DE2238348B2 - Operationsverstärker - Google Patents
OperationsverstärkerInfo
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Description
Operationsverstärker werden wegen ihrer Vielseitigkeit sowie ihrer Anpassungsfähigkeit an verschiedene
Anwendungsfälle seit Jahren in elektronischen Systemer, und insbesondere in Linearrystemen
als Grundbausteine verwendet. Bekannte Operationsverstärker, die vorzugsweise in integrierter
Schaltungstechnik hergestellt werden, werden nach zwei grundsätzlichen Gruppen unterschieden: Bei der
ersten Gruppe werden passive Lasten in jeder Verstärkerstufe verwendet. Die zweite Gruppe verwendet
aktive Lasten zur Stabilisierung der Ströme in den verschiedenen Stufen, wodurch sich eine höhere
Verstärkungscharakteristik ergibt.
Die bei bekannten integrierten Operationsverstärkern für die Verstärkerstufen verwendeten passiven
Lasten waren entweder als Muster aus Dünnschichtmaterial auf der Oberfläche einer Unterlage ausgebildet
oder wurden durch den Gesamtwiderstand einer der in die Unterlage eindiffundierten Zonen
gebildet. Die Arbeitsweise der Operationsverstärker dieser Art wurde durch Einstellung der Widerstandsverhältnisse
hersteDcrseitig festgelegt. Da die Arbeitspunkte neben den Widerstandsverhältniswerten auch
von den Betriebsspannungen abhängig sind, kann der geeignete Betrieb des Verstärkers nur dann erreicht
werden, wenn die Betriebsspannungen innerhalb eines engen Toleranzbcreichs um die Sollspannungen gehalten
werden. Die Verwendung von passiven (Widerstands-)Lasten hat den Nachteil, daß die von den
Verstärkerstufen erzielte Verstärkung heruntergeteilt bzw. vermindert wird, woraus sich entweder eine
Verringerung der Gesamtverstärkung des Verstärkers oder die Notwendigkeit der Verwendung einer zusätzlichen
Verstärkerstufe zum Ausgleich dieses Vcrstärkungsverlustes ergibt.
Neuere Operationsverstärker arbeiten vorzugsweise mit aktiven Kollektorlasten, mit deren Hilfe die erforderlichen
Spannungsverstärkungen bei niedrigen Kollektorströmen erzielt werden können. Diese bekannten
Verstärkerausführungcn setzen sehr genau eingestellte und pr; !«tisch schwankungsfreie Betriebsspannungen
und Vorspannströme voraus. Bei einem aus der USA.-Patentschrift 3 440 554 bekannten Differenzverstärker
mit Gegenkopplung ist jeweils ein dynamischer Lasttransistor mit der Emitter-Kollektorstrecke
eines der beiden Eingangstransistoren in
Reihe geschaltet. Die beiden Lasttransistoren dienen den Eingangstransistoren als Stromquelle, und über
eine mit einer Vorspannquelle verbundene Widerstandsbrücke können die Vorspannströme in der von
den beiden Eingangstransistoren gebildeten Differentialeingangsstufe symmetriert, jedoch nicht in ihrer
Größe eingestellt werden. Der aus dieser Druckschrift bekannte Verstärker weist zwei Verstärkerausgänge
auf.
Andere bekannte Verstärkerausführungen mit aktiven Lasten verwendenKopplungstransistorenmithoher
Verstärkung, die wegen des wirksamen Basisrückwirkungswiderstands in Kombination mit der Kollektor-Basis-Kapazität
derartiger Transistoren eine relativ große Zeitkonstante für die Kopplungsstufe ergeben.
Aus diesem Grunde ist die Fundbreite, insbesondere
die Pandbreite ohne Rückkopplung, in der Regel sehr klein, und größere Bandbreiten lassen sich nur zu
Lasten der Verstärkung durch beträchtliche Gegenkopplungen erreichen. Diese Wechselbeziehung zwisehen
Bandbreite und Verstärkung beschränkt jedenfalls dann die Vielfältigkeit der an sich vorhandenen
Eir.satzmöglichkeiten für Operationsverstärker, wenn
die Einstellung der Bandbreite und der Verstärkung herstellerseitig erfolgen muß.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 94S 850 ist bereits ein Operationsverstärker mit einem Differenzverstärker
als Eingangsstufe und einem Ausgangsanschluß bekannt, dessen Eigenschaften oder Kenngrößen
sich durch äußere Mittel einstellen lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in integrierter Schaltungstechnik ausführbaren Operationsverstärker
mit gegenüber bekannten Verstärkern gleicher Gattung vergrößerter Bandbreite und/
oder Verstärkung anzugeben, der in allen Stufen mit einer extern einstellbaren Vorspannung beaufschlagt
werden kann.
Ausgehend von einem Operationsverstärker mit einer Differentialeingangsstufe, bei der die Basiselektroden
von ersten und zweiten Transistoren eines ersten Leitungstyps jeweils mit einem von zwei Differentialeingangsanschlüssen
verbunden, die Emitter der ersten und zweiten Transistoren zusammengeschlossen
und über eine den Emitterstrom bestimmende Schaltung mit einer ersten Betriebsspannungsquelle
verbunden sind, der Kollektor de-, ersten Transistors mit dem Kollektor eines dritten Transistors
eines zweiten Leitungstyps und der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Kollektor eines vierten
Transistors des zweiten Leitungstyps verbunden sind, wobei die Basiselektroden und die Emitter der
dritten und vierten Transistoren zusammerigesclialtet :,ind und die zusammengeschalteten Emitter an einer
zweiten Betriebsspannungsquelle angeschaltet sind, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor,
daß der dritte Transistor durch Kollektor-Basiskopplung
als Diode geschaltet ist, daß der Kollektor des zweiten Trar sistors den Ausgangsanschluß der Differentialeingangsstufe
bildet und mit dem Eingang einer Kopplungsstufe verbunden ist. die an den F.ingangsanschluß
eines Ausgangsverstärkers ein von der Differenz der Kollektorströme der zweiten und vierten
Transistoren abhängiges Signal ankoppelt, und daß ein mit den Basiselektroden der dritten und vierten
Transistoren basisgekoppelter fünfter Transistor des zweiten Leitungstyps über den Emitter an den zweiten
Betriebsspannungsanschluß und über den Kollektor an einen Vorspannanschluß des Ausgangsverstärkers
angeschaltet ist, dessen an einem Ausgangsanschluß entwickeltes Ausgangssignal von den au seinem
Eingangsanschluß und an seinem Vorspannanschluß angelegten Strömen abhängig ist. Der
erfindungsgemäße Verstärker macht also von aktiven Lasten bei den einzelnen Verstärkerstufen Gebrauch,
wobei der Vorspannstrom an den Eingangs- und Kopplungsstufen gleichzeitig über einen externen
Widerstand einstellbar ist. Die mit einem Kopplungstransistor versehene Kopplungsstufe, welche zwischen
der Difterentialeingangsstufe und der Ausgangsstufe des Verstärkers liegt, ist in der Regel auf eine mittlere
Stromverstärkung eingestellt und gewährleistet die angestrebte große Bandbreite. Der Kopplungstransistor hat einen relativ geringen effektiven Lastwiderstand
und ruft zusammen mit den dem Verstärker eigenen Kapazitäten nur eine geringe RC-Zcitkonstante
für die Kopplung hervor.
Die Stabilität der Vorspannung und die Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers sind von der
genauen Anpassung bzw. Abstimmung der Transistoren und insbesondere der mit den beiden Eingangstransistoren verbundenen dritten und vierten Transistoren
abhängig. Um die Anpassung dieser basisgckoppelten Transistoren zu verbessern, sind letztere
sowie der fünfte Transistor in Weiterbildung der Erfindung in einer isolierten Zone des Halbleitersubtrats
ausgebildet, wobei diese Substratzone als den drei Transistoren gemeinsame Basiszone dient. Dadurch
können die Transistoren eng zusammengebaut werden, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß nur eine
minimale Temperaiurdifferenz zwischen den Transistoren
sowohl während der Diffusionsprozesse als auch bei Betrieb vorhanden sein kann.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In. der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Operationsverstärkers,
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines
Substrats mit einer vergrabenen Schicht,
Fig. 2b eine Querschnittansicht des Substrats
gemäß Fig. 2a entlang den Linien 2b-2b der
Fig. 2a,
F i g. 3 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 2 a mit einer durch das Substrat eindiffundierten
Isolierzone,
F i g. 3 b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 3 a entlang den Linien 3 b-3 b dieser Figur,
F i g. 4 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 3 a nach dem Eindiffundieren der Emitter- und
Kollektorzone in das Substrat,
Fig.4b eine Querschnittansicht des Substrats
nach F i g. 4 a entlang den Linien 4 a-4 b,
F i g. 5 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß F i g. 4 a nach dem Eindiffundieren einer Zone erhöhter
Leitfähigkeit, die Kontaktzwecken dient,
F i g. 5 b eine Querschnittansicht des Substrats gemäß F i g. 5 a entlang den Linien 5 b-5 b dieser
Figur,
F i 2. 6 a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß
F i g. 5 a nach dem Einätzen mehrerer Fenster in die das Substrat überziehende Oxidschicht,
F i s,. 6 b eine Querschnittansicht des Substrats
nach F i g. 6 a entlang den Linien 6 b-6 b dieser Figur, Fig. 7a eine Draufsicht auf das Substrat gemäß
Fig. 6a nach dem Niederschlagen eines Metallmusters auf der Oberfläche des Substrats und
Fig. 7b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 7 a entlang den Linien 7 b-7 b dieser Figur. In F i g. 1 ist die Schaltung des neuen Operationsverstärkers zu sehen. Der Anschluß 22 ist mit dem positiven Pol und der Anschluß 24 mit dem negativen Pol einer Netzspannungsquelle verbunden. Die Anschlüsse 26 und 28 sind die Differentialcingangsanschlüsse zum Verstärker, wobei der Anschluß 26 der invertierende Eingangsanschluß und der Anschluß 28 der nichtinvertierende Eingangsanschluß ist. Ein Anschluß 30 bildet den Vorspannungs-(-strom)Anschluß und ist über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Netzspannung, an welchem der Anschluß 22 liegt, verbunden. Zur besseren Übersicht sind die verschiedenen Verstärkerstufen als gcstrichelt umrandete Blocks dargestellt, wobei die Differentialeingangsstufe mit. 21, die Kopplungsstufe mit 23 und die Ausgangsstufe mit 25 bezeichnet ist: die den Vorspannstrom bestimmenden Widerstünde sind außerhalb der Blöcke für die Differcntialeingangsstufe, die Kopplungsstufe und die Ausgangsstufe gezeigt.
Fig. 7b eine Querschnittansicht des Substrats nach F i g. 7 a entlang den Linien 7 b-7 b dieser Figur. In F i g. 1 ist die Schaltung des neuen Operationsverstärkers zu sehen. Der Anschluß 22 ist mit dem positiven Pol und der Anschluß 24 mit dem negativen Pol einer Netzspannungsquelle verbunden. Die Anschlüsse 26 und 28 sind die Differentialcingangsanschlüsse zum Verstärker, wobei der Anschluß 26 der invertierende Eingangsanschluß und der Anschluß 28 der nichtinvertierende Eingangsanschluß ist. Ein Anschluß 30 bildet den Vorspannungs-(-strom)Anschluß und ist über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Netzspannung, an welchem der Anschluß 22 liegt, verbunden. Zur besseren Übersicht sind die verschiedenen Verstärkerstufen als gcstrichelt umrandete Blocks dargestellt, wobei die Differentialeingangsstufe mit. 21, die Kopplungsstufe mit 23 und die Ausgangsstufe mit 25 bezeichnet ist: die den Vorspannstrom bestimmenden Widerstünde sind außerhalb der Blöcke für die Differcntialeingangsstufe, die Kopplungsstufe und die Ausgangsstufe gezeigt.
Der Emitter des Transistors 34 ist mit dem negativen
Anschluß 24 verbunden, und die Basis und der Kollektor des Transistors 34 sind zusammcngcschlossen,
so daß der Transistor 34 als Diode wirkt. Ein über einen mit dem Anschluß 30 verbundenen externen
Vorspannwiderstand angelegter Vorspann- bzw. Stabilisierungsstrom bestimimt den Spannungsabfall
am Transistor 34 durch Festlegung des Arbcitspunktes auf der Diodenkurve für die gemeinsame Basis-Kollektorverbindung
des Transistors 34. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der größte Teil des über den Anschluß 30 angelegten Stroms durch
den Kollektor des Transistors 34 fließt, da der Basisstrom wegen der Verstärkung des Transistors nur
einen geringen Teil des KoUektorstrcms darstellt. Die Transistoren 38, 40, 34 und 42 sind allgemein aufeinander
abgestimmt bzw. angepaßte Transistoren. Da der Spannungsabfall zwischen der Leitung 36 und
dem Anschluß 24 die Spannung zwischen der Bnsi^
und dem Emitter jedes dieser Transistoren ist und der Kollektorstrom eines Transistors generell in erster
Linie von der Basis-Emitter-Spannung abhängig ist. haben die Transistoren 38, 40 und 42 im w escinliehen
gleiche KoHektorströme wie der über den Vorspannanschluß
30 im Transistor 34 voreingestellte Strom. Daher werden die Vorspannströme in der
Differentialeingangsstufe und der Kopplungsstufe vom Strom im Transistor 34 bestimmt.
Die Kollektoren der Transistoren 38 und 40 sind über eine Leitung 44 zusammengeschaltet, so daß
trotz des im wesentlichen gleichen Stromes in den Transistoren 38 und 40 der Strom in den Transistoren
46 und 48 ungleich sein kann. (Als alternative
Ausführungsform können die Transistoren 38 und 40 durch einen einzigen Transistor mit der zweifachen
Basis-Emitter-Übergangsfläche wie der Transistor 34 ersetzt werden.) Der Emitter eines Transistors 50 ist
mit dem Anschluß 22 verbunden, und der Kollektor
und die Basis des Transistors sind zusammengeschaltet, so daß der Transistor 50 in der für den Transistor
34 beschriebenen Weise als Diode wirkt. Daher wird die Spannung auf der Leitung 54, welche
die Emitter-Basisspannung des Transistors 50 darstellt, von der Diodenkennlinie für den Transistor 50
und dem durch diesen Transistor (ließenden Strom bestimmt. Da der Strom durch einen Transistor in
erster Linie von der Emittcr-Basisspannung (bei geeigneter
Kollektorvorspannung) abhängig ist, ist auch der Strom durch jeden der Transistoren 52 und
56 im wesen'Uchen gleich dem Strom durch Transistor 50 und vird vom Vorspannstrom am Anschluß
30 und von dem an den Anschlüssen 26 und 28 anliegenden Differenzsignal bestimmt. Daher wild auch
der den Vorspannstmm in der Ausgangsstufe bil-Hendc
Strom '„n Transistor 56 «ora Vorspannstrom
am Anschluß 30 gesteuert.
Wenn der Eingangsstrom am Anschluß 26 gleich demjenigen am Anschluß 28 ist, fließt durch den
Transistor 46 derselbe Strom wie durch den Transistor 48, und die Spannungen an den Anschlüssen 26
und 28 sinu im wesentlichen gleich. Wenn der Strom am Anschluß 26 größer als derjenige am Anschluß
28 ist (d. h. eine höhere Spannung am Anschluß 26 als am Anschluß 28 anliegt), so ergibt sich eine
Stromverteilung durch die beiden Transistoren derart, daß der Strom /46 um den ,,,fachen Wert der
Eingangsstromdifferenz an den Anschlüssen 26 und 28 größer als der Strom /48 ist. wobei /J1 gleich dem
Beta der Transistoren 46 und 48 ist (es ist zu beachten, daß /46 f /48 wegen der Vorspannung der
Basiselektroden der Transistoren 38 und 40 durch den Transis.or 34 im wesentlichen gleich dem zweifachen
Wert des Vorspannstroms am Anschluß 30 ist).
Wie zuvor beschrieben wurde, stellt der Strom durch den Transistor 50 einen im wesentlichen gleichen
Strom in jedem der Transistoren 52 und 56 ein. Demgemäß wird auch der Strom /52 um einen Betrag
erhöht, der gleich der ..fachen Differenz der Ströme an den Anschlüssen 26 und 28 ist. Da der
Strom /48 um denselben Betrag abnimmt, muß der den Basisstrom für den Transistor 58 bildende Strom
/56 um einen Betrag ansteigen, der gleich 2,;, mal der Differenz des Eincanesstroms ist. Wenn daher
der Einaancsstrom am" Anschluß 28 den Eingangsstrom am Anschluß 26 übersteigt, so nimmt der
Strom /56 in ähnlicher Weise um einen Betrag von 2 Zi1 mal der Differenz der EingaiiLsströme ab. Daher
beträgt die Stromverstärkung der Differenüaleingangsstufe
mit den Transistoren 46. 48. 50 und 52 2 /,',' Dieser Wert ist mit einer Verstärkung typischer
Differentialcingancsstufcn mit passiven Lasten zu vergleichen, bei denen also an Stelle der Transistoren
50 und 52 Widerstände vorgesehen sind: deren Verstärkung
beträgt wesentlich weniger als ß.
Der Strom am Vorspannungsanschluß 30 stellt, wie zuvor beschrieben, den Strom /42 durch den
Transistor 42 ein. Daher ist der Strom /60 an der Basis des Transistors 60 gleich der Differenz zwischen
dem Vorspannstrom /42 und dem Strom la»
durch den Transistor 58. Die Änderung des Stroms /60 mit der Änderung des Stroms /56 ist gleich dem
-^.,fachen Wert der Änderung von /56, wobei /J.
die Verstärkung des Transistors 58 ist. (Das negative Vorzeichen ergibt sich aus der durch den Transistor
58 hervorgerufenen Signalumkehr.)
Der Strom /70 im Transistor 56 ist im wesentlichen
gleich dem Strom /46 im Transistor siI, wie
oben bereits angegeben. Der Strom /72 imι Transistor 60 hängt vom Basisstrom des Transistors ao
und ändert sich bei Änderungen von / 60 um einen Betrag, der gleich dem /i3fachen Wert der Änderung
des Stroms / 60 ist, wobei ß3 die Verstärkung des
Transistors 60 ist. Dioden 74 und 76 liegen in Reihe mit den Transistoren 56 und 60 und dienen dem
Zweck, den Basis-Emitter-Spannungsabfall im Transistor 78 dem Emitter-Basis-Spannungsabfall im
Transistor 80 im wesentlichen anzupassen. Wenn daher der Strom / 72 im Transistor 60 gleich dem Strom
ίο /70 im Transistor 56 ist, fließt der grüßte Teil dieses
Stromes durch die Dioden 74 und 76. Daher sind beide Transistoren 78 und 80 im wesentlichen gesperrt,
so daß das Ausgangssignal am Anschluß 82 Null ist und die Leistungsaufnahme in den Widerständen
84 und 86 minimal ist. Dabei sind die Diodenspannungen gleich den Basis-Emitterspannungen
in den Transistoren 78 und 80. Demzufolge ruft der Strom durch die Dioden 74 und 76 einen Strom
in den Transistoren 78 und 80 der gleichen Größe
hervor. Wenn der Strom / 72 im Transistor 60 über den Strom / 70 im Transistor 56 ansteigt, so ergibt
sich die Differenz zwischen dem Strom / 72 und dem Strom /70 in erster Linie von der Basis des Transistors
80, wodurch ein Strom / 88 hervorgerufen
wird, der im wesentlichen gleich dem /?4fachen Wert
von / 72 — / 70 ist, wobei /?4 die Verstärkung der
Transistoren 78 und 80 ist. Da der Strom im Transistor 78 in dieser Betriebsphase sehr klein ist, leitet
sich der Strom / 88 von der Last an dem Anschluß
82 durch den Widerstand 86 ab, wodurch das Ausgangbpotential
am Anschluß 82 unter diesen Bedingungen um einen Betrag negativ wird, der von der
am Anschluß 82 anliegenden Last abhängig ist. Wenn der Strom / 72 kleiner wird als der Strom / 70,
so fließt der D.iierenzstrom in erster Linie in die
Basis des Transistors 78 und ruft einen Strom /90 hervor, der gleich dem /?4fachen Wert des Basisstromes
in diesem Transistor ist. Der Emitterstrom im Transistor /78 fließt durch den Widerstand 84;
da zu diesem Zeitpunkt der Transistor 80 im wesentlichen gesperrt ist, fließt der Strom durch den Widerstand
84 über den Anschluß 82 und die an diesen angeschaltete Last, wodurch eine positive Ausgangsspannung
entsprechend der an den Ausgangs-
anschlüssen anliegenden Last hervorgerufen wird.
Der Strom / 70 ist im wesentlichen gleich dem Strom /46 im Transistor 50, der seinerseits gleich
dem Strom im Transistor 46 ist. Demgemäß ändert sich nicht nur der Strom /72 im Transistor 60 mit
einer Änderung des Eingangssignals, sondern auch der Strom / 70. Dies läßt sich wie folgt zeigen: Wenn
die am Anschluß 26 anliegende Spannung über die Spannung am Anschluß 28 ansteigt (wobei der Strom
durch den Anschluß 26 relativ zum Strom durch den
Anschluß 28 ansteigt), nimmt der Strom /46 und daher auch der Strom /70 mit einer Verstärkung
gleich /J1 zu. Gleichzeitig nimmt der Strom /72 mit
einer Verstärkung von -2 /V2/?3 ab- Daher beträgt
die resultierende Verstärkung bis zur Ausgangsstufe
einschließlich den Transistoren 78 und 80 angenähert ßl(2ß2ß3+l).
Bei dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist der Transistor 58 ein pnp-Iateral transistor und hat demgemäß
ein relativ niedriges Beta, in typischer Aus-
führungsform im Bereich von 3 bis 10. Daher wirkt der Widerstand 92, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einen Widerstandswert von angenähert 5000 Ohm hat, auf die Basis des Transistors 58
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mit einem Widerstandswert im Bereich von 15 bis 50 Kiloohm in Abhängigkeit vom Beta des Transistors
58 zurück. Als Vergleich sei die Basisimpedanz der Kopplungstransistoren bei bekannten Verstärkern mit
aktiver Last angegeben, die typisch im Megaohmbereich
liegt. Die niedrige Basisimpedanz des Verstärkers 58 ist zur Erzielung einer großen Bandbreite
des Verstärkers wesentlich, da dieser Widerstand zusammen mit der Streukapazität der Schaltung für
dic fl'C-Zeitkonstante maßgeblich ist, welche die Bandbreite der Schaltung begrenzt. Der Transistor
60 ist so ausgelegt, daß er ein Beta im Bereich von 30 bis 50 hat, so daß der Widerstand 94, welcher
ebenfalls einen Wert von 5000 Ohm hat, auf die Basis ilcs Transistors 60 als Impedanz von 150 Kiloohm
zurückwirft. Obwohl dieser Widerstand wesentlieh höher als der Basiswiderstanrl des Kopplungstransistors
58 ist, ist er noch wesentlich niedriger als die Basisimpedanzcharakteristik bekannter Verstärker
mit aktiver Last. Da ferner die Widerstände 84 und 86 jeweils angenähert 250 Ohm betragen, wirken
diese Widerstände auf die Basen der Transistoren 78 und 81) ebenfalls als relativ niedrige Basiswiderstände.
Demgemäß wird bei dem neuen Verstärker durch
Minimalisieren der Impedanzen der verschiedenen Stufen eine relativ große Bandbreite erreicht, ohne
dabei Nachteile in Bezug auf die Verstärkung und die Leistungsaufnahme in Kauf nehmen zu müssen.
Wie bei bekannten Verstärkern ist eine Phasenkompensation erforderlich, um einen stabilen Betrieb
dcs in F i g. I dargestellten Verstärkers zu erreichen; anderenfalls würde die Schaltung bei relativ hohen
Frequenzen schwingen. Die Phasenkompensation kann dadurch erreicht werden, daß ein 2000-pF-Kondensator
mit einem 1000-Ohm-Widerstand in Reihe zwischen dem Anschluß 98 und Erde fingeschaltet
wird oder daß ein 2000-pF-Kondensator zwischen dem Ausgangsanschluß 82 und dem An-Schluß
96 eingesetzt wird.
Um eine möglichst hohe Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers" zu erzielen, ist es wichtig, daß bestimmte
Transistoren in der Schaltung nach Fig. 1 angepaßte bzw. übereinstimmende Transistoren sind.
Beispielsweise sollten die Transistoren 50 und 52 soweit als möglich identische elektrische Charakteristiken
haben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiei findet eine diese beiden Transistoren und
auch den Transistor 56 umfassende neuartige Konfiguration Verwendung. Es ist zu sehen, daß diese drei
Transistoren über 54 eine gemeinsame Basisverbindung haben und daher mit einem gemeinsamen
Basiselement versehen sein können, so daß keine zusätzliche Basisverbindung notwendig ist. Auf diese
Weise können die Transistoren auf dem Substrat bzw. der Unterlage so nahe als möglich zusammengesetzt
werden. Diese Maßnahme trägt dazu bei, übereinstimmende bzw. angepaßte Betriebscharakteristiken
für die Transistoren zu erreichen, indem beachtliche Temperaturdifferenzen in den Transistoren sowohl
während des Herstellungsvorgangs als auch während des Betriebs vermieden werden und die gleiche
Dotierungsumgebung bzw. -konfiguration für alle drei Transistorzonen während des Diffusionsvorganoes
bei der Herstellung der Transistoren gewährleistet wjrd.
Der Aufbau dieser drei Transistoren für die bevorzuffte
Ausführungsform ist in den Fig. 2a und 2b bis 7 a und 7b gezeigt, welche Draufsicht und Schnittansichten
des Subst-nts bzw. der Unterlage bei verschiedenen Fabrikationsstufen der integrierten Schaltung
darstellen. In den Fig. 2a und 2b, auf die zunächst
Bezug genommen wird, ist ein zusammengesetztes Substrat mit einer vergrabenen n+-Schicht 102 zu
sehen. Die Herstellung der vergrabenen Schicht 102 erfoigt dadurch, daß zunächst ein geeigneter Dotierstoff
in die Oberfläche eines p-leitenden Siliziumsubstrats
100 zur Schaffung der n+-Schicht eindiffundiert und danach epitaktisch eine Schicht aus
η-leitendem Silizium 101 auf der Oberfläche des Substrats aufgewachsen wird, um die n + -Schicht 102
unter die Oberfläche des sich ergebenden Substrats zu bringen.
Der nächste Behandlungsschritt besteht darin, eine Zone 104 des Substrats 100 vom übrigen Teil de&
Substrats durch Dotieren einer Substratzone elekfrisch zu isolieren, um eine p-leitende Zone 106 zu
schaffen, welche die Zone 104 umgibt. Die Zone 106 erstreckt sich durch die gesamte Dicke der epitaktisehen
Schicht 101 und wird mit herkömmlichen Diffusionsmethoden dadurch gebildet, daß zuerst eine
Siliziumoxidschicht auf dem Substrat niedergeschlagen, danach ein Muster aus der Siliziumoxidschicht
zum Freilegen derjenigen Bereiche des Substrats ausgeätzt wird, in denen der p-leitende Dotierstoff eindiffundiert
werden soll, ein geeigneter p-leitender Dotierstoff (Bor) cindiffundiert und schließlich eine
neue Oxidschicht über der gebildeten p-leitenden Zone 106 niedergeschlagen wird. (Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel wird die p-leitendc Zone in dieser Verfahrensstufe zunächst nur partiell durch
das Substrat diffundiert, wobei eine zusätzliche Diffusion zur Vervollständigung der Isolierung gleichzeitig
mit den nachfolgenden Diffusionsschritten vorgenommen wird.) Daher bedeckt eine Oxidschicht
108 in der in Fi g. 3 b gezeigten Weise das Substrat, nachdem die p-leitende Zone 106 hergestellt worden
"st- Durch Anlegen einer negativen Spannung an die
Zonen 101 (und 106) wird der pn-übergang zwischen der p-leitenden Zone 106 und dem umgebenden Substrat
an beiden Seiten der p-Zone in Sperrichtung vorgespannt, wodurch die Zone 104 vom übrigen
Teil des Substrats elektrisch isoliert wird.
Der nächste Herstellungsschritt besteht im Einätzen eines Musters in die Oxidschicht 108 zum Freilegen
von Teilen der Zone 104, in denen ein p-leitender Dotierstoff zur Bildung der p-leitenden Zoner
HO und 112 eindiffundiert werden soll. Danach wire erneut eine Oxidschicht über die p-leitenden Zoner
aufgebracht, so daß das Substrat wieder vollständig mit der Oxidschicht 108 bedeckt ist, wie dies in dei
Fig.4a und 4b zu sehen ist. Die p-leitenden Zonei
110 bilden die Kollektoren der Transistoren SO, Si
und 56, und die p-leitenden Zonen 112 sind di< Emitter für diese Transistoren. Die Basen diese;
Transistoren werden von der Zone 104 des Substrat gebildet, welche die gemeinsame Basiszone für aiii
Transistoren bildet.
Der nächste Herstellungsschritt ist wieder ein Ätz
schritt, mit dem ein Muster Jn der Oxidschicht 101 :mm Freilegen eines Teils des Substrats in dev Zorn
104 ausgebildet wird. In diese freigelegten Bereichi
wird ein η-leitender Dotierstoff eindiffundiert um
eine weitere Oxidschicht zur Vervollständigung de Oxidschicht 108 in der aus F i g. 5 b erkennbarei
Weise aufgebracht. Dadurch entsteht eine n+-Zom 114, d. h. eine Zone mit erhöhter Leitfähigkeit (zu
•-3
11 ^ 12
Herstellung eines elektrischen Kontakts mit der ge- Basis und des Kollektors dieses ersten Transistors
meinsamen Basiszone der drei Transistoren, wie nach- geschaffen ist. Diese Verbindung bildet die Basisfolgend
beschrieben werden wird), welche die KoI- Kollektor-Verbindung des Transistors 50 in Fig. 1.
lektorzoncn HO der drei Transistoren symmetrisch Es ist jedoch leicht einzusehen, daß andere Verbinumgibt.
5 düngen durch Änderung des M'tallmusters und durch
Als nächstes wird erneut ein Muster in die Oxid- andere naheliegende Än-Jerungcn in der Ausbildung
schicht 108 in der in den Fig. 6a und 6b dargestell- und in den Hcrstellungsstufen der Transistoren her-
ten Weise eingeätzt, um Teile der n + -Zone 114 und gestellt werden können, wobei die besondere, in den
der p-Zonen 110 und 112 freizulegen. Diese verschie- Fig.7a und 7b dargestellte Verbindung die Ver-
denen Bereiche werden in praktisch symmetrischen io schaltung gemäß dem bevorzugten Ausführunasbei-
Mustern freigelegt, um die physikalische Äquivalenz spiel zur Herstellung des in F i g. I gezeigten Vcr-
und die elektrische Gleichartigkeit der Charakte- stärkers ist.
ristiken der drei Transistoren in höchstem Maße zu Die bevorzugte Ausführiingsform des Operations-
erzielon. Verstärkers ist die Schaltung nach F i g. 1. Ep ist je-
Der letzte Herstellungsschritt besteht im Nieder- 15 doch verständlich, daß als alternative Ausführungs-
schlagen eines metallischen Musters auf der Ober- form die Schaltung nach Fig. 1 dadurch abgewandelt
fläche der Anordnung nach den Fi g. 6 a und 6 b, um werden kann, daß jeder der pnp-Transistoren als
die gewünschten elektrischen Kontakte mit den ver- npn-Transistor und jeder der npn-Transistorcn als
schiedenen Zonen und die Schaltungsverbindungen pnp-Transistor ausgeführt werden kann, wobei die
mit den anderen Komponenten der integrierten Schal- ao Polung der Dioden 74 und 76 umgekehrt wird und
tung herzustellen. Ebenso wie die anderen Schritte der Anschluß 22 als negativer Anschluß und der An-
zur Herstellung der drei pnp-Transistoren mit ge- Schluß 24 als positiver Anschluß vorgesehen werden,
mcinsamer Basiszone sind auch die Maßnahmen zur Der neue Verstärker verfügt über Betricbseigcn-
Erzeugung eines metallischen Musters bekannt; gc- schäften, die bei bekannten Verstärkern nicht gleich-
nerell wird dabei eine metallische Oberflächenschicht 25 wertig realisiert werden konnten. Ausführungen des
niedergeschlagen und dann die Metallschicht in vor- neuen Verstärkers wurden mit Netzspannungen von
gegebenen Bereichen derart weggeätzt, daß das ge- +1VoIt (2VoIt zwischen den Anschlüssen 22 und
wünschte Metallmustor stehen bleibt. Der Metall- 24 in Fig. 1) mit einer Leistungsaufnahme von an-
bereich 118 gibt mit dem freigelegten Gebiet 114 der genähert 60 Mikrowatt betrieben. Die Verstärker hat-
p-leitcnden Zone 112 Kontakte, welche die Emitter 30 ten in charakteristischer Ausführung eine rüekl'üh-
der drei Transistoren bilden, so daß eine gemeinsame rungsfriiie Verstärkung im Bereich von 66 db bis
Emitterverbindung in der aus Fig. 1 ersichtlichen 76 db mit einer typischen Regelabweichung von
Weise hergestellt wird. Die Metallbereiche 120, 122 2,5 Millivolt. Dieselben Verstärker können jedoch
und 124 schaffen die Kontakte zu jeder der p-leiten- durch Änderung der Netzspannung und des Vor-
den Zonen 110, welche die Kollektoren der drei 35 spannstroms in den verschiedenen Verstarkerstuieri
Transistoren bilden. Die Metallbereiche 126 bilden über den mit dem Anschluß 30 und dem Anschluß 22
generell die Kontaktierung für die gemeinsame Basis- verbundenen externen Widerstand als Verstärker be-
zone der drei Transistoren und sind in einem symme- trieben werden, welche einen SchwankunsisK .eich
trischen Muster niedergeschlagen, wobei erneut die der Ausgangsspannung von einigen Volt und eint
mechanische und elektrische Gleichartigkeit zwischen 40 Ausgangsleistung von einigen Milliwatt haben,
den drei Transistoren aufrechterhalten wird. Es ist Der zuvor beschriebene Operationsverstärker hai
zu beachten, daß der Metallbereich 120 in dem als also eine große Bandbreite und eire verbesserte Sta-
Ganzes mit dem Bezugszeichen 128 versehenen Ge- bilität und kann an unterschiedlicne Netzan '-Muß
biet den Kollektoranschluß für den ersten Transistor spannungen und Ausgangserfordernisse durch jeeig-
bildet und einteilig mit dem Metallbereich 126 ausge- 45 nete Wahl eines externen Vorspannwiderstand- mge-
führt ist, wodurch eine elektrische Verbindung der paßt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Operationsverstärker mit einer Differentialeingangsstufe,
bei der die Basiselektroden von ersten und zweiten Transistoren eines ersten Leitungstyps jeweils mit einem von zwei Differentialeingangsanschlüssen
verbunden, die Emitter der ersten und zweiten Transistoren zusammengeschlossen und über eine den Emitterstrom be- ίο
stimmende Schaltung mit einer ersten Betriebsspannungsquelle verbunden sind, der Kollektor
des ersten Transistors mit dem Kollektor eines dritten Transistors eines zweiten Leitungstyps und
der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Kollektor eines vierten Transistors des zweiten
Leitungstyps verbunden sind, wobei die Basiselektroden und die Emitter der dritten und vierten
Transistoren zusammengeschaltet sind und die zusammengeschalteten Emitter an einer zweiten
BetriebsspannuKgsquelle angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte
Transistor (50) durch Kollcktor-Basis-Kopplung
als Diode geschaltet ist, daß der Kollektor des zweiten Transistors (48) den Ausgangsanschluß
(98) der Differentialeingangsstufe (21) bildet und mit dem Eingang einer Kopplungsstufe (23) verbunden
ist, die an den Eingangsanschluß eines Ausgangsverstärkers (25) ein von der Differenz
der kciilektorströme der zweiten (48) und vierten (52) Transistoren abhängiges Signal ankoppelt,
und ein mit den Basiselektroden der dritten (50) und vierten (52) Tiansistoren basisgekoppelter
fünfter Transistor (56) des zweiten L' 'tungstyps über den Emitter an den zweiten Betriebsspannungsansdiluß
(22) und über den Kollektor an einen Vorspannanschluß des Ausgangsverstärkers (25) angeschaltet ist, dessen an einem Ausgangsanschluß
(82) entwickeltes Ausgangssignal von den an seinem Eingangsanschluß und an seinem
Vorspannanschluß angelegten Strömen (/60,/7O) abhängig ist.
2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Emitterstrom
in der Eingangsstufe (21) bestimmende Schaltung einen Vorspannanschluß (30), einen sechsten (38),
sieben ten (42) und achten (34) Transistor des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die Emitter
jedes dieser drei Transistoren mit der ersten Betriebsspannungsquelle (24) der Verstärker verbunden,
die Basen der drei Transistoren zusammengeschaltet sind, der Kollektor des sechsten
Transistors (38) in Reihe mit der Differentialeingani£;sstufe
(21), der Kollektor des siebenten Transistor,- (42) in Reihe mit der Kopplungsstufe
(23) liegen und der Kollektor des achten Transistors (34) basisgekoppelt und an den Vorspannanschloß
(30) angeschaltet ist.
3. Operationsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Emitterstrom
in der Eingangsstufe (21) bestimmenden Schaltung ein neunter Transistor (40) des ersten Leitungstyps
zugeordnet ist, der mit den Basiselektroden der sechsten (38), siebenten (42) und
achten (34) Transistoren basisgekoppelt ist und /um sechsten Transistor (38) parallel geschaltet
ist.
4. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der an den Vorspannanschluß des Ausgangsverstärkers (25) angeschaltete Kollektor des fünften
Transistors (56) über erste (74) und zweite (76) Dioden mit dem Kollektor eines zehnten Transistors
(60) verbunden ist, dessen Emitter über einen ersten Widerstand (94) an den ersten Betriebsspannungsanschluß
(24) angeschaltet und dessen Basis mit den Kollektoren des siebenten Transistors (42) und eines zur Kopplungsstufe
(23) gehörigen elften Transistors (58) verbunden ist wobei die Basis des elften Transistors den
Eingang der Kopplungsstufe (23) bildet und der Emitter des elften Transistors über einen zweiten
Widerstand (92) mit dem zweiten Betriebsspannungsanschluß (22) verbunden ist, daß ein zum
Ausgangsverstärker gehöriger zwölfter Transistor (78) mit seinem Kollektor an den zweiten Betpebsspannunesanschluß
(22), mit seiner Basis an den Kollektor des fünften Transistors (56) und mit «einem Emitter über einen dritten Widerstand
(84) an den Verstärkerausgangsanschluß (82) angeschaltet ist, und daß der Ausgangsanschluß
außerdem über einen vierten Widerstand (86) mit dem Emitter eines dreizehnten Transistors
(80) verbunden, dessen Basis an den Kollektor des zehnten Transistors (60) und dessen
Kollektor an den ersten Betriebsspannungsanschluß (24) angeschaltet ist.
5. Operationsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten
Widerstände (94 und 92) jeweils einen Widerstandswert von angenähert 5000 Ohm haben.
6. Operationsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten
Widerstünde (84 und 86) jeweils einen Widerstandswert von angenähert 250 Ohm haben.
7. Operationsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (46), zweiten
(48), sechsten (38), siebenten (42), achten (34), neunten (40), zehnten (60) und zwölften
(78) Transistoren npn-Transistoren und die dritten (50), vierten (52), fünften (56), elften (58)
und dreizehnten (80) Transistoren pnp-Transistoicn sind, und daß die ersten (24) bzw. zweiten
(22) Betriebsspannungsanschlüsse negative (B-) bzw. positive (B + ) Pole sind.
8. Operationsverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als integrierte
Schaltung in einem n-lcitenden Siliziumplättchen ausgebildet ist, wobei die Basen der dritten (50),
vierten (52) und fünften (56) Transistoren eine durch einen Teil des η-leitenden Plättchens gebildete
gemeinsame Basiszone (104) aufweisen.
9. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß er
als integrierte Schaltung in einem n-leitcnden Siliziumsubstrat (101) ausgebildet ist, mit mehreren
eisten (112) und zweiten (110) p-!eitenden Zonen, die durch Diffusion eines p-leitenden
Dotierstoffs in der Oberfläche des Substrats (101) gebildet sind.
10. Operationsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten p-leitcnden
Zonen (112) von einer der zweiten p-leitenden Zonen (110) umgeben und von ihr durch
das η-leitende Substrat (101) zur Bildung einer Mehrzahl von pnp-Transistoren (50, 52, 56) mit
gemeinsamer Basiszone (X04) getrennt ist, daß eine Schicht (108) aus Süiziumoxkl das Substrat
überzieht und mit geeigneten Fenstern versehen ist, durch die Bereiche der ersten und zweiten
p-leitenden Zonen und der n-lettenden Zone zur Kontaktierung freigelegt sind, und daß eine Metallschicht
in einem Muster zur Kontaktierung der ersten und zweiten p-leitenden Zonen und der
η-leitenden Zone sowie zur Bildung der Schaltungsverbindungen niedergeschlagen ist.
11. Operationsverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine n+-Zone nahe
der zweiten p-leitenden Zonen (110) durch Diffusion eines n-leittnden Dotierstoffes in die Oberfläche
des Substrats asugebildet ist und durch wenigstens ein in der Oxidschicht angeordnetes
Fenster mit der gemusterten Metallschicht zur Kontaktierung in Verbindung steht.
12. Operationsverstärkernach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß eine n+-leitende vergrabene Schicht (102) unter den ersten und zweiten
p-leitende Zonen (112,110) angeordnet ist.
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