DE2026143C3 - Kippschaltung mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

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 Feldeffekttransistors eine Vorspannungseinrichtung angeschlossen ist.

Dhs Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kippschaltung dieser Art, die beim Vorhandensein von zufälligen Störsignalen arbeiten kann, ohne daß

v> 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 Eingangsspannung empfängt, dessen Abflußelektrode mit der Abflußelektrode des ersten Feldeffekttransistors verbunden ist, und dessen Torelektrode an eine Gleichspannungsque'le 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 zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Schema zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 1,

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 T₁ bis T₄ vom Typ MOS (Metall-Oxyd-Halbleiter). Die Quellenelektrode des Transistors T₁ empfängt die Eingangsspannung V_E. Die Torelektrode dieses Transistor ist an eine negative Vorspannungsquelle - V_0n angeschlossen.

Die Abflußelektrode ist einerseits mit der Abflußelektrode des Transistors T₁ verbunden, deren Quellenelektrode an Masse liegt und andrerseits mit der Torelektrode des Transistors T₁, dessen Quellenelektrode ebenfalls an Masse liegt. Die Torelektrode des Transistors T₂ und die Abflußelektroden der Transistoren T₃ und T₄ sind mit dem gleichen Punkt 0 verbunden, an dem die Ausgangsspannung V_s erscheint.

Die Torelektrode des Transistor T₄ ist an die Spannungsquelle - V_co angeschlossen, und ihre Quellenelektrode an die Spannungsquelle — V₀₀.

Die Spannungsquellen — V_oa und — K₀₀ haben beispielsweise die Werte —24 V bzw. —15 V.

Die Transistoren T₁ bis T_s sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vom n-Anreicherungstyp (enhancement type) d.h. daß sie um so stärker Strom führen, je größer die negative Vorspannung der Torelektrode in bezug auf das Quellenpotential wird.

In Fig. 2 sind die Transistoren T₁ und T₁ dargestellt. Eine konstante Spannung V, die jedoch Werte von 0 bis — 15 V annehmen kann, ist an die Torelektrode des Transistors T₂ angelegt.

Für jeden Wert der Spannung V ist die Kennlinie der Spannung V_A als Funktion der Spannung V_E abgenommen worden, wie in Fig. 3(a) dargestellt ist, wobei V_A die Ahflußspannung der Transistoren T₁, T₁ ist. Für V = 0 besitzt der Transistor T₂ einen sehr

großen Innenwiderstand, Dieser Innenwiderstand nimmt ab, wenn V von 0 bis —15 V geändert wird.

Für V = Ogilt V_E = V_A, unabhängig vom Wert von V_E.

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

Die Kurve V nimmt eine konkave Form an, die auf der konkaven Form der in F i g. 3 (b) dargestellten Kennlinie 1_D = f (V) des Abfluß-Quellen-Innenwiderstands des Transistors T₁ in Abhängigkeit von der Vorspannung der Steuerelektrode in bezug auf die Quelle, also bei dem gewählten Beispiel als Funktion der Spannung —36V+ V_E beruht.

Die Kurven V sind um so 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 Fig. 1, das dadurch vereinfacht ist, daß der Transistor T₁ durch einen konstanten Lastwiderstand A₄ ersetzt ist, was in guter Annäherung angenommen werden kann. Die Quellenspannung und die Torspannung dieses Transistors sind konstant, und die Abflußspannung ändert sich wenig.

An Hand dieser Figur sollen die Änderungen der Ausgangsspannung V₅ als Funktion der Eingangsspannung V_E untersucht werden, wie sie in Fig. 5 dar- gestellt sind.

Bei einer kleinen, aber negativen Eingangsspar. nung V_E (beispielsweise V_E in der Größenordnung von — 1 V) ist die Vorspannung der Torelektrode des Transistors T_x negativ, aber groß (nämlich i=> — V_GC + V_E). Der Transistor, der ein Anreicherungstyp ist, ist gut leitend.

Die Spannung V_A liegt also in der Nähe von V_E. Der Transistor T₃ hat eine kleine Torvorspannung V_A. Er ist also gesperrt. Die Ausgangsspannung V₅, die durch das Verhältnis des Widerstands Λ₄ zu dem sehr großen Innenwiderstand des Transistors T_i bestimmt ist, liegt in der Nähe von - V_DD. Die Torvorspannung des Transistors T₂, nämlich die Spannung V₅, 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 T₂ stromführend und der Transistor T₃ gesperrt (Kurve 1 von Fig. 5).

Wenn V_E dem Absolutwert nach zunimmt, bleibt die Spannung V₅ zunächst hoch (wobei die Spannung V₅) nichts anderes als die Spannung V von Fig. 3a ist). Die Spannung V_A nimmt dem Absolutwert nach mit der Spannung V_E zu; diese Änderungen folgen einer Kurve mit kleiner mittlerer Neigung, weiche der Kennlinie ^=-15 V von Fig. 3a angenähert ist.

Eine starke Änderung von V_E hat also eine schwache Änderung von V₅ zur Folge.

Die Spannung V_E steigt weiter an und erreicht schließlich einen so hohen negativen Wert (d. h. in der Nähe von -15 V). daß der Transistor T, entsperrt wird. Dann fällt die Spannung V₅ schlagartig nahezu auf den Wert 0. Die Kurve V₄ = f (V_E) geht dann von der Kennlinie V = - 15 V auf eine Kennlinie in der Nähe von V = 0; die Neigung der Kurve V_A = / (V_E) ist sehr viel größer. Der Transistor T₂ wird gesperrt. Die Ausgangsspannung V₅ ist für k^-lSV nahezu Null. Die Kippschaltung befindet sich in ihrem zweiten Zustand, in welchem der Transistor T₂ gesperrt und der Transistor T₃ leitend ist.

Es seil nun untersucht werden, was geschieht, wenn die Spannung V_E von — 15 V nach OV geht. In diesem Fall geht man von dem Zustand aus, in welchem der Transistor T, gesperrt und der Transistor T₃ stromführend sind" Die Spannung V₅ ist im wesentlichen Null. Die Spannung V_A ändert sich mit der Spannung V_E, wobei sie der Kurve V=O von Fig. 3a folgt, die im wesentlichen eine um 45° gegen die P^-Achse geneigte Gerade ist. Dies bedeutet also, daß sich V_A schnell mit V_E verändert, wobei V₄ im wesentlichen gleich V_E bleibt. Die Spannung V₅ steigt langsam an.

Bei einem Wert von V_E in der Größenordnung von — 10 bis — 15 V wird der Transistor T_J gesperrt. Von diesem Augenblick an steigt die Spannung V₅ schnell an und erreicht den Wert V₅ = — 15 V. Der Transistor T, wird entsperrt und die Spannung V_A fällt schnell .weiter ab, denn die Kennlinie V_A = / (F_E) wird jetzt in ihreni gekrümmten Abschnitt, durchlaufen. Die Spannung V_A erreicht für V_E -· U den Wert Null.

Die Kurve 2 von Fig. 5 zeigt diese Änderungen bei abnehmender Spannung V_E. Es entsteht eine Hysteresisschleife. Unter diesen Bedingungen kann die Kippschaltung T₂-T₂ nur dann umkippen, wenn die Änderungen von V_E einen bestimmten Schwellwert in der Größenordnung von —5 bis — 15 V überschreiten. 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 Darstellung sind mit den gleichen Bezugszeichen Teile bezeichnet, die den Teilen der zuvor beschriebenen Figuren entsprechen.

Die Schaltung von Fig. 6 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 1 dadurch, daß ein Feldeffekttransistor T₅ von gleicher Art wie die übrigen Feldeffekttransistoren hinzugefügt ist, dessen Torelektrode mit dem Eingang, dessen Quellenelektrode mit Masse 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 Eingangsspannuig dem Absolutwert nach ansteigt, d.h. stärker negativ wird. Hinsichtlich der von der Umgebung stammenden Rauschspannung ist dies ein Nachteil. Bei der Schaltung von Fig. 6 ist dieser Nachteil durch das Vorhandensein des Transistors T₅ vermieden, der eine geeignete Steilheit hat, und dessen Torimpedanz um so kleiner ist, je größer (d. h. je stärker negativ) der Eingangcpegel ist. Die aus den beiden Transistoren T₅ und T₁ gebildete Gruppe hat daher eine nahezu konstante Eingangsimpedanz.

Die Schaltung von Fig. 1 ergibt weitere Möglichkeiten. Durch Vergrößerung der Tor-Abfluß-Kapazität des Transistors T₃ läßt man zwischen dem Ausgang und Masse infolge des Miller-Effekts eine vergrößerte Kapazität erscheinen.

Die beiden Stufen T₂ und T₃ verhalten sieh dann wie ein π-Filterglied. Die Ausgangskapazität dieses Filters besteht aus der Torkapazität C^₁ des Transistors T₃ und der Miller-Kapazität C₂ dieses Transistors. Durch Vergrößerung dieser Miller-Kapazität kann man die Grenzfrequenz dieses Tiefpaßfilters herabsetzen.

Fig. 7 zeigt die Gesamtheit dieser Kapazitäten. C,

ist die Ausgangskapazität des Transistors T₂. C'_sl ist die Torkapazität des Transistors 7',. und C_g, ist seine Miller-Kapazität.

Eine Variante dieser Schaltung besteht darin, daß die Torelektrode des Transistors T₅ zum Punkt A (von F^;ig. 1 oder 2) geführt wird. Durch diese Maßnahme wird die Linearität der Eingangsimpedanz noch verbessert.

Fig. 8 zeigt in Oberansicht ein praktisches Ausführungsbeispiel dieser Variante der Schaltung von Fig. 6.

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

Die Quellenelektrode des Transistors /', empfangt die Spannung I', . Sein AbfIuB ist verlängert, und diese Verlängerung bildet den Abfluß ■'■». Transistors /,.

Dit* Tore tier Transistoren /', und Λ, hangen zusammen. Sie empfangen an der Klemme CiC! die Spannung (-',,.

Das Tor des Transistors 7 < und das Tor des Transistors T_x hängen zusammen. Sie sind mit dem Abfluß

' des Transistors T₂ durch den ohmschen Kontakt Λ verbunden. Ein ohmscher Kontakt O verbindet den Abfluß des Transistors /', mit dem Tor des Transistorf 7',. An diesem Kontakt erscheint die Ausgangsspannung V_s.

i" Das Tor des Transistors 7, bedeckt weitgehend der Abfluß dic.ci Transistors, damit Her zuvor erwähnte Miller-Effekt auftritt.

Die Quelle des Transistors 7"₄ empfängt die Span nung I _fl/l. Sein Abfluß ist eine Diffusions/one, welche

: ' die Verlängerung des Abflusses des Transistors 7 darstellt. Sein Tor ist U-förmig und erstreckt sich /wischen zwei im Substrat gebildeten ii-Diffusionszoncn die den Slromkanal des 'Transistor«; 7, begrenzen Diese i)iffusions''onen sind <'ie kreuzschraffierier

:i' Zonen. Der Stromkanal ist somit lang und schmal Der Transistor 7, hat somit einen großen Innenwiderstand. Ks ist bekannt, auf diese Weise hohe Widerstände in Jen integrierten Schaltungen /ii bilden.

Man erkennt somit in T ig. S das Schaltbild von !•ig. (i. diis in der zuvor angegebenen Weise abgeändert is'

llicizu > Blau Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. 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 miteinan- ι ο der verbunden sind, und an die Abflußelektrode des zweiten Feldeffekttransistors eine Vorspannungseinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Feldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Quellenelektrode die ι j Eingangsspannung empfängt, dessen Abflußelektrode mit der Abflußelektrode des ersten Feldeffekttransistorsverbunden ist, und dessen Torelektrode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und daß die Ausgangsspannung an der Torelektrode des ersten Feldeffekttransistors abgegeben wird.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Feldeffekttransistoren vom n-Anreicherungstyp sind, daß die Quellenelektrode des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors mit Masse verbunden sind, daß die Vorspannungseinrichtung an eine zweite Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und daß die beiden Gleichspannungsquellen negative F'oten- jo tiale liefern.

3. Kippschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß --'ie Vorspannungseinrichtung einen vierten Transistor enthält, dessen Torelektrode mit der Torelf strode des dritten Feldeffekttransistors verbunden ist, dessen Quellenelektrode an die zweite Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und dessen Abflußelektrode mit der Abflußelektrode des zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist.

4. Kippschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Feldeffekttransistor eine große Millerkapazität hat.

5. Kippschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen fünften Feldeffekttransistor, dessen Quellenelektrode an Masse liegt, und dessen Torelektrode und Abflußelektrode mit der Abflußelektrode des dritten Feldeffekttransistors verbunden sind. 5,3