DE2026143A1

DE2026143A1 - Rauschunempfindliche logische Anordnung

Info

Publication number: DE2026143A1
Application number: DE19702026143
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Gieres Moreau (Frankreich)
Original assignee: Societe Europeenne de Semi Conducteurs de Microelectronique SA SESCOSEM
Current assignee: Societe Europeenne de Semi Conducteurs de Microelectronique SA SESCOSEM
Priority date: 1969-05-30
Filing date: 1970-05-29
Publication date: 1970-12-03
Also published as: DE2026143B2; FR2045050A5; DE2026143C3

Description

Kippschaltung

■Die Erfindung bezieht sich auf eine Kippschaltung mit zwei Feldeffekttransistoren, bei welcher die Abflusselektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der !Torelektrode des zweiten Feldeffekttransistors und die Torelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Abflusselektrode des zweiten Feldeffekttransistors verbunden sind, die Quellenelektroden miteinander verbunden sind,und an die Abflusselektrode des zweiten Feldef-! fekttransistors eine Vorspannungseinrichtung angeschlossen ist.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kippschaltung dieser Art, die beim Vorhandensein von zufälligen Störsignalen arbeiten kann, ohne dass sie von diesen beeinträchtigt wird und die sich insbesondere für eine Ausbildung in Form einer integrierten Schaltungsanordnung eignet. .

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht,dass ein dritter Feldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Quellenelektrode die Eingangaspannung empfängt, dessen Abflusselektrode mit der Abflusselektrode des ersten Feldeffekttransistors verbunden ist, und dessen Torelektrode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist,und dass die Ausgangsspannung an der Torelektrode des ersten Feldeffekttransistors abgegeben wird. '.·

Bei der erfindungsgemäss ausgebildeten Kippschaltung hat der dritte Feldeffekttransistor die Wirkung, dass er jedes Umkippen verhindert,solange die Änderungen der Eingangsspannung nicht einen bestimmten Schwellenwert erreicht haben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen;

Fig.1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

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Fig.2 ein Schema zur Erläuterung der Wirkungsweise der

Schaltung von Fig.1, , -*- ■ .,v ,,,..■*

Fig.3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig.1 ,

Fig.4 ein vereinfachtes Schaltbild zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung von Fig.1,

Fig.5 ein Kennliniendiagramm,

Fig.6 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.7 das elektrische Äquivalenzschaltbild eines Teils der Anordnung von Fig.6 und

Fig.8 ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in Fig.1 dargestellte Schaltung enthält vier Feldeffekttransistoren I_T bis T. vom Typ MOS (Metall-Oxyd-Halbleiter) Die Quellenelektrode des Transistors T₁ empfängt die Eingangsspannung V-g. Die Torelektrode dieses Transistors ist an eine negative Vorspannuiqgpquelle -Vg_G angeschlossen.

Die Abflusselektrode ist einerseits mit der Abflusselektrode des Transistors T₂ verbunden, deren Quellenelektrode an Masse liegt und andrerseits mit der Torelektrode des Transistors T^, dessen Quellenelektrode ebenfalls an Masse liegt. Die Torelektrode des Transistors Tg und die Ab.fluss"«- elektroden der Transistoren T^ und T sind mit dem gleichen Funkt 0 verbunden, an dem die Ausgangsspannung Y„ erscheint.

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Die Torelektrode des Transistor T* ist an die Spannungsquelle -V_GG angeschlossen, und ihre Quellenelektrode an die Spannungs« que 1Ie-

Die Spannungsquellen - V_G(J und -Vjj_D haben beispielsweise die Werte -24V bzw. -15V.

Die Transistoren T₁ bis T, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vom n-Anreicherungstyp(enhancement type) d.h. dass sie umso stärker Strom führen, je grosser die negative Vorspannung der Torelektrode in Bezug auf das Quellenpotential wird·

In Fig.2 sind die Transistoren T₁ und T₂ dargestellt.· Sine konstante Spannung V¹, die jedoch Werte von O bis -15V annehmen kann, ist an die Torelektrode des Transistors Tg angelegt.

Für jeden Wert der Spannung V* ist die Kennlinie der Spannung V_A als Funktion der Spannung V_£ abgenommen worden, wie in Fig.3(a) dargestellt ist, wobei V_A die Abflussspannung der Transistoren T₁, T₂ ist.FürV=O besitzt der Transistor T₂ einen sehr grossen Innenwiderstand. Dieser Innenwiderstand nimmt ab, wenn V¹ von O bis -15V geändert wird.

Für V=O gilt -V_E= V_Ä , unabhängig vom Wert von V_£.

Die entsprechende Kennlinie ist die in Fig.3 (a) mit ν·=0 bezeichnete Kurve, die im wesentlichen eineGerade ist. Wenn V dem relativen Wert nach abnimmt und dem Absolutwert nach zunimmt (Q < V <-15V) ι wird der Innenwiderstand des Transistors T₂ kleiner, aber er bleibt für jeden Wert von V¹ konstant.

Die Kurve V¹ nimmt eine konkave Form an, die auf der konkaven

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Form der in Fig.3 (b) dargestellten Kennlinie I_D= f (V) des Abfluss-Quellen-Innenwiderstands des !Transistors T- in Abhängigkeit von der Vorspannung der Steuerelektrode in Bezug auf die Quelle, also bei dem gewählten Beispiel als Funktion der Spannung -36 V + V™ beruht»

Die Kurven Y¹ sind umso stärker abgeflacht, je mehr die Spannung V dem Absolutwert nach wächst; man erhält somit die Kurvenschar von Fig.3(a). -

Fig.4 zeigt das Schaltbild von Pig.T, das dadurch vereinfacht ist, dass der Transistor T. durch einen konstanten Lastwiderstand R. ersetzt ist, was in

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r guter Annäherung angenommen werden kann. Die Quellenspannung und die Torspannung dieses Transistors sind konstant, und die Abflussspannung ändert sich wenig.

An Hand dieser Plgur sollen die Änderungen der Ausgangsspannung Vg als Funktion der Eingangsspannung Vj, untersucht werden, wie sie in Fig.5 dargestellt sind.

Bei einer kleinen, aber ne^iven Eingangsspannung ^(beispielsweise Vj, in der Grössenordnung von -1V) ist die Vorspannung der Torelektrode des Transistors T₁ negativ , aber gross (nämlich -Vgg+ Vj.). Der Transistor, der ein j Anreicherungstyp ist,1st gut leitend.

Die Spannung V. liegt also In der Nähe von V™. Der Transistor T hat eine kleine Torvorspannung V^. Er ist also gesperrt. Die Ausgangsspannung V_g , die durch das Verhältnis des Y/iderstands R. zu dem sehr grossen Innenwiderstand des Transistors T, bestimmt 1st, liegt in der Nähe von -V^. Die Torvorspannung des Transistors Tg, nämlich die Spannung Vg, ist gross. Der Transistor T₂ ist also gut leitend.

Die beiden Transistoren T₂* T, verhalten sich wie eine Kippschaltung. In diesem ersten Zustand ist der Transistor Tg stromführend und der Transistor T, gesperrt (Kurve 1· von Fig.5).

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Wenn V™ dem Absolutwert nach zunimmt, bleibt die Spannung V zunächst hoch (wobei die Spannung Vg) nichts anderes als die Spannung V von Fig.3a ist ). Die Spannung V_A nimmt dem Absolutwert nach mit der Spannung Vg zu; diese Änderungen folgen einer Kurve mit kleiner mittlerer Neigung, welche der Kennlinie V = —15V von Pig.3a angenähert ist.

Eine starke Änderung von V₃₃ hat also eine schwache Änderung von Vg zur Folge.

Sie Spannung V™ steigt weiter an und erreicht schliesslich einen so hohen negativen Wert (d.h. in der Nähe von -15V), dass der Transistor T* entsperrt wird. Dann fällt die Spannung V_g schlagartig nahezu auf den Wert 0. Die Kurve V^» (Vg) geht dann von der Kennlinie V'=:-15V. auf eine Kennlinie in der Nähe von V¹ =0; die Neigung der Kurve V^= f (Vg) ist sehr viel grosser. Der Transistor Tg ^wird gesperrt« Die Ausgangsspannung V_g 1st für Vg-15V nahezu Null. Die Kippschaltung, befindet sich in ihrem zweiten Zustand, in welchem der Transistor T₂ gesperrt und der Transistor T, leitend ist. .

Es soll nun untersucht werden, was geschieht, wenn die Spannung Vg von -15V nach OV geht. In diesem Fall geht man von dem Zustand aus, in welschem der Transistor T« gesperrt und der Transistor T? stromführend sind. Die Spannung Vg ist im wesentlichen Null. Die Spannung V^ ändert sich mit der Spannung Vg, wobei sie der Kurve V=O von Fig.3a folgt, die im wesentlichen eine um 45° gegen die V-g-Achse geneigte Gerade 1st. Dies bedeutet also, dass sich V^ schnell mit Vg ändert, wobei V^ im wesentlichen gleich Vg bleibt. Die Spannung Vg steigt langsam an.

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Bei einem Wert von Vg in der Qrössenordnung vönr-1Q bis ·.><■κ>..-', -15V wird der Transistor T* gesperrt. Von diesem Augen^ blick an steigt die Spannung Vg schnell an und erreicht den Wert Vg= -15V. Ser Transistor T^ wird entsperrt und die Spannung V^ fällt schnell weiter ab, denn die Kennlinie V₄= f (F₁-,) wird jetzt in ihrem gekrümmten Absohnitt durchlaufen. Sie Spannung V_A erreicht für Vg= 0 den Wert KuIl.

Sie Kurve 2 von Fig.5 zeigt diese Änderungen bei abnehmender Spannung Vg . Es entsteht eine Hysteresieschleife. Unter diesen Bedingungen kann die Kippschaltung ?2*~^3 ^{DUr danD} unkippen, wenn die Änderungen von Vg einen bestimmten Schwellwert in der Gröaaanordnung von -5 bia -10V über«· schreiten.Daraus ergibt sich ein Schutz gegen zufällige Spannungsänderungen, die von einer rauschbehafteten Umgebung stammen.

Diese Wirkung wird durch die Schaltung von Fig.6 noch verbessert. In dieser Sarstellung sind mit den gleichen Bezugszeichen Teile bezeichnet, die den Teilen der zuvor beschriebenen Figuren entsprechen.

Sie Schaltung von Fig.6 unterscheidet sich von derjenigen von Fig.1 dadurch, dass ein Feldeffekttransistor T,- von gleicher Art wie die übrigen Feldeffekttransistoren hinzugefügt ist, dessen Torelektrode mit dem Eingang, dessen Quellenelektrode mit Hasse und dessen Abflusselektrode wiederum mit dem Eingang verbunden sind. Im übrigen ist die Schaltung unverändert. "

Es lässt sich zeigen, dass der Eingangskreis der Schaltung von Fig.1 eine Eingangsimpedanz hat, die zunimmt, wenn die Eingangsspannung dem Absolutwert nach ansteigt·, d.h. stärker negativ wird. Hinsichtlich der von der

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Umgebung stammenden Rauschspanaung ist dies ein Nachteil. Bei der Schaltung von Fig.6 ist dieser Nachteil'durch das Vorhandensein des Transistors Ic vermieden, der eine geeignete Steilheit hat, und dessen Toriaipedan ζ umso kleiner ist, je grosser (d.h. je stärker negativ) der jiingsngspegal ist. Die aus den beiden Translatoren T^ und T₁ gebildete Gruppe hat daher eine nahezu konstante Hingangsimpedanz.

Die Schaltung von Fig.1 ergibt weitere Möglichkeiten. Durch Vergröseerung der Tor-Abfluss-Kapazität des . Transistors T, lässt man zwischen dem Ausgang und Hasse infolge des Miller-Effekts eine vergrösserte Kapazität erscheinen.

Die beiden Stufen T₂ und T, verhalten sich dann wie ein Tt-Filterglied. Die iusgangskapazität dieses Filters besteht aus der Torkapazität G₁ des Transistors T, und der Killer-Kapazität C₂ dieses Transistors. Durch Vergrösserung dieser Killer-Kapazität kann man die Grenzfrequenz dieses Tiefpassfilters herabsetzen.

Fig.7 zeigt die Gesamtheit dieser Kapazitäten.C₂ ist die Ausgangskapazität des Transistors T₂* C > ist die Torkapazität des Transistors T, , und C₂ ist seine Killer-Kapazität.

Eine Variante dieser Schaltung besteht darin, dass die Torelektrode des Transistors T_c zum Punkt A (von Fig.1 oder 2) geführt wird. Durch diese Massnahme wird die linearität der Eingangsiapedanz nooh verbessert.

Fig.8 zeigt in Ober ansicht ein praktisches Ausführungsbeispiel dieser Variante derSchaltung von Fig.6.

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Das Substrat, das in den nicht schraffierten Zonen der Figur erscheint, ist vom η-Typ. Es ist der gesatüten Schaltung gemeinsam. Die Quellen und Abflüsse sind durch eindiffunierte p-Zonen im Substrat gebildet. Dies sind die einfach schraffierten Zonen. In an sich bekannter Weise sind die Torelektroden durch Aluminiumschichten gebildet, die unter Einfügung einer Qxydschicht auf dem Substrat aufliegen. Diese Schichten sind strichpunktiert dargestellt.

Die Quellenelektrode des Transistors T₁ empfängt die Spannung V™. Sein Abfluss ist verlängert, und diese Verlängerung bildet den Abfluss des Transistors T₂.

Die Tore der Transistoren ¹S. und T- hängen zusammen. Sie empfangen an der Klemme 66 die Spannung

Das, Tor des Transistors T^ und das Tor des Transistors T, hängen zusammen. Sie sind mit dem Abfluss des Transistors T₂ durch den ohmschen Kontakt A verbunden. Ein ohmscher Kontakt O verbindet den Abfluss des Transistors T, mit dem Tor des Transistors T₂. An diesem Kontakt erscheint die Ausgangsspannung Vg.

Das Tor des Transistors T- bedeckt weitgehend den Abfluss dieses Transistors, damit der zuvor erwähnte Miller-Effekt auftritt.

Die Quelle des Transistors T, empfängt die Spannung V-^.. Sein Abfluss ist eine Diffusionszone, welche die Verlängerung des Abflusses des Transistors T, darstellt. Sein Tor ist U-förmig und erstreckt sich zwischen zwei im Substrat gebildeten n-Diffusionszonen, die den Stromkanal, des Transistors T. begrenzen. Diese Diffusionszonen sied die

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lcreuzachraffierten Zonen. Der Stromkanal ist somit lang und schmal« Der !Transistor T^ hat somit einen grossen Inoenwiderstand, Ea ist bekannt, auf diese Weise hohe Widerstände in den integrierten Schaltungen zu bilden.

Man erkennt somit in Pig.8 das Sohaltbild von 7ig.6, das in der zuvor angegebenen Weise abgeändert ist*

Patentansprüche

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Claims

Sescosem-Soc.Euröp..» , ·

Unser Zeichen; S 2566 . ^:

Patentansprüche

Kippschaltung mit zwei Feldeffekttransistoren, bei Welcher die Abflusselektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Torelektrode . des zweiten Feldeffekttransistors und die Torelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Abflusselektrode des zweiten Feldeffekttransistors verbunden sind, die Quellenelektroden miteinander verbunden sind, und an die Abflusselektrode des zwöiten Feldeffekttransistors eine Vorspannungseinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dasein dritter Feldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Quellenelektrode die Eingangsspannung empfängt, dessen Abflusselektrode mit der Abilueselektrode des ersten Feldeffekttransistors verbunden ist, und dessen Torelektrode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und dass die Ausgangsspa'nnung an der Torelektrode des ersten Feldeffekttransistors abgegeben wird.
2. Kippschaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Feldeffekttransistoren vom n-Anreicherungstvp sind, dass die Quellenelektrode des ersten und des zweiten FeIdeffekttransistors mit Hasse verbunden sind, dass die Vorspannungseinrichtung an eine zweite Gleiehspannungsquelle angeschlossen ist, und dass die beiden Gleichspannungsquellen negativen Potentiale liefern·
3. Kippschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungseinrichtung einen vierten Transistor enthält, dessen Torelektrode mit der Torelektrode des dritten Feldeffekttransistors verbunden ist, dessen Quellenelektrode an die zweite Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und

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dessen Abflusselektrode cit der Abflusselektrode des zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist.
4. Kippschaltung nach eines der Ansprüche 1 bis 3» dadux'ch jekcnnscichnet, dass der zweite Feldeffekttransistor eine presse Hillerkapazitiit hat.

ϊ>. Kippschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet, durch einen fünften. Feldeffekttransistor, dessen Quellenelektrode an Masse liejt, und dessen Torelektrode und Abflusselektrode mit der Abflusaelektrode des dritten Feldeffekttransistors verbunden sind.

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