DE10036127A1

DE10036127A1 - Vorrichtung zur Versorgungsspannungsentkopplung für HF-Verstärkerschaltungen

Info

Publication number: DE10036127A1
Application number: DE10036127A
Authority: DE
Inventors: Martin Leich; Michael Schlechtweg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DE10036127B4; US20020014922A1; US6653903B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgungsspannungsentkopplung für HF-Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsleitung zur Auskopplung eines verstärkten Signals, wobei ein Ende der Ausgangsleitung, das nicht für die Signalauskopplung genutzt wird, mit einem als Entkopplungsschaltung ausgeführten Schaltungselement verbunden ist. Das Schaltungselement weist einen niedrigen Gleichstromwiderstand und eine mit der Frequenz ansteigende Absorption von HF-Leistung auf und bildet einen reflexionsfreien Abschluss für Hochfrequenz. Das Schaltungselement ist vorzugsweise durch mehrere hintereinander geschaltete diskrete Teilschaltungen gebildet. DOLLAR A Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht insbesondere den Betrieb von integrierten verteilten Verstärkern mit hoher Leistung bei geringer durch die Entkopplungsschaltung bedingter Verlustleistung.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgungsspannungsentkopplung für HF- Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsleitung zur Auskopplung eines verstärkten Signals, wobei ein Ende der Ausgangsleitung, das nicht für die Signalauskopp lung genutzt wird, mit einem als Entkopplungsschaltung ausgeführten Schaltungselement verbunden ist.

Die Vorrichtung ist insbesondere für sehr breit bandige verteilte Verstärker vorgesehen, wie sie in der optischen Kommunikationstechnik eingesetzt werden. Die optische Kommunikationstechnik erfordert zur Nutzung ihres hohen Potentials an Übertragungsbandbreite elektronische Verstärkerschaltungen, welche ausgehend von Frequenzen im hörbaren Bereich auch noch Milli meterwellen bewältigen können. Dies erfordert eine Verstärkungsbandbreite, die von einigen kHz bis zu einigen 10 GHz reicht.

Zum Betrieb der eingesetzten Verstärkerschaltungen ist eine Entkopplung der Versorgungsspannung vom signalführenden Teil der Schaltung erforderlich, wie sie mit der vorliegenden Vorrichtung bereitgestellt wird.

Stand der Technik

Viele Verstärkerschaltungen für die optische Kommunikationstechnik werden derzeit in monolithischer Bauweise ausgeführt. Die Entkopplung der Versorgungs spannung von den Verstärkern erfolgt bei derartigen Verstärkertypen über aus Kondensatoren, Spulen und Wirkwiderständen bestehenden Entkopplungsschaltungen. Hierbei wird der Wirkwiderstand in Reihe mit der Spule angeordnet, wie dies beispielsweise im Datenblatt "Monolithic Amplifiers" der Fa. Mini-Circuits® dargestellt ist. Dies stellt im allgemeinen bei sehr niedrigen Verstärkerleistungen kein Problem dar, da die aufgrund des Gleichspannungsanteils der Versorgungs spannung am Wirkwiderstand anfallenden Verluste nur geringe Wärmeleistungen erzeugen, die ohne größeren Aufwand abgeführt werden können.

Dieses Konzept läßt sich jedoch bei höheren Leistungsaufnahmen, insbesondere beim Einsatz von für höhere Leistungen ausgebildeten integrierten Verstär kern, nicht einsetzen, da in diesem Fall auf kleinstem Raum erhebliche zusätzliche Wärmeleistung erzeugt wird, die unter den erschwerten räumlichen Bedingungen abge führt werden muss. Die Anwendung derartiger Komponenten in größerer Anzahl in entsprechenden Installationen führt zudem zu einem spürbaren Mehraufwand auf der Systemebene.

In der Regel werden bei Verstärkern mit höheren Leistungsanforderungen spezielle separate Entkopplungs schaltungen in hybrider Schaltungstechnik verwendet, die aus diskreten Induktivitäten und Kapazitäten auf gebaut sind. Derartige separate Entkopplungsschaltungen sind jedoch sehr kostenträchtig und weisen einen gegenüber integrierten Systemen sehr hohen Platzbedarf auf. Ein Beispiel für eine derartige Entkopplungs schaltung kann dem Datenblatt der SHFdesign® zum "Breitband Bias-T SHF 122" entnommen werden. Die genaue Schaltungsanordnung bei derartigen Systemen ist jedoch nicht bekannt. Neben den großen Abmessungen müssen derartige Entkopplungsschaltungen direkt in den Signalpfad eingebracht werden, so dass mit zusätzlicher Dämpfung und Verzerrung des Signals gerechnet werden muss.

Die Aufgabe der vorliegend beschriebenen Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Versorgungs spannungsentkopplung für HF-Verstärkerschaltungen anzugeben, die für höhere Verstärkerleistungen geeignet und kostengünstig realisierbar ist. Die Vorrichtung soll insbesondere die Stromversorgung von für höhere Leistungen entworfenen integrierten verteilten Verstärkern bei geringer durch die Entkopplungs schaltung bedingter Verlustleistung ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patent anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Vorrichtung weist eine mit den HF-Verstärkern verbundene Ausgangsleitung zur Auskopplung eines verstärkten Signals auf, wobei ein Ende der Ausgangs leitung, das nicht für die Signalauskopplung genutzt wird, mit einem als Entkopplungsschaltung ausgeführten Schaltungselement verbunden ist. Im Gegensatz zu den bekannten Entkopplungsschaltungen des Standes der Technik bildet das vorliegende Schaltungselement keinen nicht parasitären ohmschen Widerstand für Gleich leistung. Der parasitäre Gleichstromwiderstand des Schaltungselementes ist daher klein gegen die Leitungs impedanz der Ausgangsleitung, so dass er beispielweise bei einer Leitungsimpedanz von 50 Ω im ungünstigen Fall einen Wert von 5 Ω nicht wesentlich übersteigt. Vorzugsweise wird die Vermeidung eines parasitären Widerstandes angestrebt. Das Schaltungselement ist weiterhin derart ausgeführt, dass es eine mit der Frequenz ansteigende Absorption von HF-Leistung aufweist sowie einen reflexionsfreien Abschluss für Hochfrequenz bildet.

Die Versorgungsspannung wird dem oder den HF- Verstärkern über dieses Schaltungselement zugeführt. Durch den geringen Gleichstromwiderstand des Schal tungselementes ist die Verlustleistung aufgrund der anliegenden Versorgungsspannung nur gering. Die Anfor derungen an die Wärmeabführung sind daher auch bei höheren Leistungen noch problemlos zu bewältigen. Die mit der Frequenz zunehmende Absorption des Schaltungs elementes sowie dessen Funktion als reflexionsfreier Abschluss für Hochfrequenz ermöglichen die störungs freie Auskopplung des verstärkten Signals am anderen Ende der Ausgangsleitung.

In einer bevorzugten sehr vorteilhaften Ausfüh rungsform der vorliegenden Vorrichtung besteht das Schaltungselement aus mehreren in Kette betriebenen Teilschaltungen, die jeweils aus einer Induktivität auf einem ersten Leitungsteil sowie einer Kapazität und einem Abschlusswiderstand auf einem zweiten Leitungs teil bestehen. Der zweite Leitungsteil zweigt hierbei vom ersten Leitungsteil ab und ist mit Masse verbunden, während der erste Leitungsteil einer Teilschaltung jeweils mit dem ersten Leitungsteil der in der Kette nachfolgenden Teilschaltung verbunden ist. Auf diese Weise entsteht eine Reihenschaltung von Induktivitäten, zwischen denen jeweils der zweite Leitungsteil mit der Kapazität und dem Abschlusswiderstand abzweigt.

Diese Kette von Teilschaltungen als vorliegendes Schaltungselement ist anstelle des in üblichen Entwürfen erforderlichen Abschlusswiderstands an dem nicht zur Abführung des verstärkten Signals verwendeten Ende der Ausgangsleitung des vorzugsweise verteilten Verstärkers angeschlossen. In einer besonders vorteil haften Weiterbildung der Vorrichtung werden hierbei die Leistungen höherer Frequenzen durch eine erste Anzahl von in Kette betriebenen Teilschaltungen auf dem Verstärkerchip selbst abgetrennt und absorbiert, ver bleibende Leistungen bei relativ tiefen Frequenzen durch gleichartige, aber entsprechend anders dimensio nierte dem Chip angelagerte Schaltungen.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Vorrichtung besteht vor allem in der Vermeidung der Erzeugung von Wärmeleistung mittels des den Verstärkern zuzuführenden Gleichstroms. Da an dem nicht zur Abführung des verstärkten Signals verwendeten Ende der Ausgangsleitung des vorzugsweise verteilten Verstärkers nur bei relativ tiefen Frequenzen ein wesentlicher Teil der Signalleistung erscheint, können die ersten Elemente der Kette von Teilschaltungen, welche höherfrequente Komponenten des Signals abtrennen, auf dem Verstärkerchip realisiert werden, da sie in diesem Fall nur wenig Verlustleistung erzeugen. Größere Verlustleistungen werden in den dem Chip angelagerten Teilschaltungen erzeugt, wobei diese aufgrund der kleinen Restbandbreite des vom Versorgungsstrom zu entkoppelnden Signals mit vergleichsweise geringem Aufwand und damit kostengünstig realisierbar sind. Auf der anderen Seite sind die ersten Teilschaltungen für die Absorption der höchsten Frequenzkomponenten in dem Verstärkerchip integriert und können somit ebenfalls kostengünstig realisiert werden.

Hierbei werden die ersten Teilschaltungen mit einem geringeren absoluten Wert der Induktivität und damit einer höheren Grenzfrequenz sowie einer höheren Eigenresonanzfrequenz der Induktivität ausgebildet als die nachfolgenden Teilschaltungen. Vorzugsweise steigt die Induktivität und sinken die Grenzfrequenz jeder Teilschaltung sowie die Eigenresonanzfrequenz der Induktivität jeder Teilschaltung mit zunehmender Zahl der bereits an die Ausgangsleitung angefügten Teil schaltungen.

Neben der bevorzugten Ausführungsform mit einzelnen diskreten Teilschaltungen lässt sich das vorliegende Schaltungselement auch in anderer Weise realisieren. Die Gesamtheit aller Teilvorrichtungen kann als verlustbehafteter Kettenleiter betrachtet werden. Dessen infinitesimale Entsprechung ist eine verlustbehaftete Hochfrequenzleitung, die mit den hier vorgegebenen Eigenschaften ebenfalls als Schaltungs element an dem Ende der Ausgangsleitung eingesetzt werden kann. Weiterhin können verlustbehaftete Leitungen, die ein isolierendes dämpfendes Material beinhalten, mit den vorgegebenen Eigenschaften reali siert und eingesetzt werden. Weitere Beispiele für Schaltungselemente, die gemäß den vorliegenden Anfor derungen ausgestaltet werden können, sind Mikrostrip- Leitungen mit aufgesetztem Absorber-Keil aus Ferrit oder mit aufgestrichener Ferrit-Paste. Derartige Anordnungen sind auch unter dem Begriff Mikrowellen- Sumpf bekannt.

In einer weiteren Ausführungsform enthält das Schaltungselement beliebige Tiefpassfilter, die an die effektive Impedanz der Ausgangsleitung angepasst sind bzw. in ihrer Wirkung das Übertragungsverhalten des Verstärkers korrigierend beeinflussen.

Kurze Beschreibung dar Zeichnungen

Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals erläutert, dem weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen sind. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für ein Schalt schema eines verteilten Verstärkers mit der vorliegenden Vorrichtung zur Entkopplung der Versorgungsspannung; und

Fig. 2 ein Chip-Foto eines verteilten Verstärkers mit einer erfindungsgemäßen Entkopplungsschaltung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel ein Schaltschema einer Anordnung aus einem verteilten Verstärker und der vorliegenden Vorrichtung zur Versorgungsspannungsentkopplung. Der dargestellte verteilte Verstärker ist in M. Leich et al., "40 Gbit/s High Voltage Modulator Driver in P-HEMT Technology", Electronics Letters, Vol. 35, No. 21, Seiten 1842-1844, genauer beschrieben. Ein derartiger verteilter Verstär ker kann beispielsweise in vier Sektionen aufgebaut sein, von denen in der Figur lediglich zwei dargestellt sind. Dieser Verstärker lässt sich in einer GaAs P- HEMT-Technologie verwirklichen und bietet eine hohe Verstärkung über einen großen Frequenzbereich. Für Einzelheiten wird auf das genannte Dokument verwiesen.

Der verteilte Verstärker 22 ist mit einer Aus gangsleitung 20 verbunden, über die die verstärkten Signale an einem Ende (Out) ausgekoppelt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit dem gegenüber liegenden Ende der Ausgangsleitung 20 verbunden, das nicht der Auskopplung der verstärkten Signale dient. Die Vorrichtung setzt sich im vorliegenden Beispiel aus drei Teilschaltungen mit den Induktivitäten 2, 4, 6, den Kapazitäten 8, 10, 12 sowie den Abschlusswider ständen 14, 16, 18 zusammen. Eine erste Teilschaltung besteht aus der Induktivität 2, der Kapazität 8 und dem Abschlusswiderstand 14. Der Leitungsteil mit der Kapazität 8 und dem Abschlusswiderstand 14 zweigt hierbei vom Leitungsteil mit der Induktivität 2 ab und ist mit Masse verbunden. Eine zweite Teilschaltung ist gleichartig aufgebaut und besteht aus der Induktivität 4, der Kapazität 10 und dem Abschlusswiderstand 16. Eine dritte Teilschaltung besteht aus der Induktivität 6, der Kapazität 12 und dem Abschlusswiderstand 18. Die einzelnen Teilschaltungen sind derart miteinander verbunden, dass die Induktivitäten 2, 4 und 6 zwischen der an das Schaltungselement anschließbaren Versor gungsspannung V_drain und der Anschlussleitung 20 in Reihe geschaltet sind.

Die Abschlusswiderstände 14, 16 und 18 entsprechen in ihrem Wert der effektiven Impedanz der Ausgangs leitung 20, um über die Kapazitäten 8, 10 und 12 abfließende Hochfrequenzleistung reflexionsfrei zu absorbieren. Um einen reflexionsfreien Übergang von der Ausgangsleitung 20 auf die erste Teilschaltung zu gewährleisten, entspricht der Quotient aus dem Wert der Induktivität 2 und dem Wert der Kapazität 8 dem Quadrat der effektiven Impedanz der Ausgangsleitung 20. In gleicher Weise gilt dies für den Wert der Induktivität 4 bzw. 6 im Verhältnis zum Wert der Kapazität 10 bzw. 12. Der absolute Wert der Induktivität 2 ist durch eine in praktischen Ausführungen vorhandene Eigenresonanz frequenz eingeschränkt. Deren Höhe muss den Über tragungsbereich des verteilten Verstärkers 1 über treffen und steigt mit sinkenden Werten der Induktivi tät 2 an.

Um auch tiefere Frequenzen reflexionsfrei zu eliminieren, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer großen Zahl gleichartiger Teilschaltungen bestehen, die in ihrer Dimensionierung der ersten Teilschaltung gleichen. Es versteht sich von selbst, dass die Vorrichtung nicht auf die hier dargestellte Anzahl von drei Teilschaltungen begrenzt ist. Die Vorrichtung kann vielmehr aus einer beliebigen Anzahl von Teilschaltungen bestehen.

Gegenüber einer gleichartigen Dimensionierung aller Teilschaltungen lässt sich eine effektivere Wirkungsweise der Vorrichtung dadurch realisieren, dass die einzelnen Teilschaltungen unterschiedliche absolute Werte der Induktivität 2, 4 und 6 aufweisen. Die Induktivitätswerte werden hierbei so gewählt, dass die jeweils nachfolgende Teilschaltung eine Induktivität 4 bzw. 6 mit einem jeweils höheren absoluten Wert und einer jeweils niedrigeren Eigenresonanzfrequenz aufweist als die vorangehende Teilschaltung. Die jeweils niedrigere Eigenresonanzfrequenz der Induktivi tät der jeweils nachgeschalteten Teilschaltung ist insofern in ihrer störenden Wirkung ausgeschaltet, als entsprechende Anteile des Frequenzspektrums durch die jeweils vorgeschalteten Teilschaltungen abgeleitet und eliminiert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich insbesondere zumindest teilweise auf dem gleichen Chip integrieren, auf dem auch die verteilten Verstärker sitzen. Eine derartige Realisierung ist in der Fig. 2 als Chip-Foto dargestellt. In dieser Figur lassen sich die verteilten Verstärker 22 an einer Eingangsleitung 24 erkennen. Die Ausgangsleitung 20 ist mit ihrem nicht für die Signalableitung genutzten Ende mit drei der vorliegenden Teilschaltungen verbunden, wobei in dem Chip-Foto insbesondere die Induktivitäten 2, 4 und 6 zu erkennen sind. Für den Fall, dass auch niedrigere Frequenzen absorbiert werden sollen, werden die hierfür eingesetzten Teilschaltungen außerhalb dieses Chips realisiert und dem Chip angelagert.

BEZUGSZEICHENLISTE

2

,

4

,

6

Induktivität

8

,

10

,

12

Kapazität

14

,

16

,

18

Abschlusswiderstand

20

Ausgangsleitung

22

Verteilte Verstärker

24

Eingangsleitung

Claims

1. Vorrichtung zur Versorgungsspannungsentkopplung für HF-Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangs leitung (20) zur Auskopplung eines verstärkten Signals, wobei ein Ende der Ausgangsleitung (20), das nicht für die Signalauskopplung genutzt wird, mit einem als Entkopplungsschaltung ausgeführten Schaltungselement verbunden ist, das einen reflexionsfreien Abschluss für Hochfrequenz bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement keinen nicht parasitären ohmschen Widerstand für Gleichleistung bildet und eine mit der Frequenz ansteigende Absorption von HF-Leistung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement aus einem oder mehreren in Kette betriebenen Teilschaltungen gebildet ist, die jeweils aus einer Induktivität (2, 4, 6) auf einem ersten Leitungsteil sowie einer Kapazität (8, 10, 12) und einem Abschlusswiderstand (14, 16, 18) auf einem zweiten Leitungsteil bestehen, wobei der zweite Leitungsteil vom ersten Leitungsteil abzweigt und mit Masse verbunden ist und der erste Leitungsteil einer Teilschaltung jeweils mit dem ersten Leitungsteil der in der Kette nachfolgenden Teilschaltung verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilschaltungen unterschied liche Werte der Induktivität aufweisen, wobei die jeweils in der Kette nachfolgende Teilschaltung einen höheren absoluten Wert der Induktivität sowie eine niedrigere Eigenresonanzfrequenz dieser Induktivität aufweist als die vorangegangene Teilschaltung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilschaltungen unterschied liche Grenzfrequenzen aufweisen, wobei die jeweils in der Kette nachfolgende Teilschaltung eine niedrigere Grenzfrequenz aufweist als die voran gegangene Teilschaltung.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem Wert der Induktivität und dem Wert der Kapazität dem Quadrat der effektiven Impedanz der Ausgangsleitung (20) entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anzahl der Teilschaltungen mit der Verstärkerschaltung (22) auf einem Chip integriert ist und die restlichen Teilschaltungen unabhängig vom Chip ausgebildet sind, wobei die restlichen Teilschaltungen höhere Werte der Induktivität aufweisen als die Teilschaltungen der ersten Anzahl.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement aus einer verlust behafteten Hochfrequenzleitung gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement durch eine Hochfrequenz dämpfendes Material beinhaltende Leitung gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement aus einer Mikrostrip- Leitung mit aufgesetztem Absorber-Keil aus Ferrit gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement aus einer Mikrostrip- Leitung mit aufgestrichener Ferrit-Paste gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement mehrere Tiefpassfilter beinhaltet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der parasitäre Gleichstromwiderstand des Schaltungselementes unterhalb von etwa einem Fünftel der Impedanz der Ausgangsleitung (20) liegt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleitung (20) mit verteilten HF- Verstärkern (22) verbunden ist.