DE1272981B - Torschaltung mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche KL: 21 al - 36/18

Nummer: 1272981

Aktenzeichen: P 12 72 981.6-31 (R 44878)

Anmeldetag: 21. Dezember 1966

Auslegetag: 18. Juli 1968

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Torschaltung, die mit Feldeffekttransistoren arbeitet.

Sogenannte Torschaltungen werden beispielsweise dazu verwendet, Informations- oder anderweitige Signale selektiv über einen Übertragungskanal von einer Stelle nach einer anderen zu leiten. Es ist bekannt, für eine derartige Torschaltung einen einzelnen Feldeffekttransistor zu verwenden. Bei derartigen Anordnungen ergibt sich eine Schwierigkeit daraus, daß die Ubertragungseigenschaften eines solchen Transistors in Abhängigkeit von der übertragenen Information schwanken. Wenn beispielsweise digitale Signale übertragen werden, kann der Schalttransistor für den einen digitalen Signalwert in Quellenschaltung und für den anderen digitalen Signalwert als sogenannter Quellenfolger, d. h. in Abflußschaltung arbeiten.

Im letzteren Fall erreicht die zum Empfangspunkt übertragene Spannung wegen der Schwellwerteigenschaft des Transistors nicht den vollen Wert der ao Sendespannung, und zwar kann es, je nach dem Wert der Schwellenspannung des betreffenden Transistors, geschehen, daß die tatsächlich zum Empfangspunkt gelangende Spannung nicht ausreicht, um die dort angeschaltete Stufe zu tasten oder anderweitig in der für den gewünschten Betrieb erforderlichen Weise richtig auszusteuern. Eine noch ernstere Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß die zum Empfangspunkt übertragene Spannung längere Zeit benötigt, um den Schwellenwert der Empfangsstufe zu erreichen, als erforderlich wäre, wenn die volle Sendespannung tatsächlich zum Empfangspunkt übertragen würde. Dadurch wird die Gesamtarbeitsgeschwindigkeit des betreffenden Systems unnötig beschränkt und insbesondere die Folgefrequenz der Arbeitsgänge der verschiedenen Stufen und/oder Bauelemente herabgedrückt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine in dieser Hinsicht verbesserte Torschaltung zu schaffen, und zwar soll die Torschaltung aus Feldeffekttransistoren aufgebaut sein.

Die Schaltung soll mit zwei Feldeffekttransistoren entgegengesetzten Leitungstyps so arbeiten, daß ihre Ubertragungseigenschaften unabhängig von der Richtung des Stromflusses durch das Tor sowie vom Wert der übertragenen Signale stets die gleichen sind.

Die Schaltung soll in der Lage sein, die volle Sendespannung zum Empfangspunkt zu übertragen.

Erfindungsgemäß ist, kurz gesagt, eine Torschaltung vorgesehen, bei der zwei Feldeffekttransistoren entgegengesetzten Leitungstyps mit ihren stromführenden Kanälen in Parallelschaltung zwischen den Torschaltung mit Feldeffekttransistoren

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

8000 München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Joseph Richard Burns, Trenton, N. J.;

John James Bison,

Princeton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 21. Dezember 1965
(515413)

Sendepunkt und den Empfangspunkt des Übertragungsweges gekoppelt sind. Den Steuerelektroden dieser Transistoren sind selektiv Signale zugeführt, durch welche die beiden Transistoren gleichzeitig entweder geöffnet oder gesperrt werden.

In der Zeichnung, in der gleiche Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, zeigt

Fig. 1 das Schaltschema einer Torschaltung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine typische Strom-Spannungs-Charakteristik des isolierten Feldeffekttransistors,

F i g. 3 Zeit-Ausgangsspannungs-Kennlinien eines Feldeffekttransistors für verschiedene Betriebsbedingungen und

Fig. 4 das Schaltschema einer erfindungsgemäßen Schleusenschaltung.

Bei der im Schaltbild nach Fig. 1 wiedergegebenen Torschaltung liefert eine im Block 10 enthaltene Sendestufe an ihrem Ausgang 12 die zu übertragenden Signale. Die Sendestufe ist hier beispielsweise als ein Schalter 14 gezeigt, dessen Schaltarm entweder auf den Kontakt 16 oder auf den Kontakt 18 geschaltet werden kann. Der Kontakt 16 liegt direkt an Masse, während der Kontakt 18 mit dem positiven Pol einer Batterie 20, deren negativer Pol an Masse liegt, verbunden ist. Je nach der Einstellung des Schaltannes hat das Ausgangssignal der Stufe am Sendepunkt 12 einen Spannungspegel von entweder 0

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(Massepotential) oder + F₀ Volt, wobei F₀ die Spannung der Batterie 20 ist. Die am Sendepunkt 12 anstehende Spannung soll zum Eingang 24 der Empfangsstufe 26 übertragen werden. Die Last am Empfangspunkt 24 ist als ein Kondensator 28 angedeutet.

Die eigentliche Torschaltung enthält einen Feldeffekttransistor 32 vom n-Leitungstyp mit Quellenelektrode und Abflußelektrode 34, 36, deren eine 34 mit dem Sendepunkt 12 und deren andere 36 mit dem Empfangspunkt.24 verbunden ist. Die Steuerelektrode 38 ist mit einer Klemme 40 verbunden, der ein Steuersignal mit einer Spannung von entweder 0 oder V₀ Volt zugeführt wird.

Für den Feldeffekttransistor 32 kann beispielsweise

ein MOS-Transistor (Metalloxyd-Halbleitertransistor) oder ein Dünnschichttransistor mit isolierter Steuerelektrode verwendet werden. Bei den in F i g. 1 angegebenen Spannungsverhältnissen wäre der Transistor vom stromerhöhenden Typ. Für ändere Spannungsverhältnisse käme der stromdrosselnde. Typ und sogar ein unipolarer Typ in Frage. Die Eigenschaften der MOS- und'Dünnschichttransistoren sind gesperrt wird. Es sei nun angenommen, daß der Schaltarm des Schalters 14 auf den Kontakt 18 umgelegt wird. Die Spannung am Sendepunkt 12 beträgt dann + V₀ Volt. Während des nächsten Ubertragungsintervalls wechselt die Spannung an der Steuerelektrode 38 wieder auf + V₀ Volt. Da die Spannung an der Steuerelektrode 38 den gleichen Wert hat wie die Spannung an der Elektrode 34, die anfängliche Spannung an der Elektrode 36 dagegen 0 Volt beträgt, arbeitet der Transistor 32 jetzt als Quellenfolger, d. h. in Abflußschaltung mit der Elektrode 36 als Quelle und der Elektrode 34 als Abfluß. Eine Strom-Spannungs-Kennlinie 46 für den unter diesen Bedingungen arbeitenden Transistor 32 ist in F i g. 2. gezeigt.

Im Diagramm nach F i g. 2 ist die Spannungsdifferenz zwischen Quelle und Steuerelektrode auf der Abszisse aufgetragen. Da die Abflußelektrode 34 und die Steuerelektrode 38 das gleiche Potential führen, ist die auf der Abszisse aufgetragene Spannung außerdem gleich der Eingangsspannung am Sendepunkt 12, minus der Ausgangsspannung ,am Empfangspunkt 24. Der .Quellenstrom ist auf der Ordinate aufgetragen. , .. ..--■-■'. . ■';

Wenn der-Transistor 32 anfänglich geöffnet wird, beträgt· die Ausgangsspannung (oder Quellenspannung) Null und herrscht zwischen Quelle und Steuerelektrode ein Spannungsgefälle von V₀ Volt. Anfänglich fließt daher im Übertragungskanal ein Quellen^

allgemein bekannt. Es genügt, hier festzustellen, daß derartige Bauelemente in dem Sinne doppelseitig gerichtet sind, daß der Strom den durch die Quellen- und die Abflußelekfröde gebildeten leitenden Kanal , in beiden Richtungea-dürchfließen kann. Bei einem Transistor vom η-Typ gilt im allgemeinen die Quellenelektrode als diejenige Elektrode, aus welcher der

Strom im herkömmlichen Sinne fließt. Im vorliegen- 30 strom I₁, wie in Fi g„ 2 ersichtlich. In dem Maße, wie^ den Fall kann die'Elektrode 36 für den einen Wert ., sich der Kondensator 38 auflädt, wird das Span-, der Eingangsspannung am Sendepunkt 12 als' Quel- ' niingsgefälle zwischen ,QueUe und Steuerelektrode, lenelektrode und für den anderen-Wert der Ein- abgebaut^ so daß auch der Quellenstrom entsprechend gangsspannung als Abflußelektrode aufgefaßt werden. abnimmt, wie man wiederum, in. F i g. 2 .sieht, Wenn Es ist mitunter erwünscht und,in manchen. Fällen 35 sich der Kondensator 28 auf einen Wert.von F₀-F₇-,

. Volt (wobei F₇- die für die Stromleitung des Transistors erforderliche Schwellenspännung ist) aufgeladen· hat, wird der Transistor. 32 gesperrt, so daß sich ,'der Kondensator 28 nicht weiter aufladen kann. ....

Wenn also der Schalttränsistqr 32 in Äbflußschaltung arbeitet, kann.sich.deij. Kondensator28 nicht aui den vollen.Wert der, Seilspannung aufladen. Vielmehr erreicht die Sigpalsjpannung am Empfangspünkt

wesentlich,· "daß. die_i:volle am .Sendepunkt 12- anstehende Spannung zum Empfangspunkt 24 übertragen wird und dort erscheint: Bei der Verwendung eines einzigen Feldeffekttransistors in der Torschaltung ist nachteilig, daß unter gewissen Betriebsbedingungen nicht die volle Eingangsspannung auf-den Empfangspünkt übertragen wird. -'; Ess.ei.ängenommeh,.daß der Kondensator 28 an-

g gpjpg pgp

fänglich in der durch die dortigen Vorzeichen ange- 24 nur einen Wert, der gleich ist der Sendespannung deuteten Polarität aufgeladen ist. Es sei weiter an- 45 minus .der Schwellenspannung- des. Transistors... B.ej| genommen, daß ,der Schaltarm des Schalters 14 am einem typischen isolierten Feldeffekttransistpr .vorni geerdeten Kontakt 16 liegt. Der Transistor 32 ist ge-: ' stromerhöhenden Typ. kann diese, Schwellensparisperrt, wenn seine Steuerelektrode Nullpotential führt.' nung 2 oder 3 VqIt betragen.. Angenommen, V₀ be-Wechselt dann die Steuerspannung an der Steuer- trägp 10Volt,,so,bedeutet dies, daß die den Emp-j elektrode 38 auf +V₀ Volt, so wird der Transistor 32 50 fahgspunkt24 erreichende Signalspannung nur 7 ode.ij leitend. Bei den gegebenen Spannungsverhältnissen 8VoIt beträgt, d.-h.-nicht die volle Sendespannung¹

übertragen wird. . ■ .-,■-.. ■-;■'·,

Wenn die Torschaltung für die. Übertragung voii Signalen in digitalen Systemen verwendet wird, kann

sehen der Quellenelektrode 34 und der Steuetelek- 55 es vdrKbmme.n, daß .die den .Empfangspunkt 24 er-, t'rode 38 ein konstantes' Spannungsgefälle von +F₀ reichende. Signalspannung bei. Arbeiten des Transi-,

' ' — " * " stors in Abflußschaltung nicht ausreicht, um di§. an,

den E^mpfangspunkt angeschaltete Stufe zu tasten, zu schalten oder sonstwie'einwändfrei zu steuern.. Selbst

nannten Werte beibehalten. Es kann sich daher der 60 wenn die Spannung für den betreffenden Zweck aus-' Kondensator28.über den stromführenden Kanal des reicht, bleibt als noch ,schwerwiegenderer'Nachteil

die Tatsache bestehen, daß die. Spannung am Empfangspunkt 24 längere Zeit benötigt, um einen für die Steuerung, der angeschalteten Stufe ausreichenden Wert zu erreichen, als wenn die .volle Spannung F₀ Volt zum Empfangspünkt übertragen würde. Dies wird aus einer.Betrachtung der Spannungsyerläufe in

arbeitet der Transistor 32 in QueÜehschaltung mit der Elektrode 34 als Quelle und der Ele'ktrode.36. als Abfluß. Da die Quelle direkt geerdet ist, besteht zwi-

VoIt, und der Transistor bleibt so lange im.niederohmigen (hochleitenden) Zustand, wie die Spannungen am Schalter und an der Steuerelektrode die geTransistors 32. voll entladen, SOi daß die Spannung am Empfangspunkt 24 auf Null geht. Bei dieser Betriebsart wird somit die volle Spannung.am Sendepunkt 12 zum Empfangspunkt 24 übertragen., .

Am Ende des Übertr'agungsintervalls wechselt die Steuerspannung .an der. Steuerelektrode 38. von. +F₀

Voltauf Nu41pötenti^,\wor^uf^,"der^:.Tra^sistpr32 Fig. 3 deutlicher,ersichtlich.'

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Im Diagramm nach F i g. 3 sind auf der Abszisse sator 28 anfänglich ungeladen ist und die am Sendedie Zeit und auf der Ordinate die Spannung am punkt 12 anstehende Spannung den Wert + V₀ Volt Empfangspunkt 24 aufgetragen. Die Kurve 50 gibt hat. Wenn die Spannung vom Sendepunkt zum Empdie Zeit-Spannungs-Kennlinie für den Fall wieder, fangspunkt durchgeschaltet werden soll, beschickt die daß die volle Spannung von V₀ Volt vom Sendepunkt 5 Steuersignalquelle 70 die Steuerelektrode 38 mit einer 12 zum Empfangspunkt 24 übertragen wird. Die Spannung von +V₀ Volt und zugleich die Steuer-Kurve 52 ist die Zeit-Spannungs-Kennlinie für den signalquelle 72 die Steuerelektrode 66 mit NuIloben erläuterten Fall, daß die am Empfangspunkt potential. Der Transistor 32 arbeitet in Abflußschalschließlich erreichte Signalspannung V₀-V₇ beträgt. tung, und ein Strom im herkömmlichen Sinne fließt Wie man aus F i g. 3 sieht, erreicht die Signalspan- io unter Aufladung des Kondensators 28 vom Sendenung am Empfangspunkt 24 im ersten Fall, d. h. bei punkt 12 zum Empfangspunkt 24. Gleichzeitig arbeitet Übertragung der vollen V₀ Volt, den Wert + ν₅γ der zweite Transistor 60 in Quellenschaltung, aa. die Volt zum Zeitpunkt t_v Bei in Abflußschaltung arbei- Steuerelektrode 66 Nullpotential und die Quejlentendem Transistor erreicht dagegen die Spannung am elektrode 62 eine Spannung von + V₀ Volt fuhrt. Empfangspunkt diesen gleichen Wert erst zu einem 15 Der erste Transistor 32 wird aus den bereits erläuspäteren Zeitpunkt t₂. Das zwischen 0 und t₂ liegende terten Gründen gesperrt, wenn die Ladung des Kon-Zeitintervall kann beispielsweise dreimal so lang sein densators 28 den Wert V₀-V₇ Volt erreicht. Da jewie das zwischen 0 und t_t liegende Zeitintervall. Ist doch der zweite Transistor 60 in Quellenschalfung V_sw die Schaltspannung, d. h-i die am Empfangs- arbeitet, bleibt dieser Transistor 60 unabhängig punkt 24 für die Betätigung der angeschalteten Stufe 20 vom Ladungszustand des ,Kondensators 28 geöffnet, erforderliche Spannung, so folgt, daß eine erhebliche Der zweite Transistor 60 bietet als.o weiterhin Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, da der Tiran- einen niederohmigen Weg" fiif den Stromfluß_ryom sistor32^: geöffnet wird!," und dem Zeitpunkt, da die Sendepunkt 12 ' zum. EmpjEangspunkt 24,,, so;;^SJdaß nachgeschaltete Stufe tätig wird, besteht. Dies be- der Kondensator sich aiä" die "volle Sparifhing deutet, daß das gesamte System eine viel niedrigere 25 von + V₀ Volt aufladen kann und somit am Emp-Folgefrequenz oder Arbeitsgeschwindigkeit hat,.,als , fangs|»uiiktj24 die volle Sendespannung empfangen erreichbar wäre, wenn die volle Spannung von' +' V₀ wird.
Volt zum Empfangspunkt 24 übertragen würde. Bei Beendigung des Übertragungsintervalls werden

Die genannten Einschränkungen und Nachteile der der Transistor 32 durch die Steuersignalquelle 70 und bekannten Schleusenschaltung mit nur einem Transi- 30 der Transistor 60 durch die Steuersignalquelle 72 abstor werden durch die Erfindung beseitigt. Fig. 4 geschaltet bzw. gesperrt. Es sei nun angenommen, zeigt das Schaltschema der erfindungsgemäßen Tor- daß die Sendespannung am Punkt 12 von + V₀ Volt schaltung. Dabei ist der Feldeffekttransistor 32 vom auf 0 Volt wechselt. Während des nächsten Übern-Typ genauso wie bei der Schaltung nach Fig. 1 tragungsintervalls werden beide Transistoren durch zwischen den Sendepunkt 12 und den Empfangs- 35 die entsprechenden Steuersignalquellen 70 und 72 punkt 24 geschaltet. Zusätzlich ist ein zweiter Feld- wieder geöffnet. Der zweite Transistor 60 arbeitet effekttransistor 60 vom entgegengesetzten Leitungs- jetzt in Abflußschaltung mit der Elektrode 64 als typ, d. h. vom p-Typ, mit seinem stromführenden Quelle und der Elektrode 62 als Abfluß. Dieser Tran-Kanal parallel zum Kanal des Transistors 32 ge- sistor bietet so lange einen Stromweg für die Entschaltet. Der Kanal des Transistors 60 wird ebenfalls 40 ladung des Kondensators 28, bis die Spannung am durch eine Quellenelektrode und eine Abflußelektrode Empfangspunkt 24 auf einen Wert von V₇ Volt, d.h. gebildet. Die eine dieser Elektroden 62 ist direkt an die Leitungsschwelle des Transistors 60 abgefallen die Elektrode 34 des ersten Transistors 32 ange- ist. Jedoch arbeitet jetzt der erste Transistor 32 schaltet, während die andere der beiden Elektroden in Quellenschaltung und bleibt daher so lange ge-64 mit der anderen Elektrode 36 des ersten Transi- 45 öffnet, wie die Spannung am Sendepunkt 12 auf Nullstors 32 verbunden ist. Die Steuerelektrode 38 des potential liegt und die Spannung an der Elektrode Transistors 32 ist an eine erste Steuersignalquelle 70 36 + V₀ beträgt. Der erste Transistor 32 bietet somit angeschaltet, während die Steuerelektrode 66 des einen niederohmigen Stromweg für die vollständige zweiten Transistors 60 an eine zweite Steuersignal- Entladung des Kondensators 28.
quelle 72 angeschaltet ist. 50 Die Torschaltung nach F i g. 4 überträgt also in

Die Steuersignalquellen 70 und 72 beliefern die jedem Fall die volle Spannung vom Sendepunkt 12 Steuerelektroden 38 bzw. 66 gleichzeitig mit gegen- zum Empfangspunkt 24. Auf Grund des Zusammenphasigen Schaltsignalen. Diese Signale haben eine wirkens der beiden Transistoren wird unabhängig solche Amplitude und Polarität, daß beide Transisto- vom Eingangszustand die volle Sendespannung zum ren 32 und 60 jeweils gleichzeitig geöffnet und ge- 55 Empfangspunkt 24 übertragen, und, was noch wichsperrt werden. Wird beispielsweise die Schleusen- tiger ist, erreicht, daß die Spannung am Empfangsschaltung in einem digitalen System verwendet, bei punkt 24 sich viel schneller ändern kann, als es mit dem die digitalen Signale Werte von 0 Volt und nur einem einzigen Transistor möglich wäre. Und + V₀ Volt annehmen, so beschickt die Steuersignal- zwar entspricht die Zeit-Spannungs-Charakteristik für quelle70 die Steuerelektrode38 mit einer Spannung 60 die Anordnung nach Fig. 4 der Kennlinie 50, davon 0 Volt, während gleichzeitig die andere Steuer- gegen die für eine Anordnung nach F i g. 1 der Kennsignalquelle 72 die Steuerelektrode 66 mit einer Span- linie 52 in F i g. 3.

nung von + V₀ Volt beschickt, und umgekehrt. In Die vorliegende Torschaltung kann beispielsweise

der herkömmlichen digitalen Terminologie heißt dies, im Verkopplungsnetzwerk einer aus isolierten FeIddaß die Ausgänge der Steuersignalquellen 70 und 72 65 effekttransistoren aufgebauten bistabilen Kippschalkomplementär zueinander sind. tung oder im Eingangsnetzwerk einer solchen bista-

Bei der Betrachtung der Arbeitsweise der Anord- bilen Kippschaltung verwendet werden. Bekanntlich nung soll vorausgesetzt werden, daß der Konden- hat der isolierte Feldeffekttransistor einen sehr hohen

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Eingangswiderstand, so daß in seinem Eingangskreis wenig oder gar kein Strom fließt. Ein solcher Transistor als Lastelement kann daher durch einen Kondensator wie z. B. den Kondensator 28 in F i g. 1 und 4 wiedergegeben werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Torschaltung mit einem Feldeffekttransistor eines gegebenen Leitungstyps mit zwei einen stromführenden Kanal bildenden Hauptelektroden und einer die Leitfähigkeit dieses Kanals steuernden Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Feldeffekttransistor (60) des entgegengesetzten Leitungstyps mit ebenfalls zwei einen stromführenden Kanal bildenden Hauptelektroden (62, 64) mit seinem Kanal parallel zum Kanal des ersten Transistors (32) ge-

■■"■; schaltet ist und daß den Steuerelektroden (38, 66) ao der beiden Transistoren Steuersignale zugeführt sind, welche die beiden Transistoren jeweils

• gleichzeitig öffnen und sperren.

2. Torschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale komplementär zueinander sind.

3. Torschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale digitale Signale sind, die entweder einen ersten oder einen zweiten Wert annehmen können.

4. Torschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren mit ihren parallelgeschalteten Kanälen zwischen einen Signalsendepunkt (12) und einen Signalempfangspunkt (24) geschaltet sind.

5. Torschaltung nach Anspruch4,, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14,20) zum Schalten der Spannung am Signalsendepunkt zwischen einem ersten und einem zweiten Wert.

6. Torschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Transistor (32) ein isolierter Feldeffekttransistor vom n-Leitungstyp und der andere Transistor (60) ein isolierter Feldeffekttransistor vom p-Leitungstyp ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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