DE3016271C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker nach dem Ober­ begriff des Patenanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft die CMOS-Schaltungstechnik und ihre Anwendung auf die hochintegrierten Schaltungen. Allgemein bezieht sich der Begriff CMOS auf die Kom­ bination eines n-Kanal-Feldeffekttransistors mit einem p-Kanal-Feldeffekttransistor zur Schaffung einer Grundschaltung eines Inverters. Bei digitalen Anwen­ dungen ist nur einer dieser Transistoren zu jedem be­ liebigen Zeitpunkt durchgeschaltet, außer beim Über­ gang zwischen zwei logischen Zuständen. Somit sind die durch Schaltvorgänge hervorgerufene Ströme und die verbrauchte Leistung sehr niedrig. Die Grund­ schaltung des invertierenden Gatters kann mit anderen Gattern kombiniert werden, um die herkömmlichen lo­ gischen Funktionen zu schaffen.

Wenn dies auch nicht oft getan wird, so kann aber auch das invertierende Gatter als Linearverstärker einge­ setzt werden. Ist das Verhältnis der Breiten- zur Längenabmessung des p- und n-Kanal-Feldeffekttransi­ stors in einem bestimmten Verhältnis ausgelegt, so daß der Übergang am Gatter bei einem Potential von etwa V _CC /2 geschieht, so zeigt dieses Gatter eine starke Verstärkung, wenn es eine Vorspannung in Höhe von V _CC /2 erhält und eine lineare Ausgangskennlinie über einen hinreichend großen Bereich.

So ist bereits eine umkehrende Verstärkerschaltung be­ kannt, die folgende Bestandteile umfaßt:

• - ein erstes, komplementäres Feldeffekttransistor­ paar, dessen Source-/Drain-Elektrodenkreise in Reihe zwischen einem positiven und einem negativen Strom­ versorgungsanschluß gelegt sind, die an eine Betriebs­ spannungsquelle gelegt sind, wobei die Gate-Elektroden des ersten, komplementären Feldeffekttransistorpaares zur Bildung des Eingangsanschlusses der genannten Verstärkerschaltung miteinander verbunden sind;
• - einen ersten, bipolaren Transistor, der in Emitter­ folgerschaltung vorliegt, dessen Kollektor also mit dem positiven Stromversorgungsanschluß, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der Drain-Elektroden des ersten, komplementären Feldeffekttransistorpaares verbunden sind, und dessen Emitter den Ausgangsan­ schluß des Verstärkers bildet;
• - eine Stromquellenschaltung zwischen dem Emitter des ersten, bipolaren Transistors und dem negativen Strom­ versorgungsanschluß (GB-PS 14 62 445).

Die Schwierigkeiten bei der Vorspannung derartiger Ver­ stärker haben jedoch bisher ihre Einsatzmöglichkeiten wesentlich vermindert.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen Breitband-A- Verstärker in CMOS-Schaltungstechnik zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile beseitigt, die sich aus Fertigungsstreuungen ergeben und den Aufbau hochge­ schwinder und hochempfindlicher Schaltungen damit er­ möglicht.

Es ist zwar bereits eine Konstantstromquellenschal­ tung, die als Emitterfolgerlastwiderstand arbeitet (DE-OS 26 23 245) und eine n-Kanal-Feldeffekttransi­ stor-Konstantstromquellenschaltung (DE-OS 28 02 189) bekannt, jedoch führt auch die Anwendung dieser Schal­ tungen nicht zu einer Vorspannungskontrolleinrichtung.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.

Nachstehend wird die Erfindung beispielsweise und an­ hand der beigefügten Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigt

Fig. 1A, B vorbekannte Kombinationen von digitalen und linearen Schaltungselementen, mit Feldeffekt­ transistoren und bipolaren Transistoren,

Fig. 2 die Grundschaltung des A-Verstärkers nach der Erfindung unter Einsatz von bipolaren und Feld­ effekttransistoren, und

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung mit senkrech­ tem Schnitt durch ein Halbleiterplättchen der Aus­ legung der einzelnen Transistoren in integrierter Anordnung.

Fig. 1A und B zeigen vorbekannte digitale und lineare Schaltungskombinationen. Eine Grundschaltung eines um­ kehrenden Gatters ist in Fig. 1A dargestellt, die in digitale CMOS-Schaltungen einbezogen werden kann. Die dargestellte Schaltung ist zum Ansteuern von Elektro­ luminiszenz-Dioden-Lichtdarstellungsvorrichtungen vorgesehen, die ein erhebliches Stromabgabevermögen erfordern. Zur Lieferung des erforderlichen Stromes nur unter Verwendung von CMOS-Umkehrstufen würde man sehr große Transistoren benötigen. In der dargestell­ ten Schaltung werden dem Eingangsanschluß 10 logische Signale zugeführt, um den erforderlichen Ansteuerungs­ strom am Ausgangsanschluß 11 zu erzeugen. V _CC wird am positiven Stromversorgungsanschluß 12 zugeführt, der negative Stromversorgungsanschluß liegt bei 13 auf Massepotential. Ein p-Kanal-Feldeffekttran­ sistor 5 in Verbindung mit einem n-Kanal-Feld­ effekttransistor 6 bildet eine herkömmliche CMOS- Umkehrstufe, deren Ausgang mit der Basis eines bipolaren Transistors 8 verbunden ist. Der Kollek­ tor des bipolaren Transistors 8 ist auf die Spei­ sespannung V _CC gelegt, dies ist praktisch das CMOS-Substrat, welches alle integrierten Schal­ tungselemente enthält. Der Emitter bildet den Aus­ gangsanschluß, so daß praktisch eine Emitter-Fol­ geanordnung verwendet wird. Ein n-Kanal-Feldeffekt­ transistor 7 wirkt als die Ausgangslast, die klein ausgeführt sein kann, weil die Stromabführungsfor­ derungen am Ausgang nur gering sind.

Befindet sich der Anschluß 10 auf nidrigem Poten­ tial, so sind die Transistoren 6 und 7 gesperrt. Dann gibt der Transistor 5 Strom an die Basis des Transistors 8 ab. Der beim Anschluß 11 abgeführte Strom ist der um den Stromverstärkungsfaktor β des Transistors 8 vergrößerte Strom, der von dem Tran­ sistor 5 geliefert wurde. Da dieser Stromverstärkungs­ faktor β groß sein kann, kann der Transistor 5 recht klein ausgeführt sein.

Ist das Potential am Anschluß 10 hoch, so ist der Transistor 5 gesperrt, während die Transistoren 6 und 7 durchgeschaltet sind. Dies bringt Basis und Emitter des Transistors 8 nahe an das Massepoten­ tial und sperrt sie. Praktisch ist der einzige fließende Strom beim Transistor 7, dann der Kollek­ tor-Emitter-Leckstrom im Transistor 8. Dieser ist normalerweise sehr niedrig.

In Fig. 1B ist eine lineare Verstärkeranordnung dar­ gestellt. Ein p-Kanal-Feldeffekttransistor 9 und ein n-Kanal-Feldeffektransistor 14 bilden eine Umkehrstufe, die die Basis eines Emitterfolgetran­ sistors 15 ansteuert. Ein Emitterwiderstand 16 bildet die Emitterlast und ein Gegenkopplungswider­ stand 18 bildet einen Gegenkopplungsweg vom Aus­ gangsschluß 11 zurück zu den Gate-Elektroden der Feldeffektransistoren 9 und 14. Ein Vorwider­ stand 17 verbindet die eingangsseitigen Gate-Elek­ troden mit dem Eingangsanschluß 10. Wird eine Span­ nungsquelle an den Anschluß 10 gelegt, so bilden die Widerstände 18 und 17 einen Spannungsteiler, der die Gegenkopplung steuert und damit die Span­ nungsverstärkung der Schaltung. Bei offenem Ein­ gangsanschluß oder bei Ansteuerung mit einer Stromquelle ist die Verstärkung der Schaltung gleich eins. Das Hauptproblem dieser linear umkehrenden Verstärkerschaltung liegt darin, daß die Verstär­ kung durch die Ansteuerschaltung festgelegt wird, und die Vorspannung steuerbar ist.

Fig. 2 zeigt die Grundschaltung des Erfindungsgegen­ standes. Ein p-Kanal-Feldeffektransistor 20 und ein n-Kanal-Feldeffektransistor 21 bilden eine herkömmliche CMOS-Umkehrstufe, die zur Ansteuerung an die Basis eines bipolaren Transistors 22 gelegt ist. Ein n-Kanal-Feldeffekttransistor 23 wirkt als Last für den Feldeffekttransistor 22 und an seiner Gate-Elektrode ist eine Vorspannung gelegt, die den Betrieb als A-Verstärker ergibt.

Da die Schwellwertspannung von CMOS-Feldeffekttran­ sistoren eine abhängige ist, die durch den Fest­ stellungsprozeß festgelegt wird, ist die für A-Ver­ stärkerbetrieb erforderliche Vorspannung keine vor­ bestimmbare Konstante. Nach Fig. 2 stellt die Schaltung innerhalb der gestrichelten Umrandung bei 26 eine Vorspannungserzeugungsschaltung dar zur Entwicklung der erforderlichen Vorspannung, und zwar unabhängig von den Variablen des Herstellungs­ prozesses.

P-Kanal- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren 30 und 31 bilden eine CMOS-Umkehrstufe, die mit der Basis eines bipolaren Transistors 32 verbunden ist. Diese Bauelemente sind dienlich wie die Transistoren 20, 21 und 22 geschaltet. Jedoch ist der Eingang der Umkehrstufe direkt mit dem Emitter des Transistors 32 verbunden. Somit ist der Verstärkerausgang mit seinem Eingang verbunden, und das bringt die Schal­ tung bis auf ihren Ansprech- oder Kipp-Punkt. Da der Ansprechpunkt in der Mitte der linearen Über­ tragungscharakteristik dieser Schaltung liegt, so prägt dies den A-Verstärkerbetrieb auf. Ein Emitter­ widerstand 33 ist zwischen den Emitter des Transi­ stors 32 und Massepotential geschaltet und dient somit als Emitterlast. Der im Emitterwiderstand 33 fließende Strom entwickelt am Verbindungspunkt 34 eine Spannung, die dazu dient, den Transistor 23 durchzuschalten und in Abhängigkeit von der für das Durchschalten des Transistors 31 erforderlichen Spannung festgelegt wird. Somit folgt die Vorspan­ nung automatisch jeder Schwellwertspannungsänderung der Feldeffektransistoren nach, die bei der Her­ stellung eintreten kann.

Die Transistoren 20 und 21 sind dafür ausgelegt, hochverstärkenden Betrieb zu ergeben und einen Betriebsstrom zu ziehen, der im Vergleich zum Basis­ strom des Transistors 22 groß ist.

Der Transistor 23 hat ein größeres Breiten-/Längen- Abmessungsverhältnis als der Transistor 21, um einen Emitterstrom für den Transistor 22 zu ziehen, der im Vergleich zu den durch die Transistoren 20 und 21 fließenden Strom groß ist. Vorzugsweise wird der Transistor 23 im Sättigungsbereich betrieben, so daß die Spannungsverstärkung des Transistors 22 nahe bei eins liegt.

In der praktischen Ausführung kann die Vorspannungs­ erzeugungsschaltung 26 mit einem wesentlich niedri­ geren Strom als die mit Vorspannung zu versehende A-Verstärkerstufe arbeiten. Der Strom wird prak­ tisch durch den Wert des Emitterwiderstandes 33 festgelegt. Dies bedeutet auch, daß die Transistoren 30 und 31 kleiner als die entsprechenden Transisto­ ren 20 und 21 in dem Verstärker gemacht werden kön­ nen. Da außerdem der Verbindungspunkt 34 ein Punkt niedriger Impedanz infolge der niedrigen Ausgangs­ impedanz des Transistors 32 ist, kann die Vorspan­ nungserzeugungsschaltung zum Betrieb mehrerer A-Ver­ stärker gleichzeitig, ohne Rückwirkung zwischen die­ sen Verstärkern, verwendet werden.

CMOS-Umkehrstufen allein sind als Verstärker brauch­ bar, und die Transistoren können derart ausgelegt werden, daß sie sehr brauchbare Verstärkungswerte ergeben. Es ist jedoch festgestellt worden, daß das Produkt aus der Verstärkung und der Bandbreite solcher Schaltungen eine grundsätzliche Begrenzung hat. Es scheint, daß diese Begrenzung auf der Kapa­ zität zwischen der Drain- und der Gate-Elektrode der verwendeten Feldeffekttransistoren beruht. Es ist zu sehen, daß die Gate-/Drain-Elektrodenkapa­ zität beider Feldeffekttransistoren parallelge­ schaltet und zwischen die Eingangs- und Ausgangs­ anschlüsse gelegt ist. Um eine Verstärkung zu ergeben, muß diese Kapazität aufgeladen und ent­ laden werden, um eine Verstärkung des Signals zu erbringen. Dies ergibt praktisch eine Millersche Kapazität, die aus der herkömmlichen Verstärker­ konstruktion wohl vertraut ist. Bei herkömmlichen gewöhnlichen Verstärkern wird das Produkt aus der Verstärkung und der Bandbreite durch Erhöhung des Betriebsstromes verbessert. Somit kann die Millersche Kapazität schneller aufgeladen werden. Unglücklicherweise bedeutet bei einer CMOS-Umkehr­ stufe eine Stromerhöhung einen breiteren Transi­ stor, und die Millersche Kapazität nimmt propor­ tional mit der Stromabgabe zu, so daß das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite im wesentlichen konstant bleibt.

In der Schaltung nach Fig. 2 können die Feldeffekt­ transistoren 20 und 21 recht klein ausgeführt werden, so daß die Millersche Kapazität niedrig bleibt. Der Transistor 22 liefert eine hohe Strom­ verstärkung für die nächste Stufe und läßt daher die Schaltung so erscheinen, als hätte sie große Transistoren mit der Kapazität von kleinen Tran­ sistoren. Typischerweise hat die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 2 etwa ein fünfmal so hohes Produkt der Verstärkung und Bandbreite wie eine CMOS-Umkehrstufe, die Transistoren mit demselben Stromabgabevermögen zum Einsatz bringt. Dies ver­ leiht der Schaltung eine fünfmal so große Schalt­ geschwindigkeit wie bei einem einfachen CMOS- Inverter.

Fig. 3 zeigt eine Form des Aufbaus einer inte­ grierten Schaltung, die zur Schaffung des Ver­ stärkers 19 nach Fig. 2 verwendet werden kann. Die Schaltung zeigt ein Fragment eines Schal­ tungsplättchens in einer Teilschnittansicht und in schaubildlicher Darstellung zur Veranschau­ lichung der Belegung. Der Schnitt kann als durch die Mitte des Aufbaus gelegt angesehen werden, so daß die Belegung die Hälfte eines symmetrischen Aufbaus darstellt. Die Zeichnung ist nicht maß­ stabsgetreu. Die Abmessungen sind zur Darstellung des Prinzips übertrieben gezeichnet worden. Prak­ tisch wird der herkömmliche CMOS-Aufbau verwendet, wie er dem Fachmann wohlvertraut ist. Für die bessere Übersichtlichkeit sind die Oxidschichten und die Metallisierung entfernt worden. Die me­ tallischen Anschlüsse sind schematisch darge­ stellt, um die Schaltung zu veranschaulichen.

Das Substrat 60 ist ein Plättchen aus leicht do­ tiertem Silizium vom n-Leitungstyp. Eine n⁺-Dif­ fusion 61 schafft eine ohmsche Substratverbindung und wird als Schutzring verwendet, der jedes der aktiven Verstärkerelemente 20 bis 23 umgibt. Der Transistor 20 schließt eine Source-Elektrode 62 ein, die mit +V _CC verbunden ist, sowie eine Gate- Elektrode 63, die mit dem Eingangsanschluß 24, und eine Drain-Elektrode 64, die mit den Transi­ storen 21 und 22, wie dargestellt, verbunden ist. Der Transistor 21 schließt eine Source-Elektrode 65 ein, die mit Massepotential verbunden ist, und eine zugeordnete p-Wanne 66 über einen ohmschen p⁺-Kontaktierungsring 67, eine Gate-Elektrode 69, die mit dem Eingangsanschluß 24 verbunden ist, und eine Drain-Elektrode 70, die mit der Drain- Elektrode des Transistors 20 verbunden ist. Der bipolare Transistor 22 schließt eine p-Basis 71 ein, die über einen ohmschen p⁺-Kontaktierungs­ ring 72 mit der Drain-Elektrode des Transistors 21 verbunden ist, und einen n⁺-Emitter 73, der den Ausgangsanschluß des Verstärkers bei 25 bildet. Der Kollektor des bipolaren Transistors 22 ist kein getrenntes Bauelement, sondern bildet den Bereich des Substrates 60, der der Basis 271 gegenüberliegt. Der Feldeffekttransistor 23 schließt eine n⁺-Source-Elektrode 74 ein, die mit einem p⁺-Kontaktierungsring 75 verbunden ist, was eine ohmsche Verbindung mit der p-Wanne 76 ergibt. Dabei sind beide auf Massepotential gelegt, sowie eine Gate-Elektrode, die mit einem Verbindungs­ punkt 34 für den Vorspannungsabschluß verbunden ist, und eine n⁺-Drain-Elektrode 78, die mit dem Emitter 73 des Transistors 22 verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

Die Schaltung nach Fig. 2 wurde unter Verwendung der herkömmlichen CMOS-Schaltungsform unter Ein­ satz der Abmessungen nach der nachfolgenden Ta­ belle ausgeführt. Abmessungen sind die Breiten/ Längenverhältnisse der jeweiligen Kanalzone, aus­ gedrückt in Mil.

Die Schaltung wurde mit einer Spannung von 5 V als Speisespannung V _CC betrieben. Der typische Vor­ spannungswert am Verbindungspunkt 34 lag bei etwa 1,2 V. Der Ansprechpunkt für den Verstärker 19 lag typisch bei 1,7 V, und die Basis des bipolaren Transistors 22 lag typischerweise bei etwa 2,4 V. Der durch den Emitter des bipolaren Transistors fließende Strom betrug ungefähr 250 Mikroampere, und der in den Transistoren 20 und 21 fließende Strom lag bei ungefähr 32 Mikroampere. Der Basis­ strom im bipolaren Transistor 22 betrug ungefähr 5 Mikroampere, und zeigte damit einen Stromver­ stärkungsfaktor β dieser Schaltung von ungefähr 50. Diese Betriebswerte zeigen deutlich die Vor­ spannungsbedingungen für A-Verstärkerbetrieb an. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers betrug ungefähr 30 und er zeigte ein Produkt aus Band­ breite und Verstärkung, das mehr als fünfmal so groß ist, wie das Produkt einer CMOS-Umkehr­ stufe, die mit demselben Strom wie der Transi­ stor 22 arbeitet.

Claims (5)

1. Verstärker mit einer Verstärkerschaltung, geeignet zur Herstellung unter Verwendung der komplemen­ tären Metall/Oxid/Halbleiter- oder CMOS-Schaltungs­ technik, bei dem die Verstärkerschaltung die fol­ genden Bestandteile umfaßt:

• - ein erstes, komplementäres Feldeffektransistor­ paar (20, 21), dessen Source-/Drain-Elektroden­ kreise in Reihe zwischen einem positiven und einem negativen Stromversorgungsanschluß (12, 13) gelegt sind, die an eine Betriebsspannungsquelle (V _CC ) anschließbar sind, wobei die Gate-Elektroden des ersten, komplementären Feldeffekttransistor­ paares (20, 21) zur Bildung des Eingangsanschlusses (24) der genannten Verstärkerschaltung (19) miteinander verbunden sind;
• - einen ersten, bipolaren Transistor (22), dessen Kollektor mit dem positiven Stromversorgungsan­ schluß (12), dessen Basis mit dem Verbindungs­ punkt der Drain-Elektroden des ersten, komplemen­ tären Feldeffekttransistorpaares (20, 21) ver­ bunden sind, und dessen Emitter den Ausgangs­ anschluß (25) des Verstärkers (19) bildet;
• - eine Stromquellenschaltung zwischen dem Emitter des ersten, bipolaren Transistors und dem negativen Stromversorgungsanschluß,

gekennzeichnet durch

• - einen n-Kanal-Feldeffekttransistor (23), dessen Source- und Drain-Elektrode zwischen den Emitter des ersten, bipolaren Transistors (22) und den negativen Stromversorgungsanschluß (13) geschal­ tet sind, sowie mit einer Gate-Elektrode; und
• - eine Vorspannungserzeugungsschaltung (26) zur Aufschaltung einer Vorspannung auf die Gate- Elektrode des n-Kanal-Feldeffekttransistors (23), derart, daß der Verstärker (19) für A-Betrieb vorgespannt ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Kanals des n-Kanal-Feldeffekt­ transistors (23) wesentlich größer als die Breite der Kanäle des ersten, komplementären Feldeffekt­ transistorpaares (20, 21) ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorspannungserzeugungsschaltung (26) die folgenden Bestandteile umfaßt:

• - ein zweites, komplementäres Feldeffekttransistor­ paar (30, 31), dessen Source-/Drain-Elektroden­ kreise in Reihe zwischen den Stromversorgungs­ anschlüssen (12, 13) und deren Gate-Elektroden miteinander verbunden sind;
• - ein zweiter, bipolarer Transistor (32), dessen Kollektor mit dem positiven Stromversorgungs­ anschluß (12), dessen Basis mit den Drain- Elektroden des zweiten, komplementären Feld­ effekttransistorpaares (30, 31), und dessen Emitter mit den Gate-Elektroden des letztge­ nannten Transistorpaares (30, 31) derart ver­ bunden ist, daß der zweite, bipolare Transistor (32) und das zweite, komplementäre Feldeffekt­ transistorpaar (30, 31) einen bis zu seinem Ansprech- oder Kipp-Punkt bringbaren Verstärker bilden; und
• - einen als Last dienenden Emitterwiderstand (33), der zwischen den Emitter des zweiten, bipolaren Transistors (32) und den negativen Stromversor­ gungsanschluß (13) geschaltet ist, wobei die Vorspannung an diesem Emitterwiderstand er­ scheint.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Breiten/Längen-Abmessungsverhältnis des zweiten, komplementären Feldeffekttransistor­ paars (30, 31) derart ausgelegt ist, daß die Vor­ spannung höher als der Ansprech- oder Kipp-Punkt des Verstärkers ist.