DE2217456A1

DE2217456A1 - Transistorschaltung mit Antisattigungs schaltung

Info

Publication number: DE2217456A1
Application number: DE19722217456
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kurt Dipl Ing Dr 7000 Stuttgart Wiedmann
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-04-23
Filing date: 1972-04-12
Publication date: 1972-10-26
Also published as: DE2217456C3; JPS4745173A; GB1330605A; FR2134352B1; US3676713A; FR2134352A1; JPS5315359B1; DE2217456B2

Description

L, 10. März 1972

Anmelderin: _{7ooo stuttgart 80}

gg-fr

IBM Deutschland GmbH _{7ooo stuttgart 8}

Pascalstraße 100

Amtl. Aktenzeichen: · Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PO 971 006

Transistorschaltung mit Antisättigungsschaltung

Die Erfindung betrifft Transistorschaltungen, insbesondere logische Schaltungen, bei denen eine Sättigung verhindert werden soll.

Monolithische Transistor-Transistorlogikschaltungen finden weite Anwendung, da sie hinsichtlich Zuverlässigkeit, Verlustleistung, Packungsdichte auf dem monolithischen Halbleiterkörper und logischer Flexibilität wesentliche Vorteile bieten." Bei derartigen Schaltungen werden jedoch hohe Ströme dazu verwendet, um den Ausgangstransistor möglichst schnell einzuschalten. Diese Tatsache hat zur Folge, daß überschüssige Ladungen in dem stark gestättigten Ausgangstransistor gespeichert werden, was eine große Abschaltzeitverzögerung bewirkt. Diese Abschaltzeitverzögerung'ist auch die Ursache, daß beispielsweise Transistor-Transistorlogikschaltungen in den Fällen nicht eingesetzt werden-, in denen hohe Geschwindigkeiten verlangt werden.'

Um die Einsatzmöglichkeiten derartiger Schaltungen zu vergrößern, sind eine Reihe von Methoden bekanntgeworden, die die hohe Sättigung des Ausgangstransistors vermeiden sollen. Bei der wirksamsten dieser bekannten Methoden wird parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Auisgangstransistors eine Schottky-Diode geschaltet, die die Vorwärtüöpcinnung an dieser Strecke auf einem relativ niedrigen Viert, hält. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß der Herstel-

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lungsproxeß für dl· Schottky-Diode relativ umständlich ist, wenn andere Metalle al« Aluminium für die elektrischen Zwischenverbindungen verwendet werden, und darin, daß gewisse Störspannungsprobiene auftreten, da die Eigenschaften der Transistoren der Transistor-Txanaistorlogikschaltung und der Schottky-Diode nicht in ausreichenden Maße gleichlaufend sind.

Ks ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Antlsättigungsschaltung anzugeben, die die aufgeselgten Machtelle nicht aufweist.

Genie der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Antlsättlgungsschaltung einen mit seinen Emitter mit dem Kollektor und mit seinem Kollektor mit der Basis eines in Emitterschaltung betriebenen, von einem Eingangetransistor gesteuerten Ausgangstransistors verbundenen Transistor enthält, «wischen dessen Basis und Kollektor eine solche Vorspannung angelegt ist, dall die Basis auf einem höheren Potential als die Emitter-Basisspannung des leitenden Ausgangstransistors liegt, wobei das Potential einerseits groß genug 1st, um die Einschaltselt des Ausgangstranslstors nicht su vergrößern, und andererseits klein genug ist, um die Sättigung des Ausgangstransistore durch Leitendwerden des Translators su verhindern.

Weitere Einselheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter, in der Zeichnung dargestellter AusfUhrungsbels^iele. Es seigern

Flg. 1 das Schaltbild einer Transistor-Tranalstorlogik,

die mit der erfindungsgemäßen Antiaättlgungsschaltung ausgestattet 1st,

Flg. 2 eine Draufsicht eines topologischen Entwurfs des

Eingangstranslstors und des Antlsättigungstransistors für die Schaltung gemäß rig. I und

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Flg. 3 eine Schnlttansicht entlang der Schnittlinie 3-3

der Struktur gemäß Flg. 2.

Flg. l zeigt eine konventionelle Tranalstor-Transistorlogikschal tung, die erfindungsgenfiß mit einem Translator T_Q sum Zwecke der Steuerung der Sättigung dea Ausgangstransistors T. ausgeatattet 1st, Befindet alch einer oder mehrere der drei Eingänge A, B oder C auf einem unteren Pegel, ao sind die mit diesen Eingängen gekoppelten Emitter e., e, oder e₃ in Durchlaßrichtung gepolt. Ba aei beispielsweise angenommen, der Eingang B befinde alch auf einen unteren Pegel, während die Eingänge A und C auf einem oberen Pegel gehalten werden. Unter dieser Voraussetzung ist Emitter e_ in Durchlaßrichtung und die Emitter e. und β-sind Sperrichtung gepolt. Der durch einen Widerstand R„ fließende Strom I_R2 fließt Ober den Basis-Emitterübergang des Tranaistors T₂ und den Eingang B ab. Das bedeutet, daß der Strom I_~ nicht Über den Baaia-KollektorOber^ang (Sas Translators T₂ die Basis des Tranalators T^ erreicht« Der Transistor T^ bleibt somit gesperrt und die Ausgangsspannung V_Q bleibt auf einem oberen Pegel. Sind dagegen aämtliche Einginge A, B und C auf einem oberen Pegel» ao aind die Emitter β_χ bis e₃ dea Tranaistors T₂ gesperrt und der genannte Strom flieftt *ur Baaia dea Translators T,. Dadurch wird dieaer Tranaiator leitend und die Spannung an Ausgang abgesenkt. Ohne Einsatz dee Tranaistors T_Q wird der Auagangatransistor T. stark gesättigt, da Ober den Widerstand R₂ ein extrem hoher Baaiastrom zugeführt wird/ im für den Ausgangstransistor T. schnallschaltende Tranaletoren zur Verfugung zu stellen. Nenn dann einer der Eingänge A bis C auf einen unteren Pegel abgeaenkt wird, benötigt der Translator T^ eine relativ große Erholungsbsw. Abschaltsait. Damit wird die Ansprechzeit der Geaantachaltung weaentlich vermindert. Dieses Problem wird erfindungagemäß dadurch vermieden, daft ein Widerstand K₃ und der Transistor T_Q in die Schaltung eingefügt wird. Daa Verhältnis der beiden den Wideretand R₃ bildenden Teilwiderstände R₃₂ und R₃₁ wird dabei so gewählt, daß bei leitendes Tranaiator T₁ das Basispotential dea Transistors T_Q typisch etwa 100 Millivolt höher als dl«

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Basis-Emitterspannung des Transistors T₁ 1st. Durch diese Maßnahme wird die Einschaltselt des Transistors T₁ nicht merklich beeinflußt, da bei dieser Vorspannung der Transistor T_Q so lange keinen wesentlichen Strom sieht wie die Ausgangsspannung V₀ höher als 200 Millivolt ist. Sobald jedoch die Ausgangsspannung V_Q geringer als 200 Millivolt wird, wird Transistor T_Q leitend und läßt den Strom I_R2 vom Widerstand R₂ über den Kollektor sum Emitter des Transistors T_Q fließen. Damit wird die Basis-Kollektorstrecke de· Translator· T₁ überbrückt. Der Transistor T₁ kann durch den Treiber ■trom nicht in die Sättigung gesteuert werden. Die Erholseit de· Transistors T₁ ist demnach nur kurz, wenn einer der Eingänge A, B oder C auf den unteren Pegelwert gebracht wird.

Der topologische Entwurf für die aus dem Transistor T₂, dem Transistor T₀ und dem Widerstand R₃ bestehende Schaltung kann so ausgelegt werden, daß sie, wie in den Fign. 2 und 3 dargestellt, innerhalb einer Isolatlonswanne angeordnet werden kann. In ein P-leltendes Substrat 10 wird ein N*-leltender Subkollektor 12 eindiffundiert. Anschließend wird eine N-leitende Epitaxieschicht 14 aufgewachsen. Eine P -leitende Zeolatlonasone 16 wird rahmenförmig den Subkollektor umgebend eindiffundiert. Der innerhalb dieser rahaenförnlgen Isolation·«one 16 liegende Teil der H -leitenden Epitaxieschicht 18 dient als Kollektor sowohl für den Eingangstransistor T₁ als auch für den die Antlsättigung bewirkenden Translator T_Q. Eine U-fttraige, P~-leitende Diffuslonssone 20 innerhalb der Epitaxieschicht 18 liefert die Basen für beide Transistoren T₁ und T_Q und bildet außerdem die Widerstände R₃₁ und R₃₂* In dieser Basissone werden vier M*-leitende Diffuslonssonen 22 bis 28 eingebracht, die die Emitter der Transistoren T₁ und T₂ bilden. Wie aus der Fig. 2 su ersehen ist, liegen die Emitter m. bis e₃ an einem Ende des einen Schenkels der U-förmigen Basissone, während der Emitter e_Q des Transistors T_Q in der Mitte des anderen Schenkels angeordnet 1st. Durch nachfolgende Metallisierung werden die Xontakte su den einseinen fönen der Transistoren hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Basiskontakt 30 des Transistors T₁ anschließend an die Emitter des Transistors T₁ auf die Basis-

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zone 20 aufgebracht ist. Der Kollektorkontakt 32 für beide Transistoren kontaktiert sowohl die Koliektorzone als auch den Schenkel der Basiszone 20, der den Emitter 28 des Transistors T_Q enthält. Auf der Basiszone 2o ist außerdem ein metallischer Kurzschluß 34 angebracht, dessen Kontakte beidseitig der Emitterzone e_Q angeordnet sind. Auf diese Weise erreicht man, daß der Teil der Basiszone 20 zwischen Basiskontakt 3O und dem Kontakt 36 des Kurzschlusses als Widerstand R₃, dient, während der Teil der U-förmigen . Basiszone zwischen dem Kontakt 38 des Kurzschlusses und dem Kollektor 32 als Widerstand R₃₂ verwendet wird. Die Kontakte 4O bis 46 kontaktieren die Emitter beider Transistoren. Der Transistor Τ., und die Widerstände R. und R₂ sind in üblicher Weise in separaten Isolatlonsgebieten untergebracht.

Es ist zu ersehen, daß die für die Antisättigungsschaltung erforderlichen Bauelemente keinen ins Gewicht fallenden Aufwand mit sich bringen, da sie zusammen mit dem Elngangetranaistor T. herstellbar sind. Die beschriebene Transistorschaltung weist gegenüber Antisättlgungsschaltungen uit Schottky-Dioden den Vorteil auf, daß die dort auftretenden Fabrikations- und Abgleichprbbleme vermieden werden. Schließlich kann der die Antisättigungsschaltung bildende Transistor T_Q so gesteuert werden, daß am Kollektor des Transistors T. eine Klemmspannung erzeugt wird, die die erwähnten Störspannungsprobleme verhindert.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit einer Transistor-Transistorlogikschaltung beschrieben. Sie kann mit demselben Erfolg bei anderen Schaltungen, wie beispielsweise bei kreuzgekoppelten Multivibratoren und linearen Verstärkern, eingesetzt werden. Bedingung ist auch bei» Einsatz in diesen diversen Schaltungen lediglich nur, daft der Emitter des slttlgungsverhindernden Transistors mit dem Kollektor und sein Kollektor mit der Basis eines vorgegebenen Transistors verbunden ist und daß zwischen Kollektor und Basis des sättigungsverhlndernden Transistors Mittel vorgesehen sind, die den Arbeltspunkt des Transistors in der vorgegebenen Welse steuern.

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Claims

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/I.- Transistorschaltung rait Antisättlgungsschaltung, dadurch gekennzeichnet/ daß dia Antisflttigungsschaltung einen mit seinem Knitter mit dem Kolloktor und mit seinem Kollektor mit der Basis eines in Emitterschaltung betriebenen, von einem £ingangstranslstor gesteuerten Auagangstransistors verbundenen Transistor enthält, zwischen des Basis und Kollektor eine solche Vorspannung angelegt ist« daß die Basis auf einem höheren Potential als die Emitter-Basisspannung des leitenden Ausgangstransistors liegt/ wobei das Potential einerseits groß genug ist, um die Einschaltaalt des Ausgangstransistors nicht zu vergrößern/ und andererseits klein genug ist/ un die Sättigung des Ausgangstransistors durch Leitendwerden des Transistors zu verhindern.
2. Transistorschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennaelehnet, daß der Eingangstransistor ein Multiemitter-Transistor ist, dessen Kollektor mit der Basis des Ausgangstransistors verbunden ist, dessen verschiedene Emitter dl« Eingang« der Schaltung bilden und an dessen Basis eine Stromquelle angeschlossen ist, so daß eine UND-Schaltung entsteht.
3. Traneistorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung an einem zwischen Basis und Kollektor des Multiemitter-Tranaistors eingeschalteten Spannungsteiler abgenommen wird.
4. Tranalstorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das der Multi«iitter-Tranai*tor und der sÄttigungsverhlndernde Transistor eine gemeinsame Basis- und Kollektor zone aufweisen.

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