DE2362170A1

DE2362170A1 - Nichtlineare integrierte schaltung

Info

Publication number: DE2362170A1
Application number: DE2362170A
Authority: DE
Inventors: Jack Arthur Dorler
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1974-07-11
Also published as: FR2241920A1; DE2362170B2; US3909637A; CA1007308A; JPS4999258A; FR2241920B1; JPS5714048B2; DE2362170C3; GB1452834A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 056

Nichtlineare integrierte Schaltung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erhöhung der Verzögerung von Spannungsimpulsflanken in einer nichtlinearen integrierten Schaltung mit mindestens zwei in Gegenphase gesteuerten Klemmen und insbesondere -die kapazitive Kreuzkopplung der gesteuerten Klemmen der Schaltung, um die effektive Kapazität zu erhöhen, ohne dabei tatsächlich die Größe der einzelnen Kondensatoren zu erhöhen. *

Die Fortschritte bei der Herstellung integrierter Schaltungen haben die Eingangskapazitäten der verschiedenen einzelnen Transistoren in den Schaltungen so weit herabgesetzt, daß sich viele Probleme erledigt haben, die sich durch Verzögerungen der Anstiegs- und Abfallzeiten von Impulsflanken in solchen Schaltungen ergaben. In manchen Schaltungen sind jedoch gewisse Verzögerungen der Impulsflanken erforderlich, die man dadurch erzielte, dam man eine gesteuerte Eingangsklemme des Transistors wechselstrommäßig über eine Kapazität mit Masse verbindet, wodurch die notwendige Verzögerung erreicht wird. Mit Erhöhung dieser Verzögerung muß natürlich auch die Größe des Kondensators erhöht werden und in der Praxis wird es bei bestimmten Verzögerungswerten schwierig, Kondensatoren der erforderlichen Größe herzustellen, da der in integrierten Schaltungen zur Verfügung stehende Raum begrenzt ist,

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Außerdem sind Kapazitäten, die zwischen einer gesteuerten Klemme und Wechselstromerde eingeschaltet sind, Spannungen ausgesetzt, die der Maximalspannung an der Klemme entsprechen, obgleich der Spannungshub an der Klemme wesentlich kleiner sein kann als die Maximalspannung. Beim Entwurf integrierter Schaltungen muß aber auf den Aufbau solcher Kondensatoren besonderer Wert gelegt werden, um sicherzustellen, daß sie nicht durchschlagen oder ausfallen.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Anordnung zur Erhöhung der Verzögerung von Spannungsimpulsflanken an gesteuerten Klemmen einer nichtlinearen integrierten Schaltung anzugeben. Insbesondere soll eine kapazitive Kreuzkopplung zwischen in Gegenphase gesteuerten Klemmen einer nichtlinearen integrierten Schaltung geschaffen werden, um die Wirkung der Kapazität an diesen Klemmen zu erhöhen.

Vorzugsweise soll dies dadurch erreicht werden, daß zwei PN-Dioden mit entgegengesetzter Polung in Reihe zwischen den zwei gegenphasig gesteuerten Klemmen der nichtlinearen integrierten Schaltung in solcher Weise eingeschaltet werden, daß die Kapazitäten über den beiden übergängen der Dioden effektiv zwischen den beiden gesteuerten Klemmen in Reihe eingeschaltet sind.

Auf diese Weise lassen sich die Verzögerungen von SpannungsImpulsflanken an gesteuerten Klemmen einer nichtlinearen integrierten Schaltung dadurch erhöhen, daß man diese Kapazitäten an den gesteuerten Klemmen anschließt. Die Kapazitäten sind zwischen gegenphasig gesteuerten Klemmen derart über Kreuz gekoppelt, daß die effektive Kapazität an jeder Klemme erhöht wird, ohne daß dadurch die tatsächliche körperliche Größe des Kondensators erhöht wird. Da diese Technik in integrierten Schaltungen benutzt wird, ist die tatsächliche Größe eines Bauelementes von ganz wesentlicher Bedeutung .

Die gesteuerten Klemmen können dadurch über Kreuz miteinander ge-Fi 972 056 409828/098 3

koppelt werden, daß man PN-Schichtdioden gegenphasig, d.h. mit entgegengesetzter Durchlassrichtung in Reihe zwischen den gesteuerten Klemmen einschaltet. Die über den beiden Übergängen auftretenden Kapazitäten bilden eine Serienkapazitäts-Kreuzkopplung der beiden gesteuerten Klemmen. Die Kapazität über · jedem P-N-Übergang ist spannungsabhängig. Da jedoch die beiden Kapazitäten in Reihe geschaltet * sind, ist die effektive Kapazität relativ stabil.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei die tatsächlich unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung in den beigefügten Patentansprüchen im einzelnen aufgeführt sind.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 . eine typische nichtlineare Schaltung des Standes

der Technik,

Fig. 2 eine nichtlineare integrierte Schaltung gemäß

der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer integrierten

Schaltung mit den beiden in Reihe geschalteten Dioden, wie sie in der vorliegenden Erfindung ' ■ . . verwendet werden können,

Fig. 4 eine äquivalente Schaltung der Fig. 3,

Fig. 5 den Kapazitätsverlauf der Dioden in Fig. 3,

Fig. 6 das Verhältnis der SpannungsimpulsfTanken' gemäß

dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer typischen nichtlinearen integrierten Schaltung des Standes der Technik, bei dem die gesteuerten Klemmen der als Emitterfolgestufe geschalteten Ausgangsstufen jeweils kapazitiv mit Erde gekoppelt sind. Die Transistoren 2 und 6 bzw. 4 und 6 bilden Stromübernahmeschalter A und B. Die Kollektoren der Transistoren 2 und 4 sind mit der Basis des als Emitterfolger geschalteten Transistors 8 verbunden, während der Kollektor des Transistors 6 mit der Basis des Emitterfolgers 10 verbunden ist. Die Basis des Emitterfolgers 8 ist über eine Diode 12 mit PN-Übergang mit V_„ verbunden und hat eine effektive Kapazität φΐ. Die Kapazität schwankt als eine Funktion der über der Diode liegenden Spannung und ist effektiv zwischen der Basis des Emitterfolgers 8 und V_EE eingeschaltet. Die Basis des Emitterfolgers IO ist über eine Diode 14 mit einer Kapazität C2 in gleicher Weise, wie die Basis des Emitterfolgers 8 an V_EE angeschlossen.

Wird im Betrieb ein positives Signal A der Basis des Transistors 2 zugeführt, nimmt sein Kollektor eine negative Spannung, an und erzeugt ein Ausgangssignal "φ am Emitter des Emitterfolgers 8. Die am Emitterfolger 8 auftretender Spannung ist eine Funktion der Basisspannung und die Anstiegszeit der Basisspannung ist eine Funktion der Kapazität Cl. Man kann daher Verzögerungen für die Signalimpulsflanken am Ausgang φ einführen, indem man die Kapazität Cl in richtiger Weise auswählt. Je größer die erforderliche Verzögerung, umso größer muß die Kapazität Cl sein. Nimmt die Spannung an der Basis des Transistors 2 einen positiven Wert an, dann nimmt der Kollektor des Transistors 6 ebenfalls einen positiven Wert an, wodurch die Basis des Emitterfolgers 10 mit positiver Spannung angesteuert wird und airr Ausgang des Emitterfolgers 10 eine positiv gerichtete Spannung φ erzeugt. Der Spannungsanstieg am Ausgang des Emitterfolgers IO wird durch die Kapazität 2 in gleicher Weise gesteuert wie das Signal "φ durch Cl gesteuert wird.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die entsprechenden Bauelemente sind in Fig. 2 mit den gleichen, aber

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gestrichenen Bezugszeichen bezeichnet wie in"Fig. 1. Die'Stromübernahmeschalter werden durch diei Transistoren 2' und 6' bzw. 4' und 6' gebildet und diese Stromübernahmeschalter dienen zum Ansteuern der Emitterfolger 8' und 10·, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. In der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Dioden 12' und 14V jedoch zwischen den Basiselektroden der Emitterfolger 8' und 10' mit entgegengesetzter Polung eingeschaltet. Durch diese Art des Anschlusses sind die Kapazitäten über den Übergängen der Dioden, nämlich Cl' und C2° in Reihe zwischen den Basiselektroden der Emitterfolger 8' und 10" eingeschaltet. Die Schaltung arbeitet in ähnlicher Weise wie die in Fig. 1 gezeigte Schaltung. Wenn ein positiv gerichtetes Eingangssignal A¹ an der Basis des Transistors 2° angelegt wird, nimmt das Potential am Kollektor des Transistors 2' einen negativen und am Kollektor des Transistors 6' einen positiven Wert an. Betrachtet man die über der Reihenschaltung der Kapaztiäten Cl' und C2' liegende Spannung, so sieht man, daß eine Klemme von Cl¹ einen negativen und eine Klemme von C2' einen positiven Wert annimmt. Dies erzeugt eine größere Spannungsänderung nach der Zeit (dv/dt) über der Kapazität als im Stande der Technik möglich ist. In der in Fig. 1 gezeigten Schaltung nimmt die über dem Kondensator Cl liegende Spannung lediglich einen negativen Wert an, während die über dem Kondensator C2 auftretende Spannung einen positiven Wert annimmt. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung nimmt jedoch die über der Reihenschaltung der Kapazitäten liegende Spannung einen negativen Wert auf einer Seite und gleichzeitig einen positiven Wert auf der anderen Seite an, wodurch die Änderung der Spannung über der Zeit (dv/dt) größer wird und dadurch die bei Spannungsimpulsflanken an der Basis und somit auch an den Ausgängen der Emitterfolger 8' und 10' wirksamen Verzögerungen beeinflußt.

Wie bereits erläutert, müßte man in der in Fig. 1 zum Stand der Technik dargestellten Schaltung für eine Erhöhung der Verzögerungen bei Spannungsübergängen eine entsprechende Vergrößerung der Kapazitäten Cl und C2 vorsehen, was eine entsprechende Ver-

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größerung der Ausmaße der Dioden 12 und 14 erfordern würde. Da die Größe der einzelnen Bauelemente in integrierter Schaltungstechnik aber eine ganz wesentliche Bedeutung besitzt, ist eine Erhöhung der Abmaße oder der Größe von Bauelementen zur Erzeugung der gewünschten Verzögerung nicht brauchbar. Wenn man jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeht, dann können die Dioden 12' und 14' genauso groß sein, wie die früher verwendeten Dioden 12 und 14, wobei jedoch die effektive Kapazität beträchtlich erhöht ist, so daß die an den gesteuerten Klemmen der Emitterfolger 8¹ und IO' auftretende Verzögerung ohne jede Vergrößerung der integrierten Schaltung erhöht wird.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Teil der integrierten Schaltung, der die gegensinnig gepolten, in Reihe geschalteten Dioden enthält. Eine Diode besteht aus einem P-Bereich 16 und einem N-Bereich 2O, während die andere Diode aus einem P-Bereich 18 und dem N-Bereich 20 besteht. Eine Kapazität entsprechend der Kapazität Cl¹ besteht über dem übergang zwischen den Bereichen 16 und 20 und eine Kapazität entsprechend der Kapazität C2' besteht über dem übergang zwischen den Bereichen 18 und 20. Die Dioden und ihre effektiven Kapazitäten können daher über die Klemmen 22 und 24 in Reihe geschaltet werden. Die Diode wird auf einem Substrat 26 hergestellt und weist einen Sperrschicht-Subkollektor 28 zwischen den Dioden und dem Substrat auf, um zu verhindern, daß hier ein PNP-Transistor entsteht. Die Bereiche 30 und 32 liefern eine Isolation von den verbleibenden Teilen der im Substrat 26 aufgebauten integrierten Schaltung.

Fig. 4 zeigt eine äquivalente Schaltung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung. Die Diode 34 entspricht der durch den übergang zwischen den Bereichen 16 und 20 gebildeten Diode, während die Diode 36 der durch den Übergang zwischen den Bereichen 18 und 20 gebildeten Diode entspricht. Die Anode der Diode 34 ist mit der Klemme 22 verbunden, während die Anode der Diode 36 mit der Klemme 24 verbunden ist. Die Dioden 34 und 36 sind gegensinnig

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gepolt. Die Kapazitäten Cl über dem übergang.zwischen den Bereichen 16 und 20 und die Kapazität C2 über dem übergang zwischen den Bereichen 18 und 20 sind, wie dargestellt, eingeschaltet. Die Kapazitäten stellen daher effektiv eine zwischen den Klemmen 22 und 24 eingeschaltete Serienkapazität dar.

Fig. 5 zeigt die Kapazitäten Cl' und C2' als eine Funktion der über den einzelnen übergängen liegenden Spannung und die effektive Kapazität CE zwischen den Klemmen 22 und 24. Wenn die Diode 34 in Sperrichtung vorgespannt ist, ist Cl sehr klein. Nimmt die Vorspannung ab, dann nimmt die Kapazität zu und je mehr die Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, umso mehr nimmt die Kapazität zu. Man sieht sofort, daß die .Kapazität über der Diode eine Funktion der über der Diode liegenden Spannung ist, und sich stark mit den Spannungsänderungen ändert. Die Kapazität der Diode 36 ist die gleiche wie die der Diode 34. Da jedoch die Diode 36 gegensinnig gepolt ist, wird die Diode 36, wenn die Spannung an der Klemme 32 negativere Werte annimmt, in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß die Kapazität hoch ist. Wenn jedoch die Spannung an der Klemme 22 mehr und -mehr positive Werte annimmt, nimmt die Vorspannung in Durchlaßrichtung der Diode 36 ab, die dann zuletzt in Sperrichtung vorgespannt ist, so daß die Kapazität C2' ständig abnimmt. Die effektive Kapazität CE zwischen den Klemmen 22 und 24 ist im Vergleich mit den Einzelkapazitäten Cl' und C2 relativ stabil. Die effektive Kapazität CE ist in FIg₀ 5 zu sehen. Diese Kapazität

(ClM (C2M
ist gleich — * ^{Man sient} sofort aus den Kurven in Fig. 5, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzten Serienkapazitäten eine wesentliche stabilere effektive Kapazität ergeben, als die bisher benutzten Einzelkapazitäten. Auf diese Weise wird die Spannungsabhängigkeit der Kapazitäten weitgehend ausgeschaltet.

Fig. 6A, 6B und 6C zeigen den Spannungsverlauf an den Ausgängen der Emitterfolger von integrierten, nichtlinearen Schaltungen ohne Kapazität, mit einer Kapazität gemäß dem Stande der Technik

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und der kreuzgekoppelten Kapazität gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6A ist der Spannungsverlauf am Ausgang eines Emitterfolgers dargestellt, bei dem an der Basis keine Kapazität angeschlossen ist. Man erkennt den sehr steilen Spannungsanstieg, der eine sehr kurze Verzögerung der Spannungsimpulsflanke am Ausgang andeutet. Fig. 6 bezeichnet den Spannungsverlauf am Ausgang eines Emitterfolgers mit einer Kapazität, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Man erkennt hier bereits eine wesentlich größere Verzögerung als in Fig. 1, doch ist die Verzögerung immer noch relativ kurz und der Spannungsanstieg relativ steil. Fig. 6C zeigt den Spannungsverlauf in einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von kapazitiver Kreuzkopplung zwischen den Basiselektroden der Ausgangs-Emitterfolger. Man sieht, daß der Spannungsanstieg viel allmählicher verläuft und daß auf diese Weise größere Verzögerungen erzielt werden. Diese höheren Verzögerungen erfordern jedoch keinesfalls eine Vergrößerung der tatsächlichen Ausmaße für die Kapazitäten als die in Fig. 1 gezeigte Schaltung, die ein Ausgangssignal wie in Fig. 6B liefert. Fig. 6C zeigt deutlich, daß durch Kreuzkoppluhg der Basiselektroden der Emitterfolger Ausgangsstufen eine zusätzliche Verzögerung erzielbar ist, ohne daß die tatsächliche Größe der einzelnen Kapazitäten in der integrierten Schaltung erhöht werden muß.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der neuen Schaltung besteht darin, daß die zur Kreuzkopplung der Basiselektroden verwendeten Kapazitäten nur den Spannungshub zwischen den Basiselektroden sieht. Somit ist die Spannung über der Kapazität bei einem Spannungshub von 1 Volt ebenfalls nur 1 Volt und nicht die Maximalspannung, auf die die Basis ansteigt. Auf diese Weise wird das Problem des Durchschlags der Kapazitäten, wie es im Stand der Technik existierte, beseitigt.

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Claims

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PATENTAN SPRÜCHE

Nichtlineare integrierte Schaltung mit zwei- gesteuerten Klemmen entgegengesetzter Polarität und einer an jeder Klemme angeschlossenen Kapazität, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite gesteuerte Klemme durch die erste und zweite Kapazität miteinander über Kreuz gekoppelt sind, wodurch die Spannungsimpulsflanken am Ausgang der nichtlinearen integrierten Schaltung verzögerbar sind.
2. Nichtlineare integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Kapazität (Cl', C2¹) spannungsabhängige Kondensatoren sind, die eine im wesentlichen stabile Gesamtkapazität ergeben.
3. . Nichtlineare integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder spannungsabhängige •Kondensator durch den PN-Übergang in einem Halbleiter (12¹, 14") gebildet ist.
ο Nichtlineare integrierte Schaltung mit mindestens einem Stromübernahmeschalter mit zwei Ausgangsklemmen und einer ersten Ausgangssstufe, die. an einem Ausgang des Stromübernahmeschalters angeschlossen ist und einer zweiten Ausgangsstufe, die an dem anderen Ausgang des Stromübernahmeschalters angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der ersten und zweiten Ausgangsstufe durch Kapazitäten über Kreuz miteinander gekoppelt sind, wodurch diese Kapazität die Spannungsimpulsflanken an der ersten und zweiten Ausgangsstufe verzögert.
5. Nichtlineare Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Ausgangsstufe als Emitterfolger (8¹, 10') geschaltet sind, und daß' die Kapazität die Basiselektroden der Emitterfolger miteinander koppelt.

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6. Nichtlineare Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität in bezug auf die angelegte
Spannung einen relativ stabilen Wert hat.
7. Nichtlineare Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität mindestens einen PN-Übergang in einem Halbleiter enthält.
8. Nichtlineare Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aus zwei in Reihe angeordneten PN-übergängen besteht.

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