DE2061943A1

DE2061943A1 - Differenzverstärker

Info

Publication number: DE2061943A1
Application number: DE19702061943
Authority: DE
Inventors: Carroll R Balboa Island Shaffstall Everett L Fountain Valley Gundersen James L Wilmington Yoder Robert N Hungtington Beach Calif Perkins (V St A )
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1971-06-24
Also published as: DE2061943B2; DE2061943C3; FR2074102A5; GB1272372A; US3581226A

Description

Anmelderin: Stuttgart, cen 14.Dezember 1970

Hughes Aircraft Company P 2214 P/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Differenzverstärker

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker.

Neuere Fortschritte in der Mikroelektronik, insbesondere die Entwicklung von Metalloxid-Halbleiterbauteilen (MOS-Bauteile), haben neue V/ege in der Gestaltung und Herstellung verschiedener Arten von elektronischen Schaltunganordnungen eröffnet. Insbesondere ist es oft wünschenswert, eine vollständige integrierte Schaltungsanordnung oder ein System solcher Schaltungnanordnungon auf einem einzigen Halbleitersubstrat herzustellen oder die Möglichkeitzu haben, alle Einzelteile der Schaltungsanordnung

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oder des Systems mit Spannungen zu betreiben, clic von integrierten Schaltungsanordnungen abgegoburi worden.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zu^rv; einen Differenzverstärker zu schaffcn, der in höhere:. Haue mit integrierten elektronischen Schal tungsanord:-. · gen kompatibel int, als es bisher der i'all war, Weit , soll ein solcher Differenzverstärker vollständig auf :;·:. . .r.i einzigen Halbleitersubstrat oder sogar auf einem klo.i:, ;r. ^ Teil eines solchen Substrates erstellt woruon können es solion für dessen Betrieb Spannungen voll mvi c^;*-"^ ausreichen, die von integrierten Schaltungsanordnung:.. abgegeben werden· Darüber hinaus soll der Diffüronzv-..--stärker eine außerordentlich geringe Größe und ein niedriges Gewicht aufweisen und zudem verhältnismäßig unerfindlich gegenüber großen TemperaturSchwankungen sein. Schließlich soll der Differenzverstärker zwei Signale mit zueinander komplementären V/ellenformen gleichzeitig verstärken können·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, ci.\.. er zv/ei gleiche Signalkanäle mit je zwei Feldeffektt:·· ·.-.:\ - W stören umfaßt, von denen jeder eine erste und eine ü".:. .-.·.; Elektrode und eine Steuerelektrode aufweist und bei dui.ua jeweils die zweite Elektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Steuerelektrode des zweiteb kaxjazitiv verbunden und jeweils ein leitendes Schaltelement nit ^'. .twirkung zwischen die Steuerelektrode und die ernte E"..,..;-trode des zweiten Feldeffekttransistors.eingescaaltot ist, daß der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors des ersten Signalkanals erstes Eingangssignal und ein dazu

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koirrplementäres zweites Eingangssignal der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors des zweiten Signal!:-■„-la zugeführt wird, daß mit den ernten Elektroden der er., -on Feldeffekttransistoren ein Hegelglied verbunden ist, uux diesen Feldeffekttransistoren einen im v/esentliehen konstanten Strom zuführt, und daß der zweiten Elektrode ecu zweiten Feldeffekttransistors jedes Signalkanals ein i3i;;~ nalausgangsglied nachgeschaltet ist, das Auagangssi^.-.ul-j abgibt, die zu den Ausgange Signalen des 'jeweils andere Signalkanals komplementär sind.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellte;:. Schaltbildes eines Differenzverstärkers nach der Erfindung näher beschrieben und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Horlaaalo können bei anderen Auaführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Der in der Zeichnung dargestellte Differenzverstärker weist zwei gleiche Signalkanäle 100 und 200 auf. Da uie verschiedenen Bauelemente jedes Signalkanals mit den entsprechenden Bauelementen des anderen Signalkanals übereinstimmen, sind einander entsprechende Bauelenente in den beiden letzten Stellen der Bezugsziffern gleich bezeichnet, und die Bauelemente des Signalkanals 100 zeigen an erster Stelle eine "1", während die Bauelemente des Signalkanals 200 an erster Stelle mit einer "2" bezeichnet sind.

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Eine erste Eingangsspannung v. (gemessen gegenüber einer

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Bezug3spannung, die als Erdpotential dargestellt ict) wird einer Eingangsklemme 102 des Signalkanals 100 zugeführt, während eine zweite Eingangsspannung ν. , deren Wellenform gegenüber dem der Eingangs spannung v. einen kor:.pleiaentären Verlauf hat, an eine Eingangsklemme 202 des bikinikanals 200 angelegt wird. Mit dem Ausdruck "komplementärer Verlauf der Wellenform" ist gemeint, daß dann, wenn die Wellenform der Spannung v. sich in positiver liichtung ändert, sich die Wellenform der Spannung v. in gleichuu Maße in negativer Richtung ändert, und umgekehrte Dio Eingangsspannungen v. und v. können beliebige Wellen-

JLXX JLXX

formen aufweisen, zum Beispiel rechteckige, sinusförmige, sägezahnartige usw. Da jedoch eine Amplitudenbegrenzung eintreten kann, wenn die Eingangssignalampliüude genügend groß ist, ist die Schaltungsanordnung besonders zur Verstärkung von Spannungen mit kleiner Amplitude geeignet.

Die Eingangsklemme 102 ist mit der Gatt-Elektrode eines Feldeffekttransistors (FET) 104 verbunden, der vorzugsweise als Metalloxid-Halbleiter-FeldeffekttraiiGiütor (HOSPET) ausgebildet ist. Seine Emitter-Elektrode ist mit der Emitter-Elektrode eines entsprechenden FET 204 im Signalkanal 200 verbunden. Ein im wesentlichen konstanter Strom wird an die PETs 104 und 204 von einem als Stromquelle dienenden Feldeffekttransistor 10 abgegeben, der zweckmäßigerweise ebenfalls ein M08FET ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des FET 10 ist zwischen die miteinander verbundenen Emitter-Elektroden der FETs 104 und 204 und Erdpotential geschaltet. Der FET 10 ist

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vorzugsweise so vorgespannt, daß er sich leitend im Sättigungszustand befindet, indem eine passend'"bemessene- '

Spannung -V_n, die an der Spannungsversorgungskienme 12 c

ansteht, an die Gatt-Elektrode des FET 10 angelegt wird. Die Spannung -V_n kann beispielsweise -7 V betragen.

Die Kollektor-Elektrode des S¹KT 104 ist über einen Widerstand 106 mit einer weiteren Spannungsversorgungsklemne 108 verbunden, die eine Spannung -Vqq. von z.B. -26 V führt/ Die Kollektor-Elektrode des PET 104 ist außerdem durch einen Gleichstrom abblockenden Kondensator 110 mit der Gatt-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors (JJ¹^T) 112 verbunden, dor zweckmäßigerweise ebenfalls ein HOSi¹ET ist und dessen Emitter-Elektrode mit Masse verbunden if;t, Zwischen der Gatt-Elektrode und der Emitter-Elektrode dos FET 112 ist eine leitende Verbindung mit Richtwirkung i:i Form einer Klemmdiode 114 vorhanden, deren Anode mit der Gatt-Elektrode und deren Kathode mit der Emitter-Elektrode des FET 112 verbunden ist. Ein die Vorspannung bestimmender Widerstand 116 ist zwischen die Gatt- und die Kollektor-Elektrode des FET 112 eingeschaltet, während die Kollektor= Elektrode dieses FET über einen Lastwiderstand 118 mit einer weiteren Spannungsversorgungsklemme 120 verbunden ist, an der eine Spannung ~V_DD von z.B. -15 V ansteht* (

Die Kollektor-Elektrode des FET 112 ist weiterhin mit der Gatt-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors 122 verbunden, der zweckmäßigerweise ebenfalls ein MOSFET ist. Die Emitterelektrode des FET 122 liegt an Masse, wogegen die Kollektor-Elektrode über einen weiteren Widerstand. 124 mit der Spannungsve-rsorgungsklemme 120

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verbunden ist. Die Kollektor-Elektrode des FET 122 ist außerdem mit der Gatt-Elektrode eines v/eiteren Feldeffekttransistors I₁26 verbunden, der wiederum zv/eckmäßigerweise ein MOSFET ist. Die Emitter-Elektrode des FET 126 ist an Masse gelegt, während die Kollektor-Elektrode über einen weiteren Widerstand 128 mit der Spannungsversorgungsklemme 108 verbunden ist.

Um einen Kurvenverlauf der Aus gangs spannung mit syi:u..otrischen Anstiegs- und Abfallzeiten zu erzeugen, ist bei einem bevorzugten Au3führungsbeispiel jedem Signalkanal eine Gegentaktanordnung zugeordnet, die zwei in.Serio geschaltüte Feldeffekttransistoren umfaßt. Im ei ist im Signalkanal 100 ein Feldeffokttrunsiator zweckmäßigorweise ein HOBFET, mit seiner Kollektor-Elektrode mit der Spannungsver3orgungskleniEie 120 und mit seiner Emitter-Elektrode mit der Kollektor-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors 132, ebenfalls zv.'ockmäßigerweise ein MOSFET, verbunden, dessen Emitter-Elektrode mit Masse verbunden ist· Die Gatt-Elektrode des FET 130 ist mit der Kollektor-Elektrode des FET 126 ir.i Signalkanal 100 verbunden, während die Gatt-Elektrode des FET 132 mit der Kollektor-Elektrode eines Feldeffekttransistors 226 im Signalkanal 200 verbunden ist. Die Ausgaiigsspannung V^ des Signalkanals 100 kann an einer Ausgangsklemme 134· abgenommen werden, die mit den miteinander verbundenen Emitter- und Kollektor-Elektroden der FETs 1?0 und 132 verbunden ist.

Wie oben bemerkt, ist die Anordnung der Bauelemente im Signalkanal 200 die gleiche v/ie die im Signalkanal 100;

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daher wird der Signalkanal 200 nicht in Einzelheiten beschrieben. Es muß jedoch bemerkt werden, daß die Gatt-Elektrode des zur Gegentaktanordnung gehörenden FET 252 des Signalkanals 200 mit der Kollektor-Elektrode des-FET 126 im Signalkanal 100 verbunden isto Die Ausgangsspannung des Signalkanals 200 ist mit ν . bezeichnet und hat eine Wellenform, die komplementär zu der Wellenform der Ausgängsspannung ν . des Signalkanals ist.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung wird die Eingan··;π-spannung v. durch den PEl¹ 104 verstärkt. Die Gleichspannungskomponentc der Spannung an der Kollektor-Elektrode des FET 104, die wegen der Spannung -Vqq &®. Widerstand 106 entsteht, wird durch den Kondensator 110 abgeblockt. Die Gleiclispannungskomponente der Spannung an der Gatt-Elektrode des FET.112 wird durch die Klemmdiode 114 im wesentlichen auf Erdpotential festgeklemmt, wodurch sichergestellt wird, daß die Y/echselspannungskomponente dieser Spannung gegenüber Erdpotential negativ ist. Die Spannung an der Gatt-Elektrode des FET 112 wird durch den FET 112 verstärkt, und es erfolgt eine weitere Verstärkung durch die FETs 122 und 126«. Wenn die Amplitude der Eingangsspannung v. so groß ist, daß der Abstand von Spannungsspitze zu Spannungsspitze an der Gatt-Elektrode des FET 112 größer ist als die Schwellenspannung V^₁₁ für den FET 112, wird der FET 112 beim Überqueren der Schwellenspannung zwischen dem leitenden und dem nichtleitenden Zustand hin- und hergeschaltete Wenn der FET 112 Strom in genügendem llaße leitet, ist der FET 122 nichtleitend und der FET'126 leitend, und umgekehrt, wenn der FET 112 nichtleitend ist.

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Die Eingangsspannung ν. wird im Signalkanal 200 in der gleichen Weise verarbeitet, wie es oben für die Verarbeitung der Eingangsspannung v. im Signalkanal 100 beschrieben worden ist, und es wird an der Kollektor-Elektrode des FET '226 eine Spannung v. erzeugt, deren Wellenform komplementär zu der Wellenform der Spannung v, ist, die an der Kollektor-Elektrode des FET 126 im Signalkanal 100 ansteht. Wenn die Spannung v^ sich in positiver Richtung ändert, nimmt der Stronfluß durch den FET 150 ab und die Spannung über dem FET 150 wird vergrößert· Da sich jedoch die Spannung v. zu diesem Zeitpunkt in negativer Richtung ändert, nimmt der Stromfluß durch den FET 132 zu und es niiumt die Spannung über dem FET 132 ab. Als Ergebnis nimmt die Größe der Eingangsspannung ν , an der Ausgangnklemme 134· ab. Weiterhin vermindert eine Änderung der Spannung v. in positiver Richtung den Stromfluß durch den FET 232 und erhöht die Spannung über dem FET 132, wogegen die zugehörige Änderung der Spannung v. in negativer Richtung den Stromfluß durch den FET 230 erhöht, wodurch die Spannung über dem FET 230 vermindert wird. Daher nimmt die Größe der Spannung ν . an der Ausgangsklemme 234· zu. Veränderungen der Spannungen v^ und v> , die entgegengesetzt zu den eben beschriebenen verlaufen, rufen entsprechend entgegengesetzte Veränderungen bei den Auugangsijpannungen ν . und ν , hervor.

Alle Bauelemente eines erfindungsgemäßen Differenzverstärkers, also die Feldeffekttransistoren, Widerstände, Kondensatoren, Dioden und leitenden Verbindungen können

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auf einem einzigen Halbleitersubstrat unter Anwendung der MOS-(Metalloxid-Halbleiter-)lechnik hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist daher in der Lage, einen Differenzverstärker von außerordentlich geringer Größe und niedrigem Gewicht zu schaffen, der in hohem Maße mit integrierten elektronischen Schaltungsanordnungen kompatibel ist.

Ea versteht sich, daß zahlreiche Schaltungsänderungen an dem Differenzverstärker vorgenommen werden können, der hier in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben ist. Zum Beispiel ist die Schaltungsanordnung als mit negativen Versorgungsspannungen arbeitend dargestellt, wie sie für P-Kanal-Foldefiokttranaistoron benötigt worden, d.h. für Bauelemente mit Emitter- und Kolleic-. tor-Gebieten vom P-Q?yp in einem Halbleitersubstrat vom N-Typβ li-Kanal-Feldeffekttransistoren sind jedoch ebenfalls verwendbar und es wären in diesem Pail positive Yersorgungsspannungen anzuwenden.

Obwohl also die Erfindung anhand einer speziellen Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, liegen dennoch viele Änderungen geringeren oder größeren Umfangs, die der Durchschnittsfachmann ohne weiteres vornehmen kann, im Rahmen der vorliegenden Erfindungο

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Claims

Patentansprüche

Differenzverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei gleiche Signalkanäle (100 und 200) iiit je zwei Feldeffekttransistoren (104 und 112 bzw. 204 und 212) umfaßt, von denen jeder eine erste und eine zweite Elektrode und eine Steuerelektrode aufweist und bei denen jeweils die zweite Elektrode des ersten FeId- ^ effekttransistors (104- bzw. 204) mit der Steuerolek-' trode des. zweiten (112 bzw. 212) kapazitiv verbunden und ein leitendes Schaltelement mit Richtwirkung (114· bzw. 214-) zwischen die Steuerelektrode und die erste Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (112 bzw. 212) eingeschaltet ist, daß der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors (104) des ersten Signalkanals (100) ein erstes Eingangssignal (V· ) und· dazu komplementäres zweites Eingangssignal (V. ) der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors (204) des Signalkanals (200) zugeführt wird, daß rait den ere.on Elektroden der ersten Feldeffekttransistoren (104 und 204) ein Regelglied (10, 12) verbunden ist, das dieser. P Feldeffekttransistoren einen im wesentlichen konstanten Strom zuführt, und daß der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (112 bzw. 212) jedes Signalkanalώ ein Signalausgangsglied (122, 126, 130, 132 bzw. 222, 226, 230 und 232) nachgeschaltet ist, das Ausgangssignale abgibt, die zu den Ausgangssignalen des jeweils anderen Signalkanals komplementär sind.

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2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied einen Feldeffekttransistor (10) aufweist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen die ersten Elektroden der ersten Feldeffekttransistoren (104 und 204) und Erde eingeschaltet xfc und an dessen Steuer-Elektrode eine den Feldeffekttransistor (10) in den leitenden Zustand versetzende konstante Vorspannung (-V) angelegt ist.
3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Signalausgangsglied zwei im Gegentakt zueinander arbeitende Feldeffekttransistoren (132 und 130 bzw. 232 und 230) mit je einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode aufweist, daß die erste Elektrode des jeweils ersten der beiden Feldeffektransistoren mit Erde und die zweite Elektrode dieses ersten Feldeffekttransistors (132 bzw. 232) mit der ersten Elektrode des zweiten der beiden Feldeffekttransistoren verbunden ist, daß die Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors (132 bzw. 232) mit der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (212 bzw, 112) des jeweils anderen Signalkanals (200 bzw. 100) un& die Steuerelektrode des zweiten Feldeffektransistors (I30 bzw. 230) mit der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (112 bzw. 212) des jeweils gleichen Signalkanales (100 bzw. 200) verbunden ist, und daß jei^eils eine Ausgangsklemiae (134 bzw. 234) mit der zweiten Elektrode des jeweils ersten Feldeffekttransistors

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(132 bzw. 232) verbunden ist.

4·. Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Signalkanal (100 bzw. 200) zwei weitere Feldeffekttransistoren (122 und 126 bzw. 222 und 226) vorgesehen und miteinander und mit den übrigen Teilen des Differenzverstärkers in der Weise verbunden sind, daß die Steuer-Elektrode des jeweils ersten der beiden Feldeffekttransistoren (122 bzw. 222) mit der zweiten Elektrode des jeweils zweiten Feldeffekttransistors (112 bzw. 212) des Signalkanals (100 bzw· 200) verbunden ist, daß die zweite Elektrode des jeweils ersten der beiden Feldeffekttransistoren (122 bzw. 222) mit der Steuer-Elektrode des jeweils zweiten der beiden Feldeffekttransistoren (126 bzw. 226) verbunden ist, und daß die zweite Elektrode des jeweils zweiten der beiden Feldeffekttransistoren (126 bzw. 226) mit der Steuer-Elektrode des zweiten zum Signalausgangsgl'ied des jeweils gleichen Signalkanals (100 bzw. 200) gehörenden Feldeffekttransistors (130 bzw. 230) und mit der Steuerelektrode des ersten zum Signalausgangsglied des jeweils anderen Signalkanals (200 bzw. 100) gehörenden Feldeffekttransistors (232 bzw. 132) verbunden ist.

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