DE2627339C2

DE2627339C2 - Bipolar-monolithisch integrierte Gegentakt-Endstufe für Digitalsignale

Info

Publication number: DE2627339C2
Application number: DE2627339A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7815 Kirchzarten Hoehn
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1976-06-18
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1978-06-01
Also published as: US4092552A; GB1529175A; FR2355408A1; JPS52155955A; DE2627339B1; NL7706610A; FR2355408B1

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Verbesserung bekannter bipolar-monolithisch integrierter Gegentakt-Endstufen für Digitalsignale, wie sie beispielsweise bei den sogenannten TTL-Schaltungen üblich sind, vgl. die Zeitschrift »L'Onde Electrique«, Mai 1968, S. 443 bis 448, insbesondere F i g. 3 auf S. 444.

Derartige Gegentakt-Endstuftn müssen eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, damit auch relativ niederohmige Lastwiderstände angeschlossen werden können. Ferner sollen sie eine möglichst kleine Sättigungsspannung bezogen auf den Schaltungsnullpunkt aufweisen, damit weitere am Ausgang zu betreibende logische Schaltungen direkt oder über einen Vorwiderstand angesteuert werden können. Auch sollen durch das Schaltverhalten der beiden Transistoren der Gegentakt-Endstufe keine Stromspitzen erzeugt werden, die bei Geräten, die integrierte Schaltungen mit solchen Gegentakt-Endstufen enthalten, auf den Betriebsspannungsleitungen zu andere Schaltungsteile beeinflussenden Störimpulsen führen. Schließlich soll die Gegentakt Endstufe im Hinblick auf die Möglichkeit der mehrfachen Verwendung in einer einzigen integrierten Schaltung möglichst wenig Kri stallfläche beanspruchen.

Die bekannten Gegentakt-Endstufen erfüllen die genannten vier Forderungen nur teilweise oder gar nicht, und eine optimale Abstimmung der einzelnen Forderungen aufeinander liegt auch nicht vor. Insbesondere ist die Forderung, daß beim Umschalten der beiden Transistoren keine Stromspitzen erzeugt werden, nicht erfüllt. Diese Forderung ist aber bei einer speziellen Anwendung solcher Gegentakt-Endstufen, nämlich bei Verwendung als Endstufen von in elektronischen Orgeln eingesetzten Frequenzteilern unbedingt zu

ίο erfüllen, da solche Orgeln eine umfangreiche Betriebsspannungs- und Steuerleitungsverdrahtung aufweisen, so daß Stromspitzen der Betriebsspannung starke Störungen in den gesteuerten Teilen hervorrufen.

Die Aufgabe der Erfindung, die eine bipolar-monolithisch integrierte Gegentakt-Endstufe für Digitalsignale entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 betrifft, besteht daher darin, die aufgezeigten Forderungen in optimaler Kombination zu erfüllen. Dies wird durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 erreicht. Eine bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 zeigt schematisch den Grundriß des bei der Erfindung verwendeten Doppelemittertransistors.

Im Schaltbild der Fig. 1 besteht die Gegentakt-Endstufe aus dem ersten Transistor 1, dessen Kollektor am spannungsführenden Pol + der Betriebsspannungsquelle Ub liegt, und dem zweiten Transistor 2, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt liegt und dessen Basis als Eingang 4 für das Digitalsignal dient. Der Emitter des ersten Transistors 1 ist mit dem Kollektor 33 des Doppelemittertransistors 3 verbunden, der auch den Ausgang 5 der Endstufe darstellt. Der erste Emitter 31 des Doppelemittertransistors 3 ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors 2 und der Basis des ersten Transistors 1 verbunden. Der zweite Emitter 32 des Doppele.Tiittertransistors 3 ist direkt an dessen Basis 34 angeschlossen. Der erste Transistor 1, der zweite Transistor 2 und der Doppelemittertransistor 3 sind von derselben Leitungsart, im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 npn-Transistoren.

Die Basis des ersten Transistors 1, der Kollektor des zweiten Transistors 2 und der erste Emitter 31 des Doppelemittertransistors 3 liegen über die Kollektor-Emitter-Strecke des als Widerstandsersatz dienenden Konstantstromquellentransistors 6 und die Basis 34 sowie der zweite Emitter 32 des Doppelemittertransistors 3 über die Kollektor-Emitter-Strecke des ebenfalls als Widerstandsersatz dienenden Konstantstromquellentransistors 7 am spannungsführenden Pol + der Betriebsspannungsquelle Ub- Die beiden Konstant-Stromquellentransistoren 6,7 bilden zusammen mit dem Transistor 8, dessen Kollektor mit seiner Basis und den Basen der Konstantstromquellentransistoren 6, 7 verbunden ist und dessen Emitter am spannungsführenden Pol + der Betriebsspannungsquelle U_B liegt, und mit dem Widerstand 9, der die Basis und den Kollektor des Konstantstromquellentransistors 8 mit dem Schaltungsnullpunkt verbindet, eine Mehrfachkonstantstromquelle aus zu den Endstufentransistoren I, 2, 3 komplementären Transistoren, im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 also aus pnp-Transistoren.

Die Emitter-Basis-pn-Übergangsfläche des zweiten Emitters 32 des Doppelemittertransistors 3 ist entsprechend der Erfindung mindestens zweimal, vorzugsweise

vier- bis Fünfmal, größer als die des ersten Emitters 31.

Diese erfindungswesentliche Flächendimensionierung ist schematisch in F i g. 2 gezeigt Die nach rechts oben schraffierte Fläche stellt die Kollektorzone 33 des Doppelemittertransistors 3 dar. Die nach links oben und mit weitem Abstand schraffierte Fläche ist dessen Basiszone 34. Die nach links oben und mit engem Abstand schraffierten Flächen stellen die mit der Emitterdiffusion hergestellten Zonen dat. Die direkt innerhalb der Kollektorzone 33 liegende entsprechende Fläche isi deren Kontaktierungszone 331 mit entsprechender Kontaktmetallisierung 332.

Die innerhalb der Basiszone 34 liegende quadratische Zone ist die erste L'mitterzone 3i mit entsprechender Kontaktmetallisierung 312, die rechts neben der ersten Emitterzone 31 liegende rechteckförmige Zone ist die zweite Emitterzone 32, die über die Kontaktmetallisierung 322 mit der Basiszone 34 leitend verbunden ist. Die iContaktmetallisierung 322 entspricht der leitenden Verbindung zwischen der Basis 34 und dem zweiten Emitter 32 in Fig. 1. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Emitter-Basis-pn-Übergangsfläche des zweiten Emitters 32 mindestens zweimal, nämlich dreimal, größer als die des ersten Emitters 31.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Gegentakt-Endstufe ist fo'f-ende. Hat das dem Eingang 4 zugeführte Digitalsignal den einem niedrigen Potential entsprechenden Zustand L, so werden die riasis des ersten Transistors 1 und die Basis 34 des Doppelemittertransistors 3 über die Kollektoren der Konstantstromquellentransistoren 6 bzw. 7 mit Basisstrom versorgt, da der zweite Transistor 2 gesperrt ist. Somit kann über die Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors 1 ein Ausgangsstrom in einen mit dem Ausgang 5 verbundenen Lastwiderstand fließen, der vom Ausgang 5 zu einem beliebigen Potential führen kann. In diesem Schaltzustand muß verhindert werden, daß die Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors 1 durch den in diesem Fall invers betriebenen Teiltransistor 31, 33, 34 des Doppelemittertransistors 3 kurzgeschlossen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die normalerweise, also ohne den erfindungsgemäß ausgebildeten zweiten Emitter 32, in der Größenordnung von 1 liegende inverse Stromverstärkung des Teiltransistors 31, 33, 34 dadurch stark reduziert ist, daß die Enruer-Basis-pn-Übergangsfläche des zweiten Emitters 32 gegenüber der des ersten Emitters 31 vergrößert und rnit der Basis 34 verbunden ist.

Bei einer vierfach größeren bmitter-Basis-pn-Übergangsfläche ergibt sich zunächst eine Reduzierung der inversen Stromverstärkung auf etwa 0,25. Zusätzlich wird sie jedoch durch die dadurch bedingte Vergrößerung der gesamten Basis-Kollektor-pn-Üoergangsfläehe des DoppelemittertranEistors 3 noch weiter reduziert, so daß sich eine tatsächliche Reduzierung auf etwa 0,1 ergibt, d.h. 90% des vom Kollektor des Konstantstromquellentransistors 6 gelieferten Stroms sind als Basisstrom des ersten Transistors 1 ausgenutzt.

Geht das Digitalsignal am Eingang 4 von seinem Zustand L in den einem hohen Potential entsprechenden Zustand A/und somit auch das Signal am Ausgang 5 in den entsprechenden Zustand L über, so wird der zweite Transistor 2 durchgesteuert, wodurch der Doppelemittertransistor 3 vom im Zustand L des Digitalsignals bestehenden Inversbetrieb in den Normalbetrieb zurückkehrt. Dadurch wird aber der erste Transistor 1 gesperrt, und der Laststrom fließt über die Serienschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke des Teiltransistors 31, 33, 34 des Doppelemittertransistors 3 und aus der Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors 2. Durch die erwähnte Sperrung des ersten Transistors 1 in diesem Betriebszustand ist die Gegentakt-Endstufe jedoch gegen in der Übergangsphase vom Zustand Hin den Zustand L und umgekehrt auftretendes gleichzeitiges Leiten der Transistoren 1 und 2 sicher verriegelt, so daß es die eingangs erwähnten Stromspitzen nicht gibt.

Durch den Doppelemittertransistor 3 als zwischen den Transistoren 1, 2 angeordnetes Bauelement ergibt sich ferner der gewünscht niedrige Ausgangswiderstand von etwa 200 Ω. Die von der Endstufe beanspruchte Kristallfläche ist ferner ausreichend klein, so daß mehrere solcher Endstufen in einer einzigen integrierten Schaltung verwendbar sind, wie z. B. in integrierten Frequenzteilern für elektronische Orgeln. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Gegentakt-Endstufe auch zur Endverstärkung von NF-Signalen, wie sie z. B. in Audio-Verstärkern auftreten, verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bipolar-monolithisch integrierte Gegentakt-Endstufe für Digitalsignale mit einem ersten und einem zweiten Transistor gleicher Leitungsart, die mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken derart zwischen dem spannungsführenden Pol einer Betriebsspannungsquelle und dem Schaltungsnullpunkt angeordnet sind, daß der Kollektor des ersten Transistors am spannungsführenden Pol und der Emitter des zweiten Transistors am Schaltungsnullpunkt sowie der Emitter des ersten Transistors und der Kollektor des zweiten Transistors über ein elektronisches Bauelement miteinander verbunden sind, dessen einer Anschluß als Ausgang der Endstufe dient, und die ferner über ihre Basen gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches Bauelement ein Doppelemittertransistor (3) der Leitungsart der beiden Transistoren (1, 2) dient, dessen Kollektor (33) der Ausgang der Endstufe ist sowie mit dem Emitter des ersten Transistors (1) und dessen erster Emitter (31) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (2) sowie mit der Basis des ersten Transistors (1) verbunden ist, daß die Basis (34) des Doppelemittertransistors (3) und die Basis des ersten Transistors (1) über je einen Widerstand oder je eine Konstantstromquelle (6, 7) mit dem spannungsführenden Pol (+) der Betriebsspannungsquelle (Ub) verbunden sind, daß die Basis des zweiten Transistors (2) der Eingang (4) für das Digitalsignal ist und daß die Emitter-Basis-pn-Übergangsfläche des zweiten Emitters (32) des Doppelemittertransistors (3) mindestens zweimal, vorzugsweise vier- bis fünfmal, größer als die seines ersten Emitters (31) ist.

2. Verwendung einer Gegentakt-Endstufe nach Anspruch 1 als Endstufe von integrierten Frequenzteilern für elektronische Orgelr..