DE3844393A1

DE3844393A1 - Schaltungsanordnung mit geschalteter spule

Info

Publication number: DE3844393A1
Application number: DE3844393A
Authority: DE
Inventors: Anthony Alan Lane
Original assignee: Plessey Overseas Ltd
Current assignee: BAE Systems Defence Systems Ltd
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1990-07-05
Also published as: GB8725455D0; GB2211987B; FR2640445B1; GB2211987A; US5021758A; FR2640445A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit geschalteter Spule zum An- und Abschalten einer spiralenför migen Spule an eine bzw. von einer Schaltung.

Schaltungen wie spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCS′s), geschaltete Filter und insbesondere Phasenschieber müssen oft die Fähigkeit haben, eine oder mehrere Spulen an die Schaltung anzuschalten oder von der Schaltung abzuschalten.

Ein breitbandiger, mit konstanter Phase arbeitender Mikro wellen-Phasenschieber, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein typisches Beispiel einer solchen Schaltung; dieser Pha senschieber macht von einer geschalteten Spule Gebrauch. Zur Erzielung der Phasenverschiebung wird die Schaltung durch die Parallelschaltung einer spiralenförmigen Spule und eines MESFET 4 mit Hilfe der geschalteten Spule zwischen einem Hochpaßzustand und einem Tiefpaßzustand umgeschaltet. Im Tiefpaßzustand ist die Spule 2 nach Masse kurzgeschlossen, indem der MESFET 4 in seinen "Ein"-Zustand vorgespannt ist, so daß die spiralenförmige Spule 2 von der Schaltung abge schaltet ist. Im Hochpaßzustand ist der MESFET 4 in seinen "Aus"-Zustand vorgespannt, was ermöglicht, daß die Spule 2 normal arbeitet.

Eine praktische Ausführung der spiralenförmigen Spule 2 und des MESFET 4 ist in Fig. 2 dargestellt. Der MESFET 4 ist zum Teil auf einem aktiven GaAs-Mesa angebracht. Der MESFET 4 ist über eine Übertragungsleitung 5 mit dem spiralenförmigen Leiter 2 gekoppelt.

In Fig. 3 sind zwei Ersatzschaltbilder für die Spule 2 und den MESFET 4 von Fig. 2 dargestellt. Das Ersatzschaltbild von Fig. 3a zeigt den Hochpaßzustand, bei dem der MESFET 4 in seinen "Aus"-Zustand vorgespannt ist, während in Fig. 3b der Tiefpaßzustand dargestellt ist, bei dem der MESFET 4 in seinen "Ein"-Zustand vorgespannt ist. In beiden Fällen ist die geschaltete Spule durch parasitäre Kapazitäten aufgrund der Source-Drain-Kapazität C _ds, der Drain-Masse-Kapazität C _d und der Spiralkapazität C ₁ beeinträchtigt. Wenn die geschal tete Spule bei Mikrowellenfrequenzen arbeitet, können diese Störgrößen die Größenordnung mehrerer Ohm haben. Diese para sitären Kapazitäten, die parallel zur Spule 2 liegen, können daher die Eigenresonanzfrequenz der Spule 2 herabsetzen und somit eine Verschlechterung des Hochfrequenzverhaltens der geschalteten Spule bewirken.

Außerdem wird die geschaltete Spule durch Störgrößen beein trächtigt, die auf Diskontinuitäten an den Übergängen zwi schen dem MESFET 4 und der Spule 2, auf Leitungslängenver luste und Verbindungsverluste zurückzuführen sind.

Mit Hilfe der Erfindung soll somit eine Schaltungsanordnung geschaffen werden, die zur Vermeidung der oben erwähnten Nachteile eine geschaltete Spule aufweist.

Nach der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung mit geschal teter Spule zum An- und Abschalten einer spiralenförmigen Spule an eine bzw. von einer Schaltung dadurch gekennzeich net, daß die spiralenförmige Induktivität mit einem Metall- Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) parallel geschaltet ist, wobei die spiralenförmige Spule mehrere Windungen auf weist, von denen jede eine Anzahl von Abschnitten bildet, und daß der MESFET eine gerade Zahl von Gate-Elektroden auf weist, von denen jede auf einem aktiven Mesa angebracht ist, wobei wenigstens eine Gate-Elektrode und wenigstens ein Ab schnitt wenigstens einer Windung der spiralenförmigen Spule einander benachbart auf dem aktiven Mesa angebracht sind.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die spiralenförmige Spule zwei oder mehr Windungen aufweist und daß zwischen zwei Ab schnitten benachbarter Windungen der spiralenförmigen Spule wenigstens eine Gate-Elektrode liegt, wobei die Gate-Elek trode und die zwei Abschnitte auf dem aktiven Mesa ange bracht sind.

Es können aber auch zwei MESFET vorgesehen sein und die spi ralenförmige Spule kann eine ungerade Anzahl von Windungen aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß für jede Gate-Elektrode ein jeweiliger Abschnitt wenigstens einer Windung der spiralenförmigen Spule aneinander angrenzend auf dem aktiven Mesa vorgesehen ist. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die relative Lage jeder Gate-Elektrode bezüglich wenigstens eines Abschnitts ermöglicht, daß die spiralenförmige Spule eine abgestufte Induktivität hat.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Schaltungsanordnung Mittel enthält, die die spiralenförmige Spule an Masse legen, wobei die Mittel mit der spiralenförmigen Spule verbunden sind, wobei eine Weiterbildung darin besteht, daß die Mittel, die die spiralenförmige Spule an Masse legen, eine Übertra gungsleitung enthalten, die mit einem Masseanschlußkontakt elektrisch gekoppelt ist, wobei der Masseanschlußkontakt mit einem Massepotentiel elektrisch in Verbindung steht.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die Mittel zum Anlegen von Masse an die spiralenförmige Spule ein durchkontaktiertes Loch enthalten, das mit einem Massepotential elektrisch in Verbindung steht.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert, wobei auf die Fig. 1 bis 3 bereits eingangs Bezug genommen worden ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Phasenschiebers nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein maßstäblich gezeichnetes Diagramm einer Spule und eines MESFET gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3a, 3b zwei Ersatzschaltbilder der Spule und des MESFET von Fig. 2,

Fig. 4 ein ebenso wie Fig. 2 maßstäblich gezeichnetes Diagramm einer geschalteten Spule gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 4,

Fig. 6a, 6b zwei Ersatzschaltbilder der geschalteten Spule gemäß der bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 7 ein Diagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 ein Diagramm einer geschalteten Spule gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 9 ein Diagramm einer geschalteten Spule gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Es ist zu erkennen, daß gleiche Merkmale der Ausführung nach dem Stand der Technik und der Ausführung nach der Erfindung in der Zeichnung mit den gleichen Bezugszeichen angegeben sind.

Nach den Fig. 4 und 5 enthält die bevorzugte Ausführungs form eine spiralenförmige Spule 2 und einen damit parallel geschalteten MESFET 4 zur Bildung einer geschalteten Spule. Der MESFET 4 weist zwei Gate-Elektroden 6 auf, von denen je de auf einem aktiven GaAs-Mesa 8 angebracht ist.

Der aktive GaAs-Mesa 8 besteht aus einem geeignet dotierten Mesa, der aus einem (nicht dargestellten) GaAs-Substrat her gestellt ist. Die zur Herstellung des aktiven Mesa 8 und zum Anbringen der Gate-Elektroden 6 auf dem aktiven Mesa 8 ange wendeten Verfahren sind bekannt, so daß sie hier nicht näher erläutert werden. Die spiralenförmige Spule 2 weist zwei Windungen 12 auf, von denen jede vier Abschnitte bildet. Die spiralenförmige Spule 2 ist mit einer Quelle 10 gekoppelt und teilweise auf dem Substrat angebracht.

Bei der geschalteten Spule liegen die Gate-Elektroden 6 des MESFET 4 zwischen benachbarten Abschnitten 12 der spiralen förmigen Spule 2. Diese Abschnitte 12, zwischen denen die Gate-Elektroden 6 liegen, befinden sich jedoch ebenfalls auf dem aktiven GaAs-Mesa 8. Diese Kombination des MESFET 4 und der spiralenförmigen Spule 2 ermöglicht eine Parallelschal tung bei gleichzeitiger Einsparung einer beträchtlichen Mesafläche, was durch einen Vergleich der Fig. 2 und 4 veranschaulicht ist.

Die geschaltete spiralenförmige Spule 2 kann an eine (nicht dargestellte) Schaltung, mit der sie verbunden ist, ange schaltet oder auch von dieser Spule abgeschaltet werden, wie nachfolgend erläutert wird.

Wenn an die Gate-Elektroden 6 über einen Steuergleichspan nungsanschluß 14 eine negative Vorspannung angelegt wird, tritt im aktiven GaAs-Mesa 8 eine Verarmung an Ladungsträ gern ein, die bewirkt, daß die Abschnitte 12 voneinander isoliert werden. Das Leiten kann nun nur über die normale Metallisierung der Windungen 12 stattfinden, so daß die spi ralenförmige Spule 2 normal arbeiten kann.

Wenn über den Steuergleichspannungsanschluß 14 eine Null- Vorspannung an die Gate-Elektroden 6 angelegt wird, wird der aktive GaAs-Mesa 8 leitend. Dadurch werden die Windungen 12 direkt zum Mittelpunkt der Spirale kurzgeschlossen, so daß der spiralenförmige Leiter 2 von der (nicht dargestellten) Schaltung abgetrennt wird.

In Fig. 6a ist die oben beschriebene geschaltete Spule im angechalteten Zustand dargestellt, während in Fig. 6b die geschaltete Spule im von der Schaltung abgeschalteten Zu stand dargestellt ist. Ein Vergleich von Fig. 6 mit Fig. 3 zeigt, daß Störeinflüsse, die auf die Source-Drain- und Drain-Masse-Kapazitäten zurückzuführen sind, vermieden wer den.

Aufgrund der Verwendung der geschalteten Spule wird auch die Notwendigkeit der Verwendung einer Übertragungsleitung 5 (Fig. 2) beseitigt, und es werden die Ungewißheiten vermie den, die von den Diskontinuitäten an den Verbindungen zwi schen dem MESFET 4 und der Übertragungsleitung 5 sowie zwi schen der Übertragungsleitung 5 und der spiralenförmigen Spule 2 hervorgerufen werden.

Das Ersatzschaltbild der geschalteten Spule bei im "Aus"- Zustand befindlichem MESFET 4 (siehe Fig. 6b) dient nahezu vollständig mit dem Ersatzschaltbild der spiralenförmigen Spule 2 allein überein. Die Störgröße aufgrund der Spiral kapazität C ₂ ist jedoch geringfügig größer als die Eigenka pazität C ₁ der spiralenförmigen Spule 2 allein. Dies ist auf die Anwesenheit der Gate-Elektroden 6 und des aktiven Mesas 8 zwischen den Abschnitten 12 zurückzuführen. Trotzdem ist die parasitäre Kapazität C ₂ der geschalteten Spule immer noch kleiner als alle Störgrößen, die in der Schaltung nach dem Stand der Technik vorhanden sind.

Es bleiben auch noch der Widerstand R der spiralenförmigen Spule 2 und der Widerstand R _on des im "Ein"-Zustand befind lichen MESFET bestehen, die zu Unzulänglichkeiten der Schal tung beitragen.

Die spiralenförmige Spule 2 der bevorzugten Ausführung ist über eine Masseübertragungsleitung 16 mit einer (nicht dar gestellten) Masseebene verbunden. Die Masseübertragungslei tung 16 ist mit Hilfe eines Masseanschlußkontakts 20 mit der Masseebene verbunden, der normalerweise an einem (nicht dar gestellten) Chip-Rand sitzt. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 7 dargestellt ist, ist die spira lenförmige Spule 2 jedoch unter Verwendung eines durchkon taktierten Lochs 18 mit der Masseebene verbunden. Die Über tragungsleitung 16 und der Masseanschlußkontakt 20 sind da her überflüssig, was zu einer niedrigeren Spiralkapazität C ₂ führt. Außerdem wird dadurch mehr Platz auf dem GaAs-Mesa eingespart, während die Notwendigkeit beseitigt wird, die geschaltete Spule am Chip-Rand anzuordnen.

In der in Fig. 8 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung hat die spiralenförmige Spule 2 eine ungerade An zahl von Windungen 12. Zur Erzielung eines perfekten Kurz schlusses für den Fall, daß die spiralenförmige Spule 2 von der Schaltung abgetrennt werden soll, werden auf beiden Sei ten der spiralenförmigen Spule 2 zwei MESFET′s 4 verwendet.

Die in den Fig. 8 und 9 dargestellten geschalteten Spulen enthalten einen oder zwei MESFET 4 mit mehreren Gate-Elek troden 6. Jede Gate-Elektrode 6 befindet sich zwischen zwei Windungen 12 der spiralenförmigen Spule 2, so daß getrennte Gate-Elektroden 6 isoliert voneinander vorgespannt werden können. Dies ermöglicht es, eine unterschiedliche Anzahl von Windungen 12 an eine (nicht dargestellte) Schaltung anzu schalten oder von einer solchen Schaltung abzuzschalten, wo durch eine abgestufte Änderung der Induktivität der spira lenförmigen Spule 2 erzielt werden kann. Diese Art der ge schalteten Spule findet speziell Anwendung in Schaltungen wie spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO′s) und spannungs gesteuerten Filtern.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird mit dem Ausdruck "geschaltete Spule" eine mit einem MESFET parallel geschaltete spiralenförmige Spule verstanden.

Die obigen Ausführungsformen sind nur als Beispiel beschrie ben worden, jedoch ist für den Fachmann zu erkennen, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Abwandlungen möglich sind.

Claims

1. Schaltungsanordnung mit geschalteter Spule zum An- und Abschalten einer spiralenförmigen Spule an eine bzw. von einer Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralen förmige Induktivität mit einem Metall-Halbleiter-Feldeffekt transistor (MESFET) parallel geschaltet ist, wobei die spi ralenförmige Spule mehrere Windungen aufweist, von denen jede eine Anzahl von Abschnitten bildet, und daß der MESFET eine gerade Zahl von Gate-Elektroden aufweist, von denen jede auf einem aktiven Mesa angebracht ist, wobei wenigstens eine Gate-Elektrode und wenigstens ein Abschnitt wenigstens einer Windung der spiralenförmigen Spule einander benachbart auf dem aktiven Mesa angebracht sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die spiralenförmige Spule zwei oder mehr Win dungen aufweist und daß zwischen zwei Abschnitten benachbar ter Windungen der spiralenförmigen Induktivität wenigstens eine Gate-Elektrode liegt, wobei die Gate-Elektrode und die zwei Abschnitte auf dem aktiven Mesa angebracht sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei MESFET vorgesehen sind und daß die spi ralenförmige Spule eine ungerade Anzahl von Windungen auf weist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Gate-Elektrode ein jeweiliger Abschnitt wenigstens einer Windung der spira lenförmigen Spule aneinander angrenzend auf dem aktiven Mesa vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die relative Lage jeder Gate-Elektrode bezüg lich wenigstens eines Abschnitts ermöglicht, daß die spira lenförmige Spule eine abgestufte Induktivität hat.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit dem MESFET elektrisch gekoppelte Energiequelle enthält.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektrisch mit der spiralenförmigen Spule gekoppelte Frequenzquelle enthält.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel enthält, die die spiralenförmige Spule an Masse legen, wobei die Mittel mit der spiralenförmigen Spule verbunden sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel, die die spiralenförmige Spule an Masse legen, eine Übertragungsleitung enthalten, die mit einem Masseanschlußkontakt elektrisch gekoppelt ist, wobei der Masseanschlußkontakt mit einem Massepotentiel elektrisch in Verbindung steht.

10. Schaltungsasnordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zum Anlegen von Masse an die spira lenförmige Spule ein durchkontaktiertes Loch enthalten, das mit einem Massepotential elektrisch in Verbindung steht.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie teilweise auf einem GaAs-Substrat angebracht ist.