DE3344975C2

DE3344975C2 - Verstärker mit Gate-gekoppeltem Feldeffekttransistorpaar

Info

Publication number: DE3344975C2
Application number: DE3344975A
Authority: DE
Inventors: Eric John Reading Pa. Swanson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-12-20
Filing date: 1983-12-13
Publication date: 1986-01-23
Also published as: US4518926A; GB8333134D0; NL8304352A; JPS59119907A; IT8324198A0; GB2132435B; DE3344975A1; GB2132435A; IT1172447B; FR2538191A1; FR2538191B1; CA1205879A

Abstract

Ein Anreicherungstyp-(104) und ein Verarmungstyp-(102)-Paar von n-Kanal-MOS-Transistoren ist mit den Drain-Sourcestrecken in Reihe geschaltet und mit einer Versorgungsstromquelle (120) versehen. Die Gateelektroden (106) sind miteinander als Eingangsknotenpunkt verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel (100) ist das Halbleitermaterial der Transistoren mit der jeweiligen Sourceelektrode verbunden, und der Ausgang (118) liegt an der Sourceelektrode des Anreicherungstyp-Transistors (104), so daß ein Sourcefolger-Verstärker entsteht. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel liegt der Ausgang an der Drainelektrode des Verarmungstyp-Transistors, so daß man einen Verstärker mit gemeinsamer Sourceelektrode erhält. Zwei Sourcefolgerpaare sind zur Bildung einer Verstärkerstufe mit differentieller Eingangsstufe parallelgeschaltet. Ein Transistorpaar mit gemeinsamer Sourceelektrode bildet in Verbindung mit einem zusätzlichen Anreicherungstyp-Transistor einen Stromspiegel.

Description

F i g. 4 das Schaltbild einer Stromspiegelschaltung als viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der nachfolgenden Erläuterung wird angenommen, daß alle Transistoren n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren sind. Die Eingangs- oder Ausgangsspannung einer Schaltung an einem entsprechenden Knotenpunkt bezieht sich auf eine Bezugsspannung, beispielsweise ErdpotentiaL Verarmungstyp-Transistoren sind durch einen vereiterten Kanal zwischen der Source- und Drainelektrode gekennzeichnet

Beispiel gemäß F i g. 1

F i g. 1 zeigt einen Sourcefolgerverstärker 100 (analog einem Kathodenfolger in einer Schaltung unter Verwendung von Elektronenröhren) entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Verstärker enthält ein Paar von hinsichtlich ihrer Abmessungen ähnlichen MOS-Transistoren 102.104, deren Gateelektroden zusammengeschaltet sind und als Eingangssignal-Knotenpunkt iöö dienen. Der erste, obere Transistor 102 ist ein Verarmungstyp-Transistor, dessen Druaelektrode 108 mit einer positiven Versorgungsspannjuigsqueile Vdd verbunden ist Die Source-Elektrode 110 des Verarmungstyptransistors 102 ist mit der Drainelektrode 112 des zweiten, unteren Transistors 104, der ein Anreicherungstyp-Transistor ist, an einem gemeinsamen Knotenpunkt 114 verbunden. Die Sourceelektrode 116 des Anreicherungstyp-Transistors 104 stelle einen Ausgangssignal-Knotenpunkt 118 des Verstärkers 100 dar und ist in Reihe mit einer Versorgungsstromquelle 120 geschaltet Das Material des Halbleiterplättchens beider Transistoren 102,104 ist mit der jeweiligen Sourceelektrode 110, 116 verbunden. Statt dessen kann jedoch das Halbleitermaterial des Verarmungstyp-Transistors 102 mit der Sourcee'ekirode 116 des Anreicherungstyp-Transistors 104 verbunden werden.

Der Verstärker 100 hat die allgemeinen Eigenschaften einer Sourcefolgerschaltung. Während die Verstärkung nominell Eins ist, wurde sie zu typisch 0,9999 gemessen. Dies steht vorteilhaft einer typischen Verstärkung von 03900 gegenüber, die für eine einfache Sourcefolgeranordnung zu erwarten ist. Die Stromversorgungs-Störunterdrückungseigenschaften sind jedoch wesentlich gegenüber denen eines einzelnen, als Sourcefolger geschalteten Transistors verbessert, da der rehitiv hohe, der Versorgungsspannungsquelle Kdo an der Drainelektrode 108 des Verarmungstyp-Transistors 102 dargebotene Widerstand eine Kopplung der Spannungsquelle mit dem gemeinsamen Knotenpunkt 114 stark dämpft und von dort eine weitere Dämpfung zum A usgangsknotenpunkt 118 stattfindet.

Beispiel gemäß F i g. 2

F i g. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Verstärker 200 mit gemeinsamer Sourceelektrode, die einen oberen Verarmungstyp-Transistor 202 und einen unteren Anreicherungstyp-Transistor 204 aufweist, deren Gateelektroden zusammengeschaltet sind und einen Eingangsknotenpunkt 206 bilden. Die Drainelektrode 208 des Verarmungstyp-Transistors 202 bildet einen Ausgangsknoten 218 und ist in Reihe mit einer Stromquelle 220 geschaltet Die Sourceelektrode 210 des Transistor; 202 ist mit der Drainelektrode 212 des Anreicherungstyp-Transistors 204 an einem gemeinsamen Knotenpunkt 214 verbunden. Die Sourceelektrode 216 des Anreicherungstyp-Transistors 204 ist mit einer negativen Versorgungsspannung V_ss verbunden. Das Halbleitermaterial beider Transistoren 202, 204 ist mit der jeweiligen Sourceeiektrode 210 bzw. 216 verbunden. Wiederum kann das Halbleitermaterial des Verarmungstyp-Transistors statt dessen mit der Sourceelektrode 216 des Anreicherungstyp-Transistors 204 verbunden sein.

Der Verstärker 200 hat die allgemeinen Eigenschaften einer Schaltung mit gemeinsamer Sourceelektrode.

to Sie besitzt hohe Verstärkung aufgrund stark verringerter Aasgangsleitfähigkeit am Ausgangsknoten 218 und eine sehr wirkungsvolle Stromversorgungs-Störunterdrückung, da die Drain-Sourcespannung des Anreicherungstyp-Transistors 204 aufgrund der Kopplung der Gateelektrode mit dem Verarmungstyp-Transistor 202 sehr gut gesteuert ist

Beispiel gemäß F i g. 3

Fig.3 zeigt entsprechend ein.~i dritten Ausführungsbeispie! der Erfindung eine differentieüe Eingangsspanrmngs-Verstärkerstufe 300, die zwei Gate-gekoppelte Transistorpaare 302, 304 entsprechend dem obenbeschriebenen Beispiel gemäß F i g. 1 aufweist Die Transistorpaare sind parallel zueinander und in Reihe mit einer Stromquelle 306 geschaltet, die die Sourceelektroden der Anreicherungstyp-Transistoren mit einer negativen Versorgungsspannung Vss (Erde) schalten. Die differentiellen Eingangsknotenpunkte 308, 310 sind die zusammengeschalteten Gateelektrodenpaare. Dk Ausgangsknotenpunkte 312,314 sind die Drainelektroden der Verarmungstyp-Transistoren. Das Ausgangssignal ist ein Differenzstrom.
Die differentielle Eingangsstufe 300 liefert Vorteile ähnlich denen, die sich mit dem Verstärker 200 mit gemeinsamer Sourceeiekü-ode für jedes der differentiellen Eingangssignale erzielen lassen. Die Verstärker 302,304 mit gategekoppeltem Transistorpaar sind gegenüber bisher verwendeten Anordnungen dadurch von Vorteil, daß sie die Ausgangsimpedanz für die differentielle Betr:sbsweise erhöhen

Beispiel gemäß F i g. 4

Fig.4 zeigt entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Stromspiegel 400, der ein gategekoppeltes Transistorpaar mit einem Verarmungstyp- und einem Anreicherungstyp-Transistor 402 bzw. 404 zusammen mit einem weiteren Anreicherungstyp-Transistor 406 enthält. Die Gateelektroden der Transistoren 402,404 sind miteinander und mit der Gate- und der Drainelektrode des weiteren Anreicherun^styp-Transistors 406 verbunden. Dessen Halbleitermaterial ist mit seiner Sourceelektrode verbunden, die zusammen mit d?r Sourceelektrode des ersten Änreicherungstyp-Transistors 404 an einem gemeinsamen Knotenpunkt Hegt, der mit einer negativen Versorgungsspannung V55 verbunden ist. Die Drainelektrodc des zusätzlichen Anreicherungstyp-Transistors 406 liegt

eo in Reihe mit einer Stromquelle 408 an einem Eingangsknotenpunkt 410. Die Drainelektrode des Venirmungstyp-Transistors 402 ist mit einem Ausgangsknotenpunkt 412 verbunden.
UnterAnsprechen auf einen Eingangsstrom am Knotenpunkt 410 liefeK der Stromspiegel 400 einen verstärkten Ausgangsstrom am Knotenpunkt 412, der dem Eingangsstrom mit einem gewählten Festen Verhältnis genau folgt, und besitzt eine wirksame Stromversor-

gungs-Störunterdrückung. Das gategekoppelte Transistorpaar 402, 404 erhöht den Ausgangswiderstand des Stromspiegels 400 beträchtlich.

Die Ausgangssignale der obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele werden in typischer Weise mit Bezug auf Erdpotential geliefert. Der hier verwendete Ausdruck »Erdpotential« kann irgendein geeignetes Bszugspotentialsein.

Generell kann bei jedem der gategekoppelten Transistorpaare nach der Erfindung das Halbleitermaterial des Verarmungs-Transistors entweder mit der Sourceelektrode dieses Transistors oder mit der Sourceelektrode des Anreicherungstyp-Transistors verbunden werden. Die Wahl einer bestimmten Schaltung erfolgt in erster Linie im Hinblick auf die verfügbare Fläche des Halbleiterplättchens.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 42 47 824 bekannt, dieht dort aber nur als Kompensa- Patentansprüche: tionsschaltung für eine aus zwei Feldeffekttransistoren bestehende aktive Last eines Verstärkers.

1. Kaskadenschaltung eines ersten und zweiten Einzelne MOShbl-Transistoren (Metall-Oxid-Silici-Feldeffekttransistors gleichen Leitfähigkeitstyps mit 5 um-Feldeffekttransistoren) können auf zahlreiche beje einer Source-, Drain- und Gateelektrode, bei der kanEte Arten als Verstärker geschaltet sein, beispielsder erste Transistor (102, 202) ein Verarmungstyp weise in Schaltungen mit gemeinsamer Sourceelektro- und der zweite Transistor (104, 204) ein Anreiche- de, mit gemeinsamer Gateelektrode, mit gemeinsamer rungstyp ist, die Sourceelektrode des ersten Transi- Drainelektrode, als Source-Folger usw, am unterstors mit der Drainelektrode des zweiten Transistors io schiedliche Betriebseigenschaften zur Anpassung an ei- und die Gateelektroden des ersten und zweiten nen speziellen Zweck zu erzielen. Zwei solche Bauteile Transistors miteinander verbunden sind und eine können so miteinander verbunden werden, daß sich eine Betriebsspannung (Vdd, Vss) zwischen der Drain- Vielzahl von Eingangs- und Ausgangseigenschaften erelektrode des ersten und der Sourceelektrode des geben, die mit einem einzigen Bauteil nicht erreichbar zweiten Transistors anliegt, dadurch gekenn- :s sind. Ein Beispiel hierfür ist die allgemein verwendete zeichnet, »Kaskaden-Schaltung«, bei der das Bauteil einer ersten daß den verbundenen Gateelektroden ein Eingangs- Stufe in einer Schaltung mit gemeinsamer Sourceeleksignal (bei 106,206) zugeführt ist, trode betrieben wird, deren Ausgangssignal zum Eindaß zwischen die Drainelektrode des ersten Transi- gang eines zweiten Bauteils geht, das in einer Schaltung stors (2C2) oder die Sourceelektrode des zweiten 20 mit gemeinsamer Gateelektrode betrieben ist Man er-Transis$3fs (104) und den jeweils zugeordneten Be- hält dann einen Verstärker, der hohe Eingangsiinpetriebsspannungsanschluß eine Konstantstromquelle danz, niedriges Rauschen und hohe Verstärker besitzt
(120,220) geschaltet ist, und Wenn ein Paar von MOSFET-Bauteilen zur Erzielung daß ein dem Eingangssignal proportionales Aus- einer Verstärkung zusammengeschaltet wird, so muß gangssignal an dem mit der Sourceelektrode des er- 25 die Gateelektrode eines der Bauteile im allgemeinen mit sten bzw. der Drainelektrode des zweiten Transi- einer auf dem Halbleiterplättchen zur Verfügung stestors verbundenen Anschluß (bei 118,218) der Kon- henden Vorspannung versorgt werden, damit die Drainstantstromquelle (120,220) geliefert wird. Sourcespannung des anderen Bauteils hoch genug ist

2. Kaskadenschaltung nach dem Oberbegriff des um es in einen aktiven Betriebszustand zu bringen, in Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, 30 welchem eine größere Verstärkung erzielt wird. Die daß eine weitere, gleiche Kaskadenschaltung (304) Notwendigkeit eines solchen Spannungsgeneratoreines ersten und zweiten Feldeffekttransistors vor- Netzwerks auf dem gleichen Halbleiterplättchen führt gesehen ist zu einer erhöhten Kompliziertheit der Schaltung und daß die SourceelekWode des zweiten Transistors verschlechtert die Güte des Verstärkers in mehrfacher beider Kaskadenschaltungei. (302,304) miteinander 35 Hinsicht

verbunden sind und über eine Konstantstromquelle Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrun-

(306) am zugeordneten Anschluß (Vss) der Betriebs- de, ausgehend von einer Kaskadenschaltung nach dem

spannung liegen, Oberbegriff des Anspruchs 1 Verstärkerschaltungen zu

daß zu vergleichende Eingangssignale an die jeweils schaffen, die ohne eine zusätzlich Gate-Vorspannung

paarweise verbundenen Gateelektroden der beiden 40 auskommen und sich vielseitig einsetzen lassen. Die Lö-

Kaskadenschaltungen (302,304) angelegt sind und sung der Aufgabe für einen Source- oder Drainfolger-

daß an der Drainelektrode der ersten Transistoren verstärker ist im Anspruch 1 angegeben. Die Ansprüche

(bei 312, 314) ein Ausgangssignal proportional zur 2 und 3 enthalten Lösungen der Aufgabe für einen Dif-

Differenz der Eingangssignale geliefert wird. fererizverstärker bzw. einen Stromspiegel.

3. Kaskadenschaltung nach dem Oberbegriff des 45 Im Anreicherungsbetrieb sind keine Majoritätsla-Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet dungsträger, d. h. Elektronen, im η-Kanal zwischen der daß zur Bildung eines Stromspiegels ein dritter Feld- Source- und der Drainelektrode bei der Gatespannung effekttransistor (406) vom Anreicherungstyp mit sei- Null vorhanden. Im Verarmungsbetrieb sind dagegen ner Drain- und seiner Gateelektrode an die verbun- bei der Gatespannung Null freie Elektroden im Kanal denen Gateelektroden des ersten und zweiten Tran- 50 vorhanden. Eine positive Gatespannung zieht daher sistors (402,404) und mit seiner Sourceelektrode an Elektronen unter Erzeugung eines Schalteffektes in eidie Sourceelektrode des zweiten Transistors (404) nen n-Kanal-Anreicherungstyp-Transistor. In einem angeschaltet ist, Verarmungstyp-Transistor steuern positive und negatidaß die Sourceelektroden des zweiten und dritten ve Spannungen den Elektronenfluß, ohne ihn abzuschal-Transistors (404,406) an einem Betriebsspannungs- 55 ten.

anschluß (Vssr^liegen, Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeich-

daß der Drainelektrode des dritten Transistors (406) nungen beschrieben. Es zeigt

über eine Konstantstromquelle (408) ein Eingangs- F i g. 1 das Schaltbild einer Sourcefolger-Verstärkerstrom zugeführt wird und schaltung mit einem Anreicherungstyp- und einem Ver-

daß die Drainelektrode des ersten Transistors (402) 60 armungstyp-Transistor, die entsprechend einem Ausden gespiegelten Ausgangsstrom liefert führungsbeispiel der Erfindung miteinander verbunden

sind;

F i g. 2 das Schaltbild einer Verstärkerschaltung mit gemeinsamer Sourceelektrode entsprechend einem

Die Erfindung betrifft eine Kaskadenschaltung eines es zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
ersten und zweiten Feldeffekttransistors gleichen Leit- F i g. 3 das Schaltbild einer Differenzeingang-Schalfähigkeitstyps nach dem Oberbegriff des P&tentanspru- tung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel ches 1. Eine solche Schaltung ist aus der US-PS der Erfindung;