DE2515309B2

DE2515309B2 - Ingegrierte transistorverstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2515309B2
Application number: DE19752515309
Authority: DE
Inventors: Dale Roland Westwood N.J. Koehler (V.St.A.)
Original assignee: Bulova Watch Co. Inc, New York, N.Y. (V.StA.)
Priority date: 1974-04-08
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1977-07-28
Also published as: GB1492222A; FR2275066B1; JPS50143459A; US3913026A; DE2515309A1; FR2275066A1; DE2515309C3; CH588771A5; CA1027190A

Description

Die Erfindung betrifft eine Transistorverstärkerschaltung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche.

Ein p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor wird durch zwei dicht nebeneinanderliegende, mit Entartungskon· zontration dotierte P+-Bereiche gebildet, die in ein leicht dotiertes siliciumsubstrat vom N-Typ eindiffunffiert sind, wobei der eine Bereich die Abflug- oder Drainetektrode und der andere Bereich die Quellen- oder Sourceelektrode bildet Eine dünne Schicht aus 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 inhärenten 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 /V+ -Bereich mit dem am meisten negativen Potential ist. Bei den meisten Schaltungsanwendungen 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 vom P-Typ unmittelbar unterhalb der Steuerelektrode erzeugt, so daß ein Leitungskanal zwischen dem Abfluß- und dem Quellenbereich gebildet wird und ein örtlicher Strom zwischen den beiden Diffusionsbereichen fließt. Es ist daher ersichtlich, daß ein P-Kanal-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp normalerweise abschaltet, wenn die Steuerspannung Null ist, und einschaltet, 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 bei P-Kanalanordnungen einen negativen Wert und einen positiven Wert bei N-Kanalanordnungen. Andererseits sind N-Kanal-MOS-Transistoren, die auf schwach dotierten Siliciumsubstraten vom P-Typ hergestellt sind, nor-

ilerweise eingeschaltet wenn die Steuerspannung an Steuerelektrode Null Ist Diese Bauelemente renUren zum Verarmungstyp, weil ihre Leitfähigkeit !durch herabgesetzt werden kann, daß «ine Spannung It zur Richtung der Spannung entgegengesetzter jlarität am Abflußbereich an die Steuerelektrode [gelegt wird. Nur das Anlegen einer negativen nnung zwischen Steuerelektrode und Quellsnelek* T₀Je schaltet einen N-Kanal-MOS-Transistor vom lerarmungstyp aus. Daher ist die Schwellenspannung leses Bauelements negativ. N-Kanal-MOS-Transistoin sind oft vom Verarmungstyp, weil eine positive iChicht mit fester Ladung im Siliciumdioxid nahe bei der {jHctumoberfläche existiert

Wegen seiner isolierten Steuerelektrode wirkt ein

[OS-Transistor als spannungssteuerbares Bauelement

id nicht als Stromverstärker wie ein herkömmlicher

,polarer Junctiontransistor, weil letzterer einen kleinen

jasis-Emitter-Strom zur Steuerung eines viel größeren

Kollektor-Emitter-Stroms benötigt Wegen der extrem

hohen Eingangsimpedanz an der Steuerelektrode eines

MOS-Transistors wird der MOS-Transistor gelegentlich

als Halbleiter-Bauelement betrachtet, das einer Trio

denvakuumröhre analog ist.

Der Hauptunterschied zwischen dem MOS-Transi stör und der Triodenröhre besteht jedoch darin, daß die Steuerelektrode des Transistors die Leitfähigkeit des Halbleiterbereiches zwischen zwei stromführenden Elektroden (Abfluß- und Quellenbereich) modulier, 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 einer Triodenröhre. So zeigen die Meßkurven für den MOS-Transistor gewöhnlich einen Sättigungsstrom bei solchen Werten der an der Abflußeiektrode anstehenden Spannung, die näherungsweise gleich der Spannung an der Steuerelektrode minus der Schwellenspannung ist, wenn der Abflußbereich- oder Drainstrom gegen die Spannung zwischen Abfluß- und Quellenbereich bei verschiedenen Werten der Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode aufgetragen wird. Die Dreipol-Kennlinien eines MOS-Transistors lassen sich in drei unterschiedliche Bereiche unterteilen. Der erste Bereich kann als Bereich mit variablem Widerstand bezeichnet werden, da sich der Strom der Abflußelektrode bei einer konstanten Steuerspannung und Werten der an die Abflußeiektrode angelegten Spannung, die klein genug sind, um weit unter dem Wert der SteuersDannung minus der Schwellenspannung zu liegen, linear mit steigender Spannung an der Abflußelektrode erhöht. In diesem Bereich 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 einen Pegel erhöht wird, der größer als die Steuerspannung 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 Lawinendurchbruch an der Abflußoder Draindiode auf, und der Abflußstrom beginnt dann mit steieender Abflußspannung sehr schnell anzusteigen. Hier handelt es sich demnach um den Lawinenaurchbruchsbereich.

Wie in einem Artikel von Richard M. S w a η s ο η 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 ist wurden vor kurzem Verfahren zur Herstellung von Komplementären MOS-Transistoren mit geringen Einschaltspannungen entwickelt die in Schaltungen verwendet werden können, deren Versorgungsspannungen unter 135 Volt liegen.

Bei einer komplementären MOS-Transistorschaltung ist ein N-Kanaltranslstor 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 gemeinsamen Eingang angelegt wird, gleichzeitig den P-Kanaltransistor ein und den N-Kanaltransistor 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.

Wegen der außerordentlich hohen Eingangsimpedanz an der Steuerelektrode bei solch einer MOS-An-Ordnung fließt in den stationären Zuständen auch kein Strom im Steuerelektrodenkreis. Ein MOS-l.iverter dieser Art verbraucht daher im stationären Zustand nahezu keinen Strom; ein Strom fließt nur dann, wenn von einem Zustand in den anderen umgeschaltet wird. Wie in dem obengenannten Artikel von Richard M. S w a η s ο η und James D. Meindl beschrieben wird, sollte eine komDlementäre MOS-Logikschaltung bei einer möglichst niedrigen Speisespannung betrieben werden, um die größte Stromeinsparung 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 der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Arbeitsweise von MOS-Transistoren im Bereich schwacher Inversion in der Nähe des Einschaltvorganges ist, und diß CMOS-Transistorschaltungen (eine CMOS-Transistorschaltung isi eine Schaltung aus komplementären MOS-Transistoren, wobei ein N-Typ und ein P-Typ-Kanal-MOS-Transistor kombiniert ist bei Zimmertemperatur theoretisch mit Speisespannun gen Dis herunter zu 0,2 Volt arbeiten können, wenn di( Oberflächen-Zustandsdichte nur gering genug ist. De loneneinbau von Bor ist ein praktisches Verfahren, i»n die Einschaltspannung von MOS-Transistoren s( einzustellen, daß sie mit niedrigen Speisespannungei betrieben werden können.

Es gibt jedoch gewisse Faktoren, die bei CMOS-Tran sistoren. die im Bereich schwacher Inversion arbeiter ins Spiel kommen und die zu praktischen Probleme!

und schwerwiegenden Nachteilen führen. Wie in dem obengenannten Artikel beschrieben ist, führen die üblichen Herstellungsverfahren, bei denen reines Oxid angewendet wird, zu einer Streuung der Einschaltspannungen in der Größenordnung von 0,2 Volt, so daß die Speisespannung in der Praxis niemals bis auf 0,2 Volt abgesenkt werden kann. Ferner führen die bekannten 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 CMOS-Schaltungen meist durch Batterien betrieben werden, treten häufig kleine Änderungen in der Speisespannung auf.

Frühere Versuche, MOS-Transistorstufen unabhängig von der Batteriespannung zu machen, haben im wesentlichen zwei Nachteile: Zum einen werden entweder die erforderlichen Schaltungen sehr kompliziert und/oder zum anderen der Strombedarf zu groß. Letzteres gilt beispielsweise für MOS-Transistorschaltkreise, bei denen jeweils zwei Feldeffekttransistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in Reihe geschaltet sind, von denen der eine Transistor durch Verbindung der Senkenelektrode des anderen Transistors mit seiner Steuerelektrode als Lastelemeni geschaltet ist (vgl. etwa DT-OS 14 37 435). Diese bekannten Komplementären-MOS-Transistorpaare lassen sich zwar mit relativ geringen Herstellungskosten und hoher Packungsdichte fertigen und auch die Eingangsimpedanz und der Stromverbrauch liegen bei noch akzeptablen Werten. Jedoch lassen sich diese Komplementäranordnungen nicht bei sehr niedrigen Betriebsspannungen von weniger als 2 Volt betreiben.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine integrierbare CMOS-Transistorverstärkerschaltung zu schaffen, die einfach aufgebaut und billig herstellbar ist und sich durch einen verhältnismäßig geringen Stromverbrauch und eine Verstärkung auszeichnet, die im wesentlichen unabhängig ist von einer niedrigen, durch beispielsweise nur eine Battcriezelle lieferbaren Speisespannung.

Die zur Lösung dieser technischen Aufgabe geeignete erfindungsgemaße Transistorvemarkerschaltung weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf; vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteranspruchen gekennzeichnet

Wie insbesondere im folgenden beschrieben wird, besteht die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung aus zwei in Reihe geschalteten, ähnlichen (N- oder P-Typs) MOS-Transistoren, die Im schwachen Invenionsbereich arbeiten, wobei einer als aktives Element und der andere ab Lastelement wirkt Die AbfluBelektrode des aktiven Elements ist mit der Steuerelektrode des Lastelements verbundea Die Eingangsspannung wird an die Steuerelektrode des aktiven Elements angelegt um eint Auegangespannung an der Abflußelektrode des aktiven Elements zu erzeugen. Die Speisespannung wird zwischen der Abflußelektrode des Lastelements und der Quellenelektrode des aktiven Element» angelegt, wobei sich bei Änderungen der Batterieipai.-nung der Lastwiderstand der Stufe ändert, um Änderungen im Oegenwirkleitwert des aktiven Elements als Folge der Batteriespannungsänderungen zu kompensieren, so daß die Verstärkung der Schaltung auf dem gleichen Wert gehalten wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Grundelements eines MOS-Verstärkers gemäß der Erfindung,

Fig. IA eine symbolische Darstellung der Schaltung von F ig. 1,

,o Fig.2 ein schematisches Schaltbild einer Ergänzungsschaltung zur Impedanzanpassung für die Schaltung nach F ig. 1,

Fig.3 eine Schaltung eines Verstärkers mit Impedanzanpassung,

Fig.4 eine andere Ausführungsform einer Verstärkerschaltung,

F i g. 5 eine weitere Ausführung eines Verstärkers,

Fig.6 eine Quarz-Oszillatorschaltung mit zugeordnetem Verstärker mit erfindungsgemäßen Merkmalen, F i g. 7 eine als Inverter für logische Schaltungen dienende Verstärkungsschaltung und

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

Zunächst wird der Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung beschrieben:

F i g. 1 zeigt die Schaltung eines einstufigen Verstärkers, der aus zwei ähnlichen MOS-Transistoren 10 und 11 aufgebaut ist, die jeweils im schwachen Inversionsbereich nahe der Abschaltspannung arbeiten, wie in dem jo genannten Artikel von Richard M. Swanson und James D. M e i η d 1 beschrieben ist. Die Transistoren 10 und 11 sind beide N-K.analtransistoren vom Anreicherungstyp. Derselbe Transistorentyp ist auch in den anderen Figuren gezeigt. Es ist jedoch zu beachten, daß ein Verstärker mit ähnlichen Eigenschaften auch mit zwei P-Kanal-Transistoren in entsprechender Anordnung verwirklicht werden kann.

Jeder MOS-Transistor hat eine Quellenelektrode 5 (Source), eine Abflußelektrode D (Drain), eine Steuerelektrode C (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 D des Transistors U und deren negativer Anschluß mit der Quellen-Substrat· Elektrode SSub des Transistors 10 verbunden ist. Die Steuerelektrode C 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 11 verbunden.

In diesem Verstärker wirkt der Transistor 10 als aktives Element um die Eingangsspannung Vi zu verstärken, die an der Steuerelektrode O ansteht. M wodurch eine Ausgangsspannung Vo an der AbfluBelektrode D erzeugt wird. Der Transistor 11 wirkt als Lastelement für das verstärkende, aktive Element dessen Lastwidersund sich zum Zwecke der Kompensation, wie noch beschrieben wird, ändert «o Um die MOS-Transistoren im Bereich schwacher Inversion zu betreiben, kann einer von zwei Losungswegen beschriften werden: Einmal kann die Speisespannung in bezug auf den bekannten Wert der Schwellen· spannung für den MOS-Transistor so abgesenkt ti werden, daß die Steutrelektrodenspannung kleiner als die Schwellenspannung wird, wodurch die Bedingung für den Betrieb im schwachen Inversionsberelcn befriedigt wird. Alternativ kann diese Bedingung

andererseits beispielsweise durch Ionenimplantation bei der Herstellung des MOS-Transistors erfüllt werden, um bei vorgegebener Speisespannung die Schwellenspannung einzustellen.

Die Verstärkung der Verstärkerstufe ist durch ihren Gegenwirkleitwert und ihren Lastwiderstand bestimmt. Im Falle einer MOS-Transistorstufe, die im schwachen Inversionsbereich arbeitet, wie sie in dem obengenannten Artikel beschrieben ist, kann man zeigen, daß der Gegenwirkleitwert proportional zum Strom ist. Folglich ist die Stromstärke eine Funktion der Speisespannung, so daß ein Absinken der Speisespannung eine Verminderung des Stroms und eine Änderung des Gegenwirkleitwertes zur Folge hat, wodurch die Verstärkung der Stufe geändert wird. Da die Beziehung zwischen der Verstärkung und der Speisespannung

J₁ = I₂

my²

exponentiell verläuft, hat ein verhältnismäßig kleiner Abfall dieser Spannung einen groOen Verlust an Verstärkungsgrad zur Folge.

Erfindungsgemäß wird ein Kompensationseffekt dadurch erzeugt, daß der Widerstand der Stufe in Abhängigkeit von der Speisespannung geändert wird, wodurch die Abhängigkeit der Stufenverstärkung von der Speisespannung auf ein Minimum herabgesetzt oder vollständig beseitigt wird.

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

_ g -m;(ß -ι·,·Λ _ e m,v„\

wobei

^{y =} "nkt"

/c == Boltzmankonstante

T = Temperatur

q = Eleklronenladung

B = Batteriespannung

/( = Beweglichkeit

C₀ = Kapazität der Steuerelektrode pro Einheitsfläche
Kf = Schwellenspannung plus 1/y

K₀ = Spannung zwischen Abfluß- und Substratelektrode
m = Konstante
η = Konstante

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

ß\ - ftl

ft = /'C₀ (-7-) ^3S e > <= A. (-L-J

Durch Differenzieren nach Vi und V₀ ergibt sich folgender Ausdruck für die Verstärkung G:

wenn e^m'¹" > 1, dann e^m'^tB " '«'

und e''·' α ^i//ii mit C » — wenn K₁ =» K₀ gilt.

Die durch Gleichung (3) gegebene Bedingung wird für einen großen Bereich von 0· Verhältnissen leicht erfüllt. so daß ersichtlich let, daß die Verstärkung tatsächlich unabhängig von der Batteriespannung ist Die absoluten Werte von ß\ und ßi bestimmen den Pegel des Betriobsstromes des Verstärkers und die inhärente AC-Ansprechseitkonstante. Die anfangliche Annahme, daß die Stufe Im Bereich schwacher Inversion arbeitet, schreibt vor, daß V₍ s Vr tot oder, wenn die Vorspannung vorgegeben tot, daß. Vn die Trenslstorschwellenspannung, größer als (V, - nut Γ/tysein muß.

Schaltung sur Impedantanpastung: In Fig.2 und iwei MOS-Transistoren 10' und 1Γ geielgt die in Reihe geschaltet sind und Im Bereich schwacher Inversion arbeiten. Die beiden Transistoren sind In einem Block tusammengefaßt,der Identisch wie In P i g. 1 ausgebildet 1st mit der Ausnahme, daß der Eingang >ur Steuerelektrode O des aktiven Transistors 10* direkt mit dessen Abflußelektrode D verbunden ist, so daß Eingang und 4$ Ausgang elektrisch miteinander verbunden sind. Dies ' führt zu einem Schaltungsaufbau als Impedanzwandler, bei dem die Ausgangsspannung durch geeignete Wahl der Größen der Transistoren auf nahezu jeden beliebigen Wert zwischen Masse und Speisespannung B+ eingestellt werden kann, so daß eine Transformation su hohen lmpedeiww«rt«n entsteht.

Wie die Gleichung in Fig.2 angibt, ist die Ausgangsspannung V nur «ine Punktion der grundlegenden Halbleiterpartmeter und der geometrisch M festgelegten Breiten-Langen·Verhaltnisse (WWLiO für den Transistor W und WiVL 11 für den Transistor 1Γ) entsprechend einer Inverteranalyse. Dieser Schal· tungsaufbau bietet dem Schaltungeelektroniker ein tusatxUches Schaltungselement an, das bisher nicht tür to Verfügung stand. Die funktionsmlßige Abhängigkeit der Auigangsspannung von der Blngangsspannung wird in dieser Anordnung auf den einzigen Spannungswert redutiert. der die StromcharekterlaUk der Stufe und die elektrische Bedingung Vi - V₀ befriedigt. Vorgespannter Verstärker (erste Ausführung): Der Verstärker nach FI g. 3 entspricht der Schattung gemäß Fig. 1: er weist einen Transistor 10 als aktives Element und einen Transistor 11 als Lastelement auf. Ein

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Unterschied besteht allerdings darin, daß die Steuerelektrode G des Transistors It nicht direkt mit der Quellenelektrode S des Transistors 11 verbunden, sondern über eine Schaltung zur Umsetzung einer Vorspannungsquelle auf hohe Impedanz angekoppelt ist, wie sie in Fig.2 gezeigt ist und die aus den Transistoren 10' und 11' besteht. Daher wird das Laslelement 11 des Verstärkers 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 F i g. 1 gezeigt ist, ist die Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode Null. Diese Vorspannung dient dazu, den Arbeitspunkt des Verstärkerblockes einzustellen.

Vorgespannte Verstärker (zweite und dritte Ausführung): Bei dem Verstärker nach F i g. 4. der wie in F i g. 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 Vorspannungswiderstand 12 zugeführt wird, der zwischen der Steuerelektrode G und der Abflußelektrode D des Transistors 10 angeschlossen ist.

In F1 g. 5 wird eine Vorspannung an den als aktives Element wirkenden Transistor 10 des Verstärkers über eine geeignete Vorspannungsquelle 13 angelegt, die zwischen der Steuerelektrode und Masse angeschlossen ist.

Oszillator: Ein Oszillator besteht im wesentlichen aus einem Verstärker, dessen Ausgang über eine positive Rückkopplung an den Eingang zurückgeführt ist, um eine Schwingung zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Verstärker kann in vorteilhafter Weise verwendet werden, um eine Kristall-Oszillatorschaltung aufzubauen, die als Frequenzstandard oder Zeitbasis, beispielsweise in einer elektronischen Uhr, verwendet werden kann und dabei mit einer sehr geringen Batteriespan· nun|[ arbeitet.

Büi der in F i g. 6 gezeigten Schaltung weist die positive Rückkopplung für das aktive Element einen piezoelektrischen Kristall, der durch einen Vorspannunijswidcrstand 15 nebengeschlossen ist, einen Eingaii|{skondensator C_n, der zwischen der Steuerelektrode O und F.rde angeschlossen ist, und einen Ausgangskondensator Coi/r auf, der zwischen der Abflußelektrode D und dem MuaoMuchluU dos aktiven Elementes angeschlossen Ist Der Aufbau dieses Quarzoszillators $0 entspricht einer Pierce-Schaltung. Die am Ausgangsanschluß 17 erzeugte Spannung weist eine durch den Quarz bestimmte stabile Frequenz auf. In der Praxis können andere Elemente zur Prequenzfestlegung zusammen mit dem Verstärker verwendet werden, um μ einen Prequentgeneraior tu bilden.

Inverter: Wie die P i g. 7 zeigt, kann der grundlegende Verstlrkeraufbau, der aus einem Transistor Il als Lastelement zusammengesetzt ist, wobei die Transistoren in dem Bereich schwacher Inversion arbeiten, als to einfacher Inverter betrieben werden, um in Abhängigkeit von einem Signal, z. B. entsprechend einer logischen »1«, ein Ausgangssignal entsprechend einer logischen »0« und für ein Eingangssignal entsprechend einer logischen »0« ein Ausgangssignal entsprechend einer logischen »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 Umschaitpunkt, 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 Massepotential liegt, zu einem Punkt ändert, der nahe bei der Batteriespannung liegt.

Da die zu einem Paar zusammengefaßten Transistoren in dem Inverter-Verstärker vom selben Typ sind. d.h. entweder beide N-Typ- oder beide P-Typ-Transi stören sind, und im Bereich schwacher inversion arbeiten, ergibt sich keine Abhängigkeit von der Schwellenspannung noch von der Batteriespannung, sondern nur von den geometrisch festgelegten Längen-Breiten-Verhältnissen. Der erfindungsgemäß aufgebaute Inverter ermöglicht daher eine Steuerbarkeit der Umschaltepunkte, die bei herkömmlichen Inverterausführungen nicht zur Verfügung stehen. Dieser Vorteil wird von einer erheblichen Verbesserung in der Schaltungsausbeute begleitet.

Mehrstufiger Verstärker: Wie F i g. 8 erkennen läßt, können erfindungsgemäße Einzelverstärker in Kaskaden miteinander verbunden werden, um einen vielstufigen Verstärker aufzubauen, 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 den Ausgang der Stuf« C mit dem Eingang der Stufe A verbinden.

Alle Stufen sind — entsprechend dem erläuterten Grundaufbau einer Verstärkerstufe - aus einem Paar in Reihe geschalteter N-Kanaltransistoren zusammengesetzt. 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.

Erfindungsgemäße Verstärkerschaltungen sind für das Gebiet der elektronischen Uhren mit Halbleiterschaltungen von besonderem Vorteil, wo Miniatur-Batteriezellen mit niedriger Spannung und integrierte Schaltungen für einen kompakten Uhrenaufbau verwendet werden. In der US-PS 39 «0 998 ist beispielsweise eine elektronische Uhr mit MOS-Transistorschaltun· gen mit geringem Stromverbrauch besehrieben, bei der sowohl für das reqeormal al· auch Wr die nachfolgenden Teilerstufen komplementäre MOS· Transistorschaltungen verwendet werden. Diese Schaltungen kennen in vorteilhafter Weise durch die erflndungsgemtBen MOS-Verstärker ersetzt werden, die im Bereich schwacher Inversion arbeiten, wobei die resultierende Schaltung im wesentlichen unabhängig von der Batteriespannung ist

Hicr/u 2 illiill Λ'κΐιηιπιμν.11

Claims

Patentansprüche:

L Integrierte Transistorverstärkerschaltung mit einem Paar von in einem Halbleitersubstrat s ausgebildeten n- oder p-Kanal MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp mit jeweils zum SubstratenschSuß durchverbundener Quelle, von denen der eine als aktives Verstärkerelement und der andere als passives, variables Lastelement betreibbar ist, wobei der SenkenanschluB des aktiven Elements mit dem Quellenanschluß und der Steuerelektrode des Lasteleraents verbunden ist und die Einspeisung eines Eingangssignals an der Steuerelektrode und der Abgriff eines Ausgangssignals am Senkenanschluß des aktiven Elements vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Senkenanschfuß (D) des Lastelements (It) und dem Quellenanschluß (S) des aktiven Elements (10) anzulegende Versorgungsspannung (B+) niedriger ist als die Schwellenspannung und daß die Transistoren (10,11) in ihrem schwachen Inversionsbereich derart betreibbar sind, daß eine Änderung der Versorgungsspannung zu einer Änderung im Widerstandswert des Lastelements (11) um einen Betrag führt, der die mit der Spannungsänderung verbundene Änderung des Gegenwirkleitwerts des aktiven Verstärkerelements (10) so ausgleicht, daß der Verstärkungsgrad unabhängig von der Versor gungsspannungsänderung konstant bleibt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle, die ausgangsseitig und gegenüber der Steuerelektrode (G) des Lastelements (11) eine hohe Impedanz besitzt und einen dritten sowie einen vierten Transistor (10', XV) umfaßt, die gemeinsam ein zweites Paar ähnlicher MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp bilden, durch eine Verbindung von der Senke des dritten Transistors (11') zu der mit der Senke des Lastelements (11) verbundenen Stromversorgungsklemme (+ B) durch eine Verbindung zwischen der Steuerelektrode und der Quelle des dritten Transistors {XX'), die an die Steuerelektrode des Lastelements (11) angeschlossen ist, durch eine Verbindung von der Quelle des vierten Transistors (10') zur Quelle des Lastelements (11) und zur Senke des aktiven Elements (10) und durch eine an die Steuerelektrode des Lastelements (11) angeschlossene Verbindung zwischen der Steuerelektrode und der Senke des die Kopplung bewirkenden vierten Transistors (10').
3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Widerstand (12), der zwischen der Steuerelektrode und der Abflußelektrode (D) des aktiven Elements (10) angeschlossen ist, um eine Vorspannung an das aktive Element (10) zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkerblok kes anzulegen.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung durch logische Spannungswerte 0 und 1 und die resultierende Ausgangsspannung durch invertierte logische Spannungswerte 1 und 0 gebildet ist.