DE3409470C2 - Differentialverstärker mit bipolaren Transistoren in CMOS-Technik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differentialverstärker, aufgebaut aus Transistoren mit bipolarer Funktionscharakteristik, und sie bezieht sich insbesondere auf einen Differentialverstärker dieses Typs, der mit einem komplementären MOS-Technikstandard kompatibel ist.

Die gegenwärtige Entwicklung integrierter elektronischer Schaltkreise zeigt zunehmendes Interesse an der Möglichkeit, auf ein- und demselben Schaltkreis analoge und numerische Funktionen zu realisieren. Obwohl die bipolaren Techniken sich als interessanter für rein analoge Schaltungen erweisen, behalten die MOS-Techniken den Vorteil bei in großen Teilen numerischen Schaltungen. Zwar wurden Anstrengungen unternommen, um die Vorteile der bipolaren Technik und der MOS-Technik zu kombinieren, doch brachten diese Versuche entweder Modifikationen existierender Herstellungsverfahren mit sich oder ergaben Anordnungen nur sehr begrenzter Anwendbarkeit.

Als Beispiel für Verfahren, die modifiziert wurden zum Ermöglichen der Integration bipolarer Anordnungen und MOS-Anordnungen, ist auf die Veröffentlichung von M. Darwish und R. Taubenest "CMOS and complementary isolated bipolar transistor monolithic integration process" im Journal of the Electrochemical Society, Band 121, Nr. 8, August 1974, zu verweisen, wie auch auf die Veröffentlichung von Otto H. Shade, Jr., "Bimos micropower IC's" in IEEE Journal of Solid- State Circuits, Band SC-13, Nr. 6, Dezember 1978. Die Modifikationen der Verfahren bestehen hier aus zusätzlichen Fabrikationsschritten, was die Kosten erhöht und die Schaltkreisausbeute verringert.

Es wurden bereits bipolare Anordnungen vorgeschlagen, die mit einer MOS-Technik realisierbar sind, insbesondere in der Veröffentlichung von Yannis P. Tsividis et al. "A CMOS voltage reference" in IEEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-13, Nr. 6, Dez. 1978, sowie Eric A. Vittoz et al. "A low-voltages CMOS bandgap reference" in der gleichen Zeitschrift, Band SC-13, Nr. 3, Juni 1979. Eine Anordnung, wie sie in den genannten Veröffentlichungen beschrieben ist und häufig als "Substrat-MOS-Transistor" bezeichnet wird, ist in Fig. 1 dargestellt. In einem Substrat 1 vom n-Typ ist eine p-Typ-Wanne 2 ausgebildet. Eine n⁺-Diffusionszone 4 in der Wanne ist mit einer als Emitter dienenden Elektrode E verbunden, während die Wanne 2 mit einer Basiselektrode B verbunden ist und das Substrat 1 mit einer Kollektorelektrode C. Der so gebildete bipolare Transistor liegt, per definitionem, mit seinem Kollektor C auf dem Substratpotential, und dieses ist an eine positive Klemme einer Speisespannung angeschlossen. Man erkennt, daß die Anwendungsbereiche einer solchen Anordnung beschränkt sind.

Ein weiteres Beispiel für eine Anordnung, die vollständig kompatibel mit einem MOS-Technikstandard ist und die Charakteristiken eines bipolaren Transistors ohne die Beschränkung des Substrat-MOS-Transistors nach Fig. 1 aufweist, ist in Fig. 2 dargestellt. In einem Substrat 10 vom n-Typ wird beispielsweise durch eine Diffusion eine Wanne 11 vom p-Typ ausgebildet. Die Wanne 11 ist über eine Diffusionszone 12 vom Typ p⁺ mit einer Basiselektrode B verbunden, während zwei Diffusionszonen vom n⁺-Typ 14 mit einer Emitterelektrode E bzw. 13 mit einer Kollektorelektrode C verbunden sind. Ein Gitter 16 aus Metall oder polykristallinem dotiertem Silicium ist auf einem Oxydisolator 15 oberhalb des Raumes zwischen den beiden Diffusionszonen 13 und 14 angeordnet; es ist mit einer Gitterelektrode G verbunden. Das Substrat 10 ist mit einer Elektrode S über eine Diffusionszone 17 vom n⁺-Typ verbunden. Diese Struktur unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß der so gebildete Transistor eine Lateralstruktur aufweist. Die Gitterelektrode G liegt auf einem hinreichend negativen Potential, um die Inversion des Leitfähigkeitstyps der Zone zu vermeiden, die sich zwischen den Diffusionszonen 13 und 14 befindet. Man erkennt, daß es möglich ist, das Gitter 16 in dem Fall wegzulassen, wo man die Bildung eines Kanals in der Zone zwischen den Diffusionszonen 13 und 14 verhindern kann, indem beispielsweise in diese Zone p-Typ-Verunreinigungen implantiert werden. Die p-n- Sperrschicht zwischen Wanne 11 und Substrat 10 wird in Sperrrichtung polarisiert. Wenn die Emittersperrschicht n⁺-p in Durchlaßrichtung polarisiert wird, werden Elektronen in die Wanne 11 (verbunden mit der Baiselektrode B) emittiert, von denen ein Teil vom Kollektor C aufgefangen wird (wobei die n⁺-p-Kollektorsperrschicht in Sperrichtung polarisiert ist). Man kann demgemäß für diesen bipolaren Transistor eine Stromverstärkung

definieren, worin I_E bzw. I_C den Emitterstrom bzw. Kollektorstrom repräsentieren. α wird immer hinreichend kleiner als Eins sein. Die Stromverstärkung

hingegen kann ziemlich große Werte erreichen, was die Anordnung für die Praxis vollkommen brauchbar macht. Die Anordnung kann jedoch, so in bestimmten Anwendungsfällen, durchaus auch anstelle eines klassischen bipolaren Transistors verwendet werden, da es Fälle gibt, wo der niedrige und schlecht steuerbare Wert der Stromverstärkung α die Verwendung des klassischen bipolaren Schaltungsschemas verhindert. Dies gilt insbesondere in dem Fall, daß man mit Hilfe einer solchen Anordnung einen integrierten Differentialverstärker aufbauen möchte.

Als Differentialverstärker soll eine Schaltung angesehen werden, die ein als Differentialpaar bezeichnetes Paar von Transistoren umfaßt, deren Emitter an eine Stromquelle angeschlossen sind und deren Kollektorströme definiert werden durch die an die Transistorbasisanschlüsse angelegten Signale. Derartige Schaltkreise werden üblicherweise für die Verstärkung einer Differenz zwischen zwei Signalen verwendet, und in diesem Falle ist die Ausgangsgröße eine Spannung. Andere Schaltkreise werden verwendet, um eine "Stromabtastung" zu realisieren, und in diesem Falle kann die Ausgangsgröße ein Strom sein.

Gegenstand der Erfindung ist ein Differentialverstärker, der mit Hilfe der bipolaren Anordnung realisiert wird, deren Stromverstärkungswert α klein und schlecht definiert ist.

Die Erfindung wird durch den Patentanspruch 1 definiert; die Unteransprüche definieren bevorzugte Ausgestaltungen des Konzepts gemäß Anspruch 1.

Die US-PS 42 13 098 offenbart einen aus MOS-Transistoren aufgebauten Differentialverstärker mit einer Rückkopplungsschleife zum Stabilisieren der Source-Drain-Spannungen trotz Prozeßvariationen bei der Wafer-Herstellung.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Differentialverstärker, der vollständig mit einem CMOS-Technikstandard kompatibel ist.

Ausgehend von den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen werden diese Ziele durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs genannten Merkmale erreicht. Demgemäß umfaßt der Differentialverstärker gemäß der Erfindung ein erstes Transistorpaar mit bipolarer Funktionscharakteristik, wobei die Emitter der Transistoren miteinander verbunden sind, die Kollektoren an eine Last angeschlossen sind und von denen mindestens ein Basisanschluß einen Eingang des Differentialverstärkers bildet. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus ein zweites Transistorpaar identisch mit den Transistoren des ersten Paares vorgesehen, deren Emitter mit den Emittern des ersten Transistorpaares verbunden sind. Dei Basisanschlüsse des zweiten Transistorpaares sind mit den Basisanschlüssen der Transistoren des ersten Paares jeweils durchverbunden, und die Kollektorkreise werden von einer ersten Stromquelle angespeist. Eine Regelschaltung ist vorgesehen zwischen den Kollektorkreisen der Transistoren des zweiten Paares und dem gemeinsamen Anschlußpunkt der Emitter beider Transistorpaare derart, daß die Summe der Kollektorströme der Transistoren des ersten Paares gleich gehalten wird dem Strom, der von der Stromquelle geliefert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf Ausführungsbeispiele bezieht, welche in den Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt einen bipolaren Substrat-MOS- Transistor nach dem Stand der Technik.,

Fig. 2 zeigt einen anderen bipolaren Transistor, hergestellt mit Hilfe der MOS-Technik.

Fig. 3 zeigt in schematischer Form einen Differentialverstärker gemäß der Erfindung.

Fig. 4.a zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform des Verstärkers A nach Fig. 3.

Fig. 4.b ist eine Kennlinie der Schaltung nach Fig. 4.a.

Fig. 5.a zeigt ein weiteres Beispiel für die Realisierung des Verstärkers A aus Fig. 3.

Fig. 5.b zeigt die zugehörige Kennlinie.

Fig. 6 zeigt eine Variante der Schaltung nach Fig. 5.a.

Fig. 7.a zeigt ein weiteres Beisiel für die Realisierung des Verstärkers A aus Fig. 3, und

Fig. 7.b zeigt die zugehörige Kennlinie der Schaltung nach Fig. 7.a.

Fig. 3 zeigt in schemaischer Form einen Differentialverstärker gemäß der Erfindung. Er umfaßt in herkömmlicher Weise zwei bipolare Transistoren von npn-Typ T1 bzw. T2, deren Emitter miteinander verbunden sind, deren Kollektoren über eine Belastung R_L an einer Klemme V_cc einer Speisespannungsquelle liegen und deren Basen die Eingangsklemmen E+ bzw. E- darstellen, wobei der Kollektor des Transistors T2 an eine Ausgangsklemme SO gelegt ist. Bei herkömmlichen Schaltungen in Bipolartechnologie ist die Summe der Emitterströme festgelegt durch einen Stromgenerator, der in Serie mit den Emittern geschaltet ist. Da die Stromverstärkung α der Transistoren sehr nahe bei Eins liegt, ist demgemäß die Summe der Kollektorströme ebenfalls konstant und bestimmt. Bei in MOS-Technik ausgeführten bipolaren Transistoren, wie bei dem Transistor nach Fig. 2, ist jedoch die Stromverstärkung α nicht nur abweichend von 1, sondern darüber hinaus von einer Integration zur anderen nicht definiert. Es ist demgemäß nicht möglich, in diesem Falle das gleiche Polarisationsprinzip wie in den herkömmlichen Schaltungen zu verwenden. Deshalb wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den beiden Transistoren T1 und T2 zwei weitere Transistoren T3 bzw. T4 zuzuordnen, die mit den ersten identisch sind, deren Basis und Emitterelektroden mit den entsprechenden Elektroden der Transistoren T1 und T2 verbunden sind und deren Kollektoren miteinander sowie mit einer Stromspeisequelle G0 einen Strom I0 liefert. Der gemeinsame Punkt der Kollektoren T3 und T4 wird über eine Verbindung 20 an den Eingang eines Transkonduktanzverstärkers A gelegt. Dieser Verstärker A liefert an seinem Ausgang einen Strom I, der in ansteigender Weise sich mit der Spannung V ändert, die an seinem Eingang liegt. Der Strom I am Ausgang des Verstärkers A repräsentiert die Summe der Emitterströme des Transistors T1 bis T4, die in Leitung 30 fließen. Wenn die gesamte Baugruppe richtig dimensioniert ist und wenn die Kollektor-Emitter-Spannung der Transistoren T1 bis T4 oberhalb einigen Zehntel Volt liegt besitzt die Schaltung einen Gleichgewichtspunkt P, für den gilt: IC1+IC2=IC34=I0; dem entspricht I=2 · I0/α. Bei diesem Gleichgewichtspunkt nimmt die Spannung V am Eingang des Verstärkers A den Wert V0 an, der so sein muß, daß die Kollektor-Emitter-Spannung von T3 und T4 über einigen Zehnteln Volt liegt.

Zwar sind in Fig. 3 die Transistoren T1 bis T4 wie herkömmliche bipolare Transistoren gezeichnet, doch versteht es sich, daß das Schema nach Fig. 3 sich besonders eignet für den Fall von Transistoren, deren Stromverstärkung α schlecht definiert ist wie die Transistoren nach Fig. 2. Wenn Transistoren, wie in Fig. 2 dargestellt, verwendet werden, weisen sie eine Gitterelektrode (Klemme G der Fig. 2) und eine Elektrode auf, die mit dem Substrat verbunden ist (Klemme S in Fig. 2). Für jeden der Transistoren T1 bis T4 muß die Gitterelektrode auf ein Potential gelegt werden, das hinreichend negativ ist relativ zum Emitter, um keine Leitfähigkeitsinversion in der vom Gitter überdeckten Zone zu haben. Praktischerweise kann diese Gitterelektrode an die negative Klemme der Stromversorgung der Schaltung (Klemme O in Fig. 3) gelegt werden. Die mit dem Substrat verbundene Elektrode muß auf einem solchen Potential liegen, daß für jeden der Transistoren T1 bis T4 die Sperrschicht Wanne 11/Substrat 10 (Fig. 2) in Sperrichtung polarisiert ist. Praktischerweise wird das Substrat an die positive Klemme V_cc der Stromversorgung der Schaltung gelegt. Die Lastwiderstände R_L in Serie mit den Kollektoren von T1 und T2 können mit Hilfe von MOS- Transistoren gebildet werden, die als Diode geschaltet werden oder durch äquivalente Mittel. Insbesondere können diese Lastkomponenten von einer zugeordneten Schaltung gebildet werden, die den Kollektoren der Transistoren T1 und T2 gegebene Ströme zuführt. Man erkennt, daß wegen der paarweisen Verbindung der Basen (Transisitoren T1/T3 und T2/T4) diese Transistoren jeweils in ein und derselben Wanne ausgebildet werden können.

Fig. 4.a zeigt ein Beispiel für die Realisierung des Verstärkers A aus Fig. 3, und Fig. 4.b zeigt die Kennlinie der Schaltung nach Fig. 4.a. Der Verstärker A aus Fig. 4.a umfaßt einen MOS-Transistor T5 mit p- Kanal, in Serie geschaltet mit einer Stromquelle Gp zwischen die Speiseklemmen der Schaltung. Das Gitter von T5, angeschlossen an die Kollektoren T3 und T4 (Fig. 3) über Verbindung 20, liegt auf einem Potential V. Der Ausgangsstrom I des Verstärkers auf Leitung 30 ist: I=Ip-ID5, worin Ip der von der Stromquelle Gp gelieferte Strom ist und ID5 der Drainstrom des Transistors T5 ist. Die Veränderung des Ausgangsstromes I in Abhängigkeit von der Eingangsspannung V des Verstärkers A ist in Fig. 4.b dargestellt. Wenn der Strom Ip größer ist als 2 · I0/α wird das Gleichgewicht der Schaltung erreicht für einen Ausgangsstromwert gleich der Größe 2 · I0/α, dem eine Eingangsspannung V gleich V0 entspricht. Es ist klar, daß zum Erfüllen der Bedingung für einen Wert des Stromes Ip es möglich ist, diesen Strom auf den Strom I0 zu regeln, beispielsweise durch Stromspiegelung, deren Verhältnis größer ist als der Maximalwert von 2/α.

Fig. 5.a zeigt ein anderes Beispiel für die Realisierung des Verstärkers A, und Fig. 5.b zeigt die Kennlinie der Schaltung nach Fig. 5.a. Der Verstärker A nach Fig. 5.a umfaßt einen MOS-Transistor T5 mit n-Kanal, dessen Source auf einem Potential Vp relativ zur Klemme O der Versorgungsspannung liegt. Der Drainstrom ID5 von T5 wird in einen Ausgangsstrom I transformiert mittels zweier Stromspiegel, gebildet von MOS-Transistoren mit p-Kanal T6 und T7 für den ersten und MOS-Transistoren mit n-Kanal T8 und T9 für den zweiten. Fig. 5.b zeigt die Veränderung des Ausgangsstromes I des Verstärkers A in Abhängigkeit von der Spannung V des Gitters von T5. Der Punkt P mit den Koordinaten V0 und 2 · I0/α entspricht dem Gleichgewichtspunkt des Schaltkreises. Die Spannung Vp muß hinreichend hoch liegen, um eine Kollektoremitterspannung von T3 und T4 oberhalb einigen Zehntel Volt zu gewährleisten.

Fig. 6 zeigt, wie die Source-Spannung von T5 auf das Niveau der angelegten Eingangsspannung an der Eingangsklemme E- (Fig. 3) des Differentialverstärkers geregelt werden kann. Die Eingangsklemme E- ist mit dem Gitter eines MOS-Transistors mit P-Kanal T10 verbunden, dessen Drainanschluß an der Klemme O der Schaltung liegt und dessen Source mit dem Sourceanschluß von T5 verbunden ist. Die Spannung Vp, relativ zur Klemme O des Sourceanschlusses von T5 wird auf diese Weise auf die Eingangsspannung des Differentialverstärkers geregelt.

Fig. 7.a zeigt ein anderes Beispiel für die Realisierung des Verstärkers A, und Fig. 7.b zeigt die zugehörige Kennlinie. Der Verstärker A gemäß Fig. 7.a umfaßt einen MOS- Transistor mit n-Kanal T5, der in Drainbasisschaltung betrieben wird und von einem Strompegel belastet ist, gebildet von den Transisitoren T11 und T12. Die Eingangsspannung V des Gitters von T5 ist gleich der Summe der Gitter- Source-Spannungen der Transistoren T11 und T5, durchflossen von einem Strom , worin K das Verhältnis der Ströme des Stromspiegels ist, gebildet von T11 und T12. Die Gleichgewichtsspannung V0, bei der der Ausgangsstrom I gleich 2 · I0/α ist (Fig. 7.b) kann vergrößert werden durch Hinzufügen, zwischen T5 und T11, eines oder mehrerer Elemente, die einen Spannungsabfall hervorrufen, wie beispielsweise die Transistoren T13 und T14 in Diodenschaltung, die in Fig. 7.a gestrichelt angedeutet sind.

Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, doch versteht es sich, daß sie nicht auf diese Beispiele beschränkt ist und daß Modifikationen oder Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundprinzip abzuweichen. Die Erfindung ist nämlich gleichermaßen anwendbar im Falle einer MOS- Technik, die auf der Verwendung eines p-Substrats und einer Wanne vom n-Typ basiert. Darüber hinaus wurde bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele zwar auf eine bestimmte bipolare Anordnung abgestellt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, doch versteht sich leicht, daß die Erfindung sich ganz allgemein auf jede bipolare Anordnung anwenden läßt, wo die Stromverstärkung niedrig und schlecht definiert ist.

Claims (9)

1. Differentialverstärker mit einem ersten Paar von Bipolar-Transistoren (T1, T2), deren Emitter miteinander verbunden sind, deren Kollektoren über je eine Last (R_L) an einer ersten Versorgungsklemme liegen und deren Basen die Eingänge des Verstärkers bilden, mit einem zweiten Paar von Bipolar-Transistoren (T3, T4), deren Emitter mit denen des ersten Paares verbunden sind, deren Basen paarweise mit denen des ersten Paares verbunden sind und deren Kollektoren von einer Stromquelle gespeist werden, wobei jeder der Transistoren (T1-T4) wie folgt aufgebaut ist:

• - in einem Substrat ersten Leitfähigkeitstyps (n) ist eine Wanne zweiten Leitfähigkeitstyps (p) ausgebildet,
• - in der Wanne sind ein Emitterbereich (14) ersten Leitfähigkeitstyps und benachbart dazu ein Kollektorbereich (13) desselben Leitfähigkeitstyps sowie ein Basiskontakt (12) ausgebildet,
• - über dem Bereich zwischen Emitter und Kollektor ist isoliert eine Polarisationselektrode (16) ausgebildet,
• - das Substrat weist einen Polarisationskontakt (17) auf,
• - die Polarisationselektrode und der Substratkontakt liegen an den Versorgungsspannungen derart, daß die Wanne vom Substrat isoliert wird und Leitfähigkeitsinversion in der von der Polarisationselektrode überdeckten Zone unterbunden wird,

und wobei zwischen den Kollektoren des zweiten Paares und dem gemeinsamen Emitteranschluß eine Regelschaltung (20, A, 30) liegt, um die Summe der Kollektorströme des ersten Paares gleich dem von der Stromquelle dem zweiten Transistorpaar zugeführten Strom zu regeln.

2. Differentialverstärkerschaltung nach Anspruch 1, bei dem die Regelschaltung einen Transkonduktanzverstärker umfaßt, dessen Eingang mit den Kollektoren des zweiten Transistorpaares verbunden ist.

3. Differentialverstärker nach Anspruch 2, bei dem der Transkonduktanzverstärker einen ersten MOS-Transistor umfaßt, dessen Gate den Eingang bildet, dessen Source mit einer ersten Klemme der Speisequelle verbunden und dessen Drain mit dem gemeinsamen Emitteranschluß beider Bipolar- Transistorpaare verbunden ist, und bei dem eine zweite Stromquelle zwischen dem Drainanschluß des MOS-Transistors und die zweite Klemme der Speisequelle gelegt ist, wobei der von der zweiten Stromquelle gelieferte Strom größer ist als 2 · I0/α, worin I0 der von der ersten Stromquelle gelieferte Strom ist und α das Verhältnis des Kollektorstroms zum Emitterstrom der Transistoren des ersten und zweiten Paares.

4. Differentialverstärker nach Anspruch 2, bei dem der Transkonduktanzverstärker einen ersten MOS-Transistor umfaßt, dessen Gate den Eingang bildet, dessen Source mit einer Spannungsquelle verbunden ist und dessen Drain über zwei Stromspiegel mit dem gemeinsamen Emitteranschluß der Bipolar-Transistoren verbunden ist.

5. Differentialverstärker nach Anspruch 4, bei dem die Spannungsquelle von einem zweiten MOS-Transistor gebildet ist mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt dem des ersten MOS-Transistors, dessen Source mit der Source des ersten MOS-Transistors verbunden ist, dessen Drain mit einer Klemme der Speisequelle verbunden ist und dessen Gate mit der Basis eines der Bipolar-Transistoren des ersten Paares verbunden ist.

6. Differentialverstärker nach Anspruch 2, bei dem der Transkonduktanzverstärker einen ersten MOS-Transistor umfaßt, dessen Gate den Eingang bildet, dessen Drain mit einer Klemme der Speisequelle verbunden ist und dessen Source an den gemeinsamen Emitteranschluß der Bipolar- Transistoren über einen Stromspiegel gekoppelt ist.

7. Differentialverstärker nach Anspruch 6, bei dem mindestens ein einen Spannungsabfall bewirkendes Element zwischen den Sourceanschluß des ersten MOS-Transistors und den Stromspiegel geschaltet ist.

8. Differentialverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die beiden Transistoren jedes Bipolar-Transistorpaares in einer gemeinsamen Wanne ausgebildet sind.