DE2712742A1

DE2712742A1 - Feldeffekt-transistorschaltkreis

Info

Publication number: DE2712742A1
Application number: DE19772712742
Authority: DE
Inventors: James B Compton; Sam S Ochi
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1976-04-12
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1977-11-03
Also published as: US4042836A; DE2712742C2

Description

PATENTANWÄLTE 97197A9

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-ING. DIPL. -CHEM. X DIPL.-ING. DIPL.-ING.

MÖNCHEN

HAMBURG

2000 HAMBURG

NEUER WALL TEL. (O4O) 34OO45 34 OO TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

UNSERE AKTE: JJ 77021 DH

IHR ZEICHEN:

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT:

12. April 1976

(entspricht US-Anm. Serial-No· 676 096)

BEZEICHNUNG: Feldeffekt-Transistorschaltkreis

ANMELDER:

National Semiconductor Corp. 2900 Semiconductor Drive Santa Clara, Kalif.,V.St·A.

ERFINDER:

James B₀ Compton 18094 Reed Knoll Road Los Gatos, Kalif.,V.St.A.

Sam S. Ochi

1709 Old Piedmont Road

San Jose, Kalif. V.St.A.

Konten: Deutsche Bank AG, Hamburg, Konto-Nr. 6/10055

S^kM / Q₅I

it Hamburg. Konto-Nr. 2620 80-201 (BU 20010020)

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistorschaltkreis mit einem Feldeffekt-Schalttransistor mit einer Gate-Elektrode und einem Source/Drain-Elektroden-Stromkreis.

Die erfindungsgemäße Schaltung stellt gegenüber der in der US-PS 5 916 222 (Erfinder James B. Compton) offenbarten Schaltung eine Verbesserung dar. Der Grundbaustein ist ein Feldeffekt-Transistor, der mittels des Potentials an seiner Gate-Elektrode geschaltet wird, so daß er sich entweder in einem hochohmigen Sperrzustand oder in einem niederohmigen Durchschaltzustand befindet. Dieser Feldeffekt-Transistor ist praktisch ein einpoliger Ein/Aus-Schalter, der vermittels eines Steuerstromes umgeschaltet wird· Derartige Bauelemente sind sehr gut geeignet zum Schalten von Analogsignalen, weil die Schaltkreise derart ausgelegt werden können, daß die Spannung oder Steuergröße an der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors der Source-Elektrodenspannung nachläuft und daher eine eindeutige Steuerwirkung über eine Analogspannung sicherstellt, die einen Anteil von wechselnder Größe aufweisen kann. Die Steuerschaltungen können für ein sehr schnelles Umschalten des Feldeffekt-Transistors und für einen verhältnismäßig niedrigen Leistungsverbrauch im stationären Betriebszustand ausgelegt werden. Schließlich kann die gesamte Schaltungsanordnung zur Steuerung des Transistorschalters unter dem Einsatz herkömmlicher Verfahrensweisen der integrierten Schaltungstechnik auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat hergestellt werden. Es ist in der Tat üblich, eine Vielzahl von Schaltkreisen, wie beispielsweise sechs, auf einem einzigen integrierten Schaltungsplättchen herzustellen und somit einen sehr kompakten Baustein zu schaffen, der für Multiplex-Anwendungsfälle geeignet ist.

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In der Praxis wird ein Feldeffekt-Transistorschalter mit niedrigem Durchschaltwiderstand verwendet, um geringe Fehlereinflüsse durch Spannungsverschiebungen zu erreichen. Dies bedeutet, daß die Kapazität zwischen Gate-Elektrode und Substrat entsprechend hoch ist. Beim Schaltvorgang muß diese Kapazität aufgeladen werden, um den Transistorschalter zu sperren, und sie muß entladen wurden, um den Transistorschalter durchzuschalten. Daher muß die Treiberschaltung in der Lage sein, hohe Stromimpulse zu verarbeiten und dabei die geringstraögliche Leistung in ihren stationären Betriebszuständen zu verbrauchen. Der Gegenstand der genannten US-PS 3 916 222 ist zum Teil eine Lehre für die Entladung der Gate-Elektrodenkapazität in so rascher Weise, daß der Feldeffekt-Transistorschalter unter Einsatz eines niedrigen Leistungsverbrauches im stationären Zustand, insbesondere im Sperrzustand des Transistorschalters, eingeschaltet wird.

Ein anderer Gesichtspunkt des vorbekannten Standes der Technik liegt in der Möglichkeit, bipolare Transistoren (pnp- und npn-Translstoren) und Feldeffekt-Transistoren in ein gemeinsames Substrat einzubeziehen. Während alle jeweils gleichzeitig hergestellten Feldeffekt-Transistoren dazu neigen, sich insofern gleichartig zu verhalten, als sie allesamt gleiche Sperrschwellen- oder Pinchoff-Spannungswerte V aufweisen, so kann der Absolutwert dieser Spannung erheblich in einer Massenfertigung variien. Dies macht die Einhaltung der Anpassung zwischen Feldeffekt-Transistoren und bipolaren Transistoren zu einem schwierigen Uberwachungsvorgang.

Wie oben ausgeführt, bringt die Betätigung eines Feldeffekt-Transistors die Auf- und entladung der Gate-Elektrodenkapazität mit sich und kann die Übertragung wesentlicher Stromspitzen zur

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Folge haben. Dies hat die unvorteilhafte Auswirkung der Überlagerung von Schaltvorgängen oder Spannungsspitzen auf der Analogsignal-Ausgangsleitung. Bei der Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit der Kreise können diese iJchaltvorgänge zu einem echten Problem in den Analogschaltungen v/erden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung zu schaffen, in welcher ein Analogsignale schaltender Feldeffekt-Transistor von einer Schaltung angesteuert wird, die bipolare Transistoren und Feldeffekt-Transistoren miteinander kombiniert zur Erzielung einer schnellen, von Schaltvorgängen oder Spannungsspitzen freien Umschaltung der Analogsignale, wobei Feldeffekt-Transistoren und bipolare Transistoren in einer von Schaltvorgängen freien Anordnung miteinander kombiniert sind, die dadurch erzielt wird, daß man solche Kombinationen einsetzt, die einen erheblichen Variationsbereich für die Feldeffekt-Transistorpararaeter in einer sich selbst kompensierenden Anordnung zuläßt.

Der zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäße Feldeffekt-Transistorschaltkreis ist dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Source/Drain-Elektroden-Stromkreis mit einem Eingangsanschluß und mit einem Ausgangsanschluß verbunden ist, daß der genannte Eingangsanschluß und der genannte Ausgangsanschluß durch den genannten Feldeffekt-Schalttransistor im Durchschaltzustand des letzteren miteinander verbindbar und im Sperrzustand des letzteren voneinander trennbar sind, daß ein erster und ein zweiter Steueranschluß vorgesehen sind, wobei der in dem ersten Steueranschluß fließende Strom den genannten Feldeffekt-Schalttransistor durchschaltet, und der in dem genannten zweiten Steueranschluß fließende Strom den genannten Feldeffekt-Schalttransistor

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sperrt, daß eine Ansteuerschaltung zwischen den genannten Peldeffekt-Schalttransistor und die genannten Steueranschlüsse geschaltet ist, um den Durchschalt- und Sperrzustand des genannten Feldeffekt-Schalttransistors in Abhängigkeit von den durch die genannten Steueranschlüsse fließenden Strömen zu steuern, daß die genannte Ansteuerschaltung einen ersten bipolaren Transistor umfaßt, der auf den Strom am genannten zweiten Steueranschluß anspricht und mit der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors zum Umschalten desselben in den Sperrzustand verbunden ist, daß die genannte Ansteuerschaltung einen zweiten bipolaren Transistor umfaßt, der auf den Strom am genannten ersten Steueranschluß anspricht und an die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors zum Umschalten in den Durchschaltzustand desselben angeschlossen ist, daß der genannte zweite bipolare Transistor eine Schaltung zum Anschluß der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors an eine Stromaufnahmeschaltung während des UmschaltVorganges einschließt, während der genannte Feldeffekt-Schalttransistor vom Sperrzustand in den Durchschaltzustand umgeschaltet wird, sowie eine Schaltung, um den genannten Feldeffekt-Schalttransistor im stationären Betriebszustand in seinem Durchschaltzustand zu halten»

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin, daß ein Feldeffekt-Transistor zur Umschaltung eines Analogkreises derart gesteuert wird, daß eine minimale Übergangsstörung dieses Kreises verursacht wird, während mit hoher Schaltgeschwindigkeit unter Verwendung eines Treibers umgeschaltet wird, der mit der Analogspannung über einen erheblichen Variationsbereich mitläuft.

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Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden mit einer Schaltung erreicht,wo eine Kombination aus bipolaren und Feldeffekt-Transistoren dazu verwendet wird, einen Feldeffekt-Transistor mit niedrigem Widerstand durchzuschalten. Die Spannung des Analogkreises wird abgefühlt und darauf verwendet, die Ansteuerspannung für die Pegelkompensation nachzuführen. Die Abtastgröße für die Nachführung wird gering gehalten, um eine minimale Störung des Analogsignals beim Uraschaltvorgang zu bewirken. Das Schalten mit hoher Geschwindigkeit wird dadurch erreicht, daß verstärkende Auflade- und Entladekreise zum Einsatz gebracht werden, die nur während des Umschaltintervalls als Verstärker wirken und ira stationären Zustand nicht aktiv sind. Da die erfindungsgemäße Schaltung Feldeffekt-Transistoren in Verbindung mit bipolaren Transistoren zum Einsatz bringt, und die Sperrschwellen- oder Pinchoff-Spannung der Feldeffekt-Transistoren schwierig auf einem Absolutwert gehalten werden kann, so schafft die erfindungsgemäße Schaltung ein Mittel,zur Einräumung einer großen Variation oder Streuung der Pinchoff-Spannung von einer Schaltung zur anderen.

Im weiteren wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Is zeigern

Fig. 1j ein Schaltbild einer Konstantspanmmgsscnaltung, in welcher die entwickelte Spannung in Beziehung mit der Pinchoff-Spannung eines Feldeffekt-Transistors steht, und

Fig. 2ϊ ein Schaltbild eines Feldeffekt-Transistorschalters für Analogsignale geaäß der Erfindung, wobei die Änsteuerungsschaltung Feldeffekt-Transistoren und

bipolare Transistoren in einer sich selbst kompensierenden 709844/0646

Anordnung zum Einsatz bringt.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung, in welcher ein bipolarer Transistor 23 und zwei Feldeffekt-Transistoren 24,25 zur Erzeugung einer konstanten Spannung miteinander kombiniert sind, die von der Pinchoff-Spannung V eines Feldeffekt-Transistors abhängt. Die erfindungsgemäße Konstantspannungsschaltung 20 entwickelt eine, auf einen Strom ansprechende Spannung, die oberhalb eines Strom-Schwellwertes konstant ist. Die Wirkungsweise der innerhalb der gestrichelten Urarßlinie gezeigten Konstantspannungsschaltung ist wie folgt:

Sobald ein Anschluß 21 an einen Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen wird, fließt dort ein Strom, der davon abhängt, wie weit der Spannungsquellenanschluß 21 negativ beaufschlagt wird. Derselbe Strom fließt an einem Anschluß 22, der schließlich zur Plusklemme der üpannungsquelle zurückführt.

Bei sehr niedrigen btromwerten ist der bipolare Transistor 23 im wesentlichen nichtleitend, und ein geringer Strom fließt durch die Feldeffekt-Transistoren 24 und 25. Bei den sehr niedrigen Stromwerten wirken beide Feldeffekt-Transistoren 24, 25, als Widerstände von konstantem Wert. Da die GVt e-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 24 mit der zugehörigen Source-Elektrode verbunden ist, so wirkt dieser Feldeffekt-Transistor bei allen Stromwerten wie ein Widerstand. Da jedoch die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 25 mit der Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 24 verbunden ist, spannt jeder zwischen Source- und Drain-islektrode des reldeffekt-Transistors 24 entwickelte Spannungsabfall die Gate-elektrode des Feldeffekt-Transistors

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positiv gegenüber seiner Source-Elektrode vor. Sobald der Spannungsabfall am Feldeffekt-Transistor 25 ungefähr 0,6 V überschreitet, beginnt der bipolare Transistor 25 leitend zu werden und läßt einen Teil des Stromes vom Anschluß 21 durch. Bei weiterem Anstieg des Gesamtstromes gelangt der Spannungsabfall zwischen Source- und Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 25 bis zum Sperrschwellwert oder Pinchoff-Wert, und jede weitere Erhöhung des Gesamtstromes ergibt eine starke Erhöhung des Spannungsabfalls am Feldeffekt-Transistor 25, und dies erhöht andererseits stark die Stromleitung im bipolaren Transistor 23. Bei solchen Stromwerten, die hinreichend oberhalb desjenigen Stromes liegen, der den Spannungsabfall in der Höhe von V am Feldeffekt-Transistor 24- zur Folge hat, wird praktisch der gesamte Strom durch den bipolaren Transistor 23 gezogen. Somit besteht die Wirkungsweise der Konstantspannungsquelle 20 darin, einen konstanten Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 21 und 22 oberhalb eines bestimmten Wertes oder Schwellwertstromes zu entwickeln. Wird die Schaltung mit einem, über diesen üchwellwert hinausgehenden Strom betrieben, so bleibt der Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 21 und 22 konstant bis zu einem Wert von V +0,6 V bei Silizium-Halbleiterbauelementen, und zwar in Abhängigkeit der zwischen Drain- und öource-Jülektrode fließenden Ströme Ipgg des ü'eldeffekt-Transistors 25 im Verhältnis zum Feldeffekt-Transistor 24·. Im wesentlichen steht damit eine Konstantspannungsquelle mit zwei Anschlüssen zur Verfügung, die mit dem Sperrschwellwert oder der Pinchoff-Spannung derjenigen ü'eldeffekt-üauelemente in Beziehung steht, die auf einem bestimmten Halbleitersubstrat hergestellt worden sind. Dies bedeutet bei Herstellung aller Feldeffekt-Transistoren und bipolaren Transistoren einer gegebenen integrierten Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat, daß eine auf die Pinchoff-Spannung V

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bezogene Konstantspannungsquelle zur Verfügung steht, um zur Kompensation bei allen zugehörigen Feldeffekt-Transistoren eingesetzt zu werden. Somit besteht selbst bei erheblicher Variation der Pinchoff-Spannung V bei einem Herstellungsverfahren ein Gleichlauf aller Bauelemente auf einem bestimmten Substrat oder Schaltungsplättchen, und damit eine Kompensation bei jedem HaIbleiterplättchen aus der Fertigung. Ohne diese Kompensation hätten die Feldeffekt-Transistoren nach einer Genauigkeitsvorschrift hergestellt werden müssen, die nur äußerst schwierig einzuhalten ist.

Fig. 2 ist das vollständige Schaltbild eines Transistorschalters, der zwei erfindungsgemäße Konstantspannungsquellen 20a und 20b von der in Fig. 1 gezeigten Art zum Einsatz bringt. Die Schalterwirkung erfolgt an den Anschlüssen 50 und 51. An den Anschluß 50 angelegte Analogsignale erscheinen am Anschluß 31 oder auch nicht, und zwar in Abhängigkeit vom Schaltzustand . Der Schaltzustand wird von den Steueranschlüssen 32 und 35 gesteuert, an welche zueinander komplementäre Steuerströme angelegt werden. Wird der Steuerstrom am Steueranschluß 35 unterbrochen, so ist der Schalter offen oder gesperrt. Die Ansteuerung mit den Steuerströmen ist herkömmlich und wird typischerweise von einem (nicht dargestellten) Differenzverstärker her erhalten, der über eine (nicht dargestellte) Konstantstromquelle an den Minuspol einer Spannung oder eine Stromaufnahmeschaltung angeschlossen ist. Die Steuersignale für das Schalten sind dabei nicht kritisch. Der Wert des Steuerstromes muß lediglich den in verbindung mit der erfindungsgemäßen Konstantspannungsschaltung 20 erwähnten Strora-Schwellwert überschritten.

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Pur die nachfolgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird bei den Feldeffekt-Transistoren eine Pinchoff-Spannung V von etwa 5 V angenommen. Es gilt dabei als selbstverständlich, daß, während er bei Bauelementen auf einem Schaltungsplättchen konstant bleibt, der Wert V bei Schaltungsplättchen aus verschiedenen Halbleiterplättchen und selbst bei Schaltungsplättchen aus verschiedenen Bereichen eines bestimmten Halbleiterplättchens erheblich variieren kann.

Das Kernstück der erfindungsgemäßen Schaltung ist ein Feldeffekt-Schalttransistor 35» der die Übertragung von Analogsignalen zwischen den Anschlüssen JO und 31 steuert. Dies ist ein Bauelement mit niedrigem Innenwiderstand und weist daher eine erhebliche Streukapazität an der Gate-Elektrode auf, wie es gestrichelt als Cjj Q und Cg__G dargestellt ist. Zum Durchschalten und Sperren des Feldeffekt-Schalttransistors 35 müssen die Streukapazitäten entladen, bzw. aufgeladen werden. Um dies schnell auszuführen, muß ein Umschalt-Ansteuerkreisr niedriger Impedanz verwendet werden.

Für die nachfolgenden Uirläuterungen wird angenommen, daß die positive, bzw. negative Spannung, +V, -V, an den Anschlüssen 36, bzw. 37 jeweils etwa 15 V, oder eine Gesamtspannung von 30 V. Der Analogsignal-flachfüMbereich der Schaltung beträgt mindestens ±5 v.

Der durchgeschaltete Schaltzustand wird zuerst beschrieben. Für diesen Fall wird ein Strom als Steuerstrom an dem Steueranschluß 32 entnommen. Eine zugeordnete Konstantspannungsschaltung 20a entwickelt dabei annähernd 5»6 V und bringt damit den Steueran-

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schluß 32 auf eine Spannung von etwa 9>4 V. Bei diesen Betriebsbedingungen wird ein Feldeffekt-Transistor 38 gesperrt. Da kein Strom in einem Widerstand 39 dann fließt, so ist ein bipolarer Transistor 40 gesperrt und trennt dadurch die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Schalttransistors 35 von dem Anschluß 36 der positiven Spannung +V.

Am Anschluß 33 ist dabei der komplementäre Stromwert niedrig oder null. Der durch eine zugeordnete Konstantspannungsschaltung 20b fließende Strom ergibt sich lediglich aufgrund des Basisstroraes in einem bipolaren Transistor 41, der unterhalb des Schwellwertes für die Konstantspannung der Konstantspannungsschaltung 20b liegt. Dies bringt die Basis des bipolaren Transistors 41 auf +15 V, und der Emitter folgt bis zu einer Spannungshöhe von 14,4 V, wobei die Spannungsdifferenz auf dem Emitter/Basis-Spannungsabfall von etwa 0,6 V beruht. Dadurch wird seinerseits der Feldeffekt-Transistor 42 leitend, der seinerseits die Basis eines bipolaren Transistors 44 auf positives Potential bringt. Die Stromleitung durch den Feldeffekt-Transistor 42 hängt von der Stromleitung durch den in Reihe dazu liegenden Feldeffekt-Transistor 43 ab, und der Verbindungspunkt dieser beiden Feldeffekt-Transistoren liegt daher auf einem Potential, das über einen erheblichen Bereich variieren kann· Diese Spannung, die Basisvorspannung des bipolaren Transistors 44 festlegt, wird durch Umschaltvorgänge des Schaltkreises aufgrund des Analogspannungspegels moduliert, wie weiter unten erläutert wird.

Im stationären Zustand ist die Potentialdifferenz zwischen den Anschluß 30 und einem Verbindungspunkt 45 gering, und der bipolare Transistor 44 ist nichtleitend. Da kein Strom in einem Widerstand

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46 fließt, ist ein bipolarer Transistor 47 ebenfalls nichtleitende Es folgt daher, daß ira stationären Zustand lediglich ein Speisestrom durch den bipolaren Transistor 41 und durch die Feldeffekt-Transistoren 42 und 43 fließt. Diese Feldeffekt-Transistoren können klein ausgelegt werden, derart, daß dieser Strom sehr niedrig ist. In diesem stationären, durchgeschalteten Zustand ist der Feldeffekt-Transistor 48 leitend, weil seine Gate-Elektrode an seine Source-Elektrode angeschlossen ist. Ein Feldeffekt-Transistor 49 ist dabei leitend, weil der Feldeffekt-Transistor 48 seine Source-Elektrode bis etwa auf das Gate-KLektrodenpotential anhebt. Somit leiten die beiden Feldeffekt-Transistoren 48 und 49 und halten damit die Gate-Elektrode des Feldeffekt-SchalttransiBtors 35 etwa auf dem Source-Elektrodenpotential dieses letzteren, derart, daß der Schalter durchgeschaltet bleibt. Diese Bedingungen herrschen vor bei kleinen Änderungen des Analogsignals am Anschluß 30.

Im Sperrzustand des Schalters wird der aus dem Steueranschluß 32 entnommene Strom niedrig oder ira wesentlichen null, und über die Konstantspannungsschaltung 20a wird die Spannung am Steueranschluß 32 nahezu auf +15 V gebracht. Dies läßt den Feldeffekt-Transistor 38 leitend werden und bringt die Basis des bipolaren Transistors auf +15 V. Der Emitter des bipolaren Transistors 40 folgt nach und bringt dadurch den Verbindungspunkt 45 auf ungefähr 14,4 V. Diese üänitterfolgerwirkung des bipolaren Transistors 40 bewirkt eine schnelle Aufladung der Gate-Elfcktrodenkapazität des Feldeffekt-Schalttransistors 35 und sperrt diesen damit. Diese Emitterfolgerwirkung sperrt ebenfalls den Feldeffekt-Transistor 49 durch den .Feldeffekt-Transistor 48.

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Im gesperrten Zustand des Schalters wird gleichzeitig der komplementäre Stromwert aus dem Steueranschluß 55 entnommen. Die Wirkung der Konstantspannungsschaltung 20b bringt den Anschluß auf etwa +9,A- V. Dies bringt den Emitter des bipolaren Transistors 41 auf einen Potential wert, der etwas unterhalb des Potentialwertes zur Sperrung des bipolaren Transistors liegt, und dies bewirkt die Sperrung des Feldeffekt-Transistors 42. Dadurch wird seinerseits der bipolare Transistor 44 gesperrt. Damit wird verhindert, daß ein Strom im Widerstand 46 fließt, und damit wird der bipolare Transistor 47 gesperrt gehalten.

Der Verbindungspunkt 45 liegt bei etwa 14,4 V, und der Steueranschluß 55 liegt bei etwa +9,4 V. Der Feldeffekt-Transistor wii'kt wie ein Widerstand, und der Feldeffekt-Transistor 50 wird leitend undbringt seine Source-Elektrode auf etwa 9,4 V. Daher fließt ein Strom in der Reihenschaltung aus den Feldeffekt-Transistoren 48 und 50 und dem bipolaren Transistor 40· Dieser stationäre Strom kann ebenfalls gering gehalten werden. Der Spannungsabfall von etwa 5»5 V an dem Feldeffekt-Transistor 48 bewirkt die Sperrung des Feldeffekt-Transistors 49, und es folgt, daß der Anschluß 30 vollständig von der übrigen Schaltung bis auf unbedeutende Leckstrompfade und Streukapazitäten isoliert ist. Da der bipolare Transistor 40 den Verbindungspunkt als Bauelement von niedriger Impedanz festklemmt, werden Kopplungen durch die Streukapazität um den Feldeffekt-Schalttransistor 55 heru«, zwischen den Anschlüssen 50 und 51 gut gedämpft, und der Schalter ist tatsächlich gesperrt·

Der stationäre Durchschalt- und Sperrzustand sind damit beschrieben worden, und nunmehr wird der übergang vom Sperr- zum

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Durchschaltzustand beschrieben. Im Sperrzustand liegt der Verbindungspunkt 45 auf etwa 14-,4- V, und die Gate-KLektrodenkapazität des Feldeffekt-Schalttransistors 35 ist dabei aufgeladen. Wird der Schalter schnell durchgeschaltet, so muß der Verbindungspunkt 45 rasch auf das Potential am Anschluß 30 gebracht werden. Unter den Betriebsbedingungen nach dem vorbekannten Stande der Technik würde dieser Vorgang, sofern er schnell erfolgt,eine große Irapulsspitze den Anschlüssen 30 und 31 aufdrücken. Diese Störung könnte den Betrieb der zu schaltenden Analogschaltung ernsthaft beeinträchtigen.

Wenn der Durchschaltzustand dadurch herbeigeführt wird, daß aus dem Anschluß 32 ein Strom entnommen wird, und gleichzeitig der aus dem Anschluß 33 fließende Strom bis in die Nähe des Wertes null vermindert wird, so wird der bipolare Transistor 40 schnell gesperrt und schaltet ihn vom Verbindungspunkt 45 damit ab. Gleichzeitig wird der Steueranschluß 33 auf +15 V gebracht, und damit der Feldeffekt-Transistor 5Q gesperrt, und der Feldeffekt-Transistor 42 durchgeschaltet. In diesem Moment ist der Verbindungspunkt 45 auf etwa 14,4 V aufgeladen, derart, daß der Feldeffekt-Transistor 43 gesperrt, und die Basis des bipolaren Transistors 44 auf 14,4 V gebracht wird. Beim Bestreben, den Verbindungspunkt 45 schnell auf das Potential am Anschluß 30 zu entladen, wird der bipolare Transistor 44 stark leitend. Der daraus resultierende Strom durch den Widerstand 46 läßt den bipolaren Transistor 47 leitend werden und schaltet somit eine Stromaufnahmeschaltung oder Stromsenke an den Verbindungspunkt 45, vom negativen Stroraversorgungsanschluß aus. Das bedeutet, daß sich der Verbindungspunkt 45 schnell gegen -15 V über die stark leitenden bipolaren Transistoren 44 und 47 entlädt. Es ist festzustellen, daß

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die Entladung in eine Stromaufnahmeschaltung, und nicht etwa gegen den Anschluß 30 erfolgt, und somit werden Impulsspitzen oder Schaltvorgänge vermieden. Praktisch ist die Verminderung der Schalt spitze am Anschluß 30 gleich dem Stromverstärkungsfaktor (Ί des bipolaren Transistors 47, und dieser kann sehr groß gemacht werden. Die Verminderung der Impulsspitze ist hinreichend groß, um ein sehr schnelles Sperren des Schalters zu gestatten, unter Beibehaltung einer ausreichenden Unterdrückung des Schaltvorganges, um das Betriebsverhalten der Analogschaltung annehmbar werden zu lassen.

Wenn sich das Potential am Verbindungspunkt 45 dem Potential des Anschlusses 30 nähert, so hört der bipolare Transistor 44 auf zu leiten und sperrt somit den bipolaren Transistor 47. Dies gestattet den Feldeffekt-Transistoren 48 und 49,dem Potentialverlauf am Verbindungspunkt 45, mit den oben beschriebenen Bedingungen für den Anschluß 30, zu folgen. Da es nicht erforderlich ist, daß die Feldeffekt-Transistoren 48 und 49 eine hohe Stromspitze aufnehmen, so können diese sehr klein sein. Die bipolaren Transistoren 44 und 47, die stark leiten, wirken nur während des SchaltVorganges und können den Feldeffekt-Schalttransistor 35 schnell durchschalten, während sie die Stromspitze von der Analogschaltung fortleiten.

Es ist anzumerken, daß die oben beschriebene, erfindungsgemäße Schaltung bipolare, zueinander komplementäre Transistoren zum Einsatz bringt, wobei nur der Kollektor des verwendeten pnp-Transistors mit der Spannung -V verbunden ist. Alle anderen bipolaren Transistoren sind vom npn-Typ und herkömmlich. Derartige Bauelemente werden leicht in herkömmlichen Bearbeitungsverfahren für integrierte Schaltungen fertiggestellt. Alle Feldeffekt-Transistoren

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sind von gleicher Polarität und werden gleichzeitig mit den bipolaren Transistoren hergestellt. Somit ist die erfindungsgemäße Schaltung in ihrer Gesamtheit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren von integrierten Schaltungen zugänglich. Die Schaltung ist empfindlich gegenüber der Pinchoff-Spannung des Feldeffekttransistors . Während es in der Bearbeitung der integrierten Schaltung schwierig ist, diesen Wert auf einem präzisen Sollwert zu halten, so neigen bei einem gegebenen Schaltungsplättchen alle Feldeffekt-Transistoren dazu, denselben Sperrschwellwert oder dieselbe Pinchoff-Spannung zu haben. Da die erfindungsgemäße Schaltung zwei Konstantspannungsquellen einschleißt, deren Spannungen geringfügig, um eine feste Differenz, höher als die Pinchoff-Spannung der Feldeffekt-Transistoren sind. So wird die Variation in diesen Pinchoff-Spannungswerten von selbst kompensiert. Das bedeutet, daß beim Anstieg der Pinchoff-Spannung die Schaltspannungswerte entsprechend erhöht werden. Somit folgen die Betriebsbedingungen der erfindungsgeraäßen Schaltung den Anforderungen der Feldeffekt-Transistoren.

Unter den bei der Beschreibung der erfindungsgeraäßen Schaltung festgelegten Bedingungen kann die Analogspannung am Anschluß 50 Signale im Bereich von etwa +£> V zulassen. Dies kann Gleichspannungsanteile und Signalanteile gleichzeitig einschließen Wenn die verwendeten Feldeffekt-Transistoren eine etwas andere Pinchoff-Spannung aufweisen, so fällt der Bereich für die Analogspannung anders aus, jedoch kann der Wert dieses Bereiches in der Praxis ausreichend groß gehalten werden, um sehr brauchbaren Vorschriften zu genügen.

Anhand einer bestimmten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße

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Schaltung für die Umschaltung und ihre Wirkungsweise beschrieben worden. Es ist klar, daß es alternative und gleichwertige Ausführungsformen gibt, die für den Fachmann erkennbar sind. Während eine bestimmte Art von Feldeffekt-Transistoren hier gezeigt worden ist, so kann eine dazu komplementäre Bauform eingesetzt werden, und die Polarität der Speisespannung würde damit vertauscht. Während Feldeffekt-Transistoren mit Halbleiterübergängen gezeigt worden sind, so können einige oder alle in der sogenannten MOSFET- oder IGFET-Technik ausgeführt sein. Ferner könnten die gezeigten Widerstände in der Form eines leitend vorgespannten Feldeffekt-Transistors ausgeführt werden. Dementsprechend soll der Erfindungsgegenstand nur durch die beigefügten Patentansprüche eingegrenzt sein.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche ? 7 1 ? 7 Λ /*

1„ Feldeffekt-Transistorschaltkreis mit einem Feldeffekt-Schalttransistor mit einer Gate-Elektrode und einem Source/Drain-Elektroden-Stromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Source/Drain-Elektroden-Stromkreis mit einem Eingangsanschlufl

(30) und mit einem Ausgangsanschluß (31) verbunden ist, daß der genannte Eingangsanschluß (30) und der genannte Ausgangsanschluß

(31) durch den genannten Feldeffekt-Schalttransistor (35) ira Durchschaltzustand des letzteren miteinander verbindbar und im Sperrzustand des letzteren voneinander trennbar sind, daß ein erster und ein zweiter Steueranschluß (33* 32) vorgesehen sind, wobei der in dem ersten Steueranschluß (33) fließende Strom den genannten Feldeffekt-Schalttransistor (35) durchschaltet, und der in dem genannten zweiten Steueranschluß (32) fließende Strom den genannten Feldeffekt-Transistorschalter (35) sperrt, daß eine Ansteuerschaltung (20a, 20b, 36-4-9) zwischen den genannten Feldeffekt-Schalttransistor (35) und die genannten Steueranschlüsse (32, 33) geschaltet ist, um den Durchschalt- und Sperrzustand des genannten Feldeffekt-Transistorschalters (35) in Abhängigkeit von den durch die genannten Steueranschlüsse (32, 33) fließenden Strömen zu steuern, daß die genannte Ansteuerschaltung (20a, 20b, 36-49) einen ersten bipolaren Transistor (40) umfaßt, der auf den Strom am genannten zweiten Steueranschluß (32) anspricht und mit der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Transistorschalters (35) zum Umschalten desselben in den Sperrzustand verbunden ist, daß die genannte Ansteuerschaltung (20a, 20b, 36-4-9) einen zweiten bipolaren Transistor (4-1) umfaßt, der auf den Strom an dem genannten ersten Steueranschluß (33) anspricht und an die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Transistorschalters (35) zum Umschalten in den Durchschaltzustand

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■ Λ-

desselben angeschlossen ist, daß der genannte zweite bipolare Transistor (4-1) eine Schaltung (4-2, 45, 44) zum Anschluß der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55) an eine Stromaufnahmeschaltung (46, 47) während des Umschaltvorganges einschließt, während der genannte Feldeffekt-Schalttransistor (55) vom Sperrzustand in den Durchschaltzustand umgeschaltet wird, sowie eine Schaltung (48, 49, 50), um den genannten Feldeffekt-Schalttransistor (55) iß stationären Betriebszustand in seinem Durchschaltzustand zu halten.

2. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schaltung (42, 45, 44) zum Anschluß der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) an die Stromaufnahmeschaltung (46, 47) einen bipolaren Umschalttransistor (44) umfaßt, der zwischen den Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55) und die Stromaufnahmeschaltung (46, 47) zur schnellen Entladung der Gate-Elektrodenkapazität in diese letztere geschaltet ist, und daß eine Schaltung zur Sperrung des genannten Umschalttransistors (44) im stationären Betriebszustand vorgesehen ist.

5. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalt-Transistoranordnung komplementäre bipolare Transistoren (44, 47) umfaßt, die an ihren Emittern miteinander verbunden sind und leitend zwischen die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) und die Stromaufnahmeschaltung (46, 47) geschaltet sind, daß eine Schaltung (42, 43) vorgesehen ist, um die genannten komplementären Tran» sistoren (44, 47) dann leitend werden zu lassen, wenn das Potential an der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55)

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auf den Sperrschwellwert oder die Pinchoff-Spannung gegenüber der Source-Elektrode ansteigt.

H-. Feldeffekt-Transistorschaltkreis, nach Anspruch 1-51 zur Durchschaltung und Sperrung eine Analog-Signalstromes, ansprechend auf zueinander komplementäre Durchschalt- und Sperr-Steuerströme, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schaltkreis eine Feldeffekt-Schalttransistor (55) einschließt, mit einer Gate-Elektrode und einem Source/Drain-Elektroden-Stromkreis zur Steuerung des genannten Analog-Signalstromes, der mit einem Eingangsanschluß (50) und einem Ausgangsanschluß (31) verbunden ist, daß der genannte Eingangsanschluß (30) und der genannte Ausgangsanschluß (31) mittels des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) miteinander verbindbar sind, wenn dieser über seine Gate-Elektrode für den Durchschaltzustand vorgespannt ist, und voneinander trennbar, wenn der Feldeffekt-Schalttransistor (35) über seine Gate-Elektrode in den Sperrzustand vorgespannt ist, daß ein erster und ein zweiter Steueranschluß (52, 55) vorgesehen sind, durch welche die genannten komplementären Steuerströme wirken, um den Zustand der Vorspannung an der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55) festzulegen, daß eine Ansteuerschaltung (20a, 20b, 56-49) zwischen die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55) und die genannten Steueranschlüsse (52, 55) geschaltet ist, wodurch der durch den ersten Steueranschluß (52) fließende Steuerstrom über die genannte Ansteuerschaltung (20a, 20b, 56-4-9) zur Vorspannung der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55) in den Sperrzustand wir und der durch den zweiten Steueranschluß (53) fließende Steuerstrom zur Vorspannung der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (55) in den Durchlaßzustand

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wirkt, daß der Schaltkreis eine auf den durch den genannten ersten Steueranschluß (32) fließenden Steuerstrom ansprechende Schaltung (20a, J8, 39, 40) umfaßt zur Aufschaltung der genannten Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) auf eine Stromquelle (36) um die Vorspannung an der genannten Gate-Elektrode positiver als die Pinchoff-Spannung (V ) werden zu lassen, daß eine auf den durch den zweiten Steueranschluß (33) fließenden Strom ansprechende Schaltung vorgesehen ist zur Aufschaltung der genannten Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) ^auf den genannten Eingangsanschluß (30) und zur Aufrechterhaltung des Durchschaltzustandes dieses Schalttransistors, und daß eine auf den durch den zweiten Steueranschluß (33) fließenden Strom ansprechende Schaltung (20b, 41, 42, 43, 44) vorgesehen ist, und eine Ladung auf der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35)> um diese ^ate- Elektrode auf eine Stromaufnahmeschaltung (46,4?) zu schalten zur Entladung der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Schalttransistors (35) zur Verminderung der Auswirkung einer solchen Entladung auf den Analog-Signalstrom.

5. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte, auf einen Strom durch den zweiten Steueranschluß (33) ansprechende Schaltung (20b, 41, 42, 43, 44) eine Transistoranordnung (41, 42, 43, 44) umfaßt, die zwischen die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) und die genannte Stromaufnahmeschaltung (47) geschaltet ist, sowie eine Schaltung zur Erzeugung einer Vorspannung, um den genannten Transistor leitend werden zu lassen als Folge der Kombination eines durch den ersten SteueranSchluß (32) fließenden Stromes und einer Ladung auf der Gate-Elektrode

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des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35).

6. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Transistoranordnung (4-1, 42, 43, 44) zueinander komplementäre Transistoren umfaßt, deren Emitter miteinander verbunden sind und die zwischen die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) und die genannte Stromaufnahmeschaltung (46, 47) geschaltet sind.

7. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine auf den genannten Steuerstrom durch den genannten ersten Steueranschluß (33) ansprechende Schaltung (20b, 41-44) zur Aufschaltung der genannten Gate-Elektrode des Feldeffekt-Schalttransistors (35) auf eine Stromauf nahmeschal tung (46,47) umfaßt, um die genannte Gate-Elektrode negativer als die Pinchoff-Spannung (V ) aufzuladen, sowie eine auf den durch den zweiten Steueranschluß (32) fließenden Steuerstrom ansprechende Schaltung (20a, 38-40, 48,49) zur Aufschaltung der genannten Gate-Elektrode des ^eldeffekt-Schalttransistors (35) auf den genannten Eingangsanschluß (30) und zur Aufrechterhaltung des Durchschaltzustandes des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35)» und daß eine Schaltung auf den durch den genannten zweiten Steueranschluß (32) fließenden komplementären Steuerstrom und auf eine auf der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) befindliche Ladung anspricht, um diese Gate-Elektrode mit einer Stromquelle zu verbinden, wobei die letztgenannte Schaltung die genannte Gate-Elektrode entlädt und die Auswirkung einer solchen jsntladung auf das genannte Analogsignal vermindert.

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8. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Schaltung eine zwischen die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) und die genannte Stromquelle (37) geschaltete Transistöranordnung (40-44, 47-50) umfaßt, sowie eine Schaltung zur Erzeugung einer Vorspannung, derart, daß der genannte Transistor infolge des kombinierten Auftretens eines durch den ersten Steueranschluß (33) fließenden Steuerstromes und einer auf der Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) befindlichen Ladung leitend wird»

9. Feldeffekt-Transistorschaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Transistoranordnung (40-44, 47-50) zueinander komplementäre, an ihren Emittern miteinander verbundene Transistoren (44, 47) umfaßt, die zwischen die Gate-Elektrode des genannten Feldeffekt-Schalttransistors (35) und die die genannte Stromquelle (37) geschaltet sind.

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