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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Signalverstärker, eine Schaltkreisanordnung mit einem elektrischen Signalverstärker sowie ein Verfahren zum Verstärken eines elektrischen Signals mittels eines elektrischen Signalverstärkers.
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Hintergrund
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Derartige Technologien werden genutzt, um in verschiedensten Anwendungen elektrische Signale zu verstärken. Hierbei wird das zu verstärkende elektrische Signal an einem Verstärkereingang empfangen, mit Hilfe einer Verstärkerschaltung verstärkt und als verstärktes elektrisches Signal am Verstärkerausgang bereitgestellt.
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Verstärkerschaltungen können ein- oder mehrstufig aufgebaut sein. Es ist insbesondere bekannt, derartige Verstärkerstufen unter Verwendung von Transistoren auszuführen.
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Ein mögliches Anwendungsgebiet elektrische Signalverstärker sind Einrichtungen zum Empfangen und / oder zum Senden von Funksignalen.
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Bei Funkempfängern ist das erste Bauteil hinter der Antenne in der Regel ein rauscharmer Verstärker („low-noise amplifier“ - LNA). Seine Aufgabe ist es, das üblicherweise sehr schwache empfangene Eingangssignal so zu verstärken, dass das Eigenrauschen der folgenden Elektronik keine signifikante Störung mehr darstellt. Dieser LNA ist eine filigrane Komponente, ausgelegt auf sehr geringe Empfangsleistungen und sollte auch selbst möglichst wenig Leistung verbrauchen. Ein Funkempfänger empfängt regelmäßig nicht nur das gewünschte Nachrichtensignal. Befindet sich ein starker Sender in seiner Nähe, so kann die empfangene Leistung leicht den vorgesehenen Leistungspegel um das 1000fache übersteigen. Ein üblicher LNA wird in diesem Falle zerstört. Oft sendet die Sende- / Empfangsanlage selbst das starke Signal, zum Beispiel bei einem Radar oder einer Funkschnittstelle eines Satelliten. Es ist dann notwendig, den LNA vor zu großer Empfangsleistung zu schützten. In aller Regel wird hierfür eine Schutzschaltung zwischen LNA und Antenne vorgesehen. Diese schließt als elektronische Sicherung ein zu großes Signal an der Antenne kurz. Diese Schutzschaltung lässt sich aber nicht auf einem Chip mit dem LNA integrieren. Die Aufbautechnik wird teurer, der Aufbau groß und schwer, die Zuverlässigkeit leidet entsprechend. Eine Schutzschaltung dämpft das empfangene Signal und verschlechtert dadurch den Signal-Rausch-Abstand.
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Aus dem Dokument
DE 697 26 058 T2 ist eine Verstärkerschaltung bekannt, bei der dem Eingang ein Spannungsteiler nachgeschaltet ist. Eine solche Verstärkerschaltung offenbart auch das Dokument
US 6,097,253 .
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Verstärkerschaltungen mit verstärkenden Transistoren sind weiterhin aus den Dokumenten
DE 101 14 935 A1 sowie
WO 2009/060095 A1 bekannt.
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Zusammenfassung
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Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien in Verbindung mit einem elektrischen Signalverstärker bereitzustellen, bei denen der elektrische Signalverstärker effizient gegen Überlast geschützt ist.
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Zur Lösung sind ein elektrischer Signalverstärker sowie ein Verfahren zum Verstärken eines elektrischen Signals mittels eines elektrischen Signalverstärkers nach dem unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 geschaffen. Weiterhin ist eine Schaltkreisanordnung mit einem elektrischen Signalverstärker nach Anspruch 9 vorgesehen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt ist ein elektrischer Signalverstärker mit einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang geschaffen, die eingerichtet sind, ein elektrisches Eingangssignal zu empfangen und ein verstärktes Signal als elektrisches Ausgangssignal auszugeben. Zwischen dem Verstärkereingang und dem Verstärkerausgang ist eine das elektrische Eingangssignal verstärkende Verstärkerschaltung mit einer Spannungsteilerschaltung und einer Serienschaltung von Gate-Source Strecken in einer Transistoranordnung angeordnet, wobei die Transistoranordnung einer Verstärkerstufe zugeordnet ist. Die Spannungsteilerschaltung ist dem Verstärkereingang nachgeschaltet, und ein Ausgang der Spannungsteilerschaltung ist mit Gatekontakten der Serienschaltung von Gate-Source Strecken verbunden. Weiterhin ist eine Gatespannungs-Versorgungsschaltung mit den Gatekontakten der Serienschaltung von Gate-Source Strecken verbunden.
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Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Verstärken eines elektrischen Signals mittels eines elektrischen Signalverstärkers geschaffen, bei dem ein elektrisches Eingangssignal an einem Verstärkereingang eines elektrischen Signalverstärkers empfangen wird. Das elektrische Eingangssignal wird mittels einer zwischen dem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang angeordneten Verstärkerschaltung verstärkt. Die Verstärkerschaltung weist eine dem Verstärkereingang nachgeschaltete Spannungsteilerschaltung und eine Serienschaltung von Gate-Source Strecken in einer Transistoranordnung auf, welche einer Verstärkerstufe zugeordnet ist, wobei die Spannungsteilerschaltung mit Gatekontakte der Serienschaltung von Gate-Source Strecken verbunden ist. Das verstärkte elektrische Signal wird als elektrisches Ausgangssignal über den Verstärkerausgang ausgegeben. Zumindest in einem Überlastfall werden eine am Verstärkereingang anliegende Eingangsspannung mittels der Spannungsteilerschaltung in Spannungsteile aufgeteilt, die über einen Ausgang der Spannungsteilerschaltung jeweils an die Gatekontakte der Serienschaltung von Gate-Source Strecken gegeben werden, und mittels einer Gatespannungs-Versorgungsschaltung, die mit den Gatekontakten der Serienschaltung von Gate-Source Strecken verbunden ist, eine Versorgungsspannung an den Gatekontakten eingestellt.
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Weiterhin ist eine Schaltkreisanordnung mit einem elektrischen Signalverstärker vorgesehen, wobei der elektrische Signalverstärker in einem Radarempfänger oder einem Funkempfänger angeordnet ist.
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Die Spannungsteilerschaltung ist eingerichtet, wenigstens in einem Überlastfall, mittels der Spannungsteilerschaltung erzeugte Spannungsanteile jeweils phasengleich auf die Gate-Source Strecken der Serienschaltung zu geben. Die mit Hilfe der Spannungsteilerschaltung bereitgestellten Spannungsanteile werden phasengleich auf die zugeordneten Gatekontakte der mehreren Gate-Source Strecken der Serienschaltung gekoppelt.
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Der elektrische Signalverstärker kann als ein rauscharmer elektrischer Signalverstärker ausgebildet sein. Hierbei können rauscharme Transistoren, zum Beispiel HEMTs („High Electron Mobility Transistor“), mittels Anpassung und Wahl des Arbeitspunkts bei möglichst minimalem Rauschen betrieben werden.
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Im Überlastfall wird die anliegende Eingangs-Überspannung mit Hilfe der Spannungsteilerschaltung dem mittels der Spannungsteilerschaltung realisierten Teilungsverhältnisses entsprechend in Teilspannungen aufgeteilt, die jeweils auf einen zugeordneten Gatekontakt der Gate-Source Strecken gegeben werden. Gleichzeitig verändert die Gatespannungs-Versorgungsschaltung die Arbeitspunkte der einzelnen Transistoren, so dass ein möglichst großer Teil der eintreffenden Leistung nicht verstärkt, sondern reflektiert wird. Auf diese Weise ist im Überlastfall der elektrische Signalverstärker geschützt. Den Spannungsteilen bei Eingangssignalfrequenz, welche von der Spannungsteilerschaltung bereitgestellt werden, ist an jedem Gatekontakt eine Versorgungs-Gleichspannung überlagert, die jeweils von der Gatespannungs-Versorgungsschaltung bereitgestellt wird. Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung passt hierbei die jeweils anliegenden Versorgungsspannungen an den aktuellen Betriebsfall an, also insbesondere Normalbetrieb und Überlast bei hoher Leistung.
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Es kann vorgesehen sein, die am Verstärkerausgang des Signalverstärkers abgegebene Leistung zu begrenzen, sodass nachfolgende Elektronik ebenfalls geschützt ist.
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Die Transistoranordnung mit der Serienschaltung von Gate-Source Strecken kann eine Serienschaltung von mehreren getrennt gebildeten Transistoren aufweisen, bei denen in der Serienschaltung für benachbarte Transistoren jeweils Gatekontakt und Sourcekontakt miteinander verbunden sind. Die mehreren Transistoren sind bei dieser Ausführung als getrennte Bauelemente gebildet. In der Reihe der Transistoren sind jeweils in Richtung des Verstärkerausgangs Drainkontakt und Sourcekontakt miteinander verbunden, um in Richtung des Verstärkereingangs die Serienschaltung von Gate-Source Strecken bereitzustellen.
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Die Transistoranordnung mit der Serienschaltung von Gate-Source Strecken kann einen Transistor aufweisen, der einen einzelnen Drainkontakt und einen einzelnen Sourcekontakt sowie mehrere unabhängige Gatekontakte aufweist, die mit der Spannungsteilerschaltung verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung ist die Serienschaltung von Gate-Source Strecken ganz oder teilweise mit Hilfe eines Transistors bereitgestellt.
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Die Verstärkerschaltung kann eine Kleinsignal-Verstärkerschaltung sein.
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Die Verstärkerschaltung kann eingerichtet sein, hochfrequente elektrische Eingangssignale zu verstärken. Eine Frequenz des hochfrequenten elektrischen Eingangssignals kann wenigstens 50Hz betragen. Im Fall der Verstärkerschaltung, die hochfrequente elektrische Eingangssignale verstärkt, sind ein HF-Verstärkereingang (HF - Hochfrequenz), ein HF-Verstärkerausgang sowie eine HF-Verstärkerschaltung vorgesehen.
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Die Verstärkerschaltung kann eine mehrstufige Verstärkerschaltung sein, bei der ein Ausgang der Verstärkerstufe mit der Transistoranordnung an eine weitere Verstärkerstufe koppelt. Die mindestens eine weitere Verstärkerstufe kann eine Transistoranordnung mit einem oder mehreren Transistoren aufweisen.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, einen Gatestrom für den einen oder die mehreren Transistoren der Transistoranordnung, zumindest im Fall von Überlast, jeweils zu begrenzen.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, die oder den Transistor der Serienschaltung bei Überlast in einen Arbeitspunkt zu bringen, in welchem sie selbst geschützt sind, die Überlast-Leistung nicht aufnehmen, sondern reflektieren, oder die Verstärkung reduzieren um nachfolgende elektronische Schaltungen zu schützen.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann gleichzeitig mit dem Eingang der Spannungsteilerschaltung verbunden sein.
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Ein oder mehrere Transistoren der Transistoranordnung können eine Durchbruchsspannung von wenigstens 10V aufweisen. Alternativ kann eine Durchbruchspannung von wenigstens etwa 80V vorgesehen sein. Bei dieser oder anderen Ausführungsformen können die Transistoren mittels unterschiedlicher Halbleiter-Technologien implementiert sein. Es kann die CMOS-Technologie verwendet werden. Alternativ können bipolare Transistoren zum Einsatz kommen. In einer Ausgestaltung sind die Transistoren als GaN-Transistoren ausgebildet.
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Die Spannungsteilerschaltung kann mit Hilfe von kapazitiven Bauelementen gebildet sein. Mittels der Verwendung der kapazitiven Bauelemente kann eine kapazitive Spannungsteilerschaltung realisiert sein. Alternativ können andere Bauformen des Spannungsteilers vorgesehen sein, die ohne oder nicht ausschließlich mit kapazitiven Bauelementen ausgeführt sind.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, im Falle einer am Verstärkereingang anliegenden, für die Transistoren verträglichen Leistung, alle Transistoren der Transistoranordnung als in Serie geschaltete verstärkende Transistoren zu betreiben.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, im Falle einer am Verstärkereingang anliegenden, für die Transistoren verträglichen Leistung, einen oder mehrere Transistor als verstärkende Transistoren zu betreiben, die anderen Transistoren der Transistoranordnung aber als kurzgeschlossene Schalter, sodass diese ihre Drain-Source Strecke kurzschließen.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, im Falle einer am Verstärkereingang anliegenden hohen Eingangsleistung (Überlast) die Versorgungsspannungen der Transistoren so zu ändern, dass diese im Klasse-C Verstärkerbetrieb arbeiten.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, im Falle einer am Verstärkereingang anliegenden hohen Eingangsleistung (Überlast) die Versorgungsspannungen der Transistoren so zu ändern, dass diese als geöffnete Schalter arbeiten.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, im Falle einer am Verstärkereingang anliegenden hohen Eingangsleistung (Überlast) die Versorgungsspannungen der Transistoren so zu ändern, dass der Signalverstärker seine Verstärkung reduziert und so die am Ausgang abgegebene Leistung vermindert.
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Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung kann eingerichtet sein, im Falle einer am Verstärkereingang anliegenden hohen Eingangsleistung (Überlast) die Versorgungsspannungen der Transistoren so zu ändern, dass wenigstens ein Teil der am Verstärkereingang anliegenden Leistung reflektiert wird.
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Im Zusammenhang mit der Schaltkreisanordnung mit dem elektrischen Signalverstärker sowie dem Verfahren zum Verstärken eines elektrischen Signals können die vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen einzeln oder in beliebiger Kombination entsprechend vorgesehen sein.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von Funktionskomponenten eines elektrischen Signalverstärkers,
- 2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen elektrischen Signalverstärker,
- 3 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Signalverstärker, welcher zweistufig ausgebildet ist.
- 4 eine grafische Darstellung für einen S-Parameter in Abhängigkeit von der Frequenz und
- 5 eine grafische Darstellung für eine simulierte Gatespannung im Überlastfall in Abhängigkeit von der Zeit.
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1 zeigt eine schematische Darstellung von Funktionskomponenten eines elektrischen Signalverstärkers, der in der gezeigten Darstellung einstufig ausgeführt ist. Es ist eine Transistoranordnung 2 vorgesehen, in welcher mehrere Gate-Source Strecken ausgebildet sind, indem der Drainkontakt und der Sourcekontakt von benachbarten Transistoren in der Serienschaltung miteinander verbunden sind. Die Transistoranordnung 2 kann mit Hilfe mehrerer getrennt gebildeter Transistoren und / oder mittels eines Einzeltransistors ausgeführt sein, der mehrere Gatekontakte, aber nur je einen zugänglichen Drainkontakt und Sourcekontakt aufweist. Zum Implementieren der Transistoranordnung können unterschiedliche Technologien verwendet werden, wozu die CMOS-Technologie, bipolare Transistoren oder GaN-Transistoren gehören.
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Die Transistoranordnung 2 ist einer Verstärkerstufe 3 zugeordnet, die bei dem elektrischen Signalverstärker 1 Teil einer Verstärkerschaltung 4 ist, welche zwischen einem Verstärkereingang 5 und einem Verstärkerausgang 6 und in Verbindung hiermit gebildet ist.
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Für die Transistoranordnung 2 ist eine Rückkopplung 7 vorgesehen, die als eine Strom- oder eine Spannungs-Rückkopplung ausgeführt sein kann.
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Der Transistoranordnung 2 vorgeschaltet ist eine Spannungsteilerschaltung 8, deren Ausgang an die Source-Gate Strecken der Transistoranordnung 2 koppelt, derart, dass die erzeugten Teilspannungen jeweils auf eine der Source-Gate Strecken gekoppelt werden. Der Ausgang der Spannungsteilerschaltung 8 ist mit den Gatekontakten der Transistoranordnung 2 verbunden. Hieran koppelt gemäß 1 weiterhin eine (adaptive) Gatespannungs-Versorgungsschaltung 9, welche, insbesondere im Überlastfall, die an den Transistoren der Transistoranordnung 2 anliegende Vorspannung anpasst und so die Signalverstärkerschaltung selbst und / oder nachfolgende Elektronik schützt.
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Gemäß 1 sind weiterhin eine eingangsseitige Anpassung 10 sowie eine ausgangsseitige Anpassung 11 vorgesehen, die eingerichtet ist, dass Signale im Normalbetrieb optimal zu verstärken und nicht zu reflektieren.
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Sodann ist eine Drain-Spannungsversorgung 12 vorgesehen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen elektrischen Signalverstärker, wobei nun die in 1 gezeigte Funktionskomponenten beispielhaft mit Hilfe von Schaltungsbauteilen realisiert sind. In 2 werden für die gleichen Merkmale dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung eines elektrischen Signalverstärkers, bei dem im Unterschied zu der Ausführung in 2 eine weitere Verstärkerstufe 20 vorgesehen ist, so dass ein mehrstufiger Signalverstärker gebildet ist.
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Bei den verschiedenen Ausführungsformen wird bei hohen Eingangsleistungen, insbesondere im Überlastfall, die Spannung bei der Frequenz des Eingangssignals mit Hilfe der Spannungsteilerschaltung 8 aufgeteilt.
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In einer Ausgestaltung können die Transistoren der Transistoranordnung 2 als GaN-Transistoren ausgeführt sein. Im Falle von GaN-Transistoren ist es günstig, dass die Durchbruchspannungen am Gate wenigstens 80 V erreichen können. Ist der Gatekontakt negativ vorgespannt, so sperrt der Transistor und stellt am Gatekontakt (Eingang) wie am Drainkontakt (Ausgang) einen geöffneten Schalter dar. Ströme fließen dann nicht, und die gesamte Eingangsleistung wird reflektiert. Es bleibt als Zerstörungsmechanismus nur ein Durchbruch bei zu hoher Spannung. Ein Vorteil ist, dass der Transistor unterhalb der Zerstörungsschwelle nicht belastet wird und daher die Alterung nicht beeinflusst wird.
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Die negative Vorspannung und damit die Abschaltung des Transistors erfolgt im Lastfall dynamisch mittels der Gatespannungs-Versorgungsschaltung 9, die in diesem Fall im Wesentlichen mittels großer Widerstände von mindestens mehreren kOhm gebildet wird. Die Gleichspannung Vgg am Gatekontakt wird über die großen Widerstände R zugeführt. Das Gate von GaN-Transistoren ist eine gesperrte Schottky-Diode, der Drainstrom wird durch die Sperrspannung kontrolliert. Treten nun am Gate hohe Eingangsleistungen auf, bedeutet dies einen hohen Spannungshub. Die Gate-Diode wird durch die Spannungsspitzen kurzzeitig in Flussrichtung gepolt und ein Gleichstrom lg beginnt zu fließen. Dieser Gleichstrom führt zu einem Spannungsabfall (lg R) über dem genannten Widerstand. Die negative Vorspannung (Vgg (lg*R)) baut sich so auf und schaltet den Transistor ab.
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In der Transistoranordnung 2 sind mehrere Gate-Source Strecken gebildet, sei es mittels eines einzelnen Transistors oder mit Hilfe mehrerer Transistoren (vgl. 1 bis 3). Die Durchbruchspannungen addieren sich, und die Gesamtleistung, die die Schaltung überlebt, erhöht sich entsprechend.
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Wenn keine Überlast anliegt, d. h. der elektrische Signalverstärker 1 im normalen (Klein)Signalbereich betrieben wird, können die Transistoren der Transistoranordnung 2 unterschiedliche Betriebsarten aufweisen, zum Beispiel im Fall von zwei Transistoren:
- - Beide Transistoren werden symmetrisch betrieben. Beide Transistoren verstärken, dabei verstärkt jeder Transistor die halbe Spannung.
- - Der untere Transistor kann als geschlossener Schalter betrieben werden. Wenn sein ON-Widerstand gering ist, dann sollte dieser Widerstand im Normalfall fast transparent sein. Im Kleinsignalfall wird die Schaltung also arbeiten wie ein herkömmlicher Signalverstärker, insbesondere ein LNA, im Lastfall entfalten die Gate-Source Strecken ihre Wirkung: Durch eine Verschiebung der Gleichspannungen teilt sich die Eingangsspannung symmetrisch auf die Transistoren auf.
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4 zeigt eine grafische Darstellung für einen gemessenen Streuparameter in Abhängigkeit von der Frequenz bei dem elektrischen Signalverstärker in 2. Die Streuparameter (S-Parameter) beschreiben den sogenannten Kleinsignal-Betrieb, wobei die verwendete Schaltung mit Hilfe eines vektoriellen Netzwerkanalysators gemessen wurde. Der Parameter S21 zeigt eine Vorwärtstransmission, eine Verstärkung, an. Die Parameter S11 sowie S22 zeigen Eingangs- und Ausgangs-Reflexionsfaktoren. Diese zeigen, wie gut der elektrische Signalverstärker an eine 50Ω-Umgebung angepasst ist
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5 zeigt eine grafische Darstellung für eine Simulation der Durchbruchspannung zwischen dem Gatekontakt und dem Sourcekontakt der GaN-Transistoren in der Transistoranordnung 2. Die Simulation zeigt die Spannungen des ersten (VGS 1) und des zweiten (VGS 2) Transistors im Überlastfall, in welchem der elektrische Signalverstärker gemäß Ausführungsbeispiel in 2 mit einem hohen Eingangsleistung belastet wird. Die Gatespannungs-Versorgungsschaltung 9 hat die Gate-Source-Gleichspannung für jeden Transitor auf etwa -30V abgesenkt. In diesem Betriebsfall kann die Gate-Source Strecke eines Transistors näherungsweise als Leerlauf verstanden werden. Die Transistoren verstärken kaum, sodass nachfolgende Elektronik nicht durch die Überlast am Eingang gefährdet wird. Die Transistoren selbst reflektieren den größten Teil der eintreffenden Leistung. Durch die gleichmäßige Teilung der hochfrequenten Spannung zwischen den beiden Transistoren verdoppelt sich die maximal mögliche Spannungsamplitude und entsprechend auch die maximale Überlastleistung. Es ergibt sich, dass der elektrische Signalverstärker in diesem Beispiel eine Eingangsleistung von 45dBm (31W) aushält.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
