DE2217456B2

DE2217456B2 - Transistorschaltung mit Antisättigungsschal tung

Info

Publication number: DE2217456B2
Application number: DE2217456A
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: 1979-04-12
Also published as: GB1330605A; FR2134352A1; DE2217456A1; FR2134352B1; JPS4745173A; US3676713A; JPS5315359B1; DE2217456C3

Description

Die Erfindung betrifft Transistorschaltungen, insbesondere logische Schaltungen, bei denen eint 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 gesättigten 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 Einsatzmöglichkeit 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 Ausgangstransistors eine Schottky-Diode geschaltet, die die Vorwärtsspannung an dieser Strecke auf einem relativ niedrigen Wert hält. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß der Herstellungsprozeß für die Schottky-Diode relativ umständlich ist, wenn andere Metalle als Aluminium für die elektrischen Zwischenverbindungen verwendet werden, und darin, daß gewisse Störspannungsprobleme auftreten, da die Eigenschaften der Transistoren der Transistor-Transistoriogikschaltung und der Schottky-Diode nicht in ausreichendem Maße gleichlaufend siad.
s Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Antisättigungsschaltung anzugeben, die die aufgezeigten Nachteile nicht aufweist

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Antisättigungsschaltung einen Transistor enthält, dessen Emitter mit dem Kollektor und dessen Kollektor mit der Basis eines in Emitterschaltung betriebenen, von einem Eingangstransistor gesteuerten Ausgangstransistors verbundenen ist, und zwischen dessen 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 Einschaitzeit des Ausgangstransistors nicht zu vergrößern, und andererseits klein genug ist, um die Sättigung des Ausgangstransistors durch Leitendwerden des Transistors zu verhindern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugte?, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer Transistor-Transistorlogik, die mit der erfindungsgemäßen Antisättigungsschaltung ausgestattet ist,
F i g. 2 eine Draufsicht eines topologischen Entwurfs des Eingangstransistors und des Antisättigungstransistors für die Schaltung gemäß F i g. 1 und

F i g. 3 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3-3 der Struktur gemäß F i g. 2.
F i g. 1 zeigt eine konventionelle Transistor-Transistorlogikschaltung, die erfindungsgemäß mit einem Transistor 7J zum Zwecke der Steuerung der Sättigung des Ausgangstransistors Ti ausgestattet ist Befindet sich einer oder mehrere der drei Eingänge A, B oder C auf einem unteren Pegel, so sind die mit diesen Eingängen gekoppelten Emitter ei, &t oder es in Durchlaßrichtung gepolt. Es sei beispielsweise angenommen, der Eingang B befinde sich auf einem unteren Pegel, während die Eingänge A und C auf einem oberen Pegel gehalten werden. Unter dieser Voraussetzung ist Emitter ei in Durchlaßrichtung und die Emitter ei und es sind Sperrichtung gepolt Der durch einen Widerstand R₂ fließende Strom Ir ₂ fließt über den Basis-Emitterübergang des Transistors T₂ und den Eingang B ab. Das bedeutet daß der Strom Ir₂ nicht über den Basis-KoI-lektorübergang des Transistors T₂ die Basis des Transistors Ti erreicht. Der Transistor 71 bleibt somit gesperrt und die Ausgangsspannung Vo bleibt auf einem oberen Pegel. Sind dagegen sämtliche Eingänge A, B und C auf einem oberen Pegel, so sind die Emitter ei bis C3 des Transistors T₂ gesperrt und der genannte Strom fließt zur Basis des Transistors 71. Dadurch wird dieser Transistor leitend und die Spannung am Ausgang abgesenkt. Ohne Einsatz des Transistors To wird der Ausgangstransistor 7Ί stark gesättigt, da über den Widerstand R₂ ein extrem hoher Basisstrom zugeführt wird, um den Ausgangstransistor 7Ί schnell einzuschalten. Wenn dann einer der Eingänge A bis C auf einen unteren Pegel abgesenkt wird, benötigt der Transistor 71 eine relativ große Erholungs- bzw. Abschaltzeit.

Damit wird die Ansprechzeit der Gesamtschaltung wesentlich erhöht. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein Widerstand Ri und der Transistor T₀ in die Schaltung eingefügt werden. Das

Verhältnis der beiden den Widerstand A₃ bildenden Teilwiderstände R& und Rj\ wird dabei so gewählt, daß bei leitendem Transitor Tj das Basispotential des Transistors T₀ typisch etwa 100 Millivolt höher als die Basis-Emitterspannung des Transistors Γ_ν ist Durch diese Maßnahme wird die Einschaltzeit des Transistors T\ flicht merklich beeinflußt, da bei dieser Vorspannung der Transistor 71 so lange keinen wesentlichen Strom zieht wie die Ausgangsspannung V₀ höher als 200 Millivolt ist Sobald jedoch die Ausgangsspannung Vo geringer als 200 Millivolt wird, wird Transistor 7o leitend und läßt den Strom Ir 2 vom Widerstand R2 über den Kollektor zum Emitter des Transistors 7J fließen. Damit wird die Basis-Kollektors trecke des Transistors Tj überbrückt Der Transistor T_x kann durch den Treiberstrom nicht in die Sättigung gesteuert werden. Die Erholzeit des Transistors Γι ist demnach nur kurz, wenn einer der Eingänge A, B oder C auf den unteren Pegelwert gebracht wird.

Der topologische Entwurf für die aus den: Transistor Ti, dem Transistor To und dem Widerstand A3 bestehende Schaltung kann so ausgelegt werden, daß sie, wie in den F i g. 2 und 3 dargestellt, innerhalb einer Isolationswanne angeordnet werden kann. In ein P-leitendes Substrat 10 wird ein N+-leitender Subkollektor 12 eindiffundiert Anschließend wird eine N-leitende Epitaxieschicht 14 aufgewachsen. Eine P+-leitende Isolationszone 16 wird rahmenförmig den Subkollektor umgebend eindiffundiert. Der innerhalb dieser rahmenförmigen Isolationszone 16 liegende Teil der N--leitenden Epitaxieschicht 18 dient als Kollektor sowohl für den Eingangstransistor 71 als auch für den die Antisättigung bewirkenden Transistor T₀. Eine U-förmige, P^--leitende Diffusionszone 20 innerhalb der Epitaxieschicht 18 liefert die Basen für beide Transistoren Γι und To und bildet außerdem die Widerstände Ä31 und R32. In dieser Basiszone werden vier N+-leitende Diffusionszonen 22 bis 28 eingebracht, die die Emitter der Transistoren T\ und Ti bilden. Wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist, liegen die Emitter ei bis ea an einem Ende des einen Schenkels der U-förmigen Basiszone, während der Emitter C₀ des Transistors T₀ in der Mitte des anderen Schenkels angeordnet ist. Durch nachfolgende Metallisierung werden die Kontakte zu den einzelnen Zonen der Transistoren hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Basiskontakt 30 des Transistors T\ anschließend an die Emitter des Transistors T₁ auf die Basiszone 20 aufgebracht ist Der Kollektorkontakt 32 für beide Transistoren kontaktiert sowohl die Kollektorzone als auch den Schenkel der Basiszone 20, der den Emitter 28 des Transistors 7J enthält Auf der Basiszone 20 ist außerdem ein, metallischer Kurzschluß 34 angebracht, dessen Kontakte beidseitig der Emitterzone öd angeordnet sind. Auf diese Weise erreicht man, daß der Teil der Basiszone 20 zwischen Basiskontakt 30 und dem Kontakt 36 des Kurzschlusses als Widerstand R31 dient, während der Teil der U-förmigen Basiszone zwischen dem Kontakt 38 des Kurzschlusses und dem Kollektor 32 als s Widerstand Ä32 verwendet wird. Die Kontakte 40 bis 46 kontaktieren die Emitter beider Transistoren. Der Transistor Γι, und die Widerstände R\ und R2 sind in üblicher Weise in separaten Isolationsgebieten 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 Eingangstransistor Γι herstellbar ist Die beschriebene Transistorschaltung weist gegenüber Antisättigungsschaltungen mit Schottky-Dioden den Vorteil auf, daß die dort auftretenden Fabrikations- und Abgleichprobleme vermieden werden. Schließlich kann der die Antisättigungsschaltung bildende Transistor 7J 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 beim Einsatz in diesen diversen Schaltungen lediglich nur, daß der Emitter des sättigungsverhindernden Transistors mit dem Kollektor und sein Kollektor mit der Basis eines vorgegebenen Transistors verbunden ist und daß zwischen Kollektor und Basis des sättigungsverhindernden Transistors Mittel vorgesehen sind, die den Arbeitspunkt des Transistors in der vorgegebenen Weise steuern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorschaltung mit Antisättigungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Antisättigungsschaltung einen Transistor enthält dessen Emitter mit dem Kollektor und dessen Kollektor mit der Basis eines in Emitterschaltung betriebenen, von einem Eingangstransistor gesteuerten Ausgangstransistors verbundenen ist, und zwischen dessen 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 Einschaltzeit des Ausgangstransistors nicht zu vergrößern, und andererseits klein genug ist, um die Sättigung des Ausgangstransistors durcn Leitendwerden des Transistors zu verhindern.

2. Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstransistor ein Muhiemitter-Transistor ist, dessen Kollektor mit der Basis des Ausgangstransistors verbunden ist, dessen verschiedene Emitter die Eingänge der Schaltung bilden und an dessen Basis eine Stromquelle angeschlossen ist, so daß eine UND-Schaltung entsteht

3. Transistorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung an einem zwischen Basis und Kollektor des Multiemitter-Transistors eingeschalteten Spannungsteiler abgenommen wird.

4. Transistorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiemitter-Transistor und der sättigungsverhindernde Transistor eine gemeinsame Basis- und Kollektorzone aufweisen.