DE3012843C2

DE3012843C2 -

Info

Publication number: DE3012843C2
Application number: DE3012843A
Authority: DE
Inventors: Eise Carel Dijkmans; Rudy Johan Van De Eindhoven Nl Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1988-12-22
Also published as: GB2046050A; US4317128A; DE3012843A1; IT8021119A0; FR2453547B1; GB2046050B; JPS55134968A; FR2453547A1; NL7902632A; CA1135800A; JPS6355222B2; IT1140809B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Meistens ist bei einem derartigen Schalter die Kollektor-Elektrode des zweiten Transistors mit der des ersten Transistors verbunden (eine Darlingtonschaltung), was im Vergleich zu einem einfachen Transistor den Vorteil ergibt, daß der Signalstromverlust infolge von Basisströmen erheblich kleiner ist. Jedoch ist die eingangs genannte Transistorkombina tion als Schalter erheblich träger als ein einfacher Transistor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalter der eingangs genannten Art mit verbesserter Schaltgeschwindigkeit zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß aus der DE-AS 21 38 219 be reits ein Transistorschalter der eingangs genannten Art bekannt ist, bei dem der Emitter des zweiten Transistors über einen Wider stand mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und bei diesem Widerstand und der Basisemitterstrecke des zweiten Transistors die Serienschaltung eines Widerstandes und eines relativ großen Kondensators parallel geschaltet ist. Die Basis des zweiten Transistors ist mit dem Kollektor eines dritten Tran sistors verbunden, desssen Basis den Schalteingang bildet. Zum Sperren des ersten Transistors wird der dritte Transistor in die Sättigung gesteuert, so daß die Basis-Emitter-Kapazität des ersten Transistors über die Serienschaltung des Widerstandes und des Kondensators, die parallel zur Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors wirken und über die Kollektor-Emitter- Strecke des dritten Transistors schnell entladen wird. Jedoch bleibt die Basis-Emitter-Spannung des zweiten Transistors wegen der relativ großen Kapazität des damit gekoppelten Kondensators noch eine gewisse Zeit im leitenden Zustand. Der zweite Transistor ist also hierbei noch stromführend, wenn der erste Transistor schon abgeschaltet ist. Würde man eine derartige Schaltung als Darlingtonschalter ausbilden, dann würde nach dem Abschalten noch ein Strom zum Schalterausgang fließen, was unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei den üblichen Darlingtontransistorschaltern die Streukapazität zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors kleiner als die zwischen der Basis und dem Emitter des ersten Transistors ist, im wesentlichen weil der zweite Transistor den Basisstrom des ersten Transistors führt, wodurch der Strom, den der zweite Transistor führt, erheb lich kleiner als der Strom ist, den der erste Transistor führt, so daß die stromabhängige Speicherkapazität (storage capacitance) des zweiten Transistors kleiner als die des ersten Transistors ist, und auch weil wegen des niedrigeren Strompegels der zweite Transistor kleiner als der erste Transistor bemessen werden kann, wodurch auch die Verarmungs kapazität kleiner ist. Hinzu kommt noch, daß die Kollektor- Basis-Kapazität des ersten Transistors, vom Emitter des zweiten Transistors her gesehen, parallel zu der Basis- Emitter-Kapazität des ersten Transistors wirksam ist. Dieser Unterschied in Streukapazitätswerten führt beim Ausschalten dazu, daß eine Spannungsänderung an der Basis des zweiten Transistors in erster Linie über dem Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors erscheint und diesen Transistor ausschaltet. Nach dem Ausschalten des zweiten Transistors sind die mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbundenen Streukapazitäten auf einer Seite mit einem hochohmigen Punkt zwischen dem Emitter des ausgeschalteten zweiten Transistors und der Basis des ersten Transistors verbunden, so daß die mit dem Ausschalten des ersten Tran sistors gepaarte Entladung dieser Kapazitäten erheblich träger als bei einem einfachen Transistorschalter vor sich geht, bei dem die Basis-Elektrode mit einer niederohmigen Quelle für die Schaltspannung verbunden ist.

Die Vergrößerung der Basis-Emitter-Kapazität des zweiten Transistors kann auf vielerlei Weise erzielt werden, u. a. dadurch, daß zu diesem Basis-Emitter-Übergang ein Konden sator parallelgeschaltet wird, der z. B. durch einen ge sperrten Halbleiterübergang gebildet werden kann. Eine be vorzugte Ausführungsform des Transistorschalters nach der Erfindung ist zur Vergrößerung der Kapazität dadurch gekenn zeichnet, daß der erste und der zweite Transistor gleich artig in einem einzigen Substrat ausgeführt sind, und daß die Oberfläche des Basis-Emitter-Überganges des zweiten Transistors größer als die Oberfläche des Basis-Emitter- Übergangs des ersten Transistors ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Darlingtonkonfiguration zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 2 schematisch das optimale Verhältnis der Oberflächen der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren T ₁ und T ₂, und

Fig. 3 eine integrierte Ausführungsform eines Transistor schalters nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Darlingtonkonfiguration von Transistoren T ₁ und T ₂, wobei auf bekannte Weise die Emitter-Elektrode des Transistors T ₂ mit der Basis-Elektrode des Transistors T ₁ verbunden ist und die beiden Kollektor-Elektroden mit einander verbunden sind. Die Emitter-Elektrode des Tran sistors T ₁ ist mit einem Anschlußpunkt 2 und die Kollektor- Elektrode dieses Transistors ist mit einem Anschlußpunkt 3 verbunden. Zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3 kann die Darlingtonkonfiguration als Schalter wirken, dadurch, daß dem mit der Basis-Elektrode des Transistors T ₂ verbundenen Anschlußpunkt 1 ein passend gewähltes Steuersignal zugeführt wird.

Jeder Transistor weist zwischen seiner Basis und seinem Emitter eine Streukapazität auf, die aus einer Verarmungs kapazität, die die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs proportional ist, und einer Ladungsspeicherkapazität be steht, die dem Kollektorstrom des Transistors proportional ist. Da bei einer Darlingtonkonfiguration der Steuer transistor T ₂ einen viel kleineren Kollektorstrom als der andere Transistors T ₁ führt, ist die Ladungsspeicherkapazi tät des Transistors T ₂ kleiner als die Ladungsspeicher kapazität des Transistors T ₁. Da wegen des kleineren Stromes durch den Transistor T ₂ auch die Emitteroberfläche des Transistors T ₂ kleiner als die des Transistors T ₁ ge wählt werden kann, wird auch die Verarmungskapazität des Transistors T ₂ kleiner als die des Transistors T ₁ sein, so daß bei der bekannten Darlingtonkonfiguration die Basis- Emitter-Kapazität C _e ₂ des Steuertransistors T ₂ kleiner als die Basis-Emitter-Kapazität C _e ₁ des Transistors T ₁ sein wird. Wenn die Transistoren T ₁ und T ₂ leitend sind und die Spannung zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 herabgesetzt wird, um die Transistoren in den nichtleitenden Zustand zu schalten, wird sich eine solche Spannungsherabsetzung über die Kapazitäten C _e ₁ und C _e ₂ mit der dazu parallelgeschalte ten Kollektor-Basis-Kapazität C _c ₁ des Transistors T ₁ und etwaige andere Kapazitäten, wie eine Kapazität zwischen der Basis des Transistors T ₁ und Masse, verteilen. Da die Kapa zität C _e ₂ kleiner als die Kapazität C _e ₁ mit dazu parallel geschalteter Kapazität C _c ₁ ist, wird der größte Teil der Spannungsherabsetzung in erster Linie über die Kapazität C _e ₂ auftreten, so daß der Transistor T ₂ gesperrt wird, bevor der Transistor T ₁ gesperrt wird, wodurch die Kapazitäten C _e ₁ und C _c ₁ auf einer Seite mit dem nicht mehr niederohmigen Emitter des Transistors T ₂ verbunden sind und sich also viel träger entladen als dies der Fall wäre, wenn der Tran sistor T ₂ nicht eher als der Transistor T ₁ gesperrt werden würde. Eine Lösung ist die Vergrößerung der Kapazität C _e ₂ derart, daß eine Spannungsänderung zwischen den Punkten 1 und 2 gleichmäßig über beide Basis-Emitter-Übergänge ver teilt wird und beide Transistoren gleichzeitig gesperrt werden, wodurch eine optimale Situation erhalten wird, weil, wenn die Kapazität C _e ₂ zu groß gewählt wird, die Situation ungünstiger wird. In diesem Falle wird der Transistor T ₁ zuerst gesperrt und bleibt der Transistor T ₂ unnötig lange leitend wegen der zu hohen Kapazität C _e ₂, was u. a. eine unnötig niedrige Grenzfrequenz f _t des Steuertransistors be deutet. Außerdem wird die Kapazität C _e ₁ dann nicht weiter über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T ₁, sondern über den Transistor T ₂ entladen, wodurch ein kapazitiver Ladestrom durch den Anschlußpunkt 3 fließt, während der Transistor T ₁ bereits gesperrt ist.

Eine Vergrößerung der Kapazität C _e ₂ kann z. B. dadurch er zielt werden, daß zu dem Basis-Emitter-Übergang des Tran sistors T ₂ eine zusätzliche Kapazität parallel angeordnet wird. In integrierten Schaltungen ist es häufig zu bevor zugen, diese Kapazitätsvergrößerung dadurch zu erreichen, daß die Oberfläche A ₂ des Basis-Emitter-Überganges des Tran sistors T ₂ in bezug auf die Oberfläche A ₁ des Basis-Emitter- Überganges des Transistors T ₁ vergrößert wird.

Fig. 2 zeigt schematisch ein optimales Oberflächenverhält nis A ₁ : A ₂ als Funktion des zu schaltenden Stromes I _c. Dieses Verhältnis nimmt mit dem zu schaltenden Strom zu und ist auch für sehr kleine Ströme I _c größer als 1, weil infolge der Kollektor-Basis-Kapazität C _c ₁ die Kapazität C _e ₂ größer als die Kapazität C _e ₁ sein muß. Computerberechnungen an Darlingtonkonfigurationen, die nach bekannten Techniken integriert sind, haben nachgewiesen, daß dieses Oberflächen verhältnis für zu schaltende Ströme von z. B. 2 mA z. B. 3 betragen kann.

Wenn zur Vergrößerung der Basis-Emitter-Kapazität des Tran sistors T ₂ in bezug auf die des Transistors T ₁ die Ober fläche des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors T ₂ ver größert wird, führt dies zu der bei Darlingtonkonfigurationen ungebräuchlichen Situation, daß der Steuertransistor T ₂ eine größere Basis-Emitter-Oberfläche als der Transistor T ₁ aufweist. Eine solche Lösung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, die für Anwendung in integrierten Schaltungen geeignet ist. In einem n-leitenden Gebiet 4, das als den beiden Transistoren gemeinsamer Kollektor wirkt, sind zwei p-leitende Basisgebiete 5 und 7 erzeugt. Im Basisgebiet 5 ist ein n-leitendes Emittergebiet 6 und im Basisgebiet 7 ein n-leitendes Emittergebiet 8 erzeugt. Im Kollektorge biet 4 ist eine n⁺-Diffusion 9 gebildet, auf der der gemein same Kollektoranschlußpunkt 3 angebracht werden kann. Die Gebiete 4, 5 und 6 bilden den Transistor T ₁ und die Gebiete 4, 7 und 8 den Transistor T ₂. Auf den Gebieten werden in bekannter Weise (in der Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt) Kontakte gebildet, die entsprechend dem Schalt bild nach Fig. 1 miteinander verbunden werden. Um das ge wünschte Oberflächenverhältnis zu erhalten, ist der Emitter 8 des Transistors T ₂ breiter als der Emitter 6 des Transistors T ₁. Auch kann zum Erreichen des gewünschten Oberflächenver hältnisses der Emitter 8 des Transistors T ₂ länger als der Emitter 6 des Transistors T ₁ gewählt werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigte Aus führungsform. Das genannte Oberflächenverhältnis kann auch auf andere Weise erhalten werden, während die Kapazität C _e ₂ auch auf andere Weise als durch Oberflächenvergrößerung vergrößert werden kann. Außerdem kann die Erfindung auf gleiche Weise auch bei Darlingtonkombinationen mit pnp-Transistoren ange wandt werden. Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf eine Darlingtonkonfiguration. Wenn die Genauigkeit des Schalters weniger bedeutend ist, kann der Kollektor des Transistors T ₂ auch z. B. mit einem Speiseanschlußpunkt statt mit dem Kollektor des Transistors T ₁ verbunden werden.

Claims

1. Transistorschalter mit einem ersten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Stromweg den Schaltweg bildet, und einem zweiten Transistor, dessen Emitter-Elektrode mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen Basis-Elektrode einen Schalteingang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors (T ₂) vorhandene Kapazität (C _e ₂) in bezug auf die an der Basis-Elektrode des ersten Transistors (T ₁) vorhandene Kapazität (C _e ₁) derart bemessen ist, daß im leitenden Zustand des ersten und des zweiten Transistors (T ₁, T ₂) eine Spannungsänderung an der Basis- Elektrode des zweiten Transistors (T ₂) in bezug auf die Spannung an der Emitter-Elektrode des ersten Transistors (T ₁) im wesentlichen gleichmäßig über die Basis-Emitter- Übergänge des ersten und des zweiten Transistors verteilt wird.

2. Transistorschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste und der zweite Transistor gleichartig in einem einzigen Substrat ausgeführt sind, und daß die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs des zweiten Tran sistors größer als die Oberfläche des Basis-Emitter-Über gangs des ersten Transistors ist.