DE2607420C3

DE2607420C3 - Verbundtransistorschaltung

Info

Publication number: DE2607420C3
Application number: DE2607420A
Authority: DE
Inventors: Otto Heinrich North Caldwell N.J. Schade jun.
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-02-24
Filing date: 1976-02-24
Publication date: 1986-07-10
Also published as: AU1121176A; SE7601729L; USRE31263E; SE413216B; FR2301962B1; AU498657B2; DE2607420A1; FR2301962A1; NL7601806A; CA1078469A; DE2607420B2; JPS558841B2; GB1518961A; US4092612A; JPS51109754A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundtransistorschal tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Aus der Zeitschrift »Funk-Technik« 1973, Nr. 9, Seiten 313,314,dem »IEEE Journal of Solid-State Circuits« Band SC-4,Nr.3,Junil969,Seiten1l0-122undausder»Philips Techn. Rundschau« 1970, Nr. 1, Seiten 1 — 12 sind aus Bipolartransistoren aufgebaute Stromspiegelverstärker bekannt, bei welchen ein Eingangsstrom der Basis eines kollektorseitig den Ausgangsstrom liefernden Transistors zugeführt wird.dessen Emitter mit dem Zusammenschaltungspunkt von Kollektor und Basis eines als Diode geschalteten weiteren Transistors verbunden ist, wobei die Emitter dieser beiden letztgenannten Transistoren gemeinsam an einem Bezugspotential liegen und der Kollektor des drittenTransistors an den erwähnten Basiseingang angeschlossen ist. Diese Stromspiegelschaltungen bieten gegenüber der Grundschaltung mit einer parallel zur Basis-Emitter-Strecke eines Transistors liegenden Diode oder einem als Diode geschalteten Transistor einen höheren Ausgangswiderstand und eignen sich daher besserfürStromquellenschaltungen.

Weiterhin ist aus der US-PS 38 13 595 eine Konstantstromquelle bekannt, bei welcher einem aus Bipolartransistoren aufgebauten Stromspiegel der erwähnten einfachen Art ein Feldeffekttransistor vorgeschaltet ist, dessen unmittelbar zusammengeschaltete Gate- und Drainelektroden mildem Zusammenschaltungspunkt von Basis und KollekiurdesEingangstransistorsdes Stromspiegels ver-

bunden sind. Die Sourceelektrode liegt über einen Widerstand am Abgriffeines über der Betriebsspannungsquelle liegenden Spannungsteilers, und das Substrat des Feldeffekttransistors ist unmittelbaranden Betriebsspannungspol dieser Spannungsquelle angeschlossen, an dem auch die aus dem Kollektor des Ausgangstransistors des Stromspiegels gespeiste Last liegt Die Wirkungdes nachgeschalteten Stromspiegels selbst wird durch den vorangeschaltetenFeideffekttransistornichtbeeinflußt.

Ein Stromspiege! mit vorgeschaltetem Feldeffekttransistor ist auch aus der Zeitschrift »Radio Fernsehen Elektronik« (1969), Heft 3, Seiten 69 bis 73 bekannt, in der auf Seite 70 anhand von Bild 1 ein mit Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aufgebauter Differenzverstärker beschrieben ist Zwei MOSFETs, deren Gate-Elektroden Gegentakteingangssignale zugeführt werden, bilden den eigentlichen Differenzverstärkenihre zusammengeschalteten Source-EIektroden sind mit dem Ausgang einer Stromquelle in Form eines aus Bipolartransistoren aufgebauten Stromspiegels verbunden, dessen Eingangsklemme über die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors am Eingang eines weiteren, ebenfalls mit Bipolartransistoren aufgebauten Stromspiegels liegt, dessen Ausgangskreis seinerseits die Last zwischen die Ausgangselektrode des einen Differenzverstärkertransistors und die Betriebsspannung geschaltet ist, während die Ausgangselektrode des anderen Differenzverstärkertransistors über einer Diode an derselben Betriebsspannung liegt. An der Gate-Elektrode des dem Stromquellen-Stromspiegel vorgeschalteten Feldeffekttransistorsliegtebenfallsdiese Betriebsspannung.

Es sind ferner aus den US-PS 31 35 926 und 38 63 169 Verbundtransistoren bekannt, wobei im erstgenannten Falle ein Eingangssignal dem Gate eines Eingangsfeldeffekttransistors zugeführt wird, der sourceseitig an einem Pol einer Betriebsspannungsquelle liegt. An seine Drainelektrode ist ein als hochohmige Last geschalteter Feldeffekttransistor angeschlossen, der mit Gate- und Sourceelektrode an der Drainelektrode des Eingangsfeldeffekttransistors liegt, während er mit seiner Drainelektrode an den anderen Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist. Das an der Drainelektrode des Eingangstransistors abgenommene verstärkte Signal wird dem Gate eines als Sourcefolger geschalteten weiteren Feldeffekttransistors zugeführt, dessen Sourceelektrode den Ausgangsanschluß bildet und über einen Arbeitswiderstand mit dem Betriebsspannungspol und dessen Drainelektrode mit dem Betriebsspannungspol der Spannungsquelle verbunden ist. Bei diesen Schaltungen handelt es sich also um einen zweistufigen Transistorverstärker, dessen Eingangstransistor in Sourcegrundschaltung betrieben ist und auf einen als hochohmige Impedanz geschalteten Lasttransistor arbeitet und dessen Ausgangstransistor lediglich einen Impedanzwandler bildet.

Im Falle der US-PS 38 63 169 dient als »Basis« des Verbundtransistors der Emitter eines Eingangsbipolartransistors, dessen Kollektor an den Eingangsanschluß eines aus Feldeffekttransistoren aufgebauten einfachen Stromspiegels angeschlossen ist (bei dem Drain und Gate eines Feldeffekttransistors mit dem Gate eines zweiten Feldeffekttransistors verbunden sind und den Eingangsanschluß des Stromspiegels bilden, während die zusammengeschalteten Sourceelektroden an einer Bezugsspannung liegen und die Drainelektrode des anderen Feldeffekttransistors die Ausgangsklemme des Stromspiegels bildet). Die Ausgangsklemme des FET-Stromspicgels liegt an der Basis ck.'es Ausgangsbipol.irtransistors.dessen Emitterden »Kollektor« des Verbundtransistors darstellt und dessen Kollektor mit der Basis des Eingangsbipolartransistors verbunden ist undden »Emitter« des Verbundtransistors bildet. Dieser bekannte Verbundtransistor soll sich insbesondere für quasikomplementäreGegentaktschaltungeneignen.

Aus der DE-OS 19 43 841 ist eine Phasenumkehrstufe mit einem üblichen Stromspiegelverstärker aus zwei Transistoren bekannt, zwischen dessen Eingangskreis

ίο und die Betriebsspannungsquelle die Kollektor-Emitter-Strecke eines Eingangstransistors geschaltet ist, dessen Basis das zu invertierende Eingangssignal zugeführt wird. Der Ausgangskreis des Stromspiegels liegtüber eine Last ebenfalls an der Betriebsspannungsquelle.

Eine bekannte Methode zur Realisierung von Verbundtransistoren hoher Transkonduktanz besteht darin, den Kanalstrom eines Feldeffekttransistors mit der Stromverstärkung eines bipolaren Transistors zu multiplizieren, so daß die effektive Transkonduktanz des Feldeffekttransistors erhöht wird. In der USA-Patentschrift 32 64 493 ist eine Darlington-Kfiskadenschaltung aus einem Feldeffekttransistor und einem Bipolartransistor desselben Leitfähigkeitstyps beschrieben, bei welcher die Source- und Draineleketrode des Bipolartransistors verbunden sind. Die Firma Valvo stellt eine Verbundschaltung mit der Typenbezeichnung TA 320 her, in welcher ein Feldeffekttransistor und ein Bipolartransistor komplementärer Leitfähigkeitstypen enthalten sind und der Source- und Drainelektroden des

jo Feldeffekttransistors mit der Kollektor- bzw. der Basiselektrode des Bipolartransistors verbunden sind.

Beim Entwurf integrierter Schaltungen muß man darauf vertrauen können, daß Paare von Schaltungselementen hinsichtlich bestimmter Kenngrößen von sich aus einander gut angepaßt sind, weil man hier nicht unter mehreren getrennt hergestellten Bauteilen auswählen kann. Paare von Verbundschaltungen des vorstehend beschriebenen Typs lassen sich jedoch nicht mit genau vorhersagbarem gegenseitigem Transknnduktanzverhältnis herstellen, so daß sie für viele integrierte Schaltungen nicht gut brauchbar sind.

Wäfc -:end man das Verhältnis zwischen den Transkonduki.anzen von Feldeffekttransistoren mit einem hohen Maß an Gewißheit vorhersagen kann, können sich bei Bipolartransistoren die Vorwärts-Stromverstärkungen in Emitterschaltung (d. h. die sogenannten Afe-Pbraineter) von Fall zu Fall unterscheiden, und zwar in der Größenordnung von 10 Prozent

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die aus den vorstehend genannten Gründen beschränkte Brauchbarkeit von Verbundtransistoren hoher Transkonduktanz zu verbessern. Diese Aufgabe wird im Prinzip mit den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Wenn man die Transkonduktanzen von Feldeffekttransistoren gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erhöht, daß man die Kanalströme der Feldeffekttransistoren durch Ausnutzung der Verstärkungsfaktoren von Stromspiegelverstärkern verstärkt, dann läßt sich das

_b0 Verhältnis zwischen den Transkonduktanzen der resultierenden Verbundtransistoren fast ebenso genau einhalten wie das Verhältnis zwischen den Transkonduktanzen der im Verbund befindlichen Feldeffekttransistoren selbst Außerdem bringt der Einsatz solcher Verbundtransistoren an Stelle einfacher Feldeffekttransistoren in bestimmten oükannten Schaltungsanordnungen (z. B. in source-gekoppelten Gegentaktstufen, Invertern und Stromspiegelverstärkern) unerwartete

Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit dieser Schaltungen.

Verschiedene Ausführungsformen von Verbundtransistorschaltungen, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ausgelegt sind, lassen sich miteinander kombinieren bzw. so modifizieren, daß sich eine Vielzahl neuartiger Konfigurationen ergibt, die als Weiterbildungen der Erfindung in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Einzelheiten, besondere Ausführungsformen und to Weiterbildungen der Erfindung werden nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt teilweise in Blockform das Schaltschema der erfindungsgemäßen Grundschaltung;

F i g. 2 ist ein Detailschaltbild einer Ausführungsform ι > der in F i g. 1 dargestellten Grundschaltung;

F i g. 3 ist ein Detailschaltbild einer anderen Ausführungsform der in F i g. 1 dargestellten Grundschaltung;

F i g. 4 und 5 zeigen Kombinationen der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen zur Bildung invertierender Verstärkerstufen;

F i g. 6 zeigt die Ausführungstorrn nach F i g. 3 in einer Anschlußweise, die eine Vorspannungsquelle bildet;

F i g. 7 veranschaulicht den Einsatz der Anordnung nach F i g. 6 zur Vorspannung eines aus Feldeffekttran- 2; sistoren gebildeten Stromspiegelverstärkers;

Fig.8, 9 und 10 veranschaulichen den Einsatz der Ausführungsform nach Fig.3 in verschiedenen, aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegelverstärkern;

Fig. 11 und 12 zeigen zwei unterschiedliche Arten, wie zwei Verbundtransistorschaltungen in ihrer Ausführungsform nach F i g. 3 miteinander kombiniert werden können, um selbst einen Stromspiegelverstärker zu bilden.

Das in F i g. 1 dargestellte Prinzipschaltbild ist im Grunde eine Verstärkcränördnung mit einer Eingangsklemme 1 und zwei Ausgangsklemmen 2 und 3. Die Eingangsklemme 1 ist mit der Gateelektrode eines Feldeffekttransistors 4 verbunden, dessen Kanal zwisehen die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse eines Stromspiegelverstärkers 5 geschaltet ist Der Ausgangsanschluß und der dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsame Anschluß des Stromspiegelverstärkers 5 sind mit den Ausgangsklemmen 2 bzw. 3 verbunden.

Ein Stromspiegelverstärker oder kurz »Stromspiegel« ist ein invertierender Stromverstärker, dessen Verstärkungsfaktor —m durch das Verhältnis bestimmt ist in welchem die Transkonduktanz bestimmter Einzeloder Teiltransistoren des Verstärkers zueinander stehen. Da sich die Transkonduktanz integrierter Transistoren innerhalb desselben integrierten Schaltungsplättchens genau bemessen läßt, ist die Stromverstärkung eines integrierten Stromspiegels klar definiert und kann zuverlässig vorhergesagt werden. Während die /^-Parameter von Bipolartransistoren von Transistor zu Transistor in einer integrierten Schaltung nicht genau definiert sind, gehört das Verhältnis zwischen ihren Transkonduktanzen mit zu den am besten definierten Parametern einer integrierten Schaltung. &o

Der Kanal des Feldeffekttransistors 4 bildet mit dem Eingangskreis des Stromspiegels 5 eine Reihenschaltung zwischen den Klemmen 2 und 3. Der auf ein an der Klemme t zugeführtes Eingangssignal hin fließende Kanalström des Feldeffekttransistors 4 fließt zwischen _b5 den Klemmen 2 und 3, ebenso wie der m-mal so große Ausgangsstrom des Stromspiegels. Der zwischen den Klemmen 2 und 3 fließende Gesamtstrom ist daher (m + I)-mal so groß, wie wenn die Transkonduktanz des Feldeffekttransistors 4 nicht mit der Stromverstärkung des Stromspiegels 5 multipliziert v/ürde. Der Feldeffekttransistor 4 kann entweder vom Anreicherungs- oder vom Verarmungstyp sein, er kann mit isolierter Gateelektrode z. B. in MOS-Bauweise (Metall-Oxyd-Halbleiter-Aufbau) ausgeführt oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (Junction-Typ) sein.

Die Fig.2 zeigt eine Ausführungsform der Verstärkerschaltung nach Fig. 1. Der Stromspiegel 5 entspricht der einfachen Anordnung, wie sie in den USA-Patentschriften 33 91 311 und 33 92 342 beschrieben ist Ein Stromspiegel besteht im Grunde aus zwei Transistoren wie 6 und 7. Der erste dieser Transistoren, z. B. der Transistor 6, ist mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke galvanisch zwischen den Eingangsanschluß und den gemeinsamen Anschluß des Stromspiegels gekoppelt und mit einer Gleichstromrückkopplung zwischen Kollektor und Basis verseilen, die beispielsweise aus einem Leiter bestehen kann. Diese Rückkopplung dient dazu, die Basis-Emitter-Spannung dieses ersten Transistors so einzustellen, daß sein Kollektor-Emitter-Strom im wesentlichen gleich ist dem angelegten Strom, der zwischen dem Eingangsanschluß und dem gemeinsamen Anschluß des Transistors fließt (mit dem Ausdruck »gemeinsamer Anschluß« wird in Zukunft stets derjenige Anschluß bezeichnet, der dem Eingangskreis und devi Ausgangskreis gemeinsam ist). Dieselbe Basis-Emitter-Spannung wird dem zweiten Transistor 7 angelegt, so daß der Kollektorstrom des zweiten Transistors zum Kollektorstrom des ersten Transistors im gleichen Verhältnis steht, wie die Transkonduktanz des zweiten Transistors zur Transkonduktanz des ersten Transistors. Das Verhältnis zwischen den Transkonduktanzen von Transistoren mit den gleichen Sperrschichtprofilen und Temperaturen in einer integrierten Schaltung ist im wesentlichen gleich dem Verhältnis, welches die Flächen der betreffenden Basis-Emitter-Übergänge zueinander haben. In den Figuren ist die Größe der Fläche des Basis-Emitter-Übergangs eines bestimmten Transistors im Verhältnis zu einer willkürlich angenommenen Normgröße als Zahl in einem kleinen Kreis neben dem Emitteranschluß des betreffenden Transistors angegeben. Im Falle der F i g. 2 beträgt das Flächenverhältnis 1 : m, womit der Stromverstärkungsfaktor des Stromspiegels 5 gleich — m wird.

Bei der Verstärkeranordnung nach Fig.2 ist der Feldeffekttransistor 4' ein N-Kanal-Transistor, d. h, er ist vom gleichen Leitungstyp wie die NPN-Transistoren 6 und 7. Der Stromspiegel 5 kann als NPN-Verbundtransistor betrachtet werden. Die SourceelektroUe und die Drainelektrode des Feldeffekttransistors 4' sind mit dem Eingangsanschluß bzw. dem Ausgangsanschluß des Stromspiegels 5 verbunden. Die Klemme 3 ist die gemeinsame Klemme für den Eingangskreis und den Ausgangskreis.

Die gleichstrommäßige Kollektor-Basis-Rückkopplung des ersten Transistors bewirkt, daß die Eingangsimpedanz des Stromspiegels 5 im Vergleich zum Quellwiderstand (Sourceimpedanz) des Feldeffekttransistors 4' sehr niedrig ist Wenn zwischen die Klemmen 3 und 1 eine Eingangsspannung gelegt wird, dann erscheint eine um etwa 0,6 Volt niedrigere Spannung Vcszwischen Source und Gate des Feldeffekttransistors 4'. Der Drain-Source-Strom des Feldeffekttransistors 4' fließt durch den Eingangskreis des Stromspiegels 5 und bewirkt im Transistor 7 einen praktisch m-mal höhreren Kollektor-Emitter-Strom. Aus der üblichen Kennlinie

des Feldeffekttransistors 4\ die den Drainstrom I_P über der Source-Drain-Spannung Vds als Funktion verschiedener Werte der Source-Gate-Spannung Vqs angibt, läßt sich die Kennlinie für die Verbundverstärkerschaltung erhalten, indem man folgendermaßen vorgeht: Die Werte Vos werden um 0,6 Volt erhöht, und die Vns-Skala wird um 0,6 Volt in positiver Richtung verschoben. Diese beiden Schritte werden durchgeführt, um den Spannungsabfall am Eingangskreis des Stromspiegeis 5 zu berücksichtigen. Die /o-Stromskala wird mit dem Faktor (m + 1) multipliziert

Die Fig.3 zeigt eine andere Ausführungs/orm der Verstärkerschaltung nach F i g. 1, wobei der Leitungstyp des Feldeffekttransistors 4" komplementär gegenüber dem Leitungstyp des Stromspiegels S ist. In diesem Fall ist die Drainelektrode des Feldeffekttransistors 4 mit dem Eingangskreis und die Sourceelektrode mit dem Ausgangskreis des Stromspiegels 5 verbunden. Die Klemme 2 ist die dem Eingangs- und Ausgangskreis der Verstärkerschaltung nach F i g. 3 gemeinsame Klemme.

Eine zwischen die Klemmen 1 und 3 gelegte Eingangsspannung läßt einen Drainstrom des Feldeffekttransistors 4" durch den Eingangskreis des Stromspiegels 5 fließen, so daß durch den Transistor 7 ein Kollektor-Emitter-Strom fließt, der den n-fachen Betrag des Drainstroms hat Die Kennlinie des mit der Verstärkerschaltung nach F i g. 3 gebildeten »Verbundtransistors« kann aus der üblichen Id Vas-Kennlinienschar auf folgende Weise erhalten werden: Die Vbs-Skala wird um 0,6 Volt in positiver Richtung verschoben, um den Spannungsabfall im Eingangskreis des Stromspiegels 5 zu berücksichtigen. Die /o-Skala wird mit dem Faktor (n + 1) multipliziert

Es ist eine große Zahl verschiedenartiger Stromspiegel bekannt, die an die Stelle des in der F i g. 2 oder 3 gezeigten einfachen Stromspiegels treten können, um die vorliegende Erfindung in verschiedener Weise auszuführen. Solche Stromspiege! können Feldeffekttransistoren anstelle von Bipolartransistoren enthalten. Der einfache mit Bipolartransistoren aufgebaute Stromspiegel ist jedoch in solchen Schaltungen vorteilhaft bei denen die für den Feldeffekttransistor verfügbare Spannung Vds begrenzt ist

Die Fig.4 bis 14 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die dargestellten Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp mit isolierter Gateelektrode sind (IGFETs). Hierzu kann man beispielsweise sogenannte MOSFETs nehmen, d.h. Feldeffekttransistoren mit Metall-Oxyd-Halbleiter-Aufbau.

Die F i g. 4 zeigt einen Umkehrverstärker (Inverter), der aus einer Verstärkerschaltung nach F i g. 2 und einer Verstärkerschaltung nach F i g. 3 besteht, die jeweils als Verbundelemente die JV-Kanal- bzw. P-Kanal-Feldeffekttransistoren eines herkömmlichen komplementären MOS-Umkehrverstärkers (CMOS-Inverter) ersetzen mögen. Die beiden Typen von Verstärkerschaltungen werden verwendet, um Elemente komplementärer Leitfähigkeit darzustellen, und sie können in der Schaltungsanordnung integriert werden, indem man alle Bipolartransistoren in Vertikalstruktur mit ein- und demselben Leitfähigkeitstyp ausbildet Die Klemme 8 bildet den Eingang und die Klemme 9 den Ausgang des Inverters. Die Einfügung der Stromspiegel 5 und 5' bringt sehr geringe zusätzliche Streukapazität in den Schaltungsaufbau, insbesondere wenn die Transistoren 7 und T zusammen mit den Feldeffekttransistoren 4" und 4' integriert sind. Die Transkonduktanzen (g_m-Werte) der Verbundanordnungen können wesentlich größer als diejenigen einfacher Feldeffekttransistoren gemacht werden, trotzdem bleiben die Streukapazitäten (C-Werte) etwa dieselben. Dies führt zu Verbesserung des Verhältniswerts gJCund erhöht somit das Produkt von

Verstärkungsfaktor und Bandbreite.

Die Sättigungswiderstände der jeweils durch Transistorverbund gebildeten Elemente sind wesentlich niedriger als bei einfachen Feldeffekttransistoren, und es ergibt sich eine niedrigere Ausgangsimpedanz

ίο während des Schaltens für einen gegebenen Stromverbrauch. Wenn im »eingeschalteten« Zustand die Drainströme hoch sind (z. B. höher als 100 Microampere), dann ist die Sättigungsspannung beim Verbundelement niedriger als beim einfachen Feldeffekttransistor.

Die Offsetspannung an dem sich selbst vorspannenden Transistor 6' ist nicht frei von Unempfindlichkeit gegenüber dem Eingangsrauschen, was jedoch meist einen nur geringen Nachteil darstellt Man kann die Stromverstärkung —(m+ 1) und — (n + 1) der Strom-

->υ spiegel 5 und 5' verschieden machen, um die komplementären Übertragungscharakteristika der Verbundelemente gewünschtenfalls zu justieren oder sie einander gleich einzustellen. Wenn wie im vorliegenden Fall das Transkonduk tanzverhältnis zwischen den als Paar einander zugerod- neten komplementärleitfähigen Elementen genau vorhergesagt werden kann, dann ist die Störfestigkeit gegenüber Rauschen jeder Polarität vorhersagbar, so daß man sich darauf einstellen kann. Die F i g. 5 zeigt einen komplexeren Umkehrverstärker, der jedoch viele Merkmale mit dem Verstärker nach F i g. 4 gemeinsam hat Ein doppelter Ausgangsstromspiegel 10 reagiert auf einen seiner Eingangsklemme 11 zugeführten Steuerstrom Ist mit einem Bedarf an Ausgangsströmen 1\ und

h. Die Ströme h und h halten Teilbeträge der Ströme, die ansonsten in voller Höhe zu den Eingangskreisen der Stromspiegel 5 bzw. 5' fließen würden, von diesen Eingangskreisen ab. Dies erlaubt eine einstellbare Reduzierung des Stromflußes in den Kollektor-Emitter- Strecken der Transistoren 7 und 7', wenn das Ausgangssignal des Umkehrverstärkers an der Klemme 9 auf eimern Ruhewert liegt d. h. mitten zwischen den Versorgungspotentialen + V und — V. Man kann dafür sorgen, daß sich der Steuerstrom Ist im wesentlichen linear mit der Potentialdifferenz zwischen + Vund — V ändert z. B. indem man ein ohmsches Element 121 zwischen das Potential + Vund die Klemme 11 schaltet Man kann im Umkehrverstärker nach F i g. 5 eine Diode 111 vorsehen, um die Symmetrie der Signalausschläge am Ausgang zu verbessern.

Die Fig.6 zeigt eine Vorspannungsquelle, die bei Beaufschlagung mit einem aus einer Konstantstromquelle 12 kommenden Strom zwischen ihren Klemmen 13 und 14 eine Offsetspannung entstehen läßt, die im wesentlichen l'/2mal so hoch wie die Offsetspannung am selbstvorgespannten Feldeffekttransistor 15 ist Dieser selbstvorgespannte Feldeffekttransistor 15 und ein ebenfalls selbst-vorgespannter Verbundtransistor 16, der ähnlich wie die Verstärkerschaltung nach F i g. 3 aufgebaut ist, sind in Reihe zueinander zwischen den Klemmen 13 und 14 angeordnet, um Strom aus der Stromquelle 12 zu empfangen. Der Spannungsabfall am selbstvorgespannten Verbundtransistor 16 ist gleich der Source-Gate-Spannung Vcs*- des Transistors 4". Wenn der Stromverstärkungsfaktor m des Stromspiegels 5 einige Male so groS wie der Wert 1 ist, dann fließt der größte Teil des von der Quelle 12 kommenden Stroms über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7

anstatt über die Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 4" und den selbstvorgespannten Transistor 6: Somit ist der erforderliche Wert von V_Csv zur Aufrechterhaltung dieses relativ kleinen Teilbetrags des von der Quelle 12 kommenden Stroms nur ein Bruchteil der Source-Gate-Spannung V_Gs is. die am selbstvorgespannten Feldeffekttransistor 15 erforderlich ist, um diesen Transistor den gesamten Strom von der Quelle 12 leiten zu lassen. Der selbstvorgespannte Verbundtransistor 16 kann mit einer beliebigen Anzahl η selbst-vorgespannter Feldeffekttransistoren 15 in Reihe geschaltet sein, um auf einen Vorstrom hin eine Spannung (n · Vos 15) + Vas*" zu erzeugen. Der zur Bildung des gewünschten Bruchteils von Vcs erforderliche Wert für m hängt von den jeweiligen Drainstrom/ Vcs-Kennlinien der Feldeffekttransistoren ab. Es ist darauf zu achten, daß der Bruchteil von Vcs groß genug gewählt wird, damit der zum Erreichen der Leitfähigkeit des Feldeffekttransistor!; notwendige Schwellenwert von Vcs überschritten wird und damit auch die Spannung Vds ausreichend hoch gehalten wird, um eine Spannungssättigung im Feldeffekttransistor zu vermeiden.

Die Fig.7 zeigt einen Stromspiegel 20 mit einer Eingangsklemme 21, einer gemeinsamen Klemme 22 und einer Ausgangsklemme 23. Ein Feldeffekttransistor 24 befindet sich in Kaskodeschaltung mit einem Feldeffekttransistor 25, und der Drainstrom des Feldeffekttransistors 24 wird über den Feldeffekttransistor 25, der hierfür als Verstärker in Gate-Schaltung arbeitet, zur Eingangsklemme 21 geführt. Die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 24 ist ebenfalls mit der Klemme 21 verbunden, so daß dieser Transistor selbstvorgespannt ist, d. h. mit automatischer Vorspannung betrieben wird, womit sein Drainstrom gleich dem von der Klemme 21 angeforderten Strom gemacht wird. Der Feldeffekttransistor 24 ist mit einem weiteren Feldeffekttransistor 26 Source an Source und Gate an Gate zusammengeschaltet, so daß die Spannungen Vas dieser Transistoren einander gleich sind und ihre Drainströme zueinander im selben Verhältnis wie ihre Transkonduktanzen stehen. Der Feldeffekttransistor 26 befindet sich in Kaskodeschaltung mit einem Feldeffekttransistor 27, und der Drainstrom des Feldeffekttransistors 26 wird durch den hierfür als Verstärker in Gate-Schaltung wirkenden Feldeffekttransistor 27 ohne Verstärkung oder Dämpfung zur Ausgangsklemme 23 geführt

Die Potentiale an den Gateelektroden der Feldeffekttransistoren 25 und 27 sind jeweils gegenüber dem Potential der gemeinsamen Klemme 22 um ein Maß versetzt, welches im wesentlichen das 1,5-fache der Vas-Werte der Feldeffekttransistoren 24,25,26,27 für Ströme im Nennbereich der Schaltungsanordnung. Dieser Potentialoffset wird mit einer Vorspannungsquelle nach Fig.6 erzeugt, deren Klemme 13 mit der gemeinsamen Klemme 22 und deren Klemme 14 mit den zusammengeschalteten Gateelektroden der Feldeffekttransistoren 25 und 27 verbunden wird. Eine Sourcefolgerwirkung der Feldeffekttransistoren 25 und 27 führt dazu, daß ihre Source-Ruhepotentiale um etwa 0,5 V_Gs weniger positiv sind als das Potential an der Klemme 22, so daß die Vßs-Ruhespannungen der Feldeffekttransistoren 24 und 26 etwa 0,5 χ so groß wie ihre Vbs-Ruhespannungen sind.

Der Stromverstärker 20 hat die attraktive Eigenschaft, daß seine Eingangsspannung zwischen den Klemmen 21 und 22 trotz der Kaskodeschaltung der Feldeffekttransistoren 24 und 25 nur 1 V_GS beträgt. Ferner kann trofz der Kaskodeschaltung der Feldeffekttransistor 26 und 27 die Ausgangsspannung des Stromverstärkers zwischen den Klemmen 23 und 22 nahe an die Hälfte des Werts Vgs heranreichen, ohne die Stromverstärkung des Verstärkers 20 merklich zu beeinträchtigen. Der Feldeffekttransistor 25 wird somit bei einer Drain-Source-Spannung Vds betrieben, die ungefähr halb so groß wie die Gate-Source-Spannung Vcs dieses Transistors ist.

Infolge der Kaskodeschaltung der Feldeffekttransistoren 26 und 27 ist die Drainelektrode des Feldeffekttransistors 26 gut gegenüber Potentialänderungen an der Klemme 23 entkoppelt, so daß Differenzen in den Spannungen Vds zwischen den Feldeffekttransistoren 24 und 26, die das Transkonduktanzverhältnis zwischen diesen Feldeffekttransistoren beeinflussen könnten, wesentlich reduziert werden. Dies führt dazu, daß die in die Klemme 23 zurückgemessene Ausgangsimpedanz höher ist. Auch wird das Verhältnis zwischen den Transkonduktanzen der Feldeffekttransistoren 24 und 26 und somit die Stromverstärkung des Verstärkers 20 im wesentlichen allein durch die Geometrie der Feldeffekttransistoren 24 und 26 bestimmt und ist somit weniger abhängig von Schwankungen der Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 22 und 23.

Die Fig.8 zeigt einen Stromspiegel 30 mit einer Eingangsklemme 31, einer gemeinsamen Klemme 32 und einer Ausgangsklemme 33. Die Stromverstärkung

ίο des Stromspiegels 30 ist gleich der Transkonduktanz des Transistors 36 dividiert durch die Transkonduktanz des Transistors 34. Der Feldeffekttransistor 34 hat eine über die Elemente 35 und 38 führende Drain-Gate-Rückkopplung, um die Source-Gate-Spannung Vcs μ dieses Feldeffekttransistors auf einen Wert zu stabilisieren, bei dem dieser Feldeffekttransistor einen Drainstrom liefert, der gleich dem an der Klemme 31 angeforderten Strom — ic ist Die zwischen Source und Gate des Feldeffekttransistors 36 gelegte Spannung Vcsx führt dazu, daß der von diesem Feldeffekttransistor gelieferte Drainstrom proportional dem vom Feldeffekttransistor 34 gelieferten Drainstrom ist, und zwar entsprechend dem Verhältnis der Transkonduktanzen der Feldeffekttransistoren 36 und 34. Der Drainstrom des Feldeffekttransistors 36 wird über die Elemente 37 und 39 ohne Verstärkung oder Dämpfung auf die Ausgangsklemme 33 gekoppelt Die Art der Zusammenschaltung des Feldeffekttransistors 35 mit dem Stromverstärker 38 ist ähnlich wie die Zusammenschaltung des Feldeffekttransistors 4" mit dem Stromspiegel 5 in der selbstvorgespannten Verbundtransistorschaltung 16 nach Fig.6. So wie die Schaltung 16 zwischen ihren Klemmen 2 und 4 eine Spannung aufrechterhält, die im wesentlichen gleich ist der halben Spannung V_Gs des vom selben

Strom aus der Quelle 12 durchflossenen selbstvorgespannten Feldeffekttransistors 15, wird auch im Stromverstärker 30 nach Fig.8 durch die Zusammenschaltung des Feldeffekttransistors 35 und des Stromverstärkers 38 als Reaktion auf den Drainstrom des Feldeffekttransistors 34 zwischen der Drainelektrode des Feldeffekttransistors 34 zwischen der Drainelektrode des Feldeffekttransistors 34 und der Eingangsklemme 31 eine Spannung aufrechterhalten, die im wesentlichen gleich ist der Hälfte der Spannung V_GS3*.

_e, Das heißt, der Feldeffekttransistor (34 wird bei einer Source-Drain-Spannung Vds 34 betrieben, die im wesentlichen halb so groß wie die Gate-Source-Spannung V_Gs 3* ist, was seine Transistorwirkung nicht wesentlich

stört und was dazu führt, daß Vdsv, einen ähnlichen Wert wie die Source-Drain-SpSnnung Vdsx des Feldeffekttransistors 36 hat.

Der Feldeffekttransistor 36 wird nun mit einer festen ;>ource-Drain-Spannung Vpsx betrieben, anstatt seine Drainelektrode direkt mit der Ausgangsklemme 33 zu verbinden. Hiermit soll erreicht werden, daß die Transkonduktanz des Feldeffekttransistors 36 (und somit auch die Stromverstärkung des Stromverstärkers 30) weniger stark durch Spannungsausschläge an der Ausgangsklemme 33 beeinträchtigt wird. Zu diesem Zweck ist die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 37 auf das gleiche Potential vorgespannt wie die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 35, und der Stromverstärker 39 dient dazu, einen gleichen Teil des Stroms /, durch den Ausgangskreis des Stromverstärkers 39 statt durch seinen Eingangskreis und den Kanal des Feldeffekttransistors 37 zu leiten. Wenn somit die Feldeffekttransistoren 37 und 36 bezüglich ihrer Geometrien von Karsai und Gate im gleichen Verhältnis aufeinander abgestimmt sind wie die Feldeffekttransistoren 35 und Ii-zueinander, dann sind die Spannungen Vas der Feldeffekttransistoren 35 und 37 beide etwa gleich 0,5 Vgs 34- Somit sind Vas» und Vds 34 beide im wesentlichen einander gleich und gleich mit 0,5 Vgs 34·

Die F i g. 9 und 10 zeigen Varianten 30' und 30" des Stromverstärkers 30. In der Schaltung nach F i g. 9 sind die Gateelektroden der Feldeffekttransistoren 34 und 36 auf das Potential des Eingangsanschlusses 41 anstatt auf das Potential des gemeinsamen Anschlusses des Stromverstärkers 36 vorgespannt Dies erhöht die auf —Ic ansprechende Eingangsspannung zwischen den Klemmen 31 und 32 auf Vgs 34 plus der Basis-Emitter-Offsetspannung des Eingangstransistors des Stromverstärkers 38. Hiermit kann die Spannung Vgs des Feldeffekttransistors 35 etwas höher werden, ohne Vos 34 in unerwünschter Weise zu vermindern, so daß (m + 1) kleiner gemacht werden und somit Platz auf einem integrierten Schaltungsplättchen gespart werden kann. Im Falle der Fi g. 10 sind auch die Gateelektrode der Feldeffekttransistoren 35 und 37 mit dem Eingangsanschluß des Stromspiegels 38 verbunden.

Die F i g. 11 zeigt einen Stromverstärker 40 mit außergewöhnlich guter Bandbreite. Zwei Feldeffekttransistoren 44 und 54 sind beide mit ihren Gateelektroden an die Eingangsklemme 41 eines Stromverstärkers 40 angeschlossen und beide mit ihren Sourceelektroden an die gemeinsame Klemme 42 angeschlossen. Die Feldeffekttransistoren 44 und 54 haben somit im wesentlichen gleiche Gate-Source-Spannungen Vgs, und ihre Drainströme stehen zueinander im selben Verhältnis wie ihre Transkonduktanzen. Die Transkonduktanzen der Feldeffekttransistoren 44 und 54 stehen in proportionaler Beziehung zum jeweiligen Verhältnis der Kanalbreite zur Kanallänge, wobei die Beziehung umso besser eingehalten wird,, je enger sich die Spannungen Vas. des Feldeffekttransistoren 44 und 54 gleichen.

Infolge der direkten Verbindung zwischen der Eingangsklemme 41 und der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 44 stellt sich die Spannung V_Gsu auf einen solchen Wert ein, daß der Drainstrom des Feldeffekttransistors 44 im wesentlichen gleich — IJ (m + 1) ist Dieser dem Eingangsanschluß des Stromspiegels 45 zugeführte Strom hat zur Folge, daß dieser Stromspiegel einen Strom gleich — I_c von seinem mit der Eingangsklemme 41 verbundenen gemeinsamen Anschluß liefert Ein Strom von im wesentlichen dem Betrag -mIe/{m+\) fließt von der gemeinsamen Klemme 42 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 47 zur Eingangsklemme 41. Somit stellt die Drain-Gate-Rückkopplung des Feldeffekttransistors 44 die Summe der Emitterströme der Sperrschichttransistoren 4S und 47 auf einen Wert ein, der gleich ist dem an der Eingangsklemme 41 geforderten Strom — Z₈.

Der Drainstrom des Feldeffekttransistors 54· wird direkt auf die Ausgangsklemme 43 des Stromverstär kers gekoppelt Im Stromverstärker 40 erfolgt diese direkte Kopplung mit Hilfe eines Stromspiegels 55, der so geschaltet ist, daß er den Drainstrom des Feldeffekttransistors 54 mit dem Faktor (m + 1) multipliziert. Der Transistor 56 stellt seine Basis-Emit ter-Spannung so ein, daß er den Drainstrom des Feldeffekttransistors 54 aufnimmt, dieser Drainstrom ist gleich -IJ(m + 1), wobei k = gm^gms*- Durch entsprechende Bemessung des Verhältnisses zwischen den effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen der Transi stören 57 und 56 ist dafür gesorgt, daß der Emittcrstrorr. des Transistors 57m-mal so groß wie der Emitterstrom des Transistors 56 ist. Das heißt, der Emitterstrom des Transistors 57 ist gleich — kmle/(m + 1) und wird mit dem von der Klemme 42 zum Kollektor des Transistors 57 fließenden Strom bereitgestellt Die Summe der Emittersiröme der Transistoren 56 und 57, die — kl_c beträgt, fließt zur Ausgangsklemme 43.

Mit der Schaltungsanordnung nach F i g. 11 läßt sich deswegen eine bessere Bandbreite als mit normalen Feldeffekttransistor-Stromspiegeln erzielen, weil der Stromspiegel 45 die Transkonduktanz des Feldeffekttransistors 44 mit einem Faktor multiplizieren kann, der größer ist als der Faktor, um den die Kapazität an der Eingangsklemme 41 infolge des Vorhandenseins des Stromspiegels erhöht wird Der Stromverstärker 40 hat außerdem eine niedrigere Offsetspannung am Eingang als bekannte Feldeffekttransistor-Stromspiegelverstärker, weil die Spannung Vgs des Feldeffekttransistors 44 gemäß der Erfindung klein gehalten wird.

Der in Fig. 12 dargestellte Stromverstärker 40' unterscheidet sich vom Stromverstärker 40 darin, daß das Potential an den Gateelektroden der Transistoren 44 und 54 gegenüber dem Potential an der Eingangsklemme 41 um die Offsetspannung am selbstvorge- spannten Transistor 46 versetzt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbundtransistorschaltung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer gemeinsamen (Bezugs-)Klemme und mit einem Transistor, dessen Steuerelektrode an die Eingangsklemme angeschlossen ist und dessen Hauptstromstrecke in Reihe mit dem Eingangskreis eines mit seinem Ausgangskreis zwischen die Ausgangsklemme und die gemeinsame Klemme geschalteten Stromspiegelverstärkers zwischen eine dessen Eingangsstrom liefernde Quelle und die gemeinsame Klemme geschaltet ist, dadurc'h gekennzeichnet, daß der Transistor ein mit seiner Source-Drain-Strecke in Reihe mit dem Eingangskreis des Stromspiegelverstärkers (5) zwisehen die Ausgangsklemme (2oder3) und die gemeinsame Klemme(3oder2)geschalteter Feldeffekttransistor (4,4', 4") ist derart, daß der Ausgangsstrom der Verbundtransistorschaltung die Summe des Sou»ce-Drain-Strojnas des Feldeffekttransistors (4,4',4") and des Ausgangsstromes des Stromspiegelverstärkers (5) ist und die Transkonduktanz der Verbundtransistorschaltung entsprechend dem Produkt aus der Transkonduktanz des Feldeffekttransistors mit dem um die Zahl 1 vermehrten festen Verhältnis m der TranskonduktanzenderTransistoren(7,6)desStromspiegelverstärkersbestimmbarist.

2. Verbundtransistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegelverstärker (5) aus Bipolartransistoren (6, T) besteht, deren jeder sine Basiszone eines Leitungstyps (P) hat, der dem Leitungstyp (N) des Kanals des Feldeffekttransistors (?') entgegengesetzt ist, und daß die Sourceelektrodv des Feldeffekttransistors mit der Eingangsklemme des S.romspiegelverstär- ^ kers und die Drainelektrode des Feldeffekttransistors mit der Ausgangsklemme des Stromspiegelverstärkers verbunden ist (F i g. 2).

3. Verbundtransistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegelverstärker (5) aus Bipolartransistoren (6, 7) besteht, deren jeder eine Basiszone eines Leitungstyps (P) hat, der dem Leitungstyp (P) des Kanals des Feldeffekttransistors (4') gleich ist, und daß die Drainelektrode des Feldeffekttransistors mit der Eingangsklemme des Stromspiegelverstärkers und die Souceelektrode des Feldeffekttransistors mit der Ausgangsklemme des Stromspiegelverstärkers verbunden ist (F ig. 3).

4. Verbundtransistorschaltung nach Anspruch 3, ^5C> dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme des Stromspiegelverstärkers (5) an einer festen Versorgungsspannung (+V) liegt, um den Feldef fekttransistor als Verstärker in Source-Schaltung zu betreiben, und daß die gemeinsame Klemme (9) der Verbundtransistorschaltung mit der Ausgangsklemme einer weiteren Verbundtransistorschaltung verbunden ist, deren Eingang mit dem Eingang der ersten Verbundtransistorschaltung (bei 8) verbunden ist und deren gemeinsame Klemme eine zweite feste Versorgungsspannung (— V) empfängt, und daß die Feldeffekttransistoren in den beiden Verbundtransistorschaltungen von komplementärem Leitungstyp sind und daß die Bipolartransistoren (6, 7) des Stromspiegelverstärkers (5) in der einen Verbundtransistorschaltung vom gleichen Leitungstyp (NPN) sind wie die Bipolartransistoren (6', T) des Stromspiegel verstärke rs (5') in der anderen Verbundtransistorschaltung (F i g. 4 u. 5).

5. Verbundtransistorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Eingangskreis des Stromspiegelverstärkers verbundene Ende der Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors^Drain von 4" oder Source von 4') außerdem mit dem Ausgang einer Stromquelle (I\ oder I₂) verbunden ist, um einen Teil des vom Feldeffekttransistor (4" oder 4') geleiteten Stroms vom Eingangskreis des Stromspiegelverstärkers wegzulenken (F i g. 5).

6. Verbundtransistorschaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die gmeinsame Klemme des Stromspiegeiverstärkers mit der Eingangsklemme der Verbundtransistorschaltung verbunden ist und daß die Sourceelektrode des Feldeffekttransistors (4") mit der Ausgangsklemme (2) des Stromspiegeiverstärkers verbunden ist, um eine automatische Vorspannung des Feldeffekttransistors abhängig von einem der gemeinsamen Klemme oder der Ausgangsklemme zugeführten Strom zu erreichen und damit zwischen der gemeinsamen Klemme und der Ausgangsklemme eine Spannung zu erzeugen, die proportional zur Schwellenspannung des Feldeffekttransistors ist (Fig. 6,8,9,11).

7. Verbundtra<«istorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Klemme (31 oder 41) des Stromspiegeiverstärkers (38 oder 45) zum Empfang eines Eingangsstroms (—Ic) angeschlossen ist und daß die Eingangsklemme der Verbundtransistorschaltung mit einem Ende der Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors (35 oder 44) verbunden ist, um eine automatische Vorspannung des Feldeffekttransistors abhängig vom Eingangsstrom zu erreichen (F i g. 10,12).