DE2440937B2

DE2440937B2 - Differenzverstaerker mit zwei mos- transistoren

Info

Publication number: DE2440937B2
Application number: DE19742440937
Authority: DE
Inventors: Frithjof v. Dr. 8000 München Sichart
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-27
Filing date: 1974-08-27
Publication date: 1977-06-08
Also published as: AT363519B; CH583987A5; SE403230B; FR2283584A1; FR2283584B1; SE7509528L; BE832806A; IT1041875B; NL7509368A; DE2440937C3; DE2440937A1; GB1512388A; JPS5149657A; US4059809A; ATA538375A; JPS5528605B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit zwei MOS-Transistoren, die an ihren Torelektroden gesondert Steuerspannungen zugeführt erhalten und die mit ihren Quelle-Senke-Streckeri in Reihe liegend an einer Speisespannungsquelle angeschlossen sind, wobei an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Quelle-Senke-Strecken der beiden MOS-Transistoren eine Ausgangsspannung abnehmbar

Es sind bereits Differenzverstärker bekannt (US-PS 36 63 888), die jeweils mindestens drei MOS-Transistoren enthalten. Den Torelektroden zweier dieser MOS-Transistoren werden die Eingangssignale zugeführt. Sämtliche MOS-Transistoren jedes der bekannten Differenzverstärker weisen nahezu identische Arbeitskennlinien auf. Dies bedeutet, daß jeweils MOS-Transistoren desselben Typs verwendet sind. Hierdurch können jedoch nur Steuers^annungen verarbeitet werden, die sich in ihren Absolutwerten nur geringfügig voneinander unterscheiden.

Es ist ferner ein MOS-Transistortreiber bekannt (DT-OS 15 37 636), der u. a. zwei mit ihren Quelle-Senke-Strecken in Reihe liegende MOS-Transistoren enthält, deren Torelektroden gesondert Signale zugeführt werden und die von ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt ein Ausgangssignal abzugeben ver mögen. Im übrigen ist der betreffende bekannte MOS-Transistortreiber so ausgebildet, daß er ein über verhältnismäßig lange Zeiträume hinweg konstant bleibendes Ausgangssignal abzugeben vermag. Zu diesem Zweck enthält der betreffende MOS-Transistortreiber zumindest einen Speicherkondensator. Aufgrund dieser Tatsache und aufgrund der besonderen Betriebsweise des bekannten MOS-Transistortreibers ergibt sich aber, daß diese Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker im eingangs genannten Sinne nichts zu tun hat.

Es ist ferner eine gleichspannungsgekoppelte Verstärkerschaltung mit einer Anzahl von hintereinander geschalteten Stufen bekannt (DT-OS 19 37 270). die jeweils einen in Quellenschaltung arbeitenden ersten Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode und einen als Reihenimpedanz geschalteten zweiten Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode enthalten. Ferner sind bei dieser bekannten Verstärkerschaltung eingangsseitig zwei Feldeffekttransistoren vorgesehen, die mit ihren Quelle-Senke-Strecken in Reihe liegen und die an ihren Steuerelektroden Steuersignale gesondert zugeführt erhalten. Dabei sind auch diese beiden Feldeffekttransistoren vom selben Leitfähigkeitstyp, womit auch bei dieser bekannten Verstärkerschaltung die Nachteile auftreten, die im Zusammenhang mit dem eingangs betrachteten bekannten Differenzverstärker aufgezeigt worden sind.

Es ist schließlich auch schon eine spannungsgesteuerte Stromquelle bekannt (»Electronics«, Mai 16, 1974, Seite 96), bei der zwei komplementäre Feldeffekttransistoren in der Rückkopplungsschleife eines Operationsverstärkers liegen. Der eine Differenzbildung zwischen den ihm eingangsseitig jeweils zugeführten Eingangssignalen vornehmende Operationsverstärker ist dabei jedoch durch einen üblichen Operationsverstärker gebildet. Über die Realisierung eines Differenzverstärkers aus MOS-Transistoren ist in diesem Zusammenhang nichts bekannt.

Im Zusammenhang mit dem Aufbau von Schaltungen aus Feldeffekttransistoren ist es schließlich generell bekannt (»Elektronics«, November 1964, Seiten 50 bis 59), Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp und vom Verarmungstyp zu verwenden. Über eine Realisierung eines Differenzverstärkers aus MOS-Transistoren

ist in diesem Zusammenhang jedoch nichts bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein Differenzverstärker der eingangs genannten Art auszubilden ist, um zur Erzielung einer bestimmten Ausgangsspannung ohne weiteres Steuerspannungen verarbeiten zu können, die sich in ihren Absolutwerten relativ stark voneinaneer unterscheiden.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe, ausgehend von einem Differenzverstärker der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch, daß von den genannten MOS-Transistoren der eine MOS-Transistor vom Verarmungstyp und der andere MOS-Transistor vom Atireicherungstyp ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich der Vorteil eines besonders geringen schaltungstechnischen Aufwands im Hinblick darauf, daß zur Erzielung einer bestimmten Ausgangsspannung ohne weiteres Steuerspannungen verarbeitet werden können, die sich in ihren Absolutwerten relativ stark voneinander unterscheiden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung enthält als wesentlichen Bestandteil zwei MOS-Transistoren 71 und 72, die mit ihren Quelle-Senke-Strecker, in Reihe liegend an einer Speisespannungsquelle angeschlossen sind. Der MOS-Transistor 71 ist mit seiner Senke an einem Schaltungspunkt - U1 angeschlossen, und die Quelle des MOS-Transistors 72 ist an einem Schaltungspunkt + L/2 angeschlossen. Der Schaltungspunkt — Ui mag beispielsweise eine Spannung von -5 V führen, und der Schaltungspunkt + LJ 2 mag eine Spannung von beispielsweise + 5 V führen. Der MOS-Transistor Ti sei im vorliegenden Fall ein MOS-Transistor vom Verarmungstyp mit p-Kanal; der MOS-Transistor T2 sei im vorliegenden Fall ein MOS-Transistor vom Anreicherungstyp mit p-Kanal.

Die Torelektrode des MOS-Transistors Tt ist an einem Eingangsanschluß e 1 angeschlossen, und die Torelektrode des MOS-Transistors T2 ist an einem Eingangsanschluß e2 angeschlossen. Der soweit beschriebene Schaltungsteil der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung stellt bereits einen Differenzverstärker dar. Er gestattet, den Eingangsanschlüssen e 1 und el zugeführte Steuerspannungen in der Weise zu verarbeiten, daß er an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Quelle-Senke-Strecken der beiden MOS-Transistoren Ti, T2 eine der Differenz der beiden, an den Eingangsanschlüssen e 1, e2 liegenden Steuerspannungen proportionale Ausgangsspannung abgibt. Der Torelektrode des MOS-Transistors Ti ist dabei eine Steuerspannung zuführbar, die sich zwischen einem positiven Wert und einem negativen Wert ändert, da nämlich die Irr Vo-Kennlinie (//;: Senkestrom, V«: Torelektrodenspannung) für eine gegebene konstante Senke-Quelle-Spannung sowohl im Bereich positiver als auch im Bereich negativer Torelektrodenspannung verläuft. Der Torelektrode des MOS-Transistors T2 ist im vorliegenden Fall ebenfalls eine positive oder <so negative Steuerspannung zuführbar.

Dem beschriebenen Differenzverstärker ist ausgangsseitig ein Verstärker nachgeschallct, dessen einzelne Stufen hier ebenfalls aus MOS-Transistoren aufgebaut sind. Eine Verstärkerstufe besteht grundsätzlieh aus einem MOS-Transistor als Steuerelement, wie dem MOS-Transistor 74, und einem ebenfalls durch einen MOS-Transistor gebildeten Lastelement, wie dem MOS-Transistor 75. Die beiden MOS-Transistoren 74 und 75 mögen hier durch MOS-Transistoren des Anreicherungstyps bzw. des Verarmungstyps mit einem p-Kanal gebildet sein. Der MOS-Transistor 74 ist mit seiner Torelektrode an dem Ausgangsanschluß χ des beschriebenen Differenzverstärkers angeschlossen. An dem Verbindungspunkt de^r Senke des MOS-Transistors 74 mit der Quelle und Torelektrode des MOS-Transistors 75 können gegebenenfalls noch weitere, entsprechend aufgebaute Verstärkerstufen angeschlossen sein, wie dies durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.

Im vorliegenden Fall sei mit der zuvor beschriebenen Verstärkerstufe eine weitere Verstärkerstufe verbunden, bestehend aus den MOS-Transistoren 76 und 77. An dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Senke des MOS-Transistors 76 und der Quelle und Torelektrode des MOS-Transistors 77 befindet sich der Ausgangsanschluß a der gesamten Schaltungsanordnung.

Der vorstehend beschriebene Verstärker spricht bei Auftreten einer ganz bestimmten Spannung an dem Ausgangsanschluß \ des Differenzverstärkers an und gibt seinerseits an dem Ausgangsanschluß a ein entsprechendes Ausgangssignal ab. Der betreffende Verstärker besitzt dabei ein ausgeprägtes Schaltverhalten; dieses Schaltverhalten kann durch Erhöhung der Anzahl der hintereinander geschalteten Verstarkerstufen noch verbessert werden.

An dem Ausgangsanschluß a der betrachteten Schaltungsanordnung tritt ein ganz bestimmtes (positives) Ausgangssignal dann auf, wenn die der Torelektrode des MOS-Transistors 74 zugeführte Eingangsspannung einen ganz bestimmten Wert — den sogenannten Schaltwen des Verstärkers — überschreitet. Die diesem Schaltpunkt entsprechende Spannung sei im vorliegenden Fall diejenige Spannung, die an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Quelle-Senke-Strecken der beiden MOS-Transistoren 71, 72 dann liegt, wenn die sich aus der Differenz der jeweiligen Tor-Quelle-Spannung abzüglich der jeweiligen Schwellspannung der beiden MOS-Transistoren 71 und 72 ergebenden Spannungen gleich groß sind. Anhand des an dem Ausgangsanschluß a auftretenden Übergangs von einem Spannungswert (negativer Wert) auf einem anderen Spannungswert (positiver Wert) kann somit festgestellt werden, wann die dem Differenzverstärker zugeführten Steuerspannungen — relativ betrachtet — gleich sind. Dies ist nämlich dann der Fall, wenn am Ausgangsanschluß ν gerade die Schaltspannung des nachfolgenden Verstärkers über- oder unterschritten wird.

Wenn nun die an den Eingangsanschlüssen el, e2 auftretenden Steuerspannungen absolut betrachtet derart unterschiedlich sind, daß bei einem bestimmten vorgegebenen Verhältnis dieser Spannungen an dem gemeinsamen Verbindungspunkt χ der Quelle-Senke-Strecken der MOS-Transistoren 71 und 72 nicht die Schaltspannung des nachfolgenden Verstärkers erreicht wird, bei der also der Verstärker umschaltet, ist es erforderlich, entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen. Die Verlegung des Schaltpunktes des Verstärkers kommt dabei in der Regel nicht in Betracht, da dieser Schaltpunkt bei dem gewählten Schaltungsaufbau des Verstärkers festliegt. Vielmehr sind Maßnahmen bei dem Differenzverstärker selbst zu treffen. Dabei kommt die Anlegung einer Vorspannung an die Torelektrode des einen MOS-Transistors der den Differenzverstärker bildenden MOS-Transistoren 71 und 72 häufig aber nicht in Frage, da nämlich die in diesem Fall erforderliche Vorspannungsbatterie eine zuweilen uner-

wünschte kapazitive Belastung des Torelektrodenkreises des betrellenden MOS-Transistors mit sich bringt. Überdies steht eine derartige zusätzliche Vorspannungsanordnung im Regelfall nicht ohne weiteres zur Verfügung.

Um dennoch eine Anpassung des Differenzverstärkers an die Schaltspannung des betrachteten Verstärkers zu erreichen, kann man im vorliegenden Fall zumindest eine von zwei Maßnahmen treffen. Die eine Maßnahme besteht darin, die Schwellspannung zumindest eines der den Differenzverstärker bildenden beiden MOS-Transistoren Ti und TI durch Ionenimplantation in Richtung auf die Schwellspannung des jeweils anderen MOS-Transistors des betreffenden Differenzverstärkers zu verschieben. Dies läßt sich durch relativ gut beherrschbare technologische Prozesse erreichen. Die andere Maßnahme besteht darin, zumindest einem der den Differenzverstärker bildenden MOS-Transistoren 7~1, T2 einen weiteren MOS-Transistor vom jeweils anderen Typus parallel zu schalten, und zwar derart, daß jeweils entsprechende Elektroden der betreffenden parallelgeschalteten MOS-Transistoren miteinander verbunden sind. In der Zeichnung ist dies bezüglich des MOS-Transistors Tl dargestellt. Diesem MOS-Transistor T2 kann der MOS-Transistor T3 in der angegebenen Weise parallel geschaltet sein. Der MOS-Transistor T3 ist im vorliegenden Fall ein MOS-Transistor des Verarmungstyps mit p-Kanal; wie erinnerlich, war angenommen worden, daß der MOS-Transistor T2 ein MOS-Transistor des Anreicherungstyps mit p-Kanal sein sollte.

Durch eine oder beide der zuletzt betrachteten Maßnahmen wird gewissermaßen eine Verschiebung der lir V,:;-Kennlinie der für den einen Eingang des Differenzverstärkers maßgebenden MOS-Transistoranordnung in einem solchen Ausmaß erreicht, daß auch um relativ geringe Werte voneinander unterschiedliche Steuerspannungen verarbeitet bz.w. miteinander verglichen werden können. So ist es beispielsweise mit Hilfe der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung möglich, eine an dem Eingangsanschluß c 1 anliegende Stcuerspannung, die sich im Bereich von -2 V bis +2 V ändert, mit einer an dem Eingangsanschluß c 2 anliegenden Steuerspannung zu vergleichen, die sich zwischen z. B. - 2 V und + 7 V ändert. Der Differenzverstärker gibt an seinem Ausgangsanschluß ν

ίο dabei eine der Schaltspannung des ihrn nachgeschalteten Verstärkers entsprechende Ausgangsspannung von z. B. 1 V sowohl in dem Fall ab, daß die Steuerspannung an dem Eingangsanschluß e 1 - 2 V und die Steuerspannung am Eingangsanschluß e 2 — 2 V beträgt, als auch in dem Fall, daß die Steuerspannung an dem Eingangsanschluß e 1 +2 V und die Steuerspannung am Eingangsanschluß e2 +2 V beträgt. Innerhalb der Änderungsbereiche de;· Steuerspannungen an den Eingangsanschlüssen el und e2 ist die Linearität des betreffenden Differenzverstärkers im Hinblick auf die Abgabe einer der Schahspannung des Verstärkers entsprechenden Ausgangsspannung bei Vorhandensein jeweils entsprechender Steuerspannungen ausgezeichnet. Es ist ohne weiteres möglich, mit Hilfe des betreffenden Differenz-Verstärkers den Eingangsanschlüssen e 1 und c 2 zugeführte Stcuerspannungen in Stufen von 0,1 mV zu vergleichen.

Abschließend sei noch bemerkt, daß der betrachtete Differenzverstärker — gegebenenfalls mit dem ihm nachgeschalteten Verstärker — in gleicher Weise verwendet werden kann wie bisher bekannte Differenzverstärker (siehe hierzu die Zeitschrift »Elektronik« 1970, Heft 5, Seiten 145 bis 148). Der Differenzverstärker besitzt im übrigen einen relativ hohen Eingangs

widerstand, der höher ist als 10" Ohm, und eine relativ kleine Eingangskapazität, die kleiner ist als '/2 pF.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit zwei MOS-Transistoren, die an ihren Torelektroden gesondert Steuerspannungen zugeführt erhalten und die mit ihren Quelle-Senke-Strecken in Reihe liegend an einer Speisespannungsquelle angeschlossen sind, wobei an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Quelle-Senke-Strecken der beiden MOS-Transistoren eine Ausgangsspannung abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den genannten MOS-Transistoren (Ti, TT) der eine MOS-Transistor (Ti) vom Verarmungstyp und der andere MOS-Transistor (TT) vom Anreicherungstyp ist.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,das MOS-Transistoren (Ti, TT) mit solchen Schwellspannungen verwendet sind, daß für die Erzielung einer bestimmten Ausgangsspannung bei jeweils einander entsprechenden Steuerspannungen an den Torelektroden beider MOS-Transistoren (Ti, TT) die sich aus der jeweiligen Tor-Quelle-Spannung abzüglich der jeweiligen Schwellspannung ergebenden Differenzspannungen gleich groß sind.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellspannungen der beiden MOS-Transistoren (Ti, Tl) durch Ionenimplantation so gelegt sind, daß für die Erzielung einer bestimmten Ausgangsspannung bei jeweils einander entsprechenden Steuerspannungen an den Torelektroden beider MOS-Transistoren (Ti, TT) die sich aus der jeweiligen Tor-Quelle-Spannung abzüglich der jeweiligen Schwellspannung ergebenden Differenzspannungen gleich groß sind.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem MOS-Transistor (T2) vom Anreicherungstyp ein MOS-Transistor (T3) vom Verarmungstyp jeweils mit entsprechenden Elektroden parallel geschaltet ist.

5. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dein gemeinsamen Verbindungspunkt fxjder Quelle-Senke-Strecken beider MOS-Transistoren (Ti, TT) der Eingang eines zumindest einstufigen Verstärkers ais MOS-Transistoren (ΤΛ, T5; 76, T7) angeschlossen ist, von dessen Ausgang (a) ein verstärktes Differenzverstärker-Ausgangssignal abnehmbar ist und der bei Auftreten einer bestimmten Ausgangsspannung an dem gemeinsamen Verbindungspunkt (x) der Quelle-Senke Strecken beider MOS-Transistoren (Ti, TT) infolge Vorhandenseins einander entsprechender Steuerspannungen von seinem einen Zustand in seinen anderen Zustand umschaltet.

b. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gemcins;, me Verbindungspunkt (x) der Quelle-Senke-Strekken der beiden MOS-Transistoren (Ti, TT) mit einer eine Offset-Spannung liefernden Steuereirrichtung verbunden ist.