DE2515309C3

DE2515309C3 - Ingegrierte Transistorverstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2515309C3
Application number: DE2515309A
Authority: DE
Inventors: Dale Roland Westwood N.J. Koehler (V.St.A.)
Original assignee: Bulova Watch Co Inc
Current assignee: Bulova Watch Co Inc
Priority date: 1974-04-08
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1978-03-16
Also published as: DE2515309A1; DE2515309B2; GB1492222A; FR2275066B1; CH588771A5; CA1027190A; FR2275066A1; US3913026A; JPS50143459A

Description

Die Erfindung betrifft eine Transistorverstärkerschaltung nach dem Oberbegriff der PatentansDrüche.

Ein P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor wird durch zwei dicht nebeneinanderliegende, mit Entartungskonzentration dotierte P+ -Bereiche gebildet, die in ein leicht dotiertes Siliciumsubstrat vom N-Typ eindiffundieil sind, wobei der eine Bereich die Abfluß- oder Drainelektrode und der andere Bereich die Quellenoder 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 N+ -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-Ka.ial-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-Y-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-Tvn hprupstpllt cinH nnr.

malerweise eingeschaltet, wenn die Steuerspannung an der Steuerelektrode Null ist. Diese Bauelemente gehören zum Verarmungstyp, weil ihre Leitfähigkeit dadurch herabgesetzt werden kann, daß eine Spannung mit zur Richtung der Spannung entgegengesetzter Polarität am Abflußbereich an d:;. Steuerelektrode angelegt wird. Nur das Anlegen einer negativen Spannung zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode schaltet einen N-Kanal-MOS-Transistor vom Verarmu!;g5typ aus. Daher ist die Schwellenspannung dieses Bauelements negativ. N-Kanal-MOS-Transistoren sind oft vom Verarmungstyp, weil eine positive Schicht mit fester Ladung im Siliciumdioxid nahe bei der Siliciumoberfläche existiert.

Wegen seiner isolierten Steuerelektrode wirkt ein MOS-Transistor als spannungssteuerbares Bauelement und nicht als Stromverstärker wie ein herkömmlicher bipolarer Junctiontransistor, weil letzterer einen kleinen Basis-Emitter-Strom zur Steuerung eines viel größeren KoIIektor-Emitter-Stroms benötigt. Wegen der extrem hohen Eingangsimpedanz an der Steuerelektrode eines MOS-Transistors wird der MOS-Transistor gelegentlich ais Halbleiter-Bauelement betrachtet, das einer Triodenvakuumröhre analog ist.

Der Hauptunterschied zwischen dem MOS-Transistor und der Triode ιiröhre besteht jedoch darin, daß die Steuerelektrode des Transistors die Leitfähigkeit des Halbleiterbereiches zwischen zwei stromführenden Elektroden (Abfluß- und Quellenbereich) moduliert, während das Gitter der Triode ein Bremspotentiaifeld 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 Abfiußelektrode 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 Abfiußelektrode bei einer konstanten Steuerspannung und Werten der an die Abflußelektrode angelegten Spannung, die klein genug sind, um weit unter dem Wert der Steuerspannung 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 l.awinendurchbruch an der Abflußoder Draindiode auf, und der Abflußstrom beginnt dann eigender

Süuüsparinüng iciii sannen anzusteigen. Hier handelt es sich demnach um den Lawinendurchbruchsbereich.

Wie in einem Artikel von Richard M. S w a η s ο η und James D. Meindl mit dem Titel »Ion-lmplantuj 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 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 0 Volt (logische 0), 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-Inverter 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 komplementäre 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 komptementären Schaltungen arbeiten. Es wird der Schluß gezogen, daß für ein schnelles Ansprechen die Oberflächen-Zustandsdjchte der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Arbeitsweise von MOS-Transistoren im Bereich schwacher Inversion in der Nähe des Einschaltvorganges ist, und daß CMOS-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 Oberfl^chen-Zustandsdichte nur gering genug ist. Der loneneinbau von Bor ist ein praktisches Verfahren, um die Einschaltspannung von MOS-Transistoren so einzustellen, daß sie mit niedrigen Speisespannunger.

(15 betrieben werden können.

Es gibt jedoch gewisse Faktoren, die bei CMOS-Transistoren, die im Bereich schwacher Inversion arbeiten, ins SDiei kommen und die 711 nraktisrhen Prnhipmen

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 Lastelement geschaltet ist (vgl. etwa DT-OS 14 37 435). Diese bekannten KLomplementären-MOS-Transistorpaare lassen sich zwar mit relativ geringen Herstellungskosten und hoher Packungsdichte fertigen und auch die r-ingangsimpedanz 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-Transistorverstärkerschaitung 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 Batteriezelle lieferbaren Speisespannung.

Die zur Lösung dieser technischen Aufgabe geeignete erfindungsgemäße Transistorverstärkerschaltung weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf; vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen 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 Inversionsbereich arbeiten, wobei einer als aktives Element und der andere als Lastelement wirkt Die Abflußelektrode des aktiven Elements ist mit der Steuerelektrode des Lastelements verbunden. Die Eingangsspannung wird an die Steuerelektrode des aktiven Elements angelegt, um eine Ausgangsspannung an der Abflußelektrode des aktiven Elements zu erzeugen. Die Speisespannung wird zwischen der Abflußelektrode des Lastelements und der Quellenelektrode des aktiven Elements angelegt, wobei sich bei Änderungen der Batteriespai·- nung der Lastwiderstand der Stufe ändert, um Änderungen im Gegenwirkleitwert des aktiven Ele

ments 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 Fig. 1,

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

Fig. 3 eine Schaltung eines Verstärkers mit Impedanzanpassung,

Fig. Ί eine andere Ausführungsforrn einer Ver Stärkerschaltung,

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 Inverter-Ausgangsstufe.

Zunächst wird der Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung beschrieben:

Fig. 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 genannten Artikel von Richard M. Swanson und James D. M e i π d 1 beschrieben ist. Die Transistoren 10 und 11 sind beide N-Kanaltransistoren 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 S (Source), eine Abflußelektrode D (Drain), eine Steuerelektrode G (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 11 und deren negativer Anschluß mit der Quellen-Substrat-Elektrode S-Sub 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 G ansteht, wodurch eine Ausgangsspannung Vo an der Abflußelektrode Ό erzeugt wird. Der Transistor 11 wirkt als Lastelement für das verstärkende, aktive Element, dessen Lastwiderstand sich zum Zwecke der Kompensation, fcrie noch beschrieben wird, ändert

Um die MOS-Transistoren im Bereich schwacher Inversion zu betreiben, kann einer von zwei Lösungswegen beschritten werden: Einmal kann die Speisespannung in bezug auf den bekannten Wert der Schwellenspannung für den MOS-Transistor so abgesenkt werden, daß die Steuerelektrodenspannung kleiner als die Schwellenspannung wird, wodurch die Bedingung für den Betrieb im schwachen Inversionsbereich 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

I₁ = I₂

^v'(l -

"·■■■">

exponentiell verläuft, hat ein verhältnismäßig kleiner Abfall dieser Spannung einen großen 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 Gleichune führt:

wobei

nkT

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

/ι = Beweglichkeit

C₀ = Kapazität der Steuerelektrode pro Einheitsfläche

Vj = Schwellenspannung plus 1/y
V₀ = Spannung zwischen Abfluß- und Substratelektrode
m = Konstante
η = Konstante

Durch Umstellung der Terme von Gleichung (I] ergibt sich folgende Gleichung:

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

^G -

-¹" - 0"⁺ (T" ^liJ- ¹T']

wenn e '

und e^;l' :

wenn V₁ = V₀ gilt.

1, dann e^mlß " '">

-1

Die durch Gleichung (3) gegebene Bedingung wird für einen großen Bereich von jS-Verhältnissen leicht erfüllt, so dai ersichtlich ist, daß die Verstärkung tatsächlich unabh; ingig von der Batteriespannung ist Die absoluten Werte von ßi und ß₂ bestimmen den Pegel des Retriel «stromes des Verstärkers und die inhärente AC-Ai^sprechzeitkonstante. Die anfängliche Annahme, daß dife Stufe im Bereich schwacher Inversion arbeitet, schreibt vor, daß V\ < Vr ist oder, wenn die Vorspannung Vorgegeben ist, daß. Vn die Transistorschwellenspannung, größer als (V\ - nk T/q) sein muß.

Schiltung zur Impedanzanpassung: In Fig.2 sind zwei MOS-Transistoren 10' und 1Γ gezeigt, die in Reihe geschaltet sind und im Bereich schwacher Inversion arbeiten. Die beiden Transistoren sind in einem Block zusammengefaßt, der identisch wie in F i g. 1 ausgebildet ist mit der Ausnahme, daß der Eingang zur 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 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 Transforma tion zu hohen Impedanzwerten entsteht.

Wie die Gleichung in F i g. 2 angibt, ist die Ausgangsspannung V nur eine Funktion der grundlegende^! Halbleiterparameter und der geometrisch festgelegten Breiten-Längen-Verhältnisse (WiO/ LiO für den Transistor 10' und WWL H für den Transistor W) entsprechend einer Inverteranalyse. Dieser Schaltungsaufbau bietet dem Schaltungselektroniker ein zusätzliches Schaltungselement an, das bisher nicht zur Verfügung stand. Die funktionsmäBige Abhängigkeit der Allsgangsspannung von der Eingangsspannung wird in dieser Anordnung auf den einzigen Spannungswert reduziert, der die Stromcharakteristik der Stufe und die elektrische Bedingung Vi- Vo befriedigt

Vorgespannter Verstärker (erste Ausführung): Der Verstärker nach F i g. 3 entspricht der Schaltung gemäß F i g. 1; er weist einen Transistor 10 als aktives Element und einen Transistor 11 als Lastelement auf. Ein

Unterschied besteht allerdings darin, daß die Steuerelektrode G des Transistors 11 nicht direkt mit der Quellenelektrode 5 des Transistors 11 verbunden, sondern über eine Schaltung zur Umsetzung einer Vorspannungsquelle auf hohe Impedanz angekoppelt s ist, wie sie in Fig.2 gezeigt ist und die aus den Transistoren 10' und 11' besteht. Daher wird das Lastelement 11 des Verstärkers durch eine Spannungsquelle hoher Impedanz vorgespannt, so daß sich eine Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode für |₀ 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 is 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 Abflußeiektrode D des Transistors 10 angeschlossen ist.

In Fig.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 ^o 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 Batteriespannung arbeitet.

Bei der in F i g. 6 gezeigten Schaltung weist die positive Rückkopplung für das aktive Element einen piezoelektrischen Kristall, der durch einen Vorspannungswiderstand 15 nebengeschlossen ist, einen Eingangskondensator Q_n, der zwischen der Steuerelektrode G und Erde angeschlossen ist, und einen Ausgangskondensator Cour auf, der zwischen der Abflußeiektrode D und dem Masseanschluß des aktiven Elementes angeschlossen ist Der Aufbau dieses Quarzoszillators 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 Frequenzfestlegung zusammen mit dem Verstärker verwendet werden, um einen Frequenzgenerator zu bilden.

Inverter: Wie die F i g. 7 zeigt, kann der grundlegende Verstärkeraufbau, der aus einem Transistor 11 als Lastelement zusammengesetzt ist, wobei die Transistoren in dem Bereich schwacher Inversion arbeiten, als 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 Umschaltpunkt, 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-Transistoren 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 Stufe 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.

Erfinjungsgemäße 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 35 60 998 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-Transistarschaltungen verwendet werden. Diese Schaltungen können in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäßen MOS-Verstärker ersetzt werden, die im Bereich schwacher Inversion arbeiten, wobei die resultierende Schaltung im wesentlichen unabhängig von der Batteriespannung ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Transistorverstärkerschaltung mit einem Paar von in einem Halbleitersubstrat ausgebildeten n- oder p- Kanal MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp mit jeweils zum Substratanschluß durchverbundener Quelle, von denen der eine als aktives Verstärkerelement und der andere als passives, variables Lastelement betreibbar ist, wobei ι ο der Senkenanschluß des aktiven Elements mit dem Quellenanschluß und der Steuerelektrode des Lastelements verbunden ist und die Einspeisung eines Eingangssignals an der Steuerelektrode und der Abgriff eines Ausgangssignals am Senkenan-Schluß des aktiven Elements vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Senkenanschluß (D) des Lastelements (H) 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 Versorgungsspannungsänderung 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', W) umfaßt, die gemeinsam ein zweites Paar ähnlicher MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp bilden, durch eine Verbindung von der Senke des dritten Transistors (W) zu der mit der Senke des Lastelements (11) verbundenen Stromversorgungsklemme { + B), durch eine Verbindung zwischen der Steuerelektrode und der Quelle des dritten Transistors (W), 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 vs Vorspannung an das aktive Element (10) zur Einstellung des Arbeitspunktes des Verstärkerblokkes anzulegen.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung durch logische f>o Spannungswerte 0 und 1 und die resultierende Ausgangsspannung durch invertierte logische Spannungswerte 1 undOgebildet ist.