Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines selbstleitenden n- Kanal Endstufenfeldeffekttransistors sowie eine Vorrichtung zur elektronischen Verstärkung einer Wechselspannung in Gegentaktschaltung.

Selbstleitende n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistoren, im Folgenden kurz: Endstufentransistor, finden als Leistungstransistoren beispielsweise Anwendung in spannungs- geschalteten Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärkern und werden über Treiber angesteuert.

Ein Treiber kann als eine Vorrichtung ausgebildet sein, die einen Steuersignaleingang, einen Steuersignalausgang zur Verbindung mit einer Gate-Elektrode des Endstufenfeldeffekttransistors, eine negative Spannungsquelle und eine positive Spannungsquelle umfasst. Eine Source-Elektrode eines Transistors ist mit dem ersten Knotenpunkt, eine Gate-Elektrode des Treibertransistors ist mit dem zweiten Knotenpunkt elektrisch angeschlossen, im Folgenden kurz: angeschlossen, und eine Drain-Elektrode des

Treibertransistors ist mit der positiven Spannungsquelle angeschlossen. Ein Widerstand ist mit einem Ende an den zweiten Knotenpunkt angeschlossen. Das andere Ende des Widerstands ist an die positive Spannungsquelle angeschlossen.

Bei Verwendung des Treibertransistors in einem Treiber, der einen als High-Side- Endstufentransistor ansteuert, kann eine Spannung an der Source-Elektrode des

Treibertransistors mit einer Ausgangsspannung mitschwingen.

Um den Treibertransistor dann mittels einer negativen Spannung an der Gate-Elektrode des Endstufentransistors zuverlässig sperren zu können, muss die Spannung zwischen der Gate- und Source-Elektrode des Treibertransistors ausreichend negativ sein. In diesem Zustand liegt über dem Widerstand eine hohe Spannung an, und dies führt zu einem Leistungsverlust im Treiber. Daher ist US 4,238,737 mit der Ausbalancierung von Push-Pull- Verstärkern befasst.

Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Ansteuerung eines selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistors vorgestellt. Weiterhin wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zur elektronischen Verstärkung einer Wechselspannung in Gegentaktschaltung vorgestellt.

Die Vorrichtung umfasst einen Steuersignaleingang, einen Steuersignalausgang zur Verbindung mit einer Gate-Elektrode des Endstufenfeldeffekttransistors, einen ersten Knotenpunkt, der an den Steuersignalausgang angeschlossen ist, einen zweiten

Knotenpunkt, und einen ersten Treibertransistor. Eine Source-Elektrode des ersten

Treibertransistors ist an den ersten Knotenpunkt, eine Gate-Elektrode des ersten

Treibertransistors ist an den zweiten Knotenpunkt angeschlossen und eine Drain-Elektrode des ersten Treibertransistors ist mit einer Versorgungsspannung angeschlossen oder verbindbar. Ein Widerstand ist mit einem Ende an den zweiten Knotenpunkt angeschlossen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand mit dem anderen Ende an den ersten Knotenpunkt angeschlossen ist.

Mithilfe des ersten Treibertransistors lässt sich so bewirken, dass am Steuersignalausgang die Versorgungsspannung anliegt wenn am Steuersignaleingang ein Low-Level Signal anliegt.

Durch Anlegen einer negativen Spannung an den zweiten Knotenpunkt gegenüber dem ersten Knotenpunkt wird der erste Treibertransistor gesperrt. Da der Widerstand mit dem anderen Ende an den ersten Knotenpunkt angeschlossen ist, ist der Spannungsabfall über dem Widerstand und damit die Verlustleistung des Treibers, durch die Spannung am

Steuersignalausgang bestimmt. Diese ist, zumindest wenn der erste Treibertransistor sperrt, geringer als die Spannung der positiven Spannungsquelle, so dass der Treiber im Schnitt eine geringere Verlustleistung hat.

Die Vorrichtung umfasst eine erste negative Spannungs-quelle, die eine erste Spannung zur Verfügung stellt, und einen zweiten Treibertransistor. Eine Source-Elektrode des zweiten Treibertransistors ist an die erste negative Spannungsquelle angeschlossen, eine Gate- Elektrode des zweiten Treibertransistors ist an den Signaleingang angeschlossen und eine Drain-Elektrode des zweiten Treiber-transistors ist an den ersten Knotenpunkt

angeschlossen.

Die Spannung der negativen Spannungsquelle bestimmt dann die Spannung am

Steuersignalausgang, wenn der erste Treibertransistor sperrt und der zweite Treibertransistor leitet. Die Vorrichtung kann auch eine zweite negative Spannungsquelle und einen dritten

Treibertransistor umfassen. Dabei kann eine Source-Elektrode des dritten Treibertransistors mit der zweiten negativen Spannungsquelle, die eine zweite Spannung bereitstellt, angeschlossen sein. Eine Drain-Elektrode des dritten Transistors kann an den zweiten Knotenpunkt angeschlossen sein.

Mithilfe des dritten Treibertransistors lässt sich bewirken, dass der erste Treibertransistor zuverlässig sperrt, wenn am Signaleingang ein High-Level Signal anliegt. Mithilfe des Widerstandes lässt sich bewirken, dass der erste Treibertransistor leitet, wenn am

Signaleingang ein Low-Level Signal anliegt. Insbesondere können ein Widerstandswert des Widerstandes und eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten negativen Spannung und der zweiten negativen Spannung so gewählt werden, dass ein Spannungsabfall über den Widerstand bewirkt, dass der erste Transistor zuverlässig sperrt und eine Verlustleistung am Widerstand möglichst gering ist.

Die Vorrichtung kann eine Gleichspannungsquelle umfassen. Eine Gate-Elektrode des dritten Treibertransistors kann mit einer negativen Seite der Gleichspannungsquelle angeschlossen und eine positive Seite der Gleichspannungsquelle kann an den

Steuersignaleingang angeschlossen sein.

So lässt sich mithilfe einer Gleichspannungsbeaufschlagung auf das Gate des dritten Treibertransistors bewirken, dass der dritte Treibertransistor zuverlässig die zweite negative Spannung auf den zweiten Knoten schaltet, wenn am Signaleingang das High-Level Signal anliegt.

Der erste Treibertransistor kann ein selbstleitender Feldeffekttransistor sein.

Die weiterhin vorgestellte Vorrichtung umfasst mindestens einen selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistor mit einer Source-Elektrode, deren Potenzial mit einer

Ausgangsspannung der Vorrichtung mitschwingt, und einer Vorrichtung zur Ansteuerung des selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistors nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Die weiterhin vorgestellte Vorrichtung kann eine fünfte Spannungsquelle umfassen, die eine positive Versorgungsspannung bereitstellt, wobei eine Drain-Elektrode des selbstleitenden n- Kanal Endstufentransistors an die fünfte Spannungsquelle angeschlossen sein kann und die Versorgungsspannung um mindestens eine Größenordnung größer als eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten negativen Spannung und der zweiten negativen Spannung sein kann.

Ein integrierter Schaltkreis kann die weiterhin vorgestellte Vorrichtung umfassen.

Die weiterhin vorgestellte Vorrichtung und/oder der integrierte Schaltkreis kann in einem spannungsgeschalteten Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärker verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der

nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Low-Side Treibertransistors nach Stand der Technik, und

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Ansteuerung eines High-Side Treibertransistors.

Ausführungsbeispiel

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines selbstleitenden n-Kanal Low-Side Endstufenfeldeffekttransistors V2 nach Stand der Technik.

Die Vorrichtung umfasst einen ersten Treibertransistor V7, einen Steuersignaleingang 1 10 und einen Steuersignalausgang 120. Der Steuersignalausgang 120 ist an eine Gate- Elektrode des selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistors V2 angeschlossen oder vorgerichtet, an eine solche Gate-Elektrode angeschlossen zu werden. Die Drain-Elektrode des selbstleitenden n-Kanal Low-Side Endstufenfeldeffekttransistors V2 ist an den Ausgang CT angeschlossen und die Source-Elektrode des selbstleitenden n-Kanal Low-Side

Endstufenfeldeffekttransistors V2 ist mit Masse GND verbunden. Der Steuersignalausgang 120 ist an einen ersten Knotenpunkt N1 angeschlossen. Der erste Knotenpunkt N1 ist an eine Source-Elektrode V7S des ersten Treibertransistors V7 angeschlossen. Eine Drain-Elektrode V7D des ersten Treibertransistors V7 ist an eine positive Spannungsquelle PS angeschlossen. Eine Gate-Elektrode V7G des ersten

Treibertransistors V7 ist mit einem zweiten Knotenpunkt N2 angeschlossen. Der

Steuersignaleingang 1 10 ist an eine Gate-Elektrode V8G eines zweiten Treibertransistors V8 angeschlossen. Eine Drain-Elektrode V8D des zweiten Treibertransistors V8 ist an den ersten Knotenpunkt N1 angeschlossen. Der Steuersignaleingang 1 10 ist weiterhin an eine positive Seite einer Gleichspannungsquelle GSQ angeschlossen. Eine negative Seite der Gleichspannungsquelle GSQ ist an eine Gate-Elektrode V6G eines dritten Treibertransistors V6 angeschlossen. Eine Drain-Elektrode V6D des dritten Treibertransistors V6 ist an den zweiten Knotenpunkt N2 angeschlossen.

Eine Source-Elektrode V8S des zweiten Treibertransistors V8 ist an eine erste negative Spannungsquelle NS1 , die eine erste negative Spannung -Ve bereitstellt, angeschlossen. Eine Source-Elektrode V6S des dritten Treibertransistors V6 ist an eine zweite negative Spannungsquelle NS2, die eine zweite negative Spannung -Vee bereitstellt, die geringer als die erste negative Spannung -Ve ist, angeschlossen.

Zwischen der positiven Spannungsquelle PS und dem zweiten Knotenpunkt N2 ist ein Widerstand R2 angeordnet, der an die positive Spannungsquelle PS und den zweiten Knotenpunkt N2 angeschlossen ist.

Die zum Sperren von V7 und damit V2 benötigte Verlustleistung ist dabei durch die

Stromstärke des Stroms bestimmt, der durch den Widerstand R2 fließt, der wiederum von abhängt:

Da die Spannungsdifferenz V _PS - Vee bei Leistungsverstärkern um mindestens eine

Größenordnung kleiner ist, als die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers +Vdd, ist die Verlustleistung des Widerstandes P _Ver relativ gering.

Bei Verwendung als High-Side Treiber ist das Drain von V2 an die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers +Vdd angeschlossen, während Source von V2 an CT

angeschlossen ist. Für eine korrekte Funktion des Treibers muss V _PS mindestens so hoch wie die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers +Vdd sein. Dadurch wird die Verlustleistung von R2 erheblich größer.

Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Ansteuerung eines selbstleitenden n-Kanal High-Side Endstufenfeldeffekttransistors V1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die unter anderem weniger Verlustleistung hat.

Im Unterschied zu der Vorrichtung aus Figur 1 ist hier die Source-Elektrode des

selbstleitenden n-Kanal High-Side Endstufenfeldeffekttransistors V1 an den Ausgang CT angeschlossen die Drain-Elektrode des selbstleitenden n-Kanal High-Side

Endstufenfeldeffekttransistors V1 an eine positive Spannungsquelle +Vdd angeschlossen. Weiterhin ist der Widerstand R1 zwischen dem ersten und dem zweiten Knotenpunkt N 1 , N2 angeordnet.

Die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung 100 umfasst einen ersten Treibertransistor V4, einen Steuersignaleingang 1 10 und einen Steuersignalausgang 120. Der Steuersignalausgang 120 ist an eine Gate-Elektrode V1 G des selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistors V1 angeschlossen oder vorgerichtet, an eine solche Gate-Elektrode V1 G angeschlossen zu werden.

Der Steuersignalausgang 120 ist mit einem ersten Knotenpunkt N1 angeschlossen. Der erste Knotenpunkt N1 ist an eine Source-Elektrode V4S des ersten Treibertransistors V4 angeschlossen. Eine Gate-Elektrode V4G des ersten Treibertransistors V4 ist mit einem zweiten Knotenpunkt N2 angeschlossen. Der Steuersignaleingang 1 10 ist an eine Gate- Elektrode V5G eines zweiten Treibertransistors V5 angeschlossen. Eine Drain-Elektrode V5D des zweiten Treibertransistors V5 ist an den ersten Knotenpunkt N1 angeschlossen. Der Steuersignaleingang 1 10 ist weiterhin an eine positive Seite einer

Gleichspannungsquelle GSQ angeschlossen. Eine negative Seite der

Gleichspannungsquelle GSQ ist an eine Gate-Elektrode V3G eines dritten Treibertransistors V3 angeschlossen. Eine Drain-Elektrode V3D des dritten Treibertransistors V3 ist an den zweiten Knotenpunkt N2 angeschlossen.

Eine Source-Elektrode V5S des zweiten Treibertransistors V5 ist an eine erste negative Spannungsquelle NS1 , die eine erste negative Spannung bereitstellt, angeschlossen. Eine Source-Elektrode V3S des dritten Treibertransistors V3 ist an eine zweite negativen

Spannungsquelle NS2, die eine zweite negative Spannung bereitstellt, die geringer als die erste negative Spannung ist, angeschlossen. Zwischen dem ersten und dem zweiten Knotenpunkt N1 , N2 ist ein Widerstand R1 angeordnet, der an die Knotenpunkte N1 , N2 angeschlossen ist.

Eine Drain-Elektrode V4D des ersten Treibertransistors V4 ist an eine positive

Spannungsquelle, oder an eine Source-Elektrode V1 S des selbstleitenden n-Kanal

Endstufenfeldeffekttransistors V1 angeschlossen oder hierfür verbindbar vorgerichtet.

In einer vorteilhaften beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Transistor V4 ein selbstleitender Feldeffekttransistor.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine Vorrichtung zur elektronischen Verstärkung einer Wechselspannung in Gegentaktschaltung dar. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistor V1 an eine Source- Elektrode V1 S deren Potenzial an eine Ausgangsspannung der Vorrichtung mitschwingt. Zur Ansteuerung des selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistors V1 umfasst die Vorrichtung die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung zur Ansteuerung des selbstleitenden n-Kanal High-Side Endstufenfeldeffekttransistors V1 .

Die Versorgungsspannung +Vdd, mit der der Endstufenfeldeffekttransistor V1 versorgt wird, ist dabei beispielsweise um mindestens eine Größenordnung größer als eine

Spannungsdifferenz zwischen der ersten negativen Spannung und der zweiten negativen Spannung.

Die Drain-Elektrode des ersten Treibertransistors V4 kann an die Drain-Elektrode des selbstleitenden n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistors oder an dessen Source-Elektrode angeschlossen sein.

In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Vorrichtung zur elektronischen Verstärkung und/oder die Vorrichtung zur Ansteuerung eines selbstleitenden n-Kanal High- Side Endstufenfeldeffekttransistors als integrierter Schaltkreis realisiert.

Schließlich werden in einem Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung zur elektronischen Verstärkung und/oder die Vorrichtung zur Ansteuerung eines

selbstleitenden n-Kanal High-Side Endstufenfeldeffekttransistors in einem

spannungsgeschalteten Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärker verwendet. In einem Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum verlustarmen Ansteuern von Leistungs-Transistoren in elektronischen Wechselspannungs- Verstärkerstufen in Gegentaktschaltung, wobei diese Verstärker mindestens einen selbstleitenden n-Kanal FET als Treibertransistor aufweisen, dessen Source nicht auf konstantem Potenzial liegt, sondern mit der Ausgangsspannung des Verstärkers

mitschwingt, was auch als floatendes Potenzial bezeichnet wird.

Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als "High-side-driver" in

spannungsgeschalteten Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärkern eingesetzt werden.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung als "High-side-driver" für einen spannungsgeschalteten Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärker wird im Folgenden anhand der Figur 2 beschrieben.

Der Endstufen-FET V1 wird vom High-side-driver angesteuert, bestehend aus V3, V4, V5 und R1 . An der Source-Elektrode des Treibertransistors (im Folgenden kurz: Transistor) V1 wird die Ausgangsspannung abgegriffen. Am Steuersignalausgang 120 liegt die

Steuerspannung des High-side-drivers an, die an die Gate-Elektrode V5G angelegt wird. Die Steuerspannung wird zudem mit einem DC Bias beaufschlagt und mit dem Aufschlag an die Gate-Elektrode V3G des Transistors V3 angelegt.

Die im Folgenden genannten Spannungen beziehen sich - soweit nicht anders beschrieben - auf Masse oder das Potenzial der Source-Elektrode V2S

Fall I: V1 soll leitend sein

Ein niedriger Pegel wird an den Steuersignaleingang angelegt. Dies bewirkt, dass die Transistoren V3 und V5 sperren. Daher kann kein Strom durch den Widerstand R1 fließen, der notwendig wäre, den selbstleitenden Transistor V4 des Ausführungsbeispiels zu sperren. Transistor V4 ist also leitend.

Da der Kanal von V4 (Drain-Source-Spannung) parallel zum Eingang (Gate-Source- Spannung) von V1 liegt, bewirkt Transistor V4, wenn er leitend ist, dass die Spannungsdifferenz zwischen Gate- und Source-Elektrode des selbstleitenden Transistors V1 Null ist. Transistor V1 ist dann auch leitend. Fall II: V1 soll sperren

Ein hoher Pegel wird an den Steuersignaleingang 1 10 angelegt. Dies bewirkt, dass die Transistoren V3 und V5 leiten. Am Knotenpunkt N1 liegt dann die Spannung -Ve an. Diese Spannung -Ve wird auch an die Gate-Elektrode des Transistors V1 angelegt. Am

Knotenpunkt N2 liegt die Spannung -Vee an, die niedriger als -Ve ist. Zwischen den Knotenpunkten N1 und N2 besteht also eine Spannungsdifferenz. Daher fließt Strom durch den Widerstand R1 , der notwendig ist, den selbstleitenden Transistor V4 des Ausführungsbeispiels zu sperren. Transistor V4 sperrt also. Die Spannung an der Source-Elektrode V1 S ist nie negativ, während an der Gate-Elektrode V1 G die negative Spannung -Ve anliegt, so dass zwischen Source- und Gate-Elektrode ein Spannungsabfall vorliegt. Dieser bewirkt, dass V1 sperrt.

Die zum Sperren benötigte Verlustleistung ist dabei durch die Stromstärke des Stroms bestimmt, der durch den Widerstand R1 fließt:

Insbesondere ist die Verlustleistung unabhängig von einer Versorgungspannung, mit der der selbstleitende n-Kanal Endstufenfeldeffekttransistor V1 versorgt wird.

In weiteren beispielhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist der Treiber DC-gekoppelt und enthält keine reaktiven Elemente. Dann arbeitet der Treiber unabhängig von Trägerfrequenz und Tastverhältnis.

In einer noch weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die Erfindung als integrierter Schaltkreis realisiert.