DE2425973A1

DE2425973A1 - Komplementaer-fet-verstaerker

Info

Publication number: DE2425973A1
Application number: DE19742425973
Authority: DE
Inventors: William Frederick Gehweiler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1974-05-30
Publication date: 1975-01-02
Also published as: SE7407180L; DE2425973B2; JPS5417545B2; FI159774A; CA999346A; AT351593B; CH578804A5; AU474135B2; FR2232139B1; DK296374A; US3914702A; GB1460605A; BE815832A; NL7407052A; DE2425973C3; BR7404485A; DD112044A5; AU6954974A; JPS5023157A; IT1012980B

Description

RCA 66,65ü

US Serial Ho. 365,034

Piled: June 1, 1973

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Komplementär-FET-Verstärker

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Koinplementär-FET-Verstärker mit zwei Feldeffekttransistoren (FET) entgegengesetzten Leitungstyps, deren Kanäle in Reihe zwischen zwei Betriebspotentialklemmen geschaltet sind und deren Steuerelektroden mit einer gemeinsamen Eingangsklemme verbunden sind, ferner mit einer Ausgangsklemme, die mit einem Punkt der Reihenschaltung zwischen den Kanälen der beiden Transistoren gekoppelt ist, und mit einer Betriebspotentialversorgungsschaltung, die an die Betriebsspannungsklemmen angeschlossen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung Verstärker mit komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren.

Schaltungsanordnungen mit komplementären Feldeffekt- transistoren haben in großem Umfang Anwendung in digitalen. Schaltwerken und Logikschaltungen gefunden. Diese Schaltungen zeichnen sich durch hohe Schwellwerte, von Natur aus strukturell einfachen Aufbau, niedrigen Leistungsverbrauch und sehr hohe Sparniungsverstärlomg aus. Die letzterwähnte Eigenschaft hat ih£e Ursache aus der großen Impedanztransforniation, die der Struktur solcher Schaltungen von Natur aus anhaftet und

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es ermöglicht, cine außergewöhnlich hohe Anzahl nachfolgender Verknüpfung schal two rice oder dergl. anzusteuern.

. Es ist auch bekannt, daß man z.B. einen Komplementär-ίΈΤ-Inverter bei geeigneter Vorspannung als Analogverstärker verwenden kann und dabei viele Vorzüge beibehält, die solche · Schaltungen bei digitalen Anwendungen haben. Solche Verstärker haben sich jedoch .in Analogschaltungen bisher noch nicht richtig durchsetzen können, da es schwierig ist, einen Komplementär-FDT-Inverter auf den richtigen Arbeitspunkt vorzuspannen. Der Grund für diese Schwierigkeit liegt darin, daß der Bereich der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines solchen Verstärkers, in dem sich das Ausgangssignal in Abhängigkeit von EingangsSignalschwankungen wesentlich ändert, nur sehr schmal ist. Dies ist bei digitalen Anwendungen ein wesentlicher Vorteil, da die resultierende Unempfindlichkeit für Signale außerhalb des schmalen Bereichs einem solchen Verstärker oder Inverter im Vergleich zu anderen Typen von Verknüpfungsschaltungen eine außerordentlich hohe Unempfindlichkeit gegen Störungen verleiht. Andererseits erfordert dieser relativ enge Bereich der Übertragungsfunktion eine genaue Steuerung der zugeführten Vorspannung, wenn ein Koaplementär-EET-Inverter bei analogen Anwendungen als Verstärker verwendet wird und die erforderliche Präzision ist wegen der verhältnismäßig schlechten Reproduzierbarkeit der Übertragungsfunktionen schwierig zu erreichen.

Die zwei Hauptfaktoren, die die schlechte Reproduzierbarkeit der Übertragungs funktionen von Komplementär-EST-Verstärkern verursachen, sind Schwankungen bei der Herstellung des Verstärkers und Schwankungen der Umgebungsbedingungen, denen der Verstärker im Betrieb ausgesetzt ist. Die Exemplarstreuung aufgrund des Herstellungsprczesses beruht auf einer großen Anzahl von Parametern, wie Abmessungen, Trägerbeweglichkeit und dergl. In entsprechender Weise beeinflussen auch die Umgebungsbedingungen, denen ein Komplementär-PET-Inverter ausgesetzt ist, seine Übertragungfunktion, z.B. die Temperatur,

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Teinperaturgradicnton und verschiedene Arten von Strahlungsbelastung, v;ie elektromagnetische Strahlung und Kernstrahlung sowie elektrostatische Felder. Umgebungseinflüsse lassen sich besonders schwer kompensieren, da die komplementären Transistoren, die den Inverter oder Verstärker bilden, iEkllgemeinen auf gleiche Temperaturänderungen oder gleiche Strahlung^ änderungen unterschiedlich reagieren.

Es ist bekannt, einen Komplementär-FET-Verstärker mittels eines Rücklcopplungswiderstande's vorzuspannen, der den Ausgang des Verstärkers mit seinem Eingang verbindet. Wie weiter unten noch an Hand der Form einer typischen Übertragungskennlinie im einseinen erläutert v/erden wird, erfordert diese Art der Vorspannung eine Wechselspannungskopplting des zu verstärkenden Eingangssignals und hat eine Gegenkopplung zur Folge, die die Ableitung der übertragungskennlinie herabsetzt und den üuiiearbeitspunkt sowohl von den Herstellungs- als auch Umgebungseinflüssen, wie sie oben erwähnt wurden, abhängig macht. Außerdem beeinträchtigt das Vorhandensein des zur Vorspannung dienenden Widerstandes die Eingangsimpedanz des Verstärkers. Sine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß Widerstände in integrierten Schaltungen nicht ganz einfach herzustellen sind und auf dem Schaltungssubstrat eine erhebliche Fläche beanspruchen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Komplementär-FET-Feldeffekttransistor so vorzuspannen, jlaß der Arbeitspunkt des Verstärkers Änderungen der Umgebungsbedingungen und normale Herstellungsschwankungen automatisch korrigiert. Insbesondere soll ein solcher Verstärker angegeben v/erden,. der als integrierte Schaltung ohne Widerstände hergestellt v/erden kann.

Biese Aufgabe wird durch eine Ausführungsform eines Kociplementär-FST-Verstärkers- gemäß der Erfindung gelöst, der einen ersten Verstärker mit komplementären Feldeffekttransistoren enthält, der auf einen gewünschten Ruhearbeitspunkt da-

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durch vorgespannt wird, daß die ihm von einem zweiten, ähnlichen Verstärker aufgeführten Betriebspotentiale verachoben werden. Der sweite Verstärker ist auf einen vorgegebenen Ruhoarbeitspunkt vorgespannt und seine Ausgangsspannung dient als Steuerspannung für die den beiden Verstärkern zugeführten Betriebspotentiale.

Ausführungsbeispiele, Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung v/erden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Pigur 1 ein Schaltbild eines bekannten Komplementär-FET-Verstärlcers;

Figur 2 ein Schaltbild der Eingangs-Ausgangs-übertragung3_ funktion des Verstärkers gemäß Figur 1;

Figur 3 ein Schaltbild einer Spannungsverschiebungsschaltung;

Figur 4 ein Schaltbild einer Spannungsverschiebungsschaltung mit Feldeffekttransistoren;

Figur 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung j

Figur 6 ein Schaltbild für eine Abwandlung eines Bezugsverstärkerteils einer Ausführungsform gemäß Figur 5J

Figur 7 ein Schaltbild einer Abwandlung der Spannungspegelverschiebungsschaltung gemäß Figur 4 und

Figur 8 ein Schaltbild einer Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß Figur 7.

Der in Figur 1 dargestellte bekannte Komplementär-Feldeffekttransistor-(EST-)Verstärker hat eine Eingangsklemme 10, die mit der Steuerelektrode 12 eines Feldeffekttransistors 14 vom P-Typ und der Steuerelektrode 16 eines Feldeffekttransistors 13 von IT-Typ gekoppelt ist. Die steuerbare Stromstrecke, also der Kanal des FET 14 ist zwischen einen Schaltungspunlct 20 und eine Ausgangsklemrce 22 geschaltet. In entsprechender Weise ist der Kanal des FET 18 zwischen einen Schaltungspunlct 24 und die Ausgangsiclenme 22 geschaltet.

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Im Betrieb v/ird einem Verstärker mit Transistoren dec dargestellten Typs über den Schaltuncopunkt 20 ein Bctriobapotentinl V., zugeführt, dno positiv im Vergleich zu cinora Betriebspotential V, am Schnltun.^f;spun!rt ?A int. En i.'rt bekannt, daß PcldüiTckttranaiatoren, die so geschaltet sind, sich im wesentlichen wie spannungsgeoteuerte Widerstünde verhalten. Wenn s.D. der PET 18 ein F-Kanal-Anreicherungs-Isolierschichtfeldeffckttransictor ist, neigt der Widerctandswert seines Kanals dazu, abzunehmen, wenn die seiner Steuerelektrode 16 zugeführte Spannung (die größer als V- ist) zunimmt. Wenn in entsprechender Weise der 5¹ET Η ein P-Kanal-Anreicherungsisolierschichtfeldeffekttransistor ist, neigt der Widerstand seines Kanals zum Abnehmen, wenn die Spannung (die kleiner ist als V₂) an seiner Steuerelektrode 12 abnimmt. Da die Steuerelektroden 12 und 16 beide mit der Eingangsklemme 10 verbunden ist, ändern sich die Widerstandswerte der Kanäle der FET¹3 14 und 18 in Abhängigkeit von dem der Eingangsklemme 10 zugeführten Eingangssignal in komplementärer Weise und das Potential an der Ausgangsklemme 22 v/ird durch das Verhältnis der Widerstandswerte der Kanäle der I¹ET¹S 18 und 14· und durch den Betrag der den Schaltungspunkten 24 und 20 zugeführten Potentiale bestimmt.

Aus Figur 2 sind weitere Einzelheiten der Abhängigkeit von Eingangs- und Ausgangssignal des bekannten Verstärkers gemäß Figur 1 dargestellt. Die Ausgangs spannung ^qtjj> an der Ausgangsklemme 22 ändert sich in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Vp_T an der Eingangskleinme 10 gemäß der typischen Übertragungskennlirfie 30. Diese Übertragungskennlinie gilt für den Fall,- daß die FET¹S 14 und 18 wirklich komplementär sind, d.h. daß der Widerstandswert des Kanals des FET¹S 14 gleich dem Widerstandswert des Kanals des FET¹S 18 ist, wenn die Eingangsspannung an der Eingangsklemme 10 in der Mitte zwischen den Betriebspotentialen an den Klemmen 20 und 24 liegt. In der Praxis sind die Kennlinien der Transistoren jedoch im allgemeinen nicht ideal gepaart und die Übertragungskennlinie des

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Verstärkero kann dadurch vornehoben werden, wie eo an Hand der Kennlinien 32 und 34 dargestellt i3t. Zu den Faktoren, die eine Verschiebung der Übertragungskonnlinie verursachen, gehören Unterschiode in der Geometrie der FST¹S 14 und 1ü, Unterschiede in den Trägerbeweglichkeiten der Transistoren und unvermeidliche Strukturunterschiede in den 'Einrichtungen, wie sie sich normalerweise bei der Herstellung ergeben. Auch wenn die Transistoren genau gepaart sind, so daß sich eine Übertragungskennlinie ergibt,'v/ie sie bei 30 in Figur 2 dargestellt' ist, können im normalen Betrieb des Verstärkers Umgebungseinflüsse auftreten, die die Übertragungskennlinie 30 zum Ort der Übertragungskennlinie 32 oder 34 verschieben. Zu diesen Umweltseinflüssen gehören z.B. elektrostatische Felder, elektromagnetische Strahlung und Korpuskularstrahlung, der Absolutwert der Temperatur, Temperaturgradienten usw. In der Praxis kann man daher die Lage der Übertragungskennlinie des bekannten Verstärkers nicht genau voraussagen. Dies hat wieder um zur Folge, daß es schwierig ist, einen solchen Verstärker in Kleinsignalanwendungen richtig vorzuspannen.

Es sei z.B. angenommen, daß ein vorgegebener Verctärker eine Übertragungslcennlinie, wie die in Figur 2 dargestellte Übertragungskennlinie 30 hat und daß der Kennwert der Eingangs spannung in der Mitte zwischen den an den Schaltungspunkten und 24 liegenden Potentialen V2 bzw. V₁ liegt. In diesem Falle liefert der Verstärker eine Ausgangsspannung Vq₁ entsprechend dem Arbeitspunkt 36 auf der Üb.ertragungskennlinie 30. Die Keigung der Übertragungskennlinie 30 im Arbeitspunkt 36 stellt den Kleinsignalverstärkungsfaktor des Verstärkers dar und hat typiseherweise dann ein Maximum, wenn die Ausgangsspannung nominell in der Mitte zwischen den zugeführten Betriebspotentialen V- und V₂ ist. Wegen der erwähnten Herstellungs- und Umgebungseinflüsse kann die tatsächliche Übertragungskennlinie doch der Übertragungskennlinie 32 oder 34 entsprechen. Wenn V^ nicht geändert wird, ergeben sich die tatsächlichen Arbeitspunkte 38 oder 40 und Ausgangsspannungen V^₁ bzw.-Vq¹JJ. Da die

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Steigung der Übertragungokennlinie 32 bsw, 34 im Arboitcpunirfc 3S bzw. 40 kleiner ist als die Steigung der Übertragungclccnnlinie 50 im Arbeitspunkt 36, ergibt sich, für den Verstärker auch ein kleinerer Verstärkungsfaktor. Es ist außerdem ersiclitlich, daß die maximale symmetrische Kleinsignal-Ausgangsspannung, die sich erreichen läßt, kleiner ist als im Arbeitspunkt 36. Kit anderen Worten werden durch die unerv/ünschte Verschiebung der Übertragungskennlinie sowohl der Verstärkungs, faktor als auch der Aussteuerungsbereich verringert.

Man beachte, daß der Betriebszustand, der durch eine Ausgangsspannung Vq.. mit einem Nennwert in der Mitte zwischen den den Schaltungspunkten 20 und 24 zugeführten Betriebspotentialen eine maximale Verstax'kung und einen maximalen Aussteuerbereich des Verstärkers gewährleistet, unabhängig davon, welche der Kennlinien oder Übertragungsfunktionen 30, 32 und 34 tatsächlich die wirkliche Übertragungsfunktion des Verstärkers darstellt.

Mit anderen Worten gesagt, entspricht der ideale Arbeitspunkt des bekannten Verstärkers gemäß Figur 1 dem Arbeitepunkt 42, 36 oder 44. Dieser Arbeitspunkt kann gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erhalten werden, daß man die den Schaltungspunkten 20 und 24 zugeführten Betriebspotentiale derart verschiebt, daß die Ausgangskleumie 22 auf einem Ruhepotential gehalten wird, dessen Kennwert gleich der Ruhespannung an der Eingangsklemme 10 ist.

Die nit einer Spannungsverschiebung arbeitende Schaltungsanordnung gemäß Pigur 3 enthält den bekannten Verstärker gemäß Pigur 1, dessen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind. Außerdem ist eine veränderliche Impedanz-'anordnung 42 vorgesehen, die zwischen den Schaltungspunkt 20 und einen Schaltungspunkt 44 gekoppelt ist. Eine weitere veränderliche Inpedanzanordnung 46 ist zwischen den Schaltungspunkt 24 und- einen Schaltungspunkt 48 gekoppelt. Die veränderlichen Impedanzanordnunjen sind außerdem mit einer Steuerklemme 50, gekoppelt.

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Die veränderliche Impedalanordnung 42 ict go aungcbildot, daß sich ihre Impedanz in Abhängigkeit vom Signal an der Steuerklenune 50 in einem vorgegebenen Sinne ändert. Die veränderliche Impcdanζ anordnung 46 ist so ausgebildet, daß sich ihre Impedanz in Abhängigkeit von dem gleichen Signal an der Steuerklemme 50 in entgegengesetzten Sinne ändert wie die Impedanzanordnung 42.

Zur Erläuterung der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 sei angenommen, daß der Schaltungspiinkt 44 auf einem festen Potential eines relativ positiven Wertes gehalten v/erde, daß der 'Schaltungspunkt 43 auf einen festen Potential eines relativ negativen Viertes gehalten v/erde und daß die 3ingangsklemmo 10 auf einem Bezugspegel, wie Hasse, gehalten werde. Es sei ferner angenommen, daß sich die Impedanz der veränderlichen Impedanzanqrdnung 42 direkt mit einer der Steuerklemme 50 zugeführten Steuerspannung andere und daß sich, die Impedanz der veränderlichen Impedanzanordnung 46 invers zur Steuerspannung an der Steuerkleimne 50 andere. Wenn die Spannung ander Steuerklemme 50 zunimmt, nimmt also die Impedanz der veränderlichen Impedanzanordnung 46 ab, während die der veränderlichen Impedanzanordnung 42 zunimmt. Dies hat die Wirkung, daß die Potentiale an den Schaltungspunkten 24 und 20 in Sichtung auf das feste Potential am Schaltungspunkt 48 verschoben werden. Wenn anderer seits die der Steuerklemme 50 zugeführte Spannung abnimmt, werden die veränderlichen Impedanzanordnungen 42 und 46 die Betriebsspannungen an den Schaltungspunkten 20 und 24 im Effekt in Richtung auf das feste Betriebspotential am Schaltungspunkt 44 verschieben.

Da der bekannte Verstärker gemäß Figur 1, wie oben erläutert wurde, eine Ausgangsspannung liefert, die durch das Widerstandsverhältnis der Transistoren 14 und 18 und die Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten 20 und 24 bestimmt wird, und da diese Betriebspotentiale durch die der Steuerquellc 50 zugeführte Spannung beeinflußt werden, folgt, daß die Spannung an der Ausgan^sklemme 22 durch geeignete

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Änderung der der Steucrkleinnc 50 :nif;o führten Spannung au.C einen gewünschten Wort gebracht worden kann, wie gleich erläutert v/erden wird.

Figur 4 seigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Punktion der in Figur 3 in Blockform dargestellten veränderlichen IinpedanFianordnungen -durch Feldeffekttransistoren ausgeübt wird. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 ist der Kanal eines Feldeffekttransistors 60 vom P-Typ zwischen die Schaltungspunkte 44 und 20 geschaltet. Der Kanal eines Feldeffekttransistors 62 vom il-Typ ist zwischen die Schaltungspunkte 48 und 24 geschaltet. Die Steuerelektrode 24 des FET 62 und die Steuerelektrode 66 de3 FET 60 sind mit der Steuerklemme 50 verbunden. Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 arbeitet, wie es oben für die Spannungsverschiebungsschaltung gemäß Figur 3 erläutert wurde. Eine der Steuerklenrae 50 zugeführte Steuerspannung wird eine komplementäre Änderung der Impedanzen der Kanäle der FET¹S 60 und 62 in Abhängigkeit von der Steuerspannung an der Steuerklemme 50 bewirken. Hierdurch werden wiederum im Effekt die Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten 20 und 24 der bekannten Verstärkerschaltung in der erläuterten Weise verschoben.

Bei einer Ausfülirungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung der in Figur 4 dargestellten Art wie folgt als Iteferenzverstärker verwendet: Angenommen, den Schaltungspunkten 44 und 48 werde eine positive bzw. negative Spannung gleichen Betrags zugeführt und die Eingangsklemme 10 werde auf einem Besugspotential, wie Masse, gehalten. Die. Transistoren 14 und 18 arbeiten wie der bekannte Verslärker gemäß Figur 1 mit einer Übertragungskennlinie, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. An der Ausgangsklemae 22 wird dann eine Ausgangsspannung auftreten, deren Wert von der Übertragungskennlinie des Verstärkers abhängt. Wenn z.B. die tatsächliche Übertragungskennlinie der Kurve 30 in Figur 2 entspricht, wird sich der Arbeitspunkt 36 einstellen, und es wird sich die Ausgangsspannung V_Q1 (Figur 2) ergeben, die unter

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den angenommenen Voraussetzungen gleich Manoepotential ist. l/enn andererseits die Übcrtragungslrennlinie der Kurvo 32 entspricht, wird sich der Arbeitspunkt 30 einstellen und die Ausgangs3panuung an der Ausgangaklemme 22 würde den positiven V/ert YX* haben. Wenn andererseits die tatsächliche Übertragungskennlinie der Kurve 34 entspricht, stellt sich der Arbeitspunkt 40 ein und an der Ausgangsklemme 22 resultiert eine negative Ausgangs spannung ^v"₀-j.

Die Ausgangsspannung an' der Ausgangsklerarae 22 gibt also sowohl den Betrag als auch die Verschiebung der Übcrtragungskennlinie bezüglich der ideal gelegenen tJbertragungskennlinie 30 wieder. Gemä.3 der vorliegenden Erfindung kann diese Spannung dasu verwendet werden, die Betriebspotentiale in der beschriebenen ¥ei3e so zu verschieben, daß die Ausgangsklemme 22 auf einem Huheepannungswert gehalten wirC, der· nominell gleich der der Eingangsklemme 10 zugeführten Spannung ist.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen,.besteht darin, die Steuerklemme 50 einfach mit der.Ausgangsklemme 22 zu koppeln. Man erhält hierdurch eine Gegenkopplungsspannung zur Verschiebung der Betriebspotentiale an den Schaltungspunkten 20 und 24» die die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 22 derart zu ändern strebt, daß sie möglichst gleich der Bezugsspannung an der Eingangsklemme 10 wird.

Gemäß der Erfindung kann sie ferner dazu verwendet werden, die Ruhearbeitspunkte anderer entsprechender Verstärker zu steuern, indem die Steuerklemmen aller anderen Verstärker mit der Ausgangsklemme des Eeferenzverstärkers verbunden v/erden. Wenn die in den anderen Verstärkern verwendeten Transistoren gleichartige Eigenschaften wie die im Referenzverstärker verwendeten Transistoren haben, stellt die durch den Referenzverstärker erzeugte Ausgangsspannung ein geeignetes Mittel für die Kompensation der erläuterten Herstellung- und Umwelteinflüsse -dar. Gleichartige Eigenschaften keinn man z.B. dadurch erreichen, daß man die Transistoren auswählt oder daß man die zusammengehörigen Verstärker auf einen gemeinsamen Substrat

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ale integrierte Schaltung ausbildet.

Figur 5 zci;-rt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung,, bei der zwei Schal foingganordnungen entsprechend Figur 4 miteinander verbunden sind. Gleichartige Elemente sind in Figur 4 und 5 niit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, denen Jedoch zusätzlich noch ein bzw. zwei Akzente hinzugefügt vmrden. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 5 sind die Schaltungspunkte 44^! und 44" zusammen an eine Quelle für eine "Spannung +V an.-geGchlcssen. Die Sclialtungspunkte 48' und 48" sind susamnen an eine Quelle für eine Spannung -V angeschlossen. Die Eingangsklemme 10' ist mit einer Quelle für eine Bezugsspannung, die Hasse sein kann, gekoppelt. Die Ausgangsklemme 22· ist mit Steuerklemnen 50* und 50" gekoppelt. Die Eingangskierame 10" dient zur Zuführung eines zu verstärkenden Eingangssignals; das verstärkte Ausgangssignal steht an einer Ausgangskleinme 22" zur Verfugung.

Die Eigenschaften entsprechender Transistoren eines vorgegebenen Leitungstyps sind gepaart. So hat also z.B. der P-Kanal-Transistor 60 Eigenschaften, die mit denen des P-Kanal-Tränsistors 60" übereinstimmen. In entsprechender ¥eise haben die Transistoren 14* und 14", die dem P-Typ angehören, gleiche Eigenschaften. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß der Transistor 14¹ vom P-Typ die gleichen Eigenschaften hat wie der Transistor 60· vom P-Typ, seine Eigenschaften müssen nur mit denen des Transistors 14" vom P-Typ'übereinstimmen. Die Transistoren 14' und 18* bilden einen Referenzverstärker 70; die Transistoren 14" und 13" bilden einen.Signalverstärker 72.

Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 5 arbeitet folgendermaßen: Nach dem Anlegen der Betriebsspannungen +V und -V entsteht an der Ausgangsklemme 22' eine Spannung, die von der speziellen Übertra^ungckennlinie der zugeordneten Transistoren" abhängt. Diese Ausgangsspannung wird auf die Steuerkleisme 50* surüekgekop-oelt, im die Betriebspotentiale, die dem Referenzverstärker 70 über die Schaltungspunlcte 20· und 24* zugeführt

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werden,- in einen solchen Ginne zu ve räch loben, ein?, der Unterschied, svrischen der Ausgangs spannung an der Ausgangsklemme 22' und der Referenzspannung an der Eingangcklemme 10' verkleinert wird»

Das su verstärkende Eingangssignal v/ird der 3ini-.inriGkle-.mmo 10" des Signalverstärkers 72 zugeführt. Dessen Stcuerklemme 50" ist mit der Ausgangsklemme 22' des Referenzvcrstärkers 70 verbunden, so daß die Bctriebspotentiale an den Schaltun^spunkten 20" und 24" effektiv in einer solchen V/eise verschoben werden, daß an dor Ausgangsklemrae 22" eine Ruhe spannung entsteht, die in wesentlichen gleich der Ruhespannung an der Ausgangski emme 22' ist.

Wegen der Übereinstimmung der Eigenschaften der Transistoren in Referenzverstärker 70 und Signalverstärker 72 ändert sich auch die Übertragungskennlinie des Signalverstärkers 72 wie die de3 Referenzverstärkers 70. Die Rückkopplung von der Ausgangsklemne 22' zur Steuerklemme 50' des Referenzverstärkers stabilisiert den Arbeitspunkt des Referenzverstärkers auf einen Viert, der in der Efähe des Wertes der Referenzspannung liegt, die der Eingangsklemme 10' zugeführt ist. Die gleiche Spannung stabilisiert in entsprechender Weise den Ruhearbeitspunkt des Signalverstärkers 72.

Die Schaltungsanordnung gemäß Pigur 5 ist typisch für das Prinzip. Der einzige stabilisierte Signalverstärker 72, der in Pigur 5 dargestellt ist, kann in der Praxis durch zwei, drei oder eine größere Anzahl von Verstärkern ersetzt v/erden, die alle getrennte Eingangs- und Ausgangsklemmen haben und die alle mit den Steuerelektroden der den Transistoren 60" und 62" entsprechenden Transistoren-mit der Klemme 50' verbunden sind.

Ein Signalverstärker, der wie der Signalverstärker 72 in Figur 5 auf seinen Ruhearbeitspunkt vorgespannt wird, hat eine Anzahl .wesentlicher Vorzüge gegenüber Verstärker;-.., üic in der bekannten Weise vorgespannt sind. Z.B. existiert kein Rückkcpplungsweg von der Sif^ial-Einffansslcleaiiie 10" zur Signäl-

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AuRgaiircklcnnc 22", v/.io er üblicherweise in Koripl sistorvcrstärkem verwendet wird. Die iiingnngnirnpedanz des vorliegenden Verstärkers ist daher hoch, es int Ice ine Gegenkopplung vorhanden, und Signalverstäxker dieser Art können direkt gekoppelt werden.

Die in Figur 5 gezeigte Kompensation zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkers kann dadurch verbessert v/erden, daß man im Referenzverstärkerteil der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung einen zusätzlichen Verstärker verwendet. Der zusätzliche Verstärker kann ein weiterer Peldeffckttransistorverstärker, ein Operationsverstärker oder irgendein anderer Gleichstromverstärker sein. Bei der in Figur 6 dargestellten Schaltungsanordnung ist z.3. die Ausgangsklemmc 22· des Referenzverstärkers 70 gemäß Figur 5 mit einer nichtinvertierenden Eingangsklemme 76 eines Verstärkers 74 gekoppelt. Die Ausgangsklemme 78 des Verstärkers 74 ist mit der Steuerklemme 50' verbunden. Der Verstärker 74 kann nah eine weitere Eingangsklemuie 80 aufweisen. 3ei dieser Abwandlung des Referenzverstärkerteils gemäß Figur 5 dient der Verstärker 74 dazu, das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 22' (ohne Inversion) zu verstärken und das verstärkte Signal der Klemme 50' zuzuführen. Durch diese Verstärkung erhält man ein größeres Signal an der Steuerklenine 50' und damit eine weitgehendere Korrektur von Änderungen der Übertragungscharakteristik des Referenzverstärkers 70. Der zweiten Eingangsklemme QO des Verstärkers 74 kann außerdem eine Versetzungs- oder Offsetspannung zugefünrt werden, falls dies bei der betreffenden Anwendung erwünscht ist. Solche Versetzungsspannungen sind z.B. dann von Nutzen, wenn der Signalverstärker'als Logikpegelumsetzer verwendet wird, um niederpegelige Logiksignale mit einem 3ezugswert auf höherpegelige Signale mit einem anderen Bezugswert umzusetzen, z.B. bei einer Kopplung von ECL- oder TTL-Logikschaltungen auf.MOS-Logikschaltungen.

Figur.7 sei^t eine Abwandlung der Schaltungsanordnung genäß Figur 4, die entweder als Referenzverstärker 70 oder

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als Signalvers tclrker 72 in Figur 5 verwendet v/erden kann. Mc Schaltungsanordnung gemäß Figur 7 enthält zur.ätsuche, in Reihe geschaltete Verstärker um den Veriitäi'kungngrad doa Vcrstärkertciles der Schaltungsanordnung zu erhöhen. Die Elemente der zusätzlichen Verstärker sind mit Bezugszeichen bezeichnet, denen die Kleinbuchstaben "a" bzv/. "b" angehängt sind. Die Transistoren 60, 14, 13 und 62 sind wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 geschaltet. Außerdem ist die Einganßsklcmme 10 des die Translatoren 14 und 10 enthaltenden Verstärkers mit einer Ausgangsklemme 22a eines Verstärkers mit Transistoren Ha und 13a gekoppelt. Dieser Verstärker hat eine Eingangsklemrae 10a, Jie mit einer Ausgangsklemme 22b einea Verstärkers lait Transistoren 14b und 13b gekoppelt ist. Das Eingangssignal wird einer Eingangsklemiae 10b dieses letzteren Verstärkers zugeführt. Die Schaltungspunkte 20, 20a und 20b sind miteinander verbunden. Das Gleiche gilt für 'die Schaloung3punkte 24, 24a und 24b.

Da eine gerade Anzahl von zusätzlichen Verstärkerstufen in Reihen- oder Kaskadenschaltung verwendet wurde, verursachen die zusätzlichen Verstärkerstufen im Endeffekt keine Signalinversion, und die Ausgangsklemme 22 kann mit der SteuerJclemO 50 verbunden werden, um diese Schaltungsanordnung wie den Eeferenzverstärker 70 in Figur 5 "zu betreiben. V/enn andererseits eine ungerade Anzahl zusätzlicher Stufen eingeschaltet worden wäre, ergäbe sich eine Signalinversion und man müßte dann das Ausgangssignal an der Ausgangsklenme 22 vor der Zuführung zur Steuerklemme 50 invertieren, um die den Arbeitspunkt des Verstärkers stabilisierende Gegenkopplung beizubehalten.

Figur 8 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß Figur 7, die zusätzliche Transistoren 60a, 60b, 62a und 62b enthält. Der Kanal des Transistors 60a ist zwischen die Schaltungspunkte 44 und 20a gekoppelt. Der Kanal des Transistors 60b ist zwischen den Schaltimgapimkt 44 und den Schaltungspunkt 20b gekoppelt. D.le Steuerelektroden der Transistoren 60a und 60b sind susanmen an die Steuerkiensie 50 angeschlossen. Der Kanal

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dec Transistors C2a liegt zwischen dem Cchaltungrjpunkt 48 und dem Schaltunr:spunkt 24a; der Kanal dos Transistors 62b ist. zwischen den Schaltun^spunkt Ί3 und den SchaLtun^npunkt 24b geschaltet. Die Steuerelektrode^ GAa und 64b sind ."jeweils mit der Steuerlclemrac 50 verbunden. Die Schaltungspunkte 20a und 20b, die in-Figur 7 beide an den Schaltungspunkt 20 angeschlossen waren, sind also in Figur 8 voneinander getrennt. In entsprechender Weise sind die in Figur 7 beide mit dem Schaltungspunkt 24 verbundenen Schaltungspunkte 24a und 24b bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 8 voneinander getrennt.

Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 8 arbeitet im Prinzip v/ie die gemäß Figur 7· Bei ersterer sind jedoch zusätzlich noch Transistoren in jeder Verstärkerstufe vorgesehen. Diese Transistoren gewährleisten eine bessere Trennung oder Unabhängigkeit der Verstärkerstufen als bei Figur 7. Wie bei Figur 7 kann man mehrere, hintereinander geschaltete Verstärkerstufen verwenden und die Schaltungsanordnung kann entweder als Referenzverstärker oder als Signalverstärker betrieben werden, wie es oben erläutert ist.

Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wurden Spannungsversßhiebungsschaltungen (z.B. Figur 5) verwendet, um vorspannungskompensierte Verstärker zu. bilden. Selbstverständlich können die hier beschriebenen Spannungsverschi ebungs schaltungen, z.B. die Spannungsverschiebungsschaltung gemäß Figur 3, auch für andere Anwendungen verwendet werden,v/o ein Ausgangssignal erzeugt werden soll, dal von zwei Singangssignalen abhängt, also diese gemeinsam repräsentiert. Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 kann z.B. ganz allgemein als Signalverschieb-angs- oder Summier schaltung verwendet werden, indem man die Signaleingangsklemme mit einer äußeren Vorspannungsquelle verbindet und die Steuerklemme von außen auf ein ärmliches Kiveau vorsOannt.

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Claims

7700-7¹I Dr.ν.Β/Ε

-Al»-

Patentansprüche

1,/ Komplementär-Feldeffekttransistor-Verstärker mit zwei Feldeffekttransistoren (FET) entgegengesetzten Leitungstyps, deren Kanäle in Reihe zwischen zwei Betriebspotentialklemmen geschaltet sind und deren Steuerelektroden mit einer gemeinsamen Eingangsklemme verbunden sind, ferner mit einer Ausgangsklemme, die mit einem Punkt der Reihenschaltung zwischen den Kanälen der Transistoren gekoppelt ist, und einer Betriebspotentialversorgungsschaltung, die an die Betriebspotentialklemmen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebspotentialversorgungsschaltung ein erstes spannungsgesteuertes Impedanzelement (42; P60) zwischen der einen Betriebspotentialklemme (20) und einem Schaltungspunkt für ein erstes festes Potential, ferner ein zweites spannungsgesteuertes Impedanzelement (46; N62), das zwischen die andere Betriebspotentialklemme (24) und einen Schaltungspunkt für ein zweites festes Potential geschaltet ist, enthält; daß die beiden Impedanzelemente durch die gleiche Steuerspannung gesteuert sind und daß sich ihre Impedanzen in Abhängigkeit von einer Änderung der Steuerspannung gegensinnig ändern.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Impedanzelement aus einem dritten und einem vierten Feldeffekttransistor (P60, N 62) desselben Leitungstyps wie der erste bzw. zweite Transistor (Pl¹I, N18) bestehen, und daß die Steuerspannung den Steuerelektroden des dritten und vierten Transistors zugeführt ist.

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3· Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steucrspannun^ von der Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme (22) gewonnen wird.
4. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem zweiten Verstärker (72, P60", N62^u) des gleichen Typs parallel zwischen die beiden Schaltungspunkte für das feste Potential (+V₁J-V) geschaltet ist; daß die Eingangsklemme (10¹) des ersten Verstärkers mit einem Punkt festen Potentials verbunden ist; daß die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers dem ersten und zweiten Verstärker als Steuerspannung zugeführt ist und daß der Eingangsklemme (10") des zweiten Verstärkers ein Eingangssignal zugeführt ist.
5· Verstarker, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem zweiten Verstärker desselben Typs zwischen die Schaltungspunkte für das erste und das¹ zweite feste Potential geschaltet ist; daß ein zu verstärkendes Signal der Eingangsklemme (10b) des ersten Verstärkers zugeführt ist; daß die Ausgangsklemme des ersten Verstärkers direkt mit dem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist und daß den Verstärkern die gleiche Steuerspannung zugeführt ist.
6. Verstärker nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zweier weiterer komplementärer Feldeffekttransistoren (IAa, 18a) in Reihe miteinander der Reihenschaltung aus den Kanälen des ersten und zureiten Transistors (I¹I, 18) parallelgeschaltet sind; daß die Steuerelektroden der weiteren Feldeffekttransistoren (14a, 18a) mit einer eigenen Eingangsklemme (10a) verbunden sind; daß der einen der Eingangsklemmen (z.B.lOa) ein Eingangssignal zugeführt ist und daß die entsprechende-Ausgangsklemme (z.B. 22a) mit der anderen Eingangsklemme (10) direkt gekoppelt ist.

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