DE2421988C2 - Analogspannungsschalter - Google Patents

Analogspannungsschalter

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Description

Die Erfindung betrifft einen Analogspannungsschalter, d. h. eine elektrische Schaltung, die einen Eingang sowie einen Ausgang und ein elektronisches Steuerglied liat mittels welchem durch Anlegen einer Spannung, die 2>;ei digitale Werte 0 und 1 annehmen kann, der Schaltung entweder eine Impedanz, die im wesentlichen gleich Null ist (Ausgangsspannung gleich Eingangsspannung), oder eine sehr große Impedanz (Ausganssspannung gleich Null) gegeben werden kann, und zwar wenn sich die Eingan6sspannung kontinuierlich zwischen zwei vorbestimmten Extremwerten ändert.
Es ist bekannt solche Schaltungen mittels Feldeffekttransistoren herzustellea Diese Transistoren werden durch Anlegen einer geeigneten Spannung an ihren Gateanschluß leitend gemacht oder gesperrt Solche Schaltungen haben den Hauptnachteil, daß ihre Ansprechzeit nicht vexnachlässigbar ist Die Gatezone hat nämlich im Augenblick des Oberganges von dem leitenden Zustand in den gesperrten Zustand im allgemeinen keinen leitenden Weg zum Abführen der Ladungen der Gate-Drain-Kapazität
Durch die Erfindung soll ein einen Feldeffekttransistor aufweisender Analogspannungsschalter geschaffen werden, der eine sehr kurze Ansprechzeit hat
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verständlich. Es zeigt
F i g. I ein Prinzipschaltbild des Analogspannungsschalters nach der Erfindung,
Fig.2 ein Ausführungsbeispiel des Analogspannungsschalters nach der Erfindung, und
Fig.3 die auf einem einzigen Substrat integrierte Schaltung von F i g. 2.
In F i g. 1 ist der Sourceanschluß Si des Feldeffekttransistors Tu welcher das Hauptglied des Analogspannungsschalters bildet, mit der Eingangsklemme Ve verbunden. Die Eingangsklemme Ve empfängt eine Spannung, die sich zwischen zwei vorbestimmten Werten kontinuierlich ändert, beispielsweise zwischen -15V und +2V. Sein Drainanschluß dt ist mit der Ausgangsklemme 5 verbunden, die ihrerseits durch eine Belastung Cmit Masse verbunden ist Außerdem ist sein Drainanschluß di mil dem Eingang eines Spannungsfolgers Fverbunden, dessen Ausgang die Spannung an der Ausgangsklemme S wiedergibt und der in gewisser Weise eine Impedanzanpassungseinrichtung bildet (große Eingangsimpedanz, kleine Ausgangsimpedanz).
Der Ausgang des Spannungsfolgers F ist mit einem Eingang £i eines Umschalters / verbunden, dessen anderer Eingang £0 mit einer Spannungsquelle P verbunden ist, deren Spannung, wenn sie an den Gateanschluß g\ des Feldeffekttransistors Ti angelegt ist, in der Lage ist, diesen zu sperren. Der Umschalter / hat einen elektronischen Steuereingang En der eine
Spannung mit zwei Werten empfängt, die ihm zwei Zustände O bzw. 1 geben.
In dem Zustand O ist der Eingang Ea mit dem Ausgang G verbunden; in dem Zustand 1 ist der Eingang £'i mit dem Ausgang G verbunden,
' Das System arbeitet folgendermaßen:
a) Zustand 1: Der Eingang E\ ist mit dem Gateanschluß g\ des Feldeffekttransistors Tj verbunden. Daraus folgt, daß der Gateanschluß g] auf dem Potential des Drainanschlusses d\ des Feldeffekttransistors ist Unabhängig von der Art dieses Feldeffekttransistors ist derselbe, unter der Bedingung, daß sein Kanal für eine Potentialdifferenz von Vds = 0 (Verarmungs-Feldeffekttransistor) vorhanden ist, leitend,und es gilt Vs = Vc
b) Zustand 0: Der Ausgang G ist mit dem Eingang E0 verbunden, und der Gateanschluß g\ ist mit der Vorspannungsquelle P verbunden, deren Potential nach Polarität und Amplitude so gewählt ist, so daß der Feldeffekttransistor T1 blockiert wird. Bei dem Übergang von dem leitenden Zustand in den gesperrten Zustand entlädt sich die Gate-Drain-Kapazität des Feldeffekttransistors T\ übe ■ diesen Stromkreis. Die Feldeffekttransistoren, die gegenwärtig in Nanoelektronik ausgeführt sind, haben eine Gate-Drain-Kapazität, die so klein ist, daß ihre Ladung und ihre Entladung praktisch unbemerkt bleiben, unabhängig von dem Widerstand, über welchen diese Ladung oder diese Entladung erfolgt
Fi g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Analogspannungsschalters von Fig. 1. In Fig.2 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1. Der Spannungsfolger enthält einen Feldeffekttransistor T2, dessen Gateanschluß g2 mit dem Drainanschluß d\ des Feldeffekttransistors T1 verbunden ist und dessen Drainanschluß di an dem Pluspol einer Batterie E2 liegt Der Sourceanschluß S2 des Feldeffekttransistors T2 ist mit dem Drainanschluß ch eines Feldeffekttransistors T3 verbunden, dessen Gateanschluß g3 und Sourceanschlu?· S3 miteinander und mit dem Pol einer Batterie E3 verbunden sind. Der Feldeffekttransistor Tj ist folglich immer leitend und erfüllt die Aufgabe eines veränderlichen Widerstandes.
Der Sourceanschluß s2 des Feldeffekttransistors T2 mit dem Drainanschluß eines Feldeffekttransistors T4 verbunden, dessen Sourceanschluß S4 v.iit dem Gateanschluß g\ des Feldeffekttransistors T, und dessen Gateanschluß #» mit dem Drainanschluß ds eines Feldeffekttransistors Ts verbunden ist. Der.Drainanschluß ds des Feldeffekttransistors Ts ist außerdem mit dem Gateanschluß g\ des Feldeffekttransistors T\ über einen WiderUand R\ verbunden. Sein Sourceanschluß ist mit dem Pol der Batterie E3 verbunden. Sein Gateanschluß gs empfängt eine Steuerspannung mit zwei Werten, von welchen der eine den Feldeffekttransistor T5 sperrt und der andere ihn leitend macht
In diesem Ausführungsbeispiel, welches nicht als Einschränkung zu verstehen ist, sind sämtliche Transistoren Verarmungs-Feldeffekttransistoren, die einen N-Ieitenden Kanal besitzen. Die Eingangsspannung ändert sich zwischen —2 V und +2 V. Die Batterie E2 liefert 6 VoIt4 die Batterie E3 liefert -6 Volt. Die an den Gateanschluß gs des Feldeffekttransistors T5 angelegten Spannungswerte betragen — 6 V (Wert I) bzw. —8 V (WertO).
Der Feldeffekttransistor T5 ist folglich für den Wert I
(Vgs = 0) leitend und so berechnet, daß er bei dem Wert 0 (Vgs = 2 Volt) gesperrt ist.
Das System arbeitet folgendermaßen;
a) Der Feldeffekttransistor T5 ist gesperrt (Wert 0), In dem Widerstand R] fließt kein Strom und die Potentialdifferenz Vgs des Feldeffekttransistors T4 ist Null. Er ist deshalb leitend. Das Sourcepotential des Feldeffekttransistors T2, der als Spannungsfolger für die Spannung Vs geschaltet ist, ist im wesentlichen gleich dem Sourcepotential des Feldeffekttransistors T4. Da diese Spannung mittels des Feldeffekttransistors T4 zu dem Gateanschluß g] des Feldeffekttransistors T1 zurückgeführt ist, ist der Feldeffekttransistor T4 folglich leitend. Die Spannung Vs ist deshalb im wesentlichen gleich der Eingangsspannung Vg
b) Der Feldeffekttransistor T5 ist leitend. Die Spannung Vd dieses Feldeffekttransistors liegt folglich in der Nähe von—6 Volt.
In dem Widerstand A1 fließt ein Str^-m, was zur Folge hat, daß eine positive Potentialdifferetz zwischen dem Gateanschluß ^4 des Feldeffekttransistors T4 (dessen Potential im wesentlichen gleich —6 Volt ist) und dem Sourceanschluß S4 dieses Feldeffekttransistors ausgebildet wird, dessen Potential gleich (—6 Volt + Rti) ist, wobei /der in diesem Widerstand fließende Strom ist.
Dieser Feldeffekttransistor hat folglich das Bestreben, sich unter Aufrechterhaltung einer bestimmten Leitfähigkeit zu sperren. Der Gateanschluß g\ des Feldeffekttransistors T1 liegt auf einem Potential von (—6 Volt + R\i), d. h. in der Größenordnung von -4 Volt.
Da seine minimale Sourcespannung gleich — 2 Volt und seine maximale Sourcespannung gleich +2VoIt beträgt, ist er folglich ebenfalls gesperrt
Es ist zu bemerken, daß in dieser Konfiguration die Gate-Drain-Kapazität des Feldeffekttransistors Ti über den Widerstand R\ und den Feldeffekttransistor T5. der leitend ist entladen wird.
Eine integrierte Schaltung, die in der Nanoelektioniktechr'k ausgeführt und mit den vorgenannten Daten verwirklich ist, hat eine Ansprechzeit von einigen Nanosekunden und der Absolutwert Ve — Vjrist kleiner als 40 Millivolt.
F i g. 3 zeigt eine Integrationsart der Schaltung von F i g. 2, wobei in Fi g. 3 die Bezugszeichen die gleichen Teile bezeichnen. Das Substrat ist vom Typ P+, die Kanäle sind vom N-Typ und die Sourcezonen und Drainzonen vom Typ N +. Die ohmschen Kontakte sind von Typ N +. Die Source-, Gate- und Drainzonen jedes Feldeffekttransistors sind mit einem Index versehen, der den entsprechenden Feldeffekttransistor angibt. Der Feldeffekttransistor T1, von welchem die Sourcezone S], die Gatezone G1 und die Drainzone D] sichtbar sind, hat eine U-Form.
Die ausgezogenen Linien zeigen die Konturen der Metallisierungen, die strichpunktierten Linien die Konturen der Sourcezonen und der Drainzonen (N + dotierte Zonen), di< langen Striche die Konturen der Gatezonen (P+ dotierte Zonen); die Kanäle, die sich unter den Gatezonen erstrecken, sind durch Folgen von Strichen dargestellt, die durch drei Punkte getrennt sind. Die kurzen Striche zeigen die Konturen der N-dotierten Zonen, die epitaktisch auf das P-Ieitende Substrat aufgebracht sind. In der Darstellung sind Drainzone und Sourcezone des Feldeffekttransistors T1 umgekehrt
worden. Die Drainzone D1 verlangen sich unter eine Metallisierung, die einen Kontakt bildet und die Spannung VE empfängt. Die Sourcezone S1 erstreckt sich unter eine Metallisierung, die die Spannung V5 liefert, Der GateanschluD G2 ist mit dem Sourceanschluß Si verbunden. Die Elektroden D«, D3 und D7 sind ebenso wie die Sourcezonen Sj und Ss durch dieselbe Diffusion gebildet. Die Gateelektrode G} und die Sourceelektrode S3 sind durch dieselbe Metallisierung verbunden. Der Widerstand R\ ist eine N-dotierte Zone. In F i g. 3 bezeichnen die Buchstaben M1SD. C, G und N die Metallisierungen Mbzw. die Sourcezonen Sund die Drainzonen Dbzw. die Kanäle Cbzw. die Gatezonen G bzw. die Schichten N.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;
1. Analogspannungssehalter mit einem Feldeffekttransistor, an dessen Sourceanschluß die Eingangsspannung anliegt und dessen Drainanschluß die Ausgangsspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogspannungsschalter mittels eines Spannungsfolgers (F; T2, T3), dessen Eingang mit dem Drainanschluß (d\) des Feldeffekttransistors (Ti) verbunden ist, durch einen Umschalter (U T4, Ts, R]) leitend gemacht wird, welcher einem mit dem Gateanschluß (g\) des Feldeffekttransistors (Τη verbundenen Ausgang (G; s,) sowie zwei Eingänge (E0, Et ; (U, S5), von denen der erste Eingang (Er, (U) mit dem Ausgang des Spannungsfolgers (F; T2, T1) und der zweite Eingang (Eo; Ss) mit einer Spannungsquelle (P; E3) verbunden ist, die eine Spannung liefert, mittels welcher der Feldeffekttransistor (Ti) gesperrt werden kann, und einen Steuereingang (£; S4) hat, der eine Spannung mit zwei Werten (0 oder 1) empfängt, von welchen der eine Spannusnjswert (o) den Kontakt zwischen dem Ausgang (G; S4) und dem zweiten Eingang (E1; ds} des Umschalters (I; T*, T5, R17 1) und der andere den Kontakt zwischen dem Ausgang (G; S4) und dem zweiten Eingang (Ea; S5) des Umschalters (I; 7^T5, Ri) herstellt
2. Analogspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (T*, T5, A1) einen zweiten Feldeffekttransistor (T5) enthält, dessen Sourceanschluß (ss) mit einem Pol der Spannungsquelle (E3) verbunden ist, dessen Drainanschluß (ds) ml· dem Gateanschluß (g\) des ersten Feldeffekttransistors (Ti) verbunden ist, und an dessen Gateanschluß (gs) die Spannung mit zwei Werten (0,1) angelegt ist
3. Analogspannungsschalter »ach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (Ta, T5, R1) einen dritten Feldeffekttransistor (Ta) enthält, dessen Gateanschluß (&) mit dem Drainanschluß (di) des zweiten Feldeffekttransistors (T5) und dessen Sourceanschluß (s») einerseits mit dem Gateanschluß (g\) des ersten Feldeffekttransistors (Ti) und andererseits Ober einen Widerstand (Ri) mit dem Drainanschluß (ds) des zweiten Feldeffekttransistors (Ts) verbunden ist, während sein Drainanschluß Id4) mit dem Ausgang des Spannungsfolgers (Tt, Tj) verbunden ist und daß der dritte Feldeffekttransistor (T4) leitend gemacht wird, wenn der zweite Feldeffekttransistor (T5) gesperrt ist, aber zum mindestens teilweisen Sperren neigt, wenn der zweite Feldeffekttransistor (Ts) leitend ist.
4. Analogspannungsschalter nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfolger (Tj, Tj) einen vierten Feldeffekttransistor (T1) enthält, dessen Drainanschluß (dj) auf einem festen Potential gehalten wird, dessen Gateanschluß (gi) mit dem Drainanschluß (d\) oder mit dem Sourceanschluß (si) des ersten Feldeffekttransistors (Tx) verbunden ist und dessen Sourceanschluß (si) mit dem Drainanschluß ((U) des dritten Feldeffekttransistors (T4) und mittels eines zweiten Widerstandes (T]) mit dem Sourceanschluß (ss) des zweiten Feldeffekttransistors (Ts) verbunden ist.
5. Analogspannungsschalter nach einem der es Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Feldeffekttransistoren (Tu T2, Ta, T>)
Verarmungs-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
mit PN-Obergang sind, deren Kanäle N-Ieitend sind,
6. Analogspannungsschalter nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand eine fünfter Feldeffekttransistor (Ti) desselben Typs wie die anderen Feldeffekttransistoren (Ti, T2, T4, T5) ist, dessen Sourceanschluß (s3) und Gateanschluß fa) miteinander und mit dem Sourceanschluß (ss) des zweiten Feldeffekttransistors (T5) verbunden sind.
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