DE3024936C2

DE3024936C2 - Wechselspannungsverstärker in Form einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE3024936C2
Application number: DE3024936A
Authority: DE
Inventors: Oskar Marin Neuenburg/Neuchâtel Leuthold
Original assignee: Ebauches Electroniques SA
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA
Priority date: 1979-07-13
Filing date: 1980-07-01
Publication date: 1985-01-17
Also published as: DE3024936A1; US4352073A; JPS5652913A; CH631047GA3; CH631047B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wechselspannungsverstärker mit komplementären Feldeffekttransistoren, welcher einen Wechselrichter aufweist, der einen ersten Feldeffekttransistor mit einer ersten bestimmten Schwelienspannung und einen zweiten Feldeffekttransistor mit einer zweiten bestimmten Schwcllenspannung aufweist, wobei der erste und der zweite Feldeffekttransistor komplementärer Leitfähigkeit sind und ein isoliertes Tor aufweisen, und wobei die Feldeffekttransistoren die Wechselspannung über zwei Koppelkondcnsatorcn auf ihre Tore erhalten.

Ein solcher Verstärker kann beispielsweise dazu benutzt werden, die Wechselspannung mit relativ kleiner Amplitude, die von einem Quarzoszillator einer elektronischen Uhr stammt auf ein genügendes Pegel zu verstärken, um die normalerweise am Oszillator angeschlossenen Teilerslufen zu steuern.

Fig. I zeigt einen solchen Quarzoszillator, dessen Ausgangsspannung an die nachfolgenden Stufen durch einen erfindungsgemäßen Verstärker A 2 geliefert wird. Im besonderen Fall einer Anwendung auf dem Gebiet der Zeitmessung enthält der Verstärker A 2 im allgemeinen Feldeffekttransistoren mit isolierten Toren, die ihre Integration auf dem gleichen Substrat als die anderen elektronischen Schaltungen der Uhr erlauben. Der Stromverbrauch eines Verstärkers muß sehr niedrig gehalten werden. Die bekannten, inlegrierbarcn Verstärker sind aus mindestens einer Verstärkerstufe gebildet, die einen Wechselrichter mit zwei Feldeffekttransistoren des komplementären Leitfähigkeitstyp aufweist, die im Gegentaktbcirieb arbeiten. Solche Verstärker weisen den Nachteil auf, daß sie entweder einen relativ bohen Stromverbrauch haben oder nur korrekt arbeiten, falls die Speisespannung sehr genau bestimmt ist. oder sie weisen einen kleinen Eingangswiderstand und ein ungeeignetes Ausgangssignal mit einer geringen Steigung der Impulsflanken auf.

F i g. 2 zeigt eine Schaltung eines Wechselrichters mit zwei Transistoren des komplementären Leitungstyps, der in einem erfindungsgemäßen Verstärker verwendet werden kann, deren Senken D und Tore C jeweils miteinander verbunden sind. F.in Widerstandselciiicnt, beispielsweise ein Übertragungstor, ist zwischen den Toren und Senken geschaltet. Dieses Element erzeugt die Vorspannung für den Wechselrichter, so dall die Spannungsverstärkung am Arbeitspunkt Fein Maximum isl, wie aus F i g. 3 hervorgehl.

Fig.4 zeigt die Strom-Spnnnungschurnkicrisiikcn Ids = f(Ui;.\) der beiden Transistoren, die cine P-, rcspeklive N-I.eitfähigkeil iuifwciscn. Man sieht. d:iU im Fiillc einer kleinen Amplitude des l-iingungswcchsclsignsils beide Transistoren ständig leitend sind und dal.) im

Beispiel von F i g. 4 der Strom- nie unter 50 nA fällt. Dieser Strom fließt direkt durch beide Transistoren und trägt nicht zur Ladung oder Entladung des Kondensators C2 bei, der die Lastimpedanz des Wechselrichters darstellt

Bei einem Eingangssignal mit einer Frequenz von 32 kHz, das einer Periode von ungefähr 30 us entspricht, fließt eine Ladung von mindestens 3 pC pro Periode des Eingangssignals durch die Transistoren, während eine Ladung von 0,75 pC pro Periode des Eingangssignals genügen würde, um einen externen Kondensator Cl mit 0,5 pF zu laden oder zu entladen. Dies zeigt, daß diese Schaltung einen übertriebenen Stromverbrauch aufweist, der, für eine gegebene Geometrie der Transistoren, von dem Unterschied zwischen der Speisespannung Uh und der Summe der Schwellenspannungen Vtp + Vtn der Transistoren des P- und N-Typs abhängt. In der Praxis kann der Unterschied sehr stark variieren, wodurch große Schwankungen im Stromverbrauch des Verstärkers entstehen, die ihn für einen Gebrauch in einer Schaltung mil einem sehr geringen Stromverbrauch ungeeignet machen.

Fig.5 zeigt das Verhalten eines Verstärkers, wenn die Speisespannung Ub gleich der Summe der Schwellspannungen ist. Gemäß der vereinfachten Theorie der Feldeffekttransistoren, nach welcher im Transistor kein Strom fließt, falls die Vorspannung zwischen Tor und Quelle kleiner als die Schwelispannung ist, muß der Gleichstrom im Verstärker von F i g. 5 gleich null sein. Der Stromverbrauch ist minimal und hängt nur vom Lastkondensator Cl ab. Der Betrieb des Verstärkers gemäß den Bedingungen von F i g. 5 ist möglich, falls die integrierte Schaltung mit einem Spannungskonstanthalter versehen ist. Überdies ist eine Pegelwandlerschaltung notwendig, um den Pegel der logischen Signale zwischen dem bei niedriger Speisespannung arbeitenden Teil und dem bei voller Speisespannung arbeitenden Teil anzupassen.

Fig.6 zeigt das Prinzip der Vorspannung für eine andere vorbekannte Schaltung, die als Verstärker für Wechselspannungssignale verwendet werden kann, in welcher, in Abwesenheit von Eingangswechselsignale, in den Transistoren kein Gleichstrom fließt.

Die Schaltung von F i g. 7 zeigt das Prinzip eines Wechselrichters mit zwei Transistoren des komplementären Leitungstyps, der wie in F i g. 6 gezeigt vorgespannt ist. Die Transistoren T\ und 7"2 sind durch das Eingangswechselsignal getrennt gesteuert, wobei das Signal von dem Koppelkondensatoren Ci und C 4 geliefert wird. Sie sind durch zwei Widerstandselemente R 1 und R 2, resp. durch die SchweHenspannungen Vti> und Vtnvorgespannt.

Ein Verstärker gemäß der Schaltung nach Fig.8 ist aus der US-PS 38 87 881 bekannt. Der Inverter, welcher aus zwei komplementären Feldeffekttransistoren besteht, ist mit Spannungsteilern so vorgespannt, daß die Vorspannungen an den Toren der Feldeffekttransistoren größer sind als ihre Schwellenspanmingen, damit die Feldeffekttransistoren für eine gewisse Aussteuerung bereits einen möglichst großen Strom liefern können, so daß der Inverter ohne Eingangswcchselsignal bereits einen gewissen Stromverbrauch aufweist.

Das französische Gebrauchsmuster 22 59 482 beschreibt eine Schaltung wie diejenige von F i g. 8, in welcher der Wechselrichter mit den beiden Transistoren Tl und T2 durch die Transistoren 7"5 und TS vorgespannt wird, gemäß dem Prinzip von F i g. 6.

F i ε. 9 zeigt die vereinfachte Vorspannungsschaltung des N-Typ-Transistors von Fig.8. Man erkennt daß der Transistor Tl durch eine Stromquelle Io gespeist ist die aus dem Transistor Γ8 in F i g. 8 besteht.
Fig. 10 zeigt die Ids = f(Ucs) Charakteristik des Vorspannungs-Transistors Tl der F i g. 8 und 9. Für eine Torspannung die praktisch gleich der Schwellspannung Vtn ist ist der Strom /ds eine exponentiell Funktion der Tor-Quellenspannu.-g. Dem durch den Kanalstrom von 1OnA bestimmten Arbeitspunkt entspricht eine Tor-Quellenspannung, die durch die Charakteristik von Fig. 10 definiert ist.

Die Dimensionierung von Transistor Tl und des Stromes Io kann derart geschehen, daß ohne Eingangswechselsignal die Spannung Uci ungefähr gleich der Schwellspannung Vtn von Transistor T2 wird. Falls ein Rechteck-Eingangssignal Ue über den Kondensator C 6 an die Schaltung gelegt wird, zeigt Fig. 10, daß dieses Signal einen mittleren Strom von 24,2 nA im Transistor Tl erzeugt Da jedoch die Stromquelle nur einen Strom von 10 ηA liefert, muß die Torspannu^g des Transistors abnehmen, bis der mittlere Strom i« η Α beträgt. Dadurch entstehen Pegelschwankungen, wouurch die positiven Halbperioden des Eingangssignals nicht den Verstärkertransistor T2 merklich über seinen Schweüspannung betreiben können. Der Transistor T2 ist daher nur schwach betrieben, so daß er nur einen schwachen Strom liefern kann. Werden die Bedingungen einer niedrigen Eingangskapazität in Betracht gezogen, wird der verfügbare Bereich, innerhalb welchem die Dimensionierung der Transistoren der Schaltung möglich ist, sehr beschränkt da in der Praxis nur Transistoren mit minimalen Abmessungen benützt werden können. Infolge des schwachen Ausgangsstromes, steigen die Flanken des Ausgangssignals langsam, so daß die folgende Stufe, beispielsweise ein Wechselrichter wie derjenige von Fig. 1, der mit dem Ausgang der Schaltung von Fig.8 verbunden ist, einen starken Stromverbrauch aufweist. Das ist der erste Nachteil der Schaltung von F i g. 8. Dieser tritt erst in Erscheinung, wenn die Schaltung mit anderen Elementen oder Schaltungen in der integrierten Schaltung verbunden ist und verunmöglicht es dadurch, diese Schaltung für extreme Bedingungen eines niedrigen Stromverbrauchs zu benutzen, die der Schaltung auferlegt werden.

Fig. 10 zeigt ferner, daß starke Stromspitzen im Transistor Tl fließen. Diese Stromspitzen stellen eine ohmische Last für den Generator der Signale dar, was beispielsweise im Falle eines geregelten Oszillators mit geringer Ausgangsspannung einem relativ großen zusätzlichen Stromverbrauch entspricht. Dies ist der zweite Nachteil der Schaltung nach F i g. 8.

Es ist demgegenüber ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen integrierten Verstärker für Wechselspannungssignale anzugeben, der folgende Eigenschaften aufweist:

— kleiner Stromverbrauch, nur wenig größer als derjenige, der für das Laden und Entladen des Lastkondensators oenötigt wird,

— maximale Eingangsimpedanz,

— geringe Ausgangskapazität,

— starker Ausgangsstrom, um einen s'eilen Anstieg der Ausgangsimpulse zu erzeugen und

— die Fähigkeit, mittels irgendeinem Verfahren der i>5 MOS-Technologie integriert zu werden.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß der Wechselspannungsverstärker ferner einen dritten Feldeffekt-

transistor zum Vorspannen des ersten Feldeffekttransistors mit der ersten Schwellenspannung und einen vierten Feldeffekttransistor zum Vorspannen des zweiten Feldeffekttransistors mit der zweiten Schwellenspannung aufweist, wobei der dritte und der vierte Feldeffekttransistor je mit einer Spannung vorgespannt ist, die praktisch identisch mit seiner Schwellenspannung ist. Dadurch, daß der dritte und der vierte Feldeffekttransistor praktisch mit ihrer Schwellenspannung vorgespannt sind, haben sie einen sehr hohen äquivalenten Widerstand, so daß sie praktisch keinen Stromverbrauch aufweisen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung von Ausführungsbcispielen näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt das Blockschema eines geregelten Quarzoszillators.

Fij ) 7picrt pinp ^rhalliino Hip Ha« Prinvin pines

Wechselrichters mit zwei Transistoren des komplementären Typs darstellt,

Fig.3 zeigt die Transferfunkiioncn des Gleichrichters von Fig. 2,

F i g. 4 zeigt die Ins = f(Ucs) Charakteristik der zwei Transistoren von F i g. 2,

F i g. 5 zeigt die Charakieristik los — ffUr.s) der zwei Transistoren der F i g. 2 im Falle, daß die Speisespannung gleich der Summe der Schwellspannungen ist,

F i g. 6 zeigt ein anderes Prinzip, um die zwei Transistoren eines Wechselrichters wie in Fig. 2 vorzuspannen.

Fig. 7 zeigt die Schaltung eines gemäß dem Prinzip von F i g. 6 vorgespannten Wechselrichters,

F i g. 8 zeigt die Schaltung eines Verstärkers gemäß F i g. 7.

F i g. 9 zeigt die vereinfachte Vorspannungsschaltung von Transistor 72 von F i g. 8.

Fig. 10 zeigt die Charakteristik Ins= f(Uc.i) von Transistor 77 von F i g. 8.

Fig. Il zeigt die Schaltung, die das Prinzip des erfindungsgemäßen Verstärkers darstellt,

F' g. 12 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik des Transistors 73 von Fig. 11,

Fig. 13 zeigt, wie die Referenzspannung für die Schaltung von F i g. 11 erzeugt werden kann und

Fig. 14 zeigt die vereinfachte Schaltung eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verstärkers.

F i g. 11 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers. Die Feldeffekttransistoren 71 und Tl des komplementären Typs mit isoliertem Tor bilden einen Wechselrichter, und sie sind auf ihren Toren durch das Eingangswechselsignal Ue über die Eingangskondensatoren Cl und CS gesteuert. Transistor 71 erhält auf seinem Tor eine Vorspannung U1. die durch einen Feldeffekttransistor Γ3 mit isoliertem Tor geliefert wird und der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie 7*1 aufweist Transistor Tl erhält auf seinem Tor eine Vorspannung UX die durch einen Feldeffekttransistor TA mit isoliertem Tor und gleichem Leitfähigkeitstyp wie Tl geliefert wird. Das Tor von 73 wird durch eine Spannung U3 vorgespannt und das Tor von 74 durch eine Spannung (J 4. Gemäß F i g. 6 ist die das Tor von Ti vorspannende Referenzspannung Ui so bestimmt.daß Ti in den negativen Halbperioden des Eingangswechselsignal Uf. einen starken Strom an eine mit dem Ausgang Ua des Verstärkers verbundene Last und einen vernachlässigbaren Strom in den positiven Halbperioden der Eingangsspannung liefert Der Ausgang des Verstärkers ist der gemeinsame Punkt für die Senken der Transistoren 7Ί und Tl.

Allgemein gesprochen, ist Ui praktisch gleich der Schwellspannung von Ti. Die Vorspannung U3 für das Tor von Γ3 ist derart bestimmt, daß der entsprechende Widerstand von T3 sehr hoch ist, d. h. in der Größenordnung von 100 Megohm, so daß U3 ungefähr doppelt so groß ist wie die Schwellspannung des P-Kanal-Transistors unterhalb des positiven Potentials der Stromin quelle.

Infolge der nicht symmetrischen Charakteristik von Transistor T3. der in Fig. 12 dargestellt ist, muß der Kondensator Cl entladen, falls die Amplitude der Eingangswechselspannung steigt, so daß der Arbeitspunkt von Transistor 73 jederzeit durch die Beziehung On — Os bestimmt ist. Wie aus F i g. 12 ersehen werden kann, erzeugt ein Wechsclsignal a), symmetrisch bezüglich Un. einen Strom, dessen Gleichstromkomponente ungleich null ist. Dadurch muß der Kondensator Cl entladen, so daß Un noch negativer wird. Fig. 12 zeigt, daß das Eingangswechsclsignal b), gegen den negativen Wert von Ud verschoben, einen Strom Ins in 73 erzeugt, dessen Gleichstromkomponente gleich null ist. Die Entladung des Kondensators Cl bewirkt, daß der P-Typ-Transistor Ti mehr leitend wird, was bedeutet, daß dieser Transistor 71 für Eingangssignale mit großer Amplitude einen Strom liefert, der größer ist als derjenige, der durch einfachen Vorspannungs-Widerstand erhalten würde. Im Gegensatz zu dem, was mit der Schaltung von F i g. 8 geschieht, und in erster Näherung hält die Vorspannungsschalt':ng in F i g. 11 die positiven Spitzen auf einem konstanten Potential, wodurch ein besseres Einschalten des Transistors erzielt wird, während die Schaltung von F i g. 8 ein besseres Ausschalten bewirkt. Im Falle von F i g. 8 bleibt der Ausgangsstrom praktisch konstant, was offensichtlich ist, falls man bedenkt, daß die Transistoren Tl und Λ2 einerseits und die Transistoren TS und 71 andererseits einen Stromspiegel bilden, in welchem der Strom in 71 oder 72 nur ein Maximum aufweist, das n-fach größer ist als dasjenige des Stromes von 75 und 77. η ist das Verhältnis der Geometrie der Transistoren gemäß der Gleichung:

Breite von 71 · Länge von 75

η =

Länge von 71 · Breite von 75

In der Schaltung von Fig. 11 kann der Ausgangsstrom beliebig zunehmen, was bedeutet, daß der Lastkondensator immer rasch geladen und entladen wird, so daß die Ansticgsflanken der Impulse des Ausga..gssignals steil sind. Außerdem erlaubt die Schaltung einen großen Spielraum für die Dimensionierung von 73, so daß es möglich ist die Spitzen des Eingangsstroms während den positiven Halbperioden des Eingangssignals sehr klein zu halten, wodurch die Eingangsimpedanz sehr hoch ist.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf die Transistoren 71 und 73 des P-Leitfähigkeitstyps, ist jedoch auch für die N-Typ-Transistoren 72 und 74 des gleichen Verstärkers gültig, solange die Polaritäten respektiert werden. F i g. 13 zeigt, wie die Referenzspannungen Ui. (72, U3 und U4 für die Schaltung von Fig. 11 erzeugt werden. Für die Erzeugung der Spannungen U 1 und U3 kann aus a) ersehen werden, daß eine konstante Stromquelle Io eine Sericnschaltung von zwei Transistoren 75 und 76, beide des P-Typs, speist. Die Tore und die Senken der Transistoren 75 und 76 sind jeweils miteinander verbunden. Die Quelle von 76 ist

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mit der Senke von 75 verbunden, dessen Quelle mit dem positiven Pol der Versorgung verbunden ist. Die Stromquelle ist zwischen der Senke von 76 und dem negativen Pol der Versorgung geschaltet. Die Vorspannungen i/2 und t/4 für die Transistoren 72 und 74 werden durch eine ähnliche Schaltung erzeugt, wie in b) gezeigt, welche Schaltung zwei Transistoren 77 und 78. Leide des N-Typs, enthält.

Die Schaltung von F i g. 11 hat den Vorteil, daß selbst ohne Spannungskonstanthalter oder Pegelwandler der gleichzeitig durch die beiden Transistoren 71 und 72 fließende Strom des Verstärkers vernachlässigbar klein ist. Im Bezug auf die Schaltung von F i g. 8 sind die Vorteile der Schaltung von Fig. 11 einerseits, daß seine Eingangsimpedanz mit einem weitaus größeren Wert verschen werden kann als diejenige der Schaltung von F i g. 8, was die Verwendung von kleinen Koppelkondensatoren Cl und Ci gestattet, und andererseits, daß der Ausgang des Vcisiür'icers fähig ist, mehr Strom für die Steuerung der Last zu liefern. Diese Vorteile werden mit Standardelementen erhalten, die normalerweise in CMOS-Technologie produziert werden und die sich im allgemeinen in Hunderten oder Tausenden von Einheiten in einer integrierten Schaltung befinden.

Schließlich zeigt die Fig. 14 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verstärkers, in welchem Rückkopplungswiderstände R 3 und Λ 4 in der Verbindung zwischen den Transistoren 71 und 72 und den jeweiligen Polen der Versorgung geschaltet wurden. Eine solche Schaltung ist besonders interessant, falls, die Verstärkung des Verstärkers auf einem be- j<

stimmten Wert konstant gehalten werden muß. *

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Wechselspannungsverstärker mit komplementären Feldeffekttransistoren, welcher einen Wechselrichter aufweist, der einen ersten Feldeffekttransistor (71) mit einer ersten bestimmten Schwellenspannung und einen zweiten Feldeffekttransistor (72) mit einer zweiten bestimmten Schwellenspannung aufweist, wobei der erste und der zweite Feldeffekttransistor komplementärer Leitfähigkeit sind und ein isoliertes Tor aufweisen, und wobei die Feldeffekttransistoren die Wechselspannung über zwei Koppelkondensatoren (C7, CS) auf ihre Tore erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsverstärker ferner einen dritten Feldeffekttransistor (73) zum Vorspannen des ersten Feldeffekttransistors (71) mit der ersten Schwelienspannung und einen vierten Feldeffekttransistor (74 jzum Vorspannen des zweiten Feldef- fekttransistors (72) mit der zweiten Schwciienspannung aufweist, wobei der dritte und der vierte Feldeffekttransistor je mit einer Spannung vorgespannt ist, die praktisch identisch mit seiner Schwellenspannung ist.

2. Wechselspannungsverstärkcr nach Anspruch 1, bei welchem die Quelle des ersten Feldeffekttransistors (T I) mit dem ersten Pol einer Speiscquelle und die Quelle des zweiten Feldeffekttransistors (72) mit dem zweiten Pol der Speisequelle verbunden ist, die Senken de» ersten und zweiten Feldeffekttransistors miteinander und m;·. einem \usgang des Wechselspannungsverstärkers "erbunden sind, das Tor des ersten Feldeffekttransistors (~1) mit der Senke des dritten Feldeffekttransistors (73) und das Tor des zweiten Feldeffekttransistors (72) mit der Senke des vierten Feldeffekttransistors (74) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des dritten Feldeffekttransistors (73) mit einer ersten Referenzspannung (Ui), die Quelle des vierten Feldeffekttransistors (74) mit einer zweiten Referenzspannung (U2), das Tor des dritten Feldeffekttransistors (73) mit einer dritten Referenzspannung (L/3) und das Tor des vierten Feldeffekttransistors (74) mit einer vierten Referenzspannung (U4) verbunden ist.

3. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Referenzspannung einen derartigen Wert aufweisen, daß der Stromverbrauch des durch den ersten und zweiten Feldeffekttransistor gebildeten Wechselrichters ein Minimum für eine gegebene Last ist.

4. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückkoppelelement in mindestens einer Verbindung zwischen der Speisequelle und dem ersten oder zweiten Feldeffekttransistor eingeschaltet ist, wobei dieses Element fähig ist, den Verstärkungsfaktor des Wechselspannungsverstärkers konstant zu halten.

5. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Referenzspannung (U3) so groß ist wie die Summe der Schwellenspannungen des ersten (71) und des dritten (73) Feldeffekttransistors unterhalb des Potentials des ersten Poles der Spcisequellc und die vierte μ Referenzspannung (i/4) so groß isl wie die Summe der .Schwellenspannungen des /weiten (72) und des vierten (74) Feldeffekttransistors oberhalb des Potentials des zweiten Poles der Speisequelle, so daß die Eingangswechselspannung die Tore des ersten (71) und zweiten (72) Feldeffekttransistors ohne merkliche Dämpfung erreicht

6. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Feldeffekttransistor ein Transistor mit isoliertem Tor und mit gleichem Typ von Leitfähigkeit wie der erste Feldeffekttransistor ist, und daß der vierte Feldeffekttransistor ein Transistor mit isoliertem Tor und mit gleichem Typ von Leitfähigkeit wie der zweite Feldeffekttransistor isl.