DE2514958C2

DE2514958C2 - Parallelanordnung von Halbleitersystemen

Info

Publication number: DE2514958C2
Application number: DE2514958A
Authority: DE
Inventors: Walter Henricus Maria Magdala Nijmegen Smulders
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-05
Publication date: 1982-06-03
Also published as: AU8013375A; IT1032670B; US3952258A; GB1467612A; DE2514958A1; JPS5821442B2; ATA285175A; DK161475A; FR2268330B1; JPS50140042A; FR2268330A1; AT347502B; CA1039368A; NL7405237A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschai tung, die, wenigstens was die Gleichstromeinstellung anbelangt, aus einer Anzahl paralleler Zweige besteht die je mindestens einen Steuer- und einen Endtransistor enthalten, wobei jeweils ein Ausgang des Steuertransistors elektrisch mit dem Eingang des betreffenden Endtransistors gekoppelt ist.

Unter »Steuertransistor« ist derjenige Transistor oder diejenige Transistorkonfiguration zu verstehen, der oder die das Steuersignal empfängt, während unter »Endtransistor« derjenige Transistor oder diejenige Transistorkonfiguration zu verstehen ist, der oder die das verstärkte Signal an die Belastung liefert.

Es ist eine bekannte Erscheinung, daß bei zunehmender Temperatur infolge zunehmender Verlustleistung der differentielle Basis-Emitter-Eingangswiderstand eines Transistors negativ werden kann, d. h., daß bei zunehmendem Basisstrom die Basis-Emitter-Spannung dann abnimmt. Werden eine Anzahl von Transistoren in bezug auf ihre Gleichstromeinstellung parallel geschaltet — was bedeutet, daß einerseits ihre Basis-F.mitter-Eingangskreise und andererseits ihre Kollektor-Emitter-Ausgangskreise in parallelen Zweigen angeordnet werden —, so wird, wenn die Temperatur, bei der der differerentielle Eingangswiderstand negativ wird, erreicht ist, die Parallelschaltung unstabil, und der Strom verteilt sich nicht mehr gleichmäßig über die Parallelzweige und fließt im ungünstigsten Falle durch nur einen Zweig. Dies bedeutet, daß es nicht ohne weitere* möglich ist, eine Anzahl von Transistoren parallel zu schalten, damit eine größere Gesamtverlustleistung zugelassen werden kann. Auch bei Leistungstransistoren, bei denen die innere Struktur einer Anzahl parallel geschalteter Transistoren entspricht, ergibt sich diese Erscheinung (forward secound breakdown, die auch als »thermal breakdown« bezeichnet wird); ähnliches trifft in Leistungsendstufen integrierter Schaltungen mit parallel geschalteten Transistoren oder Transistorkonfigurationen zu.

Eine bekannte Lösung für das genannte Problem besteht darin, daß Widerstände in jeden der Emitterkreise der parallel geschalteten Transistoren aufgenommen werden. Dadurch wird der differentielle Eingangswiderstand erst bei einer höheren Verlustleistung negativ.

Das genannte Verfahren weist u. a. den Nachteil auf, daß die zulässige Verlustleistung nur vergrößert wird und daß die angewendeten Widerstände Spannungs-und ^2U Leistungsverluste herbeiführen und außerdem in integrierten Schaltungen weniger erwünscht sind.

Aus der DE-PS 11 56 111 ist es bereits bekannt, einen einzelnen Endtransistor derart mit einem einzelnen Steuertransistor zu koppeln, daß die thermische -^ Kopplung im gegenkoppelnden Sinn wirkt, so daß der Endtransistor thermisch stabilisiert wird. Dieses Verfahren ist für die Parallelschaltung mehrerer Endiransistoren ungeeignet, da diese Parallelschaltung normalerweise nicht stabil ist.

α Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art, bei der die Endtransistoren parallelgeschaltet sind, zu schaffen, bei der die gesamte Parallelschaltung stabil ist.

Diese Aufgabe wird erfndungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in de Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben, f.s zeigl
⁴'^] Fig. I /v.ei parallelgesclialtete Transistoren,

F i g. 2 zwei nach der Erfindung parallel geschähet,-Kaskodenpaarc,

F i g. 3 zwei nach der Erfindung parallel geschaltete Darlingloiipaare.

Fig. 4 sechs nach der Erfindung parallel geschaltete Darlingtonpaare, und

Fig. 5 schematisch die Schaltung nach F i g. -r in integrierter Form.

Fig. i zeigt zwei Transistoren T und T nn.

gemeinsamen Kollektor-, Basis- und Emiuerkrcise\ Zwischen dem gemeinsamen Kollektor und dengemeinsamen Emitter ist unter Betriebsbedingungen die augenblickliche Spannung V'_t[ vorhanden, während eic:

gemeinsame Basiskreis eine Stromquelle enthält De" Strom /dieser Stromquelle verteilt sich bei identischer.

Transistoren 71 und T- gleichmäßig über die beider, Basis-Elektroden, wodurch beide Transistoren den gleichen Kollektorstrom /_t führen.

Der Verlustleistung für jeden Transistor ist dabei gleich lcVci- Nimmt der Gesamtstrom / zu, so werden die Kollektorströme und die Verlustleistung in den beiden Transistoren anfänglich ebenfalls gleichmäßig zunehmen. Bei zunehmenden Kollektorstrom und konstanter Temeratiir nimmt die Basis-Emitter-Span-

^h""> nung /.u, während bei einem konstanten Kollektorstrom und einer zunehmenden Temperatur die Basis-Emitter-Spannung abnimmt. In der Praxis nimmt jedoch bei zunehmendem Kollektorstrom die Verlustleistung und

somit die Temperatur zu, was zur Folge haben kann, daß die Abnahme der Basis-Emitter-Spannung infolge der Temperaturzunahme gegenüber der Zunahme infolge des zunehmenden Kollektorslroms vorherrschend wird, wodurch der differentielle Eingangswidtrstand negativ wird. Sowohl theoretisch als auch in der Praxis stellt sich heraus, daß der negative differentieiie Eingangswiderstand auftreten wird, wenn die Temperaturzunahme infolge der Verlustleistung ± 16° C beträgt.

Wenn angenommen wird, daß in der obengenannten Situation der Transistor 71 infolge einer geringen Abweichung in den Transistoreigenschaften oder in der Temperatur etwas mehr Strom als der Transistor T₂ führen wird, nimmt die Verlustleistung im Transistor Ti zu und im Trans-stor T₂ ab. Infolge der Temperaturzunahme im Transistor 71 und der Temperaturteilung im Transistor T₂ nimmt der Transistor 71 einen größeren Teil des Stromes /als der Transistor T₂ auf. Demzufolge nimmt der Kollektorstrom des Transistors Ti weiter zu und der Kollektorstrom des Transistors T₂ weiter ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Verlustleistung im Transistor Ti und zu einer niedrigeren Verlustleistung im Transistor T₂. Auf diese Weise ist in bezug auf die Zunahme des Kollektorstroms des Transistors Tj. eine positiv rückgekoppeltes System erhalten, und der Strom /wird schließlich nahezu völlig durch den Basiskreis des Transistors Ti fließen, während der Transistor Tj stromlos wird.

Das vorgenannte Verhalten hat zur Folge, daß. wenn Transistoren parallel geschaltet werden, nicht ohne weiteres eine entsprechende Vervielfachung der Höchstverlustleistung in bezug auf die eines einfachen Transistors gewährleistet ist.

Eine bekannte Lösung besteht dann darin, daß in den Emitterleitungen der Transistoren Widerstände angeordnet werden. Dadurch wird der Punkt, an dem der differentielle Eingangswiderstand negativ wird, bei einer größeren Temperaturzunahme als in der Situation nach Fig. 1 erreicht. Diese Lösung weist eine Anzahl bereits genannter Nachteile auf.

Die Lösung nach der Erfindung, der diese Nachteile nicht anhaften, besteht darin, daß nicht einzelne Transistoren, sondern Kombinationen mindestens eines Steuer- und eines Endtransistors parallel geschaltet werden, wobei die verschiedenen Transistoren auf erfindungsgemäße Weise thermisch mit den verschiedenen Endtransistoren gekoppelt sind. Die genannte Weise kann am besten an Hand einiger Beispiele erläutert werden.

Ein erstes Beispie! ist der Ersatz von Transistoren durch in Kaskode geschaltete Transistorpaare, was in F i g. 2 für zwei parallele Kaskodenpaare dargestellt ist, die aus den Transistoren Tj. Ts und T₄, T₆ bestehen. Die Figur zeigt die Gleichstromsituation. Die Wechselstromsituation kann davon abweichen. So kann z. B. die Eingangssignalspannung gleichphasig oder im Gegentakt den Basis-Elektroden der Transistoren Ts und T₆ zugeführt werden. Ähnliches gilt für die Entnahme der Ausgangssignalspannung, die z. B. im Ge_gentakt den in den einzelnen Kollektorkreisen der Transistoren Ti und ι T₄ angeordneten Widerständen entnommen werden kann.

Die Kollektoren der Transistoren T, und Ώ sind miteinander verbunden, ebenso die Basis-Elektroden. Der Emitter des Transistors T₃ ist mit dem Kollektor des '■ Transistors Ts verbunden, während der Emitter des Transistors T₄ mit dem Kollektor des Transistors T_k verbunden ist. Die Basis-Elektroden der Transistoren T, und T_b sind mit z. B. einer Steuereingangsklemme 1 verbunden. Was die Einstellung der Transistoren anbelangt, liegt der gemeinsame Kollektor der Transistoren Ti und T₄ an einem Potential V2 und die gemeinsame Basis an eine^n Potential Vt. Der gemeinsame Emitter der Transistoren 7s und Tb liegt an einem Potential V₀.

Die Verlustleistung der Steuertransistoren T5 und Tb

ist der Spannung Vi — V₀ proportional, während die Verlustleistung der Transistoren T_z und T₄ der Spannung V2 — Vt proportional ist. Die Einstellung ist derartig, daß

V₂ - V₁ > V, - V₀

ist, so daß die Steuertransistoren Ts und T₆ im Vergleich zu den Endtransistoren Tz und T₄ nur eine geringe Verlustleistung aufweisen. Die räumliche Konfiguration ist derartig, daß die thermische Kopplung zwischen den Transistoren Ti und Tb und zwischen den Transistoren T₄ und T₅ viel stärker als die anderen thermischen Kopplungen ist, z. B. dadurch, daß bei diskreten Schaltungen die Transistoren Tj und Ti, ebenso wie die Transistoren T₄ und T% in einer Umhüllung untergebracht werden.

:5 Die stärksten thermischen Kopplungen sind in der Figur mit den gestrichelten Blöcken angegeben.

Wenn angenommen wird, daß der Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren Ti und 7"s zunimmt, wird der Strom durch die Kollektor-Emitter-

3fi Strecken der Transistoren T₄ und Tb abnehmen. Die Verlustleistung und somit die Temperatur des Transistors Ti nimmt zu und die Verlustleistung und somit die Temperatur des Transistors T₄ nimmt ab. Infolge der thermischen Kopplungen steigt die Temperatur des

3Ί Transistors TJ, an und nimmt die Temperatur des Steuertransistors T₄ ab. Dadurch, daß die Basis-Emitter-Übergänge der beiden Steuertransistoren zueinander parallel geschaltet sind, können die Basis-Emitter-Spannungen sich nicht frei mit der Temperatur ändern.

⁴⁽¹ Daher werden die Temperaturzunahme des Transistorb Tt, und die Temperaturabnahme des Transistors T₄ durch eine Stromabnahme bzw. Stromzunahme ausgeglichen. Diese Stromänderungen sind gerade den Stromänderungen entgegengesetzt, die durch die Temperaturände-

■'"' rung herbeigeführt worden waren, wodurch infolge der thermischen Kopplung die Stromänderungen in den beiden Parallelzweigen gegengekoppelt statt, wie bei der Schaltung nach Fig. 1, mitgekoppelt sind.

Eine andere bekannte Kombination eines Steuer- und

j" eines Endtransistors, die die Funktion eines einfachen Transistors übernehmen kann, ist die sogenannte Darlingtonschaltung.

F i g. 3 zeigt zwei parallel geschaltete Zweige, die aus je einer Darlingtonschaltung bestehen, wobei, wie bei der Schaltung nach Fig.2, zu bemerken ist, daß die Wechselstromsituation abweichend sein kann. Die Transistoren Ti und T9 bilden eine Darlingtonschaltung, ebenso die Transistoren T₈ und Ti₀. In dieser Schaltung sind die Kollektoren der Transistoren T?, Tg, Tg und Tio

" alle miteinander verbunden. Der Emitter des Transistors Tj ist mit der Basis des Transistors T9 und auf gleiche Weise ist der Emitter des Transistors Tg mit der Basis des Transistors T<o verbunden. Die Emitter der Transistoren Ts und Τίο sind mit einer Stromquelle /

·"> verbunden, während die Basis-Elektroden der Transistoren T7 und Te mit einer Eingangsklemme 2 verbunden sind. Nach der Erfindung werden die Transistoren räumlich derart angeordnet, daß der Steuertransistor T₇

thermisch stark mit dem Endtransistor 7"i₀ gekoppelt und der Steuertransistor 7s thermisch stark mit dem Endtransistor T? gekoppelt ist. Die Steuertransistoren Ti und Tg weisen automatisch eine viel niedrigere Verlustleistung als die Endtransistoren Tq und Ti₀ auf, weil die Transistoren nur die Basisströme für die Endtransistoren liefern.

Es sei angenommen, daß der Kollektorstrom des Endtransistors 7g zunimmt. Dadurch nimmt der Kollektorstrom des Endtransistors Tw ab. Demzufolge nimmt die Verlustleistung im Endtransistor 79 zu und im Endtransistor Tw ab. Infolge der thermischen Kopplungen nimmt die Temperatur des Steuertransistors 7"₈ zu und nimmt die Temperatur des Steuertransistors T? ab. Die Basis-Emitter-Spannung des Steuertransistors Tu würde also abnehmen und die Basis-Emiuer-Spannung des Steuertransistors Τη würde zunehmen, wenn nicht die Reihenschaltung der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Tj und 7g zu der Reihenschaltung der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Ts und Tw parallel geschaltet wäre. Diese Parallelschaltung hat zur Folge, daß die Temperaturänderung von einer Stromänderung ausgeglichen wird, und zwar derart, daß der Kollektorstrom des Transistors T₇ abnimmt und der des Transistors Ts zunimmt. Es ist also eine Gegenkopplung wirksam, die die Zunahme des Kollektorstroms des Transistors Tg mindestens beschränkt. Diese Gegenkopplung ist ebenfalls in bezug auf die Zunahme des Kollektorstroms des Transistors Tw wirksam. Für beide Parallelzweige wird also eine stabile Stromverteilung aufrechterhalten.

Auf die in F i g. 2 und 3 dargestellte Weise kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Zweigen parallel geschallet werden.

Fig.4 zeigt schematisch die Parallelschaltung von sechs Zweigen mit je einem Steuer- und einem Endtransistor. Die Steuertransistoren sind mit S|—Sb und die Endtransistoren mit Pi — P₆ bezeichnet. I η jedem Zweig sind der Steuer- und der Endtransistor als ein Darlingtonpaar geschaltet, z. B. die Kombination des Steuertransistors Si und des Endtransistors P_t. Die Kollektoren sämtlicher Transistoren sind mit der gemeinsamen Kollektorklemme C verbunden. Die Basis-Elektroden der Steuertransistoren sind mit der gemeinsamen Basisklemme B und die Emitter der Endtransistoren sind mit der gemeinsamen Emitterklemme E verbunden. Die Basis-Elektroden der Endtransistoren (Bi-Bf,') sind mit je dem Emitter des zugehörigen Endtransistors (Ei — Et,') verbunden, während die Transistoren räumlich derart angeordnet sind, daß eine starke thermische Kopplung zwischen jedem Steucrtransistor und einem anderen als dem zugehörigen Endtransistor besteht (Si mit P₆, S₂ mit Pi usw.), wie mit den gestrichelten Blöcken angegeben ist Die Schaltung, von den Klemmen C, B und E her gesehen, bildet eine Darlingtonschaltung mit einer höchstzulässigen Verlustleistung, die sechsmal größer als die höchstzulässige Verlustleistung einer einzigen Darlingtonschaltung mit denselben Transistoren ist Die Schaltung nach Fig.4 eignet sich auch dazu, als integrierte Schaltung ausgeführt zu werden.

Fig.5 zeigt schematisch den Aufbau der Schaltung nach Fig.4 als integrierte Schaltung. In dieser Figur sind die verschiedenen Emitter- und Basiszonen mit denen nach Fig. 4 entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Zeichnung zeigt zwei Teile der Schaltung, die zueinander spiegelsymmetrisch sind und längs der Diagonale AA' voneinander getrennt sind. Der linke 1 obere Teil zeigt die Schaltung ohne die verschiedenen Kontaktierungsflächen und -bahnen, die im rechten unteren Teil schraffiert dargestellt sind. Das Halbleiterbauelement besteht aus η-leitendem Material, das den gemeinsamen Kollektor C bildet. In diesem Kollektormaterial sind durch Diffusion von p-Typ Material zwei Basiszonen 3 und 4 angebracht. Diese Basiszonen sind durch das Gebiet 5 voneinander getrennt, das einen Teil des Kollektors C bildet. Die Basiszone 4 innerhalb des Gebietes 5 bildet die gemeinsame Basis B der Steuertransistoren Si-S^. In diesen Basiszonen sind durch Diffusion von η Typ Materia! sechs Emitterzonen angebracht, die die Emitter Ei'—Ef₁' der Steuertransistoren bilden. Die Emitterzonen sind mit Kontaktierungsbahnen versehen, während die Basiszone 4 dort, wo es möglich ist, mit einer Kontaktierungsfläche bedeckt ist, um den Widerstand zu dem aktiven Teil der Basiszone B herabzusetzen. Auf diese Weise sind im inneren Basisgebiet 4 die Steuertransistoren Si — & erhalten. In der äußeren Basiszone 3 ist durch Diffusion von n-Typ Material die Emitterzone Fangebracht. Die Emitterzone besteht aus zwei kammartigen Gebieten, um eine große Basis-Emitter-Grenzfläche zu erhalten. Gewöhnlich werden die beiden Emittergebiete auf der Außenseite miteinander verbunden. Außerdem sind die Emitterzonen E völlig mit einer Kontaktierungsfläche bedeckt. Die kammartige in die Emitterzone E eingreifende Basiszone ist mit sechs getrennten kammartigen Kontaktierungsflächen bedeckt Dadurch, daß der Widerstand aus dem p-!eitenden Material derart hoch ist, daß Unterbrechung der Kontaktierungsfläche eine genügende elektrische Trennung bildet, werden auf diese Weise die Basis-Elektroden Bi- Bb gebildet. Im Gebiet 4 sind auf diese Weise die Endtransistoren Pi-Pe erhalten. Die Transistoren Pi — Pt, sind derart angeordnet, daß sie derart neben den Steuertransistoren Si-S₆ liegen, daß sie zyklisch gegeneinander verschoben sind. Mit anderen Worten: der Endtransistor Pt liegt räumlich neben dem Steuertransistor Si, usw. Auf diese Weise ist die thermische Kopplung zwischen dem Steuertransistor Si und dem Endtransistor P₆ stärker als die thermischen Kopplungen des Steuertransistors Si mit den anderen Endtransistoren. Auf gleiche Weise sind die Steuertransistoren S₂-Sf, thermisch mit den Endtransistoren Pi-P₅ gekoppelt Die elektrische Kopplung zwischen den Steuer- und den Endtransistoren erfolgt mit Hilfe von Kontaktieningsbahnen, die die Emitter E\ — Ef,' mit den zugehörigen Basis-Elektroden Bi—Bf,' verbinden, wie aus dem schraffierten Teil hervorgeht

Auf oben beschriebene Weise ist eine integrierte Schaltung nach der Erfindung erhalten.

Es versteht sich, daß sich die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt Mehrere Halbleiterkonfigurationen können nach der Erfindung parallel geschaltet werden, vorausgesetzt, daß die die Bedingung erfüllen, daß die Ströme im Steuer- und im Endtransistor gleichphasig sind, <L Il, daß eine Zunahme des Ausgangsstroms des Steuertransistors eine Zunahme des Kollektorstroms im Endtransistor herbeiführt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung, die, wenigstens was die Gleichstromeinstellung anbelangt aus einer Anzahl paralleler Zweige besteht, die je mindestens einen Steuer- und einen Endtransistor enthalten, wobei jeweils ein Ausgang des Steuertransistors elektrisch mit dem Eingang des Endtransistors gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren räumlich derart angeordnet sind, daß jeder Endtransistor thermisch am stärksten mit einem anderen Steuertransistor als dem Steuertransistor gekoppelt ist, mit dem er elektrisch gekoppelt ist, während er thermisch am schwächsten vorzugsweise mit demjenigen Steuertransistor gekoppelt ist, mit dem er elektrisch gekoppelt ist

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuertransistor (Tf, bzw. 7g) und dem zugehörigen Endtransistor (T* bzw. Ti) eine elektrische Kopplung hergestellt ist, bei der diese Transistoren eine Kaskodenschaltung bilden (F ig. 2).

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuertransistor und dem zugehörigen Endtransistor eine elektrische Kopplung hergestellt ist, bei der diese Transistoren eine Darlingtonschaltung bilden.

4. Verstärkerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgeführt ist.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endtransistoren räumlich zyklus gegen die elektrisch zugehörigen Steuertransistoren verschoben sind.