DE2515309A1 - Transistorschaltung - Google Patents

Description

F'ATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8OCO München 22 D-48OO Bielefeld Triftstraße 4 Siekerwall 7

Case W-79 8. April 1975

BULOVA WATCH COMPANY, INC. New York / USA

Transistorschaltung

Die Erfindung betrifft Transistorschaltungen, und insbesondere eine Schaltung mit einem Verstärkerblock, der von MOS-Transistoren gebildet wird, die in einem schwachen Inversionsbereich unter dem üblichen Schwellenwert arbeiten.

Der MOS-Transistor hat seinen Namen wegen der bei seinem Aufbau verwendeten Materialien, wobei Metall für die elektrischen Kontakte, Siliciumdioxid als elektrischer Isolator und ein Halbleiter verwendet wird, der entweder aus N- oder P-Silicium besteht, wobei ersteres einen Überschui3 an freien Elektronen und letzteres einen Überschuß an Löchern in seiner Elektronenschale hat.

Ein P-Kanal-MOS-Peldeffekttransistor wird durch zwei dicht nebeneinanderliegende, mit Entartungskonzentration dotierte P+ Bereiche gebildet, die in ein leicht dotiertes Siliciumsubstrat vom N-Typ eindiffundiert sind, wobei der eine Bereich die Abfluß- oder Drainelektrode und der andere Bereich die Quellenoder Sourceelektrode bildet. Eine dünne Schicht aus

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Siliciumdioxidisolierung wird direkt über dem Bereich ausgebildet, der die beiden Diffusionsbereiche trennt. Metallkontakte, die gewöhnlich aus Aluminium bestehen, greifen an der Abfluß- und Quellen-Elektrode an, während die Steuer- oder Gateelektrode direkt über dem Bereich zwischen der Abfluß- und der Quellenelektrode liegt. Der Aufbau eines N-Kanal-MOS-Transistors ist ähnlich mit der Ausnahme, daß N+ Bereiche in ein Siliciumsubstrat vom P-Typ eindiffundiert werden. MOS-Transistoren vom P- und N-Typ haben daher Abfluß-, Quellen-, Steuer- und Substratanschlüsse.

Wegen der inherenten Symmetrie des MOS-Aufbaus gibt es keine körperlichen Unterscheidungsmerkmale zwischen dem Abfluß- und dem Quellenbereich, wobei die Vorspannungsbedingungen festlegen, welcher Bereich der Quellenbereich und welcher der Abflußbereich sein soll. Bei einem P-Kanal-MOS-Transistor wirkt der P+ Bereich mit dem am meisten positiven Potential als Quelle, während die Quelle eines N—Kanaltransistors der N+ Bereich mit dem am meisten negativen Potential .ist. Bei den meisten Schaitungsanwendungen werden das Substrat und der Quellenbereich auf demselben Potential gehalten und sind daher zusammengeschaltet.

Gewöhnlich sind P-Kanal-MOS-Transistoren Einrichtungen vom Anreicherungstyp. Dies bedeutet, daß kein Strom zwischen der Abfluß- und der Quellenelektrode fließt, wenn eine negative Spannung an der Abflußelektrode relativ zu der Quellenelektrode ansteht, und die zwischen Steuer- und Quellenelektrode angelegte Spannung ist auf null eingestellt. Daher ist kein Leitungskanal an der Siliciumoberfläche in dem Bereich zwischen den beiden P+ Diffusionsbereichen bei einer Spannung gleich null an der Steuerelektrode. Wenn eine negative Spannung zwischen Abfluß- und Quellenelektrode angelegt wird, fließt kein Querstrom durch die Einrichtung, weil der Übergangsbereich zur Abflußelektrode in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn jedoch eine große negative Spannung an die Steuerelektrode bezüglich der Quellenelektrode angelegt wird, wird eine oberflächliche Inversionsschicht

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vorn P-Typ unmittelbar unterhalb der Steuerelektrode erzeugt, so daß ein Leitungskanal zwischen dem Abfluß- und dem Quellenbereich gebildet wird, so daß ein örtlicher Strom zwischen den beiden Diffusionsbereichen fließt. Es ist daher ersichtlich, daß ein P-Kanal-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp normalerweise abgeschaltet ist, wenn die Steuerspannung gleich null ist, und daß solch ein Transistor eingeschaltet wird, wenn eine negative Spannung an die Steuerelektrode angelegt wird.

Die Spannung zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode, die zur Erzielung der Oberflächeninversion und daher der Leitung zwischen dem Abfluß- und dem Quellenbereich erforderlich ist, wird als Schwellenspannung des Transistors bezeichnet. Bei dem normalerweise abgeschalteten MOS-Transistor vom Anreicherungstyp hat die Schwellenspannung einen negativen Wert bei P-Kanalanordnungen und einen positiven Wert bei N-Kanalanordnungen. Andererseits sind N-Kanal-MOS-Transistoren, die auf schwach dotierten Siliciumsubstraten vom P-Typ hergestellt sind, normalerweise eingeschaltet, wenn die Steuerspannung an der Steuerelektrode gleich null ist. Diese Einrichtungen werden als Einrichtungen vom Verarmungstyp bezeichnet, weil ihre Leitfähigkeit dadurch herabgesetzt werden kann, daß eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität zu der Polarität.der Spannung am Abflußbereich an die Steuerelektrode angelegt wird. Nur das Anlegen einer negativen Spannung zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode schaltet einen N-Kanal-MOS-Transistor vom Verarmungstyp aus. Daher ist die Schwellenspannung dieser Einrichtung negativ. N-Kanal-MOS-Transistoren sind oft vom Verarmungstyp, weil eine positive Schicht mit fester Ladung in dem Siliciumdioxid nahe bei der Siliciumoberflache existiert.

Wegen seiner isolierten Steuerelektrode (IGFET) wirkt ein MOS-Transistor als spannungsgesteuerte Einrichtung und nicht als Stromverstärker wie ein herkömmlicher, bipolarer Junctiontransistor, weil letzterer einen kleinen Basis-Emitter-Strom zur Steuerung eines viel größeren Kollektor-Emitter-Stromes benötigt. We^en der extrem hohen Eingangeimpedanz an der

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Steuerelektrode eines MOS-Transistors wird der MOS-Transistor gelegentlich als Halbleiter-Bauelement betrachtet, das einer Triodenvakuumröhre analog ist.

Der Hauptunterschied zwischen dem MOS-Transistor und der Triodenröhre besteht darin, daß die Steuerelektrode des Transistors die Leitfähigkeit des Halbleiterbereiches zwischen zwei stromführenden Elektroden (Abfluß- und Quellenbereich) moduliert, während das Gitter der Triode ein Bremspotentialfeld aufbaut, das den Elektronenstrom behindert, der zwischen Kathode und Anode fließt. Die elektrischen Dreipol-Kennwerte eines MOS-Transistors sind ebenfalls sehr verschieden von den Kennwerten der Trioderiröhre, weil, wenn der Abflußbereich- oder Drainstrom gegen die Spannung zwischen Abfluß- und Quellenbereich bei verschiedenen Werten der Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode aufgetragen wird, zeigen die beobachteten Kurven gewöhnlich einen Sättigungsstrom bei solchen Werten der an der" Abflußelektrode anstehenden Spannung, die näherungsweise gleich der Spannung an der Steuerelektrode minus der Schwellenspannung ist.

Die Dreipol-Kennlinien- eines MOS-Transistors zerfallen in drei unterschiedliche Bereiche. Der erste Bereich kann als Bereich mit variablem Widerstand bezeichnet werden, da bei Werten der an die Abflußelektrode angelegten Spannung, die klein genug sind, so daß sie weit unter dem Wert der Steuerspannung minus der Schwellenspannung liegen, der Strom der Abflußelektrode bei einer konstanten Steuerspannung sich linear mit steigender Spannung an der Abflußelektrode erhöht. In diesem Berteich arbeitet der MOS-Transistor wie ein spannungsvariabler Widerstand, wobei die Spannung zwischen Abflußbereich und Quellenbereich stetig mit zunehmenden Werten des zwischen Steuer- und Quellenelektrode angelegten Potentials abnimmt.

Wenn die angelegte Spannung zwischen Abfluß- und Quellenbereich auf ein Niveau erhöht wird, das größer als die Steuerspannung

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minus der Schwellenspannung ist, erreicht der Abflußstrom die Sättigung und wird verhältnismäßig konstant und unabhängig von der Spannung an der Abflußelektrode. Der MOS-Transistor arbeitet dann im Bereich des Sättigungsstroms. Bei sehr großen Werten der an die Abflußelektrode angelegten Spannung tritt ein Lawinendur chbruch an der Abfluß- oder Draindiode auf, und der Abflußstrom beginnt dann sehr schnell, mit steigender Abflußspannung anzusteigen. Hier handelt es sich demnach um den Lawinendur chbruchsb er ei eh.

Wie in einem Artikel von Richard M. Swanson und James D. Meindl mit dem Titel "Ion-Implanted Complementary MOS Transistors in Low-Voltage Circuits" in IEEE Journal of Solid-state Circuits (Band SC-7, Nr. 2, April 1972) beschrieben wird, wurden in letzter Zeit Techniken entwickelt, um komplementäre MOS-Transistoren mit geringen Einschaltspannungen zu bauen, so daß diese Transistoren in Schaltungen verwendet werden können, bei denen die Versorgungsspannungen unter 1,35 Volt liegen.

Bei einer komplementären MOS-Transistorschaltung ist ein N-Kanaltransistor vom Anreicherungstyp in Reihenschaltung mit gemeinsamer Steuerelektrodeneinrichtung mit einem P-Kanaltransistor vom Anreicherungstyp geschaltet. Da der P-Kanaltransistor eine negative Schwellenspannung gegenüber der Quellenelektrode und der N-Kanaltransistor eine positive Schwellenspannung gegenüber der Quellenelektrode hat, schaltet ein Signal mit O Volt (logische O), das an den geraeinsamen Eingang angelegt wird, gleichzeitig den P-Kanaltransistor ein und den N-Kanal-. transistor aus, so daß die Ausgangsspannung dann positiv ist (logische 1). Wenn die Eingangsspannung an den Steuerelektroden positiv ist (logische 1), wird die Situation umgekehrt, und die Ausgangsspannung des N-Kanaltransistors liegt auf Erdpotential (logische 0). In jeder der beiden stabilen Zustände ist ein Transistor in dem durch eine hohe Impedanz gekennzeichneten, "Aus"-Zustand, so daß diese Reihenschaltung der zwei Transistoren nahezu keinen Ruhestrom zieht.

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Wegen der außerordentlich hohen Eingangsimpedanz an der Steuerelektrode bei solch einer MOS-Anordnung fließt in den stationären Zuständen auch kein Strom in dem Steuerelektrodenkreis. Ein MOS-Iriverter dieser Art verbraucht daher nahezu keinen Strom, wenn er sich im stationären Zustand befindet, wobei der Stromverbrauch nur dann erfolgt, wenn von einem Zustand in den anderen umgeschaltet wird.

Wie in dem oben genannten Artikel von Richard N. Swanson und James D. Meindl beschrieben wird, sollte eine komplementäre MOS-Logikschaltung bei einer möglichst niedrigen Speisespannung betrieben werden, um die größte Einsparung bei dem Stromverbrauch zu erzielen. Weil MOS-Transistoren nicht abrupt abschalten, sondern bei Steuerelektrodenspannungen unterhalb der Schwellenspannung schwach invertiert werden, versuchen die Verfasser des genannten Artikels, die minimale Speisespannung festzustellen, bei der die komplementären Schaltungen arbeiten. Es wird der Schluß gezogen, daß für ein schnelles Ansprechen die Oberflächen-Zustandsdichte (fast surface state density) der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Arbeitsweise von MOS-Transistoren im Bereich schwacher Inversion in der Nähe dee Einschaltvorganges ist, und daß OMOS-Transistorschaltungen (eine CMOS-Transistorschaltung ist eine Schaltung aus komplementären MOS-Transistoren, wobei ein N-Typ- und ein P-Typ-Kanal-MOS-Transistor kombiniert ist) bei Zimmertemperatur theoretisch mit Speisespannungen bis herunter zu 0,2 Volt arbeiten können, wenn die Oberflächen-Zustandsdichte nur gering

genug ist. Der Ioneneinbau von Bor ist ein praktisches Verfahren, um die Einsehaltspannung von MOS-Transistoren so einzustellen, daß sie mit niedrigen Speisespannungen betrieben werden können.

Es gibt jedoch gewisse Faktoren, die bei CMOS-Transistoren, die im Bereich schwacher Inversion arbeiten, ins Spiel kommen und die zu praktischen Problemen und schwerwiegenden Nachteilen führen. Wie in dem oben genannten Artikel beschrieben ist, führen die üblichen Herstellungsverfahren, bei denen herkömmliche

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Techniken mit reinem Oxid angewendet werden, zu einer Streuung der Einschaltspannungen in der Größenordnung von 0,2 Volt, so daß die Speisespannung in der Praxis niemals einen so geringen Wert wie 0,2 Volt haben kann. Ferner führen die herkömmlichen Herstellungsverfahren bei CMOS-Transistoren zu einem'sehr hohen. Ausschußprozentsatz, weil sich häufig eine Fehlabstimmung der Kennwerte des komplementären Transistorpaars ergibt.

Wie durch die Gleichungen in dem genannten Artikel belegt wird, hängt die Verstärkung der CMOS-Transistorschaltung, die in dem schwachen Inversionsbereich arbeitet, exponentiell von der Speisespannung ab. Folglich erzeugt ein kleiner Abfall in der Speisespannung eine erhebliche Verminderung der Verstärkung. Da die CHOS-Schaltungen oft durch Batterien betrieben werden, treten kleine Änderungen in der Speisespannung oft auf.

Frühere Versuche, MOS-Transistorstufen im wesentlichen unabhängig von der Batteriespannung zu machen, leiden unter zwei Nachteilen, weil die erforderlichen Schaltungen nicht nur sehr kompliziert waren, sondern auch einen hohen Strombedarf hatten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Transistorschaltung mit einem Verstärkerblock anzugeben, der einfach aufgebaut ist und geringe Kosten verursacht, wobei ein verhältnismäßig geringer Stromverbrauch und eine Verstärkung erzielt wird, die im wesentlichen unabhängig von der Speisespannung ist.

Die erfindungsgemäße Transistorschaltung, die einen Verstärkerblock, bestehend aus einem Paar ähnlicher MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp aufweist, die in ihrem schwachen Inversionsbereich arbeiten und jeweils eine Quellen-, eine Abfluß-, eine Substrat- und eine Steuerelektrode aufweisen, wobei die Substratelektrode mit der Quellenelektrode verbunden ist und einer der Transistoren als aktives Verstärkerelement und der andere als variables Widerstandslastelement wirkt, ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die Abflußelektrode de3 aktiven

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Elementes mit der Quellenelektrode des Lastelementes verbindet, so daß die Elemente bezüglich der Speisespannung, die zwischen der Abflußelektrode des Lastelementes und der Quellenelektrode des aktiven Elementes angelegt ist, in Reihe geschaltet sind, eine an die Steuerelektrode des aktiven Elementes angeschlossene Steuerspannungsquelle, die zu einer an der Abflußelektrode dieses Elementes abgreifbaren Ausgangsspannung führt, und durch eine Einrichtung, um die Steuerelektrode des Lastelementes mit der Abflußelektrode des aktiven Elementes zu koppeln, wobei die Transistoren vom Anreicherungstyp in ihrem schwachen Inversionsbereich betrieben werden, so daß eine Änderung in der Speisespannung zu einer Änderung in dem Lastwiderstand der Stufe in einem solchen Maße führt, daß die resultierende Änderung des Gegenwirkleitwertes des aktiven Elementes kompensiert wird, wodurch die Verstärkung des Blockes trotz der Änderung in der Speisespannung beibehalten wird.

Wie insbesondere im folgenden beschrieben wird, besteht der Verstärkerblock der erfindungsgemäßen Schaltung aus zwei in Reihe geschalteten, ähnlichen (N- oder P-Typ) MOS-Transistoren, die im schwachen Inversionsbereich arbeiten, wobei einer als aktives Element und der andere als Lastelement wirkt. Die Eingangsspannung zu dem Verstärkungsblock wird an die Steuerelektrode des aktiven Elementes angelegt, um eine Ausgangsspannung an der Abflußelektrode des aktiven Elementes zu erzeugen, wobei die Abflußelektrode des aktiven Elementes mit der Steuerelektrode des Lastelementes verbunden ist. Die Speisespannung wird zwischen der Abflußelektrode des Lastelementes und der Quellenelektrode des aktiven Elementes angelegt, so daß der Lastwiderstand der Stufe sich ändert, um die Änderungen in dem Gegenwirkleitwert des aktiven Elementes als Resultat von Änderungen in der Batteriespannung zu kompensieren, so daß die Verstärkung der Stufe auf dem gleichen Wert gehalten wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines grundlegenden MOS-Verstärkerblockes gemäß der Erfindung;

Fig. 1 A eine symbolische Darstellung der Schaltung von Fig. 1;

Fig. 2 eine schematische Schaltung einer erfindungsgemäßen Spannungsquelle mit hoher Impedanz;

Fig. 3 eine Schaltung eines vorgespannten Verstärkerblockes mit der genannten Spannungsquelle hoher Impedanz;

Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines vorgespannten Verstärkerblockes;

Fig. 5 eine weitere Ausführung eines vorgespannten Verstärkerblockes;

Fig. 6 eine Kristall-Oszillatorschaltung mit dem Verstärkungsblock;

Fig. 7 einen Verstärkungsblock, der als Inverter für logische Schaltungen dient; und

Fig. 8 einen dreistufigen Verstärker mit einer Inverter-Ausgangsstufe.

G-rundf orm des Verstärkerblockes; In Fig. 1 ist die Schaltung eines einstufigen Verstärkers oder eines Verstärkerblockes gemäß der Erfindung gezeigt, wobei der Verstärkerblock in Fig. 1 A symbolisch durch einen Verstärker G dargestellt ist.

Der Block besteht aus zwei ähnlichen MOS-Transistoren 10 und 11, die jeweils im schwachen Inversionsbereich nahe der Abschaltspannung arbeiten, wie in dem genannten Artikel von Richard M. Swanson und James D. Meindl beschrieben ist. Die Transistoren 10 «nd 11 sind beide N-Kanaltransistoren vom Anreicherungstyp. Derselbe Transistorentyp ist auch in den anderen Figuren

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gezeigt. Es ist jedoch zu beachten, daß ein Verstärkerblock mit ähnlichen Eigenschaften erhalten wird, wenn zwei P-Kanal-Transistpren in entsprechender Anordnung verwendet werden.

Jeder MOS-Transistor hat eine Quellenelektrode S (Source), eine Abflußelektrode D (Drain), eine Steuerelektrode Gr (Gate) und eine Substratelektrode Sub, die direkt mit der Quellenelektrode verbunden ist. Die Transistoren 10 und 11 sind in Bezug auf eine Spannungsquelle mit niedriger Spannung in Reihe geschaltet, deren positiver Anschluß B+ mit der Abflußelektrode des Transistors 11, und deren negativer Anschluß mit der Quellen-Substrat-Elektrode S-Sub des Transistors 10 verbunden ist. Die Steuerelektrode ff des Transistors 11 ist mit der Quellen-Substrat-Elektrode S-Sub, und die Abflußelektrode D des Transistors 10 ist mit der Quellen-Substrat-Elektrode S-Sub des Transistors verbunden.

In diesem Verstärkerblock wirkt der Transistor 10 als aktives Element, um die Eingangsspannung V. zu verstärken, die an der Steuerelektrode G- ansteht, wodurch eine Ausgangsspannung V an der Abflußelektrode D erzeugt wird. Der Transistor 11 wirkt als Lastelement für das verstärkende, aktive Element, so daß ein Lastwiderstand verwirklicht wird, der sich zum Zwecke der Kompensation, wie noch beschrieben wird, ändert.

Um die MOS-Transistoren im Bereich schwacher-Inversion zu betreiben, kann einer von zwei Lösungswegen beschritten werden. Man kann in Bezug auf den bekannten Wert der Schwellenspannung für den MOS-Transistor die Speisespannung so absenken, daß die Steuerelektrodenspannung kleiner als die Schwellenspannung ist, wodurch die Bedingung für den Betrieb im schwachen Inversionsbereich befriedigt wird. Alternativ kann man bei vorgegebener Speisespannung die Schwellenspannung dadurch einstellen, daß man den MOS-Transistor, beispielsweise durch Ioneneingabe, so herstellt, daß diese Bedingung erfüllt wird.

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Die Verstärkung der Verstärkerstufe wird durch ihren Gegenwirkleitwert und ihren Lastwiderstand erzeugt. Im Falle einer MOS-Transistorstufe, die im schwachen Inversionsbereich arbeitet, wie sie in dem oben genannten Artikel beschrieben ist, kann man zeigen, daß der Gegenwirkleitwert proportional zu dem Strom, ist. Polglich ist die Intensität des Stroms eine Punktion der Speisespannung, so daß ein Abfall in der Speisespannung eine Verminderung im Strom und eine Änderung des Gegenwirkleitwertes zur Folge hat, wodurch die Verstärkung der Stufe geändert wird. Da die Beziehung zwischen der Verstärkung und der Speisespannung exponentiell verläuft, ergibt ein verhältnismäßig kleiner Abfall in dieser Spannung einen großen Verlust im Verstärkungsgrad.

Erfindungsgemäß wird ein Kompensati ons effekt dadurch erzeugt-, daß der Widerstand der Stufe geändert wird, wodurch die Abhängigkeit der Stufenverstärkung von der Speisespannung in starkem Maße auf ein Minimum herabgesetzt oder vollständig überwunden wird.

Der mathematische Ausdruck für die Verstärkung des Verstärkerblocks kann unter· Berücksichtigung des darin fließenden Stromes abgeleitet werden. Zunächst wird verlangt, daß beide Transisto-. ren 10 und 11 im schwachen Inversionsbereich arbeiten, was zu folgender Gleichung führt:

I₁ = I₂ ^B1

wobei Γ=

k = Boltzmankonstante
T = Temperatur
q = Elektronenladung
B = Batteriespannung

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^ßi =M^Go Φι ^ß2 =/^UCo Φ₂ ^ = Beweglichkeit

C = Kapazität der Steuerelektrode pro Einheitsfläche Vm¹ = Schwellenspannung plus Λ/jf

V = Spannung zwischen Abflui3- und Substratelektrode m = Konstante η = Konstante

Durch Umstellung der Terme von Gleichung (1) ergibt sich folgende Gleichung:

Durch Differenzieren nach V. und V ergibt sich folgender Ausdruck für die Verstärkung G:

(3) *^(B - V

wenn e ' o^y 1, dann e

rv λ Ι&λ \^νΛ

und e ' 1 Ο. Q^/'&₂ mit G — rl_ _L

wenn V.. = V gilt.

Die durch Gleichung (3) gegebene Bedingung wird für einen großen Bereich von ß-Verhältnissen leicht erfüllt, so daß ersichtlich ist, daß die Verstärkung tatsächlich unabhängig von der Batteriespannung ist. Die absoluten Werte von ß₁ und ßp bestimmen das Niveau des Betriebsstromes des Verstärkungsblocks und die inherente Zeitkonstante des RC-Responses. Die anfängliche Annahme, daß die Stufe im Bereich schwacher Inversion arbeitet, schreibt vor, daß V. ^- V^¹ ist oder, wenn die Vorspannung vorgegeben ist, daß V_m ^f, die

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Transistorschwellenspannung, größer als V₁ - nk T/q sein muß.

Spannungsquelle hoher Impedanz: In Pig. 2 sind zwei MOS-Transistoren 10' und 11' gezeigt, die in Reihe geschaltet sind und im Bereich schwacher Inversion arbeiten. Die beiden Transistoren sind in einem Block zusammengefaßt, der identisch wie in Fig. 1 ausgebildet ist mit der Ausnahme, daß der Eingang zu der Steuerelektrode G des aktiven Transistors 10' direkt mit dessen Abflußelektrode D verbunden ist, so daß Eingang und Ausgang elektrisch miteinander verbunden sind.

Dies führt zu einem Zustand, wo die Ausgangsspannung durch geeignete Wahl der Größen der Transistoren auf nahezu jeden beliebigen Wert zwischen Erde und Speisespannung B+ eingestellt werden kann, so daß eine Spannungsquelle hoher Impedanz erzeugt wird.

V/ie durch die Gleichung in Fig. 2 gezeigt wird, ist die Ausgangsspannung V nur eine Funktion der grundlegenden Halbleiter— parameter und der geoemtrisch festgelegten Breiten-Längen-Verhältnisse (W10/L10 für den Transistor 10* und W11/L11 für den Transistor 11^f) entsprechend wie in der Inverteranalyse. Die Fähigkeit, diese Anwendung auszunutzen, gibt dem Schaltungselektroniker ein zusätzliches Schaltungselement, das bisher nicht zur Verfügung stand. Die funktionsmäßige Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung wird in dieser elektrischen Anordnung auf den einzigen Spannungswert reduziert, der die Stromcharakteristik der Stufe und die elektrische Bedingung V. = V befriedigt.

Vorgespannter Verstärkerblock (erste Ausführung): In Fig. 3 ein Verstärkerblock von dem Typ gezeigt, wie er in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde und der einen Transistor 10 als aktives Element und einen Transistor 11 als La3telement aufweist. In dem vorliegenden Beispiel besteht der Unterschied darin, daß die Steuerelektrode G des Transistors 11 nicht direkt mit der Quellenelektrode S des Transistors 11 verbunden,

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sondern damit durch eine Vorspannungsquelle hoher Impedanz gekoppelt ist, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist und die aus den Tranaistoren 1O^f und 11· besteht. Daher wird der Transistor 10 des Verstärkerblocks durch eine Spannungsquelle hoher Impedanz vorgespannt, so daß sich eine Spannung zwischen Steuer- und .Quellenelektrode für das Lastelement ergibt, der ungleich null ist. Wenn die Steuerelektrode direkt mit der Quellenelektrode des als Lastelement dienenden Transistors verbunden wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode null. Diese Vorspannung dient dazu, den Arbeitspunkt des Verstärkerblockes einzustellen.

Vorgespannte Verstärkerblöcke (zweite und dritte Ausführung):

Bei dem Verstärkerblock von Fig. 4, der wie in Fig. 1 ausgeführt ist, ist als aktives Element ein Transistor 10 und als Lastelement ein Transistor 11 vorgesehen, wobei eine Vorspannung, um den Arbeitspunkt des Verstärkers festzulegen, über einen Vorspannungsv/iderstand 12 zugeführt wird, der zwischen der Steuerelektrode G und der Abflußelektrode D des Transistors 10 angeschlossen ist«,

In Fig. 5 wird eine Vorspannung an den als aktives Element wirkenden Transistor 10 des Verstärkerblockes über eine geeignete Vorspannungsquelle 13 angelegt, die zwischen der Steuerelektrode und Erde angeschlossen ist.

Oszillator; Ein Oszillator besteht im wesentlichen aus einem Verstärker, dessen Ausgang über eine positive Rückkopplung an den Eingang zurückgeführt wird, um eine Schwingung zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Verstärkerblock kann in vorteilhafter V/eise verwendet werden, um eine Kristall-Oszillatorschaltung aufzubauen, die eine stabile Schwingungsquelle bildet, die al3 Frequenzstandard oder Zeitbasis, beispielsweise in einer elektronischen Uhr, verwendet werden kann und dabei mit einer sehr geringen Batteriespannung arbeitet.

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Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung weist die positive Rückkopplung für das aktive Element einen piezoelektrischen Kristall, der durch einen Vorspannungswiderstand 15 nebengeschlosseri ist, einen Eingangskondensator C. , der zwischen der Steuerelektrode G- und Erde angeschlossen ist, und einen Ausgangskondensator Οβττφ auf, der zwischen der Abflußelektrode D und Erde des aktiven Elementes angeschlossen ist, wodurch ein Kristalloszillator in Pierce-Sehaltung gebildet wird. Die an dem Ausgangsanschluß 17 erzeugte Spannung hat eine stabile Frequenz, die durch den Kristall bestimmt ist. In der Praxis können andere Elemente zur Frequenzfestlegung zusammen mit dem Verstärkerblock verwendet werden, um einen Frequenzgenerator zu bilden.

Inverter; Wie in Fig. 7 gezeigt ist, dient der grundlegende Verstärkerblock, der aus einem Transistor 10 als aktives Element und einem Transistor 11 als Lästelement zusammengesetzt ist, wobei die Transistoren in dem Bereich schwacher Inverstion arbeiten, als einfacher Inverter, um in Abhängigkeit von einem Signal entsprechend logisch 1 ein Ausgangssignal entsprechend logisch und für ein Eingangssignal entsprechend logisch O ein Ausgangssignal entsprechend logisch 1 zu erzeugen.

Die Eigenschaften dieser Stufe, die als Inverter dient, sind weitgehend dieselben wie die Eigenschaften.des Verstärkers oder des oben beschriebenen Oszillators. Zusätzlich besitzt.diese Schaltung jedoch einen Uraschaitpunkt, der steuerbar-durch die Größe der Transistoren bestimmt wird. Der Umschaltpunkt ist die Spannung, bei dem die Ausgangsspannung sich von einem Punkt, der nahe bei Erde liegt, zu einem Punkt ändert, der nahe bei der Batteriespannung liegt.

Da die zu einem Paar zusammengefaßten Transistoren in dem Inverter-Verstärkerblock vom selben Typ sind, das heißt da sie entweder beide Η-Typ oder beide P-Typ-Transistoren sind, und da die Transistoren in dem Bereich schwacher Inversion arbeiten, gibt es keine Abhängigkeit von der Schwellenspannung noch

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von der Batteriespannung, sondern nur von den geometrisch festgelegten Längen-Breiten-Verhältnissen. Der erfindungsgemäß aufgebaute Inverter ermöglicht daher eine Steuerbarkeit der Umschaltpunkte, die bei herkömmlichen Inverterausführungen nicht zur Verfügung standen. Dieser Vorteil wird von einer erheblichen Verbesserung in der Schaltungsausbeute begleitet.

Mehrstufiger Verstärker; Wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann man erfindungsgemäße Verstärkerblöcke in Kaskadenschaltung miteinander verbinden, um einen vielstufigen Verstärker zu schaffen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei Verstärkerstufen A, B und C und einer Inverterendstufe D besteht. Rückkopplung und Vorspannung werden durch Widerstände 18 und 19 geliefert, die zwischen dem Ausgang der Stufe C und dem Eingang der Stufe A angeschlossen sind.

Alle Stufen sind aus einem Paar in Reihe geschalteter N-Kanaltransistoren zusammengesetzt wie bei dem grundlegenden Verstärkerblock. Der mehrstufige Verstärker arbeitet nicht nur bei einer geringen Spannung, sondern verbraucht auch verhältnismäßig wenig Strom. Darüber hinaus ist er im wesentlichen unempfindlich gegen Änderungen in der Speisespannung.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann gegenüber den gezeigten Ausführungsbeispielen abgewandelt werden. Die erfindungsgemäßen Verstärkerblöcke sind auf dem Gebiet der elektronischen Uhren mit Halbleiterschaltungen besonders wertvoll, wo Miniatur-Batteriezellen mit niedriger Spannung und integrierte Schaltungen verwendet werden, um eine kompakte und sehr genaue Uhr zu bilden. In der US-PS 3 560 998 ist beispielsweise eine elektronische Uhr mit MOS-Transistorschaltungen mit geringem Stromverbrauch beschrieben, bei der sowohl für das Frequenznormal als auch für die nachfolgenden Teilerstufen komplementäre MOS-Transistors chaltungen verwendet werden. Diese Schaltungen können in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäßen MOS-Verstärkerblöcke ersetzt werden, die ira Bereich schwacher Inversion arbeiten, wobei die resultierende Schaltung im wesentlichen unabhängig von der Batteriespannung ist.

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Claims (9)

1. - 17 Patentansprüche

   Transistorschaltung, die einen Verstärkungsblock bestehend aus einem Paar ähnlicher MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp aufweist, die in ihrem schwachen Inversionsbereich arbeiten und jeweils eine Quellen-, eine Abfluß-, eine Substrat- und eine Steuerelektrode aufweisen, wobei die Substratelektrode mit der Quellenelektrode verbunden ist und einer der Transistoren als aktives Verstärkungselement und der andere als variables Widerstandslastelement wirkt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die Abflußelektrode (D) des aktiven Elements (10) mit der Quellenelektrode (S) des Lastelementes(11) verbindet, so daß die Elemente bezüglich der Speisespannung, die zwischen der Abflußelektrode (D) des Lastelementes (11) und der Quellenelektrode (S) des aktiven Elementes (10) angelegt ist, in Reihe geschaltet sind, eine an die Steuerelektrode (G) des aktiven Elementes (10) angeschlossene Steuerspannungsquelle, die zu einer an der Abflußelektrode (D) des aktiven Elementes (10) abgreifbaren Ausgangsspannung (V ) führt, und durch eine Einrichtung, um die Steuerelektrode (G) des Lastelementes (11) mit der Abflußelektrode (D) des aktiven Elementes (10) zu koppeln, wobei die Transistoren *(1O, 11) vom Anreieherungstyp in ihrem schwachen Inversionsbereich betrieben werden, so daß eine Änderung in der Speisespannung (B+) zu einer solchen Änderung in dem Lastwiderstand der Stufe führt, daß die resultierende Änderung des Gegenwirkleitwerts des aktiven Elementes (10) kompensiert wird, wodurch die Verstärkung des Blockes trotz der Änderung in der Speisespannung (B+) beibehalten wird.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10, 11) vom N-Kanaltyp sind.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10, 11) vom P-Kanaltyp sind.

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4. 4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (G) des aktiven Elementes (10) mit der Senkenelektrode des aktiven Elementes (10) verbunden ist, 'so daß die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung wird, um eine Spannungsquelle mit hoher Impedanz zu bilden.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle hoher Impedanz mit einem Verstärkerblock nach Anspruch 1, 2 oder 3 gekoppelt ist, so daß eine Vorspannung für die Steuerelektrode (G) des Lastelementes (11) erzeugt wird.
6. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Widerstand (12), der zwischen der Steuerelektrode jedes aktiven Elementes (10) und der Abflußelektrode (D) des aktiven Elementes (10) angeschlossen ist, um eine Vorspannung an das aktive Element (10) zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkerblockes anzulegen.
7. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen positiven Rückkopplungsweg (14, 15) zwischen der Abflußelektrode (D) und der Steuerelektrode (G) des aktiven Elementes zur Erzeugung von Schwingungen.
8. 8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsweg einen piezoelektrischen Kristall (14) aufweist.
9. 9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung durch loginche Spannungowerte 0 und 1 und die resultierende Ausgangsspannung durch invertierte logische Spannungswerte 1 und 0 gebildet ist.

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