahl η gilt, soferne die Dämpfung vernachlässigt werden kann, für die Verstärkung»

A = η

J Z₁

wobei η ...., Stufenanzahl

Gr₁₂* β »· Übertragungs-Wirkleitwert Z ο».. · komplexer Wellenwiderstand Bei höherer Stufenanzahl η kann jedoch die Dämpfung nicht mehr vernachlässigt werden und man erhält für die Verstärkung unter Berücksichtigung des Y/ellenwiderstandes folgende Formel: _&

⁰ sinhä/2 wobei a · ·.. · Dämpfungsmaß

Man erkennt daraus, daß bei vollkommenem Fehlen einer Induktivität durch die Frequenzabhängigkeit des Yiellenwideratandes und die Dämpfung Schwierigkeiten beim Abschluß der Leitung entstehen©

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^Γ;ί£}·' ·;-.?■: BAD ORIGINAL

Figo 4 zeigt einen Kettenverstärker mit MOSFET¹S mit zwei Gittern und einer RC-Laufzeitkette im Eingangs- und Ausgangskreiso Die wirksamen Kapazitäten dieses Kettenleiters sind nicht eingezeichnet und man erkennt, daß diese Schaltungsanordnung sehr leicht in monolithischer Technik verwirklichbar ist, da nur Widerstände und aktive Yerstärkerelemente (ilOSFET's) enthalten sindo Die Eingan_o-slauf zeitkette besteht aus den Längswiderständen 22., bis 22 und den in Fig_e 4 nicht eingezeichneten Eingangskapazitäten 4^ bis 4 ο Die Eingangslaufzeitkette ist mit deren Wellenwiderstand 7 abgeschlossen« Die Ausgangslaufzeitkette besteht aus den längswiderständen 22. bis 22 und den in Fig. 4 nicht eingezeichneten Ausgangskapazitäten der MOSFET's 8^ bis 8 ο Die Ausgangslaufzeitkette ist an beflen Enden mit deren Wellenwiderstand 11, 12 abgeschlossene Zur Einhaltung eines genauen Potentials für das zweite Gitterzur Vermeidung der Rückwirkung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis ist der Spannungsteiler 22, 23 vorgesehene In dieser Anordnung sind alle Quellenanschlüsse miteinander verbunden und es kann die Quellen-Elektrode durch eine einzige eindiffundierte n⁺ -Zone verwirklicht werden« Ebenso einfach gestaltet sich der Anschluß der zweiten Steuerelektrode»

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß, basierend auf der in Figo 4'angegebenen Schaltungsanordnung eines Kettenverstärkers mit RC-Kettenleiter, bei homogen verteiltem RC-Belag eine Leitung erhalten wird. Die kontinuierliche Aneinanderreihung von kleinsten Teilstücken dL eines MOSFET's, so wie in Fig. 5 dargestellt, mit den differentiellen Kapazitäten dO_&s und differentiellen Serienwiderständen dR_T und Ableitwiderständen

Ii

ß_S ergibt über die Gesamtlänge L gesehen einen homogenen Kettenleiter Jedes Teilstück dL wirkt auf Grund des Aufbaues als Verstärkerelement mit dem differentiellen Übertragungsleitwert dG₁₂.

Diese Eingangsleitung ist am Ende mit dem 7/ellenwiderstand 7 abgeschlossen und auf der Ausgangsleitung, die sich ebenfalls aus den diff erentiellen 'Widerständen und Kapazitäten zusammensetzt, addieren sich am Abschlußwiderstand 11 die ver-

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_ßAO

stärkten Signale entsprechend der Summe des differentiellen Übertragungsleitwertes dG₁₂ über die Länge Lo

Durch Einfügung eines zweiten Gitters G₂, das auf einem konstanten, gegenüber G₁ positiven Potential gehalten wird, zwischen Gitter G₁ und der Drain-Elektrode D ist die Rückwirkung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis fast vollständig unterbundene Die Verwirklichung eines solchen Elementes in integrierter Technik als MOSFET oder aber in Dünnfilmtechnik ist sehr leicht möglich.

Figo 6 zeigt den topologischen Entwurf und Fig. 7 das Schaltbild eines solchen erfindungsgemäßen, integrierten FeId-

^ Effekt-Kettenverstärkers in Differenzschaltung und läßt den besonders einfachen Aufbau erkennen₀

Zur Erzielung eines möglichst längen Kettenleiters. und großer Gesamtverstärkung ist eine mäanderförmige Anordnung gewählt. Die Abschlußwiderstände 7, 11 und 12 sind im gezeichneten Beispiel durch Diffusion mit Sperrschichtisolation direkt an den Enden der Leitung am selben Substrat aufgebracht, ebenso der zur Erzeugung der konstanten Spannung für das Gitter 2 notwendige V/iderstand 22 und die Zener-Diode 24β Zur Erzielung einer guten Gleichtaktunterdrückung ist in bekannter V/eise ein, als gemeinsamer ^uellenwiderstand wirkender MOSFET 26 in Konstantstromschaltung vorgesehen, der ebenfalls am gleichen Substrat aufgebracht ist. Die Konstantstromwirkung wird durch Festhaltung

™ des Gitters G des MOSFET 26 auf konstantem Potential erhalten. Dies wird durch den Widerstand 27 und die Zener-Diode 25, die ebenfalls durch Diffusion am gleichen Substrat erzeugt wird, erreichte Der MÖSFET 26 wird dabei zweckmäßigerweise als Anreicherungstyp mit Diodencharakteristik, dessen Schwellspannung gleich der Zener-Spannung der Zener-Diode 25 ist, ausgeführt. Die Zuordnung der einzelnen Elemente im topologischen Entwurf ist aus den gleichlautenden Bezeichnungen in Fig.'6 und Fig. zu entnehmen. Selbstverständlich kann jedes bekannte Verfahren ' zur Herstellung von MOSPET's und Dünnfilmtransistoren in gleicher Weise angewendet werden₀

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Bei einem Kettenverstärker nach der Erfindung iat es auoh möglich, den Abstand zwischen den Steuerelektroden einerseits und der Abflußelektrode anderseits kontinuierlich vom Eitigang zum Ausgang der laufzeitkette zu ändern, um die durch den Längswiderstand bedingte Dämpfung aufheben zu können,,

Eine Serienschaltung mehrerer solcher erfindungsgemäßer integrierter Feld-Effekt-Kettenverstärker analog der Schaltung in Figo 2 ist ohne weiteres mögliche Damit ergibt sich eine multiplikative Erhöhung des Verstärkungsfaktors₀ Durch Anwendung gegenteiliger Polarität wird das Ausgangspotential gleich dem Eingangspotential und ein besonders einfacher Aufbau erreichte,

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Claims (1)

1. - ίο - .

   Patentansprüche s

   Integrierter PeId-Effekt-Kettenver3tärker, dadurch gekennzeichnet , daß ein Feld-Effekt-Transistor mit zv/ei isolierten Steuerelektroden parallel zu seinen . Kanalufern derart verlängert ist, daß je ein homogener Kettenleiter mit homogen verteilten V/iderstands-, Ableitungsund Kapazitätsbelägen einerseits zwischen der ersten Steuerelektrode (G₁) bzw. der Quellen-Elektrode (S) und dem Substrat als Eingangslaufzeitkette für den Kettenverstärker und anderseits zwischen der Abfluß-Elektrode (D) und dem Substrat als Ausgangslaufzeitkette für den Kettenverstärker gebildet sind, welche Laufzeitketten mit ihrem Wellenwiderstnad (7»11» 12) abgeschlossen sind (Pig* 5).

   Integrierter Feld-Effekt-Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Abstand zwischen den Steuerelektroden einerseits und der Abflußelektrode anderseits kontinuierlich vom Eingang zum Ausgang der Laufzeitkette ändert.

   17.6.69
   Kr/E

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