DE2751289A1

DE2751289A1 - Mos-fet-differenzverstaerker

Info

Publication number: DE2751289A1
Application number: DE19772751289
Authority: DE
Inventors: Otto Walter Dipl Ing Moser; Peer Dr Ing Thilo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-11-16
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1979-05-17
Also published as: GB2008357A; BE872060A; LU80517A1; NL7811249A; SE7811747L; IT7829787A0; DK507678A; IT1100235B; FR2409635A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen MOS-FET-Differenzverstärker, bestehend aus zwei über ihre jeweiligen Source-Elektroden parallel an einer Konstantstromquelle liegenden Feldeffekttransistoren, wobei das Eingangssignal an der Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors anliegt und das Ausgangssignal von der Drain-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors über einen Verstärkertransistor auf die Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors rückgekoppelt ist, und wobei eine Diodenschutzschaltung für die Gate-Elektroden der beiden Feldeffekttransistoren vorgesehen ist.

Integrierte Differenzverstärker mit MOS-Feldeffekttransistören sind bekannt. Dabei ergibt sich das Problem, daß MOS-FeIdeffekttransistören durch Spannungen an der Gate-Elektrode, etwa durch statische Aufladung oder Berührungsspannungen, sehr leicht zerstört werden können. Um solche Schäden zu ver-

Pr 1 Wt / 14.11.1977

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meiden, ist es üblich, mit den Feldeffelcttransistoren zusätzliche Diodenstrukturen zu integrieren, die das Gate gegen das Substrat schützen. Bei diskreten MOS-FeIdeffekttransistoren ist zu diesem Zweck meist eine Zener- diode zwischen Gate-Elektrode und Substrat vorgesehen.

Wird das Substrat extern mit der Source-Elektrode verbunden, so ist das Gate über die Diode gegen die Source-Elektrode geschüt vt. Bei bekannten Differenzverstärkern mit MOS-FET-Eingangsstufe werden üblicherweise Diodenstrukturen ver- wendet, welche zwischen die Gate-Elektroden und die Source-Elektroden geschaltet sind. Nachteilig dabei ist, daß über diese Dioden Sperrströme fließen, die einerseits temperaturabhängig, andererseits aber eine Funktion der an den Dioden anliegenden Spannung sind. Wegen der relativ hohen Spannung zwischen Gate und Source entstehen dabei entsprechend hohe Sperrströme. Diese überlagern sich den viel kleineren Eingangsströmen der MOS-Feldeffekttransistoren, so daß dadurch der gesamte Eingangswiderstand niedriger wird.

2ο Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung für einen Differenzverstärker anzugeben, die einerseits einen sicheren Schutz der Gate-Elektroden gegen atatische Aufladungen gewährleistet, andererseits aber auch einen hohen Eingangswiderstand sicherstellt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Differenzver-. stärker der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Diodenschutzschaltung aus zwei gegensinnig in Serie lediglich zwischen den Gate-Elektroden der beiden Feldeffekttransistoren liegenden Zenerdioden besteht, welche über den Rückkopplungszweig und einen Widerstand im Emitterkreis des Verstärkertransistors an das Substrat geschaltet sind.

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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung des Differenzverstärkers liegt an den Schutzdioden nicht die Gate-Source-Spannung, sondern die wesentlich kleinere Offset-Spannung zwischen beiden Eingangstransistoren an. Dadurch wird auch der Eingangsstrom des Verstärkers wesentlich verkleinert. Die Schutzfunktion ergibt sich dabei also durch die beiden Zenerdioden in Verbindung mit dem Emitter-Widerstand des Verstärkertransistors.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung mit Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die Schaltung eines bekannten integrierten Differenzverstärkers mit MOS-FET-Eingangsstufe, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen rückgekoppelten Differenzverstärker.

Die Fig.1 zeigt die Schaltung eines handelsüblichen integrierten Differenzverstärkers mit MOS-FET-Eingangsstufe. Er besteht im wesentlichen aus den zwei Feldeffekttransistoren T1 und T2, welche parallel an eine Konstantstromquelle Q1 angeschaltet sind, über die Eingänge E1 und E2 können Eingangssignale an die Gate-Elektroden angelegt werden. An der Drain-Elektrode des Transistors T2 kann beispielsweise ein Ausgang A vorgesehen sein. Eine Diodenstruktur mit den Zenerdioden D1, D2, D3 und D4 schützt die Eingänge des Differenzverstärkers vor Überspannungen, über den Eingang E1 fließt ein Eingangsstrom i_£1 der sich in einen Gate-Sperrstrom i_G1 und in einen Diodensperrstrom i^,. aufteilt. Entsprechend ist es beim Eingang E2.

Es gilt also folgende Beziehung:

¹EI ^{= 1}DI ^{+ 1}GI
ⁱE2 ^{= Α}ϋ2 ^{+ i}G2

^{Da 1}G « ¹D ,

ist i_{E1 Ä} i_D1 und i_E2 +* i_D2 ,

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<^UGSV

*D2 * ^{f (U}GS2^{; T)}·

Der Eingangsstrom Ig₁ ist also abhängig von der Gate-Source-Spannung Uq₃₁ und der Eingangsstrom i_E2 ist abhängig von der Gate-Source-Spannung U_GS2· Beide sind zusätzlich abhängig von der Temperatur. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung eines derartigen Differenzverstärkers in einem Ionisations-Feuermelder dazu führen, daß bei höherer Temperatur die Messung unzulässig verfälscht wird.

Die Fig.2 zeigt einen rückgekoppelten Differenzverstärker mit einem gegenüber der Fig.1 wesentlich niedrigeren Eingangsstrom. Die beiden Feldeffekttransistoren T11 und T12 liegen an der Konstantstromquelle Q11. Das Eingangssignal wird dem Eingang E11 an der Gate-Elektrode des ersten Transistors T11 zugeführt. Der Ausgang des zweiten Transistors T12 ist der Basis eines Verstärkertransistors T13 zugeführt, dessen Emitter über den Eingang E12 wieder auf die Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors T12 rückgekoppelt ist. Das Ausgangssignal ist beispielsweise am Kollektor des Verstärkertransistors T13 über den Ausgang A abgreifbar.

Zum Schutz der Eingänge der Feldeffekttransistoren T11 und T12 sind zwei Zenerdioden D11 und D12 vorgesehen. Diese sind jedoch im Gegensatz zur Fig.1 lediglich zwischen die beiden Gate-Elektroden gegensinnig in Serie geschaltet. Dadurch liegt an ihnen nicht die jeweilige Gate-Source-Spannung an, sondern lediglich die wesentlich niedrigere Offset-Spannung der beiden Feldeffekttransistoren, über den Widerstand R13 im Emitterkreis des Verstärkertransistors T13 sind die Schutzdioden an das Substrat angeschaltet.

Es gilt al30 folgende Beziehung: Ig₁₁ = i_D11 + i_0J1 Da i_G ^< i_D, ist i_E11 « i_D11.
Darm gilt: i_[)M = f (U₀₁₁ - U., ,; T)

π η «p? »π · ■. ·· π ;

^UG1	1 "	^UG12 ⁼ "offset	T)
¹DI	1 ⁼	^f ("offset;	T).
¹EI	1 ⁼	^f ("offset;	i_E11
^Da "offset^

Im eingeschwungenen Zustand ist die Differenz der beiden Gate— Spannungen U^₁₁ und U_G12 gleich der Offset-Spannung ^offset ^^es Eingangstransistorpaares und damit sehr klein. An den Schutzdioden liegt eine sehr kleine Spannung an, was auch einen sehr kleinen Diodensperrstrom zur Folge hat. Wird die Gate-Spannung U_ß11 kleiner, so erhöht sich der Strom über den Transistor T11 und der Strom durch den Transistor T12 wird kleiner. Dadurch vermindert sich der Spannungsabfall am Widerstand R12, der Verstärker-Transistor T13 wird hochohmiger, und die Rückkopplungsspannung Uo₁? verringert sich ebenfalls solange, bis die Beziehung U_G11 - U_G12 = ^offset erfüllt ist.

1 Patentanspruch

2 Figuren

Claims

Patentanspruch:

1. MOS-FET-Differenzverstärker, bestehend aus zwei über ihre jeweiligen Source-Elektröden parallel an einer Konstantstromquelle liegenden Feldeffekt-Transistoren, wobei das Eingangssignal an der Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors anliegt und das Ausgangssignal von der Drain-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors über einen Verstärkertransistor auf die Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors rückgekoppelt ist, wobei eine Dioden-Schutzschaltung für die Gate-Elektroden der beiden Feldeffekttransistoren vorgesehen 1st, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden-Schutzschaltung aus zwei gegensinnig in Serie lediglich zwischen den Gate-Elektroden der beiden Feldeffekttransistoren (T11, T12) liegenden Zenerdioden (D11, D12) besteht, welche über den Rückkopplungszweig und einen Wideretand (R13) im Emitterkreis des Verstärker-Transistors (T13) an das Substrat geschaltet sind.

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