DE2812785C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Signalüber­ tragungsschaltung mit einem symmetrischen Schalttransistor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In analogen Vermittlungsschaltungen sind die Einfü­ gungsdämpfung eines Schalters und die Linearität der Über­ tragung über den Schaltkreis von Bedeutung. Schalter mit metallischen Kontakten, beispielsweise Reed-Relais, Koordi­ natenschalter usw., sind in großem Umfang verwendet worden, da solche Schalter niedrige Einfügungsdämpfung und hohe Leerlaufimpedanz sowie für einen großen Bereich von Signalamplituden und -frequenzen lineare Übertragungs­ eigenschaften besitzen und doppelt gerichtet sind. Außer­ dem ist bei solchen Schaltern mit metallischen Kontakten die Steuerschaltung mechanisch und elektrisch von der geschalteten Übertragungsstrecke isoliert. Halbleiter­ schalter, die aus zwei oder mehreren unsymmetrischen Transistoren in einer Vielzahl von Reihen- und Parallel­ anordnungen bestehen, sowie PNPN-Schalter sind ebenfalls bekannt. Solche Anordnungen befriedigen jedoch bezüglich einer oder mehrerer der obenerwähnten Eigenschaften nicht.

Es ist auch bereits eine Halbleiter-Signalübertra­ gungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt (US-PS 32 07 927), bei der die Basiszone des symmetrischen Schalttransistors, der auch durch zwei miteinander ver­ bundene, unsymmetrische Transistoren ersetzt sein kann, über einen Trenntransformator impulsmäßig angesteuert wird. Eine kontinuierliche Gleichstromansteuerung ist wegen des Transformators nicht möglich.

Bekannt ist auch eine Halbleiter-Signalübertragungs­ schaltung mit zwei unsymmetrischen Schalttransistoren (US- PS 32 53 161), deren Emitter den Ein- und Ausgang der Schaltung darstellen, deren Kollektoren verbunden sind und deren Basiszonen gemeinsam angesteuert werden. Zur Potentialtrennung der den Steuerstrom liefernden Quelle vom zu schaltenden Signal wird im ausgeschalteten Zustand über Dioden ein Kondensator durch den Steuerstrom aufgela­ den. Beim Abschalten des Steuerstroms kann sich der Konden­ sator über die Basis-Emitterstrecke der Schalttransistoren entladen, die dadurch für die Dauer der Entladung ein­ schalten. Die Steuerstromquelle ist während dieser Zeit über Dioden abgetrennt. Eine kontinuierliche Gleichstrom­ ansteuerung ist auch hier nicht möglich.

Schließlich ist aus der US-PS 30 24 448 eine Halb­ leiter-Signalübertragungsschaltung bekannt, bei der zwei symmetrische Schalttransistoren verwendet werden. Eine Potentialtrennung zwischen der Ansteuerschaltung und der Signalschaltung ist nicht verwirklicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be­ kannten Halbleiter-Signalübertragungsschaltungen nach den beiden erstgenannten Patentschriften so auszubilden, daß auch eine dauernde Gleichstromansteuerung möglich ist. Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Der symmetrische Schalttransistor besitzt identische Übertragungselektroden, von denen jede entweder als Emitter oder als Kollektor abhängig von der Richtung der Signal­ übertragung über den Transistor arbeitet. Daher wird jede dieser Elektroden nachfolgend als "Emitter/Kollektor"- Elektrode bezeichnet. Die Ansteuerschaltungen sind mit dem Basis- und den Emitter/Kollektoranschlüssen des Schalttran­ sistors verbunden. Es ist zweckmäßig, eine Ansteuerschaltung nur in einem Emitter/Kollektorstromkreis anzuordnen. Bei der Verwirklichung der Erfindung kann jedoch eine Ansteuer­ schaltung in beiden Emitter/Kollektorstromkreisen vorgese­ hen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer Signalübertragungs­ schaltung nach der Erfindung;

Fig. 2 die Aufsicht eines in integrierter Form hergestellten Paares symmetrischer Transistor- Kreuzpunktschalter;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein symmetrischer (doppeltgerichteter) bipolarer Transistor 101 gezeigt, der zur selektiven Verbin­ dung der Eingangssignalquelle 102 mit der Ausgangsschaltung 103 verwendet wird. Es ist zwar nur eine Übertragung in Richtung von der Signalquelle 102 zur Ausgangsschaltung 103 dargestellt, der Transistor 101 ist jedoch als doppelt gerichteter Schalter aufzufassen, der bipolare Signale nach beiden Seiten übertragen kann. Entsprechend der Erfindung ist die Ansteuerschaltung des Schalters, der die Transisto­ ren 105, 131 und 113 umfaßt, so ausgelegt, daß sie einen genügend großen Strom liefert, um den Transistor 101 zu sättigen (beide pn-Übergänge sind in Durchlaßrichtung vorge­ spannt) und sicherzustellen, daß der Gleichstrom (IB ₂), der in den Emitter/Kollektor 118 fließt, gleich dem Gleichstrom (IB ₁) ist, der aus der Basis 150 des Transistors 101 fließt. Außerdem weisen die an den Emitter/Kollektoranschluß und den Basisanschluß des Transistors 101 angekoppelten Ansteuer­ schaltungen Stromregelschaltungen auf, die je hohe Ausgangs­ impedanz besitzen.

Da die Ströme im Basis- und Emitter/Kollektorkreis aneinander angepaßt sind, braucht der Basisstrom für den Transistor 101 nicht über die externen Schaltungen 102 und 103 zurückgeführt oder über diese geliefert zu werden. Da die Ausgangsimpedanz der an den Basis- und Emitter/Kollektor­ anschluß des Transistors 101 angekoppelten Ansteuerschaltun­ gen hoch ist, entkoppeln sie auf wirksame Weise das von der Eingangssignalquelle gelieferte Signal von der Ansteuer­ schaltung.

Gemäß Fig. 1 weist der Transistor 105 einen einzigen Emitter und mehrere Kollektoren auf. Der Transistor 105 ist so aufgebaut, daß die elektrischen Eigenschaften für die Kollektoren 107, 108 und 140 identisch sind. Ein Transistor 104 steuert abhängig von Signalen am Steueranschluß den Transistor 105. Ein positives Signal am Anschluß 130 schaltet den Transistor 104 ein und bringt dessen Kollektor 106 etwa auf Erdpotential.

Dann wird der Strom über den Widerstand 109 in erster Linie von dem an die Basis 111 des Transistors 105 angeschlossenen Kollektor 140 geliefert. Demgemäß wird der Strom IB _{2 B} über den Kollektor 140 durch den Widerstand 109 und die Spannung V ₁ abzüglich der Emitter-Basisspannung des Transistors 105 und der Kollektor-Emitterspannung des Transistors 104 be­ stimmt. Der Transistor 105 wird also eingeschaltet, und es fließen gleiche Ströme IB ₂ und IB _{2 A} (die je gleich IB _{2 B} sind) über die externen Schaltungen der Kollektoren 107 und 108.

Eine Stromspiegelschaltung, die den als Diode geschalteten Transistor 131 sowie den Transistor 113 aufweist, dient zur Aufrechterhaltung gleicher Ströme in den Basis- und Emitter/ Kollektorkreisen des Transistors 101. Gemäß Fig. 1 ist der Kollektoranschluß 116 des Transistors 131 mit seinem Basis­ anschluß 112 verbunden, so daß der Transistor 131 als Diode zwischen dem Basisanschluß 112 und dem Emitteranschluß 133 wirkt. Da die Basisanschlüsse 112, 117 und die Emitteranschlüs­ se 133, 132 der Transistoren 133 und 113 jeweils miteinander verbunden sind, ist der Spannungsabfall am Basis-Emitterüber­ gang 112-133 des als Diode geschalteten Transistors 131 gleich dem Spannungsabfall am Übergang 117-132 des Transistors 113. Da die Transistoren 131 und 113 so ausgelegt sind, daß sie identische Betriebseigenschaften haben, fließen auf Grund der oben beschriebenen Verbindungen gleiche Ströme über den als Diode geschalteten Transistor 131 und die Kollektor-Emitter­ strecke des Transistors 113. Da weiterhin der vom Kollektor 107 des Transistors 105 zum Emitter des Transistors 101 flies­ sende Strom gleich dem Strom über den Kollektor 108 ist, wird die gewünschte Bedingung, wonach der zur Basis 150 des Transistors 101 gelieferte Strom gleich dem vom Emitter/Kollektor dieses Transistors geführten Strom ist, erreicht.

Es wird angenommen, daß von einer Quelle, beispielsweise der Signalquelle 102, zu einer Last, beispielsweise der Ausgangs­ schaltung 103 zu übertragende Signale in ihrer Amplitude so begrenzt sind, daß der Schalttransistor 101 für alle übertra­ genen Signale in der Sättigung gehalten wird. Dann bietet der Transistor 101 eine verhältnismäßig niedrige Impedanz zwischen den Anschlüssen 118, 119 dar und die Betriebseigenschaften des Transistors 101 bleiben um den Nulldurchgang der Spannungs- Stromkennlinie linear.

Wenn ein Schalttransistor in integrierter Form hergestellt wird, beispielsweise entsprechend der Darstellung in Fig. 2 und 3, die nachfolgend erläutert werden, sind, wie in Fig. 1 gezeigt, zwei parasitäre pnp-Transistoren 120 und 121 vorhanden, die jeweils an die beiden Emitter/Kollektoranschlüsse des Tran­ sistors 101 angeschaltet sind. Die parasitären Transistoren 120 und 121 teilen jeweils die Emitter- und Basiszone mit dem Schalttransistor 101, und die Kollektorzone dieser parasitären Transistoren umfaßt aktive Teile des Substrats, auf dem die integrierte Schaltung aufgebaut ist. Demgemäß liegt der Kollek­ tor der Transistoren 120 und 121 auf dem gleichen Potential wie das Substrat. Bei den oben beschriebenen Verbin­ dungen fließt ein kleiner Gleichstrom über diese parasitären Transistoren, aber für jeden über den Transistor 120 zum Sub­ strat fließenden Verlustanteil eines externen Wechselstromsig­ nals fließt ein Wechselstrom gleicher Amplitude und entgegen­ gesetzter Polarität über den Transistor 121, wenn der Tran­ sistor 101 genau symmetrisch ist. Demgemäß ist für alle ex­ ternen Wechselstromsignale, die einem Emitter/Kollektoranschluß, beispielsweise dem Anschluß 118 zugeführt werden, der kombinier­ te Einfluß der parasitären Transistoren 120, 121 gleich Null.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Schalttransistor und die Ansteuerschaltungsanordnung nach der Erfindung in diskreter statt in integrierter Form hergestellt werden können. In diskreter Form aufgebaute Schalttransistoren weisen jedoch nicht die vorstehend beschriebenen parasitären Transistoren auf, und der oben beschriebene Vorteil bezüglich der Auslöschungseffekte der parasitären Transistoren wird nicht erreicht.

In Fig. 2 sind zwei Schalttransistoren dargestellt, die ent­ sprechend einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Schal­ tung hergestellt sind. Ein Querschnitt des oberen Transistors in Fig. 2 zeigt Fig. 3. Die Schalttransistoren in Fig. 2 und 3 sind in einem Halbleiterkörper verwirklicht, der in p-lei­ tendes Substrat 201 und eine n-leitende Epitaxialschicht 202 auf dem Substrat 201 aufweist. Im Halbleiterkörper ist eine Vielzahl von vergrabenen n+ Inseln gebildet, auf denen die einzelnen Schalttransistoren hergestellt sind. Die Transistoren in Fig. 2 und 3 weisen streifenförmige (d. h., nicht ringförmige) ausgebildete Emitter/Kollektorzonen 205, 206 auf, die gleiche Größe, Form und Dotierdichte besitzen. Eine Verbindung zu die­ sen Emitter/Kollektorzonen ist über Metallisierungen 207, 208 und Leitungen 209, 210 hergestellt. Die Zone 202′ der Epitaxial­ schicht zwischen den beiden Emitter/Kollektorzonen 205, 206 bildet die Basis des Schalttransistors. Eine Verbindung zu dieser Basis verläuft über die vergrabene n+ Insel 212, die rechteckige n+ Zone 204, die von der vergrabenen Insel zur freiliegenden Oberfläche der Epitaxialschicht führt, die Me­ tallisierung 213 und die Leitung 214. Die einzelnen Schalt­ transistorkreuzpunkte sind durch die rechteckigen tiefen p+ Isolierzonen 203 voneinander getrennt. Die tiefen Oxidzonen 302 und 303, die nach Wahl zusätzlich verwirklicht werden kön­ nen, dienen zur Begrenzung einer Wechselwirkung zwischen der n+ Zone 204, der Isolierzone 203 und den beiden Emitter/Kol­ lektorzonen 205, 206.

Wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert, weist ein symmetrischer Transistor, der in integrierter Form beispielsweise entsprechend Fig. 2 und 3 aufgebaut ist, zwei parasitäre Transistoren 120, 121 auf. Diese parasitären Transistoren umfassen in Fig. 2 und 3 beispielsweise eine Emitter/Kollektorzone 205, einen Teil der vergrabenen n+ Schicht 212 und einen Teil des Substrats 201. Ein ähnlicher parasitärer Transistor ist für die Emitter/ Kollektorzone 206 vorhanden. Die Ansteuerschaltung gemäß Fig. 1 ist in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellt. Sie kann auf dem gleichen oder einem anderen Halbleiterplättchen verwirk­ licht sein.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 ist die Ansteuer­ schaltung mit der Emitter/Kollektorelektrode 118 verbunden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Ansteuerschaltung in gleicher Weise allein mit der Emitter/Kollektorelektrode 119 verbunden sein kann oder alternativ Ansteuerschaltungen mit beiden Emitter/Kollektorelektroden 118, 119 verbunden und die Ströme in diesen Schaltungen so eingestellt sein können, daß sie einander gleich sind und ihre Summe gleich dem in die Basis 150 fließenden Strom IB ₁ ist. Bei einer solchen Anordnung kann die Gleichstrom-Offsetspannung zwischen den beiden Emitter/Kollektoranschlüssen wesentlich herabgesetzt werden. Das kann bei bestimmten Anwendungen der offenbarten Schaltung von Vorteil sein. In analogen Übertragungsschaltungen der hier beschriebenen Art ist jedoch diese Verringerung der Offsetspannung ohne oder nur von kleiner Bedeutung.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist der Schalttransistor 101 als pnp- Struktur dargestellt und die Transistoren in den Vorspannungs­ schaltungen sind entsprechend gewählt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß npn-Kreuzpunkte bei der praktischen Verwirk­ lichung der Erfindung benutzt werden können und in diesem Fall die Transistoren in den Vorspannungsschaltungen so gewählt sind, daß sie mit npn-Kreuzpunkten zusammenarbeiten.

Claims (5)

1. Halbleiter-Signalübertragungsschaltung mit einem symmetrischen Schalttransistor (101), der zwei elektrisch gleiche Übertragungszonen (118, 119) und eine Basiszone (150) besitzt, und mit einer Ansteuerschaltung (104, 105, 131, 113), die einen Steuerstrom zum Einschalten des Schalttransistors (101) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung eine dauernd mit dem Bezugspotential () verbundene Gleichstromquelle (+V ₁, -V ₂) aufweist, die über Regelschaltungen (105, 131, 113) hoher Impedanz Gleichströme (IB ₁, IB ₂) gleicher Größe an die Basiszone (150) und wenigstens eine der Übertragungszonen liefert, so daß Signalströme, die über den Schalttransistor (101) geführt werden, von der Ansteuerschaltung entkoppelt sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung Gleich­ ströme gleicher Größe an beide Übertragungszonen (118, 119) und einen Gleichstrom an die Basiszone (150) liefert, der gleich der Summe der an die Übertragungszonen (118, 119) gelieferten Gleichströme ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor ein bipolarer Transistor (101) ist und daß die dem Transistor zugeführten Gleichströme den Transistor in der Sättigung halten.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltungen erste und zweite Konstantstromquellen (107, 108) hoher Impedanz aufweisen, die Ströme gleicher Größe liefern, daß eine der Konstantstromquellen (107) mit einer Übertragungszone (118) verbunden ist und daß ein Stromspiegel (113, 131) zwischen die andere Konstantstromquelle (108) und die Basiszone (150) geschaltet ist, um den Basisstrom des Schalttransistors gleich dem von den Konstantstromquellen (107, 108) gelieferten Strom zu machen.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Konstantstromquelle durch unterschiedliche Kollektor­ zonen (107, 108) eines Transistors (105) gebildet sind.