DE2231932C3

DE2231932C3 - Transistorverbundschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2231932C3
Application number: DE2231932A
Authority: DE
Inventors: Tokio Tokyo Furuhashi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1982-09-23
Also published as: US3725754A; DE2231932B2; NL7207950A; NL175569B; NL175569C; IT959993B; JPS5135113B1; GB1399530A; DE2231932A1; FR2144366A5

Description

3. Transistorverbundschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Transistor (1) der Emitter- und der Kollektorbereich seitlich zueinander im Basisbereich angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine Transistorverbundschaltungsanordnung mit drei Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, von denen ein erster Transistor, dessen Basis den Basisanschluß der Verbundschaltung bildet, emitter- bzw. koilektorseitig mit einem zweiten Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einem dritten Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp verbunden ist, die ihrerseits koilektorseitig 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-Transistoren wurde in der DE-OS 19 32 531 eimi Verbundschaltung der oben genannten Art vorgeschlagen, bei der drei Transistoren hintereinander geschaltet und der erste und dritte Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind. Dabei bestimmt der in Übertragungsrichtung in der Mitte liegende zweite Transistor vom pnp-Typ den Leitfähigkeitstyp der gesamten Verbundschaltungsanordnung.

Diese Verbundschaltungsanordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß durch die Verbindung vom Kollektor des dritten Transistors zum Emitter des zweiten Transistors und von der Basis des dritten Transistors zum Kollektor des zweiten 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 Nebenschluß zwischen der Basis des npn-Transistors und Errte —, die ίο die integrierte Schaltungsanordnung verkomplizieren und die für sie benötigte Substratfläche zwangsweise vergrößern.

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Verbundschaltungsanordnung der oben genannten Art zu schaffen, die einerseits das Auftreten von unerwünschten Schwingungen verhindert, aber dennoch eine hohe Stromverstärkung liefert, und andererseits nur eine kleine Substratfläche 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 Verstärkungsgrad < 1 auf, durch den das Auftreten einer unerwünschten Schwingung vollständig verhindert wird. Weiterhin werden keine zusätzlichen Bauteile benötigt, so daß die für die 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 der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

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

F i g. 2 ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen Transistorverbundschaltungsaiiordnung;

Fig.3 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Verstärker und

Fig.4 einen Querschnitt durch den Aufbau der ■»5 Transistoren nach F i g. 3.

Der Kollektor eines pnp-Transistors 1 (Fi g. 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 jo Emitter des pnp-Transistors 1 verbunden, wobei ein Anschluß 3 von der Basis des pnp-Transistors 1 als Basisanschluß, ein Anschluß 4 von dem Emitter des pnp-Transistors 1 als Emitteranschluß und ein Anschluß 5 von dem Emitter des npn-Transistors 2 als Kollektoranschluß der Verbundschaltung verwendet werden. Die Verbundschaltungsanordnung wirkt als Äquivalent eines einzigen pnp-Transistors und hat eine hohe Stromverstärkung.

Der pnp-Transistor 1 hat, wenn er in Form einer to integrierten Schaltung mit einem Substrat des p-Leitfähigkeitstyps 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 1 ti 5 — Basis des npn-Transistors 2 — Kollektor des npn-Transistors 2 — Emitter des pnp-Transistors 1 — Kollektor des pnp-Transistors 1) eine positive Rückkopplung bei einer speziellen Frequenz, so daß die

Schaltung in Schwingung versetzt wird. Pie Schwingungsfrequenz liegt bei einigen Mega-Hertz, insbesondere, wenn der pnp-Tiansistor 1 einen lateralen Transistor darstellt Dies wird später unter Bezugnahme auf F ig. 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 M-ssenherstellung von integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen benötigt wird, und die Ausbeute wird kleiner.

Ein anderer Versuch, die unerwünschte Schwingung zu verhindern, besteht darin, eine Nebenschlußkapazität zwischen der Basis des npn-Transistors 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 Mängel dadurch, daß eine neue Anordnung geschaffen wird, bei der ein zusätzlicher pnp-Transistor zwischem dem Emitter des pnp-Transistors von F i g. 1 und dem Kollektor des npn-Transistors vorgesehen wird, so daß die Basis-Emitter-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 Schleifenverstärkung kleiner als 1 gehalten wird.

F i g. 2 zeigt schematisch das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein zusätzlicher pnp-Transistor 7 in die herkömmliche Schaltungsanordnung nach F i g. 1 eingesetzt ist Die Basis dieses zusätzlichen pnp-Transistors 7 ist mit dem Emitter des eisten 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 C verbunden bein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Anschluß 5 mit dem Anschluß 8 durch einen Widerstand (in Fig.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 ist, soll als Kollektoranschluß der gesamten Verbundschaltungsanordnung dienen. Die Spannung wird zwischen den Anschlüssen 4 und 8 durch eine Lastimpedanz (in F i g. 2 nicht gezeigt) angelegt. Wie dargestellt ist ist die Emitter-Basis-Verbindung des zusätzlichen pnp-Transistors 7 in einen Kreis 9 eingesetzt (Kollektor des pnp-Transistors 1 — Basis des ripn-Transistors 2 — Kollektor des npn-Transistors 2 — Emitter des zusätzlichen ,Mp-Tränsistors 7 — Basis des zusätzlichen pnp-Tranpistors 7 — Emitter des pnp-Transistors 1 — Kollektor des pnp-Transistors 1), und der Basisstroni des zusätzlichen pnp-Transisfors 7 hat einen Wert, der gleich der inversen Zahl der StromverstSrkung hpsz des zusätzlichen pnp-Transistors 7 ist Daher wird die Verstärkung des Kreises 9 auf einen Wert von 1/Λ/Τ3 mal der Verstärkung des Kreises 6 von Fig. 1 herabgesetzt Der Wert von Λ/Έ3 wird geeignet bestimmt, um die Verstärkung des Kreises 9 unter 1 zu

ίο halten.

Auf diese Weise verursacht die Transistorverbundschaltungsanordnung keine parasitäre Schwingung. Ferner kann die Gesamtstromverstärkung, die in der geerdeten Emitterschaltungsanordnung erzielt wird, erhöht werden, wobei auf die hohe Stromverstärkung Λ/ΓΕ2 des npn-Transistors 2 für die geerdete Emitteranordnung zurückgegriffen wird. Wenn eine Last an den Anschluß 4 angeschaltet ist, um die Transistorverbundschaltungsanordnung insgesamt als Emitterfolger zu verwenden, kann die Stromzufuhr zu der Last beachtlich erhöht werden. Speziell kann der F.mitterstrom des pnp-Transistors 7 ausgedrückt werden als: i'b + ie ■ ItFE ι (wobei /β der Basisstrom an dem Anschluß 3 ist). Auf ähnliche Weise kann der Emitter-Strom des zusätzlichen pnp-Transistors 7 angegeben werden als: Ob + ie ■ hpE\) + Ob + ie ■ Α«? ι) hpEi- Die Summe des Emittersxromes des zusätzlichen pnp-Transistors 1 und des Kollektorstromes des npn-Transistors 2 ausgedrückt durch: ie ■ Ann ■ Iife2 wird an den Anschluß 4

jo zugeführt Der Gesamtstrom ist um den Wert Ob + i'b ■ fiFE\) Are 2 größer als der Wert, der mit der Schaltung von F i g. 1 zu erzielen ist

In F i g. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Emitterfolger dargestellt. Der Anschluß 4 ist mit der positiven Elektrode einer Stromquelle U durch eine Last 10 und der Anschluß 8 mit der negativen Elektrode der Stromquelle 11 verbunden. Ein Widerstand 12 ist zwischen den Anschlüssen 5 und 8 angeschlossen, um einen übermäßigen Strom zu messen.

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 Kollektorstrom des ersten pnp-Transistors 1 fließt durch den Widerstand 14, um den npn-Transistor 2 zu öffnen. Die Schaltungsanordnung nach Fig.3 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 voneinander getrennte Bereiche des n-Leitfähigkeitstyps (16, 17 und 18) werden auf einem Halbleitersubstrat 15 des p-Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Zwei seitlich zueinander angeordnete Bereiche mit p-Leitfähigkeit werden im Bereich 16 angeordnet, um den pnp-Transistor 1 zu biiden. Ein Bereich mit p-Leitfähigkeit wird im Bereich 17 ausgebildet und ein Bereich mit η-Leitfähigkeit wird wiederum im Bereich mit p-Leitfähigkeit ausgebildet, so daß ein npn-Transistor 2 gebildet wird. Ferner wird ein Bereich mit p-Leitfähigkeit im Bereich 18 ausgebildet,

Mj so daß ein zusätzlicher pnp-Transistor 7 mit dem p-Bereich als Emitter, dem Bereich 18 als Basis und dem Substrat 15 als Kollektor hergestellt wird.

Da der Kollektoranschluß 8 auf einen minimalen Potential gehalten wird, ist es bei diesem Ausführungs-

.. i beispiel möglich, den zusätzlichen pnp-Transistor 7 aufzubauen, wie er in Fig.4 dargestellt ist. Er kann daher so ausgelegt werden, daß bei einer erheblichen Erhöhung des Emitterstroms die Stromverstärkung des

zusätzlichen pnp-Transistors 7 schneller abfällt, als die des npn-Transistors 2. Wenn ein übermäßiger Laststrom fließt, wird daher der größte Teil dieses übermäßigen Stromes durch den npn-Transistor und nicht durch den zusätzlichen pnp-Transistor 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.aststromes dienen kann. Dieser Meßausgang kann beispielsweise dazu verwendet werden, eine notwendige Schutzschaltungsanordnung zu betätigen.

Selbstverständlich kann die Erfindung nicht nur in einem p-Halbleitersubstrat, sondern auch in einem η-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Dabei muß lediglich der pnp-Transistor 1 und der zusätzliche r> pnp-Transistor 7 durch npn-Transistoren und der npn-Transistor 2 durch einen pnp-Transistor ersetz! werden. Es ist ferner ersichtlich, daß die Erfindung auch auf Transistorverbundschaltungsanordnungen anwendbar ist, die durch getrennte Transistoren aufgebaut und nicht in Form integrierter Schaltungen hergestellt sind. Ferner ist bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Basis-Emitter-Verbindung des zusätzlichen pnp-Transistors zwischen dem Emitter des pnp-Transistors 1 und dem Kollektor des npn-Transistors 2 eingesetzt. Statt dessen können die Basis-Emitter-Verbindungen einer Vielzahl von pnp-Transistoren in Kaskadenschaltung und in derselben Richtung dazwischen eingesetzt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorverbundschaltungsanordnung mit drei Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, von denen ein erster Transistor, dessen Basis den Basisanschluß der Verbundschaltung bildet, emitter- bzw. koilektorseitig mit einem zweiten Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einem dritten Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp verbunden ist, die ihrerseits koilektorseitig mit dem Emitter- bzw. dem Kollektoranschluß der Verbundschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) koilektorseitig 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 Transistors (2) direkt oder über eine Impedanz^<2) verbunden ist

2. Transistorverbundschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (7) den Emitteranschluß (4) und entweder der Emitter des zweiten Transistors (2) oder der Kollektor des dritten Transistors (7) den Kollektoranschluß (5 bzw. 8) der Verbundschaltung bildet.