DE2633951A1

DE2633951A1 - Analoge operationsschaltung

Info

Publication number: DE2633951A1
Application number: DE19762633951
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Nakagomi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1977-02-10
Also published as: NL7608395A; DE2633951B2; JPS5216943A; US4071778A; DE2633951C3

Description

PAT EMI A N W;»LT*£ 2 P O O Ό Ο Ί

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

MARIAHILFPLATZ 2 Λ 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

OtPL. CHEM. DR. OTMAR DlTTMANN (_τ1β7Β)

KARL LUDWIQ SCHIFF

DIPL. CHEM. OR. ALEXANOER V. FÜNER

DIPL. INQ. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. INQ. DIETER EBBINGHAUS

HITACHI, LIMITED

telefon (o8s) 48 2os* telex 5-23 565 auro d teleqramme auromarcpat München

28. Juli 1976 DA-12208 DE/mo

Priorität: 30. Juli 1975, Japan, Nr. 91 915

Analoge Operationsschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine analoge Operationsschaltung, insbesondere auf eine Operationsschaltung mit einem Seitentransistor mit mehreren Kollektoren.

Erfindung und Stand der Technik werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen analogen Operationsschaltung,

Figur 2 ein Schaltbild zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der Schaltung der Figur 1,

Figur 3 das Schaltbild einer herkömmlichen analogen Opera·= tionsschaltung und

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Figur 4 den Querschnitt eines wesentlichen Teils einer Seitentransistoranordnung, auf der die Erfindung beruht.

Figur 3 zeigt eine bekannte analoge Operationsschaltung. Diese enthält einen ersten Differenzverstärker mit Transistoren Qi-X, Q^, einen zweiten Differenzverstärker mit Transistoren Q_c und GL- und einen dritten Differenzverstärker mit einem Transistor Q₇, der an die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren des ersten Differenzverstärkers angeschlossen ist, und einem Transistor Qg, der an die mit einander verbundenen Emitter der Transistoren des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen ist. Je ein Eingang (Q; , Qj-) des ersten und zweiten Differenzverstärker ist gemeinsam an eine Klemme einer ersten Eingangs signalquelle V..1 angeschlossen. Der jeweils zweite Eingang (Q-, Q^-) des ersten und zweiten Differenzverstärkers ist gemeinsam an die zweite Klemme der ersten Eingangssignalquelle V. .j angeschlossen. Ein zweites Eingangssignal V. „ wird gemeinsam den Eingängen des dritten Differenz Verstärkers Q₁₇, Qg zugeführt. Das Gesamt-Ausgangssignal V . >| und V . ρ wird von den Ausgängen des ersten und zweiten Differenzverstärkers abgegriffen·

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:

Der Kollektorstrom I₇ des Transistors Q₇ wird durch das Eingangssignal V.p verändert. Dieser Strom I₇ wird weiter durch das Eingangssignal V. * verändert. Die Ausgangsspannung V .>, kann durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:

^vout1 =e^m' ' ^vin1 · ^Vin2 · H ^

Darin sind gm¹ der gegenseitige Leitwert (Gegenwirkleitwert), der durch die angelegte Spannung bestimmt wird, und R/ der Kollektorwiderstand. Somit hat die Schaltung eine Operationsfnnktion.

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Die Schaltung ist jedoch kompliziert und die Anzahl ihrer Elemente ist hoch.

Es wurde bereits ein mehrere Kollektoren aufweisender Seitentransistor vorgeschlagen, vie es in Figur 4 dargestellt ist. Dabei ist ein Emitterbereich doppelt von zwei Kollektorbereichen umgeben, um den Leckstrom im Seitentransistor mögr=· liehst gering zu halten (siehe japanische Patentanmeldung 50-27145). Der wichtige Teil dieser Erfindung ist in Figur 4 gezeigt, wo zur Erzielung des obigen Zwecks ein Strom durch den zweiten (Hilfs-) Kollektor C₂ in den Bereich fließen kann, in dem sich der Transistor mit dem ersten (Haupt-) Kollektor C,. als Kollektor in einem Bereich unmittelbar vor dem Sättigungsbereich befindet. In Figur 4 ist mit E ein Emitter und mit B ein Basisanschluß-Ausleitbereich bezeichnet. In einem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich und dem Sättigungsbereich des ersten Kollektorstroms bewirken kleine Änderungen der Vorspannung V^ des ersten Kollektors CLj große Änderungen des Stroms I_p? des zweiten Kollektors Cp. Es wurde nun gefunden, daß ein solcher Seitentransistor mit mehreren Kollektoren, der in einem solchen Übergangsbereich arbeitet, eine Analog-Operationsfunktion hat. Diese Erkenntnis liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine analoge Operationsschaltung zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet; insbesondere soll eine Operationsschaltung angegeben werden, die einfach und aus wenigen Schaltungselementen aufgebaut ist.

Erfindungsgemäß ist angrenzend an einen Emitterbereich ein erster Kollektorbereich ausgebildet. Wenigstens ein zweiter Kollektorbereich umgibt die Außenseite' des ersten Kollektorbereichs in einem Seitentransistorelement. Ein erstes

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/ b j ό y α I - 4 -

Eingangssignal wird der Basis des Seitentransistoreleinents zugeführt, während ein zweites Eingangssignal dem ersten Kollektor zugeführt und das Ausgangssignal am zweiten Kollektor abgegriffen wird. Der den ersten Kollektor als Kollektor verwendende Transistor ist so vorgespannt, daß er in einem Bereich angrenzend an den Sättigungsbereich des ersten Kollektorstroms arbeitet.

Die erfindungsgemäße analoge Operationsschaltung enthält also ein Seitentransistorelement mit einem Emitterbereich, einem angrenzend an den Emitterbereich angeordneten und diesen umgebenden Basisbereich, einen ersten, im Basisbereich angrenzend an den Emitterbereich durch einen Teil des Basisbereichs angeordneten ersten Kollektor und einen zweiten Kollektorbereich, der außerhalb des ersten Kollektorbereichs liegt und die Außenseite des ersten Kollektorbereichs durch einen Teil des Basisbereichs umgibt. Die Schaltung enthält einen ersten Eingang zum Anlegen eines ersten Eingangssignals an die Basis des Transistorelements, einen zweiten Eingang zum Anlegen eines zweiten Eingangssignals an den ersten Kollektor des Transistorelements, einen Ausgang, der mit dem zweiten Kollektor des Transistorelements verbunden ist und eine Vorspanneinrichtung, die an den ersten Kollektor angeschlossen ist und eine Vorspannung zuführt, bei der das Transistorelement im Sättigungsbereich arbeitet. Diese analoge Operationsschaltung hat durch die Ausnutzung der Eigenschaften eines solchen Seitentransistors eine analoge Operationsfunktion. Sie ist darüberhinaus einfach aufgebaut und enthält nur wenige Schaltungselemente.

Die in Figur 1 gezeigte bevorzugte erfindungsgemäße analoge Operationsschaltung enthält einen Seitentransistor GL mit mehreren Kollektoren, bei dem ein erster und ein zweiter Kollektorbereich um einen Emitter E herum derart ausgebildet

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sind, daß sie ihn doppelt oder konzentrisch umgeben. Die Vers orgung s spannung V wird dein Emitter E zugeführt, ein erstes Eingangssignal V. ^ über einen Basiswiderstand FLj der Basis B. Der erste Kollektor C*, der im normalen Betriebszustand als Kollektor des Transistors dient, ist über einen Eingangstransistor CL, an Masse geführt. Ein zweites Eingangssignal V. ₂ wird der Basis des Transistors Q₂ über einen Basiswiderstand Pw zugeführt. Der zweite Kollektor Cp des Seitentransistors GL, der als Kollektor dient, wenn der Transistor GLj mit dem ersten Kollektor C^ im Sättigungsbereich ist, ist über einen Widerstand R₂ an Masse geführt. Das Ausgangssignal V . wird vom zweiten Kollektor Cp abgegriffen. Die Vorspannungsanordnung ist so ausgeführt, daß der den ersten Kollektor Cj als Kollektor verwendende Transistor CL in der Nachbarschaft des Sättigungsbereiches arbeitet.

Bei dieser Ausführungsform der Schaltung kann der Zweck aus folgenden Gründen erreicht werden:

Figur 2 zeigt das Schaltbild einer Schaltung zur Messung der Kennwerte des in der Schaltung der Figur 1 verwendeten Seitentransistors GL. Der Basisstrom ist mit Ig, die Vorspannung des ersten Kollektors C« mit V^, die Basisspannung des zweiten Kollektors C₂ mit V_q2 und der Strom durch den zweiten Kollektor Cp mit Ip bezeichnet.

Arbeitet der Transistor CL in der Nachbarschaft des Sättigungsbereiches, so kann der Strom I₂ des zweiten Kollektors mit folgender Gleichung vdedergegeben werden:

Darin ist I_c20 .der Strom durch den zweiten Kollektor C₂ und ^ eine Konstante, die durch'den reziproken Wert der Spannung

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V ρ wiedergegeben wird. Der Strom I_cpn durch den zweiten Kollektor Cp wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:

* I-D (3)

Darin ist hpg der Stromverstärkungsfaktor. Durch Kombination der Gleichungen (2) und (3) läßt sich folgende Gleichung herleiten:

¹B · ^Vcl

Ist bei einer analogen Operationsschaltung, die ein Seitentransistorelement gemäß Figur 2 enthält, der Absolutwert der (Vor-) Spannung V * am ersten Kollektor C^ kleiner als •die Bas is emitt er spannung VWqi bei einem bestimmten Basisstrom Lg, so wird der Transistor mit dem ersten Kollektor CL als Transistor in den Sättigung ε zustand vorgespannt. In diesem Zustand kann durch den zweiten Kollektor Cp ein Kollektor strom I₀^ = I_C2o fließe*¹· ^ird die Kollektor spanziung V <] am ersten Kollektor C, höher als die oben erwähnte Spannung V^-™, so wird der den ersten Kollektor C₁ als Kollektor benutzende Transistor in den aktiven Bereich (oder einen aktivierten Bereich) vorgespannt. Somit wird der durch den zweiten Kollektor Cp fließende Kollektorstrom T₀ fast gesperrt. Auf diese "eise kann der durch den zweiten Kollektor C_Q fließende Kollektorstrom E _o durch Änderung der dem ersten Kollektor Cj zugeführten Kollektorspannung V^ gesteuert werden.

Alternativ kann der Viert der Kollektorspannung V >, am ersten Kollektor C« an dem den ersten Kollektor C₁ als Kollektor verwendenden Transistor durch Änderung des Basisstroms I_ß verändert werden_o ^Twird beispielsweise der Basisstron I₃ erhöht, so wird der den ersten Kollektor Cj als Kollektor benutzende Transistor bei verhältnismäßig hohen Werten der

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Kollektorspannung V^ am ersten Kollektor C^ gesättigt. Der Kollektor strom I^ durch den zweiten Kollektor C^ kann also durch den Basisstrom L₃ gesteuert v/erden· Somit kann durch geeignete Änderung des BasisStroms 1-, und der Vorspannung V-j in Gleichung (4) eine Analogoperation ausgeführt werden.

Vergleicht man das obige Ausführungsbeispiel mit der vorstehenden mathematischen Analyse, so entspricht V. ^ -

V. 2 - ^v _ci ¹^ ^v _out ~ ^cZ ^{in Gleichun}S (4)- Setzt man diese Werte in Gleichung (4) ein und setzt h^-g · γ = K, so ergibt sich

Vt " ^K · ^Vin1 * ^Vln2

Daraus ergibt sich, daß eine Operationsschaltung vorhanden ist.

Haben V. ^ und V. ρ &i-^e Form sin tut, so wird aus Gleichung (5):

V^-OUt = K · sin oat · sin uut (6)

und damit

(7)

Darin ist «j die Winkelfrequenz und t variabel. Die Frequenz "wird als Ergebnis der Operation verdoppelt.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß die Eigenschaften eines Seitentransistors ausgenutzt werden, um die. erfindungsgemäße Operationsfunktion zu erzielen. Die erfindungsgemäße analoge Operationsschaltung ist sehr einfach aufgebaut und enthält' nur wenige Schaltungselemente, so daß die auf einem

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Halbleitersubstrat eingenommene Fläche auf etwa 1/3 der Fläche der bekannten Schaltung der Figur 3 verringert wird.

Die Erfindung ist nicht-auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann in verschiedenen Abwandlungen angepaßt und geändert werden. Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal vom zweiten Kollektor abgegriffen wird, indem der zweite Kollektor C^ beispielsweise kreissegmentförmig ausgebildet wird, dessen Segmentbereiche mehrere Kollektoren bilden, kann die Anzahl der Kollektoren erhöht werden, so daß mehrere Ausgangssignale von ihnen abgegriffen werden können.

Statt des bipolaren Transistors Q₂ als Eingangstransistor kann auch ein anderer Transistor verwendet werden, beispielsweise ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate.

Patentansprüche 609886/0381

Claims

Patentansprüche

1. Analoge Operationsschaltung, gekennzeichnet durch ein Seitentransistorelement (GL ) mit einem Emitterbereich, einem Basisbereich, einem ersten, angrenzend an den Emitterbereich durch einen Teil des Basisbereichs gebildeten Kollektorbereich (C^) und einem zweiten, außerhalb des ersten Kollektorbereichs gebildeten zweiten Kollektorbereich (Cp), der die Außenseite des ersten Kollektorbereichs durch einen Teil des Basisbereichs umgibt, durch eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten Eingangs signals (V"_in-j) an die Basis des Seitentransistors (GL), durch eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten Eingangssignals V. ~ an den ersten Kollektor -(C-,) des Seitentransistors, durch eine Ausgangs einrichtung zum Abgriff eines Ausgangssignals (V .) vom zweiten Kollektor (Cp) des Seitentransistors (GL₁), und durch eine Vorspanneinrichtung (GL,) zum Vorspannen des den ersten Kollektor (C^ ) als Kollektor benutzenden Transistors, so daß in der Nachbarschaft des Sättigungsbereichs gearbeitet wird.

2. Operationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspanneinrichtung einen Transistor (Q₂) mit einem Steueranschluß enthält, dem das zweite Eingangssignal (V_in2) zugeführt wird.

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3. Operationsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an die Basis des Seitentransistors (GLj) angeschlossenen Eingangswiderstand (R-]), und durch eine an den zweiten Kollektor (Cp) des Seitentransistors angeschlossene Ausgangsbelastung (R₂).

4. Analoge Operationsschaltung, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, gekennzeichnet durch einen mehrere Kollektoren aufweisenden Seitentransistor (GLj) mit einem Emitterbereich, einem Basisbereich und wenigstens zwei getrennten Kollektorbereichen (C^, C₂), die zwischen dem Emitterbereich und dem Basisbereich derart angeordnet sind, daß der näher am Emitterbereich liegende Kollektorbereich durch den anderen Kollektorbereich umgeben ist, durch eine an den Basisbereich des Transistors (GL) angeschlossene Eingangseinrichtung zum Anlegen eines ersten Eingangssignals (V. ^), durch eine Vorspannungseinrichtung (Qo), die an einen Kollektorbereich (C>j) des Transistors zur Zufuhr einer Vorspannung in Abhängigkeit von einem zweiten Eingangssignal (V-p) angeschlossen ist, und durch eine an den zweiten Kollektorbereich (C₂) des Transistors (GLj) angeschlossene Ausgangseinrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals (V +), wobei die Vorspannung so gewählt ist, daß ein den einen Kollektorbereich als Einzelkollektor enthaltender Transistor in einem Übergangsbereich zwischen einem aktiven und einem Sättigungsbereich seiner Arbeitskennlinie arbeiten kann.

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5. Operationsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die "beiden getrennten Kollektorbereiche (C^, Cp) kreis- oder ringförmig und konzentrisch zum Emitterbereich ausgebildet sind.

6. Operationsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kollektorbereich (C₂) kreissegmentförmig ist, wobei die segmentförmigen Bereiche mehrere Ausgangskollektoren bilden.

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