DE102011083912B4

DE102011083912B4 - Schaltung und leistungsverstärker

Info

Publication number: DE102011083912B4
Application number: DE102011083912.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuschner; Jan-Erik Müller
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Berlin De; Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2031-10-01
Also published as: US8823458B2; DE102011083912A1; US20130082782A1; CN103051297B; CN103051297A

Abstract

Schaltung (100, 200) mit folgenden Merkmalen: einem Signaleingang (102c, 202b); einem Signalausgang (104a); einem ersten Transistor (102); einem zweiten Transistor (104); wobei der erste Transistor (102) und der zweite Transistor (104) zu einer Kaskode (106) verschaltet sind; wobei die Kaskode (106) zwischen den Signaleingang (102c, 202b) und den Signalausgang (104a) der Schaltung (100, 200) geschaltet ist; einer Blockkapazität (108), die zwischen einen Steueranschluss (104b) des zweiten Transistors (104) und einen Quellenanschluss (102c) des ersten Transistors (102) geschaltet ist; und einem Rückkoppelelement (114), welches zwischen einen Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und einen Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltet ist; und wobei das Rückkoppelelement (114) eine zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltete Rückkoppelinduktivität (306) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Schaltung, wie sie beispielsweise in einem HF-Leistungsverstärker verwendet werden kann. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Leistungsverstärker.
Hintergrund der Erfindung
Der Entwicklungstrend in der integrierten Schaltungstechnik geht in Richtung immer höhere Integration um Kosteneinsparungen zu erzielen. Auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen für die drahtlose Kommunikation bedeutet dies das Zusammenfassen möglichst vieler Funktionen/Funktionsblöcke der HF-Sender-/Empfängerkette und des sogenannten RF Frontend zu einem Single Chip Radio (Einzelchipfunksender und Empfänger). Für die Integration des HF-Leistungsverstärkers sind Schaltungstechniken vorteilhaft, die kompatibel mit Standard CMOS Technologien sind. Hier hat sich die gestapelte Kaskode genannte Anordnung (siehe DE 10 2009 005 120.1 ) als besonders vorteilhaft gegenüber vormals bekannten Lösungsansätzen (wie sie beispielsweise in Ezzeddine, e. a., ”HIGH-VOLTAGE FET AMPLIFIERS FOR SATELLITE AND PHASED-ARRAY APPLICATIONS”; Ezzeddine, e. a., ”High Power High Impedance Microwave Devices for Power Applications”, U.S. Pat. 6137367 ; Ezzeddine, e. a., ”CMOS PA for Wireless Applications”; Wu, e. a., ”A 900-MHz 29.5-dBm 0.13-um CMOS HiVP Power Amplifier”; und Pornpromlikit, e. a., ”A Watt-Level Stacked-FET Linear Power Amplifier in Silicon-on-Insulator CMOS” gezeigt sind) herausgestellt. Die Vorteile dieser gestapelten Kaskode sind: hohe Spannungsfestigkeit, hohe Effizienz, hohe Leistungsverstärkung und, da keine zusätzlichen induktiven Elemente nötig sind, ein geringer Flächenaufwand. Ein wesentliches Problem dieser Schaltungstechnik ist die potenzielle Instabilität, vor allem bei höheren Frequenzen.
Die US 6,137,367 zeigt einen Leistungsverstärker mit einer Mehrzahl von Transistoren.
Die US 2009/0 184 769 A1 zeigt einen Ultrabreitbandsignal-Verstärkungsschaltkreis.
Die US 2006/0 119 435 A1 zeigt einen Leistungsverstärker mit einer Dreifachkaskode.
Die DE 10 2009 005 120 A1 zeigt einen elektronischen Schaltkreis mit zwei in Serie gekoppelten Transistoren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Konzept zu schaffen, welches eine Vermeidung oder zumindest Dämpfung von Instabilitäten ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Schaltung mit einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor. Der erste Transistor und der zweite Transistor sind zu einer Kaskode verschaltet. Ferner weist die Schaltung eine Blockkapazität auf, die zwischen einen Steueranschluss des zweiten Transistors und einen Quellenanschluss des ersten Transistors geschaltet ist. Ferner weist die Schaltung ein Rückkoppelelement auf, welches zwischen einen Senkenanschluss des zweiten Transistors und einen Steueranschluss des ersten Transistors geschaltet ist. Ferner weist die Schaltung einen Signaleingang und einen Signalausgang auf, wobei die Kaskode zwischen den Signaleingang und den Signalausgang geschaltet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
1a ein Ersatzschaltbild einer Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1b ein Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ersatzschaltbild einer Schaltung mit einer gestapelten Kaskode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a–3g Schaltbilder von Schaltungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Implementierungen für ein Rückkoppelelement;
4a ein Schaltbild einer konventionellen Schaltung mit einer gestapelten Kaskode;
4b die Auswirkung einer Veränderung der Ausgangsspannung bei der in 4a gezeigten konventionellen Kaskodenschaltung; und
4c ein allgemeines Schaltbild einer konventionellen gestapelten Kaskodenanordnung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente mit gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass auf eine wiederholte Beschreibung für Elemente, welche mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, verzichtet wird. Beschreibungen von Elementen mit den gleichen Bezugszeichen sind daher untereinander austauschbar.
Wie im einleitenden Teil dieser Anmeldung bereits erläutert wurde, liegt ein wesentliches Problem der gestapelten Kaskode in der potenziellen Instabilität, vor allem bei höheren Frequenzen. Diese potenzielle Instabilität wird durch eine Mitkoppelschleife in der gestapelten Kaskode erzeugt. Diese Mitkopplung soll im Folgenden anhand der 4a und 4b erläutert werden.
4a zeigt eine Schaltung einer konventionellen Kaskodenanordnung mit einer gestapelten Kaskode, gebildet aus vier Transistoren M1, M2, M3, M4. Die gestapelte Kaskode besteht dabei aus einer unteren Einzelkaskode, gebildet durch die Transistoren M1, M2 und einer oberen Einzelkaskode oder Kaskodenschaltung, gebildet durch die Transistoren M3, M4. Diese in 4a gezeigte Schaltung wird in Leuschner, e. a., ”A 31-dBm, High Ruggedness Power Amplifier in 65-nm Standard CMOS with High-Efficiency Stacked-Cascode Stages” detailliert beschrieben. Zusätzlich ist in 4a die parasitäre Kapazität C_gd4 zwischen einem Drainanschluss des Transistors M4 und einem Gateanschluss des Transistors M4 eingezeichnet.
Durch eine Mitkoppelschleife, erzeugt durch die Gate-Drain-Kapazität C_gd4 des Transistors M4 in Gateschaltung in der oberen Kaskodenschaltung (bzw. in den oberen Kaskodenschaltungen – im Falle mehrerer gestapelter Kaskoden) ergibt sich bei höheren Frequenzen eine Ausgangsimpedanz mit negativem Realteil bei passivem Abschluss am Eingang. Diese Mitkopplung wird im Folgenden anhand von 4a und 4b näher erläutert.
Wird die Ausgangsspannung u_aus geändert, so überträgt sich diese Änderung durch die kapazitive Kopplung über die Gate-Drain-Kapazität C_gd4 des Transistors M4 auf die Gatespannung u_g4 am Gateknoten des Transistors M4 (I in 4a). Da die Blockkapazität C_B zwischen dem Gateanschluss des Transistors M4 und dem Sourceanschluss des Transistors M3 sehr groß ist, entsteht an der Sourcespannung u_s3 am Sourceanschluss des Transistors M3 dieselbe Spannungsänderung (II). Dies wiederum bewirkt eine Änderung der Gatesourcespannung u_gs3 des Transistors M3, jedoch um etwa 180° in der Phase gedreht (vgl. 4b). Entsprechend ist auch der Strom i_D durch die Transistoren M3 und M4 nicht in Phase mit der Ausgangsspannung u_aus, d. h. eine Erhöhung der Spannung u_aus bewirkt eine Reduktion dieses Stroms i_D (und umgekehrt). Die Ausgangsimpedanz hat somit einen negativen Realteil bzw. einen Reflexionsfaktor mit einem Betrag größer 1.
Auch weitere parasitäre Kapazitäten, wie z. B. die Drain-Source-Kapazitäten der Transistoren M3 und M4 können über den beschriebenen Mechanismus zu instabilem Verhalten führen.
4a stellt nur einen der möglichen Fälle dar, in der sich eine Kaskodenschaltung (hier gebildet durch die Transistoren M3, M4) in Serie zu einem anderen Schaltungsteil (wobei Letztere aktiv oder auch passiv sein kann) befindet. In jeder Situation, in der eine derartige Verschaltung auftritt, kann es zu der oben beschriebenen Instabilität kommen. 4c zeigt daher den allgemeinen Fall einer solchen Anordnung mit der oberen Kaskodenschaltung, gebildet durch die Transistoren M4, M3 und einem an dem Sourceanschluss des Transistors M3 angeschlossenen unteren Schaltungsteil. Je nach Ausprägung des unteren Schaltungsteils kann der Eingang der in dieser Form gebildeten Verstärkerstufe ein Teil des unteren Schaltungsteils selbst (IN1) sein oder am Sourceknoten des Transistors M3 (IN2) sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen dieses Problem der Instabilität, wie im Folgenden beschrieben wird.
1a zeigt eine (Kaskoden-)Schaltung 100 oder Kaskodenanordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung 100 weist einen ersten Transistor 102 (entspricht bspw. dem Transistor M3 aus 4a) und einen zweiten Transistor 104 (entspricht bspw. dem Transistor M4 aus 4a) auf. Der erste Transistor 102 und der zweite Transistor 104 sind zu einer Kaskode 106 verschaltet. Der erste Transistor 102 weist einen Senkenanschluss 102a, einen Steueranschluss 102b und einen Quellenanschluss 102c auf. Der zweite Transistor 104 weist einen Senkenanschluss 104a, einen Steueranschluss 104b und einen Quellenanschluss 104c auf. Die Kaskode 106 wird gebildet dadurch, dass der Senkenanschluss 102a des ersten Transistors 102 mit dem Quellenanschluss 104c des zweiten Transistors 104 verschaltet (beispielsweise verbunden) ist. Ferner weist die Schaltung 100 einen Signaleingang und einen Signalausgang auf, zwischen welche die Kaskode 106 geschaltet ist. Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Signaleingang der Schaltung 100 durch den Quellenanschluss 102c des ersten Transistors 102 gebildet und der Signalausgang durch den Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 gebildet.
Transistoren bei der Schaltung 100 und den folgenden Ausführungsbeispielen können beispielsweise MOSFET, MESFET, BJT, HBT, HEMT, Bipolar, N-Typ oder P-Typ-Transistoren sein.
Ferner kann ein Quellenanschluss eines Transistors beispielsweise ein Sourceanschluss oder ein Emitteranschluss des Transistors sein, ein Senkenanschluss kann beispielsweise ein Drainanschluss oder ein Kollektoranschluss des Transistors sein und ein Steueranschluss kann beispielsweise ein Gateanschluss oder ein Basisanschluss des Transistors sein. Ein Haupttransistorstrom eines Transistors fließt dann typischerweise von dem Quellenanschluss zu dem Senkenanschluss bzw. umgekehrt.
Die Schaltung 100 weist ferner eine Blockkapazität 108 (bspw. vergleichbar mit der Blockkapazität C_B in 4a) auf. Die Blockkapazität 108 ist zwischen den Steueranschluss 104b des zweiten Transistors 104 und den Quellenanschluss 102c des ersten Transistors 102 geschaltet.
Ferner weist die Schaltung 100 ein Rückkoppelelement 114 (bzw. eine Rückkoppelanordnung 114) auf. Das Rückkoppelelement 114 ist zwischen den Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 und den Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 geschaltet.
Durch die Schaltung des Rückkoppelelements 114 zwischen den Senkenanschluss 104a des ersten Transistors 104 und den Steueranschluss 102b des zweiten Transistors 102 können die im Vorherigen erläuterten Instabilitäten vermieden oder zumindest gedämpft werden. Es wurde herausgefunden, dass, da eine positive/negative Spannungsänderung der Ausgangsspannung u_aus eine entsprechende Änderung der (Source) Spannung u_s3 an dem Quellenanschluss 102c des zweiten Transistors 102 hervorruft und ferner somit eine um 180° verschobene Änderung der (Gate-Source-)Spannung u_GS3 zwischen dem Steueranschluss 102b und dem Quellenanschluss 102c des zweiten Transistors 102 hervorruft, zur Kompensation dieses Effektes die (Gate) Spannung u_G3 an dem Steueranschluss 102b des zweiten Transistors 102 (mindestens) im gleichen Maße geändert werden kann wie die Spannung u_S3 an dem Quellenanschluss 102c des zweiten Transistors 102. Dies wird bei der in 1a gezeigten Schaltung 100 durch das Rückkoppelelement 114 (beispielsweise aufweisend ein Rückkoppelnetzwerk oder gebildet durch eine Rückkoppelnetzwerk) zwischen dem Senkenanschluss 104a (beispielsweise Drain 104a) des zweiten Transistors 104 und dem Steueranschluss 102b (beispielsweise Gate 102b) des ersten Transistors 102 erreicht. Der Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 kann, wie bereist erwähnt, beispielsweise einen Signalausgang oder einen Ausgangsanschluss der Schaltung 100 bilden.
Ferner kann, wie bereits erwähnt, der Quellenanschluss 102c des ersten Transistors 102 einen Signaleingang oder Eingangsanschluss der Schaltung 100 bilden.
Wie bereits im Vorherigen erläutert, kann die Kaskode 106 bzw. die Schaltung 100 sich in Serie zu einem weiteren Schaltungsteil oder einer weiteren Schaltung befinden. Dies ist schematisch in 1b gezeigt.
1b zeigt eine Schaltungsanordnung 117 die die Schaltung 100 und eine weitere Schaltung 115 aufweist. Die weitere Schaltung 115 ist zwischen einen Signaleingang 118 der Schaltungsanordnung 117 und den Signaleingang 102c der Kaskode 106 bzw. der Schaltung 100 geschaltet. Die weitere Schaltung 115 kann beispielsweise passive und/oder aktive Bauelement aufweisen. Optional kann die weitere Schaltung 115 geerdet sein, beispielsweise kann die weitere Schaltung 115, wie in 1b, gezeigt mit einem Masseanschluss verbunden sein. Beispielsweise kann die weitere Schaltung 115 eine weitere Kaskode aufweisen, welche beispielsweise zu der Kaskode 106 in Serie hinzu geschaltet ist um so eine gestapelte Schaltung bzw. gestapelte Kaskode zu erhalten.
Solch eine Kaskodenanordnung oder Schaltung 200 ist in 2 gezeigt. Die Schaltung 200 unterscheidet sich von der Schaltung 100 dadurch, dass sie einen dritten Transistor 202 und einen vierten Transistor 204 aufweist, die zu einer weiteren Kaskode 206 verschaltet sind. Die Kaskode 106 und die weitere Kaskode 206 sind gestapelt, derart, dass der Quellenanschluss 102c des ersten Transistors 102 mit einem Senkenanschluss 204a des vierten Transistors 204 verbunden ist. Ein Eingangsanschluss oder Signaleingang der Schaltung 200 kann dann beispielsweise durch einen Steueranschluss 202b des dritten Transistors 202 gebildet sein. Der Signaleingang 202b der Schaltung 200 kann beispielsweise gleich dem Signaleingang 118 der weiteren Schaltung 115 der Schaltungsanordnung 117 aus 1b sein und die weitere Schaltung kann durch die weitere Kaskode 206 gebildet sein.
Ferner weist die Schaltung 200 einen ersten Abblockkondensator 210 auf, welcher zwischen einem Versorgungspotenzialanschluss 212 (beispielsweise einen Masseanschluss) der Schaltung 200 und den Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 geschaltet ist.
Ferner weist die Schaltung 200 einen zweiten Abblockkondensator 216 auf, welcher zwischen einen Steueranschluss 204b des vierten Transistors 204 und den Versorgungspotenzialanschluss 212 geschaltet ist.
Ein Quellenanschluss 202c des dritten Transistors 202 ist mit dem Versorgungspotenzialanschluss 212 verbunden. Ferner sind ein Substratanschluss 202d des dritten Transistors 202 sowie ein Substratanschluss 204d des vierten Transistors 204 mit dem Quellenanschluss 202c des dritten Transistors 202 und dem Versorgungspotenzialanschluss 212 der Schaltung 200 verbunden. Wie auch schon bei der Kaskode 106 wird die weitere Kaskode 206 dadurch gebildet, dass ein Senkenanschluss 202a des dritten Transistors 202 mit einem Quellenanschluss 204c des vierten Transistors 204 verbunden ist. Ferner sind ein Substratanschluss 102d des ersten Transistors 102 und ein Substratanschluss 104d des zweiten Transistors 104 mit dem Quellenanschluss 102c des ersten Transistors 102 verbunden.
Die in 2 und den folgenden Figuren gezeigten Verbindungen der Substratanschlüsse der Transistoren können bei der Verwendung anderer Transistortechnologien als der gezeigten MOS-Technologie für die Transistoren nicht zwangsweise nötig sein bzw. können bei diesen anderen Technologien die Transistoren gar keine Substratanschlüsse aufweisen.
Das Rückkoppelelement 114 bietet eine einfache flächeneffiziente Methode zur Stabilisierung der in 2 gezeigten gestapelten Kaskodenschaltung (gebildet durch die Kaskode 106 und die weitere Kaskode 206) und deren vielfältige Ausführungsmöglichkeiten. Durch das Einfügen eines zusätzlichen Rückkoppelpfades (des Rückkoppelelements 114) an geeigneter Stelle (zwischen dem Senkenanschluss 104a des ersten Transistors 104 und dem Steueranschluss 102b des zweiten Transistors 102) ist es möglich die durch parasitäre Kapazitäten hervorgerufene Mitkopplung zu kompensieren. Das hier beschriebene Konzept eignet sich zur Stabilisierung jeglicher Ausführungsformen der gestapelten Kaskode, unabhängig vom gewählten Transistortyp (N-/P-Typ, MOS-/MESFET, BJT, HBT, HEMT, Bipolar, etc.) und der Anzahl der gestapelten Transistoren/Kaskoden.
Da die durch die Gate-Drain-Kapazität C_gd4 hervorgerufene Mitkopplung bei höheren Frequenzen stärker wird, ist diese Stabilisierungsmethode mit Hilfe des Rückkopplungselements 114 unerlässlich für den Einsatz der gestapelten Kaskode bei höheren Betriebsfrequenzen. Weitere Ausführungsmöglichkeiten dieser Stabilisierungsmethode bzw. des Rückkoppelelements 114 werden im Folgenden anhand der 3a bis 3g gezeigt.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele basieren auf dem in 2 beschriebenen Prinzip, verwenden jedoch verschiedene Rückkoppelelemente (bzw. Rückkoppelnetzwerke), was zu unterschiedlichen Eigenschaften der gesamten Schaltung führt. Die folgenden Schaltungen weisen jeweils die gestapelte Kaskode aus der Kaskode 106 und der weiteren Kaskode 206 auf. Wie jedoch bereits beschrieben, kann bei weiteren Ausführungsbeispielen anstatt der weiteren Kaskode 206 auch ein anderes Schaltungsteil eingesetzt werden. Das Rückkoppelelement 114 kann dabei in Abhängigkeit von dem Schaltungsteil (welches an den Quellenanschluss 102c des ersten Transistors 102 angeschlossen wird) gewählt werden.
Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, sind im Folgenden in den Zeichnungen jeweils nicht alle Bezugszeichen eingezeichnet.
3a zeigt eine erste Möglichkeit der Implementierung des Rückkoppelelements 114 als einen Rückkoppelkondensator 302 (bzw. eine Rückkoppelkapazität 302), welcher zwischen den Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 und den Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 geschaltet ist. Das Rückkoppelelement 114 kann beispielsweise vollständig durch diesen Rückkoppelkondensator 302 gebildet sein. Da der zu kompensierende Effekt seine Ursache in der Gate-Drain-Kapazität hat, kann als Koppelnetzwerk bzw. als Rückkoppelelement 114 ebenfalls der Rückkoppelkondensator 302 eingesetzt werden. Eine Kapazität (C_R) des Rückkoppelkondensators 302 wird größer als die Gate-Drain-Kapazität C_gd4 zwischen dem Senkenanschluss 104a und dem Steueranschluss 104b des ersten Transistors 104 gewählt, um den Einfluss der Kapazitäten des ersten Transistors 102 und weiterer parasitärer Kapazitäten Rechnung zu tragen.
Zusammenfassend zeigt 3a eine Realisierung des Rückkoppelelements 114 mit dem Rückkoppelkondensator 302, wobei ein erster Anschluss des Rückkoppelkondensators 302 mit dem Senkenanschluss 104a des ersten Transistors 104 verbunden ist und ein zweiter Anschluss des Rückkoppelkondensators 302 mit dem Steueranschluss 102b des zweiten Transistors 102 verbunden ist.
Die in 3b gezeigte Implementierung des Rückkoppelelements 114 nutzt lediglich ein Rückkoppelwiderstandselement 304 (bzw. einen Rückkoppelwiderstand 304) zur Rückkopplung. Diese einfache Stabilisierung führt zu einem besonders kompakten Layout. Das Rückkoppelwiderstandselement 304 ist zwischen den Senkenanschluss 104a des ersten Transistors 104 und den Steueranschluss 102b des zweiten Transistors 102 geschaltet. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann, wie in 3b gezeigt, das Rückkoppelelement 114 ausschließlich durch das Rückkoppelwiderstandselement 304 gebildet sein. Ein erster Anschluss des Rückkoppelwiderstandselements 304 kann mit dem Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 verbunden sein und ein zweiter Anschluss des Rückkoppelwiderstandselements 304 kann mit dem Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 verbunden sein.
In der in 3c gezeigten Schaltung 200 ist die Stabilisierung durch ein RC Glied (gebildet durch eine Reihenschaltung aus dem Rückkoppelkondensator 302 und dem Rückkoppelwiderstandselement 304) realisiert. Im Gegensatz zur rein kapazitiven Stabilisierung (wie sie in 3a gezeigt wurde), wird durch das zusätzliche Rückkoppelwiderstandselement 304 der Leitwert des Rückkoppelnetzwerks (des Rückkoppelelements 114) bei hohen Frequenzen begrenzt. Die Harmonischen werden so weniger stark gegengekoppelt, wodurch sich ein verbessertes Schaltverhalten der stabilisierten PA-Stufe (PA-Power Amplifier-Leistungsverstärker) und somit höherer Effizienz ergibt.
Zusammenfassend ist bei der in 3c gezeigten Schaltung 200 das Rückkoppelelement 114 (vollständig) durch die RC Serienschaltung aus dem Rückkoppelwiderstandselement 304 und dem Rückkoppelkondensator 302 gebildet. Ein erster Anschluss der RC Serienschaltung kann dabei mit dem Senkenanschluss 104a des ersten Transistors 104 verbunden sein und ein zweiter Anschluss der RC Serienschaltung kann mit dem Steueranschluss 102b des zweiten Transistors 102 verbunden sein.
3d zeigt eine Implementierung des Rückkoppelelements 114 durch einen Serienresonanzkreis, gebildet aus dem Rückkoppelkondensator 302 und einer Rückkoppelinduktivität 306, die in Reihe miteinander verschaltet sind.
Ein erster Anschluss des Serienresonanzkreises kann dabei mit dem Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 verbunden sein und ein zweiter Anschluss des Serienresonanzkreises kann mit dem Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 verbunden sein.
3e zeigt eine Implementierung des Rückkoppelelements 114 mit einem gedämpften Serienresonanzkreis, gebildet durch eine Serienschaltung aus dem Rückkoppelkondensator 302, der Rückkoppelinduktivität 306 und dem Rückkoppelwiderstandselement 304.
Ein erster Anschluss des gedämpften Serienresonanzkreises kann mit dem Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 verbunden sein. Ein zweiter Anschluss des gedämpften Serienresonanzkreises kann mit dem Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 verbunden sein.
Die in den 3d und 3e gezeigten Implementierungen des Rückkoppelelements 114 mit einem Serienresonanzkreis (3d) bzw. einem gedämpften Serienresonanzkreis (3e) ermöglichen eine noch stärkere Kontrolle über Amplituden und Phasengang des Rückkoppelnetzwerks bzw. des Rückkoppelelements 114 mit entsprechendem Potenzial zur höherer Effizient der PA-Stufe. Eine solche Schaltung ist prinzipbedingt schmalbandig.
Ferner sind auch mehrkreisige Filter als Rückkoppelnetzwerk oder Rückkoppelelement 114 denkbar. Diese bieten die Möglichkeit einer breitbandigen Stabilisierung bei gleichzeitig besserer Kontrolle der Rückkoppelimpedanz bei den Harmonischen und somit bessere Effizienz.
Eine besondere Bedeutung spielt die Möglichkeit, in CMOS Technologien durch den Einsatz von MOSFETs als Schalter konfigurierbare Schaltungen zu entwerfen. Entsprechende Konzepte lassen sich auch bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur Schaltungsstabilisierung realisieren. Auf diese Weise lasse sich die Schaltungseigenschaften adaptiv den jeweiligen Betriebsbedingungen anpassen.
3f zeigt ein allgemeines Schaltbild einer solchen rekonfigurierbaren Stabilisierung. Dabei kann das Rückkoppelelement 114 ein rekonfigurierbares Rückkoppelnetzwerk aufweisen. Dieses rekonfigurierbare Rückkoppelnetzwerk kann eine Mehrzahl (N) von Serienschaltern 308 aufweisen. Ferner kann das rekonfigurierbare Rückkoppelnetzwerk eine Mehrzahl von Impedanzelementen 310 (Z_R(f)) aufweisen. Die Serienschalter 308 und die Impedanzelemente 310 können dabei zwischen den Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 und den Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 geschaltet sein. Beispielsweise kann ein Impedanzelement aus der Mehrzahl der Impedanzelemente 310 mit einem Serienschalter aus der Mehrzahl von Serienschaltern 308 verbunden sein, um in einem niederimpedanten Zustand des Serienschalters den Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 mit dem Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 durch das Impedanzelement leitfähig zu koppeln. Da die Schaltung 200 typischerweise zur Verstärkung von Wechselspannungssignalen genutzt wird kann eine solche leitfähige Kopplung auch stattfinden, wenn das Impedanzelement einen in Serie (zwischen den Senkenanschluss 104a des zweiten Transistors 104 und den Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102) geschalteten Kondensator (beispielsweise den Rückkoppelkondensator 302) aufweist.
Ferner kann das rekonfigurierbare Rückkoppelnetzwerk eine Mehrzahl (M) von Parallelschaltern 312 aufweisen. Die Parallelschalter 312 können dabei zwischen die Mehrzahl von Impedanzelementen 310 und den Versorgungspotenzialanschluss 212 (beispielsweise Masseanschluss oder Versorgungsspannungsanschluss der Schaltung 200) geschaltet sein. Beispielsweise kann ein Impedanzelement aus der Mehrzahl von Impedanzelementen 310 mit einem Parallelschalter aus der Mehrzahl von Parallelschaltern 312 verbunden sein. Mit anderen Worten kann ein passives Rückkoppelnetzwerk (gebildet durch die Impedanzelemente 310), hier dargestellt durch Z_R(f), über N Serienschalter 308 und M Parallelschalter 312 nach Masse, entsprechend der Schalterstellung in seinen Eigenschaften und seiner Koppelwirkung zwischen dem Ausgangsknoten 104a (u_aus) und dem Steueranschluss 102b (Gate) des ersten Transistors 102 verändert werden.
Eine mögliche Implementierung ist in 3g am Beispiel eines rekonfigurierbaren RC Stabilisierungsnetzwerks gezeigt. Das in 3g gezeigte rekonfigurierbaren RC Stabilisierungsnetzwerk (welches das Rückkoppelelement 114 bildet) weist den Rückkoppelkondensator 302 auf, welche in Serie mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Rückkoppelwiderstandselementen 304 geschaltet ist. Ferner weist das rekonfigurierbaren RC Stabilisierungsnetzwerk eine Mehrzahl von Serienschaltern 308 (beispielsweise gebildet durch Eintransistorschalter oder Tramission Gates – Übertragungsgatter) auf, welche zwischen die Mehrzahl von Rückkoppelwiderstandselementen 304 und den Steueranschluss 102b des ersten Transistors 102 geschaltet sind.
Ein Rückkoppelwiderstandselement 304 bildet daher zusammen mit einem, mit dem Rückkoppelwiderstandselement 304 in Serie geschalteten, Serienschalter 308 ein schaltbares Rückkoppelwiderstandselement.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Serienschalter 308 auch vor die Rückkoppelwiderstandselemente 304 geschaltet sein, also beispielsweise so, dass die Serienschalter 308 zwischen den Rückkoppelkondensator 302 und die Rückkoppelwiderstandselemente 304 geschaltet sind. Durch die in 3g gezeigte Verschaltung kann das RC Stabilisierungsnetzwerk an verschiedene Anforderungen angepasst werden, indem die verschiedenen Rückkoppelwiderstandselemente 304 zu- oder abgeschaltet werden können.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Rückkoppelwiderstandselemente 304 voneinander verschiedene Widerstandswerte aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen lässt sich auch ein Transistor als steuerbarer arbeitspunktabhängiger Widerstand in das Stabilisierungsnetzwerk (das Rückkoppelelement 114) einbringen. Mit anderen Worten kann bei Schaltungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch ein Transistor als steuerbarer arbeitspunktabhängiger Rückkoppelwiderstand als Bestandteil des Rückkoppelelements 114 verwendet werden.
Ferner können die Impedanzelemente 310 auch komplexe Werte aufweisen. So kann ein Impedanzelement aus der Mehrzahl von Impedanzelementen 310 beispielsweise eine oder mehrere Rückkoppelkapazitäten und/oder eine oder mehrere Rückkoppelinduktivitäten und/oder einen oder mehrere Rückkoppelwiderstände aufweisen.
Zusammenfassend ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Schaltung, beispielsweise für einen Hochfrequenzleistungsverstärker mit einem stabilen Verhalten.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Leistungsverstärker mit einer Kaskodenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (beispielsweise mit der Kaskodenschaltung 100 oder der Kaskodenschaltung 200).
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Schaltung (100, 200) mit folgenden Merkmalen: einem Signaleingang (102c, 202b); einem Signalausgang (104a); einem ersten Transistor (102); einem zweiten Transistor (104); wobei der erste Transistor (102) und der zweite Transistor (104) zu einer Kaskode (106) verschaltet sind; wobei die Kaskode (106) zwischen den Signaleingang (102c, 202b) und den Signalausgang (104a) der Schaltung (100, 200) geschaltet ist; einer Blockkapazität (108), die zwischen einen Steueranschluss (104b) des zweiten Transistors (104) und einen Quellenanschluss (102c) des ersten Transistors (102) geschaltet ist; und einem Rückkoppelelement (114), welches zwischen einen Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und einen Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltet ist; und wobei das Rückkoppelelement (114) eine zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltete Rückkoppelinduktivität (306) aufweist.
Schaltung (100, 200) gemäß Anspruch 1, wobei das Rückkoppelelement (114) ein zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltetes Rückkoppelwiderstandselement (304) aufweist.
Schaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Rückkoppelelement (114) einen zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschalteten Rückkoppelkondensator (302) aufweist.
Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei eine Kapazität (C_R) des Rückkoppelkondensators (302) größer ist als eine Kapazität (C_gd4) zwischen dem Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und dem Steueranschluss (104b) des zweiten Transistors (104).
Schaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rückkoppelelement (114) ein rekonfigurierbares Rückkoppelnetzwerk aufweist.
Schaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Rückkoppelelement (114) eine Mehrzahl von Serienschalter (208) und eine Mehrzahl von Impedanzelementen (310) aufweist; und wobei die Serienschalter (308) und die Impedanzelemente (310) zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltet sind derart, dass ein Impedanzelement aus der Mehrzahl von Impedanzelementen (310) mit einem Serienschalter aus der Mehrzahl von Serienschaltern (308) verbunden ist.
Schaltung (200) gemäß einem der einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Rückkoppelelement (114) eine Mehrzahl von Parallelschaltern (312) und eine Mehrzahl von Impedanzelementen (310) aufweist; wobei die Impedanzelemente (310) zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltet sind; und wobei die Parallelschalter (312) zwischen die Impedanzelemente (310) und einen Versorgungspotenzialanschluss (212) der Schaltung (200) geschaltet sind derart, dass ein Impedanzelement aus der Mehrzahl von Impedanzelementen (310) mit einem Parallelschalter aus der Mehrzahl von Parallelschaltern (312) verbunden ist.
Schaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Rückkoppelelement (114) einen Rückkoppelkondensator (302) und eine Mehrzahl von parallel zueinander geschalteten, schaltbaren Rückkoppelwiderstandselementen (304, 308) aufweist; und wobei der Rückkoppelkondensator (302) und die Mehrzahl von schaltbaren Rückkoppelwiderstandselementen (304, 308) zwischen den Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und den Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltet sind derart, dass der Rückkoppelkondensator (302) mit der Mehrzahl von schaltbaren Rückkoppelwiderstandselementen (304, 308) gekoppelt ist.
Schaltung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Senkenanschluss (102a) des ersten Transistors (102) mit einem Quellenanschluss (104c) des zweiten Transistors (104) verbunden ist, um die Kaskode (106) zu bilden.
Schaltung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Quellenanschluss (102c) des ersten Transistors (102) einen Signaleingang der Kaskode (106) bildet und der Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) den Signalausgang der Schaltung (100, 200) bildet.
Schaltung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend einen dritten Transistor (202) und einen vierten Transistor (204); wobei der dritte Transistor (202) und der vierte Transistor (204) zu einer weiteren Kaskode (206) verschaltet sind; und wobei die Kaskode (106) und die weitere Kaskode (206) gestapelt sind derart, dass der Quellenanschluss (102c) des ersten Transistors (102) mit einem Senkenanschluss (204a) des vierten Transistors (204) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (117) mit folgenden Merkmalen: einer Schaltung (100, 200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einer weiteren Schaltung (115) die zwischen einen Eingangsanschluss der Kaskode (106) und einen Eingangsanschluss (118) der Schaltungsanordnung (117) geschaltet und optional geerdet ist.
Schaltung (200) mit folgenden Merkmalen: einem Signaleingang (202b); einem Signalausgang (104a); einem ersten Transistor (102); einem zweiten Transistor (104); einen dritten Transistor (202) einen vierten Transistor (204); wobei der erste Transistor (102) und der zweite Transistor (104) zu einer Kaskode (106) verschaltet sind; wobei der dritte Transistor (202) und der vierte Transistor (204) zu einer weiteren Kaskode (206) verschaltet sind; und wobei die Kaskode (106) und die weitere Kaskode (206) gestapelt sind derart, dass ein Quellenanschluss (102c) des ersten Transistors (102) mit einem Senkenanschluss (204a) des vierten Transistors (204) verbunden ist; einer Blockkapazität (108), die zwischen einen Steueranschluss (104b) des zweiten Transistors (104) und den Quellenanschluss (102c) des ersten Transistors (102) geschaltet ist; einem Rückkoppelkondensator (302), welcher zwischen einen Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) und einen Steueranschluss (102b) des ersten Transistors (102) geschaltet ist; und wobei eine Kapazität (C_R) des Rückkoppelkondensators (302) größer ist als eine Kapazität (C_gd4) zwischen dem Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors und dem Steueranschluss (104b) des zweiten Transistors (104). wobei der Senkenanschluss (104a) des zweiten Transistors (104) den Signalausgang der Schaltung (200) bildet; wobei ein Steueranschluss (202b) des dritten Transistors (202) den Signaleingang der Schaltung (200) bildet.
Leistungsverstärker mit einer Schaltung oder Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.