DE2231932B2

DE2231932B2 - Transistorverbundschal tungsanordnung

Info

Publication number: DE2231932B2
Application number: DE2231932A
Authority: DE
Inventors: Tokio Tokio Furuhashi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1399530A; NL175569B; US3725754A; JPS5135113B1; NL7207950A; DE2231932C3; NL175569C; FR2144366A5; DE2231932A1; IT959993B

Description

Die Erfindung betrifft eine Transistorverbundschaltungsanordnung mit drei Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, von denen ein erster Transistor, dessen Basis den Basisanschluß der Verbundschaltung bildet, emitter- bzw. kollektorseitig mit einem zweiten Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einem dritten Transistor vom gleichen Leilfähigkeitstyp verbunden ist, die ihrerseits kollektorseitig mit dem Emitter- bzw. dem Kollektoranschluß der Verbundschaltung verbunden sind.

Verbundschaltungsanordnungen können allgemein dann vorgesehen werden, wenn die Eigenschaften von einzelnen Transistoren verbessert werden sollen. Dies tritt insbesondere für die relativ schlechten, lateralen pnp-Transistoren in integrierter Ausführung zu, die nur eine geringe Stromverstärkung aufweisen.

Zur Verbesserung der Stromverstärkung von lateralen pnp-Transisloren wurde in der DE-OS 19 32 531 eine Verbundschaltung der oben genannten Art vorgeschlagen, bei der drei Transistoren hintereinander geschaltet und der erste und dritte Transistor vom gleichen Lei'.fähigkeitstyp sind. Dabei bestimmt der in Übertragungsrichtung in der Miltc liegende /weite Transistor vom pnp-Typ den I.cilfähigkcitstyp der gesamten Verbundschal tungsanordnu ng.

Diese VcrbundschaltungSiinordniing weist jedoch den Nachteil auf, dall durch die Verbindung vom Kollektor des dritten Transistors zum Emitter des /weiten Transistors und von der Basis des dritten Transistors /um Kollektor des /weiten Transistors eine Schleife mit positiver Rückkopplung bzw. Mitkopplung gebildet wird, durch die bei einer bestimmten Frequenz eine Schwingung erzeugt wird. Eine ähnliche Schaltung ist auch aus der DE-AS 12 94 557 bekannt, bei der zwischen dem ersten und zweiten Transistor eine Schleife mit positiver Rückkopplung gebildet wird

Zur Verhinderung einer solchen unerwünschten Schwingung sind jedoch zusätzliche Bauteile erforderlich — wie z. B. eine Kapazität für einen Neberschluß zwischen der Basis des npn-Transistors und Erde —, die iu die integrierte Schaltungsanordnung verkomplizieren und die für sie benötigte Substratfläche zwangsweise vergrößern.

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Verbundschaltungsanordnung der oben genannten Art zii schaffen, die einerseits das Auftreten von unerwünschten Schwingungen verhindert, aber dennoch eine hohe Stromverstärkung liefert, und andererseits nur eine kleine Substrafläche benötigt.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gebildete interne Rückkopplungsschleife (Kollektor erster Transistor — Basis zweiter Transistor — Kollektor zweiter Transistor — Emitter dritter Transistör — Basis dritter Transistor — Emitter erster Transistor) weist einen Verstärkungsgiad < I auf, durch den das Auftreten einer unerwünschten Schwingung vollständig verhindert wird. Weiterhin werden keine zusätzlichen Bauteile benötigt, so daß die für die JO integrierte Schaltung erforderliche Substratfläche klein gehalten werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand Ji der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Transistorverbundschaltungsanordnung (Darlington-Schaltung);

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgema-•»o Ben Transistorverbundschaltungsanordnung;

Fig. 3 ein Schaliungsdiagramtn eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Verstärket und

Fig.4 einen Querschnitt durch den Aufbau der Jj Transistoren nach Fig. 3.

Der Kollektor eines pnp-Transistors 1 (Fig. 1) ist mit der Basis eines npn-Transistors 2 verbunden, dessen Stromverstärkung größer als die des pnp-Transistors 1 ist. Der Kollektor des npn-Transistors 2 ist mit dem ■>o Emitter des pnp-Transistors 1 verbunden, wobei ein Anschluß 3 von der Basis des pnp-Transistors I als Basir.anschluß, ein Anschluß 4 von dem Emitter des pnp-Transistors I als Emitteranschhiß und ein Anschluß 5 von dem Emitter des npn-Transislors 2 als ">"> Kollektoranschluß der Verbundschaltung verwendet werden. Die Vcrbundschaltiingsanordniing wirkt als Äquivalent eines einzigen pnp-Transistors und hat eine hohe Stromverstärkung.

Der pnp-Transistor I hat, wenn er in Form einer ¹" integrierten .Schaltung mil einem .Substrat des p-l.eitfahigkeitstyps hergestellt wird, gewöhnlich schlechte Kennwerte, wodurch die Signale an seinem Emitter und Kollektor eine große Phasendifferenz haben. Dadurch entwickelt der Kreis 6 (Kollektor des pnp-Transistors I — Basis des npn-Transislors 2 — Kollektor des npn-Transistors 2 — Emitter des pnp-Transistors 1 — Kollektor des pnpTransistors I) eine positive Rückkopplung bei einer speziellen Frequenz, so daß die

Schaltung in Schwingung versetzt wird. Die Schwingungsfrequenz liegt bei einigen Mega-Hertz, insbesondere, wenn der pnp-Transistor 1 einen lateralen Transistor darstellt. Dies wird später unter Bezugnahme auf F i g. 4 beschrieben.

Die Schwingung kann dadurch verhindert werden, daß die Verstärkung des Kreises 6 herabgesetzt wird oder in anderen Worten, daß die Stromverstärkung des npn-Transistors 2 herabgesetzt wird. Die Herabsetzung der Stromverstärkung des npn-Transistors 2 ist jedoch dem Zweck nicht dienlich, eine hohe Stromverstärkung bei der Verbundschaltungsanordnung insgesamt zu verwirklichen.

Die Schwingungsfrequenz hängt weitgehend von der Breite der Basis des pnp-Transistors 1 ab. Um zu verhindern, daß die Schwingung bei einem niedrigen Frequenzbereich sich bis zur Betriebsfrequenz der Schaltung erstreckt, muß die Breite der Basis so klein wie möglich sein. Es ist jedoch bei dem Herstellungsprozeß sehr schwierig, die Breite der Basis auf einen sehr kleinen Wert zu begrenzen. Die genaue Kontrolle der Breite der Basis bei der Herstellung macht die Steuereinrichtung kompliziert, die für die Massenherstellung von integrierten Halblciterschaltungsanordnungen benötigt wird, und die Ausbeute wird kleiner.

Ein anderer Versuch, die unerwünschte Schwingung zu verhindern, besteht darin, eine Nebenschlußkapazität zwischen der Basis des npn-Transisiors 2 und Erde einzusetzen. Wenn die Kapazität jedoch in das Substrat eingearbeitet werden soll, wird eine größere Substratfläche benötigt, was der Miniaturisierung der integrierten Schaltung abträglich ist.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Mangel dadurch, daß eine neue Anordnung geschaffen wird, bei der ein zusätzlicher pnp-Transistor zwischem dem Emitter des pnp-Transistors von Fig. 1 und dem Kollektor des npn-Transistors vorgesehen wird, so daß die Basis-Emiller-Verbindung des zusätzlichen pnp-Transistors in derselben Richtung bezüglich der Basis-Emitter-Verbindung des pnp-Transistors angeschlossen ist. Die Stromverstärkung des zusätzlichen pnp-Transistors in der geerdeten Emitter-Schaltungs-Anordnung wird so bestimmt, daß die gesamte Schleifenvcrstärkung kleiner als I gehalten wird.

F i g. 2 zeigt schematich das Ausfühnngsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein zusätzlicher pnp-Transistor 7 in die herkömmliche Schaltungsanordnung nach Fig. I cingeset/t ist. Die Basis dieses zusätzlichen pnp-Transistors 7 ist mit dem Emitter des ersten pnp-Transistors 1 verbunden, während der Emitter des Transistors 7 mit dem Kollektor des npn-Transistors 2 verbunden ist. Der Anschluß 5 kann direkt mit dem Anschluß 8 verbunden sein. Hei einem anderen Ausfiihrungsbcispicl '\anri der Anschluß 5 mit dem Anschluß 8 durch einen Widerstand (in F i g. 2 nicht gezeigt) verbunden sein, der zur Messung eines übermäßigen Stromes oder zu anderen Zwecken verwendet werden kann. Der Kollektor des zusätzlichen pnp-Transistors 7, der an den Anschluß 8 angeschlossen isl, soll ah KollekloriinschluH der gesamten Verbundschaltungsanordnung dienen. Die Spannung wird zwischen ilen Anschlüssen 4 und 8 durch eine I.aslimpedanz (in I' i g. 2 nicht gezeigt) angelegt. Wie dargestellt isl, isl die Emitter -Basis-Verbindung des /!iisälzlichcn pnp-I rarr.islors 7 in einen Kren 9 eingesetzt (Kollektor des pnn-Transislors I — Basis des npn-Transistors 2 — Kollektor des npn-Transistors 2 — Emitter des zusätzlichen pnp-TransiMors 7 — Basis des zusätzlichen pnp-Transistors 7 — Emitter des pnp-Transistors I — Kollektor des pnp-Transistors 1), und der Basisstrom des zusätzlichen pnp-Transistors 7 hat einen Wert, der gleich der inversen Zahl der Stromverstär-

ί kung hhEi des zusätzlichen pnp-Transistors 7 ist. Daher wird die Verstärkung des Kreises 9 auf einen Wert von Mhnsi mal der Verstärkung des Kreises 6 von Fig. 1 herabgesetzt. Der Wert von fiFEi wird geeignet bestimmt, um die Verstärkung des Kreises 9 unter I zu

lu halten.

Auf diese Weise verursacht die Transistorverbundschaltungsanordnung keine parasitäre Schwingung. Ferner kann die Gesamtstromverstärkung, die in der geerdeten Emitterschaltungsanordnung erzielt wird,

Ii erhöht werden, wobei auf die hohe Stromverstärkung hm des npn-Transistors 2 für die geerdete Emitteranordnung zurückgegriffen wird. Wenn eine Last an den Anschluß 4 angeschaltet ist, um die Transistorverbundschaltungsanordnung insgesamt als Emitterfolge zu

>D verwenden, kann die Stromzufuhr zu de. Last beachtlich erhöht werden. Speziell kann der Emitt-rstrom des pnp-Transistors 7 ausgedrückt werden als: ie + in ■ hfE ι (wobei /ader Basisstrom an dem Ansch'uß 3 ist). Auf ähnliche Weise kann der Emitter-Strom des

>-, zusätzliche pnp-Transistors 7 angegeben werden als: (ie + ie ■ hn: ι) + (iß + iß ■ hn:,) hft ι- Die Summe des Emitterstromes des zusätzlichen pnp-Transistors 1 und des Kollektorstromes des npn-Transistors 2 ausgedrückt durch: /a · hn, ι · /ift! wird an den Anschluß 4

ίο zugeführt. Der Gesamtstrom ist um den Wert (in + hi ■ hn; \) hn: > größer als der Wert, der mit der Schaltung von F i g. I zu erzielen ist.

In Fig. J ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Emitterfolger dargestellt. Der Anschluß 4

π ist mit der positiven Elektrode einer Stromquelle 11 durch eine Last 10 und der Anschluß 8 mit der negativen Elektrode der Stromquelle 11 verbunden. Ein Widerstand 12 ist zwischen den Anschlüssen j unj 8 angeschlossen, um einen übermäßigen Strom zu messen.

ίο Ein übermäßiger Laststrom wird an dem Anschluß 13 gemessen, der an den Anschluß 5 angeschlossen ist. Ein Widerstand 14 ist zwischen der Basis und dem Kollektor eines pnp-Transistors 2 angeschaltet. Der Koücktorstrom des ersten pnp-Transistors 1 fließt durch den

Γ) Widerstand 14, um den npn-Transistor 2 zu offnen. Die Schaltungsanordnung nach F i g. J kann in einer integrierten Schaltungsanordnung verwirklicht werden, wie es in F i g. 4 dargestellt ist. Die Transistoren 1, 2 und 7 werden wie folgt hergestellt. Wechselseitig voneinun-

Mi der getrennte Bereichs des n-l.cilfähigkeilslyps (16, 17 und 18) werden auf einem Halbleitersubstrat 15 des p-Leitfähigkeiistyps ausgebildet. Zwei seillich zueinander ing. ordnete Bereiche mit p-Leitfähigkeit werden im Bereich 16 angeordnet, um den pnp-Transistor 1 /ti

,, bilden. Ein Bereich mw p-Leilfähigkeil wird im Bereich 17 ausgebildet und ein Bereich mit n-l.eitfahigkeil wird wiederum im Bereich mil p-l.eiifühigkeit ausgebildet, so daß ein npn-Trunsiitor 2 gebildet wird. Ferner wird ein Bereich mit p-Leilfähigkeit im Bereich 18 ausgebildet, so daß ein zusätzlicher pnp-lnmsisUir 7 mi! dem p-Bereich als Emitter, dem Bereich 18 .ils Basis und dem Substrat 15 als Kollektor hergestellt wird.

Da der Kollcktoranschluß 8 auf einem minimalen Potential gehalten win¹ ist es bei diesem Ausführungsbcispicl möglich, den zusätzlichen pnp Transistor 7 aufzubauen, wie er in F i g. 4 tiargestellt ist. Er kann daher so ausgelegt werden, daß bei einer erheblichen Erhöhung des Emitterstroms die Stromverstärkung des

/.usäl/.lichcii pnp-Transistors 7 schneller abfällt, als die iles npn-Transistors 2. Wenn ein übermäßiger l.aststrom fließt, wird daher der größte Teil dieses übermäßigen Stromes durch den npn-Transistor und nicht durch den zusätzlichen pnp-Transislor 7 geführt, so daß sich ein ·, sehr schneller Anstieg des Spannungsabfalls an dem Widerstand 12 ergibt, wodurch der Anschluß 13 als Anschluß für die Messung eines übermäßigen l.aststronies dienen kann. Dieser Meßausgang kann beispielsweise da/u verwendet werden, eine notwendige κ Schutzschaltungsanordnung zu betätigen.

Selbstverständlich kann die Erfindung nicht nur in einem p-llalblcitcrsubstrat. sondern auch in einem η Typ Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Dabei muß lediglich der pnp-Transistor 1 und der zusätzliche < pnp-Transistor 7 durch npn-Tran.sisioren und der npn-Transistor 2 durch einen pnp Transistor erse:/t werden. Ks ist ferner ersichtlich, daß die Erfindung auch auf Transistorverbund scha I tu ngsanordnungc η anwendbar ist, die durch gelrennte Transistoren aufgebaut und nicht in f'orni integrierter Schaltungen hergestellt sind. Ferner ist bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispicl die Basis-Kmitter-Verbindung des zusätzlichen pnp Transistors zwischen dem !{milter des pnp-Trarisistors 1 und dem Kollektor des npn-Transistors 2 eingesetzt. Statt dessen können die Basis-Kmitter-Vcrbindungcn einer Vielzahl von pnp Transistoren in Kaskadenschaltung und in derselben Richtung dazwischen eingesetzt sein.

Hierzu 1 HIaIt Zeiclinuiigen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorverbundschaltungsanordnung mit drei Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, von denen ein erster Transistor, dessen Basis den Basisanschluß der Verbundschaltung bildet, emitter- bzw. kollektorseitig mit einem zweiten Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einem dritten Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp verbunden ist, die ihrerseits kollektorseitig mit dem Emitter- bzw. dem Kollektoranschluß der Verbundschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) kollektorseitig mit der Basis des zweiten Transistors (2) und emitterseitig mit der Basis des dritten Transistors (7) verbunden und der Kollektor des zweiten Transistors (2) mit dem Emitter des dritten Transistors (7) verbunden ist, und daß der Kollektor des dritten Transistors (7) mit dem Emitter des zweiten Trar-sistors (2) direkt oder über eine impedanz(i2) verbunden isi.

2. Transistorverbundschaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (7) den Emitteranschluß (4) und entweder der Emitter des zweiten Transistors (2) oder der Koi'ektor des dritten Transistors (7) den Kollektoranschluß (5 bzw. 8) der Verbundschaltung bildet.

3. Transistorverbundschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Transist ■· (1) der Emitter- und der Kollektorbereich seitlich zueinander im B-^isbereich angeordnet sind.